第1章 视觉特性与三基色原理.ppt

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1、电视原理,天津大学电子信息工程学院,Tianjin University,内容简介,本课程是电子信息类电子信息工程、通信工程和相近专业学生的一门专业主干课程，目的是使学生掌握电视系统的基本原理，因为它是专业课程专业知识的综合体现。本课程对电视系统从基本原理、图像摄取、处理、传输、存储、重现，以及所涉及的视觉特性、三基色原理与计色制、电视传像基本原理、彩色电视制式、电视信号的形成、处理与录放、电视信号接收原理、电视信号数字处理原理和数字电视系统原理做较为系统的分析。,Tianjin University,教材与参考书目,教材电视原理（高等学校电子信息类规划教材）俞斯乐 等 国防工业出版社 第6版

2、 2005年 参考书目1、电视原理实验 国防工业出版社 2、数字电视技术基础惠新标、郑志航 编著 电子工业出版社3、数字电视原理卢官明 等编 机械工业出版社 4、数字视频技术及其应用黎洪松 清华大学出版社,Tianjin University,作业与实验要求,作业与实验要求：1、完成规定课堂作业。2、独立完成实验操作，上交实验报告。,Tianjin University,电视的诞生,电视的诞生，是20世纪人类最伟大的发明之一。1925年，苏格兰发明家约翰洛吉贝尔德用自行装置的机械电视设备，第一次将移动的图像传向远处的接收机现场。,苏格兰发明家贝尔德制造的机械电视系统,Tianjin Unive

3、rsity,1926年1月，贝尔德在伦敦皇家科学研究所首次示范电视技术。,Tianjin University,最早的电视广播,最早的电视广播于1929年在伦敦开播，使用了贝尔德发明的系统。虽然是黑白画面，而且很模糊，但在世界上引起了轰动。其意义非常重大，证实了远距离传送电视图像的可行性。世界上最早的电视台是1936年11月2日在伦敦郊外亚历山大宫建立的大众电视台。我国第一座电视台是1958年5月1日试运行的北京电视台，它是中央电视台的前身。,Tianjin University,电视技术的发展,电视画面：第一代黑白电视（20世纪20年代）第二代彩色电视（20世纪40年代）第三代高清晰度电视（

4、20世纪80年代）,Tianjin University,信号处理技术：第一代模拟电视第二代数字处理电视第三代数字电视电路工艺：第一代电子管第二代晶体管第三代大规模集成电路,Tianjin University,传输媒介：从单一的地面微波，扩充到电缆、卫星、网络、无线移动 功能覆盖：从单一的活动图像广播，扩充到数据广播、视频点播、收费电视、立体电视、多视点视频等,Tianjin University,电视技术的特点：发展迅速当前模拟电视和数字电视并存各种电视制式群雄并起各类电视设备争奇斗艳 多学科综合的、代表性的电子信息工程技术（物理学、生理学、数学、电子电路、计算机、信号处理、通信技术）构思

5、奇巧、实现精到,Tianjin University,天津大学电子信息工程专业以电视技术为特色,20世纪70年代参加全国电视会战1979年创建了天津大学电视研究室（现为天津大学电视与图像信息研究所），是中国高校中唯一经国家教育部批准设立的从事这一领域研究的科研单位。1980年代“91mm钻孔彩色电视设备”获国家科技进步二等奖，“电视多工广播”获国家教委科技进步一等奖，“彩色电视屏幕墙系统”获机电部科技进步三等奖“数字HDTV/TV频带压缩编解码技术”，被电子部评为电子行业“八五”国家科技攻关重大成果。“HDTV信源解码器”的研制任务，被国家计委、科技部等评为“九五”国家重点攻关重大成果。“数字

