华中科技电子显示技术02视觉生理学和彩色显示原理课件

1、人眼的生理特征光度学色度学概要电视传像原理第一章 视觉生理学和显示基本原理2022/9/2011.1.1眼睛的构造及功能 人眼的外形接近于球形，是一个直径为24mm的球状体,又称为眼球。眼球壁由巩膜、脉络膜和视网膜组成(见图2-1)。 巩膜在眼球壁最外一层，呈白色，是眼球的保护层。巩膜前面1/6的透明部分叫角，光线从角膜射入眼内。第一章 视觉和电视显示基本原理2022/9/202 脉络膜紧贴巩膜,它含有丰富的血管虹气和色素,起着输送养料、滋养眼睛的作用。脉络膜最前面的环形部分为虹膜,眼的“颜色”由虹膜中的色素决定。虹膜中央有一个小圆孔叫作瞳孔,瞳孔能控制进入人眼内的光量,可以随着光线的强弱而扩

2、大或缩小,起着像照相机的光圈一样的作用。 眼球的第三层为视网膜,约占眼球内表面的2/3,它含有感光细胞(杆体细胞和锥体细胞)、双极细胞和神经节细胞。第一章 视觉和电视显示基本原理2022/9/203第一章 视觉和电视显示基本原理光谱光效率函数：达到同样亮度时，不同波长所需要能量的倒数，即V()=1/E,式中V()是光谱光效率函数值， E是单色光能量。明视觉：亮度3cd/m2，锥体细胞起主要作用，V()在0.55-0.56m。暗视觉：亮度 0.03cd/m2，杆体细胞起主要作用， V()向短波方向移动，相当于0.50-0.51m的蓝绿色部位。2022/9/2041.1.2 视敏度和细节视觉视角：

3、对象与眼睛所形成的张角。V=1/视敏度V: 指分辨物体细节和轮廓的能力，通常以找出两条线间的最小间隔来说明。通常以分（）表示观察距离亮度对比度 VVV第一章 视觉和电视显示基本原理2022/9/2061.1.3 临界闪烁频率视觉残留：当光刺激人眼时，感觉并不是立即产生的，而且光刺激在眼睛内所产生的兴奋并不随着刺激的终止而立即消失，而是要维持若干时间。在刺激停止后所留下来的感觉称为视觉后像或称视觉残留。视觉残留正后像：一种与真实刺激相符合的感觉负后像：则是一种相反的情况。受如下因素影响：1，发光物体的光强；2，刺激光的作用时间；3，不同色光的刺激。其中黄 光的后像消失得最快。第一章 视觉和电视显

4、示基本原理2022/9/207当周期光信号的频率高于CFF时,其视亮度I为:L(t)为周期变化光的实际亮度,眼睛感觉到的是周期性变化光亮度的平均值。CFF和光强的关系：n:临界频率，I:光强，a，b是两个参数第一章 视觉和电视显示基本原理2022/9/209CFF受许多因素影响,现分别介绍如下： 1.刺激的强度，微光时低于10Hz，高亮度（1000cd/m2)可高达4560Hz渐进值。2.刺激的面积，小面积的CFF比大面积的CFF低，两者也是对数关系。A代表面积，c，d为两个参数第一章 视觉和电视显示基本原理2022/9/2010 3.视网膜的不同部位，中凹处的CFF较高。4.不同背景光及不同

5、的刺激色光 。白光的最大CFF值大于其他色光的相应数值；绿光的CFF值大于红，蓝光的相应数值。白光在蓝光背景上CFF最高，红光背景上中等，绿光背景上最低。5. CFF还与年龄、疲劳、缺氧和其他感官剌激有关。第一章 视觉和电视显示基本原理2022/9/20111.2 光度学1.2.1光通量和发光强度1.2.2照度及距离平方反比定律1.2.3亮度及朗伯定律第一章 视觉和电视显示基本原理2022/9/20121.2.1光通量和发光强度光通量()：在光度学中,它定义为能够被人的视觉系统所感受到的那部分光辐射功率的大小的度量,单位是lm(流明)。显然，光通量将不可见光（红外线，紫外线）排除在外，而且在数

6、量上也并不等于看得见的那部分光辐射功率值。第一章 视觉和电视显示基本原理2022/9/2013V()就是标准的明视觉函数e,是单位波长间隔内光的实际功率(W)Km是一个转换常数,现在叫最大光谱效能。规定Km =683lm/W第一章 视觉和电视显示基本原理2022/9/2014发光强度：指在某一指定方向上发出光通量的能力。I为发光强度d为立体角元d为这个立体角元所包含的光通量I的单位是cd(坎德拉)。第一章 视觉和电视显示基本原理2022/9/20161.2.2照度及距离平方反比定律 照度指照明程度的大小，定义为单位面积上的光通量E=d/dA （勒克斯）lx曝光量 H=Et （勒克斯秒）第一章

