第7章视频色彩与计算机颜色仿真

第七章视频色彩与计算机颜色仿真7.1视频色彩7.1.1视频三原色：R、G、B彩色电视所选定的红(R)、绿(G)、蓝(B)三原色荧光粉。CIEl931色度图上的颜色区域红(R)、绿(G)、蓝(B)荧光粉的选择高饱和度与发光效率低的折衷；保证三原色三角形的RG线尽量靠近光谱轨迹，以复现比较饱和的红、橙、黄、绿一带的常见且引起美感颜色；饱和的蓝、绿一带的颜色是不常用的，所以GB线可以离开光谱轨迹稍远些，而不致产生不良效果。色域：由彩色电视三原色荧光粉复现的三角形颜色范围。事实上，此色域已经基本上包括了日常生活中常用的颜色。显像三原色荧光粉和标准白光的色度坐标

NTSC制三原色荧光粉和标准白光[Re1][Gel][Bel]C白x0.670.210.140.310y0.330.710.080.316

PAL制三原色荧光粉和标准白光[Re2][Ge2][Be2]D65x0.640.290.150.313y0.330.600.060.3297.1.2彩色电视的白场1、白场色度的确定过去有一些国家(如美国、日本)采用9300K相关色温的色度作为白场的颜色（蓝的冷白色）。选用这种偏蓝的白场是因为当时的红荧光粉的发光效率低，为了提高荧光屏白场的亮度，必须充分利用绿粉和蓝粉的光效，而使白场的色温偏高。近年来，红色荧光粉的光效已有提高，趋向选择更优的相关色温6500K的白场。1、白场色度的确定

关于颜色喜爱的心理学研究表明：

当环境照明用2400

K和5400K光源时，观察者最喜爱的白场色温是5000～6000K，而高于8500K的色温是不受喜爱的白场；

对肤色、黄色、蓝色用6500K白场比用9300K白场能获得更优的复现效果。

在2000～10000K色温范围内，当调节到适宜的亮度时，都能产生“白”色感觉。选择中间值6500K色温作为白场可以代表平均白色，而且这一白色与日光色温一致，符合人在自然光下观察物体颜色的习惯。我国PAL制式及欧洲广播联盟(EBU)规定用D65的色度点作为彩色显像管的白场。美国和加拿大曾用9300K相关色温和光源C色度点作为白场，现在美国电影电视工程师学会(SMPTE)决定改用D65作为白场。2、白场平衡白场平衡：调整显像管的红、绿、蓝三色荧光粉的单色发光亮度比例，产生所规定的白场色度和总亮度。PAL制式规定D65为白场的标准色度，亮度为100尼特。白场平衡调整方法：仪器测量法：调节三束电流比例和大小，用色度计和亮度计分别测量显像管荧光屏的色度和亮度，使荧光屏上得到D65的标准白色(x=0.313，y=0.329)和达到规定的100尼特亮度。目视比较法：将具有规定色度和亮度的D65标准光源和待测显像管置于视场比较器两侧，调节待测管的三束电流，用视觉观察直至视场两侧的颜色和明度相互匹配。白场平衡目视比较法7.1.3视频色彩的相加混色根据视频三原色，彩色电视中利用空间混色和时间混色对彩色图像进行空间和时间上的分割与混色，来传送和重现彩色图像。1、时间混色法将三原色光按一定顺序轮流投射到同一表面上，只要轮换速度足够快，由于视觉残留，人眼产生的彩色感觉与用三原色光直接混合时相同。这就是视频色彩的时间混色法。它是顺序制彩色电视的色彩基础。7.1.3视频色彩的相加混色2、空间混色法将三原色光分别投射到同一表面上相邻的三个点上，只要这些点相距足够小且充分近，则人眼在离开一定距离处观看，由于人眼的分辨率有一定限度，将产生3种原色光相混合的彩色感觉。这就是视频色彩的空间混色法。它是同时制彩色电视的色彩基础，也是彩色显像管荧光屏构造的理论基础。7.1.4彩色电视制式与色彩混合

