彩色電視基礎

彩色電視基礎第一頁，共二十七頁，2022年，8月28日第一章彩色電視基礎

彩色電視傳送景物的過程，就是把一幅光學圖象轉換成電信號進行傳輸，然后再把電信號恢復成正確的光學圖象；因此在學習彩色電視技術之前，有必要了解一些有關光和色度學的知識。1.1光的性質1.1.1可見光與可見光譜.光是一種攜帶電磁輻射能量的電磁波中的一小部分，眼睛所能看到的那一部分叫做可見光，其波長范圍是380780nm，光在均勻媒質中沿直線傳播，光速為3108m/s1nm=10-9m=10?1?=10-10m第二頁，共二十七頁，2022年，8月28日1.光的顏色.不同波長的光波具有不同的顏色，波長由長到短，在視覺中所引起的彩色感依次為紅、橙、黃、綠、青、藍、紫。太陽光經棱鏡折射后會呈現出紅、橙、黃、綠、青、藍、紫七種顏色，因此太陽光譜就是可見光譜。具有單一波長的彩色光稱為單色光；日光中所含的一系列單色稱為譜色；包含有兩種或兩種以上波長成分的光稱為復合光。太陽光就是一種復合光。2.物體的顏色.物體的顏色決定于光源本身的特性和和物體表面對光吸收、反射或透射的特性。一般來講，某一景物的彩色是該景物在特定光源照射下所反射（或透射）的一定可見光譜成分，作用于眼睛而引起的視覺效果。例如，蘭色布在太陽光下，因只反射藍色光譜成分而吸收了其余的光譜成分，被反射的藍光波射入人眼并引起藍色視覺效果；在用綠色光源照明的暗室里觀看藍色的布，這時藍色的布將呈現為黑顏色。色源有兩種，一是不發(fā)光的物體，二是光源。第三頁，共二十七頁，2022年，8月28日1.1.2光源

在色度學中，常以白光作為一種標準。能自然發(fā)光的物體稱為光源。太陽是最大的自然光源，為便于描述不同光源的可見光譜的輻射情況，引入了絕對黑體和色溫的概念。1.色溫

絕對黑體：能全部吸收入射光的物體。絕對黑體是一個理想的物理概念，絕對黑體的特性是當其被加熱時，將以電磁波的形式向外輻射能量，其輻射波譜僅由溫度決定，其溫度越高，光譜中藍色分量就越多，紅色分量就越少，所以當溫度增高時，不僅亮度增大，其發(fā)光顏色也隨之變化。

色溫：當絕對黑體在某一特定絕對溫度下，其輻射光譜與某一光源的光譜具有相同的特性，則絕對黑體的這一特定溫度就定義為該光源的色溫。第四頁，共二十七頁，2022年，8月28日

由上可知，色溫并非光源本身的實際溫度，而是用來表征光源特性的一個參數。

5008001000（nm）6000K5000K4000K第五頁，共二十七頁，2022年，8月28日2.標準光源有五種標準光源（標準白光）A、B、C、D65、EA光源：色溫為2854K，光譜能量主要集中在紅外線區(qū)域，與白只燈在2800K時輻射的光等效。B光源：色溫為4800K，相當于中午直射的太陽光。C光源：色溫為6700K，相當于白天的自然光。D65光源：色溫為6500K，相當于白天的平均照明。E光源：色溫為5500K，是一種假想的等能白光第六頁，共二十七頁，2022年，8月28日1.2人眼的視覺特性 1.2.1光的度量1.相對視敏函數曲線視覺效應是由可見光刺激人眼引起的。如果光的輻射功率相同而波長不同，則引起的視覺效果也不同；隨著波長的改變，不僅顏色感覺不同，而且亮度感覺也不同，例如要獲得相同的亮度感，則所需的紅光輻射功率要比綠光大。第七頁，共二十七頁，2022年，8月28日假設在產生相同亮度感的情況下，測出各種波長光的輻射功率Pv()；顯然，Pv()越大，說明該波長的光越不易被人眼所感覺；而Pv()越小，則人眼對它的敏感程度越高。因此Pv()的倒數可用來衡量眼睛對波長為的光波的敏感程度，稱為視敏度，用K()表示(光譜光視效能)：

K()=1/Pv()實驗表明，當=555(nm)時，有最大視敏度Km=K(555)，于是任意波長光的視敏度K()與Km之比稱為相對視敏函數V()。(光譜光視效率)：

