光度学与色度学 1 光度学基础ppt课件.ppt

光度学与色度学第一章光度学基础 物理与光电工程学院黄曦 1 1 辐射度量 为了对光辐射进行定量描述 需要引入计量光辐射的物理量 对于光辐射的探测和计量 存在着辐射度单位和光度单位两套不同的体系 2 1 辐射度量 辐射能 反射 传输 接收的能量 单位焦耳 辐通量 单位时间内的辐射能 单位瓦特 许多辐射接收器的响应值不取决于辐射能的时间积累值 而取决于辐射通量值辐出度 辐照度 辐强度 辐亮度 3 2 光度量 光度量和辐射度量的定义 定义方程式一一对应的 光量 反射 传输 接收的光谱段能量 单位焦耳 光通量 发光体对人眼刺激程度 单位流明 辐通量 光出射度 发光体 辐出度 光照度 受照体 辐照度 发光强度 发光体 辐强度 光亮度 发光体and反射体 辐亮度 4 2 光度量 四个光度量的示意 5 2 光度量 光通量 光通量和辐通量可通过 平均人眼 视觉特性进行转换 在很小的波长范围内 在整个可见光谱范围内 6 2 光度量 光通量 流明1W功率555nm的黄绿光发出的光通量是683lm 光视效能 光通量 e 辐射通量即人眼对不同波长的辐射产生光感觉的效率 光谱光视效率 7 2 光度量 光通量 平均人眼是什么意思 平均人脸 8 2 光度量 发光强度 相同功率 不同光源发出的光通量不同 400W高压钠灯光通量48000lm发光效率102lm W400W高压汞灯光通量21600lm发光效率54lm W400W金卤灯光通量38000lm发光效率95lm W发光效率 luminousefficiency 光源发出的光通量 光源输入效率发光效能 luminousefficacy 系统发出的光通量 系统输入效率引申 对植物的光效 9 2 光度量 发光强度 一个电珠 光通量一样 装于手电筒后 效果 不同发光强度发光强度 单位立体角中的光通量 单位 坎德拉 cd 1cd 1lm 1sr 坎德拉是国际单位制七个基本量之一 一个光源发出频率为540 1012Hz的单色光 在一定方向的辐射强度为 1 683W sr 则该方向上的发光强度为1cd 10 2 光度量 光亮度 光亮度 单位投影面积上发出的光强 单位 cd m2 投影面积不同 光亮度不同 11 2 光度量 光照度 光照度 被照面上单位面积上接受的光通量 单位 勒克斯 lx 1lx 1lm 1m2 12 描述辐射场的基本物理量 13 3 人眼视觉特性 视觉是人类最重要的一种感觉 主要由光刺激作用于人眼产生的 人类获得的外界信息中 70 来自视觉 20 来自听觉 区域感官的获取量仅占10 14 3 人眼视觉特性 人眼构造 人眼的构造相当于一架摄像机或照相机 前面 是由角膜 晶状体 前房 后房 玻璃体所共同组成的具备镜头功能的组合 把物体发出的光线聚焦到后面的相当与胶卷的用于检测光线的视网膜上 15 3 人眼视觉特性 人眼构造 人眼的形状像一个小球 通常称为眼球 眼球内具有特殊的折光系统 使进入眼内的可见光汇聚在视网膜上 视网膜上含有感光的视杆细胞和视锥细胞 这些感光细胞把接受到的色光信号传到神经节细胞 再由视神经传到大脑皮层枕叶视觉神经中枢 产生色感 眼球壁有三层膜组成 外层是坚韧的囊壳 保护眼睛的内部 称为纤维膜 它的前1 6为角膜 后5 6为白色不透明的巩膜 中层称葡萄膜 或血素层 血管层 颜色像黑紫葡萄 由前向后分为三部分 虹膜 睫状体和脉络膜 内层为视网膜 简称网膜 16 3 人眼视觉特性 人眼构造 角膜 cornea 