電視機課件第7章

第7章色度學的基礎知識7.1光和色的基本知識

7.2人眼的視覺特性

7.3三基色

本章小結思考與習題 7.1光和色的基本知識

7.1.1光的特性

光是一種攜有能量的物質，它和無線電波相似，都是一種頻率很高的電磁波，傳播速度為3×108m/s，只是光的波長更短些。人眼可以看見的光叫可見光，對整個電磁波而言，可見光所占有的頻帶是很窄的。如圖7-1所示，可見光的波長范圍是380～780nm。不同波長的光射入眼睛后可引起不同的彩色感覺，因而彩色是一種視覺生理現(xiàn)象。波長為700nm左右的光給人以紅色的感覺；波長逐漸變短，感覺分別為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫；波長為400nm左右的光給人眼的感覺是紫色。每種色帶都有一個大致的波長范圍，可見光譜對色感呈單一的對應關系，但反過來，色感對光譜的對應關系不是唯一的。光譜完全不同的光，可使人有相同的色感。如用波長為540nm的綠光和700nm的紅光按一定比例混合，同時作用于人眼，可以得到580nm的黃光色感。通常把單一波長的光叫單色光，而把含有兩種及兩種以上波長的光稱為復合光。圖7-1電磁輻射波譜白色光是各種單色光的混合效應。太陽光給人以白色感覺，當它通過玻璃棱鏡后，可以分解為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫一系列的彩色光，見圖7-2。由此可見，太陽光譜包含全部可見光譜，白色光是一個復合光，由7種單色光復合而成。圖7-2陽光的波譜7.1.2物體的顏色

一般物體可分為發(fā)光體與非發(fā)光體兩大類。發(fā)光體的顏色由它所發(fā)出的光譜所確定。非發(fā)光體所呈現(xiàn)的顏色，是指該物體在特定光源照射下，反射(或透射)的一定可見光譜成分作用于人眼而引起的視覺效果。例如，當一塊紅布受到陽光(白光)照射后，由于主要反射了其中紅色光譜成分，而吸收了其余的光譜成分，則被反射的紅光在人眼中將產生紅色視覺效果，使人感到這塊布是紅色的。彩色感覺不但與物體本身對光的反射和吸收特性有關，還與光源所含的光譜成分有關，因此同一物體在不同光源照射下呈現(xiàn)的彩色也有所不同。例如，紅布在日光燈或自然光下呈現(xiàn)紅色，而將其移到綠光燈下則呈黑色，這是由于紅布在綠光燈下吸收綠光而無反射光，所以人感覺為黑色。 7.2人眼的視覺特性

7.2.1視覺靈敏度

人眼對不同波長光的敏感程度稱為視覺靈敏度，簡稱視敏度。實踐證明，在可見光的光譜范圍內，隨著光波波長的改變，不僅給人的顏色感覺不同，而且亮度感覺也不同。

人眼的視覺靈敏度因人而異，所以只能采用統(tǒng)計靈敏度，即用許多正常視力的觀察者來做實驗，取其平均值。圖7-3所示為國際上通用的人眼相對視敏度V(λ)曲線。由圖可見，對于波長為555nm的黃綠光V(λ)=1，人眼亮度感覺最大；對于其余波長的光V(λ)＜1，人眼亮度感覺減弱；而在可見光譜范圍之外，V(λ)=0，人眼已沒有亮度感覺。圖7-3相對視敏度曲線7.2.2視覺范圍與亮度感覺

視覺范圍是指人眼在觀察自然景物時所能感覺的亮度范圍。一般來說，這一范圍非常寬，但當人眼適應了某一環(huán)境的平均亮度后，視覺范圍就有一定的限度。例如，在適當?shù)钠骄炼认?，人眼能分辨的亮度上、下限之比?000∶1。當平均亮度很低時，這一比值可能只有10∶1。通常將景物的最大亮度與最小亮度之比稱為對比度。人眼的明暗感覺是相對的，在不同的環(huán)境亮度下，對同一亮度的主觀感覺并不一樣。例如，某人從40W燈光照明的房間突然進入100W照明的同等房間時會感覺到亮，但若

從500W照明的房間進入100W照明的同等房間就會感覺到暗?？梢?，同樣是100W照明的同等房間，在適應了不同的環(huán)境亮度的情況下，就有不同的亮度感覺。因此，電視機

