视觉特性与三基色原理.ppt

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1、电视原理,天津大学电子信息工程学院,内容简介,本课程是电子信息类电子信息工程、通信工程和相近专业学生的一门专业主干课程，目的是使学生掌握电视系统的基本原理，因为它是专业课程专业知识的综合体现。本课程对电视系统从基本原理、图像摄取、处理、传输、存储、重现，以及所涉及的视觉特性、三基色原理与计色制、电视传像基本原理、彩色电视制式、电视信号的形成、处理与录放、电视信号接收原理、电视信号数字处理原理和数字电视系统原理做较为系统的分析。,教 材与参考书目,教材电视原理（高等学校电子信息类规划教材）俞斯乐等 国防工业出版社 第6版 2005 参考书目1、电视原理实验 国防工业出版社 2、数字电视技术基础惠

2、新标 郑志航编著 电子工业出版社3、数字电视原理卢官明等编 机械工业出版社 4、数字视频技术及其应用黎洪松 清华大学出版社,作业与实验要求,作业与实验要求：1、完成规定课堂作业。2、独立完成实验操作，上交实验报告。,电视的诞生,电视的诞生，是20世纪人类最伟大的发明之一。1925年，苏格兰发明家约翰.洛吉.贝尔德用自行装置的机械电视设备，第一次将移动的图像传向远处的接收机现场。,1925年10月2日，位于伦敦一间顶楼的临时实验室里，贝尔德用摄像机扫描了一个木偶的头部。他欣喜地发现，木偶的头部被闪烁不定地复制在他安置于另一间屋子的荧屏上。于是，他飞快地跑出实验室，临时雇了一个小伙计坐在他的摄像机

3、前，重复他的实验。这位名叫威廉.泰因顿的年轻小伙子幸运地成为历史上第一个出现在电视上的人。,1926年1月，贝尔德在伦敦皇家科学研究所首次示范电视技术。,最早的电视广播,最早的电视广播于1929年在伦敦开播，使用了约翰洛吉贝尔德建造的系统。画面引起了一阵轰动，但它们一点儿也不像现代的电视广播。现代彩色电视画面是由500至1000条以上的扫描线组合起来的。贝尔德的画面只有30条扫描线，并且是黑白两种颜 色，这使得画面非常模糊。世界上最早的电视台是1936年11月2日在伦敦郊外亚历山大宫建立的大众电视台。我们国家第一座电视台是1958年5月1日试运行的北京电视台，也就是现在的中央电视台。,电视技术

4、的发展,电视技术本身：第一代黑白电视（20世纪20年代）第二代彩色电视（20世纪40年代）第三代高清晰度电视（20世纪80年代）,信号处理技术：第一代模拟电视第二代数字处理电视第三代数字电视电路工艺：第一代电子管第二代晶体管第三代大规模集成电路,传输媒介：单一的地面微波扩充到电缆、卫星、网络、无线移动 功能覆盖：单一的活动图像广播扩充到数据广播、视频点播、收费电视、立体电视、多视点视频等,电视技术的特点：快速发展模拟、数字电视并存各种制式群雄并起各类设备争奇斗艳 多学科综合的、代表性的电子信息工程（物理学、生理学、数学、电子电路、计算机、信号处理、通信技术）深入日常生活，可见可感构思奇巧、实现

5、精到 有助于实现知识的贯穿和系统概念的建立,天津大学电子信息工程专业以电视技术为特色,20世纪70年代参加全国电视会战1979年创建了天津大学电视研究室（现为天津大学电视与图像信息研究所），是中国高校中唯一经国家教育部批准设立的从事这一领域研究的科研单位。1980年代“91mm钻孔彩色电视设备”获国家科技进步二等奖，“电视多工广播”获国家教委科技进步一等奖，“彩色电视屏幕墙系统”获机电部科技进步三等奖“数字HDTV/TV频带压缩编解码技术”，被电子部评为电子行业“八五”国家科技攻关重大成果。“HDTV信源解码器”的研制任务，被国家计委、科技部等评为“九五”国家重点攻关重大成果。“数字高清晰度电

