人眼視覺原理

人眼視覺原理第1頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/19第二章人眼的視覺特性與圖像探測2.1.人眼的視覺特性與模型人眼的構(gòu)造視網(wǎng)膜的結(jié)構(gòu)（桿狀細胞，錐狀細胞）視細胞的分布人眼的視覺特性視覺的適應(yīng)絕對視覺閾閾值對比度光譜靈敏度分辨力視覺系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)第2頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/19視網(wǎng)膜視網(wǎng)膜的結(jié)構(gòu)桿狀細胞錐狀細胞視細胞的分布第3頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/19視覺的適應(yīng)明視覺暗視覺中介視覺顏色適應(yīng)3×10-5cd/m23cd/m23×105cd/m2暗視覺明視覺中介視覺第4頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/19人眼的視覺特性絕對視覺閾：全黑視場下，人眼感覺到的最小光刺激值，約10－9lx量級。眩目亮度：與像場亮度相關(guān)。閾值對比度：時間不限，使用雙眼探測一個亮度大于背景亮度的圓盤，察覺概率為50%時，不同背景亮度下的對比度。對比度C：當(dāng)Lt和Lb分別為目標與背景的亮度時，對比度表示為：

由于背景亮度、對比度和人眼所能探測的目標張角三者之間存在制約關(guān)系（Wald定律），特別是在目標張角<7’，時，存在Rose定律：第5頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/19人眼的視覺特性光譜靈敏度（光譜光視效率）：人眼對各種不同波長的輻射光有不同的靈敏度（響應(yīng)），對大量正常視力觀察者的實驗表明：在較明亮環(huán)境中，人眼視覺對波長0.555μm左右的綠光最敏感；在較暗條件下，人眼視覺對波長0.512μm左右的黃綠光最敏感；右圖給出不同視場亮度下，人眼的光譜光視效率曲線：人眼的分辨力：人眼能區(qū)分兩發(fā)光點的最小角距離稱為極限分辨角θ，其倒數(shù)為人眼分辨力。從內(nèi)因分析，影響分辨力的因素為眼睛的構(gòu)造。從外因分析，是目標的亮度與對比度。人眼會根據(jù)外界條件自動進行適應(yīng)，從而可以得到不同的極限分辨角。

明視覺

暗視覺

第6頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六人眼觀察物體的要求靈敏度：以量子閾值表示時，最小可探測的視覺刺激是58~145個藍綠光(波長為0.51m)的光子轟擊角膜引起的，據(jù)估算，這一刺激只有5~14個光子實際到達并作用于視網(wǎng)膜上。

分辨力：對比度：圖案不同，對對比度的要求也不同（如點與點：26％；方波條紋之間：3％）信噪比：人眼觀察物體需要排出干擾，如果干擾太大將影響到人眼的觀察效果。圖案不同，人眼對信噪比的要求不同（如方波圖案：1～1.5左右；余弦圖案：3～3.5左右）10-6lx10-5lx10-4lx10-3lx第7頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/19第二章人眼的視覺特性與圖像探測2.2.圖像探測理論與圖像方程圖像信號與圖像噪聲理想條件下光電成像的圖像探測方程2.3.目標的探測與識別

理論分析證明：光電成像存在著圖像探測的極限值，這一極限稱為圖像探測靈敏閾。一個景物的細節(jié)能否被光電成像系統(tǒng)所探測到，即形成一個可以被人眼識別的輸出圖像，與如下三個因素相關(guān)。景物細節(jié)的輻射亮度（單位面積的輻射強度）；景物細節(jié)對光電成像系統(tǒng)接收孔徑的張角；景物細節(jié)與背景之間的輻射對比度。第8頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/19第二章人眼的視覺特性與圖像探測圖像信號與圖像噪聲圖像信號：光電成像系統(tǒng)在有效積分時間內(nèi)接收到兩個相鄰的像元的輻射量子數(shù)的平均值分別為和，此時，系統(tǒng)能否分辨出這兩個像元，取決于與的差異。故圖像信號值可以表示為右式：圖像噪聲（光子噪聲）：各像元所輻射的光子數(shù)的瞬時值n統(tǒng)計平均值的偏差稱為“漲落”，用均方根表示，由于光子發(fā)射服從泊松分布，故其均方根值可表示為右式：圖像信噪比：

