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色度学与彩色电视之光与颜色

发布日期:2014-07-08 点击:1981

色度学与彩色电视之光与颜色

    黑白电视只能传送与重现景物的亮度,这远不能满足人们的需要,彩色电视不仅能传送,重现景物的高密度信息,还能传送、重现景物垢色度信息。它大大地丰富了图象传送的内容,使景物更加形象逼真地重现出来。

彩色电视是在黑白电视与色度学的基础上发展起来的。色度学是研究人的颜色视觉规律、颜色测量理论与技术的科学,它是一门本世纪发展起来的,以物理光学、视觉生理、视觉心理、心理物理等学科为基础的综合性科学。

彩色电视就是根据色度学的原理,发送端将界物彩色分解成红、绿、蓝三种基本色光,然后采用与黑白电视类似的方法,将它们转换成三种基色信号,传送到接收端,最后在接收端又根据色度学原理重现出景物的彩色。

§2.1 光与颜色

2.1.1 光与光源

一、光的种类

光的种类繁多,下面仅从颜色,频率成分和发光方式等三方面将其分类。

1、按颜色可分为彩色光和非变化光。非彩色包适白(色)光、各种深浅不一样的灰(色)光和黑(色)光;彩色光又可细分为红光、绿光、黄光、........红紫光等。

2、按频率成分可分为单色光和复合光。单色光是指具有一波长的色光或者所占波谱宽度小于5nm的色光;非单色光即分复合光。

3、按频率和颜色综合考虑可分为谱色光(Spectrum Color)和非谱色光。谱色光主要是指波长从780nm到380nm,而颜色按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫顺序排列的各种单色光;把两个或者两个以上的单色光混合所得,但又不能作为谱色出现在光谱上的色光称为非谱色光。白光是非谱色光。

单色光一定是谱色光,非谱色光一定是复合光,而复合光也可能是谱色光。例如,红单色光和绿单色光合成的复合光为黄色,它属于谱色光。

4、按发光方式可分为直射光,反射光和透射光。发光体(光源)直接发出的光称为直射光;物体对光源发出的光,能够进行反射所形成的光称为反射光;能进行透射所形成的光称为透射光。若设光源的功率波谱为P(l ),物体反射或透射特性分别为P(l )和t (l ),则直射光、反射光和透射光的功率波谱将分别为P(l ),P(l )P(l )和P(l )t (l )。

二、光的颜色

无论是什么光,它的颜色都是取决于客观与主观两方面的因素。

1、客观因素是它的功率波谱分布。对光源的颜色,直接取决于它的功率谱P(l )P(l )和P(l )t (l )。因此物体的颜色不仅取决于它的反射特性r (l )和透射特性t (l ),而且还与照射光源的功率谱有密切关系,关于这一点将在2.1.2节中详细举例说明。因此,在色度学和彩色电视中,对标准光源的辐射功率波谱,必要作出明确而严格的规定。

2、主观因素是人眼有视觉特性。不同的人对于同一功率谱P(l )的光的色感可能是不相同的。例如,对于用红砖建造的房子,视觉正常的人看是红色,而有红色盲的人看是土黄色;同样,他看绿草坪是黄色。由于周围环境的影响,红色盲患者会把他看到的“土黄色”房子叫做“红色”房子;同样,把他看到的“黄色”草坪,叫做绿色草坪,并认为他看到的“红色”与“绿色”和正常人一样。只通过一定检验方法才能发现色盲患者的视觉缺陷。由此可见,光给人的颜色感觉与人眼的视觉特性有关。

三、标准光源和色温

在色度学和电视技术中,常以白色作为一种标准,所以标准光源都是白光。常用的标准白光有五种,称为A、B、C65和E光源。它们辐射的光谱分布在图2.1-2(b)中用几条曲线表示。这种表示方法虽然精确,但是,对于使用感到非常不方便,于是人们想到了绝对黑体(下面简称黑体)。物理光学指出:在不同温度下,黑体辐射电磁波的本领是不同的,它的辐射本领按波长分布的规律如图2.1-2(a)所示。由图可见,黑体在不同温度下的辐射光谱作为标准,让各种光源的光谱分布与之比较。当光源的光谱与黑体某一温度下的光谱相一致时,则黑体的这一温度称为光源的色温;当光源的光谱只能与黑体某一温度下的光谱相近似,而不能精确等效时,则称这一温度为光源的相关色温。由于黑体这个温度与颜色有关,故名色温。读者注意,光源的色温与光源本身的温度是两回事,通常两者是不相同的。例如白炽灯光源本身温度为2800K,但其色温是2845K。


有了色温和相关色温的概念,表示光源的特性将非常方便。例如:

A光源:色温为2845K,相当于白炽灯在2800K时辐射出的光。

B光源:相关色温为4800K,相当于中午直射的日光。

C光源:相关色温为6700K,相当于白天的自然光,它的蓝色成分较多。

D65光源:相关色温为6500K,相当于白天平均光照,近年来,常被用作彩色电视的标准光源。

E光源:又称为等能白光,即P(l )=常数,它是一种假想而实际并不存在的光源,采用它纯粹是为了简化色度学中的计算,其相关色温为550K。

另外,在彩色电视、电影摄影棚和演播室中常采用新式卤钨灯,其相关色温3200K,它是近代照明技术中常采用的光源。

显象管屏幕上显现的白光,有些色温高达9000~11000K,此时白色已经偏蓝了。

维恩(Wien)位移定律指出:当绝对黑体的温度增高时,比较大的发射本领向短波方向移动(见图2.1-1),所以色温较高的光源,其发出的辐射能较多地分布在波长较短的绿光和蓝光之中;而色温较低的光源,其辐射能较多地分布在波长较长的红光中。因此,在上述几种标准白光中,色温较低者,偏红;色温较高时,偏蓝。

2.1.2 颜色及其视觉理论

一、颜色

颜色可分为非彩色与彩色两大类,颜色是非彩色与彩色的总称。非彩色指白色,黑色与各种深浅不同的灰色。白色、灰色、黑色物体对光谱各波长的反射没有选择性,它们是中性色。彩色物体对光谱各波长反射具有选择性所以它们在白光照射下出现彩色。图2.1-3画出了几种颜色物体的光谱反射率特性。白色物体反射系数近1,黑色物接近于0,灰色物体介于0与1之间。彩色物体的反射率是随频率变化的,其数值介于0至1之间。

彩色是指白黑系列以外的各种颜色,颜色有三特性:亮度、色调和饱和度。

亮度(Luminance)是指色光的明暗程度,它与色光所含的能量有关。对于彩色光而言,彩色光的亮度正比于它的光通量(光功率)。对物体而言,物体各点的亮度正比于该点反射(或透射)色光的光通量大小。一般地说,照射光源功率越大,物体反射(或透射)的能力越强,则物体越亮;反之,越暗。

色调(Hue):指颜色的类别,通常所说的红色,绿色,蓝色等,就是指色调。光源的色调由其光谱分布P(l )决定;物体的色调由照射光源的光谱P(l )和物体本身反射特性r (l )或者透射特性t (l )决定,即取决P(l )r (l )或P(l )t (l )。例如蓝布在日光照射下,只反射蓝光而吸收其它成分。如果分别在红光,黄光或绿光的照射下,它会呈现黑色。红玻璃在日光照射下,只透射红光,所以是红色。

饱和度(Saturation):是指色调深浅的程度。各种单色光饱和度更高,单色光中掺入的白光愈多,饱和度愈低,白光占绝大部分时,饱和度接近于零,白光的饱和度等于零。物体色调的饱和度决定于该物体表面反射光谱辐射的选择性程度,物体对光谱某一较窄波段的反射率很高,而对其它波长的反射率很低或不反射,表明它有很高的光谱选择性,物体这一颜色的饱和度就高。


色调与饱和度合称为色度(Chromaticity),它既说明彩色光的颜色类别,又说明颜色的深浅程度。色度再加上亮度,就能对颜色作完整的说明。

非彩色只有亮度的差别,而没有色调和饱和度这两种特性。

二、关于颜色视觉理论

现代颜色视觉理论主要有两大类:一是杨一赫姆霍尔兹的三色学说,二是赫林的“对立”颜色学说。前者从颜色混合的物理规律出发,后者从视学现象出发,两者都能解释大量现象,但是各有欠缺之处。例如:三色学说是最大优越性是能充分说明各种颜色的混合现象,但比较大的因难是不能满意地解释色盲现象。对立学说对于色盲现象能够得到满意的解释,但是比较大的困难是对三基色能产生所有颜色这一现象没有充分的说明,而这一物理现象正是近代色度学的基础,一直有效地指导着电视技术的发展,彩色电视技术的发展,彩色电视技术中是依靠三色学说作为理论基础的。

一个世纪以来,以上两种学说一直处于对立地位,似乎若要肯定一个,非要否定另一个不可。在一个时期,三色学说曾占上风,因为它有更大的实用意义。然而最近一、二十年的发展,人们对这两种学说有了新的认识,证明两者并不是不可调和的。现代彩色视觉理论产生一种“颜色视觉的阶段学说”,将这两个似乎是完全对立的古老的颜色学说统一在一起,有关这方面的知识,请阅读参参考文献[18],P.60。下面只介绍作为彩色电视理论基础之一的三色学说。

三、三色学说

这种学说认为人眼的锥状细胞是由红、绿、蓝三种感光细胞组成的,它们有着各自独立的相对视敏函数曲线,分别为Vr(l )=Vq(l )和Vb(l ) (2.1-1)

如果某色光的功率频谱分布为P(l ),则三种色敏细胞感受到光通量分别为FR、D和F

大脑对该色光感觉到的亮度正比于它的总光通量F=FR+FG+FB,大脑感觉该色光的色度(色调和饱和度)由FR、FG和FB分别相互比值来决定。所以,对于两种不同功率频谱分布的色光,只要它们的FR、FG和FB分别相同,对人眼来说,感觉到的亮度是完全相同的,它们的对人眼的彩色视觉是完全等效的。如果它们的FR、FG和FB虽然不同,但是FR、RG和FB的相同互比值相同,则它们对人眼来说,只是亮度感觉不同而色度感觉是完全相同的。


