光與視覺(jué)的基礎(chǔ)知識(shí)課件

光與視覺(jué)的基礎(chǔ)知識(shí)光與視覺(jué)的基礎(chǔ)知識(shí)人眼的視覺(jué)特性光是一種電磁波，廣義上它的波長(zhǎng)從幾個(gè)納米至一毫米左右，而人眼所能看見(jiàn)的只是一小部分，通常波長(zhǎng)范圍為380nm至780nm，我們把這部分光稱為可見(jiàn)光。人眼的視覺(jué)特性光是一種電磁波，廣義上它的波長(zhǎng)從幾個(gè)納米至一可見(jiàn)光的波長(zhǎng)不同，引起人眼的顏色感覺(jué)就不同。單色光波長(zhǎng)由長(zhǎng)至短，對(duì)應(yīng)的顏色感覺(jué)由紅到紫。一般認(rèn)為:紅色780nm～620nm橙色620nm～590nm黃色590nm～560nm黃綠色560nm～530nm綠色530nm～500nm青色550nm～470nm藍(lán)色470nm～430nm紫色430nm～380nm上述的范圍只是根據(jù)人們的習(xí)慣大致劃分。實(shí)際上隨著波長(zhǎng)的變化，顏色是連續(xù)漸變的，沒(méi)有嚴(yán)格的界限?？梢?jiàn)光的波長(zhǎng)不同，引起人眼的顏色感覺(jué)就不同。單色光波長(zhǎng)由長(zhǎng)物體分為發(fā)光體和不發(fā)光體。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)黃和日光燈發(fā)白。不發(fā)光體的顏色與照射光的光譜和不發(fā)光體對(duì)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。由此可見(jiàn)，光是一種客觀存在的物質(zhì)，而色是人眼對(duì)這種物質(zhì)的視覺(jué)反應(yīng)。物體分為發(fā)光體和不發(fā)光體。白熾燈鹵粉熒光燈低壓汞燈三基色熒光燈三基色綠粉藍(lán)色LED白熾燈鹵粉熒光燈低壓汞燈三基色熒光燈三基色綠粉藍(lán)色LED光通量:光通量是光源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的光量，也即為輻射通量（或輻射功率）能夠被人眼視覺(jué)系統(tǒng)所感受的那部分有效當(dāng)量?？梢杂脕?lái)判斷可見(jiàn)光譜范圍內(nèi)光譜效率所能引起的主觀感覺(jué)的強(qiáng)弱。單位：lm符號(hào)表示：Φ基本量值光通量:光通量是光源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的光量，也即為輻射通量（立體角（Ω）用于表示空間范圍的一個(gè)量，它是一個(gè)任意錐面所包圍的空間。立體角的大小是這樣度量的，以錐面的頂點(diǎn)為球心，任意長(zhǎng)度為半徑作一球面，錐面將球面分成S1和S2兩部分，它們分別對(duì)球心所張的立體角為D1和D2，其大小可以表示為：立體角及其度量方法立體角的單位叫球面度（sr），它是半徑為1米的球面上，1平方米的球面對(duì)球心所張的立體角。因此，整個(gè)球面對(duì)球心所張的立體角為：立體角（Ω）發(fā)光強(qiáng)度：光源在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度是該光源在該方向的立體角元dΩ內(nèi)傳輸?shù)墓馔縟Φ除以該立體角元之商，即Ι=dΦ/dΩ單位：1cd＝1lm/1sr實(shí)際光源或燈具各方向的發(fā)光強(qiáng)度不同。為了描述其發(fā)光的空間分布特性，需要用發(fā)光強(qiáng)度分布曲線（又叫配光曲線）來(lái)表示。它是照明計(jì)算和設(shè)計(jì)的一種重要依據(jù)發(fā)光強(qiáng)度：光源在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度是該光源在該方向的立體角照度（illuminance） 表面上一點(diǎn)的照度是入射在包含該點(diǎn)面元上的光通量dφ除以該面元面積dS之商。即： 單位為勒克斯（lx），1lx=1lm/m2若光源照到某一表面的總光通量為φ，該表面面積為S，則該表面上的平均照度為E=φ/S。對(duì)于點(diǎn)光源，若在某一方向上的發(fā)光強(qiáng)度為I，那么在該方向上離開(kāi)光源的距離為r處的照度E=I/r2。照度與離光源的距離平方成反比。當(dāng)不是點(diǎn)光源的時(shí)候，此定律在距離大于光源尺寸10倍以上的時(shí)候成立。照度（illuminance）光出射度Mv(Luminousexitance)?1.定義：面光源單位元表面所發(fā)射的光通量2.公式：Mv=dΦv/dＡ發(fā)光均勻：Mv=Φv/Ａ3.單位：lm/m2（流明/平方米）光出射度Mv(Luminousexitance)?光出射度與光照度的區(qū)別：光出射度與光照度的表達(dá)式和單位完全相同．區(qū)別在于:Me描寫面輻射源向外發(fā)射的輻射特性(a)?E描寫輻射接受面所接受的輻射特性(b)?光出射度與光照度的區(qū)別：光亮度L(luminance)定義:面光源在給定方向上，單位正投影面積的發(fā)光強(qiáng)度公式:光通量分布均勻：?jiǎn)挝?Sb(熙提)或nt(尼特)或cd/m2(坎德拉/平方米)光亮度L(luminance)朗伯定律或理想漫射面的余弦定則:朗伯定律在θ方向上：在法線方向上：如果發(fā)光面或漫射面的亮度不隨方向改變，則故

