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1、彩色与视觉特性彩色与视觉特性 基础基础知识知识第1页，本讲稿共59页第第1章章 彩色与视觉特性彩色与视觉特性 1.1 光的性质光的性质 1.2 人眼的视觉特性人眼的视觉特性 1.3 色度学色度学 思考题和习题思考题和习题 第2页，本讲稿共59页1.1 光的性质光的性质 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是电磁波按波长的顺序排列的电磁波谱。第3页，本讲稿共59页波长在380780nm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
2、的波长由780nm向380nm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。第4页，本讲稿共59页图1-1电磁辐射波谱第5页，本讲稿共59页1.1.2物体的颜色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
3、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。第6页，本讲稿共59页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
4、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。第7页，本讲稿共59页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际温度为常温，而其白场色温是6500K。第8页，本讲稿共59页图1-2标准光源的光谱分布第9页，本讲稿共59页常用的标准白光有A、B、C、D65和E光源5种，它们的光谱分布如图1-2所示。(1
5、)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。第10页，本讲稿共59页(4)D65光源色温为6504K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。第11页，本讲稿共59页1.1.4光的度量单位 1.光通量光通量是
6、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()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80100lm/W。第12页，本讲稿共59页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
7、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。第13页，本讲稿共59页1.2 人眼的视觉特性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。第14页，本讲稿共59页1.2.1视觉灵敏度波长不同的可见光光波，给人
8、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。第15页，本讲稿共59页图1-3标准视敏度曲线第16页，本讲稿共59页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、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555nm，颜色是草绿色，这一区域颜色，人眼看起来省力，不易疲劳。在555nm两侧，随着波长的增加或减少
9、，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。第17页，本讲稿共59页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。第18页，本讲稿共59页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580nm、
10、540nm、440nm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600nm的单色黄光就处在VR（）、VG（）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。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。第19页，本讲稿共59页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
11、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。第20页，本讲稿共59页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。第21页，本讲稿共59页图1-4人眼进行分辨力测试的方法第22页，本讲稿共59页分辨力的
12、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）第23页，本讲稿共59页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。第24页，本讲稿共59页人
13、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。第25页，本讲稿共59页因为人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。第26页，本讲稿共59页表1-1人眼对各种颜色细节的相对分辨力
14、第27页，本讲稿共59页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。第28页，本讲稿共59页图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0.1s
15、。第29页，本讲稿共59页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为46Hz。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。第30页，本讲稿共59页图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
16、感觉第31页，本讲稿共59页1.3 色色 度度 学学 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。第32页，本讲稿共59页色调反映彩色的类别，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。第33页，本讲
17、稿共59页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。第34页，本讲稿共59页1.3.2三基色原理根据人眼的视觉特性，在电视机中重现图像时并不要求完全重现原景物反射或透射光的光
