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色度學與彩色電視之光與顏色

點擊:   作者:天友利標準光源有限公司      發布日期:2014-07-08
色度學與彩色電視之光與顏色 黑白電視只能傳送與重現景物的亮度,這遠不能滿足人們的需要,彩色電視不僅能傳送,重現景物的高密度信息,還能傳送、重現景物垢色度信息。它大大地豐富了圖象傳送的內容,使景物更加形象逼真地重現出來。 彩色電視是在黑白電視與色度學的基

色度學與彩色電視之光與顏色

    黑白電視只能傳送與重現景物的亮度,這遠不能滿足人們的需要,彩色電視不僅能傳送,重現景物的高密度信息,還能傳送、重現景物垢色度信息。它大大地豐富了圖象傳送的內容,使景物更加形象逼真地重現出來。

彩色電視是在黑白電視與色度學的基礎上發展起來的。色度學是研究人的顏色視覺規律、顏色測量理論與技術的科學,它是一門本世紀發展起來的,以物理光學、視覺生理、視覺心理、心理物理等學科為基礎的綜合性科學。

彩色電視就是根據色度學的原理,發送端將界物彩色分解成紅、綠、藍三種基本色光,然后采用與黑白電視類似的方法,將它們轉換成三種基色信號,傳送到接收端,最后在接收端又根據色度學原理重現出景物的彩色。

§2.1 光與顏色

2.1.1 光與光源

一、光的種類

光的種類繁多,下面僅從顏色,頻率成分和發光方式等三方面將其分類。

1、按顏色可分為彩色光和非變化光。非彩色包適白(色)光、各種深淺不一樣的灰(色)光和黑(色)光;彩色光又可細分為紅光、綠光、黃光、........紅紫光等。

2、按頻率成分可分為單色光和復合光。單色光是指具有一波長的色光或者所占波譜寬度小于5nm的色光;非單色光即分復合光。

3、按頻率和顏色綜合考慮可分為譜色光(Spectrum Color)和非譜色光。譜色光主要是指波長從780nm到380nm,而顏色按紅、橙、黃、綠、青、藍、紫順序排列的各種單色光;把兩個或者兩個以上的單色光混合所得,但又不能作為譜色出現在光譜上的色光稱為非譜色光。白光是非譜色光。

單色光一定是譜色光,非譜色光一定是復合光,而復合光也可能是譜色光。例如,紅單色光和綠單色光合成的復合光為黃色,它屬于譜色光。

4、按發光方式可分為直射光,反射光和透射光。發光體(光源)直接發出的光稱為直射光;物體對光源發出的光,能夠進行反射所形成的光稱為反射光;能進行透射所形成的光稱為透射光。若設光源的功率波譜為P(l ),物體反射或透射特性分別為P(l )和t (l ),則直射光、反射光和透射光的功率波譜將分別為P(l ),P(l )P(l )和P(l )t (l )。

二、光的顏色

無論是什么光,它的顏色都是取決于客觀與主觀兩方面的因素。

1、客觀因素是它的功率波譜分布。對光源的顏色,直接取決于它的功率譜P(l )P(l )和P(l )t (l )。因此物體的顏色不僅取決于它的反射特性r (l )和透射特性t (l ),而且還與照射光源的功率譜有密切關系,關于這一點將在2.1.2節中詳細舉例說明。因此,在色度學和彩色電視中,對標準光源的輻射功率波譜,必要作出明確而嚴格的規定。

2、主觀因素是人眼有視覺特性。不同的人對于同一功率譜P(l )的光的色感可能是不相同的。例如,對于用紅磚建造的房子,視覺正常的人看是紅色,而有紅色盲的人看是土黃色;同樣,他看綠草坪是黃色。由于周圍環境的影響,紅色盲患者會把他看到的“土黃色”房子叫做“紅色”房子;同樣,把他看到的“黃色”草坪,叫做綠色草坪,并認為他看到的“紅色”與“綠色”和正常人一樣。只通過一定檢驗方法才能發現色盲患者的視覺缺陷。由此可見,光給人的顏色感覺與人眼的視覺特性有關。

