彩色電視色度學(xué)基礎(chǔ)

1、電視技術(shù) 電視的發(fā)展l 1936年 貝爾德電視公司在英國開始了電子方式的黑白電視廣播，開始了電子電視的時(shí)代。l 1954年 美國正式開播NTSC兼容制彩色電視。l 1967年 前聯(lián)邦德國正式廣播PAL兼容制彩色電視，同年，法國和前蘇聯(lián)開播了SECAM兼容制彩色電視。 l 從20世紀(jì)90年代開始，出現(xiàn)了數(shù)字電視廣播標(biāo)準(zhǔn)，如歐洲的DVB系統(tǒng)、美國的ATSC系統(tǒng)、日本的ISDB系統(tǒng)等。第一章第一章 彩色電視色度學(xué)基礎(chǔ)彩色電視色度學(xué)基礎(chǔ) 1.1 光的性質(zhì)光的性質(zhì) 一、可見光與顏色一、可見光與顏色l 光是一種以電磁波形式存在的物質(zhì)。l 電磁波的波長范圍很寬，從310-3m到310-17m，包含了無線電波

2、、紅外線、可見光、紫外線、X射線、宇宙射線等。l 波長為380nm780nm的電磁波能夠引起人眼的視覺反應(yīng)，稱為可見光，它在整個(gè)電磁波譜中的位置如 圖1-1所示。 圖1-1 電磁輻射波譜 從電視角度看，可見光具有以下特性： （1）可見光波長范圍有限，只占整個(gè)電磁波波譜的極小一部分。 （2）不同波長的光呈現(xiàn)的顏色各不同，波長從長到短，分別呈現(xiàn)紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫。 （3）單一波長和波譜寬度小于5nm的光稱為單色光。單色光對應(yīng)著光譜中一定的波長，所以又稱為譜色光。含有兩種或兩種以上波長成分的光稱為復(fù)合光，復(fù)合光使人眼產(chǎn)生混合色。由于它不能作為單色光出現(xiàn)在光譜上，所以又稱為非譜色光。 例:白光

3、就是一種復(fù)合光，自然界中最大的白光光源是太陽，太陽光的光譜是連續(xù)分布的，包含有380nm780nm范圍內(nèi)的所有波長成分。幾種單色光混合在一起會(huì)形成復(fù)合光，如紅、綠、藍(lán)光按一定比例混合后會(huì)產(chǎn)生白光。同樣，混合光也可以通過某種方式被分解成不同波長的單色光。 二、物體的顏色二、物體的顏色 l 物體分為發(fā)光體和不發(fā)光體。l 發(fā)光體的顏色由它本身發(fā)出的光譜所確定，如白熾燈發(fā)黃光和日光燈發(fā)白光。l 不發(fā)光體的顏色與照射光的光譜和不發(fā)光體對照射光的反射、透射特性有關(guān)。如綠葉反射綠色的光、吸收其他顏色的光而呈現(xiàn)綠色；綠葉拿到暗室的紅燈下觀察成了黑色。l 由此可見，光是一種客觀存在的物質(zhì)，而色是人眼對這種物質(zhì)的

4、視覺反應(yīng)。 三、色溫與標(biāo)準(zhǔn)光源三、色溫與標(biāo)準(zhǔn)光源 在電視節(jié)目拍攝過程中，照明光源的作用非常重要，其光譜功率分布情況會(huì)直接影響被照物體的顏色。通常的照明光源，如太陽光、日光等發(fā)的光雖然都是白光，但它們的光譜成分相差很大，用它們照射相同物體時(shí)，呈現(xiàn)的顏色則相差較大。根據(jù)CIE（國際照明委員會(huì)）的規(guī)定，在電視系統(tǒng)中使用的標(biāo)準(zhǔn)光源主要有A、B、C、D65、E五種，并以“色溫”來表征。 1. 色溫色溫 光源的色溫是用來描述光源的光譜分布的物理量。在色度學(xué)上，它通常用光源的光與絕對黑體發(fā)出的光相比較，并用絕對黑體的絕對溫度來表征。 絕對黑體是指能完全吸收入射光的物體。當(dāng)絕對黑體被加熱時(shí)，能以電磁波形式向外

