色度学基本知识

1彩色电视是根据人眼的视觉生理特性，利用电信号的方式，来实现彩色景象的分解、变换、传送和再现的过程。彩色电视的基本理论是建立在色度学与视觉生理学基础上的。1.3彩色的基本概念21.3彩色的基本概念1.3.1彩色和光密不可分1.可见光的特性光学理论告诉我们,光是一种以电磁波形式存在的物质,人眼可以看见的光叫可见光,它是波长范围为380nm到780nm之间的电磁波,3图1―22电磁波波谱及可见光光谱4从电视角度看,可见光有如下特性:(1)可见光的波长范围有限,它只占整个电磁波波谱中极小的一部分。(2)不同波长的光呈现出的颜色各不相同,随着波长由长到短,呈现的颜色依次为:红、橙、黄、绿、青、蓝、紫,见图。(3)只含有单一波长的光称为单色光;包含有两种或两种以上波长的光称为复合光,复合光作用于人眼,呈现混合色。5(4)太阳发出的白光中包含了所有的可见光,若把太阳辐射的一束光投射到棱镜上,太阳光会经过棱镜分解成一组按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫顺序排列的连续光谱。6图1―23太阳光的棱镜分解72.物体的颜色物体的颜色有两种来源：一是：发光物体所呈现的颜色，另一种是物体反射或透视的彩色光，物体所呈现的颜色与照射它的光源有关。不能从看到的颜色来判断光谱的分布，因为一定的光谱表现为一定的颜色，但同一种颜色可以由不同的光谱分布而获得。83.色温和标准光源(1)色温的概念色温是以绝对黑体的加热温度来定义的。9绝对黑体：既不反射也不透射完全吸收入射光的物体，但是当它加温时，将以电磁波的方式向外辐射能量，其辐射波谱仅由温度决定。随着温度增加，辐射能量将增大，其功率谱向短波方向移动，当绝对黑体在某一特定的温度下，所辐射的光谱与某光源的光谱具有相同特性时，则绝对黑体的这一特定温度就定义为该光源的色温，以K表示。10(1)色温的概念色温是以绝对黑体的加热温度来定义的。各标准白光源的特点如下:A光源:相当于2800K钨丝灯所发的光。是一种能实现的基准光源B光源:相当于中午直射的太阳光，色温4800K。C光源:相当于白天的自然光，色温6800K。D光源:相当于白天平均照明光，色温6500K，用它作为照明，被照物体所呈现的颜色更接近于日光下的真实颜色，它可以由彩色显像管的三种荧光粉发出的光适当混配而成。是PAL制的标准白光源E光源:是一种理想的等能量的白光源，色温5500K。E白是等能白光源，即当可见光谱范围内所有波长的光具有相等辐射功率时形成的一种白光，在自然界中不存在，是用于彩色电视计算的一种假想光源，简化色度学中的计算。11图1―24标准白光源的光谱121.3.2视觉特性1.相对视敏曲线在可见光范围内，1.同一波长的光，强度不同，人眼的亮度感觉不同，2.相同强度，不同波长的光，人眼的亮度感觉不同13图1―25相对视敏曲线142.人眼的亮度感觉亮度感觉,即包括人眼所能感觉到的最大亮度与最小亮度的差别及在不同环境亮度下对同一亮度所产生的主观亮度感觉。15结论:(1)人眼可以感觉到的亮度范围虽然相当宽,但当眼睛适应于某一平均亮度后,能分辨的亮度范围就比以主观感觉“亮”与“暗”为界的范围缩小了。(2)在不同的环境亮度下,同样的亮度,给人的主观亮度感觉却完全不同。(3)当人眼适应于不同的平均亮度后,可分辨的亮度范围也不相同。由此，电视重现景象的亮度无需等于实际景象的亮度，人眼不能觉察出的亮度差别，在重现景物时可不予精确复制，只保持重现图像的对比度，就会有十分逼真的感觉。163.人的彩色感觉锥状细胞又分为三类,分别称为红敏、绿敏和蓝敏。如果某束光线只能引起某一种光敏细胞兴奋,而另外两种光敏细胞仅受到很微弱刺激,我们感觉到的便是某一种色光。总体上，人眼大体能分辨出200多种不同的色调。通过实验，统计上人眼一般能分辨出15～20级的饱和度变化174人眼彩色细节的分辨力人眼对彩色细节的分辨力比对黑白细节的分辨力低的多。