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1、人眼视觉原理第1页，共24页，编辑于2022年，星期五2023/4/72023/4/7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n n人眼的构造n n视网膜的结构（杆状细胞，锥视网膜的结构（杆状细胞，锥状细胞）状细胞）n n视细胞的分布视细胞的分布n n人眼的视觉特性n n视觉的适应视觉的适应n n绝对视觉阈绝对视觉阈n n阈值对比度阈值对比度n n光谱灵敏度光谱灵敏度n n分辨力分辨力n n视觉系统的调制传递函数视觉系统的调制传递函数第2页，共24页，编辑于2022年，星期五2023/4/72023/4/7视网膜n n视网膜的结构视网膜的结构n n杆状细胞杆状细胞n n锥状
2、细胞锥状细胞n n视细胞的分布视细胞的分布第3页，共24页，编辑于2022年，星期五2023/4/72023/4/7视觉的适应n n明视觉n n暗视觉n n中介视觉n n颜色适应310-5cd/m23cd/m23105cd/m2暗视觉暗视觉明视觉明视觉中介视觉中介视觉第4页，共24页，编辑于2022年，星期五2023/4/72023/4/7人眼的视觉特性n n绝对视觉阈：全黑视场下，人眼感觉到的最小光刺激值，约109 lx量级。n n眩目亮度：与像场亮度相关。眩目亮度：与像场亮度相关。n n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
3、。n n对比度对比度C C：当：当L Lt t和和L Lb b分别为目标与背景的亮度时，对比度表示为：分别为目标与背景的亮度时，对比度表示为：由由于于背背景景亮亮度度、对对比比度度和和人人眼眼所所能能探探测测的的目目标标张张角角三三者者之之间间存存在在制制约约关关系系（WaldWald定定律律），特特别别是是在在目目标标张张角角77，时时，存存在在RoseRose定定律：律：第5页，共24页，编辑于2022年，星期五2023/4/72023/4/7人眼的视觉特性n n光光谱谱灵灵敏敏度度（光光谱谱光光视视效效率率）：人人眼眼对对各各种种不不同同波波长长的的辐辐射射光光有有不不同同的的灵灵敏敏度
4、（响应），对大量正常视力观察者的实验表明：度（响应），对大量正常视力观察者的实验表明：n n在较明亮环境中，人眼视觉对波长在较明亮环境中，人眼视觉对波长0.5550.555 mm左右的绿光最敏感；左右的绿光最敏感；n n在较暗条件下，人眼视觉对波长在较暗条件下，人眼视觉对波长0.5120.512 mm左右的黄绿光最敏感；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：右图给出不同视场亮度下，人眼的光谱光视效率曲线：n n人眼的分辨力：人眼能区分两人眼的分辨力：人眼能区分两发光点的最小角距离称为极限发光点的最小角距离称为极限分辨角分辨角，其倒数为人眼分辨，其倒数为人眼分辨力。
5、力。n n从内因分析，影响分辨力的因素为从内因分析，影响分辨力的因素为眼睛的构造。眼睛的构造。n n从外因分析，是目标的亮度与对从外因分析，是目标的亮度与对比度。比度。人眼会根据外界条件自动进行适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应，从而可以得到不同的极限分辨角。分辨角。明视觉 暗视觉 第6页，共24页，编辑于2022年，星期五人眼观察物体的要求人眼观察物体的要求灵敏度灵敏度：以量子阈值表示时，最小可探测的视觉刺激是以量子阈值表示时，最小可探测的视觉刺激是5858145145个蓝绿光个蓝绿光(波波长为长为0.510.51 m)m)的光子轰击角膜引起的，据估算，这一刺激只有的
6、光子轰击角膜引起的，据估算，这一刺激只有5 51414个光子个光子实际到达并作用于视网膜上。实际到达并作用于视网膜上。分辨力：分辨力：对比度：对比度：图案不同，对对比度的要求也不同（如点与点：图案不同，对对比度的要求也不同（如点与点：2626；方波条；方波条纹之间：纹之间：3 3）信噪比：信噪比：人眼观察物体需要排出干扰，如果干扰太大将影响到人眼的观察人眼观察物体需要排出干扰，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效果。图案不同，人眼对信噪比的要求不同（如方波图案：（如方波图案：1 11.51.5左右；余左右；余弦图案：弦图案：3 33.53.5左右）左右）10-
