第2章 电视原理(精品).ppt
vv2.1 2.1 2.1 2.1 基准光源基准光源基准光源基准光源vv2.2 2.2 2.2 2.2 人眼的彩色视觉特性人眼的彩色视觉特性人眼的彩色视觉特性人眼的彩色视觉特性vv2.3 2.3 2.3 2.3 三基色原理三基色原理三基色原理三基色原理vv2.4 2.4 2.4 2.4 CIECIE物理三基色(物理三基色(物理三基色(物理三基色(RGBRGB)计色系统)计色系统)计色系统)计色系统vv2.5 2.5 2.5 2.5 CIECIE标准三基色(标准三基色(标准三基色(标准三基色(XYZXYZ)计色系统)计色系统)计色系统)计色系统vv2.6 2.6 2.6 2.6 均匀色度标度(均匀色度标度(均匀色度标度(均匀色度标度(UCSUCS)系统)系统)系统)系统vv2.7 2.7 2.7 2.7 彩色电视中的三基色彩色电视中的三基色彩色电视中的三基色彩色电视中的三基色第第2 2章章 三基色原理和计色系统三基色原理和计色系统2.2.1.1 1.1 光谱功率分布光谱功率分布v光谱功率分布光谱功率分布是指光源的光谱辐射功率按波长的分是指光源的光谱辐射功率按波长的分布,不同的光源有不同的光谱功率分布。布,不同的光源有不同的光谱功率分布。v为了比较不同光源光谱功率分布的差异,采用光谱为了比较不同光源光谱功率分布的差异,采用光谱相对功率分布,即纵坐标采用各波长辐射功率和相对功率分布,即纵坐标采用各波长辐射功率和555nm辐射功率的比值辐射功率的比值(555nm处为处为1)。2.2.1 1 基准光源基准光源色温色温v为了表述为了表述“白光白光”,以便于区分它们,一般采用,以便于区分它们,一般采用“色温色温”概念。概念。色色温温:如如果果一一个个光光源源发发射射光光的的颜颜色色与与黑黑体体在在某某一一温温度度下下辐辐射射光光色色相相同同时时,则则将将该该黑黑体体的的温温度度(用用绝绝对对温度温度K K)称为该光源的色温。称为该光源的色温。v由于常见白光源的光色并不准确与某一温度绝对黑由于常见白光源的光色并不准确与某一温度绝对黑体的光色相同,只是接近,通常将色光最接近的黑体的光色相同,只是接近,通常将色光最接近的黑体温度称为该光源的相关色温。体温度称为该光源的相关色温。2.2.1.2 1.2 几种基准光源介绍几种基准光源介绍v为了进行光源的比较和彩色计算,国际照明委员会(为了进行光源的比较和彩色计算,国际照明委员会(CIECIE)对彩色电视中要应用到的几种基准光源作了明确的规定。对彩色电视中要应用到的几种基准光源作了明确的规定。v1 1A A光源(光源(A A白)白)v色温为色温为2845K2845K,相当于钨丝灯在,相当于钨丝灯在2800K2800K时发出的光,其波谱能时发出的光,其波谱能量主要集中在红色和红外线区域较大,所以看起来带些橙红量主要集中在红色和红外线区域较大,所以看起来带些橙红色。是一种能实现的基准光源。色。是一种能实现的基准光源。v2.B2.B光源(光源(B B白)白)v其相关色温为其相关色温为4800K4800K,接近于中午直射阳光,在实验室中,接近于中午直射阳光,在实验室中,可以用特制的滤色镜在可以用特制的滤色镜在A A光源下获得。光源下获得。v3.C3.C光源(光源(C C白)白)v相关色温为相关色温为6770K6770K,相当于白天的自然光,相当于白天的自然光,其波谱其波谱能量在能量在400400500nm500nm处最大,可见处最大,可见C C白含蓝色成份较白含蓝色成份较多。也可用特制滤色镜由多。也可用特制滤色镜由A A光源获得。光源获得。v4.D654.D65光源(光源(D65D65白)白)v相关色温为相关色温为6500K6500K,相当于白天的平均光照,用来,相当于白天的平均光照,用来作为照明光源时,被照射物体所呈现的颜色更接近作为照明光源时,被照射物体所呈现的颜色更接近于在日光照射下的真实颜色。