第二章 人眼的视觉特性与图像探测
人眼的视觉特性
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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(响应)，并且不同人的眼 睛对各波长的灵敏度也常有差异。
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。
图2-5给出由人眼峰值灵敏度归一化的相对光谱灵敏度——光谱光视效 率曲线，曲线表明在不同的视场亮度下，人眼对同一波长的响应是有差 异的。
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2.1.2 人眼的视觉特性
高斯型是空间频率f的单参数模型； 指数型、Barten模型是空间频率和目标亮度的双参数模型； 复合模型是多参数模型，与空间频率、目标亮度、视场角、显示器尺
寸、波长等多种因素有关。
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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。 可用光电成像系统刚好能探测到景物细节下述三项指标表示其极限 ① 景物细节的辐射亮度(或单位面积的辐射强度)； ② ③
(2) 人眼的MTF 按信息传递的顺序，特别是按其功能，视觉过程大致可分为以下几
① ② 视细胞检测光，并进行光电转换，视网膜进行图像信息处理；
③ 大脑枕叶视皮层的信号处理与大脑中枢的辨识。 当然，每一个阶段并不是完全独立的，彼此有相互作用，有反馈回
路等复杂地交错在一起对视觉过程的功能正在用电生理学及其他先 进方法进行研究。
1.人眼的构造： 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
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§2.1 人眼的视觉特性与模型
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色彩学第二章(人眼视觉成像原理)
如图中的a。同一物体，离人越近， 视角越大，离人越远，视角越小。
视觉功能——视角 视觉功能
由 tan(a/2) = A/2D ， tan(a/2 A/2 得 出 a = A/D 不同物体在跟人眼相 同距离时，物体越大， 则视角越大，物体在 视网膜上成的像越大。
视觉功能——视觉敏锐度 视觉功能
二．视觉敏锐度 1．视觉敏锐度：人们使用视觉器官辩认外界物体的敏锐程度。 表示视觉辩认物体细节的能力，在医学上称为“视力” 2．视觉辩认物体细节的能力与观察距离有很大关系 视觉敏锐度（V）以视角进行计算，是视觉所能分辨的视角的倒数。 V=1/α（α单位为分） 平时我们说的视力1.0，就是说，在规定的距离下，人的眼睛能 够分辩角度为1/60度（1')的物体的细节。因为人眼的视锥细胞间的 距离为6微米，所以，我们的眼睛的分辩能力并不怎样强的。这一点 和主观感觉上有不小差异。
人眼的构造——视网膜 人眼的构造
人眼的构造——视网膜 人眼的构造
视觉器官的两重功能:明视觉与暗视觉 1．视锥细胞与明视觉 a．视锥细胞特性：包含感红，感绿，感蓝细胞主要感受颜色的差 别，而对明暗的感觉比较低，对光的敏感性小，只有达到一定照 度的情况下，视锥细胞才起作用。 b．明视觉：指在光亮的条件下，由锥体细胞起作用的辩认物体细 节和颜色的视觉。 2． 视杆细胞与暗视觉 a. 视杆细胞特性：感受物体的明暗，对光的敏感程度高，不能感 受物体颜色的差别。 b. 暗视觉：指视杆细胞的活动特性，可以在光线很暗的情况下工 作，不能反映色光的差异。
视觉的特性——光谱光效率函数 视觉的特性
在明光条件下，眼睛对波长555nm的黄绿 在明光条件下，眼睛对波长555nm的黄绿 555nm 光部分感受性最高， 光部分感受性最高，即这个波长的光只需要 较小的能量就能与标准光的明度相匹配。 较小的能量就能与标准光的明度相匹配。也 就是说明是绝对光谱的黄绿色光部委最敏感。 就是说明是绝对光谱的黄绿色光部委最敏感。 而暗视觉对光谱的蓝绿色部位即510nm 510nm最 而暗视觉对光谱的蓝绿色部位即510nm最 敏感。 敏感。 相应敏感程度见左图。 相应敏感程度见左图。