7、6lx10-5lx10-4lx10-3lx第7页，共24页，编辑于2022年，星期五2023/4/72023/4/7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n n图像信号与图像噪声n n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图像探测灵敏阈图像探测灵敏阈图像探测灵敏阈。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。n 景物细节的辐射亮度（单位面积的辐射强度）；n 景物细节对光电成像系统接收孔径的张角；n 景物细节与背景之间的辐射对比
8、度。第8页，共24页，编辑于2022年，星期五2023/4/72023/4/7第二章 人眼的视觉特性与图像探测n n图像信号与图像噪声n n图图像像信信号号：光光电电成成像像系系统统在在有有效效积积分分时时间间内内接接收收到到两两个个相相邻邻的的像像元元的的辐辐射射量量子子数数的的平平均均值值分分别别为为 和和 ，此此时时，系系统统能能否否分分辨辨出出这这两两个个像像元元，取取决决于于 与与 的差异。故图像信号值可以表示为右式：的差异。故图像信号值可以表示为右式：n n图图像像噪噪声声（光光子子噪噪声声）：各各像像元元所所辐辐射射的的光光子子数数的的瞬瞬时时值值n n统统计计平平均均值值的的偏
9、偏差差称称为为“涨涨落落”，用用均均方方根根表表示示，由由于于光光子子发发射射服服从从泊泊松松分分布布，故故其其均均方方根根值值可可表表示示为右式：为右式：n n图像信噪比图像信噪比：只只有有图图像像信信噪噪比比的的值值大大于于阈阈值值信信噪噪比比，信信号号才才可可以以被被探探测测到到，阈阈值信噪比由实验获得。值信噪比由实验获得。第9页，共24页，编辑于2022年，星期五2023/4/72023/4/7第二章 人眼的视觉特性与图像探测n n理想条件下光电成像的图像探测方程n n光光电电成成像像所所输输出出的的图图像像信信号号表表达达式式：式式中中L L、表表示示两两个个边边长长为为h h的的正
10、正方方形形相相邻邻像像元元的的辐辐射射亮亮度度和和辐辐射射通通量量（功功率率），为为像像元元与与探探测测器器表表面面的的法法线线交交角角。p p为为像像元元瞬瞬间间发发射射出出的的量量子子数数，d d为为像像元元与与成成像像系系统统距距离离，r r为为成成像像系系统统孔孔径径的的半半径径，为为有有效效积积分分时时间间，为为量量子子效效率率，Q Q为为每每流流明明光光通通量量在在每每秒秒内内所所通通过过的的光光子子数。数。第10页，共24页，编辑于2022年，星期五2023/4/72023/4/7第二章 人眼的视觉特性与图像探测n n理想条件下光电成像的图像探测方程n n光光电电成成像像所所输输
11、出出的的图图像像信信号号表表达达式式：式式中中L L、表表示示两两个个边边长长为为h h的的正正方方形形相相邻邻像像元元的的辐辐射射亮亮度度和和辐辐射射通通量量（功功率率），为为像像元元与与探探测测器器表表面面的的法法线线交交角角。p p为为像像元元瞬瞬间间发发射射出出的的量量子子数数，d d为为像像元元与与成成像像系系统统距距离离，r r为为成成像像系系统统孔孔径径的的半半径径，为为有有效效积积分分时时间间，为为量量子子效效率率，Q Q为为每每流流明明光光通量在每秒内所通过的光子数。通量在每秒内所通过的光子数。n n光电成像系统输出的光电成像系统输出的图像信噪比：图像信噪比：第11页，共24
12、页，编辑于2022年，星期五2023/4/72023/4/7第二章 人眼的视觉特性与图像探测n n理想条件下光电成像的图像探测方程n n理想探测器图像探测方程理想探测器图像探测方程(罗罗斯方程斯方程)n n夏根方程夏根方程n n弗里斯弗里斯-罗斯定律罗斯定律第12页，共24页，编辑于2022年，星期五2023/4/72023/4/7第二章 人眼的视觉特性与图像探测第13页，共24页，编辑于2022年，星期五2023/4/72023/4/7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n n目标搜索的一般原理n n目标探测识别模型n n约翰逊准则第14页，共24页，编辑于2022年，星
