视觉特性与三基色原理(全).ppt

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1、第一章 视觉特性与三基色原理(全）第一章 视觉特性与三基色原理（1）n n1.1 1.1 光的特性光的特性 1.1.1 1.1.1 电磁辐射与可见光谱电磁辐射与可见光谱 1.1.2 1.1.2 光源光源n n 1.2 1.2 人眼的视觉特性人眼的视觉特性 1.2.2 1.2.2 光的度量光的度量 1.2.3 1.2.3 亮度与彩色感觉亮度与彩色感觉 1.2.4 1.2.4 眼睛的视觉范围与亮度感觉眼睛的视觉范围与亮度感觉 1.2.5 1.2.5 人眼的分辨力人眼的分辨力 1.2.6 1.2.6 视觉惰性与闪烁感觉视觉惰性与闪烁感觉n n 1.3 1.3 三基色原理与色度图三基色原理与色度图 1

2、.3.1 1.3.1 三基色原理三基色原理光的特性1.1.1 电磁辐射与可见光谱一.电磁波的波谱无线电波、红外线、可见光谱、紫外线、X射线、射线、宇宙射线等等二.可见光谱 可见光：可以引起人眼视觉效应的光(电磁波）谱色：颜色按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫顺序排列的单色光，称为谱色（SpectrumColor）非谱色：不能作为单色出现于光谱上的色光 光的特性n n 电磁波的波谱光的特性波长 780 630 600 580 510 450 430（nm）红橙黄绿青蓝紫三.标准谱色光CIE规定：水银光谱中700nm红色光的标准波长546nm绿色光的标准波长436nm蓝色光的标准波长光的特性n n太阳辐

3、射功率波谱太阳辐射功率波谱n n图图1122太阳辐射功率波谱太阳辐射功率波谱光的特性1.1.2光源 颜色的产生（两种色源）:不发光的物体 在一定光谱分布(功率波谱)的光源照射下,因反射一定的光谱成分和吸收其余部分而呈现一定的彩色;发光的物体 根据它的辐射光谱分布,引起人眼的一定彩色感觉。光的特性一一.色温与相关色温色温与相关色温色温：色温：在某一特定温度下，绝对黑体在某一特定温度下，绝对黑体与光源有相同的辐射特性与光源有相同的辐射特性相关色温：在某一特定温度下，绝对相关色温：在某一特定温度下，绝对黑体黑体与光源有相近的辐射特性与光源有相近的辐射特性二二.标准光源标准光源ABCDABCD6565

4、光源光源EE光源等能白光光源等能白光光的特性绝对黑体的辐射功率谱光的特性 黑体与标准光源的相对功率波谱 人眼的视觉特性 1.2.2光的度量一.视觉光谱光效率V()曲线 人眼的视觉特性二.光学中的几个度量1.光强(cd=lm/sr)2.光通量(lm)3.亮度(cd/m2)4.照度(lx=lm/m2)人眼的视觉特性 1.2.3亮度、彩色与立体视觉一.明暗视觉明视觉：在正常光照下眼睛的主观亮度感觉暗视觉：在夜晚或在微弱光线下人眼的主观亮度感觉彩条（各色谱）灰色带（明暗程度不同）暗视觉下 人眼的视觉特性 1.2.31.2.3亮度、彩色与立体视觉亮度、彩色与立体视觉二二.彩色视觉彩色视觉彩彩色色的的描描

5、述述：彩彩色色光光的的亮亮暗暗？彩彩色色光光的的类类别别？彩色光颜色的深浅等。彩色光颜色的深浅等。为确切表示某一彩色光，必须采用三个基本参量。为确切表示某一彩色光，必须采用三个基本参量。彩色三要素：彩色三要素：亮度，色调和饱和度。亮度，色调和饱和度。11、亮度、亮度（BrightnessorLuminanceBrightnessorLuminance）指指彩彩色色光光作作用用于于人人眼眼时时引引起起人人眼眼视视觉觉的的明明暗暗程度，通常用程度，通常用YY表示亮度。表示亮度。人眼的视觉特性2.2.色调（色调（tone,spectralhue/colorhuetone,spectralhue/co

