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第二章 色度学与彩色电视
2.1 光与颜色
2.2 颜色的计量系统
2.3 电视中彩色的分解与重现
2.4 电视RGB计色制与彩色正确重现
前面讨论的黑白电视只能传送与重现景物的亮度,这远不能满足人们的需要,彩色电视不仅能传送,重现景物的高密度信息,还能传送、重现景物垢色度信息。它大大地丰富了图象传送的内容,使景物更加形象逼真地重现出来。
彩色电视是在黑白电视与色度学的基础上发展起来的。色度学是研究人的颜色视觉规律、颜色测量理论与技术的科学,它是一门本世纪发展起来的,以物理光学、视觉生理、视觉心理、心理物理等学科为基础的综合性科学。
彩色电视就是根据色度学的原理,发送端将界物彩色分解成红、绿、蓝三种基本色光,然后采用与黑白电视类似的方法,将它们转换成三种基色信号,传送到接收端,最后在接收端又根据色度学原理重现出景物的彩色。
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§2.1 光与颜色
2.1.1 光与光源
一、光的种类
光的种类繁多,下面仅从颜色,频率成分和发光方式等三方面将其分类。
1、按颜色可分为彩色光和非变化光。非彩色包适白(色)光、各种深浅不一样的灰(色)光和黑(色)光;彩色光又可细分为红光、绿光、黄光、........红紫光等。
2、按频率成分可分为单色光和复合光。单色光是指具有一波长的色光或者所占波谱宽度小于5nm的色光;非单色光即分复合光。
3、按频率和颜色综合考虑可分为谱色光(Spectrum Color)和非谱色光。谱色光主要是指波长从780nm到380nm,而颜色按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫顺序排列的各种单色光;把两个或者两个以上的单色光混合所得,但又不能作为谱色出现在光谱上的色光称为非谱色光。白光是非谱色光。
单色光一定是谱色光,非谱色光一定是复合光,而复合光也可能是谱色光。例如,红单色光和绿单色光合成的复合光为黄色,它属于谱色光。
4、按发光方式可分为直射光,反射光和透射光。发光体(光源)直接发出的光称为直射光;物体对光源发出的光,能够进行反射所形成的光称为反射光;能进行透射所形成的光称为透射光。若设光源的功率波谱为P(l ),物体反射或透射特性分别为P(l )和t (l ),则直射光、反射光和透射光的功率波谱将分别为P(l ),P(l )P(l )和P(l )t (l )。
二、光的颜色
无论是什么光,它的颜色都是取决于客观与主观两方面的因素。
1、客观因素是它的功率波谱分布。对光源的颜色,直接取决于它的功率谱P(l )P(l )和P(l )t (l )。因此物体的颜色不仅取决于它的反射特性r (l )和透射特性t (l ),而且还与照射光源的功率谱有密切关系,关于这一点将在2.1.2节中详细举例说明。因此,在色度学和彩色电视中,对标准光源的辐射功率波谱,必要作出明确而严格的规定。
2、主观因素是人眼有视觉特性。不同的人对于同一功率谱P(l )的光的色感可能是不相同的。例如,对于用红砖建造的房子,视觉正常的人看是红色,而有红色盲的人看是土黄色;同样,他看绿草坪是黄色。由于周围环境的影响,红色盲患者会把他看到的“土黄色”房子叫做“红色”房子;同样,把他看到的“黄色”草坪,叫做绿色草坪,并认为他看到的“红色”与“绿色”和正常人一样。只通过一定检验方法才能发现色盲患者的视觉缺陷。由此可见,光给人的颜色感觉与人眼的视觉特性有关。
三、标准光源和色温
