模拟 第1章 视觉特性与三基色原理

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1.2 人眼的视觉特性
亮度视觉 色度视觉 对黑白图像细节的分辨力 对彩色图像细节的分辨力 视觉惰性
眼睛的构造
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1、亮度视觉——视觉灵敏度
光谱光效能:衡量视觉对波长为 λ的光的敏感程度
光谱光效能函数:
K (λ ) P(555) ν(λ) = = K (555) P( λ )
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几个度量单位
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什么是三基色原理?
自然界绝大多数的彩色可以分解为三基色; 三基色按照一定比例混合,可得到自然界中绝大多数的彩色。 混合色的色调和饱和度由三基色的混合比例决定,混合色的 亮度等于三种基色亮度之和。

关于三基色 (1)三色互相独立 (2)混合色的亮度 (3)混合色的色调 R: 700nm G:546.1nm B:435.8nm
对于
F = R[ R] + G[G ] + B[ B]
( R + 4.5907G + 0.0601B ) lm 光通量 | F |=
对于某些高饱和度的单色光,系数出现负值: 例如:
F + B[ B] = R [ R ] + G [G ]
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分布色系数与混色曲线: 所谓分布色系数是指辐射功率为1瓦(注意:不是1光瓦) 波长为 λ 的单色光所需要的三基色的单位数,分别用 r (λ ) g (λ ), b(λ ) 表示。 若用F0(λ)表示辐射功率恒定为1瓦,但波长 λ 可改变的单 色光,则:
可得 r : g : b = r : g : b
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由于相对色系数r、g、b之和等于1。所以知道其中任 意二个(例如r和g)就可以算出第三个(例如b=1-r -g)。因此,可以用r-g平面坐标作出包罗所有实际 颜色的色度图,即RGB色度图。

根据谱色光的 分布色系数:
r , g , b & r , g , b的关系
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2、彩色视觉——色度感觉
V(λ ) 1.0 0.8 0.6 VB(λ ) 0.4 20 0.2 0 400 500 波长 /n m 600 700 VG(λ )
VR(λ )
三基色原理
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3、黑白细节分辨力——人眼对景物细节的分辨能力
θ
d
L
2πL = θ 360 × 60 d θ = 3438 (单位为' ) L d
待配彩色
2、配色方程与色系数
F = R[ R] + G[G ] + B[ B]
F 为任意一个彩色光; [R]、[G]、[B] 为三基色单位; R、 G、B 为三色系数
[R]、[G]、[B] ?
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FE白 = 1[ R ] + 1[G ] + 1[ B ]
R : G : B = Βιβλιοθήκη Baidu: 4.5907 : 0.0601
红 r g b 1 0 0
橙 3/4 1/4 0
黄 1/2 1/2 0
绿 0 1 0
青 0 1/2 1/2
蓝 0 0 1
品红 1/2 0 1/2
白 1/3 1/3 1/3
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红 r g b 1 0 0
橙 3/4 1/4 0
黄 1/2 1/2 0
绿 0 1 0
青 0 1/2 1/2
分布色系数曲线 (混色曲线)
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若彩色光是等能白光,其 功率常数,又R=G=B,所以:
此时三条混色曲线下的面 积相等。
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3.相对色系数与RGB色度图

在许多情况下,只需要讨论景物与图象的色度,而不涉及其 亮度。色度只由三色系数R、G、B的比例决定,与它们数值 大小无关。令三色系数之和为m: m=R+G+B m称为色模 并令 r=R/m , r、g、b称为相对色系数 g=G/m , 或 色度坐标 b=B/m 显然 r+g+b=1。 上述式中,m反映了色光的亮度;它们的每一组数值都 确定了一种颜色的色度。 于是,配色方程可以写为
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3
太阳辐射功率谱 (功率波谱:指辐射功率随波长而变化的情况)
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单色光:只含有单一波长成分的光; 复合光:包含两种及以上波长成分
的光。
复合光作用于人眼,呈现混合色。 例如,太阳辐射的光含有七种单色光 的波谱,但却给人以白光的综合感觉。
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光的分解: 太阳发出的白光中包含了所有的可见光,若把太阳辐射的一 束光投射到棱镜上太阳光会经过棱镜分解成一组按红、橙、黄、 绿、青、蓝、紫顺序排列的连续光谱。被分解之后的色光,若再 次经过棱镜,它是不能再分解了。 这种单一波长的色光也称谱色光。
标准光源:(CIE)ABCDE
A 光源:色温为2854K。 A光源的光 总带着橙红色。 B 光源:色温为4800 K。在实验室 中可由特制的滤色镜从A光源中获得。 (直射阳光) C 光源:色温为6800K。C光源的光 偏蓝色。它是NTSC制彩色电视系统 的标准白光光源。 (平均日光,光色相当于有云的天空光) D 光源:色温为6500K,又称D65光源。 它是PAL制彩色电视系统的标准白光 光源。 (典型日光)
第一章 视觉特性与三基色原理
主要内容: 1.1 光的特性 1.2 人眼视觉特性 1.3 三基色原理与色度图 1.4 彩色的重现
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1.1
光的特性
1.1.1 电磁波辐射波谱: 光是人类眼睛所能观察到的一种电磁辐射,电磁波的 可见光谱范围为380~780nm。光具有波粒二象性。 可见光占据的频率范围如图所示:
求出各谱色光的色度 坐标值。在色度图中, 谱色光的轨迹是一条 舌形曲线,称为谱色 轨迹
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RGB色度图说明:

r 红基色 1 0 0 1/3
g 0 1 0 1/3
b 0 0 1 1/3



三基色坐标:彩色三角形; 绿基色 白光坐标:三角形重心; 在彩色三角形内,r,g,b均为正, 蓝基色 其内彩色可由三基色配出; 等能E白 在彩色三角形外, r,g,b至少有一为负, 其外彩色无法由三基色配出; 谱色轨迹不闭合:不包括[R][B]连线。该直 线上的色光由红蓝相混,为非谱色; 自然界所有彩色都可用整个闭合曲线及其内 部的相应点的坐标表示;坐标位置越靠近谱 色轨迹,所对应的彩色越纯,即饱和度越高。 越接近E点,所对应的彩色饱和度越低; 波长为700nm—780nm的谱色,其色度差 极小,在图中用一点代表。
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物体的颜色
1、发光体和不发光体 2、波长与颜色的关系

波长(nm) 380--430 430--470 470--500 500--560 560--590 590--620 620--780
颜色 紫 蓝 青 绿 黄 橙 红
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颜色和波长不是单值关系, 具有一定的色域; 单色光的颜色是连续的,且 色感还随光的强度而变化; 表中波长界限是不严格的; 自然界很少看见单色光。

光强(发光强度):光源在单位立体角内发出的光 通量。单位:坎(cd) 光通量:按人眼光感觉度量的辐射功率;单位:流 明(lm), 光瓦 (1光瓦=683流明) 照度:照射到物体表面的光通量与物体表面的面积 之比。单位:勒克斯 (lx) 亮度:发光面在指定方向的发光强度与发光面在垂 直于所取方向的平面上的投影之比。 单位:坎每平 方米 cd/m2
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标准光源:(CIE)ABCDE
E 光源:是一种理想的等能量的白光 源,其色温为5500 K。采用这种 光源方便 彩色电视系统中问题的 分析和计算。这种光源在实际中 是不存在的,是假想的光源。
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色温:
当绝对黑体在某一特定绝对温度下,所辐射的光谱与某光 源的光谱具有相同的特性时,则绝对黑体的这一特定温度就定 义为该光源的色温,单位以K表示。 例:温度保持在2800K时的钨丝灯泡所发的白光,与温度 保持在2854K的绝对黑体所辐射光的功率波谱基本一致,于是 称该白光的色温为2854K。 色温 ≠ 实际温度,而是表征光源波谱特性的参量。 相关色温: 当光源的光只与某一温度下绝对黑体辐射的光近似,而不 能精确等效。就把辐射光的特性与光源最相近的绝对黑体温度 称为该光源的相关色温。
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人造的标准光源主要有如下10种类型:
模拟蓝天日光——D65光源 色温:6500K D65--国际标准人工日光(Artificial Daylight) 色温:6500K 模拟北方平均太阳光——D75光源 色温:7500K 模拟太阳光——D50光源 色温:5000K 模拟欧洲商店灯光——TL84光源 色温:4000K TL84--欧洲、日本、中国商店光源 色温:4000K 模拟美国商店灯光——CWF光源 色温:4100K CWF--美国冷白商店光源(Cool White Fluorescent) 色温:4150K 模拟另一种美国商店灯光——U30光源 色温:3000K U30--美国暖白商店光源(Warm White Fluorescent) 色温:3000K 模拟指定的商店灯光——U35光源 色温:3500K U35--美国零售商塔吉特-Target指定对色灯管,色温3500k 模拟家庭酒店暖色灯光——F灯 色温:2700K F--家庭酒店用灯 色温:2700K 模拟展示厅射灯——Inca灯 色温:2856K A--美式厨窗射灯 色温:2856K 模拟水平日光——Horizon 色温:2300K TL83 --欧洲标准暖白商店光源 (Warm White ) 色温:3000K UV--紫外灯光源(Ultra-Violet) 波长:365nm
= f c a lg Lm + b
t1 t2 t
(b)
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1.3 色度、色度图、三基色原理
1.3.1 彩色三要素: 亮度:指彩色光作用于人眼引起明暗程度的感觉。 色调:即彩色光的颜色类别。 饱和度:是指颜色的深浅程度,即颜色的浓度。

色调和饱和度合称为色度。 在彩色电视系统中,所谓传输彩色图像,实质上是传输图 像像素的亮度和色度。
F= m{r[ R] + g[G ] + b[ B]}
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r, g , b 与 r , g , b 的关系
= r r /(r + g + b ) = g g /(r + g + b ) = b b /(r + g + b )
三色系数 相对色系数 分布色系数
令 m =r + g +b
有r = r /m g = g / m b =b /m
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每条曲线都有一段负值。其含 义是:是可见光谱范围内,有些 纯度很高的颜色不能由物理学三 基色直接相加得到,必须将带负 号的一个基色搬到待配的单色光 一边,才能使比色计两边的彩色 完全相同。 若已知某彩色的辐射功率谱 P(λ),求其三色系数时,可不 必再进行配色实验,而直接根据 CIE提供的分布色系数数据计算 求出:
分辨力=1/θ
影响分辨力的因素: 1)与物体在视网膜上成象 的位置有关。 2)与照明强度有关。 3)与对比度有关。 4)与被观察物体运动速度 有关。
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4、彩色细节分辨力
人眼对彩色细节分辨能力较差 大面积着色原理
人眼的彩色分辨率实验
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5、视觉惰性
光脉冲亮度
(a)
t
临界闪烁频率: ~46Hz
视觉亮度
Fo (λ ) = r (λ )[ R] + g (λ )[G ] + b (λ )[ B]
通过大量实验,CIE分别于1931年和1964年公布了两组分布色系数 的标准数据。1931年的数据适用于1° ~4° 视场,1964年公布的数据 适用于大于4° 的视场,下表列出了1931年CIE公布的部分数据。根据 表绘制出分布色系数曲线(称为混色曲线)。
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混色
相加混色
(1)空间混色 (2)时间混色 (3)生理混色
红色+绿色=黄色 绿色+蓝色=青色 蓝色+红色=紫色 红色+绿色+蓝色=白色
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相减混色
(1)颜料三基色 (2)互补色
红色+青色=白色 绿色+紫色=白色 蓝色+黄色=白色
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1.3.2 RGB计色制
1、配色实验
三基色光源 R G B 光量调节 视场
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4.麦克斯韦计色三角形


麦克斯韦(J.C.Maxwell)首先用等边三角形简单而直观地表示颜色的色度, 这个三角形称为Maxwell颜色三角形。三个顶点分别表示[R]、[G]、[B],三 角形内任一点都代表自然界的一种颜色,如果设每个顶点到对边的距离为1, 则三角形内任一点P到三边距离之和等于1(这由几何知识不难证明)。 如果令P点到红、绿、蓝三顶点对应的三边的距离分别为r、g、b,则r、g、b 就是P点所代表彩色的色度坐标,表中列出了红、橙、黄、绿、青、蓝、品红、 E白的色度坐标值,由这些色度坐标值就可以确定它们在麦克斯韦颜色三角形 中的位置.
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