光电成像物理基础 光电成像课件
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光电成像原理 12
复合模型
0 .5
M T F e y ef M K 1T 2 s 1 P I 1 F 0 f2 1 2 X 1 e 2 N fe 2 M o p tf
其中， Ff11expf2 f0 2
Mopt f exp 22e2 f 2 e 02 Csphd3 2
光电成像原理 13
图像探测理论与图像探测方程
图像信号与图像噪声
— 图像是以辐射量子数分布再现的景物。辐射量 子数差异表示图像的亮暗，构成图像信号。
设光电成像系统接收到来自景物两个相邻像元的辐射
量子数分别为 n 1 和 n 2
图像信号
S n1 n2
Байду номын сангаас图像噪声
N n1 n2
光电成像原理 14
图像信噪比
光电成像物理基础
人眼视觉及图像探测 光学系统成像模型 光电探测物理效应
光电成像原理 1
光电成像原理
光电成像原理
人眼的视觉特性
— 视觉适应、灵敏度、分辨力与调制传递函数等
一、人眼的视觉适应与光谱响应
➢ 人眼观察的视场亮度范围
1 0 5 c d/m 2~ 1 0 4 c d/m 2
➢ 当视场亮度发生突变时，人眼要稳定到突变后的正常视 觉状态需要经历一定时间，这种特性称为适应。分为明 暗适应和色彩适应。
➢ 方程取“=”时，代表图像探测的临界情况，表明了理 想光电成像系统的极限探测灵敏阈。
图像探测灵敏阈
——选定光电成像系统的接收孔径、量子效率、 有效积分时间，用可探测图像细节的最小张角(分 辨力)与最低辐射亮度关系曲线，表示光电成像系 统的图像探测特性。
光电成像原理 18
光电成像原理 19
➢ 图中斜线上标注的数字是图像对比度 ➢ 斜线表示了理想的光电成像系统的图像探测极限，斜线
二、人眼的绝对视觉阈值
➢ 全黑视场中，人眼完全暗适应情况下，能够感觉到的最 小光刺激值，以入射到瞳孔中的最小照度值表示。
➢ 在一定的背景亮度下，人眼能够观察到的最小照度值
Emin3.5105 Lb
三、人眼的阈值对比度
➢ 人眼的视觉敏锐程度与背景亮度和目标在背景中的衬度 有关 目标衬度、对比度： C Lt L b
下部区域满足图像探测方程，称为图像可探测域，上部 称为图像不可探测域
➢ 图中横线代表光学系统像差对图像探测的限制
➢ 辐射亮度较低时，光电成像系统探测灵敏度受限于光电 子噪声；辐射亮度较高时，系统探测灵敏度受限于光学 系统像差。
光电成像原理 20
— 各部分MTF乘积
光电成像原理 11
➢ 四种典型人眼视觉模型
高斯型 — 频率响应是窄带调谐滤波器的包络线
CTFeyefexp22e2f2
f f00.1~0.4cyc/mrad
指数型 — 美国热成像系统模型采用
Barten模型
MTFeyef expkf
f f0
M TF eyefafM expbf1cexpbf12 a10.7/L0.2,b0.301100L0.15,c0.06
光电成像原理 15
输出图像信号
SB 1B 2r22 Q
输出图像噪声
N n 1 n 2B 1B 2r2 2 Q
输出图像信噪比
SN RB 1B B 1 2 2B r2 2 2 Q2 B m r2 2 Q C 2
其中
Bm 12B1 B2
C B1 B2 B1 B2
光电成像原理 16
光电成像的图像探测方程
➢ 眼睛分辨力与眼睛构造有关： 视角、瞳孔直径
➢ 还与目标亮度、形状以及景物 对比度有关
光电成像原理 8
➢ 经验公式
1
0.6181.13 d
光电成像原理 9
五、视觉系统的调制传递函数MTF
➢ 眼球光学系统的MTF — 低通滤波函数
➢ 视网膜的MTF — 光学弥散板+光学纤维
光电成像原理 10
➢ 视觉系统的MTF
——光电成像系统要求输出图像的信噪比高于探 测要求的阈值信噪比
2B m r22
Q C 2S N R m in
图像探测方程 Bm2C2D22QSNRmin
➢ 人眼阈值信噪比SNRmin与观察图像有关。
光电成像原理 17
➢ 方程左侧包含的是表征图像的参数，右侧包含的是表征 光电成像系统的参数。
光电成像原理 4
➢ 明视觉响应与亮适应
视场亮度 3cd/m2
— 明视觉响应
亮适应 — 对视场亮度从暗突然变亮的适应，约需2~3min
➢ 暗视觉响应与暗适应
视场亮度 3105cd/m2 — 暗视觉响应 暗适应 — 对视场亮度从亮突然变暗的适应，约需40~60min
➢ 明视觉与暗视 觉的视见函数
光电成像原理 5
Lb
光电成像原理 6
➢ 人眼视觉在一定背景亮度下，可探测的最小衬度对比度， 称为阈值对比度，或称亮度差灵敏度
➢ 背景亮度、对比度、目标张角之间关系
Wald 定律： Rose 定律： Blackwell 实验：
Lb•C2•xconst Lb•C2•2const
光电成像原理 7
四、人眼的分辨力
➢ 人眼能区别两发光点的最小角距离称为极限分辨角 其倒数称为眼睛的分辨力，也称为视觉锐度
SNR n1 n2 n1 n2
光电成像输出图像信号、噪声、信噪比
设景物两个相邻像元的亮度分别为B1和B2，且 B1 B2 每一像元是边长为h的正方形
令光电成像系统接收孔径为r，光电转换量子效率为， 有效积分时间为，物距为L，像元对系统的张角为