6、视系统关键技术与设备”2002年获国家科技进步二等奖及上海市科技进步一等奖。“数字高清晰度电视机顶盒技术”2003年获天津市科技进步一等奖。出版了我国电视技术领域的首部专著电视原理，作为全国统编教材目前已修编了6版，获电子部全国工科电子类专业优秀教材一等奖。,电视：根据人眼视觉特性以一定的信号形式实时传送活动景物图像的技术。,第1章 视觉特性与三基色原理,电视技术的精髓就是研究如何用最经济、最有效的方法使重现光像能够使人感到最逼真地模拟实际景物的光像。电视使人人都是千里眼、顺风耳，人人不出屋，便见天下物。“电”“视”顾名思义是物理学与生理学结合的科学。为使使重现光像逼真地模拟实际景物的光像必须

7、首先了解光特性，了解人对光像的感觉特性。,1.1 光的特性,1.1.1 电磁辐射与可见光谱,780nm,380nm,可见光,1.光的波长范围有限，它只占整个电磁波波谱中极小的一部分。2.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 3.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称为复合光，复合光作用于人眼，呈现混合色。太阳辐射的光含有各种单色光的波谱，给人以白光的综合感觉。,4.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

8、之后的色光，若再次经过棱镜，就不能再分解了，这种单一波长的色光称谱色光。,太阳光谱辐射大部分为可见光，感谢造物主，人恰恰对这部分电磁辐射敏感。电视不但可以把视线不可及的景物变成可及的，还可以把视力不可见的变成可见的，如红外电视和紫外电视。为了真实重现彩色景物需要研究光源。光源包括太阳光和人造光源。彩色感觉是人眼主观视觉功能和物体、光源属性等客观条件结合的产物。同一物体在不同光源下可呈现不同的彩色。,1.1.2 光源,一、色温的概念定量地描述光源所发出的白光的品位。绝对黑体-指既不反射也不透射而完全吸收入射波的理想物体。色温-当绝对黑体在某一特定绝对温度下，其辐射的相对光谱功率分布与某一光源的光

9、谱相同时，则绝对黑体的这一特定温度就定义为该光源的色温，单位是开（K）。,1.1.2 光源,二、标准照明体和标准光源,标准光源,A白光源（2800K）B白光源（4800K）C白光源（6770K）D65白光源（6500K）E白光源（5500K）（等能白光：E白）,1.2.1 眼睛的构造,1.2 人眼的视觉特性,人的视觉系统对颜色的感知可归纳出如下几个特性：,眼睛可类比与一个摄像机。人的视网膜通过神经元来感知外部世界的颜色。每个神经元或者是一个对亮度和颜色敏感的锥体细胞，或者是一个只对亮度敏感而对颜色不敏感的杆体细胞。,1.2.2 光的度量,1.光谱光视效率光的度量是指用人眼的视觉度量光。视觉效应

10、是由可见光刺激人眼引起的。如果光的辐射功率相同而波长不同，则引起的视觉效果也不同，不仅颜色感觉不同，而且亮度感觉也不同。在产生相同亮度感觉的情况下，测出各种波长光的辐射功率（），则：光谱光视效能：K（）=1/（）用来衡量视觉对波长为的光的敏感程度。,当=555nm时，有最大的光谱光视效能：Km=K(555)任意波长光的光谱光视效能K()与Km之比 称为光谱光视效率（相对视敏度），用函数V()表示：V（）=K（）/Km V（）也可用得到相同主观亮度感觉时所需各波长光的辐射功率(）表示：V（）=（555）/（）,1933年国际照明委员会（CIE）测得的明视觉与暗视觉的光谱光视效率曲线,明视觉,暗视

