數(shù)字視頻通信-dvt01b視覺特性

門愛東教授

第1講電視歷史視覺特性三基色原理2主題概述

1-歷史、視覺特性和三基色原理

01)機(jī)械電視

02)攝像管

03)第一次電視廣播

04)現(xiàn)代兼容彩色電視

05)光的特性

06)光源

07)人眼生理

08)視覺現(xiàn)象

09)三基色

10)RGB計色制

11)XYZ計色制

12)顯像三基色2-模擬視頻基礎(chǔ)3-數(shù)字音視頻壓縮編碼4-

信道編碼調(diào)制5-

實際系統(tǒng)3光的特性可見光（380nm~780nm）太陽輻射功率波譜電磁輻射波譜單色光的定義：只含有單一波長成分或所占波譜寬度小于5nm的色光。復(fù)合光的定義：包含有兩種或兩種以上波長成分的光廣播電視只利用可見光譜范圍4可見光的光譜1666年牛頓發(fā)現(xiàn)太陽光通過三棱鏡后成為七色光；灰度級：描述單色光強(qiáng)度，它的范圍從黑到灰，最后到白。人感覺物體的顏色是人眼、光源、物體的吸收和反射特性共同決定的；單色光和復(fù)合光紀(jì)念夫瑯禾費誕辰兩百周年的郵票光譜儀的發(fā)明，墓志銘：他使星星變得更近5光源彩色感覺既決定于人眼對可見光譜中的不同成分有不同視覺效果的能力，又決定于光源所含的光譜成分以及景物反射（或透射）和吸收其中某些成分的特性。同一物體在不同光源照射下呈現(xiàn)的彩色也有所不同。人眼彩色感覺是主觀和客觀結(jié)合的過程，二者缺一不可。光源有兩種：不發(fā)光的物體，在光源照射下，因反射一定的光譜成分和吸收其余部分而呈現(xiàn)一定的彩色；本身發(fā)光的物體，它輻射光譜分布，引起人眼的一定彩色感覺6黑體如果一種光源的光譜分布與黑體在某一溫度下的輻射光的光譜分布相同或相近，并且二者的色度相同，那么黑體的溫度，稱為該光源的色溫。單位以絕對溫度K表示絕對黑體（也稱全輻射體）是指既不反射也不透射而完全吸收入射輻射的物體。絕對黑體在不同溫度時的輻射功率波譜>50003300~5000<3300冷、清爽中間暖、溫馨GustavRobertKirchhoff

，1824.3.12-1887.10.17,，德國物理學(xué)家，1860年提出了術(shù)語“黑體”光源色溫（K）

日出或日落2000蠟燭1000-2000

鎢絲燈2500-3200

碳棒燈4000-5500

熒光燈4500-6500

日光（平均）5400

晴天日光直射5600有云下的日光6500-7000陰天日光7000-9000萬里無云藍(lán)天100007標(biāo)準(zhǔn)光源D65光源

色溫為6500K，相當(dāng)于白天的平均光照。在400毫微米以下范圍內(nèi)，它的波譜能量比B光源與C光源要大些，所以近年來被用作彩色電視中的標(biāo)準(zhǔn)白光。它可以由彩色顯象管的三種熒光粉發(fā)出的光適當(dāng)配合而得到。E光源

是在色度學(xué)中采用的一種假想的等能白光（E白），就是當(dāng)可見光譜范圍內(nèi)的所有波長的光都具有相等輻射功率時所形成的一種白光，它與色溫為5500K的白光相近。純粹是為了簡化色度學(xué)中的計算。A光源

