彩色電視基礎(chǔ)

彩色電視基礎(chǔ)第一頁，共三十八頁，2022年，8月28日3.1色度學(xué)基本知識(shí)

3.1.1光與色 一、可見光的光譜特性 可見光是一種頻率很高的電磁波，其波長范圍是380~780nm。不同的波長產(chǎn)生不同顏色的光，例如，波長為700nm的光波引起人眼紅色的感覺，波長為500nm的光波引起綠色的感覺，隨著波長從長到短變化，呈現(xiàn)的色光依次為紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫。電磁波波譜及可見光的波長如圖3-1(a)、(b)所示。第二頁，共三十八頁，2022年，8月28日?qǐng)D3-1電磁波波譜第三頁，共三十八頁，2022年，8月28日 由光的色散特性可知，由于三棱鏡對(duì)不同波長的折射率不同，太陽光通過三棱鏡折射后將依次呈現(xiàn)從紅到紫的連續(xù)彩色光譜帶。通常，把每一種單色光呈現(xiàn)的色調(diào)稱為譜色，兩種或兩種以上的單色光聚合，產(chǎn)生復(fù)合光，復(fù)合光呈現(xiàn)的混合色稱為非譜色。 二、光源與物體的顏色 色是人眼對(duì)不同光譜分布的主觀反映，物體呈現(xiàn)的顏色，不僅取決于物體本身反射或透射某種光譜的屬性，同時(shí)也取決于光源的特性。當(dāng)白色光照射不發(fā)光、不透明的物體時(shí)，一部分光波被吸收，一部分光波被反射或透射，由于反射光或透射光的光譜與入射光不同，因此物體呈現(xiàn)出一定的顏色。第四頁，共三十八頁，2022年，8月28日 例如太陽光照在綠葉上，日光中其余波譜成分全部被吸收，只反射綠色光，因而綠葉呈綠色。當(dāng)太陽光照射紅色的濾色片時(shí)，由于濾色片吸收其它色譜而只能讓紅色通過，因此紅色濾色片呈紅色。 照射光源不同，同一物體會(huì)使人眼感受到不同顏色，即物體所呈現(xiàn)的彩色與光源有關(guān)。這是因?yàn)楦鞣N光源所含的光譜不同，隨波長不同有不同的輻射能量，因此在不同光源照射下，同一物體會(huì)引起不同的彩色感。如白色光照射綠色物體呈現(xiàn)綠色，而紅光照射綠色物體呈暗黑色。即使同為白光源的白熾燈、日光燈、太陽光，它們也都呈現(xiàn)不同的顏色，如白熾燈呈黃紅色、日光燈呈白藍(lán)色等。第五頁，共三十八頁，2022年，8月28日 國際上規(guī)定了A、B、C、D65、E五種標(biāo)準(zhǔn)白光源，它們有各自不同的光譜特性。A光源代表鎢絲燈在溫度為2800K時(shí)發(fā)出的光，其光譜能量集中在紅光區(qū)，故A光源發(fā)黃紅色的光B光源接近于正午直射的陽光，將A光源通過濾色鏡可以得到B光源C光源相當(dāng)于白天的自然光，含藍(lán)色較多，也可通過特殊濾色片由A光源獲得，它被用作NTSC制彩色電視的標(biāo)準(zhǔn)白光源，稱為C白D65光源是模擬直射陽光與天空散射光混合的白光，它可以由彩色顯像管中三種彩色光混合得到，用作PAL制彩色電視的標(biāo)準(zhǔn)白光源E光源為假想的等能量白光，就是當(dāng)可見光譜范圍內(nèi)所有波長的光都具有相同的輻射能量時(shí)所產(chǎn)生的一種白光，是為簡化計(jì)算而假設(shè)的。第六頁，共三十八頁，2022年，8月28日 三、人眼的視覺特性 根據(jù)三基色學(xué)說，眼睛視網(wǎng)膜上存在許多視覺細(xì)胞，這些視覺細(xì)胞可分成兩類:一類是桿狀細(xì)胞,約一億三千萬個(gè)，它們感光靈敏度較高，但對(duì)彩色卻不敏感，在低照度時(shí)主要靠它辨別明暗另一類是錐狀細(xì)胞，約七百萬個(gè)，集中在視網(wǎng)膜，具有辨色能力(辨別光波波長)，但感光靈敏度較差，僅在光照較強(qiáng)時(shí)才起作用。錐狀細(xì)胞又分為紅敏、綠敏、藍(lán)敏三種色敏細(xì)胞，當(dāng)它們接受某種光源的輻射能量刺激后，根據(jù)三種刺激量的比例關(guān)系不同，就使人產(chǎn)生了不同的色感。