7、视觉和电视显示基本原理2022/9/2017上式表明，一个发光强度为I的点光源，在距离它R处的平面上产生的照度，与这个光源的发光强度成正比，与距离平方成反比。 但必须注意,被照射的平面一定要垂直于光线投射方向第一章 视觉和电视显示基本原理2022/9/20191.2.3亮度及朗伯定律 亮度：它表示单位面积上的发光强度，即： LdI/dA 单位cd/m2(坎德拉每平方米) 如果这个面的法线方向与观察方向所成之角为,上式变为: L=dI/(dAcos) (2.15)或 L=d2 / ( ddA cos) (2.16)第一章 视觉和电视显示基本原理2022/9/2020亮度还可用来描述光路的任一截面

8、 如果有一个面积为A的均匀发光面，它在某一方向上的亮度为L，则它在这个方向上的发光强度I应为： I LA cos （2.17）第一章 视觉和电视显示基本原理2022/9/2021 如果这个面光源的亮度在各个方向上都相等,则L=L=常数。这时(2.17)式可变为:I LA cos （2.18）令 I0LA 表示该面光源法线方向上的发光强度则 I I0cos （2.19） 朗伯定律 它表示一个亮度在各个方向上都相等的发光面，在某一方向上的发光强度等于这个面垂直方向上的发光强度I0乘以方向角的余弦。这样的发光面称为朗伯发射面，也叫均匀漫射面。第一章 视觉和电视显示基本原理2022/9/20221.3

9、 色度学概要颜色的基本特性及颜色混合彩色光的三色原理第一章 视觉和电视显示基本原理2022/9/20231.3.1颜色的基本特性及颜色混合 光是一种一定频率的电磁辐射。可见光谱的波长为0.38 0.78um。表2.1是可见光谱颜色的波长范围物体的颜色是由光线在物体上被反射和吸收的情况决定的,所以又受光源条件的影响。第一章 视觉和电视显示基本原理2022/9/2024第一章 视觉和电视显示基本原理前面谈到的是非自发光的物体色,称为表面色。另外还有自发光体色,称为光源色。光源色主要由光源色温决定,色温高,色光偏蓝色;色温低,色光偏红色。色温并不是指颜色的温度,而是指一个光源的颜色与黑体加热到某温度

10、时所发生的光色相同,这个光源的色温便是该温度。例如，白色荧光灯的颜色与加热到4500k时所发生的光色相同，称这种灯的色温为4500k2022/9/20261.颜色的三个基本特性（色调，明度，饱和度）色调是指在物体反射的光线中以哪种波长占优势来决定的,不同波长产生不同颜色的感觉。反映颜色的类别, R,G,B饱和度是指一个颜色的鲜明程度，是颜色色调的表现程度。颜色纯度的人眼的主观评价 色调和饱和度统称色度明度(亮度)是指刺激物的强度作用于眼睛所发生的效应,它的大小是由物体反射系数来决定的。黑白红橙黄绿蓝紫绿黄蓝绿明度明度饱和度色调颜色立体图第一章 视觉和电视显示基本原理2022/9/2027红蓝紫

11、绿白青黄1. 加法混色第一章 视觉和电视显示基本原理2022/9/20292.减法混色 色光混合是一种加法色，但颜料，油漆等按不同比例混合得出的颜色与加法混色得到的颜色是不一样的。例如：黄色颜料是从入射白光中吸收蓝光而反射红光和绿光所致。黄（白蓝）红（白蓝绿）紫（白绿）蓝（白绿红）青（白红）绿（白蓝红）黑第一章 视觉和电视显示基本原理2022/9/2030 减法色的三原色是黄，品红，青，彩色电视机主要是应用加色混色法，而彩色影片的画面是由黄，青，品红三种影片染料按减色法原理构成的，相加混色后颜色的明度是增加的，在减色法中则相反。第一章 视觉和电视显示基本原理2022/9/20311.4 电视传

