人眼的视觉特性

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2.1.2 人眼的视觉特性
3.人眼的阈值对比度 人眼的视觉探测都是在一定背景中把目标鉴别
出来。 目标在背景中的衬度以对比度C来表示：
C Lt Lb Lb
在给定的视场亮度，给定的目标大小等条件下， 人眼能够将目标从背景中分辨出来的最小对比 度，称为人眼的阈值对比度。
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N
(B1 B2)
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2.2.2 光电成像系统的图像探测方程
光学中常采用对比度C和平均亮度Bm来表示输入 图像。它们的定义分别为
C
B1 B1
B2 B2
,
Bm
1 2
(B1
B2 )
可以得到信噪比为：
S N
2Bmr 2 2QC 2
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2.2.2 光电成像系统的图像探测方程
4 光电成像的图像探测方程
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人眼(右眼)的分辨力与视角的关系
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§2.2 图像探测理论与图像探测方程
光电成像可突破人眼视见灵敏阈的限制。 光电成像存在着图像探测的极限，称为图像探测 灵敏阈。 景物细节能否被光电成像系统所探测到，与下述 三项因素有关： ① 景物细节的辐射亮度(或单位面积的辐射强 度)； ② 景物细节对光电成像系统接收孔径的张角； ③ 景物细节与背景之间的辐射对比度。
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2.2.2 光电成像系统的图像探测方程
1 光电成像所输出的图像信号表达式 取被探测的图像细节为相邻的两个有亮暗差异 的像元。每一像元是边长为h的正方形，其亮 度分别为B1和B2,且B1 ＞ B2 。 在亮像元上的亮度B1可表示为
d 2 B1 dds cos
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2.2.2 光电成像系统的图像探测方程
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§2.2 图像探测理论与图像探测方程
2.2.1 图像的信噪比 2.2.2 光电成像系统的图像探测方程 2.2.3 图象探测方程的其他表达方式
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§2.2 图像探测理论与图像探测方程
2.2.1 图像的信噪比 图像是以辐射量子分布再现的景物。辐射量子数 的差异表示出图像的亮暗，其构成了图像信号。 同时由于辐射量子在数量上有随机涨落，所以该 量子数的起伏又构成了图像噪声。
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2.2.2 光电成像系统的图像探测方程
5 图像探测灵敏阈 理论极限值是由理想条件下的图像探测方程来 确定。所能探测的极限值就是光电成像对视见 灵敏阈扩展的极限。这一极限是由被探测图像 的三项参数来表示，即图像平均亮度Bm；图像 的视角α；图像的对比度C。
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§2.2 图像探测理论与图像探测方程
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2.1.2 人眼的视觉特性
5. 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θ，其倒数则为眼睛的分辨力。集中于 人眼视网膜中央凹的锥状细胞具有较小的直径， 并且每一个圆锥细胞都具有单独向大脑传递信 号的能力。杆状细胞的分布密度较稀，并且是 成群地联系于公共神经的末梢，所以人眼中央 凹处的分辨本领比视网膜边缘处高。
2.2.2 光电成像系统的图像探测方程
2 光电成像所输出的图像噪声表达式
N n1 n2 (B1 B2 )r 2 2Q
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2.2.2 光电成像系统的图像探测方程
3 光电成像的输出图像信噪比
由光电成像的输出图像信号与噪声的表 达式，可得到输出图像信噪比为
S (B1 B2 )r 2 2Q
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§2.2 图像探测理论与图像探测方程
两个相邻的像元具有不同的辐射亮度构成一个图 像细节。设光电成像系统在有效积分时间内接收 到来自两个像元的辐射量子数分别为n1 和n2 ， 此时光电成像系统能否分辨出这两个像元，取决 于n1与n2的差异，这一差异代表了图像细节的信 号，其图像信号值可表示为
如果信噪比大于接收器(通常是人眼)所需的阈
值信噪比(S/N)min时，表明理想的光电成像可探 测到这一图像。故可写出关系式
2Bmr 2 2QC 2
(
S N
)min
当以上关系式成立时，表明图像可探测到，反 之将不能探测。
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2.2.2 光电成像系统的图像探测方程
上式中包括两类参数。第一类参数是表征图像的 参数，包括：图像的平均亮度Bm；图像的对比度C； 图像的视角α。第二类参数是表征光电成像系统 的参数，包括：光电成像系统的接收孔径D＝2r； 光电成像的光电转换量子效率η；光电成像的有 效积分时间τ。
到视网膜边缘就几乎全是杆状细胞了。
锥状细胞具有高分辨力和颜色分辨能力；杆状细
胞的视觉灵敏度比锥状细胞高数千倍，但不能辨
别颜色。
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§2.1 人眼的视觉特性与模型
2.1.2 人眼的视觉特性 1 视觉的适应 2 人眼的绝对视觉阈 3 人眼的阈值对比度 4 人眼的光谱灵敏度 5 人眼的分辨力 6 视觉系统的调制传递函数(MTF)