遵從朗伯定律的光源稱為朗伯光源．只有絕對(duì)黑體才是朗伯光源朗伯定律或理想漫射面的余弦定則:色溫與標(biāo)準(zhǔn)光源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(yáng)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(guó)際照明委員會(huì)）的規(guī)定，使用的標(biāo)準(zhǔn)光源主要有A、B、C、D65、E五種，并以“色溫”來(lái)表征。

1.色溫光源的色溫是用來(lái)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(duì)黑體發(fā)出的光相比較，并用絕對(duì)黑體的絕對(duì)溫度來(lái)表征。色溫與標(biāo)準(zhǔn)光源照明光源的作用非常重要，其光譜功率分布情況會(huì)直絕對(duì)黑體是指既不反射也不透射光線，而能完全吸收入射光的物體。當(dāng)絕對(duì)黑體被加熱時(shí)，能以電磁波形式向外輻射能量，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(zhǎng)波長(zhǎng)區(qū)，溫度升高時(shí)光譜能量逐漸偏重到短波長(zhǎng)區(qū)。光源的色溫:當(dāng)光源的可見(jiàn)光譜與某溫度的絕對(duì)黑體的輻射的可見(jiàn)光譜相同或接近時(shí),就將此時(shí)絕對(duì)黑體的絕對(duì)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(duì)黑體在溫度為2856K時(shí)的光譜相同，則該燈泡所發(fā)出的光的色溫就是2856K。要注意的是，色溫用來(lái)表示光源的光譜特性，并非光源的實(shí)際溫度。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。

絕對(duì)黑體是指既不反射也不透射光線，而能完全吸收入射光的物體。標(biāo)準(zhǔn)白光源使用的標(biāo)準(zhǔn)光源主要有A、B、C、D65、E五種，其光譜功率分布曲線如圖幾種標(biāo)準(zhǔn)光源的光譜分布所示。