6、lorhue）色调是指彩色光的颜色类别色调是指彩色光的颜色类别色调与波长密切相关，波长不同色调与波长密切相关，波长不同色调不同色调不同3.3.饱和度（饱和度（SaturationSaturation）饱和度是指颜色的深浅程度，即颜色的浓度饱和度是指颜色的深浅程度，即颜色的浓度高饱和的彩色高饱和的彩色低饱和的彩色低饱和的彩色+白光白光 人眼的视觉特性三.立体感觉双眼立体自然界景物具有宽度，高度和深度的三维空间坐标，当 自然界景物具有宽度，高度和深度的三维空间坐标，当人们在观看空间某一景物时，由于两眼相距一定距离，人们在观看空间某一景物时，由于两眼相距一定距离，使同一物体在左右两眼视网膜上的呈象存

7、在一定差异，使同一物体在左右两眼视网膜上的呈象存在一定差异，物体的空间坐标决定着差异的大小，这种差异就形成了 物体的空间坐标决定着差异的大小，这种差异就形成了人眼宽高深的立体视觉 人眼宽高深的立体视觉。单眼立体感觉 人眼的视觉特性 1.2.51.2.5人眼的分辨力人眼的分辨力一一.定义：人眼对被观物体上能分辨的相邻定义：人眼对被观物体上能分辨的相邻最近两点视角最近两点视角的倒数的倒数二二.视觉的空间频率相应视觉的空间频率相应空间频率：空间频率：（线（线/度度)空间频率响应空间频率响应三三.彩色细节分辨力彩色细节分辨力人眼的分辨力与色调有关人眼的分辨力与色调有关 大面积积着色原理大面积积着色原理

8、：当传送彩色图象时，细：当传送彩色图象时，细节部分只传送黑白信息，不传颜色；而大面积部节部分只传送黑白信息，不传颜色；而大面积部分传送彩色信息。分传送彩色信息。人眼的视觉特性 人眼的分辨力 人眼的视觉特性视觉的空间频率响应空间频率是指单位视角空间频率是指单位视角(1(1度度)内所含黑或白的条纹内所含黑或白的条纹数数人眼的视觉特性四.彩色色调分辨阈人眼的视觉特性人眼对不同波长的光有不同的色调感觉。人眼对不同波长的光有不同的色调感觉。但严格地讲但严格地讲,只有波长为只有波长为572nm572nm的黄光、的黄光、503nm503nm的的绿光和绿光和478nm478nm的蓝光的蓝光,其色调不随光强而变

9、化其色调不随光强而变化,其其它波长的色光都随光强的改变略有变化。它波长的色光都随光强的改变略有变化。在可见光谱中在可见光谱中,从紫到红分布着各种不同的颜色从紫到红分布着各种不同的颜色,人眼能分辨出色调差别的最小波长变化称为色调人眼能分辨出色调差别的最小波长变化称为色调分辨阈分辨阈.其数值随波长而改变其数值随波长而改变.人眼对人眼对480640nm480640nm区间色光的色调分辨力较高区间色光的色调分辨力较高,其中其中,对对50Onm(50Onm(青一青一绿色绿色)和和600nm(600nm(橙黄色橙黄色两个波长来说两个波长来说,只要波长只要波长变化约变化约1nm,1nm,便可分辨出色调的变化

10、。而从便可分辨出色调的变化。而从655nm655nm的红色到可见光谱长波末端的红色到可见光谱长波末端,以及从以及从43Onm43Onm的紫色的紫色到可见光谱短波末端，人眼几乎感觉不到色调的到可见光谱短波末端，人眼几乎感觉不到色调的差别。当饱和度减小时差别。当饱和度减小时,人眼的色调分辨力将下人眼的色调分辨力将下降降;当亮度太大或太小时当亮度太大或太小时,色调分辨力也会下降。色调分辨力也会下降。五.彩色饱和度分辨力人眼的视觉特性人眼的视觉特性 人眼能分辨出自然界中各种彩色具有不同的人眼能分辨出自然界中各种彩色具有不同的饱和度饱和度,但对不同颜色的饱和度变化却有不完但对不同颜色的饱和度变化却有不完

