彩色电视色度学基础.ppt

电视技术,电视的发展,1936年 贝尔德电视公司在英国开始了电子方式的黑白电视广播，开始了电子电视的时代。 1954年 美国正式开播NTSC兼容制彩色电视。 1967年 前联邦德国正式广播PAL兼容制彩色电视，同年，法国和前苏联开播了SECAM兼容制彩色电视。 从20世纪90年代开始，出现了数字电视广播标准，如欧洲的DVB系统、美国的ATSC系统、日本的ISDB系统等。,第一章 彩色电视色度学基础,1.1 光的性质 一、可见光与颜色 光是一种以电磁波形式存在的物质。 电磁波的波长范围很宽，从310-3m到310-17m，包含了无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线、宇宙射线等。 波长为380nm780nm的电磁波能够引起人眼的视觉反应，称为可见光，它在整个电磁波谱中的位置如 图1-1所示。,图1-1 电磁辐射波谱,从电视角度看，可见光具有以下特性： （1）可见光波长范围有限，只占整个电磁波波谱的极小一部分。 （2）不同波长的光呈现的颜色各不同，波长从长到短，分别呈现红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。 （3）单一波长和波谱宽度小于5nm的光称为单色光。单色光对应着光谱中一定的波长，所以又称为谱色光。含有两种或两种以上波长成分的光称为复合光，复合光使人眼产生混合色。由于它不能作为单色光出现在光谱上，所以又称为非谱色光。 例:白光就是一种复合光，自然界中最大的白光光源是太阳，太阳光的光谱是连续分布的，包含有380nm780nm范围内的所有波长成分。几种单色光混合在一起会形成复合光，如红、绿、蓝光按一定比例混合后会产生白光。同样，混合光也可以通过某种方式被分解成不同波长的单色光。,二、物体的颜色 物体分为发光体和不发光体。 发光体的颜色由它本身发出的光谱所确定，如白炽灯发黄光和日光灯发白光。 不发光体的颜色与照射光的光谱和不发光体对照射光的反射、透射特性有关。如绿叶反射绿色的光、吸收其他颜色的光而呈现绿色；绿叶拿到暗室的红灯下观察成了黑色。 由此可见，光是一种客观存在的物质，而色是人眼对这种物质的视觉反应。,三、色温与标准光源 在电视节目拍摄过程中，照明光源的作用非常重要，其光谱功率分布情况会直接影响被照物体的颜色。通常的照明光源，如太阳光、日光等发的光虽然都是白光，但它们的光谱成分相差很大，用它们照射相同物体时，呈现的颜色则相差较大。根据CIE（国际照明委员会）的规定，在电视系统中使用的标准光源主要有A、B、C、D65、E五种，并以“色温”来表征。 1. 色温 光源的色温是用来描述光源的光谱分布的物理量。在色度学上，它通常用光源的光与绝对黑体发出的光相比较，并用绝对黑体的绝对温度来表征。,绝对黑体是指能完全吸收入射光的物体。当绝对黑体被加热时，能以电磁波形式向外辐射能量，其光谱能量的分布只与加热的温度有关，温度低时光谱能量偏重于长波长区，温度升高时光谱能量逐渐偏重到短波长区。 光源的色温:当光源的可见光谱与某温度的绝对黑体的辐射的可见光谱相同或接近时,就将此时绝对黑体的绝对温度称为该白光源的色温。例如，一个温度为2800K的钨丝灯泡所发出的光色与绝对黑体在温度为2854K时的光谱相同，则该灯泡所发出的光的色温就是2854K。 要注意的是，色温用来表示光源的光谱特性，并非光源的实际温度。在电视技术中引入“色温”的概念，是为了进行色度的计算和白光的比较。,2.标准白光源 在电视系统中使用的标准光源主要有A、B、C、D65、E五种，其光谱功率分布曲线如图1-2所示。 A光源: 色温为2854K，相当于2800K钨丝灯所发的光。 B光源: 色温为4874K，相当于中午直射的太阳光。 C光源: 色温为6774K，相当于白天的自然光，是NTSC制彩色电视的白光标准光源。 D65光源: 色温为6504K，相当于白天平均照明光，是PAL制彩色电视的白光标准光源。 E光源（E白）: 色温为5500K，是一种理想的等能量的白光，实际并不存在，它的采用可简化色度学的计算。,图1-2 几种标准光源的光谱分布,1.2 视觉特性 电视是根据人眼的视觉特性发明的。 