*光電成像原理1第二章人眼的視覺特性與圖像探測

*光電成像原理1第二章1*光電成像原理2第二章人眼的視覺特性與圖像探測

各種光電成像系統或器件都是人類用以改善和擴展視覺性能的輔助工具，人類的眼睛借助這些輔助工具獲得人眼不能直接得到的圖像信息。*光電成像原理2第二章人眼的視覺特性與圖像探測2*光電成像原理3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1.人眼的構造*光電成像原理3第二章人眼的視覺特性與圖像探測§2.13*光電成像原理4第二章人眼的視覺特性與圖像探測

人眼的主要組成部分：①由角膜、虹膜、晶狀體、睫狀體和玻璃體組成的光學系統；②構成人眼視覺關鍵部分的視網膜—敏感和信號處理部分，帶有盲點和黃斑；③信號傳輸和顯示系統的視神經和大腦。

復雜多層網格結構的視網膜：與玻璃體相接觸的部分，是神經細胞層，神經的末端是神經細胞(細胞元)。

光線經光學系統進入視網膜，視網膜中的感光細胞吸收光并發生化學分解作用引起視覺刺激，視覺刺激以電信號形式傳輸至大腦產生視覺。*光電成像原理4第二章人眼的視覺特性與圖像探測人眼的主要4*光電成像原理5第二章人眼的視覺特性與圖像探測

視網膜的神經細胞：①錐狀細胞，具有高分辨力和顏色分辨能力；②桿狀細胞：視覺靈敏度比錐狀細胞高幾千倍，但不能分辨顏色。

盲點和黃斑：①盲點部分沒有感光細胞，是不感光的盲區；②黃斑中心凹處完全沒有桿狀細胞，具有最高的視覺分辨力。2.人眼的視覺特性(a)視覺的適應

人眼視覺響應隨著外界視場亮度的變化可分三類:*光電成像原理5第二章人眼的視覺特性與圖像探測5*光電成像原理6第二章人眼的視覺特性與圖像探測

明視覺響應：人眼適應大于或等于3cd/m2的視場亮度時，視覺由錐狀細胞起作用。暗視覺響應：人眼適應小于或等于3×10-5cd/m2的視場亮度時，視覺由桿狀細胞起作用。（夜間的灰白）中介視覺響應：視場亮度介于明、暗視覺響應之間時,視覺響應逐漸由錐狀細胞轉向桿狀細胞起作用。

當視場亮度發生突變時，人眼的適應主要包括明暗適應和色彩適應。*光電成像原理6第二章人眼的視覺特性與圖像探測明視覺響應6*光電成像原理7第二章人眼的視覺特性與圖像探測

適應過程的調節分兩方面：①人眼的明暗視覺適應：在2~8mm之間自動調節瞳孔的大小，改變進入人眼的光通量。A:亮適應：對視場亮度由暗突然到亮的適應，大約需要2~3min；B:暗適應：對視場亮度由亮突然到暗的適應，大約需要45min。②人眼的色彩適應：視細胞感光機制的適應，由視細胞中的視紫紅質色素在光的刺激下完成。由于視紫紅質色素的產生與消失，達到新的平衡所需要的時間延遲就是色彩適應。*光電成像原理7第二章人眼的視覺特性與圖像探測7*光電成像原理8第二章人眼的視覺特性與圖像探測

(b)人眼的絕對視覺閾

所謂人眼的絕對視覺閾，是在充分暗適應的狀態下，全黑視場中，人眼感覺到的最小光刺激值(用照度表示，單位lx)，在10-9數量級。

在一定背景亮度Lb的條件下(10-9~1cd/m2)，人眼能觀察到的最小照度Emin約當Lb>16.4cd/m2后產生炫目現象，絕對視覺閾值也迅速提高。炫目亮度L0與像場亮度L的數值關系為：到最后頁*光電成像原理8第二章人眼的視覺特性與圖像探測(b)人8*光電成像原理9第二章人眼的視覺特性與圖像探測

(c)人眼的閾值對比度

閾值對比度是指在一定背景下把目標鑒別出來所必須的目標在背景中的襯度(對比度C)。目標在背景中的襯度用對比度C表示：C的倒數成為反襯靈敏度。Wald定律：背景亮度Lb、對比度C和人眼所能探測目標的張角α之間具有的關系式對于小目標α<7’，則x=2，得到Rose定律：到最后頁*光電成像原理9第二章人眼的視覺特性與圖像探測(c)人9*光電成像原理10第二章人眼的視覺特性與圖像探測