由此可见,人眼的颜色感觉虽然取决于色光谱布,但是并不能从看到的颜色来测断它们的光谱分布。也就是说,一定的光谱分布,对应着一种唯确定的颜色;但是同一颜色,可以由不同的光谱分布所组成,这种现象称为“同色异谱”现象。彩色电视正是利用这一现象进行颜色重现的。在颜色重现过程中,并非一定要求重现原景物辐射光的光谱成分,而重要的是应获得与原景物相同的彩色感觉。用什么方法才能实现这一目标呢?下面讨论的三基色原理与颜色混配规律为此问题的解决提供理论依据方法。

2.1.3 三基色原理与混色规律

一、混色规律

不同颜色混合在一起,能产生新的颜色,这种方法称为混色法。混色分为相加混色和相减混色。相加混色是各分色的光谱成分相加,彩色电视就是利用红、绿、蓝三基色相加产生各种不同的彩色。相减混色中存在光谱成分的相减,在彩色印刷、绘画和电影中就是利用相减混色。它们采用了颜色料,白光照射在颜色料上后,光谱的某些部分使被吸收,而其他部分被反向或透射,从而表现出某种颜色。混合颜料时,每增加一种颜料,都要从白光中减去更多的光谱成分,因此,颜料混合过程称为相减混色。

1853年格拉斯曼(H.Grasman)教授总结也下列相加混色定律:

1.补色律:自然界任一颜色都有其补色,它与它的补色按一定比例混合,可以得到白色或灰色。

2.中间律:两个非补色相混合,便产生中间色。其色调决定于两个颜色的相对数量,其饱和度决定于二者在颜色顺序上的远近。

3.代替律:相似色混合仍相似,不管它们的光谱成分是否相同。

4.亮度相加律:混合色光的亮度等于各分色光的亮度之和。

利用如图2.1.-5所示的颜色环,可以比较直观地表达各种颜色的混合规律。按顺序把饱和度更高的谱色光和紫红色围成一个近似的圆环,每一颜色都在圆环上或环内占有一确定位置。白色位于圆心,颜色饱和度愈低,愈靠近圆心。颜色环圆心对边的任何两种颜色都是互补色,按适当比例混合是得到白色或灰色,例如,黄色与蓝色,红色与青色,绿色与品红色。颜色环上任何两种非补色相混合,可产生中间色,它的位置在此两色的连线上。中间色的色调决定于两颜色的比例多少,并按重力中心定律偏向比重大的一色;中间色的饱和度决定于两色在颜色环的距离,二者距离愈近,饱和度越大,反之越小。互补色在色环上的距离被认为是最远。

还可以利用如图2.1-6所示的颜色三角形,简便地记忆相加混色和相减混色的规律。


相加混合

红+青=白 红+绿=黄

蓝+黄=白 绿+蓝=青

绿+品红=白 红+蓝=品红

红+绿+蓝=白

相减混合

黄=白-蓝 黄+品红=白-蓝-绿=红

青=白-红 黄+青=白-蓝-红=绿

品红=白-绿 品红+青=白-绿-红=蓝

黄+青+品红=白-蓝-红-绿=黑色

二、三基色原理

三基色原理是指自然界常见的多数彩色都可以用三种相互独立的基色按不同比例成,所谓独立的三基色是指其中的任一色都不能由另外两色合成。三基色原理可用混色规律中的“中间律”证明:先让两种基色按不同比例合成出所有中间色,然后让第三基色与每一种中间色按不同比例再合成出所有中间色,这样三基色按不同比例就能合成出如图2.1-6所示的以三基色为顶点的三角形所包围的各种颜色。

在彩色电视中,经过适当地选择,确定以红、绿、蓝为三基色,就可以合成出自然界常见的多数彩色。三基色原理对彩色电视有着极其重要的意义,它传送具有成千上万、瞬息万变彩色的任务,简化为只需要传送三个基色图象信号。

三、相加混色的实现方法

为了实现相加混色,除了将三种不同的基色,同时投射到某一全反射面产生相加混色外,还可以利用人眼的某些视觉特性实现相加混色。

1. 时间混色法:将三种不同的基色以足够快的速度轮流投射到某一平面,因为人眼的视觉惰性,分辨不出三种基色,而只能看到它们的混合色。时间混色法是顺序制彩色电视的基础。

2.空间混色法:将三种基色分别投射到同一表面上相邻的三点,只要这些点足够的近,由于人眼分辨力的有限性,不能分辨出这三种基色,而只能感觉到它们的混合色。空间事法是同时制彩色电视的基础。

3.生理混色法:当两只眼睛同时分别观看不同的颜色,也会产生混色效应。例如,两只眼睛分别戴上红、绿滤波眼镜,当两眼分别单独观看时,只能看到红光或绿光;当两眼同时观看时,正好是黄色,这就是生理混色法。

 

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