光电成像原理与技术第二章人眼的视觉特性与图像探测.ppt

上午4时10分,光电成像原理,1,第二章人眼的视觉特性与图像探测,上午4时10分,光电成像原理,2,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。,上午4时10分,光电成像原理,3,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,上午4时10分,光电成像原理,4,第二章人眼的视觉特性与图像探测,人眼的主要组成部分：由角膜、虹膜、晶状体、睫状体和玻璃体组成的光学系统；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；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。,上午4时10分,光电成像原理,5,第二章人眼的视觉特性与图像探测,视网膜的神经细胞：锥状细胞，具有高分辨力和颜色分辨能力；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：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；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:,上午4时10分,光电成像原理,6,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310-5cd/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。,上午4时10分,光电成像原理,7,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：人眼的明暗视觉适应：在28mm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23min；B:暗适应：对视场亮度由亮突然到暗的适应，大约需要45min。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。,上午4时10分,光电成像原理,8,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(10-91cd/m2)，人眼能观察到的最小照度Emin约,当Lb16.4cd/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：,上午4时10分,光电成像原理,9,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：,C的倒数成为反衬灵敏度。,Wald定律：背景亮度Lb、对比度C和人眼所能探测目标的张角之间具有的关系式,对于小目标7，则x=2，得到Rose定律：,上午4时10分,光电成像原理,10,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。,在可见光区域内，任意波长与555nm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。,上午4时10分,光电成像原理,11,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）：人眼极限分辨角的倒数称为人眼的分辨力，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。,实际工作中，人眼的分辨角可按经验公式估算：,上午4时10分,光电成像原理,12,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。,上午4时10分,光电成像原理,13,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？,上午4时10分,光电成像原理,14,第二章人眼的视觉特性与图像探测,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：景物细节的辐射亮度或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。,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。,上午4时10分,光电成像原理,15,第二章人眼的视觉特性与图像探测,2.2一、图像的信噪比,图像的亮暗反映了图像上相邻两个像元辐射的量子数不一样(即图像细节)，量子数的不一样最终构成了图像信号，图像的信号值,图像的噪声值,图像的信噪比,上午4时10分,光电成像原理,16,第二章人眼的视觉特性与图像探测,2.2二、光电成像系统的图像探测方程,1光电成像输出的图像信号表达式,式中，r是系统接收孔径的半径，是光电转换的量子效率，是有效积分时间，是像元边长对系统的张角，Q是每lm光通量在每秒所通过的光子数。,2光电成像输出的图像噪声表达式,上午4时10分,光电成像原理,17,第二章人眼的视觉特性与图像探测,3光电成像输出的图像信噪比,引入光学中的对比度C和平均亮度Bm，有,上午4时10分,光电成像原理,18,第二章人眼的视觉特性与图像探测,4光电成像的图像探测方程,当满足上式时，图像可以被探测到。该表达式包含两类参数：表征图像：图像的平均亮度Bm，图像的对比度C，图像的视角；表征光电成像系统：光电成像系统的接收孔径D，光电成像的光电转换量子效率，光电成像的有效积分时间。,上式定量的描述了图像探测特性，Bm、C决定的图像细节可以被D、确定的光电成像系统探测到。