第二节图像产生基础知识

1、 第二节第二节 图像产生基础知识图像产生基础知识 一、彩色与视觉特性一、彩色与视觉特性 （一）光的性质（一）光的性质 1 1可见光谱可见光谱 光是一种电磁辐射，是一种以电磁波形式存在的物质。电磁辐光是一种电磁辐射，是一种以电磁波形式存在的物质。电磁辐射的波长范围很宽，按波长从长到短的顺序排列，依次是无线电波、红外射的波长范围很宽，按波长从长到短的顺序排列，依次是无线电波、红外线、可见光、紫外线、线、可见光、紫外线、X X射线和宇宙射线等。射线和宇宙射线等。 (1) (1)可见光。波长在可见光。波长在380380780nm780nm范围内的电磁波能够使人眼产范围内的电磁波能够使人眼产生颜色感觉，

2、称为可见光。可见光在整个电磁波谱中只占极小的一段。生颜色感觉，称为可见光。可见光在整个电磁波谱中只占极小的一段。 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（复色光），复合光作用于人眼，呈现混合色。的光称为复合光（复色光），复合光作用于人眼，呈现混合色。 (2) (2)光谱色。不同波长的光呈现出的颜色各不相同，一定波长光谱色。不同波长的光呈现出的颜色各不相同，一定波长的光谱呈现的颜色称为光谱色。可见光谱的波长由的光谱呈现的颜色称为光谱色。可见光谱的波长由780nm780nm向向380nm380nm变化时，变化时，人

3、眼产生的颜色感觉依次是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫人眼产生的颜色感觉依次是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫7 7色。色。 太阳发出的白光中包含了所有可见光的光谱，给人以白色的感觉。若把太太阳发出的白光中包含了所有可见光的光谱，给人以白色的感觉。若把太阳辐射的一束光投射到棱镜上，则太阳光会经过棱镜分解成一组按红、橙、阳辐射的一束光投射到棱镜上，则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。被分解后的色光，若再次经过棱黄、绿、青、蓝、紫顺序排列的连续光谱。被分解后的色光，若再次经过棱镜也不能再分解，这种单一波长的色光也称谱色光。镜也不能再分解，这种单一波长的色光也称谱色光。

4、(3) (3)同色异谱。光谱完全不同的光，人眼有时会有相同的色感。用波长为同色异谱。光谱完全不同的光，人眼有时会有相同的色感。用波长为540nm540nm的绿光和的绿光和700nm700nm的红光按一定比例混合，可以使人眼得到的红光按一定比例混合，可以使人眼得到580nm580nm黄光的色黄光的色感。这种由不同光谱混合出相同色光的现象称为同色异谱。感。这种由不同光谱混合出相同色光的现象称为同色异谱。 2.2.物体的颜色物体的颜色 物体分为发光体和不发光体。实际中看到的颜色有两种不同的来源：一物体分为发光体和不发光体。实际中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，发光体的颜色由它本

5、身发出的光谱所确定，如白种是发光体所呈现的颜色，发光体的颜色由它本身发出的光谱所确定，如白炽灯发黄、荧光灯发白、各种彩色灯和霓虹灯发出彩色光等；另一种是不发炽灯发黄、荧光灯发白、各种彩色灯和霓虹灯发出彩色光等；另一种是不发光体反射或透射的彩色光。物体的颜色与照射光的光谱和不发光体对照射光光体反射或透射的彩色光。物体的颜色与照射光的光谱和不发光体对照射光的反射、透射特性有关。那些本身不发光的物体，在外界光线照射下，能有的反射、透射特性有关。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，同时反射或透射另一些波长的光，从而使物体呈选择地吸收一些波长的光，同时反射或透射另一些波长

6、的光，从而使物体呈现一定的颜色。例如，红旗反射太阳光中的红色光、吸收其他颜色的光而呈现一定的颜色。例如，红旗反射太阳光中的红色光、吸收其他颜色的光而呈现红色；绿色的植物现红色；绿色的植物 因反射太阳光中的绿色光、吸收所有其他色光而呈现因反射太阳光中的绿色光、吸收所有其他色光而呈现绿色；白纸和白云反射全部阳光而呈现白色；煤炭和黑板吸收全部照射光而绿色；白纸和白云反射全部阳光而呈现白色；煤炭和黑板吸收全部照射光而呈现黑色等。呈现黑色等。 由于物体呈现的颜色是因物体反射（或透射）的光种类不同而产生的，因此由于物体呈现的颜色是因物体反射（或透射）的光种类不同而产生的，因此物体呈现的颜色显然与照射它的光

7、源有关。绿草的绿色是由于它在日光照射下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，这是因为红色光源中没有绿光成分，绿草全部吸收了红光，所以变成了黑色，这是因为红色光源中没有绿光成分，绿草全部吸收了红光，所以变成了黑色。黑色。 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所差异，这恰恰是由于日光与灯光这两种光源所含的光谱成分不同，到的颜

8、色有所差异，这恰恰是由于日光与灯光这两种光源所含的光谱成分不同，而使同一物体表现为不同的颜色。而使同一物体表现为不同的颜色。 3 3标准光源标准光源 通常的照明光源，如太阳、日光灯、白炽灯泡等所发出的光虽然都笼统地称通常的照明光源，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，且光谱成分相差很大，因此用它们照射相同其为白光，但由于发光物质不同，且光谱成分相差很大，因此用它们照射相同物体时，呈现的颜色也相差较大。例如，白炽灯泡偏橙红（呈暖色调），而汞物体时，呈现的颜色也相差较大。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

