第2章 光度和色度2.1. 人眼的构造和感光机理眼睛的外形是一个直径大约23mm的球体，其水平断面如图所示。 杆状细胞与锥状细胞的比较杆状细细胞锥锥状细细胞感光 灵敏度高10000倍感色分 工黄昏或夜间间 （黑白景象）白天 （彩色景象）暗视觉视觉明视觉视觉暗适应和明适应暗适应: 当人从明亮的地方走进黑暗的地方，一下子眼睛就会什么也看不见，需要经过一会才会慢慢地适应，逐渐 看清暗处的东西，这一过程约45分钟，其间视网膜的敏感度逐渐增高的适应过程，就是暗适应。明适应：相反，从暗处初来到亮光处，最初感到一片耀眼的 光亮，不能看清物体，约2-3分钟后才能恢复视觉，这称为明适应。 感光机理分为如下步骤： l景物经过水晶体聚焦于视网膜形成“影像”。l由于光化学反应使视网膜上产生与光强成正比的电位，即在视网膜上 将“影像”变成“电位像”。l视神经将视网膜的“电位像”按频率编码方式传送给视觉皮质。l视觉皮质要接收到多达200万个频率编码的电脉冲信号，首先将它们分别存入视网膜光敏细胞相对应的各细胞特殊表面中，然后进行综合 图像信息处理，使人产生视觉看到景物的图像。2.2. 光的特性与人眼视觉特性电子显示器件所显示的信息是通过人的视觉所感知的。人的视觉所能看见的信息在电磁波谱图仅占一小部分，可见光谱的波长为 380nm780nm。波长长范围围(nm)颜颜色380 430 430 470 470 500 500 560 560 590 590 620 620 780紫 蓝蓝 青 绿绿 黄 橙 红红人的眼睛在可见光谱区域内对不同波长的可见光的视觉感度不同，所以人的眼睛相当于一个具有分光能力的光接受器。图中表示明视觉、暗视觉条件下，观察者的主观亮度感觉的光谱光效率曲线。一般明视觉时辐射引起最大光效率位置为波长555nm。其数值约 为 Kmax680lm/W。为计算方便采用归一化条件，即用 Kmax 除各波 长处的K()，就可得到光谱光效率函数V()。V()K()/ Kmax (2.1)显然，V()1。由于人的视网膜包含两种不同的感光细胞，锥状细胞和杆状细胞 ，在不同照明条件下对光的感视度不同，V()函数会发生变化。 当亮度大于3cd/m2时，为明视觉，锥状细胞起主要作用，最大光 效率位置（ Kmax 680lm/W）为波长555nm；当亮度小于0.03 cd/m2时，为暗视觉，杆状细胞起主要作用，最 大光效率位置（Kmax 1746lm/W）移到波长510nm。当亮度在0.033 cd/m2时，锥状细胞和杆状细胞共同起作用，称为中间视觉。2.3人眼的分辨能力和视觉残留观看物体时，物体大小对眼睛形成的张角叫视角。其大小既决定于物体本身的大小，也决定于物体与眼睛的距离。图中A表示物体的大小，D表示由眼睛角膜到该物体的距离。则视角按下式计算：tg/2=A/2D (2.2)当视觉较小时，则A/D。为了确定人眼分辨物体细节的能力，设定人眼与被测物体的距离 为L，能分辨的两点间最小距离为d，那么人眼能分辨这两点的视角（以分为单位），可由下式得到：d/2L=/360x60=57.3x60xd/L=3438d/L (2.3)人眼的分辨力=1/。当光刺激人眼时，感觉并不是立即产生的，因为光作用于视网膜，产生兴奋再传导至大脑有关部位引起感觉，这中间需要一段时间，而且光刺激眼睛所产生的兴奋并不随着刺激的终止而立即消失，还会维持若干时间。在刺激终止后所留下来的感觉称作视觉残留（视觉后像）。视觉惰性视觉残留的一些影响因素：弱光后像在1-2s后消失，强光后像可保持数分钟；刺激光的作用时间长，后像的延续时间也长；不同色光的刺激效果不一样，黄色光后像消失的最快实验证明，对于一束断续的光，当频率低时，观察者看到的是一系列闪光，但是如果频率增加到一定程度时，人眼就不再感到闪光，而是一种固定的连续光。这种频率称为临界闪烁频率。当周期性光信号的频率高于临界闪烁频率时，眼睛对这种周期性光的感觉就如同一个恒定的光。其亮度 I 为：其中，L(t)为周期变化的实际亮度；T是周期；I 为眼睛感觉到的周期变化的平均亮度。2.4. 光度学的几个基本物理量2.5. 颜色的基本特性与颜色混合表示颜色有两种方式:一种是以颜色的色调、明度、饱和度三个特证为基础的纯生物方式；一种是以加法混合为基础的生物物理方式。 色调、明度、饱和度是颜色的三个基本特性，它与人的视觉有关，而且三者构成统一的视觉效果。l色调：颜色的类别。取决于在物体反射的光线中占主导的波长，不同波长产生不同颜色的感觉。色调是颜色最重要的特征，它是决定颜色本质的基本特征。l 颜色的饱和度是指颜色的鲜明程度。（指彩色的深浅或纯洁程度。光谱色：100，白色：0）如果物体的颜色饱和度高，则这个物体呈现深色，如深红、深绿等。因此，饱和度是颜色色调的表现程度，它取决于表面反射光的纯度（即波长范围的宽度）。在物体反射光的组成中，白色光越少，它的色彩饱和度越大。反之，白光越多，其饱和度越小。