華中科技電子顯示技術(shù)02視覺生理學(xué)和彩色顯示原理課件

1、人眼的生理特征光度學(xué)色度學(xué)概要電視傳像原理第一章 視覺生理學(xué)和顯示基本原理2022/9/2011.1.1眼睛的構(gòu)造及功能 人眼的外形接近于球形，是一個直徑為24mm的球狀體,又稱為眼球。眼球壁由鞏膜、脈絡(luò)膜和視網(wǎng)膜組成(見圖2-1)。 鞏膜在眼球壁最外一層，呈白色，是眼球的保護層。鞏膜前面1/6的透明部分叫角，光線從角膜射入眼內(nèi)。第一章 視覺和電視顯示基本原理2022/9/202 脈絡(luò)膜緊貼鞏膜,它含有豐富的血管虹氣和色素,起著輸送養(yǎng)料、滋養(yǎng)眼睛的作用。脈絡(luò)膜最前面的環(huán)形部分為虹膜,眼的“顏色”由虹膜中的色素決定。虹膜中央有一個小圓孔叫作瞳孔,瞳孔能控制進入人眼內(nèi)的光量,可以隨著光線的強弱而擴

2、大或縮小,起著像照相機的光圈一樣的作用。 眼球的第三層為視網(wǎng)膜,約占眼球內(nèi)表面的2/3,它含有感光細胞(桿體細胞和錐體細胞)、雙極細胞和神經(jīng)節(jié)細胞。第一章 視覺和電視顯示基本原理2022/9/203第一章 視覺和電視顯示基本原理光譜光效率函數(shù)：達到同樣亮度時，不同波長所需要能量的倒數(shù)，即V()=1/E,式中V()是光譜光效率函數(shù)值， E是單色光能量。明視覺：亮度3cd/m2，錐體細胞起主要作用，V()在0.55-0.56m。暗視覺：亮度 0.03cd/m2，桿體細胞起主要作用， V()向短波方向移動，相當(dāng)于0.50-0.51m的藍綠色部位。2022/9/2041.1.2 視敏度和細節(jié)視覺視角：

3、對象與眼睛所形成的張角。V=1/視敏度V: 指分辨物體細節(jié)和輪廓的能力，通常以找出兩條線間的最小間隔來說明。通常以分（）表示觀察距離亮度對比度 VVV第一章 視覺和電視顯示基本原理2022/9/2061.1.3 臨界閃爍頻率視覺殘留：當(dāng)光刺激人眼時，感覺并不是立即產(chǎn)生的，而且光刺激在眼睛內(nèi)所產(chǎn)生的興奮并不隨著刺激的終止而立即消失，而是要維持若干時間。在刺激停止后所留下來的感覺稱為視覺后像或稱視覺殘留。視覺殘留正后像：一種與真實刺激相符合的感覺負后像：則是一種相反的情況。受如下因素影響：1，發(fā)光物體的光強；2，刺激光的作用時間；3，不同色光的刺激。其中黃 光的后像消失得最快。第一章 視覺和電視顯

4、示基本原理2022/9/207當(dāng)周期光信號的頻率高于CFF時,其視亮度I為:L(t)為周期變化光的實際亮度,眼睛感覺到的是周期性變化光亮度的平均值。CFF和光強的關(guān)系：n:臨界頻率，I:光強，a，b是兩個參數(shù)第一章 視覺和電視顯示基本原理2022/9/209CFF受許多因素影響,現(xiàn)分別介紹如下： 1.刺激的強度，微光時低于10Hz，高亮度（1000cd/m2)可高達4560Hz漸進值。2.刺激的面積，小面積的CFF比大面積的CFF低，兩者也是對數(shù)關(guān)系。A代表面積，c，d為兩個參數(shù)第一章 視覺和電視顯示基本原理2022/9/2010 3.視網(wǎng)膜的不同部位，中凹處的CFF較高。4.不同背景光及不同

