电视原理课件

光与人眼的视觉特性电视就是依据人眼的视觉特性以一定的电信号形式来传送活动景像的技术。一、光的特性光学和电磁场理论指出：光是一种可以看得见的电磁波，它具有波粒二象性——波形性和微粒性。电磁波的谱极为宽广，它包括无线电波、可见光谱、紫外线、X射线和宇宙射线等，它们分别占据的频率范围如图1.1所示。可见光谱的波长范围在380～780nm之间，随着波长的变化，人眼主观感觉随之变化，表现为两个重要特性：1、不同波长的光具有不同的颜色。若光的波长从780nm依次递减变化到380nm，光的颜色红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，比780nm更长的电磁辐射是红外线，比380nm更短的电磁辐射是紫外线。2、辐射功率相同但波长不同的光给人眼的亮度感觉不相同。电子枪单色光(谱色光):单一频率电磁辐射所发出的光称为单色光或谱色光，人眼对此感到的是一种单纯的颜色，称为单色或谱色。实际上，一般光源不会发出纯净的谱色光，它们或者象日光和白炽灯光那样发出的是连续光谱的光，或者象高压汞灯那样发出具有若干条谱线的线状光谱的光。无论连续光谱光源或线状光谱光源,它们发出光都称为复合光。我们日常接触到的各色的光源或者由客观景物反射入眼睛的光线，均为复合光。

光谱功率分布曲线：一种光源同时发射多种谱色光,那么在各个波长上将具有各自的功率。光源的光谱辐射功率按波长的分布称为光谱功率分布。光源的光谱功率分布可以用直角坐标上的一种曲线来表示。横坐标为光谱波长，纵坐标为辐射功率或相对能量。

图1.2示出几种标准光源的光谱功率分布曲线例子。充气钨丝白炽灯(A光源):波长越长辐射功率越大。等能白光源(E光源):可见光范围内辐射功率完全均匀。它发出某一种白色光。不过，等能白光源是假想的，这种光谱功率分布的光源在自然界中是不存在的，然而，它在彩色电视的色度计算中十分有用，是一个方便而有意义的人为规定的基准白色光源，简称为E白。

C光源和D光源分别是NTSC制和PAL制彩色电视照明光源。

C光源6770KA光源2854KE光源5500KD光源6500K图1.2几种光源的光谱功率分布曲线

二、人眼的构造与感光机理眼睛的外形是一个直径大约为23mm的球体，其水平断面，如图2所示。2

眼球由多层组成，最外层是较硬的膜，前面1/6部分是透明的角膜，光线由此进入，其余5/6部分为巩膜，作为外壳保护眼球。角膜内是前室，含有水状液，对可见光是透明的，能吸收一部分紫外光。前室后面是虹膜，其中间有一直径可在2～8mm间变化的小孔，称为瞳孔，相当于照相机的光圈，调节进入眼睛的光通量。瞳孔后面是水晶体，它是扁球形弹性透明体，能起透镜作用，其曲率由两旁的睫状肌调节，从而改变它的焦距，使远近不同的景物都在视网膜上清晰成象。水晶体的后面是后室，它充满了透明的胶质，起着保护眼睛的滤光作用。后壁则为视网膜，它由无数的光敏细胞组成。光敏细胞按其形状分为杆状光敏细胞和锥状光敏细胞，锥状光敏细胞有700万个，主要集中在正对瞳孔的视网膜中央区域称为黄斑区。