只有圖像信噪比的值大于閾值信噪比，信號才可以被探測到，閾值信噪比由實驗獲得。第9頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/19第二章人眼的視覺特性與圖像探測理想條件下光電成像的圖像探測方程光電成像所輸出的圖像信號表達式：式中L、Φ表示兩個邊長為h的正方形相鄰像元的輻射亮度和輻射通量（功率），φ為像元與探測器表面的法線交角。p為像元瞬間發(fā)射出的量子數(shù)，d為像元與成像系統(tǒng)距離，r為成像系統(tǒng)孔徑的半徑，τ為有效積分時間，η為量子效率，Q為每流明光通量在每秒內(nèi)所通過的光子數(shù)。第10頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/19第二章人眼的視覺特性與圖像探測理想條件下光電成像的圖像探測方程光電成像所輸出的圖像信號表達式：式中L、Φ表示兩個邊長為h的正方形相鄰像元的輻射亮度和輻射通量（功率），φ為像元與探測器表面的法線交角。p為像元瞬間發(fā)射出的量子數(shù)，d為像元與成像系統(tǒng)距離，r為成像系統(tǒng)孔徑的半徑，τ為有效積分時間，η為量子效率，Q為每流明光通量在每秒內(nèi)所通過的光子數(shù)。光電成像系統(tǒng)輸出的圖像信噪比：第11頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/19第二章人眼的視覺特性與圖像探測理想條件下光電成像的圖像探測方程理想探測器圖像探測方程(羅斯方程)夏根方程弗里斯-羅斯定律第12頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/19第二章人眼的視覺特性與圖像探測第13頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/19第二章人眼的視覺特性與圖像探測2.3.目標的探測與識別目標搜索的一般原理目標探測－識別模型約翰遜準則第14頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/19第二章人眼的視覺特性與圖像探測目標搜索的一般原理探測:把一個目標同其所處背景或其它目標區(qū)別開來分類:把探測出的目標大致分類（飛機？坦克）識別:把分類目標再細分（坦克？汽車）辨別：把已識別的目標進行辨認（型號、細節(jié)）搜索概率的大小，在一定程度上提供了光電成像系統(tǒng)性能的評估，通常可以寫成各種條件概率的乘積。在假定目標一定在視場內(nèi)出現(xiàn)，并且上述每一項都是互相獨立的，即某一搜索任務(wù)的發(fā)生，不影響下一個搜索任務(wù)產(chǎn)生的概率，則上式可簡化如下：第15頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/19第二章人眼的視覺特性與圖像探測目標探測－識別模型假定搜索光電成像系統(tǒng)顯示屏上的目標像的過程為：在一個完全可以確定的面積上進行謹慎的搜索根據(jù)所搜索的目標與周圍景物的亮度對比度探測根據(jù)對比度所形成的外形輪廓進行識別PR為顯示器上可以將目標識別的概率P1為在一個確定的包含目標的面積上，掃視到目標的概率P2為掃視到的目標被探測到的概率P3為探測到的目標被識別的概率η為噪聲引起的總衰減因子。第16頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/19第二章人眼的視覺特性與圖像探測目標探測－識別模型P1，掃視到目標的概率瞥見時間：1/3s瞥見孔徑：有效瞥見掃描孔徑，平均凝視中心之間的距離。瞥見孔徑對應(yīng)的面積Ag目標面積：ATk:與景物密度程度相關(guān)的參數(shù)，通常為10～100，有時也在100～1000之間變化。