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1、第一章 电视基础知识,电视广播有开路（无线）与闭路（有线）之分。开路系统即无线电视广播系统，其原理框图如图1-2所示。,在发端由光电转换设备(摄像机)将图像光信号转变为电信号(称视频信号)，经过一系列加工处理，然后调制到图像载频上而形成高频射频图像信号。同时，将伴音信号调制到伴音载频上形成高频射频伴音信号，与高频图像信号共用一副天线发射出去。在接收端，电视接收天线将高频图像及伴音信号一起接收下来，并还原出图像信号和伴音信号。利用图像信号由显象管重现原图像，而伴音信号则经扬声器恢复出伴音。,11 电子扫描,111像素的概念 1像素 一幅平面图像，根据人眼对细节分辨力有限的视觉持性，总可以看成是由
2、许许多多的小单元组成。在图像处理系统中，这些组成画面的细小单元称为像素。像素越小，单位面积上的像素数目就越多，由其构成的图像就越清晰。,一幅黑白平面图像，表征它的特征参量是亮度。这就是说，组成黑白画面的每个像素，不但有各自确定的几何位置，而且它们各自还呈现着不同的亮度；又由于电视系统传送的是活动图像，因而每个在确定位置上的像素其亮度又随时间不断地变化着。也就是说像素的亮度又是时间的函数。,可见，像素亮度既是空间（二维）函数，同时又是时间函数。,2图像帧 电视系统中把构成一幅图像的各像素传送一遍称为进行了一个帧处理，或称为传送了一帧，每帧图像由许多像素组成。3并行传输（无法实现）理论上讲，可同时
3、把不同位置上具有不同亮度的像素转变成相应的电信号，再分别用各个相应信道把这些信号同时传送出去。4串行传输（实际应用）根据人的视觉惰性，可把组成一帧图像的各个像素的亮度按一定顺序一个一个地转换成相应的电信号并依次传送出去，接收端再按同样顺序将各个电信号在对应位置上转变成具有相应亮度的像素。这种像素的串行传输具有两个特点：第一是要求传送速度快。只有传送迅速，传送时间小于视觉暂留时间，重现图像才会给人以连续无跳动的感觉；第二是传送要准确。每个像素一定要在轮到它传送时才被转换、传送，并被接收方接收。且收、发双方每个像素被转换、还原的的几何位置要一一对应。即收发双方应同步工作，同步在电视系统中是十分重要
4、的。,5顺序转换的实现 扫描 将组成一帧图像的像素，按顺序转换成电信号的过程（或逆过程）称为扫描。扫描的过程和我们读书时视线从左到右、自上而下依次进行的过程类似。从左至右的扫描称为行扫描；自上而下的扫描称为帧(或场)扫描。电视系统中，扫描多是由电子枪进行的，通常称其为电子扫描。通过电子扫描与光电转换，就可以把反映一幅图像亮度的空间与时间的函数，转换为只随时间变化的单值函数（电信号），从而实现平面图像的顺序传送。,光电靶由光敏半导体材料构成，具有受光作用之后电阻率变小的性能，靶面上的光图像使靶面各单元受光照的强度不同，因而其各单元的电阻率不同，与较亮像素对应的靶单元阻值较小，与较暗像素对应的靶单
5、元阻值较大。这样一幅因像上各像素的不同亮度就表现为靶面上各单元的不同电阻值。,1摄像管与光电转换（光电导）摄像管是一种电真空器件。它主要由镜头、光电靶、电子枪、聚焦线圈和偏转线圈组成。,112 电子扫描的实现与光电与电光变换 电视图像的传送，在发端是基于光电转换器件，在收端是基于电光转换器件，实现这两种转换的器件分别称为摄像管和显像管。,从摄像管阴极发射出来的电子束，在电子枪的电场及偏转线圈的磁场力作用下，高速、顺序地扫过靶面各单元。当电子束接触到靶面某单元时，就使阴极、信号板(靶)、负载、电源构成一个回路。在负载RL中就有电流流过，其电流大小取决于光电靶在该单元的电阻值大小。光照强处，对应阻
6、值较小、流过负载的电流就较大，因而RL两端产生的压降也就较大，输出信号的电位也就越低。,负极性信号,2显像管与电光转换 显像管是在接收端重现图像的电真空器件，主要由电子枪、荧光屏、偏转线圈等组成。,由阴极发射出的电子束，在偏转线圈所产生的磁场力作用下，按从左到右，从上到下的顺序依次轰击荧光屏。屏面涂有荧光粉，在电子束轰击下荧光粉发光，发光亮度正比于电子束携带的能量。若将摄像端送来的信号加到显像管电子枪的阴极与栅极之间，控制电子束携带的能量，使荧光屏的发光强度受图像信号的控制。,设显像管的电一光转换是线性的(实际为非线性的)，那么，屏幕上重现的图像，其各像素的亮度都正比于所摄图像相应各像素的亮度
