第二章 人眼的视觉特性与图像探测 Date1第二章 人眼的视觉特性与图像探测 各种光电成像系统或器件都是人类用以改 善和扩展视觉性能的辅助工具，人类的眼睛借 助这些辅助工具获得人眼不能直接得到的图像 信息。Date2第二章 人眼的视觉特性与图像探测 2.1 人眼的视觉特性与模型1. 人眼的构造Date3第二章 人眼的视觉特性与图像探测 人眼的主要组成部分：由角膜、虹膜、晶状体、睫 状体和玻璃体组成的光学系统；构成人眼视觉关键 部分的视网膜敏感和信号处理部分，带有盲点和黄 斑；信号传输和显示系统的视神经和大脑。复杂多层网格结构的视网膜：与玻璃体相接触的 部分，是神经细胞层，神经的末端是神经细胞(细胞 元)。光线经光学系统进入视网膜，视网膜中的感光细 胞吸收光并发生化学分解作用引起视觉刺激，视觉刺 激以电信号形式传输至大脑产生视觉。Date4第二章 人眼的视觉特性与图像探测 视网膜的神经细胞：锥状细胞，具有高分辨力 和颜色分辨能力；杆状细胞：视觉灵敏度比锥状细 胞高几千倍，但不能分辨颜色。盲点和黄斑：盲点部分没有感光细胞，是不感 光的盲区，盲区是视网膜上不起视觉作用的区域； 黄斑中心凹处完全没有杆状细胞，具有最高的视觉分 辨力，黄斑有问题，则视力也有问题。 2. 人眼的视觉特性 (a) 视觉的适应人眼视觉响应随着外界视场亮度的变化可分三类 :Date5第二章 人眼的视觉特性与图像探测 明视觉响应：人眼适应大于或等于3cd/m2的视场亮 度时，视觉由锥状细胞起作用。暗视觉响应：人眼适应小于或等于310-5cd/m2的视 场亮度时，视觉由杆状细胞起作用。（夜间的灰白）中介视觉响应：视场亮度介于明、暗视觉响应之间时 ,视觉响应逐渐由锥状细胞转向杆状细胞起作用。当视场亮度发生突变时，人眼的适应主要包括明 暗适应和色彩适应。Date6第二章 人眼的视觉特性与图像探测 适应过程的调节分两方面：人眼的明暗视觉适 应：在28mm之间自动调节瞳孔的大小，改变进入 人眼的光通量。 A: 亮适应：对视场亮度由暗突然到 亮的适应，大约需要23min；B: 暗适应：对视场亮 度由亮突然到暗的适应，大约需要45min。 人眼 的色彩适应：视细胞感光机制的适应，由视细胞中的 视紫红质色素在光的刺激下完成。由于视紫红质色素 的产生与消失，达到新的平衡所需要的时间延迟就是 色彩适应。Date7第二章 人眼的视觉特性与图像探测 (b) 人眼的绝对视觉阈所谓人眼的绝对视觉阈，是在充分暗适应的状态 下，全黑视场中，人眼感觉到的最小光刺激值(用照 度表示，单位lx)，在10-9数量级。在一定背景亮度Lb的条件下(10-91cd/m2)，人 眼能观察到的最小照度Emin约当Lb16.4cd/m2后产生炫目现象，绝对视觉阈值也 迅速提高。炫目亮度L0与像场亮度L的数值关系为：Date8第二章 人眼的视觉特性与图像探测 (c) 人眼的阈值对比度阈值对比度是指在一定背景下把目标鉴别出来所 必须的目标在背景中的衬度(对比度C)。 目标在背景中的衬度用对比度C表示：C的倒数成为反衬灵敏度。Wald定律：背景亮度Lb、对比度C和人眼所能探测 目标的张角之间具有的关系式对于小目标 7，则x=2，得到Rose定律：Date9第二章 人眼的视觉特性与图像探测 人眼的视觉特性与视场亮度、目标对比度和目标 大小有关。 (d) 人眼的光谱灵敏度人眼对不同波长的光具有不同的灵敏度响应，不 同人的眼睛，对波长灵敏度响应也有差异。在可见光区域内， 任意波长与555 nm波 长处的辐射功率之比 称为光谱灵敏度，其 构成的曲线就称为光 谱响应曲线。512555 /nm暗视觉明视觉Date10第二章 人眼的视觉特性与图像探测 (e) 人眼的分辨力 眼睛的分辨力（视力）：人眼极限分辨角的倒数称 为人眼的分辨力，是人眼能区分亮发光点的最小角 距离。 