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第 2 章显示技术基础第2章显示技术基础2.1光度学基础光度学基础2.2人眼视觉特性人眼视觉特性2.3色度学基础色度学基础2.4图像的分解、图像的分解、传送和合成传送和合成2.5图像显示的基本参量图像显示的基本参量2.6视频信号视频信号习题习题2第 2 章显示技术基础2.1 光光 度度 学学 基基 础础2.1.1 光的性质光的性质光是一种电磁辐射。电磁辐射的波长范围很宽，按波长从长到短的顺序排列，依次是无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和宇宙射线等。图2-1是电磁波按波长的顺序排列的电磁波谱，其中波长为380780 nm（纳米）的电磁波才能被人感知，并给人以白光的综合感觉。第 2 章显示技术基础 1.电磁辐射波谱由图2-1可以看出，不同波长的光所呈现的颜色各不相同，随着波长的缩短，呈现的颜色依次为：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。只含单一波长成分的光称为单色光；包含两种或两种以上波长成分的光称为复合光。复合光对人眼的刺激呈现为混合色，太阳光就是一种复合光。第 2 章显示技术基础图2-1 电磁辐射波谱第 2 章显示技术基础2.可见光的色散复合光分解为单色光的现象叫光的色散。中国古代对光的色散现象的认识最早起源于对自然色散现象虹的认识。虹是太阳光沿着一定角度射入空气中的水滴所引起的比较复杂的由折射和反射形成的一种色散现象。光的色散可以用三棱镜、光栅干涉仪等来实现。牛顿在1666年最先利用三棱镜观察到光的色散，把白光分解为彩色光带(光谱)，如图2-2 所示。第 2 章显示技术基础图2-2 白光经过三棱镜后的色散现象第 2 章显示技术基础通常，在显示技术中，显示设备只能利用电磁辐射波谱的可见光波谱部分，而在其他科学技术领域，电磁辐射波谱的应用范围大为扩展。例如，红外线可用于夜间侦察、宇航开发、激光研究、家电遥控等方面；紫外线可用于生物研究、医学消毒、医疗诊断、工业探伤等方面。这些应用所涉及的波谱范围可宽达10 20 000 nm。第 2 章显示技术基础3.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，荧光灯发白光，各自有其特定的光谱色。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。自然界中的景物，在太阳光照射下，由于反射（或透射）了可见光谱中的相同成分而吸收其余部分，从而引起人眼的不同彩色感觉。第 2 章显示技术基础一般来说，某一物体的彩色是该物体在特定光源照射下所反射（或透射）的一定的可见光谱成分作用于人眼而引起的视觉效果。例如，红旗反射太阳光中的红色光、吸收其他颜色的光而呈红色；绿叶反射绿色的光、吸收其他颜色的光而呈绿色；白纸反射全部太阳光而呈白色；黑板能吸收全部太阳光而呈黑色。绿树叶拿到暗室的红光源下观察则成了黑色，这是因为红光源中没有绿光成分，树叶吸收了全部红光而呈黑色。第 2 章显示技术基础另外，彩色感觉既取决于人眼对可见光谱中的不同成分有不同视觉效果的功能，同时又取决于光源所含有的光谱成分以及物体反射（或透射）和吸收其中某些成分的特性。所以，同一物体在不同光源照射下人眼感觉到的颜色也有所不同。第 2 章显示技术基础4.标准白光源标准光源是指模拟各种环境光线下的人造光源，它能让生产工厂或实验室等非现场也获得与特定环境下的光源基本一致的照明效果。国际照明委员会（CIE）于1931年推荐了A、B、C和E四种标准光源。以下是几种常见的标准白光源的特点：第 2 章显示技术基础A光源(色温2854 K)为钨丝灯额定光谱，其光色偏黄；B光源(色温4874 K)近似为中午太阳光的光谱；C光源(色温6774 K)相当于白天多云天气的自然光；E光源(色温5500 K)是色度学中采用的一种假想的等能白光（E白），就是当可见光谱范围内的所有波长的光都具有相等辐射功率时所形成的一种白光。E光源无法直接产生，实际上也并不存在，采用它纯粹是为了简化色度学中的计算。第 2 章显示技术基础5.绝对黑体与色温在显示系统中，通常用标准白光源作为照明光源。为了便于对标准白光源进行比较和计算，可用绝对黑体的辐射温度（开氏度、K）色温来表示标准光源的光谱分布和色度特性。