色溫為2854K，其波譜能量主要集中在紅外線區(qū)域，看起來不如太陽光白，帶些橙紅色，早上的陽光。B光源

色溫為4800K，接近于正午直射的陽光。C光源

色溫為6770K，其波譜能量在400～500毫微米處較大，可見C白含藍(lán)色成分較多，相當(dāng)于白天的自然光。各種色溫下黑體的輻射功率波譜標(biāo)準(zhǔn)光源的功率波譜8視覺和視覺特性視頻的研究需要了解人類視覺機(jī)理：人們能夠區(qū)分的光強(qiáng)度差別有多大？人們眼睛的空間清晰度是多少？對運動的感覺如何?人們估計和比較距離和面積的精度是多少？人類特性視覺的光譜是如何的?人們視覺中彩色起什麼作用？人類是如何獲得視覺感知，如何認(rèn)知周圍事物的？…..？人們對于自己視覺機(jī)構(gòu)的生物、生理、物理過程的了解，以及神經(jīng)、精神方面的了解還處于低級階段，認(rèn)識還很不完善和有局限性。9視覺感知：是視覺的內(nèi)在表象視覺低級感知層次：成像：視覺系統(tǒng)從外界獲取圖象，就是在眼睛視網(wǎng)膜上獲得周圍世界的光學(xué)成象；轉(zhuǎn)換：由視覺接收器(桿狀體和錐狀體在視網(wǎng)膜上作為視覺接收器)，將光圖象信息轉(zhuǎn)化為視網(wǎng)膜的神經(jīng)活動電信息；傳輸：最后通過視神經(jīng)纖維，把這些圖象信息傳送入大腦,由大腦獲得圖象感知。10眼睛的構(gòu)造眼球壁最里層為視網(wǎng)膜層，它由大量光敏細(xì)胞所組成黃斑區(qū)－視網(wǎng)膜的中心部位光敏細(xì)胞按其形狀分為桿狀細(xì)胞與錐狀細(xì)胞桿狀細(xì)胞(Rods)：光靈敏度極高，在低照度時，主要靠它來辨別明暗，但對彩色不敏感。視桿體細(xì)長而薄，數(shù)量上約1億個，它們提供暗視(ScotopicVision),即在低幾個數(shù)量級亮度時的視覺響應(yīng)。錐狀細(xì)胞(Cons)：既可辨別光的強(qiáng)弱，又可辨別彩色。結(jié)構(gòu)上短而粗，數(shù)量少,約6.5百萬個，光靈敏度較低，它們提供明視(PhotopicVision)，其響應(yīng)光亮度范圍比視桿體要高5～6個數(shù)量級。在中間亮度范圍是兩種視覺細(xì)胞同時起作用。視錐體集中分布在視網(wǎng)膜中心。白天的視覺過程主要由錐狀細(xì)胞來完成夜晚視覺則由桿狀細(xì)胞起作用，在較暗處只能看見黑白形象而無法辨別彩色。衣錦還鄉(xiāng)、錦衣夜行：《史記·項羽本紀(jì)》“富貴不歸故鄉(xiāng)，如衣繡夜行，誰知之者!”11視覺感知的低級感知層次光圖象激活桿狀或錐狀細(xì)胞時,發(fā)生光電化學(xué)反應(yīng)，同時產(chǎn)生視神經(jīng)脈沖，視覺系統(tǒng)散布視神經(jīng)中有80萬神經(jīng)纖維，視覺系統(tǒng)傳播視神經(jīng)脈沖。許許多多的桿狀和錐狀細(xì)胞相互連接到神經(jīng)纖維上。生理學(xué)已證實，視網(wǎng)膜中有3種錐狀細(xì)胞，具有不同的光譜特性，峰值吸收分別在光譜的紅、綠、蘭區(qū)域，從實測光譜吸收曲線可以看到錐狀細(xì)胞對蘭光響應(yīng)的靈敏度相對低，而且吸收曲線有相當(dāng)多的部分是相互重疊的。這是三基色原理的生理基礎(chǔ)。3種錐狀細(xì)胞的典型吸收光譜特性12人眼的橫向抑制效應(yīng)橫向抑制效應(yīng)是在對一種螃蟹的眼睛進(jìn)行研究中發(fā)現(xiàn)的。用光逐個刺激螃蟹眼睛的光敏細(xì)胞，在與該光敏細(xì)胞相連的視覺神經(jīng)上，測出所產(chǎn)生的神經(jīng)脈沖的大小。當(dāng)所有光敏細(xì)胞都沒有受到光刺激時，測試值等于零。當(dāng)某一光敏細(xì)胞受到光刺激時，與之相連的神經(jīng)輸出正值脈沖。而與之相鄰的、沒有受到光刺激的細(xì)胞，其相連的視覺神經(jīng)上測得負(fù)值脈沖，不是通常理解的輸出為零。距離受光刺激的細(xì)胞越遠(yuǎn)，測得的負(fù)值脈沖的幅度越小。這說明，受到光刺激的光敏細(xì)胞對它周圍沒有受到光刺激的細(xì)胞產(chǎn)生了抑制作用，稱為橫向抑制效應(yīng)。實驗者本人用方程組的方法，另有人用傅氏積分和卷積積分的方法，從數(shù)學(xué)上證明了人眼具有同樣的抑制效應(yīng)。橫向抑制效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)有效地解釋了許多以前所不能解釋的人眼視覺特性。13視覺感知的高級感知層次大腦對視神經(jīng)纖維傳送來的圖象信息進(jìn)行分析和理解，通過圖象獲得對周圍世界感知的信息和知識。人們對大腦的高級感知層次至今知之甚少,仍是生理學(xué)、神經(jīng)科學(xué)、生物物理學(xué)、生物化學(xué)研究的重要課題。14視覺的外在表現(xiàn)---視覺現(xiàn)象(視覺特性)圖象是周圍世界的一種映射,而周圍世界是一個能量場,它可以描述為：E(x,y,z,λ,t)其中,x,y,z為空間座標(biāo),λ為光波波長,t為時間。圖象I(x,y,λ)是客觀世界的一次攝影的結(jié)果,是能量場E的一個映射,即:對于運動圖象,x,y,z都是時間t的函數(shù),若在連續(xù)的不同時間獲取圖象,可以獲得序列圖象{I1,I2,….In}。對于按不同波段獲取圖象,可獲得彩色圖象或不同波段的圖象信號(如遙感圖象、醫(yī)學(xué)圖象等)。對于按不同視角,即不同的x,y,z間相互關(guān)系,可以得到不同視角的不同圖象，如多角度電視轉(zhuǎn)播。因此,視覺現(xiàn)象包括視覺對光強(qiáng)、對各種波長、彩色的光譜效應(yīng),對物體邊緣等空間頻率變化的響應(yīng),以及視覺對時間瞬時變化運動的響應(yīng)。15（1）相對視敏函數(shù)人眼對不同波長的光有不同的敏感度,不同波長而幅射功率相同的光不僅給人以不同的色彩感覺,而且亮度感覺也不同。在產(chǎn)生相同亮度感覺的情況下，測出各種波長光的輻射功率PY(λ）。PY(λ)的倒數(shù)可用來衡量視覺對波長為λ的光的敏感程度，即視敏度，用K(λ）表示。實測表明，對波長555毫微米的光，有最大視敏度Km=K(555)。相對視敏函數(shù)(RelativeluminousefficiencyfunctionoftheVisionSystem)：任意波長光的視敏度K(λ)與Km