影响眼睛分辨力的因素：内因：与眼睛的构造有关； 外因：决定于目标的亮度与对比度；人眼会随外界条 件(背景亮度、对比度)的不同自动进行适应，从而有 不同的极限分辨角。表2-3。照度变化对分辨力也有 很大影响，不同照度下其分辨角也不一样。实际工作中，人眼的分辨角可按经验公式估算：Date11第二章 人眼的视觉特性与图像探测 (f) 视觉系统的调制传递函数MTF视觉系统的MTF由眼球光学系统、视网膜等各部分 是MTF的乘积构成，图2-9。人眼的分辨力表征了眼睛分辨两点或两线的能力，但 是没有普遍性，有局限。引进光学调制传递函数来表 征人眼图像传递和复现的性能。MTF评价视觉特性的优点：MTF曲线可推断由单纯 视力测定难以了解的视觉功能；对视网膜、信息处理 系统的特性做统一的数学处理；按MTF推断各种图 像的像质特性、知觉特性；用激光干涉技术，把眼球 的成像系统和大脑处理系统加以分离并作出评价。 Date12第二章 人眼的视觉特性与图像探测 视觉系统MTF的模型：高斯型、指数型、Barten模 型和复合视觉模型。P37-392.2 图像探测理论与图像探测方程光电成像突破了人眼的时间灵敏阈限制，由光电 变换将输入的弱光图像加以增强，并输出强光图像， 以便于人眼观察。光电成像的增强作用是否不受任何限制？Date13第二章 人眼的视觉特性与图像探测 图像探测灵敏阈：光电成像系统的图像探测极限。影响图像探测极限的因素：景物细节的辐射亮度或 单位面积的辐射强度；景物细节对光电成像系统接 收孔径的张角；景物细节与背景之间的辐射对比度 。通常用探测到图像细节的最小张角与最低辐射亮 度两者关系曲线表示图像探测极限。选定各种不同的、确定的辐射对比度测定上述曲 线图像探测特性曲线，该曲线定量地表明了光电成 像系统的图像探测灵敏度，图像探测曲线的解析表达 式称为图像探测方程。 Date14第二章 人眼的视觉特性与图像探测 2.2 一、 图像的信噪比图像的亮暗反映了图像上相邻两个像元辐射的量 子数不一样(即图像细节)，量子数的不一样最终构成 了图像信号，图像的信号值图像的噪声值图像的信噪比Date15第二章 人眼的视觉特性与图像探测 2.2 二、 光电成像系统的图像探测方程1 光电成像输出的图像信号表达式式中，r是系统接收孔径的半径，是光电转换的量子 效率，是有效积分时间，是像元边长对系统的张 角，Q是每lm光通量在每秒所通过的光子数。2 光电成像输出的图像噪声表达式Date16第二章 人眼的视觉特性与图像探测 3 光电成像输出的图像信噪比引入光学中的对比度C和平均亮度Bm，有Date17第二章 人眼的视觉特性与图像探测 4 光电成像的图像探测方程当满足上式时，图像可以被探测到。该表达式包含两 类参数：表征图像：图像的平均亮度Bm，图像的 对比度C，图像的视角；表征光电成像系统：光 电成像系统的接收孔径D，光电成像的光电转换量子 效率，光电成像的有效积分时间。上式定量的描述了图像探测特性， Bm 、 、 C决定的 图像细节可以被D、确定的光电成像系统探测到。 Date18第二章 人眼的视觉特性与图像探测 5 图像探测灵敏阈图像探测方程的极限值对应图像探测灵敏阈。由 该方程可以得到系统的图像探测特性，图2-10。*图像探测方程只考虑了光电成像的光电转换量子噪 声，忽略了其他噪声和像差，对应的图像探测灵敏阈 只是量子极限。Date19第二章 人眼的视觉特性与图像探测 其他常见的图像探测方程有：2.2 三、 图像探测方程的其他表示形式罗斯(A. Rose)方程，式(2-43);戴维斯(H. L. Devrice)方程，式(2-44);考特曼(J. H. Coltoman)方程，式(2-45);怕赛普(E. C. Pathep)方程，式(2-46);理查德(E. A. Richards)方程，式(2-47)。