人眼的視覺特性與視場亮度、目標對比度和目標大小有關。(d)人眼的光譜靈敏度

人眼對不同波長的光具有不同的靈敏度響應，不同人的眼睛，對波長靈敏度響應也有差異。

在可見光區域內，任意波長與555nm波長處的輻射功率之比稱為光譜靈敏度，其構成的曲線就稱為光譜響應曲線。512555λ/nm暗視覺明視覺φ到最后頁*光電成像原理10第二章人眼的視覺特性與圖像探測10*光電成像原理11第二章人眼的視覺特性與圖像探測

(e)人眼的分辨力眼睛的分辨力（視力）：人眼極限分辨角θ的倒數稱為人眼的分辨力，θ是人眼能區分亮發光點的最小角距離。影響眼睛分辨力的因素：內因：與眼睛的構造有關；外因：決定于目標的亮度與對比度；人眼會隨外界條件(背景亮度、對比度)的不同自動進行適應，從而有不同的極限分辨角。表2-3。照度變化對分辨力也有很大影響，不同照度下其分辨角也不一樣。

實際工作中，人眼的分辨角可按經驗公式估算：到最后頁*光電成像原理11第二章人眼的視覺特性與圖像探測(e)11*光電成像原理12第二章人眼的視覺特性與圖像探測

(f)視覺系統的調制傳遞函數MTF視覺系統的MTF由眼球光學系統、視網膜等各部分是MTF的乘積構成，圖2-9。人眼的分辨力表征了眼睛分辨兩點或兩線的能力，但是沒有普遍性，有局限。引進光學調制傳遞函數來表征人眼圖像傳遞和復現的性能。MTF評價視覺特性的優點：MTF曲線可推斷由單純視力測定難以了解的視覺功能；對視網膜、信息處理系統的特性做統一的數學處理；按MTF推斷各種圖像的像質特性、知覺特性；用激光干涉技術，把眼球的成像系統和大腦處理系統加以分離并作出評價。*光電成像原理12第二章人眼的視覺特性與圖像探測(f)12*光電成像原理13第二章人眼的視覺特性與圖像探測

視覺系統MTF的模型：高斯型、指數型、Barten模型和復合視覺模型。P37-39§2.2圖像探測理論與圖像探測方程

光電成像突破了人眼的時間靈敏閾限制，由光電變換將輸入的弱光圖像加以增強，并輸出強光圖像，以便于人眼觀察。

光電成像的增強作用是否不受任何限制？*光電成像原理13第二章人眼的視覺特性與圖像探測視覺系統13*光電成像原理14第二章人眼的視覺特性與圖像探測

圖像探測靈敏閾：光電成像系統的圖像探測極限。影響圖像探測極限的因素：①景物細節的輻射亮度或單位面積的輻射強度；②景物細節對光電成像系統接收孔徑的張角；③景物細節與背景之間的輻射對比度。

通常用探測到圖像細節的最小張角與最低輻射亮度兩者關系曲線表示圖像探測極限。

選定各種不同的、確定的輻射對比度測定上述曲線—圖像探測特性曲線，該曲線定量地表明了光電成像系統的圖像探測靈敏度，圖像探測曲線的解析表達式稱為圖像探測方程。*光電成像原理14第二章人眼的視覺特性與圖像探測圖像探測14*光電成像原理15第二章人眼的視覺特性與圖像探測

§2.2

一、圖像的信噪比

圖像的亮暗反映了圖像上相鄰兩個像元輻射的量子數不一樣(即圖像細節)，量子數的不一樣最終構成了圖像信號，圖像的信號值圖像的噪聲值圖像的信噪比*光電成像原理15第二章人眼的視覺特性與圖像探測§2.215*光電成像原理16第二章人眼的視覺特性與圖像探測

§2.2

二、光電成像系統的圖像探測方程1光電成像輸出的圖像信號表達式式中，r是系統接收孔徑的半徑，η是光電轉換的量子效率，τ是有效積分時間，α是像元邊長對系統的張角，Q是每lm光通量在每秒所通過的光子數。2光電成像輸出的圖像噪聲表達式*光電成像原理16第二章人眼的視覺特性與圖像探測§2.216*光電成像原理17第二章人眼的視覺特性與圖像探測