三、標準光源和色溫

在色度學和電視技術中,常以白色作為一種標準,所以標準光源都是白光。常用的標準白光有五種,稱為A、B、C65和E光源。它們輻射的光譜分布在圖2.1-2(b)中用幾條曲線表示。這種表示方法雖然精確,但是,對于使用感到非常不方便,于是人們想到了絕對黑體(下面簡稱黑體)。物理光學指出:在不同溫度下,黑體輻射電磁波的本領是不同的,它的輻射本領按波長分布的規律如圖2.1-2(a)所示。由圖可見,黑體在不同溫度下的輻射光譜作為標準,讓各種光源的光譜分布與之比較。當光源的光譜與黑體某一溫度下的光譜相一致時,則黑體的這一溫度稱為光源的色溫;當光源的光譜只能與黑體某一溫度下的光譜相近似,而不能精確等效時,則稱這一溫度為光源的相關色溫。由于黑體這個溫度與顏色有關,故名色溫。讀者注意,光源的色溫與光源本身的溫度是兩回事,通常兩者是不相同的。例如白熾燈光源本身溫度為2800K,但其色溫是2845K。


有了色溫和相關色溫的概念,表示光源的特性將非常方便。例如:

A光源:色溫為2845K,相當于白熾燈在2800K時輻射出的光。

B光源:相關色溫為4800K,相當于中午直射的日光。

C光源:相關色溫為6700K,相當于白天的自然光,它的藍色成分較多。

D65光源:相關色溫為6500K,相當于白天平均光照,近年來,常被用作彩色電視的標準光源。

E光源:又稱為等能白光,即P(l )=常數,它是一種假想而實際并不存在的光源,采用它純粹是為了簡化色度學中的計算,其相關色溫為550K。

另外,在彩色電視、電影攝影棚和演播室中常采用新式鹵鎢燈,其相關色溫3200K,它是近代照明技術中常采用的光源。

顯象管屏幕上顯現的白光,有些色溫高達9000~11000K,此時白色已經偏藍了。

維恩(Wien)位移定律指出:當絕對黑體的溫度增高時,比較大的發射本領向短波方向移動(見圖2.1-1),所以色溫較高的光源,其發出的輻射能較多地分布在波長較短的綠光和藍光之中;而色溫較低的光源,其輻射能較多地分布在波長較長的紅光中。因此,在上述幾種標準白光中,色溫較低者,偏紅;色溫較高時,偏藍。

2.1.2 顏色及其視覺理論

一、顏色

顏色可分為非彩色與彩色兩大類,顏色是非彩色與彩色的總稱。非彩色指白色,黑色與各種深淺不同的灰色。白色、灰色、黑色物體對光譜各波長的反射沒有選擇性,它們是中性色。彩色物體對光譜各波長反射具有選擇性所以它們在白光照射下出現彩色。圖2.1-3畫出了幾種顏色物體的光譜反射率特性。白色物體反射系數近1,黑色物接近于0,灰色物體介于0與1之間。彩色物體的反射率是隨頻率變化的,其數值介于0至1之間。

彩色是指白黑系列以外的各種顏色,顏色有三特性:亮度、色調和飽和度。

亮度(Luminance)是指色光的明暗程度,它與色光所含的能量有關。對于彩色光而言,彩色光的亮度正比于它的光通量(光功率)。對物體而言,物體各點的亮度正比于該點反射(或透射)色光的光通量大小。一般地說,照射光源功率越大,物體反射(或透射)的能力越強,則物體越亮;反之,越暗。

色調(Hue):指顏色的類別,通常所說的紅色,綠色,藍色等,就是指色調。光源的色調由其光譜分布P(l )決定;物體的色調由照射光源的光譜P(l )和物體本身反射特性r (l )或者透射特性t (l )決定,即取決P(l )r (l )或P(l )t (l )。例如藍布在日光照射下,只反射藍光而吸收其它成分。如果分別在紅光,黃光或綠光的照射下,它會呈現黑色。紅玻璃在日光照射下,只透射紅光,所以是紅色。