第七頁，共三十八頁，2022年，8月28日 第一章中曾討論過，人眼對(duì)黑白圖像細(xì)節(jié)分辨能力是有限的。而人眼對(duì)彩色細(xì)節(jié)的分辨能力更差，例如，將紅、綠兩個(gè)光源做得非常微小，人眼便在一定距離外分辨不出是兩個(gè)單色光源，而被感覺成為一個(gè)黃色光源。彩色顯像管正是利用了人眼的這種空間混色效應(yīng)。另外，由于人眼彩色分辨力差，在彩色電視系統(tǒng)中不必傳送彩色細(xì)節(jié)。圖3-2人眼的光譜響應(yīng)特性

第八頁，共三十八頁，2022年，8月28日 光波引起視覺的明暗感覺程度，不僅與光波的輻射功率有關(guān)，而且與人眼的主觀感覺有關(guān)。當(dāng)各種波長的光波輻射功率相同時(shí)，人眼對(duì)各波長的光波的主觀亮度感覺特性如圖3-2所示。由圖可知，在人眼有亮感的范圍內(nèi)，對(duì)不同波長的崐光波視覺靈敏度是不同的。對(duì)λ=550nm的光波，亮度感覺最靈敏。V(λ)表示相對(duì)此最大值而言的相對(duì)視敏度。 四、亮度、色調(diào)和飽和度 亮度、色調(diào)和飽和度稱為彩色三要素，由這三個(gè)參量可以確切地表示任何一種彩色光。 色調(diào)表示彩色的種類，如紅、橙、黃、綠、青、藍(lán)、紫等不同顏色，它取決于彩色的主色波長，改變色光的光譜成分就會(huì)引起色調(diào)的改變，它是彩色最基本的特性。

第九頁，共三十八頁，2022年，8月28日 色飽和度是指彩色的純度，即摻入白光的程度，或指顏色的深淺程度。對(duì)于同一色調(diào)的彩色光，飽和度越高則顏色越深或者說越純。比如，當(dāng)紅色加進(jìn)白光之后，雖基本色調(diào)還是紅色，但色飽和度降低，成為淺紅色。摻入白光越多其飽和度越低。 通常把色調(diào)與色飽和度通稱為色度。 亮度是指彩色光作用于人眼所引起的明亮程度的感覺，它與光的強(qiáng)度有關(guān)，對(duì)于同一物體，丈淶墓庠角反射光也越強(qiáng)，則越亮對(duì)于不同的物體，在相同照射下，反射越強(qiáng)者越亮。此外亮度感還與人眼光譜響應(yīng)特性有關(guān)，所以不同彩色的光，即使強(qiáng)度相同，當(dāng)照射同一物體時(shí)也會(huì)產(chǎn)生不同的亮度。第十頁，共三十八頁，2022年，8月28日