顯然V()<1。第八頁，共二十七頁，2022年，8月28日明視覺第九頁，共二十七頁，2022年，8月28日2.光度學中的幾個基本概念

（1）.光通量光源輻射功率Pv(1)與相對視敏函數V(1)的乘積，稱為光通量F(1)。

F(1)=Pv(1)*V(1)光瓦如果光源的輻射功率波譜為Pv()，則總的光通量應為各波長成分的光通量之總和，即

F=K380780

Pv()*

V(1)d

(2).發(fā)光強度光源在單位立體角內發(fā)出的光通量，稱為發(fā)光強度，用I表示

I=dF/d

燭光（1燭光=1cd）1燭光=1流明/1立體弧度點光源向四周的輻射是均勻的，因而在各個方向上的光強均相等，因球心對球面的立體角為4π立體弧度，故：

I=F/4π

F=4πI一般情況下，光源在不同方向上的發(fā)光強度是不同的，故：

F=

I()d第十頁，共二十七頁，2022年，8月28日(3).(光)亮度發(fā)光面在指定方向上的發(fā)光強度與發(fā)光面在垂直于所取方向的平面上的投影之比，稱為亮度

B=dI/[ds×cos]發(fā)光面可以是直接輻射的面光源，也可以是被光照射的反射面或透射面。亮度的單位是cd/m2(4).(光)照度光通量與被照射表面面積之比稱為照度

E=dF/ds照度的單位是列克司，符號為lx

1lx=1lm/m2第十一頁，共二十七頁，2022年，8月28日1.2.2亮度和彩色視覺1.明暗視覺

在白天正常光照下人眼對不同波長光的敏感程度，稱為明視覺響應，它主要由錐壯細胞起作用，既產生明暗感又產生彩色感。當光線暗到一定程度時，只有桿狀細胞起作用，分辨不出顏色，只能反映出明暗程度。2.彩色視覺彩色視覺是人眼的一種明視覺功能。（1）.彩色三要素亮度、色調和色飽和度稱為彩色光的三要素。亮度為光作用于眼睛引起的明亮程度的感覺。光源功率大、物體反射強則亮度大。色調反映顏色的種類。飽和度指顏色的深淺程度。第十二頁，共二十七頁，2022年，8月28日（2）.彩色視覺特性人眼的錐狀細胞由紅、綠、藍三種感光細胞組成，不同顏色的光對三種細胞的刺激量是不同的，它們的合成效果產生彩色視覺，從而使人眼分辨出五光十色的世界；另一方面，不同的光譜成分，只要三種細胞所引起的響應相同，則會形成相同的彩色感。第十三頁，共二十七頁，2022年，8月28日3.視覺范圍

定義：視覺范圍指眼睛所能感覺的亮度變化范圍。人眼的視覺范圍很寬，約為10-2106cd/m2,因為眼睛的感光作用會隨外界光的強弱而自動調節(jié)，這稱為眼睛的適應性；另一方面當環(huán)境亮度一定時，眼睛的視覺范圍又很小，例如白天的視覺范圍是20020000cd/m2,而在傍晚的視覺范圍是1200cd/m2，故我們說眼睛的明暗感覺是相對的。在適當的平均亮度下，能分辨的最大亮度與最小亮度比為1000:1;當平均亮度很低時，該比值只有10:1。顯示圖像能達到30以上就可以。第十四頁，共二十七頁，2022年，8月28日1.2.3.眼睛分辨力黑白細節(jié)分辨力分辨力或視覺銳度：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。

θ=d/D×57.3×60=3438×d/D影響分辨力的因素：（1）.與照明強度有關（2）.與景物相對對比度Cr有關Cr=(L-L0)/L0100（3）.與物體的運動速度有關正常視力的人，觀察靜止圖象時，θ約為1'1.5'第十五頁，共二十七頁，2022年，8月28日2.彩色細節(jié)分辨力實驗表明，人眼分辨景物彩色細節(jié)的能力很差。因此，彩色電視系統(tǒng)在傳送彩色圖象時，細節(jié)部分可以只傳送黑白圖象，這就是利用大面積著色原理節(jié)省傳輸頻帶的依據。實驗還表明，人眼分辨彩色色調變化的能力也較差，且隨波長改變，在500nm區(qū)域分辨能力較強，而在紅色末端區(qū)域分辨力較差。細節(jié)色別黑白黑綠黑紅黑藍綠紅紅藍綠藍分辨力100%94%90%26%40%23%19%第十六頁，共二十七頁，2022年，8月28日1.2.4.視覺惰性與閃爍感覺當一定強度的光突然作用于眼睛時，不能在瞬間形成穩(wěn)定的視亮度，而有一個短暫的過渡過程；另外當光消失后，視亮度也并不瞬時消失。人眼的主觀亮度感覺滯后于實際光脈沖的存在的特性，稱為視覺惰性。第十七頁，共二十七頁，2022年，8月28日當光脈沖頻率較低時，會引起一明一暗的閃爍感覺，當光頻率足夠高時，則會形成均勻的不閃亮度感。不引起閃爍感覺的光脈沖最低重復頻率，稱為臨界閃爍頻率。對電視屏幕來講，臨界閃爍頻率約為48Hz。臨界閃爍頻率(fc)主要與光脈沖亮度Lm有關：