如同相机的滤镜眼球最前端是透明的角膜 它是平均折射率为1 336的透明体 俗称眼白 微向前突出 曲率半径前表面约7 7毫米 后表面约6 8毫米 光由这里折射进入眼球而成像 17 3 人眼视觉特性 人眼构造 晶状体 水晶体 lens 如同相机的镜片 晶状体在眼睛正面中央 光线投射进来以后 经过它的折射传给视网膜 所谓近视眼 远视眼 老花眼以及各种色彩 形态的视觉或错觉 大部分都是由于水晶体的伸缩作用所引起 它像一种能自动调节焦距的凸透镜一样 18 3 人眼视觉特性 人眼构造 黄斑是网膜中感觉最特殊的部分 稍呈黄色 色觉之所以有很大的个人差异与黄斑是有关系的 位置刚好在通过瞳孔视轴所指的地方 即视锥细胞和视杆细胞最集中的所在 是视觉最敏锐的地方 我们看到物体最清楚时 就是因为影像刚好投射到黄斑上的缘故 黄斑下面有盲点 虽然是神经集中的部位 但缺少视觉细胞 不能看到物体影像 盲点 blindspot 视神经与眼球的接点 该处无视细胞所以无法感光 19 3 人眼视觉特性 人眼构造 视网膜 retina 如同底片 视觉接收器的所在 本身也是一个复杂的神经中心 眼睛的感觉为网膜中的视杆细胞和视锥细胞所致 视杆细胞能够感受弱光的刺激 但不能分辨颜色 视锥细胞在强光下反应灵敏 具有辩别颜色的本领 在中央凹处之内 只有视锥细胞 很少或没有视杆细胞 在网膜边缘 靠近眼球前方各处 有许多视杆细胞 而视锥细胞很少 某些动物 如鸡 因视杆细胞较少 在微光下 它们的视觉很差 成为夜盲 也有些动物 如猫和猫头鹰 因视杆细胞很多 能在夜间活动 20 3 人眼视觉特性 人眼构造 21 3 人眼视觉特性 人眼构造 视神经 opticnerve 将收集到的光线转化为脉冲传向大脑 如同光纤 中心窝 fovea 视细胞最密集之处 为视线投影到网膜上的焦点 这一小凹是视觉最敏锐的地方 眼皮 eyelid 如同相机的快门 22 3 人眼视觉特性 人眼构造 思考 上帝的眼睛VS达尔文的眼睛 23 3 人眼视觉特性 黑白视觉特性 3 2 1成像功能 自调焦的成像系统 24 3 人眼视觉特性 黑白视觉特性 3 2 2视觉响应 明视觉 暗视觉 中介视觉 1 视锥细胞与明视觉a 视锥细胞特性 包含感红 感绿 感蓝细胞主要感受颜色的差别 而对明暗的感觉比较低 对光的敏感性小 只有达到一定照度的情况下 视锥细胞才起作用 b 明视觉 指在光亮的条件下 由锥体细胞起作用的辩认物体细节和颜色的视觉 25 3 人眼视觉特性 黑白视觉特性 2 视杆细胞与暗视觉a 视杆细胞特性 感受物体的明暗 对光的敏感程度高 不能感受物体颜色的差别 b 暗视觉 指视杆细胞的活动特性 可以在光线很暗的情况下工作 不能反映色光的差异 3 明暗视觉特点 明视觉对400nm 紫色 和700nm 红色 附近的色光感受性很低 而对555nm的黄绿色部位最敏感 暗视觉对510nm的蓝绿色部位最敏感 明视觉曲线与暗视觉曲线之间没有联系 明 暗视觉特性随人的年龄 性别等因素的变化而变化 26 3 人眼视觉特性 黑白视觉特性 3 2 2视觉适应 明暗视觉适应 色彩适应适应调节 瞳孔大小调节视细胞感光物质调节 红光不破坏视紫红质 亮适应 暗 亮 2 3min暗适应 亮 暗 45 60min色彩适应 同样有适应过程 27 3 人眼视觉特性 黑白视觉特性 3 2 3绝对视觉阈值 全黑视场下 人眼感觉到的最小光刺激值 约10 9lx量级 蓝绿光 510nm 58 145个光子轰击角膜 5 14个光子到达视网膜 