1、第三章 彩色电视基础,3.1 色度学基本知识 3.2 彩色图像的分解与重现复习思考题,3.1 色度学基本知识,3.1.1 光 与 色一、 可见光的光谱特性可见光是一种频率很高的电磁波，其波长范围是380780 nm。不同的波长产生不同颜色的光，例如，波长为700nm的光波引起人眼红色的感觉，波长为500nm的光波引起绿色的感觉，随着波长从长到短变化，呈现的色光依次为红、 橙、 黄、 绿、 青、 蓝、 紫。电磁波波谱及可见光的波长如图3-1(a)、 (b)所示。,图 3-1 电磁波波谱,由光的色散特性可知，由于三棱镜对不同波长的折射率不同，太阳光通过三棱镜折射后将依次呈现从红到紫的连续彩色光谱带
2、。通常，把每一种单色光呈现的色调称为谱色，两种或两种以上的单色光聚合，产生复合光，复合光呈现的混合色称为非谱色。二、 光源与物体的颜色色是人眼对不同光谱分布的主观反映，物体呈现的颜色，不仅取决于物体本身反射或透射某种光谱的属性，同时也取决于光源的特性。当白色光照射不发光、 不透明的物体时，一部分光波被吸收，一部分光波被反射或透射，由于反射光或透射光的光谱与入射光不同，因此物体呈现出一定的颜色。,例如太阳光照在绿叶上，日光中其余波谱成分全部被吸收，只反射绿色光，因而绿叶呈绿色。当太阳光照射红色的滤色片时，由于滤色片吸收其它色谱而只能让红色通过，因此红色滤色片呈红色。照射光源不同，同一物体会使人眼
3、感受到不同颜色，即物体所呈现的彩色与光源有关。这是因为各种光源所含的光谱不同，随波长不同有不同的辐射能量，因此在不同光源照射下，同一物体会引起不同的彩色感。如白色光照射绿色物体呈现绿色，而红光照射绿色物体呈暗黑色。即使同为白光源的白炽灯、 日光灯、 太阳光，它们也都呈现不同的颜色，如白炽灯呈黄红色、 日光灯呈白蓝色等。,国际上规定了A、B、C、 D65、 E五种标准白光源，它们有各自不同的光谱特性。A光源代表钨丝灯在温度为2800K时发出的光，其光谱能量集中在红光区，故A光源发黄红色的光 B光源接近于正午直射的阳光，将A 光源通过滤色镜可以得到B光源 C光源相当于白天的自然光，含蓝色较多，也可
4、通过特殊滤色片由A光源获得，它被用作NTSC制彩色电视的标准白光源，称为C白 D65光源是模拟直射阳光与天空散射光混合的白光，它可以由彩色显像管中三种彩色光混合得到，用作PAL制彩色电视的标准白光源 E光源为假想的等能量白光，就是当可见光谱范围内所有波长的光都具有相同的辐射能量时所产生的一种白光，是为简化计算而假设的。,三、 人眼的视觉特性根据三基色学说，眼睛视网膜上存在许多视觉细胞，这些视觉细胞可分成两类: 一类是杆状细胞,约一亿三千万个，它们感光灵敏度较高，但对彩色却不敏感，在低照度时主要靠它辨别明暗 另一类是锥状细胞，约七百万个，集中在视网膜，具有辨色能力(辨别光波波长)，但感光灵敏度较
5、差，仅在光照较强时才起作用。锥状细胞又分为红敏、 绿敏、 蓝敏三种色敏细胞，当它们接受某种光源的辐射能量刺激后，根据三种刺激量的比例关系不同，就使人产生了不同的色感。,第一章中曾讨论过，人眼对黑白图像细节分辨能力是有限的。而人眼对彩色细节的分辨能力更差，例如，将红、 绿两个光源做得非常微小，人眼便在一定距离外分辨不出是两个单色光源，而被感觉成为一个黄色光源。彩色显像管正是利用了人眼的这种空间混色效应。另外，由于人眼彩色分辨力差，在彩色电视系统中不必传送彩色细节。,图 3-2 人眼的光谱响应特性,光波引起视觉的明暗感觉程度，不仅与光波的辐射功率有关，而且与人眼的主观感觉有关。当各种波长的光波辐射