人眼的视网膜上有大量的光敏细胞，按其形状可分为杆状细胞和锥状细胞。 杆状细胞的感光灵敏度很高，在低照度时，主要靠它分辨明暗，但对彩色不敏感。 锥状细胞感光灵敏度较低，在微弱的光线下不起作用，但在光线较为明亮时既能感知各种明暗层次又能辨别出光的颜色。,一、视觉灵敏度 同一波长的光，当其强度不同时，给人的亮度感觉是不同的，相同强度而波长不同的光，给人的亮度感觉也是不同的。 人眼的灵敏度因人而异，通过对大量视力正常者的实验统计，可得到如图1-3所示的相对视敏函数曲线。由图可见，在亮视觉下，当辐射功率相同时，人眼感觉555nm的草绿光最亮，波长自555nm起向左和向右逐渐减小和增大时，亮度感觉逐渐下降。,图1-3 相对视敏函数曲线,二、人眼的色度视觉 视觉三色原理的假设：锥状细胞分为三类, 分别称为红敏细胞、绿敏细胞和蓝敏细胞，它们分别只对红色、绿色和蓝色光谱能量的刺激产生视觉反映。三种细胞对可见光的反应灵敏度曲线如图1-4 所示。 图中VR（）、VG（ ）、VB（ ）的峰值分别出现在580nm，540nm和440nm处。VB（ ）的幅度很低，图中将其放大20倍。三条曲线的总和等于相对视敏函数VY（ ）。 不同波长的光对三种细胞的刺激量是不同的，产生的彩色视觉各异，人眼因此能分辨出五光十色的颜色。电视技术利用这一原理，在图像复现过程中，不是重现原来景物的光谱分布，而是利用3种相似于红、绿、蓝锥状细胞特性的3种光源进行配色，在色感上得到相同的效果。,三、人眼的分辨力 人眼分辨景物细节的能力称为分辨力，用分辨角的倒数来定义。 分辨角，是指在被观察物体上，人眼能分辨出的最近两个相邻点对眼睛形成的张角。测试方法如 图1-5 所示，图中设人眼刚能分辨出白色屏幕上的两个黑点a和b，这时a和b之间的距离为d，a和b对眼睛形成的张角为 ，则 就是分辨角。分辨角越小，说明人眼的分辨力越高，也即视力越好。,图1-5 人眼的分辨力,（1）分辨力很大程度上取决于景物细节的亮度和对比度（最大亮度和最小亮度的比值）。亮度过低或过高，视力下降；细节对比度越小，也越不易分辨。 （2）人眼对彩色细节的分辨力要远低于对黑白细节的分辨力。根据这一特性，在彩色电视中只传送黑白图像细节，而不传送彩色细节，以减少色信号的带宽，这就是大面积着色原理的依据。,四、视觉惰性与闪烁感觉 1.视觉惰性 人的视觉对外界光刺激的响应有一定的延时。当一定强度的光突然作用于人眼时，需要经过一定的时间才能形成一个稳定的主观亮度感觉；当光消失以后，亮度感觉也要经过一段时间之后才能消失。视觉的建立和消失都有一定的惰性，称之为视觉惰性，如图1-6所示。,图1-6 视觉惰性,视觉惰性，是现代电影和电视的基础。 电影和电视都是将一幅幅静止的画面以一定的频率在银幕或屏幕上轮流显现出来，只要静止画面在显现时每两幅之间的时间间隔小于视觉暂留时间（约0.1s)，这时人眼观看的虽然是一连串的静止画面，但前一幅画面的印象尚未消失，后一幅画面的印象又开始建立，前后画面在视觉上融合衔接在一起，因此人眼感觉到画面不是断续出现而是连续出现的。,2. 闪烁感觉 对于周期性的脉冲光源，人眼还有一个称之为闪烁感觉的特性。也就是说，当脉冲光源的重复频率不太高时，人眼会跟随光源的变化产生一明一暗的感觉，即闪烁感觉。脉冲光源的重复频率提高时，这种闪烁感觉会随之减轻。当重复频率提高到一定值后，闪烁感觉可完全消失，这时人眼感觉到的不是一闪一闪的脉冲光源，而是亮度恒定的不闪烁光源。不引起视觉闪烁感的光源最低重复频率通常称为临界闪烁频率。由经验公式得到，人眼的临界闪烁频率约为46Hz。,电视机屏幕在显示画面时相当于脉冲光源，因此其重复频率必须大于临界闪烁频率才能使观众不产生闪烁感。不过，电视系统的换帧（幅）频率只有25(30)Hz，为了克服闪烁感，电视系统采用了隔行扫描的方式，将一帧（幅）画面分成两场。这样一来，在不改变换帧频率的情况下，屏幕上画面的呈现频率提高了一倍，变为50(60)Hz，大于46Hz的临界闪烁频率。 现代电视技术通常在电视机中采用特殊技术，如场频加倍技术等，将屏幕闪烁频率提高到100Hz，这时基本上可完全克服闪烁感。