11、全一样的灵敏度。可以进行这样的实验全一样的灵敏度。可以进行这样的实验,使各使各种波长色光的饱和度种波长色光的饱和度,由由100%100%逐渐降低一直到逐渐降低一直到零为止零为止,由此确定出视觉所能分辨出的饱和度由此确定出视觉所能分辨出的饱和度变化的等级数。结果发现在黄色区人眼只能变化的等级数。结果发现在黄色区人眼只能分辨出四级饱和度分辨出四级饱和度,而在红色、蓝色区域而在红色、蓝色区域,灵灵敏度较高敏度较高,可以分辨出可以分辨出2525个等级。个等级。人眼的视觉特性n n 1.2.61.2.6视觉惰性与闪烁感觉视觉惰性与闪烁感觉一一.视觉惰性：人眼亮度感觉的滞后特性视觉惰性：人眼亮度感觉的滞后

12、特性 视觉暂留性：光象一旦在视网膜上形成，在视觉暂留性：光象一旦在视网膜上形成，在它消失后，视觉将会对这个光象的感觉维持一它消失后，视觉将会对这个光象的感觉维持一个有限的时间个有限的时间二二.闪烁感觉：对于频率不高的周期性光脉冲，闪烁感觉：对于频率不高的周期性光脉冲，人眼所产生的一明一暗的感觉。人眼所产生的一明一暗的感觉。临界闪烁频率：引起闪烁感觉从有到无的转折临界闪烁频率：引起闪烁感觉从有到无的转折之最低光源重复频率之最低光源重复频率 人眼的视觉特性n n 视觉惰性 三基色原理与色度图 n n 1.3.1三基色原理 Young-Helmholtz（1891）三色学说Wald（1964）对人类

13、色彩视觉的研究结果：三种锥体细胞的光谱吸收的峰值分别在红、绿和蓝波段。*多光谱图像(multi-spectralimage)*三色原理三基色原理与色度图 这三种颜色被称为人类视觉的三基色 实践证明，光谱上的大多数颜色都可以用红(Red)、绿(Green)、蓝(Blue)三种单色加权混合产生，基于RGB三基色的颜色表示称为RGB颜色模型三种感受器的光谱敏感示意图Wald,1964三基色原理与色度图一一.三基色原理三基色原理1).1).自然界里的大多数彩色光可以分解为三种基色成自然界里的大多数彩色光可以分解为三种基色成份，而这三种基色也可以按一定比例混合得到不份，而这三种基色也可以按一定比例混合得

14、到不同的彩色光同的彩色光2).2).三基色必须是相互独立的彩色，即其中任一种基三基色必须是相互独立的彩色，即其中任一种基色都不能由其它两种基色混合产生色都不能由其它两种基色混合产生3).3).三基色之间的混合比例，决定了混合色的色度三基色之间的混合比例，决定了混合色的色度4).4).混合色的亮度等于三基色亮度之和混合色的亮度等于三基色亮度之和 三基色原理与色度图n n 二.混色法：利用三基色按不同的比例n n 混合来获得彩色的方法相加混色法相减混色法 相加混色法1.直接混色法2.时间混合法3.空间相加的混色法 三基色原理与色度图n n 相加混色图 三基色原理与色度图n n 相减混色图第一章 视

15、觉特性与三基色原理（2）第一章 视觉特性与三基色原理（2）n n 1.3 三基色原理与色度图 1.3.2 RGB色度系统 1.3.3 XYZ色度系统n n 1.4 彩色的重现 1.4.1 显象三基色 1.4.2 显象三基色的三刺激值亮度方程 1.3 三基色原理与色度图1.3.2 RGB色度系统一.色匹配实验1.三基色的选定CIE选定做物理三基色(实际存在的光)波长为700nm的红基色光（R）波长为546.1nm的绿基色光（G）波长为435.8nm的蓝基色光（B）2.三基色单位量的确定三基色以单位量混合时应得到E白光1.3 三基色原理与色度图1.3.2 RGB1.3.2 RGB计色制计色制2.2