3光電成像輸出的圖像信噪比引入光學中的對比度C和平均亮度Bm，有*光電成像原理17第二章人眼的視覺特性與圖像探測3光電17*光電成像原理18第二章人眼的視覺特性與圖像探測

4光電成像的圖像探測方程當滿足上式時，圖像可以被探測到。該表達式包含兩類參數：①表征圖像：圖像的平均亮度Bm，圖像的對比度C，圖像的視角α；②表征光電成像系統：光電成像系統的接收孔徑D，光電成像的光電轉換量子效率η，光電成像的有效積分時間τ。上式定量的描述了圖像探測特性，Bm

、α、C決定的圖像細節可以被D、η、τ確定的光電成像系統探測到。*光電成像原理18第二章人眼的視覺特性與圖像探測4光電18*光電成像原理19第二章人眼的視覺特性與圖像探測

5圖像探測靈敏閾

圖像探測方程的極限值對應圖像探測靈敏閾。由該方程可以得到系統的圖像探測特性，圖2-10。*圖像探測方程只考慮了光電成像的光電轉換量子噪聲，忽略了其他噪聲和像差，對應的圖像探測靈敏閾只是量子極限。*光電成像原理19第二章人眼的視覺特性與圖像探測5圖像19*光電成像原理20第二章人眼的視覺特性與圖像探測

§2.2三、圖像探測方程的其他表示形式一般的圖像探測方程Bm---圖像亮度,

α---景物細節對人眼的張角,

C---圖像對比度D----光電成像系統的接收孔徑,

τ---成像的有效積分時間η----成像的光電轉換量子效率,

Q---每流明光通量在每秒所通過的光子數(對白光約為1.3?1016lm-1S-1)S/N---圖像信噪比*光電成像原理20第二章人眼的視覺特性與圖像探測§2.220*其他常見的圖像探測方程有：羅斯(A.Rose)方程，式(2-43);B---圖像亮度,

α---景物細節對人眼的張角,

C---圖像對比度D----光電成像系統的接收孔徑,

τ---成像的有效積分時間η----成像的光電轉換量子效率,

無Q---每流明光通量在每秒所通過的光子數(對白光約為1.3?1016lm-1S-1)

,但對應的張角單位為分S/N---圖像信噪比到最后頁*其他常見的圖像探測方程有：羅斯(A.Rose)方程，式(21戴維斯(H.L.Devrice)方程，式(2-44);B---圖像亮度,

α---景物細節對人眼的張角,

C---圖像對比度D----光電成像系統的接收孔徑,

τ---成像的有效積分時間η----成像的光電轉換量子效率,

Q---每流明光通量在每秒所通過的光子數(對白光約為1.3?1016lm-1S-1)

,但對應的張角單位為分S/N---圖像信噪比戴維斯(H.L.Devrice)方程，式(2-44);B2223考特曼(J.H.Coltoman)方程，式(2-45);怕賽普(E.C.Pathep)方程，式(2-46);理查德(E.A.Richards)方程，式(2-47)。略23考特曼(J.H.Coltoman)方程，式(2-4523*光電成像原理24§2.3目標的探測與識別§2.3一、目標搜索的一般原理

人眼在搜索目標像時，眼睛的連續響應可分為探測(發現)、定向、識別和辨別四個等級(探測水平)。每個等級的定義見表2-6.探測視場內發現目標分辨力1.0左右定向可大致區分目標是否對稱及方位1.4識別可將目標分類分辨力4.0辨別區分型號及其他特征6.4到最后頁*光電成像原理24§2.3目標的探測與識別§2.3一、24*光電成像原理25第二章人眼的視覺特性與圖像探測

如果每一項搜索任務都是相互獨立的，即：某一搜索任務的發生不影響下一個搜索任務發生的概率，則搜索概率可表示為各獨立任務(事件)的概率乘積：Iden辨別、Rec識別,Clas分類,Det探測等搜索等級的意義見表2-7。一般情況，建立目標探測-識別模型都是以彼此獨立的幾個因素來分析研究。*光電成像原理25第二章人眼的視覺特性與圖像探測25*光電成像原理26第二章人眼的視覺特性與圖像探測

§2.3二、約翰遜準則（探測水平）

約翰遜準則：用等效條帶圖案的可分辨力來預測、評價目標的探測和識別，并且各探測水平所需的條帶周期數有確定值。表2-6.

