1、1,第二章 视频监控系统基本知识,第一节 视频监控系统的概念与组成 第二节 图像产生基础知识 第三节 摄像机基础知识 第四节 监视器基础知识 第五节 数字视频压缩基础知识,2,第二章 视频监控系统基本知识,第二节 图像产生基础知识 一、彩色与视觉特性 二、电视图像的传送 三、电视的制式与色彩空间,一、彩色与视觉特性 （一）光的性质,1可见光谱 光是一种电磁辐射，光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、红外线、可见光、紫外线、X射线和宇宙射线 。,一、彩色与视觉特性 （一）光的性质,（1）可见光 波长在380780 nm范围内的电磁
2、波能够使人眼产生颜色感觉，称为可见光 只含有单一波长的光为单色光，包含有两种或两种以上波长的光标为复合光。 （2）光谱色 不同波长的光呈现出的颜色不相同，一定波长的光谱呈现的颜色称为光谱色。 波长由780 nm向380 nm变时人眼颜色感觉红、橙、黄、绿、青、蓝、紫7色 太阳发出的白光中包含了所有的可见光的光谱，给人以白色感觉。 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。 分解之后的色光再次经过棱镜不能再分解，这种单一波长的色光也称谱色光 （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540 nm绿光和700
3、nm红光按比例混合使人眼得到580 nm黄光色感。 这种由不同光谱混合出相同色光的现象叫同色异谱。,一、彩色与视觉特性 （一）光的性质,2物体的颜色 物体分为发光体和不发光体。我们看到的颜色有两种不同的来源： 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， 例如，白炽灯发黄、荧光灯发白，各种彩色灯和霓红灯等所发出的彩色光，各自有其特定的光谱色。 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的反射、透射特性有关。 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： 红旗反射太阳光中的红色光、吸收其他颜色
4、的光而呈红色； 绿色的植物因反射太阳光中的绿色光、吸收所有其它色光而呈现绿色； 白纸和白云反射全部阳光而呈白色； 煤炭和黑板吸收全部照射光而呈现黑色等等,一、彩色与视觉特性 （一）光的性质,2物体的颜色 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
5、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。,一、彩色与视觉特性 （一）光的性质,3标准光源 通常的照明光源所发出的光虽然都笼统地称其为白光 如太阳、日光灯、白炽灯泡等 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。 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 规定了几种标准白色光源， 并以基本参量“色温”予以表征。 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， 用绝对黑体的辐射温度色温表示光源的光谱性能。,一、彩色与视觉特性 （一）光的性质,（
6、1）绝对黑体 也称全辐射体，是指不反射、不透射，完全吸收入射辐射的物体。 它对所有波长辐射的吸收系数均为1。 绝对黑体在自然界是不存在的。 实验模型是一个中空的、内壁涂黑的球体，在其上面开了一个小孔， 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，这个小孔就相当于绝对黑体。 绝对黑体所辐射的光谱与它的温度密切相关。 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。,一、彩色与视觉特性 （一）光的性质,（2）光源的色温 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。 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。
7、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。 例如，温度保持在2800 K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。 色温与光源的实际温度无关， 彩色电视机荧光屏的实际温度为常温，而其白场色温是6500K。,一、彩色与视觉特性 （一）光的性质,（3）标准白光 常用的标准白光有A、B、C、D65和E光源5种。 A光源：色温为2854K的白光，光谱偏红，相当于充气钨丝白炽灯所产
8、生的光 B光源：色温为4874 K的白光，近似中午直射的太阳光。 在实验室中可由特制的滤色镜从A光源中获得。 C光源：色温为6774 K的白光，相当于白天的自然光。 是NTSC制彩色电视白光标准光源。 D65光源：色温6504 K的白光，相当于白天的平均光照。 是PAL制彩色电视白光标准光源。 E光源：色温为5500 K的等能量白光（E白）。 是一种理想的等能量的白光源它是为简化色度学计算所采用的一种假想光源。 采用这种光源有利于彩色电视系统中问题的分析和计算。 电视演播室卤钨灯光源的色温为3200 K， 有体积小、亮度高、寿命长、色温稳定等优点。,一、彩色与视觉特性 （一）光的性质,4光的度