搜索面積：As完善系統(tǒng)的自由搜索掃視到目標的瞥見數(shù)只能是a失去目標的瞥見數(shù)為b一次瞥見中掃視到目標的概率為p，未掃視到的概率為qn次瞥見中心掃視到目標的概率為P所需的瞥見次數(shù)N第17頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/19第二章人眼的視覺特性與圖像探測目標探測－識別模型P2，掃視到的目標被探測的概率－對比度探測概率當(dāng)目標對其相鄰背景的對比度大于閾值對比度時，目標就有一定的被探測概率。勃來克韋爾的試驗：觀察者在8個可能的位置上進行強迫選擇；而搜索顯示器時，是在所有位置上自由選擇。勃建議自由選擇所需閾值要大2.4倍；考慮到目標出現(xiàn)的位置和時間的不確定性，再提高1.5倍。修正曲線把閾值對比度曲線上調(diào)5.5倍?？山票硎緸殡p曲線。當(dāng)其他觀察對比度C時的概率僅與C/CT的值有關(guān)時，可近似表示為：第18頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/19第二章人眼的視覺特性與圖像探測目標探測－識別模型P3，探測到的目標被識別的概率對于已知或提示過且熟悉的目標形狀的識別是把目標的形狀與記憶中的形狀向判別的過程，需要探測到目標的細節(jié)足夠多。一些實驗研究得出此概率與Nr的關(guān)系：Nr由目標臨界尺寸中所包含的獨立可探測點確定：計算顯示器上實際目標像對人眼的張角α及目標的顯示對比度C；由C/CT=1.5確定C滿足90%探測概率的閾值對比度CT；由閾值對比度雙曲線公式確定50%探測概率下的最小可探測角α’，即為可使具有顯示對比度C的目標達到90%探測概率的目標張角；目標張角α中包括的α’數(shù)目，即獨立可探測點Nr=α/α’。第19頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/19第二章人眼的視覺特性與圖像探測目標探測－識別模型η，影響識別概率的總噪聲因子噪聲的種類：系統(tǒng)噪聲：探測器噪聲、放大器噪聲、熒光屏的顆粒噪聲等；與信號相關(guān)的噪聲：如光子噪聲等。噪聲的影響形式：增加了圖像景物密集因子G而降低了P1增加了點探測所需的閾值對比度CT而降低了P2；由于對比度邊界的變形或?qū)Ρ榷忍荻鹊慕档停鄳?yīng)地降低了Nr值而使P3減小。Rand模型采用了變量分離的方法，使每一項表示成少數(shù)幾個參數(shù)的函數(shù)，并把噪聲項獨立處理，從而使問題得到相當(dāng)大的簡化。第20頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/19第二章人眼的視覺特性與圖像探測約翰遜準則目標的等效條帶：一組黑白間隔相等的條帶狀圖案，其總高度為基本上能被識別的目標臨界尺寸，及目標的最小投影尺寸，其長度為垂直于臨界尺寸方向的橫跨目標的尺寸，等效條帶圖案的可分辨力為目標臨界尺寸所包含的可分辨的條帶數(shù)（周／臨界尺寸）約翰遜論證了等效條帶圖案可分辨力能用來預(yù)測目標的探測識別，通過實驗確定了各類目標探測識別準則。目標的等效條帶圖案研究表明：有可能在不考慮目標本質(zhì)和圖像缺陷的情況下，用目標等效條帶圖案可分辨力來評價成像系統(tǒng)對目標的識別能力第21頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/19第二章人眼的視覺特性與圖像探測探測水平定義50%概率時所需的等效條帶周期數(shù)探測（發(fā)現(xiàn)）在視場中發(fā)現(xiàn)一個目標1.0±0.25定向可大致區(qū)分目標是否對稱及方位1.4±0.35識別可將目標分類（坦克？卡車？人？）4.0±0.8辨別可區(qū)分出目標型號及其他特征6.4±1.5第22頁，共24頁，2023年，2月20日，星期六2023/4/19第二章人眼的視覺特性與圖像探測探測識別認清Pd周期Pr最不利最有利平均值Pi觀察膠片CRT1.031.012910.51.018240.9520.958670.9512160.801.50.8064.55.250.809120.5