5、輻射能量，其光譜能量的分布只與加熱的溫度有關(guān)，溫度低時(shí)光譜能量偏重于長波長區(qū)，溫度升高時(shí)光譜能量逐漸偏重到短波長區(qū)。 光源的色溫:當(dāng)光源的可見光譜與某溫度的絕對黑體的輻射的可見光譜相同或接近時(shí),就將此時(shí)絕對黑體的絕對溫度稱為該白光源的色溫。例如，一個(gè)溫度為2800K的鎢絲燈泡所發(fā)出的光色與絕對黑體在溫度為2854K時(shí)的光譜相同，則該燈泡所發(fā)出的光的色溫就是2854K。 要注意的是，色溫用來表示光源的光譜特性，并非光源的實(shí)際溫度。在電視技術(shù)中引入“色溫”的概念，是為了進(jìn)行色度的計(jì)算和白光的比較。 2.2.標(biāo)準(zhǔn)白光源標(biāo)準(zhǔn)白光源 在電視系統(tǒng)中使用的標(biāo)準(zhǔn)光源主要有A、B、C、D65、E五種，其光譜功率

6、分布曲線如圖1-2所示。 A光源: 色溫為2854K，相當(dāng)于2800K鎢絲燈所發(fā)的光。 B光源: 色溫為4874K，相當(dāng)于中午直射的太陽光。 C光源: 色溫為6774K，相當(dāng)于白天的自然光，是NTSC制彩色電視的白光標(biāo)準(zhǔn)光源。 D65光源: 色溫為6504K，相當(dāng)于白天平均照明光，是PAL制彩色電視的白光標(biāo)準(zhǔn)光源。 E光源（E白）: 色溫為5500K，是一種理想的等能量的白光，實(shí)際并不存在，它的采用可簡化色度學(xué)的計(jì)算。 圖1-2 幾種標(biāo)準(zhǔn)光源的光譜分布 1.2 視覺特性視覺特性 電視是根據(jù)人眼的視覺特性發(fā)明的。人眼的視網(wǎng)膜上有大量的光敏細(xì)胞，按其形狀可分為桿狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞。 桿狀細(xì)胞的感光靈

7、敏度很高，在低照度時(shí)，主要靠它分辨明暗，但對彩色不敏感。 錐狀細(xì)胞感光靈敏度較低，在微弱的光線下不起作用，但在光線較為明亮?xí)r既能感知各種明暗層次又能辨別出光的顏色。 一、視覺靈敏度一、視覺靈敏度 同一波長的光，當(dāng)其強(qiáng)度不同時(shí)，給人的亮度感覺是不同的，相同強(qiáng)度而波長不同的光，給人的亮度感覺也是不同的。 人眼的靈敏度因人而異，通過對大量視力正常者的實(shí)驗(yàn)統(tǒng)計(jì)，可得到如圖1-3 所示的相對視敏函數(shù)曲線。由圖可見，在亮視覺下，當(dāng)輻射功率相同時(shí)，人眼感覺555nm的草綠光最亮，波長自555nm起向左和向右逐漸減小和增大時(shí)，亮度感覺逐漸下降。圖1-3 相對視敏函數(shù)曲線 二、人眼的色度視覺二、人眼的色度視覺

8、視覺三色原理的假設(shè)：錐狀細(xì)胞分為三類, 分別稱為紅敏細(xì)胞、綠敏細(xì)胞和藍(lán)敏細(xì)胞，它們分別只對紅色、綠色和藍(lán)色光譜能量的刺激產(chǎn)生視覺反映。三種細(xì)胞對可見光的反應(yīng)靈敏度曲線如圖1-4 所示。 圖中VR（）、VG（ ）、VB（ ）的峰值分別出現(xiàn)在580nm，540nm和440nm處。VB（ ）的幅度很低，圖中將其放大20倍。三條曲線的總和等于相對視敏函數(shù)VY（ ）。 不同波長的光對三種細(xì)胞的刺激量是不同的，產(chǎn)生的彩色視覺各異，人眼因此能分辨出五光十色的顏色。電視技術(shù)利用這一原理，在圖像復(fù)現(xiàn)過程中，不是重現(xiàn)原來景物的光譜分布，而是利用3種相似于紅、綠、藍(lán)錐狀細(xì)胞特性的3種光源進(jìn)行配色，在色感上得到相同的

9、效果。 三、人眼的分辨力三、人眼的分辨力 人眼分辨景物細(xì)節(jié)的能力稱為分辨力，用分辨角的倒數(shù)來定義。 分辨角，是指在被觀察物體上，人眼能分辨出的最近兩個(gè)相鄰點(diǎn)對眼睛形成的張角。測試方法如 圖1-5 所示，圖中設(shè)人眼剛能分辨出白色屏幕上的兩個(gè)黑點(diǎn)a和b，這時(shí)a和b之間的距離為d，a和b對眼睛形成的張角為 ，則 就是分辨角。分辨角越小，說明人眼的分辨力越高，也即視力越好。圖1-5 人眼的分辨力 （1）分辨力很大程度上取決于景物細(xì)節(jié)的亮度和對比度（最大亮度和最小亮度的比值）。亮度過低或過高，視力下降；細(xì)節(jié)對比度越小，也越不易分辨。 （2）人眼對彩色細(xì)節(jié)的分辨力要遠(yuǎn)低于對黑白細(xì)節(jié)的分辨力。根據(jù)這一特性，