飽和度(Saturation):是指色調深淺的程度。各種單色光飽和度更高,單色光中摻入的白光愈多,飽和度愈低,白光占絕大部分時,飽和度接近于零,白光的飽和度等于零。物體色調的飽和度決定于該物體表面反射光譜輻射的選擇性程度,物體對光譜某一較窄波段的反射率很高,而對其它波長的反射率很低或不反射,表明它有很高的光譜選擇性,物體這一顏色的飽和度就高。


色調與飽和度合稱為色度(Chromaticity),它既說明彩色光的顏色類別,又說明顏色的深淺程度。色度再加上亮度,就能對顏色作完整的說明。

非彩色只有亮度的差別,而沒有色調和飽和度這兩種特性。

二、關于顏色視覺理論

現代顏色視覺理論主要有兩大類:一是楊一赫姆霍爾茲的三色學說,二是赫林的“對立”顏色學說。前者從顏色混合的物理規律出發,后者從視學現象出發,兩者都能解釋大量現象,但是各有欠缺之處。例如:三色學說是最大優越性是能充分說明各種顏色的混合現象,但比較大的因難是不能滿意地解釋色盲現象。對立學說對于色盲現象能夠得到滿意的解釋,但是比較大的困難是對三基色能產生所有顏色這一現象沒有充分的說明,而這一物理現象正是近代色度學的基礎,一直有效地指導著電視技術的發展,彩色電視技術的發展,彩色電視技術中是依靠三色學說作為理論基礎的。

一個世紀以來,以上兩種學說一直處于對立地位,似乎若要肯定一個,非要否定另一個不可。在一個時期,三色學說曾占上風,因為它有更大的實用意義。然而最近一、二十年的發展,人們對這兩種學說有了新的認識,證明兩者并不是不可調和的。現代彩色視覺理論產生一種“顏色視覺的階段學說”,將這兩個似乎是完全對立的古老的顏色學說統一在一起,有關這方面的知識,請閱讀參參考文獻[18],P.60。下面只介紹作為彩色電視理論基礎之一的三色學說。

三、三色學說

這種學說認為人眼的錐狀細胞是由紅、綠、藍三種感光細胞組成的,它們有著各自獨立的相對視敏函數曲線,分別為Vr(l )=Vq(l )和Vb(l ) (2.1-1)

如果某色光的功率頻譜分布為P(l ),則三種色敏細胞感受到光通量分別為FR、D和F

大腦對該色光感覺到的亮度正比于它的總光通量F=FR+FG+FB,大腦感覺該色光的色度(色調和飽和度)由FR、FG和FB分別相互比值來決定。所以,對于兩種不同功率頻譜分布的色光,只要它們的FR、FG和FB分別相同,對人眼來說,感覺到的亮度是完全相同的,它們的對人眼的彩色視覺是完全等效的。如果它們的FR、FG和FB雖然不同,但是FR、RG和FB的相同互比值相同,則它們對人眼來說,只是亮度感覺不同而色度感覺是完全相同的。


由此可見,人眼的顏色感覺雖然取決于色光譜布,但是并不能從看到的顏色來測斷它們的光譜分布。也就是說,一定的光譜分布,對應著一種唯確定的顏色;但是同一顏色,可以由不同的光譜分布所組成,這種現象稱為“同色異譜”現象。彩色電視正是利用這一現象進行顏色重現的。在顏色重現過程中,并非一定要求重現原景物輻射光的光譜成分,而重要的是應獲得與原景物相同的彩色感覺。用什么方法才能實現這一目標呢?下面討論的三基色原理與顏色混配規律為此問題的解決提供理論依據方法。

