彩色電視基礎

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1、 電 視 原 理 鄧記才 第 一 章 彩 色 電 視 基 礎 彩 色 電 視 傳 送 景 物 的 過 程 ， 就 是 把 一 幅 光 學 圖 象 轉 換成 電 信 號 進 行 傳 輸 ， 然 后 再 把 電 信 號 恢 復 成 正 確 的 光 學 圖 象 ；因 此 在 學 習 彩 色 電 視 技 術 之 前 ， 有 必 要 了 解 一 些 有 關 光 和 色 度學 的 知 識 。1.1光 的 性 質1.1.1可 見 光 與 可 見 光 譜 . 光 是 一 種 攜 帶 電 磁 輻 射 能 量 的 電 磁 波 中 的 一 小 部 分 ， 眼睛 所 能 看 到 的 那 一 部 分 叫 做 可 見 光

2、 ， 其 波 長 范 圍 是 380 780nm， 光 在 均 勻 媒 質 中 沿 直 線 傳 播 ， 光 速 為 310 8 m/s 1nm=10-9m=10 1=10-10m 1. 光 的 顏 色 . 不 同 波 長 的 光 波 具 有 不 同 的 顏 色 ， 波 長 由 長 到 短 ， 在 視 覺 中所 引 起 的 彩 色 感 依 次 為 紅 、 橙 、 黃 、 綠 、 青 、 藍 、 紫 。 太 陽 光 經 棱鏡 折 射 后 會 呈 現(xiàn) 出 紅 、 橙 、 黃 、 綠 、 青 、 藍 、 紫 七 種 顏 色 ， 因 此 太陽 光 譜 就 是 可 見 光 譜 。 具 有 單 一 波 長

3、的 彩 色 光 稱 為 單 色 光 ； 日 光 中 所 含 的 一 系 列 單色 稱 為 譜 色 ； 包 含 有 兩 種 或 兩 種 以 上 波 長 成 分 的 光 稱 為 復 合 光 。 太陽 光 就 是 一 種 復 合 光 。2. 物 體 的 顏 色 . 物 體 的 顏 色 決 定 于 光 源 本 身 的 特 性 和 和 物 體 表 面 對 光 吸 收 、反 射 或 透 射 的 特 性 。 一 般 來 講 ， 某 一 景 物 的 彩 色 是 該 景 物 在 特 定 光 源 照 射 下 所 反射 （ 或 透 射 ） 的 一 定 可 見 光 譜 成 分 ， 作 用 于 眼 睛 而 引 起 的

4、視 覺 效 果 。 例 如 ， 蘭 色 布 在 太 陽 光 下 ， 因 只 反 射 藍 色 光 譜 成 分 而 吸 收 了其 余 的 光 譜 成 分 ， 被 反 射 的 藍 光 波 射 入 人 眼 并 引 起 藍 色 視 覺 效 果 ；在 用 綠 色 光 源 照 明 的 暗 室 里 觀 看 藍 色 的 布 ， 這 時 藍 色 的 布 將 呈 現(xiàn) 為 黑 顏 色 。 色 源 有 兩 種 ， 一 是 不 發(fā) 光 的 物 體 ， 二 是 光 源 。 1.1.2光 源 在 色 度 學 中 ， 常 以 白 光 作 為 一 種 標 準 。 能 自 然 發(fā) 光 的 物 體稱 為 光 源 。 太 陽 是 最

5、大 的 自 然 光 源 ， 為 便 于 描 述 不 同 光 源 的 可 見光 譜 的 輻 射 情 況 ， 引 入 了 絕 對 黑 體 和 色 溫 的 概 念 。1.色 溫 絕 對 黑 體 ： 能 全 部 吸 收 入 射 光 的 物 體 。 絕 對 黑 體 是 一 個 理 想 的 物 理 概 念 ， 絕 對 黑 體 的 特 性 是 當 其被 加 熱 時 ， 將 以 電 磁 波 的 形 式 向 外 輻 射 能 量 ， 其 輻 射 波 譜 僅 由 溫度 決 定 ， 其 溫 度 越 高 ， 光 譜 中 藍 色 分 量 就 越 多 ， 紅 色 分 量 就 越 少 ，所 以 當 溫 度 增 高 時 ， 不

