光电显示技术第二章视觉和电视显示基本原理

光电显示技术第二章视觉和电视显示基本原理第1页，共72页，2023年，2月20日，星期三1.巩膜在最外层，呈白色，是眼球的保护层。前端突出的、与空气接触的是角膜，厚约0.55mm，折射率1.3771，外界光线先通过角膜进入眼球，是人眼的窗户。一、眼睛的构造及功能

人眼又称为眼球，外型接近球体，直径约为24mm，眼球壁由巩膜、脉络膜和视网膜组成。

2.脉络膜紧贴巩膜，含有丰富的血管和色素，其前端为虹膜，虹膜中央有一圆孔－瞳孔，由虹膜肌的收缩与舒展控制瞳孔的放大和缩小，从而控制进入眼球的光通量，像照相机的光圈一样。虹膜的颜色决定了人眼的颜色。3.视网膜是眼睛的感光部分，约占眼球内表面的2/3，上面有感光细胞（杆体细胞和锥体细胞）、双极细胞和神经节细胞。视网膜上正对瞳孔的中央视觉最灵敏，称为黄斑。视神经纤维的出口处有盲点，无感光细胞，无视觉。锥体细胞直径2.5μm

～7.5μm，分布在黄斑上，它对明视觉、彩色视觉有贡献，能分辨细节，杆体细胞分布在黄斑周围，对弱光敏感性强，主要负责暗视觉，不能提供颜色信息。2.1人眼的生理特性第2页，共72页，2023年，2月20日，星期三4、后室：水晶体与视网膜之间，充满了折射率为1.336的透明液体。分为角膜、前室、水晶体、后室和黄斑。2、前室：在角膜和瞳孔之间，正透镜，厚3.05mm，透明液体折射率1.33743、水晶体：由多层膜构成，双凸正透镜，由睫状肌的收缩与舒展来改变水晶体的曲率半径，改变焦距，达到调焦的目的。二从光学角度看眼睛的构造1、角膜5、黄斑第3页，共72页，2023年，2月20日，星期三一、明视觉、暗视觉和光谱光效率曲线视觉是人眼视神经细胞的感觉，可引起视觉的光的波长为：0.38μm

