第二章 视觉和电视显示 基本原理主要内容• 2.1 人眼的生理特征 • 2.2 光度学概要 • 2.3 色度学原理 • 2.4 电视传像原理2.1人眼的生理特征• 2.1.1眼球的构造与功能 • 2.1.2视网膜的构造与功能 • 2.1.3明视觉、暗视觉光谱光效率函数 • 2.1.4暗适应和明适应 • 2.1.5视觉的空间分辨能力 • 2.1.6视觉的时间分辨能力人眼的基本功能• 感受不同波长不同强度的光信息，产生视觉反 应 • 波长范围：380~780nm，可见光 • 强度范围：10-3lx(月黑之夜)~105lx(日光直射)人类视觉系统的构造• 外界光波信息通过眼球 的光学系统在视网膜上 成像 • 视网膜内的视觉细胞把 光信息变换为电信号， 传递给视神经 • 视神经在视交叉处整理 视觉信息，传向外侧膝 状体 • 外侧膝状体经视放射线 神经连接于左右后头部 的大脑视觉区域 视觉系统结构示意图2.1.1 眼球的构造与功能• 眼球是最先接收到外 界光信息的部位 – 眼球为直径约24mm 的球状体，光线通过 瞳孔射入眼球内，再 经晶状体在位于眼球 后部内侧的视网膜上 成像 • 角膜，保护眼睛，使 光线入射眼球的构造。
右眼水平剖 面从上部所见的截面图• 瞳孔，直径2～8mm ，对准明亮处直径变 小，对准昏暗处直径 变大，～照相机光圈 • 晶状体，利用自身弹 力和睫状肌调节焦距 ，照相机透镜 – 近视眼、远视眼，晶 状体调焦能力变差2.1.2视网膜的构造与功能• 视网膜，成像位置，照 相机底片 • 感光细胞，把光变换为 电信号 – 锥体（cone）细胞，明视 觉，感知颜色和细节 – 杆体（rod）细胞，暗视觉 ，对弱光反应灵敏 • 双极细胞 – 包括水平细胞和无轴索细 胞，协调视网膜信息处理 • 视神经 – 分布在视网膜各处，传递 电信号视网膜结构示意图中间凹与盲点• 黄斑、中间凹 – 视网膜正对瞳孔的黄色区 域 – 在接近视网膜的中心，有 一个向下凹陷的部分锥 体细胞占优势，视力和色 感等视觉功能都格外优秀 – 在观察外界时，视线沿各 个方向移动，在中央凹的 位置把想看见的对象形成 像 • 盲点 – 视神经分布于视网膜上， 为使视神经向眼球外伸出 ，在视网膜上有一处空穴 ，视神经束均通向此处， 称为乳头该处没有视觉 细胞，不能感受光线，故 称为盲点 2.1.3光谱光效率函数• 对不同波长（颜色）的光感受特性不同 – 黄绿色最亮，蓝紫色次之，红色最暗 （等能量各色光） • 光效率函数：V()=1/E()– 达到相同亮度，不同波长所需能量的倒数 – V()光谱光效率函数值，E()单色光能量• 明视觉（锥体细胞主导） – 亮度>3cd/m2，V()峰值550~560 nm，683lm/W • 暗视觉（杆体细胞主导） – 亮度其它色光；绿光CFF>红光、蓝光 – 白光CFF在蓝光背景最大，红光背景中等，绿光背景最低。
强度调制和脉宽调制• 周期光信号频率f>CFF时，眼睛感觉像一个恒定 光，视觉亮度• 强度调制 – 发光时间不变，改变发光亮度L，如CRT, LCD, LED • 脉宽调制 – 发光亮度不变，改变发光时间t，如PDP主要内容• 2.1 人眼的生理特征 • 2.2 光度学概要 • 2.3 色度学原理 • 2.4 电视传像原理2.2 光度学概要• 光通量 – 物理学：单位时间通过某个面的光能量，单位 瓦特W – 光度学：单位时间通过某个面的能够被人的视 觉系统所感受到的光能量，单位流明lm– 相同能量不同波长的光，引起人眼的亮度感觉 不同 • 黄绿光最亮，其次是蓝紫光，最暗是红光• (e,)单位波长间隔内光的实际功率， V()标准视觉函 数 • 明视觉（锥体细胞主导） – 亮度>3cd/m2，V()峰值550~560 nm，683lm/W • 暗视觉（杆体细胞主导） – 亮度90%；黑纸，<5%颜色的三个基本特性• 色调（主波长） – 由光源发光或物体反射光中的中心波长决定 • 饱和度（波长范围） – 一种颜色的鲜艳程度，饱和度越高，颜色越 纯 – 由光源发光或物体反射光中的波长范围决定 – 白光越多，饱和度越小 • 明度（亮度） – 光源发光强度作用于眼睛发生的效应色锥• 垂直轴，黑白系列亮度 变化，顶端白色，中间 各种灰色过渡，底部黑 色。