6、功率相同时，人眼对各波长的光波的主观亮度感觉特性如图3-2所示。由图可知，在人眼有亮感的范围内，对不同波长的崐光波视觉灵敏度是不同的。对=550 nm的光波，亮度感觉最灵敏。V() 表示相对此最大值而言的相对视敏度。四、亮度、色调和饱和度亮度、色调和饱和度称为彩色三要素，由这三个参量可以确切地表示任何一种彩色光。色调表示彩色的种类，如红、橙、黄、绿、青、蓝、紫等不同颜色，它取决于彩色的主色波长，改变色光的光谱成分就会引起色调的改变，它是彩色最基本的特性。,色饱和度是指彩色的纯度，即掺入白光的程度，或指颜色的深浅程度。对于同一色调的彩色光，饱和度越高则颜色越深或者说越纯。比如，当红色加进白光之后
7、，虽基本色调还是红色，但色饱和度降低，成为浅红色。掺入白光越多其饱和度越低。通常把色调与色饱和度通称为色度。亮度是指彩色光作用于人眼所引起的明亮程度的感觉，它与光的强度有关，对于同一物体，丈涞墓庠角 反射光也越强，则越亮 对于不同的物体，在相同照射下，反射越强者越亮。此外亮度感还与人眼光谱响应特性有关，所以不同彩色的光，即使强度相同，当照射同一物体时也会产生不同的亮度。,3.1.2 三基色原理与配色方程一、 三基色原理根据人眼彩色视觉特性，重现客观景物的色彩，并不需要恢复原景物反射光的各光谱成分，只要求使人获得与原景物色彩相同的主观彩色感觉。人们在实践中发现，自然界中的各种颜色几乎都可以由三种
8、基色光按不同的比例混合得到。反之，任意一种彩色都可以被分解为三基色。但要求所选的三种基色光的色调必须是相互独立的，即其中任一种基色都不能由其它两种基色混合产生。三基色的大小决定彩色光的亮度，混合后彩色光的亮度等于各基色亮度之和。三基色的比例决定了色调，当三基色混合比例相同时，色调相同。这就是三基色原理。利用三基色原理，就可以大大地简化彩色电视信号的传送与重现过程。,图 3-3 混色图,在彩色电视中，通常选用红(R)、 绿(G)、 蓝(B)作为三种基色光。利用三基色按不同比例混合来获得彩色的方法叫混色法。彩色的混合方式有两种，一种是彩色光的混合，符合相加混色原理 另一种是彩色颜料的混合，符合相减
9、混色原理。彩色电视是相加混色。混色示意图如图3-3所示。由图3-3(a)可见，等量的红、 绿、 蓝相加混色出白光，等量的红、 绿相加混色出黄光，等量的绿、 蓝相加混色出青光，等量的红、 蓝相加混色出紫光。若改变它们间的混合比例，可以得到各种颜色的光。例如红光与绿光混合时，如果红光比例由小至大变化，将依次产生绿、 黄绿、 黄、 橙、 红等颜色。,同理，当红、 绿、蓝三基色光以不同比例混合时，将会得到各种较淡的颜色，即饱和度较低的色调，如淡青、淡绿、淡紫、淡红等等。由图(a)还可以看出，黄、 蓝互为补色，该两色相加相当于红、绿、蓝相混，可以得到白光。同理绿、 紫互补，红、青互补。 相减混色原理是:
10、 因为颜料是反射体，本身不发光，而是利用颜料或染料的吸色性质来实现混色。例如青色颜料能吸收红光，它在白光照射下，白光中的红光被吸收了，而反射出绿、 蓝两种光谱，因此呈青色，即青色=白色-红色。相减混色中三基色为黄、 青、 紫，如图3-3(b)所示。青色与黄色颜料混合后呈现绿色，是由于青色颜料吸红光，黄色颜科吸蓝光，那么在白光照射下，只有绿色反射光了。,二、计色制与配色方程根据三基色原理，我们将红、绿、蓝三种基色按不同比例混合，可以获得各种色彩。国际规定下面三种光谱为基色光: 波长为700nm的红光作为红基色 ，波长为546.1nm的绿光为绿基色，波长为435.8nm的蓝光为蓝基色。从配色实验可
11、知，配出标准E白光所需R、G、B三基色光通量之比为14.590 70.060 1，因此规定: 光通量为1lm的红基色光作为一个红基色单位，并用R表示 光通量为4.590 7 lm的绿基色光作为一个绿基色单位，并且崐G表示 光通量为0.060 1 lm的蓝基色光作为蓝基色单位，并用B表示。以R、G、B为单位量进行彩色度量的系统称为RGB计色制。这三个用实验得到的实际彩色称为物理三基色。于是E白光的配色方程可写为,FLE=1R+1G+1B (3-1)即一份、 一份G和一份B配出1份E白光，其光通量为5.650 8lm (=11+14.590 7+10.060 1)。符合“等量的三基色可配成白色”相
12、加混色原理。任意一种彩色光的配色方程可用下式表示 FL=RR+GG+BB (3-2)其中，R、G、B表示三基色的三色系数，它们的比值决定了待配彩色的色调。三基色各分量的光通量之代数和等于该彩色光的光通量。例如: R=B=1，G=2，则据(3-2)式有 ,FL=1R+2G+1B =1R+1G+1B+1G据(3-1)式可知，该彩色光FL为E白光与绿基色光之和，即呈现淡绿色。其光通量为: 11+24.590 7+10.060 1=10.241 5 lm。由于亮度正比于光通量，因此，待配彩色光的亮度等于各混合分量亮度之代数和。色光的亮度等于各混合分量亮度之代数和。,3.1.3 XYZ计色制与色度图彩色
13、有三个独立参数即色调、 色饱和度及亮度。为了直观、 确切地描述彩色，通常采用色度图。为了把自然界各种彩色用一个平面坐标图来表示， 同时又避免RGB计色制中存在某一色度系数为负，国际照明协会规定采用XYZ计色制，不用、 、 作基色，而用X、 Y、 Z作标准三基色(假想的过饱和红、 绿、 蓝)。其色度图称为XYZ色度图。那么任何一种彩色光的配色方程可写为 FL=XX+YY+ZZJY(3-3),并规定: 第一，系统的三色系数均为正值，色度图中所有彩色均应在标准三基色X、 Y、 Z组成的三角形内 第二，三色系数X=Y=Z=1时，配出光通量为1lm的E白光，即 FLE=1X+1Y+1Z (3-4)第三，
14、三色系数Y表示混合彩色光FL的亮度，而系数X、 Z不代表亮度。通常使X、Z的光通量为零，从而不论X、 Z为任何值，XX和ZZ两个分量的光通量总是零。,从而推得标准三基色系数Y和物理三基色系数R、 G、 B间的关系为 Y=1.000R+4.590 7G+0.060 1B (3-5)比较(3-2)与(3-5)式可知，Y确实代表彩色光的亮度。根据任意彩色光的配色实验及物理三基色与标准三基色的数学关系，绘出如图3-4所示XYZ色度图。图中采用标准三基色的相对色系数x、 y平面系。,图3-4 XYZ色度图,设彩色光含三基色总单位量m=X+Y+Z，则标准三基色的相对色系数分别为 显然三基色相对系数之和为1
