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技術專題

色度學與彩色電視之光與顏色

發(fā)布日期:2014-07-08 點擊:1984

色度學與彩色電視之光與顏色

    黑白電視只能傳送與重現(xiàn)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(xiàn)景物的高密度信息,還能傳送、重現(xiàn)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(xiàn)出來。

彩色電視是在黑白電視與色度學的基礎上發(fā)展起來的。色度學是研究人的顏色視覺規(guī)律、顏色測量理論與技術的科學,它是一門本世紀發(fā)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(jù)色度學的原理,發(fā)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(jù)色度學原理重現(xiàn)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(fā)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(xiàn)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(fā)光方式可分為直射光,反射光和透射光。發(fā)光體(光源)直接發(fā)出的光稱為直射光;物體對光源發(fā)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(jié)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(guī)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(huán)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(fā)現(xiàn)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(guī)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(shù),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(xiàn)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(fā)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(fā)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(xiàn)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(shù)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(shù)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(xiàn)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(xiàn)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(guī)律出發(fā),后者從視學現(xiàn)象出發(fā),兩者都能解釋大量現(xiàn)象,但是各有欠缺之處。例如:三色學說是最大優(yōu)越性是能充分說明各種顏色的混合現(xiàn)象,但比較大的因難是不能滿意地解釋色盲現(xiàn)象。對立學說對于色盲現(xiàn)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(xiàn)象沒有充分的說明,而這一物理現(xiàn)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(fā)展,彩色電視技術的發(fā)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(fā)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?,F(xiàn)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(tǒng)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(shù)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(xiàn)象稱為“同色異譜”現(xiàn)象。彩色電視正是利用這一現(xiàn)象進行顏色重現(xiàn)的。在顏色重現(xiàn)過程中,并非一定要求重現(xiàn)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(xiàn)這一目標呢?下面討論的三基色原理與顏色混配規(guī)律為此問題的解決提供理論依據(jù)方法。

2.1.3 三基色原理與混色規(guī)律

一、混色規(guī)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?;焐譃橄嗉踊焐拖鄿p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(xiàn)出某種顏色?;旌项伭蠒r,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(shù)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(huán),可以比較直觀地表達各種顏色的混合規(guī)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(huán),每一顏色都在圓環(huán)上或環(huán)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(huán)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(huán)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(huán)的距離,二者距離愈近,飽和度越大,反之越小?;パa色在色環(huán)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(guī)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(shù)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(guī)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?shù)剡x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(shù)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(xiàn)方法

為了實現(xiàn)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(xiàn)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??臻g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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