7、，屏幕上便重现了发端的原图像。,显像管内电子束偏转,需要说明的是；对于摄像管来说，光电转换特性可近似认为是线性的；而显像管电光转换特性则是非线性的。显像管的显示亮度(以Bd表示)，与其栅、阴极间电压(ugk表示)的次方成正比例，即(1-1)式中，Kd为比例常数，为显像管光电转换持性的非线性失真系数，通常23。由式(1-1)可见，电视系统中重现亮度与摄取亮度之间存在着由于引起的非线性失真、这种失真常称为失真。如果图像信号由发送端传到接收端的传输过程中未产生非线性失真，考虑到显像管电光转换的非线性，为保持重现图像与原景像亮度成正比，则需在摄像端预先将图像信号电压开次方，即(1-2)式中，u0代表摄
8、像电压，B0为摄像亮度，K0为比例常数。重现亮度则为(1-3)由式(1-3)可见，经校正后，系统将不再产生非线性失真。,显象端也可，为何不用？,113 电子扫描 将一幅图像上各像素转换为顺序传送的相应的电信号，以及将这些顺序传送的电信号再重新恢复为一幅重现图像的过程（即图像的分解与重现），都是通过电子扫描来实现的。摄像管与显像管中，电子束按一定规律在靶面上或荧光屏面上运动，即可完成摄像与显像的扫描过程。,显像管内电子束偏转,偏转线圈的结构,1 电子束偏转的基本原理 电子扫描是通过电子束在偏转磁场的作用下发生偏转而实现的。当装在摄像管或显像管的外面的偏转线圈中通过电流时，会产生偏转磁场，流过偏转
9、线圈中电流的幅度和方向，决定着偏转线圈中磁场的强弱和方向，最终决定了电子束偏转角度的大小和方向。,2逐行扫描 当线圈偏转中分别流过如下图所示的行、场锯齿波扫描电流时就会产生相应的垂直方向与水平方向的偏转磁场，在这两个磁场的共同作用下，使电子束作水平与垂直方向的扫描运动。在锯齿波电流作用下，电子束产生自左向右、自上而下，一行紧按行的运动，因而称其为逐行扫描。,扫描光栅演示,3隔行扫描 所谓隔行扫描，就是在每帧扫描行数不变的情况下，将每帧图像分为两场来传送，这两场分别称为奇场和偶场。奇数场传送1、3、l 5、奇数行；偶数场传送2、4、6、偶数行。世界各国都采用隔行扫描的扫描方式。,fH=1/TH=
10、1/(TH S+THR),fV=1/TV=1/(TV S+TVR),4 隔行扫描的意义 在电视系统中、要使传送的图像清晰，并无闪烁感，则要求传送频率大于临界闪烁频率47Hz（人眼的临界闪烁频率与图像的亮度、对比度等因素有关）。因此，我国电视制式规定，场扫描频率fV为50 Hz，每帧图像的扫描行数为625行。逐行扫描：帧频与场频相等。电视图像信号的最高频率约为1112MHz，要传送频谱这样宽的信号，不但会使设备复杂化，而且使在规定的可供电视系统使用的频段内可容纳的电视频道数目减少。如若为了减少带宽而降低场频，将会导致重现图像的闪烁；减少每场扫描行数，又会降低图像的清晰度。可见逐行扫描是无法解决带
11、宽与闪烁感及清晰度的矛盾。因而提出了既可克服闪烁感，又不增加图像信号带宽的隔行扫描方式。隔行扫描：帧频为场频的一半。每秒传送50场，即场频fV为50Hz，帧频却为25Hz，隔行扫描既减小了闪烁感，又使图像信号的带宽仅为逐行扫描的一半，大约为5.5MHz左右，我国规定视频信号带宽按照6MHz分析计算。,闪烁频率演示,5 隔行扫描的实现,需要强调指出的是：隔行扫描方式要求每帧扫描总行数为奇数。因为只有这样，在场扫描锯齿波电流波形顶点位置对齐的情况下方可使相邻两场均匀嵌套。其次，在隔行扫描中，整个画面的变化是按场频重复的，它高于临界闪烁频率因而减少了闪烁感。但就每行而言，它仍是按帧频重复的，即每40
12、ms重复一次，每秒重复25次，这是低于临界闪烁频率的。所以，当我们接近电视机观看时，仍会感觉到行间闪烁；但当离开一定距离观看时，行间闪烁就不怎么明显了。,忽略了扫描逆程的隔行扫描光栅及扫描电流波形示意图如右图所示，实线表示扫描的正程，虚线表示扫描逆程期间的回扫线。,（实际系统中回扫线被消隐掉了）,隔行扫描场扫描电流图,光栅奇偶镶嵌演示,6扫描电流的非线性对显示图像的影响 由于电子束是在扫描正程期间传送图像信号的，因此在正程期间要求扫描速度均匀，这就要求流过偏转线圈的电流线性良好，否则重现图像将产生非线性失真。若原图像为方格信号，当行、场扫描电流波形均为线性变化的锯齿波时，重现图形无失真，仍为方