等效條帶圖案：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，條帶長度為垂直于臨界尺寸方向的橫跨目標尺寸。

可分辨力：目標臨界尺寸中所包含的可分辨條帶數，用“周/臨界尺寸”表示。*光電成像原理26第二章人眼的視覺特性與圖像探測§2.326光電成像原理27第二章人眼的視覺特性與圖像探測

§2.3三、目標探測—識別模型

搜索目標像的過程：①在一個完全確定的面積上謹慎地搜索；②根據所搜索目標與周圍景物的亮度對比進行對比度探測；③根據對比度形成的外形輪廓進行識別；④顯示圖像伴隨的噪聲將干擾搜索中各過程的實施。

上述搜索過程的條件：假定短時內搜索復雜視場中的目標是已知的或者是提示過的且熟悉目標，目標在視場中確實存在；不考慮監視某一目標在市場中的出現或對目標結構完全無知的情況。光電成像原理27第二章人眼的視覺特性與圖像探測§2.327*光電成像原理28*Rand探測—識別模型(Rand模型):其中，PR是顯示器上目標的識別概率，P1是搜索一個確定的包含有目標的面積時，掃視到目標的概率；P2是掃視到的目標被探測的概率，稱為對比度探測；P3是探測到的目標被識別的概率；η是總的噪聲引起的衰減因子。到下一解釋頁*光電成像原理28*Rand探測—識別模型(R28*光電成像原理29第二章人眼的視覺特性與圖像探測

P1項：1.人眼目視搜索時的運動

目標探測—識別模型不考慮對比度很高或者尺寸很大的目標（極易探測）。利用視網膜中心凹對不易發現的目標進行系統、周密地搜索。

凝視：固定的對某一點進行注視稱為凝視；人眼注視一點后迅速地移到另一點進行注視，該過程稱為掃視。

凝視中心：被凝視的點稱為凝視中心。到最后頁*光電成像原理29第二章人眼的視覺特性與圖像探測P1項：29*光電成像原理30第二章人眼的視覺特性與圖像探測

瞥見時間：對某個固定的點進行凝視的時間稱為瞥見時間。通常，人眼的瞥見時間為1/3s。

瞥見孔徑：瞥見存在的有效掃描孔徑稱為瞥見孔徑，對應的面積為Ag。人眼自動地根據目標特性(表觀尺寸、對比度)和周圍景物的性質（結構復雜性、密集程度）調整凝視中心之間的距離，凝視中心也隨著目標和場景特點變化。到最后頁*光電成像原理30第二章人眼的視覺特性與圖像探測30*光電成像原理31第二章人眼的視覺特性與圖像探測

瞥見孔徑與目標特性和景物性質的關系：其中，AT是目標的面積，k是與景物密集程度有關的參數，在10~100之間取值，或者是100~1000(少)。2.P1項的表達式式中，K是常數，As是搜索面積，t是搜索時間。*光電成像原理31第二章人眼的視覺特性與圖像探測31*光電成像原理32

引入密集因子G(1~10取值)，根據景物密集程度選擇，K=K0/G，K0(取值100)是標稱值，則：AT為目標面積,

As為瞥見孔徑,但實際選擇密集因子G存在困難.*光電成像原理32引入密集因子G(1~10取值32*光電成像原理33第二章人眼的視覺特性與圖像探測

P2項：

對比度探測：當目標對相鄰背景的對比度大于閾值對比度時，目標就有被探測到的可能，因此概率P2涉及到人眼視覺系統的對比度探測過程。式中，標準偏差σ=0.39，C是人眼可利用的實際觀察對比度(顯示器上的顯示對比度)，CT是目標的閾值對比度。*光電成像原理33第二章人眼的視覺特性與圖像探測P2項：33*光電成像原理34第二章人眼的視覺特性與圖像探測