黑白电视制式通常以每帧扫描行数、每秒扫描场数、信道频带宽度以及隔行扫描方式等特征作为标志。

彩色电视制式除了上述有关特性外，其主要区分标志是三个原色信号或由其组成的亮度信号和色差信号的传输处理方式。彩色电视制式分类：从传送信号的时间关系分，彩色电视制式可分别顺序制、同时制和顺序-同时制。1、顺序制三个原色信号按—定的顺序轮换传送。如按逐场、逐行和逐点轮换的特点。顺序制分：场顺序制、行顺序制、点顺序制。顺序制在显像时既要利用空间混合原理，又要利用时间混合原理。顺序制优点：设备简单，重现彩色图像质量好。顺序制缺点：信号占用频带宽，因而不能实现彩色与黑白电视的兼容，不宜用于广播电视，只应用于工业电视或闭路电视。2、同时制携带彩色图像的亮度和色度信息的三个信号是同时传送的。在发送端对它们进行了特殊的频域处理，因而在接收端可以将它们分开。同时制的显像方法是空间混合法。同时制的优点：能够实现彩色与黑白电视的兼容，因而适用于广播电视。同时制的缺点：设备较复杂。世界上用于彩色电视广播的同时制有NTSC制和PAL制。2、同时制

NTSC制式是美国国家电视台标准委员会于1952年规定的彩色电视制式，又称为正交平衡调幅制。美国、加拿大、日本、韩国、我国的台湾省等都采用这种制式。

PAL制式是在1962年内当时的西德提出的一种电视制式，又称为隔行倒相正交平衡调幅制式。PAL制式在德国、英国、中国、朝鲜等国家广泛应用，是世界上采用的国家和地区最多的一种电视制式。3、顺序-同时制这是顺序制和同时制两种方式的结合，即传送的信息中既有顺序传送的部分，又有同时传送的部分，但这种制式在显像时却不一定采用顺序同时混合方式而可以采用同时方式。顺序-同时制的优点：克服了同时制彩色电视中色度信号的相互串扰而引起的色调失真，较好地解决了串色和传输等问题，提高了重显图像的稳定性。顺序-同时制的缺点：彩色电视机的电路较复杂、成本较高。世界上用于彩色电视广播的顺序-同时制式有SECAM制式。3、顺序-同时制

SECAM即顺序传送彩色与存储，首先由法国人提出，于1967年正式用于电视广播。采用这一制式的国家主要有法国、俄罗斯、埃及等。在SECAM制式中，逐行依次传送两个色差信号，因而在传送通道中，在同一时间内只会存在一种色差信号，这就不可能产生互串现象，但亮度信号仍然是每行都传送。由于每一行只传送一个色差信号，两个色差信号就不必采用正交平衡调幅方式，而只需采用调频方式。当然，采用调频方式将色差信号插入亮度信号，会不利于色度、亮度信号的彻底分离。目前，世界各国采用的彩色电视制式主要是NTSC制式、PAL制式和SECAM制式。应该说这3种兼容制彩色电视制式各有千秋，没有明显的优劣之分，都是属于独立的彩色电视系统。7.1.5大面积着色原理、高频混合原理和恒亮度原理1、大面积着色原理“彩色细节失明”：人眼对彩色细节的分辨能力远比亮度细节分辨能力低。如果人眼对与其相隔一定距离的黑白相间的条纹刚能分辨出黑白差别，一旦把黑白条纹换成不同彩色相间的条纹后，就不再能分辨出条纹来。例如：红绿相间的条纹将引起一片黄色的感觉。实验表明，人眼对不同色调细节的分辨力也不相同。例如：当在白色背景上刚能分辨出黑色细节直径为1mm，则在红色背景上能分辨出绿色细节的直径增大到2.5mm，在蓝色背景上能分辨出绿色细节的直径增大到5mm。人眼对各种彩色细节的分辨力假如传送细节的尺寸小于1mm，那么人眼看到的各个细节部分只是在亮度方面存在着差别，而在颜色方面没有差别，都表现为灰色。所以，当重现彩色图像时，只有大面积部分需要以三原色显示，其色彩可以丰富图像内容。而对各种颜色的细节部分，彩色图像可不必显示出色度的差别。因为此时，人眼已不能辨认它们的色度区别了，只能感觉到它们之间的亮度的不同，可以用黑白来显示，这称为大面积着色原理。按照这个原理，彩色电视系统在传送彩色图像时，细节部分可以只传送黑白图像，而不传送彩色信息，大面积部分需要以三原色传送。细节色别黑白黑绿黑红黑蓝绿红红蓝绿蓝分辨力(％)1009490264023192、高频混合原理人眼对亮度细节的分辨力强，1％～2％的亮度变化就能觉察出来，对颜色细节的分辨力弱，而对彩色图像的大面积变化部分却有较高的分辨能力。大面积的慢变化，相应于信号的低频成分。彩色细节和景物轮廓部分，相应于亮度和颜色的快变化，即信号的高频成分。它对于人眼仅有明暗的亮度感，区分不出颜色变化。