光电成像系统输出光电子数
nBr22Q
Q1.31016个lm•s
复合模型
0 .5
M T F e y ef M K 1T 2 s 1 P I 1 F 0 f2 1 2 X 1 e 2 N fe 2 M o p tf
其中， Ff11expf2 f0 2
Mopt f exp 22e2 f 2 e 02 Csphd3 2
光电成像原理 13
图像探测理论与图像探测方程
图像信号与图像噪声
— 图像是以辐射量子数分布再现的景物。辐射量 子数差异表示图像的亮暗，构成图像信号。
设光电成像系统接收到来自景物两个相邻像元的辐射
量子数分别为 n 1 和 n 2
图像信号
S n1 n2
Байду номын сангаас图像噪声
N n1 n2
光电成像原理 14
图像信噪比
光电成像物理基础
人眼视觉及图像探测 光学系统成像模型 光电探测物理效应
光电成像原理 1
光电成像原理
光电成像原理
人眼的视觉特性
— 视觉适应、灵敏度、分辨力与调制传递函数等
一、人眼的视觉适应与光谱响应
➢ 人眼观察的视场亮度范围
1 0 5 c d/m 2~ 1 0 4 c d/m 2
➢ 当视场亮度发生突变时，人眼要稳定到突变后的正常视 觉状态需要经历一定时间，这种特性称为适应。分为明 暗适应和色彩适应。
➢ 方程取“=”时，代表图像探测的临界情况，表明了理 想光电成像系统的极限探测灵敏阈。
图像探测灵敏阈
——选定光电成像系统的接收孔径、量子效率、 有效积分时间，用可探测图像细节的最小张角(分 辨力)与最低辐射亮度关系曲线，表示光电成像系 统的图像探测特性。
光电成像原理 18
光电成像原理 19
➢ 图中斜线上标注的数字是图像对比度 ➢ 斜线表示了理想的光电成像系统的图像探测极限，斜线
二、人眼的绝对视觉阈值
➢ 全黑视场中，人眼完全暗适应情况下，能够感觉到的最 小光刺激值，以入射到瞳孔中的最小照度值表示。
➢ 在一定的背景亮度下，人眼能够观察到的最小照度值
Emin3.5105 Lb
三、人眼的阈值对比度
➢ 人眼的视觉敏锐程度与背景亮度和目标在背景中的衬度 有关 目标衬度、对比度： C Lt L b
下部区域满足图像探测方程，称为图像可探测域，上部 称为图像不可探测域
➢ 图中横线代表光学系统像差对图像探测的限制
➢ 辐射亮度较低时，光电成像系统探测灵敏度受限于光电 子噪声；辐射亮度较高时，系统探测灵敏度受限于光学 系统像差。
光电成像原理 20
— 各部分MTF乘积
光电成像原理 11
➢ 四种典型人眼视觉模型
高斯型 — 频率响应是窄带调谐滤波器的包络线
CTFeyefexp22e2f2
f f00.1~0.4cyc/mrad
指数型 — 美国热成像系统模型采用
Barten模型
MTFeyef expkf
f f0
M TF eyefafM expbf1cexpbf12 a10.7/L0.2,b0.301100L0.15,c0.06
光电成像原理 15
输出图像信号
SB 1B 2r22 Q
输出图像噪声
N n 1 n 2B 1B 2r2 2 Q
输出图像信噪比
SN RB 1B B 1 2 2B r2 2 2 Q2 B m r2 2 Q C 2
其中
Bm 12B1 B2
C B1 B2 B1 B2
光电成像原理 16
光电成像的图像探测方程
➢ 眼睛分辨力与眼睛构造有关： 视角、瞳孔直径
➢ 还与目标亮度、形状以及景物 对比度有关
光电成像原理 8
➢ 经验公式
1
0.6181.13 d
光电成像原理 9
五、视觉系统的调制传递函数MTF
➢ 眼球光学系统的MTF — 低通滤波函数
➢ 视网膜的MTF — 光学弥散板+光学纤维
光电成像原理 10
➢ 视觉系统的MTF
——光电成像系统要求输出图像的信噪比高于探 测要求的阈值信噪比
2B m r22
Q C 2S N R m in
图像探测方程 Bm2C2D22QSNRmin
➢ 人眼阈值信噪比SNRmin与观察图像有关。
光电成像原理 17
➢ 方程左侧包含的是表征图像的参数，右侧包含的是表征 光电成像系统的参数。
光电成像原理 4
➢ 明视觉响应与亮适应
视场亮度 3cd/m2
— 明视觉响应
亮适应 — 对视场亮度从暗突然变亮的适应，约需2~3min
➢ 暗视觉响应与暗适应
视场亮度 3105cd/m2 — 暗视觉响应 暗适应 — 对视场亮度从亮突然变暗的适应，约需40~60min
➢ 明视觉与暗视 觉的视见函数
光电成像原理 5
Lb
光电成像原理 6
➢ 人眼视觉在一定背景亮度下，可探测的最小衬度对比度， 称为阈值对比度，或称亮度差灵敏度
➢ 背景亮度、对比度、目标张角之间关系
Wald 定律： Rose 定律： Blackwell 实验：
Lb•C2•xconst Lb•C2•2const
光电成像原理 7
四、人眼的分辨力
➢ 人眼能区别两发光点的最小角距离称为极限分辨角 其倒数称为眼睛的分辨力，也称为视觉锐度
SNR n1 n2 n1 n2
光电成像输出图像信号、噪声、信噪比
设景物两个相邻像元的亮度分别为B1和B2，且 B1 B2 每一像元是边长为h的正方形
令光电成像系统接收孔径为r，光电转换量子效率为， 有效积分时间为，物距为L，像元对系统的张角为
光电成像系统输出光电子数
nBr22Q
Q1.31016个lm•s