第二章人眼的视觉特性与图像探测春

新型光电成像器件及其应用

第二章人眼的视觉特性与图像探测曹峰梅光电学院光电成像与信息工程研究所2023/5/24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2023/5/24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2023/5/24视网膜视网膜的结构杆状细胞锥状细胞视细胞的分布2023/5/24视觉的适应明视觉暗视觉中介视觉颜色适应3×10-5cd/m23cd/m23×105cd/m2暗视觉明视觉中介视觉2023/5/24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10－9lx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分别为目标与背景的亮度时，对比度表示为：

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：2023/5/24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：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。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。

明视觉

暗视觉

2023/5/24人眼的视觉特性视觉系统的调制传递函数MTF用MTF评价视觉特性的优点：MTF曲线可以推断由单纯的视力测定难以了解的视觉功能，如推断弱视眼的特性。对视网膜、信息处理系统的特性作统一的数学处理。能按MTF推断各种图像的像质特性，知觉特性等。用激光干涉技术，有把眼球的成像系统和视网膜之后的大脑处理系统加以分离并作出评价，这将是非常重要的。视觉过程的几个阶段：眼球光学系统把外界的三维信息传递，形成二维图像；视细胞检验光，并进行光电转换，视网膜进行图像信息处理；大脑枕叶视皮层的信号处理与大脑中枢的辨识。人眼的MTF：眼球光学系统的MTF：把细小的狭缝像投影到视网膜上，测定反射像的宽度，由于眼球光学系统近似满足先行条件，故用傅氏变换可得MTF。视网膜的MTF视觉系统总的MTF2023/5/24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。2023/5/24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和，此时，系统能否分辨出这两个像元，取决于与的差异。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：图像信噪比：

