第二章光度与色度

明暗感觉的相对性
当亮度大于3cd/m2时,为明视觉,锥状细胞起主要作用,最大 为明视觉,锥状细胞起主要作用, 当亮度大于 光效率位置在555nm, Kmax=680lm/W 光效率位置在 , 当亮度小于0.8cd/m2时,为暗视觉,杆状细胞起主要作用.最 为暗视觉,杆状细胞起主要作用. 当亮度小于 大光效率位置为510nm处, Kmax=1746lm/W 大光效率位置为 处 人眼能够感觉的亮度范围(称为视觉范围)极宽,从千分之几尼 人眼能够感觉的亮度范围(称为视觉范围)极宽, 特直到几百万尼特. 特直到几百万尼特. 另外,当人眼适应了某一环境亮度时,所能感觉范围将变小. 另外,当人眼适应了某一环境亮度时,所能感觉范围将变小.例 在白天环境亮度10, 特时, 如,在白天环境亮度 ,000特时,人眼大约能分辨的亮度范围 特时 尼特, 尼特的亮度同感觉为黑色. 为200～20,000尼特,低于 ～ , 尼特 低于200尼特的亮度同感觉为黑色.而 尼特的亮度同感觉为黑色 夜间环境为30尼特时,可分辨的亮度范围为1～200尼特,这时 夜间环境为 尼特时,可分辨的亮度范围为 ～ 尼特, 尼特时 尼特 100尼特的亮度就引起相当亮的感觉.只有低于 尼特的亮度才 尼特的亮度就引起相当亮的感觉. 尼特的亮度就引起相当亮的感觉 只有低于1尼特的亮度才 引起黑色感觉
明适应和暗适应
暗适应:人眼从光亮中进入暗室时, 暗适应:人眼从光亮中进入暗室时,在最初瞬间什么 都看不到, 都看不到,逐渐适应黑暗后才能区分出周围物体的轮 廓 在暗适应中,两种细胞对光的感受度都增高, 在暗适应中,两种细胞对光的感受度都增高,但锥体 细胞只增加几十倍, 细胞只增加几十倍,而杆体细胞的感受度却可以增加 几十万倍 暗适应包括两个基本过程: 暗适应包括两个基本过程:瞳孔大小变化和视网膜感 光化学物质的变化. 光化学物质的变化. 明适应:从黑暗处走到强光下,开始觉得炫目, 明适应:从黑暗处走到强光下,开始觉得炫目,睁不 开眼睛,大约1分钟后才能看清楚周围物体 分钟后才能看清楚周围物体. 开眼睛,大约 分钟后才能看清楚周围物体.
第二章 光度与色度
2.1人眼的构造和感光机理 人眼的构造和感光机理
2.1.1人眼的构造 人眼的构造
人眼的外形是一个直径大约23mm的球体,眼球壁由巩膜,脉络膜和视 的球体,眼球壁由巩膜, 人眼的外形是一个直径大约 的球体 网膜组成 最外层是巩膜,呈白色,是眼球的保护层,其前面1/6部分是透明的角 最外层是巩膜,呈白色,是眼球的保护层,其前面 部分是透明的角 膜. 脉络膜紧贴巩膜,其前面的环形部分为虹膜,人眼的颜色由虹膜中的色 脉络膜紧贴巩膜,其前面的环形部分为虹膜, 素决定,虹膜中央有一个直径可在2-8mm之间变化的小孔,称为瞳孔. 之间变化的小孔, 瞳孔. 素决定,虹膜中央有一个直径可在 之间变化的小孔 称为瞳孔 眼球的第三层为视网膜,约占眼球内表面的2/3.由无数感光细胞组成. 由无数感光细胞组成. 眼球的第三层为视网膜,约占眼球内表面的 由无数感光细胞组成 角膜内是前室,含有水状液体,瞳孔后面是水晶体, 角膜内是前室,含有水状液体,瞳孔后面是水晶体,是扇球形弹性透明 起到透镜的作用,其曲率由睫状肌调节从而改变焦距, 体,起到透镜的作用,其曲率由睫状肌调节从而改变焦距,观察不同距 离处的景物.水晶体后面是后室,充满了透明的胶质. 离处的景物.水晶体后面是后室,充满了透明的胶质.
430 ~ 390
光与色彩
人能够看到色彩,其过程是: 人能够看到色彩,其过程是: 光源
光线 吸收 反射
物体
人眼
即:光源发出光线,照射到物体上被物体 光源发出光线, 吸收一部分, 吸收一部分,反射出一部分光线到达人 眼中激发起人眼的感觉. 眼中激发起人眼的感觉.
无法显 示图 像.计 算机可 能没有 足够的 内存以 打开该 图像, 也可
眼球断面图
光敏细胞分为杆状细胞和锥状细胞
锥状细胞:约有 万个锥状细胞, 锥状细胞:约有700万个锥状细胞,分布在正对瞳孔的 万个锥状细胞 视网膜中央区域(黄斑区)锥状细胞既能感光, 视网膜中央区域(黄斑区)锥状细胞既能感光,又能感 但感光灵敏度不高,主要在强光条件下工作. 色,但感光灵敏度不高,主要在强光条件下工作. 锥状细胞直径为2.5～7.5um. 锥状细胞直径为 ～ . 杆状细胞:约有 亿个杆状细胞, 杆状细胞:约有1.2亿个杆状细胞,越远离黄斑区锥状 亿个杆状细胞 细胞越少,在接近边缘区域的几乎全是杆状细胞. 细胞越少,在接近边缘区域的几乎全是杆状细胞.杆状 细胞只能感光,不能感色,但感光灵敏度高, 细胞只能感光,不能感色,但感光灵敏度高,是锥状细 胞的10000倍,主要在弱光条件下工作.杆状细胞直径 胞的 倍 主要在弱光条件下工作. 为20um左右 左右 杆状细胞和锥状细胞经过双极细胞与视神经细胞相连,视 杆状细胞和锥状细胞经过双极细胞与视神经细胞相连, 神经细胞经过视神经纤维通向大脑. 神经细胞经过视神经纤维通向大脑.
2.1.2 人眼感光机理
大致分为四个步骤: 大致分为四个步骤: 第一步:景物经过水晶体聚焦于视网膜形成"光象" 第一步:景物经过水晶体聚焦于视网膜形成"光象". 视网膜上各点光敏细胞受到不同强度有光刺激 第二步: 第二步:因上述光学变化使视网膜上点产生与光照度 成正比的电位,即在视网膜上将"光象"变成" 成正比的电位,即在视网膜上将"光象"变成"电位 象". 第三步: 第三步:视网膜上各点的电位分别促使各对应的视神 经放电, 经放电,放电电流是振幅恒定而频率随视网膜电位大 小变化的电脉冲.换句话说,视神经将网膜的" 小变化的电脉冲.换句话说,视神经将网膜的"电位 按频率偏码方式传送给视觉皮质. 象"按频率偏码方式传送给视觉皮质. 第四步:视觉皮质通常用接收到多达200万个频率编 第四步:视觉皮质通常用接收到多达 万个频率编 码的电脉冲信号, 码的电脉冲信号,首先将它们分别存入视网膜光敏细 胞相对应的细胞特殊表面中, 胞相对应的细胞特殊表面中,然后进行综合的图像信 息处理使人产生视觉,看到景物的图象. 息处理使人产生视觉,看到景物的图象.
色彩的波长
大致分为人眼易于辨别的7种 大致分为人眼易于辨别的 种
色彩
英语名
红
Red
橙
Orang e
黄
Yello w
Fra Baidu bibliotek
绿
青
蓝
Blue
紫
Purpl e
Gree Cyan n
760 波长 ~ (nm) ) 610 色样
610~ 590
590 ~ 570
570 500 460 ~ ~ ~ 500 460 430
二,辐射通量
光源辐射通量:就是指其辐射功率 光源辐射通量: 光源对某面积的辐射通量是指: 光源对某面积的辐射通量是指:单位时间内通过该面 积的辐射能量; 积的辐射能量; 光源总的辐射功率(或总辐射通量) 光源总的辐射功率(或总辐射通量)是指单位时间内 通过包含光源的任一球面的辐射能量. 通过包含光源的任一球面的辐射能量.其单位是瓦 焦耳/秒 (焦耳 秒). 通常光源发出的光是由各种波长组成的, 通常光源发出的光是由各种波长组成的,每种波长都 是具有各自的辐射通量. 是具有各自的辐射通量.光源总的辐射通量应该是各 个波长辐射通量之和. 个波长辐射通量之和.
2.2光的特性与人眼视觉特性 光的特性与人眼视觉特性
一,光的特性
光学和电磁场理论指出:光是一种可以看得见的电磁波,.电磁 光学和电磁场理论指出:光是一种可以看得见的电磁波,.电磁 ,. 波的谱极为宽广,它包适无线电波,可见光谱,紫外线, 射线 波的谱极为宽广,它包适无线电波,可见光谱,紫外线,X射线 和宇宙射线等. 和宇宙射线等. 可见光谱的波长范围在390～760nm之间,随着波长的变化, 之间, 可见光谱的波长范围在 ～ 之间 随着波长的变化, 人眼主观感随之变化,表现为两个重要特性: 人眼主观感随之变化,表现为两个重要特性: 1,不同波长的不具有不同的光颜色.若光的波从 ,不同波长的不具有不同的光颜色.若光的波从760nm依次递 依次递 减变化到390nm,光的颜色红,橙,黄,绿,青,蓝,紫,比 减变化到 ,光的颜色红, 760nm更长的电磁辐射是红外线,比390nm更短的电磁辐射是 更长的电磁辐射是红外线, 更长的电磁辐射是红外线 更短的电磁辐射是 紫外线. 紫外线. 2,辐射功率相同但波长不同的光给人眼的亮度不相同. ,辐射功率相同但波长不同的光给人眼的亮度不相同.
三,光谱光效率函数
辐射功率相同波长不同的光对人眼产生的亮度感觉是 不相同的. 年国际照明委员会( 不相同的.1933年国际照明委员会(CIE)经过大量 年国际照明委员会 ) 实验和统计, 实验和统计,给出人眼对不同波长光亮度感觉的相对 灵敏度,称为光谱光效率函数. 灵敏度,称为光谱光效率函数.
光谱光效率曲线
光谱光效率函数的意义是:达到同样的亮度时, 光谱光效率函数的意义是:达到同样的亮度时,不同波长 的光所需要的能量的倒数. 的光所需要的能量的倒数. 实验表明:波长等于555nm的黄绿光光的光谱光效率最 实验表明:波长等于 的黄绿光光的光谱光效率最 高,人眼对其它波长光的亮度感觉灵敏度均小于黄绿光 ),故其它波长光的 (555nm),故其它波长光的光谱光效率函数V(λ)与 ),故其它波长光的光谱光效率函数 ) 黄绿光相比都小于1. 黄绿光相比都小于 . 例如波长为660nm的线光的光谱光效率函数V(660)- 的线光的光谱光效率函数 例如波长为 )- 0.061,所以,这种红光的的辐射功率应比黄绿光 ,所以, ),才能给人相同 (555nm)大16倍(即1/0.061=16),才能给人相同 ) 倍 = ), 的亮度感觉. 的亮度感觉.
二人眼的亮度感觉特性
明暗视觉
前面讨论的人眼的相对视敏函数曲线表明的是在白天正 常光照下人眼对各种不同波长光的敏感程度, 常光照下人眼对各种不同波长光的敏感程度,它称为 明视觉视敏函数曲线, 中实线所示, 明视觉视敏函数曲线,如P33图2.2中实线所示,明视 图 中实线所示 觉过程主要是由锥状细胞完成的,它既产生明感觉, 觉过程主要是由锥状细胞完成的,它既产生明感觉, 又产生彩色感觉. 又产生彩色感觉. 在弱光条件下,人眼的视觉过程主要由杆状细胞完成. 在弱光条件下,人眼的视觉过程主要由杆状细胞完成. 而杆状细胞对各种不同波长光的敏感程度将不同于明 视觉视敏函数曲线, 视觉视敏函数曲线,表现为对波长短的光敏度感有所 增大.即曲线向左移,这条曲线称暗视觉敏函数曲线, 增大.即曲线向左移,这条曲线称暗视觉敏函数曲线, 中虚线所示. 如P33图2.2中虚线所示.在弱光条件下,杆状细胞只 图 中虚线所示 在弱光条件下, 有明暗感觉,而没有彩色感觉. 有明暗感觉,而没有彩色感觉.
其所以如此之宽,是由于依靠了瞳孔和光敏细胞的调节作用. 其所以如此之宽,是由于依靠了瞳孔和光敏细胞的调节作用.瞳 孔根据外界光的强弱调节其大小, 孔根据外界光的强弱调节其大小,使射到视网膜上的光通量尽可 能是适中的.在强光和弱光下,分别由锥状细胞和杆状细胞作用, 能是适中的.在强光和弱光下,分别由锥状细胞和杆状细胞作用, 而后者的灵敏度是前者的1万倍 万倍. 而后者的灵敏度是前者的 万倍. 根据人眼对实际亮度明暗感觉的相对性,察觉实际亮度变化能力有 根据人眼对实际亮度明暗感觉的相对性 察觉实际亮度变化能力有 限性,在电视系统中,不必传送原景物的实际亮度, 限性,在电视系统中,不必传送原景物的实际亮度,只需保持原 景物点的相对亮度不变.通常只要保证景物最大亮度Bmax和最 和最 景物点的相对亮度不变.通常只要保证景物最大亮度 小亮度Bmin的比值 不变;C=Bmin/Bmax称为对比度.另外, 的比值C不变 称为对比度. 小亮度 的比值 不变; = 称为对比度 另外, 对于人眼不能察觉的亮度变化,不必精确地重现, 对于人眼不能察觉的亮度变化,不必精确地重现,只要保证重视 图像和原景物有相同的亮度级数.简言之,只要重视图象与原景 图像和原景物有相同的亮度级数.简言之, 物对人眼具有相同的对比度和相同的亮度级数, 物对人眼具有相同的对比度和相同的亮度级数,就能给人以真实 的感觉. 的感觉.