6、 僅 亮 度 增 大 ， 其 發(fā) 光 顏 色 也 隨 之 變 化 。 色 溫 ： 當 絕 對 黑 體 在 某 一 特 定 絕 對 溫 度 下 ， 其 輻 射 光 譜 與某 一 光 源 的 光 譜 具 有 相 同 的 特 性 ， 則 絕 對 黑 體 的 這 一 特 定 溫 度 就定 義 為 該 光 源 的 色 溫 。 由 上 可 知 ， 色 溫 并 非 光 源 本 身 的 實 際 溫 度 ，而 是 用 來 表 征 光 源 特 性 的 一 個 參 數(shù) 。 500 800 1000（nm）6000K 5000K4000K 2. 標 準 光 源有 五 種 標 準 光 源 （ 標 準 白 光 ） A、

7、B、 C、 D65、 EA光 源 ： 色 溫 為 2854K， 光 譜 能 量 主 要 集 中 在 紅 外 線區(qū) 域 ， 與 白 只 燈 在 2800K時 輻 射 的 光 等 效 。B光 源 ： 色 溫 為 4800K， 相 當 于 中 午 直 射 的 太 陽 光 。C光 源 ： 色 溫 為 6700K， 相 當 于 白 天 的 自 然 光 。D65光 源 ： 色 溫 為 6500K， 相 當 于 白 天 的 平 均 照 明 。E光 源 ： 色 溫 為 5500K， 是 一 種 假 想 的 等 能 白 光 1.2人 眼 的 視 覺 特 性1.2.1光 的 度 量1.相 對 視 敏 函 數(shù) 曲

8、線 視 覺 效 應 是 由 可 見 光 刺 激 人 眼 引 起 的 。 如 果 光的 輻 射 功 率 相 同 而 波 長 不 同 ， 則 引 起 的 視 覺 效 果 也 不同 ； 隨 著 波 長 的 改 變 ， 不 僅 顏 色 感 覺 不 同 ， 而 且 亮 度感 覺 也 不 同 ， 例 如 要 獲 得 相 同 的 亮 度 感 ， 則 所 需 的 紅光 輻 射 功 率 要 比 綠 光 大 。 假 設 在 產 生 相 同 亮 度 感 的 情 況 下 ， 測 出 各 種 波 長 光 的 輻 射功 率 Pv()； 顯 然 ， Pv() 越 大 ， 說 明 該 波 長 的 光 越 不 易 被 人 眼

9、所感 覺 ； 而 Pv() 越 小 ， 則 人 眼 對 它 的 敏 感 程 度 越 高 。 因 此 Pv() 的倒 數(shù) 可 用 來 衡 量 眼 睛 對 波 長 為 的 光 波 的 敏 感 程 度 ， 稱 為 視 敏 度 ，用 K()表 示 (光 譜 光 視 效 能 )： K()=1/ Pv() 實 驗 表 明 ， 當 =555(nm)時 ， 有 最 大 視 敏 度 Km=K(555)， 于 是任 意 波 長 光 的 視 敏 度 K()與 Km之 比 稱 為 相 對 視 敏 函 數(shù) V()。 (光譜 光 視 效 率 )： 顯 然 V() 1。 mKK555KKV mKK555KKV 明 視 覺

10、2.光 度 學 中 的 幾 個 基 本 概 念 （ 1） .光 通 量 光 源 輻 射 功 率 Pv(1)與 相 對 視 敏 函 數(shù) V(1)的 乘 積 ， 稱 為 光 通 量F(1)。 F(1) = Pv(1) * V(1) 光 瓦 如 果 光 源 的 輻 射 功 率 波 譜 為 Pv() ， 則 總 的 光 通 量 應 為 各 波 長 成分 的 光 通 量 之 總 和 ， 即 F=K 380780 Pv() * V(1) d (2).發(fā) 光 強 度 光 源 在 單 位 立 體 角 內 發(fā) 出 的 光 通 量 ， 稱 為 發(fā) 光 強 度 ， 用 I表 示 I=dF/d 燭 光 （ 1燭 光