～0.78μm，此波段的光称为可见光。人眼感觉可见光与两个因素有关，一是光的强弱，另一个是光的波长。与亮度有关的视觉：1、明视觉：亮度大于3cd/m2，锥体细胞起主要作用2、暗视觉：亮度小于0.03cd/m2，杆体细胞起主要作用3、中间视觉：亮度介于以上两者之间，锥体细胞和杆体细胞同时起作用。2.2人眼的视觉特性第4页，共72页，2023年，2月20日，星期三光谱光效率函数（视见函数）：当人眼感觉不同色光的亮度相同时，不同波长单色光所需能量的倒数。定量描述人眼对不同单色光的感受。光谱光效率曲线：等亮度单色光能量的倒数随光波波长的变化。505555第5页，共72页，2023年，2月20日，星期三二、暗适应与明适应（时间特性）暗适应：从明亮的环境突然进入黑暗的环境，直到看清物体的轮廓。5～10min明适应：从黑暗的环境突然进入明亮的环境，直到看清物体。1min三、视敏度和细节视觉视角：物体对人眼所张的角（以分为单位）第6页，共72页，2023年，2月20日，星期三视角越小，物体在人眼视网膜上所形成的像就越小。当两个物体在视网膜上所形成的像点的间距大于锥体细胞直径时，人眼即能分辨出两个物体。用视角α的倒数表示视敏度，可辨视角为1’时的视力称为正常视敏度。影响视敏度的因素：①物距增加，视敏度下降。②亮度增加，视敏度提高。③观测物体与背景间的对比度增加时，视敏度提高。第7页，共72页，2023年，2月20日，星期三四、临界闪烁频率视觉残留：光刺激停止后留下来的感觉。视觉残留维持的时间称为视觉残留时间。影响因素：①光线的强弱。②光刺激作用的时间。③光线的颜色。黄光最短，红蓝光最长。它还受眼睛疲劳程度的影响。第8页，共72页，2023年，2月20日，星期三临界闪烁频率：闪烁的光产生的视觉介于闪烁和稳定之间的闪烁频率。是人眼对光刺激在时间上的分辨能力。用CFF表示，Criticalflashingfrequency光的亮度：影响CFF的因素：①刺激光的强弱②刺激面积④背景光和刺激光的颜色③观察方式第9页，共72页，2023年，2月20日，星期三五、视觉阈限与差别感觉阈限视觉阈限：能引起视觉的最少光量子数，又称敏感度。差别感觉阈限：能够感觉到两种光刺激（主要指光强）有所不同时，两种光刺激间的最小差别量，又称最小可觉差。随刺激强度的增加而增加。第10页，共72页，2023年，2月20日，星期三一、光通量和发光强度1、光通量单位时间内通过一定面积的辐射能称为辐射能通量，简称为辐通量。单位：W光通量：能被人眼所感受到的那部分光的辐射功率，单位：lm，标度可见光对人眼视觉的刺激程度。标准光谱光效率函数单位波长间隔内的实际光功率最大光谱效能，683lm/W2.3光度学第11页，共72页，2023年，2月20日，星期三2、发光强度光源单位立体角内所发射出的光通量，单位：cd，表示光源在某一方向上发光的强弱。用顶点和球心重合的圆锥去截球面，当截得的面积为球半径的平方时，该圆锥所包含的空间为1立体弧度（球面度）。第12页，共72页，2023年，2月20日，星期三二、照度及距离平方反比定律1、照度单位面积接收的光通量，单位：lx（lm/m2）2、距离平方反比定律发光强度为I的点光源位于球心，半径为R的球面上获得的照度E为第13页，共72页，2023年，2月20日，星期三若被照射平面与光线不垂直时：证明：①室内标准照明，桌面照度不低于50lx②晴天阳光直射地面可达1～2万lx③满月的夜晚地面照度0.1lx第14页，共72页，2023年，2月20日，星期三三、亮度及朗伯定律1、亮度光源单位面积上的发光强度，单位：cd/m2用来评价光源的优劣。θ为观测方向与发光面的法线方向的夹角。假设发光体在各个方向上的亮度都一致，在某一方向上发光的强度等于这个面垂直方向上的发光强度乘以方向角的余弦－－－郎伯定律第15页，共72页，2023年，2月20日，星期三dAINIθθ郎伯发射面各个方向上的亮度都一致的发光面称为郎伯发射面。郎伯发射面发光强度的空间分布如图：它在半球空间的光通量：设一本身不发光的反射面的面积为A，受到的照度为E，为反射面的反射系数，其亮度为是多少？第16页，共72页，2023年，2月20日，星期三第17页，共72页，2023年，2月20日，星期三一、颜色及其分类颜色是不同波长可见光辐射作用于人眼后所产生的心理感受，是一种与物理、生理和心理有关的复杂现象。分类非彩色彩色从颜色形成的物理机制分①光源色②物体色(表面色)2.3色度学概要第18页，共72页，2023年，2月20日，星期三二、颜色的三个基本特征1、色调：颜色的类别2、明度（亮度）：人眼感觉光的明亮程度3、饱和度：颜色的鲜明程度图2-7颜色的立体表示白青红绿