15、，即 x+y+z=1 (3-6)这样，只要知道两个色度坐标，就可以确定彩色光的色度，所以表示各种彩色光的色度图采用x、 y平面坐标描述，而不必用三维坐标。,假定选择C白光作标准时，规定其饱和度为零。舌形曲线内各点彩色的饱和度用该点到C点的距离和C点通过该点到舌形曲线的距离之比的百分数来表示。例如波长为575nm的黄谱色，坐标为x=y=0.5，C白光坐标为x=0.310，y=0.316。如将C点与该黄谱色点相连，则连线上所有点都是同一色调，即575 nm的波长是该连线上各非谱色的主波长。连线上各点的饱和度越靠近C点时越低。舌形曲线内各彩色光的y坐标值愈高，色彩愈明亮 愈低则愈暗。,图中，假想的过
16、饱和三基色X、Y、Z位于直角三角形的顶点。舌形图形即为XYZ色度图，所有谱色(单色)都位于舌形曲线上，是从波长为400nm的蓝色到波长为700nm的红色的谱色轨迹，标有谱色光的波长值。舌形曲线底部两端点的连线，表示蓝色和红色相混而获得紫色和紫红色的分布，它不属于谱色。自然界中各种实际彩色都位于舌形曲线内，舌形曲线之外的各点是实际上不存在的彩色。连接R、 G、 B三点的虚线三角形，表示由物理三基色相加混色所能崐配出的彩色范围。E点坐标是x=y=z=1/3 时的等能量白光，E点附近小范围内为A、B、C及D65等白光，它们和其它任何彩色一样，各自都有确切的坐标值。舌形曲线上彩色最浓，定义其饱合度为1
17、00%，越接近白光区，颜色越浅。,3.1.4 显像三基色与亮度方程一、 显像三基色的选择重现景物的色彩，通常是依靠彩色显像管屏幕上的红、绿、蓝三种荧光粉在电子束轰击下发出各自的基色光，并混合成彩色图像的。我们把这三种基色称为显像三基色，它不同于物理三基色。不同荧光粉物质所呈现的色度、 亮度各不相同，但均可在色度图中找出其准确的坐标位置，我们希望所选定的显像三基色在色度图上构成的三角形面积尽可能大些，以使它们混合成的色彩更丰富。由于色度图谱色曲线近似三角形，而红、 绿、 蓝谱色恰位于谱色曲线三个顶端，故选红、 绿、 蓝三种色调的荧光粉最好。同时要求荧光粉发光效率尽可能高，这将使色彩明亮、 鲜艳。
18、表3-1给出了两种制式的彩色电视所选显像三基色的色度图坐标值。图3-5为重现图像的色度范围。,由图可见，显像三基色三角形面积比物理三基色三角形面积略小，饱和度高的彩色不能全部复现，但高饱和度彩色在自然界中极少见，并且人眼分辨灵敏度也不高。另外，PAL制三角形色域略小于NTSC制色域，但PAL制显像三基色荧光粉发光效率要高一些，所以配出的彩色比较鲜艳。,表 3-1 显像三基色的色度图坐标值,图 3-5 彩色电视重现的色度范围,二、 亮度方程由显像三基色所形成的计色制称为ReGeBe计色制。用显像三基色写出任意彩色光的方程: FLe=ReRe+GeGe+BeBe (3-7)式中Re、 Ge、 Be
19、为显像三基色系数，Re、 Ge、 Be为显像三基色单位量。通过公式推演可以求得标准三 基色系数与显像三基色系数之间关系:当采用NTSC制荧光粉和C白光源时为,(3-8),(3-9),当采用PAL制荧光粉和D65光源时为,已知在XYZ计色制中，合成彩色光的亮度仅由Y决定，则由(3-8)式得到NTSC崐制亮度方程为 Y=0.299 Re+0.587 Ge+0.114Be (3-10)由(3-9)式得到PAL制亮度方程为 Y=0.222Re+0.707 Ge+0.071Be (3-11),显然，采用不同的基色荧光粉和不同白光源，将有不同的亮度方程。但因为NTSC制使用较早，所以PAL制沿用了NTSC