这种方法非常符合工程技术的要求，是一种既简单又准确的方法。第 2 章显示技术基础绝对黑体也称全辐射体，是指既不反射，也不透射，而完全吸收入射辐射的物体。它对所有波长辐射光的吸收系数均为100%，反射系数均为零。严格说来，绝对黑体在自然界是不存在的，其实验模型是一个中空的、内壁涂黑的球体，在其上面开一个小孔，进入小孔的光辐射经内壁多次反射、吸收，已经不能再逸出外面，这个小孔的内部球体就相当于绝对黑体。第 2 章显示技术基础色温（Color Temperature）是表示光源光色的一种尺度，单位为K（开尔文）。色温在摄影、图像显示、出版等领域有着极其重要的应用。光源的色温是这样定义的：如果一种光源的光谱分布与绝对黑体在某一温度下的光谱分布相同或者相近，并且二者的色度相同，那么绝对黑体的温度（K）就称为该光源的色温。例如，A光源的色温是2854 K，就是说它的光谱分布与绝对黑体加热到2854 K时的辐射光谱分布相近，而且二者的色度相同。第 2 章显示技术基础绝对黑体所辐射的光谱与它的温度密切相关。绝对黑体的温度越高，辐射的光谱中蓝色成分越多，红色成分越少。如有的品牌CRT显示器的色温高达11 000 K，给人以偏蓝色的感觉。色温与光源的实际温度无关。下面是有关色温的两个例子：第 2 章显示技术基础例1 一个钨丝灯泡在额定功率下所发出的白光，与温度保持为2854 K的绝对黑体所辐射的白光完全相同，于是就称该（灯泡的）白光的色温为2854 K。例2 某CRT显示屏表面的实际温度为300 K（室温）左右，而其显示的白光色温则为6504 K。值得强调的是色温并非光源本身的实际温度，而是用来表征其光谱特性的参量。第 2 章显示技术基础2.1.2 光的度量光的度量1 光谱光效率曲线在明视觉条件下，人眼对380780 nm可见光谱范围内的不同波长的辐射，即各种色光具有不同的感受性。对于等能量的各色光，人眼觉得黄绿色最亮，其次是蓝、紫，最暗是红色。第 2 章显示技术基础人眼对不同色光感受性不一样，可用光谱光效率函数来表征，并用光谱光效率曲线（又称为相对视敏度曲线)来表示。所谓光谱光效率函数就是达到同样亮度时，不同波长所需能量的倒数，即式中，V()为光谱光效率函数值，E()为单色光能量。第 2 章显示技术基础 经过对各种类型人的实验进行统计，国际照明委员会（CIE）推荐的光谱光效率曲线如图2-3所示。它是以对许多正常观察者进行测试所取得的统计平均值为依据的。图2-3中的曲线表明具有相等辐射能量、不同波长的光作用于人眼时，引起的亮度感觉是不一样的。第 2 章显示技术基础图2-3 光谱光效率曲线第 2 章显示技术基础图2-3中的两条曲线分别代表了明视觉和暗视觉特性。由于视网膜含两种不同的感觉细胞，在不同的照明水平下，V（）函数会发生变化。当光亮度大于3 cd/m2时为明视觉，此时视网膜的锥状细胞起主要作用，V（）的峰值产生在550560 nm部位；而当光亮度小于0.03 cd/m2时则为暗视觉，此时视网膜的杆状细胞起主要作用，V()的峰值将向短波长方向移动，大约位于500510 nm的蓝绿色部位。第 2 章显示技术基础总之，图2-3说明，如果光的辐射功率相同而波长不同，人眼的亮度感觉将按曲线规律变化。对于明视觉，当=555 nm时为黄绿光，此时V()=1，亮度感觉最大；对其余波长的光，则V()1，此时亮度感觉减弱；而当 680 nm时，V()0，说明人眼已没有亮度感觉了。第 2 章显示技术基础在以上基本知识的基础上，下面我们将讨论如何用人眼去度量光的辐射，也就是讨论客观光波对人眼刺激的效果。因为人眼对不同波长光的亮度感觉不同，所以用人眼来度量某一波长光的辐射时，其结果不仅与该波长光的辐射功率有关，而且还与人眼对该波长光的光效能有关。下面所引出的几种光学度量单位都是与光谱光效率函数有关的物理量，同时也包含了人眼主观度量的因素。第 2 章显示技术基础2 光的度量单位 1）光通量 光通量是按人眼的光感觉来度量的辐射功率，用符号表示。其单位名称为流明，符号为lm。当555 nm的单色光辐射功率为1 W时，其产生的光通量为683 lm，或称1光瓦。在其他波长时，由于相对视敏度V()下降，相同辐射功率所产生的光通量随之下降。第 2 章显示技术基础2）光照度 光通量与被照射表面面积之比称为光照度，用符号E表示，其单位名称为勒克斯,符号为lx。1勒克斯等于1流明的光通量均匀分布在1平方米面积上的光照度。