16、.三基色单位量的确定三基色单位量的确定配出标准白光，三个基色光红，绿，蓝的光通量配出标准白光，三个基色光红，绿，蓝的光通量（FFRR，FFGG，FFBB）之比例为）之比例为CIECIE规规定定：光光通通量量为为11光光瓦瓦的的红红光光为为一一个个红红基基色色单单位位量量，记记为为RR；光光通通量量为为4.59074.5907光光瓦瓦的的绿绿光光为为一一个个绿绿基基色色单单位位量量，记记为为GG；光光通通量量为为0.06010.0601光瓦的蓝光作为一个蓝基色单位量，记为光瓦的蓝光作为一个蓝基色单位量，记为BB。FFEE白白=R+G+B=R+G+B1.3 三基色原理与色度图3.配色实验1.3 三

17、基色原理与色度图二二.颜色方程与三刺激值颜色方程与三刺激值对于白光：对于白光：FFEE白白=1R+1G+1B=1R+1G+1B白光的光通量为白光的光通量为FFEE白白=1+4.5907+0.0601=5.6508(lm)=1+4.5907+0.0601=5.6508(lm)1.1.颜色方程颜色方程F=RR+GG+BBF=RR+GG+BBFF彩色光由彩色光由RR份份RR、GG份份GG、BB份份BB混合配出混合配出2.2.三刺激值三刺激值RR、GG、BB表表示示了了三三基基色色单单位位量量之之间间的的比比例例关关系系，称称为为三刺激值三刺激值1.3 三基色原理与色度图3.3.颜色方程的讨论颜色方程

18、的讨论a)a)混色光的光通量混色光的光通量|F|F|和亮度（和亮度（LLFF）|F|=|F|=（R+4.5907G+0.0601BR+4.5907G+0.0601B）(lm)(lm)实验测得三基色单位量的亮度（记为实验测得三基色单位量的亮度（记为LL）为）为LLRR=1cd/=1cd/，LLGG=4.5907cd/=4.5907cd/，LLBB=0.0601cd/=0.0601cd/LLFF=RL=RLRR+GL+GLGG+BL+BLBB=（R+4.5907G+0.0601BR+4.5907G+0.0601B）结论结论1:1:混色光的亮度决定于混色光的亮度决定于RR、GG、BB的数值的数值b)

19、.b).混色光的色度混色光的色度以以kk同乘三刺激值同乘三刺激值RR、GG、BB，得另一色光，得另一色光FFF=kRR+kGG+kBBF=kRR+kGG+kBB=kRR+GG+BB=kF.=kRR+GG+BB=kF.1.3 三基色原理与色度图F与F表示同一色度，只是亮度（或光通量）不同。可见，R、G、B反映了混合色光的色度.结论2:R：G：B间的比例决定混合色光的色度c).配色方程的规范式令m=R+G+B色模：表示某彩色光所含有的三基色单位的总和。且令r=R/m,g=G/m,b=B/m称为色度坐标1.3 三基色原理与色度图表表示示当当规规定定所所用用三三基基色色单单位位总总量量为为11时时，为

20、为配配出出基基本本彩彩色色光光所所需需要要的的RR，或或GG，或或BB的的数数值值。（归一化的色系数）（归一化的色系数）配色方程为配色方程为F=mrR+gG+bBF=mrR+gG+bBmm为色模，为色模，r,g,br,g,b为色度坐标。为色度坐标。显然，三色分量为显然，三色分量为mrR,mgG,mbB,mrR,mgG,mbB,由定义可知：由定义可知：r+g+b=1r+g+b=1所所以以，只只需需要要用用两两个个三三基基色色色色度度坐坐标标就就可可以以表表示示某混合色光的色度某混合色光的色度1.3 三基色原理与色度图三.RGB色度图（CIE色度图）F=mrR+gG+bBF=mrR+gG+bB|F