9、特性，国际照明委员会规灯偏青蓝（呈冷色调）。为了比较和区别各种光源的特性，国际照明委员会规定了几种标准白色光源，并以基本参量定了几种标准白色光源，并以基本参量“色温色温”予以表征。予以表征。 在电子视频系统中，在电子视频系统中，用标准白光作为照明光源。为了便于对标准白光进行比较和计算，一般用绝对用标准白光作为照明光源。为了便于对标准白光进行比较和计算，一般用绝对黑体的辐射温度黑体的辐射温度色温表示光源的光谱性能。色温表示光源的光谱性能。 (1) (1)绝对黑体绝对黑体。绝对黑体也称全辐射体，。绝对黑体也称全辐射体，它是指不反射，不透射，完全吸它是指不反射，不透射，完全吸收入射辐射的物体收入射辐

10、射的物体。它对所有波长辐射的吸收系数均为。它对所有波长辐射的吸收系数均为1 1。 绝对黑体在自然界是不存在的。实验模型是一个中空的、内壁涂黑的绝对黑体在自然界是不存在的。实验模型是一个中空的、内壁涂黑的球体，在其上面开了球体，在其上面开了1 1个小孔，进入小孔的光辐射经内壁多次反射、吸收，个小孔，进入小孔的光辐射经内壁多次反射、吸收，已不能再逸出到外面，因此这个小已不能再逸出到外面，因此这个小孔孔就相当于绝对黑体。就相当于绝对黑体。 绝对黑体所辐射的光谱与其温度密切相关。绝对黑体的温度越高，辐绝对黑体所辐射的光谱与其温度密切相关。绝对黑体的温度越高，辐射的光谱中蓝色成分越多，红色成分越少。射的

11、光谱中蓝色成分越多，红色成分越少。 (2) (2)光源的光源的色温色温。色温是以绝对黑体的加热温度来定义的。绝对黑体被。色温是以绝对黑体的加热温度来定义的。绝对黑体被加热时的电磁波辐射波谱仅由温度决定。随着温度的升高，黑体辐射能量加热时的电磁波辐射波谱仅由温度决定。随着温度的升高，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，其发光颜色也随之变化。为了区分各种光源的不同光谱分布与颜色，大，其发光颜色也随之变化。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。可以用绝对黑体的温度来

12、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，绝对黑体的这一特定温度就定义为该光源的色温，单位以相同的特性时，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 K表示。例如，温度保持在表示。例如，温度保持在2800K2800K时的钨丝灯泡所发的白光，与温度保持在时的钨丝灯泡所发的白光，与温度保持在2854K2854K的绝对黑体所辐射光的功率波谱基本一致，于是即称该白光的色温为的绝对黑体所辐射光的功率波谱基本一致，于是即称该白光的色温为2854K2854K。可见，色温并非光源本身的实际温度，而是表

13、征光源波谱特性的参。可见，色温并非光源本身的实际温度，而是表征光源波谱特性的参量。色温与光源的实际温度无关，如彩色电视机荧光屏的实际温度为常温，量。色温与光源的实际温度无关，如彩色电视机荧光屏的实际温度为常温，而其白光色温是而其白光色温是6500K6500K。 (3)标准白光。常用的标准白光有标准白光。常用的标准白光有A、B、C、D65和和E光源光源5种，其光种，其光谱分布如图谱分布如图2-11所示。所示。 1)A光源：色温为光源：色温为2854K的白光，光谱偏红，相当于充气钨丝白炽灯所的白光，光谱偏红，相当于充气钨丝白炽灯所产生的光。产生的光。 2)B2)B光源：色温为光源：色温为4874K

14、4874K的白光，近似于中午直射的太阳光。在实验室的白光，近似于中午直射的太阳光。在实验室中可由特制的滤色镜从中可由特制的滤色镜从A A光源中获得。光源中获得。 3)C 3)C光源：色温为光源：色温为6774K6774K的白光，相当于白天的自然光，是的白光，相当于白天的自然光，是NTSCNTSC制彩色制彩色电视白光的标准光源。电视白光的标准光源。 4) D4) D6565光源：色温光源：色温6504K6504K的白光，相当于白天的平均光照，是的白光，相当于白天的平均光照，是PALPAL制彩色制彩色电视白光的标准光源。电视白光的标准光源。 5)E5)E光源：色温为光源：色温为5500K5500K

15、的等能量白光的等能量白光(E(E白白) )，是一种理想的、等能量的，是一种理想的、等能量的白光源，其光谱能量分布是一条平行于横轴的水平直线，在可见光波长白光源，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。范围内，各波长具有相同的辐射功率。E E光源是为简化色度学计算所采用光源是为简化色度学计算所采用的一种假想光源，实际上并不存在。采用这种光源有利于彩色电视系统的一种假想光源，实际上并不存在。采用这种光源有利于彩色电视系统中问题的分析和计算。中问题的分析和计算。 电视演播室卤钨灯光源的色温为电视演播室卤钨灯光源的色温为3200K3200K，该光源有体积