由亮度信号显示出一幅清晰的黑白图像，再由色度信号在这个清晰的黑白图像上进行大面积低清晰度着色，此时人眼看起来却是一幅清晰的彩色图像。2、高频混合原理电视图像的水平清晰度是和信号频带宽度成正比的。水平清晰度每增加80线，相当于视频带宽增加1MHz。因而表征亮度信息的亮度信号占用频带0～6MHz，而表征色度信息的色度信号可用窄带0～1.3MHz。亮度信号和色度信号用某种方式相混合后传送出去，在接收端可恢复的三原色信号只有低频分量，而其高频分量则用同一亮度信号的高频分量来补充。这就是所谓的高频混合原理。3、恒亮度原理

恒亮度原理是指被摄景物的亮度不论用彩色或黑白电视传输系统传送与接收，在传输系统是线性的前提条件下均应保持恒定。即要求图像的亮度只与亮度信号有关，而与色度信号无关。电视信号在传送时干扰总是难免的。一般亮度通道引入1％～2％的杂波干扰，人眼就能觉察出来，而色度通道引入10％～20％的杂波干扰，引起的色饱和度变化人眼却很难察觉。所以，采用恒亮度原理后，色通道引入的干扰就不会干扰亮度通道，不会引起图像的亮度变化，从而提高了彩色图像的抗干扰能力。当然，由于彩色电视采用高频混合原理，对色差信号只用窄带1.3MHz传送，而亮度信号用宽带6MHz传送。因此严格地说，只在1.3MHz以内信号才可能实现恒亮度原理。而且由于实际摄像器件光电转换及显像管电光转化的非线性，恒亮度传输只能是近似的。7.2电视系统中色彩的分解、传递与重现

彩色电视系统对景物色彩的传送过程：

先通过摄像机的镜头及分色棱镜把被摄景物分解成红、绿、蓝三个影像，并通过光电转换形成红、绿、蓝三个电信号；再变成适于传送的彩色电视信号，由一个信道传送出去；在接收端经电视机的电光转换及三原色的加色空间混合，在屏幕上把被摄景物的影像及色彩重现出来。7.2.1景物色彩的分解及三原色信号的形成景物色彩的分解三原色图像及其信号7.2.2亮度信号和色差信号为了彩色电视和黑白电视的兼容，传送一个亮度信号Y和两个色差信号B-Y、R-Y。1、亮度信号和色差信号的基本组成以C白

光为标准光源的NTSC制式，亮度方程为Y=0.299R+0.587G+0.114B

当NTSC制式选择D65为标准光源时，亮度方程为Y=0.289R+0.605G+0.104B以D65为标准光源的PAL制式，它的亮度方程为Y=0.222R+0.707G+0.071B7.2.2亮度信号和色差信号PAL制式中没有采用自己的亮度方程，而是沿用了NTSC制式的(7-1)亮度方程，并被近似地写为Y=0.30R+0.59G+0.11B实践证明，用上式进行亮度计算，所引起的亮度误差很小，能满足视觉对亮度的要求。三个色差信号表示式:R–Y=0.70R-0.59G–0.11BB–Y=-0.30R-0.59G+0.89BG–Y=-0.30R-0.11B+0.41G

