第一章彩色电视基础.ppt

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1、电视原理 邓记才,第一章 彩色电视基础,彩色电视传送景物的过程，就是把一幅光学图象转换成电信号进行传输，然后再把电信号恢复成正确的光学图象；因此在学习彩色电视技术之前，有必要了解一些有关光和色度学的知识。 1.1光的性质 1.1.1可见光与可见光谱. 光是一种携带电磁辐射能量的电磁波中的一小部分，眼睛所能看到的那一部分叫做可见光，其波长范围是380 780nm，光在均匀媒质中沿直线传播，光速为3108 m/s 1nm=10-9m=10 1=10-10m,1. 光的颜色. 不同波长的光波具有不同的颜色，波长由长到短，在视觉中所引起的彩色感依次为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。太阳光经棱镜折射后会呈现

2、出红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七种颜色，因此太阳光谱就是可见光谱。 具有单一波长的彩色光称为单色光；日光中所含的一系列单色称为谱色；包含有两种或两种以上波长成分的光称为复合光。太阳光就是一种复合光。 2. 物体的颜色. 物体的颜色决定于光源本身的特性和和物体表面对光吸收、反射或透射的特性。 一般来讲，某一景物的彩色是该景物在特定光源照射下所反射（或透射）的一定可见光谱成分，作用于眼睛而引起的视觉效果。 例如，兰色布在太阳光下，因只反射蓝色光谱成分而吸收了其余的光谱成分，被反射的蓝光波射入人眼并引起蓝色视觉效果；在用绿色光源照明的暗室里观看蓝色的布，这时蓝色的布将呈现为黑颜色。 色源有两种，一是不

3、发光的物体，二是光源。,1.1.2光源 在色度学中，常以白光作为一种标准。能自然发光的物体称为光源。太阳是最大的自然光源，为便于描述不同光源的可见光谱的辐射情况，引入了绝对黑体和色温的概念。 1.色温 绝对黑体：能全部吸收入射光的物体。 绝对黑体是一个理想的物理概念，绝对黑体的特性是当其被加热时，将以电磁波的形式向外辐射能量，其辐射波谱仅由温度决定，其温度越高，光谱中蓝色分量就越多，红色分量就越少，所以当温度增高时，不仅亮度增大，其发光颜色也随之变化。 色温：当绝对黑体在某一特定绝对温度下，其辐射光谱与某一光源的光谱具有相同的特性，则绝对黑体的这一特定温度就定义为该光源的色温。,由上可知，色温

4、并非光源本身的实际温度，而是用来表征光源特性的一个参数。,500 800 1000（nm）,6000K,5000K,4000K,2. 标准光源 有五种标准光源（标准白光）A、B、C、D65、E A光源：色温为2854K，光谱能量主要集中在红外线区域，与白只灯在2800K时辐射的光等效。 B光源：色温为4800K，相当于中午直射的太阳光。 C光源：色温为6700K，相当于白天的自然光。 D65光源：色温为6500K，相当于白天的平均照明。 E光源：色温为5500K，是一种假想的等能白光,1.2人眼的视觉特性 1.2.1光的度量 1.相对视敏函数曲线 视觉效应是由可见光刺激人眼引起的。如果光的辐射

5、功率相同而波长不同，则引起的视觉效果也不同；随着波长的改变，不仅颜色感觉不同，而且亮度感觉也不同，例如要获得相同的亮度感，则所需的红光辐射功率要比绿光大。,假设在产生相同亮度感的情况下，测出各种波长光的辐射功率Pv()；显然， Pv() 越大，说明该波长的光越不易被人眼所感觉；而Pv() 越小，则人眼对它的敏感程度越高。因此Pv() 的倒数可用来衡量眼睛对波长为的光波的敏感程度，称为视敏度，用K()表示(光谱光视效能)： K()=1/ Pv() 实验表明，当=555(nm)时，有最大视敏度Km=K(555)，于是任意波长光的视敏度K()与Km之比称为相对视敏函数V()。(光谱光视效率)： 显然

6、V() 1。,明视觉,2.光度学中的几个基本概念 （1）.光通量 光源辐射功率Pv(1)与相对视敏函数V(1)的乘积，称为光通量F(1)。 F(1) = Pv(1) * V(1) 光瓦 如果光源的辐射功率波谱为Pv() ，则总的光通量应为各波长成分的光通量之总和，即 F=K 380780 Pv() * V(1) d (2).发光强度 光源在单位立体角内发出的光通量，称为发光强度，用I表示 I=dF/d 烛光 （1烛光=1cd） 1烛光=1流明/1立体弧度 点光源向四周的辐射是均匀的，因而在各个方向上的光强均相等，因球心对球面的立体角为4立体弧度，故： I=F/4 F=4I 一般情况下，光源在不