考慮系統振動等因素后，目標閾值對比度CT可近似為：式中，α是對目標的張角。*光電成像原理34第二章人眼的視覺特性與圖像探測34*光電成像原理35P3項識別概率：

參數Nr由目標臨界尺寸中所包含的獨立可探測點確定，計算過程如下：*光電成像原理35P3項識別概率：參數Nr由目35*光電成像原理36第二章人眼的視覺特性與圖像探測

①計算顯示器上實際目標像對人眼張角α及目標的顯示對比度C；

④Nr=α/α’

③由閾值對比度近似公式確定50%探測概率下的最小可探測角α’；

②由C/CT=1.5確定使C滿足90%探測概率的閾值對比度CT；*光電成像原理36第二章人眼的視覺特性與圖像探測36光電成像原理37第二章人眼的視覺特性與圖像探測

η項噪聲因子：

探測—識別模型沒有考慮噪聲對P1、P2、P3影響，用總噪聲的衰減因子表示噪聲對識別概率的影響：式中，SNR是輸出顯示信噪比。光電成像原理37第二章人眼的視覺特性與圖像探測η項噪聲因37*光電成像原理38*

探測—識別Rand模型采用了分離變量的方法，使P1、P2、P3表示為不受噪聲影響的少數幾個參數的函數，并把噪聲項進行單獨處理，從而把問題簡單化。*光電成像原理38*探測—識別Rand模型采用38*光電成像原理39思考題

解釋人眼的絕對視覺閾、閾值對比度、光譜靈敏度。人眼的分辨力如何定義？受什么因素影響？影響光電成像系統分辨景物細節的主要因素有哪些？約翰遜準則把探測水平分為幾個等級？每個等級如何定義？解釋人眼的凝視、凝視中心、瞥見、瞥見時間和瞥見孔徑。Rand模型如何把搜索過程簡單化？*光電成像原理39思考題解釋人眼的絕對視覺閾、閾值39*光電成像原理40第二章人眼的視覺特性與圖像探測

*光電成像原理1第二章40*光電成像原理41第二章人眼的視覺特性與圖像探測

各種光電成像系統或器件都是人類用以改善和擴展視覺性能的輔助工具，人類的眼睛借助這些輔助工具獲得人眼不能直接得到的圖像信息。*光電成像原理2第二章人眼的視覺特性與圖像探測41*光電成像原理42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1.人眼的構造*光電成像原理3第二章人眼的視覺特性與圖像探測§2.142*光電成像原理43第二章人眼的視覺特性與圖像探測

人眼的主要組成部分：①由角膜、虹膜、晶狀體、睫狀體和玻璃體組成的光學系統；②構成人眼視覺關鍵部分的視網膜—敏感和信號處理部分，帶有盲點和黃斑；③信號傳輸和顯示系統的視神經和大腦。

復雜多層網格結構的視網膜：與玻璃體相接觸的部分，是神經細胞層，神經的末端是神經細胞(細胞元)。

光線經光學系統進入視網膜，視網膜中的感光細胞吸收光并發生化學分解作用引起視覺刺激，視覺刺激以電信號形式傳輸至大腦產生視覺。*光電成像原理4第二章人眼的視覺特性與圖像探測人眼的主要43*光電成像原理44第二章人眼的視覺特性與圖像探測

視網膜的神經細胞：①錐狀細胞，具有高分辨力和顏色分辨能力；②桿狀細胞：視覺靈敏度比錐狀細胞高幾千倍，但不能分辨顏色。

盲點和黃斑：①盲點部分沒有感光細胞，是不感光的盲區；②黃斑中心凹處完全沒有桿狀細胞，具有最高的視覺分辨力。2.人眼的視覺特性(a)視覺的適應

人眼視覺響應隨著外界視場亮度的變化可分三類:*光電成像原理5第二章人眼的視覺特性與圖像探測44*光電成像原理45第二章人眼的視覺特性與圖像探測

明視覺響應：人眼適應大于或等于3cd/m2的視場亮度時，視覺由錐狀細胞起作用。暗視覺響應：人眼適應小于或等于3×10-5cd/m2的視場亮度時，視覺由桿狀細胞起作用。（夜間的灰白）中介視覺響應：視場亮度介于明、暗視覺響應之間時,視覺響應逐漸由錐狀細胞轉向桿狀細胞起作用。