统计结果表明，人眼的彩色分辨角比黑白分辨角大3～5倍。因此，在彩色电视系统传输彩色电视信号时，须用较宽的信号带宽（0～6）MHz传送亮度信息，而可用窄带宽（0～1.3）MHz或（0～1.5）MHz传送色度信息。185人眼对彩色感觉具有空间和时间混色特性人眼彩色感觉具有空间混色特性，是指当人眼对彼此间隔很近的不同色光的小单元组，在适当距离外观看时，不能区分出各个光点的彩色，感觉到的是它们的混合色。彩色显像管的荧光屏即是基于人眼的空间混色特性而制成的。人眼彩色感觉具有时间混色特性，是指当在同一个位置轮流投射两种或两种以上的彩色光，其轮换速度足够高，人眼感觉到的是它们混合后的彩色感觉。19根据人眼的彩色视觉特性，在彩色复现过程中，并不要求恢复原来景物辐射（反射或透射）光的光谱成份，重要的是获得与景物相同的彩色感觉。201.3.3彩色三要素和三基色原理1.彩色三要素对于彩色光通常可由亮度、色调和色饱和度三个物理量来描述,这三个量常被称为彩色三要素。亮度：表征彩色光对人眼刺激程度的强弱，单位是nit。它与色光的能量及波长的长短有关。21彩色三要素色调：表征彩色之间色相的差异，如通常所指的红色、绿色、橘红色等表述。不同波长感觉出不同色调，故色调用波长表示。色饱和度：表征彩色的浓淡或深浅程度，用百分数表示。纯谱色光的饱和度为100％，纯净白光或不同亮度的灰色、黑色等（无彩色）饱和度为0％色调与色饱和度22三基色原理2.三基色三基色原理告诉我们:(1)三基色必须是相互独立的,即其中任一种基色都不能由另外两种基色混合而产生。(2)自然界中的大多数颜色,都可以用三基色按一定比例混合得到。(3)三个基色的混合比例,决定了混合色的色调和饱和度。(4)混合色的亮度等于构成该混合色的各个基色的亮度之和。23三基色原理是对颜色进行分解与合成的重要原理，电视系统只需要将要传送的颜色分解为三基色，然后再分别以对应的一种电信号进行传送就可以了。三基色的选择不是唯一的选择三种基色光的基本条件：一是它们之间必须是线性无关；二是由它们合成的彩色色域应尽量宽。根据大量的实验认为，用红、绿、蓝三色光作为相加混色的三基色光最为适当。彩色电视即是选用该三基色利用相加混色法显现各种颜色的。243.混色方法由图可见:红光+绿光=黄光红光+蓝光=紫光(品光)蓝光+绿光=青光红光+绿光+蓝光=白光25图1―26相加混色圆图26彩色电视系统中使用是相加混色的方法。实现相加混色还有如下几种方法:(1)空间混色法。(2)时间混色法。(3)生理混色法。空间混色和时间混色274.色度三角形三基色混合所产生的各种颜色,可以由色度三角形予以说明,28图1―27色度三角形291.3.4计色制及色度图配色实验通过比色以确定给定颜色的三基色的混合比例301.配色实验从基色调节装置上分别读出各个基色的数量,由此可写出配色方程式F=R(R)+G(G)+B(B)CIE规定：标准红基色的波长选为700nm，标准绿基色光选为546.1nm，标准蓝基色光为435.8nm。由于这三种基色光可以用物理手段产生出来，因此通常称为物理三基色，它们是色度学计量中最基本的一套三基色31CIE还规定当各以1个单位的上述红、绿、蓝三基色光混合时，恰能产生出等能白（即E白）光，这时的红、绿、蓝的单位量称为基色量或基色单位，并用符号（R）、（G）、（B）标记。根据实验确定：对于等能白光,当R=G=B=1,即FE白=1(R)+1(G)+1(B)|1(R)|＝1光瓦，|1(G)|＝4.5907光瓦,|1(B)|=0.0601光瓦。3233其光通量为｜FE白｜=1×1+1×4.5907+1×0.0601=5.6508lm配色方程式,适合于配制一切彩色,只不过对于不同彩色三色系数不同而已。