21、|=mr+4.5907g+0.0601b|F|=mr+4.5907g+0.0601br=R/m,g=G/m,b=B/mr=R/m,g=G/m,b=B/mr+g+b=1r+g+b=1显然：用二个三基色色度坐标可以表示显然：用二个三基色色度坐标可以表示彩色的色度，因此，可以用二维平面坐标来表彩色的色度，因此，可以用二维平面坐标来表示各种彩色光的色度示各种彩色光的色度RGB色度图1.3 三基色原理与色度图RGB色度图1.3 三基色原理与色度图RGB色度图说明(a)舌形曲线的作法：选r,g作为平面坐标系，将自然界各种彩色用前面讲的比色实验法，测出其r,g的数值，并描在该坐标平面中.(b）舌形曲线并不是

22、封闭的，在舌形曲线上的任一点，都代表着某一波长谱色光的色调；而舌形曲线与横坐标所包围的面积内任一点，均表示人眼所能看到的某一混合光的颜色。1.3 三基色原理与色度图(c).g=1点（b=0,r=0）,r=1点(b=0,g=0)和原点(b=1,r=g=0)所构成的三角形又称作彩色三角形，此面积内的色域是由物理三基色R，G，B相加所能形成的。(d).三角形的重心位置表示标准E白光，此点饱和度为零，曲线上的彩色饱和度为100，其它非三基色饱和度均小于100。1.3 三基色原理与色度图 1.3.3XYZ1.3.3XYZ色度系统色度系统*RGBRGB计色制的缺点：计色制的缺点：11对大部分的颜色存在负色

23、坐标值；不宜计对大部分的颜色存在负色坐标值；不宜计算色坐标，并对正确实现色度测量带来困难。算色坐标，并对正确实现色度测量带来困难。22对颜色的亮度计算较复杂对颜色的亮度计算较复杂*XYZXYZ计色制基本思想计色制基本思想:选取三个单位基色量选取三个单位基色量XX，YY，ZZ它所组成的它所组成的三角形将单色光频谱轨迹全部包围在内，而且三角形将单色光频谱轨迹全部包围在内，而且使三个色坐标中的一个坐标恰好等于色光的亮使三个色坐标中的一个坐标恰好等于色光的亮度（或光通量度（或光通量).).F=XX+YY+ZZF=XX+YY+ZZ1.3 三基色原理与色度图一一.三基色单位三基色单位XX，YY，ZZ的确定

24、的确定1.XYZ1.XYZ计色制应满足的条件计色制应满足的条件a).a).对于各种实际色光对于各种实际色光,三刺激值三刺激值X,Y,ZX,Y,Z均为正值均为正值.b).b).三三刺刺激激值值中中,X,Z,X,Z只只表表色色度度,不不表表亮亮度度和和光光通通量量,(,(即即它它们们等等于于零零),),色色光光亮亮度度或或光光通通量量由由YY代代表表.并并规规定定1Y1Y的的光光通通量为量为1lm1lmc)c)选三基色单位量选三基色单位量,当当X=Y=ZX=Y=Z时时,仍代表等能白光仍代表等能白光2.X,Y,Z2.X,Y,Z的确定的确定.(.(以以RGBRGB为变换基础为变换基础)(1).XYZ(

25、1).XYZ三角形在三角形在RGBRGB系统中的方程系统中的方程*在在RGBRGB系统中系统中,混合色光亮度为零的点混合色光亮度为零的点即即LLFF=0=01.3 三基色原理与色度图LLFF=(R+4.5907G+0.0601B)=0=(R+4.5907G+0.0601B)=0=r+4.5907g+0.601b=0=r+4.5907g+0.601b=0r+g+b=1r+g+b=10.9399r+4.5306g+0.0601=0(1-20)0.9399r+4.5306g+0.0601=0(1-20)*长波长处的直线方程长波长处的直线方程r+0.99g-1=0(1-21)r+0.99g-1=0(1