黄斑区无杆状光敏细胞，越远离黄斑区，锥状光敏细胞越少，杆状光敏细胞越多，在接近加缘区域，几乎全是杆状光敏细胞。锥状光敏细胞既能感光，又能感色。杆状光敏细胞只能感光，不能感色，但感光灵敏度极高，是锥状光敏细胞感光灵敏度的10，000倍。两类细胞有明确的分工：在强光作用下，主要由锥状光敏细胞起作用，所以在白天或明亮环境中，看到的景象既有明亮感，又有彩色感，这种视觉叫做明视觉（或白日视觉）；在弱光作用下，主要由杆状光敏细胞起作用，所以在黑夜或弱光环境中，看到的景物全是灰黑色，只有明暗感，没有彩色感，这种视觉叫做暗视觉。每1个锥状光敏细胞通过1根视神经与大脑相连；数个杆状光敏细胞通过1根视神经与大脑相连；视神经汇集视网膜的一点，此点无光敏细胞，称为盲点。人眼的感光机理感光过程大致分为四个步骤：第一步：景物经过水晶体聚焦于视网膜形成“光象”；第二步：光象在视网膜上点产生与光照度成正比的电位，即在视网膜上将“光象”变成“电位象”；第三步：视网膜上各点的电位分别促使各对应的视神经放电，放电电流是振幅恒定而频率随视网膜电位大小变化的电脉冲。换句话说，视神经将视网膜的“电位象”按频率编码方式传送给视觉皮质。第四步：视觉皮质通常接收到多达200万个频率编码的电脉冲信号，大脑综合的图像信息处理使人产生视觉，看到景物的图象。关于大脑综合的图像信息处理使人产生视觉还是一个谜，人们正处于研究与探索之中。三、人眼的视觉特性1、相对视敏函数辐射功率相同波长不同的光对人眼产生的亮度感觉是不相同的。1933年国际照明委员会（CIE）经过大量实验和统计，给出人眼对不同波长光亮度感觉的相对灵敏度，称为相对视敏度（相对视敏函数）V（

）

。表1给出了相对视敏度的最佳数据，图3是根据表1作出的曲线，称为相对视敏函数曲线。它的意义是：人眼对各种波长光的亮度感觉灵敏度是不相同的。实验表明：在同一亮度环境中，辐射功率相同的条件下，波长等于555nm的黄绿光对人眼的亮度感觉最大，并令其亮度感觉灵敏度为1，即相对视敏度V（

）=1；人眼对其它波长光的亮度感觉灵敏度均小于黄绿光（555nm），故其它波长光的相对视敏度V（

）都小于1。例如波长为660nm光线的相对视敏度V（660）=0.061，那么，这种红光的辐射功率应比黄绿光（555nm）大16倍（即1/0.061＝16），才能给人相同的亮度感觉。当

<380nm和

>780nm时，V（

）＝0

这说明紫外线和红外线的辐射功率再大，也不能引起亮度感觉，所以红外线和紫外线是不可见光。这也是自然选择的结果。假如人眼对红外线也能反映，那么这种近似光雾的热辐射将会成为人们观察外部世界的一种干扰。4如果在夜晚或微弱的光线下，测得的人眼相对视敏函数曲线向左移，如图5中V′(λ)曲线所示。常称V(λ)为明视觉相对视敏函数，称V′(λ)为暗视觉相对视敏函数。

明视觉相对视敏度

400500600700

波长（毫微米）1.00.80.60.40.2暗视觉

2、光学基本参量：

光通亮辐射功率相同波长不同的光所引起的亮度感觉不同；辐射功率不同，波长也不相同的光可能引起相同的亮度感觉。为了按人眼的光感觉去度量辐射功率，引入光通量的概念。单一波长光（单色光）光通量F（

i）等于辐射功率P（

i）与相对视敏度的乘积：F（

i

）＝P（

i

）V（

i

）光瓦（1）两个或两个以上波长的光称为复合光。其光通量等于各波长光通量之和：（2）光通量的单位是光瓦和流明。

1光瓦等于辐射率为1瓦、波长为555nm的黄绿光产生的光通量；

1流明＝1/680光瓦；

1光瓦＝680流明；发光强度

光源在单位立体角内发出的光通量定义为发光强度；用I表示。它与光通量的关系为:

I=

（3）

F=(4)例如，处在球心的点光源的光通量假设为F，则在球面上的发光强度为：亮度

亮度是指发光面在指定方向上的发光强度与发光面在垂直于所取方向的平面上的投影之比。如果发光面以平方米为单位，发光强度单位为烛光。亮度单位为尼特，即:

1尼特=1烛光/平方米亮度单位还可以用熙提表示：

1熙提=104尼特大多数面光源只在半球空间辐射，对于漫散射面光源，其发光强度是按余弦规律分布的。漫散面ds在α方向上的亮度为：

（5）上式说明,理想漫散射面虽然在各个方向上的发光强度不同，但亮度相同。3、人眼的亮度视觉特性3.1、人眼的亮度视觉范围和亮度感觉

亮度视觉范围指人眼所能感觉的亮度范围。这个范围非常宽：明视觉的亮度感觉范围为1尼特至几百尼特;