11、=1cd） 1燭 光 =1流 明 /1立 體 弧 度 點 光 源 向 四 周 的 輻 射 是 均 勻 的 ， 因 而 在 各 個 方 向 上 的 光 強 均 相 等 ，因 球 心 對 球 面 的 立 體 角 為 4立 體 弧 度 ， 故 ： I=F/4 F=4I 一 般 情 況 下 ， 光 源 在 不 同 方 向 上 的 發(fā) 光 強 度 是 不 同 的 ， 故 ： F= I()d (3).(光 )亮 度 發(fā) 光 面 在 指 定 方 向 上 的 發(fā) 光 強 度 與 發(fā) 光 面 在垂 直 于 所 取 方 向 的 平 面 上 的 投 影 之 比 ， 稱 為 亮 度 B=dI/ds cos 發(fā) 光 面

12、 可 以 是 直 接 輻 射 的 面 光 源 ， 也 可 以 是 被光 照 射 的 反 射 面 或 透 射 面 。 亮 度 的 單 位 是 cd/m2(4).(光 )照 度 光 通 量 與 被 照 射 表 面 面 積 之 比 稱 為 照 度 E= dF/ ds 照 度 的 單 位 是 列 克 司 ， 符 號 為 lx 1lx=1lm/m 2 1.2.2 亮 度 和 彩 色 視 覺1.明 暗 視 覺 在 白 天 正 常 光 照 下 人 眼 對 不 同 波 長 光 的 敏 感 程 度 ， 稱 為 明視 覺 響 應 ， 它 主 要 由 錐 壯 細 胞 起 作 用 ， 既 產 生 明 暗 感 又 產

13、生 彩色 感 。 當 光 線 暗 到 一 定 程 度 時 ， 只 有 桿 狀 細 胞 起 作 用 ， 分 辨 不出 顏 色 ， 只 能 反 映 出 明 暗 程 度 。2.彩 色 視 覺 彩 色 視 覺 是 人 眼 的 一 種 明 視 覺 功 能 。（ 1） .彩 色 三 要 素 亮 度 、 色 調 和 色 飽 和 度 稱 為 彩 色 光 的 三 要 素 。 亮 度 為 光 作 用 于 眼 睛 引 起 的 明 亮 程 度 的 感 覺 。 光 源 功 率 大 、物 體 反 射 強 則 亮 度 大 。 色 調 反 映 顏 色 的 種 類 。 飽 和 度 指 顏 色 的 深 淺 程 度 。 （ 2）

14、.彩 色 視 覺 特 性 人 眼 的 錐 狀 細 胞 由 紅 、 綠 、 藍 三 種感 光 細 胞 組 成 ， 不 同 顏 色 的 光 對 三 種 細胞 的 刺 激 量 是 不 同 的 ， 它 們 的 合 成 效 果產 生 彩 色 視 覺 ， 從 而 使 人 眼 分 辨 出 五 光十 色 的 世 界 ； 另 一 方 面 ， 不 同 的 光 譜 成分 ， 只 要 三 種 細 胞 所 引 起 的 響 應 相 同 ，則 會 形 成 相 同 的 彩 色 感 。 3.視 覺 范 圍 定 義 ： 視 覺 范 圍 指 眼 睛 所 能 感 覺 的 亮 度 變 化 范 圍 。 人 眼 的 視 覺 范 圍 很 寬

15、 ， 約 為 10-2106 cd/m2,因 為眼 睛 的 感 光 作 用 會 隨 外 界 光 的 強 弱 而 自 動 調 節(jié) ， 這稱 為 眼 睛 的 適 應 性 ； 另 一 方 面 當 環(huán) 境 亮 度 一 定 時 ，眼 睛 的 視 覺 范 圍 又 很 小 ， 例 如 白 天 的 視 覺 范 圍 是20020000cd/m2,而 在 傍 晚 的 視 覺 范 圍 是 1200 cd/m2，故 我 們 說 眼 睛 的 明 暗 感 覺 是 相 對 的 。 在 適 當 的 平 均 亮 度 下 ， 能 分 辨 的 最 大 亮 度 與 最小 亮 度 比 為 1000:1;當 平 均 亮 度 很 低 時

16、， 該 比 值 只 有10:1。 顯 示 圖 像 能 達 到 30以 上 就 可 以 。 1.2.3. 眼睛分辨力1.黑白細節(jié)分辨力分辨力或視覺銳度：人眼對被觀察物體上能分辨的相鄰最近兩點的視角的倒數(shù)。 =d/D 57.3 60=3438 d/D 影響分辨力的因素：（1）.與照明強度有關（2）.與景物相對對比度Cr有關 Cr=(L-L0)/L0100 （3）.與物體的運動速度有關正常視力的人，觀察靜止圖象時，約為11.5 2.彩 色 細 節(jié) 分 辨 力 實 驗 表 明 ， 人 眼 分 辨 景 物 彩 色 細 節(jié) 的 能 力 很 差 。因 此 ， 彩 色 電 視 系 統(tǒng) 在 傳 送 彩 色 圖