之比，并用V(λ)表示：16人眼對亮度的感覺可以等效為一個帶通濾波器，其頻率響應(yīng)為V(λ)。相對視敏函數(shù)曲線表明，要使人眼產(chǎn)生相同的亮度感覺，不同波長的光必須施以不同的照明功率；反之，在受到完全相同的輻射功率的刺激時，例如在等能白光下照射下，人眼對不同波長的光的亮度感覺是不同的明暗視覺：桿狀和錐狀的相對視敏曲線有所不同，對錐狀細(xì)胞情況，在λ=555nm時綠光亮度最敏感，對桿狀細(xì)胞暗視情況,則λ=505nm時最敏感。相對視敏度曲線明暗視敏度曲線（1）相對視敏函數(shù)17（2）彩色視覺彩色的三個基本參量：亮度（亦稱明度）、色調(diào)和飽和度。亮度是光作用于人眼時所引起的明暗程度的感覺。一般來說彩色光的光功率大則感覺亮，反之則暗。色調(diào)反映了顏色的類別。通常所說紅綠藍(lán)等就是指的色調(diào)。彩色物體的色調(diào)，決定于物體在光照射下所反射或吸收的光譜成分。不同波長的反射光使物體呈現(xiàn)不同的色調(diào)。色調(diào)是決定彩色本質(zhì)的基本參量，是彩色的重要屬性之一。飽和度是指彩色光所呈現(xiàn)彩色的深淺（或濃淡）程度。對于同一色調(diào)的彩色光，其飽和度越高，說明它的顏色越深，如深紅。飽和度較低，則說明它呈現(xiàn)較淺的顏色，如淺紅等。高飽和度的彩色光可以因摻入白光而被沖淡，變成低飽和度的彩色光。色度是色調(diào)與飽和度的合稱，它既說明彩色光的顏色類別，又說明顏色的深淺程度彩色空間感知的表示18設(shè)某彩色光的功率波譜為P(λ)，則對三種光敏細(xì)胞來講，其光通量分別為:大腦根據(jù)ΦR、ΦG、ΦB