黄

橙蓝

紫黑明度色调饱和度注意：a、三个特征参数的不同便区分不同的颜色。b、单一波长的光谱色饱和度为100%。c、非彩色只有明度区别，色调和饱和度为0。第19页，共72页，2023年，2月20日，星期三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、颜色混合及Grassman颜色混合定律1、颜色混合⑴加混合：不同色光直接相加混合。a、时间混色法b、空间混色法利用人眼的视觉惰性。利用人眼空间细节分辨力差的特点。举例：彩色显像管第20页，共72页，2023年，2月20日，星期三⑵减混合：从白光中除去某些色光而形成新的颜色，如油漆、颜料等2、Grassman颜色混合定律（1853）（1）人的视觉只能分辨颜色的三种变化﹕明度﹑色调和饱和度。（2）在由两个成份组成的混色中﹐如果一个成份连续变化﹐混合色的外貌也连续变化。补色律：互补的两种颜色以一定比例混合后得到白色或灰色，以其它比例混合，则产生接近占有比例大的颜色的非饱和色。中间色律：非互补的两种颜色混合将产生中间色，其色调取决于两颜色的比例。第21页，共72页，2023年，2月20日，星期三（3）颜色外貌相同的色光﹐不管它们的光谱组成是否一样在颜色混合中都是等效的。（4）亮度相加律：混合色的亮度等于各色光亮度之和注：此定律只适应于加混合，不适应于减混合颜色代替律：A＝B，C＝D，则A＋C＝B＋D※用色光相加可以产生或代替各种所需的光，达到的视觉效果一样。第22页，共72页，2023年，2月20日，星期三四、颜色匹配颜色匹配：通过改变参加混色各颜色的量，使混合色与指定颜色达到视觉上相同的过程。1、红、绿、蓝三种颜色以不同的量相混合可匹配任何颜色，配色方程：2、红、绿、蓝不是唯一的三原色，任何相互独立的三种颜色都可以按一定比例混合而匹配任何颜色以上原理或结论是彩色电视得以实现的重要理论基础。彩色电视只需在摄像端将景物的各种颜色分解成红、绿、蓝三种基色，然后将这三种基色转换成相应的三种电信号传送到显示端，在显示端将电信号再转换成三基色光信号，最后在屏幕上用三基色混合出原景物的色彩。第23页，共72页，2023年，2月20日，星期三五、色度学中的几个概念1、颜色刺激：引起颜色知觉的可见辐射的辐射通量。2、三原色：混合后能够匹配所有颜色的三种相互独立的颜色。3、三刺激值：匹配某种颜色所需的三原色的量。4、光谱三刺激值：匹配等能光谱色所需的三原色的量。5、色品（度）坐标及色品图色品（度）：三刺激值各自在三刺激值总量中占的比例。显然，第24页，共72页，2023年，2月20日，星期三以r为横坐标，g为纵坐标建立坐标平面，平面上的点均和某种颜色相对应，这个表示颜色的平面称做色品图。第25页，共72页，2023年，2月20日，星期三六、CIE标准色度学系统由CIE（国际照明委员会）规定的颜色测量原理、基本数据和计算方法。1、1931CIE-RGB系统⑴选用汞光谱中的三条为三基色。R－700nm，G－546.1nm，B－435.8nm⑵三基色单位：1lm红光为1个R基色单位，用（R）表示4.5907lm绿光为1个G基色单位，用（G）表示0.0601lm蓝光为1个B基色单位，用（B）表示等能白光F白＝1（R）＋1（G）＋1（B），可用色温为5500K的白光源（E）代替。第26页，共72页，2023年，2月20日，星期三E白的光通量是三个基色光的光通量之和，即：1＋4.5907＋0.0601＝5.6508lm。1931CIE－RGB系统色度图第27页，共72页，2023年，2月20日，星期三2、1931CIE-XYZ系统⑴用（X）、（Y）、（Z）三基色匹配实际色彩时，三色系数都应该为正值。⑵所选三基色中，只有（Y）包含亮度，而（X）、（Z）不包含亮度。⑶当X＝Y＝Z时，仍代表等能白光E。⑷在构成XYZ三角形时尽可能减少三角形所占的面积。第28页，共72页，2023年，2月20日，星期三两系统间转换公式：三基色（X）、（Y）、（Z）在r-g色度图中的坐标：色度坐标变换公式：第29页，共72页，2023年，2月20日，星期三②E白点的坐标为x=y=1/3，舌形曲线上任一点与E白点的连线称为等色调线。①舌形曲线全部位于第一象限，所有的单色光都位于舌形曲线上。③不在同一等色调线上的任意两点，表示了两种不同的颜色，由这两种颜色组成的全部混合色都处在这两点的连线上。④在谱色曲线内任取三点对应的彩色作基色，则由此三基色混合而成的所有彩色都包含在以这三点为顶点的三角形内。第30页，共72页，2023年，2月20日，星期三标准照明体1)A

