华中科技电子显示技术视觉生理学以及彩色显示原理

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1、 人眼的生理特征 光度学 色度学概要 电视传像原理 第一章 视觉生理学和显示基本原理 Date1 1 1 1眼睛的构造及功能 人眼的外形接近于球形 是一 个直径为24mm的球状体 又称为眼球 眼球壁由巩膜 脉络膜和视网膜 组成 见图2 1 巩膜在眼球壁最外一层 呈白色 是眼球的保护层 巩膜前面1 6的 透明部分叫角 光线从角膜射入眼 内 第一章 视觉和电视显示基本原理 Date2 脉络膜紧贴巩膜 它含有丰富的 血管虹气和色素 起着输送养料 滋 养眼睛的作用 脉络膜最前面的环形 部分为虹膜 眼的 颜色 由虹膜中 的色素决定 虹膜中央有一个小圆孔 叫作瞳孔 瞳孔能控制进入人眼内的 光量 可以随着光

2、线的强弱而扩大或 缩小 起着像照相机的光圈一样的作 用 眼球的第三层为视网膜 约占 眼球内表面的2 3 它含有感光细胞 杆体细胞和锥体细胞 双极细胞和 神经节细胞 第一章 视觉和电视显示基本原理 Date3 第一章 视觉和电视显示基本原理 光谱光效率函数 达到同样亮度时 不同 波长所需要能量的倒数 即V 1 E 式中 V 是光谱光效率函数值 E 是单色光能 量 明视觉 亮度 3cd m2 锥体细胞起主要作 用 V 在0 55 0 56 m 暗视觉 亮度 0 03cd m2 杆体细胞起主要 作用 V 向短波方向移动 相当于0 50 0 51 m的蓝绿色部位 Date4 第一章 视觉和电视显示基本

3、原理 明适应与暗适应 暗适应 人眼从光亮中进入到暗室时 在最初的瞬间什么 都看不见 逐渐地才适应了黑暗 从而区分出周围物体的 轮廓 包括两种基本过程 瞳孔大小的变化和视网膜感光化学物 质的变化 主要机制是视觉的双重作用 即在黑暗中由中 央视网膜转化为边缘视网膜的作用 视觉的暗适应程度是 与视紫红质的合成程度相对应 Date5 1 1 2 1 1 2 视敏度和细节视觉视敏度和细节视觉 视角 视角 对象与眼睛所形成的张角 对象与眼睛所形成的张角 V 1 V 1 视敏度视敏度V V 指分辨物体细节和轮廓的能力 通常指分辨物体细节和轮廓的能力 通常 以找出两条线间的最小间隔来说明 以找出两条线间的最小

4、间隔来说明 通常以分 表示 观察距离 亮度 对比度 V V V 第一章 视觉和电视显示基本原理 Date6 1 1 3 1 1 3 临界闪烁频率临界闪烁频率 视觉残留 当光刺激人眼时 感觉并不是立即产生的 而且光刺激 在眼睛内所产生的兴奋并不随着刺激的终止而立即消失 而是要维 持若干时间 在刺激停止后所留下来的感觉称为视觉后像或称视觉 残留 视觉残留 正后像 一种与真实刺激相符合的感觉 负后像 则是一种相反的情况 受如下因素影响 1 发光物体的光强 2 刺激光的作用时间 3 不同色光的刺激 其中黄 光的后像消失得最快 第一章 视觉和电视显示基本原理 Date7 临界闪烁频率 CFF 当闪光频率

5、增加到一定程 度时 人眼就不再感到是闪光 而感到一种固定的 或连续的光 将这样一种频率简称为CFF 一般达 到30 55次 s 人眼不再有闪烁的感觉 电影 24张图片 48次 秒 电视 50 60 Hz 第一章 视觉和电视显示基本原理 Date8 当周期光信号的频率高于当周期光信号的频率高于CFFCFF时时 其视亮度其视亮度I I为为 L t L t 为周期变化光的实际亮度为周期变化光的实际亮度 眼睛感觉眼睛感觉 到的是周期性变化光亮度的平均值 到的是周期性变化光亮度的平均值 CFF和光强的关系 n 临界频率 I 光强 a b是两个参数 第一章 视觉和电视显示基本原理 Date9 CFFCFF