16、小、亮度高、，该光源有体积小、亮度高、寿命长、色温稳定等优点。寿命长、色温稳定等优点。4 4光的度量单位光的度量单位 (1)(1)光通量光通量。光通量是按人眼的光感觉来度量的辐射功率，用符号光通量是按人眼的光感觉来度量的辐射功率，用符号表示，表示，其单位名称为流明其单位名称为流明( (l lm)m)。 当当 =555nm =555nm的单色光辐的单色光辐射功率为射功率为1W1W时，产生的光通量为时，产生的光通量为683 lm683 lm，或称，或称1 1光瓦；在其他波长时，由于相对视敏度光瓦；在其他波长时，由于相对视敏度y(y( ) )下降，因此，相同辐射功率所产下降，因此，相同辐射功率所产生

17、的光通量也随之下降。生的光通量也随之下降。 40W40W的钨丝灯泡输出的光通量为的钨丝灯泡输出的光通量为468 lm468 lm，发光效率为，发光效率为11.71m/W11.71m/W；40W40W的日光的日光灯可输出灯可输出2100lm2100lm的光通量，发光效率为的光通量，发光效率为52.51m/W52.51m/W；电视演播室卤钨灯的发光；电视演播室卤钨灯的发光效率可达效率可达80801001m/W1001m/W。 （2)2)光照度光照度。光照度是衡量单位面积上光通量大小的量光照度是衡量单位面积上光通量大小的量，用符号，用符号E E表示，表示，其单位名称为勒克斯（其单位名称为勒克斯（lu

18、xlux，简称勒，简称勒.lx.lx）。）。1 lx1 lx等于等于l lml lm的光通量均匀分布的光通量均匀分布在在1m21m2面积上的光照度。通常情况下，室外晴天光照度约为面积上的光照度。通常情况下，室外晴天光照度约为10 000lx10 000lx，多云约，多云约为为5001x5001x，傍晚约为，傍晚约为501x501x，月光约为，月光约为lOlO-1-11x1x，黄昏约为，黄昏约为1010-2-21x1x，星光约为，星光约为1010-4-4lxlx。 自然条件下的景物照度及监控现场的环境照度分别见表自然条件下的景物照度及监控现场的环境照度分别见表2-12-1和表和表2-22-2。表

19、表2-2 监控现场的环境照度监控现场的环境照度（二）人眼的视觉特性（二）人眼的视觉特性 人能感觉到图像的颜色和亮度是由眼睛的生理结构所决定的。电影和电视人能感觉到图像的颜色和亮度是由眼睛的生理结构所决定的。电影和电视都是根据人眼的视觉特性发明的。黑白电视中，不但利用了人眼的视觉惰性，都是根据人眼的视觉特性发明的。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，会产生连续像素的感觉）：彩色电视中，除了利用以上特性外，无法分辨，会产生连续像素的感觉）：彩色电视中，除了

20、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。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。 电影每秒投射电影每秒投射2424幅静止画面，幅静止画面，每画面投射每画面投射2 2次次，由于人眼的视觉惰性，由于人眼的视觉惰性，因此看起来就同活动景象一样。电视每秒扫描因此看起来就同活动景象一样。电视每秒扫描5050幅画面，每幅画面由幅画面，每幅画面由312312根根扫描线组成，由于人眼的视觉惰性和有限的细节分辨能力，因此看起来就成扫描线组成，由于人眼的视觉惰性和有限的细节分辨能力，因此看起来就成了整幅的活动景象。人眼的视觉特性是视频技术发展的重要依据。了整幅的活动

21、景象。人眼的视觉特性是视频技术发展的重要依据。1视觉灵敏度视觉灵敏度 波长不同的可见光光波，给人的颜色感觉不同，亮度感觉也不同。人眼波长不同的可见光光波，给人的颜色感觉不同，亮度感觉也不同。人眼的灵敏度因人而异，同一个人眼睛的灵敏度也随年龄和健康状况有所变化，的灵敏度因人而异，同一个人眼睛的灵敏度也随年龄和健康状况有所变化，所以，实际中采用统计方法，用许多正常视力的观察者来做实验，取其平均所以，实际中采用统计方法，用许多正常视力的观察者来做实验，取其平均值。值。 经过对各种类型人的实验进行统计，国际照明委员会( CIE)推荐的标准视敏度曲线图中曲线V（ ）（也称相对视敏函数曲线）如图2-12所

22、示。图中曲线表明，具有相等辐射能量、不同波长的光作用于人眼时，引起图中曲线表明，具有相等辐射能量、不同波长的光作用于人眼时，引起的亮度感觉是不一样的。由此可以看出，人眼最敏感的光波长为的亮度感觉是不一样的。由此可以看出，人眼最敏感的光波长为555nm555nm，颜色为是草绿色，这一区域颜色，人眼看起来省力，不易疲劳。在颜色为是草绿色，这一区域颜色，人眼看起来省力，不易疲劳。在555nm555nm两侧，随着波长的增加或减少，亮度感觉逐渐降低。在可见光谱范围之外，两侧，随着波长的增加或减少，亮度感觉逐渐降低。在可见光谱范围之外，辐射能量再大，人眼也没有亮度感觉。辐射能量再大，人眼也没有亮度感觉。2