暗视觉的亮度感觉范围为千分之几尼特至几个尼特。人眼具有如此宽广的亮度视觉范围，原因在于眼睛的感光作用具有适应性。当外界光的强弱大幅度突变时，眼睛会通过一定的生理调节过程来适应新的光强。眼睛的适应性分暗适应和亮适应两种过程：从明亮环境进入黑暗环境时---

人眼的瞳孔直径可由2毫米扩大到8毫米，使进入眼球的光通量增加16倍；更主要的是由灵敏度极高的杆状细胞接替灵敏度较低的锥状细胞产生感光作用，从而使感光灵敏度提高几万倍；

从黑暗环境进入明亮环境也需要一个短暂的亮适应过程，才能由锥状细胞起作用。尽管人眼感光范围极其广阔，但它并不能同时感觉如此宽广的亮度范围。当人眼适应某一环境亮度后，可感受的亮度范围就有一定的限度：在平均亮度适中时，能感受的亮度上、下限之比约为1000∶1；平均亮度过高或过低时，这一比值只有10∶1。

人眼的明暗感觉是相对的，在不同的亮度背景下，对同一景物亮度的主观感觉并不相同。例如，在晴朗的白天，环境亮度为10,000尼特，此时可分辨的亮度范围是200～20,000尼特；等于或低于200尼特的亮度都引起黑色感觉；在环境亮度为30尼特时，人眼可分辨的亮度范围为1～200尼特，此时200尼特的亮度引起极为明亮的感觉，而低于1尼特的亮度才引起黑色感觉；

正因为如此，不论是电影还是电视所映出的画面，并不需要恢复原景物的亮度，而只需具有一定的对比度和亮度层次，就能给人以相当真实的亮度感觉而得出较高质量的黑白图像。3.2、对比度和亮度层次

原景物图像或重现图像的最大亮度Bmax与最小亮度Bmin之比称对比度或反差，用C标记。在画面的最大亮度与最小亮度之间能分辨的亮度感觉级数为亮度层次，也称黑白灰度，用n标记。一般来说，对比度越大，画面的亮度层次应当越丰富。但另一方面，能分辨的亮度层次还受人眼的对比度灵敏度阈δ的制约。在一定的照明光源下，电视图像的对比度为:

(6)

式中，BMAX、BMIN和BP分别表示图像最大、最小亮度和杂散光亮度。

3.3视觉惰性和闪烁感觉

视觉惰性视觉的建立和消失都具有一定的惰性。视觉的建立：当一定强度的光突然投射到视网膜上时。人眼并不即刻形成稳定的亮度感觉，而有一段短暂的建立过程。随着时间的增长，亮度感觉先由小到大，很快达到最大值，然后回降至稳定值；视觉的消失：光线消失后的残留视觉被称为视觉暂留。通常，视觉暂留时间约为0.05～0.2秒。图5所示的视觉惰性中，可以同时看出视觉惰性的两个方面，即视觉的建立过程和视觉的消失过程。

亮度感觉S光脉冲P

亮度感觉曲线

t1t2t3t4t

（a）视觉惰性通常，视觉暂留时间约为0.05～0.2秒。

SPS曲线

t

（b）临界闪烁频率

图5视觉惰性和临界闪烁频率

由于视觉暂留特性，前一幅画面的印象尚未消失时，后一幅画面的印象又已建立,人眼就会感觉画面不是断续的而是连续的，暂留时间为0.05秒，则产生连续感的换幅频率(重复频率)为20赫兹。

电视荧光屏上，有数十万个像素按一定的顺序在轮流发光，但人眼看到的却像是整幅画面在同时发光，获得的是恒定亮度的完整的形象。这同样是视觉暂留特性产生的结果。

闪烁感觉临界闪烁频率fC：不再引起闪烁感觉的光源最低重复频率。常用fC

表示，它与亮度的对数成线性关系，有公式：

(7)式中，B1是脉冲光源亮度，B2是背景亮度。常取α=9.6,b=26.6,即：

(8)荧光屏的最高亮度约100尼特，这样电视图象的fc=45.8HZ。4、人眼的分辨力人眼分辨图像细节的能力称为人眼的分辨力。分辨黑白图像细节的能力称亮度分辨力；分辨彩色图像细节的能力称彩色分辨力。分辨力的大小可用分辨角(视敏角)来表征。

