電視機(jī)課件第7章

第7章色度學(xué)的基礎(chǔ)知識(shí)7.1光和色的基本知識(shí)

7.2人眼的視覺特性

7.3三基色

本章小結(jié)思考與習(xí)題 7.1光和色的基本知識(shí)

7.1.1光的特性

光是一種攜有能量的物質(zhì)，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(zhǎng)更短些。人眼可以看見的光叫可見光，對(duì)整個(gè)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(zhǎng)范圍是380～780nm。不同波長(zhǎng)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(zhǎng)為700nm左右的光給人以紅色的感覺；波長(zhǎng)逐漸變短，感覺分別為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫；波長(zhǎng)為400nm左右的光給人眼的感覺是紫色。每種色帶都有一個(gè)大致的波長(zhǎng)范圍，可見光譜對(duì)色感呈單一的對(duì)應(yīng)關(guān)系，但反過來，色感對(duì)光譜的對(duì)應(yīng)關(guān)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(zhǎng)為540nm的綠光和700nm的紅光按一定比例混合，同時(shí)作用于人眼，可以得到580nm的黃光色感。通常把單一波長(zhǎng)的光叫單色光，而把含有兩種及兩種以上波長(zhǎng)的光稱為復(fù)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(yīng)。太陽(yáng)光給人以白色感覺，當(dāng)它通過玻璃棱鏡后，可以分解為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫一系列的彩色光，見圖7-2。由此可見，太陽(yáng)光譜包含全部可見光譜，白色光是一個(gè)復(fù)合光，由7種單色光復(fù)合而成。圖7-2陽(yáng)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(dāng)一塊紅布受到陽(yáng)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(chǎn)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(duì)光的反射和吸收特性有關(guān)，還與光源所含的光譜成分有關(guān)，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(duì)不同波長(zhǎng)光的敏感程度稱為視覺靈敏度，簡(jiǎn)稱視敏度。實(shí)踐證明，在可見光的光譜范圍內(nèi)，隨著光波波長(zhǎng)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(jì)靈敏度，即用許多正常視力的觀察者來做實(shí)驗(yàn)，取其平均值。圖7-3所示為國(guó)際上通用的人眼相對(duì)視敏度V(λ)曲線。由圖可見，對(duì)于波長(zhǎng)為555nm的黃綠光V(λ)=1，人眼亮度感覺最大；對(duì)于其余波長(zhǎng)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(duì)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(shí)所能感覺的亮度范圍。一般來說，這一范圍非常寬，但當(dāng)人眼適應(yīng)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(dāng)?shù)钠骄炼认?，人眼能分辨的亮度上、下限之比?000∶1。當(dāng)平均亮度很低時(shí)，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(duì)比度。人眼的明暗感覺是相對(duì)的，在不同的環(huán)境亮度下，對(duì)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(jìn)入100W照明的同等房間時(shí)會(huì)感覺到亮，但若

從500W照明的房間進(jìn)入100W照明的同等房間就會(huì)感覺到暗?？梢?，同樣是100W照明的同等房間，在適應(yīng)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(jī)

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

設(shè)在一塊白色的屏幕上有兩個(gè)相距很近的黑點(diǎn)，當(dāng)觀察者離開一定距離觀看時(shí)，便分辨不出有兩個(gè)黑點(diǎn)存在，只感覺到是連在一起的一個(gè)黑點(diǎn)。這一現(xiàn)象說明，人眼分辨景物細(xì)節(jié)的能力有一極限，我們將這種分辨細(xì)節(jié)的能力稱為人眼的分辨力，它的定義是：人對(duì)被觀察物上相鄰兩點(diǎn)之間能分辨的最小距離所對(duì)應(yīng)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(diǎn)的距離d、視距L、亮度B等因素有關(guān)，也與照明強(qiáng)度有密切關(guān)系。在中等亮度的室內(nèi)，正常視力的θmin約為1′～1.5′左右。