當視場亮度發生突變時，人眼的適應主要包括明暗適應和色彩適應。*光電成像原理6第二章人眼的視覺特性與圖像探測明視覺響應45*光電成像原理46第二章人眼的視覺特性與圖像探測

適應過程的調節分兩方面：①人眼的明暗視覺適應：在2~8mm之間自動調節瞳孔的大小，改變進入人眼的光通量。A:亮適應：對視場亮度由暗突然到亮的適應，大約需要2~3min；B:暗適應：對視場亮度由亮突然到暗的適應，大約需要45min。②人眼的色彩適應：視細胞感光機制的適應，由視細胞中的視紫紅質色素在光的刺激下完成。由于視紫紅質色素的產生與消失，達到新的平衡所需要的時間延遲就是色彩適應。*光電成像原理7第二章人眼的視覺特性與圖像探測46*光電成像原理47第二章人眼的視覺特性與圖像探測

(b)人眼的絕對視覺閾

所謂人眼的絕對視覺閾，是在充分暗適應的狀態下，全黑視場中，人眼感覺到的最小光刺激值(用照度表示，單位lx)，在10-9數量級。

在一定背景亮度Lb的條件下(10-9~1cd/m2)，人眼能觀察到的最小照度Emin約當Lb>16.4cd/m2后產生炫目現象，絕對視覺閾值也迅速提高。炫目亮度L0與像場亮度L的數值關系為：到最后頁*光電成像原理8第二章人眼的視覺特性與圖像探測(b)人47*光電成像原理48第二章人眼的視覺特性與圖像探測

(c)人眼的閾值對比度

閾值對比度是指在一定背景下把目標鑒別出來所必須的目標在背景中的襯度(對比度C)。目標在背景中的襯度用對比度C表示：C的倒數成為反襯靈敏度。Wald定律：背景亮度Lb、對比度C和人眼所能探測目標的張角α之間具有的關系式對于小目標α<7’，則x=2，得到Rose定律：到最后頁*光電成像原理9第二章人眼的視覺特性與圖像探測(c)人48*光電成像原理49第二章人眼的視覺特性與圖像探測

人眼的視覺特性與視場亮度、目標對比度和目標大小有關。(d)人眼的光譜靈敏度

人眼對不同波長的光具有不同的靈敏度響應，不同人的眼睛，對波長靈敏度響應也有差異。

在可見光區域內，任意波長與555nm波長處的輻射功率之比稱為光譜靈敏度，其構成的曲線就稱為光譜響應曲線。512555λ/nm暗視覺明視覺φ到最后頁*光電成像原理10第二章人眼的視覺特性與圖像探測49*光電成像原理50第二章人眼的視覺特性與圖像探測

(e)人眼的分辨力眼睛的分辨力（視力）：人眼極限分辨角θ的倒數稱為人眼的分辨力，θ是人眼能區分亮發光點的最小角距離。影響眼睛分辨力的因素：內因：與眼睛的構造有關；外因：決定于目標的亮度與對比度；人眼會隨外界條件(背景亮度、對比度)的不同自動進行適應，從而有不同的極限分辨角。表2-3。照度變化對分辨力也有很大影響，不同照度下其分辨角也不一樣。

實際工作中，人眼的分辨角可按經驗公式估算：到最后頁*光電成像原理11第二章人眼的視覺特性與圖像探測(e)50*光電成像原理51第二章人眼的視覺特性與圖像探測

(f)視覺系統的調制傳遞函數MTF視覺系統的MTF由眼球光學系統、視網膜等各部分是MTF的乘積構成，圖2-9。人眼的分辨力表征了眼睛分辨兩點或兩線的能力，但是沒有普遍性，有局限。引進光學調制傳遞函數來表征人眼圖像傳遞和復現的性能。MTF評價視覺特性的優點：MTF曲線可推斷由單純視力測定難以了解的視覺功能；對視網膜、信息處理系統的特性做統一的數學處理；按MTF推斷各種圖像的像質特性、知覺特性；用激光干涉技術，把眼球的成像系統和大腦處理系統加以分離并作出評價。*光電成像原理12第二章人眼的視覺特性與圖像探測(f)51*光電成像原理52第二章人眼的視覺特性與圖像探測

