彩色与视觉特性 基础知识

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1、电视原理学习要求,1、预习。 2、认真听课，不打磕睡，人到头脑到。 3、及时复习，用到前面的知识要看前面的书。 4、认真、独立完成作业。作业占总成绩20%。 5、理解性学习，不死记硬背。 6、注重实验，提高动手能力，帮助理解。 7、掌握基本概念、基本原理、基本方法。 8、掌握好重点知识与一般知识。,第1章 彩色与视觉特性,1.1 光的性质 1.2 人眼的视觉特性 1.3 色度学 思考题和习题,1.1 光的性质,1.1.1 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。 图1-1是电磁波按波长

2、的顺序排列的电磁波谱。,波长在380780 nm范围内的电磁波能够使人眼产生颜色感觉， 称为可见光。 可见光在整个电磁波谱中只占极小的一段。 可见光谱的波长由780 nm向380 nm变化时， 人眼产生的颜色感觉依次是红、 橙、 黄、 绿、 青、 蓝、 紫7色。 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。 光谱完全不同的光， 人眼有时会有相同的色感。 用波长540 nm的绿光和700 nm的红光按一定比例混合可以使人眼得到580 nm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。,图 1-1 电磁辐射波谱,1.1.2 物体的颜色物体分为发光体和

3、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。,1.1.3 标准光源在彩色电视系统中， 用标准白光作为照明光源。 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。 绝对黑体也称

4、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。,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。 光源的色温是这样定义的： 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。 色温与光源的实际温度无关， 彩色电视机荧光屏的实

5、际温度为常温， 而其白场色温是6500K。,图 1-2 标准光源的光谱分布,常用的标准白光有A、 B、 C、 D65和E光源5种， 它们的光谱分布如图1-2所示。 (1) A光源 色温为2854 K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4874 K的白光， 近似中午直射的太阳光。(3) C光源 色温为6774 K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6504 K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5500 K的等能量白光(E白)。 它是为简

6、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3200 K， 有体积小、 亮度高、 寿命长、 色温稳定等优点。,1.1.4 光的度量单位1. 光通量光通量是按人眼的光感觉来度量的辐射功率， 用符号表示。 其单位名称为流明(lm)， 当555 nm的单色光辐射功率为1 W时， 产生的光通量为683 lm， 或称1光瓦。 在其他波长时， 由于相对视敏度V()下降， 相同辐射功率所产生的光通量随之下降。 40 W的钨丝灯泡输出的光通量为468 lm， 发光效率为11.7 lm/W； 40 W的日光灯可以输出2100 lm的光通量， 发光效率为52.5 lm/W； 电

7、视演播室卤钨灯发光效率可达80100 lm/W。,2. 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10 000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。,1.2 人眼的视觉特性,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

8、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。,1.2.1 视觉灵敏度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。,图 1-3 标准视敏度曲线,人眼的灵敏度因人而异， 同一个人眼睛的灵敏度也随年龄和健康状况有所变化， 所以采用统计方法， 用许多正常视力的观察者来做实验， 取其平均值。 经过对各种类型人的实验进行统计， 国际照明委员会推荐标准视敏度曲线(也称相对视敏函数曲线)如图1-3中的V（）曲线所示。 图中曲线表明具有相等辐射能量、

9、 不同波长的光作用于人眼时， 引起的亮度感觉是不一样的。 可以看出人眼最敏感的光波长为555 nm， 颜色是草绿色， 这一区域颜色， 人眼看起来省力， 不易疲劳。 在555 nm两侧， 随着波长的增加或减少， 亮度感觉逐渐降低。 在可见光谱范围之外， 辐射能量再大， 人眼也是没有亮度感觉的。,1.2.2 彩色视觉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

10、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。,它们各自的相对视敏函数曲线分别为图1-3所示的VR（）、 VG（）、 VB（）， 其峰值分别在580 nm、 540 nm、 440 nm处。 图中VB（）曲线幅度很低， 已将其放大了20倍。 三条曲线的总和等于相对视敏函数曲线V（）。 三条曲线是部分交叉重叠的， 很多单色光同时处于两条曲线之下， 例如600 nm的单色黄光就处在VR（）、 VG（）曲线之下， 所以600 nm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。 当混合红绿光同时作用于视网膜时， 分别使红敏细胞、