13、格图形。当行、场扫描电流只要有其中之一失真，显示的图形将出现非线性失真，图1-10(b)和(c)分别表示行、场扫描电流其中之一出现非线性失真的情况。若二者同时失真，将显示出复杂的失真图形。,行、场扫描电流幅度不足时同样会产生失真。,114 我国广播电视扫描参数(教材上没有，注意笔记)扫描方式：隔行扫描,广播电视的扫描参数是在参数确定时的现有技术条件的制约下，根据人们对电视图像清晰度的要求，经过折衷考虑而确定的。扫描参数一经确定，其图像的清晰度和图像信号带宽亦随之确定了。电视图像的分解力通常用能分辨黑白相间线条的线数来表示。例如，说500线清晰度，则表示可以分辨黑白相间的线条的总数为500条，即
14、黑白相间的线条各250条。电视的分解力分为垂直（方向）分解力和水平（方向）分解力。,115 图像的分解力（清晰度）与信号带宽,1垂直分解力M（FLASH动画）电视图像的垂直分解力受每帧扫描行数Z的限制，实际上是受每帧显示行数Z的限制。理想条件下，M=Z。但在实际中M与当时的图像状态和扫描线的相对位置有关（如图示，圆点表示正在扫描的电子束），则总是有MZ。,由于扫描线具有一定的宽度（电子束具有一定的截面积），所以再现图象可以完全恢复第一列和第三列的原图形，而第二列则完全不,能恢复了，第四列可以部分恢复。这种极端的情形在实际的图象是很少见的，一般的图像总是具有一定的随机性，所以垂直分解力M介于有效
15、扫描行数Z到Z的一半之间，可以用一个小于1的系数k与Z的乘积来表示：M=kZ。通常k=0.76，则M=427线。由此可见，我国广播电视的垂直清晰度大于400线。VHS家用录像机为200左右，S-VHS在400线左右，VCD在280左右。,2水平分解力N 水平分解力N是指图像在水平方向上可以区分出垂直的黑白相间的线条数目。电子束在垂直方向上扫描是一行一行进行的，相邻两行互不重叠，则垂直方向上象素是不连续的，水平方向每一行的扫描则是连续进行的。由于扫描电子束具有一定的截面，对于竖直的黑白相间的线条扫描时，在黑白的交界处，转换图像信号的电平不能突变。若图象的细节比电子束的直径更小，则会完全反映不了这
16、种细节的变化，即存在孔阑效应。,从提高水平分解力的观点上看，电子束截面的直径d越小图像的水平分力就会越高，但是电子束截面的直径太小画面转换的效率将会降低，所以电子束截面的直径d一般与扫描的行距相等为宜，此时的水平分辨力与垂直分辨力相同（单位长度上），试验证明此时的图像质量最佳。在画面宽高比为4:3时:线。,孔阑效应,3图像信号的带宽 任何景物都有一定的背景亮度，反映在图像信号上就是信号的直流分量，也就是说图像信号最低频率是直流。可见只要知道了图像信号的最高频率，就可以确定图像信号的带宽。图像信号的最高频率应出现在传输一幅全是细节图象的情况下，且图像细节相当于一个像素，与一个扫描点相当，我们可用
17、图像信号的带宽计算图来讨论。,图像信号的带宽计算图,电视的水平分解力为N，则在行扫描正程时电子束扫过每个象素的时间为td=THS/N。由于存在孔阑效应，所以摄像输出的信号近似为正弦波，周期为2td，因而图像信号的最高频率fmax为:,12 黑白全电视信号,黑白全电视信号由“图像信号”和确保扫描同步的“复合同步信号”以及消除扫描逆程回扫线的“复合消隐信号”等辅助信号而构成的。,121 主体信号 图像信号 1图像信号及其特征 图像信号是由摄像管将明暗不同的景像经过电子扫描和光电转换而得的电信号。五条由白灰黑而变化的图像的图线信号如右图所示（有正负极性之分）。一般来说，图像信号是随机的，图(c)给出
18、了一行随机的图像信号的波形。,图像信号具有直流成分，其数值确定了图象的背景亮度，是单极性信号。对于一般活动图像，相邻两行或相邻两帧信号间具有较强的相关性，信号差别极小，可近似认为是周期信号。,正负极性图象信号,2图像信号的基本参量(亮度、对比度和灰度),亮度：通常是指单位面积的光通量，是人眼对光的明暗程度的感觉。亮度常以 B 表示，光通量的单位是烛光(cd)，亮度的单位是尼持(nit)或熙提(sb)。电视图像的亮度取决于电视图像信号的平均直流成分，改变电视图像信号的直流成分，可以改变其亮度。对比度：是客观景物最大亮度Bmax与最小亮度Bmin之比。当以K表示对比度时 K=Bmax/Bmin。电
19、视图像的亮度一般都低于原景物亮度，考虑到人眼的适应性，只要保持重现图像的对比度与原景物的对比度接近相等即可。图像信号的黑、白电平差别愈大，则对比度愈高。灰度：即亮度级差或称亮度层次，反映电视系统所能重现的原图像明、暗层次的程度。通常电视台发送一个具有10级灰度的阶梯信号(或称级差信号)，接收系统经调整后在重现图像中能加以区分的从黑到白的层次数，称其为该系统具有的灰度级。由于显像管调制特性的非线性，电视接收机一般都达不到10级灰度，一般只要能达到6级灰度，就可收看到明、暗层次较满意的图像了。,122 辅助信号1复合消隐信号 在图像的分解或恢复的扫描逆程中，若不采取措施，将出现行、场回扫线，对图像