3.1.2三基色原理與配色方程 一、三基色原理 根據(jù)人眼彩色視覺特性，重現(xiàn)客觀景物的色彩，并不需要恢復(fù)原景物反射光的各光譜成分，只要求使人獲得與原景物色彩相同的主觀彩色感覺。 人們?cè)趯?shí)踐中發(fā)現(xiàn)，自然界中的各種顏色幾乎都可以由三種基色光按不同的比例混合得到。反之，任意一種彩色都可以被分解為三基色。但要求所選的三種基色光的色調(diào)必須是相互獨(dú)立的，即其中任一種基色都不能由其它兩種基色混合產(chǎn)生。三基色的大小決定彩色光的亮度，混合后彩色光的亮度等于各基色亮度之和。三基色的比例決定了色調(diào)，當(dāng)三基色混合比例相同時(shí)，色調(diào)相同。這就是三基色原理。利用三基色原理，就可以大大地簡化彩色電視信號(hào)的傳送與重現(xiàn)過程。第十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日?qǐng)D3-3混色圖第十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日 在彩色電視中，通常選用紅(R)、綠(G)、藍(lán)(B)作為三種基色光。 利用三基色按不同比例混合來獲得彩色的方法叫混色法。彩色的混合方式有兩種，一種是彩色光的混合，符合相加混色原理另一種是彩色顏料的混合，符合相減混色原理。彩色電視是相加混色?；焐疽鈭D如圖3-3所示。 由圖3-3(a)可見，等量的紅、綠、藍(lán)相加混色出白光，等量的紅、綠相加混色出黃光，等量的綠、藍(lán)相加混色出青光，等量的紅、藍(lán)相加混色出紫光。若改變它們間的混合比例，可以得到各種顏色的光。例如紅光與綠光混合時(shí)，如果紅光比例由小至大變化，將依次產(chǎn)生綠、黃綠、黃、橙、紅等顏色。第十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日 同理，當(dāng)紅、綠、藍(lán)三基色光以不同比例混合時(shí)，將會(huì)得到各種較淡的顏色，即飽和度較低的色調(diào)，如淡青、淡綠、淡紫、淡紅等等。由圖(a)還可以看出，黃、藍(lán)互為補(bǔ)色，該兩色相加相當(dāng)于紅、綠、藍(lán)相混，可以得到白光。同理綠、紫互補(bǔ)，紅、青互補(bǔ)。 相減混色原理是:因?yàn)轭伭鲜欠瓷潴w，本身不發(fā)光，而是利用顏料或染料的吸色性質(zhì)來實(shí)現(xiàn)混色。例如青色顏料能吸收紅光，它在白光照射下，白光中的紅光被吸收了，而反射出綠、藍(lán)兩種光譜，因此呈青色，即青色=白色-紅色。相減混色中三基色為黃、青、紫，如圖3-3(b)所示。青色與黃色顏料混合后呈現(xiàn)綠色，是由于青色顏料吸紅光，黃色顏科吸藍(lán)光，那么在白光照射下，只有綠色反射光了。第十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日 二、計(jì)色制與配色方程 根據(jù)三基色原理，我們將紅、綠、藍(lán)三種基色按不同比例混合，可以獲得各種色彩。國際規(guī)定下面三種光譜為基色光:波長為700nm的紅光作為紅基色，波長為546.1nm的綠光為綠基色，波長為435.8nm的藍(lán)光為藍(lán)基色。 從配色實(shí)驗(yàn)可知，配出標(biāo)準(zhǔn)E白光所需R、G、B三基色光通量之比為1∶4.5907∶0.0601，因此規(guī)定:光通量為1lm的紅基色光作為一個(gè)紅基色單位，并用［R］表示光通量為4.5907lm的綠基色光作為一個(gè)綠基色單位，并且崐［G］表示光通量為0.0601lm的藍(lán)基色光作為藍(lán)基色單位，并用［B］表示。以［R］、［G］、［B］為單位量進(jìn)行彩色度量的系統(tǒng)稱為RGB計(jì)色制。這三個(gè)用實(shí)驗(yàn)得到的實(shí)際彩色稱為物理三基色。于是E白光的配色方程可寫為第十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日