17、象 時 ， 細 節(jié) 部 分 可 以只 傳 送 黑 白 圖 象 ， 這 就 是 利 用 大 面 積 著 色 原 理 節(jié) 省 傳 輸頻 帶 的 依 據(jù) 。 實 驗 還 表 明 ， 人 眼 分 辨 彩 色 色 調 變 化 的 能 力 也 較差 ， 且 隨 波 長 改 變 ， 在 500nm區(qū) 域 分 辨 能 力 較 強 ， 而 在紅 色 末 端 區(qū) 域 分 辨 力 較 差 。 細 節(jié) 色 別 黑 白 黑 綠 黑 紅 黑 藍 綠 紅 紅 藍 綠 藍分 辨 力 100% 94% 90% 26% 40% 23% 19% 1.2.4.視 覺 惰 性 與 閃 爍感 覺 當 一 定 強 度 的 光突 然 作 用

18、 于 眼 睛 時 ，不 能 在 瞬 間 形 成 穩(wěn) 定的 視 亮 度 ， 而 有 一 個短 暫 的 過 渡 過 程 ； 另外 當 光 消 失 后 ， 視 亮度 也 并 不 瞬 時 消 失 。 人 眼 的 主 觀 亮 度感 覺 滯 后 于 實 際 光 脈沖 的 存 在 的 特 性 ， 稱為 視 覺 惰 性 。 當 光 脈 沖 頻 率 較 低 時 ， 會 引 起 一 明 一 暗 的 閃 爍 感 覺 ，當 光 頻 率 足 夠 高 時 ， 則 會 形 成 均 勻 的 不 閃 亮 度 感 。 不 引 起 閃 爍 感 覺 的 光 脈 沖 最 低 重 復 頻 率 ， 稱 為 臨 界閃 爍 頻 率 。 對 電

19、 視 屏 幕 來 講 ， 臨 界 閃 爍 頻 率 約 為 48Hz。 臨 界 閃 爍 頻 率 (fc)主 要 與 光 脈 沖 亮 度 Lm有 關 ： fc = a*lgLm + b a、 b均 為 常 數(shù) ， 對 電 視 屏 幕 有 a9.6、 b 26.6， 故 當 Lm =100cd/m2時 ， fc 45.8Hz。 當 光 頻 率 大 于 臨 界 閃 爍 頻 率 時 ， 眼 睛 無 閃 爍 感 ， 此 時視 亮 度 等 于 光 脈 沖 亮 度 的 平 均 值 ： dttLT1S T0 1.3.三 基 色 原 理 與 配 色 方 程1.3.1.三 基 色 原 理 彩 色 視 覺 特 性 告

20、 訴 我 們 ， 相 同 的 彩 色 感 可 以來 自 不 同 的 光 譜 成 分 ， 因 此 我 們 可 以 適 當 選 擇 三 種基 色 來 合 成 彩 色 圖 象 。1.三 基 色 原 理 ： 選 擇 三 種 獨 立 的 基 色 ， 例 如 紅 、綠 、 藍 ， 將 它 們 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 為 三 種 基 色 ，它 包 含 以 下 含 義 ：（ 1） .三 基 色 是 獨 立 的 。（ 2） .合 成 彩 色 光 的 亮 度 由 三 基 色 的 大 小 決 定 。（ 3） .合

21、成 彩 色 光 的 色 調 由 三 基 色 的 比 例 決 定 。 2.混 色 方 法有 兩 種 ： 相 加 混 色 和 相 減 混 色 ， 彩 色 電 視 采 用 相 加 混 色 。相 加 混 色 的 實 現(xiàn) 有 三 種 ： （ 1） .時 間 混 色 （ 2） .空 間 混 色 （ 3） .生 理 混 色3. 麥 克 斯 韋 基 色 三 角 形 它 是 一 個 等 邊 三 角 形 ,三 個 頂 點 分 別 代 表 單 位 紅 基 色 R,單 位綠 基 色 G和 單 位 藍 基 色 B, 而 且 從 頂 點 到 對 應 邊 的 垂 線 的 長 度 被規(guī) 定 為 1,若 令 三 角 內 任 意