为了对光照度的单位勒克斯有个大概的印象，列出了下列数据可供参考：室外晴天的光照度约为104勒，室外阴天的光照度约为102勒，月光下的光照度约为101勒，黑夜下的光照度约为104勒。第 2 章显示技术基础 2.2 人眼视觉特性人眼视觉特性 电影每秒投射24幅静止画面，且每画面曝光两次，由于人眼的视觉惰性，看起来就如同活动景象一样。普通电视每秒扫描25帧画面，每帧画面是由625根扫描线组成的，由于人眼的视觉惰性和有限的细节分辨能力，看起来就成了整幅的活动景象。人眼的视觉特性是实现图像显示技术的重要依据。第 2 章显示技术基础2.2.1 人眼的视觉生理基础人眼的视觉生理基础人们的视觉感受是由于光的刺激而引起的，而产生视觉的生理基础则是人的眼睛。人的眼睛是经过长期进化而形成的一个复杂的、功能强大的视觉感受器。它是一个前极稍微凸出，前后直径约为25 mm，横向直径约为20 mm的近似球体。人的眼睛结构可比喻为一台精巧完美的光学照相机，由晶状体、虹膜和视网膜等组成。人的眼睛与照相机的比较见表2-1所示。第 2 章显示技术基础第 2 章显示技术基础与照相机的结构相似，人的眼球由两大系统组成屈光系统(角膜、晶状体和玻璃体等)与感光系统(视网膜)，而在眼球的后极偏向内侧的部分组织则是通过神经与大脑相连来传递视觉信息的。晶状体起着透镜的作用，两侧的肌肉可以调节其凸度，即调节了焦距，以便使不同距离的物体成像在视网膜上；同时吸收一部分紫外线，对眼睛起到保护作用。虹膜紧贴在水晶体上，其中心有一个小孔称为瞳孔。第 2 章显示技术基础瞳孔的直径可以从2 mm调节到8 mm 左右。改变瞳孔的大小，用以调节进入眼睛的光通量，有类似于照相机光圈的作用。视网膜位于眼球的后部，其作用很像照相机中的感光胶片，它由许多光敏细胞组成。这些细胞可以分为两大类：一类叫做杆状细胞，另一类叫做锥状细胞。锥状细胞大部分集中在视网膜上正对着瞳孔的中央部分直径约为2 mm的区域，因其呈黄色，故也称为黄斑区。在黄斑区中央有一个下陷的区域，称为中央凹。第 2 章显示技术基础在中央凹内锥状细胞密度最大，视觉的精细程度主要由这一部分所决定。在黄斑区中心部分，每一个锥状细胞都连接着一个视神经末稍；而在远离黄斑区的视网膜上分布的视觉细胞大部分是杆状细胞，而且视神经末稍分布较稀，几个杆状细胞和锥状细胞或一群杆状细胞合接在一条视神经上。所有这些视神经都通过视网膜后面的一个小孔通到大脑中去，在小孔处几乎没有视觉细胞，因而它不能感觉到光，故这个小孔被称为盲孔或盲点。第 2 章显示技术基础根据近代视觉理论，在光的刺激下，人眼的杆状细胞和锥状细胞分别执行着不同的视觉功能。锥状细胞能够分辨颜色和物体的细节，但锥状细胞的感光灵敏度比较低，它只有在明亮条件下才起作用，因此，锥状细胞是一种明视觉器官。分辨颜色是锥状细胞本身所具有的特性，而分辨细节则是因为锥状细胞密集地分布在中央凹附近，而且每一个锥状细胞连接一根视神经的关系。杆状细胞的感光灵敏度比较高，故杆状细胞是一种暗视觉器官，它可以在光线较暗的条件下起作用，但它却无法分辨颜色与细节。第 2 章显示技术基础由此可见，人眼的视觉具有二重功能，即明视觉功能和暗视觉功能。人眼对不同波长可见光的感受性也是不同的，同样功率的辐射在不同的光谱部位表现为不同的明亮程度。在明视觉情况下，同样功率的不同颜色，人眼感受到的亮度不同；在暗视觉情况下，由于锥状细胞几乎不起作用，人眼看不到光谱上的各种颜色，视觉成为灰色。值得一提的是：不同的人对相同波长的感光灵敏度也稍有差别，即使对同一个人来讲，也会因其年龄、健康状况和周围环境等原因而有所不同。第 2 章显示技术基础2.2.2 视觉的时间特性和空间特性视觉的时间特性和空间特性1 视觉的时间特性人眼在观察景物时，光信号传入大脑神经，需经过一段短暂的时间，当光的作用结束后，视觉形象并不立即消失，这种残留的视觉现象被称为“视觉暂留”。这里先介绍视觉适应能力，然后再讨论视觉惰性与闪烁等问题。第 2 章显示技术基础1）视觉适应能力 人眼对亮度的适应范围大约是一千万比一，之所以有这样大的适应性，除了瞳孔的调节作用之外，主要是视觉细胞的调节作用。人的眼睛看物体感觉亮与不亮，这就是主观亮度。这个主观亮度与观察者的生理和心理特性直接相关。此外，在客观上主观亮度也取决于视网膜上所接收到的光的照度。第 2 章显示技术基础在日常生活中，当人们从明亮的地方突然进入黑暗环境，或在黑夜的房间突然关掉电灯，要经过一段时间才能看清物体，这就是暗适应现象。相反，当人们从黑暗环境突然进入明亮的地方，最初会感到一片耀眼的光亮，不能看清物体，只有稍待片刻才能恢复视觉，这称为明适应现象。