9、量单位 （1）光通量 按人眼的光感觉来度量的辐射功率，用符号表示。单位为流明（lm）。 当555nm的单色光辐射功率为1W时，产生的光通量为683 lm，或称1光瓦。 其他波长时，相对视敏度V（）下降，相同辐射功率所产生的光通量随之下降。 40 W的钨丝灯泡输出的光通量为468 lm，发光效率为11.7 lm/W； 40 W的日光灯可输出2100lm的光通量，发光效率为52.5 lm/W； 电视演播室卤钨灯发光效率可达80100 lm/W。 （2）光照度 衡量单位面积上光通量的大小的量，用符号E表示，单位为勒（克斯lux）。 1勒（克斯）等于1流明的光通量均匀分布在1平方米面积上的光照度。 为
10、了对光照度单位勒有个大概的印象，下列数据可供参考： 室外晴天光照度约为10000勒，多云约为500勒，傍晚约为50勒， 月光约为10-1勒，黄昏约为10-2勒，星光约为10-4勒。 。,一、彩色与视觉特性 （一）光的性质,一、彩色与视觉特性 （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，利用了人眼的视觉惰性，利用了人眼分辨力的局限性。 彩色电视，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24幅静止画面，每画面投射2次， 由于人眼的视觉惰性，看起来就同活动景象一样。 电视每秒扫描50幅画
11、面，每幅画面是由312根扫描线组成的， 由于人眼的视觉惰性和有限的细节分辨能力， 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 。,一、彩色与视觉特性 （二）人眼的视觉特性,1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， 人眼对不同波长光的灵敏度是不同的。 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 所以采用统计方法，用许多正常视力的观察者来做实验，取其平均值。 国际照明委员会推荐标准视敏度曲线（也称相对视敏函数曲线）。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。 可以看出人眼
12、最敏感的光波长为555 nm， 颜色是草绿色， 这一区域颜色，人眼看起来省力，不易疲劳。在555 nm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。 。,一、彩色与视觉特性 （二）人眼的视觉特性,2彩色视觉 （1）杆状细胞和锥状细胞 人眼视网膜上有大量的光敏细胞，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。 （2）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
13、并提出视觉三色原理的假设，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。 相对视敏函数曲线分别为VR（）、VG（）、VB（）， 其峰值分别在580 nm、 540 nm、 440 nm处。图中VB（）曲线幅度很低，已将其放大了20倍。 三条曲线的总和等于相对视敏函数曲线V（）。 三条曲线部分交叉重叠，很多单色光同时处于两条曲线之下,一、彩色与视觉特性 （二）人眼的视觉特性,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 600 nm的单色黄光就处在VR（）、 VG（）曲线之下， 600 nm单色黄光既激励了红敏细胞，又激励了绿敏细胞，引起混合的感觉 当混合红
14、绿光同时作用于视网膜时，使红敏细胞、绿敏细胞同时受激励， 混合光的比例适当引起的彩色感觉，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， 在色感上得到了相同的效果。,一、彩色与视觉特性 （二）人眼的视觉特性,3分辨力 （1）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。 眼睛分辨景色细节的能力有一个极限值， 我们将这种分辨细节的能力称为人眼的分辨力或视觉锐度 。,一、
15、彩色与视觉特性 （二）人眼的视觉特性,（2）分辨力的计算 眼睛对被观察物上相邻两点间能分辨的最小距离对应的视角的倒数： 分辨力= 1/ （2-1） 用L表示眼睛与图像之间的距离，d表示能分辨的两点间最小距离， 则有：,一、彩色与视觉特性 （二）人眼的视觉特性,（3）人眼分辨力的特性 人眼的最小视角取决于相邻两个视敏细胞之间的距离。 对于正常视力的人，在中等亮度情况下观看静止图像时，为11.5。 分辨力在很大程度上取决于景物细节的亮度， 当亮度很低时，视力很差，这是因为亮度低时锥状细胞不起作用。 亮度过大时，视力不再增加，甚至由于眩目现象，视力反而有所降低。 分辨力在很大程度上取决于景物细节的对
16、比度， 细节对比度愈小，也愈不易分辨，会造成分辨力降低。 在观看运动物体时，分辨力更低。 人眼对彩色细节的分辨力比对黑白细节的分辨力要低， 黑白相间的等宽条子，相隔一定距离观看时，刚能分辨出黑白差别， 用红绿相间的同等宽度条子替换，人眼分辨不出红绿之差，而是一片黄色。,一、彩色与视觉特性 （二）人眼的视觉特性,（3）人眼分辨力的特性 人眼对不同彩色，分辨力也各不相同。 如果眼睛对黑白细节的分辨力定义为100%， 则实验测得人眼对各种颜色细节的相对分辨力为：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， 这样做可减少色信号的带宽，这