这样，任意一种彩色光F可用下式表示：F=R(R)+G(G)+B(B)式中R、G、Ｂ是基色量（R）、（G）、（B）的混配系数，称为三色系数或三刺激值光通量为：|F|=(R×1+G×4.5907+B×0.0601)lm返回34用物理三基色(R)、(G)、(B)和规定的基色量R、G、B建立的一套计色系统，称为（RGB）计色系统。用它可以对一切颜色进行计量。2.计色制及色度图(1)RGB计色制及其色度图35实际中,彩色的质的区别决定于色调和饱和度,即色度。色度与三基色系数的比例有关。为此,引入三基色相对系数r、g、b。令m=R+G+B,则r、g、b分别为RrmGgmBbmm称为色模，代表彩色量所含的三色系数的总和。r,g,b称为相对色系数36因为R、G、B三个色系数的比例关系与r、g、b的比例关系相同,所以它们都可以表示同一彩色的色度,且所以只要知道其中两个的值,就可由式(1―10)确定第三个的值。因此,只要选两个三基色相对系数,就可用二维坐标表示各种彩色光的色度。RGB色度图就是在r—g直角坐标系数中表示各种彩色光色度的平面图。前述可知，色度可以用色调、饱和度两个参量表征，现在用r,g两个参量也可表征，可见颜色色度的两个参量组是可以互相导出的1RGBrgbmmm(1―10)37经配色实验得到的R,G,B值并计算出r,g,b值后，可作出谱色光在r-g中的谱色轨迹。如图3839RGB色度图坐标原点r=0、g=0、b=1，是单位蓝基色量1(B)的坐标点；纵坐标点（1．0）为r=0、g=1、b=0，是单位绿基色量1(G)；横坐标点（1．0）为r=1、g=0、b=0，是单位红基色量1(R)40RGB色度图色度图中，舌形曲线是饱和度100％的谱色光的各种色调，用波长表示；r=g=b=1/3的点是基准E白的坐标点（饱和度0％）；从E白点向四周伸展时，是饱和度渐增的各种不同饱和度的同一种色调；41RGB色度图由(R)、(G)、(B)三点组成的三角形称为物理三基色三角形，其重心为等能白光E白的位置。舌形曲线所围的区域内是(R)、(G)、(B)混出的一切自然界的颜色用(R)、(G)、(B)混配时，可用三色系数均为正值；混配出三角形外、舌形曲线内的颜色时，三色系数有负值。舌形曲线以外是不能用(R)、(G)、(B)配出的颜色，也即自然界中不存在的颜色。4243RGB色度图物理三基色RGB计色制物理意义清楚，但实际使用很不方便。首先，在色度图上不能表示出亮度的大小；其次，混色曲线中有负值存在，计算时，易出差错；另外，谱色轨迹不全在坐标的第一象限内，作图也感不便。为克服上述缺点，CIE规定了另一种专门用于彩色计算的坐标系，即XYZ计色制（或称标准计色制）。44(2)XYZ计色制及其色度图计算三基色具有如下特点:①可根据F=X(X)+Y(Y)+Z(Z)方程式配出实际颜色,且三个色系数X、Y、Z均不为负。式中（X）、（Y）、（Z）为三基色单位，X、Y、Z为三色系数②规定：1）系数Y在数值上等于彩色光的全部亮度,与X,Z无关，并且，规定1（Y)的光通量为1光瓦。2）合成光的色度仍由X、Y、Z三个系数的比值决定。3）当X=Y=Z时,仍代表E白。4）用它们配出实际彩色时、X,Y,Z均为正数45返回46待定。，，其中（（同理：（即：（为：系统中的混色公式表示用可以作为一种色光（因为，zyxzzzzyyyyxxxxxxxmmmBbGgRrmZBbGgRrmYBbGgRrmXBBGGRRXRGBZYX)]()()([)1)]()()([)1)]()()([)1)()()()1)(1),(1),147光瓦＝（＋（＋（光瓦＝（＋（＋（又光瓦光瓦＝（＋（＋（，因为，在选基色时要求1)6508.51)6508.51)6508.516508.5)1)1)11)]()()([)]()()([)]()()([1)1)1)1BGRBGRBbGgRrmBbGgRrmBbGgRrmZYXzzzzyyyyxxxx481115.0,0912.0,3282.06508.516508.516508.51