第 2 章显示技术基础暗适应是人眼对光的敏感度在暗光处逐渐提高的过程。当人从明亮的环境进入黑暗的环境时，瞳孔的直径会由小变大，使进入眼球的光线增加，以适应黑暗的环境。但这个适应范围是很有限的，因此瞳孔的变化并不是暗适应的主要生理机制，而只是在明亮环境下调节眼睛适应能力的一种手段。第 2 章显示技术基础暗适应的主要生理机制是视觉的二重功能的作用，是在黑暗中由中央视觉转变为边缘视觉的结果。在黑暗中，视网膜边缘部分的杆状细胞内有一种紫红色的感光化学物质，叫做视紫红质。在明亮环境下视紫红质因被曝光而破坏退色，使杆状细胞失去对亮度的感受能力。当进入黑暗环境时，视紫红质又重新合成而恢复其紫红色，使杆状细胞恢复其对亮度的感受能力，故所谓视觉的暗适应过程是与视紫红质的合成过程相对应的。第 2 章显示技术基础研究表明，在进入黑暗环境的初期，暗适应进行得很快；而在后期，暗适应则进行得较慢。一般具有正常视觉能力的人在进入黑暗环境5分钟左右就能基本达到暗适应，而完全达到暗适应则需要约30分钟左右，这时视觉感受能力大大提高。图2-3中的暗视觉曲线就是在完全暗适应的条件下得到的。明适应则进行得较快，在一分钟内即可达到稳定。第 2 章显示技术基础明适应过程开始时，耀眼的光感主要是由于人眼在黑暗环境蓄积起来的已是合成状态的视紫红质在进入明亮环境时先迅速分解，因为它对光的敏感性较锥状细胞中的感光色素高；只有在较多的杆状细胞色素迅速分解之后，对光较不敏感的锥状细胞色素才能在亮光环境中感光。第 2 章显示技术基础另外，红光对杆状细胞的视紫红质不起破坏作用，所以红光不阻碍杆状细胞的暗适应过程。在黑暗环境下工作的人们，在进入光亮环境之前戴上红色眼镜，再回到黑暗环境时，他们的视觉感受性仍然保持原来的水平不需重新进行暗适应。所以，重要的信号灯、车辆的尾灯等采用红光也是利于人眼进行暗适应的。夜航飞机驾驶舱的仪表采用红光照明既能保证飞行员看清仪表，又能保持视觉暗适应的水平，以利于在黑夜的天空观察机舱外部的物体。第 2 章显示技术基础对暗适应的生理机制有了一定认识之后，下面进一步研究眼睛对亮度的总的感觉能力。有一个经典的实验可以说明亮度等级。实验时，把一个原本亮度均匀的画面分为左、右两等份，其中每一份的亮度都连续可调。现在维持其中左边一份的亮度B不变，而逐渐增加右边一份的亮度，当右边一份的亮度增加至B+B时，人眼刚好感觉到左、右两份的亮度出现差别，于是我们就规定此时左、右这两个亮度的感觉差是一级，即相差一个亮度等级。第 2 章显示技术基础依此类推就可以得出任意某两个物体亮度之间相差有几级，这种相差级的数目就叫做亮度等级数，一般就称为亮度等级，它可作为亮度感觉的单位。实验证明，在正常亮度环境条件下，对相邻的两画面的亮度进行辨认，只要这两画面有3%以上的亮度差异，人眼就可以区分出；而对相距较远的两画面，它们的亮度要相差一倍时，人眼才有明显的感觉。第 2 章显示技术基础人眼的亮度适应性对于设计显示系统有很重要的意义。前面已经提到过人眼的亮度适应范围大约是一千万比一，如果要求显示系统也要具有如此大的亮度范围实际上是办不到的，也是没有必要的。考虑到眼睛的亮度适应性，则解决这个问题就变得简单多了，因为在眼睛已适应某一平均亮度的条件下，能分辨景象中各种亮度的感觉范围就小得多。第 2 章显示技术基础平均亮度环境较高时，眼睛的亮度适应范围大约是10001；而在平均亮度环境亮度很低时，眼睛的亮度适应范围则只有约101。例如：在平均亮度环境为lgB=3时，眼睛对于亮度为lgB=5的物体已感觉到很亮了，即使再增大该物体的亮度，眼睛也不觉得更亮；而在同样的平均亮度环境为lgB=3时，眼睛对亮度为lgB=1的物体已感觉较黑暗了，即使该物体亮度再进一步减少，眼睛也不易觉得有明显的变化。第 2 章显示技术基础又如：在平均亮度环境为lgB1.5时，眼睛对于亮度为lgB=1的物体已感觉到很亮；而对于亮度为lgB=2的物体，则感觉是黑色，此时眼睛可区分的亮度范围较窄。第 2 章显示技术基础人眼的这一特性首先应用在广播电视系统中，在晴朗的白天用摄像机摄取室外景物时，可分辨的亮度范围约为20020 000 cd/m2，低于200 cd/m2的亮度都引起黑色的感觉。利用眼睛的视觉适应性，把摄制的景物在一个具有2200 cd/m2亮度范围的电视接收机屏幕上重现出来，在平均亮度较低的室内观看，那么人的主观感觉与实际景象基本上是相同的。