A光源:色溫為2856K，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(yáng)光。

C光源:色溫為6774K，相當(dāng)于白天的自然光

D65光源:色溫為6504K，相當(dāng)于白天平均照明光

E光源:色溫為5500K，是一種理想的等能量的白光（E白），實(shí)際并不存在，它的采用可簡(jiǎn)化色度學(xué)的計(jì)算。標(biāo)準(zhǔn)白光源使用的標(biāo)準(zhǔn)光源主要有A、B、C、D65、E五種，其幾種標(biāo)準(zhǔn)光源的光譜分布幾種標(biāo)準(zhǔn)光源的光譜分布光譜光視效率視神經(jīng)細(xì)胞分為桿狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞。桿狀細(xì)胞主要決定人眼對(duì)弱暗光的視覺(jué)反應(yīng)，錐狀細(xì)胞產(chǎn)要決定人眼對(duì)明亮光的視覺(jué)反應(yīng)。視神經(jīng)細(xì)胞對(duì)不同波長(zhǎng)的感光靈敏度不一樣，對(duì)綠光的靈敏度最高，而對(duì)藍(lán)光和紅光的靈敏度則低得多。圖為CIE推薦的人眼的相對(duì)光譜光視效率函數(shù)曲線，分別稱為“明視覺(jué)光譜光視效率V(λ)”和“暗視覺(jué)光譜光視效率V’(λ)”。光譜光視效率視神經(jīng)細(xì)胞分為桿狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞。桿狀細(xì)胞主要決人眼對(duì)顏色的感覺(jué)主要由錐體細(xì)胞起作用，而且錐體細(xì)胞只有當(dāng)亮度大于幾個(gè)cd/M2以上時(shí)才起作用。根據(jù)三色學(xué)說(shuō)及多年來(lái)的大量實(shí)驗(yàn)證明，人眼視網(wǎng)膜上含有三種不同類型的錐體細(xì)胞，分別含有三種不同的視色素，這三種不同光譜敏感性的視色素的光譜吸收峰值分別約在440-450nm；530-540nm；560-570nm處，分別稱為親藍(lán)、親綠、親紅視色素。外界光輻射進(jìn)入人眼時(shí)被三種錐體細(xì)胞按它們各自的吸收特性吸收，細(xì)胞色素吸收光子后引起光化學(xué)反應(yīng)，視色素被分解漂白，同時(shí)觸發(fā)生物能，引起神經(jīng)活動(dòng)，將視覺(jué)信息通過(guò)雙極細(xì)胞和神經(jīng)節(jié)細(xì)胞傳至神經(jīng)中樞，引起顏色刺激。人眼對(duì)顏色的感覺(jué)主要由錐體細(xì)胞起作用，而且錐體細(xì)胞只有當(dāng)亮光通量(Luminousflux)?光通量是光源在單位時(shí)間內(nèi)發(fā)出的光量，也即為輻射通量（或輻射功率）能夠被人眼視覺(jué)系統(tǒng)所感受的那部分有效當(dāng)量。單位是流明(lumen)，簡(jiǎn)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683lm，或稱1光瓦。在其它波長(zhǎng)時(shí)，由于相對(duì)視敏函數(shù)下降，相同輻射功率產(chǎn)生的光通量隨之下降。光通量(Luminousflux)?彩色三要素彩色三要素指的是彩色光的亮度、色調(diào)、飽和度這三個(gè)量。亮度：指彩色光作用于人眼而引起的視覺(jué)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(zhǎng)有關(guān)，能量相同而波長(zhǎng)不同的光對(duì)視覺(jué)引起的亮度感覺(jué)也不相同，這就是已經(jīng)介紹過(guò)的視敏特性。彩色三要素彩色三要素指的是彩色光的亮度、色調(diào)、飽和度這三個(gè)量色調(diào)：指彩色的顏色類別。我們通常所說(shuō)的紅、綠、藍(lán)等指的就是色調(diào)。前面講到不同波長(zhǎng)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(duì)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(méi)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(méi)有任何色調(diào)。色調(diào)和飽和度合稱為色度，它既說(shuō)明了彩色光的顏色類別，又說(shuō)明了顏色的深淺程度色調(diào)：指彩色的顏色類別。我們通常所說(shuō)的紅、綠、藍(lán)等指的就是色三基色原理人們通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用三種不同顏色的單色光按一定比例混合，可得到自然界中絕大多數(shù)的彩色。具有這種特性的三個(gè)單色光叫三基色光，而這一發(fā)現(xiàn)也被總結(jié)成三基色定理，其主要內(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。