– 色锥底部和顶部局域聚于 一点，表示颜色变白或变 黑时失去色调 • 圆周各点代表光谱上各 种不同的色调 – 中心中灰色，亮度和圆周 各颜色相等 – 圆周向圆心过渡，颜色饱 和度降低加法混色• 同色异谱 – 光谱不同的光线，某种条件下也引起人眼相同的感觉 • 三基色：红、绿、蓝 – 红色+绿色=黄色；红色+蓝色=紫色； – 蓝色+绿色=青色；红色+绿色+蓝色=白色 • 继时加色法 – 两种以上的颜色，以超过临界闪烁频率作用于视网膜 • 空间加色法 – 两种以上颜色的发光点，相互距离<人眼最小视角 • 电视，视频终端，空间加色法2.3.4 色度图• 1931 CIE-RGB色度图 • 1931 CIE-XYZ色度图 • 均匀色标制 – CIE 1960 UCS色度图 – CIE 1976 UCS色度图CIE-RGB色度图• F=R(R)+G(G)+B(B) – R: 700nm, G: 546.1nm, B: 453.6 nm – F：具有确定亮度和色度的代配颜色 – (R), (G), (B)：红、绿、蓝三基色的单位量 – 上式说明要配出颜色F需要用R个(R)红色、G个(G)绿 色和B个(B)蓝色 – 国际照明委员会(CIE) 1931 CIE-RGB系统规定，(R): 700nm，(G):546.1nm，(B): 453.8nm。
700nm可见 光的末端，546.1nm和453.8nm两条较为明亮的Hg亮 线谱，三者都能比较容易精确地产生等能白光E白• 可见光谱范围内的所有波长的光都具有相 等辐射功率所形成的一种白光 – 实际并不存在，是色度学为简化计算而假想 的一种白色光源，与色温5500K白光接近 配成等能白光，要求 – (R):(G):(B)辐射功率比＝71.83 : 1.38 : 1(R):(G):(B)流明系数比＝ 0.0041:0.984:0.0177 – (R):(G):(B)流明比 ＝1 : 4.5907 : 0.0601RGB配色方程式• 等能白光配色比例基色单位色度和亮度 – 红基色单位(R)是波长700nm的红光，1lm – 绿基色单位(G)是波长546.1nm的绿光， 4.507lm – 蓝基色单位(B)是波长453.8nm的红光， 0.0601lm 用三基色各一个单位配出等能白光 E白＝1(R)+1(G)+1(B)，光通量 1+4.5907+0.0601=5.6508lmRGB配色方程式• F=R(R)+G(G)+B(B) – (R), (G), (B)表示红绿蓝基色 单位，R, G, B表示基色单位 系数 – F的光通量 Y=1R+4.5907G+0.0601B – 三基色放入三维空间，用基色 单位来刻度，用图形来表示配 色方程。
这个三维空间称为颜 色空间，F为颜色空间矢量 – 如果把可见光谱上每个波长的 光都用配色方程表示，F矢量 在颜色空间将画出一条空间曲 线，称为光谱色轨迹rgb配色方程• F=(R+G+B)[r(R)+g(G)+b(B)] – r=R/(R+G+B), g=G/(R+G+B), b=B/(R+G+B) – 在一般亮度范围内，色度与亮度无关，三基 色系数同比例变化并不影响混色后彩色的色 度 – (R+G+B)表示混色后彩色量的亮度，r,g,b称 为三基色的相对系数，表示混色后彩色的色 度 – r+g+b=1，只要知道两个色度坐标就可以确定 色度，用一个平面就可以表示彩色的色度 rgb色度图rgb色度图• r横坐标，g纵坐标 • (R)坐标(1,0)，(G)坐标 (0,1)，B坐标(0,0) • 