第二章视觉和电视显示基本原理

第二章视觉和电视显示基本原理2.1人眼的生理特性2.3光度学2.4色度学2.5电视传像原理2.6平板显示器件的参照物－显像管简介2.2人眼的视觉特性1.巩膜在最外层，呈白色，是眼球的保护层。前端突出的、与空气接触的是角膜，厚约0.55mm，折射率1.3771，外界光线先通过角膜进入眼球，是人眼的窗户。一、眼睛的构造及功能人眼又称为眼球，外型接近球体，直径约为24mm，眼球壁由巩膜、脉络膜和视网膜组成。2.脉络膜紧贴巩膜，含有丰富的血管和色素，其前端为虹膜，虹膜中央有一圆孔－瞳孔，由虹膜肌的收缩与舒展控制瞳孔的放大和缩小，从而控制进入眼球的光通量，像照相机的光圈一样。虹膜的颜色决定了人眼的颜色。3.视网膜是眼睛的感光部分，约占眼球内表面的2/3，上面有感光细胞（杆体细胞和锥体细胞）、双极细胞和神经节细胞。视网膜上正对瞳孔的中央视觉最灵敏，称为黄斑。视神经纤维的出口处有盲点，无感光细胞，无视觉。锥体细胞直径2.5μm～7.5μm，分布在黄斑上，它对明视觉、彩色视觉有贡献，能分辨细节，杆体细胞分布在黄斑周围，对弱光敏感性强，主要负责暗视觉，不能提供颜色信息。2.1人眼的生理特性4、后室：水晶体与视网膜之间，充满了折射率为1.336的透明液体。分为角膜、前室、水晶体、后室和黄斑。2、前室：在角膜和瞳孔之间，正透镜，厚3.05mm，透明液体折射率1.33743、水晶体：由多层膜构成，双凸正透镜，由睫状肌的收缩与舒展来改变水晶体的曲率半径，改变焦距，达到调焦的目的。二从光学角度看眼睛的构造1、角膜5、黄斑一、明视觉、暗视觉和光谱光效率曲线视觉是人眼视神经细胞的感觉，可引起视觉的光的波长为：0.38μm～0.78μm，此波段的光称为可见光。人眼感觉可见光与两个因素有关，一是光的强弱，另一个是光的波长。与亮度有关的视觉：1、明视觉：亮度大于3cd/m2，锥体细胞起主要作用2、暗视觉：亮度小于0.03cd/m2，杆体细胞起主要作用3、中间视觉：亮度介于以上两者之间，锥体细胞和杆体细胞同时起作用。2.2人眼的视觉特性光谱光效率函数（视见函数）：当人眼感觉不同色光的亮度相同时，不同波长单色光所需能量的倒数。1()()VE定量描述人眼对不同单色光的感受。光谱光效率曲线：等亮度单色光能量的倒数随光波波长的变化。505555二、暗适应与明适应（时间特性）暗适应：从明亮的环境突然进入黑暗的环境，直到看清物体的轮廓。5～10min明适应：从黑暗的环境突然进入明亮的环境，直到看清物体。1min三、视敏度和细节视觉视角：物体对人眼所张的角（以分为单位）3438物体长度视角距离视角越小，物体在人眼视网膜上所形成的像就越小。当两个物体在视网膜上所形成的像点的间距大于锥体细胞直径时，人眼即能分辨出两个物体。34381锥体细胞直径最小可分辨视角眼球的平均焦距用视角α的倒数表示视敏度，可辨视角为1’时的视力称为正常视敏度。影响视敏度的因素：①物距增加，视敏度下降。②亮度增加，视敏度提高。③观测物体与背景间的对比度增加时，视敏度提高。四、临界闪烁频率视觉残留：光刺激停止后留下来的感觉。视觉残留维持的时间称为视觉残留时间。影响因素：①光线的强弱。②光刺激作用的时间。③光线的颜色。黄光最短，红蓝光最长。它还受眼睛疲劳程度的影响。临界闪烁频率：闪烁的光产生的视觉介于闪烁和稳定之间的闪烁频率。是人眼对光刺激在时间上的分辨能力。用CFF表示，Criticalflashingfrequency0()T1L=LtdtT光的亮度：影响CFF的因素：①刺激光的强弱②刺激面积④背景光和刺激光的颜色③观察方式五、视觉阈限与差别感觉阈限视觉阈限：能引起视觉的最少光量子数，又称敏感度。差别感觉阈限：能够感觉到两种光刺激（主要指光强）有所不同时，两种光刺激间的最小差别量，又称最小可觉差。随刺激强度的增加而增加。