10、在彩色電視中只傳送黑白圖像細(xì)節(jié)，而不傳送彩色細(xì)節(jié)，以減少色信號的帶寬，這就是大面積著色原理的依據(jù)。 四、視覺惰性與閃爍感覺四、視覺惰性與閃爍感覺 1.視覺惰性視覺惰性 人的視覺對外界光刺激的響應(yīng)有一定的延時(shí)。當(dāng)一定強(qiáng)度的光突然作用于人眼時(shí)，需要經(jīng)過一定的時(shí)間才能形成一個(gè)穩(wěn)定的主觀亮度感覺；當(dāng)光消失以后，亮度感覺也要經(jīng)過一段時(shí)間之后才能消失。視覺的建立和消失都有一定的惰性，稱之為視覺惰性，如圖1-6所示。 圖1-6 視覺惰性 視覺惰性，是現(xiàn)代電影和電視的基礎(chǔ)。 電影和電視都是將一幅幅靜止的畫面以一定的頻率在銀幕或屏幕上輪流顯現(xiàn)出來，只要靜止畫面在顯現(xiàn)時(shí)每兩幅之間的時(shí)間間隔小于視覺暫留時(shí)間（約0.

11、1s)，這時(shí)人眼觀看的雖然是一連串的靜止畫面，但前一幅畫面的印象尚未消失，后一幅畫面的印象又開始建立，前后畫面在視覺上融合銜接在一起，因此人眼感覺到畫面不是斷續(xù)出現(xiàn)而是連續(xù)出現(xiàn)的。 2. 閃爍感覺閃爍感覺 對于周期性的脈沖光源，人眼還有一個(gè)稱之為閃爍感覺的特性。也就是說，當(dāng)脈沖光源的重復(fù)頻率不太高時(shí)，人眼會(huì)跟隨光源的變化產(chǎn)生一明一暗的感覺，即閃爍感覺。脈沖光源的重復(fù)頻率提高時(shí)，這種閃爍感覺會(huì)隨之減輕。當(dāng)重復(fù)頻率提高到一定值后，閃爍感覺可完全消失，這時(shí)人眼感覺到的不是一閃一閃的脈沖光源，而是亮度恒定的不閃爍光源。不引起視覺閃爍感的光源最低重復(fù)頻率通常稱為臨界閃爍頻率。由經(jīng)驗(yàn)公式得到，人眼的臨界閃

12、爍頻率約為46Hz。 電視機(jī)屏幕在顯示畫面時(shí)相當(dāng)于脈沖光源，因此其重復(fù)頻率必須大于臨界閃爍頻率才能使觀眾不產(chǎn)生閃爍感。不過，電視系統(tǒng)的換幀（幅）頻率只有25(30)Hz，為了克服閃爍感，電視系統(tǒng)采用了隔行掃描的方式，將一幀（幅）畫面分成兩場。這樣一來，在不改變換幀頻率的情況下，屏幕上畫面的呈現(xiàn)頻率提高了一倍，變?yōu)?0(60)Hz，大于46Hz的臨界閃爍頻率。 現(xiàn)代電視技術(shù)通常在電視機(jī)中采用特殊技術(shù)，如場頻加倍技術(shù)等，將屏幕閃爍頻率提高到100Hz，這時(shí)基本上可完全克服閃爍感。1.3 三基色原理與配色方程三基色原理與配色方程 一、彩色三要素一、彩色三要素 彩色三要素指的是彩色光的亮度、色調(diào)、飽和

13、度這三個(gè)量。 亮度：指彩色光作用于人眼而引起的視覺上的明亮程度。光源的輻射能量越大，亮度就越高；不發(fā)光體的反射能力越強(qiáng)，亮度越高。 復(fù)合光的亮度等于各個(gè)分量光的亮度之和。 另外，亮度還和波長有關(guān)，能量相同而波長不同的光對視覺引起的亮度感覺也不相同，這就是上一節(jié)已經(jīng)介紹過的視敏特性。 色調(diào)：指彩色的顏色類別。我們通常所說的紅、綠、藍(lán)等指的就是色調(diào)。前面講到不同波長的光顏色不同，也是指的色調(diào)不同。 飽和度是指彩色的深淺、濃淡程度。對于同一色調(diào)的彩色光，飽和度越高，顏色就越深、越濃。各種譜色光都是飽和度最高的彩色。飽和度與彩色光中摻入的白光比例有關(guān)，摻入的白光越多，飽和度就越小。因此，飽和度也稱為色