背景亮度Lb 16 4cd m2后 产生炫目现象 L0眩目亮度 L像场亮度 28 3 人眼视觉特性 黑白视觉特性 3 2 4阈值对比度 时间不限 使用双眼探测一个亮度大于背景亮度的圆盘 察觉概率为50 时 不同背景亮度下的对比度 Wald定律 背景亮度 对比度和人眼所能探测的目标张角三者之间存在制约关系 小目标Rose定律 目标张角 7 时 x 2 29 3 人眼视觉特性 黑白视觉特性 韦伯定律 在均匀亮度背景下其中 是背景亮度 是人眼可觉察的最小亮度差 说明人眼的亮度感觉不仅与物体自身亮度有关 还与周围环境亮度有关 一般地 背景越亮 越不易分辨 重现图像的亮度不需要等于实际景象的亮度 只要保持二者的对比度不变 对于人眼不能察觉的亮度差别 在重现图像时也不必精确复制出来 只要保证重现图像和原景物有相同的亮度层次 30 3 人眼视觉特性 黑白视觉特性 3 2 5人眼分辨力 人眼能区分两发光点的最小角距离为极限分辨角 其倒数为人眼分辨力 从内因分析 影响分辨力的因素为眼睛的构造 从外因分析 与目标亮度 形状 对比度 运动状态等有关 31 3 人眼视觉特性 黑白视觉特性 人眼分辨力内因 圆孔衍射理论的最小分辨角瑞利判据 视网膜上衍射图样衍射斑的半角宽度当两光源对瞳孔的张角为 0时 由于前房液和玻璃状液的折射 两光线在眼睛中的夹角为 由n0 0 n 即 0 n 应用瑞利判据 当两光源恰好能分辨时这时两点光源对瞳孔的张角 32 3 人眼视觉特性 黑白视觉特性 人眼分辨力内因 在通常亮度下 人眼的瞳孔直径约为3mm 视觉感受的最灵敏的光波波长为550nm 人眼的最小分辨角为 最小分辨角对应视网膜上尺寸 33 3 人眼视觉特性 黑白视觉特性 人眼分辨力外因 目标亮度 形状 对比度 运动状态等有关人眼会根据外界条件自动进行适应 从而可以得到不同的极限分辨角 分辨力和景物运动的连续感的关系 人眼对运动景物的分辨力要低于对静止景物的分辨力 其分辨角值约是静止景物时的5倍 34 3 人眼视觉特性 黑白视觉特性 人眼分辨力外因 35 3 人眼视觉特性 黑白视觉特性 3 2 6人眼对间断光的响应 人眼睛的视觉暂留约为每秒16 24次左右 因此只要以每秒30次或更短的时间间隔来更新屏幕画面 就可以骗过人的眼睛 让我们以为画面没有变过 虽然如此 实际上每秒30次的屏幕刷新率所产生的闪烁现象我们的眼睛仍然能够察觉从而产生疲劳的感觉 所以屏幕的场频越高 画面越稳定 使用者越感觉舒适 一般屏幕刷新率场频在每秒75次以上人眼就完全觉察不到了 所以建议场频设定在75Hz 85Hz之间 这足以满足一般使用者的需求了 视觉惰性 后像 36 3 人眼视觉特性 黑白视觉特性 临界闪烁频率与波动光的亮度 波形 振幅 颜色有关 37 3 人眼视觉特性 黑白视觉特性 3 2 7视觉系统的调制传递函数MTF 多种典型人眼MTF模型 38 3 人眼视觉特性 黑白视觉特性 3 2 8色差灵敏度 人眼恰好分辨色度差异的能力 39 3 人眼视觉特性 颜色视觉特性 3 3 1彩色特性及其表示 眼睛感受到的光信号中各波长的光占任意比例且均不相同 则形成彩色光 颜色是人眼感受光后形成的主观感觉 光本身是没有颜色的 颜色的客观因素 光源中各种光波长的分布物体本身的物理性质例 红色物体在绿光照射下成黑色 40 3 人眼视觉特性 颜色视觉特性 41 3 人眼视觉特性 颜色视觉特性 3 3 1彩色特性及其表示 彩色三要素 明度 色调 饱和度明度 