23、 2彩色视觉彩色视觉 (1)(1)杆状细胞和锥状细胞杆状细胞和锥状细胞。人眼视网膜上有大量的光敏细胞，光敏细。人眼视网膜上有大量的光敏细胞，光敏细胞按形状分为杆状细胞和锥状细胞。胞按形状分为杆状细胞和锥状细胞。杆状细胞灵敏度很高，但对彩色不敏杆状细胞灵敏度很高，但对彩色不敏感感，人的夜间视觉主要靠它起作用，因此，暗处只能看到黑白形象而无法，人的夜间视觉主要靠它起作用，因此，暗处只能看到黑白形象而无法辨别颜色；锥状细胞既可辨别光的强弱，又可辨别颜色，白天视觉主要由辨别颜色；锥状细胞既可辨别光的强弱，又可辨别颜色，白天视觉主要由它来完成。它来完成。 (2)(2)红敏细胞、绿敏细胞、蓝敏细胞。关于彩

24、色视觉，科学家曾做过红敏细胞、绿敏细胞、蓝敏细胞。关于彩色视觉，科学家曾做过大量实验并提出了视觉三色原理的假设，大量实验并提出了视觉三色原理的假设，认为锥状细胞又可分成三类，分认为锥状细胞又可分成三类，分别称为红敏细胞、绿敏细胞、蓝敏细胞。别称为红敏细胞、绿敏细胞、蓝敏细胞。它们各自的相对视敏函数曲线分它们各自的相对视敏函数曲线分别为图别为图2-122-12中的中的V VR R( )( )、V VG G( )( )、V VB B( )( )，其峰值分别在，其峰值分别在580 nm580 nm、540nm540nm、450nm450nm处。图中处。图中V VB B( )( )曲线幅度很低，已将其

25、放大了曲线幅度很低，已将其放大了2020倍。三条倍。三条曲线的总和等于相对视敏函数曲线曲线的总和等于相对视敏函数曲线V( )V( )。 三条曲线是部分交叉重叠的，很多单色光同时处于两条曲线之下。例如，三条曲线是部分交叉重叠的，很多单色光同时处于两条曲线之下。例如，600nm600nm的单色黄光就处在的单色黄光就处在V VR R( )( )、V VG G( )( )曲线之下，所以，曲线之下，所以，600nm600nm的单色黄的单色黄光既激励了红敏细胞，又激励了绿敏细胞，可引起混合的感觉。当混合红绿光既激励了红敏细胞，又激励了绿敏细胞，可引起混合的感觉。当混合红绿光同时作用于视网膜时，分别使红敏细

26、胞、绿敏细胞同时受激励，只要混合光同时作用于视网膜时，分别使红敏细胞、绿敏细胞同时受激励，只要混合光的比例适当，所引起的彩色感觉可以与单色黄光引起的彩色感觉完全相同。光的比例适当，所引起的彩色感觉可以与单色黄光引起的彩色感觉完全相同。 不同波长的光对三种细胞的刺激量是不同的，产生的彩色视觉各异，人眼不同波长的光对三种细胞的刺激量是不同的，产生的彩色视觉各异，人眼因此能分辨出五光十色的颜色。因此能分辨出五光十色的颜色。 电视技术利用了这一原理，在图像重现时，不是重现原来景物的光谱分电视技术利用了这一原理，在图像重现时，不是重现原来景物的光谱分布，而是利用三种相似于红、绿、蓝锥状细胞特性曲线的三种

27、光源进行配色，布，而是利用三种相似于红、绿、蓝锥状细胞特性曲线的三种光源进行配色，从而在色感上得到了相同的效果。从而在色感上得到了相同的效果。 3 3分辨力分辨力(1)(1)分辨力的定义。分辨力的定义。 分辨力是指人眼在观看景物时对细节的分辨能力。分辨力是指人眼在观看景物时对细节的分辨能力。对人眼进行分辨力测试对人眼进行分辨力测试的方法如图的方法如图2-132-13所示，在眼睛的正前方放一块白色的屏幕，屏幕上面有两个所示，在眼睛的正前方放一块白色的屏幕，屏幕上面有两个相距很近的小黑点，逐渐增加画面与眼睛之间的距离，当距离增加到一定长相距很近的小黑点，逐渐增加画面与眼睛之间的距离，当距离增加到一

28、定长度时，人眼就分辨不出有两个黑点存在，而感觉只有一个黑点。这说明眼睛度时，人眼就分辨不出有两个黑点存在，而感觉只有一个黑点。这说明眼睛分辨景色细节的能力有一个极限值，一般将这种分辨细节的能力称为人眼的分辨景色细节的能力有一个极限值，一般将这种分辨细节的能力称为人眼的分辨力或视觉锐度。分辨力或视觉锐度。 图图2-132-13人眼进行分辨力测试的方法人眼进行分辨力测试的方法 2)2)分辨力的计算。眼睛对被观察物上相邻两点之间能分辨的最小距离分辨力的计算。眼睛对被观察物上相邻两点之间能分辨的最小距离所对应的视角口的倒数称为人眼的分辨力，即分辨力所对应的视角口的倒数称为人眼的分辨力，即分辨力=l/

29、=l/ 如图如图2-132-13所示，用所示，用L L表示眼睛与图像之间的距离，表示眼睛与图像之间的距离，d d表示能分辨的两点间的表示能分辨的两点间的最小距离。最小距离。 (3)(3)人眼分辨力的特性：人眼分辨力的特性： 1) 1)人眼的最小视角取决于相邻两个视敏细胞之间的距离。对于视力正常人眼的最小视角取决于相邻两个视敏细胞之间的距离。对于视力正常的人，在中等的人，在中等亮度情况下观看静止图像时，亮度情况下观看静止图像时，为为111.51.5。 2) 2)分辨力在很大程度上取决于景物细节的亮度。亮度很低时，视力很差，分辨力在很大程度上取决于景物细节的亮度。亮度很低时，视力很差，这是因为亮度