11、觉,2.光度学中几个度量单位,发光强度 I，单位是cd，读作坎德拉光源在给定方向上发出波长555nm的单色辐射，且在此方向上的辐射功率为（1/683）W/sr，则称该光源在此方向上的发光强度为1 cd。cd是国际单位制（米.千克.秒制）的一个基本单位。,光通量：单位是lm,读作流明按人眼光感觉度量的辐射功率。1流明等于发光强度为1cd的点光源，在1球面度立体角内发射的光通量。1lm=1cd sr波长555nm的单色光辐射功率为(555)=1W时产生的光通量为1光瓦。根据坎德拉的定义 1光瓦=683流明波长的单色光辐射功率为()瓦时，相当于波长555nm的单色光辐射功率为()V()瓦，光通量为(

12、)V()光瓦，或683()V()流明。,非单一波长的光源，其发出之光通量，是它在各波长范围所发出的光通量总和。对于N个单色光1、2、N组成的光源，N=683(i)V(i)lm i=1 对于具有连续光谱功率分布密度e()的光源，=683()V()d lm,亮度 L:单位是cd/m2,读作坎/米2亮度表示发光面的明亮程度。（同样的发光强度面积越小亮度越大）照度 E：单位是lx,读作勒克斯照度表示物体表面受到光照射时，单位面积上入射的光通量。1勒克司等于每平方米上有1流明的光通量。lx=1lm/m2（同样的光通量面积越小光照度越大）,1.2.3 亮度、彩色与立体视觉,1.明暗视觉亮环境下锥体细胞、杆

13、体细胞共同起作用，分辨明暗、彩色，称为明视觉。暗环境下只有杆体细胞起作用，只能分辨明暗，称为暗视觉。暗视觉比明视觉的相对视敏度曲线偏左。2.彩色视觉彩色光的三个基本参量(彩色三要素)：（1）亮度光作用于人眼所引起的明亮程度的感觉。（2）色调表示颜色的种类。（3）饱和度表示颜色的深浅程度。即彩色的纯度，掺入白色的程度。色度色调和饱和度又合称为色度。色度既说明彩色的类别，又说明彩色的深浅程度。,亮度取决于人眼感觉的光功率的大小。色调取决于进入人眼的光的波长。饱和度取决于纯色光中混入白光的程度。,HSL彩色模型,3.立体视觉双眼立体视觉：两眼相距约5872mm,两眼视物相当于从不同角度看物体，物体融

14、合为立体图像。形成双眼立体视觉的主要因素是视差和辐辏。,1.2.4 眼睛的视觉范围与视亮度,人眼能感觉的绝对亮度范围与在适应了某一环境平均亮度下的亮度范围不同。前者为1亿比1，后者为1千比1。视亮度在一定背景亮度环境下人的主观亮度感觉。费涅尔系数=Lmin/L Lmin称为可见度阈值。视亮度 S=klgL+k0（韦伯费涅尔定律）、k、k0在一定背景亮度环境下为常数，不同的背景亮度环境有所不同。,锥体细胞在3cd/m2时最灵敏杆体细胞在10-3cd/m2时最灵敏背景亮度环境很低或 很高时，较大，视 亮度不敏感,200,2,200,图像中最大亮度Lmax与最小亮度Lmin 的比值C称为对比度。C=

15、Lmax/Lmin例：实际传送的景物亮度200-20000cd/m2，电视屏幕亮度2-200cd/m2，两者对比度都为100重现景物的亮度范围无需与实际景物的相等，只需保持二者的对比度相同。人眼不能觉察的亮度差别无需精确复制。,视觉掩盖效应：在空间不均匀背景中，可见度阈值将会增大，这种现象称为视觉掩盖效应。在图像边缘处可以粗量化。,可见度阀值,对比度2.75,对比度8.7,对比度27.5,背景阶跃变化对比度,1.2.5 人眼的分辨力与空间频率响应,1.黑白细节分辨力视敏角(分辨角)观测点（眼睛所在点）与人眼能分辨的相距最近的两个点所形成的夹角。正常人的视敏角11.5分人眼的分辨力视敏角的倒数,