6、高清晰度电视系统关键技术与设备”2002年获国家科技进步二等奖及上海市科技进步一等奖。“数字高清晰度电视机顶盒技术”2003年获天津市科技进步一等奖。出版了我国电视技术领域的首部专著电视原理，作为全国统编教材目前已修编了6版，获电子部全国工科电子类专业优秀教材一等奖。,Tianjin University,电视：根据人眼视觉特性以一定的信号形式实时传送活动景物图像的技术。,第1章 视觉特性与三基色原理,Tianjin University,电视技术的精髓就是研究如何用最经济、最有效的方法使人感觉重现光像最逼真地模拟实际景物。“电”“视”顾名思义是物理学与生理学结合的科学。为使重现光像逼真地模拟

7、实际景物，必须首先了解光的物理特性，了解人对光像感觉的生理特性。,Tianjin University,1.1 光的特性,1.1.1 电磁辐射与可见光谱,780nm,380nm,可见光,Tianjin University,1.光的波长范围有限，它只占整个电磁波波谱中极小的一部分。2.不同波长的光呈现出的颜色各不相同，随着波长由长到短，呈现的颜色依次为：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫 3.只含有单一波长的光称为单色光；包含有两种或两种以上波长的光称为复合光，复合光作用于人眼，呈现混合色。太阳辐射的光含有各种单色光的波谱，给人以白光的综合感觉。,Tianjin University,4.太阳发出的白

8、光中包含了所有的可见光，若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，被分解之后的色光，若再次经过棱镜，就不能再分解了，这种单一波长的色光称谱色光(spectral color)。,Tianjin University,太阳光谱辐射大部分为可见光，人恰恰对这部分电磁辐射敏感。电视不但可以把视线不可及的景物变成可及的，还可以把视力不可见的变成可见的，如红外电视和紫外电视。为了真实重现彩色景物需要研究光源。光源包括太阳光和人造光源。彩色感觉是人眼主观视觉功能和物体、光源属性等客观条件结合的产物。同一物体在不同光源下可呈现不同的彩色。,为

9、了真实重现彩色景物需要研究光源。光源包括太阳光和人造光源。光源用于照明的发光的物体。照明体具有特定相对光谱功率分布的光。色温当绝对黑体（指既不反射也不透射而完全吸收入射波的理想物体）在某一特定绝对温度下，其辐射的相对光谱功率分布与某一光源的光谱相同时，则绝对黑体的这一特定温度就定义为该光源的色温，单位是（K）。,1.1.2 光源,1.1.2 光源,标准照明体的相对光谱功率分布,Tianjin University,1.2.1 眼睛的构造,1.2 人眼的视觉特性,眼睛可类比于一个摄像机：角膜镜头孔；巩膜机壳；瞳孔光圈；虹膜光圈控制；脉络膜暗箱；视网膜感光体；晶状体变焦透镜；睫状肌聚焦控制；玻璃体

10、滤光器；视神经信号线。人的视网膜通过光敏细胞来感知外部世界的亮度和颜色。每个光敏细胞或者是一个对亮度和颜色敏感的锥体细胞（明视觉），或者是一个只对亮度敏感而对颜色不敏感的杆体细胞（暗视觉）。,Tianjin University,1.2.2 光的度量,1.光谱光视效率光的度量是指用人眼的视觉度量光。视觉效应是由可见光刺激人眼引起的。如果光的辐射功率相同而波长不同，则引起的视觉效果也不同，不仅颜色感觉不同，而且亮度感觉也不同。在产生相同亮度感觉的情况下，测出各种波长光的辐射功率()，则：光谱光视效能：K()=1/()用来衡量视觉对波长为的光的敏感程度。,Tianjin University,当=

11、555nm时，有最大的光谱光视效能：Km=K(555)任意波长光的光谱光视效能K()与Km之比称为光谱光视效率（相对视敏度），用函数V()表示：V()=K(）/Km V()也可用得到相同主观亮度感觉时所需各波长光的辐射功率(）表示：V()=（555）/(),Tianjin University,明视觉,暗视觉,1933年国际照明委员会（CIE）测得的明视觉与暗视觉的光谱光视效率曲线,spectral luminous efficiency curve,光通量：单位是lm,读作流明光通量是按人眼光感觉度量的辐射功率。点光源发出波长为555nm的单色光，当辐射功率为 时产生的光通量为1光瓦。1光瓦