在電視技術(shù)中就是根據(jù)這個(gè)物理量，來決定掃描行數(shù)的。設(shè)屏幕高度為H，一幅圖像的掃描行數(shù)為Z，則有取標(biāo)準(zhǔn)視距L為屏幕高度H的4～6倍，并取θ為1′時(shí)，則可算得一幅圖像應(yīng)該取的掃描行數(shù)為860～570行。但考慮到一些技術(shù)和經(jīng)濟(jì)因素，目前世界上采用的標(biāo)準(zhǔn)掃描行數(shù)有625行和525行,我國(guó)采用625行。

人眼對(duì)彩色細(xì)節(jié)的分辨能力比對(duì)黑白(亮度)細(xì)節(jié)的分辨力要低。例如，黑白相同的等寬條子，遠(yuǎn)隔一定距離觀看時(shí)，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(shí)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(shí)際亮度不是同步的。當(dāng)一定亮度的光映入眼簾時(shí)，需要經(jīng)過一短暫過程后才會(huì)形成穩(wěn)定的亮度感覺;當(dāng)光突然消失時(shí)，也要經(jīng)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(dāng)人眼受周期性光脈沖照射時(shí)，如圖7-4所示，若光脈沖頻率不夠高，則會(huì)產(chǎn)生一明一暗的閃爍感覺。當(dāng)光脈沖頻率增高到一定值時(shí)，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(fù)頻率稱為臨界閃爍頻率。臨界閃爍頻率f0與很多因素有關(guān)，其中最重要的是光脈沖亮度B0m。對(duì)電視屏幕來說，當(dāng)亮度約為B0m=100cd/m2(坎德拉/米2)時(shí)，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(shù)中得到應(yīng)用。電影片是由一幅幅靜止的畫面組合的，每幅畫面上的內(nèi)容在相對(duì)位置上有些改變，只要畫面變動(dòng)的速度足夠快，由于視覺惰性，人眼對(duì)前一幅畫面的感覺尚未消失時(shí)，后一幅圖像已經(jīng)到來，于是就會(huì)覺得畫面中的動(dòng)作是連續(xù)的。在放映電影時(shí)，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(dá)到了臨界閃爍頻率。同樣，電視技術(shù)也是利用了人眼的視覺惰性，來確定場(chǎng)頻的。我國(guó)廣播電視采用隔行掃描，規(guī)定場(chǎng)頻fV=50Hz。也正是因?yàn)槿搜劬哂幸曈X惰性，在電視技術(shù)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(gè)像素，傳送圖像時(shí)，不必將所有制得的像素同時(shí)傳送，而只要快速地按順序逐個(gè)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(duì)人眼的視覺作用，都可用亮度、色調(diào)及色飽和度這三個(gè)參量來描述。這三個(gè)參量稱為彩色三要素。

亮度是指人眼對(duì)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(qiáng)弱。對(duì)于同一物體，照射的光越強(qiáng)，反射光也越強(qiáng)，則越亮，反之則越暗。對(duì)于不同的物體，在

相同照射的情況下，反射越強(qiáng)者越亮。此外亮度還與視敏度有關(guān)，不同的彩色光即便強(qiáng)度相同，分別照射到同一物體上也會(huì)產(chǎn)生不同的亮度。色調(diào)是指彩色光的顏色類別。例如紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫，分別表示不同的色調(diào)。色調(diào)取決于彩色光的光譜成分，不同波長(zhǎng)的光具有不同的色調(diào)。如果改變彩色光的光譜成分，就會(huì)引起色調(diào)的變化。發(fā)光物體的色調(diào)決定于它的輻射光譜成分，而不發(fā)光的物體的色調(diào)，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(guān)，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?jǐn)?shù)表示，例如，純凈綠色光的飽和度是100%，當(dāng)摻入白光后飽和度變低；當(dāng)綠色光與白光強(qiáng)度相同時(shí)，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(diào)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(jī)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(jī)屏幕上不需要重顯實(shí)際亮度，只要對(duì)比度相同即可獲得真實(shí)的亮度感覺。同樣，彩色復(fù)現(xiàn)時(shí)，也不需要恢復(fù)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(gè)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(nèi)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(dú)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(diào)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(shí)驗(yàn)表明，在紅色、綠色和藍(lán)色的光譜區(qū)中選擇三個(gè)基色，由它們按適當(dāng)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(lán)作為三基色，紅基色光波長(zhǎng)為700nm，綠基色光波長(zhǎng)為546.1nm，藍(lán)基色光波長(zhǎng)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(shí)、G、B表示。彩色電視機(jī)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(wù)，簡(jiǎn)化為傳送表征三基色的三個(gè)電信號(hào)。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(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)槿娦盘?hào)，通過傳送系統(tǒng)將代表三種基色分量的電信