G-Y与R-Y、B-Y的关系式：

G–Y=-0.51(R–Y)–0.19(B–Y)

由于G-Y色差信号的系数最小，在传送过程中较其他两种色差信号容易受干扰，所以选用Y、R-Y、B-Y三个信号进行传送。2、彩色电视系统将图像信号分为

亮度信号和色差信号的优点(1)可以满足兼容由于Y信号是图像的全部亮度信号，黑白电视机只要接收到Y信号便可显示出黑白图像。(2)亮度通道中的干扰和噪声对色调影响小因为彩色图像的色调是由三个原色的相对比例决定的。当三个原色都因干扰产生亮度变化时，三原色的相对比例变化不大，因此色调失真很小，只对饱和度影响较大。例如当调整彩色电视机亮度旋钮时可以发现，彩色饱和度会受到影响，亮度越高，饱和度越浅，而对色调影响很小。(3)能满足恒定亮度原理在传输过程中假设Y信号没有受干扰，而色差信号中混入了干扰信号

(R-Y)与

(B-Y)，则在接收端收到的信号将是Y，(R-Y)+

(R-Y)与(B-Y)+

(B-Y)。假设(R-Y)’=(R-Y)+

(R-Y)，(B-Y)’=(B-Y)+

(B-Y)。送给显像管的三原色信号将是：R’=(R-Y)’+YG’=-0.51(R–Y)’-0.19(B–Y)’+Y(7-7)B’=(B-Y)’+Y亮度仍然决定于亮度方程：Y’=0.30R’+0.59G’+0.11B’(7-8)将式(7-7)代入上式，即可解得：Y=Y’

计算结果说明，由于传输系统是线性的，色差信号在传输过程中所引入的干扰会在合成亮度信号时互相抵消，保证了亮度的恒定。（4）能满足混合高频原理和大面积着色原理混合后的彩色信号，其低频分量由窄带的色度信号控制，形成大面积的彩色；而高频分量由宽带的亮度信号控制形成图像的细节，从而既保证彩色图像的清晰度又实现了兼容。若不传送色差信号而只传送窄带的原色信号，会使图像信号中多出亮度信号低频分量，因此还得将原色信号中多余的低频亮度信号再滤掉。这给电路带来困难，也难保证彩色图像的质量。3、NTSC制式的U、V色差信号和I、Q色差信号NTSC制式的色度信号由两个色差信号分别对初位相为0o和90o的两个相同频率的副载波平衡调幅再混合而成。所以，NTSC制式又称正交平衡调幅制。NTSC制式的U、V色差信号：为了信号的不失真传输，在对两个正交的副载波进行平衡调幅之前，先对其进行适当的幅度压缩。压缩后的色差信号分别用U和V表示，它们与压缩前的色差信号R-Y、B-Y的关系是U=0.493(B-Y)，V=0.877(R-Y)利用亮度方程，可求出U、V与R、G、B的关系：

Y=0.30R+0.59G+0.11BU=-0.15R–0.30G+0.44BV=0.62R–0.52G–0.10B数字彩色视频图像处理常以此为依据做彩色空间的变换。NTSC制式的I、Q色差信号根据视觉特性研究，人眼对红、黄之间颜色的分辨力最强，而对蓝、品红之间颜色的分辨力最弱。在色度图中以I轴表示人眼最为敏感的色轴，而以与之垂直的Q轴表示最不为敏感的色轴。这样，如果将U、V信号变换为Q、I信号，就可对I所对应的色度信号采用较宽的带宽，而对Q信号对应的色度信号则只需采用很窄的带宽来进行传输。Q、I轴与U、V轴的关系可求出Q、I与三原色R、G、B的关系为：Y=0.30R+0.59G+0.11BQ=0.21R–0.52G+0.31BI=0.60R–0.28G–0.32BQ=Ucos33o+Vsin33o