12、=683流明波长的单色光辐射功率为 瓦时，光通量为 光瓦，或 流明。,2.光度学中的几个度量单位,非单一波长光源的光通量，是在其波长范围内所发出的光通量的总和。对于由N个波长1、2、N的单色光组成的光源：对于具有连续光谱功率分布密度 的光源：,发光强度 I，单位是cd，读作坎德拉 光源在给定方向上单位立体角内的光通量称为该光源在此方向上的发光强度。1 cd 1lm/sr,亮度 L:单位是cd/m2,读作坎/米2亮度是发光面在指定方向上的发光强度与发光面在垂直于所指定方向平面上的投影之比：cd/m2的亮度表示cd发光强度的光均匀分布在m2面积上时发光面的明亮程度。在同样的发光强度下，面积越小亮度

13、越大。习惯上亮度单位有时也用流明。,Tianjin University,1.2.3 亮度、彩色与立体视觉,1.明暗视觉亮环境下锥体细胞、杆体细胞共同起作用，分辨明暗、彩色，称为明视觉(photopic vision)。暗环境下只有杆体细胞起作用，只能分辨明暗，称为暗视觉(scotopic vision)。暗视觉比明视觉的相对视敏度曲线偏左。,Tianjin University,2.彩色视觉彩色光的三个基本参量(彩色三要素)：（1）亮度(Luminance)光作用于人眼所引起的明亮程度的感觉。（2）色调(Hue)表示颜色的种类。（3）饱和度(Saturation)表示颜色的深浅程度。即彩色的

14、纯度，掺入白色的程度。色度色调和饱和度又合称为色度(Chroma)。色度既说明彩色的类别，又说明彩色的深浅程度。亮度取决于人眼感觉的光功率的大小。色调取决于进入人眼的光的波长。饱和度取决于纯色光中混入白光的程度。,Tianjin University,HSL彩色模型,Tianjin University,3.立体视觉两眼相距约5872mm，两眼从不同角度看物体，形成视差(parallax)，具有视差的两幅图像通过眼球的旋转运动（辐辏,convergence eye movement），在视网膜上融合为单像，并在大脑中形成立体视觉。,1.2.4 视亮度与视觉范围,亮度感觉不直接由景物亮度决定，还

15、与环境亮度有关。费涅尔系数：（常数）称为可见度阈值。视亮度：在一定环境亮度下 人的主观亮度感觉。（韦伯费涅尔定律）,人眼能感觉的绝对亮度范围与在适应了某一环境亮度下的相对亮度范围不同。前者为1亿比1，后者为1千比1。图像中最大亮度Lmax与最小亮度Lmin 的比值C称为对比度。C=Lmax/Lmin例：实际传送的景物亮度200-20000cd/m2，电视屏幕亮度2-200cd/m2，两者对比度都为100重现景物的亮度范围无需与实际景物的亮度范围相等，只需保持二者的对比度相同，人的亮度感觉就相同。人眼不能觉察的亮度差别无需精确复制。（亮度可以量化为有限个量化等级，例如256级）,视觉掩盖效应：在

16、空间不均匀背景中，可见度阈值将会增大，这种现象称为视觉掩盖效应。在图像边缘处可以粗量化。,可见度阈值,对比度2.75,对比度8.7,对比度27.5,背景阶跃变化对比度,Tianjin University,1.2.5 人眼的分辨力与空间频率响应,1.黑白细节分辨力视敏角(分辨角)观测点（眼睛所在点）与人眼能分辨的相距最近的两个点所形成的夹角。正常人的视敏角11.5分人眼的分辨力视敏角的倒数,Tianjin University,d/（2D）=/360*60=3438*d/D分辨力与观看位置、照明强度、景物相对对比度、物体运动速度有关。,空间频率单位视角(1)内正弦变化的空间条纹数。人眼相当于一