光电成像原理与技术答案
光电成像原理与技术答案【篇一：光电成像原理与技术总复习】t>一、重要术语光电成像技术、像管、变像管、像增强器、摄像管（器）、明适（响）应、暗适（响）应、人眼的绝对视觉阈、人眼的阈值对比度、人眼的光谱灵敏度（光谱光视效率）、人眼的分辨率、图像的信噪比、凝视、凝视中心、瞥见时间、瞥见孔径、辐射度量、辐射功率、辐射强度、辐亮度、辐照度、辐射出照度、光度量、光能、光能密度、光通量、光亮度、光出射度，照度，发光强度，光亮度；坎（凯）德拉、流明、勒克司、视见函数、朗伯辐射体、气溶胶粒子、云、雾、霾、霭、大气消光、大气散射、大气吸收、大气能见度（能见距离）、大气透明度、电子透镜、光电子图像、亮度增益、等效背景照度、畸变、像管分辨力（率）、正（负）电子亲（素）和势、负电子亲和势、光电发射的极限、电流密度、mcp的饱和电流密度、荧光、磷光、表面态、微光夜视仪、照明系统的光强分布、成像系统的极限分辨力、选通技术、靶、惰性（上升惰性、衰减惰性）、摄像管的分辨力、动态范围、靶网、居里温度、热释电靶的单畴化、ccd的开启电压、ccd的转移效率、界面态“胖0”工作模式、光注入、电注入。
二、几个重要的效应1. 光电转换效应（内/外）2. 热释电能转换效率（应）3. 三环效应4. mcp的电阻效应/充电效应三、几个重要定律1. 朗伯余弦2. 基尔霍夫3. 黑体辐射（共4个）4. 波盖尔15. 斯托列托夫6. 爱因斯坦四、重要结构及其工作原理、特点1. 直视型光电成像器件的基本结构、工作原理2. 非直视型（电视型）光电成像器件的基本结构、工作原理3. 人眼的结构及其图像形成过程4. 大气层的基本构成、结构特点5. 像管的结构及其成像的物理过程6. 光阴极实现辐射图像光电转换的物理过程（光电发射过程）7. 电子光学系统的基本结构及其成像过程8. 荧光屏的结构及其发光过程9. 光谱纤维面板的结构及其成像原理10. 微通道板（mcp的结构及其电子图像的倍增原理）11. 主动红外成像系统结构及其成像过程12. 夜视成像系统结构及其成像过程13. 摄像管的结构及其工作原理14. 光电导摄像管的结构及其工作原理15. 热释电摄像管的结构及其工作原理16. 电子枪的结构及其工作原理17. mos电容器的结构及其电荷存储原理、18. ccd的结构及其电荷传输原理19. 埋沟ccd（bccd）的结构及其工作原理220. 线阵ccd的结构及其成像原理五、关键器件、系统的性能参数1. 表征光电成像器件的性能参数2. 大气辐射传输过程中，影响光电成像系统的因素3. 表征像管的性能参数4. 表征mcp的性能参数5. 微光成像系统的性能影响因素6. 摄像管的主要性能参数7. 热释电靶的主要性能参数8. 表征ccd的物理性能参数六、其他1. 辐射源的辐射能量所集中的波段2. mcp的自饱和特性3. 像管的直流高压电源的要求4. 受激辐射可见光的条件5. 计算第三章、第四章题型及分值分布：1. 术语解释（15分）2. 选择题（20分）3. 简述题（35分）4. 计算题（30分）各章习题：3第一章（29页）：4、5、6、7第二章（53页）：6、9第三章（84页）：2、3、8、9、13、14第四章（106页）：1、6第五章（209页）：1、3、4、8、10第六章（244页）：1、3、5、24、26第七章（295页）：1、2、5、6、7、10、12、16、18第八章（366页）：1、2、4、6、7整理by:??/???4【篇二：《光电成像原理与技术》教学大纲】英文名称：principle and technology of photoelectric imaging学分：3.5 学时：56(理论学时：56)先修课程：半导体物理、电动力学、应用光学、物理光学一、目的与任务本课程为电子科学与技术专业（光电子方向）的专业教育必修课程。
《光电成像原理与技术》学习指南
《光电成像原理与技术》学习指南图像是人类获取信息的最主要途径，据相关统计，人类所获取的信息80％以上来自于人眼，即来自于图像。
光电成像原理与技术即为介绍迄今为止人类为扩展自身的视野和获取更多的信息所进行的努力和掌握的技术的课程。
本课程系统地介绍了光电成像技术发展的历史沿革和现状，讲述了人眼的视觉特性与图像探测的规律和目标景物特性及大气传输特性对光电成像过程的影响，系统、全面地介绍了微光夜视技术，电视摄像技术和红外热成像技术，内容包括各种光电成像器件的工作机理、结构及以这些器件为核心的典型光电成像系统。
