光与视觉的基础知识

7/7光与视觉的基础知识

光与视觉的基础知识

人眼的视觉特性

?光是一种电磁波，广义上它的波长从几个纳米至一毫米左右，而人眼所能看见的只是一小部分，通常波长范围为380nm至780nm，我们把这部分光称为可见光。

?可见光的波长不同，引起人眼的颜色感觉就不同

。单色光波长由长至短，对应的颜色感觉由红到

紫。一般认为:

?红色780nm～620nm橙色620nm～590nm黄色590nm～560nm

?黄绿色560nm～530nm绿色530nm～500nm青色550nm～470nm

?蓝色470nm～430nm紫色430nm～380nm

?上述的范围只是根据人们的习惯大致划分。实际

上随着波长的变化，颜色是连续渐变的，没有严

格的界限。

?物体分为发光体和不发光体。

?发光体的颜色由它本身发出的光谱所确定，如白炽灯发黄和日光灯发白。

?不发光体的颜色与照射光的光谱和不发光体对照射光的反射、透射特性有关。如绿叶反射绿色的光、吸收其他颜色的光而呈现绿色；绿叶拿到暗室的红灯下观察成了黑色。

?由此可见，光是一种客观存在的物质，而色是人眼对这种物质的视觉反应。

白炽灯卤粉荧光灯低压汞灯

三基色荧光灯三基色绿粉蓝色LED

基本量值

?光通量:光通量是光源在单位时间内发出的光量，也即为辐射通量（或辐射功率）能够被人眼视觉系统所感受的那部分有效当量。可以用来判断可见光谱范围内光谱效率所能引起的主观感觉的强弱。

?单位：lm

?符号表示：Φ

立体角及其度量方法sr），它是半径为

?发光强度：光源在给定方向上的发光强度是该光源在该方向的立体角元dΩ内传输的光通量dΦ除以该立体角元之商，即

?Ι=dΦ/dΩ

?单位：1cd＝1lm/1sr

?实际光源或灯具各方向的发光强度不同。为了描述其发光的空间分布特性，需要用发光强度分布曲线（又叫配光曲线）来表示。它是照明计算和设计的一种重要依据

?光出射度Mv(Luminousexitance)

?1.定义：面光源单位元表面所发射的光通量?2.公式：Mv=dΦv/dＡ

?发光均匀：Mv=Φv/Ａ

?3.单位：lm/m2（流明/平方米）

?光出射度与光照度的区别：

?光出射度与光照度的表达式和单位完全相同．?区别在于:Me描写面辐射源向外发射的辐射特性(a)?E描写辐射接受面所接受的辐射特性(b)

色温与标准光源

?照明光源的作用非常重要，其光谱功率分布情况会直接影响被照物体的颜色。通常的照明光源，如太阳光、日光等发的光虽然都是白光，但它们的光谱成分相差很大，用它们照射相同物体时，呈现的颜色则相差较大。根据CIE（国际照明委员会）的规定，使用的标准光源主要有A、B、C、D

、E五种，并以“色温”来表征。

65

?1.色温

?光源的色温是用来描述光源的光谱分布的物理量。在色度学上，它通常用光源的光与绝对黑体发出的光相比较，并用绝对黑体的绝对温度来表征。

?绝对黑体是指既不反射也不透射光线，而能完全吸收入射光的物体。当绝对黑体被加热时，能以电磁波形式向外辐射能量，其光谱能量的分布只与加热的温度有关，温度低时光谱能量偏重于长波长区，温度升高时光谱能量逐渐偏重到短波长区。

?光源的色温:当光源的可见光谱与某温度的绝对黑体的辐射的可见光谱相同或接近时,就将此时绝对黑体的绝对温度称为该白光源的色温。例如，一个温度为2800K的钨丝灯泡所发出的光色与绝对黑体在温度为2856K时的光谱相同，则该灯泡所发出的光的色温就是2856K。

?要注意的是，色温用来表示光源的光谱特性，并非光源的实际温度。引入“色温”的概念，是为了进行色度的计算和白光的比较。

标准白光源

?使用的标准光源主要有A、B、C、D

65、E五种，其光谱功率分布曲线如

图几种标准光源的光谱分布所示。

??A光源:色温为2856K，相当于2800K钨丝灯所发的光。??B光源:色温为4874K，相当于中午直射的太阳光。??C光源:色温为6774K，相当于白天的自然光

