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人眼视网膜与CMOS图像传感器的对比

2021-12-20 11:01| 发布者：Davis| 查看：1928| 评论：0|原作者: 小小光08

摘要：本文比较了人眼视网膜与CMOS图像传感器的不同之处，包括动态范围、分辨率、颜色敏感度、探测方法等方面，并介绍了人眼视网膜的特点，如神经节细胞和两种感光结构的存在。另外，文章还探讨了时空信号处理、光电转换等方面的内容。

人眼是理想的成像系统，视网膜是CMOS成像系统的模型。

即使和世界上最先进的CMOS图像传感器相比，人眼也拥有更为优越的特性。人眼的动态范围大约为200dB，且为多分辨率。另外，人眼有时空图像预处理的焦平面处理功能，并且人有两只眼睛，这使我们可以通过聚焦和视差进行测距。

人的视网膜面积约为5cm×5cm，厚度约为0.4mm，视网膜结构模型，如下图：

入射光是由视杆细胞和视锥细胞探测的。

视杆细胞与视锥细胞相比，具有更高的感光灵敏度并且对光强有自适应性。在均匀的光照环境中，视杆细胞工作在带有饱和特性的两个数量级的范围内。

上图显示了视杆细胞对光强的视觉调整。光感应曲线根据平均环境光照度L改变，从初始值L₀开始，环境照度在log（L/L₀）=0～7的范围内以指数方式变换。

人眼由于自身的机理在月光和日光下都拥有大动态范围。

人眼可感知波长370～730nm范围内光的颜色。视杆细胞主要分布在视网膜的外围，虽然不能感知颜色，但它有很高的光敏性，而视锥细胞主要集中在视网膜或凹点中心，它可以感知颜色，但比视杆细胞的感光性要差，因此视网膜具有高、低感光度的两种感光结构。

通常在暗光条件下，主要是视杆细胞感光，这种视觉模式被称为暗视觉；而当由视锥细胞感知光时，被称为明视觉。暗视觉和明视觉的峰值波长分别为507nm和555nm。

对于颜色敏感度，视杆细胞被分为L、M和S型，这分别与图像传感器芯片上的R、G和B滤波器对应。L、M和S型视锥细胞的中心波长分别为564nm、534nm和420nm。

人眼的L、M和S型视锥细胞的分布是不均匀的，而图像传感器的颜色滤波器则是规律排列的。

人眼视网膜与CMOS图像传感器的比较
项目	人眼视网膜	CMOS图像传感器
分辨率	视锥细胞 5×10⁶ 视杆细胞 10⁸ 神经节细胞 10⁶	1～10×10⁶
尺寸	视杆细胞近凹心直径1um 视锥细胞黄斑中心凹内直径1～4um，外部4～10um	2～10um
颜色	3种视锥细胞（L、M、S）	片上RGB滤波器
最小探测光强	～0.001lux	0.1～1lux
动态范围	超过140dB（自适应）	60-70dB
探测方法	顺反异构化→两级放大	电子空穴对产生电荷收集
响应时间	～10ms	不同帧率
输出	脉冲频率调制	模拟或数字电压
输出数量	GCs数：～1M	一个模拟输出或bit数的数字输出
功能	光电转换自适应功能时空信号处理	光电转换放大扫描