本门课程特点是，理论知识涉及面广（物理学、电子学、工程光学），工程性知识点多（人眼的特性、自然的辐射环境与辐射源、大气对辐射传输的影响、光机结构等），知识点和技能点较学科基础课程系统性差。
因此，要学好光电成像原理与技术这门课程，应该注意两条脉络：1、光电转换技术、信号增强技术和发光显示技术，注意光电成像器件与系统是怎样完成“光-电-光”的转换的（这里需要有关半导体物理、电磁场理论等方面的知识）。
其中的前提是，从人眼观察物体及对物体的分辨角度上讲，图像就是一个亮度（灰度）分布的点阵！因此，不管是直视型的光电成像还是电视型的光电成像，都是在研究解决在“光-电-光”转换的过程中和问题上如何保持构成原物体的这些点的空间分布。
前述问题清楚了，后面就是搞清楚直视型光电成像器件上与电视型光电成像器件上二者的异同在哪里？进而不同的电视型光电成像器件在解决上述问题的异同又是在哪里？这些问题清楚了，解决了，那你对光电成像器件的认识就达成了。
涉及上述内容的章节为第五章、第七章、第八章和第十章。
2、从光电成像器件到光电成像系统的问题。
因为光线从目标物到达人眼，需要通过目标所处的环境提供照明，需要透过大气到达光电成像系统的光学透镜表面，又要通过光学系统形成图像在光电成像器件的光电转换面上，然后通过光电成像器件及系统完成“光-电-光”的转换后，呈现在人眼面前，于是我们看到了距离遥远（电视）的图像，看到了很弱光线下（夜晚等）的图像（像增强器、微光夜视），看到了人眼无法直接看到（X射线、紫外、近红外、短波红外、中长波红外等）的图像，于是我们人类就可以由此获得很多通过人眼自身而不能直接得到的各种信息。
光电成像原理与技术教学大纲
《光电成像原理与技术》课程教学大纲课程代码：090642001课程英文名称：The Principle Of Photo-electronic Imaging and Technology课程总学时：32 讲课：32 实验：0 上机：0适用专业：光电信息科学与工程大纲编写（修订）时间：2017.10一、大纲使用说明（一）课程的地位及教学目标本课程是光电信息科学与工程专业的专业选修课。
本课程是一门多学科交叉、理论性和实践性都很强的综合性课程。
通过本课程的学习，可以培养学生运用所学数理知识和方法认识和分析各种光电成像器件工作机理的能力和创新意识，提高学生对光电成像系统整体技术构成的认识，为他们走上工作岗位从事相关工作奠定基础。
通过对本学科新理论、新器件、新系统的介绍，还可以使学生了解本学科的最新发展动态和技术前沿，为将来从事相关领域的研究或工作奠定基础。
（二）知识、能力及技能方面的基本要求1．通过本科程的学习，使学生掌握光电成像器件的基础理论和光电成像技术的基本原理，并在此基础上掌握光电成像系统的结构以及相关的学科和技术。
2．通过本科程的学习，培养学生应用所学习的基础理论和方法，分析光电成像器件各环节的物理过程，理解和认识光电成像系统的结构、各子系统的作用，掌握光电成像技术的基本理论和思想方法等，逐渐形成观察、思考、分析和解决有关理论和实践问题的能力。
（三）实施说明这个教学大纲是根据光电信息科学与工程专业的特点和学科内容要求而编写的，在执行本大纲时应注意以下几点：1. 在授课过程中要由易到难，循序渐进。
重点是物理概念和物理模型的讲解，其次是数学理论与方法的具体应用；2. 可根据实际情况安排各部分的学时，后面的课时分配表仅供参考；3. 对大纲中内容不相关部分可自行安排讲授顺序。
（四）对先修课的要求本课的先修课程：《光电子学》（五）对习题课、实验环节的要求各章内容学习结束后，根据教材内容选择习题，布置习题作业，根据习题的完成质量，随堂讲解各章重点习题，期末总复习全面讲解。
人眼的视觉特性
人眼的视觉特性人眼的视觉特性任何一个电视系统的最终目的都是为人们提供可观看的图像，图像的好坏要由人眼来鉴定。
评价电视图像的的综合质量，需用多种仪器进行测量、比较和鉴定，但最终要由人眼观察并作出评定。
应当充分了解人眼的视觉特性。
人眼的视觉机理人眼是一个构造极其复杂的器官，形状近似球体。
当人眼注视外界某物体时，由物体发出或反射、透视的光线通过眼球聚焦在视网膜上。
视网膜上的光敏细胞受光刺激产生神经冲动，经视觉神经传递到视觉中枢，就产生了视觉。
视网膜上有大量的杆状细胞和锥状细胞。
