视觉特性与三基色原理(全).ppt

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1、第一章 视觉特性与三基色原理(全）,第一章 视觉特性与三基色原理（1）,1.1 光的特性 1.1.1 电磁辐射与可见光谱 1.1.2 光源 1.2 人眼的视觉特性 1.2.2 光的度量 1.2.3 亮度与彩色感觉 1.2.4 眼睛的视觉范围与亮度感觉 1.2.5 人眼的分辨力 1.2.6 视觉惰性与闪烁感觉 1.3 三基色原理与色度图 1.3.1 三基色原理,光的特性,1.1.1 电磁辐射与可见光谱一.电磁波的波谱无线电波、红外线、可见光谱、紫外线、X射线、射线、宇宙射线等等 二.可见光谱 可见光：可以引起人眼视觉效应的光(电磁波）谱色：颜色按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫顺序排列的单色光，称为谱

2、色（Spectrum Color）非谱色：不能作为单色出现于光谱上的色光,光的特性,电磁波的波谱,光的特性,波长 780 630 600 580 510 450 430（nm）红 橙 黄 绿 青 蓝 紫三.标准谱色光 CIE 规定：水银光谱中 700 nm 红色光的标准波长 546nm 绿色光的标准波长 436nm 蓝色光的标准波长,光的特性,太阳辐射功率波谱图 12太阳辐射功率波谱,光的特性,1.1.2 光源 颜色的产生（两种色源）:不发光的物体 在一定光谱分布(功率波谱)的光源照射下,因反射一定的光谱成分和吸收其余部分而呈现一定的彩色;发光的物体 根据它的辐射光谱分布,引起人眼的一定彩色感

3、觉。,光的特性,一.色温与相关色温 色温：在某一特定温度下，绝对黑体 与光源有相同的辐射特性 相关色温：在某一特定温度下，绝对 黑体 与光源有相近的辐射特性二.标准光源 A B C D65 光源 E 光源等能白光,光的特性,绝对黑体的辐射功率谱,光的特性,黑体与标准光源的相对功率波谱,人眼的视觉特性,1.2.2 光的度量 一.视觉光谱光效率V()曲线,人眼的视觉特性,二.光学中的几个度量 1.光强(cd=lm/sr)2.光通量(lm)3.亮度(cd/m2)4.照度(lx=lm/m2),人眼的视觉特性,1.2.3 亮度、彩色与立体视觉 一.明暗视觉 明视觉：在正常光照下眼睛的主观亮度感觉暗视觉：

4、在夜晚或在微弱光线下人眼的 主观亮度感觉彩条（各色谱）灰色带（明暗程度不同）暗视觉下,人眼的视觉特性,1.2.3 亮度、彩色与立体视觉 二.彩色视觉彩色的描述：彩色光的亮暗？彩色光的类别？彩色光颜色的深浅等。为确切表示某一彩色光，必须采用三个基本参量。彩色三要素：亮度，色调和饱和度。1、亮度（Brightness or Luminance）指彩色光作用于人眼时引起人眼视觉的明暗程度，通常用Y表示亮度。,人眼的视觉特性,2.色调（tone,spectral hue/color hue）色调是指彩色光的颜色类别 色调与波长密切相关，波长不同色调不同 3.饱和度（Saturation）饱和度是指颜色

5、的深浅程度，即颜色的浓度 高饱和的彩色 低饱和的彩色+白光,人眼的视觉特性,三.立体感觉 双眼立体自然界景物具有宽度，高度和深度的三维空间坐标，当人们在观看空间某一景物时，由于两眼相距一定距离，使同一物体在左右两眼视网膜上的呈象存在一定差异，物体的空间坐标决定着差异的大小，这种差异就形成了人眼宽高深的立体视觉。单眼立体感觉,人眼的视觉特性,1.2.5 人眼的分辨力 一.定义：人眼对被观物体上能分辨的相邻 最近两点视角的倒数二.视觉的空间频率相应 空间频率：（线/度)空间频率响应三.彩色细节分辨力 人眼的分辨力与色调有关 大面积积着色原理：当传送彩色图象时，细节部分只传送黑白信息，不传颜色；而大