17、就是大面积着色原理的依据。 。,一、彩色与视觉特性 （二）人眼的视觉特性,4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。 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，而是按近似指数规律下降。 （1）视觉暂留 人眼的亮度感觉总是滞后于实际亮度的特性称为视觉惰性或视觉暂留。 作用于人眼的光脉冲造成的主观亮度感觉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。t1t2就是视觉暂留时间。 在中等亮度的光刺激下，视力正常的人视觉暂留时间约为0.1 s。 。,一、彩色与视觉
18、特性 （二）人眼的视觉特性,（2）临界闪烁频率 人眼受到频率较低的周期性光脉冲刺激时会感到一亮一暗的闪烁现象， 将重复频率提高到某个定值以上，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。 临界闪烁频率与很多因素有关， 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。 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。 人眼的临界闪烁频率约为46 Hz。 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，这时主观感觉的亮度等于光脉冲亮度的平均值。 。,一、彩色与视觉特性 （三）色度学基本概念,1彩色三要素 （1）亮度
19、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。 若照射物体的光强度不变，物体的反射性能越好，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）色调 色调反映彩色的类别。例如红、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。,一、彩色与视觉特性 （三）色度学基本概念,1彩色三要素 （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，会给人以深浅不同的感觉， 深
20、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。 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饱和色。 谱色光就是纯色光，其饱和度为100%。 饱和度低于100%的彩色称为非饱和色， 日常生活中所见到的大多数彩色是非饱和色。白光的饱和度为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。,一、彩色与视觉特性 （三）色度学基本概念,2三基色原理 （1）三基色定义 仿效人眼三种锥状细胞，可以任选三种基色， 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
21、不同比例进行组合，可得到自然界中绝大多数的彩色。 具有这种特性的三个单色光叫基色光，这三种颜色叫三基色。 （2）三基色原理 自然界中绝大多数的彩色可以分解为三基色， 三基色按一定比例混合，可得到自然界中绝大多数彩色。 混合色的色调和饱和度由三基色的混合比例决定， 混合色的亮度等于三种基色亮度之和。 人眼三种锥状细胞对红光、绿光和蓝光最敏感， 所以在红色、绿色和蓝色光谱区中选择三个基色按适当比例混色可得到较多的彩色。 在彩色电视中，选用了红、绿、蓝作为三基色，分别用R、G、B来表示。 红基色波长为700 nm， 绿基色波长为546.1 nm，蓝基色波长为435.8 nm。,一、彩色与视觉特性 （
22、三）色度学基本概念,（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亮度之和， 这种混合色称为相加混色。 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， 其混合规律如图2-15所示。,一、彩色与视觉特性 （三）色度学基本概念,3混色法原理 （1）相加混色法 任何颜色都是三种基本色的混和，改变三束光的强度得到自然界中常见的彩色光 红色+绿色=黄色 绿色+蓝色=青色 蓝色+红色=紫色 红色+绿色+蓝色=白色 （2）互补色相加法 当两种颜色
23、混合得到白色时，这两种颜色称为互补色。 红色+青色=白色 绿色+紫色=白色 蓝色+黄色=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。 在彩色电视技术中，常用以上这两种相加混色法。,一、彩色与视觉特性 （三）色度学基本概念,3混色法原理 （3）空间混色法 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个点上， 由于人眼的分辨力有限， 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。 （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。,作业,什么是标准光源、绝对黑体？ 色温是不是物体的温度？为什么？ 什么是光照度？自然界典型的光照度有哪些？ 人眼的视觉特性有哪些？ 分辨力的定义是什么？ 彩色三要素包括哪些，分别是什么？ 什么是三基色原理，如何应用之？ 混色法有几种？内容有哪些？,