杆状细胞对明暗程度很敏感，对色彩分辨迟钝；锥状细胞既能区分光的强弱，又能分辨光的颜色；杆状细胞对弱光的灵敏度高，对强光失去作用；锥状细胞在强光下才起作用，产生色感，分辨细节。
在弱光下杆状细胞起作用，只能看到黑白景象；强光下锥状细胞起作用，能分辨颜色和细节。
电视系统中只考虑锥状细胞的视觉特性。
视敏特性视敏特性是指人眼对不同波长的光具有不同灵敏度的特性，即对辐射功率相同的各色光具有不同的亮度感觉。
在相同辐射功率的条件下，人眼感到最亮的光是黄绿光（555nm），感觉最暗的光是红光和紫光。
视敏特性可用视敏函数和相对视敏函数来描述。
亮度感觉亮度视觉范围：人眼能够感觉到的亮度范围。
这个范围很大，可达109：1。
人眼总的视觉范围很宽，但不能在同一时间感受这么大的亮度范围。
当平均亮度适中时，亮度范围为1000：1；平均亮度较高或较低时亮度范围只有10：1；通常情况下为100：1；电影银幕亮度范围大致为100：1；显像管亮度范围约为30：1。
人眼对景物亮度的主观感觉不仅取决于景物实际亮度值，而且还与周围环境的平均亮度有关。
人眼的明暗感觉是相对的，在不同环境亮度下，对同一亮度的主观感觉会不同。
人眼的彩色视觉人眼的锥状细胞有三种，分别对红、绿、蓝三种色光最敏感，称为红感细胞、绿感细胞、蓝感细胞。
当一束光射入人眼时，三种锥状细胞就会产生不同的反应，不同颜色的光对三种锥状细胞的刺激量是不同的，产生的颜色视觉各异，使人能够分辨出各种颜色。
光电成像原理与技术第二章人眼的视觉特性与图像探测
光电成像原理与技术第二章人眼的视觉特性与图像探测下午9时21分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。
下午9时21分2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.人眼的构造下午9时21分3第二章人眼的视觉特性与图像探测人眼的主要组成部分：①由角膜、虹膜、晶状体、睫状体和玻璃体组成的光学系统；②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；③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。
下午9时21分光电成像原理第二章人眼的视觉特性与图像探测视网膜的神经细胞：①锥状细胞，具有高分辨力和颜色分辨能力；②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：①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；②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:下午9时21分5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3某10-5cd/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。
下午9时21分6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：①人眼的明暗视觉适应：在2~8mm之间自动调节瞳孔的大小，改变进入人眼的光通量。
人眼的视觉特性
人眼的视觉特性1、引言人眼的视觉系统是世界上最好的图像处理系统，但它远远不是完美的。
人眼的视觉系统对图像的认知是非均匀的和非线性的，并不是对图像中的任何变化都能感知。
例如图像系数的量化误差引起的图像变化在一定范围内是不能为人眼所觉察的。
因此，如果编码方案能利用人眼视觉系统的一些特点，是可以得到高压缩比的。
对人眼视觉特性的深入研究及由此而建立的各种数学模型，一直是各种图像数字压缩算法的基础。
2、人眼的视觉特性人眼对380～780纳米内不同波长的光具有不同的敏感程度，称为人眼的视敏特性。
衡量描述人眼视敏特性的物理量为视敏函数和相对视敏函数。
1）视敏函数在相同亮度感觉的条件下，不同波长上光辐射功率的倒数可以用来衡量人眼对各波长光明亮感觉的敏感程度。
称为视敏函数K(λ)=1/p r(λ)。
2）相对视敏函数实验表明，人眼对波长为555纳米的光最敏感，因此把任意波长的光的视敏函数与最大视敏函数值K(555)相比的比值称为相对视敏函数。