(9)d

L

图6人眼的分辨率测定原理

观察静止图象时，分辨角θ约为1′～1.5′;

运动物体，分辨角将大些，即分辨力要低些。分辨力与人眼对运动景物的连续感有密切关系。由于存在视觉惰性，且暂留时间大于0.05秒，所以当一幅静止画面(即景物不运动)以高于20HZ频率间断地重复呈现时，尽管有亮度闪烁，但会感觉这幅画面始终存在于眼前，产生了视觉上的连续感。实验表明，对于一个间断呈现的运动景物，当它的换幅频率高于20Hz，且前后两次呈现的相对位置对眼睛的张角不超过7.5分时就会产生连续移动的感觉，当超过了7.5分时，欲使其仍具连续感，则要将换幅频率提高到大于20Hz。画面增多了，运动景物前后两次呈现的相对位置挨近了，张角小于7.5分便产生连续感。

。实验证明，人眼的彩色分辨力低得多。表2给出一组实验测量数据:

彩色对比:黑白黑绿黑红黑蓝绿红红蓝绿蓝分辨率:100%94%90%40%26%23%19%

人眼彩色分辨力与亮度分辨力的特性，对于实现彩色电视信号传输有着重要意义5、

人眼的彩色视觉特性

5.1彩色的三个参量：亮度、色调、饱和度亮度：是光作用于人眼时所引起的明亮程度的感觉。常以B表示。它与被观测物体的发光强度及视敏函数有关。色调：是彩色之间相互差异的重要特征，反映颜色的类别。物体的色调决定于光源的光谱成分和物体的反射特性或透射特性。饱和度：表征彩色的纯粹性,色调的浓淡深浅程度。谱色光是饱和度最高的彩色，彩色光的饱和度随着掺入的白光增多而降低。

亮度表示某彩色光的明亮程度，而色调则表示颜色的类别,饱和度表示颜色的深浅程度。

5.2

人眼的彩色视觉特性人眼的彩色视觉特性是:人眼所看到的彩色是不同光谱成份作用于眼睛的综合效果。不同波长的光波会引起不同的彩色感觉；相同的彩色感觉，也可以由不同波长的光谱成份引起。例如:波长580nm的谱色光引起橙黄色感觉。又例如：太阳光发出的白光包含红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光，即这七色光可混合成太阳白光。但也可以用红、绿、蓝三种不同波长的单色光混合成白光。由此可知:单色光可用混合色光来等效，混合色光也可由单色光以适当比例混配来代替，这种现象称为混色。利用混色的方法，人们可以仿造出自然界中绝大多数彩色，而不管仿造的彩色与原彩色是否具有相同的光谱成份。这一点对于实现彩色电视广播也具有非常重要的意义。对于人眼彩色视觉特性的解释主要有两大学说。其一是杨--亥姆霍尔兹的三色学说。它从彩色混合的物理学规律出发，假设视网膜上有三类锥状细胞，它们各主要对红色、绿色和蓝色三色光起反应，分别称为感红(红敏)细胞、感绿(绿敏)细胞和感蓝(蓝敏)细胞。当长波长的光线刺激视网膜时，感红的锥状细胞反应最大，兴奋最强烈；感绿和感蓝细胞都不怎么兴奋，于是引起红色感觉；当中波长的光线刺激视网膜时，感绿细胞最兴奋,于是引起绿色感觉；当短波长的光线刺激视网膜时,感蓝细胞最兴奋，因而引起蓝色感觉。若光线引起感红和感绿细胞都兴奋，则产生黄色感觉；若感绿和感蓝细胞都兴奋，则产生青色感觉；若感红和感蓝细胞都兴奋，则产生紫色感觉；若感红、感绿和感蓝细胞三者都兴奋,将产生白色感觉。这都符合实际的色光混合现象的。通过实验后的计算推得三类锥状细胞具有图1.6所示的相对视敏函数曲线，分别用VR(λ)、VG(λ)和VB(λ)表示。三条响应曲线的峰值分别在580nm(红)、540nm(绿)与440nm(蓝)点，三条曲线互相重叠，使各种谱色或者仅处于其中一条曲线之下，或者同时处在两条或三条曲线之下。由图可见，黄光既能刺激红敏细胞，又能刺激绿敏细胞，因此红光和绿光以适当比例混合同时到达视网膜时，这两种锥状细胞同时受到刺激，所造成的视觉与黄光单独作用是一样的。把三条曲线加起来，就是相对视敏函数曲线，也称亮度曲线。