,1.3 三基色原理与配色方程,一、彩色三要素 彩色三要素指的是彩色光的亮度、色调、饱和度这三个量。 亮度：指彩色光作用于人眼而引起的视觉上的明亮程度。光源的辐射能量越大，亮度就越高；不发光体的反射能力越强，亮度越高。 复合光的亮度等于各个分量光的亮度之和。 另外，亮度还和波长有关，能量相同而波长不同的光对视觉引起的亮度感觉也不相同，这就是上一节已经介绍过的视敏特性。, 色调：指彩色的颜色类别。我们通常所说的红、绿、蓝等指的就是色调。前面讲到不同波长的光颜色不同，也是指的色调不同。 饱和度是指彩色的深浅、浓淡程度。对于同一色调的彩色光，饱和度越高，颜色就越深、越浓。各种谱色光都是饱和度最高的彩色。饱和度与彩色光中掺入的白光比例有关，掺入的白光越多，饱和度就越小。因此，饱和度也称为色纯度。 饱和度的大小用百分制衡量，100的饱和度表示彩色光中没有白光成分，所有谱色光的饱和度都是100；饱和度为零表示全是白光，没有任何色调。 色调和饱和度合称为色度，它既说明了彩色光的颜色类别，又说明了颜色的深浅程度。,二、三基色原理 三基色定理的主要内容如下： 自然界中绝大多数彩色都可以由三基色按一定比例混合而得；反之，这些彩色也可以分解成三基色； 三基色必须是相互独立的，即其中任何一种基色都不能由其它两种基色混合得到； 混合色的色调和饱和度由三基色的混合比例决定； 混合色的亮度是三基色亮度之和。 另外，任何一种颜色都有一个相应的补色。所谓补色，就是它与某一颜色以适当比例混合时，可产生白色。红、绿、蓝的补色分别是青、品红、黄。,三基色的选择: 在原则上是任意的，只要满足相互独立即可。彩色电视选取的三基色是红、绿、蓝，分别用R、G、B表示。因为人眼的三种锥状细胞对这三种颜色最敏感，选择R、G、B按适当比例混色可得较多彩色。 三基色原理是彩色电视得以实现的重要理论基础。因为自然界中的彩色是千变万化的，设想如果用一种电信号传送一种颜色，那就需要成千上万种电信号，这在实际中是办不到的。有了三基色原理，彩色电视只需在摄像端将景物的各种颜色分解成红、绿、蓝三种基色，然后将这三种基色转换成相应的三种电信号传送到显示端，在显示端将电信号再转换成三基色光信号，最后在屏幕上用三基色混合出原景物的色彩。,三、混色方法 利用三基色按不同的比例混合来获得彩色的方法称为混色法。混色法有相加混色法和相减混色法。相加混色是指光源色光的相互混合，彩色电视技术中就是利用相加混色法显现各种颜色的，如图1-7 ，主要有以下两种方法。,图1-7 相加混色,1. 时间混色法 这种方法是利用人眼的视觉惰性，顺序地让三种基色光先后出现在同一表面的同一点处，当三种基色光交替出现的速度很快时（交替时间间隔小于人眼的视觉暂留时间），人眼产生的彩色感觉就与三种基色光直接混合时相同。时间混色法是顺序制彩色电视的基础。 2. 空间混色法 这种方法是利用人眼空间细节分辨力差的特点，将三种基色光点放在同一表面的相邻处，只要这三个基色光点足够小，相距足够近，当人眼在一定距离之外观看时，就会看到三种基色光混合后的彩色光。彩色显像管就是利用这一原理，把红、绿、蓝三色荧光粉在荧光屏上排列成品字形或竖条形，在一定距离之外观看时，看到的就是其混合色。,四、颜色的度量与表示 三基色原理是彩色计量的基础。 彩色的计量是通过确定三基色光对人眼的刺激程度来进行的，因此，需要规定三基色光的精确波长值和三基色光对人眼刺激程度的单位量。光对人眼的刺激程度可用光通量来表示。彩色的计量因三基色不同而有不同的计量制度，也叫计色制。这里只介绍其中最主要的两种，即RGB计色制和XYZ计色制。 1. 光通量 光通量是按人眼的光感觉来度量的光辐射功率，单位是流明(lumen)，简写为lm 。 当=555nm时的单色光辐射功率为1W时，产生的光通量为683 lm，或称1光瓦。在其它波长时，由于相对视敏函数下降，相同辐射功率产生的光通量随之下降。,2. 配色实验和配色方程 配色实验如图1-8所示。两块相互垂直的白板将人眼的视场等分为二，白板的反射率几乎为100，即对任何波长的光几乎全部反射。白板的左半部分投射待配的彩色光，右半部分投射红、绿、蓝三基色光。