??D

65光源:色温为6504K，相当于白天平均照明光

??E光源:色温为5500K，是一种理想的等能量的白光（E

白），实

际并不存在，它的采用可简化色度学的计算。

几种标准光源的光谱分布

光谱光视效率

?视神经细胞分为杆状细胞和锥状细胞。杆状细胞主要决定人眼对弱暗光的视觉反应，锥状细胞产要决定人眼对明亮光的视觉反应。视神经细胞对不同波长的感光灵敏度不一样，对绿光的灵敏度最高，而对蓝光和红光的灵敏度则低得多。图为CIE推荐的人眼的相对光谱光视效率函数曲线，分别称为“明视觉光谱光视效率V(λ)”和“暗视觉光谱光视效率V’(λ)”。

?人眼对颜色的感觉主要由锥体细胞起作用，而且锥体细胞只有当亮度大于几个cd/M2以上时才起作用。根据三色学说及多年来的大量实验证明，人眼视网膜上含有三种不同类型的锥体细胞，分别含有三种不同的视色素，这三种不同光谱敏感性的视色素的光谱吸收峰值分别约在440-

450nm；530-540nm；560-570nm处，分别称为亲蓝、亲绿、亲红视色素。外界光辐射进入人眼时被三种锥体细胞按它们各自的吸收特性吸收，细胞色素吸收光子后引起光化学反应，视色素被分解漂白，同时触发生物能，引起神经活动，将视觉信息通过双极细胞和神经节细胞传至神经中枢，引起颜色刺激。

?光通量(Luminousflux)

?光通量是光源在单位时间内发出的光量，也即为辐射通量（或辐射功率）能够被人眼视觉系统所感受的那部分有效当量。?单位是流明(lumen)，简写为lm。

?当λ=555nm时的单色光辐射功率为1W时，产生的光通量为683lm，或称1光瓦。在其它波长时，由于相对视敏函数下降，相同辐射功率产生的光通量随之下降。

彩色三要素

?彩色三要素指的是彩色光的亮度、色调、饱和度这三个量。

?亮度：指彩色光作用于人眼而引起的视觉上的明亮程度。光源的辐射能量越大，亮度就越高；不发光体的反射能力越强，亮度越高。

?复合光的亮度等于各个分量光的亮度之和。?另外，亮度还和波长有关，能量相同而波长不同的光对视觉引起的亮度感觉也不相同，这就是已经介绍过的视敏特性。

?色调：指彩色的颜色类别。我们通常所说的红、绿、蓝等指的就是色调。前面讲到不同波长的光颜色不同，也是指的色调不同。

?饱和度是指彩色的深浅、浓淡程度。对于同一色调的彩色光，饱和度越高，颜色就越深、越浓。各种谱色光都是饱和度最高的彩色。饱和度与彩色光中掺入的白光比例有关，掺入的白光越多，饱和度就越小。因此，饱和度也称为色纯度。

?饱和度的大小用百分制衡量，100％的饱和度表示彩色光中没有白光成分，所有谱色光的饱和度都是100％；饱和度为零表示全是白光，没有任何色调。

?色调和饱和度合称为色度，它既说明了彩色光的颜色类别，又说明了颜色的深浅程度

三基色原理

?人们通过大量实验发现，用三种不同颜色的单色光按一定比例混合，可得到自然界中绝大多数的彩色。具有这种特性的三个单色光叫三基色光，而这一发现也被总结成三基色定理，其主要内容如下：

?自然界中绝大多数彩色都可以由三基色按一定比例混合而得；反之，这些彩色也可以分解成三基色；

?三基色必须是相互独立的，即其中任何一种基色都不能由其它两种基色混合得到；

?混合色的色调和饱和度由三基色的混合比例决定；

?混合色的亮度是三基色亮度之和。

?另外，任何一种颜色都有一个相应的补色。所谓补色，就是它与某一颜色以适当比例混合时，可产生白色。红、绿、蓝的补色分别是青、品红、黄。

色度系统

?彩色同其它物理量一样，可以进行计算和度量。三基色原理是彩色计量的基础。?彩色的计量是通过确定三基色光对人眼的刺激程度来进行的，因此，需要规定三基色光的精确波长值和三基色光对人眼刺激程度的单位量。