22、 一 點 P到 紅 ,綠 ,藍 三 頂 點 所 對 應 的 三 邊 的距 離 分 別 為 r、 g、 b， r+g+b=l.穿 過 W點 的 任 意 條 一 直 線 聯(lián) 結 三 角形 上 的 兩 個 點 該 兩 點 所 代 表 的 彩 色 相 加 均 得 到 白 色 ,通 常 把 相 加 后形 成 白 色 的 兩 種 彩 色 稱 為 互 補 色 .例 如 圖 中 表 示 的 紅 與 青 ,綠 與 品 ,藍 與 黃 皆 為 互 補 色 . 1.3.2. R、G、B計色制1.配色實驗 選用紅（R）綠（G）藍（B）作為三基色進行。實驗表明，配出等能白光的三基色單位R、G、B的光通量之比為1：4.59

23、07：0.0601。用F代表某一具有特定亮度和色度的彩色光，符號F表示其光通量，于是有： F E白 = 1R+1G+1B2.配色方程與色系數(shù)配色方程為： F=RR+GG+BBF=R+4.5709G+0.0601B式中R、G、B的比例決定彩色光的色度，大小決定彩色光的光通量，R、G、B稱為三色系數(shù)(三刺激值)。 RGB計色制采用物理三基色，物理意義清楚，但使用不方便，某些譜色的配色系數(shù)出現(xiàn)負值，容易出錯。為了克服這一缺點， 國際照明委員會規(guī)定了另一種坐標系，即XYZ計色制或CIE制。 1.3.3.XYZ計色制 新坐標系選擇了一組新的計算三基色單位X、Y、Z。它們并不代表實際的彩色，而是為了克服R

24、GB制存在的缺點，新坐標系里配色方程為： F=XX+YY+ZZ式中XYZ為三色系數(shù)。計算三基色單位X、Y、Z須滿足下列三個條件：（1）.三色系數(shù)XYZ均為正值。（2）.合成彩色光的亮度僅由YY一項決定，而色度仍然由XYZ的比值決定。 （3）.當X=Y=Z時，仍代表等能白光E 白。 下面討論計算三基色X、Y、Z與物理三基色R、G、B之間的關系?？梢哉J為每一計算三基色是由物理三基色以適當比例配出，則有： 1X= m1r1 R+ m1g1 G+ m1b1 B 1Y= m2r2 R+ m2g2 G+ m2b2 B 1Z= m3r3 R+ m3g3 G+ m3b3 B由條件（2），1Y的光通量為1光瓦，

25、故： m2r2+4.5907g2+0.0601b2=1將P25.（123）式中的坐標值代入： m 2=0.0912由條件（3），X=Y=Z的彩色光為E白，故： E白= 1X+1Y+1Z =（m1r1+ m2r2+ m3r3）R+ (m1g1+ m2g2+ m3g3）G （m1b1+ m2b2+ m3b3）B 上式中R、G、B三系數(shù)應相等，即： m1（r1- g1）+ m3(r3-g3)= -m2(r2- g2） m1（g1- b1）+ m3(g3-b3)= -m2(g2- b2）將m2=0.0912及（123）式代入上式： m1=0.3282 m2=0.1115故有： X=0.4185R-0.

26、0912G+0.0009B Y=-0.1587R+0.2524G-0.0025B Z=-0.0828R+0.0157G+0.1786B 下面討論色系數(shù)XYZ與RGB的關系。設某彩色F在RGB坐標系中：F=RR+GG+BB F在XYZ坐標系中：F=XX+YY+ZZ將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-0.002

27、5Y+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 顯 像 與 亮 度 方 程1.顯 像 三 基 色選 擇 顯 像 三 基 色 的 原 則 ： 所 選 三 基 色 應 能 取 得 盡 可 能 大 的 配 色 范 圍 。 基 色 亮 度 應 足 夠 大 。2.亮 度 方 程當 顯 像 三 基 色 確 定 后 ， 依 據(jù) 配 色 方 程 ： 1Re+1Ge+1Be=FC白 （ 1lm）由 此 可 導 出 NTSC制 下 ： Y=0.299Re+0.587Ge+0.114Be