12、像原理 1.4.1 图像的特点与组成1.4.2 图像的顺序传送1.4.3 电视扫描1.4.5全电视信号1.4.4 同步和消隐1.4.6 彩色电视的制式第一章 视觉和电视显示基本原理2022/9/2032活动景物（光信号）电信号加工处理电传输逆变为图象电视传像原理 电视传送的主要信息是活动图像，其基本过程是在发送端把活动景物的光信号转变成与它对应的电信号，经过加工、处理并进行电传输(发射电磁波或用馈电线)，在接收端再把收到的电信号逆变成原来景物的图像。 在接收端要使用各种显示器件，包括本书重点涉及的各种平板显示器件。第一章 视觉和电视显示基本原理2022/9/20331.4.1 图像的特点与组成

13、 为了传输一幅图像，通常的办法是将整个画面分解成许多小的单元，我们把被分解的最小的图像单元称为像素。对于黑白图像每个像素点为黑白程度不同的小点，对于彩色图像每个像素点又由红、绿、蓝三个彩色点组成。第一章 视觉和电视显示基本原理2022/9/2034 这样就把空间坐标(x，y)也转换成时间t的函数了。采用逐点扫描以后，时间的先后就反映不同的坐标，所以在传送过程中，必须由用同步扫描来确保发送端与接收端坐标的一一对应关系，才能使被传送的图像不失真。 对于活动的电视图像，每幅画面上的亮度与色度都是(x，y，t)的函数，其中(x，y)代表各像素的几何位置。t表示按时间顺序逐一传送空间分布的每一像素的亮度

14、和色度。第一章 视觉和电视显示基本原理2022/9/20351.4.2 图像的顺序传送 图像的顺序传送就是在发送端把被传送图像上各像素的亮度、色度按一定顺序，逐一地转变为相应的电信号，并依次经过一个通道，在接收端再按相同的顺序，将各像素的电信号在电视机屏幕相应位置上转变为不同亮度、色度的光点。第一章 视觉和电视显示基本原理2022/9/2036只要每秒重复传送在50次以上，则接收端即可看到一副活动的图象第一章 视觉和电视显示基本原理2022/9/20371.4.3 电视扫描 在电子束型摄像与显示器件中，如图2-4所示的电子笔S、S就是电子束。电子束的扫描过程在发送端同时完成了图像分解与光-电转

15、换过程；在接收端则同时完成了图像合成与电-光转换过程。电子束的扫描方式很多，但在电视图像传送中毫无例外地采用从左到右，从上到下的匀速直线性扫描。第一章 视觉和电视显示基本原理2022/9/20381.逐行扫描光栅 逐行扫描是指电子束从左到右沿垂直方向从上到下以均匀速度依次地一行紧接一行扫过屏幕。扫描电子束移动轨迹的集合体便形成扫描光栅，如图2-5所示，它由水平扫描和垂直扫描两部分组成。第一章 视觉和电视显示基本原理2022/9/2039 沿水平方向的扫描称为行扫描，从左到右为正程扫描THt， 反之，则为行逆程扫描THr 。行周期TH= THt + THr 沿垂直方向的扫描为帧扫描，从上到下为帧

16、正程扫描TFt，反之，为帧逆程扫描TFr，帧周期TF= TFt+ TFr帧逆程系数 TFr TF 按电视标准规定8%行逆程系数THr TH 按电视标准规定18 逐行扫描电视的图像质量好，扫描电路简单，其缺点是要求通带很宽，因此逐行扫描只用于工业电视和未来的高清晰度电视，而在广播电视中均采用隔行扫描。第一章 视觉和电视显示基本原理2022/9/20402.隔行扫描所谓隔行扫描是指将一帧图像分成两场，第一场扫奇数行，第二场扫偶数行的扫描方式。(1-1A-A-13121)第一章 视觉和电视显示基本原理2022/9/2041 在电视技术中，每秒只传送25帧（或30帧）图象，但每帧图象分奇偶两场来传送，

17、这样就变成每秒传送50场（或60场）图象。在重现时，每秒出现的50场（或60场）图象被人眼综合成25帧（或30帧）完整的图象。 隔行扫描有帧场之分，场扫描是指每垂直扫描一次，由规定的1/2扫描行组成的称之为场，而帧是由规定的全部扫描行组成。第一章 视觉和电视显示基本原理2022/9/2042 实现隔行扫描的关键是如何使偶数场与奇数场互相恰好地交织，如果隔行不好就会产生“并行”现象，使图像质量下降。确保隔行扫描成功的关键是一帧的行数Z是奇数，即: fH/fV=Z/2=(2n+1)/2=n+1/2 式中:n为整数。 隔行扫描的优点是解决了通频带与清晰度之间的矛盾，从而使电视机的成本下降，为普及电视