在r-g平面可以标出每一 种光谱颜色 • (R),(G),(B)构成一个三角 形，三角形内，r,g,b为 正，所代表的各种颜色 可以用规定的(R),(G),(B) 配出 • E白坐标r=g=b=1/3，三 角形重心rgb色度图的缺陷• 实际使用中，不可能采用单色的基色 • r,g,b相对参数出现负值，计算不方便 – 物理根源，(R),(G),(B)不能配出理想的纯色， 所配出的颜色带有一定的混色 – r,g,b(=400nm，紫色)=0.0247, (-0.0112), (0.9865)，说明400nm紫色不能采用 (R),(G),(B)配出分布色基色色度图• 考虑了三基色的光谱分布P() • r, g, b • 实际上作为R, G, B计色系统的基准数据 1931 CIE-RGB标准色度图 • P() 红绿蓝荧光粉 CRT具有最好的色彩还原能力CIE-XYZ色度图建立条件• 为避免RGB色分布系数的负值，改用假想的基 色(X),(Y),(Z)建立的新色度图，同时将配色的三 基色的数值标准化 – 为避免色度坐标出现负值，人为选定三个自然界不存 在的基色，(X)红基色，(Y)绿基色，(Z)蓝基色。
由这 三个基色所形成的三角形色度图必须包含整个光谱轨 迹 – 所选三基色中，只有(Y)基色包含亮度，而(X), (Z)基 色仅含有色度，使得任何色彩的亮度只用颜色系数Y 值来决定，而与系数X,Z无关，因而使得彩色光亮度 的计算和测量都很方便 – 当X=Y=Z时，仍代表等能白光 – 在构成XYZ三角形时，尽可能减少三角形所占的面积rgb-xyz转换CIE xyz色度图的物理含义(1)• x色度坐标，红原色 比例；y色度坐标， 绿原色比例 • 红色波段，右下角； 绿色波段，左上角； 蓝色波段，左下角 • 舌形图包括一切人眼 能实现的颜色边界 各点代表紫色 (380nm)到红色 (780nm)的纯光谱色 ，饱和度最大CIE xyz色度图的物理含义(2)• 不在边界舌形图中的 任何一点不代表纯光 谱色，而是几种光谱 色的混色 • y=0直线无亮度，光 谱短波紧靠这条线， 说明短波虽然能引起 视觉反应，但 380~420波长的辐射 通量在视觉上只有很 低的亮度感觉CIE xyz色度图的物理含义(3)• 在色度图中任意两点连 接一条直线，直线上各 坐标点所代表的颜色可 由直线两端的颜色按比 例混合而成 • 在色度图中任三个不在 同一条直线的点构成一 个三角形，三角形中的 任一坐标点颜色可由三 角形三端点颜色按比例 混合而成。
• 为尽可能多的重现颜色 ，三基色选择应使色度 图中三角形面积尽可能 大但需要与亮度折中 xyz色标的缺陷• 视觉上存在不均匀性 – 人眼一个颜色一个范 围 – 不同颜色，对波长的 敏感度不同 – 494nm（青色） ~580nm（黄色）特别 敏感，波长变化1nm 就能感觉到 – 655nm以上的红色和 430nm以下的紫色， 几乎感觉不到差别1960 CIE uv均匀色标制1976 CIE u’v’均匀色标制习 题• 从眼睛的调焦能力分析近视眼和远视眼能 否相互抵消 • 从视觉的空间分辨率的角度分析为什么普 通的电视机不能用作电脑显示器主要内容• 2.1 人眼的生理特征 • 2.2 光度学概要 • 2.3 色度学原理 • 2.4 电视传像原理2.4 电视传像原理• 2.4.2 图像的顺序传送 • 2.4.3 电视扫描 • 2.4.5 黑白全电视信号 • 2.4.8 彩色电视信号的传输 • 2.4.10 高清晰度电视2.4 电视传像原理• 活动图像，电视传送的主要信息 • 发送端：活动景物的光信号电信号 • 电信号传送：电磁波（无线或有线） • 接收端：电信号原来的图像 • 用尽可能少的带宽尽量真实的还原图像2.4.2 图像的顺序传送• 活动图像，亮度、色度随空间、时间变化 连续函数 – 黑白平面图像，亮度不同黑白点 。