所以,于在日光照射下的真实颜色。所以,19671967年年CIECIE(国际照明委员会)建议采用(国际照明委员会)建议采用D65D65作为标准光源。作为标准光源。v5 5E E光源(光源(E E白)白)v相关色温为相关色温为5500K5500K,是在色度学中采用的一种等能,是在色度学中采用的一种等能白光,就是当可见光谱范围内所有波长的光都具有白光,就是当可见光谱范围内所有波长的光都具有相等辐射功率时所形成的一种白光。这种白光自然相等辐射功率时所形成的一种白光。这种白光自然界中不存在,但采用它大大简化了色度学中的计算,界中不存在,但采用它大大简化了色度学中的计算,故是为彩色计算而引入的一种假想光源。故是为彩色计算而引入的一种假想光源。2.2 人眼的彩色视觉特性人眼的彩色视觉特性v任何一种彩色光对人眼引起的视觉作用,任何一种彩色光对人眼引起的视觉作用,都可以用彩色光的亮度、色调、饱和度这都可以用彩色光的亮度、色调、饱和度这三个量来描述,称为彩色三要素。三个量来描述,称为彩色三要素。2.2.1.2.2.1.人眼的辨色能力人眼的辨色能力v彩色视觉是人眼一种明视觉功能。彩色视觉是人眼一种明视觉功能。v为确切表示某一彩色光,必须有三个独立的参量:亮度、色调为确切表示某一彩色光,必须有三个独立的参量:亮度、色调和饱和度,它们称为彩色的三要素。和饱和度,它们称为彩色的三要素。v亮度亮度:表征色光对人眼刺激程度的强弱,即引起明亮感觉的程表征色光对人眼刺激程度的强弱,即引起明亮感觉的程度,它与进入人眼色光的光能有关。度,它与进入人眼色光的光能有关。v色调色调:表征彩色之间的差异性,反映颜色的类别。表征彩色之间的差异性,反映颜色的类别。人眼彩色感觉的非单一性人眼彩色感觉的非单一性v不同光谱的色光可以给人以相同的颜色感觉,不同光谱的色光可以给人以相同的颜色感觉,这就是所谓的彩色感觉的非单一性,又称为这就是所谓的彩色感觉的非单一性,又称为“同色异谱同色异谱”;v同色异谱特性对彩色电视非常重要,即在电视同色异谱特性对彩色电视非常重要,即在电视图像的重现过程中,不必重现原景物的光谱分图像的重现过程中,不必重现原景物的光谱分布,只需使重现图像与原景物有相同的彩色视布,只需使重现图像与原景物有相同的彩色视觉效果即可。觉效果即可。2.2.2 彩色感觉的空间混色和时间混色特性彩色感觉的空间混色和时间混色特性v1.空间混色空间混色v是指人眼在较远的距离观看彼此间隔很近的不同色光的小光是指人眼在较远的距离观看彼此间隔很近的不同色光的小光点时,由于受视觉分辨力的限制而不能区分出各个彩色的光点时,由于受视觉分辨力的限制而不能区分出各个彩色的光点,感觉到的是混合颜色效果的特性。点,感觉到的是混合颜色效果的特性。v彩色显像管的荧光屏、彩色液晶显示屏和等离子体显示屏都彩色显像管的荧光屏、彩色液晶显示屏和等离子体显示屏都是根据人眼空间混色特性得到彩色图像的。荧光屏各区域三是根据人眼空间混色特性得到彩色图像的。荧光屏各区域三种荧光粉点(或条)不同的发光亮度便可形成不同的彩色图种荧光粉点(或条)不同的发光亮度便可形成不同的彩色图像。像。u2.时间混色时间混色u是指在同一个位置轮流投射两种或两种以上是指在同一个位置轮流投射两种或两种以上的彩色光时,如果轮换速度高到一定值后,的彩色光时,如果轮换速度高到一定值后,由于人眼视觉暂留效应,感觉到的是它们混由于人眼视觉暂留效应,感觉到的是它们混合彩色的特性。合彩色的特性。v细节分辨力是由分辨角来表示的,分辨角越小,分辨力越细节分辨力是由分辨角来表示的,分辨角越小,分辨力越高。高。