在色度学和电视技术中,常以白色作为一种标准,所以标准光源都是白光。常用的标准白光有五种,称为A、B、C65和E光源。它们辐射的光谱分布在图2.1-2(b)中用几条曲线表示。这种表示方法虽然精确,但是,对于使用感到非常不方便,于是人们想到了绝对黑体(下面简称黑体)。物理光学指出:在不同温度下,黑体辐射电磁波的本领是不同的,它的辐射本领按波长分布的规律如图2.1-2(a)所示。由图可见,黑体在不同温度下的辐射光谱作为标准,让各种光源的光谱分布与之比较。当光源的光谱与黑体某一温度下的光谱相一致时,则黑体的这一温度称为光源的色温;当光源的光谱只能与黑体某一温度下的光谱相近似,而不能精确等效时,则称这一温度为光源的相关色温。由于黑体这个温度与颜色有关,故名色温。读者注意,光源的色温与光源本身的温度是两回事,通常两者是不相同的。例如白炽灯光源本身温度为2800K,但其色温是2845K。
有了色温和相关色温的概念,表示光源的特性将非常方便。例如:
A光源:色温为2845K,相当于白炽灯在2800K时辐射出的光。
B光源:相关色温为4800K,相当于中午直射的日光。
C光源:相关色温为6700K,相当于白天的自然光,它的蓝色成分较多。
D65光源:相关色温为6500K,相当于白天平均光照,近年来,常被用作彩色电视的标准光源。
E光源:又称为等能白光,即P(l )=常数,它是一种假想而实际并不存在的光源,采用它纯粹是为了简化色度学中的计算,其相关色温为550K。
另外,在彩色电视、电影摄影棚和演播室中常采用新式卤钨灯,其相关色温3200K,它是近代照明技术中常采用的光源。
显象管屏幕上显现的白光,有些色温高达9000~11000K,此时白色已经偏蓝了。
维恩(Wien)位移定律指出:当绝对黑体的温度增高时,最大的发射本领向短波方向移动(见图2.1-1),所以色温较高的光源,其发出的辐射能较多地分布在波长较短的绿光和蓝光之中;而色温较低的光源,其辐射能较多地分布在波长较长的红光中。因此,在上述几种标准白光中,色温较低者,偏红;色温较高时,偏蓝。
2.1.2 颜色及其视觉理论
一、颜色
颜色可分为非彩色与彩色两大类,颜色是非彩色与彩色的总称。非彩色指白色,黑色与各种深浅不同的灰色。白色、灰色、黑色物体对光谱各波长的反射没有选择性,它们是中性色。彩色物体对光谱各波长反射具有选择性所以它们在白光照射下出现彩色。图2.1-3画出了几种颜色物体的光谱反射率特性。白色物体反射系数近1,黑色物接近于0,灰色物体介于0与1之间。彩色物体的反射率是随频率变化的,其数值介于0至1之间。
彩色是指白黑系列以外的各种颜色,颜色有三特性:亮度、色调和饱和度。
亮度(Luminance)是指色光的明暗程度,它与色光所含的能量有关。对于彩色光而言,彩色光的亮度正比于它的光通量(光功率)。对物体而言,物体各点的亮度正比于该点反射(或透射)色光的光通量大小。一般地说,照射光源功率越大,物体反射(或透射)的能力越强,则物体越亮;反之,越暗。
色调(Hue):指颜色的类别,通常所说的红色,绿色,蓝色等,就是指色调。光源的色调由其光谱分布P(l )决定;物体的色调由照射光源的光谱P(l )和物体本身反射特性r (l )或者透射特性t (l )决定,即取决P(l )r (l )或P(l )t (l )。例如蓝布在日光照射下,只反射蓝光而吸收其它成分。如果分别在红光,黄光或绿光的照射下,它会呈现黑色。红玻璃在日光照射下,只透射红光,所以是红色。
饱和度(Saturation):是指色调深浅的程度。各种单色光饱和度最高,单色光中掺入的白光愈多,饱和度愈低,白光占绝大部分时,饱和度接近于零,白光的饱和度等于零。物体色调的饱和度决定于该物体表面反射光谱辐射的选择性程度,物体对光谱某一较窄波段的反射率很高,而对其它波长的反射率很低或不反射,表明它有很高的光谱选择性,物体这一颜色的饱和度就高。
色调与饱和度合称为色度(Chromaticity),它既说明彩色光的颜色类别,又说明颜色的深浅程度。色度再加上亮度,就能对颜色作完整的说明。
非彩色只有亮度的差别,而没有色调和饱和度这两种特性。
二、关于颜色视觉理论
现代颜色视觉理论主要有两大类:一是杨一赫姆霍尔兹的三色学说,二是赫林的“对立”颜色学说。前者从颜色混合的物理规律出发,后者从视学现象出发,两者都能解释大量现象,但是各有欠缺之处。例如:三色学说是最大优越性是能充分说明各种颜色的混合现象,但最