2.3 目标的探测与识别Date20第二章 人眼的视觉特性与图像探测 2.3 一、 目标搜索的一般原理人眼在搜索目标像时，眼睛的连续响应可分为探 测(发现)、定向、识别和辨别四个等级(探测水平: 将 系统性能与人眼视觉相结合的视觉能力评价，需通过 视觉心理实验来完成)。每个等级的定义见表2-6.如果每一项搜索任务都是相互独立的，即：某一 搜索任务的发生不影响下一个搜索任务发生的概率， 则搜索概率可表示为各独立任务(事件)的概率乘积：Iden、Ren等搜索等级的意义见表2-7。一般情 况，建立目标探测-识别模型都是以彼此独立的几个 因素来分析研究。Date21第二章 人眼的视觉特性与图像探测 2.3 二、 约翰逊准则（探测水平）约翰逊准则：用等效条带图案的可分辨力来预测 、评价目标的探测和识别，并且各探测水平所需的条 带周期数有确定值。表2-6.等效条带图案：一组黑白间隔相等的条带状图案 ，其总高度为基本上能被识别的目标临界尺寸，条带 长度为垂直于临界尺寸方向的横跨目标尺寸。可分辨力：目标临界尺寸中所包含的可分辨条带 数，用“周/临界尺寸”表示。Date22第二章 人眼的视觉特性与图像探测 2.3 三、 目标探测识别模型搜索目标像的过程：在一个完全确定的面积上 谨慎地搜索；根据所搜索目标与周围景物的亮度对 比进行对比度探测；根据对比度形成的外形轮廓进 行识别。显示图像伴随的噪声将干扰搜索中- 各过程的实施。上述搜索过程的条件：假定短时内搜索复杂视场 中的目标是已知的或者是提示过的且熟悉目标，目标 在视场中确实存在；不考虑监视某一目标在市场中 的出现或对目标结构完全无知的情况。Rand探测识别模型(Rand模型):Date23第二章 人眼的视觉特性与图像探测 其中，PR是显示器上目标的识别概率，P1是搜索一 个确定的包含有目标的面积时，扫视到目标的概率； P2是扫视到的目标被探测的概率，称为对比度探测； P3是探测到的目标被识别的概率；是总的噪声引起 的衰减因子。 P1项： 1. 人眼目视搜索时的运动目标探测识别模型不考虑对比度很高或者尺寸 很大的目标（极易探测）。利用视网膜中心凹对不易 发现的目标进行系统、周密地搜索。Date24第二章 人眼的视觉特性与图像探测 凝视：固定的对某一点进行注视称为凝视；人眼 注视一点后迅速地移到另一点进行注视，该过程称为 扫视。凝视中心：被凝视的点称为凝视中心。瞥见时间：对某个固定的点进行凝视的时间称为 瞥见时间。通常，人眼的瞥见时间为1/3s。瞥见孔径：瞥见存在的有效扫描孔径称为瞥见孔 径，对应的面积为Ag。人眼自动地根据目标特性(表 观尺寸、对比度)和周围景物的性质（结构复杂性、 密集程度）调整凝视中心之间的距离，凝视中心也随 着目标和场景特点变化。 Date25第二章 人眼的视觉特性与图像探测 瞥见孔径与目标特性和景物性质的关系：其中，AT是目标的面积，k是与景物密集程度有关的 参数，在10100之间取值，或者是1001000(少)。 2. P1项的表达式式中，K是常数，As是搜索面积，t是搜索时间。引入密集因子G(110取值)，根据景物密集程度 选择，K=K0/G，K0 (取值100)是标称值，则：Date26第二章 人眼的视觉特性与图像探测 P2项：对比度探测：当目标对相邻背景的对比度大于阈 值对比度时，目标就有被探测到的可能，因此概率P2 涉及到人眼视觉系统的对比度探测过程。式中，C是人眼可利用的实际观察对比度(显示器上 的显示对比度)，CT是目标的阈值对比度。Date27第二章 人眼的视觉特性与图像探测 考虑系统振动等因素后，目标阈值对比度CT可 近似为：式中，是对目标的张角。对固有对比度C0的目标，经大气和成像系统后由 (*)式确定探测概率P2。 P3项：Date28第二章 人眼的视觉特性与图像探测 参数Nr由目标临界尺寸中所包含的独立可探测点 确定，计算过程如下：计算显示器上实际目标像对人眼张角及目标 的显示对比度C；Nr=/由阈值对比度近似公式确定50%探测概率下的 最小可探测角；由