v实验表明,实验表明,人眼对彩色细节的分辨力要比对黑白细节的分人眼对彩色细节的分辨力要比对黑白细节的分辨力低很多。辨力低很多。静止图像黑白细节的分辨角为静止图像黑白细节的分辨角为1-1.5,彩色细彩色细节(如红、绿相间的水平条)的分辨角比黑白细节分辨角节(如红、绿相间的水平条)的分辨角比黑白细节分辨角大大3至至5倍,约倍,约7.5;v实验还证明人眼对不同的色调组成,细节分辨力也不相同。实验还证明人眼对不同的色调组成,细节分辨力也不相同。例如,当刚能分辨出红绿相间条纹的条件下换成蓝绿条纹例如,当刚能分辨出红绿相间条纹的条件下换成蓝绿条纹就不能分辨了。就不能分辨了。2.2.3 2.2.3 彩色细节分辨力彩色细节分辨力 2.3 三基色原理三基色原理u三基色原理就是由三种基本颜色混合出人眼在自然界通常所三基色原理就是由三种基本颜色混合出人眼在自然界通常所能感觉到的绝大部分颜色。能感觉到的绝大部分颜色。u电视中采用相加混色法电视中采用相加混色法著名的格拉兹曼法则是表述和进行彩色量度的基本依据著名的格拉兹曼法则是表述和进行彩色量度的基本依据 1人的视觉只能分辨颜色的三种变化,即亮度、色调和人的视觉只能分辨颜色的三种变化,即亮度、色调和色饱和度;色饱和度;2任何彩色均可以由三种彩色混合得到时,称这三种彩任何彩色均可以由三种彩色混合得到时,称这三种彩色为三基色;色为三基色;3合成彩色光的亮度等于三基色分量亮度之和,即符合合成彩色光的亮度等于三基色分量亮度之和,即符合亮度相加定律;亮度相加定律;相加定律:相加定律:混合光的总亮度等于各分量光亮度之和。混合光的总亮度等于各分量光亮度之和。注意:格拉斯曼颜色混合定律只适合于加色法。注意:格拉斯曼颜色混合定律只适合于加色法。2.3.1 格拉兹曼法则4光谱组成成分不同的光在视觉上可能具有相同的光谱组成成分不同的光在视觉上可能具有相同的颜色外貌,即相同的彩色感觉。颜色外貌,即相同的彩色感觉。5在有两个成份组成的混合色中,如果一个成份连在有两个成份组成的混合色中,如果一个成份连续地变化,混合色也连续地变化,由此可导出两个派续地变化,混合色也连续地变化,由此可导出两个派生定律:生定律:补色律补色律当两种颜色混合得到白色或灰色时,称这两种颜色互当两种颜色混合得到白色或灰色时,称这两种颜色互为补色。为补色。中间色律中间色律任何两个非补色的色光相混合,可产生出它们两个色任何两个非补色的色光相混合,可产生出它们两个色调之间的新的中间色调。调之间的新的中间色调。v两块白板将人眼的视场分为两等分,在左半视场的屏幕上投两块白板将人眼的视场分为两等分,在左半视场的屏幕上投射待配彩色光,在右半视场屏幕上投射三基色光。调节三基射待配彩色光,在右半视场屏幕上投射三基色光。调节三基色光的光通量,使由三基色光混合得到的颜色与待配颜色完色光的光通量,使由三基色光混合得到的颜色与待配颜色完全相同,即达到颜色匹配。这时从调节器刻度上就可得出混全相同,即达到颜色匹配。这时从调节器刻度上就可得出混配该色光所需的三基色光的量。配该色光所需的三基色光的量。2.3.2 配色实验配色实验相加混色相加混色 相减混色相减混色两种原色混合次色两种原色混合次色两种原色混合次色两种原色混合次色两种原色的补色两种原色的补色两种原色的补色两种原色的补色次色补色白色次色补色白色次色补色白色次色补色白色C CY YMMR RG GB Bv红光红光+绿光绿光=黄光黄光 ;红光红光+蓝光蓝光=品光;品光;绿光绿光+蓝光蓝光=青光;青光;红光红光+绿光绿光+蓝光蓝光=白光。白光。v然而,根据人眼的彩色视觉实验,用红绿在然而,根据人眼的彩色视觉实验,用红绿在彩色电视技术中就是选用红、绿、蓝三种基彩色电视技术中就是选用红、绿、蓝三种基色利用相加混合来显现各种颜色的。色利用相加混合来显现各种颜色的。