視覺系統MTF的模型：高斯型、指數型、Barten模型和復合視覺模型。P37-39§2.2圖像探測理論與圖像探測方程

光電成像突破了人眼的時間靈敏閾限制，由光電變換將輸入的弱光圖像加以增強，并輸出強光圖像，以便于人眼觀察。

光電成像的增強作用是否不受任何限制？*光電成像原理13第二章人眼的視覺特性與圖像探測視覺系統52*光電成像原理53第二章人眼的視覺特性與圖像探測

圖像探測靈敏閾：光電成像系統的圖像探測極限。影響圖像探測極限的因素：①景物細節的輻射亮度或單位面積的輻射強度；②景物細節對光電成像系統接收孔徑的張角；③景物細節與背景之間的輻射對比度。

通常用探測到圖像細節的最小張角與最低輻射亮度兩者關系曲線表示圖像探測極限。

選定各種不同的、確定的輻射對比度測定上述曲線—圖像探測特性曲線，該曲線定量地表明了光電成像系統的圖像探測靈敏度，圖像探測曲線的解析表達式稱為圖像探測方程。*光電成像原理14第二章人眼的視覺特性與圖像探測圖像探測53*光電成像原理54第二章人眼的視覺特性與圖像探測

§2.2

一、圖像的信噪比

圖像的亮暗反映了圖像上相鄰兩個像元輻射的量子數不一樣(即圖像細節)，量子數的不一樣最終構成了圖像信號，圖像的信號值圖像的噪聲值圖像的信噪比*光電成像原理15第二章人眼的視覺特性與圖像探測§2.254*光電成像原理55第二章人眼的視覺特性與圖像探測

§2.2

二、光電成像系統的圖像探測方程1光電成像輸出的圖像信號表達式式中，r是系統接收孔徑的半徑，η是光電轉換的量子效率，τ是有效積分時間，α是像元邊長對系統的張角，Q是每lm光通量在每秒所通過的光子數。2光電成像輸出的圖像噪聲表達式*光電成像原理16第二章人眼的視覺特性與圖像探測§2.255*光電成像原理56第二章人眼的視覺特性與圖像探測

3光電成像輸出的圖像信噪比引入光學中的對比度C和平均亮度Bm，有*光電成像原理17第二章人眼的視覺特性與圖像探測3光電56*光電成像原理57第二章人眼的視覺特性與圖像探測

4光電成像的圖像探測方程當滿足上式時，圖像可以被探測到。該表達式包含兩類參數：①表征圖像：圖像的平均亮度Bm，圖像的對比度C，圖像的視角α；②表征光電成像系統：光電成像系統的接收孔徑D，光電成像的光電轉換量子效率η，光電成像的有效積分時間τ。上式定量的描述了圖像探測特性，Bm

、α、C決定的圖像細節可以被D、η、τ確定的光電成像系統探測到。*光電成像原理18第二章人眼的視覺特性與圖像探測4光電57*光電成像原理58第二章人眼的視覺特性與圖像探測

5圖像探測靈敏閾

圖像探測方程的極限值對應圖像探測靈敏閾。由該方程可以得到系統的圖像探測特性，圖2-10。*圖像探測方程只考慮了光電成像的光電轉換量子噪聲，忽略了其他噪聲和像差，對應的圖像探測靈敏閾只是量子極限。*光電成像原理19第二章人眼的視覺特性與圖像探測5圖像58*光電成像原理59第二章人眼的視覺特性與圖像探測

§2.2三、圖像探測方程的其他表示形式一般的圖像探測方程Bm---圖像亮度,

α---景物細節對人眼的張角,

C---圖像對比度D----光電成像系統的接收孔徑,

τ---成像的有效積分時間η----成像的光電轉換量子效率,

Q---每流明光通量在每秒所通過的光子數(對白光約為1.3?1016lm-1S-1)S/N---圖像信噪比*光電成像原理20第二章人眼的視覺特性與圖像探測§2.259*其他常見的圖像探測方程有：羅斯(A.Rose)方程，式(2-43);B---圖像亮度,

α---景物細節對人眼的張角,

C---圖像對比度D----光電成像系統的接收孔徑,

τ---成像的有效積分時間η----成像的光電轉換量子效率,

無Q---每流明光通量在每秒所通過的光子數(對白光約為1.3?1016lm-1S-1)