6、受许多因素影响受许多因素影响 现分别介绍如下 现分别介绍如下 1 1 刺激的强度 微光时低于刺激的强度 微光时低于10Hz10Hz 高亮度 高亮度 1000cd m1000cd m 2 2 可高达可高达4545 60Hz60Hz渐进值 渐进值 2 2 刺激的面积 小面积的刺激的面积 小面积的CFFCFF比大面积的比大面积的CFFCFF低 两低 两 者也是对数关系 者也是对数关系 A代表面积 c d为两个参数 第一章 视觉和电视显示基本原理 Date10 3 3 视网膜的不同部位 中凹处的视网膜的不同部位 中凹处的CFFCFF较高 较高 4 4 不同背景光及不同的刺激色光不同背景光及不同的刺激色

7、光 白光的最大CFF值大于其他色光的相应数值 绿光的CFF值 大于红 蓝光的相应数值 白光在蓝光背景上CFF最高 红光背景上中等 绿光背景上最低 5 CFFCFF还与年龄 疲劳 缺氧和其他感官剌激有关 还与年龄 疲劳 缺氧和其他感官剌激有关 第一章 视觉和电视显示基本原理 Date11 1 2 1 2 光度学光度学 1 2 11 2 1光通量和发光强度光通量和发光强度 1 2 2照度及距离平方反比定律 1 2 3亮度及朗伯定律 第一章 视觉和电视显示基本原理 Date12 1 2 11 2 1光通量和发光强度光通量和发光强度 光通量光通量 在光度学中在光度学中 它定义为能够被人的视觉它定义为能

8、够被人的视觉 系统所感受到的那部分光辐射功率的大小的度量系统所感受到的那部分光辐射功率的大小的度量 单位是单位是lm lm 流明流明 显然 光通量将不可见光 红外 显然 光通量将不可见光 红外 线 紫外线 排除在外 而且在数量上也并不等于线 紫外线 排除在外 而且在数量上也并不等于 看得见的那部分光辐射功率值 看得见的那部分光辐射功率值 第一章 视觉和电视显示基本原理 Date13 V V 就是标准的明视觉函数就是标准的明视觉函数 e e 是单位波长间隔内光的实际功率是单位波长间隔内光的实际功率 W W KmKm是一个转换常数是一个转换常数 现在叫最大光谱效能 规定现在叫最大光谱效能 规定 K

9、m 683lm WKm 683lm W 第一章 视觉和电视显示基本原理 Date14 由此可见 光通量的大小反映了一个光源所发出的 光辐射能所引起的人眼光亮感觉的能力 40W钨丝灯泡所输出的光通量468lm 40W日光灯 可达2100lm 我们用每瓦流明数来表达一个光源或一个显示器的 光效率 单位lm w 第一章 视觉和电视显示基本原理 Date15 发光强度 指在某一指定方向上发出光通量的能力 I I为发光强度为发光强度 d d 为立体角元为立体角元 d d 为这个立体角元所包含的光通量为这个立体角元所包含的光通量 I I的单位是的单位是cd cd 坎德拉坎德拉 第一章 视觉和电视显示基本原

10、理 Date16 1 2 21 2 2照度及距离平方反比定律照度及距离平方反比定律 照度指照明程度的大小 定义为单位面积上的光通量照度指照明程度的大小 定义为单位面积上的光通量 E d dA E d dA 勒克斯 勒克斯 lxlx 曝光量 H Et 勒克斯秒 第一章 视觉和电视显示基本原理 Date17 例 设有一个发光强度为例 设有一个发光强度为I cdI cd的点光源的点光源 若以此点光若以此点光 源为球心作一个半径为源为球心作一个半径为R R的球面的球面 求球面上的照度 求球面上的照度 d d R dA 这就是照度的距离平方反比定律 这就是照度的距离平方反比定律 第一章 视觉和电视显示基

11、本原理 Date18 上式表明 一个发光强度为上式表明 一个发光强度为I I的点光源 在距离的点光源 在距离 它它R R处的平面上产生的照度 与这个光源的发光处的平面上产生的照度 与这个光源的发光 强度成正比 与距离平方成反比 强度成正比 与距离平方成反比 但必须注意但必须注意 被照射的平面一定要垂直于光线被照射的平面一定要垂直于光线 投射方向投射方向 第一章 视觉和电视显示基本原理 Date19 1 2 31 2 3亮度及朗伯定律亮度及朗伯定律 亮度 亮度 它表示单位面积上的发光强度 即 它表示单位面积上的发光强度 即 L L dI dAdI dA 单位单位cd mcd m 2 2 坎德拉每