VR(λ)相对视敏度1.00.80.60.40.20VG(λ)VB(λ)400500600700波长（nm)图1.6三类锥状细胞相对视敏函数曲线5、

人眼的彩色视觉特性

5.1彩色的三个参量：亮度、色调、饱和度亮度：是光作用于人眼时所引起的明亮程度的感觉。常以B表示。它与被观测物体的发光强度及视敏函数有关。色调：是彩色之间相互差异的重要特征，反映颜色的类别。物体的色调决定于光源的光谱成分和物体的反射特性或透射特性。饱和度：表征彩色的纯粹性,色调的浓淡深浅程度。谱色光是饱和度最高的彩色，彩色光的饱和度随着掺入的白光增多而降低。

亮度表示某彩色光的明亮程度，而色调则表示颜色的类别,饱和度表示颜色的深浅程度。

5.2

人眼的彩色视觉特性人眼的彩色视觉特性是:人眼所看到的彩色是不同光谱成份作用于眼睛的综合效果。不同波长的光波会引起不同的彩色感觉；相同的彩色感觉，也可以由多种不同波长的光谱成份共同引起。例如:波长580nm的谱色光引起橙黄色感觉。又例如：太阳光发出的白光包含红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色光，即这七色光可混合成太阳白光。但也可以用红、绿、蓝三种不同波长的单色光混合成白光。由此可知:单色光可用混合色光来等效，混合色光也可由单色光以适当比例混配来代替，这种现象称为混色。利用混色的方法，人们可以仿造出自然界中绝大多数彩色，而不管仿造的彩色与原彩色是否具有相同的光谱成份。这一点对于实现彩色电视广播也具有非常重要的意义。对于人眼彩色视觉特性的解释主要有两大学说。其一是杨--亥姆霍尔兹的三色学说。它从彩色混合的物理学规律出发，假设视网膜上有三类锥状细胞，它们各主要对红色、绿色和蓝色三色光起反应，分别称为感红(红敏)细胞、感绿(绿敏)细胞和感蓝(蓝敏)细胞。当长波长的光线刺激视网膜时，感红的锥状细胞反应最大，兴奋最强烈；感绿和感蓝细胞都不怎么兴奋，于是引起红色感觉；当中波长的光线刺激视网膜时，感绿细胞最兴奋,于是引起绿色感觉；当短波长的光线刺激视网膜时,感蓝细胞最兴奋，因而引起蓝色感觉。若光线引起感红和感绿细胞都兴奋，则产生黄色感觉；若感绿和感蓝细胞都兴奋，则产生青色感觉；若感红和感蓝细胞都兴奋，则产生紫色感觉；若感红、感绿和感蓝细胞三者都兴奋,将产生白色感觉。这都符合实际的色光混合现象的。2.1三基色原理

三基色原理

：适当选择三种基色，由这三种颜色按不同比例相混合可以产生出自然界中几乎所有彩色，混出的彩色光的色调由三基色的比例关系决定，其亮度由三基色光的亮度之和决定。要求选择的三种基色是互相独立的，选择三种基色的方法要尽可能简单，由它们配出的彩色域要尽可能大。彩色电视三基色原理：将自然界中的任意景象先分解成红、绿、蓝三种基色光象，再将三基色光象经编码处理送到接收端，在接收端将红、绿、蓝三种基色光象相加混色，在显像管荧光屏上恢复被送来的彩色景物。当然，三基色组并不一定只有红、绿、蓝，也可以是其它三基色组。

红色(R)+绿色(G)=黄色(Yellow)

红色(R)+蓝色(B)=紫色(Magenta)补色

蓝色(B)+绿色(G)=青色(Cyan)

红色(R)+绿色(G)+

蓝色(B)=白色(White)相加混色法1)实际混色：将三基色光投射到白色屏幕上，当三基色光由屏幕反射时，它们的光线已真正混合在一起。2)时间混色：将三基色光按一定比例轮流投射到同一屏幕上，只要交替的速度足够快，由于人眼的视觉暂留特性，产生的彩色视觉与三基色直接相混时一样。3)空间混色：将三种基色同时投射到同一表面的三个邻近的点上，只要这些点之间的距离足够近，利用人眼的分辨力有限而产生混色。4)生理混色：两只眼睛分别看两个不同颜色的景物，两束视神经受到的光刺激通过大脑的综合而给出混合的色光感觉。相减混色法相减混色利用了滤光特性即在白光中减去不需要的彩色留下所需要的，目前印染、颜料、彩色照片等均采用相减混色。