20、产生干扰。消除回扫线的方法是在行、场扫描的逆程期间，在摄像管与显像管中分别加入能使扫描电子束截止的复合消隐信号（复合消隐脉冲）。发送端在发送图像信号的同时，在逆程期间将消隐信号发送出去。,复合消隐信号,1复合消隐信号 行、场消隐信号的电平等于图像信号的黑色电平；行、场消隐信号的周期应分别与行、场扫描周期相同；行、场消隐脉冲的宽度应分别等于行、场扫描的逆程时间。行消隐脉冲宽度为12s，场消隐脉冲宽度为1612s(其中包含着一个行逆程12s)。如图1-15（b）所示：,2复合同步信号 电视系统中发扫描必须严格同步，即收、发扫描对应的行、场起始和终止位置必须严格一致，否则就会出现画面失真或不稳定现象
21、。,发送端：每当扫描完一行时加入一个行同步脉冲；每当扫描完一场时加入一个场同步脉冲；它们分别在行与场逆程期间传送，其宽度分别小于行、场逆程时间。我国电视标准规定，行同步脉冲宽度为4.7s，脉冲前沿滞后行消隐信号前沿约 1.3s；场同步脉冲宽度为160s（2.5个行周期），脉冲前沿滞后场消隐信号前沿160s。,复合同步信号,扫描频率对重现图像的影响,相位不同对重现图像的影响,并行现象,接收端：在接收端必须先将这些行、场同步脉冲分离出来，用以分别控制接收机中的行、场扫描锯齿波电流的周期和相位。换言之，只有当行、场同步脉冲到来时才开始行与场的回扫，这就可保证收、发双方扫描电流的频率和相位都相同，即可
22、保证同步。图1-15(a)中给出了行、场同步信号，通常将行、场同步信号合称为复合同步信号。,同步脉冲前沿 逆程开始时刻,2复合同步信号,3槽脉冲和均衡脉冲 电视系统中，提取行同步信息的方法，是利用鉴相或微分电路来提取行同步脉冲的前沿。由于场同步脉冲较宽，因而在场同步期间会使行同步信息丢失。这样，在场逆程期间行就可能失步，可能会造成每场开始时的前几行不能立刻同步，而使屏幕显示图像的最上面几行出现不稳定现象。解决这个问题的办法是在场同步脉冲上加开几个槽，称为槽脉冲，并使槽脉冲的后沿(即上升沿)恰好对应于应该出现原行同步脉冲的前沿位置。加入槽脉冲之后就可以保证在场同步脉冲期间可以检测出行同步脉冲。槽
23、脉冲的宽度与行同步脉冲相同，也是4.7s。,行、场同步脉冲幅度相同、宽度不同，所以分离行、场同步脉冲一般借助于微分与积分电路的组合。微分电路可提取出行同步脉冲或槽脉冲的上升沿用于行同步；积分电路却可以选出宽度较大的场同步脉冲。,问题：隔行扫描，相邻两场扫描的起点和终点位置都不相同。奇数场：在半行处结束，场消隐信号和场同步信号应在行扫描到半行时加入；偶数场：在一个整行后结束，场消隐与场同步信号应在一个整行结束后加入。如图，将奇数场和偶数场的同步脉冲起始沿对齐分两排画出。在进行行、场同步分离时，每一个行同步脉冲出现，要对积分电容器进行一次充电，行同步脉冲过后则进行放电。由于奇数场和偶数场同步脉冲前
24、沿出现时，,行同步脉冲相互错开半行，造成积分电容器上的起始电压不同，这就必然导致两场同步时间的差异，如图所示，存在时差t。对场同步脉冲的检测造成影响。,场同步积分输出,为保证偶数场的扫描线准确地嵌套在奇数场各扫描线之间，必须保证相邻两场场同步脉冲前沿到达积分电路时，积分电容器上要有相同的起始电压，否则就无法保证正确的嵌套，严重时甚至会出现扫描光栅完全重合的现象。为此，在场同步脉冲前后（场消隐期间）以及中间，每隔半行都增加一个行同步脉冲，这样就可以使相邻两场的场同步脉冲前沿到达积分电路时，积分电容器上所充的电压基本相等。为了使增加脉冲后的平均电平不增加，把这部分脉冲宽度减小为原来的一半(即2.3
25、5s)。场同步脉冲上的槽也每半行,一个，槽宽仍为4.7s，场同步期间要开5个槽。每个场同步脉冲前、后各有5个 2.35s 宽的脉冲，常称其为前、后均衡脉冲，如图l-17(c)所示。这样一来，无论奇场还是偶场，送到场积分电路去的波形都是完全相同的。,开槽场同步,123 黑白全电视信号1全电视信号波形 将图像信号、复合同步、复合消隐、槽脉冲和均衡脉冲等叠加，即构成黑白全电视信号，通常也称其为视频信号。我国现行电视标推规定：以负极性全电视的同步信号顶电平作为100；则黑色电平和消隐电平的相对幅度为75；白色电平相对幅度为1012.5；图像信号电平介于白色电平与黑色电平之间。,正极性信号,黑白全电视信