调节三基色光的光通量（混配比例），使白板左、右部分的彩色光完全相同，这时调节器刻度所示的数值就分别是混配F色光所需的红、绿、蓝的比例，即三色系数R、G、B的数值。,图1-8 配色实验示意图,配色方程: F= RR + GG + BB 其中： R 、 G 、 B 称基色单位量，是由CIE规定的； R、G、B是三色分布系数，可以通过配色实验得到； R R 、G G 、B B 称F色光的三个基色分量； 方程式中的等号表示人眼视觉上的颜色相等，即等式两边是同色异谱色。 这个方程式表示F色光可由R个红基色单位，G个绿基色单位和B个蓝基色单位混配而得。,CIE对三基色光的波长和基色单位的规定如下： 波长为700nm，光通量为1lm的红光作为一个红基色单位； 波长为546.1nm，光通量为4.5907lm的绿光作为一个绿基色单位； 波长为435.8nm，光通量为0.0601lm的蓝光作为一个蓝基色单位。 若混配时红、绿、蓝光都采用一个基色单位，则可配得等能白光 ，即 E白=1R + 1G + 1B 。此时E白的光通量是三个基色光的光通量之和，即14.59070.06015.6508 lm。若三基色光同时增大到原来的K倍，则混配之后仍然得到E白，只不过其光通量也增大到原来的K倍。,3. XYZ计色制及色度图 （1）XYZ计色制 RGB计色系统采用物理三基色，因而物理意义清楚，但使用起来却很不方便。为此，CIE规定了另一种计色制，即XYZ计色制，又称标准计色制。 在XYZ计色系统中，基色XYZ只是假想的三基色，但是借助它们来计算各种实际颜色却十分方便。选择XYZ计色系统的目的就是为了克服RGB计色系统的缺点，因此，在确定基色量X、Y、Z时有一些特定的要求： 用配色方程FXXYYZZ配色时，三个色系数均应为正值； 为便于计算，合成彩色光F的亮度应仅由YY项的系数Y决定，与X、Z值无关。不过，合成光F的色度仍由X、Y、Z的比例关系决定。 XYZ时，仍代表等能白光。 这两种计色制之间是线性相关的，对某一实际色光，可通过配色实验确定三色系数R、G、B，再通过计算转换成X、Y、Z标准三色系数。,（2）XYZ（x-y) 色度图 设m=X+Y+Z为色模；x=X/m, y=Y/m, z=Z/m为相对色度坐标，x+y+z=1, x、y、z中只有两个量是独立的，这样就可在x-y坐标中绘制XYZ色度图或称x-y色度图，如 图1-9所示。,图1-9XYZ色度图,图1-9XYZ色度图,该色度图具有如下特点: 舌形曲线全部位于第一象限,所有的单色光都位于舌形曲线上,舌形曲线称为谱色轨迹,它们的饱和度均为100%,曲线旁注有单色光波长值。 E白点的坐标为x=y=1/3，舌形曲线上任一点与E白点的连线称为等色调线（等主波长线）。该线上所有的点都对应同一色调的颜色，但离E白点越近，饱和度越低。 在谱色曲线内任取三点对应的彩色作基色(例如,图中R1、G1、B1),则由此三基色混合而成的所有彩色都包含在以这三点为顶点的三角形内。,五、显像三基色与亮度公式 1. 显像三基色的选择 彩色电视重现图象是靠彩色显像管上三种荧光粉在电子束轰击下发出红、绿、蓝光混合得到的，因此，电视三基色也可称为显像三基色。 选取显像三基色时有下列两点考虑： 应使三基色尽量靠近适当的谱色，以求显像三基色构成的彩色三角形面积（也称重现色域）尽量大； 应使三基色发光材料的发光效率尽量高，以求彩色图像有足够高的亮度。,NTSC制和PAL制采用的显像三基色和标准白光的色度坐标如下表所示。 制 式 NTSC制 PAL制 基色和标准白光 Re1 Ge1 Be1 C白 Re2 Ge2 Be2 D65 色度坐标 X 0.67 0.21 0.14 0.31 0.64 0.29 0.15 0.313 Y 0.33 0.71 0.08 0.316 0.33 0.6 0.06 0.329,2. 亮度公式 在XYZ计色制中,只有Y代表亮度,故可方便地给出彩色亮度与三基色的关系式, 以C白光为标准白光源的NTSC制彩色电视制式,其亮度公式为 Y=0.229Re1+0.587Ge1+0.114Be1 以D65光为标准白光源的PAL制彩色电视制式,其亮度公式的系数有所不同，但二者差别不大，二者可统一简化为 Y=0.3R+0.59G+0.11B,