屏幕上重現(xiàn)出來的景物圖像沒有必要(也不可能)達到客觀景物的實際亮度，只要對比度相等，就能給人以真實的亮度感覺。7.2.3人眼的分辨力

設在一塊白色的屏幕上有兩個相距很近的黑點，當觀察者離開一定距離觀看時，便分辨不出有兩個黑點存在，只感覺到是連在一起的一個黑點。這一現(xiàn)象說明，人眼分辨景物細節(jié)的能力有一極限，我們將這種分辨細節(jié)的能力稱為人眼的分辨力，它的定義是：人對被觀察物上相鄰兩點之間能分辨的最小距離所對應的分辨角θ的倒數(shù)，即分辨力=人眼最小的分辨角θmin與能分辨的相鄰兩點的距離d、視距L、亮度B等因素有關，也與照明強度有密切關系。在中等亮度的室內，正常視力的θmin約為1′～1.5′左右。

在電視技術中就是根據(jù)這個物理量，來決定掃描行數(shù)的。設屏幕高度為H，一幅圖像的掃描行數(shù)為Z，則有取標準視距L為屏幕高度H的4～6倍，并取θ為1′時，則可算得一幅圖像應該取的掃描行數(shù)為860～570行。但考慮到一些技術和經濟因素，目前世界上采用的標準掃描行數(shù)有625行和525行,我國采用625行。

人眼對彩色細節(jié)的分辨能力比對黑白(亮度)細節(jié)的分辨力要低。例如，黑白相同的等寬條子，遠隔一定距離觀看時，剛能分辨出黑白差別，如果用紅綠相同的同等寬度條

子替換它們，此時人眼已分辨不出紅綠之間的差別，而是一片黃色。7.2.4視覺惰性

人眼的亮度感覺與實際亮度不是同步的。當一定亮度的光映入眼簾時，需要經過一短暫過程后才會形成穩(wěn)定的亮度感覺;當光突然消失時，也要經過一短暫過程后，亮度感覺方能逐漸消失。人眼的這一視覺特性稱為視覺惰性或視覺暫留。當人眼受周期性光脈沖照射時，如圖7-4所示，若光脈沖頻率不夠高，則會產生一明一暗的閃爍感覺。當光脈沖頻率增高到一定值時，人眼就覺察不到是脈沖光源，而是均勻的不閃爍光源的感覺。不引起閃爍感覺的最低重復頻率稱為臨界閃爍頻率。臨界閃爍頻率f0與很多因素有關，其中最重要的是光脈沖亮度B0m。對電視屏幕來說，當亮度約為B0m=100cd/m2(坎德拉/米2)時，f0≈45.8Hz。圖7-4人眼的視覺惰性視覺惰性很早就在電影技術中得到應用。電影片是由一幅幅靜止的畫面組合的，每幅畫面上的內容在相對位置上有些改變，只要畫面變動的速度足夠快，由于視覺惰性，人眼對前一幅畫面的感覺尚未消失時，后一幅圖像已經到來，于是就會覺得畫面中的動作是連續(xù)的。在放映電影時，每秒鐘換24幅。為了克服閃爍感，采用每幅曝光兩次的辦法，使得每秒鐘畫面共出現(xiàn)48次，達到了臨界閃爍頻率。同樣，電視技術也是利用了人眼的視覺惰性，來確定場頻的。我國廣播電視采用隔行掃描，規(guī)定場頻fV=50Hz。也正是因為人眼具有視覺惰性，在電視技術中，圖像才可以采用順序制傳送。即將一幅圖像分解為若干個像素，傳送圖像時，不必將所有制得的像素同時傳送，而只要快速地按順序逐個傳送像素就可以了。 7.3三基色