5、的刺激色光 。白光的最大CFF值大于其他色光的相應(yīng)數(shù)值；綠光的CFF值大于紅，藍光的相應(yīng)數(shù)值。白光在藍光背景上CFF最高，紅光背景上中等，綠光背景上最低。5. CFF還與年齡、疲勞、缺氧和其他感官剌激有關(guān)。第一章 視覺和電視顯示基本原理2022/9/20111.2 光度學(xué)1.2.1光通量和發(fā)光強度1.2.2照度及距離平方反比定律1.2.3亮度及朗伯定律第一章 視覺和電視顯示基本原理2022/9/20121.2.1光通量和發(fā)光強度光通量()：在光度學(xué)中,它定義為能夠被人的視覺系統(tǒng)所感受到的那部分光輻射功率的大小的度量,單位是lm(流明)。顯然，光通量將不可見光（紅外線，紫外線）排除在外，而且在數(shù)

6、量上也并不等于看得見的那部分光輻射功率值。第一章 視覺和電視顯示基本原理2022/9/2013V()就是標準的明視覺函數(shù)e,是單位波長間隔內(nèi)光的實際功率(W)Km是一個轉(zhuǎn)換常數(shù),現(xiàn)在叫最大光譜效能。規(guī)定Km =683lm/W第一章 視覺和電視顯示基本原理2022/9/2014發(fā)光強度：指在某一指定方向上發(fā)出光通量的能力。I為發(fā)光強度d為立體角元d為這個立體角元所包含的光通量I的單位是cd(坎德拉)。第一章 視覺和電視顯示基本原理2022/9/20161.2.2照度及距離平方反比定律 照度指照明程度的大小，定義為單位面積上的光通量E=d/dA （勒克斯）lx曝光量 H=Et （勒克斯秒）第一章

7、視覺和電視顯示基本原理2022/9/2017上式表明，一個發(fā)光強度為I的點光源，在距離它R處的平面上產(chǎn)生的照度，與這個光源的發(fā)光強度成正比，與距離平方成反比。 但必須注意,被照射的平面一定要垂直于光線投射方向第一章 視覺和電視顯示基本原理2022/9/20191.2.3亮度及朗伯定律 亮度：它表示單位面積上的發(fā)光強度，即： LdI/dA 單位cd/m2(坎德拉每平方米) 如果這個面的法線方向與觀察方向所成之角為,上式變?yōu)? L=dI/(dAcos) (2.15)或 L=d2 / ( ddA cos) (2.16)第一章 視覺和電視顯示基本原理2022/9/2020亮度還可用來描述光路的任一截面

8、 如果有一個面積為A的均勻發(fā)光面，它在某一方向上的亮度為L，則它在這個方向上的發(fā)光強度I應(yīng)為： I LA cos （2.17）第一章 視覺和電視顯示基本原理2022/9/2021 如果這個面光源的亮度在各個方向上都相等,則L=L=常數(shù)。這時(2.17)式可變?yōu)?I LA cos （2.18）令 I0LA 表示該面光源法線方向上的發(fā)光強度則 I I0cos （2.19） 朗伯定律 它表示一個亮度在各個方向上都相等的發(fā)光面，在某一方向上的發(fā)光強度等于這個面垂直方向上的發(fā)光強度I0乘以方向角的余弦。這樣的發(fā)光面稱為朗伯發(fā)射面，也叫均勻漫射面。第一章 視覺和電視顯示基本原理2022/9/20221.3

9、 色度學(xué)概要顏色的基本特性及顏色混合彩色光的三色原理第一章 視覺和電視顯示基本原理2022/9/20231.3.1顏色的基本特性及顏色混合 光是一種一定頻率的電磁輻射?？梢姽庾V的波長為0.38 0.78um。表2.1是可見光譜顏色的波長范圍物體的顏色是由光線在物體上被反射和吸收的情況決定的,所以又受光源條件的影響。第一章 視覺和電視顯示基本原理2022/9/2024第一章 視覺和電視顯示基本原理前面談到的是非自發(fā)光的物體色,稱為表面色。另外還有自發(fā)光體色,稱為光源色。光源色主要由光源色溫決定,色溫高,色光偏藍色;色溫低,色光偏紅色。色溫并不是指顏色的溫度,而是指一個光源的顏色與黑體加熱到某溫度