26、号,各脉冲的宽度为：行同步4.7s；场同步160s 均衡脉冲2.35s；槽脉冲4.7s；场消隐脉冲1612s；行消隐脉冲12s。,2全电视信号的频谱 所谓频谱，就是信号中所含的频率成份及其能量分布，即各频率成份的相对幅度。全电视信号的频谱，应是它所包含的主体信号(图像信号)与辅助信号的频谱之和，图象信号的谱有一定规律性。静止图像的频谱 只在水平方向有亮度变化的静止图像 这种情况下，每个行扫描得到的图象信号都是一样的（以行频重复）。为了方便讨论，我们忽略了行逆程。根据傅立叶分析，频谱是线状谱，位于行频fH及其谐波nfH上。且n越大，能量（幅度）越小（对于我国，6MHz带宽最高谐波次数n=384）
27、。,是行角频率；为复振幅,n为行频的谐波次数.,在垂直方向也有亮度变化 信号仍然是以行频重复的，用二维傅立叶级数分解，可得频谱分布图。频谱成份为nfHmfV，其频谱分布是离散谱线簇(谱线群)，主谱线为nfH。特点是信号能量集中在行频fH及其各次谐波nfH的主谱线上，n越大能量越小。在每个主谱线两旁存在着场频及其谐波的许多副谱线。m越大，副谱线能量也越小。,垂直方向有细节变化 垂直方向有精细细节变化时，两场信号会有差异，其信号波形以帧为周期重复，故频谱应为nfHmfF（fF为帧频，25Hz）。由于垂直方向内容有不小的相关性，所以，帧间差引起奇数倍成份相对较小。,我们取得极其重要的结论：上述电视信
28、号的频谱是由行频的基、谐波为主频谱线和分布于它们两侧的以场频的基、谐波为副频谱线的离散频谱群组成的。,为场频角频率,运动图象信号的频谱 对于一般速度运动的物体，形成的帧周期信号波形表现为随运动情况而在时间轴上的相位有变化。随景物运动，两旁的依时间左右摆动，主谱线两旁的副谱线近乎连续。因电视图像相邻帧间、行间相关较大，因此相邻群之间有信号能量的空白区。,图像信号的频谱待征 以行频及其谐波为中心,形成梳齿状的离散频谱。随着行频谐波次数的增高，谱线幅度逐渐减小。这说明黑白图像信号的主要能量分布在视频信号的低频端。实践证明，无论是静止或活动图像，行频主谱线两旁的副谱线谐波次数不大于20。按m=20计算
29、，各谱线群所占宽度仅为2mfV220502kHz，相邻两主谱线间距为15.625kHz，可见各群谱线间存在着很大的空隙。,全电视信号的频谱,辅助信号的频谱 由于各辅助信号均为周期性脉冲信号，其频谱与脉冲宽度有关。若以表示脉冲宽度，则周期性脉冲信号的频谱如图所示。一般来说，能量主要集中在f3/以内，故可近似认为这类脉冲信号的最高频率为fmax3/。以行同步脉冲为例，4.7s，则3/638kHz。因而我们可以说，各辅助信号也都是小于6MHz的离散谱。,结论：全电视信号具有在06MHz范围内、离散分布的频谱结构。为了分析问题简单，常以图l-21表示全电视信号的频谱。,13 彩色的基本概念,131 彩
30、色和光密不可分1可见光的特性 光是一种以电磁波形式存在的物质，人眼可以看见的光叫可见它是波长范围为380nm到780nm之间的电磁波。不同波长的光呈现出的颜色各不相同，随着波长由长到短，呈现的颜色依次为：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。只含有单一波长的光称为单色光，包含有两种或两种以上波长的光标为复合光（复色光），复合光作用于人眼，呈现混合色。例如，太阳辐射的光含有七种单色光的波谱，但却给认以白光的综合感觉。太阳发出的白光中包含了所有的可见光，若把太阳辐射的一束光投射到棱镜上太阳光会经过棱镜分解成一组按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫顺序排列的连续光谱。被分解之后的色光，若再次经过棱镜，它是不能再分解了
31、，这种单一波长的色光也称谱色光。,可见光谱图,2物体的颜色 我们看到的颜色有两种不同的来源：一种是发光体所呈现的颜色，如彩色灯和霓红灯等发出的彩色光；另一种是物体反射或透射的彩色光。那些本身不发光的物体，在外界光线照射下，能有选择地吸收一些波长的光，而反射或透射另一些波长的光，从而使物体呈现一定的颜色。例如，红旗反射红光而吸收其它颜色的光，因而呈现红色；绿色的植物因反射绿色光而吸收所有其它色光而呈现绿色，白云反射全部阳光而呈白色；煤炭吸收全部照射光而呈现黑色等等。既然物体呈现的颜色是由于物体反射(或透射)光的种类不同而产生的，那么物体呈现的颜色显然与照射它的光源有关。绿草的绿色是由于它在日光照