17、个低通滤波器。（视觉细胞一定面积空间分辨力低通滤波器）电视系统的空间频率响应（包括空间采样频率）只需与视觉空间分辨力相适应。电视图像可以在空间水平和垂直方向离散化，而人眼仍感觉是连续的。,Tianjin University,2.彩色细节分辨力,人眼对彩色细节的分辨力远比对黑白细节的分辨力低。彩色电视系统传送彩色图像时，细节部分只传送黑白 图像。大面积着色原理,Tianjin University,3.彩色色调分辨力人眼对不同波长的光有不同的色调感觉。人眼能分辨出色调差别的最小波长变化称为色调分 辨阈，色调分辨力与色调分辨阈成反比。色调分辨力随波长变化而改变，480640 nm 区间色光的色调

18、分辨力较高（对电视系统色调失真要求比较严格）。饱和度变小时，人眼的色调分辨力下降。亮度太大或太小时，人眼的色调分辨力下降。,Tianjin University,4.彩色饱和度分辨力视觉所能分辨的色光饱和度由100%到0变化的等级数称为彩色饱和度分辨力。彩色饱和度分辨力随波长变化而改变。数值在425之间。红色、蓝色区域饱和度分辨力较高。,Tianjin University,1.2.6 视觉惰性与闪烁感觉,当有光脉冲刺激人眼时，视觉的建立和消失都需要一定的过程，光源消失以后，景物影像会在视觉中保留一段时间，称为视觉惰性。视觉暂留(visual persistence)时间在 0.050.2秒,

19、Tianjin University,若电视画面间歇性重复呈现，只要重复频率为50Hz左右，视觉上就有很好的连续画面的感觉。不引起闪烁感觉的光脉冲最低重复频率称为临界闪烁频率。,人眼在不同亮度下视亮度与作用时间的关系,Tianjin University,10HZ,30HZ,50HZ,闪烁演示,Tianjin University,1.3.1 三基色原理,1.3 三基色原理与色度图,人的色彩视觉假说视网膜上的锥体细胞有三种类型：红光敏细胞、绿光敏细胞和蓝光敏细胞。红、绿、蓝三种光敏细胞对不同频率的光的感知程度不同，具有各自的视敏度函数、和。总的相对视敏度函数：,人对该彩色光的亮度感觉决定于总光

20、通量，人对该彩色光的色度感觉决定于。具有不同光谱功率分布的光，只要 相同，则它们的色彩视觉完全等效。彩色重现并不要求恢复景物的原始光谱成分，只需获得与原景物相同的彩色感觉。,设某彩色光的功率分布为，对应三种光敏细胞有三个光通量：,总光通量:,适当选择三种基色，它们相互独立，其中任一色均不能由其它二色混合产生。它们又是完备的，即所有其它颜色都可以由这三种基色按不同的比例组合而得到。三基色原理对于彩色电视的重要性：把传送无数彩色的任务简化为传送三个基色信号。两种基色系统相加混色：红、绿、蓝用于电视系统（主动发光）相减混色：黄、品、青用于彩色印刷、彩色胶片和绘画（被动发光）,Tianjin Univ

21、ersity,相加混色 相减混色additive mixture subtractive mixture,Tianjin University,两种原色混合次色两种原色的补色次色补色白色,C,Y,M,R,G,B,Tianjin University,混色方法：直接混色法：将三种基色光同时投射到一个全反射（或全透射）表面上。时间混色法：将三种基色光按一定的顺序轮流投射到同一个表面上。是顺序制彩色电视的基础。空间混色法：将三种基色光分别投射到同一个表面上邻近的三个点上。是同时制彩色电视的基础。生理混色法：两只眼睛同时分别观看两种不同颜色的同一幅图像。,Tianjin University,1.3.