2.2.3 CIE物理三基色(物理三基色(RGB)计色系统)计色系统v为了准确的对各种颜色进行计算,为了准确的对各种颜色进行计算,首先要选定三种首先要选定三种基色光。基色光。v国际照明委员会(国际照明委员会(CIECIE)19311931年规定了一套三基色年规定了一套三基色光:光:v红红基色基色波长波长700nm700nmv绿绿基色基色-波长波长546.1546.1nmnmv蓝蓝基色基色-波长波长435.8435.8nmnmv由物理三基色构成的计色系统称为物理三基色计色由物理三基色构成的计色系统称为物理三基色计色系统(或系统(或RGB计色系统)。计色系统)。2.4.1 基色单位(基色单位(R)、()、(G)、()、(B)的确定)的确定 v物理计色系统规定:各以物理计色系统规定:各以1个单位的三种基色光混合时,恰能个单位的三种基色光混合时,恰能产生出等能白光(即产生出等能白光(即E白)白).v即:即:1(R)+1(G)+1(B)=FE白白v1 1光瓦红基光光瓦红基光+4.5907+4.5907光瓦绿基光光瓦绿基光+0.0601+0.0601光瓦蓝基光光瓦蓝基光=5.6508=5.6508光瓦光瓦E E白白v因此因此物理计色系统规定物理计色系统规定个基色的单位量个基色的单位量确定为:确定为:v|1|1(R)|=1(R)|=1光瓦,光瓦,v|1|1(G)|=4.5907(G)|=4.5907光瓦,光瓦,v|1|1(B)|=0.0601(B)|=0.0601光瓦光瓦v显然任意色光显然任意色光F的光通量的光通量|F|为:为:v|F|R1+G 4.5907+B 0.0601 亮度方程亮度方程2.4.2 相对色系数及相对色系数及RGB色度图色度图v三色系数的相对值称为三色系数的相对值称为相对色系数相对色系数,v色模:色模:m =R+G+B 三色系数之和三色系数之和v相对色系数:相对色系数:r=R/m,g=G/m,b=B/mvr、g、b仅代表色光的色度成分,即色调和饱和度。仅代表色光的色度成分,即色调和饱和度。v任意色光任意色光F的配色方程的配色方程都可以表示为:都可以表示为:F=R(R)+G(G)+B(B)=mr(R)+g(G)+b(B)v由于由于rgb1,因此只要其中,因此只要其中两个参量就可以表示色光的两个参量就可以表示色光的色度色度.v常用常用r-g二维平面直角坐标标记色度。二维平面直角坐标标记色度。RGB(r-g)计色系统色度图)计色系统色度图 u自然界中的一切颜色都在此舌形区域内,区域之外无实际自然界中的一切颜色都在此舌形区域内,区域之外无实际颜色光与之对应。颜色光与之对应。u舌形区的包围线(包括谱色光的实线和非谱色光的虚线)舌形区的包围线(包括谱色光的实线和非谱色光的虚线)其饱和度为其饱和度为100。ur=g=b=1/3的点是基准的点是基准E白的座标点(饱和度为白的座标点(饱和度为0),),u从从E白点向四周伸展时,是饱和度渐增的一种色调。白点向四周伸展时,是饱和度渐增的一种色调。2.4.32.4.3分布色系数分布色系数(谱色三刺激值谱色三刺激值)CIE在明视觉与在明视觉与2视场角观察条件下,确定出混配视场角观察条件下,确定出混配出单位辐射功率出单位辐射功率(1瓦瓦)、波长为波长为 的单色光所需要的单色光所需要的的三色系数,分别用的的三色系数,分别用 表示称之为分布色系数。表示称之为分布色系数。1光瓦谱色光的配色方程式可写为光瓦谱色光的配色方程式可写为 以波长为横坐标,以分布色系数为纵坐标,得到三条曲线,以波长为横坐标,以分布色系数为纵坐标,得到三条曲线,称为物理三基色混色曲线。(或称三基色光谱响应曲线)。称为物理三基色混色曲线。(或称三基色光谱响应曲线)。