7、同方向上的发光强度是不同的，故： F= I()d ,(3).(光)亮度 发光面在指定方向上的发光强度与发光面在垂直于所取方向的平面上的投影之比，称为亮度 B=dI/dscos 发光面可以是直接辐射的面光源，也可以是被光照射的反射面或透射面。 亮度的单位是cd/m2 (4).(光)照度 光通量与被照射表面面积之比称为照度 E= dF/ ds 照度的单位是列克司，符号为lx 1lx=1lm/m2,1.2.2 亮度和彩色视觉 1.明暗视觉 在白天正常光照下人眼对不同波长光的敏感程度，称为明视觉响应，它主要由锥壮细胞起作用，既产生明暗感又产生彩色感。当光线暗到一定程度时，只有杆状细胞起作用，分辨不出颜

8、色，只能反映出明暗程度。 2.彩色视觉 彩色视觉是人眼的一种明视觉功能。 （1）.彩色三要素 亮度、色调和色饱和度称为彩色光的三要素。 亮度为光作用于眼睛引起的明亮程度的感觉。光源功率大、物体反射强则亮度大。 色调反映颜色的种类。 饱和度指颜色的深浅程度。,（2）.彩色视觉特性 人眼的锥状细胞由红、绿、蓝三种感光细胞组成，不同颜色的光对三种细胞的刺激量是不同的，它们的合成效果产生彩色视觉，从而使人眼分辨出五光十色的世界；另一方面，不同的光谱成分，只要三种细胞所引起的响应相同，则会形成相同的彩色感。,3.视觉范围 定义：视觉范围指眼睛所能感觉的亮度变化范围。 人眼的视觉范围很宽，约为10-210

9、6 cd/m2,因为眼睛的感光作用会随外界光的强弱而自动调节，这称为眼睛的适应性；另一方面当环境亮度一定时，眼睛的视觉范围又很小，例如白天的视觉范围是20020000cd/m2,而在傍晚的视觉范围是1200 cd/m2，故我们说眼睛的明暗感觉是相对的。 在适当的平均亮度下，能分辨的最大亮度与最小亮度比为1000:1;当平均亮度很低时，该比值只有10:1。显示图像能达到30以上就可以。,1.2.3. 眼睛分辨力 黑白细节分辨力,分辨力或视觉锐度：人眼对被观察物体上能分辨的相邻最近两点的视角的倒数。 =d/D57.360=3438d/D 影响分辨力的因素： （1）.与照明强度有关 （2）.与景物相

10、对对比度Cr有关 Cr=(L-L0)/L0100 （3）.与物体的运动速度有关 正常视力的人，观察静止图象时，约为11.5,2.彩色细节分辨力 实验表明，人眼分辨景物彩色细节的能力很差。因此，彩色电视系统在传送彩色图象时，细节部分可以只传送黑白图象，这就是利用大面积着色原理节省传输频带的依据。 实验还表明，人眼分辨彩色色调变化的能力也较差，且随波长改变，在500nm区域分辨能力较强，而在红色末端区域分辨力较差。,1.2.4.视觉惰性与闪烁感觉 当一定强度的光突然作用于眼睛时，不能在瞬间形成稳定的视亮度，而有一个短暂的过渡过程；另外当光消失后，视亮度也并不瞬时消失。 人眼的主观亮度感觉滞后于实际

11、光脉冲的存在的特性，称为视觉惰性。,当光脉冲频率较低时，会引起一明一暗的闪烁感觉，当光频率足够高时，则会形成均匀的不闪亮度感。 不引起闪烁感觉的光脉冲最低重复频率，称为临界闪烁频率。对电视屏幕来讲，临界闪烁频率约为48Hz。 临界闪烁频率(fc)主要与光脉冲亮度Lm有关： fc = a*lgLm + b a、b均为常数，对电视屏幕有a9.6、b 26.6，故当Lm =100cd/m2时， fc 45.8Hz。 当光频率大于临界闪烁频率时，眼睛无闪烁感，此时视亮度等于光脉冲亮度的平均值：,1.3.三基色原理与配色方程 1.3.1.三基色原理 彩色视觉特性告诉我们，相同的彩色感可以来自不同的光谱成