32、射下才表现出来的，如果把绿草拿到红光下观察，就会发现它不再是红色而近乎是黑色的，这是因为红色光源中没有绿光成分，绿草全部吸收了红光，所以变成黑色。人们日常生活中都会有这样的经验，某些东西在日光下看到的颜色与在灯光下看到的颜色有差异，恰恰说明由于日光与灯光这两种光源所含的光谱成分不同，使同一物体表现为不同的颜色。应该指出，不能从看到的颜色来判断光谱的分布。这是因为虽然一定的光谱分布表现为一定的颜色，但同一颜色则可由不同的光谱分布而获得。例如，黄色可以由单一波长的黄光产生，也可以由两种波长不同的光(红光和绿光)按一定比例混合而产生，二者给人的颜色感觉却是相同的。,3色温和标准光源 通常的照明光源，
33、如太阳、日光灯、白炽灯泡等所发出的光虽然都笼统地称其为白光，但由于发光物质不同，它们的光谱成分相差很大，用它们照射相同物体时，呈现的颜色则相差较大。例如，白炽灯泡偏橙红（呈暖色调），而汞灯偏青蓝（呈冷色调）。为了比较和区别各种光源的特性，国际照明委员会(CIE)规定了A、B、C、D、E等几种标准白色光源，并以基本参量“色温”予以表征。(1)色温的概念 色温是以绝对黑体的加热温度来定义的。所谓绝对黑体是指既不反射光、也不透射光，而完全吸收入射光的物体，被加热时的电磁波辐射波谱仅由温度决定。随着温度的增加，黑体辐射能量将增大，其功率波谱向短波方向移动。所以当温度升高时，不仅亮度增大，其发光颜色也随
34、之变化。为了区分各种光源的不同光谱分布与颜色，可以用绝对黑体的温度来表征。当绝对黑体在某一特定绝对温度下，所辐射的光谱与某光源的光谱具有相同的特性时，则绝对黑体的这一特定温度就定义为该光源的色温，单位以K表示。例如，温度保持在2800K时的钨丝灯泡所发的白光，与温度保持在2854K的绝对黑体所辐射光的功率波谱基本一致，于是既称该白光的色温即为2854K。可见、色温并非光源本身的实际温度，而是表征光源波谱持性的参量。摄氏度K273.16,(2)标准白光源 A 光源：相当于2800K钨丝灯所发的光。其色温为2854K。它的光谱能量分布主要集中于波长较长的区域，因而A光源的光总带着橙红色。B 光源：
35、相当于中午直射的太阳光。其色温为4800K。在实验室中可由特制的滤色镜从A光源中获得。C 光源：相当于白天的自然光。色温为6800K。其波谱成分在400500nm处较大，因此C光源的光偏蓝色。它被选作为NTSC制彩色电视系统的标准白光源。,D 光源：相当于白天平均照明光。因其色温为6500K，故又称D65光源。它被选作为PAL制彩色电视系统的标准白光源。E 光源：是一种理想的等能量的白光源，其色温为5500K。其光谱能量分布是一条平行于横轴的水平直线，在可见光波长范围内，各波长具有相同的辐射功率。采用这种光源有利于彩色电视系统中问题的分析和计算。这种光源在实际中是不存在的，是假想的光源。,13
36、2视觉特性 电影、黑白及彩色电视技术，均是利用了人眼视觉的某些特性而实现的。黑白电视中，不但利用了人眼的视觉惰性，同时还利用了人眼分辨力的局限性(即当相邻像素靠近到一定程度时，人眼无法分辨，会产生连续象素的感觉)。彩色电视中，除了利用以上特性外，还利用了人眼的彩色视觉特性，主要包括视敏特性和彩色视觉。,1相对视敏曲线 在可见光范围内，同一波长的光，当其强度不一样时，给人的亮度感觉是不相同的；对于相同强度而波长不同的光(E光源)，给人的亮度感觉也是不同的。实践证明，人眼感到最亮（最灵敏）的是黄绿色，最暗（最迟钝）的是蓝色和紫色。如相对视敏曲线所示(E光源)。基准是人眼最敏感的、波长为555nm的
37、黄绿光(l00)。对于不同的人，相对视敏曲线的形状是会稍有差异的。,相对视敏曲线,2人眼的亮度感觉 亮度感觉，即包括人眼所能感觉到的最大亮度与最小亮度的差别及在不同环境亮度下对同一亮度所产生的主观明亮程度的感觉。(1)人的视觉范围很宽，能感受到的亮度范围大约从百分之几nit到几百万nit(但不能同时感受到这样大的亮度范围，当人眼适应了某一平均环境亮度之后，视觉范围就变得小多了。之所以如此，是因为人眼的感光作用有随外界光的强弱而自动调节的能力)。(2)在不同环境亮度下，人眼对同一亮度的主观感觉也不相同。在光天化日之下，如果有人在你身边打开手电筒，你可能毫无亮度明显增加的感觉；但若是漆黑的夜晚，即