12、平方米坎德拉每平方米 如果这个面的法线方向与观察方向所成之角为如果这个面的法线方向与观察方向所成之角为 上式上式 变为变为 L dI dA cos 2 15 L dI dA cos 2 15 或或 L dL d 2 2 d dA cos 2 16 d dA cos 2 16 第一章 视觉和电视显示基本原理 Date20 亮度还可用来描述光路的任一截面亮度还可用来描述光路的任一截面 如果有一个面积为如果有一个面积为A A的均匀发光面 它在某的均匀发光面 它在某 一方向上的亮度为一方向上的亮度为L L 则它在这个方向上的发 则它在这个方向上的发 光强度光强度I I 应为 应为 I I L L A

13、cos A cos 2 172 17 第一章 视觉和电视显示基本原理 Date21 如果这个面光源的亮度在各个方向上都相等如果这个面光源的亮度在各个方向上都相等 则则 L L L L 常数 这时常数 这时 2 17 2 17 式可变为式可变为 I I L A cos L A cos 2 182 18 令 I I 0 0 L A L A 表示该面光源法线方向上的发光强度表示该面光源法线方向上的发光强度 则 I I I I 0 0 cos cos 2 192 19 朗伯定律朗伯定律 它表示一个亮度在各个方向上都相等的发光面 在某它表示一个亮度在各个方向上都相等的发光面 在某 一方向上的发光强度等于

14、这个面垂直方向上的发光强度一方向上的发光强度等于这个面垂直方向上的发光强度 I I 0 0 乘以方向角的余弦 这样的发光面称为朗伯发射面 乘以方向角的余弦 这样的发光面称为朗伯发射面 也叫均匀漫射面 也叫均匀漫射面 第一章 视觉和电视显示基本原理 Date22 1 3 色度学概要 颜色的基本特性及颜色混合 彩色光的三色原理 第一章 视觉和电视显示基本原理 Date23 1 3 11 3 1颜色的基本特性及颜色混合颜色的基本特性及颜色混合 光是一种一定频率的电磁辐射 可见光谱的波长为0 38 0 78um 表2 1是可见光谱颜色的波长范围 物体的颜色是由 光线在物体上被 反射和吸收的情 况决定的

15、 所以 又受光源条件的 影响 第一章 视觉和电视显示基本原理 Date24 第一章 视觉和电视显示基本原理 太阳光为混色光 短波的光能量较多时便呈现蓝色 长波的光能量 较多时呈现红色 为何有些花看起来是红色 人们在灯光下观看颜色时 会受到光源影响 绿草在钠灯下看不出是绿色 不论什么颜色的物体在月光下看都带青绿色彩 Date25 第一章 视觉和电视显示基本原理 前面谈到的是非自发光的物体色 称为表面色 另 外还有自发光体色 称为光源色 光源色主要由光 源色温决定 色温高 色光偏蓝色 色温低 色光偏 红色 色温并不是指颜色的温度 而是指一个光源 的颜色与黑体加热到某温度时所发生的光色相同 这个光源

16、的色温便是该温度 例如 白色荧光灯的颜色与加热到4500k时所发生 的光色相同 称这种灯的色温为4500k Date26 1 颜色的三个基本特性 色调 明度 饱和度 色调是指在物体反射的光线中以哪种 波长占优势来决定的 不同波长产生不 同颜色的感觉 反映颜色的类别 R G B 饱和度是指一个颜色的鲜明程度 是颜色色调的表现程度 颜色纯度 的人眼的主观评价 色调和饱和度 统称色度 明度 亮度 是指刺激物的强度作用 于眼睛所发生的效应 它的大小是由 物体反射系数来决定的 黑 白 红 橙 黄 绿 蓝紫 绿黄 蓝绿 明度 明度 饱和度 色调 颜色立体图 第一章 视觉和电视显示基本原理 Date27 三色原理 选择合适的三种基色 R G B 将它们按不同 比例混合 就可以引起不同的彩色感觉 合成彩 色光的亮度由三基色的亮度之和决定 色度由三 基色分量的比例确定 三种基色彼此独立 任一 基色不能用其他两种颜色配出 R 波长为700nm G 波长为546 1nm G 波长为 435 8nm 三色原理在广播电视中发挥了巨大的作用 第一章 视觉和电视显示基本原理 Date28 红红 蓝蓝 紫紫 绿绿 白