30、低时锥状细胞不起作用；亮度过高时，视力不再增加，甚至这是因为亮度低时锥状细胞不起作用；亮度过高时，视力不再增加，甚至由于炫目现象，视力反而有所降低。由于炫目现象，视力反而有所降低。 3) 3)分辨力在很大程度上取决于景物细节的对比度，细节对比度越小，也分辨力在很大程度上取决于景物细节的对比度，细节对比度越小，也越不易分辨，因此会造成分辨力降低。在观看运动物体时，分辨力更低。越不易分辨，因此会造成分辨力降低。在观看运动物体时，分辨力更低。 4) 4)人眼对彩色细节的分辨力比对黑白细节的分辨力低。黑白相间的等宽人眼对彩色细节的分辨力比对黑白细节的分辨力低。黑白相间的等宽条子，相隔一定距离观看时，刚

31、能分辨出黑白差别，如用红绿相间的同等条子，相隔一定距离观看时，刚能分辨出黑白差别，如用红绿相间的同等宽度条子替换它们，则此时人眼已分辨不出红绿之间的差别，而是一片黄宽度条子替换它们，则此时人眼已分辨不出红绿之间的差别，而是一片黄色。色。 表表2-3 2-3 人眼对各种颜色细节的相对分辨力人眼对各种颜色细节的相对分辨力 因为人眼对彩色细节的分辨力较差，所以在彩色电视系统中因为人眼对彩色细节的分辨力较差，所以在彩色电视系统中传送彩色图像时，只传送黑白图像细节，而不传送彩色细节，传送彩色图像时，只传送黑白图像细节，而不传送彩色细节，这样做可减少色信号的带宽，这就是大面积着色原理的依据。这样做可减少色

32、信号的带宽，这就是大面积着色原理的依据。 图图2-142-14人眼的视觉惰性人眼的视觉惰性(a)(a)作用于人眼的光脉冲亮度：作用于人眼的光脉冲亮度：(b)(b)主观亮度感觉主观亮度感觉 4 4视觉惰性视觉惰性 实验证明，人眼的主观亮度感觉与客观光的亮度是不同步的。实验证明，人眼的主观亮度感觉与客观光的亮度是不同步的。 当一定强度的光突然作用于视网膜时，不能在瞬间形成稳定当一定强度的光突然作用于视网膜时，不能在瞬间形成稳定的主观亮度感觉，而是按近似指数的规律上升；当亮度突然消的主观亮度感觉，而是按近似指数的规律上升；当亮度突然消失后，人眼的亮度感觉并不立即消失，而是按近似指数的规律失后，人眼的

33、亮度感觉并不立即消失，而是按近似指数的规律下降。下降。 (1)(1)视觉暂留。人眼的亮度感觉总是滞后于实际亮度，这一视觉暂留。人眼的亮度感觉总是滞后于实际亮度，这一特性称为视觉惰性或视觉暂留。特性称为视觉惰性或视觉暂留。图图2-14 (a)2-14 (a)所示为作用于人眼的光脉冲；图所示为作用于人眼的光脉冲；图2-14 (b)2-14 (b)所示为该所示为该光脉冲造成的主观亮度感觉，它滞后于实际的光脉冲。光脉冲光脉冲造成的主观亮度感觉，它滞后于实际的光脉冲。光脉冲消失后，亮度感觉还要一段时间才能消失。图消失后，亮度感觉还要一段时间才能消失。图2-14 (b)2-14 (b)中，中，tltlt2

34、t2即为视觉暂留时间。在中等亮度的光刺激下，视力正常即为视觉暂留时间。在中等亮度的光刺激下，视力正常的人视觉暂留时间约为的人视觉暂留时间约为O.lsO.ls。 2)2)临界闪烁频率临界闪烁频率。人眼受到频率较低的周期性的光脉冲刺激。人眼受到频率较低的周期性的光脉冲刺激时，会感到一亮一暗的闪烁现象，如果将重复频率提高到某个时，会感到一亮一暗的闪烁现象，如果将重复频率提高到某个定值以上，则由于视觉惰性，眼睛就感觉不到闪烁了。不引起定值以上，则由于视觉惰性，眼睛就感觉不到闪烁了。不引起闪烁感觉的最低重复频率称为临界闪烁频率。闪烁感觉的最低重复频率称为临界闪烁频率。 临界闪烁频率与很多因素有关，其中最

35、重要的是光脉冲亮度，临界闪烁频率与很多因素有关，其中最重要的是光脉冲亮度，随着光脉冲亮度的提高，临界闪烁频率也会提高。临界闪烁频随着光脉冲亮度的提高，临界闪烁频率也会提高。临界闪烁频率还与亮度变化幅度有关，亮度变化幅度越大，临界闪烁频率率还与亮度变化幅度有关，亮度变化幅度越大，临界闪烁频率越高。越高。 人眼的临界闪烁频率约为人眼的临界闪烁频率约为46Hz46Hz。对于重复频率在临界闪烁频对于重复频率在临界闪烁频率以上的光脉冲，人眼不再感觉到闪烁，这时，主观感觉的亮率以上的光脉冲，人眼不再感觉到闪烁，这时，主观感觉的亮度等于光脉冲亮度的平均值。度等于光脉冲亮度的平均值。（三）色度学基本概念（三）