一、光通量和发光强度1、光通量单位时间内通过一定面积的辐射能称为辐射能通量，简称为辐通量。单位：W光通量：能被人眼所感受到的那部分光的辐射功率，单位：lm，标度可见光对人眼视觉的刺激程度。,()me=KVd()V标准光谱光效率函数,e单位波长间隔内的实际光功率mK最大光谱效能，683lm/W2.3光度学2、发光强度光源单位立体角内所发射出的光通量，单位：cd，表示光源在某一方向上发光的强弱。dId用顶点和球心重合的圆锥去截球面，当截得的面积为球半径的平方时，该圆锥所包含的空间为1立体弧度（球面度）。二、照度及距离平方反比定律1、照度单位面积接收的光通量，单位：lx（lm/m2）dEdA2、距离平方反比定律发光强度为I的点光源位于球心，半径为R的球面上获得的照度E为2IER若被照射平面与光线不垂直时：2cosIER证明：2cosIdAdIdr2cosdIEdAr2cosdAdr①室内标准照明，桌面照度不低于50lx②晴天阳光直射地面可达1～2万lx③满月的夜晚地面照度0.1lx三、亮度及朗伯定律1、亮度光源单位面积上的发光强度，单位：cd/m2用来评价光源的优劣。2coscosdIdLdAddAθ为观测方向与发光面的法线方向的夹角。假设发光体在各个方向上的亮度都一致，在某一方向上发光的强度等于这个面垂直方向上的发光强度乘以方向角的余弦－－－郎伯定律0cosIIdAINIθθ郎伯发射面各个方向上的亮度都一致的发光面称为郎伯发射面。郎伯发射面发光强度的空间分布如图：它在半球空间的光通量：NILA设一本身不发光的反射面的面积为A，受到的照度为E，为反射面的反射系数，其亮度为是多少？,inoutoutAEAEAEELAA一、颜色及其分类颜色是不同波长可见光辐射作用于人眼后所产生的心理感受，是一种与物理、生理和心理有关的复杂现象。分类非彩色彩色从颜色形成的物理机制分①光源色②物体色(表面色)2.3色度学概要二、颜色的三个基本特征1、色调：颜色的类别2、明度（亮度）：人眼感觉光的明亮程度3、饱和度：颜色的鲜明程度图2-7颜色的立体表示白青红绿黄橙蓝紫黑明度色调饱和度注意：a、三个特征参数的不同便区分不同的颜色。b、单一波长的光谱色饱和度为100%。c、非彩色只有明度区别，色调和饱和度为0。色调和饱和度合称为色度，它既说明了彩色光的颜色类别，又说明了颜色的深浅程度。三、颜色混合及Grassman颜色混合定律1、颜色混合⑴加混合：不同色光直接相加混合。a、时间混色法b、空间混色法利用人眼的视觉惰性。利用人眼空间细节分辨力差的特点。举例：彩色显像管⑵减混合：从白光中除去某些色光而形成新的颜色，如油漆、颜料等2、Grassman颜色混合定律（1853）（1）人的视觉只能分辨颜色的三种变化﹕明度﹑色调和饱和度。（2）在由两个成份组成的混色中﹐如果一个成份连续变化﹐混合色的外貌也连续变化。补色律：互补的两种颜色以一定比例混合后得到白色或灰色，以其它比例混合，则产生接近占有比例大的颜色的非饱和色。中间色律：非互补的两种颜色混合将产生中间色，其色调取决于两颜色的比例。（3）颜色外貌相同的色光﹐不管它们的光谱组成是否一样在颜色混合中都是等效的。（4）亮度相加律：混合色的亮度等于各色光亮度之和注：此定律只适应于加混合，不适应于减混合颜色代替律：A＝B，C＝D，则A＋C＝B＋D※用色光相加可以产生或代替各种所需的光，达到的视觉效果一样。四、颜色匹配颜色匹配：通过改变参加混色各颜色的量，使混合色与指定颜色达到视觉上相同的过程。1、红、绿、蓝三种颜色以不同的量相混合可匹配任何颜色，配色方程：()()()FRRGGBB2、红、绿、蓝不是唯一的三原色，任何相互独立的三种颜色都可以按一定比例混合而匹配任何颜色以上原理或结论是彩色电视得以实现的重要理论基础。