38、使离你较远有人划一根火柴，你也会感觉到光亮。实验表明，人眼察觉亮度变化的能力是有限的，且随着亮度B的增大，能觉察的最小亮度变化Bmin也增大；但在相当大的亮度范围内，可察觉的最小亮度变化与相应亮度之比(Bmin/B)却等于一个常数。上述特性告诉我们：电视重现景像的亮度无需等于实际景物的亮度；人眼不能觉察出的亮度差别，在重现景像时可不予精确复制，只要保持重现图像的对比度，就会有十分逼真的感觉。这给电视图象的传输与重现带来了极大的方便。,3人的彩色感觉 人眼视网膜里存在着大量光敏细胞；按其形状可分为杆状和锥状两种。杆状光敏细胞的灵敏度极高，主要靠它在低照度时辩别明暗，但它对彩色是不敏感的；锥状细胞
39、既可辨别明暗，又可辨别彩色。白天的视觉过程主要靠锥状细胞来完成，夜晚视觉则由杆状细胞起作用，所以在较暗处无法辨别彩色。锥状光敏细胞又分为三类，分别称为红敏、绿敏和蓝敏。如果某束光线只能引起某一种光敏细胞兴奋、而另外两种光敏细胞仅受到很微弱刺激，我们感觉到的便是某一种色光；若红敏细胞受刺激，则感觉到的是红色；若红、绿敏细胞同时受刺激，则产生的彩色感觉与由黄单色光引起的视觉效果相同。显然，随着三种光敏细胞所受光刺激程度上的差异，还会产生各式各样的彩色感觉。因此，当我们在摄取彩色景物时，若用三个分别具有与人眼三种锥状细胞相同光谱特性的摄像管，分别摄取代表红、绿、蓝三个彩色分量的信号，经处理、传输，再
40、通过显像管的红、绿、蓝荧光粉受电子轰击发光，转换成原来比例的彩色光，即可实现彩色图像的重现。,133 彩色三要素和三基色原理1彩色三要素 亮度，这里是指彩色光作用于人眼引起明暗程度的感觉，通常用Y来表示；亮度与色光的能量及波长的长短有关，前面已有分析，这里不再赘述。色调，即彩色光的颜色类别。通常所说的红色、绿色、黄色等等就是指不同的色调。上面所说的不同波长的光所呈现的颜色不同，实际上就是指其色调不同。如果改变彩色光的光谱成分，就必然引起色调的变化。例如，在红光中混入绿光就会使人们感觉到色调变成黄色。至于彩色物体的色调，则取决于物体在光线照射下，所反射的光的光谱成分。不同光谱成分的反射光使物体呈
41、现不同的色调。对于透光物体，其色调由透射光的波长决定。显然，彩色物体的色调也同样与照射它的光源有关。色饱和度，是指颜色的深浅程度，即颜色的浓度。对于同一色调的彩色光，其饱和度越高，它的颜色就越深；饱和度越低，它的颜色就越浅。在某一色调的彩色光中掺入白光，会使其饱和度下降，掺入的白光越多，其饱和度就越低。色调和饱和度合称为色度。色度即说明彩色光颜色的类别，又说明了颜色的深浅程度。在彩色电视系统中，所谓传输彩色图像，实质上是传输图像像素的亮度和色度。,2三基色 不同波长的光会引起人眼不同的彩色感觉；两种不同光谱成分的光经混合，能引起人眼有产生与某种单色光相同的彩色感觉，即单色光的颜色可以由几种颜色
42、的混合光（复色光）来等效；这一现象称混色。利用混色的方法，人们可以只用几种颜色的光来仿造出大自然中大多数的彩色，而不必去追究这些彩色光的光谱成分。人们在进行混色实验时发现：只要选取三种不同颜色的单色光按一定比例混合就可以得到自然界中绝大多数色彩，具有这种特性的三个单色光叫基色光，对应的三种颜色称三基色。彩色电视中所采用的三基色分别是红色、绿色和蓝色。三基色原理：(1)三基色必须是相互独立的产生。即其中任一种基色都不能由另外两种基色混合而得到。(2)自然界中的大多数颜色，都可以用三基色按一定比例混合得到；或者说自然界中的大多数颜色都可以分解为三基色。(3)三个基色的混合比例，决定了混合色的色调和
43、饱和度。(4)混合色的亮度等于构成该混合色的各个基色的亮度之和。彩色电视要传送的是亮度不同、色调和色饱和度千差万别的彩色信息，有了三基色原理，我们只需要将要传送的颜色分解为三基色(红、绿、蓝)，然后再分别以对应的一种电信号进行传送就可以了。为了与黑白电视系统兼容，实际传送的是亮度和色差（表示色度）信号。,3混色方法 把三基色按照不同的比例混合获得彩色的方法称为混色法。混色法有相加混色（光的合成，彩色电视用）和相减混色（染料合成）之分。为了说明相加混色，可以将三束圆形截面积的红、绿、蓝单色光同时投射到白色屏幕上，呈现出一幅品字形三基色圆图。,相加混色的几种方法：(1)空间混色法。利用人眼空间细节
44、分辨力差的特点，将三种基色光在同一平面的对应位置充分靠近，只要三个基色光点足够小且充分近，人眼在离开一定距离处将会感到是三种基色光混合后所具有的颜色。这种空间混色的方法是同时制彩色电视的基础。,(2)时间混色法。利用人眼的视觉惰性，顺序地让三种基色光出现在同一表面的同一处，当相隔的时间间隔足够小时，人眼会感到这三种基色光是同时出现的，具有三种基色相加后所得颜色的效果。这种相加混色方法是顺序制彩色电视的基础。(3)生理混色法。人的两眼同时分别观看不同颜色的同一彩色景像时，使之同时获得两种彩色印像，两种彩色印像在大脑中产生相加混色的效果。,4色度三角形 由三基色混合所产生的各种颜色，可以由色度三角
