人眼的视觉特性与图像探测

2 2
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= πL1r α Qτη
2 2
第二章 人眼的视觉特性与图像探测
理想条件下光电成像的图像 探测方程
光电成像所输出的图像信号表达式： 式中L 式中 L 、 Φ 表示两个边长为 h 的正方 表示两个边长为h 形相邻像元的辐射亮度和辐射通量 （ 功率） ， φ 为像元与探测器表面 功率 ） 的法线交角。 的法线交角。p为像元瞬间发射出的 量子数， 为像元与成像系统距离， 量子数，d为像元与成像系统距离， r 为成像系统孔径的半径 ， τ 为有效 为成像系统孔径的半径， 积分时间， 为量子效率， 积分时间，η为量子效率，Q为每流 明光通量在每秒内所通过的光子数。 明光通量在每秒内所通过的光子数。 光电成像系统输出的 图像信噪
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第二章 人眼的视觉特性与图像探测
图像信号与图像噪声
图像信号：光电成像系统在有效积分时间内 图像信号 ：光电成像系统在有效积分时间内 接收到两个相邻的像元的辐射量子数的平均 n 值分别为 n1 和 2 ，此时，系统能否分辨出这两 此时， 个像元， 个像元，取决于 n1 与n2 的差异。故图像信号值 的差异。 可以表示为右式： 图像噪声（ 光子噪声） 图像噪声 （ 光子噪声 ） ：各像元所辐射的光 子数的瞬时值n 统计平均值的偏差称为“ 子数的瞬时值 n 统计平均值的偏差称为 “ 涨 落 ” ， 用均方根表示 ， 由于光子发射服从泊 用均方根表示， 松分布， 松分布，故其均方根值可表示为右式： 图像信噪比： 图像信噪比：
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视网膜
视网膜的结构
杆状细胞 锥状细胞
视细胞的分布
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视觉的适应
明视觉 暗视觉 中介视觉 颜色适应
暗视觉 中介视觉 明视觉
3×10-5cd/m2 ×
3cd/m2
3×105cd/m2 ×
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人眼的视觉特性
绝对视觉阈：全黑视场下，人眼感觉到的最小光刺激值， 绝对视觉阈：全黑视场下，人眼感觉到的最小光刺激值， 约10－9 lx量级。 lx量级。
10-3lx
第二章 人眼的视觉特性与图像探测
2.2. 图像探测理论与图像方程 图像信号与图像噪声 理想条件下光电成像的图像探测方程 2.3. 目标的探测与识别
理论分析证明：光电成像存在着图像探测的极限值，这一极限称为图像 图像 探测灵敏阈。 探测灵敏阈 一个景物的细节能否被光电成像系统所探测到，即形成一个可以被人眼 识别的输出图像，与如下三个因素相关。 景物细节的辐射亮度（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。
人眼的分辨力：人眼能区分 两发光点的最小角距离称为 极限分辨角θ 极限分辨角θ，其倒数为人 眼分辨力。
从内因分析，影响分辨力的 因素为眼睛的构造。 从外因分析，是目标的亮度 与对比度。 人眼会根据外界条件自动进行 适应，从而可以得到不同的 极限分辨角。
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暗视觉
明视觉
人眼观察物体的要求 灵敏度：以量子阈值表示时，最小可探测的视觉刺激是58 145 以量子阈值表示时，最小可探测的视觉刺激是58~145 58
理想条件下光电成像的图像 探测方程
光电成像所输出的图像信号表达式： 式中L 式中 L 、 Φ 表示两个边长为 h 的正方 表示两个边长为h 形相邻像元的辐射亮度和辐射通量 （ 功率） ， φ 为像元与探测器表面 功率 ） 的法线交角。 的法线交角。p为像元瞬间发射出的 量子数， 为像元与成像系统距离， 量子数，d为像元与成像系统距离， r 为成像系统孔径的半径 ， τ 为有效 为成像系统孔径的半径， 积分时间， 为量子效率， 积分时间，η为量子效率，Q为每流 明光通量在每秒内所通过的光子数。 明光通量在每秒内所通过的光子数。
个蓝绿光(波长为0.51µm)的光子轰击角膜引起的，据估算， 个蓝绿光(波长为0.51µm)的光子轰击角膜引起的，据估算，这一 0.51 的光子轰击角膜引起的 刺激只有5 14个光子实际到达并作用于视网膜上。 14个光子实际到达并作用于视网膜上 刺激只有5~14个光子实际到达并作用于视网膜上。
10-6lx
分类: 分类:把探测出的目标大致分 ×P D / Look, In] [ et 类（飞机？坦克） [ 识别: 识别:把分类目标再细分（坦 ×P Look / In] 克？汽车） ×P In] [In [ 辨别：把已识别的目标进行 辨别：把已识别的目标进行 辨认（型号、细节） 在假定目标一定在视场内出现，并且 搜索概率的大小，在一定程 上述每一项都是互相独立的，即某 度上提供了光电成像系统性 一搜索任务的发生，不影响下一个 能的评估，通常可以写成各 搜索任务产生的概率，则上式可简 种条件概率的乘积。 化如下：