可见光波长实验表明：视敏涵数的曲线的最大值位于５５５nm处当光线微弱向左偏移最大值为５０7nm处，两者相差近５０nm，人眼就相当于带通滤波器，这就表明人眼对亮度变化比较敏感。
人眼对于蓝光的视觉灵敏度要比红光和绿光低的多．三条曲线的峰值比为Ｒ：Ｇ：Ｂ＝０．５４：０．５７５：０．０５３（蓝光放大２０倍）．三条曲线有相当一部分是重叠的．正常观察条件下，人眼得到的是二者的合成的视觉，不能将他们各自的数值区分开来．大脑根据三者的比例，感知彩色的色调和饱和度，而三者的和决定了光的总亮度。
2.1对比灵敏度人眼对亮度光强变化的响应是非线性的，通常把人眼主观上刚刚可辨别亮度差别所需的最小光强差值称为亮度的可见度阈值。
也就是说，当光强I增大时，在一定幅度内感觉不出，必须变化到一定值I+ΔI时，人眼才能感觉到亮度有变化，ΔI/I一般也称为对比灵敏度。
因此恢复图像的误差如果低于对比灵敏度，即不会被人眼察觉。
人眼视觉原理PPT课件
2.1 光的特性
托马斯. 杨
1773.6-1829 ， 英国医生兼物 理学家，以 “双缝干涉” 实验闻名
托马
斯.杨
和菲
涅尔
于19
菲涅尔
1788.5-1827 ， 法国土木工程
世纪 初解 决光
师兼物理学家， 以“泊松亮斑”
是横
闻名
波的
问题
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傅科
1819.9-1868.2 ， 法国物理学家， 实验天才，以 “傅科摆”闻名 于世
的方向同光的射向一致或相反，测出的光速都相同，在地球同设想的“以太”之间没有相对运动。因而，
根本找不到“以太”或“绝对静止的空间”。由于这个实验在理论上简单易懂，方法上精确可靠，所以，
实验结果否定“以太”之存在是勿庸置疑的。
迈克耳孙—莫雷实验使科学家处于左右为难的境地。他们或者须放弃曾经说明电磁及光的许多现象的以
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外层电子 内层电子 原子核
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2.2 光度学基本概念
辐射功率相同，波 长不同的光，亮度 感觉不同（相同亮度环境）
辐射功率不同，波
长不同的光，亮度 感觉相同
光的强弱的度量：光度学
说明功率和波长都是影响亮度感觉的因素。
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2.2 光度学基本概念
光度学中采用发光强度的单位坎德 拉为基本单位。
角膜，无 色透明
晶状体，透明，
有弹性，像双 凸透镜，能折 射光线
后房，玻璃体， 透明胶状物质
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视网膜，含有许 多对光线敏感的 细胞，能感受光 的刺激
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2.3 人眼器官结构
光学过程＋化学过程＋神经处理过程
客观景物（发光体或者散射体）发出
第2章 人眼视觉原理ok
后房，玻璃体， 透明胶状物质
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视网膜视部的神经层主要由3层神经细胞组成： • 外层为是感光细胞，视锥和视杆细胞，紧邻色素上皮层。 • 中层为双极细胞，将来自感光细胞的神经冲动传导至内层的节细胞。 • 内层为节细胞，其轴突向视神经盘处汇集，穿过脉络膜和巩膜后构成视 神经。 节细胞
视锥细胞
主要分布在视网膜黄 斑区，有辨色作用， 能感受强光，控制明 视觉，有精细辨别力， 形成中心视力。
视觉惰性 当一定强度的光突然作用于视网膜时，人眼并不 能产生稳定的亮度感觉，而是需要经过一个短暂过程才 会形成稳定的亮度感觉。另外，当作用于人眼的光突然 消失后，亮度感觉并不立即消失，也需要经过一段时间 的过渡过程（视觉残留现象，白天约为0.02秒，夜晚 约为0.2秒）。 一般将人眼亮度感觉变化滞后于实际亮度变化，以 及视觉暂留特性，总称为视觉惰性。 视觉惰性是人眼的重要特性之一，它描述了主观亮 度与光作用时间的关系。
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2.4 人眼视觉特性
②亮度感觉
韦伯定律
Bmin / B 常数
在均匀亮度背景下，