22、2 RGB色度系统,为了正确重现彩色，需要使用色度系统科学地定义彩色。1931年CIE规定（物理三基色）：波长为700 nm，为红基色光R。波长为546.1 nm，为绿基色光G。波长为435.8 nm，为蓝基色光B。,Tianjin University,1.配色实验,1.3.2 RGB色度系统,Tianjin University,为使等量的三个基色光能配出标准白光，规定了红、绿、蓝三个基色单位，并分别用R、G、B表示。光量调节器也按基色单位进行刻度，当三个基色光量刻度分别为1R、1G、1B时，配出等能白光E白配得等能白光E白，测得三基色光通量的比例为：1：4.5907：0.0601,Tia

23、njin University,2.颜色方程与三刺激值,等能白光的颜色方程：FE白1R1G1B任意彩色光F的颜色方程：FRRGGBB 其中：R、G、B称为三刺激值 取1R的光通量为1流明，则光通量(亮度)方程：F(R4.5907G0.0601B)lm光谱三刺激值：配出单位辐射功率、波长为的单色光的三刺激值,该单色光颜色方程：,Tianjin University,RGB制混色曲线,光谱三刺激值出现负值，表明某些光谱色不能由所选择的R、G、B三基色直接相加混色配出，这时需将带负号的基色光移到待配彩色一端才能使配色板两端的彩色一致。,Tianjin University,具有任意功率分布e()的彩

24、色光F的三刺激值计算：,连续分布：,离散分布：,Tianjin University,RGB色度图,色度（色调、饱和度）只与三刺激值的比例有关。令：R+G+B=m m称为色模，代表某彩色光所含三基色单位的总量。则用色模归一化的三刺激值：r=R/m g=G/m b=B/m r、g、b称为色度坐标 且有：r+g+b=1,Tianjin University,颜色方程、亮度方程为：F=m rR+gG+bB|F|=m（r+4.5907g+0.0601b）r、g、b是三基色单位总量为1时的三刺激值。r、g、b的比例关系与R、G、B的比例关系相同，都可表示同一彩色的色度。只要知道r、g、b其中的二个，就可

25、确定第三个，所以可用二维坐标来表示各种彩色的色度。将彩色的色度用r-g二维坐标图显示色度图(chromaticity diagram)。,Tianjin University,RGB色度图,R的色度坐标（1，0，0）G的色度坐标（0，1，0）B的色度坐标（0，0，1）E白的色度坐标（1/3，1/3，1/3）以R、G、B为顶点的三角形称为彩色三角形由谱色光的色度坐标连成的舌形曲线称为谱色轨迹，实色都在谱色轨迹内坐标越靠近谱色轨迹饱和度越高，越靠近E白饱和度越低,Tianjin University,RGB计色制存在的问题：用物理三基色RGB计色时出现负系数。负系数代表负光，表示用RGB三基色相加

26、混合配不出此种颜色的光。RGB色度图只表示色度，不表示亮度，需用公式再计算亮度。谱色的坐标不全在第象限，作图不方便。为克服RGB计色制的缺点，CIE委员会制订了新的计色制XYZ计色制即CIE制。,Tianjin University,1.3.3 XYZ色度系统,颜色方程 F=XX+YY+ZZ三基色单位X、Y、Z的确定:对于任何实色光，三刺激值X、Y、Z值均为正，即全部在第象限。为便于计算亮度，要求彩色光的亮度仅由YY项决定。同时规定1Y的光通量为1流明。X、Y、Z的比例仍决定彩色光的色度，当X=Y=Z时，仍代表等能白光E白。,Tianjin University,根据以上规定，找出X、Y、Z在

27、RGB色度图中的位置,XYZ色度系统是目前常用的色度系统，X、Y、Z基色的选择只是计算中应用的，并不是自然界中实际存在的，所以又叫计算三基色。,两种色度系统中三刺激值的关系：,XYZ色度系统的混色曲线,曲线与明视觉相对视敏度曲线完全一致，这是因为在XYZ色度系统中Y代表亮度。在XYZ混色曲线中光谱三刺激值均为正值。,类似于RGB色度系统，在XYZ色度系统中，色模：m=X+Y+Z 色度坐标：x=/m，y=Y/m，z=Z/m有：x+y+z=1 颜色方程：F=XX+YY+ZZ=m x X+y Y+z Z 只要知道x、y、z其中的二个，就可确定第三个，可用x y二维坐标来表示各种彩色的色度XYZ色度图