6、面积部分传送彩色信息。,人眼的视觉特性,人眼的分辨力,人眼的视觉特性,视觉的空间频率响应空间频率是指单位视角(1度)内所含黑或白的条纹数,人眼的视觉特性,四.彩色色调分辨阈,人眼的视觉特性,人眼对不同波长的光有不同的色调感觉。但严格地讲,只有波长为572nm的黄光、503nm的绿光和478nm的蓝光,其色调不随光强而变化,其它波长的色光都随光强的改变略有变化。在可见光谱中,从紫到红分布着各种不同的颜色,人眼能分辨出色调差别的最小波长变化称为色调分辨阈.其数值随波长而改变.人眼对480640nm区间色光的色调分辨力较高,其中,对50Onm(青一绿色)和600nm(橙黄色两个波长来说,只要波长变化

7、约1nm,便可分辨出色调的变化。而从655nm的红色到可见光谱长波末端,以及从43Onm的紫色到可见光谱短波末端，人眼几乎感觉不到色调的差别。当饱和度减小时,人眼的色调分辨力将下降;当亮度太大或太小时,色调分辨力也会下降。,五.彩色饱和度分辨力,人眼的视觉特性,人眼的视觉特性,人眼能分辨出自然界中各种彩色具有不同的饱和度,但对不同颜色的饱和度变化却有不完全一样的灵敏度。可以进行这样的实验,使各种波长色光的饱和度,由100%逐渐降低一直到零为止,由此确定出视觉所能分辨出的饱和度变化的等级数。结果发现在黄色区人眼只能分辨出四级饱和度,而在红色、蓝色区域,灵敏度较高,可以分辨出25个等级。,人眼的视

8、觉特性,1.2.6 视觉惰性与闪烁感觉 一.视觉惰性：人眼亮度感觉的滞后特性 视觉暂留性：光象一旦在视网膜上形成，在它消失后，视觉将会对这个光象的感觉维持一个有限的时间二.闪烁感觉：对于频率不高的周期性光脉冲，人眼所产生的一明一暗的感觉。临界闪烁频率：引起闪烁感觉从有到无的转折之最低光源重复频率,人眼的视觉特性,视觉惰性,三基色原理与色度图,1.3.1 三基色原理,Young-Helmholtz（1891）三色学说 Wald（1964）对人类色彩视觉的研究结果：三种锥体细胞的光谱吸收的峰值分别在红、绿和蓝波段。,*多光谱图像(multi-spectral image)*三色原理,三基色原理与色

9、度图,这三种颜色被称为人类视觉的三基色 实践证明，光谱上的大多数颜色都可以用红(Red)、绿(Green)、蓝(Blue)三种单色加权混合产生，基于RGB三基色的颜色表示称为RGB颜色模型,三种感受器的光谱敏感示意图Wald,1964,三基色原理与色度图,一.三基色原理1).自然界里的大多数彩色光可以分解为三种基色成份，而这三种基色也可以按一定比例混合得到不同的彩色光 2).三基色必须是相互独立的彩色，即其中任一种基色都不能由其它两种基色混合产生 3).三基色之间的混合比例，决定了混合色的色度 4).混合色的亮度等于三基色亮度之和,三基色原理与色度图,二.混色法：利用三基色按不同的比例 混合来

10、获得彩色的方法 相加混色法 相减混色法 相加混色法 1.直接混色法 2.时间混合法 3.空间相加的混色法,三基色原理与色度图,相加混色图,三基色原理与色度图,相减混色图,第一章 视觉特性与三基色原理（2）,第一章 视觉特性与三基色原理（2）,1.3 三基色原理与色度图 1.3.2 RGB色度系统 1.3.3 XYZ色度系统 1.4 彩色的重现 1.4.1 显象三基色 1.4.2 显象三基色的三刺激值亮度方程,1.3 三基色原理与色度图,1.3.2 RGB色度系统 一.色匹配实验1.三基色的选定CIE选定做物理三基色(实际存在的光)波长为 700nm 的红基色光（R）波长为 546.1nm 的绿