P1，扫视到目标的概率
瞥见时间：1/3 s 瞥见孔径：有效瞥见扫描孔 径 ， 平均凝视中心之间的距 离。 瞥见孔径对应的面积Ag 目标面积：AT k: 与景物密度程度相关的参 数 ， 通常为 10 ～ 100 ， 有时 也在100～1000之间变化。 之间变化。 搜索面积：As
完善系统的自由搜索
扫视到目标的瞥见数只能是a 失去目标的瞥见数为b 一次瞥见中扫视到目标的概率为p， 未扫视到的概率为q n次瞥见中心扫视到目标的概率为
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 2.2. 图像探测理论与图像探测方程 2.3. 目标的探测与识别
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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 人眼的构造
视网膜的结构（杆状细胞，锥 状细胞） 视细胞的分布
人眼的视觉特性
视觉的适应 绝对视觉阈 阈值对比度 光谱灵敏度 分辨力 视觉系统的调制传递函数
眩目亮度：与像场亮度相关。 眩目亮度：与像场亮度相关。
阈值对比度：时间不限， 阈值对比度：时间不限，使用双眼探测一个亮度大于背 景亮度的圆盘，察觉概率为50% 景亮度的圆盘，察觉概率为50%时，不同背景亮度下的 对比度。 对比度。
L-L 对比度C：当L 对比度C：当Lt和Lb分别为目标与背景的亮度时，对比度表示为： 分别为目标与背景的亮度时， C= t b L b
分辨力： 分辨力： 对比度：图案不同，对对比度的要求也不同（如点与点：26％； 对比度：图案不同，对对比度的要求也不同（如点与点：26％；
方波条纹之间： 方波条纹之间：3％）
10-5lx
信噪比：人眼观察物体需要排出干扰， 信噪比：人眼观察物体需要排出干扰，如果干扰太大将影响
10-4lx
到人眼的观察效果。图案不同，人眼对信噪比的要求不同（ 到人眼的观察效果。图案不同，人眼对信噪比的要求不同（如方 波图案： 1.5左右 余弦图案： 左右； 3.5左右 左右） 波图案：1～1.5左右；余弦图案：3～3.5左右）
P
所需的瞥见次数N
a =1 b = A A −1 , g s p = a (a+b), q =b (a+b) =1− A A g s P =1−C p q =1−(1− A A ) g s
n n n n n
A = kA g T
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3t n ≈ = A A N s g
第二章 人眼的视觉特性与图像探测
S = n1 − n2
N = D(n1 ) + D(n2 ) = n1 + n2
n1 − n2
只有图像信噪比的值大于阈值 S / N = n1 + n2 信噪比，信号才可以被探测到， 信噪比，信号才可以被探测到，阈 值信噪比由实验获得。 值信噪比由实验获得。
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第二章 人眼的视觉特性与图像探测
S = 2πr 2 α 2QτηLmC 2 N
第二章 人眼的视觉特性与图像探测
理想条件下光电成像的 图像探测方程
理想探测器图像探测方程( 理想探测器图像探测方程(罗 斯方程) 斯方程) 夏根方程 弗里斯弗里斯-罗斯定律
S Q = 2πr 2 α 2QτηLmC 2 N S 2 2 2 ∴ 2πr α QτηLmC ≥ N min S 2 N min 2 2 即 Lmα C ≥ πD 2Qτη Lmα 2CT = const
当其他观察对比度C时的概 率仅与C/CT的值有关时， 可近似表示为：
CC − T 1
lg(C +2)lg(α +0.5) =1 T
dΦ Q L1 = , dΩds cos ϕ
∴Φ1 = ∫ ∫ L1 cos ϕdΩds
s 0
φ
= ∫ L1h 2 2π sin ϕ cos ϕdϕ
0
φ
∴ p1 = πL1h 2 sin 2 ϕ ⋅ Qτη
2 h ≈ πL1r Qτη d 2
= πL1h 2 sin φ
S = p1 − p2 = π ( L1 − L2 )r α Qτη
P = P ×P ×P ×η R 1 2 3
•PR为显示器上可以将目标识别的概率 •P1为在一个确定的包含目标的面积上， 扫视到目标的概率 •P2为扫视到的目标被探测到的概率 •P3为探测到的目标被识别的概率 •η为噪声引起的总衰减因子。
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第二章 人眼的视觉特性与图像探测
目标探测－识别模型
P(Acq) = P Iden]×P e c]×P C ]×P D ]×P Look] [ [R [ 特性与图像探测
目标探测－识别模型
假定搜索光电成像系统显 示屏上的目标像的过程 为： 在一个完全可以确定的 面积上进行谨慎的搜索 根据所搜索的目标与周 围景物的亮度对比度探 测 根据对比度所形成的外 形轮廓进行识别
由于背景亮度、 由于背景亮度 、 对比度和人眼所能 探测的目标张角三者之间存在制约关 系 （ Wald 定律） ， 特别是在目标张 Wald定律 ） 角<7’，时，存在Rose定律： 存在Rose定律：