电视原理彩色与视觉特性

电视原理电视原理第一章彩色与视觉特性2/39第一章彩色与视觉特性光的性质1人眼的视觉特性2色度学3思考和习题43/39光的性质1人眼的视觉特性2色度学3思考和习题44/391.1.1可见光谱„光是一种电磁辐射。电磁辐射的波长范围很宽，按波长从长到短的顺序排列，依次是无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和宇宙射线等。„下图是电磁波按波长的顺序排列的电磁波谱波长/m频率/Hz3×103无线电波105红外线1010紫外线1015X射线1020宇宙射线1025红橙黄绿青蓝紫780nm可见光3×10－23×10－73×10－123×10－17380nm5/391.1.1可见光谱Â一定波长的光谱呈现的颜色称为光谱色。„太阳光包含全部可见光谱，给人以白色感觉。Â光谱完全不同的光，人眼有时会有相同的色感。„用波长540nm的绿光和700nm的红光按一定比例混合可以使人眼得到580nm黄光的色感。„这种由不同光谱混合出相同色光的现象叫同色异谱。6/391.1.2物体的颜色Â物体分为发光体和不发光体。„发光体的颜色由它本身发出的光谱所确定，如白炽灯发黄和荧光灯发白，各自有其特定的光谱色。„不发光体的颜色与照射光的光谱和不发光体对照射光的反射、透射特性有关。„红旗反射太阳光中的红色光、吸收其他颜色的光而呈红色；„绿叶反射绿色的光、吸收其他颜色的光而呈绿色；„白纸反射全部太阳光而呈白色；„黑板能吸收全部太阳光而呈黑色。绿叶拿到暗室的红光下观察成了黑色，这是因为红光源中没有绿光成分，树叶吸收了全部红光而呈黑色。7/391.1.3标准光源Â在彩色电视系统中，用标准白光作为照明光源。Â国际照明委员会（CIE）规定了ABCDE几种标准白色光源。„为了便于对标准白光进行比较和计算，用绝对黑体的辐射温度——色温表示光源的光谱性能。Â绝对黑体也称全辐射体，是指不反射、不透射，完全吸收入射辐射的物体。它对所有波长辐射的吸收系数均为1。„绝对黑体在自然界是不存在的，其实验模型是一个中空的、内壁涂黑的球体，在其上面开了一个小孔，进入小孔的光辐射经内壁多次反射、吸收，已不能再逸出到外面，这个小孔就相当于绝对黑体。8/39Â绝对黑体所辐射的光谱与它的温度密切相关。„绝对黑体的温度越高，辐射的光谱中蓝色成分越多，红色成分越少。Â光源的色温„定义：光源的可见光谱与某温度的绝对黑体辐射的可见光谱相同或相近时，绝对黑体的温度称为该光源的色温，单位以绝对温度开氏度(K)表示。„钨丝灯泡的白光与温度保持在2854K的绝对黑体所辐射的白光功率谱相一致。Æ该白光色温为2854K。„色温与光源的实际温度无关„彩色电视机荧光屏的实际温度为常温，而其白场色温是6500K。9/39Â常用的标准白光：A、B、C、D65和E光源5种„(1)A光源色温为2854K的白光，光谱偏红，相当于充气钨丝白炽灯所产生的光。„(2)B光源色温为4874K的白光，近似中午直射的太阳光。„(3)C光源色温为6774K的白光，相当于白天的自然光。它是NTSC制彩色电视白光标准光源。„(4)D65光源色温为6500K的白光，相当于白天的平均光照。它是PAL制彩色电视的白光标准光源。„(5)E光源色温为5500K的等能量白光(E白)。它是为简化色度学计算所采用的一种假想光源，实际并不存在。„电视演播室卤钨灯光源的色温为3200K，有体积小、亮度高、寿命长、色温稳定等优点。700600500400波长/nm相对功率波谱/%20015010050CABD65BCD65A白平衡10/391.1.4光的度量单位Â1.光通量„光通量是按人眼的光感觉来度量的辐射功率，用符号φ表示。其单位名称为流明(lm)，„当λ＝555nm的单色光辐射功率为1W时，产生的光通量为683lm，或称1光瓦。„在其他波长时，由于相对视敏度V(λ)下降，相同辐射功率所产生的光通量随之下降。