11、基色光（G）波长为 435.8nm 的蓝基色光（B）2.三基色单位量的确定 三基色以单位量混合时应得到E白光,1.3 三基色原理与色度图,1.3.2 RGB计色制2.三基色单位量的确定配出标准白光，三个基色光红，绿，蓝的光通量（FR，FG，FB）之比例为 CIE规定：光通量为1光瓦的红光为一个红基色单位量，记为R；光通量为4.5907光瓦的绿光为一个绿基色单位量，记为G；光通量为0.0601光瓦的蓝光作为一个蓝基色单位量，记为B。F E白=R+G+B,1.3 三基色原理与色度图,3.配色实验,1.3 三基色原理与色度图,二.颜色方程与三刺激值 对于白光：F E白=1R+1G+1B白光的光通量为

12、 F E白=1+4.5907+0.0601=5.6508(lm)1.颜色方程 F=RR+GG+BB F彩色光由R份R、G份G、B份B混合配出 2.三刺激值 R、G、B表示了三基色单位量之间的比例关系，称为三刺激值,1.3 三基色原理与色度图,3.颜色方程的讨论 a)混色光的光通量|F|和亮度（LF）|F|=（R+4.5907G+0.0601B）(lm)实验测得三基色单位量的亮度（记为L）为LR=1cd/，LG=4.5907cd/，LB=0.0601cd/LF=R LR+G LG+B LB=（R+4.5907G+0.0601B）结论1:混色光的亮度决定于R、G、B的数值 b).混色光的色度 以k

13、 同乘三刺激值 R、G、B，得另一色光F F=kRR+kGG+kBB=kRR+GG+BB=kF.,1.3 三基色原理与色度图,F与F表示同一色度，只是亮度（或光通量）不同。可见，R、G、B反映了混合色光的色度.结论2:R：G：B 间的比例决定混合 色光的色度 c).配色方程的规范式令m=R+G+B 色模：表示某彩色光所含有的三基色单位的总和。且令 r=R/m,g=G/m,b=B/m 称为色度坐标,1.3 三基色原理与色度图,表示当规定所用三基色单位总量为1时，为配出基本彩色光所需要的R，或G，或B的数值。（归一化的色系数）配色方程为F=mrR+gG+bB m为色模，r,g,b为色度坐标。显然，

14、三色分量为 mrR,mgG,mbB,由定义可知：r+g+b=1 所以，只需要用两个三基色色度坐标就可以表示某混合色光的色度,1.3 三基色原理与色度图,三.RGB色度图（CIE色度图）F=mrR+gG+bB|F|=mr+4.5907g+0.0601b r=R/m,g=G/m,b=B/m r+g+b=1显然：用二个三基色色度坐标可以表示 彩色的色度，因此，可以用二维平面坐标来表示各种彩色光的色度 RGB色度图,1.3 三基色原理与色度图,RGB 色度图,1.3 三基色原理与色度图,RGB色度图说明(a)舌形曲线的作法：选r,g作为平面坐标系，将自然界各种彩色用前面讲的比色实验法，测出其r,g的数

15、值，并描在该坐标平面中.(b）舌形曲线并不是封闭的，在舌形曲线上的任一点，都代表着某一波长谱色光的色调；而舌形曲线与横坐标所包围的面积内任一点，均表示人眼所能看到的某一混合光的颜色。,1.3 三基色原理与色度图,(c).g=1点（b=0,r=0）,r=1点(b=0,g=0)和原点(b=1,r=g=0)所构成的三角形又称作彩色三角形，此面积内的色域是由物理三基色R，G，B相加所能形成的。(d).三角形的重心位置表示标准E白光，此点饱和度为零，曲线上的彩色饱和度为 100，其它非三基色饱和度均小于100。,1.3 三基色原理与色度图,1.3.3 XYZ 色度系统*RGB 计色制的缺点：1对大部分的

