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
人眼的主要组成部分：①由角膜、虹膜、晶状体、 睫状体和玻wk.baidu.com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)。
(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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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。
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(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
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。
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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。
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。
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(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。
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：
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
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(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：
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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。
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。
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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
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2 2 LC c o n s t b
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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
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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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§2.1 人眼的视觉特性与模型
1. 人眼的构造
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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(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。
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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？