彩色电视只需在摄像端将景物的各种颜色分解成红、绿、蓝三种基色，然后将这三种基色转换成相应的三种电信号传送到显示端，在显示端将电信号再转换成三基色光信号，最后在屏幕上用三基色混合出原景物的色彩。五、色度学中的几个概念1、颜色刺激：引起颜色知觉的可见辐射的辐射通量。2、三原色：混合后能够匹配所有颜色的三种相互独立的颜色。3、三刺激值：匹配某种颜色所需的三原色的量。4、光谱三刺激值：匹配等能光谱色所需的三原色的量。5、色品（度）坐标及色品图色品（度）：三刺激值各自在三刺激值总量中占的比例。RrRGBGgRGBBbRGB显然，1rgb以r为横坐标，g为纵坐标建立坐标平面，平面上的点均和某种颜色相对应，这个表示颜色的平面称做色品图。()[()()()]FRGBrRgGbB六、CIE标准色度学系统由CIE（国际照明委员会）规定的颜色测量原理、基本数据和计算方法。1、1931CIE-RGB系统⑴选用汞光谱中的三条为三基色。R－700nm，G－546.1nm，B－435.8nm⑵三基色单位：1lm红光为1个R基色单位，用（R）表示4.5907lm绿光为1个G基色单位，用（G）表示0.0601lm蓝光为1个B基色单位，用（B）表示等能白光F白＝1（R）＋1（G）＋1（B），可用色温为5500K的白光源（E）代替。()()()FRRGGBB1.04.59070.0601FRGBE白的光通量是三个基色光的光通量之和，即：1＋4.5907＋0.0601＝5.6508lm。1931CIE－RGB系统色度图2、1931CIE-XYZ系统⑴用（X）、（Y）、（Z）三基色匹配实际色彩时，三色系数都应该为正值。⑵所选三基色中，只有（Y）包含亮度，而（X）、（Z）不包含亮度。⑶当X＝Y＝Z时，仍代表等能白光E。⑷在构成XYZ三角形时尽可能减少三角形所占的面积。4.59070.060100.99101.450.5510rgbrgrg两系统间转换公式：2.76891.75181.13021.00004.59070.06010.00000.05655.5943XRYGZB三基色（X）、（Y）、（Z）在r-g色度图中的坐标：(1.2750,0.2778),(1.7394,2.7674),(0.7429,0.1409)XYZ色度坐标变换公式：0.490000.310000.200000.666971.132401.200630.176970.812400.010630.666971.132401.200630.000000.010000.90000.666971.132401.20063rgbxrgbrgbyrgbrgbzrgb②E白点的坐标为x=y=1/3，舌形曲线上任一点与E白点的连线称为等色调线。①舌形曲线全部位于第一象限，所有的单色光都位于舌形曲线上。③不在同一等色调线上的任意两点，表示了两种不同的颜色，由这两种颜色组成的全部混合色都处在这两点的连线上。④在谱色曲线内任取三点对应的彩色作基色，则由此三基色混合而成的所有彩色都包含在以这三点为顶点的三角形内。标准照明体1)A光源：代表绝对温度大约为2856K完全辐射体(黑体)的光。2)B光源：代表相关色温大约为4874K的直射日光﹐它的光色相当于中午阳光。3)C光源：代表相关色温大约为6774K的平均日光﹐它的光色近似阴天天空的日光。4)D65光源：代表相关色温大约为6504K的日光。3、均匀颜色空间在色度图上，人眼感觉不出颜色变化的范围称为颜色宽容量。椭圆区域－等色差域CIE-XYZ标准色度图的缺点在于色度空间不均匀，给实际配色带来了不便。CIE于1960年采用了CIE1960UCS色度图。4212392123xuxyxvxy色度坐标变换公式：1976CIE-UCS//1.5uuvv例一：请说出公式中R、G、B和（R）、（G）、（B）的物理意义，并指出r、g、b的表达式，并说明其物理意义。已知某一波长的光波的r＝0.8175，g＝0.