第 2 章显示技术基础 2）视觉惰性与闪烁 眼睛的另一重要特性是视觉惰性，也就是眼睛对亮度的主观感觉与外界光的作用时间有关，这一现象可以通过光化理论得到解释。因为视觉细胞在外界光作用之下其视敏物质经过曝光染色过程是需要时间的，因此，极短时间的光脉冲给我们的感觉不如亮度相同的恒定光那么亮；另一方面，当外界光消失之后，我们的亮度感觉还会残留一段时间，这个现象称为视觉惰性。第 2 章显示技术基础利用视觉惰性，以周期性的光脉冲对眼睛反复进行刺激时，我们就会感到每刺激一次眼睛就会闪现一次图像；当光脉冲刺激频率足够高时，该图像就会变成稳定的、与恒定光刺激时一样的图像。近代电影、电视等显示技术等正是利用了这一生理上的特点才发展起来的。第 2 章显示技术基础视觉惰性能够被加以利用的关键原因是视觉暂留，即在外界光脉冲作用之下，亮度在眼睛里建立得快、而消失得慢。一般正常人眼睛的视觉暂留时间为0.1 s左右。用一个简易的实验可证明人眼有视觉惰性。在黑暗中，用一支点燃的香烟在空中划圆圈，当划圈的速度足够快时，所看到的就不是一个移动的光点，而是一个完整的光圈。这是因为虽然某点上的点光源已经移走了，但人眼还觉得它存在，这就是人眼对亮度感觉的惰性。第 2 章显示技术基础图2-4给出了人眼的视觉惰性的示意图。当图2-4(a)所示的光脉冲（可用电筒作发射光源）作用于人眼时，眼睛所感觉到的主观亮度如图2-4(b)所示。可见,人眼的亮度感觉滞后于实际光脉冲信号，当光脉冲消失之后，亮度感觉需要过一段时间才能完全消失，这种现象就是人眼的视觉惰性。通常把图2-4中t2t3时间间隔称为视觉暂留时间。人眼的视觉惰性表示人眼的时间分辨能力是有限的。人眼的视觉特性在电视、电影等显示技术中都得到了充分的应用。第 2 章显示技术基础图2-4 人眼的视觉惰性示意图第 2 章显示技术基础在CRT显示设备中，电子束打到荧光屏上时就出现一个亮点，给人一个时间极短的光脉冲。如果此亮点在荧光屏上高速运动，由于眼睛的视觉残留作用，所看到的就不是一个亮点，而是一幅完整的图形。为了看到稳定的图形，不但要求亮点在荧光屏上的运动速度足够高，而且还要进行不断地重复，也就是通常所说的刷新。第 2 章显示技术基础如果刷新的间隔时间太长，以至于前一次在眼睛里残留的图像快要消失了才进行重复，那么就会感到一明一暗的闪烁现象，因此刷新的时间间隔（也叫做刷新周期）不能太长。正好使人感到不闪烁的刷新频率称为临界闪烁频率（Critical Fusion Frequency)，简记为CFF。由于计算机处理数据的能力越来越高，这就要求在显示器上无闪烁地显示大量的数据，而CFF则限制了这种能力。第 2 章显示技术基础在CRT显示系统中，荧光粉本身也有一定的惰性，它表现为：当受到电子束轰击时，其光输出按指数规律较快地增长到最大值；当电子束停止轰击时，其光输出并不立即停止，而是按指数规律慢慢地衰减，这种现象叫做荧光粉的余辉。因此，临界闪烁频率不但与人的视觉惰性有关，而且也与荧光粉的特性有关。第 2 章显示技术基础另外，眼睛对亮度感觉的敏锐程度与平均亮度水平有关，而造成闪烁现象的实质是由于在图像的某一像素上因电子束前一次轰击在视网膜上所感觉到的亮度与这一次轰击所感觉到的亮度之间已能发觉出差异。根据前面对视觉适应能力的讨论，当平均亮度水平较高时，眼睛对亮度差异的鉴别能力也高。可见，临界闪烁频率与平均亮度水平也是有关的。第 2 章显示技术基础研究表明，在正常亮度范围内，临界闪烁频率与亮度的对数之间有着线性关系。此关系可用如下数学公式近似表示：fca lgBa+b 式中，fc为临界闪烁频率（Hz，赫兹）；a,b为与环境亮度和在视网膜上成像的位置有关的修正系数；Ba为被检测画面的平均亮度（nit)。第 2 章显示技术基础对普通CRT显示器而言，设屏幕表面的平均亮度为Ba=100 nit，此时的修正系数分别为：a9.6,b26.6,则其临界闪烁频率则为：fc=a lgBa+b=45.8 Hz 临界闪烁频率还与亮度变化幅度有关，亮度变化幅度越大，闪烁频率越高。另外相继两幅画面本身的亮度分布和颜色、观看者到画面的距离以及环境条件等也都对临界闪烁频率有影响。第 2 章显示技术基础2 视觉的空间特性1）视角眼睛的视野是比较大的，视线方向的中心与鼻侧的夹角约为65，与耳侧的夹角约为100104，向上方约65，向下方约75，在此范围内的外界景物皆可不必转动头部而被人所看见，但要真正准确地辨认则只是在视网膜的中心凹处很小的范围内。