36、色度学基本概念 1 1彩色三要素彩色三要素描述一种色彩需要用亮度、色调和色饱和度三个基本参量，描述一种色彩需要用亮度、色调和色饱和度三个基本参量，这三个参量称为这三个参量称为彩色三要素。彩色三要素。 (1) (1)亮度。亮度反映光的明亮程度。发光物体的彩色光辐射的功率越大，亮亮度。亮度反映光的明亮程度。发光物体的彩色光辐射的功率越大，亮度越高；反之亮度越低。不发光物体的亮度取决于它反射光功率的大小。若度越高；反之亮度越低。不发光物体的亮度取决于它反射光功率的大小。若照射物体的光强度不变，则物体的反射性能越好，物体越明亮；反之越暗。照射物体的光强度不变，则物体的反射性能越好，物体越明亮；反之越暗

37、。对于一定的物体，照射光越强，物体越明亮；反之越暗。对于一定的物体，照射光越强，物体越明亮；反之越暗。 (2) (2)色调。色调反映彩色的类别，如红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等不同颜色调。色调反映彩色的类别，如红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等不同颜色。发光物体的色调由光的波长决定，不同波长的光呈现不同的色调；不发色。发光物体的色调由光的波长决定，不同波长的光呈现不同的色调；不发光物体的色调由照明光源和该物体的吸收、反射或透射特性共同决定。光物体的色调由照明光源和该物体的吸收、反射或透射特性共同决定。 (3)(3)色饱和度。色饱和度反映彩色光的深浅程度。同一色调的彩色光会给人色饱和度。色饱和度反映彩色

38、光的深浅程度。同一色调的彩色光会给人以深浅不同的感觉，深红、粉红是两种不同饱和度的红色，深红色饱和度高，以深浅不同的感觉，深红、粉红是两种不同饱和度的红色，深红色饱和度高，粉红色饱和度低。粉红色饱和度低。 色饱和度与彩色光中的白光比例有关，白光比例越大，饱和度越低。高饱色饱和度与彩色光中的白光比例有关，白光比例越大，饱和度越低。高饱和度的彩色光可加白光来冲淡成低饱和度的彩色光。饱和度最高称为纯色或和度的彩色光可加白光来冲淡成低饱和度的彩色光。饱和度最高称为纯色或饱和色。饱和色。 谱色光就是纯色光，其色饱和度为谱色光就是纯色光，其色饱和度为100%100%。色饱和度低于。色饱和度低于100%10

39、0%的彩色称为非的彩色称为非饱和色，日常生活中所见到的大多数彩色均为非饱和色。白光的色饱和度为饱和色，日常生活中所见到的大多数彩色均为非饱和色。白光的色饱和度为0 0。色饱和度和色调合称为色度，它表示彩色的种类和彩色的深浅程度。色饱和度和色调合称为色度，它表示彩色的种类和彩色的深浅程度。 + +2 2三基色原理三基色原理 根据人眼的视觉特性，在电视机中重现图像时并不要求完全重现原景物反根据人眼的视觉特性，在电视机中重现图像时并不要求完全重现原景物反射或透射光的光谱成分，而应获得与原景物相同的彩色感觉。射或透射光的光谱成分，而应获得与原景物相同的彩色感觉。 (1) (1)三基色定义。仿效人眼三种

40、锥状细胞，可以任选三种基色，这三种基三基色定义。仿效人眼三种锥状细胞，可以任选三种基色，这三种基色必须是相互独立的，任一种基色都不能由其他两种基色混合得到，将它们按色必须是相互独立的，任一种基色都不能由其他两种基色混合得到，将它们按不同比例进行组合后，即可得到自然界中绝大多数的彩色。具有这种特性的三不同比例进行组合后，即可得到自然界中绝大多数的彩色。具有这种特性的三种单色光称为基色光，这三种颜色称为三基色。种单色光称为基色光，这三种颜色称为三基色。 (2) (2)三基色三基色原理。自然界中绝大多数的彩色可以分解为三基色，三基色按原理。自然界中绝大多数的彩色可以分解为三基色，三基色按一定比例混合

41、，即可得到自然界中绝大多数的彩色。混合色的色调和饱和度由一定比例混合，即可得到自然界中绝大多数的彩色。混合色的色调和饱和度由三基色的混合比例决定，而混合色的亮度等于三种基色的亮度之和。三基色的混合比例决定，而混合色的亮度等于三种基色的亮度之和。 因为人眼的三种锥状细胞对红光、绿光和蓝光最敏感，所以，因为人眼的三种锥状细胞对红光、绿光和蓝光最敏感，所以，在红色、绿在红色、绿色和蓝色色和蓝色光谱区中选择三个基色按适当比例混色后即可得到较多的彩色。在彩光谱区中选择三个基色按适当比例混色后即可得到较多的彩色。在彩色电视中，选用了红、绿、蓝作为三基色，分别用色电视中，选用了红、绿、蓝作为三基色，分别用R

42、 R、G G、B B来表示。国际照明来表示。国际照明委员会选定：红基色的波长为委员会选定：红基色的波长为700nm700nm，绿基色的波长为，绿基色的波长为546.1nm546.1nm，蓝基色的波长，蓝基色的波长为为435.8nm435.8nm。 (3)三基色原理的应用。三基色原理是彩色电视技术的基础，摄像机把图像分解成三基色信号，电视机又用三基色信号还原出原图像的色彩。三基色光相混合得到的彩色光的亮度等于三种基色的亮度之和，这种混合色称为相加混色。 可见，适当的改变三束光的强度，即可得到自然界中常见的彩色光。可见，适当的改变三束光的强度，即可得到自然界中常见的彩色光。(2)(2)互补色相加法