號(hào)傳送出去。在接收端用接收到的三基色電信號(hào)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(yīng)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(jìn)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(jī)所采用的混色法，我們用等能量的紅、綠、藍(lán)三束單色光同時(shí)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(lán)色=紫色，綠色+藍(lán)色=青色，紅色+綠色+藍(lán)色=白色，藍(lán)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(bǔ)色?？梢?，紅、青互為互補(bǔ)色，綠、紫互為互補(bǔ)色，藍(lán)、黃互為互補(bǔ)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(dāng)紅光與綠光混合時(shí)，隨著紅光的比例由小到大變化，將依次產(chǎn)生綠、黃綠、黃、橙、紅等色調(diào)的變化。同理，當(dāng)紅、綠、藍(lán)三基色光以不同的比例混合時(shí)，將會(huì)得到各種較淡的顏色，即飽和度較低的色調(diào)，如淡青、淡綠、淡紫、淡紅等等。三基色的混色效應(yīng)還可以用一個(gè)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(gè)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(diǎn)為三個(gè)基色，每條邊是其對(duì)應(yīng)兩端點(diǎn)基色以不同比例組成的混色線。例如，以紅色和綠色為端點(diǎn)的那一條邊代表了紅、綠兩基色組成的各種彩色，它的中點(diǎn)

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

(2)三角形的重心是由紅、綠、藍(lán)三基色等能量組成的白色，而三角形各頂點(diǎn)與其對(duì)邊中點(diǎn)的連線必過三角形重心，即紅與青、綠與紫、藍(lán)與黃這三對(duì)互補(bǔ)色也能構(gòu)成白色。(3)三條邊上各點(diǎn)與重心的連線為等色調(diào)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(nèi)。

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(guān)系，在實(shí)際工作中將有利于彩色電視機(jī)的調(diào)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(jìn)行混色的方法。間接混色法又可分為空間混色法、時(shí)間混色法和生理混色法?？臻g混色法是同時(shí)將三種基色光分別投射到同一表面上鄰近的三點(diǎn)上，只要這些點(diǎn)相距足夠近，則由于人眼的分辨力有一定的限度，就能產(chǎn)生三種基色光混合的色彩感覺?？?/p>

間混色法是同時(shí)制彩色電視的基礎(chǔ)。

時(shí)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(chǎn)生與三基色光直接混合時(shí)相同的彩色感覺。時(shí)間混色法是順序制彩色電視的基礎(chǔ)。

生理混色法目前尚未在彩色電視機(jī)中采用，故暫不介紹。7.3.4亮度方程

將三基色混合時(shí)，除表現(xiàn)為一定的色調(diào)和色飽和度外，還呈現(xiàn)為一定的亮度?；旌仙目偭炼葢?yīng)當(dāng)是三個(gè)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(lán)三種基色光而形成的，因此在電視技術(shù)中的三基色應(yīng)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(duì)各基色光的亮度感覺差異，經(jīng)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(guān)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(jī)中的圖像信號(hào)。對(duì)于彩色電視機(jī)中的標(biāo)準(zhǔn)彩條信號(hào)——白、黃、青、綠、紫、紅、藍(lán)、黑，其亮度分別如下：

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

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

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

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

當(dāng)R=1，G=B=0時(shí)，為紅色，其亮度Y=0.30；

當(dāng)B=1，R=G=0時(shí)，為藍(lán)色，其亮度Y=0.11；

當(dāng)R=G=B=0時(shí)，為黑色，其亮度Y=0。

標(biāo)準(zhǔn)彩條信號(hào)在黑白電視機(jī)中將顯示八個(gè)不同亮度等級(jí)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?jí)別越高，即亮度層次越多，圖像越