7.3.1彩色三要素

任一彩色光對人眼的視覺作用，都可用亮度、色調及色飽和度這三個參量來描述。這三個參量稱為彩色三要素。

亮度是指人眼對彩色光的作用所引起的明暗程度的感覺，它取決于光線的強弱。對于同一物體，照射的光越強，反射光也越強，則越亮，反之則越暗。對于不同的物體，在

相同照射的情況下，反射越強者越亮。此外亮度還與視敏度有關，不同的彩色光即便強度相同，分別照射到同一物體上也會產生不同的亮度。色調是指彩色光的顏色類別。例如紅、橙、黃、綠、青、藍、紫，分別表示不同的色調。色調取決于彩色光的光譜成分，不同波長的光具有不同的色調。如果改變彩色光的光譜成分，就會引起色調的變化。發(fā)光物體的色調決定于它的輻射光譜成分，而不發(fā)光的物體的色調，則由該物體的吸收特性、反射特性以及照明光源特性共同決定。色飽和度是指彩色光顏色的深淺程度。它與彩色光中含有的白光多少有關，飽和度越高則顏色越深，所含有的白光就越少；反之，飽和度越低則顏色越淺，所含的白光也就越多。飽和度用百分數(shù)表示，例如，純凈綠色光的飽和度是100%，當摻入白光后飽和度變低；當綠色光與白光強度相同時，色飽和度為50%。白光摻入越多，顏色越淺，色飽和度越低。顯然白光的色飽和度為零。通常把色調與色飽和度統(tǒng)稱為色度，它既說明色彩的種類，又說明色彩的深淺程度。在彩色電視系統(tǒng)中除要傳輸景物的亮度(可供黑白電視機接收)外，還必須傳送景物的色度。根據(jù)人眼的視覺特性，電視機屏幕上不需要重顯實際亮度，只要對比度相同即可獲得真實的亮度感覺。同樣，彩色復現(xiàn)時，也不需要恢復原彩色所含的光譜成分，而只須獲得與原色彩相同的色彩感覺。7.3.2三基色原理

用三種不同顏色的單色光按一定的比例混合，可得到自然界中絕大多數(shù)的色彩。這一原理稱為三基色原理，具有這種特性的三個單色光叫基色光，這三種顏色叫三基色。三基色原理的主要內容如下：

(1)三基色按一定比例混合，可得到自然界中絕大多數(shù)色彩；反之，自然界中絕大多數(shù)色彩，都可以分解為三基色。

(2)三基色必須是相互獨立的，即其中任一種基色都不能由其他兩種基色混合得到。

(3)混合色的色調和色飽和度由三基色的混合比例決定。

(4)混合色的亮度等于三基色亮度之和。三基色的選擇在原則上是任意的。大量的實驗表明，在紅色、綠色和藍色的光譜區(qū)中選擇三個基色，由它們按適當比例混合可得到較多的色彩。因此，在彩色電視中，選用了紅、綠、藍作為三基色，紅基色光波長為700nm，綠基色光波長為546.1nm，藍基色光波長為435.8nm。該三色光統(tǒng)稱物理三基色，常用各自的英文字首R、G、B表示。彩色電視機在利用了三基色原理后，就可以把傳送五彩繽紛、瞬息萬變的景物圖像這一任務，簡化為傳送表征三基色的三個電信號。圖7-5所示為彩色圖像發(fā)送與接收示意圖。

由圖可見，首先用分色系統(tǒng)將物體的顏色分解為三種基色，利用三只攝像管在掃描電路的作用下將三基色圖像信號轉變?yōu)槿娦盘?，通過傳送系統(tǒng)將代表三種基色分量的電信

號傳送出去。在接收端用接收到的三基色電信號分別去控制彩色顯像管的三條電子束，在掃描電路的作用下，三條電子束分別轟擊熒光屏上相應的熒光粉，使之呈現(xiàn)出三幅基色圖像。由于三色熒光粉依空間位置緊密鑲嵌在一起，利用人眼的視覺特性進行混色后，就能將被傳送的景物圖像重現(xiàn)出來。圖7-5彩色圖像的發(fā)送與接收示意圖7.3.3混色法

利用三基色按不同比例混合來獲得色彩的方法，稱為混色法。為了說明彩色電視機所采用的混色法，我們用等能量的紅、綠、藍三束單色光同時投射到白色屏幕上，屏幕上將

出現(xiàn)一幅品字形的三基色圓圖，如圖7-6所示。由圖可見：紅色+綠色=黃色，紅色+藍色=紫色，綠色+藍色=青色，紅色+綠色+藍色=白色，藍色+黃色=白色，紅色+青色=白色，綠色+紫色=白色。圖7-6相加混色若兩種顏色相加混色即可得到白色，我們把這兩種顏色稱為互補色?？梢?，紅、青互為互補色，綠、紫互為互補色，藍、黃互為互補色。