三者的比例決定了總的色度感覺，而三者合成的總光通量決定了總的亮度感覺。具有不同功率波譜P(λ)的兩種光，只要由它們計算出的ΦR、φG、φB

相同，則從人眼彩色視覺來講是完全等效的。彩色廣播和視頻通信的基礎(chǔ)格拉司曼（Grassman）定律：復(fù)合光的亮度等于各光分量的亮度之和。（2）彩色視覺19（3）視覺范圍視覺范圍是指人眼所能感覺的亮度的范圍。這一范圍非常寬，約有百分之幾尼特至幾百萬尼特。因為眼睛的感光作用有隨外界光的強(qiáng)弱而自動調(diào)節(jié)的能力，即適應(yīng)性，但人眼并不能同時感受這樣大的亮度范圍。當(dāng)人眼在適應(yīng)了某一環(huán)境的平均亮度后，視覺范圍就有了一定限度，分段感受?？傊?，人眼的明暗（黑白）感覺是相對的，正因為如此，并不反映景物實際亮度的電影和電視，卻能給人以真實的亮度感覺。20主觀亮度感覺與亮度關(guān)系曲線（3）視覺范圍21（4）亮度感覺韋伯定理(Weber’sLaw)：如果一個物體的亮度I+△I與其周圍背景I有剛剛可覺察的差別（最小可覺差）,則△I和I的比值是在一定的亮度范圍內(nèi)近似不變,為常數(shù)值0.02，這稱為韋伯比。即：

人眼亮度感覺S和客觀亮度B的對數(shù)值成正比，是單調(diào)的非線性系統(tǒng)。通過這一對數(shù)性質(zhì),人眼在受到保護(hù)的同時，達(dá)到寬達(dá)106

的視覺亮度范圍。II+I(韋伯-費希納定律)

韋伯

(ErnstHeinrichWeber

1795－1878)

德國生理學(xué)家費希納（GustavTheodora

Fetcher1801～1887）德國物理學(xué)家、心理物理學(xué)