16、d/（2D）=/360*60=3438*d/D分辨力与观看位置、照明强度、景物相对对比度、物体运动速度有关。人眼相当于一个低通滤波器。,2彩色细节分辨力,人眼对彩色细节的分辨力远比对黑白细节的分辨力低彩色电视系统传送彩色图像时，细节部分只传送黑白图像。大面积着色原理,3彩色色调分辨力,人眼对不同波长的光有不同的色调感觉。人眼能分辨出色调差别的最小波长变化称为色调分辨阈，色调分辨力与色调分辨阈成反比。色调分辨力随波长变化而改变，480nm640nm 区间色光的色调分辨力较高。饱和度变小时，人眼的色调分辨力下降。亮度太大或太小时，人眼的色调分辨力下降。,4彩色饱和度分辨力,视觉所能分辨的色光饱和度

17、由100%到0变化的等级数称为彩色饱和度分辨力。彩色饱和度分辨力随波长变化而改变。数值在425之间。红色、蓝色区域饱和度分辨力较高。,1.2.6 视觉惰性与闪烁感觉,当有光脉冲刺激人眼时，视觉的建立和消失都需要一定的过程，光源消失以后，景物影像会在视觉中保留一段时间，称为视觉惰性。视觉暂留时间在0.050.2秒,若电视画面间歇性重复呈现，只要重复频率为50Hz左右，视觉上就有很好的连续画面的感觉。不引起闪烁感觉的光脉冲最低重复频率称为临界闪烁频率。,人眼在不同亮度下视亮度与作用时间的关系,10HZ,30HZ,50HZ,闪烁演示,1.3.1 三基色原理,人的色彩视觉假说视网膜上的锥体细胞有三种类

18、型：红光敏细胞、绿光敏细胞和蓝光敏细胞。红、绿、蓝三种光敏细胞对不同频率的光的感知程度不同，具有各自的视敏度函数VR()、VG()和VB()（图1-8）。相对视敏度函数：V()=VR()+VG()+VB()设某彩色光的功率分布为e()，对应三种光敏细胞有三个光通量：R=e()VR()d G=e()VG()d B=e()VB()d 总光通量=R+G+B,1.3 三基色原理与色度图,人对该彩色光的亮度感觉决定于总光通量，人对该彩色光的色度感觉决定于R、G、B之间的比例。彩色重现并不要求恢复景物的原始光谱成分，只需获得与原景物相同的彩色感觉。具有不同光谱功率分布的光，只要R、G、B相同，则它们的色彩

19、视觉完全等效。,三基色原理：,适当选择三种基色，它们相互独立，其中任一色均不能由其它二色混合产生。它们又是完备的，即所有其它颜色都可以由这三种基色按不同的比例组合而得到。三基色原理对于彩色电视的重要性：把传送无数彩色的任务简化为传送三个基色信号。两种基色系统相加混色：红、绿、蓝用于电视系统相减混色：黄、品、青用于彩色印刷、彩色胶片和绘画,相加混色,相减混色,两种原色混合次色两种原色的补色次色补色白色,C,Y,M,R,G,B,混色方法：时间混色法：将三种基色光按一定的顺序轮流投射到同一个表面上。是顺序制彩色电视的基础。空间混色法：将三种基色光分别投射到同一个表面上邻近的三个点上。是同时制彩色电视

20、的基础。生理混色法：两只眼睛同时分别观看两种不同颜色的同一幅图像。,1.3.2 RGB色度系统,配色实验 1931年CIE规定：波长为700nm，为红基色光R。波长为546.1nm，为绿基色光G。波长为435.8nm，为蓝基色光B。,1.配色实验,1.3.2 RGB色度系统,1931年CIE规定：波长为700nm，为红基色光R。波长为546.1nm，为绿基色光G。波长为435.8nm，为蓝基色光B。,为使等量的三个基色光能配出标准白光，规定了红、绿、蓝三个基色单位，并分别用R、G、B表示。光量调节器也按基色单位进行刻度，当三个基色光量刻度分别为1R、1G、1B时，配出等能白光E白配得等能白光E