第 2 章显示技术基础通常所说的视力就是指眼睛分辨物体细节的能力，准确地说，应称之为中心凹视力，其大小是以被观察物体与眼睛所形成的张角来表示的。这个张角又叫做视角，其大小决定了被观察物体在视网膜上成像的大小。距观察者一定距离的物体若对眼睛形成较大的视角，则在视网膜上形成的影像也较大。第 2 章显示技术基础图2-5 人眼分辨力的测试第 2 章显示技术基础分辨力是指人眼在观看景物时对细节的分辨能力。对人眼进行分辨力测试的方法如图2-5所示，在眼睛的正前方放一块白色的屏幕，屏幕上面有两个相距很近的小黑点，逐渐增加画面与眼睛之间的距离，当距离增加到一定长度时，人眼就分辨不出有两个黑点存在，感觉只有一个黑点，这说明眼睛分辨景物细节的能力有一个极限值，我们将这种分辨细节的能力称为人眼的分辨力或视觉锐度。第 2 章显示技术基础如图2-5所示，用L表示眼睛与图像之间的距离，d表示能分辨的两点间最小距离，则有：人眼的最小视角取决于相邻两个视敏细胞之间的距离。对于正常视力的人，在中等亮度情况下观看静止图像时，其视角为11.5。第 2 章显示技术基础人眼对彩色细节的分辨力比对黑白细节的分辨力要低。例如，黑白相间的等宽条子，相隔一定距离观看时，刚能分辨出黑白差别，如果用红绿相间的同等宽度条子替换它们，此时人眼已分辨不出红绿之间的差别，而是一片黄色。实验还证明，人眼对不同彩色的分辨力也各不相同。如果眼睛对黑白细节的分辨力定义为100%，则实验测得人眼对各种颜色细节的相对分辨力如表2-2所示（用百分数表示）。第 2 章显示技术基础第 2 章显示技术基础2）视觉锐度和分辨力 人通过视觉器官辨认外界物体的敏锐程度称为视觉锐度（用V表示），即用视觉锐度来表示视觉器官辨认外界物体细节的能力，通常情况下也叫做分辨力。一个人能辨认物体细节的尺寸愈小，其视觉锐度就越高；反之，视觉锐度愈差。眼睛对物体细节的辨认主要是视网膜中央凹部分的功能，而中央凹部分主要是锥状细胞，因此只有在较高亮度条件下才能得到较高的视觉锐度。第 2 章显示技术基础分辨力的定义是：眼睛对被观察物上相邻两点之间能分辨的最小距离所对应的视角的倒数，即视觉锐度在医学上叫做视力。我国是以5米远为标准距离，在正常照明条件（200100）lx下，观察视力表的视标来确定视力的。若只能看清第一行视标（10视角），则视力为0.1；看清第二行视标（5视角），则视力为0.2；看清第十行视标（1视角），则视力为1.0；看清第十二行视标（0.83视角），则视力为1.2，等等。分辨力=第 2 章显示技术基础很明显，视觉锐度与观察距离有很大的关系。一个原来看不清楚的细小物体，移到离眼睛较近时便可以看清楚了，这是因为物体对眼睛形成的视角比原来增大了，视网膜上所形成的像也相应地增大了的缘故。在理论上，当被观察的两个细节单位在视网膜上所形成的像足能落在两个相邻的、独立的感光细胞上面时，就能将这两个细节单位区分开来。第 2 章显示技术基础另外，视觉锐度与物体在视网膜上成像的位置有关，因为人眼的光敏细胞在黄斑区分布较密，在黄斑区中央凹部分集中有大量的锥状细胞，因而这里的视觉锐度最高。在光刺激偏离中央凹部5处，视觉锐度几乎下降一半；而偏离4050处，视觉锐度就只有中央凹部的1/20左右。第 2 章显示技术基础视觉锐度和照明强度也有关系。当照明强度太低时，只有杆状细胞起作用，视觉锐度大大下降，而且分辨不出颜色。相反，当照明强度太大时，视觉锐度也不会再增加，甚至由于“眩目”现象而降低。视觉锐度还与景物和背景亮度的相对对比度有关。当物体亮度与背景亮度接近时，人眼对细节的分辨能力自然要降低。第 2 章显示技术基础视觉锐度、视力、分辨力都是表示人眼分辨物体细节的能力。在显示技术中常常还会遇到“分辨率”这个词，它表示显示设备的屏幕上一幅画面能够精细到怎样的程度，通常用在一定宽度内能够排列下多少对能为人眼所区分开的亮暗线对来表示，例如：640480,1024768,12801024等。因此，从基本概念上来说，它与人的视力是两个不同的量，但是它们之间又有密切的联系，这种联系就是下面将要说明的视觉的空间频率特性。第 2 章显示技术基础3）视觉的空间频率特性 前面我们采用视角（）和视觉锐度（V=1/）来表示眼睛的分辨力。这种方法得到的数据使用起来缺乏普遍意义，因为人眼的分辨力与图像细节的对比度以及图像的照明强度是密切相关的。例如，如果相邻的两条黑白条纹的亮度相差无几，即使条纹较宽，与人眼形成的视角达到35，观察者也不一定能区分清楚。另外，在实际观察条件下，分辨力还与光信号的噪音有关。