fc=a*lgLm+ba、b均為常數，對電視屏幕有a≈9.6、b≈26.6，故當Lm=100cd/m2時，fc

≈45.8Hz。當光頻率大于臨界閃爍頻率時，眼睛無閃爍感，此時視亮度等于光脈沖亮度的平均值：第十八頁，共二十七頁，2022年，8月28日1.3.三基色原理與配色方程1.3.1.三基色原理彩色視覺特性告訴我們，相同的彩色感可以來自不同的光譜成分，因此我們可以適當選擇三種基色來合成彩色圖象。1.三基色原理：選擇三種獨立的基色，例如紅、綠、藍，將它們按不同的比例混合，就可以得到不同的彩色；反之，任何彩色，也能分解為三種基色，它包含以下含義：（1）.三基色是獨立的。（2）.合成彩色光的亮度由三基色的大小決定。（3）.合成彩色光的色調由三基色的比例決定。第十九頁，共二十七頁，2022年，8月28日2.混色方法有兩種：相加混色和相減混色，彩色電視采用相加混色。相加混色的實現有三種：（1）.時間混色（2）.空間混色（3）.生理混色3.麥克斯韋基色三角形它是一個等邊三角形,三個頂點分別代表單位紅基色[R],單位綠基色[G]和單位藍基色[B],而且從頂點到對應邊的垂線的長度被規(guī)定為1,若令三角內任意一點P到紅,綠,藍三頂點所對應的三邊的距離分別為r、g、b，r+g+b=l.穿過W點的任意條一直線聯(lián)結三角形上的兩個點該兩點所代表的彩色相加均得到白色,通常把相加后形成白色的兩種彩色稱為互補色.例如圖中表示的紅與青,綠與品,藍與黃皆為互補色.第二十頁，共二十七頁，2022年，8月28日第二十一頁，共二十七頁，2022年，8月28日1.3.2.R、G、B計色制1.配色實驗選用紅（R）綠（G）藍（B）作為三基色進行。實驗表明，配出等能白光的三基色單位[R]、[G]、[B]的光通量之比為1：4.5907：0.0601。用F代表某一具有特定亮度和色度的彩色光，符號│F│表示其光通量，于是有：

FE白=1[R]+1[G]+1[B]2.配色方程與色系數配色方程為：

F=R[R]+G[G]+B[B]│F│=R+4.5709G+0.0601B式中R、G、B的比例決定彩色光的色度，大小決定彩色光的光通量，R、G、B稱為三色系數(三刺激值)。RGB計色制采用物理三基色，物理意義清楚，但使用不方便，某些譜色的配色系數出現負值，容易出錯。為了克服這一缺點，國際照明委員會規(guī)定了另一種坐標系，即XYZ計色制或CIE制。第二十二頁，共二十七頁，2022年，8月28日1.3.3.XYZ計色制新坐標系選擇了一組新的計算三基色單位[X]、[Y]、[Z]。它們并不代表實際的彩色，而是為了克服RGB制存在的缺點，新坐標系里配色方程為：

F=X[X]+Y[Y]+Z[Z]式中XYZ為三色系數。計算三基色單位[X]、[Y]、[Z]須滿足下列三個條件：（1）.三色系數XYZ均為正值。（2）.合成彩色光的亮度僅由Y[Y]一項決定，而色度仍然由XYZ的比值決定。（3）.當X=Y=Z時，仍代表等能白光E白。第二十三頁，共二十七頁，2022年，8月28日

下面討論計算三基色[X]、[Y]、[Z]與物理三基色[R]、[G]、[B]之間的關系。可以認為每一計算三基色是由物理三基色以適當比例配出，則有：1[X]=m1r1[R]+m1g1[G]+m1b1[B]1[Y]=m2r2[R]+m2g2[G]+m2b2[B]1[Z]=m3r3[R]+m3g3[G]+m3b3[B]由條件（2），1[Y]的光通量為1光瓦，故：m2[r2+4.5907g2+0.0601b2]=1將P25.（1—23）式中的坐標值代入：m2=0.0912由條件（3），X=Y=Z的彩色光為E白，故：E白=1[X]+1[Y]+1[Z]=（m1r1+m2r2+m3r3）[R]+(m1g1+m2g2+m3g3）[G]（m1b1+m2b2+m3b3）[B]第二十四頁，共二十七頁，2022年，8月28日上式中[R]、[G]、[B]三系數應相等，即：m1（r1-g1）+m3(r3-g3)=-m2(r2-g2）m1（g1-b1）+m3(g3-b3)=-m2(g2-b2）將m2=0.0912及（1—23）式代入上式：m1=0.3282m2=0.1115故有：[X]=0.4185[R]-0.0912[G]+0.0009[B][Y]=-0.1587[R]+0.2524[G]-0.0025[B][Z]=