43、。当两种颜色混合得到白色时，这两种颜色称为互补色，互补色相加法。当两种颜色混合得到白色时，这两种颜色称为互补色，如：如： 1)1)红色红色+ +青色青色= =白色。白色。2)2)绿色十紫色绿色十紫色= =白色。白色。3)3)蓝色十黄色蓝色十黄色= =白色。白色。 可见，红与青互为补色，绿与紫互为补色，蓝与黄互为补色。彩色可见，红与青互为补色，绿与紫互为补色，蓝与黄互为补色。彩色电视技术中，常用以上两种相加混色法。电视技术中，常用以上两种相加混色法。 (3) (3)空间混色法。空间混色法是同时将三种基色光分别投射到同一表空间混色法。空间混色法是同时将三种基色光分别投射到同一表面上彼此相距很近的三

44、个点上，由于人眼的分辨力有限，因此能产生三种面上彼此相距很近的三个点上，由于人眼的分辨力有限，因此能产生三种基色光混合的色彩感觉。空间混色法是同时制彩色电视的基础。基色光混合的色彩感觉。空间混色法是同时制彩色电视的基础。 将三束等强度的红、绿、蓝圆形单色光同时将三束等强度的红、绿、蓝圆形单色光同时投射到白色屏幕上，会出现三基色的圆图，其混投射到白色屏幕上，会出现三基色的圆图，其混合规律如图合规律如图2-15所示。所示。3混色法原理混色法原理 (1)相加混色法。理论上，任何颜色都是三种基相加混色法。理论上，任何颜色都是三种基本色的混合，从图本色的混合，从图2-15中可以看出：中可以看出： 1)红

45、色十绿色红色十绿色=黄色。黄色。 2)绿色十蓝色绿色十蓝色=青色。，青色。， 3)蓝色十红色蓝色十红色=紫色。紫色。 4)红色红色+绿色绿色+蓝色蓝色=白色。白色。 图图2-15相加混色相加混色 (4) (4)时间混色法。时间混色法是将三种基色光轮流投射到同一时间混色法。时间混色法是将三种基色光轮流投射到同一表面上，只要轮换速度足够快，加之视觉惰性，就能得到相加表面上，只要轮换速度足够快，加之视觉惰性，就能得到相加混色的效果。时间混色法是顺序制彩色电视的基础。混色的效果。时间混色法是顺序制彩色电视的基础。二、电视图像的传送二、电视图像的传送，（一）电视传像原理（一）电视传像原理 电视的传播是用

46、电信号传送活动图像和伴音。传送伴音要把随时间变化电视的传播是用电信号传送活动图像和伴音。传送伴音要把随时间变化的声能变成电信号传送出去，接收机再把电信号转换为声音；传送活动图的声能变成电信号传送出去，接收机再把电信号转换为声音；传送活动图像要在发送端把亮度信息从空间、时间的多维函数变成时间的单变量函数像要在发送端把亮度信息从空间、时间的多维函数变成时间的单变量函数电信号。电信号。 1 1图像的分解图像的分解像素像素 人眼的分辨力是有限的，当人眼看图像上两个点构成的视角小于人眼的分辨力是有限的，当人眼看图像上两个点构成的视角小于1 1，时，时，眼睛已不能将这两点区分开来。根据这一视觉特性，可以将

47、一幅空间上连眼睛已不能将这两点区分开来。根据这一视觉特性，可以将一幅空间上连续的黑白图像分解成许多小单元，这些小单元面积相等、分布均匀、明暗续的黑白图像分解成许多小单元，这些小单元面积相等、分布均匀、明暗程度不同。程度不同。 大量的单元组成了电视图像，这些单元称为像素。报纸上的照片就是这大量的单元组成了电视图像，这些单元称为像素。报纸上的照片就是这样构成的，在近距离仔细观察时，画面由许多小黑点组成；当离开一定距样构成的，在近距离仔细观察时，画面由许多小黑点组成；当离开一定距离观看时，看到的是一幅完整的照片。单位面积上的像素数越多，图像越离观看时，看到的是一幅完整的照片。单位面积上的像素数越多，

48、图像越清晰。一幅黑白平面的图像，表征它的特征参量是亮度。清晰。一幅黑白平面的图像，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，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，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，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，同像素的亮度又是时间的函数。可见，像素亮度既是空间

49、（二维）函数，同时又是时间函数。时又是时间函数。2 2图像的传送图像的传送串行传输串行传输 一幅高质量的图像有几十万个像素，而要用几十万个传输通道来同时传一幅高质量的图像有几十万个像素，而要用几十万个传输通道来同时传送图像信号是不可能的。由于人眼存在视觉惰性，因此可以把图像上各像送图像信号是不可能的。由于人眼存在视觉惰性，因此可以把图像上各像素的亮度信号按从左到右、从上到下的顺序一个一个地传送。素的亮度信号按从左到右、从上到下的顺序一个一个地传送。电视系统中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，或称为传送了

