《人眼视觉原理》PPT课件
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– 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
2020/12/10
视网膜的结构
杆状细胞 锥状细胞
视细胞的分布
视网膜
2020/12/10
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
3×10-5cd/m2
明视觉
探测方程
– 光电成像所输出的图像信号表达式：
(L1 L2 )r 2 2Q
式中L、Φ表示两个边长为h的正方
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 的法线交角。p为像元瞬间发射出的 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
S / N p1 p2 p1 p2
,
– 光电成像所输出的图像信号表达式： 式中L、Φ表示两个边长为h的正方 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 的法线交角。p为像元瞬间发射出的
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 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。
10-6lx
分辨力：
对比度：图案不同10-，5lx 对对比度的要求也不同（如点与点：26％；
方波条纹之间：3％）
信噪比：人眼观察物体需要10排-4lx 出干扰，如果干扰太大将影响
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：1～1.5左右；余弦图案：3～3.5左右）
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。
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。
2020/12/10
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
个蓝绿光(波长为0.51m)的光子轰击角膜引起的，据估算，这一 刺激只有5~14个光子实际到达并作用于视网膜上。
– 在较明亮环境中，人眼视觉对波长0.555μm左右的绿光最敏感； – 在较暗条件下，人眼视觉对波长0.512μm左右的黄绿光最敏感；
右图给出不同视场亮度下，人眼的光谱光视效率曲线：
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，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。
3cd/m2
3×105cd/m2
2020/12/10
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， 约10－9 lx量级。
– 眩目亮度：与像场亮度相关。
• 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%时，不同背景亮度下的 对比度。
– 对比度C：当Lt和Lb分别为C 目 标Lt-与Lb背景的亮度时，对比度表示为： Lb
S n1 n2
N D(n1) D(n2 ) n1 n2
图像信噪比：
只有图像信噪比的值大于 S / N n1 n2
阈值信噪比，信号才可以被探测到，
n1 n2
阈值信噪比由实验获得。
2020/12/10
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
L1
d
dds cos
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
2020/12/10
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
2020/12/10
p1 L1h2 sin2 Q
L1r
2
Leabharlann Baidu
h d
2
Q
L1r 2 2Q
φ
Φ1
L 1
c osdds
s0
φ
L1h2 2π sin cosd
0
πL1h2 sin φ
S p1 p2
(L1 L2 )r 2 2Q
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 S p1 p2
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(罗
S N
2πr2α2QτLmC 2
斯方程)
– 夏根方程 – 弗里斯-罗斯定律
2πr2α2QτLmC 2
S N
m in
2
S
2
即
Lm 2C 2
N min
πD2Qτ
Lm 2CT 2 const
2020/12/10
第二章 人眼的视觉特性与图像探测
–
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。 光电成像系统输出的图像信噪比：
S N
(L1 L2 )2 r 2 2Q
(L1 L2 )
2020/12/10
C L1 L2 L1 L2
又Lm
1 2 (L1
L2
)
S N
2πr 2α2QτLmC 2
第二章 人眼的视觉特性与图像探
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 角<7’，时，存在Rose定律：
Lb C 2 α2 const
2020/12/10
人眼的视觉特性
• 光谱灵敏度（光谱光视效率）：人眼对各种不同波长的辐射光有不同 的灵敏度（响应），对大量正常视力观察者的实验表明：
2020/12/10
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 接收到两个相邻的像元的辐射量子数的平均 值分别为 n1 和n2 ，此时，系统能否分辨出这 两个像元，取决于n1 n2 与 的差异。故图像 信号值可以表示为右式：
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“涨 落”，用均方根表示，由于光子发射服从泊 松分布，故其均方根值可表示为右式：
2020/12/10
视网膜的结构
杆状细胞 锥状细胞
视细胞的分布
视网膜
2020/12/10
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
3×10-5cd/m2
明视觉
探测方程
– 光电成像所输出的图像信号表达式：
(L1 L2 )r 2 2Q
式中L、Φ表示两个边长为h的正方
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 的法线交角。p为像元瞬间发射出的 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
S / N p1 p2 p1 p2
,
– 光电成像所输出的图像信号表达式： 式中L、Φ表示两个边长为h的正方 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 的法线交角。p为像元瞬间发射出的
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 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。
10-6lx
分辨力：
对比度：图案不同10-，5lx 对对比度的要求也不同（如点与点：26％；
方波条纹之间：3％）
信噪比：人眼观察物体需要10排-4lx 出干扰，如果干扰太大将影响
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：1～1.5左右；余弦图案：3～3.5左右）
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。
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。
2020/12/10
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
个蓝绿光(波长为0.51m)的光子轰击角膜引起的，据估算，这一 刺激只有5~14个光子实际到达并作用于视网膜上。
– 在较明亮环境中，人眼视觉对波长0.555μm左右的绿光最敏感； – 在较暗条件下，人眼视觉对波长0.512μm左右的黄绿光最敏感；
右图给出不同视场亮度下，人眼的光谱光视效率曲线：
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，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。
3cd/m2
3×105cd/m2
2020/12/10
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， 约10－9 lx量级。
– 眩目亮度：与像场亮度相关。
• 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%时，不同背景亮度下的 对比度。
– 对比度C：当Lt和Lb分别为C 目 标Lt-与Lb背景的亮度时，对比度表示为： Lb
S n1 n2
N D(n1) D(n2 ) n1 n2
图像信噪比：
只有图像信噪比的值大于 S / N n1 n2
阈值信噪比，信号才可以被探测到，
n1 n2
阈值信噪比由实验获得。
2020/12/10
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
L1
d
dds cos
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
2020/12/10
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
2020/12/10
p1 L1h2 sin2 Q
L1r
2
Leabharlann Baidu
h d
2
Q
L1r 2 2Q
φ
Φ1
L 1
c osdds
s0
φ
L1h2 2π sin cosd
0
πL1h2 sin φ
S p1 p2
(L1 L2 )r 2 2Q
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 S p1 p2
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(罗
S N
2πr2α2QτLmC 2
斯方程)
– 夏根方程 – 弗里斯-罗斯定律
2πr2α2QτLmC 2
S N
m in
2
S
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即
Lm 2C 2
N min
πD2Qτ
Lm 2CT 2 const
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第二章 人眼的视觉特性与图像探测
–
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。 光电成像系统输出的图像信噪比：
S N
(L1 L2 )2 r 2 2Q
(L1 L2 )
2020/12/10
C L1 L2 L1 L2
又Lm
1 2 (L1
L2
)
S N
2πr 2α2QτLmC 2
第二章 人眼的视觉特性与图像探
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 角<7’，时，存在Rose定律：
Lb C 2 α2 const
2020/12/10
人眼的视觉特性
• 光谱灵敏度（光谱光视效率）：人眼对各种不同波长的辐射光有不同 的灵敏度（响应），对大量正常视力观察者的实验表明：
2020/12/10
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 接收到两个相邻的像元的辐射量子数的平均 值分别为 n1 和n2 ，此时，系统能否分辨出这 两个像元，取决于n1 n2 与 的差异。故图像 信号值可以表示为右式：
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“涨 落”，用均方根表示，由于光子发射服从泊 松分布，故其均方根值可表示为右式：