v利用分布色系数即可计算任意彩色光利用分布色系数即可计算任意彩色光F的三色系数的三色系数,设设F具有光谱功率分布具有光谱功率分布 ,则有则有2.5 CIE标准三基色(标准三基色(XYZ)计色系统)计色系统v1931年国际照明委员会年国际照明委员会CIE规定了另一种也规定了另一种也就是现在常用的计色系统,称为标准计色系就是现在常用的计色系统,称为标准计色系统或统或XYZ计色系统。计色系统。2.5.12.5.1标准三基色标准三基色XYZXYZ和基色单位和基色单位(X)(X)(Y(Y)(Z(Z)的确定)的确定v任意色光任意色光F的彩色方程为:的彩色方程为:F=X(X)+Y(Y)+Z(Z)v在选择三基色和确定基色单位(在选择三基色和确定基色单位(X)、()、(Y)、()、(Z)时,须)时,须满足下列条件:满足下列条件:v当用它们配出实际彩色时,三个色系数当用它们配出实际彩色时,三个色系数X、Y、Z均为正值均为正值v色光的亮度仅取决于色光的亮度仅取决于Y(Y),),和和X、Z值无关,并规定值无关,并规定1(Y)的光通量为)的光通量为1光瓦;色光光瓦;色光F的色度仍取决于的色度仍取决于X、Y、Z的的比值;比值;v X=Y=Z时,且大于时,且大于0时,为等能白(时,为等能白(E白)。白)。显然显然 1(X)+1(Y)+1(Z)=1光瓦等能白。光瓦等能白。uXYZ在在r-g色度图上位置确定:色度图上位置确定:u根据根据XYZ都为正数的要求,应使都为正数的要求,应使X、Y、Z三点围成的三角形三点围成的三角形包围住舌形的谱色轨迹包围住舌形的谱色轨迹,即,即XYZ必须在舌形谱色轨迹外。必须在舌形谱色轨迹外。v可以证明标准三基色量可以证明标准三基色量1(X)、1(Y)、1(Z)与物理三基色量与物理三基色量1(R)、1(G)、1(B)之间的关系为之间的关系为:v1(X)=0.4185(R)-0.0912(G)+0.0009(B)1(Y)=-0.1587(R)+0.2524(G)-0.0025(B)1(Z)=-0.0828(R)+0.0157(G)+0.1786(B)u标标准准三三基基色色不不代代表表实实际际颜颜色色,不不能能用用物物理理方方法法求求得得,其其基基色色单单位位(X)、(Y)、(Z)以以及及各各谱谱色色光光的的标标准准三三色色系系数数X、Y、Z也也就就不不能能用用实实验验手手段段直直接接测测量量出出来来,而而必必须须是是从从物物理理三三基基色色单单位位(R)、(G)、(B)和和三三色色系系数数R、G、B推推导导出出来。来。2.5.2(RGB)坐标系和坐标系和(XYZ)坐标系的转换坐标系的转换u标标准准三三基基色色系系数数X、Y、Z不不能能用用实实验验手手段段直直接接测测量量出出来来,必必须须是从物理三色系数是从物理三色系数R、G、B推导出来。推导出来。2.5.3 色度图色度图v在在XYZ系统中表征彩色光的色度只取决于三色系数系统中表征彩色光的色度只取决于三色系数X、Y、Z的比值,的比值,v定义色模定义色模:m=X+Y+Z:,n于是可用于是可用x-y直角坐标系表示各种颜色的色度,这样的平直角坐标系表示各种颜色的色度,这样的平面图形就是面图形就是XYZ色度图或称色度图或称x-y色度图,色度图,n相对三色系数相对三色系数x、y、z 的表示式为的表示式为CIECIE标准基色图特点标准基色图特点u谱谱色色轨轨迹迹全全部部位位于于第第一一象象限限内内(x0,y0),并并处处在在X(1,0)、Y(0,1)、)、Z(0,0)为顶点的等腰三角形之内。为顶点的等腰三角形之内。uE白白 的的 坐坐 标标 是是x=y=y=1/3。中中央央区区域域白白色色区区域域,舌舌形形曲曲线线边边缘缘是是饱饱和和度度为为100的的谱谱色色调色色调xy色度图上的色域图 2.5.4 XYZ计色系统的计色系统的分布色系数分布色系数混配出单位辐射功率、混配出单位辐射功率、波长为波长为 的单色光所需的三色系数,的单色光所需的三色系数,称为分布色系数。