14、純度。 飽和度的大小用百分制衡量，100的飽和度表示彩色光中沒有白光成分，所有譜色光的飽和度都是100；飽和度為零表示全是白光，沒有任何色調(diào)。 色調(diào)和飽和度合稱為色度，它既說明了彩色光的顏色類別，又說明了顏色的深淺程度。 二、三基色原理二、三基色原理 三基色定理的主要內(nèi)容如下： 自然界中絕大多數(shù)彩色都可以由三基色按一定比例混合而得；反之，這些彩色也可以分解成三基色； 三基色必須是相互獨(dú)立的，即其中任何一種基色都不能由其它兩種基色混合得到； 混合色的色調(diào)和飽和度由三基色的混合比例決定； 混合色的亮度是三基色亮度之和。 另外，任何一種顏色都有一個(gè)相應(yīng)的補(bǔ)色。所謂補(bǔ)色，就是它與某一顏色以適當(dāng)比例混合

15、時(shí)，可產(chǎn)生白色。紅、綠、藍(lán)的補(bǔ)色分別是青、品紅、黃。 三基色的選擇: 在原則上是任意的，只要滿足相互獨(dú)立即可。彩色電視選取的三基色是紅、綠、藍(lán)，分別用R、G、B表示。因?yàn)槿搜鄣娜N錐狀細(xì)胞對這三種顏色最敏感，選擇R、G、B按適當(dāng)比例混色可得較多彩色。 三基色原理是彩色電視得以實(shí)現(xiàn)的重要理論基礎(chǔ)。因?yàn)樽匀唤缰械牟噬乔ё內(nèi)f化的，設(shè)想如果用一種電信號傳送一種顏色，那就需要成千上萬種電信號，這在實(shí)際中是辦不到的。有了三基色原理，彩色電視只需在攝像端將景物的各種顏色分解成紅、綠、藍(lán)三種基色，然后將這三種基色轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的三種電信號傳送到顯示端，在顯示端將電信號再轉(zhuǎn)換成三基色光信號，最后在屏幕上用三基色混

16、合出原景物的色彩。 三、混色方法三、混色方法 利用三基色按不同的比例混合來獲得彩色的方法稱為混色法?；焐ㄓ邢嗉踊焐ê拖鄿p混色法。相加混色是指光源色光的相互混合，彩色電視技術(shù)中就是利用相加混色法顯現(xiàn)各種顏色的，如圖1-7 ，主要有以下兩種方法。 圖1-7 相加混色 1. 時(shí)間混色法時(shí)間混色法 這種方法是利用人眼的視覺惰性，順序地讓三種基色光先后出現(xiàn)在同一表面的同一點(diǎn)處，當(dāng)三種基色光交替出現(xiàn)的速度很快時(shí)（交替時(shí)間間隔小于人眼的視覺暫留時(shí)間），人眼產(chǎn)生的彩色感覺就與三種基色光直接混合時(shí)相同。時(shí)間混色法是順序制彩色電視的基礎(chǔ)。 2. 空間混色法空間混色法 這種方法是利用人眼空間細(xì)節(jié)分辨力差的特點(diǎn)，

17、將三種基色光點(diǎn)放在同一表面的相鄰處，只要這三個(gè)基色光點(diǎn)足夠小，相距足夠近，當(dāng)人眼在一定距離之外觀看時(shí)，就會(huì)看到三種基色光混合后的彩色光。彩色顯像管就是利用這一原理，把紅、綠、藍(lán)三色熒光粉在熒光屏上排列成品字形或豎條形，在一定距離之外觀看時(shí)，看到的就是其混合色。 四、顏色的度量與表示四、顏色的度量與表示 三基色原理是彩色計(jì)量的基礎(chǔ)。 彩色的計(jì)量是通過確定三基色光對人眼的刺激程度來進(jìn)行的，因此，需要規(guī)定三基色光的精確波長值和三基色光對人眼刺激程度的單位量。光對人眼的刺激程度可用光通量來表示。彩色的計(jì)量因三基色不同而有不同的計(jì)量制度，也叫計(jì)色制。這里只介紹其中最主要的兩種，即RGB計(jì)色制和XYZ計(jì)色