18、谱成分，而应获得与原景物相同的彩色感觉。因此仿效人眼三种锥状细胞，可以任选三种基色，三种基色必须是相互独立的，任一种基色都不能由其他两种基色混合得到，将它们按不同比例进行组合，可得到自然界中绝大多数的彩色。第35页，本讲稿共59页具有这种特性的三个单色光叫基色光，这三种颜色叫三基色。并总结出三基色原理：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。第36页，本讲稿共59页因为人眼的三种锥状细胞对红光、绿光和蓝光最敏感，所以在红色、绿色和蓝色光谱区中选择三个基色按适当比例混色
19、可得到较多的彩色。在彩色电视中，选用了红、绿、蓝作为三基色，分别用R、G、B来表示。国际照明委员会(CIE)选定了红基色的波长为700nm，绿基色的波长为546.1nm，蓝基色的波长为435.8nm。第37页，本讲稿共59页三基色原理是彩色电视技术的基础，摄像机把图像分解成三基色信号，电视机又用三基色信号还原出原图像的色彩。三基色光相混合得到的彩色光的亮度等于三种基色亮度之和，这种混合色称为相加混色。将三束等强度的红、绿、蓝圆形单色光同时投射到白色屏幕上，会出现三基色的圆图，其混合规律如图1-6所示。第38页，本讲稿共59页图1-6相加混色第39页，本讲稿共59页红色+绿色=黄色绿色+蓝色=青
20、色蓝色+红色=紫色红色+绿色+蓝色=白色适当改变三束光的强度，可以得到自然界中常见的彩色光。红色+青色=白色绿色+紫色=白色蓝色+黄色=白色第40页，本讲稿共59页当两种颜色混合得到白色时，这两种颜色称为互补色。红与青互为补色，绿与紫互为补色，蓝与黄互为补色。在彩色电视技术中，常用两种相加混色法。空间混色法是同时将三种基色光分别投射到同一表面上彼此相距很近的三个点上，由于人眼的分辨力有限，能产生三种基色光混合的色彩感觉。空间混色法是同时制彩色电视的基础。时间混色法是将三种基色光轮流投射到同一表面上，只要轮换速度足够快，加之视觉惰性，就能得到相加混色的效果。时间混色法是顺序制彩色电视的基础。第4
21、1页，本讲稿共59页1.3.3颜色的度量1.配色实验给定一种彩色光，可通过配色实验来确定其所含三基色的比例，配色实验装置如图1-7所示。实验装置是由两块互成直角的理想白板将观察者的视场一分为二，在一块白板上投射待配色，另一块白板上投射三基色。第42页，本讲稿共59页调节三基色光的强度，直至两块白板上彩色光引起的视觉效果完全相同。记下三基色调节器上的光通量读数，便可写出配色方程 FR(R)+G(G)+B(B)（1-3）第43页，本讲稿共59页式中，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。要配出彩色量F，必须将R单位的红基色、G单位的绿基色和B单位的蓝基
22、色加以混合。R、G、B的比例关系确定了所配彩色光的色度(含色调和饱和度)，R、G、B数值确定了所配彩色光的光通量（亮度）。R(R)、G(G)、B(B)分别代表彩色量F中所含三基色的光通量成分，又称为彩色分量。第44页，本讲稿共59页配成标准白光E白所需红、绿、蓝三基色的光通量比为14.59070.0601,为了简化计算，规定红基色光单位量的光通量为1lm，绿基色光和蓝基色光单位量的光通量分别为4.5907lm和0.0601lm。第45页，本讲稿共59页图1-7配色实验第46页，本讲稿共59页 2.XYZ制色度图 配色实验的物理意义明确，但进行定量计算却比较复杂，实际使用很不方便，为此进行了坐标
23、变换：（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）(1-4)第47页，本讲稿共59页在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）（1-5）式中，X、Y、Z为标准三色系数，(X)、(Y)、(Z)为标准三基色单位。在XYZ计色制中标准三色系数均为正数，系数Y的数值等于合成彩色光的全部亮度，系数X、Z不包含亮度,合成彩色光色度仍由X、Y、Z的比值决定。当X=Y=Z时，配出等能白光E白。色度是由三色系数X、
24、Y、Z的相对值确定的，与X、Y、Z的绝对值无关，如果仅考虑色度值时，可以用三色系数的相对值表示。第48页，本讲稿共59页(1-6)第49页，本讲稿共59页式中,m为色模，表示某彩色光所含标准三基色单位的总量，它与光通量有关，对颜色不产生影响；x、y、z为相对色度系数，又叫色度坐标。由式(1-6)可知 x+y+z=1(1-7)式(1-7)表明，当某一彩色量F的相对色度系数x、y已知时，则z也为已知，即z是一个非独立的参量。这样就可将由配色实验得到的数据，换算成x、y坐标值，并画出其平面图形，即x-y标准色度图，如图1-8所示。第50页，本讲稿共59页图1-8 标准色度图和显象三基色第51页，本讲
25、稿共59页在x-y色度图中所有光谱色都在所示的舌形曲线上。曲线上各点的单色光既可用一定的波长来标记，也可用色度坐标来表示，该曲线亦称为光谱色曲线。舌形曲线下面不是闭合的，用直线连接起来，则自然界中所有实际彩色都包含在这封闭的曲线之内。E白点的坐标为x=1/3、y=1/3,谱色曲线上任意一点与E白点的连线称为等色调线。该线上所有的点都对应同一色调的彩色，线上的点离E白点越近，该点对应的彩色的饱和度就越小。第52页，本讲稿共59页谱色曲线内任意两点表示了两种不同的彩色，这两种彩色的全部混色都在这两点的连线上。合成光的点离该两点的距离与这两种彩色在合成光中的强度成反比。在谱色曲线内，任取三点所对应的
26、彩色作基色混合而成的所有彩色都包含在以这三点为顶点的三角形内。三角形外的彩色不能由此三基色混合得到。因此，彩色电视选择的三基色应在色度图上有尽量大的三角形面积。第53页，本讲稿共59页1.3.4显像三基色和亮度公式 1.显像三基色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。我们希望选出的显像三基色在色度图上的三角形面积尽可能大些，这会使混合出来的色彩更丰富，同时还要求荧光粉的发光效率尽可能高。第54页，本讲稿共59页不同彩色电视制式所选用的显像三基色是不同的，选用标准白光也不一样。NTSC制和PAL制采用的显像三基
27、色和标准白光的色度坐标如表1-2所示，在色度图中的位置分别见图1-8中的虚线三角形和实线三角形。第55页，本讲稿共59页表1-2显像三基色和标准白光的色度坐标第56页，本讲稿共59页2.亮度公式由显像三基色和标准白光的色度坐标经线性矩阵变换可导出NTSC制中显像三基色Re1、Ge1、Be1和X、Y、Z之间的关系式为X=0.607Re1+0.174Ge1+0.200Be1Y=0.299Re1+0.587Ge1+0.114Be1Z=0.000Re1+0.066Ge1+1.116Be1(1-8)第57页，本讲稿共59页式中，Y代表彩色的亮度，由显像三基色配出的任意彩色光的亮度为 Y=0.299Re1+0.587Ge1+0.114Be1（1-9）通常简化为 Y=0.3R+0.59G+0.11B（1-10）式（1-10）称为亮度公式。第58页，本讲稿共59页由表1-2可知在PAL制彩色电视中，选用的显像三基色和标准白光的色度坐标与NTSC制不一样，亮度公式中的系数有所不同，但是两者差别不大，所以在PAL制中也采用式(1-10)作为亮度公式。第59页，本讲稿共59页