26、-21)*504nm*504nm点的切线方程点的切线方程1.45r+0.55g+1=0(1-22)1.45r+0.55g+1=0(1-22)(2).X,Y,Z(2).X,Y,Z的确定的确定x:r1=1.2750,g1=-0.2778,b1=0.0028x:r1=1.2750,g1=-0.2778,b1=0.0028Y:r2=-1.7393,g2=2.7673,b2=-0.0280Y:r2=-1.7393,g2=2.7673,b2=-0.0280Z:r3=-0.7431,g2=0.1409,b3=1.6022Z:r3=-0.7431,g2=0.1409,b3=1.60221.3 三基色原理与色度

27、图XX、YY、ZZ在在RGBRGB色度图中的位置色度图中的位置1.3 三基色原理与色度图(3).X,Y,Z用R、G、B表示X=0.4185R-0.0912G+0.0009BY=-0.1587R+0.2524G-0.0025B（1-24）Z=-0.0828R+0.0157G+0.1786B二.颜色方程与三刺激值1.颜色方程在RGB坐标系中:F=RR+GG+BB在XYZ计色制中:F=XX+YY+ZZ2.三刺激值X、Y、Z与R、G、B的关系比较同一彩色在两种计色制中的表示，可得：1.3 三基色原理与色度图X=2.7689R+1.7518G+1.1302BY=1.000R+4.5907G+0.0601

28、BZ=0.0000R+0.0565G+5.5943B三.XYZ色度图（CIE色度图)F=XX+YY+ZZ=mxX+yY+zZ式中：m=X+Y+Z,x=X/m,y=Y/m,z=Z/m显然：xy+z=1XYZ色度图（CIE色度图)1.3 三基色原理与色度图1.3 三基色原理与色度图四四.标准光源的色度坐标标准光源的色度坐标五五.色度变化的其它表示方法色度变化的其它表示方法1.1.色域图色域图2.2.等色调波长线与等饱和度线等色调波长线与等饱和度线3.3.等色差阈图等色差阈图1.3 三基色原理与色度图n n 色域图1.3 三基色原理与色度图 n n 等色度线和等饱和度线1.3 三基色原理与色度图n

29、n 等色差域图1.4彩色的重现 1.4.11.4.1显象三基色显象三基色一一.显象三基色的选择显象三基色的选择1.1.显象三基色显象三基色彩彩色色显显象象管管屏屏幕幕上上的的三三种种荧荧光光粉粉在在电电子子轰轰击击下下所发出的基色所发出的基色或或LCDLCD所透过的三种基色所透过的三种基色2.2.选择显象三基色的原则选择显象三基色的原则a).a).用用所所选选三三基基色色混混色色时时，应应尽尽可可能能获获得得更更多多的的混色混色（色域面积大）（色域面积大）b).b).基色的亮度应足够高基色的亮度应足够高1.4彩色的重现 3.显象基色的色度坐标ReGeBeC/D65ReGeBeC/D65NTSC

30、制PAL制1.4彩色的重现 二.电视图象重现色域1.4彩色的重现 1.4.2.显象三基色的三刺激值与亮度方程一.ReRe、GeGe、BeBe用用X,Y,ZX,Y,Z表示表示1.4彩色的重现二.Re、Ge、Be与X、Y、Z的关系（1-50)亮度方程：Y=0.299Re+0.587Ge+0.114Be(白光光源为C)当白光光源为D65时，Y=0.289Re+0.605Ge+0.104BePAL制：Y=0.222Re+0.707Ge+0.071Be1.4彩色的重现 PointerPointer彩色色域：彩色色域：由由576576种颜色组成种颜色组成 CCIRCCIR将将PointerPointer彩色色域定义为彩色色域定义为HDTVHDTV的目标的目标色域色域 色域扩展：色域扩展：11）选择新的三基色荧光粉）选择新的三基色荧光粉22）在）在HDTVHDTV中，除规定常规色域外，在规中，除规定常规色域外，在规定一个范围更宽的传输色域（扩展色域，通过定一个范围更宽的传输色域（扩展色域，通过加大加大RGBRGB信号的动态范围实现）信号的动态范围实现）1.4彩色的重现n n ITU-RBT.709-3规定的显像三基色坐标n n Y=0.2126R+0.7152G+0.0722BThanks