若改變它們之間的混合比例，就可得到各種顏色的彩色光。例如，當紅光與綠光混合時，隨著紅光的比例由小到大變化，將依次產生綠、黃綠、黃、橙、紅等色調的變化。同理，當紅、綠、藍三基色光以不同的比例混合時，將會得到各種較淡的顏色，即飽和度較低的色調，如淡青、淡綠、淡紫、淡紅等等。三基色的混色效應還可以用一個等邊三角形直觀表示，如圖7-7所示。圖7-7彩色三角形這個三角形稱為彩色三角形，它表示的意義如下：

(1)三角形的頂點為三個基色，每條邊是其對應兩端點基色以不同比例組成的混色線。例如，以紅色和綠色為端點的那一條邊代表了紅、綠兩基色組成的各種彩色，它的中點

是由兩者等量配成的黃色。由于三條邊上各點的彩色都是100%飽和度的基色相加的結果，因此它們的飽和度都是100%。

(2)三角形的重心是由紅、綠、藍三基色等能量組成的白色，而三角形各頂點與其對邊中點的連線必過三角形重心，即紅與青、綠與紫、藍與黃這三對互補色也能構成白色。(3)三條邊上各點與重心的連線為等色調線，它越趨于重心，飽和度越低，故所有由三基色混合而成的非飽和色均在此三角形范圍內。

彩色三角形可以幫助我們方便地推知三基色相加混合而形成的各種色彩的大致范圍和相互關系，在實際工作中將有利于彩色電視機的調試與維修。

除了上述直接混色法外，還有間接混色法，它是利用人眼的視覺特性進行混色的方法。間接混色法又可分為空間混色法、時間混色法和生理混色法?？臻g混色法是同時將三種基色光分別投射到同一表面上鄰近的三點上，只要這些點相距足夠近，則由于人眼的分辨力有一定的限度，就能產生三種基色光混合的色彩感覺。空

間混色法是同時制彩色電視的基礎。

時間混色法是將三種基色光按一定順序輪流投射到同一表面上，只要輪換速度足夠快，則由于人眼的視覺惰性，將產生與三基色光直接混合時相同的彩色感覺。時間混色法是順序制彩色電視的基礎。

生理混色法目前尚未在彩色電視機中采用，故暫不介紹。7.3.4亮度方程

將三基色混合時，除表現(xiàn)為一定的色調和色飽和度外，還呈現(xiàn)為一定的亮度。混合色的總亮度應當是三個基色亮度之和。由于彩色電視圖像的色彩是靠彩色顯像管熒光屏上的三種熒光粉在電子轟擊下分別發(fā)出紅、綠、藍三種基色光而形成的，因此在電視技術中的三基色應為顯像三基色。為方便起見，將顯像三基色直接寫作R、G、B?？紤]到人眼對各基色光的亮度感覺差異，經過理論的研究得出，混合光的總亮度(用Y表示)與三基色光的關系近似為

Y=0.30R+0.59G+0.11B

該式稱為亮度方程，式中Y代表了彩色圖像的亮度，它是黑白電視機中的圖像信號。對于彩色電視機中的標準彩條信號——白、黃、青、綠、紫、紅、藍、黑，其亮度分別如下：

當R=G=B=1時，混合色為白色，其亮度Y=0.30+0.59+0.11=1；

當R=G=1，B=0時，混合色為黃色，其亮度Y=0.30+0.59=0.89；

當G=B=1，R=0時，混合色為青色，其亮度Y=0.59+0.11=0.70；

當G=1，R=B=0時，為綠色，其亮度Y=0.59；當R=B=1，G=0時，混合色為紫色，其亮度Y=0.30+0.11=0.41；

當R=1，G=B=0時，為紅色，其亮度Y=0.30；

當B=1，R=G=0時，為藍色，其亮度Y=0.11；

當R=G=B=0時，為黑色，其亮度Y=0。

標準彩條信號在黑白電視機中將顯示八個不同亮度等級的灰度條，從白逐漸變黑，中間為不同程度的灰色?；疑鶆澐值哪芗右詤^(qū)分的亮度層次數(shù)，稱為灰度?；叶燃墑e越高，即亮度層次越多，圖像越