28、。在XYZ色度图中，谱色轨迹全部在第一象限。,Tianjin University,XYZ色度图(CIE色度图),CIE标准光源黑体轨迹A光源钨丝灯(白炽灯)2800KC光源白天的自然光6770KD65光源白天的平均光照6500KE白光源理想的等能白光,与5500K的白光相近,Tianjin University,色域图,用于大致确定彩色坐标,Tianjin University,等色调波长线、等饱和度线,W为等能白光E白的坐标点 等色调波长线 如：WG，G点的波长F就是WG线上彩色的色调波长。在等色调波长线上，越靠近W点，饱和度越低。越靠近谱色轨迹，饱和度越高。饱和度相同的各点连成的曲线称为

29、等饱和度线。,Tianjin University,景物摄像器件彩色分量处理传输显象器件彩色景物重现,1.4 彩色的重现,Tianjin University,1.4.1 显像三基色,从工程实现考虑，很难用单一波长的物理三基色R、G、B作为电视显示器的基色光。实际上是以红、绿、蓝三种荧光粉发出的非谱色光或白光经红、绿、蓝三种滤色片滤出的非谱色光作为显像三基色光。显像三基色的选择色域（即由显像三基色形成的彩色三角形）面积尽可能大，以便能混合出尽可能多的彩色。同样的辐射功率下基色光的亮度尽可能大，以便获得较高的电光转换效率。上述两个要求存在矛盾，在物理三基色R、B附近相对视敏度很低。因此只能折衷考

30、虑，牺牲一些重现色域，获得较高的重现彩色亮度。,Tianjin University,NTSC与PAL显像三基色荧光粉,NTSC彩色电视系统以C白为标准白光PAL彩色电视系统以D65为标准白光,Tianjin University,电视图像重现色域,1.4.2 显像三刺激值与亮度方程,1.由显像三刺激值到计算三刺激值的转换公式,显像三基色各为1个单位时，配出1 lm的C白：,求：,写成矩阵形式：,m1=0.9060，m2=0.8286，m3=1.4320,写成矩阵形式：,解得：,显像三基色与计算三基色的矩阵表示为：,其中：,配色方程：,得到NTSC三刺激值与计算三刺激值的转换公式：,同理，可得

31、PAL三刺激值与计算三刺激值的转换公式：,2.亮度方程,由转换矩阵得NTSC显像三基色亮度方程:,Y=0.299Re+0.587Ge+0.114Be,PAL显像三基色亮度方程:,Y=0.222Re+0.707Ge+0.071Be,Tianjin University,1.4.3 摄像光谱响应曲线,摄像光谱响应曲线与此一致，通过如下积分形成三基色信号：,PAL制显像三基色混色曲线,Tianjin University,显像饱和度与色度学饱和度的区别,在色度学中，100%饱和度的光为单波长光，位于CIE色度图的谱色轨迹上。在电视显像中，100%饱和度的光不是单波长光，位于CIE色度图显像三基色所组

32、成的基色三角形的三个边上（基色三角形可用麦克斯韦三角形表示）。,补充内容：显像三基色色度图,色模：,颜色方程：,色度坐标：,色度图（麦克斯韦计色三角形）：等边三角形顶点到对边垂线的长度为1三个顶点分别代表三角形中任何一点（F）表示可以用显像三基色配出的一种彩色。F的色度坐标 为从 F到 对边的距离，且有,三刺激值：,品,黄,青,F,麦克斯韦计色三角形,W（C白 或 D65）在三角形的重心，穿过W的任意直线连接的三角形边上的两个点对应互补色。由W连接F的直线与三角形边的交点Fh决定F的色调。在色度学中，100%饱和度的光为单波长光，位于CIE色度图的谱色轨迹上。而在电视显像中，100%饱和度的光不是单波长光，位于麦克斯韦计色三角形的三个边上。F的饱和度的计算：F又可以表示成色调色Fh与白色W的组合：,已知彩色F的三刺激值R、G、B，如何求色调和饱和度不失一般性，设,Tianjin University,1.4.4 高清晰度电视的色域,：常规色域：扩展色域通过增大RGB信号的动态范围达到扩展色域,