一般来说，在中等亮度下，颜色的饱和度最大。l 明度是指刺激物的强度作用于眼睛所产生的效应，它的大小是由物体反射系数所决定。反射系数越大，则物体的明度越大，反之越小。明度是人眼直接感受到的物体明亮程度，可表示人眼主观亮度的感觉。当然，这里的亮度还是含有较多的客观或物理成分。颜色混合. 加法混色红色+绿色=黄色红色+蓝色=紫色蓝色+绿色=青色红色+绿色+蓝色=白色相加混色的结果可以用一个彩色三角形表示。Additive mixingSubtractive mixing在显示器上，常用的加法混色有时序混色和空间混色两种办法。时序混色将两种以上的颜色以40-50 Hz以上的交替频率作用于人眼，利用人眼的视觉惰性形成混色状态。这种混色称为时序混色，也叫时间 混色。现在LCOS就是利用时序混色实现彩色的。红、绿、蓝三基色组 成光源，在时序时钟信号作用下，配合LCOS芯片电路动作，依次产生红色、绿色、蓝色光脉冲，利用人眼的视觉惰性合成彩色。这样既 减少了制作滤色膜的复杂工艺，又避免了滤色膜对光线的衰减，非常 有利于提高显示器分辨率和亮度。时间混色法是实现顺序制彩色电视图像显示的基础。利用的是人眼的视觉惰性。空间混色红、绿、蓝三个发光点，当它们互相靠得很近，近到人眼不能分辨时，这三个发光点便在人眼中产生混色效应。无论CRT，还是多数平板显示（LCD、PDP等）都采用空间混 色来实现彩色化的。以LCD为例，彩色滤色膜上红、绿、蓝的线宽、 线间距都在10微米以下，在一定距离下，人眼无法辩认透过滤色膜的红、绿、蓝各个光束，只能看到混合作用后的彩色点。空间混色法是实现同时制彩色电视图像显示的基础。利用了人眼空间分辨率有限的特点。减法混色减色法的三原色是黄、品红、青，它们是加色法三原色红、绿、蓝的补色。彩色电视机主要是应用加色法，而彩色影片的染料按减色 法原理设计的。加法混色后颜色的明度是增加的，等于其投射光明度的总和，而在减色法中，混合后得到颜色的明度是减少的。Additive mixingSubtractive mixing表色体系与色度图芒塞尔(Munsell)表色体系是基于颜色的色调、明度、饱和度三特征为基础的表色体系。芒塞尔表色体系立体模型，采用圆柱形坐标系，纵轴为明度的变化，圆周方向为色调的变化，而半径方向为饱和度的变化。l 色调（芒塞尔 Hue:H）：把5种基本色彩（红R，黄Y，绿G，蓝B， 紫P）和它的中间色配置在圆周上，并按一定规则把圆周100等分。 然后从1到100进行编号，用于表示色彩。具体的方法是以数字开头 ，结合代表色彩的符号，例如，1R，2R，-10R等。而各颜色的代 表色是由数字5开头，例如，5R，5YR，5Y，-5RP等。l 明度（芒塞尔 Value: V）：以无色彩为基准，当光全部吸收的理想黑色时，V=0；光全部反射的理想白色时，V=10。自下而上均分10等分，并以10/，9/，-1/，0/的符号表示。l 饱和度（芒塞尔 Chroma:C）：圆形的中心是中灰色，其亮度和圆周上的各种颜色的明度是相等的。从圆周向圆心过渡，表示颜色的饱和 度逐渐降低。中心C=0，为无彩色。从中心向外沿半径等分，并以2/，4/-14/的符号表示。CIE表色体系CIE表色体系是国际照明委员会(CIE)1931年确定的CIE表色体系。国际照明委员会1931年对原刺激和基础刺激以及相应的标准等色函数作了如下规定：() 对于（R）、（G）、（B）的原刺激，波长分别为700nm，546.1nm，435.8nm，都是单色;() 把等能量光谱的白色光作为基础刺激。此时的亮度系数为lR : lG : lB 1 : 4.5907 : 0.0601在采用上述基础刺激和原刺激所进行的等色实验获得的数据基础上，确定了RGB表色体系的等色函数。在等色函数存在负值，这着意味着要配制等能量白光存在着负值混合，因而给测量和计算带来许多不便。于是通过对RGB表色系的数学变换建立了XYZ表色系，要配制任何一种色都可以用三个虚设的基色X、Y、Z的正值混色得到。该表色系在实际使用中非常方便，所以又称CIE-XYZ标准表色系图为在CIE-XYZ标准表色系中，用、z表示等色函数中的三刺激值的混色曲线。（）发光体的表色 假设具有幅射功率分布为（）的发光体，则X 、Y、Z三个刺激值由下式决定：（）非发光体的表色 非发光体（物体）色的三刺激值、z由 下式表示：色度图各种颜色的色度都能够在色度图上找到相应的色点位置；反 之在色度图上的任何一色点都可以确定出它的色度坐标。不同的色光 给予不同的色名。下图表示了色度和色名的关系以及标准单色光的坐 标点位置。 标准白光A、C、D65在色度图上的位置2.6色调特性与值修正色调是在图像中表现从明亮部分到灰暗部分的各阶段明暗程度的描述。如果像显示文本那样仅用明、暗两种亮度级别时，称为二值色调。在电视等系统中，把反映物体的亮度输入图像和与其对应的再现图 像亮度（输出）之间关系的曲线，称为色调特性曲线。