指光作用于人眼时所引起的明亮程度的感觉 与色光所含能量有关 色调 指颜色的类别 与光的波长有关 改变光的波谱成分 光的色调会发生变化 饱和度 指色调深浅的程度 纯度 对物体而言 色饱和度与物体的反射光谱选择性有关 奥斯特华色标 色调 色饱和度 色度 色度 亮度 完整彩色 42 3 人眼视觉特性 颜色视觉特性 人眼对饱和度的分辨能力人眼能分辨出自然界中各种彩色具有不同的饱和度 但对不同颜色的饱和度变化却有不完全一样的灵敏度 可以进行这样的实验 使各种波长色光的饱和度 由100 逐渐降低一直到零为止 由此确定出视觉所能分辨出的饱和度变化的等级数 结果发现在黄色区人眼只能分辨出4级饱和度 而在红色 蓝色区域 灵敏度较高 可以分辨出25个等级 43 3 人眼视觉特性 颜色视觉特性 人眼对色调的分辨能力 色差敏感度 人眼对不同波长的光有不同的色调感觉 严格地讲 只有波长为572nm的黄光 503nm的绿光和478nm的蓝光 其色调不随光强而变化 其它波长的色光都随光强的改变略有变化 在可见光谱中 从紫到红分布着各种不同的颜色 人眼能分辨出色调差别的最小波长变化称为色调分辨阈 其数值随波长而改变 人眼对480 640nm区间色光的色调分辨力较高 其中 对500nm 青绿色 和600nm 橙黄色 两个波长来说 只要波长变化约1nm 便可分辨出色调的变化 而从655nm的红色到可见光谱长波末端 以及从430nm的紫色到可见光谱短波末端 人眼几乎感觉不到色调的差别 当饱和度减小时 人眼的色调分辨力将下降 当亮度太大或太小时 色调分辨力也会下降 44 3 人眼视觉特性 颜色视觉特性 人眼对亮度的感觉人眼对亮度变化的响应是非线性的 称为人眼的GAMMA特性 通常把人眼主观上刚刚可辨别亮度差别所需的最小光强差值称为亮度的可见度阈值 也就是说 当光强I增大时 在一定幅度内感觉不出 必须变化到一定值I I时 人眼才能感觉到亮度有变化 I I一般也称为对比灵敏度 人眼对暗色比较敏感 所需的亮度阈值小 对明亮的颜色 所需的亮度阈值大 电视复现图像时 如果两个颜色的误差低于对比灵敏度 即不会被人眼察觉 颜色信息就会丢失 如果两个颜色的误差被电视放大 大于对比灵敏度 容易被人眼察觉 颜色信息就可能失真 因此电视机电路中 都有GAMMA校正电路 使输入信号变化为1个变化量时 电视机的亮度变化刚好为人眼的可见度阈值 使电视机输入信号与输出亮度间的关系符合人眼的GAMMA特性 人眼的 值一般为2 2左右 45 3 人眼视觉特性 颜色视觉特性 3 3 2视网膜的颜色区 视网膜中央视觉主要是锥体细胞 边缘视觉则主要是杆体细胞 具有正常颜色视觉的视网膜中央能分辨各种颜色 由中央向边缘过渡 颜色分辩能力逐渐减弱 直到对颜色感觉消失 与中央区相邻的外周区先丧失红色和绿色的感受性 再向外部对黄色和蓝色的感受也丧失 成为全色盲区 46 3 人眼视觉特性 颜色视觉特性 3 3 3颜色恒常性 外界条件变化后 人们的色知觉仍然保持相对不变 赫林的记忆色概念 最常见物体的颜色给人们的记忆以深刻的印象 这个颜色变成了印象的固定特征 一切人们经验所知的东西都是通过记忆颜色的眼睛去观察 颜色恒常性是与物体的物理属性以及记忆色有一定的关系 难以解释一些实验 47 3 人眼视觉特性 颜色视觉特性 3 3 3颜色恒常性 48 3 人眼视觉特性 颜色视觉特性 3 3 4色对比 颜色视觉还受到被观察物体周围环境以及观察者眼睛在观察前观看过其它颜色历史的影响 如果将两种颜色按适当比例相混合后 