18、制。 1. 光通量光通量 光通量是按人眼的光感覺來度量的光輻射功率，單位是流明(lumen)，簡寫為lm 。 當(dāng)=555nm時(shí)的單色光輻射功率為1W時(shí)，產(chǎn)生的光通量為683 lm，或稱1光瓦。在其它波長時(shí)，由于相對視敏函數(shù)下降，相同輻射功率產(chǎn)生的光通量隨之下降。 2. 配色實(shí)驗(yàn)和配色方程配色實(shí)驗(yàn)和配色方程 配色實(shí)驗(yàn)如圖1-8所示。兩塊相互垂直的白板將人眼的視場等分為二，白板的反射率幾乎為100，即對任何波長的光幾乎全部反射。白板的左半部分投射待配的彩色光，右半部分投射紅、綠、藍(lán)三基色光。調(diào)節(jié)三基色光的光通量（混配比例），使白板左、右部分的彩色光完全相同，這時(shí)調(diào)節(jié)器刻度所示的數(shù)值就分別是混配F色

19、光所需的紅、綠、藍(lán)的比例，即三色系數(shù)R、G、B的數(shù)值。圖1-8 配色實(shí)驗(yàn)示意圖 配色方程: F= RR + GG + BB 其中： R 、 G 、 B 稱基色單位量，是由CIE規(guī)定的； R、G、B是三色分布系數(shù)，可以通過配色實(shí)驗(yàn)得到； R R 、G G 、B B 稱F色光的三個(gè)基色分量； 方程式中的等號表示人眼視覺上的顏色相等，即等式兩邊是同色異譜色。 這個(gè)方程式表示F色光可由R個(gè)紅基色單位，G個(gè)綠基色單位和B個(gè)藍(lán)基色單位混配而得。 CIE對三基色光的波長和基色單位的規(guī)定如下： 波長為700nm，光通量為1lm的紅光作為一個(gè)紅基色單位； 波長為546.1nm，光通量為4.5907lm的綠光作為

20、一個(gè)綠基色單位； 波長為435.8nm，光通量為0.0601lm的藍(lán)光作為一個(gè)藍(lán)基色單位。 若混配時(shí)紅、綠、藍(lán)光都采用一個(gè)基色單位，則可配得等能白光 ，即 E白=1R + 1G + 1B 。此時(shí)E白的光通量是三個(gè)基色光的光通量之和，即14.59070.06015.6508 lm。若三基色光同時(shí)增大到原來的K倍，則混配之后仍然得到E白，只不過其光通量也增大到原來的K倍。 3. XYZ計(jì)色制及色度圖計(jì)色制及色度圖 （1）XYZ計(jì)色制計(jì)色制 RGB計(jì)色系統(tǒng)采用物理三基色，因而物理意義清楚，但使用起來卻很不方便。為此，CIE規(guī)定了另一種計(jì)色制，即XYZ計(jì)色制，又稱標(biāo)準(zhǔn)計(jì)色制。 在XYZ計(jì)色系統(tǒng)中，基色

21、XYZ只是假想的三基色，但是借助它們來計(jì)算各種實(shí)際顏色卻十分方便。選擇XYZ計(jì)色系統(tǒng)的目的就是為了克服RGB計(jì)色系統(tǒng)的缺點(diǎn)，因此，在確定基色量X、Y、Z時(shí)有一些特定的要求： 用配色方程FXXYYZZ配色時(shí)，三個(gè)色系數(shù)均應(yīng)為正值； 為便于計(jì)算，合成彩色光F的亮度應(yīng)僅由YY項(xiàng)的系數(shù)Y決定，與X、Z值無關(guān)。不過，合成光F的色度仍由X、Y、Z的比例關(guān)系決定。 XYZ時(shí)，仍代表等能白光。 這兩種計(jì)色制之間是線性相關(guān)的，對某一實(shí)際色光，可通過配色實(shí)驗(yàn)確定三色系數(shù)R、G、B，再通過計(jì)算轉(zhuǎn)換成X、Y、Z標(biāo)準(zhǔn)三色系數(shù)。 （2）XYZ（x-y) 色度圖色度圖 設(shè)m=X+Y+Z為色模；x=X/m, y=Y/m, z=Z/m為相對色度坐標(biāo)，x+y+z=1, x、y、z中只有兩個(gè)量是獨(dú)立的，這樣就可在x-y坐標(biāo)中繪制XYZ色度圖或稱x-y色度圖，如 圖1-9所示。圖1-9 XYZ色度圖圖1-9 XYZ色度圖 該色度圖具有如下特點(diǎn): 舌形曲線全部位于第一象限,所有的單色光都位于舌形曲線上,舌形曲線稱為譜色軌跡,它們的飽和度均為100%,曲線旁