说明人眼的亮度 感觉不仅与物体自 身亮度有关，还与 周围环境亮度有关。 一般地，背景 越亮，越不易分辨。
（韦伯－费赫涅尔系数， 0.005-0.02，当背景亮度 很高和很低时，可达 0.05）。其中，B 是背景 Bmin 亮度，∆Bmin 是人眼可觉 察的最小亮度差。）
相对视敏度曲线（光谱响应曲线）
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2.4 人眼视觉特性
谱尔金效应 不同亮度下，人眼的视敏度曲线会发生变化。弱光条件下，人眼的 视觉过程主要由柱状细胞完成，而柱状细胞对不同波长光的敏感程度不 同于视觉灵敏度，表现为对波长短的光敏程度有所增大，而视敏度曲线 会向左移（下图）。并且弱光条件下，柱状细胞只有明暗感觉，没有彩 源于视网膜 色感觉。 内锥状细胞 和 柱状细胞的不 白 晚 同工作特点 天 上 不 看 懂 花 夜 花 的 不 黑 同 明视觉与暗视觉的视敏度曲线
2-第二章人类视觉与色度学知识
对比度C定义为：C＝Bmax／Bmin。
Bmax和Bmin是重现图象或景物时的最大和最小亮度。
只要保持该C常数，就可实现人眼亮度分辨的重现。
二、人眼的分辨力 1.分辨角和分辨力 人眼的分辨角：指刚能看出两黑点时，两黑点对人眼的张角。 在量值上，分辨角用 表示，有分辨角计算原理图可知：
2.2.2相对视敏函数
人眼对波长为380~780nm内不同波长的光具有不同 的敏感程度，称为人眼的视敏特性，描述人眼视敏特性 的物理量为视敏函数和相对视敏函数。
1）视敏函数
在相同亮度感觉的条件下，不同波长光辐射功率 P ( ) 的 倒数用来衡量人眼对各波长光明亮感觉的敏感程度。称：
K ( ) 1 P( ) 为视敏函数。
2.3.3 视觉适应性
1.人眼适应性 （1） 暗适应：亮→暗：慢（10～30秒左右） （2） 亮适应：暗→亮：快（1～2秒左右）
2 .同时对比效应 由于人眼对亮度有很强的适应性，因此很难精确判断刺激 的绝对亮度。即使有相同亮度的刺激，由于其背景亮度不同， 人眼所感受的主观亮度是不一样的。图2.9可用来证明同时对 比的刺激，图中小方块实际上有着相同的物理亮度，但因为 与它们的背景亮度不同，故它们的主观亮度显得大不一样。 这种效应就叫同时对比效应。
图2.4相对视敏函数曲线
2.2.3光学的术语和计量单位
光通量：每秒钟内光流量的度量。单位：流明（lm）。 发光强度：光源在单位立体角内发出的光通量，用符号 表示 。单位：坎德拉（cd)。 亮度：用来描述物体表面发光的量度，光源单位面积上 I 在法线方向上的发光强度来表示，记为B，单位是：单位 面积上的坎德拉，cd / m2 。是客观亮度。 照度：受照面上某点的照度是通过包含该点单位面积的 光通量。
人眼的视觉特性
人眼的视觉特性
电视机图像的评价来源于人眼，所以，有必要讨论人眼对彩色图像观看的特点，并以此为基础理解电视系统中对图像信号的各种处理。
1. 相对视敏曲线
图1 相对视敏曲线
横坐标是电磁波的波长，纵坐标是相对视敏度，，对于不同波长的光在相同的辐射功率下，人眼感觉黄绿光最亮，波长自555 nm 起向左和向右渐渐减小或增大时，亮度感觉均渐渐下降。
也就是说三基色中人眼对绿光最敏感，红光次之，蓝光最不敏感。
2. 人眼的亮度感觉：
人眼可以感觉到的亮度范围虽然相当宽,，从暗视觉门限到眩目极限之间的范围在1010 量级。
但它并不能同时感受到如此之大的亮度范围全体。
当平均亮度适中时，人眼能感觉的亮度上、下限之比可达到近1000 ：1 ，而平均亮度过高或过低时，只有10 ：1 。
通常人眼能感觉的亮度上、下限亮度比为100 ：1 。
在不同的环境亮度下,同样的亮度,给人的主观亮度感觉却完全不同。
当人眼适应于不同的平均亮度后,可辨别的亮度范围也不相同。
重现图像的亮度无需与实际景物的亮度相同，二者只需保持最大亮度和最小亮度的比值即对比度相等，在重现景物时可不予精确复制亮度，只保持重现图像的对比度，就会有非常逼真的感觉。
3.人的彩色感觉：
4.人眼彩色细节的辨别力
人眼对亮度细节和色度细节的辨别力不一样，人眼的彩色辨别角比黑白辨别角大3～5倍。
由此，可以得到，对于彩色图像，用较宽的频带传送亮度信号，用较窄的频带传送色度信号。
第二章 人眼视觉原理
2.5 颜色视觉
亮度公式
在色度学中，通常把由配色方程配出的彩色光F 的亮度用光通量来表示： Y=0.30R＋0.59G+0.11B