称为分布色系数。混色曲线混色曲线n物理三基色和标准三基色都是作为色度研究使用的,不能用物理三基色和标准三基色都是作为色度研究使用的,不能用于彩色电视系统。于彩色电视系统。n彩色显像管是由红、绿、蓝三种荧光粉(在电子束轰击下)彩色显像管是由红、绿、蓝三种荧光粉(在电子束轰击下)发光,利用空间混色法重现彩色。因此,彩色电视系统红、发光,利用空间混色法重现彩色。因此,彩色电视系统红、绿、蓝荧光粉发出的复合光(非谱色光)称为电视系统的三绿、蓝荧光粉发出的复合光(非谱色光)称为电视系统的三基色光,简称电视三基色或显像三基色。基色光,简称电视三基色或显像三基色。2.2.7 7 彩色电视中的三基色彩色电视中的三基色n显像三基色的选取要考虑两方面:显像三基色的选取要考虑两方面:n1.所选的三基色能混配出尽量多的色彩,即在色度图中,所选的三基色能混配出尽量多的色彩,即在色度图中,由显像三基色所构成的三角形面积(重现色域)要尽可能由显像三基色所构成的三角形面积(重现色域)要尽可能的大的大n2.荧光粉的发光效率要足够高,以获得有足够高的亮度荧光粉的发光效率要足够高,以获得有足够高的亮度的彩色图像。的彩色图像。2.7.1显像三基色的选择显像三基色的选择n具体采用什么坐标位置的三基色,又完全取决于可以实际具体采用什么坐标位置的三基色,又完全取决于可以实际生产出怎样的基色荧光粉生产出怎样的基色荧光粉2.显像三基色的选择显像三基色的选择n从上个世纪五十年代初彩色电视创始至今,从上个世纪五十年代初彩色电视创始至今,随着荧光粉材料随着荧光粉材料的改进,已规定过多套三基色荧光粉。的改进,已规定过多套三基色荧光粉。显像三基色单位量显像三基色单位量的确定的确定n亮度方程表式为亮度方程表式为:Y=0.299R+0.587G+0.114Bn亮度方程的物理意义亮度方程的物理意义:n在配色实验中,红、绿、蓝三路基色光信号按亮度在配色实验中,红、绿、蓝三路基色光信号按亮度方程加权求和,就得到用混配色的亮度信息。方程加权求和,就得到用混配色的亮度信息。两种彩色电视系统的重现色域 2.7.3 混色曲线混色曲线混配出单位辐射功率、混配出单位辐射功率、波长为波长为 的单色光所需的三色系数,的单色光所需的三色系数,称为分布色系数称为分布色系数,由实验得出由实验得出.NTSC EBU混色曲线特点混色曲线特点n混色曲线上任一谱色光的混色曲线上任一谱色光的 值中至少值中至少有一个为负值;有一个为负值;n说明说明显像三基色混配不出谱色光显像三基色混配不出谱色光n蓝色曲线有正主瓣和负次瓣,蓝色曲线有正主瓣和负次瓣,n绿色曲线有一个正主瓣和两个负次瓣,绿色曲线有一个正主瓣和两个负次瓣,n红色曲线有一个正主瓣、一个负次瓣、一个正次瓣。红色曲线有一个正主瓣、一个负次瓣、一个正次瓣。2.7.42.7.4麦克斯韦麦克斯韦(Maxwell)计色三角形计色三角形l(1)是等边三角形,顶点为三基色单位()是等边三角形,顶点为三基色单位(R)()(G)()(B),从,从顶点到对应边垂线的长度规定为顶点到对应边垂线的长度规定为1。l(2)三角形内任一彩色点)三角形内任一彩色点到红、绿、蓝三顶点所对应的三边的到红、绿、蓝三顶点所对应的三边的距离分别为距离分别为r、g、b,表示该表示该彩色点的彩色点的三个相对色数三个相对色数;l(3)白色或灰色的位置在三角形的重心)白色或灰色的位置在三角形的重心W,坐标为坐标为:rgb13,为白。,为白。l(4)按电视系统对饱和度定义,三角形周边的饱和度为)按电视系统对饱和度定义,三角形周边的饱和度为100%,因为在它们的相对色系数中有一个或两个为因为在它们的相对色系数中有一个或两个为0。