FLE=1［R］+1［G］+1［B］(3-1)

即一份［Ｒ］、一份［G］和一份［B］配出1份E白光，其光通量為5.6508lm(=1×1+1×4.5907+1×0.0601)。符合“等量的三基色可配成白色”相加混色原理。 任意一種彩色光的配色方程可用下式表示 FL=R［R］+G［G］+B［B］(3-2)

其中，R、G、B表示三基色的三色系數(shù)，它們的比值決定了待配彩色的色調(diào)。三基色各分量的光通量之代數(shù)和等于該彩色光的光通量。例如:R=B=1，G=2，則據(jù)(3-2)式有 第十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日

FL=1［R］+2［G］+1［B］

=｛1［R］+1［G］+1［B］｝+1［G］ 據(jù)(3-1)式可知，該彩色光FL為E白光與綠基色光之和，即呈現(xiàn)淡綠色。其光通量為:1×1+2×4.5907+1×0.0601=10.2415lm。由于亮度正比于光通量，因此，待配彩色光的亮度等于各混合分量亮度之代數(shù)和。 色光的亮度等于各混合分量亮度之代數(shù)和。第十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日

3.1.3XYZ計(jì)色制與色度圖 彩色有三個(gè)獨(dú)立參數(shù)即色調(diào)、色飽和度及亮度。為了直觀、確切地描述彩色，通常采用色度圖。 為了把自然界各種彩色用一個(gè)平面坐標(biāo)圖來表示，同時(shí)又避免RGB計(jì)色制中存在某一色度系數(shù)為負(fù)，國際照明協(xié)會(huì)規(guī)定采用XYZ計(jì)色制，不用［Ｒ］、［Ｇ］、［Ｂ］作基色，而用［X］、［Y］、［Z］作標(biāo)準(zhǔn)三基色(假想的過飽和紅、綠、藍(lán))。其色度圖稱為XYZ色度圖。那么任何一種彩色光的配色方程可寫為 FL=X［X］+Y［Y］+Z［Z］[JY](3-3)

第十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日 并規(guī)定:第一，系統(tǒng)的三色系數(shù)均為正值，色度圖中所有彩色均應(yīng)在標(biāo)準(zhǔn)三基色［X］、［Y］、［Z］組成的三角形內(nèi)第二，三色系數(shù)X=Y=Z=1時(shí)，配出光通量為1lm的E白光，即 FLE=1［X］+1［Y］+1［Z］(3-4)

第三，三色系數(shù)Y表示混合彩色光FL的亮度，而系數(shù)X、Z不代表亮度。通常使［X］、［Z］的光通量為零，從而不論X、Z為任何值，X［X］和Z［Z］兩個(gè)分量的光通量總是零。第十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日 從而推得標(biāo)準(zhǔn)三基色系數(shù)Y和物理三基色系數(shù)R、G、B間的關(guān)系為Y=1.000R+4.5907G+0.0601B(3-5)

比較(3-2)與(3-5)式可知，Y確實(shí)代表彩色光的亮度。 根據(jù)任意彩色光的配色實(shí)驗(yàn)及物理三基色與標(biāo)準(zhǔn)三基色的數(shù)學(xué)關(guān)系，繪出如圖3-4所示XYZ色度圖。 圖中采用標(biāo)準(zhǔn)三基色的相對(duì)色系數(shù)x、y平面系。第二十頁，共三十八頁，2022年，8月28日?qǐng)D3-4XYZ色度圖第二十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日 設(shè)彩色光含三基色總單位量m=X+Y+Z，則標(biāo)準(zhǔn)三基色的相對(duì)色系數(shù)分別為 顯然三基色相對(duì)系數(shù)之和為1，即 x+y+z=1(3-6)

這樣，只要知道兩個(gè)色度坐標(biāo)，就可以確定彩色光的色度，所以表示各種彩色光的色度圖采用x、y平面坐標(biāo)描述，而不必用三維坐標(biāo)。第二十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日 假定選擇C白光作標(biāo)準(zhǔn)時(shí)，規(guī)定其飽和度為零。舌形曲線內(nèi)各點(diǎn)彩色的飽和度用該點(diǎn)到C點(diǎn)的距離和C點(diǎn)通過該點(diǎn)到舌形曲線的距離之比的百分?jǐn)?shù)來表示。例如波長為575nm的黃譜色，坐標(biāo)為x=y=0.5，C白光坐標(biāo)為x=0.310，y=0.316。 如將C點(diǎn)與該黃譜色點(diǎn)相連，則連線上所有點(diǎn)都是同一色調(diào)，即575nm的波長是該連線上各非譜色的主波長。連線上各點(diǎn)的飽和度越靠近C點(diǎn)時(shí)越低。舌形曲線內(nèi)各彩色光的y坐標(biāo)值愈高，色彩愈明亮愈低則愈暗。第二十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日 圖中，假想的過飽和三基色［X］、［Y］、［Z］位于直角三角形的頂點(diǎn)。舌形圖形即為XYZ色度圖，所有譜色(單色)都位于舌形曲線上，是從波長為400nm的藍(lán)色到波長為700nm的紅色的譜色軌跡，標(biāo)有譜色光的波長值。舌形曲線底部兩端點(diǎn)的連線，表示藍(lán)色和紅色相混而獲得紫色和紫紅色的分布，它不屬于譜色。自然界中各種實(shí)際彩色都位于舌形曲線內(nèi)，舌形曲線之外的各點(diǎn)是實(shí)際上不存在的彩色。連接［R］、［G］、［B］三點(diǎn)的虛線三角形，表示由物理三基色相加混色所能崐配出的彩色范圍。E點(diǎn)坐標(biāo)是x=y=z=1/3時(shí)的等能量白光，E點(diǎn)附近小范圍內(nèi)為A、B、C及D65等白光，它們和其它任何彩色一樣，各自都有確切的坐標(biāo)值。舌形曲線上彩色最濃，定義其飽合度為100%，越接近白光區(qū)，顏色越淺。第二十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日

3.1.4顯像三基色與亮度方程 一、顯像三基色的選擇 重現(xiàn)景物的色彩，通常是依靠彩色顯像管屏幕上的紅、綠、藍(lán)三種熒光粉在電子束轟擊下發(fā)出各自的基色光，并混合成彩色圖像的。我們把這三種基色稱為顯像三基色，它不同于物理三基色。不同熒光粉物質(zhì)所呈現(xiàn)的色度、亮度各不相同，但均可在色度圖中找出其準(zhǔn)確的坐標(biāo)位置，我們希望所選定的顯像三基色在色度圖上構(gòu)成的三角形面積盡可能大些，以使它們混合成的色彩更豐富。由于色度圖譜色曲線近似三角形，而紅、綠、藍(lán)譜色恰位于譜色曲線三個(gè)頂端，故選紅、綠、藍(lán)三種色調(diào)的熒光粉最好。同時(shí)要求熒光粉發(fā)光效率盡可能高，這將使色彩明亮、鮮艷。表3-1給出了兩種制式的彩色電視所選顯像三基色的色度圖坐標(biāo)值。圖3-5為重現(xiàn)圖像的色度范圍。第二十五頁，共三十八頁，2022年，8月28日 由圖可見，顯像三基色三角形面積比物理三基色三角形面積略小，飽和度高的彩色不能全部復(fù)現(xiàn)，但高飽和度彩色在自然界中極少見，并且人眼分辨靈敏度也不高。另外，PAL制三角形色域略小于NTSC制色域，但PAL制顯像三基色熒光粉發(fā)光效率要高一些，所以配出的彩色比較鮮艷。第二十六頁，共三十八頁，2022年，8月28日表3-1顯像三基色的色度圖坐標(biāo)值第二十七頁，共三十八頁，2022年，8月28日?qǐng)D3-5彩色電視重現(xiàn)的色度范圍第二十八頁，共三十八頁，2022年，8月28日 二、亮度方程 由顯像三基色所形成的計(jì)色制稱為ReGeBe計(jì)色制。用顯像三基色寫出任意彩色光的方程: FLe=Re［Re］+Ge［Ge］+Be［Be］(3-7)

式中Re、Ge、Be為顯像三基色系數(shù)，［Re］、［Ge］、［Be］為顯像三基色單位量。通過公式推演可以求得標(biāo)準(zhǔn)三基色系數(shù)與顯像三基色系數(shù)之間關(guān)系:

當(dāng)采用NTSC制熒光粉和C白光源時(shí)為(3-8)第二十九頁，共三十八頁，2022年，8月28日(3-9)當(dāng)采用PAL制熒光粉和D65光源時(shí)為已知在XYZ計(jì)色制中，合成彩色光的亮度僅由Y決定，則由(3-8)式得到NTSC崐制亮度方程為Y=0.299Re+0.587Ge+0.114Be(3-10)由(3-9)式得到PAL制亮度方程為Y=0.222Re+0.707Ge+0.071Be(3-11)

第三十頁，共三十八頁，2022年，8月28日 顯然，采用不同的基色熒光粉和不同白光源，將有不同的亮度方程。 但因?yàn)镹TSC制使用較早，所以PAL制沿用了NTSC制的亮度方程。 我國彩電選用PAL制，用(3-10)式替代(3-11)式雖然存在一些誤差，但主要特性仍能滿足視覺對(duì)亮度的要求。亮度方程通常近似寫成Y=0.3Re+0.59Ge+0.11Be(3-12)

彩色信號(hào)在傳遞過程中，亮度信號(hào)以電壓的形式表示，則亮度方程可寫成為

EY=0.30E-R+0.59E-G+0.11E-B(3-13)

這是彩電技術(shù)中最常用的基本公式之一。第三十一頁，共三十八頁，2022年，8月28日3.2彩色圖像的分解與重現(xiàn)

3.2.1彩色圖像的分解 彩色電視是由一幅幅高速運(yùn)動(dòng)的彩色畫面組成活動(dòng)圖像的，一幅彩色平面圖像可以看成由許多彩色像素構(gòu)成。每一個(gè)像素的色彩可用亮度、色調(diào)與色飽和度來表征。對(duì)活動(dòng)圖像來說，任一個(gè)像素的三要素都是時(shí)間的函數(shù)。根據(jù)三基色原理，在發(fā)送端首先用分色系統(tǒng)把彩色圖像分解成紅、綠、藍(lán)三幅基色圖，分解后的各基色光強(qiáng)度是彩色光FL的函數(shù)。第三十二頁，共三十八頁，2022年，8月28日

三路光信號(hào)同時(shí)投射到三個(gè)攝像管的光敏靶上，在三個(gè)靶面上分別呈現(xiàn)R、G、B三幅基色光像，三只攝像管的電子束同步地逐行地掃描靶面，把各基色圖像上的亮度變化轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的隨時(shí)間變化的電信號(hào)E-R、E-G、E-B。三只攝像管輸出的三路信號(hào)反映彩色圖像中三基色成分的大小，所以ER、EG、EB稱為三基色信號(hào)。這樣，就完成了圖像的分解，如圖3-6(a)所示。第三十三頁，共三十八頁，2022年，8月28日?qǐng)D3-6彩色電視傳送的基本過程第三十四頁，共三十八頁，2022年，8月28日 由于攝像端的分色特性與顯像三基色的混色特性是不相匹配的，為了防止彩色失真，在攝像端要加彩色校正措施，此外，還有黑斑校正、輪廓校正、γ校正、電平校正等電路。經(jīng)過校