光源：代表绝对温度大约为2856K完全辐射体(黑体)的光。2)B

光源：代表相关色温大约为4874K的直射日光﹐它的光色相当于中午阳光。3)C

光源

：代表相关色温大约为6774K的平均日光﹐它的光色近似阴天天空的日光。4)D65

光源：代表相关色温大约为6504K的日光。第31页，共72页，2023年，2月20日，星期三3、均匀颜色空间在色度图上，人眼感觉不出颜色变化的范围称为颜色宽容量。椭圆区域－等色差域CIE-XYZ标准色度图的缺点在于色度空间不均匀，给实际配色带来了不便。第32页，共72页，2023年，2月20日，星期三CIE于1960年采用了CIE1960UCS色度图。色度坐标变换公式：1976CIE-UCS第33页，共72页，2023年，2月20日，星期三例一：请说出公式中R、G、B和（R）、（G）、（B）的物理意义，并指出r、g、b的表达式，并说明其物理意义。已知某一波长的光波的r＝0.8175，g＝0.1537，总的光通量为7.598lm，计算各基色的光通量。例二、已知某色样的色品坐标x=0.3921，y=0.3244，Y的刺激值为30.05，求X、Z的刺激值。第34页，共72页，2023年，2月20日，星期三2.4电视传像原理电视传送活动的图像，基本过程：发送端：经摄像器件将活动景物的光信号转换成电信号，发送传输。（光电转换）接收端：经显示器件将接收到的图像信号转换成光信号，还原出图像。（电光转换）第35页，共72页，2023年，2月20日，星期三一、图像的组成1、像素：为了图像提取和传输的便利，将一幅图像分解成许多小单元，分解的最小单元称为像素。图像能够分解的像素数越多，图像就越清晰、细腻。区别黑白电视和彩色电视像素的组成LG.Philips屏三星索尼屏第36页，共72页，2023年，2月20日，星期三2、画面的组成一幅静止的画面：颜色（亮度L，色调H，饱和度S）的二维分布函数。一幅活动的画面：颜色的时空分布台湾屏夏普屏第37页，共72页，2023年，2月20日，星期三二、图像的顺序传送在发送端把被传送图像上各像素的亮度、色度信息按一定顺序逐一地转换成相应的电信号，并依次通过一个通道发射出去，在接收端按相同的顺序依次将电信号在相应的位置转换成不同亮度、色度的光信号显示出来，重现图像，这就是顺序传送制。要求：①传送速度足够快；②接收并显示的画面其像素与发送端要一一对应。如何显示连续活动的画面？第38页，共72页，2023年，2月20日，星期三第39页，共72页，2023年，2月20日，星期三三、电视扫描在电视技术中，电子束在电磁场作用下按一定规律在摄像管或显像管的屏面上作周期性的运动，称为扫描。电视图像传输中采用从左到右、从上到下的匀速直线性扫描。我国电视制式规定每一幅画面由625行组成，每秒传送25幅（帧）。扫描方式：逐行扫描和隔行扫描。第40页，共72页，2023年，2月20日，星期三1、逐行扫描123579114681012（1）水平方向的扫描称为行扫描。如图1－2、3－4等实线所示的扫描为行正程，所用时间：THt2－3、4－5等虚线所示的扫描为行逆程，所用时间：THr行周期：行频：行逆程系数：第41页，共72页，2023年，2月20日，星期三（2）垂直方向的扫描称为帧扫描。从上向下的扫描称为帧正程，所用时间：TFt从下向上的扫描称为帧逆程，所用时间：TFr帧周期：帧频：帧逆程系数：电子束扫描轨迹的集合称为光栅。逐行扫描中，所有帧的光栅应重合，因此要求帧扫描周期TF为行扫描周期TH的整数倍。即：TF=ZTH，Z为每帧的扫描行数。第42页，共72页，2023年，2月20日，星期三第43页，共72页，2023年，2月20日，星期三1235791146810121、有回扫线的光栅1235791146810122、消除回扫线的光栅无论是行逆程还是帧逆程都会产生亮线，对图像产生干扰，要消隐掉。逐行扫描特点：图像质量好，扫描电路简单，但通频带宽宽。第44页，共72页，2023年，2月20日，星期三2、隔行扫描：将一帧图像分成两场。第45页，共72页，2023年，2月20日，星期三第46页，共72页，2023年，2月20日，星期三隔行扫描应满足的要求：⑴下一帧的扫描起始点应与上一帧起始点相同。⑵相邻两场扫描光栅必须均匀嵌套。每一帧的扫描行数必须为整数。每一帧的行数Z为奇数，即每场要包含半行。缺点：（1）行间闪烁；（2）并行现象；（3）垂直边沿锯齿化现象。第47页，共72页，2023年，2月20日，星期三四、电视图像的基本参量我国电视标准规定：⑴一帧扫描总行数为625行，其中，帧正程575行，帧逆程50行（在场逆程时被消隐掉）；设Z为每帧扫描行数，h为屏幕高度，则有，代入上式得。