45、形予以说明。该三角形直观地表示出三基色合成的色度关系。例如，RG边表示由红色与绿色合成所得的所有的颜色。此边的中点为黄色，说明红色与绿色相等时为黄色。同理，RB边的中点是紫色(品色)，GB边的中点为青色，色度三角形重心位置W为白色。,穿过W的任一条直线，连接三角形上的两个点，该两点所代表的颜色相加均得到白色。因此，通常把相加后形成白色的两种颜色称为互补色。例如，在色度三角形中，通过W点所连的红、青，绿、紫，黄、蓝均互为补色。,色度三角形的三个顶点代表三基色。例如，R点所代表的颜色是纯红色，其饱和度为100%。沿着直线RW不断向W点移动，红色中的白色成分随之增加，颜色不断变淡，其饱和度不断下降，
46、但色调并不改变。,1.3.4 计色制及色度图,1、配色实验,图1-25所示的比色计中有两块互成直角的白板（屏幕）将观察者的视场分为两部分，它们对所有可见光谱几乎全反射。将待配色光F投射到屏幕左边，三种基色光投射于屏幕右边，分别调节它们的强度，直到它们的混合光与待色光F的亮度完全一致为止。此时，整个视场将出现待配光的颜色。选定三基色单位后，就可以进行配色试验。,对于任意给定的彩色光F，如果三基色调节装置中的强度读数分别为R、G、B，就可以写出配色方程：FRR+GG+BB 式中R、G、B称为三色系数F是代表彩色F的亮度，通常用光通量单位。F（R4.5907G+0.0601B）光瓦（R4.5907G
47、+0.0601B）流明（lm),进行配色试验，必先选定三基色单位；根据不同三基色单位，可分为不同的计色制。在RGB计色制中，国际照明委员会（CIE）规定：把波长为700nm，光通量为1光瓦的红光作为一个红基色单位（或称单位量），用R表示；把波长为546.1nm，光通量为4.5907光瓦的绿光作为一个绿基色单位，用G表示；把波长为435.8nm，光通量为0.0601光瓦蓝光作为一个蓝基色单位，用B表示。比色计的读数将按基色单位R、G、B进行刻度，而不按辐射功率或者光通量刻度。红、绿、蓝基色波长的选择，是采用汞弧光谱中经滤波后的单一谱线作为观标准的。它们容易获得，色度稳定而准确，配出彩色也较多。光
48、通量之所以如此确定，就是为了使：1R+1G+1B=白,（1）RGB计色制及色度图,在许多情况下，只需要讨论景物与图象的色度，而不涉及其亮度。如前所述，色度只由三色系数R、G、B的比例决定，与它们的数值大小无关。为此，令三色系数之和为m，并令：r=R/m,g=G/m,b=B/m.显然r+g+b=1,式中m称为色模，反映了色光的亮度；r、g、b称为相对色系数或色度坐标，它们的每一组数值都确定了一种颜色的色度。由于相对色系数r、g、b之和等于1。所以知道其中任意二个（例如r和g）就可以算出第三个（例如b=1rg）。因此，可以用rg平面坐标作出包罗所有实际颜色的色度图，即RGB系统色度图。如课本24页
49、图1-29示。,2、计色制及色度图,RGB计色制的基础是配色试验，它的物理意义明确，但使用不方便。RGB色度图的缺点：在色度图上不能表示亮度；RGB色度图对有些颜色出现负坐标，即说明三基色系数中有的为负，这样就不能根据式（1-6）由相加混出所需颜色。为此国际照明委员会（CIE）规定了另一种计色系统，即XYZ计色制。XYZ计色制所选的三基色单位量X、Y、Z并不代表实际彩色，也不能通过物理三基色相混合而得到，只能由计算求得，故常称X、Y、Z 为计算三基色。,（2）XYZ计色制及其色度图,RGB计色制的基础是配色试验，物理意义明确，但使用不方便。RGB色度图对有些颜色出现负坐标，即说明三基色系数中有
50、的为负，这样就不能根据式（1-6）由相加混出所需颜色。为此国际照明委员会（CIE）规定了另一种计色系统，即XYZ计色制。XYZ计色制不能象RGB计色制那样，一切计算结果都可以通过配色试验来验证，它是在RGB制的基础上通过数学运算转换产生的一种计色制。在学习XYZ制时，要注意与RGB制进行对比，抓住它们的异同点以及相互转换关系。设XYZ的三基色单位是X、Y、Z，则任一彩色的配色方程为FXXYYZZ 式中，X、Y、Z称为三色系数，三基色单位的选定基于如下考虑：1、要求自然界所有实色的三个色系数X、Y、Z为非负数，以利于色度计算与作图。2、为了简化彩色的亮度计算，规定彩色的亮度直接由色系数Y决定，且