第 2 章显示技术基础实际上“分辨率”这个参量是人和机器特性相结合所得出的最终结果。就机器设备来说，应当使用“可分解单元数”，因此在有的地方对显示设备也使用“分解力”来描述。一台可分解单元数很高的显示设备，其系统的小信号带宽必然很大，而且对于彩色系统来说，其涂屏结构也必然很精细。就人的方面来说，眼睛分辨物体细节的特性属于眼睛的空间特性，其分辨力应以空间频率来表示。第 2 章显示技术基础（1）空间频率的概念。一个任何形状波形的图像信号都可以分解为各种不同频率和不同幅度的谐波分量，如果这些谐波分量的幅度不是随时间变化而是随空间位置的不同而变化，为区别于随时间变化的图像信号的频率概念，我们称这种频率为空间频率。空间频率分水平空间频率（m）和垂直空间频率(n）两种。下面用图2-6中的三种不同的黑白条信号来说明空间频率的概念。第 2 章显示技术基础图2-6 三种黑白条信号(a)m=3，n=0；(b)m=0,n=2；(c)m=2,n=2第 2 章显示技术基础图2-6(a)在垂直方向上画面的亮度没有变化，而在水平方向整个屏幕宽度范围内有三个周期明暗的变化，所以我们称该画面的水平空间频率m=3，垂直空间频率n=0；图2-6(b)在水平方向没有明暗变化，而在垂直方向有两个周期明暗的变化，所以我们称图2-6(b)的水平空间频率m=0，垂直空间频率n=2。第 2 章显示技术基础水平空间频率的定义是：画面宽度范围内垂直黑白条的周期数（c/pw)；垂直空间频率的定义是：画面高度范围内水平黑白条的周期数（c/ph),一般不写单位，只标明m、n的具体数字。如图2-6(a)画面的空间频率可用（3,0)表示，图2-6(b)画面的空间频率可用（0,2)表示，而图2-6(c)画面的空间频率可用（2,2)表示，括号中第一个数字为水平空间频率数，后一个数为垂直空间频率数。第 2 章显示技术基础（2）空间频率与图像信号频率的关系。显示图像的空间频率与图像信号频率之间有着一一对应的关系。图2-6(a)的图像信号，如只考虑它的基频信号的话，该图像信号的最高频率为行频的3倍。一般地说，在只存在水平空间频率的情况下，所得到的图像信号最高频率fm为fmm fH式中fH为行频，m为水平空间频率。第 2 章显示技术基础对于如图2-6(b)所示的只存在垂直空间频率的画面，在隔行扫描的情况下，每场只得到两个周期的脉冲信号，此时，图像信号的最高频率fn为 fnnfV 式中n是垂直空间频率，fV是场频。而对于如图2-6(c)所示的同时存在水平和垂直空间频率的画面来说，在隔行扫描的情况下，此时，图像信号的最高频率fmn为 fmnmfH+nfV第 2 章显示技术基础2.3 色色 度度 学学 基基 础础2.3.1 彩色三要素彩色三要素亮度是指彩色光对人眼所引起的明亮程度感觉。当光波的能量增强时，亮度就增加；反之亦然。此外，亮度还与人眼光谱响应特性有关，不同的彩色光，即使强度相同，当分别照射同一物体时也会对人眼产生不同的亮度感觉。实验表明，人眼对550 nm的光波亮度感觉最灵敏。第 2 章显示技术基础色调是指光的颜色种类。例如，红、橙、黄、绿、青、蓝、紫分别表示不同的色调。色调是彩色最基本的特性。色饱和度是指彩色的纯度，即颜色掺入白光的程度，或指颜色的深浅程度。某彩色掺入的白光越多，其色饱和度就越低；掺入的白光越少，其色饱和度就越高；不掺入白光，即白光为零，则其色饱和度为100%；全为白光，则其色饱和度为零。第 2 章显示技术基础2.3.2 三基色原理三基色原理三基色原理的主要内容是：（1）自然界中的绝大部分彩色，都可以由三种基色按一定比例混合得到；（2）任意一种彩色均可以被分解为三种基色；（3）由三基色混合而得到的彩色光的亮度等于参与混合的各基色的亮度之和；（4）三基色的比例决定了混合色的色调和色饱和度。第 2 章显示技术基础值得强调的是：作为基色的三种彩色要相互独立，即其中任何一种基色都不能由另外两种基色混合来产生。彩色电视的实现就是基于此三基色原理。在彩色电视中，通常选用红(用字母R表示)、绿(用字母G表示)、蓝(用字母B表示)作为三种基色光。第 2 章显示技术基础三基色原理为彩色电视技术奠定了理论基础，极大地简化了用电信号来传送彩色图像的技术问题。它把需要传送景物丰富多样的彩色的任务，简化为只需传送三种基色信号。我们已经知道，黑白电视只是重现景物的亮度，故发射台只需传送一个反映景物亮度的电信号就行了，而彩色电视要传送的却是亮度不同、彩色千差万别的电信号。第 2 章显示技术基础试想，如果每一种彩色都使用一个与它对应的电信号，那么发射台就要传送许许多多的电信号，显然，这在技术上是难以实现的。