光與視覺的基礎(chǔ)知識介紹

1、 7/71光與視覺的基礎(chǔ)知識介紹 光與視覺的基礎(chǔ)知識 郭奉杰 杭州浙大三色儀器有限公司 人眼的視覺特性 ?光是一種電磁波，廣義上它的波長從幾個納米至一毫米左右，而人眼所能看見的只是一小部分，通常波長范圍為380nm至780nm，我們把這部分光稱為可見光。 ?可見光的波長不同，引起人眼的顏色感覺就不同。 單色光波長由長至短，對應(yīng)的顏色感覺由紅到紫。 一般認(rèn)為: ?紅色780nm620nm 橙色620nm590nm 黃色590nm560nm ?黃綠色560nm530nm 綠色530nm500nm 青色550nm470nm ?藍(lán)色470nm430nm 紫色430nm380nm ?上述的范圍只是根據(jù)人

2、們的習(xí)慣大致劃分。實(shí)際 上隨著波長的變化，顏色是連續(xù)漸變的，沒有嚴(yán) 格的界限。 ?物體分為發(fā)光體和不發(fā)光體。 ?發(fā)光體的顏色由它本身發(fā)出的光譜所確定，如白熾燈發(fā)黃和日光燈發(fā)白。 ?不發(fā)光體的顏色與照射光的光譜和不發(fā)光體對照射光的反射、透射特性有關(guān)。如綠葉反射綠色的光、吸收其他顏色的光而呈現(xiàn)綠色；綠葉拿到暗室的紅燈下觀察成了黑色。 ?由此可見，光是一種客觀存在的物質(zhì)，而色是人眼對這種物質(zhì)的視覺反應(yīng) 白熾燈鹵粉熒光燈低壓汞燈 三基色熒光燈三基色綠粉藍(lán)色LED 色溫與標(biāo)準(zhǔn)光源 ?照明光源的作用非常重要，其光譜功率分布情況會直接影響被照物體的顏色。通常的照明光源，如太陽光、日光等發(fā)的光雖然都是白光，但

3、它們的光譜成分相差很大，用它們照射相同物體時，呈現(xiàn)的顏色則相差較大。根據(jù)CIE （國際照明委員會）的規(guī)定，使用的標(biāo)準(zhǔn)光源主要有A、B、 C、D 、E五種，并以“色溫”來表征。 65 ? 1. 色溫 ?光源的色溫是用來描述光源的光譜分布的物理量。在色度學(xué)上，它通常用光源的光與絕對黑體發(fā)出的光相比較，并用絕對黑體的絕對溫度來表征。 ?絕對黑體是指既不反射也不透射光線，而能完全吸收入射光的物體。當(dāng)絕對黑體被加熱時，能以電磁波形式向外輻射能量，其光譜能量的分布只與加熱的溫度有關(guān)，溫度低時光譜能量偏重于長波長區(qū)，溫度升高時光譜能量逐漸偏重到短波長區(qū)。 ?光源的色溫:當(dāng)光源的可見光譜與某溫度的絕對黑體的輻

4、射的可見光譜相同或接近時,就將此時絕對黑體的絕對溫度稱為該白光源的色溫。例如，一個溫度為2800K的鎢絲燈泡所發(fā)出的光色與絕對黑體在溫度為2856K時的光譜相同，則該燈泡所發(fā)出的光的色溫就是2856K。 ?要注意的是，色溫用來表示光源的光譜特性，并非光源的實(shí)際溫度。引入“色溫”的概念，是為了進(jìn)行色度的計算和白光的比較。 標(biāo)準(zhǔn)白光源 ?使用的標(biāo)準(zhǔn)光源主要有A 、B 、C 、D 65、E 五種，其光譜功率分布曲線如圖幾種標(biāo)準(zhǔn)光源的光譜分布所示。 ? ?A 光源: 色溫為2856K ，相當(dāng)于2800K 鎢絲燈所發(fā)的光。? ?B 光源: 色溫為4874K ，相當(dāng)于中午直射的太陽光。? ?C 光源: 色

5、溫為6774K ，相當(dāng)于白天的自然光? ?D 65光源: 色溫為6504K ，相當(dāng)于白天平均照明光 ?E 光源: 色溫為5500K ，是一種理想的等能量的白光（E 白），實(shí)際并不存在，它的采用可簡化色度學(xué)的計算。 幾種標(biāo)準(zhǔn)光源的光譜分布 光譜光視效率 ?視神經(jīng)細(xì)胞分為桿狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞。桿狀細(xì)胞主要決定人眼對弱暗光的視覺反應(yīng)，錐狀細(xì)胞產(chǎn)要決定人眼對明亮光的視覺反應(yīng)。視神經(jīng)細(xì)胞對不同波長的感光靈敏度不一樣，對綠光的靈敏度最高，而對藍(lán)光和紅光的靈敏度則低得多。圖為CIE推薦的人眼的相對光譜光視效率函數(shù)曲線，分別稱為“明視覺光譜光視效率V()”和“暗視覺光譜光視效率V()”。 ?人眼對顏色的感覺主要

6、由錐體細(xì)胞起作用，而且錐體細(xì)胞只有當(dāng)亮度大于幾個cd/M2以上時才起作用。根據(jù)三色學(xué)說及多年來的大量實(shí)驗證明，人眼視網(wǎng)膜上含有三種不同類型的錐體細(xì)胞，分別含有三種不同的視色素，這三種不同光譜敏感性的視色素的光譜吸收峰值分別約在440-450nm；530-540nm；560-570nm處，分別稱為親藍(lán)、親綠、親紅視色素。外界光輻射進(jìn)入人眼時被三種錐體細(xì)胞按它們各自的吸收特性吸收，細(xì)胞色素吸收光子后引起光化學(xué)反應(yīng)，視色素被分解漂白，同時觸發(fā)生物能，引起神經(jīng)活動，將視覺信息通過雙極細(xì)胞和神經(jīng)節(jié)細(xì)胞傳至神經(jīng)中樞，引起顏色刺激。 ?光通量(Luminous flux) ?光通量是光源在單位時間內(nèi)發(fā)出的光

7、量，也即為輻射通量（或輻射功率）能夠被人眼視覺系統(tǒng)所感受的那部分有效當(dāng)量。?單位是流明(lumen)，簡寫為lm 。 ?當(dāng)=555nm時的單色光輻射功率為1W時，產(chǎn)生的光通量為683 lm，或稱1光瓦。在其它波長時，由于相對視敏函數(shù)下降，相同輻射功率產(chǎn)生的光通量隨之下降。 彩色三要素 ?彩色三要素指的是彩色光的亮度、色調(diào)、飽和度這三個量。 ?亮度：指彩色光作用于人眼而引起的視覺上的明亮程度。光源的輻射能量越大，亮度就越高；不發(fā)光體的反射能力越強(qiáng)，亮度越高。 ?復(fù)合光的亮度等于各個分量光的亮度之和。?另外，亮度還和波長有關(guān)，能量相同而波長不同的光對視覺引起的亮度感覺也不相同，這就是已經(jīng)介紹過的視

8、敏特性。 ?色調(diào)：指彩色的顏色類別。我們通常所說的紅、綠、藍(lán)等指的就是色調(diào)。前面講到不同波長的光顏色不同，也是指的色調(diào)不同。 ?飽和度是指彩色的深淺、濃淡程度。對于同一色調(diào)的彩色光，飽和度越高，顏色就越深、越濃。各種譜色光都是飽和度最高的彩色。飽和度與彩色光中摻入的白光比例有關(guān)，摻入的白光越多，飽和度就越小。因此，飽和度也稱為色純度。 ?飽和度的大小用百分制衡量，100的飽和度表示彩色光中沒有白光成分，所有譜色光的飽和度都是100；飽和度為零表示全是白光，沒有任何色調(diào)。 ?色調(diào)和飽和度合稱為色度，它既說明了彩色光的顏色類別，又說明了顏色的深淺程度 三基色原理 ?人們通過大量實(shí)驗發(fā)現(xiàn)，用三種不同

9、顏色的單色光按一定比例混合，可得到自然界中絕大多數(shù)的彩色。具有這種特性的三個單色光叫三基色光，而這一發(fā)現(xiàn)也被總結(jié)成三基色定理，其主要內(nèi)容如下： ?自然界中絕大多數(shù)彩色都可以由三基色按一定比例混合而得；反之，這些彩色也可以分解成三基色； ?三基色必須是相互獨(dú)立的，即其中任何一種基色都不能由其它兩種基色混合得到； ?混合色的色調(diào)和飽和度由三基色的混合比例決定； ?混合色的亮度是三基色亮度之和。 ?另外，任何一種顏色都有一個相應(yīng)的補(bǔ)色。所謂補(bǔ)色，就是它與某一顏色以適當(dāng)比例混合時，可產(chǎn)生白色。紅、綠、藍(lán)的補(bǔ)色分別是青、品紅、黃。 色度系統(tǒng) ?彩色同其它物理量一樣，可以進(jìn)行計算和度量。三基色原理是彩色計

10、量的基礎(chǔ)。?彩色的計量是通過確定三基色光對人眼的刺激程度來進(jìn)行的，因此，需要規(guī)定三基色光的精確波長值和三基色光對人眼刺激程度的單位量。 ?這里介紹幾種常用的色度系統(tǒng) RGB色度系統(tǒng) ?對于任意給定的彩色光F，其配色方程可寫成 ?F RR + GG + BB ?如果用相互垂直的三個坐標(biāo)軸分別表示三個相互獨(dú)立的基色R、G、B，那么任意一個彩色就能用此三維空間中的一個彩色矢量來表征。 ?利用配色試驗所得數(shù)據(jù)，常因人而異。因此，CIE推薦了一種國際通用的標(biāo)準(zhǔn)分布色系數(shù)數(shù)據(jù)，它是由很多正常視覺觀測者的觀測結(jié)果取平均所組成。所謂分布色系數(shù)是指輻射功率為1瓦（注意，不是1光瓦）波長為l 的單色光所需要的三基

11、色的單位數(shù)，分布色系數(shù)：配出輻射功率為1 瓦、波長為的單色光所需要的三個某色光的單位數(shù)。 用r()、g()、b() 表示。 ?色度坐標(biāo)或相對三色系數(shù)r、g、 b： ?m = R + G + B 稱為色模 ?r = R/m ?g = G/m ? b = B/m ?r + g + b = 1 ?所以混合色的色度唯一地由r、 g、b中的兩個就可以明確地表 示。因此各種彩色的色度可以 采用二維表示法。 CIE1931 RGB色度圖 ?譜色軌跡：根據(jù)各譜色光的色度坐標(biāo)值可繪出可見光譜在r一g平面上的坐標(biāo)位置。由它們連接而成的一條舌形曲線，稱為譜色軌跡 ?自然界中的彩色（也稱實(shí)色）都能用整個閉合曲線及其內(nèi)

12、部的相應(yīng)點(diǎn)的坐標(biāo)表示。坐標(biāo)位置越靠近譜色軌跡，所對應(yīng)的彩色越純，即飽和度越高；而越靠近E 點(diǎn)，所對應(yīng)的彩色的飽和度越低。 ?RGB 計色制的缺點(diǎn) 在色度圖上不能直接表示出亮度，計算某色光的亮度非常復(fù)雜和不方便。 混色曲線r()、g()、b() 中有負(fù)值存在，計算和實(shí)際測量容易出差。 譜色軌跡不全在坐標(biāo)的第一象限內(nèi)，作圖也感不便。 XYZ色度系統(tǒng) ?XYZ 制的基本思想：選三個基色單位X、Y、Z，它所組成的三角形將單色光頻譜全面包圍在內(nèi)，而且使三個色坐標(biāo)中的一個恰好等于色光的亮度。 ?在XYZ制中，配色方程為F = XX + YY + ZZ?三基色單位X、Y、Z 滿足的三個條件：用它們配出實(shí)際彩

13、色時，三個色系數(shù)X、Y、Z 均為正值。 為了便于計算，使合成彩色光的亮度僅由YY 確 定，并規(guī)定1Y 的光通量為1 光瓦。 當(dāng)X = Y = Z 時，仍代表等能白光E白。 CIE 1931 XYZ 色度圖 ? 由W 點(diǎn)（等能白光）引向譜色軌跡的直線均為等色調(diào)波長線，其與譜色軌跡的交點(diǎn)所對應(yīng)的波長，即為該直線上各點(diǎn)彩色的色調(diào)波長。? 等飽和度線由色調(diào)波長不同而飽和度相同的各點(diǎn)聯(lián)成的曲線。? 在等色調(diào)波長線WG 上，越靠近W 點(diǎn)，飽和度越低，到W 點(diǎn)則成為純白光；越靠近譜色軌跡，則飽和度越高（越純），到譜色軌跡上成為相應(yīng)波長的單色光F 。?某彩色光F 的飽和度： ?補(bǔ)色波長如WK 的補(bǔ)色波長為WM

14、 的 540nm % 100=WG WF S F ?由人眼分辨顏色變化的能力是有限的，故對色度差很小的兩種顏色，人眼分辨不出它們的差異。只有當(dāng)色度差增大到一定數(shù)值時，人眼才能覺察出它們的差異，人眼剛剛能覺察出顏色差別所對應(yīng)的色度差稱為剛辨差JND（Just Noticeable Difference）。通過實(shí)驗表明：在CIE色度圖上，不同位置或者同一位置的不同方向，人眼的剛辨差是不相同的。 ?1942年麥克亞當(dāng)（Macadam）對25種色光進(jìn)行實(shí)驗，在每個色光點(diǎn)大約沿5到9個對側(cè)方向上測量剛辨差。結(jié)果得到的是一些面積大小各異、長短軸不等的橢圓，稱為麥克亞當(dāng)橢圓，不同位置的麥克亞當(dāng)橢圓面積相差很

15、大，靠近520nm處的橢圓面積大約是400nm處隨圓面積的20倍。這表明人眼對藍(lán)色區(qū)域顏色變化相當(dāng)敏感，而對飽和度較高的黃、綠、青部分的顏色變化不太敏感。 ?經(jīng)過某種投影變換，能使各點(diǎn)的剛辨差的均勻性比XYZ計色坐標(biāo)系要好得多，這就是均勻色標(biāo)系統(tǒng)(制) CIE 1964 UCS色度圖 CIE1960色度空間及色差公 式 ?從一開始研究色彩學(xué)，人們?yōu)榱耸股试O(shè)計和復(fù)制更精確、更完美，為色彩的轉(zhuǎn)換和校正制定合適的調(diào)整尺度或比 例，減少由于空間的不均勻而帶來的復(fù)制誤差，在不斷尋找一種最均勻的色彩空間，這種色彩空間，在不同位置，不同方向上相等的幾何距離在視覺上有對應(yīng)相等的色差，把易測的空間距離作為色彩

16、感覺差別量的度量。若能得到一種均勻顏色空間，那么色彩復(fù)制技術(shù)就會有更大進(jìn)步，顏色匹配和色彩復(fù)制的準(zhǔn)確性就得到加強(qiáng)。 ?從CIE1931RGB系統(tǒng)到CIE1931XYZ系統(tǒng)，再到CIE1960UCS系統(tǒng)，再到CIE1976LAB系統(tǒng)，一直都在向 均勻化方向發(fā)展。CIE1931XYZ顏色空間只是采用簡單的數(shù)學(xué)比例方法，描繪所要匹配顏色的三刺激值的比例關(guān) 系；CIE1960UCS顏色空間將1931xy色度圖作了線形變 換，從而使顏色空間的均勻性得到了改善，但亮度因數(shù)沒有均勻化。 ?為了進(jìn)一步改進(jìn)和統(tǒng)一顏色評價的方法，1976年CIE推薦了新的顏色空間及其有關(guān)色差公式，即CIE1976LAB（或L a b）系統(tǒng)，現(xiàn)在已成為世界各國正式采納、作為國際通用的測色標(biāo)準(zhǔn)。它適用于一切光源色或物體色的表示與計算。 CI