,上午4时10分,光电成像原理,19,第二章人眼的视觉特性与图像探测,5图像探测灵敏阈,图像探测方程的极限值对应图像探测灵敏阈。由该方程可以得到系统的图像探测特性，图2-10。,*图像探测方程只考虑了光电成像的光电转换量子噪声，忽略了其他噪声和像差，对应的图像探测灵敏阈只是量子极限。,上午4时10分,光电成像原理,20,第二章人眼的视觉特性与图像探测,其他常见的图像探测方程有：,2.2三、图像探测方程的其他表示形式,罗斯(A.Rose)方程，式(2-43);,戴维斯(H.L.Devrice)方程，式(2-44);,考特曼(J.H.Coltoman)方程，式(2-45);,怕赛普(E.C.Pathep)方程，式(2-46);,理查德(E.A.Richards)方程，式(2-47)。,2.3目标的探测与识别,上午4时10分,光电成像原理,21,第二章人眼的视觉特性与图像探测,2.3一、目标搜索的一般原理,人眼在搜索目标像时，眼睛的连续响应可分为探测(发现)、定向、识别和辨别四个等级(探测水平:将系统性能与人眼视觉相结合的视觉能力评价，需通过视觉心理实验来完成)。每个等级的定义见表2-6.,如果每一项搜索任务都是相互独立的，即：某一搜索任务的发生不影响下一个搜索任务发生的概率，则搜索概率可表示为各独立任务(事件)的概率乘积：,Iden、Ren等搜索等级的意义见表2-7。一般情况，建立目标探测-识别模型都是以彼此独立的几个因素来分析研究。,上午4时10分,光电成像原理,22,第二章人眼的视觉特性与图像探测,2.3二、约翰逊准则（探测水平）,约翰逊准则：用等效条带图案的可分辨力来预测、评价目标的探测和识别，并且各探测水平所需的条带周期数有确定值。表2-6.,等效条带图案：一组黑白间隔相等的条带状图案，其总高度为基本上能被识别的目标临界尺寸，条带长度为垂直于临界尺寸方向的横跨目标尺寸。,可分辨力：目标临界尺寸中所包含的可分辨条带数，用“周/临界尺寸”表示。,上午4时10分,光电成像原理,23,第二章人眼的视觉特性与图像探测,2.3三、目标探测识别模型,搜索目标像的过程：在一个完全确定的面积上谨慎地搜索；根据所搜索目标与周围景物的亮度对比进行对比度探测；根据对比度形成的外形轮廓进行识别。显示图像伴随的噪声将干扰搜索中-各过程的实施。,上述搜索过程的条件：假定短时内搜索复杂视场中的目标是已知的或者是提示过的且熟悉目标，目标在视场中确实存在；不考虑监视某一目标在市场中的出现或对目标结构完全无知的情况。,Rand探测识别模型(Rand模型):,上午4时10分,光电成像原理,24,第二章人眼的视觉特性与图像探测,其中，PR是显示器上目标的识别概率，P1是搜索一个确定的包含有目标的面积时，扫视到目标的概率；P2是扫视到的目标被探测的概率，称为对比度探测；P3是探测到的目标被识别的概率；是总的噪声引起的衰减因子。,P1项：,1.人眼目视搜索时的运动,目标探测识别模型不考虑对比度很高或者尺寸很大的目标（极易探测）。利用视网膜中心凹对不易发现的目标进行系统、周密地搜索。,上午4时10分,光电成像原理,25,第二章人眼的视觉特性与图像探测,凝视：固定的对某一点进行注视称为凝视；人眼注视一点后迅速地移到另一点进行注视，该过程称为扫视。,凝视中心：被凝视的点称为凝视中心。,瞥见时间：对某个固定的点进行凝视的时间称为瞥见时间。通常，人眼的瞥见时间为1/3s。,瞥见孔径：瞥见存在的有效扫描孔径称为瞥见孔径，对应的面积为Ag。人眼自动地根据目标特性(表观尺寸、对比度)和周围景物的性质（结构复杂性、密集程度）调整凝视中心之间的距离，凝视中心也随着目标和场景特点变化。,上午4时10分,光电成像原理,26,第二章人眼的视觉特性与图像探测,瞥见孔径与目标特性和景物性质的关系：,其中，AT是目标的面积，k是与景物密集程度有关的参数，在10100之间取值，或者是1001000(少)。,2.P1项的表达式,式中，K是常数，As是搜索面积，t是搜索时间。,引入密集因子G(110取值)，根据景物密集程度选择，K=K0/G，K0(取值100)是标称值，则：,上午4时10分,光电成像原理,27,第二章人眼的视觉特性与图像探测,P2项：,对比度探测：当目标对相邻背景的对比度大于阈值对比度时，目标就有被探测到的可能，因此概率P2涉及到人眼视觉系统的对比度探测过程。,式中，C是人眼可利用的实际观察对比度(显示器上的显示对比度)，CT是目标的阈值对比度。,上午4时10分,光电成像原理,28,第二章人眼的视觉特性与图像探测,考虑系统振动等因素后，目标阈值对比度CT可近似为：,式中，是对目标的张角。,对固有对比度C0的目标，经大气和成像系统后由(*)式确定探测概率P2。,P3项：,上午4时10分,光电成像原理,29,第二章人眼的视觉特性与图像探测,参数Nr由目标临界尺寸中所包含的独立可探测点确定，计算过程如下：,计算显示器上实际目标像对人眼张角及目标的显示对比度C；,Nr=/,由阈值对比度近似公式确定50%探测概率下的最小可探测角；,由C/CT=1.5确定使C满足90%探测概率的阈值对比度CT；,上午4时10分,光电成像原理,30,第二章人眼的视觉特性与图像探测,项：,探测识别模型没有考虑噪声对P1、P2、P3影响，用总噪声的衰减因子表示噪声对识别概率的影响：,式中，SNR是输出显示信噪比。,探测识别Rand模型采用了分离变量的方法，使P1、P2、P3表示为不受噪声影响的少数几个参数的函数，并把噪声项进行单独处理，从而把问题简单化。,上午4时10分,光电成像原理,31,思考题,解释人眼的绝对视觉阈、阈值对比度、光谱灵敏度。人眼的分辨力如何定义？受什么因素影响？影响光电成像系统分辨景物细节的主要因素有哪些？约翰逊准则把探测水平分为几个等级？每个等级如何定义？解释人眼的凝视、凝视中心、瞥见、瞥见时间和瞥见孔径。Rand模型如何把搜索过程简单化？,