50、一帧，每帧图像由许多像素组成。一帧，每帧图像由许多像素组成。 理论上讲，可同时把不同位置上具有不同亮度的像素转变成相应的电信理论上讲，可同时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。实际应用中，并行号，再分别用各个相应信道把这些信号同时传送出去。实际应用中，并行传输无法实现。根据人的视觉惰性，可把组成一帧图像的各个像素的亮度传输无法实现。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，而后，接收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，而后，接收端再按同样顺序将各个电信号在对

51、应位置上转变成具有相应亮度的像素。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：这种像素的串行传输具有两个特点： (1) (1)要求传送速度快。只有传送迅速要求传送速度快。只有传送迅速快快，传送时间小于视觉暂，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。留时间，重现图像才会给人以连续无跳动的感觉。 (2) (2)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、还原的传送，并被接收方接收，且收、发双方每个像素被转换、还原的几何位

52、置要一一对应，即收发双方应同步工作。同步在电视系统几何位置要一一对应，即收发双方应同步工作。同步在电视系统中十分重要。中十分重要。 3 3图像的转换图像的转换电子扫描电子扫描 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）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。称为扫描。扫描的过程和读书时视线从左到右、自上而下依次进扫描的过程和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，通为帧（或场）扫描。电视系统中，扫

53、描多是由电子枪进行的，通常称其为电子扫描。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。实现平面图像的顺序传送。 电视接收机按发送端的顺序依次将电信号转换成相应亮度的像电视接收机按发送端的顺序依次将电信号转换成相应亮度的像素，只要在视觉暂留的素，只要在视觉暂留的O.lsO.ls时间里完成一幅图像所有像素的电光时间里完成一幅图像所有像素的电光转换，人眼感觉到的就将是一幅完整的图像。

54、转换，人眼感觉到的就将是一幅完整的图像。利用视觉惰性，同样可以把连续动作分解为一连串稍有差异的利用视觉惰性，同样可以把连续动作分解为一连串稍有差异的静止图像。电影就是通过每秒放映静止图像。电影就是通过每秒放映2424幅稍有差异的静止画面来得幅稍有差异的静止画面来得到活动图像的，电视则是采用每秒传送到活动图像的，电视则是采用每秒传送2525幅稍有差异的电视画面幅稍有差异的电视画面来得到连续动作的效果的。来得到连续动作的效果的。 因此，利用人眼的视觉惰性和有限分辨力，活动图像可分解因此，利用人眼的视觉惰性和有限分辨力，活动图像可分解为一连串的静止图像，静止图像又可分解为像素，只要在为一连串的静止图

55、像，静止图像又可分解为像素，只要在1/25s1/25s的时间里，发送端依次对一幅图像所有像素的亮度信息进行光电的时间里，发送端依次对一幅图像所有像素的亮度信息进行光电转换，接收端再依次重现相应亮度的像素，就可以完成活动图像转换，接收端再依次重现相应亮度的像素，就可以完成活动图像的传输。这种将图像分解成像素后顺序传送的方法叫做顺序传送的传输。这种将图像分解成像素后顺序传送的方法叫做顺序传送原理。原理。 （二）电视扫描原理（二）电视扫描原理 在电视发送端用摄像器件实现光电转换，在接收端用显像管在电视发送端用摄像器件实现光电转换，在接收端用显像管实现电光转换，就可将现实景物显示在监视器上。实现这两种

56、转实现电光转换，就可将现实景物显示在监视器上。实现这两种转换的器件分别称为摄像管和显像管。换的器件分别称为摄像管和显像管。 1 1摄像管与光电转换摄像管与光电转换 光电导摄像管是一种电真空器件，它主要由镜头、光电靶、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，如图电子枪、聚焦线圈和偏转线圈组成，如图2-162-16与图与图2-172-17所示所示。图图2-162-16光电导摄像管丝光电导摄像管丝 图图2-172-17光电转换原理示意图光电转换原理示意图 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光电靶由光敏半导体材料构成，具有受光作用之

57、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元阻值不同，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元阻值较大。这样，一幅图像上各像素的不同亮度就表现为靶面上各单元的不同较大。这样，一幅图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。电阻值。 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

58、某单元时，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，因此在负载就使阴极、信号板（靶）、负载、电源构成一个回路，因此在负载RLRL中就中就有电流流过，其电流大小取决子光电靶在该单元的电阻值大小。光照强处，有电流流过，其电流大小取决子光电靶在该单元的电阻值大小。光照强处，对应阻值较小，流过负载的电流就较大，因而对应阻值较小，流过负载的电流就较大，因而RLRL两端产生的压降也就较大，两端产生的压降也就较大，输出信号的电位也就越低。输出信号的电位也就越低。 2 2显像管与电光转换显像管与电光转换 显像管是在接收端重现图像的电真空器件

59、，它主要由电子枪、荧光显像管是在接收端重现图像的电真空器件，它主要由电子枪、荧光屏、偏转线圈等组成，如图屏、偏转线圈等组成，如图2-182-18与图与图2-192-19所示。所示。 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。屏面上涂有荧光粉，在电子束的右、从上到下的顺序依次轰击荧光屏。屏面上涂有荧光粉，在电子束的轰击下荧光粉发光，其发光亮度正比于电子束携带的能量。轰击下荧光粉发光，其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，就可若将摄

60、像端送来的信号加到显像管电子枪的阴极与栅极之间，就可以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。设以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，屏幕上的图像，其各像素的亮度都正比于所摄图像相应各像素的亮度，屏幕上便重现了发送端的原图像。便重现了发送端的原图像。 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