11、 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。,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。 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。,1.2.3 分辨力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1-4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

12、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。,图1-4 人眼进行分辨力测试的方法,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的倒数， 即,分辨力=,（1-1）,如图1-4所示， 用L表示眼睛与图像之间的距离， d 表示能分辨的两点间最小距离， 则有：,（1-2）,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， 为11.5。 分辨力在很大程度上取决于景物细节的亮度和对比度， 当亮度很低时， 视力很

13、差， 这是因为亮度低时锥状细胞不起作用。 但是亮度过大时， 视力不再增加， 甚至由于眩目现象， 视力反而有所降低。 此外， 细节对比度愈小， 也愈不易分辨， 会造成分辨力降低。 在观看运动物体时， 分辨力更低。,人眼对彩色细节的分辨力比对黑白细节的分辨力要低， 例如， 黑白相间的等宽条子， 相隔一定距离观看时， 刚能分辨出黑白差别， 如果用红绿相间的同等宽度条子替换它们， 此时人眼已分辨不出红绿之间的差别， 而是一片黄色。 实验还证明， 人眼对不同彩色， 分辨力也各不相同。 如果眼睛对黑白细节的分辨力定义为100%， 则实验测得人眼对各种颜色细节的相对分辨力用百分数表示如表1-1所示。,因为人

14、眼对彩色细节的分辨力较差， 所以在彩色电视系统中传送彩色图像时， 只传送黑白图像细节， 而不传送彩色细节， 这样做可减少色信号的带宽， 这就是大面积着色原理的依据。,表1-1 人眼对各种颜色细节的相对分辨力,1.2.4 视觉惰性实验证明， 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。,图1-5(a)表示作用于人眼的光脉冲， 图1-5(b)表示该光脉冲造

15、成的主观亮度感觉， 它滞后于实际的光脉冲。 光脉冲消失后， 亮度感觉还要一段时间才能消失。 图1-5(b)中t1t2就是视觉暂留时间。 在中等亮度的光刺激下， 视力正常的人视觉暂留时间约为0.1 s。,人眼受到频率较低的周期性的光脉冲刺激时, 会感到一亮一暗的闪烁现象， 如果将重复频率提高到某个定值以上， 由于视觉惰性， 眼睛就感觉不到闪烁了。 不引起闪烁感觉的最低重复频率， 称为临界闪烁频率。 临界闪烁频率与很多因素有关， 其中最重要的是光脉冲亮度， 随着光脉冲亮度的提高， 临界闪烁频率也会提高。 临界闪烁频率还与亮度变化幅度有关 亮度变化幅度越大， 临界闪烁频率越高。 人眼的临界闪烁频率约

16、为46 Hz。 对于重复频率在临界闪烁频率以上的光脉冲， 人眼不再感觉到闪烁， 这时主观感觉的亮度等于光脉冲亮度的平均值。,图 1-5 人眼的视觉惰性(a) 作用于人眼的光脉冲亮度；(b) 主观亮度感觉,1.3 色 度 学,1.3.1 彩色三要素描述一种色彩需要用亮度、 色调和饱和度三个基本参量， 这三个参量称为彩色三要素。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。 不发光物体的亮度取决于它反射光功率的大小。 若照射物体的光强度不变， 物体的反射性能越好， 物体越明亮， 反之越暗。 对于一定的物体， 照射光越强， 物体越明亮， 反之越暗。,色调反映彩色的类别，

17、例如红、 橙、 黄、 绿、 青、 蓝、 紫等不同颜色。 发光物体的色调由光的波长决定， 不同波长的光呈现不同的色调， 不发光物体的色调由照明光源和该物体的吸收、 反射或透射特性共同决定。,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。 饱和度与彩色光中的白光比例有关， 白光比例越大， 饱和度越低。 高饱和度的彩色光可加白光来冲淡成低饱和度的彩色光。 饱和度最高称为纯色或饱和色。 谱色光就是纯色光， 其饱和度为100%。 饱和度低于100%的彩色称为非饱和色， 日常生活中所见到的大多数彩色是非饱和色。 白光的饱和度为0。 色饱和度和色调合称为色度， 它表示彩色的种类和彩色的深浅程度。,