光度学与色度学基础

适应能力很强，但灰度 分辨能力一般
人眼有很多有趣的生理／心理视觉现象
光电子科学与工程学院 光电信息技术研究所 刘斌昺 2006年10月
人眼的特性
150
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亮度分wenku.baidu.com能力测试
亮度变化鉴别能力测试
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人眼的特性
１．马赫带效应
如果一个物体只发出红外线，哪怕它辐射的能量很强，我们 看它也是“ 黑的” ，比如一块烧热了的铁．．．
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视见函数
1.2 1.0
相对视敏曲线
555nm峰值波长
0.8 0.6 0.4 0.2 0 400 450 500 550 600 650 700 750
光通量
引入视见函数V(λ)后，就可以研究光通量，它表示光源表面的客 观辐射通量对人眼引起的视觉强度，以Φ表示，它等于辐射通量与视 见函数的乘积。在某一波长λ附近对于波长间隔为dλ的单色光来讲， 其光通量为：
φ = ∫ P(λ )V (λ ) dλ
光通量和辐射通量具有相同的量纲，但在国际单位制中，辐射通 量的单位为瓦，而光通量的单位为流明（lumen）。
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图像是如何形成的？
P
电偶极子模型
光谱/频谱
f
光谱/频谱
光就是电磁波，电磁波的频谱对于光而言就是光谱
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太阳在大气层外和在海平面形成的光谱密度函数曲线
太阳光虽然很“ ，但并不“ 白” 纯洁”
光谱/频谱
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图像是如何形成的？
用一个三维空间纺锤体形立体可以 把颜色的三种基本特性— 明度、色 调和饱和度全部表示出来。
颜色立体 →
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图像是如何形成的？
比 更亮
与
色调不同
光通量与辐通量之间的关系
实验测量和理论分析表明，波长为0.555um的单色辐射，1W辐通 量等于683lm的光通量。对于其它波长的单色光，1W辐通量引起的光 刺激值都小于683lm，它们的数值关系就是光谱光视效率/视见函数。
φ = 683∫ P (λ )V (λ )dλ
φ 683∫ P (λ )V (λ ) dλ = P ∫ P ( λ ) dλ
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钨丝灯的相对光谱功率分布
钨丝灯发出的光中有很多是我们看不见的
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图像是如何形成的？
视觉是外界光刺激作用于人的视觉神经而产生的主观 感觉。 电偶极子模型 视觉有三种特性，从描述视觉特性的心理物理量来 看，它们是亮度、主波长、纯度；从相应的心理量来 看，它们是明度、色度、饱和度。 亮度表示光的强度。物体表面或光源的亮度越高，人 感觉到的明度就越高。但二者的关系并不固定； 光谱是由不同波长的光组成的，不同波长所引起的不 同感觉就是色度； 亮度、颜色 纯色是指没有混入白色的窄带单色光，在视觉上就是 高饱和度的颜色。可见光谱的各种单色光是最饱和的彩 色。当光谱色搀入白光成分越多时，就越不饱和。
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人眼的结构
１． 晶状体：强大的自动调焦能力 ２． 视网膜：人眼感知图像信号的窗口 视网膜上分布着无数的光接收细胞 锥细胞：・ 约６００００００～７００００００个； ・ 对颜色很敏感，适应于强照度； ・ 人类利用它分辨物体细节； ・ 锥细胞视觉称为适亮视觉。 柱细胞：・ 约７５００００００～１５０００００００个； ・ 对颜色不敏感，适应于低照度； ・ 柱细胞主要提供视野的整体视象； ・ 柱细胞视觉称为适暗视觉。 ３． 中央凹：视网膜的中心
光照度
照度是表征受照面被照明程度的物理量，它可用落在受照物体 单位面积上的光通量数值来量度，如果照射在物体面元dσ上的光通 量为dΦ，则照度E可表达为：
E＝ dΦ/ dσ
照度的单位称为勒克斯（lx），它是1lm的光通量均匀分布在 1m2的表面上所产生的照度。
光出射度
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1lm＝1cd×sr
发光强度的单位是坎德拉（cd），在国际单位制中，发光强度 的单位是国际单位制中七个基本单位之一，光度学中其它单位均为 导出单位。
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发光强度
LED发光强度空间分布图
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２．同时对比度现象
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３．互补色现象
盯住这副图像看３０秒后闭上 眼睛，你发现什么了吗？
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人眼的特性－视见光谱范围
人可以看到的频谱范围很窄
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对于人而言，视觉是五种感知觉中最重要的一个
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图像是如何形成的？
要看图像是如何形成的，还得先看看光是怎样产生的
电偶极子模型 经典电磁场理论把原子发光看作是原子内部过程形成的电偶极子的 辐射。原子由带正电的原于核和绕核运动的带负电的电子组成，在外界 能量的激发下，由于原子核和电子的剧烈运动和相互作用，原子的正电 中心和负电中心常不重合，且正负电中心的距离在不断地变化，因而形 成一个振荡电偶极子。
比
饱和度更高
总之，特定的光谱将让人感受到不同的亮度和颜色，于 是感受到五彩缤纷的世界
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人眼如何看到图像？
视网膜上的像是倒立的吗？
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人眼如何看到图像？