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2.1.2 人眼的视觉特性
1.视觉的适应 人眼能在一个相当大(约10个数量级)的范围
内适应视场亮度。随着外界视场亮度的变化， 人眼视觉响应可分为三类。 ①明视觉响应：当人眼适应大于或等于3cd/m2 的视场亮度后，视觉由锥状细胞起作用。 ②暗视觉响应：当人眼适应小于或等于 3×10-5cd/m2视场亮度之后，视觉只由杆状细 胞起作用。由于杆状细胞没有颜色分辨能力， 故夜间人眼观察景物呈灰白色。 ③中介视觉响应：随着视场亮度从3cd/m2降至 3×10-5cd/m2，人眼逐渐由锥状细胞的明视觉 响应转向杆状细胞的暗视觉响应。
2.1.2 人眼的视觉特性
4. 人眼的光谱灵敏度 人眼对各种不同波长的辐射光有不同的灵敏度，并 且不同人的眼睛对各波长的灵敏度也常有差异。
对大量具有正常视力的观察者所做的实验表明： ① 在较明亮的环境中，人眼视觉对波长0.555μm左
右的绿色光最敏感； ② 在较暗条件下，人眼对波长0.512μm的光最敏感。
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§2.1 人眼的视觉特性与模型
视网膜中有锥状细胞和杆状细胞两类含有光敏物 质的感光细胞 。
在视神经进入眼内腔的盲斑部分，既无锥状细胞， 也无杆状细胞，是不感光的盲区。
在黄斑中心凹处完全没有杆状细胞，是具有最高 的视觉分辨力的区域。
从黄斑向视网膜边缘移动，锥状细胞和杆状细胞 混合在一起，杆状细胞比锥状细胞小得多，而且 没有独立地与视神经联系，而是合成一簇(多数 达500条一簇)，这对于产生高灵敏视觉至关重要。
因此，图像噪声值可表示为：
N D(n1) D(n2)
图像信噪比为：
S n1 n2 N n1 n2
n1 n2
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§2.2 图像探测理论与图像探测方程
2.2.2 光电成像系统的图像探测方程 1 光电成像所输出的图像信号表达式 2 光电成像所输出的图像噪声表达式 3 光电成像的输出图像信噪比 4 光电成像的图像探测方程 5 图像探测灵敏阈
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§2.2 图像探测理论与图像探测方程
光电成像系统刚好能探测到景物细节的上述三项 指标表示其极限性能。通常是用可探测到图像细 节的最小张角与最低辐射亮度两者关系曲线来表 示。这一曲线是在选定某一确定的辐射对比度情 况下测定的，选定各种不同的辐射对比度可得到 一族曲线，这族曲线定量地表明了该光电成像系 统的图像探测灵敏度，称之为图像探测特性曲线， 其解析表达式称为图像探测方程。
2.2.3 图象探测方程的其他表达方式
1 罗斯(A.Rose)方程 2 戴维斯(H.L.DeVrice)方程 3 考特曼(J.H.Coltoman)方程 4 帕塞普(E.C.Pathep)方程 5 理查德(E.A.Richards)方程
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S n1 n2
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§2.2 图像探测理论与图像探测方程
辐射的量子噪声可近似表示为： D(n) n
其差值的涨落方差可表示为
D(n1-n2)=D(n1)-2cov(n1,n2)+D(n2) 式中，cov(n1，n2)是n1和n2的协方差。由于亮暗两 个像元的辐射量子数彼此不相关，所以协方差为零。
将两类参数分别置于关系式的两边，则得到如下 关系式
Bm 2C 2
2
D2Q
(S N
)
2 min
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2.2.2 光电成像系统的图像探测方程
这一关系式定量描述了图像探测特性。它表明了由 关系式左边的参量Bm、α、C所描述的图像细节可以 被关系式右边的参量D、η、τ所确定的理想光电成 像系统探测到。当这一关系式呈等式时，即为临界 状况，表明了理想光电成像的极限探测灵敏阈。该 公式通常称之为理想条件下光电成像的图像探测方 程(夏根（P.Schagen）方程)。
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
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 2.1.1 人眼的构造 2.1.2 人眼的视觉特性
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§2.1 人眼的视觉特性与模型
2.1.1人眼的构造 1.人眼的构造：
光电成像系统在有效积分时间内接受亮像元的 平均光子数为：
n1
Байду номын сангаас
B1h2
sin
2
•
Q
B1r
2
(
h L
)2
Q
B1r
2
2Q
同理，光电成像系统在有效积分时间内接受亮
暗像元的平均光子数为：
n2 B2r 2 2Q
光电成像所获得的输出图像信号S为：
S n1 n2 (B1 B2 )r 2 2Q
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2.1.2 人眼的视觉特性
2.人眼的绝对视觉阈 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，称为人眼的绝对视觉阈。 以入射到人眼瞳孔上最小照度值表示时，人眼 的绝对视觉阈值在10-9lx数量级。以量子阈值表 示时，最小可探测的视觉刺激是58～145个蓝绿 光。对于点光源，天文学家认为正常视力的眼 睛能看到六等星，六等星在眼睛上形成的照度 近似为8.5×10-9lx。在实验室内用“人工星点” 测定的视觉阈值要小些，为2.44×10-9lx。
① 由角膜、虹膜、晶状体、睫状体和玻璃体组成 的光学系统；
② 作为敏感和信号处理部分的带有盲点和黄斑的 视网膜，是构成人眼视觉的关键部分；
③ 作为信号传输和显示系统的视神经与大脑。
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§2.1 人眼的视觉特性与模型
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§2.1 人眼的视觉特性与模型
视网膜是结构复杂的多层网格结构: