Chapter1-视觉生理学和色度学解析.ppt

2020 3 24 1 人眼的生理特征光度学色度学概要 第一章视觉生理学和光度色度学 2020 3 24 2 1 1 1眼睛的构造及功能人眼的外形接近于球形 是一个直径为24mm的球状体 又称为眼球 眼球壁由巩膜 脉络膜和视网膜组成 见图2 1 巩膜在眼球壁最外一层 呈白色 是眼球的保护层 巩膜前面1 6的透明部分叫角膜 光线从角膜射入眼内 第一章视觉生理学和光度色度学 2020 3 24 3 脉络膜紧贴巩膜 它含有丰富的血管虹气和色素 起着输送养料 滋养眼睛的作用 脉络膜最前面的环形部分为虹膜 眼的 颜色 由虹膜中的色素决定 虹膜中央有一个小圆孔叫作瞳孔 瞳孔能控制进入人眼内的光量 可以随着光线的强弱而扩大或缩小 起着像照相机的光圈一样的作用 眼球的第三层为视网膜 约占眼球内表面的2 3 它含有感光细胞 杆体细胞和锥体细胞 双极细胞和神经节细胞 第一章视觉生理学和光度色度学 2020 3 24 4 光谱光效率函数 达到同样亮度时 不同波长所需要能量的倒数 即V 1 E 式中V 是光谱光效率函数值 E 是单色光能量 明视觉 亮度 3cd m2 锥体细胞起主要作用 V 在0 55 0 56 m 暗视觉 亮度 0 03cd m2 杆体细胞起主要作用 V 向短波方向移动 相当于0 50 0 51 m的蓝绿色部位 2020 3 24 6 明适应与暗适应 暗适应 人眼从光亮中进入到暗室时 在最初的瞬间什么都看不见 逐渐地才适应了黑暗 从而区分出周围物体的轮廓 包括两种基本过程 瞳孔大小的变化和视网膜感光化学物质的变化 主要机制是视觉的双重作用 即在黑暗中由中央视网膜转化为边缘视网膜的作用 视觉的暗适应程度是与视紫红质的合成程度相对应 2020 3 24 7 1 1 2视敏度和细节视觉 视角 对象与眼睛所形成的张角 V 1 视敏度V 指分辨物体细节和轮廓的能力 通常以找出两条线间的最小间隔来说明 通常以分 表示 观察距离亮度对比度V V V 第一章视觉生理学和光度色度学 2020 3 24 8 1 1 3临界闪烁频率 视觉残留 当光刺激人眼时 感觉并不是立即产生的 而且光刺激在眼睛内所产生的兴奋并不随着刺激的终止而立即消失 而是要维持若干时间 在刺激停止后所留下来的感觉称为视觉后像或称视觉残留 受如下因素影响 1 发光物体的光强 2 刺激光的作用时间 3 不同色光的刺激 其中黄光的后像消失得最快 第一章视觉生理学和光度色度学 2020 3 24 9 临界闪烁频率 CFF 当闪光频率增加到一定程度时 人眼就不再感到是闪光 而感到一种固定的或连续的光 将这样一种频率简称为CFF 一般达到30 55次 s 人眼不再有闪烁的感觉 电影 24张图片 48次 秒电视 50 60 Hz 第一章视觉生理学和光度色度学 2020 3 24 10 CFF受许多因素影响 现分别介绍如下 1 刺激的强度 微光时低于10Hz 高亮度 1000cd m2 可高达45 60Hz渐进值 2 刺激的面积 小面积的CFF比大面积的CFF低 两者也是对数关系 A代表面积 c d为两个参数 第一章视觉生理学和光度色度学 2020 3 24 11 3 视网膜的不同部位 中凹处的CFF较高 4 不同背景光及不同的刺激色光 白光的最大CFF值大于其他色光的相应数值 绿光的CFF值大于红 蓝光的相应数值 白光在蓝光背景上CFF最高 红光背景上中等 绿光背景上最低 5 CFF还与年龄 疲劳 缺氧有关 2020 3 24 12 1 2光度学 1 2 1光通量和发光强度 1 2 2照度及距离平方反比定律 1 2 3亮度及朗伯定律 第一章视觉生理学和光度色度学 2020 3 24 13 1 2 1光通量和发光强度 光通量 在光度学中 它定义为能够被人的视觉系统所感受到的那部分光辐射功率的大小的度量 单位是lm 流明 显然 光通量将不可见光 红外线 紫外线 排除在外 而且在数量上也并不等于看得见的那部分光辐射功率值 第一章视觉生理学和光度色度学 2020 3 24 14 V 就是标准的明视觉函数 e 是单位波长间隔内光的实际功率 W Km是一个转换常数 现在叫最大光谱效能 规定Km 683lm W 第一章视觉生理学和光度色度学 2020 3 24 15 由此可见 光通量的大小反映了一个光源所发出的光辐射能所引起的人眼光亮感觉的能力 40W钨丝灯泡所输出的光通量468lm 40W日光灯可达2100lm 我们用每瓦流明数来表达一个光源或一个显示器的光效率 单位lm w 第一章视觉生理学和光度色度学 2020 3 24 16 发光强度 指在某一指定方向上发出光通量的能力 I为发光强度d 为立体角元d 为这个立体角元所包含的光通量I的单位是cd 坎德拉 第一章视觉生理学和光度色度学 2020 3 24 17 1 2 2照度及距离平方反比定律 照度指照明程度的大小 定义为单位面积上的光通量 E d dA 勒克斯 lx 曝光量H Et 勒克斯秒 第一章视觉生理学和光度色度学 2020 3 24 18 例 设有一个发光强度为Icd的点光源 若以此点光源为球心作一个半径为R的球面 求球面上的照度 dA 这就是照度的距离平方反比定律 第一章视觉生理学和光度色度学 2020 3 24 19 上式表明 一个发光强度为I的点光源 在距离它R处的平面上产生的照度 与这个光源的发光强度成正比 与距离平方成反比 但必须注意 被照射的平面一定要垂直于光线投射方向 2020 3 24 20 亮度 它表示单位面积上的发光强度 即 L dI dA单位cd m2 坎德拉每平方米 或 如果这个面的法线方向与观察方向所成之角为 上式变为 L dI dA cos 2 15 L d2 d dA cos 2 16 1 2 3亮度及朗伯定律 第一章视觉生理学和光度色度学 2020 3 24 21 亮度还可用来描述光路的任一截面如果有一个面积为A的均匀发光面 它在某一方向上的亮度为L 则它在这个方向上的发光强度I 应为 I L A cos 2020 3 24 22 亮度定义的应用之 探照灯的出射光强I I L SS 探照灯反射器的投影面积 出光度和亮度的计算 发光体的亮度举例 钨丝灯 HID灯 106cd m2 荧光灯 T12 3 4000cd m2 T8卤粉 8000cd m2 三基色粉 10000cd m2 T5 16000cd m2 CFL 40000cd m2 人眼适应的最好亮度 100cd m2 白云 8000cd m2 道路 0 5 2 0cd m2 2020 3 24 26 如果这个面光源的亮度在各个方向上都相等 则L L 常数 这时 2 17 式可变为 I LAcos 2 18 令I0 L A表示该面光源法线方向上的发光强度 则I I0cos 2 19 朗伯定律 朗伯体 第一章视觉生理学和光度色度学 朗伯体向半空间辐射的光通量 1 2 4照度E被照面上单位面积S上接受的光通量 E S单位 勒克司 lx 即1lx 1lm 1m2 举例 夏天的太阳下 80000 100000lx满月下 2lx办公室 500lx车间一般照明 150 300lx体育场 国际 垂直1200lx居住小区最佳半柱面照度Esc 3 10lx 有多种照度的定义 照度的计算E I r2举例 10000cd的光强在10m远处的照度 E 10000 10X10 100lx 2020 3 24 30 第一章视觉生理学和光度色度学 1 2 5光出射度扩展源单位面积向2 空间发出的全部光通量 单位 lm m2 流明 A为扩展源面积2 空间 半球空间 因扩展源有面积 不同于点光源 不能向下或向内辐射 亮度定义的应用之 出光度M与亮度L表面反射的光通量构成了出光度 反射量的多少与反射率有关 2020 3 24 32 1 光照度与光出度的单位都一样 但物理含义不同 2 朗伯发射面光照度和亮度之间的关系 3 面光源来的光通量与光照度的关系 亮度为L的发光面在某一位置产生的照度的计算 2020 3 24 33 1 3色度学概要 颜色的基本特性及颜色混合彩色光的三色原理 2020 3 24 34 1 3 1颜色的基本特性及颜色混合 光是一种一定频率的电磁辐射 可见光谱的波长为0 38 0 78um 表2 1是可见光谱颜色的波长范围 物体的颜色是由光线在物体上被反射和吸收的情况决定的 所以又受光源条件的影响 第一章视觉生理学和光度色度学 2020 3 24 35 太阳光为混色光短波的光能量较多时便呈现蓝色 长波的光能量较多时呈现红色 为何有些花看起来是红色 人们在灯光下观看颜色时 会受到光源影响 绿草在钠灯下看不出是绿色 不论什么颜色的物体在月光下看都带青绿色彩 2020 3 24 36 颜色的表示方式 一是 以颜色的色调 相 明度 饱和度3个特征为基础的纯生物方式 二是 以加法混合为基础的生物物理方式 如 Munsell表色系 如 CIE表色系 2020 3 24 37 颜色的显色系统表示方法 人 美國藝術家曼賽爾 概念 1915年Munsell修正色彩體系 以 人眼視覺 之色彩間距感知為基礎 在色相環上相對之色相對混合則呈灰色 互為補色 一 Munsell体系 2020 3 24 39 1 颜色的三个基本特性 色调 明度 饱和度 黑 白 红 橙 黄 绿 蓝 紫 绿黄 蓝绿 明度 明度 饱和度 色调 颜色立体图 第一章视觉和电视显示基本原理 颜色在不同波长的区分特性 是指色彩的相貌 1 色调 HueH 色相 10階 依據色光之三原色的位置 G YR PB 於三角形頂點放在色相環上 再以視覺等距為基礎 延伸至十個基本色相 每一個在細分為10個色相共為100個顏色編號方面 每一基礎色皆以 5 表示 1 Munsell色调 2 明度 V 颜色的亮度在人类视觉上的反映表示物体颜色深浅的特征量颜色的第二种属性 明度不等于亮度 明度 11階 理想中的純黑色以0代表 理想中的純白色以10代表 在視覺上等距離的等級 無彩色用N1 N2 N9代表 有彩色以1 2 3 代表 2 Munsell明度 ValueV 3 饱和度 S C 光谱中各个单色光是饱和度最高的彩色 也称为纯度 即波长范围的宽度 饱和度是颜色色调的表现程度 3 Munsell彩度 ChromaC 从0 20按照等视觉原则划分 用2 4 6等反映 2020 3 24 47 三色原理 选择合适的三种基色 R G B 将它们按不同比例混合 就可以引起不同的彩色感觉 合成彩色光的亮度由三基色的亮度之和决定 色度由三基色分量的比例确定 三种基色彼此独立 任一基色不能用其他两种颜色配出 Grassman定律 二 CIE表色体系 三色原理在广播电视中发挥了巨大的作用 2020 3 24 48 红 蓝 紫 绿 白 青 黄 1 加法混色 第一章视觉和电视显示基本原理 2020 3 24 49 原刺激 R 波长为700nmG 波长为546 1nmB 波长为435 8nm CIE RGB规定 基础刺激 等能量光谱的白光亮度系数 2020 3 24 50 RGB表色体系的等色函数 2020 3 24 51 为简化计算 使用了三基色单位制 记作 R G B 它规定白光是由各为1个单位的三基色光组成 1个单位 R 1光瓦 红基色光 1个单位 G 4 590