晶状体
视网膜
视网膜成像－功能强大的成像系统 快速无极变焦，自动光圈调整，光轴可变，环境亮度自 适应．．．．一个功能很强大的成像系统
经测试得到并进行数学处理的视见函数是一个归一化函数，实际上 视见函数对于每个波长都有明确的光谱光效能值。
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应该将物体辐射光的能力用物体的能量辐射 能力和视见函数综合起来表述。
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第二章 光度学与色度学基础
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图像信息的重要性
图像是用各种观测系统以不同形式和手段观测客观世界而获得 的，可以直接或间接作用于人眼并进而产生视知觉的实体。 科学研究和统计表明，人类从外界获得的信息约有75％来自视觉 系统，也就是从图像中获得的。例如照片、绘图、视频等等。
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发光效率
电光源发出的总光通量Φ与电光源的耗电功率P之比η，称为电光 源的发光效率。它是衡量电光源工作性能的重要指标。即
η = Φ/ P
＇ ＇ η表示电源每耗电1W所发出光通量的流明数。电光源的发光效 率都是不高的，这是因为输入光源的电功率不能全部转化为电磁辐射 通量，而电磁辐射通量中又只有一部分落在可见光区的缘故。
光亮度简称亮度，是与人眼视觉感受联系最直接的光度 学参数。
只有在发光体的线度远小光源到观 察点距离，即发光体实际线度大小可以 略去不计时，点光源才有意义。 对于实际的扩展光源来说，应该把 它的表面分成无数面元，同时分出这样 的一个光束：它从某一面元dS出发，包 围在一个立体角dΩ内，这光束的轴线与 dS的法线N成一个角度θ。
辐射通量代表的是光源面积元在单位时间内辐射的总能量的多少， 而我们感兴趣的只是其中能够引起视觉的部分，相等的辐射通量，由于 波长不同，人眼的感觉也不相同。为了研究客观的辐射通量与它们在人 眼所引起的主观感觉强度之间的关系，首先必须了解眼睛对各种不同波 长的视觉灵敏度。 人眼对黄绿色光最灵敏；对红色和紫色光较差；而对红外光和紫外 光，则无视觉反应。在引起强度相等的视觉情况下，若所需的某一单色 光的辐射通量愈小，则说明人眼对该单色光的视觉灵敏度愈高。
电视信号的频谱在哪里？手机信号的频谱呢？
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怎样比较两个物体哪个更亮？ 怎样比较两个光源哪个发光效率更高？
光度学 色度学
怎样定量的表述一个物体的颜色？ 怎么定量的区分鲜红色和暗红色的差异？
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高分辨率的传感器
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人眼的特性
１． 人眼具有很大的亮度适应范围 （最低１０－１９ｌｘ，最高１１０ｌｘ） 这样大的亮度适应范围，仅靠瞳孔的调节是远远不够的（瞳孔调节 只能使进入眼球内的光通量改变大约２０倍），还需要杆细胞和锥细 胞的转换来实现的，但这需要大约３０分钟的时间完成完全转换。 ２． 人眼具有较小的亮度分辨能力，一般小于６４级 ３． 人眼有较强的亮度变化鉴别能力 ４． 人眼具有马赫效应 ５． 人眼具有“同时对比度”现象 ６． 人眼具有“互补色”现象（视觉上称为对比） ７． 人的视觉感受不仅受实际物体的视觉特征影响，还取决于观察物体 的环境和背景，以及观察者所具备的先验知识
1lm到底是多少呢？教室里的总光通量大约是多少？
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光通量
光源类型 40W钨丝灯 40W荧光灯 250W卤钨灯 200W高压汞灯 500W氙灯 光通量（lm） 500 2000 7500 12000 25000
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辐射通量－物体能量辐射能力的量度
设光源表面S向所有方向辐射出各种波长的光。此光源表面一个面 积元dS的辐射情况，可以用单位时间内该面积元dS辐射出来的所有波 长的光能量（也就是通过该面积的辐射功率）来表示，这就是面积元 dS的辐射通量。单位为瓦特。 由于光源的辐射由不同波长的光组成，不同波长的光在其中所占 的相对数值又是不同的。设P (λ)是辐通量随波长变化的函数，它就是 在单位时间内某一波长附近的单位波长间 隔内的辐射能量，它又称谱辐射通量密度。 于是，从面积元dS发出的各种波长的 光的总辐射通量为：
想想日光灯和钨丝灯谁的发光效率高？
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发光效率
光源类型 钨丝灯 卤钨灯 荧光灯 高压汞灯 发光效率（lm/W） 10～20 30 30～60 60～70
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发光强度
发光强度是表征光源在一定方向范围内发出的光通量的空间分布的 物理量，它可用点光源在单位立体角中发出的光通量的数值来量度，可 表达为：
dφ I= dω
式中dΩ是点光源在某一方向上所 张的立体角元。如果I不随θ和φ而变 化（均匀发光体），则总光通量：
Φ=4πI
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发光强度
一个光源发出频率为540×1012Hz的单色辐射，若在给定方向的 辐射强度为（1/683）W/sr，则光源在该方向上的发光强度为1cd。 可见，发光强度为1cd的点光源在单位立体角1sr内发出的光通量 为1lm，即：
P = ∫ P (λ ) d λ
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物体辐射光的能力可否用辐射通量来表述？
例如：一块烧的很烫但没有发红的铁块，其辐射能量 的能力如何？其给人造成的亮度视知觉感受又如何？
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视见函数
光照度
一些实际情况下的光照度值（单位：lx） 场景 无月夜地面上 满月夜地面上 办公室桌面 晴朗的夏日在采光良好的室内 照度值 3×10-4 0.2 20～100 100～500
夏日太阳不直接照射的露天地面 1，000～10，000
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光亮度