21、白，测得三基色光通量的比例为：1：4.5907：0.0601,2.颜色方程与三刺激值,等能白光的颜色方程：FE白1R1G1B任意彩色光F的颜色方程：FRRGGBB 其中：R、G、B称为三刺激值 取1R的光通量为1流明，则 光通量(亮度)方程：F(R4.5907G0.0601B)lm光谱三刺激值：配出单位辐射功率、波长为的单色光的三刺激值,该单色光颜色方程：,RGB制混色曲线,具有任意功率分布e()的彩色光F的三刺激值计算：,连续分布：,离散分布：,RGB色度图,色度（色调、饱和度）只与三刺激值的比例有关。令：R+G+B=m m称为色模，代表某彩色光所含三基色单位的总量。则用色模归一化的三刺激值

22、：r=R/m g=G/m b=B/m r、g、b称为色度坐标 且有：r+g+b=1,颜色方程、亮度方程为：F=m rR+gG+bB|F|=m（r+4.5907g+0.0601b）r、g、b是三基色单位总量为1时的三刺激值。r、g、b的比例关系与R、G、B的比例关系相同，都可表示同一彩色的色度。只要知道r、g、b其中的二个，就可确定第三个，所以可用二维坐标来表示各种彩色的色度。将彩色的色度用r-g二维坐标图显示 色度图。,RGB色度图,R的色度坐标（1，0，0）G的色度坐标（0，1，0）B的色度坐标（0，0，1）E白的色度坐标（1/3，1/3，1/3）以R、G、B为顶点的三角形称为彩色三角形由谱

23、色光的色度坐标连成的舌形曲线称为谱色轨迹，实色都在谱色轨迹内坐标越靠近谱色轨迹饱和度越高，越靠近E白饱和度越低,由三基色相加混合配出的各种彩色都在彩色三角形内为使隐含的b坐标显现出来，可利用麦克斯韦计色三角形等边三角形顶点到对边垂线的长度为1三个顶点分别代表R、G、B三角形内任意点F对应的彩色坐标r、g、b为到R、G、B对边的距离 r+g+b=1E白在三角形的重心，穿过E白的任意直线连接的三角形上的两个点对应互补色,F,RGB计色制存在的问题：用物理三基色RGB计色时出现负系数。负系数代表负光，表示用RGB三基色相加混合配不出此种颜色的光。RGB色度图只表示色度，不表示亮度，需用公式再计算亮度

24、。谱色的坐标不全在 第象限，作图不方便。为克服RGB计色制的缺点，CIE委员会制订了新的计色制XYZ计色制即CIE制。,1.3.3 XYZ色度系统,颜色方程 F=XX+YY+ZZ三基色单位X、Y、Z的确定:对于任何实色光，三刺激值X、Y、Z值均为正，即全部在第象限。为便于计算亮度，要求彩色光的亮度仅由YY项决定。同时规定1Y的光通量为1流明。X、Y、Z的比例仍决定彩色光的色度，当X=Y=Z时，仍代表等能白光E白。XYZ色度系统是目前常用的色度系统，XYZ基色的选择只是计算中应用的、假想的，并不是自然界中实际存在的，所以又叫计算三基色。,根据以上规定，找出X、Y、Z在RGB色度图中的位置,直线X

25、Z为零亮度线：r+4.5907g+0.0601 b=0 又：r+g+b=1，得：0.9399r+4.5306g+0.0601=0直线XY经过700nm和640nm谱色点得直线方程：r+0.99g-1=0直线Y Z的选择自由性较大，CIE规定直线：1.45r+0.55g+1=0求得三直线交点X、Y、Z的坐标：,物理三基色与计算三基色的关系,由1Y=1光瓦，可得Y=m2(r2+4.5907g2+0.0601 b2)=1,m2=0.0912Y=-0.158R+0.2524G-0.0025B由X+y+Z为等能白光，可得m1r1+m3r3-0.158=m1g1+m3g3+0.2524,m1r1+m3r3