I=U(-sin33o)+Vcos33o

PAL制式获得色度信号的方法，也是先将三原色R、G、B变换为一个亮度信号和两个色差信号，然后再用正交平衡调幅的方法把色度信号安插到亮度信号的间隙之中，这些与NTSC制式大致相同。所不同的是，PAL制式采用逐行倒相的方法来克服NTSC制式对相位失真引起色调失真的缺点。人眼的视觉特性对色调失真很敏感，而对饱和度失真不敏感，而逐行倒相的方法可以把相位失真引起的色调失真转化为饱和度失真，所以PAL制式又称逐行倒相正交平衡调幅制。

SECAM制式是采用逐行依次传送R-Y、B–Y两个色差信号，连续传送亮度信号的方法来避免因同时传送造成的串色及色彩的失真，而接收端则利用解码器的延迟线将收到的信号储存，以便能从传送来的三个电视信号中同时取用重现彩色图像的R、G、B三原色信号。7.2.3景物色彩的重现为了重现景物色彩，彩色电视机就必须把收到的彩色全电视信号恢复成三个原色信号，并还原成三原色图像，然后由显像管将其叠加，从而恢复原景物色彩。彩色电视机收下传送来的彩色全电视信号时，先由矩阵电路把R-Y和B-Y色差信号转换出G-Y色差信号，再以矩阵电路将三个色差信号分别与亮度信号Y相加，就可恢复成三个原色信号，即

(R–Y)+Y=R(B–Y)+Y=B(G–Y)+Y=G按照高频混合原理，亮度信号Y传送的是全频带信息，两个色差信号R-Y、B-Y只传送低频部分信息。若取色差信号的频带为0～1MHz，而亮度信号的频带为1～6MHz，则送到显像管的三个信号将分别为

(R–Y)0-1+Y0-6=R0-1+Y1-6(B–Y)0-1+Y0-6=B0-1+Y1-6(G–Y)0-1+Y0-6=G0-1+Y1-6由上式可见，重现彩色图像的三原色信号由两部分组成，其低频部分包含0～1MHz的原色信号，而高频部分1～6MHz范围内为亮度信号分量。因此，能显示出大面积的彩色图像，再附加黑白细节，正好与人眼视觉特性相适应。彩条信号重现的示意图黄色信号复原：黄色是由于吸收了白光中的蓝光，反射了全部红光和绿光形成的。因此，三原色电压为：R=1，G=1，B=0。亮度信号和色差信号为：

Y=0.30R+0.59G+0.11B=0.89

(B–Y)=-0.30R-0.59G+0.89B

=-0.89，

(R–Y)=0.70R-0.59G–0.11B

=0.11三原色信号电压复原后为：

R=(R–Y)+Y=0.11+0.89=1

G=-0.51(R-Y)–0.19(B-Y)+Y=-0.51×0.11+0.19×0.89+0.89=1

B=(B–Y)+Y=-0.89+0.89=0。青色信号复原：因为青色是吸收了白光中的全部红光，反射了全部的蓝光和绿光形成的。因此，三原色电压为：R=0，G=1，B=1，亮度信号和色差信号为：

Y=0.30R+0.59G+0.11B=0.70，

(B–Y)=-0.30R-0.59G+0.89B=0.30，

(R–Y)=0.70R-0.59G–0.11B

=-0.70。三原色信号电压复原后为：

R=(R–Y)+Y=-0.70+0.70=0

G=-0.51(R-Y)–0.19(B-Y)+Y=-0.51×(-0.70)-0.19×0.30+0.70=1

B=(B–Y)+Y=0.30+0.70=1。7.3计算机颜色仿真在视觉研究和测色、配色评估中越来越多地采用彩色显示器来获得颜色刺激，而这个刺激常常必须具有特定的CIE色度坐标和亮度值。因此，研究出一种能在彩色显示器上保真地产生所需的颜色显得尤为重要。7.3.1彩色显示器色度特性定标1、白场平衡调整白场平衡的色温可根据具体要求选用标准照明体D65、C或其他合理的色温基准。这里结合彩色显示器的特点和配色的要求而选用D65标准照明体作为彩色显示器的白场标准，色温为6500K，色度坐标是z=0.313，y=0.329。