10、時所發(fā)生的光色相同,這個光源的色溫便是該溫度。例如，白色熒光燈的顏色與加熱到4500k時所發(fā)生的光色相同，稱這種燈的色溫為4500k2022/9/20261.顏色的三個基本特性（色調(diào)，明度，飽和度）色調(diào)是指在物體反射的光線中以哪種波長占優(yōu)勢來決定的,不同波長產(chǎn)生不同顏色的感覺。反映顏色的類別, R,G,B飽和度是指一個顏色的鮮明程度，是顏色色調(diào)的表現(xiàn)程度。顏色純度的人眼的主觀評價 色調(diào)和飽和度統(tǒng)稱色度明度(亮度)是指刺激物的強度作用于眼睛所發(fā)生的效應(yīng),它的大小是由物體反射系數(shù)來決定的。黑白紅橙黃綠藍紫綠黃藍綠明度明度飽和度色調(diào)顏色立體圖第一章 視覺和電視顯示基本原理2022/9/2027紅藍紫

11、綠白青黃1. 加法混色第一章 視覺和電視顯示基本原理2022/9/20292.減法混色 色光混合是一種加法色，但顏料，油漆等按不同比例混合得出的顏色與加法混色得到的顏色是不一樣的。例如：黃色顏料是從入射白光中吸收藍光而反射紅光和綠光所致。黃（白藍）紅（白藍綠）紫（白綠）藍（白綠紅）青（白紅）綠（白藍紅）黑第一章 視覺和電視顯示基本原理2022/9/2030 減法色的三原色是黃，品紅，青，彩色電視機主要是應(yīng)用加色混色法，而彩色影片的畫面是由黃，青，品紅三種影片染料按減色法原理構(gòu)成的，相加混色后顏色的明度是增加的，在減色法中則相反。第一章 視覺和電視顯示基本原理2022/9/20311.4 電視傳

12、像原理 1.4.1 圖像的特點與組成1.4.2 圖像的順序傳送1.4.3 電視掃描1.4.5全電視信號1.4.4 同步和消隱1.4.6 彩色電視的制式第一章 視覺和電視顯示基本原理2022/9/2032活動景物（光信號）電信號加工處理電傳輸逆變?yōu)閳D象電視傳像原理 電視傳送的主要信息是活動圖像，其基本過程是在發(fā)送端把活動景物的光信號轉(zhuǎn)變成與它對應(yīng)的電信號，經(jīng)過加工、處理并進行電傳輸(發(fā)射電磁波或用饋電線)，在接收端再把收到的電信號逆變成原來景物的圖像。 在接收端要使用各種顯示器件，包括本書重點涉及的各種平板顯示器件。第一章 視覺和電視顯示基本原理2022/9/20331.4.1 圖像的特點與組成

13、 為了傳輸一幅圖像，通常的辦法是將整個畫面分解成許多小的單元，我們把被分解的最小的圖像單元稱為像素。對于黑白圖像每個像素點為黑白程度不同的小點，對于彩色圖像每個像素點又由紅、綠、藍三個彩色點組成。第一章 視覺和電視顯示基本原理2022/9/2034 這樣就把空間坐標(x，y)也轉(zhuǎn)換成時間t的函數(shù)了。采用逐點掃描以后，時間的先后就反映不同的坐標，所以在傳送過程中，必須由用同步掃描來確保發(fā)送端與接收端坐標的一一對應(yīng)關(guān)系，才能使被傳送的圖像不失真。 對于活動的電視圖像，每幅畫面上的亮度與色度都是(x，y，t)的函數(shù)，其中(x，y)代表各像素的幾何位置。t表示按時間順序逐一傳送空間分布的每一像素的亮度

14、和色度。第一章 視覺和電視顯示基本原理2022/9/20351.4.2 圖像的順序傳送 圖像的順序傳送就是在發(fā)送端把被傳送圖像上各像素的亮度、色度按一定順序，逐一地轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號，并依次經(jīng)過一個通道，在接收端再按相同的順序，將各像素的電信號在電視機屏幕相應(yīng)位置上轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌炼?、色度的光點。第一章 視覺和電視顯示基本原理2022/9/2036只要每秒重復(fù)傳送在50次以上，則接收端即可看到一副活動的圖象第一章 視覺和電視顯示基本原理2022/9/20371.4.3 電視掃描 在電子束型攝像與顯示器件中，如圖2-4所示的電子筆S、S就是電子束。電子束的掃描過程在發(fā)送端同時完成了圖像分解與光-電轉(zhuǎn)