13、期五2023/4/72023/4/7第二章 人眼的视觉特性与图像探测n n目标搜索的一般原理n n探测探测:把一个目标同其所处背景把一个目标同其所处背景或其它目标区别开来或其它目标区别开来n n分类分类:把探测出的目标大致分类把探测出的目标大致分类（飞机？坦克）（飞机？坦克）n n识别识别:把分类目标再细分（坦克？汽把分类目标再细分（坦克？汽车）车）n n辨别辨别：把已识别的目标进行辨认：把已识别的目标进行辨认（型号、细节）（型号、细节）n n搜索概率的大小，在一定程度上提搜索概率的大小，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。常
14、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：第15页，共24页，编辑于2022年，星期五2023/4/72023/4/7第二章 人眼的视觉特性与图像探测n n目标探测识别模型假定搜索光电成像系统显假定搜索光电成像系统显示屏上的目标像的过程示屏上的目标像的过程为：为：n n在一个完全可以确定的在一个完全可以确定的面积上进行谨慎的搜索面积上进行谨慎的搜索n n根据所搜索的目标与周根据所搜索的目标与周围景物的亮度对比度探围景物的亮度对比度探测测n n根据对比度所形成的外根据对比度所形成的
15、外形轮廓进行识别形轮廓进行识别nPR为显示器上可以将目标识别的概率nP1为在一个确定的包含目标的面积上，扫视到目标的概率nP2为扫视到的目标被探测到的概率nP3为探测到的目标被识别的概率n为噪声引起的总衰减因子。第16页，共24页，编辑于2022年，星期五2023/4/72023/4/7第二章 人眼的视觉特性与图像探测n n目标探测识别模型n nP P1 1，扫视到目标的概率，扫视到目标的概率n n瞥见时间：瞥见时间：1/3 s1/3 sn n瞥瞥见见孔孔径径：有有效效瞥瞥见见扫扫描描孔孔径径，平平均均凝凝视视中中心心之之间间的的距距离。离。n n瞥见孔径对应的面积瞥见孔径对应的面积A Ag
16、gn n目标面积：目标面积：A AT Tn nk:k:与与景景物物密密度度程程度度相相关关的的参参数数，通通常常为为1010100100，有有时时也在也在10010010001000之间变化。之间变化。n n搜索面积：搜索面积：A As sn n完善系统的自由搜索完善系统的自由搜索n n扫视到目标的瞥见数只能是扫视到目标的瞥见数只能是a an n失去目标的瞥见数为失去目标的瞥见数为b bn n一次瞥见中扫视到目标的概率为一次瞥见中扫视到目标的概率为p p，未扫视到的概率为，未扫视到的概率为q qn nn n次瞥见中心扫视到目标的概率为次瞥见中心扫视到目标的概率为P Pn n所需的瞥见次数所需的
17、瞥见次数N N第17页，共24页，编辑于2022年，星期五2023/4/72023/4/7第二章 人眼的视觉特性与图像探测n n目标探测识别模型n nP P2 2，扫扫视视到到的的目目标标被被探探测测的的概概率率对比度探测概率对比度探测概率n n当当目目标标对对其其相相邻邻背背景景的的对对比比度度大大于于阈阈值值对对比比度度时时，目目标标就就有有一一定定的的被被探探测测概率。概率。n n勃勃来来克克韦韦尔尔的的试试验验：观观察察者者在在8 8个个可可能的位置上进行强迫选择；能的位置上进行强迫选择；n n而而搜搜索索显显示示器器时时，是是在在所所有有位位置置上上自自由由选选择择。勃勃建建议议自自
18、由由选选择择所所需需阈阈值值要要大大2.42.4倍倍；考考虑虑到到目目标标出出现现的的位位置置和和时间的不确定性，再提高时间的不确定性，再提高1.51.5倍。倍。n n修修正正曲曲线线把把阈阈值值对对比比度度曲曲线线上上调调5.55.5倍。可近似表示为双曲线。倍。可近似表示为双曲线。当其他观察对比度C时的概率仅与C/CT的值有关时，可近似表示为：第18页，共24页，编辑于2022年，星期五2023/4/72023/4/7第二章 人眼的视觉特性与图像探测n n目标探测识别模型n nP P3 3，探测到的目标被识别的概率，探测到的目标被识别的概率n n对对于于已已知知或或提提示示过过且且熟熟悉悉的