?这里介绍几种常用的色度系统

RGB色度系统

?对于任意给定的彩色光F，其配色方程可写成

?F＝R[R]+G[G]+B[B]

?如果用相互垂直的三个坐标轴分别表示三个相互独立的基色R、G、B，那么任意一个彩色就能用此三维空间中的一个彩色矢量来表征。

?利用配色试验所得数据，常因人而异。因此，CIE推荐了一种国际通用的标准分布色系数数据，它是由很多正常视觉观测者的观测结果取平均所组成。所谓分布色系数是指辐射功率为1瓦（注意，不是1光瓦）波长为l的单色光所需要的三基色的单位数，分布色系数：配出辐射功率为1瓦、波长为λ的单色光所需要的三个某色光的单位数。

用r(λ)、g(λ)、b(λ)表示。

?色度坐标或相对三色系数r、g

、b：

?m=R+G+B——称为色模

?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中的两个就可以明确地

表示。因此各种彩色的色度可

以采用二维表示法。

CIE1931RGB色度图

?谱色轨迹：根据各谱色光的色度坐标值可绘出可见光谱在r一g平面上的坐标位置。由它们连接而成的一条舌形曲线，称为谱色轨迹

?自然界中的彩色（也称实色）都能用整个闭合曲线及其内部的相应点的坐标表示。坐标位置越靠近谱色轨迹，所对应的彩色越纯，即饱和度越高；而越靠近E点，所对应的彩色的饱和度越低。

?RGB计色制的缺点

–在色度图上不能直接表示出亮度，计算某色光的亮度非常复杂和不方便。

–混色曲线r(λ)、g(λ)、b(λ)中有负值存在，计算和实际测量容易出差。

–谱色轨迹不全在坐标的第一象限内，作图也感不便。

XYZ色度系统

?XYZ制的基本思想：选三个基色单位[X]、[Y]、[Z]，它所组成的三角形将单色光频谱全面包围在内，而且使三个色坐标中的一个恰好等于色光的亮度。

?在XYZ制中，配色方程为F=X[X]+Y[Y]+Z[Z]?三基色单位[X]、[Y]、[Z]满足的三个条件：–①用它们配出实际彩色时，三个色系数X、Y、Z均为正值。

–②为了便于计算，使合成彩色光的亮度仅由Y[Y]确定，并规定1[Y]的光通量为1光瓦。

–③当X=Y=Z时，仍代表等能白光E白。

CIE1931XYZ色度图

?由W点（等能白光）引向谱色轨迹的直线均为等色调波长线，其与谱色轨迹的交点所对应的波长，即为该直线上各点彩色的色调波长。

?等饱和度线——由色调波长不同而

饱和度相同的各点联成的曲线。?在等色调波长线WG上，越靠近W

点，饱和度越低，到W点则成为纯白光；越靠近谱色轨迹，则饱和度越高（越纯），到谱色轨迹上成为相应波长的单色光Fλ。

?某彩色光F的饱和度：

?补色波长如WK的补色波长为WM

的540nm%

100×=WGWFSF

?由人眼分辨颜色变化的能力是有限的，故对色度差很小的两种颜色，人眼分辨不出它们的差异。只有当色度差增大到一定数值时，人眼才能觉察出它们的差异，人眼刚刚能觉察出颜色差别所对应的色度差称为刚辨差JND（JustNoticeableDifference）。通过实验表明：在CIE色度图上，不同位置或者同一位置的不同方向，人眼的刚辨差是不相同的。

?1942年麦克亚当（Macadam）对25种色光进行实验，在每个色光点大约沿5到9个对侧方向上测量刚辨差。结果得到的是一些面积大小各异、长短轴不等的椭圆，称为麦克亚当椭圆，不同位置的麦克亚当椭圆面积相差很大，靠近520nm处的椭圆面积大约是400nm处随圆面积的20倍。这表明人眼对蓝色区域颜色变化相当敏感，而对饱和度较高的黄、绿、青部分的颜色变化不太敏感。

?经过某种投影变换，能使各点的刚辨差的