18、作出了贡献。缺点主要是产生“并行”，这是由于扫描电流幅度不稳定和正程线性不好引起的。此外由于每一行的亮度是以帧频重复的，所以当仔细观看比较亮的细线时就会感到有些闪光，即行间闪烁现象，使其成为现存电视体制下提高电视质量的瓶颈第一章 视觉和电视显示基本原理2022/9/20431.4.4 同步和消隐 在电视中，同步是指使收、发两端扫描同频、同相和波形相似，满足这样条件的扫描称为同步扫描。当收发端场频不同步时，图像会上下滚动，频差越大，滚动越快。当行频不同步时，屏幕出现粗细不一，方向不一，疏密不一的歪斜，图象如被撕裂。若扫描频率相同，但起始相位不一致，便会引起图像分裂。第一章 视觉和电视显示基本原理

19、2022/9/2044 如果收发端扫描电流波形不同，会产生图象水平或垂直方向的非线性畸变。第一章 视觉和电视显示基本原理2022/9/20452.消隐 电子束扫描逆程在光栅上表现为回扫线，它不传输图像信息，反而会干扰图像质量，须设法把行、场回扫线消隐掉。采用消隐脉冲把逆程期间的电子束截止，在发送时将行、场消隐脉冲组合在一起构成复合消隐脉冲。消隐脉冲应能关闭电子束，所以它的电平应相当于图像信号的黑电平。 同步脉冲电平比消隐电平还要高，即比黑色还要黑色，这样很容易从全电视信号中把同步脉冲分离出。第一章 视觉和电视显示基本原理2022/9/20461.4.5全电视信号（图像信号，复合同步信号，复合消

20、隐信号，色同步信号（彩电）第一章 视觉和电视显示基本原理2022/9/2047 负极性是指信号电平越高，图像越暗的信号，由图可知：复合同步脉冲的幅度最大（75100）图像信号的最大幅度为75%，利用该特点可用幅度分离电路方便地将复合同步信号从全电视信号中分离出来，再通过微分电路和积分电路将行，场脉冲分开，分别去控制行，场扫描电路。第一章 视觉和电视显示基本原理2022/9/20481.4.6电视图像信号1.图像内容与电信号的关系第一章 视觉和电视显示基本原理2022/9/2049 图像是电信号的时间函数,是单极性的信号，其幅度与亮度成正比,其宽度与图像内容有关,粗线条对应宽脉冲，细微的细节对应

21、于窄脉冲。随着横向黑白条数的增加，电信号频率以场频的倍数增加；随着竖向黑白条数的增加，电信号频率以行频的倍数增加。 图像电信号最高频率发生在行方向相邻像素为明暗交替时，由此可估算图像电信号中可能达到的最高频率。 按我国电视体制，显示在画面上的行数为575，画面宽高比4/3，每秒切换25个画面（即帧频25Hz)第一章 视觉和电视显示基本原理2022/9/2050所以一个画面上的总像素数为5754/3575=4.41105每秒钟内扫过的像数总数为4.4110525=1.1107个,相邻每对黑白像数为一个周期，理论上应为占空比为1:1的方形脉冲则可知最高视频为5.5MHz第一章 视觉和电视显示基本原

22、理2022/9/20511.4.6 彩色电视的制式NTSC制式(National Television System Committee)PAL制式(Phase alternation by line color television)SECAM制式(Sequential color and memory)第一章 视觉和电视显示基本原理这三种制式的主要区别是将色差信号频谱谱线插入亮度信号频谱空隙中所采用的方法不同。2022/9/20521. NTSC制式 NTSC制式是最早的彩色电视制式，这种制式的特点是将两个色差信号分别对频率相同而相位相差900的两个负载波进行正交平衡调幅，然后与亮度信号相

23、加，一起传送。第一章 视觉和电视显示基本原理2022/9/2053第一章 视觉和电视显示基本原理2.PAL制式我国也采用这个制式。PAL制式的特点是克服了NTSC制式的相位敏感性，在原来正交平衡和同步检波等基本措施的基础上，将其中一个已调幅的红色差信号进行逐行倒相。该制式是NTSC制式的改进，其主要优点是对传输过程中相位失真不敏感；主要缺点是彩色清晰度略低于NTSC制，信号处理较繁，接收机电路较复杂。该制式是世界上用得最多得一种制式。2022/9/2054第一章 视觉和电视显示基本原理3.SECAM制式也叫顺序传送彩色与存储制式，也是为了克服NTSC制式的色调失真而设计的。它与前两种制式不同点是两个色差信号不是同时传送，而是轮流、交替的传送。另外，两个色差信号不是对