只有图像信噪比的值大于阈值信噪比，信号才可以被探测到，阈值信噪比由实验获得。2023/5/24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。光电成像系统输出的图像信噪比：2023/5/24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理想探测器图像探测方程(罗斯方程)夏根方程弗里斯-罗斯定律2023/5/24第二章人眼的视觉特性与图像探测2023/5/24第二章人眼的视觉特性与图像探测2.3.目标的探测与识别目标搜索的一般原理目标探测－识别模型约翰逊准则2023/5/24第二章人眼的视觉特性与图像探测目标搜索的一般原理探测:把一个目标同其所处背景或其它目标区别开来分类:把探测出的目标大致分类（飞机？坦克）识别:把分类目标再细分（坦克？汽车）辨别：把已识别的目标进行辨认（型号、细节）搜索概率的大小，在一定程度上提供了光电成像系统性能的评估，通常可以写成各种条件概率的乘积。在假定目标一定在视场内出现，并且上述每一项都是互相独立的，即某一搜索任务的发生，不影响下一个搜索任务产生的概率，则上式可简化如下：20满23葬/5揉/1绒9第二门章送人眼理的视避觉特趁性与真图像湾探测目标爆探测煎－识驾别模研型假定漫搜索钟光电猪成像付系统央显示担屏上钟的目胀标像挖的过木程为增：在一迫个完培全可希以确纵定的糠面积辩上进殃行谨嘉慎的莫搜索根据柜所搜形索的丧目标店与周盘围景究物的激亮度捆对比键度探快测根据痰对比许度所强形成赞的外御形轮压廓进眼行识时别PR为显务示器婚上可丘以将鬼目标侨识别扑的概彻率P1为在痛一个鸭确定趴的包艇含目订标的浪面积博上，肥扫视窃到目析标的黎概率P2为扫亦视到踩的目鲁标被擦探测勾到的秩概率P3为探举测到舌的目扣标被积识别洪的概加率η为噪煮声引之起的追总衰贵减因乔子。20预23框/5竖/1裙9第二屑章是人眼损的视眼觉特倦性与蒸图像承探测目标热探测闪－识惯别模舰型P1，扫责视到佣目标执的概牛率瞥见聚时间倍：1/歌3北s瞥见访孔径姻：有羡效瞥咏见扫江描孔咬径，酸平均侄凝视罢中心破之间丧的距右离。瞥见语孔径始对应很的面添积Ag目标轰面积知：ATk:与景且物密鉴度程享度相浮关的耳参数戒，通槐常为10～10对0，有堤时也邀在10定0～10旷00之间衡变化铜。搜索裹面积低：As完善沫系统山的自研由搜句索扫视茶到目候标的热瞥见自数只均能是a失去纲目标述的瞥课见数往为b一次级瞥见煌中扫荣视到册目标慈的概主率为p，未追扫视摧到的槐概率石为qn次瞥赛见中片心扫致视到吗目标选的概受率为P所需签的瞥迁见次披数N20柱23大/5茫/1横9第二遣章娇人眼墙的视遥觉特搞性与掏图像韵探测目标述探测饲－识马别模忘型P2，扫派视到宝的目秘标被脱探测梦的概吐率－狱对比捐度探促测概溉率当目屯标对菜其相呀邻背抵景的洪对比羽度大跪于阈葡值对鱼比度钻时，凯目标蒸就有枝一定蛇的被维探测摔概率昨。勃来继克韦躲尔的哲试验阴：观割察者挤在8个可拦能的最位置扯上进助行强借迫选谜择；而搜工索显胃示器每时，做是在竿所有桶位置香上自范由选当择。导勃建雁议自锤由选简择所泰需阈董值要鞠大2.养4倍；冷考虑累到目畏标出若现的辆位置汗和时扁间的裹不确胞定性瞒，再餐提高1.东5倍。修正赛曲线泽把阈烟值对挤比度便曲线箭上调5.乓5倍。扑可近凳似表边示为饱双曲腿线。当其咬他观肠察对尾比度C时的陡概率絮仅与C/CT的值贷有关垃时，楚可近嫂似表饿示为澡：20爬23铲/5养/1它9第二毙章站人眼甩的视众觉特数性与掀图像爆探测目标赔探测社－识壶别模抚型P3，探沸测到骄的目混标被掩识别溪的概换率对于代已知席或提真示过鹅且熟稼悉的轧目标他形状菊的识需别是例把目坐标的骑形状此与记仁忆中沃的形赛状向财判别训的过挠程，建需要坦探测饮到目仿标的姨细节矿足够君多。一些斧实验盯研究技得出呀此概虾率与Nr的关诱系：Nr由目粒标临雀界尺猪寸中呀所包减含的歪独立芽可探滴测点匹确定黑：计算膨显示遥器上棉实际为目标购像对真人眼狠的张笑角α及目道标的秤显示择对比峰度C；由C/储CT=1纹.5确定C满足90徐%探测遣概率葬的阈贡值对话比度CT；由阈合值对小比度蛋双曲用线公颗式确揉定50睡%探测棚概率猴下的扫最小相可探见测角α’，即爆为可诊使具涌有显垄示对搅比度C的目白标达偏到90况%探测视概率晴的目缠标张初角；目标悉张角α中包虏括的α’数目笔，即侍独立灶可探心测点Nr=α/α’。20乘23腊/5糖/1棚9第二临章简人眼妇的视帮觉特摧性与宪图像忘探测目标诞探测膏－识椅别模渐型η，影焰响识怀别概碰率的删总噪喝声因输子噪声攀的种询类：系统市噪声竿：探跪测器蚂噪声耳、放近大器主噪声饿、荧伸光屏判的颗州粒噪垂声等醉；与信恋号相酷关的勾噪声逼：如高光子棚噪声枝等。噪声忌的影登响形溪式：增加狼了图挡像景押物密汉集因痕子G而降熄低了P1增加因了点疑探测涨所需气的阈堡值对罢比度CT而降什低了P2；由于前对比弄度边凶界的座变舞形或新对比旅度梯仁度的书降低膀，相机应地柴降低锋了Nr值而渠使P3减小贫。Ra零nd模型貌采用测了变都量分在离的鱼方法伪，使割每一层项表械示成岭少数潜几个剂参数俗的函女数，南并把盒噪声雅项独探立处怖理，伴从而析使问悉题得奖到炼相当导大的瞒简化。20木23籍/5哪/1舍9第二翻章荣人眼神的视扬觉特摄性与示图像若探测约翰明逊准锄则目标员的等深效条危带：辣一组竹黑白势间隔闭相等块的条叮带状蛇图案献，其特总高疏度为背基本草上能腊被识详别的脸目标倚临界称尺寸岭，及安目标拢的最及小投登影尺穴寸，桨其长每度为跨垂直画于临昨界尺梅寸方奴向的薪横跨遣目标摆的尺鬼寸，港等效稳条带崇图案防的可碍分辨言力为鸟目标辨临界唤尺寸质所包瞒含的突可分笔辨的然条带告数（皇周／傻临界遇尺寸队）约翰饮逊论辆证了堤等效肌条带激图案惰可分蝇辨力锣能用光来预默测目所标的具探测抢识别尘，通芹过实武验确塔定了潜各类删目标堤探测晓识别悼准则睛。目标的等效条带图案研究美表明童：有印可能蝴在不搜考虑膊目标乖本质碗和图甲像缺宣陷的轧情况侵下，依用目纸标等妹效条第带图燥案可悄分辨龄力来时评价毁成像详系统诱对目缝标的