12、分，因此我们可以适当选择三种基色来合成彩色图象。 1.三基色原理：选择三种独立的基色，例如红、绿、蓝，将它们按不同的比例混合，就可以得到不同的彩色；反之，任何彩色，也能分解为三种基色，它包含以下含义： （1）.三基色是独立的。 （2）.合成彩色光的亮度由三基色的大小决定。 （3）.合成彩色光的色调由三基色的比例决定。,2.混色方法 有两种：相加混色和相减混色，彩色电视采用相加混色。 相加混色的实现有三种： （1）.时间混色 （2）.空间混色 （3）.生理混色 3. 麦克斯韦基色三角形 它是一个等边三角形,三个顶点分别代表单位红基色R,单位绿基色G和单位蓝基色B, 而且从顶点到对应边的垂线的长度

13、被规定为1,若令三角内任意一点P到红,绿,蓝三顶点所 对应的三边的距离分别为r、g、b，r+g+b=l.穿过W点的任意条一直线联结三角形上的两个点该两点所代表的彩色相加均得到白色,通常把相加后形成白色的两种彩色称为互补色.例如图中表示的红与青,绿与品,蓝与黄皆为互补色.,1.3.2. R、G、B计色制 1.配色实验 选用红（R）绿（G）蓝（B）作为三基色进行。实验表明，配出等能白光的三基色单位R、G、B的光通量之比为1：4.5907：0.0601。用F代表某一具有特定亮度和色度的彩色光，符号F表示其光通量，于是有： F E白 = 1R+1G+1B 2.配色方程与色系数 配色方程为： F=RR+

14、GG+BB F=R+4.5709G+0.0601B 式中R、G、B的比例决定彩色光的色度，大小决定彩色光的光通量，R、G、B称为三色系数(三刺激值)。 RGB计色制采用物理三基色，物理意义清楚，但使用不方便，某些谱色的配色系数出现负值，容易出错。为了克服这一缺点，国际照明委员会规定了另一种坐标系，即XYZ计色制或CIE制。,1.3.3.XYZ计色制 新坐标系选择了一组新的计算三基色单位X、Y、Z。它们并不代表实际的彩色，而是为了克服RGB制存在的缺点，新坐标系里配色方程为： F=XX+YY+ZZ 式中XYZ为三色系数。 计算三基色单位X、Y、Z须满足下列三个条件： （1）.三色系数XYZ均为正

15、值。 （2）.合成彩色光的亮度仅由YY一项决定，而色度仍然由XYZ的比值决定。 （3）.当X=Y=Z时，仍代表等能白光E白。,下面讨论计算三基色X、Y、Z与物理三基色R、G、B之间的关系。可以认为每一计算三基色是由物理三基色以适当比例配出，则有： 1X= m1r1 R+ m1g1 G+ m1b1 B 1Y= m2r2 R+ m2g2 G+ m2b2 B 1Z= m3r3 R+ m3g3 G+ m3b3 B 由条件（2），1Y的光通量为1光瓦，故： m2r2+4.5907g2+0.0601b2=1 将P25.（123）式中的坐标值代入： m2=0.0912 由条件（3），X=Y=Z的彩色光为E白

16、，故： E白= 1X+1Y+1Z =（m1r1+ m2r2+ m3r3）R+ (m1g1+ m2g2+ m3g3）G （m1b1+ m2b2+ m3b3）B,上式中R、G、B三系数应相等，即： m1（r1- g1）+ m3(r3-g3)= -m2(r2- g2） m1（g1- b1）+ m3(g3-b3)= -m2(g2- b2） 将m2=0.0912及（123）式代入上式： m1=0.3282 m2=0.1115 故有： X=0.4185R-0.0912G+0.0009B Y=-0.1587R+0.2524G-0.0025B Z=-0.0828R+0.0157G+0.1786B,下面讨论色系

17、数XYZ与RGB的关系。 设某彩色F在RGB坐标系中：F=RR+GG+BB F在XYZ坐标系中：F=XX+YY+ZZ 将X、Y、Z代入上式： F=（0.4185X-0.1587Y-0.0828Z）R +（-0.0912X+0.2524Y+0.0157Z）G +（0.0009X-0.0025Y+0.1786Z）B 于是： R=0.4185X-0.1587Y-0.0828Z G=-0.0912X+0.2524Y+0.0157Z B=0.0009X-0.0025Y+0.1786Z 解上式得： X=2.7689R+1.7518G+1.1302B Y=1.0000R+4.5907G+0.0601B Z=0.0000R+0.0565G+5.5943B,1.4 显像与亮度方程 1.显像三基色 选择显像三基色的原则： 所选三基色应能取得尽可能大的配色范围。 基色亮度应足够大。 2.亮度方程 当显像三基色确定后，依据配色方程： 1Re+1Ge+1Be=FC白（1lm） 由此可导出NTSC制下： Y=0.299Re+0.587Ge+0.114Be,