„40W的钨丝灯泡输出的光通量为468lm，发光效率为11.7lm/W；40W的日光灯可以输出2100lm的光通量，发光效率为52.5lm/W；电视演播室卤钨灯发光效率可达80～100lm/W。Â2.光照度„光照度E，单位勒(克斯),符号为lx。勒(克斯)等于1流明的光通量均匀分布在1平方米面积上的光照度。„为了对光照度单位勒有个大概的印象，下列数据可供参考：室外晴天光照度约为10000勒，多云约为500勒，傍晚约为50勒，月光约为10-1勒，黄昏约为10-2勒，星光约为10-4勒。11/39光的性质1人眼的视觉特性2色度学3思考和习题412/391.2人眼的视觉特性Â人能感觉到图像的颜色和亮度是眼睛的生理结构所决定的。„电影和电视都是根据人眼的视觉特性发明的。电影每秒投射24幅静止画面，每画面投射2次，由于人眼的视觉惰性，看起来就同活动景象一样。„电视每秒扫描50幅画面，每幅画面是由312根扫描线组成的，由于人眼的视觉惰性和有限的细节分辨能力，看起来就成了整幅的活动景象。„人眼的视觉特性是电视技术发展的重要依据。13/391.2.1视觉灵敏度Â波长不同的可见光光波，给人的颜色感觉不同，亮度感觉也不同，人眼对不同波长光的灵敏度是不同的。400500600700波长/nm相对视敏度V(λ)0.80.60.40.201.0VG(λ)20VB(λ)VR(λ)•可以看出人眼最敏感的光波长为555nm，颜色是草绿色。•这一区域颜色，人眼看起来省力，不易疲劳。14/391.2.2彩色视觉Â人眼视网膜上有大量的光敏细胞，按形状分为杆状细胞和锥状细胞，„杆状细胞灵敏度很高，但对彩色不敏感，人的夜间视觉主要靠它起作用，因此，在暗处只能看到黑白形象而无法辨别颜色。„锥状细胞既可辨别光的强弱，又可辨别颜色，白天视觉主要由它来完成。„关于彩色视觉，科学家曾做过大量实验并提出视觉三色原理的假设，认为锥状细胞又可分成三类，分别称为红敏细胞、绿敏细胞、蓝敏细胞。15/391.2.2彩色视觉ÂVR（λ）、VG（λ）、VB（λ），其峰值分别在580nm、540nm、440nm处。图中VB（λ）曲线幅度很低，已将其放大了20倍。Â例如600nm的单色黄光就处在VR（λ）、VG（λ）曲线之下，所以600nm的单色黄光既激励了红敏细胞，又激励了绿敏细胞，可引起混合的感觉。400500600700波长/nm相对视敏度V(λ)0.80.60.40.201.0VG(λ)20VB(λ)VR(λ)当混合红绿光同时作用于视网膜时，分别使红敏细胞、绿敏细胞同时受激励，只要混合光的比例适当，所引起的彩色感觉，可以与单色黄光引起的彩色感觉完全相同。16/391.2.2彩色视觉Â不同波长的光对三种细胞的刺激量是不同的，产生的彩色视觉各异，人眼因此能分辨出五光十色的颜色。Â电视技术利用了这一原理，在图像重现时，不是重现原来景物的光谱分布，而是利用三种相似于红、绿、蓝锥状细胞特性曲线的三种光源进行配色，在色感上得到了相同的效果。17/391.2.3分辨力Â分辨力是指人眼在观看景物时对细节的分辨能力。„对人眼进行分辨力测试的方法如图所示，在眼睛的正前方放一块白色的屏幕，屏幕上面有两个相距很近的小黑点，逐渐增加画面与眼睛之间的距离，当距离增加到一定长度时，人眼就分辨不出有两个黑点存在，感觉只有一个黑点，这说明眼睛分辨景色细节的能力有一个极限值，我们将这种分辨细节的能力称为人眼的分辨力或视觉锐度。Â分辨力的定义是：眼睛对被观察物上相邻两点之间能分辨的最小距离所对应的视角θ的倒数，即Lθd分辨力=1θ2360603438()dLdLπθθ=×′=18/391.2.3分辨力Â人眼的最小视角取决于相邻两个视敏细胞之间的距离。„对于正常视力的人，在中等亮度情况下观看静止图像时，θ为1～1.5′。„分辨力在很大程度上取决于景物细节的亮度和对比度„亮度„对比度。„运动19/391.2.4视觉惰性Â人眼的主观亮度感觉与客观光的亮度是不同步的。„当一定强度的光突然作用于视网膜时，不能在瞬间形成稳定的主观亮度感觉，而是按近似指数规律上升„当亮度突然消失后，人眼的亮度感觉并不立即消失，而是按近似指数规律下降。