16、颜色存在负色坐标值；不宜计算色坐标，并对正确实现色度测量带来困难。2对颜色的亮度计算较复杂*XYZ计色制基本思想:选取三个单位基色量X，Y，Z它所组成的三角形将单色光频谱轨迹全部包围在内，而且使三个色坐标中的一个坐标恰好等于色光的亮度（或光通量).F=XX+YY+ZZ,1.3 三基色原理与色度图,一.三基色单位X，Y，Z的确定 1.XYZ计色制应满足的条件 a).对于各种实际色光,三刺激值X,Y,Z均为正值.b).三刺激值中,X,Z只表色度,不表亮度和光通量,(即它们等于零),色光亮度或光通量由Y代表.并规定1Y的光通量为1lm c)选三基色单位量,当X=Y=Z时,仍代表等能白光 2.X,Y,

17、Z的确定.(以RGB为变换基础)(1).XYZ三角形在RGB系统中的方程*在RGB系统中,混合色光亮度为零的点 即 LF=0,1.3 三基色原理与色度图,LF=(R+4.5907G+0.0601B)=0=r+4.5907g+0.601b=0 r+g+b=1 0.9399r+4.5306g+0.0601=0(1-20)*长波长处的直线方程 r+0.99g-1=0(1-21)*504nm 点的切线方程 1.45r+0.55g+1=0(1-22)(2).X,Y,Z的确定x:r1=1.2750,g1=-0.2778,b1=0.0028Y:r2=-1.7393,g2=2.7673,b2=-0.0280

18、Z:r3=-0.7431,g2=0.1409,b3=1.6022,1.3 三基色原理与色度图,X、Y、Z 在RGB色度图中的位置,1.3 三基色原理与色度图,(3).X,Y,Z用R、G、B表示X=0.4185R-0.0912G+0.0009B Y=-0.1587R+0.2524G-0.0025B（1-24）Z=-0.0828R+0.0157G+0.1786B 二.颜色方程与三刺激值 1.颜色方程 在RGB坐标系中:F=RR+GG+BB 在XYZ计色制中:F=XX+YY+ZZ 2.三刺激值 X、Y、Z与 R、G、B的关系 比较同一彩色在两种计色制中的表示，可得：,1.3 三基色原理与色度图,X=

19、2.7689R+1.7518G+1.1302B Y=1.000R+4.5907G+0.0601B Z=0.0000R+0.0565G+5.5943B 三.XYZ色度图（CIE色度图)F=XX+YY+ZZ=mx X+yY+zZ式中：m=X+Y+Z,x=X/m,y=Y/m,z=Z/m 显然：xy+z=1,XYZ色度图（CIE色度图),1.3 三基色原理与色度图,1.3 三基色原理与色度图,四.标准光源的色度坐标 五.色度变化的其它表示方法 1.色域图 2.等色调波长线与等饱和度线 3.等色差阈图,1.3 三基色原理与色度图,色域图,1.3 三基色原理与色度图,等色度线和等饱和度线,1.3 三基色原

20、理与色度图,等色差域图,1.4彩色的重现,1.4.1 显象三基色 一.显象三基色的选择 1.显象三基色 彩色显象管屏幕上的三种荧光粉在电子轰击下所发出的基色 或LCD所透过的三种基色 2.选择显象三基色的原则 a).用所选三基色混色时，应尽可能获得更多的混色（色域面积大）b).基色的亮度应足够高,1.4彩色的重现,3.显象基色的色度坐标 Re Ge Be C/D65NTSC制,PAL制,1.4彩色的重现,二.电视图象重现色域,1.4彩色的重现,1.4.2.显象三基色的三刺激值与亮度方程一.Re、Ge、Be用 X,Y,Z表示,1.4彩色的重现,二.Re、Ge、Be 与X、Y、Z 的关系（1-50

21、)亮度方程：Y=0.299Re+0.587Ge+0.114 Be(白光光源为C)当白光光源为D65时，Y=0.289Re+0.605Ge+0.104BePAL制：Y=0.222Re+0.707Ge+0.071Be,1.4彩色的重现,Pointer 彩色色域：由576种颜色组成 CCIR将Pointer 彩色色域定义为HDTV的目标色域 色域扩展：1）选择新的三基色荧光粉 2）在HDTV中，除规定常规色域外，在规定一个范围更宽的传输色域（扩展色域，通过加大RGB信号的动态范围实现）,1.4彩色的重现,ITU-R BT.709-3 规定的显像三基色坐标 Y=0.2126 R+0.7152 G+0.0722B,Thanks,