,但對應的張角單位為分S/N---圖像信噪比到最后頁*其他常見的圖像探測方程有：羅斯(A.Rose)方程，式(60戴維斯(H.L.Devrice)方程，式(2-44);B---圖像亮度,

α---景物細節對人眼的張角,

C---圖像對比度D----光電成像系統的接收孔徑,

τ---成像的有效積分時間η----成像的光電轉換量子效率,

Q---每流明光通量在每秒所通過的光子數(對白光約為1.3?1016lm-1S-1)

,但對應的張角單位為分S/N---圖像信噪比戴維斯(H.L.Devrice)方程，式(2-44);B6162考特曼(J.H.Coltoman)方程，式(2-45);怕賽普(E.C.Pathep)方程，式(2-46);理查德(E.A.Richards)方程，式(2-47)。略23考特曼(J.H.Coltoman)方程，式(2-4562*光電成像原理63§2.3目標的探測與識別§2.3一、目標搜索的一般原理

人眼在搜索目標像時，眼睛的連續響應可分為探測(發現)、定向、識別和辨別四個等級(探測水平)。每個等級的定義見表2-6.探測視場內發現目標分辨力1.0左右定向可大致區分目標是否對稱及方位1.4識別可將目標分類分辨力4.0辨別區分型號及其他特征6.4到最后頁*光電成像原理24§2.3目標的探測與識別§2.3一、63*光電成像原理64第二章人眼的視覺特性與圖像探測

如果每一項搜索任務都是相互獨立的，即：某一搜索任務的發生不影響下一個搜索任務發生的概率，則搜索概率可表示為各獨立任務(事件)的概率乘積：Iden辨別、Rec識別,Clas分類,Det探測等搜索等級的意義見表2-7。一般情況，建立目標探測-識別模型都是以彼此獨立的幾個因素來分析研究。*光電成像原理25第二章人眼的視覺特性與圖像探測64*光電成像原理65第二章人眼的視覺特性與圖像探測

§2.3二、約翰遜準則（探測水平）

約翰遜準則：用等效條帶圖案的可分辨力來預測、評價目標的探測和識別，并且各探測水平所需的條帶周期數有確定值。表2-6.

等效條帶圖案：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，條帶長度為垂直于臨界尺寸方向的橫跨目標尺寸。

可分辨力：目標臨界尺寸中所包含的可分辨條帶數，用“周/臨界尺寸”表示。*光電成像原理26第二章人眼的視覺特性與圖像探測§2.365光電成像原理66第二章人眼的視覺特性與圖像探測

§2.3三、目標探測—識別模型

搜索目標像的過程：①在一個完全確定的面積上謹慎地搜索；②根據所搜索目標與周圍景物的亮度對比進行對比度探測；③根據對比度形成的外形輪廓進行識別；④顯示圖像伴隨的噪聲將干擾搜索中各過程的實施。

上述搜索過程的條件：假定短時內搜索復雜視場中的目標是已知的或者是提示過的且熟悉目標，目標在視場中確實存在；不考慮監視某一目標在市場中的出現或對目標結構完全無知的情況。光電成像原理27第二章人眼的視覺特性與圖像探測§2.366*光電成像原理67*Rand探測—識別模型(Rand模型):其中，PR是顯示器上目標的識別概率，P1是搜索一個確定的包含有目標的面積時，掃視到目標的概率；P2是掃視到的目標被探測的概率，稱為對比度探測；P3是探測到的目標被識別的概率；η是總的噪聲引起的衰減因子。到下一解釋頁*光電成像原理28*Rand探測—識別模型(R67*光電成像原理68第二章人眼的視覺特性與圖像探測

P1項：1.人眼目視搜索時的運動

目標探測—識別模型不考慮對比度很高或者尺寸很大的目標（極易探測）。利用視網膜中心凹對不易發現的目標進行系統、周密地搜索。

凝視：固定的對某一點進行注視稱為凝視；人眼注視一點后迅速地移到另一點進行注視，該過程稱為掃視。

凝視中心：被凝視的點稱為凝視中心。到最后頁*光電成像原理29第二章人眼的視覺特性與圖像探測P1項：68*光電成像原理69第二章人眼的視覺特性與圖像探測

瞥見時間：對某個固定的點進行凝視的時間稱為瞥見時間。通常，人眼的瞥見時間為1/3s