取标准视距L为屏幕高度h的4～6倍，并取θ为1′时，则可算得应该取的扫描行数在860～570行之间。第48页，共72页，2023年，2月20日，星期三⑸电视图像的宽高比为4:3。⑵采用隔行扫描方式，每场扫描312.5行，场正程287.5行，场逆程25行；⑶场频为50Hz，与电网频率相同；场周期20ms。⑷行频为15625Hz，行周期为64s，行正程时间为52s，行逆程时间为12s；考虑人眼的临界闪烁频率及交流电源的影响。HDTV或大屏幕高质量电视观看距离约为屏高的三倍，宽高比定为16∶9。第49页，共72页，2023年，2月20日，星期三五、同步和消隐1、同步指接收端与发送端的扫描点位置要一一对应，即收、发端对应的像素应在同一时刻被扫描。同步的要求：扫描同频、同相、电流波形相似。第50页，共72页，2023年，2月20日，星期三为了实现收发端同步扫描，在发送端设置了同步信号发生器，产生行、场同步脉冲信号，它们是周期稳定、边缘陡峭的脉冲。作用：控制逆程的起点，脉冲的前沿表示上一行（场）正程的结束。ttIU逆程起点第51页，共72页，2023年，2月20日，星期三通常用行周期TH表示一个时间单位，即1H＝64μS，我国电视规定，行同步信号的脉冲宽度为4.7μs，场同步信号的脉冲宽度为2.5H=160μs。行、场同步信号合在一起称为复合同步信号。由于两个同步脉冲的宽度不同，接收端用微积分电路进行分离。但在场同步期间失去了行同步脉冲，每场开始时造成同步混乱。第52页，共72页，2023年，2月20日，星期三为保持行同步信号的连续性，在场同步信号内开两个小凹槽，形成了开槽脉冲。开槽脉冲脉宽为4.7μs。第53页，共72页，2023年，2月20日，星期三为了消除奇数偶数两场的时间误差，在场同步信号前后的2.5TH内将行同步脉冲间隔改为TH/2。且将这些脉冲的宽度减少为原来的一半，即为2.35μs。第54页，共72页，2023年，2月20日，星期三2、消隐电子束的回扫亮线会干扰图像的质量，采用消隐脉冲将逆程期间的电子束截止。行消隐信号和场消隐信号合在一起称为复合消隐信号。图2-12复合消隐信号(a)奇数场；(b)偶数场行、场消隐脉冲的宽度如图所示。第55页，共72页，2023年，2月20日，星期三消隐脉冲的作用是关闭电子束,消除回扫线。消隐电平相当于图像信号的黑色电平，消隐脉冲的前沿比同步脉冲提前一点可以确保逆程被完全消隐掉。行消隐脉冲的前沿比行同步脉冲前沿提前1.3μs～1.5μs，场消隐脉冲的前沿比第一个前均衡脉冲提前1.3μs～1.5μs。第56页，共72页，2023年，2月20日，星期三六、全电视信号完整的电视信号由图像信号、复合消隐信号和复合同步信号叠加而成。对于彩色电视还要有色同步信号，这些信号加起来称为全电视信号。另外还有声音信号，通过调频加载发送。全电视信号的幅度比例按标准规定是同步信号电平为100%，黑电平与消隐电平为75%，白电平为10%～12.5%，图像信号介于白电平和黑电平之间，统称为灰色电平。第57页，共72页，2023年，2月20日，星期三七、电视图像信号1、图像内容与电信号的关系2、图像信号的特点⑴脉冲性⑵周期性第58页，共72页，2023年，2月20日，星期三八、彩色电视信号的传输1、兼容性限制黑白图像（亮度）信号黑白电视彩色图像（亮度和色度）信号传输发送接收彩色电视扫描标准一致频带宽度一致、信号间不串扰两种信号易分开第59页，共72页，2023年，2月20日，星期三兼容须满足下列基本的要求：(1)在彩色电视的图像信号中，要有代表图像亮度的亮度信号和代表图像色彩的色度信号。(2)彩色电视只能占有与黑白电视相同的频带宽度。(3)彩色电视应与黑白电视有相同的图像载频、伴音载频等。(4)彩色电视与黑白电视的行、场扫描频率和行、场同步信号的各项标准等都应相同。第60页，共72页，2023年，2月20日，星期三2、显示三基色NTSC制式（美、日、加）：PAL制式（中）：第61页，共72页，2023年，2月20日，星期三3、兼容黑白电视的彩色电视系统传送的信号亮度信号色差信号接收端将色差信号还原出色度信号：第62页，共72页，2023年，2月20日，星期三可以化为：得到：将改写为如下形式：第63页，共72页，2023年，2月20日，星期三⑵由R-Y和B-Y求G-Y时，系数0.51和0.19小于1，可用电阻分压器实现。三大制式均选用R-Y和B-Y作为色差信号的原因是：⑴三个色差信号中，