黄色=白色—蓝色绿色=白色—紫色青色=白色—红色红色=白色—蓝色—绿色绿色=白色—蓝色—红色蓝色=白色—绿色—红色黑色=白色—蓝色—绿色—红色

2.2配色实验和RGB计色系统

1.配色实验

国际照明委员会(CIE)规定：标准红基色(R)光的波长λ为700nm，标准绿基色光(G)的波长为546.1nm，标准蓝基色光(B)的波长为435.8nm，它们都是谱色光，视敏函数值分别为:

VR(λ)=VR(700)=0.041;VG(λ)=VG(546.1)=0.8756;VB(λ)=VB(435.8)=0.0173图2.1配色实验

配色实验中，待配色光F可以用下式表示（配色方程）：

F=R[R]+G[G]+B[B](2.1)

式中F表示具有一定亮度与色度的任一彩色光，［R］、［G］、［B］分别表示红、绿、蓝三基色单位；R、G、B表示基色单位数，称基色系数。在选定基色单位［R］、［G］、［B］时，为了色度学计算上的方便，规定各以1单位的红、绿、蓝三基色光相混时，恰能产生出等能白光，(即E白光)时，所需三个基色光通量的比例为：

｜FR｜∶｜FG｜∶｜FB｜=1∶4.5907∶0.0601(2.2)

式中｜Ｆ｜表示某色光的光通量。

CIE规定：1[R]基色单位表示1光瓦波长为700nm的红谱色光；1[G]基色单位表示4.5907光瓦波长为546.1nm的绿谱色光；1[B]基色单位表示0.0601光瓦波长为435.8nm的蓝谱色光。在配色实验中，比色计调节器是以[R]、[G]、[B]为单位进行刻度的，因此E白光的方程表示为：FE白=1[R]+1[G]+1[B](2.3)其光通量为：｜FE白｜=1+4.5907+0.0601=5.6508(光瓦)2.RGB计色系统

对于任意色光，其配色方程为：

F=R[R]+G[G]+B[B](2.4)

此方程说明：R、G、B三基色系数的大小决定了彩色亮度的大小，其比例关系决定了色度，只要比例不变，色调就不变。其光通量为：｜F｜=(R×1+G×4.5907+B×0.06011)(光瓦)=680(R×1+G×4.5907+B×0.0601)(流明)(2.5)由式2.1，设三基色系数之和为：

R+G+B=m(2.6)并令:r=R/mg=G/mb=B/m(2.7)于是得：

r+g+b=1(2.8)上式中：m称为色模，表示某彩色光F所含的三色系数的总和；

r,g,b称为相对色系数，表示配出的某色光各基色系数在总基色系数中所占的比例。如果m=1，则r,g,b表示配出某色光的色模为1时，所需各基色单位的多少。F=m[r[R]+g[G]+b[B]](2.9)m=1时，F=r[R]+g[G]+b[B](2.10)在求其光通量时可按下式:｜F｜=m(r+4.5907g+0.0601B)光瓦=680m(r+4.5907g+0.0601b)流明(2.11)

图2.2R、G、B色度图

坐标原点为r=0，g=0，b=1，它是蓝基色单位1[B]的坐标点；绿基色单位1[G]的坐标点是r=0、g=1、b=0，它是舌形曲线与横轴的交点；三基色单位1［R］、1［G］、1［B］组成的三角形称为物理三基色彩色三角形，其重心即为E白光的位置。

所谓分布色系数是指为了配出辐射功率为1瓦的各谱色光所需的三色系数R、G、B，常以表示。它们也称为三色光谱响应函数，由它们所描成的一组曲线称为物理三基色混合曲线。据此，单位辐射功率(即1瓦)谱色光的配色方程可写成:

F(λ)=(2.12)

已知辐射功率为P(λ)的光源,在整个可见光波范围内求和，便得此光源的三色系数R、G、B，计算如下：(2.13)于是辐射功率波谱为P(λ)的色光F的方程为：F=R［R］+G［G］+B［B］(2.14)