15、換過程；在接收端則同時完成了圖像合成與電-光轉(zhuǎn)換過程。電子束的掃描方式很多，但在電視圖像傳送中毫無例外地采用從左到右，從上到下的勻速直線性掃描。第一章 視覺和電視顯示基本原理2022/9/20381.逐行掃描光柵 逐行掃描是指電子束從左到右沿垂直方向從上到下以均勻速度依次地一行緊接一行掃過屏幕。掃描電子束移動軌跡的集合體便形成掃描光柵，如圖2-5所示，它由水平掃描和垂直掃描兩部分組成。第一章 視覺和電視顯示基本原理2022/9/2039 沿水平方向的掃描稱為行掃描，從左到右為正程掃描THt， 反之，則為行逆程掃描THr 。行周期TH= THt + THr 沿垂直方向的掃描為幀掃描，從上到下為幀

16、正程掃描TFt，反之，為幀逆程掃描TFr，幀周期TF= TFt+ TFr幀逆程系數(shù) TFr TF 按電視標準規(guī)定8%行逆程系數(shù)THr TH 按電視標準規(guī)定18 逐行掃描電視的圖像質(zhì)量好，掃描電路簡單，其缺點是要求通帶很寬，因此逐行掃描只用于工業(yè)電視和未來的高清晰度電視，而在廣播電視中均采用隔行掃描。第一章 視覺和電視顯示基本原理2022/9/20402.隔行掃描所謂隔行掃描是指將一幀圖像分成兩場，第一場掃奇數(shù)行，第二場掃偶數(shù)行的掃描方式。(1-1A-A-13121)第一章 視覺和電視顯示基本原理2022/9/2041 在電視技術(shù)中，每秒只傳送25幀（或30幀）圖象，但每幀圖象分奇偶兩場來傳送，

17、這樣就變成每秒傳送50場（或60場）圖象。在重現(xiàn)時，每秒出現(xiàn)的50場（或60場）圖象被人眼綜合成25幀（或30幀）完整的圖象。 隔行掃描有幀場之分，場掃描是指每垂直掃描一次，由規(guī)定的1/2掃描行組成的稱之為場，而幀是由規(guī)定的全部掃描行組成。第一章 視覺和電視顯示基本原理2022/9/2042 實現(xiàn)隔行掃描的關(guān)鍵是如何使偶數(shù)場與奇數(shù)場互相恰好地交織，如果隔行不好就會產(chǎn)生“并行”現(xiàn)象，使圖像質(zhì)量下降。確保隔行掃描成功的關(guān)鍵是一幀的行數(shù)Z是奇數(shù)，即: fH/fV=Z/2=(2n+1)/2=n+1/2 式中:n為整數(shù)。 隔行掃描的優(yōu)點是解決了通頻帶與清晰度之間的矛盾，從而使電視機的成本下降，為普及電視

18、作出了貢獻。缺點主要是產(chǎn)生“并行”，這是由于掃描電流幅度不穩(wěn)定和正程線性不好引起的。此外由于每一行的亮度是以幀頻重復(fù)的，所以當(dāng)仔細觀看比較亮的細線時就會感到有些閃光，即行間閃爍現(xiàn)象，使其成為現(xiàn)存電視體制下提高電視質(zhì)量的瓶頸第一章 視覺和電視顯示基本原理2022/9/20431.4.4 同步和消隱 在電視中，同步是指使收、發(fā)兩端掃描同頻、同相和波形相似，滿足這樣條件的掃描稱為同步掃描。當(dāng)收發(fā)端場頻不同步時，圖像會上下滾動，頻差越大，滾動越快。當(dāng)行頻不同步時，屏幕出現(xiàn)粗細不一，方向不一，疏密不一的歪斜，圖象如被撕裂。若掃描頻率相同，但起始相位不一致，便會引起圖像分裂。第一章 視覺和電視顯示基本原理