若根据三基色原理，我们就只需把要传送的彩色分解成红（R）、绿（G）、蓝（B）三种基色，然后再将它们转换成三种电信号进行传送。在电视接收端，再将这三种电信号送至彩色显像管，经过混色的方法就能重现原来被传送的彩色图像了。第 2 章显示技术基础彩色混色法有两种：一种是彩色光的混色，这种方式是用加法混色。例如彩色电视中，利用三基色原理将彩色分解和重现，最终使三基色光同时作用于人眼，视觉相加混合获得不同的彩色感觉；另一种是彩色颜料的混色，是用减法混色，如绘画等，它们的混色规律是不同的。这里只讨论彩色电视所用的相加混色法，其混色规律如图2-7所示。第 2 章显示技术基础图2-7 混色图(a)相加混色图；(b)彩色三角形第 2 章显示技术基础从图2-7(a)得知：红光绿光黄光红光蓝光紫光绿光蓝光青光红光绿光蓝光白光以上均指各种光等量相加，若改变它们间的混合比例，则可以得到各种颜色的光。例如红光与绿光混合时，如果红光由小至大变化，将依次产生绿、黄绿、橙、红等颜第 2 章显示技术基础为了实现相加混色，除了将三种不同亮度的基色光同时投射到一个全反射表面上从而合成不同的彩色光以外，还可以利用人眼的视觉特性用下列方法进行混色。（1）时间混色法：将三种基色光按一定顺序轮流投射到同一表面上，只要轮换速度足够快，则由于人眼的视觉惰性，人眼产生的彩色感觉就与由三基色直接混色时产生的彩色感觉相同。第 2 章显示技术基础（2）空间混色法：将三种基色光分别投射到同一表面上邻近的三个点上，只要这些点相距足够近，则由于人眼分辨率的限制，也将产生三基色相混色的彩色感觉。为了直观地表现三基色的混色原理，确定混色后各种颜色之间的关系，常采用彩色三角形来表示三基色的混色过程。彩色三角形是一个等边三角形，三个顶点放置三基色，其余各处的混色可相应确定，如图2-7(b)所示。第 2 章显示技术基础(1)每条边上各点代表的颜色是相应的两个基色按不同比例混合的混合色。青、紫、黄三补色位于相应三边的中点，它是相应的两基色等量时的混合色。(2)彩色三角形的重心是白色，它是等量的三基色的混合色。(3)每根中线两端对应的彩色互为补色，由于中线过重心，说明两补色可混合成白色。第 2 章显示技术基础(4)每边的彩色为纯色，色饱和度为100%。每边上任一点至重心，其色饱和度逐渐下降至零，而色调不变。如图2-7中的A点为粉红色。根据三基色原理，将红、绿、蓝三种基色按不同比例混合，可以获得各种色彩。第 2 章显示技术基础2.3.3 亮度方程亮度方程显像三基色要混合成白光，所需光通量之比是由所选用的标准白光和所选三基色的不同而决定的。实验表明，目前NTSC制彩色电视中，由三基色合成的彩色光的亮度符合下面的关系：Y=0.299R+0.587G+0.114B 第 2 章显示技术基础上式为彩色电视中常用的亮度方程，该式定量地说明了由三基色合成彩色光的亮度关系，也是在彩色电视技术中，无论是彩色重现，还是彩色分解都必须遵守的一个重要关系式。由于彩色电视制式不同，所规定的标准白光和选择的显像三基色荧光粉是不一样的。因此，由三基色合成的彩色光的亮度方程也不一样。例如，PAL制的亮度方程为：Y=0.222R+0.707G+0.071B第 2 章显示技术基础亮度方程通常近似写成：Y=0.30R+0.59G+0.11B 式中，R、G、B前面的系数0.30、0.59、0.11分别代表R、G、B三种基色对亮度所起的作用，称为可见度系数。例如，在一个单位亮度的白光当中，红基色对白光亮度的贡献为30%，绿基色对白光亮度的贡献为59%，蓝基色对白光亮度的贡献为11%。第 2 章显示技术基础当R=G=B=1时，合成的亮度为白色光；当R=G=B=01之间时，则为灰色光；当R=G=B=0时，为黑色光。而当R、G、B取不同的值时，就可以配出各种不同色调和不同饱和度的颜色。第 2 章显示技术基础在彩色电视信号传输过程中，亮度信号和三基色信号是以电压的形式来表示的，因此，亮度方程可以改写成电压的形式，即 EY0.30ER+0.59EG+0.11EB式中，EY、ER、EG、EB分别代表亮度信号、红基色信号、绿基色信号和蓝基色信号的电压，且各自独立。已知其中任意三种，就可通过加、减法矩阵电路来合成第四种。在后面的讨论中，为了书写方便，把以上四种信号电压EY、ER、EG、EB分别用Y、R、G、B来表示。第 2 章显示技术基础2.4 图像的分解、图像的分解、传送和合成传送和合成2.4