實際上，人的一切感覺，包括視覺、聽覺、膚覺（含痛、癢、觸、溫度）、味覺、嗅覺、電擊覺等等，都遵從這個定律。dB（分貝）22（5）對比度對比度C：最大亮度Bmax

與最小亮Bmin

之比值重現(xiàn)景象的亮度無需等于實際景象的亮度，而只需保持對比度C不變。人眼不能察覺的亮度差別，在重現(xiàn)景象上也無需精確復(fù)制出來。只要重現(xiàn)景象與實際景象對主觀感覺來說，具有相同的對比度和亮度差別級數(shù)（也稱亮度層次），就能給人以真實的感覺。23(6)人眼的分辨力－黑白細(xì)節(jié)分辨力的定義：人眼對被觀察物體上能分辨的相鄰最近兩點的視角θ的倒數(shù)1／θ人眼分辨力與物體在視網(wǎng)膜上成象的位置有關(guān)。人眼分辨力和照明強(qiáng)度也有密切關(guān)系。當(dāng)照度太低時，只有桿狀細(xì)胞起作用，分辨力就大為降低，且分辨不出顏色。相反，當(dāng)照度太大時，分辨力也不會再增加，甚至由于“眩目”現(xiàn)象而降低分辨力還與景物相對對比度Cr

有關(guān)。被觀察物體的運動速度也會影響分辨力。運動速度快，分辨力下降。24(6)人眼的分辨力－彩色細(xì)節(jié)人眼對彩色細(xì)節(jié)的分辮力遠(yuǎn)低于對亮度細(xì)節(jié)的分辨力。人眼對不同色調(diào)細(xì)節(jié)的分辨力也不相同人眼分辨景物彩色細(xì)節(jié)的能力很差。因此，彩色電視系統(tǒng)在傳送彩色圖象時，細(xì)節(jié)部分可以只送黑白圖象，而不送彩色信息，這就是利用大面積著色原理節(jié)省傳輸頻帶的依據(jù)。25(6)人眼的分辨力－色調(diào)和飽和度不同的波長，色調(diào)分辨力不同當(dāng)飽和度減少時，人眼的色調(diào)分辨力將下降當(dāng)亮度太大或太小時，色調(diào)分辨力也會下降色調(diào)分辨閾與波長的關(guān)系人眼能分辨出各種彩色的不同飽和度。但對不同顏色的飽和度變化，有不完全一樣的靈敏度在黃色區(qū)，人眼只能分辨出四級飽和度，而在紅色、藍(lán)色區(qū)域，靈敏度較高，可以分辨出25個等級。飽和度分辨力與波長的關(guān)系26（7）馬赫帶(MachBands)圖2.7階梯邊緣的馬赫效應(yīng)馬赫帶（MachEffect）1865年厄恩斯特.馬赫（ErnstMach，1838～1916）奧地利物理學(xué)家、哲學(xué)家），馬赫速度(馬赫數(shù))和馬赫帶以他的名字命名。視覺系統(tǒng)在不同亮度區(qū)域邊緣周圍的“欠調(diào)”和“過調(diào)”現(xiàn)象。雖然條帶的亮度恒定，但是實際感覺條帶邊緣亮度有變化。奧地利維也納市政廳公園的雕像27（8）視在對比度圖2.8視在對比度示例感覺的亮度區(qū)域不是簡單取決于亮度相同亮度的方塊在不同背景下，感覺亮度不同；位于中心位置的方塊亮度相同，當(dāng)背景變亮?xí)r，方塊的亮度變暗。一張白紙放在桌子上看上去很白，但用白紙遮蔽眼睛直視明亮的天空時，紙看起來總是黑的。MichelEugèneChevreul(1786–1889)，法國化學(xué)家28(9)視覺惰性不同亮度下亮度感覺與作用時間的關(guān)系。短暫的光刺激比較長時向的光刺激更加醒目（指重復(fù)頻率較低時）。海上航標(biāo)和警燈采用斷續(xù)燈光就是利用人眼的這種特性視覺惰性：人眼的主觀亮度感覺與光的作用時間有關(guān)，并且光象一旦在視網(wǎng)膜上形成，在它消失后，視覺將會對這個光象的感覺維持一個有限的時間。不同亮度下亮度感覺與時間的關(guān)系視覺惰性中國走馬燈(最晚宋代)盧克萊修(TitusLucretiusCarus,前99-前55,羅馬哲學(xué)家、詩人)29（10）閃爍頻率臨界