19、的目目标标形形状状的的识识别别是是把把目目标标的的形形状状与与记记忆忆中中的形状向判别的过程，需要探测到目标的细节足够多。的形状向判别的过程，需要探测到目标的细节足够多。n n一些实验研究得出此概率与一些实验研究得出此概率与NrNr的关系：的关系：n nNrNr由目标临界尺寸中所包含的独立可探测点确定：由目标临界尺寸中所包含的独立可探测点确定：n n计算显示器上实际目标像对人眼的张角计算显示器上实际目标像对人眼的张角 及目标的显示对比度及目标的显示对比度C C；n n由由C/CC/CT T=1.5=1.5确定确定C C满足满足90%90%探测概率的阈值对比度探测概率的阈值对比度C CT T；n
20、 n由由阈阈值值对对比比度度双双曲曲线线公公式式确确定定50%50%探探测测概概率率下下的的最最小小可可探探测测角角 ，即即为为可可使具有显示对比度使具有显示对比度C C的目标达到的目标达到90%90%探测概率的目标张角；探测概率的目标张角；n n目标张角目标张角 中包括的中包括的 数目，即独立可探测点数目，即独立可探测点NrNr=/。第19页，共24页，编辑于2022年，星期五2023/4/72023/4/7第二章 人眼的视觉特性与图像探测n n目标探测识别模型n n，影响识别概率的总噪声因子，影响识别概率的总噪声因子n n噪声的种类：噪声的种类：n n系统噪声：探测器噪声、放大器噪声、荧光
21、屏的颗粒噪声等；系统噪声：探测器噪声、放大器噪声、荧光屏的颗粒噪声等；n n与信号相关的噪声：如光子噪声等。与信号相关的噪声：如光子噪声等。n n噪声的影响形式：噪声的影响形式：n n增加了图像景物密集因子增加了图像景物密集因子G G而降低了而降低了P P1 1n n增加了点探测所需的阈值对比度增加了点探测所需的阈值对比度C CT T而降低了而降低了P P2 2；n n由于对比度边界的由于对比度边界的 变形或对比度梯度的降低，相应地降低了变形或对比度梯度的降低，相应地降低了NrNr值而使值而使P P3 3减小。减小。RandRand模模型型采采用用了了变变量量分分离离的的方方法法，使使每每一一
22、项项表表示示成成少少数数几几个个参参数数的的函函数数，并并把把噪噪声声项项独独立立处处理理，从从而而使使问问题题得得到到 相相当大的简化当大的简化。第20页，共24页，编辑于2022年，星期五2023/4/72023/4/7第二章 人眼的视觉特性与图像探测n n约翰逊准则n n目目标标的的等等效效条条带带：一一组组黑黑白白间间隔隔相相等等的的条条带带状状图图案案，其其总总高高度度为为基基本本上上能能被被识识别别的的目目标标临临界界尺尺寸寸，及及目目标标的的最最小小投投影影尺尺寸寸，其其长长度度为为垂垂直直于于临临界界尺尺寸寸方方向向的的横横跨跨目目标标的的尺尺寸寸，等等效效条条带带图图案案的的
23、可可分分辨辨力力为为目目标标临临界界尺尺寸寸所所包包含含的的可可分分辨辨的条带数（周临界尺寸）的条带数（周临界尺寸）n n约约翰翰逊逊论论证证了了等等效效条条带带图图案案可可分分辨辨力力能能用用来来预预测测目目标标的的探探测识别，通过实验确定了各类目标探测识别准则。测识别，通过实验确定了各类目标探测识别准则。目标的等效条带图案目标的等效条带图案研研究究表表明明：有有可可能能在在不不考考虑虑目目标标本本质质和和图图像像缺缺陷陷的的情情况况下下，用用目目标标等效条带图案可分辨力来评价成像系统对目标的识别能力等效条带图案可分辨力来评价成像系统对目标的识别能力第21页，共24页，编辑于2022年，星期
24、五2023/4/72023/4/7第二章 人眼的视觉特性与图像探测探测水平定义50%概率时所需的等效条带周期数探测（发现）在视场中发现一个目标1.00.25定向可大致区分目标是否对称及方位1.40.35识别可将目标分类（坦克？卡车？人？）4.00.8辨别可区分出目标型号及其他特征6.41.5第22页，共24页，编辑于2022年，星期五2023/4/72023/4/7第二章 人眼的视觉特性与图像探测探测识别认清Pd周期Pr最不利 最有利 平均值Pi观察胶片CRT1.031.012910.51.018240.9520.958670.9512160.801.50.8064.55.250.809120.501.00.50433.50.50680.300.750.3032.252.630.304.560.100.50.1021.51.750.10340.020.250.0210.750.880.021.52000000000军用车辆探测概率军用车辆探测概率Pd、识别概率、识别概率Pr和和Pi与目标条带周期数与目标条带周期数第23页，共24页，编辑于2022年，星期五第二章 人眼的视觉特性与图像探测第24页，共24页，编辑于2022年，星期五