三基色原理人們通過(guò)大量實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，用三種不同顏色的單色光按一定色度系統(tǒng)彩色同其它物理量一樣，可以進(jìn)行計(jì)算和度量。三基色原理是彩色計(jì)量的基礎(chǔ)。彩色的計(jì)量是通過(guò)確定三基色光對(duì)人眼的刺激程度來(lái)進(jìn)行的，因此，需要規(guī)定三基色光的精確波長(zhǎng)值和三基色光對(duì)人眼刺激程度的單位量。這里介紹幾種常用的色度系統(tǒng)色度系統(tǒng)彩色同其它物理量一樣，可以進(jìn)行計(jì)算和度量。三基色原理RGB色度系統(tǒng)對(duì)于任意給定的彩色光F，其配色方程可寫成F＝R[R]+G[G]+B[B]如果用相互垂直的三個(gè)坐標(biāo)軸分別表示三個(gè)相互獨(dú)立的基色R、G、B，那么任意一個(gè)彩色就能用此三維空間中的一個(gè)彩色矢量來(lái)表征。RGB色度系統(tǒng)對(duì)于任意給定的彩色光F，其配色方程可寫成利用配色試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，常因人而異。因此，CIE推薦了一種國(guó)際通用的標(biāo)準(zhǔn)分布色系數(shù)數(shù)據(jù)，它是由很多正常視覺(jué)觀測(cè)者的觀測(cè)結(jié)果取平均所組成。所謂分布色系數(shù)是指輻射功率為1瓦（注意，不是1光瓦）波長(zhǎng)為l的單色光所需要的三基色的單位數(shù)，分布色系數(shù)：配出輻射功率為1瓦、波長(zhǎng)為λ的單色光所需要的三個(gè)某色光的單位數(shù)。用r(λ)、g(λ)、b(λ)表示。利用配色試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)，常因人而異。因此，CIE推薦了一種國(guó)際色度坐標(biāo)或相對(duì)三色系數(shù)r、g、b：m=R+G+B——稱為色模r=R/mg=G/mb=B/mr+g+b=1所以混合色的色度唯一地由r、g、b中的兩個(gè)就可以明確地表示。因此各種彩色的色度可以采用二維表示法。CIE1931RGB色度圖色度坐標(biāo)或相對(duì)三色系數(shù)r、g、b：CIE1931RGB色譜色軌跡：根據(jù)各譜色光的色度坐標(biāo)值可繪出可見(jiàn)光譜在r一g平面上的坐標(biāo)位置。由它們連接而成的一條舌形曲線，稱為譜色軌跡自然界中的彩色（也稱實(shí)色）都能用整個(gè)閉合曲線及其內(nèi)部的相應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)表示。坐標(biāo)位置越靠近譜色軌跡，所對(duì)應(yīng)的彩色越純，即飽和度越高；而越靠近E點(diǎn)，所對(duì)應(yīng)的彩色的飽和度越低。RGB計(jì)色制的缺點(diǎn)在色度圖上不能直接表示出亮度，計(jì)算某色光的亮度非常復(fù)雜和不方便?；焐€r(λ)、g(λ)、b(λ)中有負(fù)值存在，計(jì)算和實(shí)際測(cè)量容易出差。譜色軌跡不全在坐標(biāo)的第一象限內(nèi)，作圖也感不便。譜色軌跡：根據(jù)各譜色光的色度坐標(biāo)值可繪出可見(jiàn)光譜在r一g平XYZ色度系統(tǒng)XYZ制的基本思想：選三個(gè)基色單位[X]、[Y]、[Z]，它所組成的三角形將單色光頻譜全面包圍在內(nèi)，而且使三個(gè)色坐標(biāo)中的一個(gè)恰好等于色光的亮度。在XYZ制中，配色方程為F=X[X]+Y[Y]+Z[Z]三基色單位[X]、[Y]、[Z]滿足的三個(gè)條件：①用它們配出實(shí)際彩色時(shí)，三個(gè)色系數(shù)X、Y、Z均為正值。②為了便于計(jì)算，使合成彩色光的亮度僅由Y[Y]確定，并規(guī)定1[Y]的光通量為1光瓦。③當(dāng)X=Y=Z時(shí)，仍代表等能白光E白。XYZ色度系統(tǒng)XYZ制的基本思想：選三個(gè)基色單位[X]、CIE1931XYZ色度圖CIE1931XYZ色度圖由W點(diǎn)（等能白光）引向譜色軌跡的直線均為等色調(diào)波長(zhǎng)線，其與譜色軌跡的交點(diǎn)所對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)，即為該直線上各點(diǎn)彩色的色調(diào)波長(zhǎng)。等飽和度線——由色調(diào)波長(zhǎng)不同而飽和度相同的各點(diǎn)聯(lián)成的曲線。在等色調(diào)波長(zhǎng)線WG上，越靠近W點(diǎn)，飽和度越低，到W點(diǎn)則成為純白光；越靠近譜色軌跡，則飽和度越高（越純），到譜色軌跡上成為相應(yīng)波長(zhǎng)的單色光Fλ。某彩色光F的飽和度：補(bǔ)色波長(zhǎng)如WK的補(bǔ)色波長(zhǎng)為WM的540nm由W點(diǎn)（等能白光）引向譜色軌跡的直線均為等色調(diào)波長(zhǎng)線，其與由人眼分辨顏色變化的能力是有限的，故對(duì)色度差很小的兩種顏色，人眼分辨不出它們的差異。只有當(dāng)色度差增大到一定數(shù)值時(shí)，人眼才能覺(jué)察出它們的差異，人眼剛剛能覺(jué)察出顏色差別所對(duì)應(yīng)的色度差稱為剛辨差JND（JustNoticeableDifference）。通過(guò)實(shí)驗(yàn)表明：在CIE色度圖上，不同位置或者同一位置的不同方向，人眼的剛辨差是不相同的。1942年麥克亞當(dāng)（Macadam）對(duì)25種色光進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，在每個(gè)色光點(diǎn)大約沿5到9個(gè)對(duì)