光电成像原理与技术 第二章 人眼的视觉特性与图像探测

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第二章 人眼的视觉特性与图像探测

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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。

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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

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第二章 人眼的视觉特性与图像探测人眼的主要组成部分：①由角膜、虹膜、晶状体、 睫状体和玻璃体组成的光学系统；②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；③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。下午9时21分 光电成像原理

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第二章 人眼的视觉特性与图像探测视网膜的神经细胞：①锥状细胞，具有高分辨力 和颜色分辨能力；②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：①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； ②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:下午9时21分

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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3×10-5cd/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。下午9时21分

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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：①人眼的明暗视觉适 应：在2~8mm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2~3min;B: 暗适应：对视场亮 度由亮突然到暗的适应，大约需要45min。 ②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。下午9时21分

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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(10-9~1cd/m2),人 眼能观察到的最小照度Emin约Emin 3.5 10 5 Lb

当Lb>16.4cd/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：L0 8 3 L下午9时21分

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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：Lt Lb C , Lt 是目标亮度 C的倒数成为反衬灵敏度。 Lb

Wald定律：背景亮度Lb、对比度C和人眼所能探测 目标的张角α之间具有的关系式 LbC 2 x const , x在0 ~ 2之间变化 对于小目标α <7’,则x=2,得到Rose定律：

LbC 2 2 const9

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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。φ

暗视觉

明视觉

555512 λ/nm

在可见光区域内， 任意波长与555 nm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。下午9时21分 光电成像原理

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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θ的倒数称 为人眼的分辨力，θ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： 1 0.618 0.13 d11

('),瞳孔直径d的单位mm下午9时21分 光电成像原理

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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 下午9时21分 价。12

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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？下午9时21分 光电成像原理

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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：①景物细节的辐射亮度 或单位面积的辐射强度；②景物细节对光电成像系 统接收孔径的张角；③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。下午9时21分

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