G-Y信号数值最小，作传输信号时信噪比最低，抗干扰性差。第64页，共72页，2023年，2月20日，星期三⑶接收机终端恢复R、G、B信号比较简单。即：用色差信号传送色度信号具有以下优点：⑴可减少色度信号对亮度信号的干扰。当传送黑白图像时，R=G=B=ε，两个色差信号R-Y和B-Y均为零，不会对亮度信号产生干扰。⑵有利于节省色度信号发射能量。第65页，共72页，2023年，2月20日，星期三4、大面积着色原理由于人眼的视觉特性，对黑白对比的细节有较高的分辨力，而对彩色对比的细节分辨力较低。在彩色图像传送过程中，只有大面积部分需要在传送其亮度信息的同时传送其色度成分，而颜色的细节部分，可以用亮度信号来取代，这就是大面积着色原理。

由于亮度信号频带宽度为0～6MHz，三个色差信号频带宽度也为0～6MHz，为在同样带宽范围内同时传送亮度与色差信号，只能对色差信号进行频带压缩，将色差信号频带压缩到0～1.3MHz。第66页，共72页，2023年，2月20日，星期三5、频谱交错原理彩色电视图像信号按频率分布的角度来说，亮度信号大多集中在行频fH及谐波nfH附近的一个小的范围内，将色差信号调制到一个合适的载频（称副载频，fsc）上，将调制后的R－Y和B－Y信号安插在亮度信号频谱的间隙内，这种方法称为频谱交错原理。副载波的频率fsc必须是半行频的奇数倍，即：第67页，共72页，2023年，2月20日，星期三图亮度信号频谱图(a)以行