2.1.3 三基色原理與混色規律

一、混色規律

不同顏色混合在一起,能產生新的顏色,這種方法稱為混色法。混色分為相加混色和相減混色。相加混色是各分色的光譜成分相加,彩色電視就是利用紅、綠、藍三基色相加產生各種不同的彩色。相減混色中存在光譜成分的相減,在彩色印刷、繪畫和電影中就是利用相減混色。它們采用了顏色料,白光照射在顏色料上后,光譜的某些部分使被吸收,而其他部分被反向或透射,從而表現出某種顏色。混合顏料時,每增加一種顏料,都要從白光中減去更多的光譜成分,因此,顏料混合過程稱為相減混色。

1853年格拉斯曼(H.Grasman)教授總結也下列相加混色定律:

1.補色律:自然界任一顏色都有其補色,它與它的補色按一定比例混合,可以得到白色或灰色。

2.中間律:兩個非補色相混合,便產生中間色。其色調決定于兩個顏色的相對數量,其飽和度決定于二者在顏色順序上的遠近。

3.代替律:相似色混合仍相似,不管它們的光譜成分是否相同。

4.亮度相加律:混合色光的亮度等于各分色光的亮度之和。

利用如圖2.1.-5所示的顏色環,可以比較直觀地表達各種顏色的混合規律。按順序把飽和度更高的譜色光和紫紅色圍成一個近似的圓環,每一顏色都在圓環上或環內占有一確定位置。白色位于圓心,顏色飽和度愈低,愈靠近圓心。顏色環圓心對邊的任何兩種顏色都是互補色,按適當比例混合是得到白色或灰色,例如,黃色與藍色,紅色與青色,綠色與品紅色。顏色環上任何兩種非補色相混合,可產生中間色,它的位置在此兩色的連線上。中間色的色調決定于兩顏色的比例多少,并按重力中心定律偏向比重大的一色;中間色的飽和度決定于兩色在顏色環的距離,二者距離愈近,飽和度越大,反之越小。互補色在色環上的距離被認為是最遠。

還可以利用如圖2.1-6所示的顏色三角形,簡便地記憶相加混色和相減混色的規律。


相加混合

紅+青=白 紅+綠=黃

藍+黃=白 綠+藍=青

綠+品紅=白 紅+藍=品紅

紅+綠+藍=白

相減混合

黃=白-藍 黃+品紅=白-藍-綠=紅

青=白-紅 黃+青=白-藍-紅=綠

品紅=白-綠 品紅+青=白-綠-紅=藍

黃+青+品紅=白-藍-紅-綠=黑色

二、三基色原理

三基色原理是指自然界常見的多數彩色都可以用三種相互獨立的基色按不同比例成,所謂獨立的三基色是指其中的任一色都不能由另外兩色合成。三基色原理可用混色規律中的“中間律”證明:先讓兩種基色按不同比例合成出所有中間色,然后讓第三基色與每一種中間色按不同比例再合成出所有中間色,這樣三基色按不同比例就能合成出如圖2.1-6所示的以三基色為頂點的三角形所包圍的各種顏色。

在彩色電視中,經過適當地選擇,確定以紅、綠、藍為三基色,就可以合成出自然界常見的多數彩色。三基色原理對彩色電視有著極其重要的意義,它傳送具有成千上萬、瞬息萬變彩色的任務,簡化為只需要傳送三個基色圖象信號。

三、相加混色的實現方法

為了實現相加混色,除了將三種不同的基色,同時投射到某一全反射面產生相加混色外,還可以利用人眼的某些視覺特性實現相加混色。

1. 時間混色法:將三種不同的基色以足夠快的速度輪流投射到某一平面,因為人眼的視覺惰性,分辨不出三種基色,而只能看到它們的混合色。時間混色法是順序制彩色電視的基礎。

2.空間混色法:將三種基色分別投射到同一表面上相鄰的三點,只要這些點足夠的近,由于人眼分辨力的有限性,不能分辨出這三種基色,而只能感覺到它們的混合色。空間事法是同時制彩色電視的基礎。

3.生理混色法:當兩只眼睛同時分別觀看不同的顏色,也會產生混色效應。例如,兩只眼睛分別戴上紅、綠濾波眼鏡,當兩眼分別單獨觀看時,只能看到紅光或綠光;當兩眼同時觀看時,正好是黃色,這就是生理混色法。

 

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