20、制的亮度方程。我国彩电选用PAL制，用(3-10)式替代(3-11)式虽然存在一些误差，但主要特性仍能满足视觉对亮度的要求。亮度方程通常近似写成 Y=0.3Re+0.59Ge+0.11Be (3-12)彩色信号在传递过程中，亮度信号以电压的形式表示，则亮度方程可写成为 EY=0.30E -R+0.59E -G+0.11E -B (3-13)这是彩电技术中最常用的基本公式之一。 ,3.2 彩色图像的分解与重现,3.2.1 彩色图像的分解彩色电视是由一幅幅高速运动的彩色画面组成活动图像的，一幅彩色平面图像可以看成由许多彩色像素构成。每一个像素的色彩可用亮度、 色调与色饱和度来表征。对活动图像来说，
21、任一个像素的三要素都是时间的函数。根据三基色原理，在发送端首先用分色系统把彩色图像分解成红、 绿、蓝三幅基色图，分解后的各基色光强度是彩色光FL的函数。,三路光信号同时投射到三个摄像管的光敏靶上，在三个靶面上分别呈现R、G、B三幅基色光像，三只摄像管的电子束同步地逐行地扫描靶面，把各基色图像上的亮度变化转换成相应的随时间变化的电信号E -R、 E -G、 E -B。三只摄像管输出的三路信号反映彩色图像中三基色成分的大小，所以ER、 EG、 EB称为三基色信号。这样，就完成了图像的分解，如图3-6(a) 所示。,图 3-6 彩色电视传送的基本过程,由于摄像端的分色特性与显像三基色的混色特性是不相
22、匹配的，为了防止彩色失真，在摄像端要加彩色校正措施，此外，还有黑斑校正、 轮廓校正、 校正、 电平校正等电路。经过校正的三基色电压信号送至编码器，最后输出彩色全电视信号。近几年又出现了单管式彩色摄像机，由于使用了光调制器，所以可以用一只摄像管摄取三基色图像。若把摄取的信号再经过光解调器，便可获得三基色信号。单管式彩色摄像机有频率分离式、 相位分离式及三电极式等多种。,3.2.2 彩色图像的重现摄像端输出的三基色信号通过传输通道传送到接收端，在接收端由彩色显像管重现彩色图像，见图3-6(b)。在彩色显像管荧光屏上涂敷着按一定规律紧密排列的红、 绿、 蓝三色荧光粉，显像管的三条电了束在扫描过程中各
23、自轰击相应的荧光粉。加到显像管三个阴极上的三基色信号E -R、 E -G、 E -B分别控制R、 G、 B三条电子束的强弱，彩色显像管屏幕上就呈现出三幅基色图像，它们紧密镶嵌在一起，人眼所感觉到的是它们依空间位置混合构成的彩色图像。所以，彩色显像管是利用空间混合法重现彩色图像的。即完成了彩色图像的重现。,复习思考题,3.1 彩色光有哪几个基本参量 它们是如何定义的? 3.2 何谓三基色原理 彩色电视所用相加混色方式有哪几种 为什么彩色电视用相加混色法而不用相减混色法?3.3 相加混色和相减混色有何区别 举例说明。3.4 人眼所看到的物体颜色与哪些因素有关 当标准白光源照射某物体时，人眼看到它呈黄色，若改用蓝光源照射时，它呈何色 ?,3.5 试比较谱色、非谱色 基色、补色有何异同 彩色光源与物体所呈颜色有何区别 3.6 三基色与三色系数有何区别 白、灰、黑的三色系数有何区别 3.7 XYZ色度图的作用是什么 怎样在色度图上表示某彩色的色调与饱和度 3.8 显像三基色的选择原则是什么亮度方程(3-12)式在什么条件下才正确 3.9 简述彩色电视图像的分解与复合的基本原理。,