„人眼的亮度感觉总是滞后于实际亮度的，这一特性称为视觉惰性或视觉暂留。t光脉冲亮度(a)t1视觉亮度(b)t2t中等亮度的光刺激下，视力正常的人视觉暂留时间约为0.1s(t1~t2)。20/391.2.4视觉惰性频率较低的周期性的光脉冲刺激Æ感到一亮一暗的闪烁现象，临界闪烁频率重复频率提高到某个定值以上，由于视觉惰性，Æ眼睛就感觉不到闪烁了。46Hzt光脉冲亮度(a)t1视觉亮度(b)t2t光脉冲亮度的提高亮度变化幅度越大21/39光的性质1人眼的视觉特性2色度学3思考和习题422/391.3.1彩色三要素Â亮度„反映光的明亮程度。彩色光辐射的功率越大，亮度越高，反之亮度越低。Â色调„反映彩色的类别，例如红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等不同颜色。Â色饱和度„反映彩色光的深浅程度。同一色调的彩色光，会给人以深浅不同的感觉，深红、粉红是两种不同饱和度的红色，深红色饱和度高，粉红色饱和度低。23/391.3.2三基色原理Â自然界中绝大多数的彩色可以分解为三基色，三基色按一定比例混合，可得到自然界中绝大多数彩色。„混合色的色调和饱和度由三基色的混合比例决定„混合色的亮度等于三种基色亮度之和。Â国际照明委员会(CIE)选定了„红(Red)基色的波长为700nm，„绿(Green)基色的波长为546.1nm，„蓝(Blue)基色的波长为435.8nm。摄像机电视机图像三基色信号图像24/39Â当两种颜色混合得到白色时，这两种颜色称为互补色。„红---青„绿---紫„蓝---黄Â空间混色法„同时制彩色电视„分别投射到同一表面上彼此相距很近的三个点上Â时间混色法„顺序制彩色电视„轮流投射到同一表面上，（视觉惰性）红绿蓝黄紫青白25/39ÂF＝R(R)+G(G)+B(B)„F为任意一个彩色光„(R)、(G)、(B)为三基色单位量，„R、G、B为三色分布系数。„标准白光FE白=1(R)+4.5907(G)+0.0601(B)光量调节三基色光源RGB待配彩色视场定义：单位量的光通量为1lmF＝1*1+1*4.5907+1*0.060126/39Â色彩的区别取决于色调和饱和度，即色度„三基色的系数关系ÂF＝R(R)+G(G)+B(B)Â相对系数：r、g、b„m=R+G+B„r=R/m,g=G/m,b=B/m,„r+g+b=127/39RGB色度图Âr+g+b=1Â越靠近谱色轨迹„颜色越纯„饱和度越高Â越靠近E白点„饱和度越低Â负坐标„无法配色„XYZ制色制28/39ÂXYZ制色度图(使用方便):„（X）=0.4185（R）-0.0912（G）+0.0009（B）„（Y）=-0.1587（R）+0.2524（G）+0.0025（B）„（Z）=-0.0828（R）+0.0157（G）+0.1786（B）Â在XYZ计色制中，任何一种彩色的配色方程式可表示为„F=X（X）+Y（Y）+Z（Z）„系数Y的数值等于合成彩色光的全部亮度„色度是由三色系数X、Y、Z的相对值确定的„当X=Y=Z时，配出等能白光E29/39y0.10.20.30.40.50.60.70.80.90.10.30.50.70.9x700600620590570550530520510505500490470440E白XYZ色度图30/39显像三基色和亮度公式Â彩色电视重现图像是靠彩色显像管屏幕上三种荧光粉在电子束轰击下发出红、绿、蓝三种基色光混合而得到的，这三种基色称为显像三基色。y0.10.20.30.40.50.60.70.80.90.10.30.50.70.9x700600620590570550530520510505500490470440E白31/39显像三基色和亮度公式ÂNTSC制式Â显像三基色Re1、Ge1、Be1和X、Y、Z之间的关系„X=0.607Re1+0.174Ge1+0.200Be1„Y=0.299Re1+0.587Ge1+0.114Be1„Z=0.000Re1+0.066Ge1+