26、-0.158=m1b1+m3b3-0.0025,(r1-g1)m1+(r3-g3)m3=0.4104,m1=0.3282(r1-b1)m1+(r3-b3)m3=0.1555,m3=0.1114X=-0.4185R-0.0912G+0.0009BZ=-0.0828R+0.0157G+0.1786B,同一彩色在两种色度系统中三刺激值的关系：由F=RR+GG+BB=XX+YY+ZZ得,两种色度系统中光谱三刺激值的关系：,XYZ色度系统的混色曲线,y的曲线与明视觉光谱光视效率曲线完全一致，这是因为在XYZ色度系统中Y代表亮度。,XYZ色度图(CIE色度图),CIE标准光源黑体轨迹A光源钨丝灯(白炽灯)

27、2800KC光源白天的自然光6770KD65光源白天的平均光照6500KE白光源理想的等能白光,与5500K的白光相近,色域图,用于大致确定彩色坐标,等色调波长线、等饱和度线和等色差域,W为等能白光E白的坐标点等色调波长线 如：WG，G点的波长F就是WG线上彩色的色调波长。在等色调波长线上，越靠近W点，饱和度越低。越靠近谱色轨迹，饱和度越高。饱和度相同的各点连成的曲线称为等饱和度线。在色度图的不同位置，沿不同方向，人眼可识别颜色变更的最小距离称为刚辨差。相同刚辨差的点所围成的区域是等色差域。,景物摄像器件彩色分量处理传输显象器件彩色景物重现,1.4 彩色的重现,1.4.1 显像三基色,以红、绿

28、、蓝三种荧光粉发出的非谱色光作为显像三基色光。显像三基色的选择色域越大越好，即显像三基色的三角形面积尽可能大荧光粉发出的光越亮越好,NTSC与PAL显像三基色荧光粉,NTSC彩色电视系统以C白为标准白光PAL彩色电视系统以D65为标准白光,电视图像重现色域,1.4.2 显像三基色的三刺激值与亮度方程,1、显像三基色的三刺激值,根据显像三基色的色度坐标求色模m,显像三基色各为1个单位时，配出1 lm的C白：,1Re+1Ge+1Be=Fc白(1lm),Re、Ge、Be分别表示显像三基色单位量,1Re=m1 x1X+y1Y+z1Z1Ge=m2 x2X+y2Y+z2Z1Be=m3 x3X+y3Y+z3

29、Z,(m1 x1+m2 x2+m3 x3)X+(m1 y1+m2 y2+m3 y3)Y+(m1 z1+m2 z2+m3 z3)Z=1Re+1Ge+1Be=Fc白（1lm）,mc xcX+ycY+zcZ=Fc白(1lm)mc yc 1，mc 1 yc 3.1646,mc xc=3.1640.310=0.9810mc yc=3.1640.316=1.0000mc zc=3.1640.374=1.1835,0.9810X+1.0000Y+1.1835Z=Fc白(1lm),m1=0.9060，m2=0.8286，m3=1.4320,显像三基色与XYZ的矩阵表示 为：,Re 0.607 0.299 0.

30、000 XGe 0.174 0.587 0.066 YBe 0.200 0.114 1.116 Z,逆矩阵表示 为,X 1.910-0.985 0.058 ReY-0.532 1.999-0.118 GeZ-0.288-0.028 0.897 Be,显像三基色的配色方程,Fe=ReRe+GeGe+BeBe,Fe=XX+YY+ZZ,计算三基色的配色方程,由以上两式得三刺激值转换矩阵：,2.亮度方程,由转换矩阵得NTSC显像三基色亮度方程Y,Y=0.299Re+0.587Ge+0.114Be,PAL(D65)显像三基色亮度方程,Y=0.222Re+0.707Ge+0.071Be,1.4.3 摄像光谱响应曲线,PAL制显像三基色混色曲线摄像光谱响应曲线与此一致,显像饱和度与色度学饱和度的区别,在色度学中，100%饱和度的光为单波长光，位于CIE色度图的谱色轨迹上。在电视显像中，100%饱和度的光不是单波长光，位于CIE色度图显像三基色所组成的基色三角形的三个边上，（基色三角形可用麦克斯韦三角形表示）。,1.4.4 高清晰度电视的色域,：常规色域：扩展色域通过增大RGB信号的动态范围达到扩展色域,