（2-2）
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思考
1. 在交通路口，为什么选择黄、绿、红作为交通指示灯的 颜色？ 提示：观察视敏度曲线。 2. 在电影院看电影时，为什么要把照明灯都关掉？ 提示：理解韦伯定律和视觉惰性。
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2.5 颜色视觉
三基色原理
指自然界中常见的大部分彩色都可由三种相互独立 的基色按照一定比例混合得到。 所谓独立，是指其中任
何一种基色都不能由另外两种基色合成。
1931年，国际照明委员会（CIE）规 定 水 银 光 谱 中 R ～ 700nm ； G ～ 546.1nm； B～ 435.8nm为红、绿、蓝 基色光。当红、绿、蓝三束光比例合 适时，就可以合成自然界中常见的大 多数彩色。
视觉残留现象，白天约为0.02秒，晚上约为0.2秒。
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2.5 颜色视觉
彩色
颜色
非彩色
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2.5 颜色视觉
颜色感觉
射入眼内的是含有不同颜色成分单色光的复合光。
视网膜上锥细胞内含感受红、绿、 蓝三种基色的感色成分。
注：视网膜上的细胞按照形状可以分为锥细胞和柱细胞。柱 细胞的数量比锥细胞大得多，在视网膜上大约有 7500 万～ 15000万个柱细胞。柱细胞的分辨率比较低，主要提供视野 的整体视像，它们不感受颜色，但是对低照度比较敏感（适 暗视觉）。每个眼内约有600～700万个锥细胞。它们对颜色 很敏感。每个这样的细胞都连到自己的神经末梢，锥细胞视 觉称为适亮视觉。
光通量（流明lm）：反映一束光引起光亮感觉的能力，指的 是单位时间里通过一个面积的能量流，可以描述光源或接收面。 发光强度（坎德拉cd ）：指定方向上的发光强弱。1坎德拉 ＝1流明/1球面度（立体角元）。 光照度（lx）：接收面的照明程度。1勒克斯＝1流明/1米2。 亮度(cd/m2，也称尼特nt)：指光作用于人眼时所引起的明亮 程度的感觉，与色光所含能量有关。 7
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2 2 LC c o n s t b
* 光电成像原理
9
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。
φ
暗视觉
明视觉
555
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512
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。
*
6
光电成像原理
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：①人眼的明暗视觉适 应：在2~8mm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2~3min；B: 暗适应：对视场亮 度由亮突然到暗的适应，大约需要45min。 ②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。
当Lb>16.4cd/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：
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L0 8 3 L
*
8
光电成像原理
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：
L L t b C ,L 是 目 标 亮 度C的倒数成为反衬灵敏度。 t L b
Wald定律：背景亮度Lb、对比度C和人眼所能探测 目标的张角α之间具有的关系式
2 x L C c o n s t , x 在 0 ~ 2 之 间 变 化 b
对于小目标α <7’，则x=2，得到Rose定律：
λ/nm
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。
* 光电成像原理
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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θ的倒数称 为人眼的分辨力，θ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。
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光电成像原理
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。P37-39
§2.2 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？
第二章 人眼的视觉特性与图像探测
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光电成像原理
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。
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光电成像原理
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
(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:
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光电成像原理
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3×10-5cd/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。
实际工作中，人眼的分辨角可按经验公式估算：
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1 （ ' ） , 瞳 孔 直 径 d 的 单 位 m m 0 . 1 3 0 . 6 1 8 * d
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光电成像原理
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。
* 光电探测
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：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。 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。
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光电成像原理
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(10-9~1cd/m2)，人 眼能观察到的最小照度Emin约
5 E 3 . 5 1 0 L m i n b
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光电成像原理
第二章 人眼的视觉特性与图像探测
人眼的主要组成部分：①由角膜、虹膜、晶状体、 睫状体和玻璃体组成的光学系统；②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；③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。
* 光电成像原理
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第二章 人眼的视觉特性与图像探测
视网膜的神经细胞：①锥状细胞，具有高分辨力 和颜色分辨能力；②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：①盲点部分没有感光细胞，是不感 光的盲区；②黄斑中心凹处完全没有杆状细胞，具 有最高的视觉分辨力。 2. 人眼的视觉特性