能产生灰色 则称这两种颜色互为补色 例如红和绿 蓝和黄都是互补色 视场中相邻区域不同颜色的相互影响叫做颜色对比 包括明度对比 色调对比和饱和度对比 49 3 人眼视觉特性 颜色视觉特性 3 3 4色对比 亮度对比 一块灰色纸片放在白色背景上看起来发暗 而放在黑色背景上看起来发亮 这种当明暗不同的物体并置于视场中会感到明暗差异增强的现象 50 3 人眼视觉特性 颜色视觉特性 3 3 4色对比 彩色色调对比 相同面积 色度与亮度的桔红色区域被黄 红色包围会获得不同的色调感觉 偏黄 偏红 51 3 人眼视觉特性 颜色视觉特性 3 3 4色对比 色调对比 52 3 人眼视觉特性 颜色视觉特性 3 3 4色对比 饱和度对比 相同面积 色度与亮度的两个红色区域被两个亮度相同的灰色和红色包围会获得不同的色饱和度感觉 红色背景包围的区域饱和度较低 53 3 人眼视觉特性 颜色视觉特性 3 3 5色适应 在亮适应状态下 视觉系统对视场中颜色变化会产生适应的过程 当人眼对某一色光适应后 观察另一物体的颜色 不能立即获得客观的颜色印象 而带有原适应色光的补色成分 需经过一段时间适应后才会获得客观的颜色感觉 即色适应 负后像现象 54 3 人眼视觉特性 颜色视觉特性 3 3 6明度加法定理 明度是人眼对外界光线明暗感觉程度的度量 对于混合光 不论光谱成份如何 所产生的表观明度等于混合光各个光谱成份分别产生的表观明度之和 55 3 人眼视觉特性 颜色视觉特性 3 3 7色觉缺陷 正常视觉视网膜上有含有亲红 亲绿和亲蓝3种视色素的3种体细胞 能够分辨出各种颜色 接受试验时可用红 绿 蓝三原色光相加混合出各种颜色 因此称为三色觉者 但有少数人成为色觉缺陷或异常色觉者 常见的有色弱和色盲 56 3 人眼视觉特性 颜色视觉特性 3 3 7色觉缺陷 色弱 轻度异常色觉者 也称为异常三色觉者 对光谱上红色和绿色区域的颜色分辨能力较差 当红绿区波长有较大变化时 才能区别出色调的变化 且须有较高强度才能保证对颜色的正确辨认 在亮度不足的照明下 可能将红色和绿色相互混淆 如果异常三色觉者对红色的辨别能力差 就属于红色弱亦称为甲型色弱 如果对绿色的辨别能力差就属于绿色弱亦称为乙型色弱 他们与正常色觉的人之间没有严格的界线 他们仍具有三色视觉 但是在用红 绿 蓝三原色相加混合出各种颜色时 红 绿原色的比例与色觉正常者不同 色弱多发生于后天 男性多 女性少 红色弱者约占男性人口的1 绿色弱者约占男性人口的5 57 3 人眼视觉特性 颜色视觉特性 3 3 7色觉缺陷 色盲 严重的异常色觉者 对颜色辨别能力很差 其中又分为局部色盲和全色盲两类 局部色盲也称为二色觉者 包括红 绿色盲和蓝 黄色盲 红绿色盲者不能区分红色和绿色 红绿色盲又分红色盲和绿色盲 红色盲亦称为甲型色盲 绿色盲称为乙型盲 蓝 黄色盲又称为丙色盲 这种色盲仅对红绿产生色觉 对黄蓝不产生色觉 58 4 颜色视觉理论 1 扬 赫姆霍尔兹的三色学说 根据红 绿 蓝三原色可混合出各种不同色彩颜色的混合规律 假设人眼视网膜上有三种神经纤维 每种神经纤维的兴奋都引起一种原色的感觉 光作用于视网膜上虽然能同时引起三种纤维的兴奋 但波长不同 引起三种纤维的兴奋程度不同 人眼就产生不同的颜色感觉 光刺激同时引起三种纤维的兴奋程度相同 就会产生白色感觉 59 4 颜色视觉理论 1 扬 赫姆霍尔兹的三色学说 近20年来的实验结果证明人眼视网膜上确实含有三种含有不同视色素的锥体细胞 通过采用眼底反射分光光