19、2022/9/2044 如果收發(fā)端掃描電流波形不同，會產(chǎn)生圖象水平或垂直方向的非線性畸變。第一章 視覺和電視顯示基本原理2022/9/20452.消隱 電子束掃描逆程在光柵上表現(xiàn)為回掃線，它不傳輸圖像信息，反而會干擾圖像質(zhì)量，須設(shè)法把行、場回掃線消隱掉。采用消隱脈沖把逆程期間的電子束截止，在發(fā)送時將行、場消隱脈沖組合在一起構(gòu)成復(fù)合消隱脈沖。消隱脈沖應(yīng)能關(guān)閉電子束，所以它的電平應(yīng)相當(dāng)于圖像信號的黑電平。 同步脈沖電平比消隱電平還要高，即比黑色還要黑色，這樣很容易從全電視信號中把同步脈沖分離出。第一章 視覺和電視顯示基本原理2022/9/20461.4.5全電視信號（圖像信號，復(fù)合同步信號，復(fù)合消

20、隱信號，色同步信號（彩電）第一章 視覺和電視顯示基本原理2022/9/2047 負極性是指信號電平越高，圖像越暗的信號，由圖可知：復(fù)合同步脈沖的幅度最大（75100）圖像信號的最大幅度為75%，利用該特點可用幅度分離電路方便地將復(fù)合同步信號從全電視信號中分離出來，再通過微分電路和積分電路將行，場脈沖分開，分別去控制行，場掃描電路。第一章 視覺和電視顯示基本原理2022/9/20481.4.6電視圖像信號1.圖像內(nèi)容與電信號的關(guān)系第一章 視覺和電視顯示基本原理2022/9/2049 圖像是電信號的時間函數(shù),是單極性的信號，其幅度與亮度成正比,其寬度與圖像內(nèi)容有關(guān),粗線條對應(yīng)寬脈沖，細微的細節(jié)對應(yīng)

21、于窄脈沖。隨著橫向黑白條數(shù)的增加，電信號頻率以場頻的倍數(shù)增加；隨著豎向黑白條數(shù)的增加，電信號頻率以行頻的倍數(shù)增加。 圖像電信號最高頻率發(fā)生在行方向相鄰像素為明暗交替時，由此可估算圖像電信號中可能達到的最高頻率。 按我國電視體制，顯示在畫面上的行數(shù)為575，畫面寬高比4/3，每秒切換25個畫面（即幀頻25Hz)第一章 視覺和電視顯示基本原理2022/9/2050所以一個畫面上的總像素數(shù)為5754/3575=4.41105每秒鐘內(nèi)掃過的像數(shù)總數(shù)為4.4110525=1.1107個,相鄰每對黑白像數(shù)為一個周期，理論上應(yīng)為占空比為1:1的方形脈沖則可知最高視頻為5.5MHz第一章 視覺和電視顯示基本原

22、理2022/9/20511.4.6 彩色電視的制式NTSC制式(National Television System Committee)PAL制式(Phase alternation by line color television)SECAM制式(Sequential color and memory)第一章 視覺和電視顯示基本原理這三種制式的主要區(qū)別是將色差信號頻譜譜線插入亮度信號頻譜空隙中所采用的方法不同。2022/9/20521. NTSC制式 NTSC制式是最早的彩色電視制式，這種制式的特點是將兩個色差信號分別對頻率相同而相位相差900的兩個負載波進行正交平衡調(diào)幅，然后與亮度信號相

23、加，一起傳送。第一章 視覺和電視顯示基本原理2022/9/2053第一章 視覺和電視顯示基本原理2.PAL制式我國也采用這個制式。PAL制式的特點是克服了NTSC制式的相位敏感性，在原來正交平衡和同步檢波等基本措施的基礎(chǔ)上，將其中一個已調(diào)幅的紅色差信號進行逐行倒相。該制式是NTSC制式的改進，其主要優(yōu)點是對傳輸過程中相位失真不敏感；主要缺點是彩色清晰度略低于NTSC制，信號處理較繁，接收機電路較復(fù)雜。該制式是世界上用得最多得一種制式。2022/9/2054第一章 視覺和電視顯示基本原理3.SECAM制式也叫順序傳送彩色與存儲制式，也是為了克服NTSC制式的色調(diào)失真而設(shè)計的。它與前兩種制式不同點是兩個色差信號不是同時傳送，而是輪流、交替的傳送。另外，兩個色差信號不是對