图2.2RGB计色系统的混色曲线

3.0

2.0

1.0

0分布色系数

400500600700缺陷：1、混色曲线中有负值存在，计算不方便。2、谱色轨迹不全在第一象限，作图麻烦。3、RGB色度图上难以确定某色光的亮度。2.3XYZ计色系统

1.XYZ制基色单位［X］［Y］［Z］的确定在XYZ计色系统中，任意色光F的配色方程为：F=X［X］+Y［Y］+Z［Z］(2.15)

式中，XYZ称为标准三基色系数选定[X]、[Y]、[Z]三基色时要满足下面几点要求：(1)当表示任意色光时，X、Y、Z总为正值，Δ[X][Y][Z]包含任意色光，即谱色轨迹必须在第一象限内；(2)要求色光F的亮度仅由Y[Ｙ]一项表示，与X[X]、Z[Z]无关，而且规定1[Y]的光通量为1光瓦,而色光F的色度由X、Y、Z的比值确定。(3)当X=Y=Z时，色光F应是等能E白光，且:

1［X］+1［Y］+1［Z］=1(光瓦)(E白光)Δ[X][Y][Z]的三条边的方程为:

r+0.99g–1=01.45r+0.55g+1=0(2.16)r+4.5907g+0.0601b=0它们的公共解分别为[Ｘ]、[Ｙ]和[Ｚ]的坐标:[X]:rx=1.2750;gx=-0.2778;bx=0.0028[Y]:ry=-1.7393;gy=2.7673;by=-0.0280(2.17)[Z]:rz=-0.7431;gz=0.1409;bz=1.6022

2.RGB坐标系与XYZ坐标系之间的转换关系两坐标系间的变换关系：

可得两种计色制的三色系数对应关系式：

值得注意的是系数Y：

Y=R+4.5907G+0.0601B(2.20)

与色光F的光通量表达式完全一致，即系数Y代表了彩色光的亮度值。3.XYZ色度图

对于任意彩色F，其配色方程的表达式为：F=X［X］+Y［Y］+Z［Z］其色模为:

t=X+Y+Z(2.21)

相对色系数为x、y、zx=X/ty=Y/tz=Z/t

x+y+z=155059010000K

0.10.20.30.40.50.60.7x

y0.80.70.60.50.40.30.20.1

40047048049050052051053054056057058060061062070024000K8000K4500K1500K

图2.3XYZ色度图(x-y色度图)

表2.1色度图上的各色域的中、英文对照

中文英文中文英文中文英文绿green绿偏黄yellowish-green黄绿yellow-green黄偏绿greenish-yellow黄yellow橙偏黄yellowish-orange橙orange橙偏红reddish-orange橙粉红orange-pink紫purple紫偏蓝bluish-purple蓝偏紫purplish-blue紫红red-purple紫偏红reddish-purple红偏紫purplish-red

粉红(品)pink粉红偏紫purplish-pink红red

蓝blue蓝偏绿greenish-blue蓝绿blue-green

绿偏兰bluish-green

4.XYZ计色系统的分布色系数

根据RGB计色系统与XYZ计色系统的三色系统之间的关系式有：400480560640720波长（毫微米）1.61.20.80.4分布色系数

图2.4XYZ计色系统的混色曲线

由混色曲线可知，各条曲线都为正值，而y(λ)曲线与明视觉视敏函数曲线V(λ)完全一致。任意色光的三色系数可由下式计算:

(2.23)

根据色系数与相对色系数关系,就可以计算出它们在x-y色度图上的坐标x,y。

2.4彩色电视中的三基色(显像三基色)1.显像三基色的选择（Re、Ge、Be）

所谓电视显像三基色，就是电视系统中实际应用的红、绿、蓝三基色光。它们完全决定于电视显像装置中采用的红、绿、蓝荧光粉。这是因为，在电视屏幕上呈现的彩色图像是由三基色荧光粉发出的光相加混合形成的，所以电视三基色也就是显像三基色。显像三基色不是标准三基色，也不可能是物理三基色，因为实际显像管荧光粉发出的基色光并非谱色，而是复合光。

显像三基色选取要考虑两个方面:

首先，应使三基色荧光粉的光色尽可能靠近适当的谱色,以求显像三基色构成的彩色三角形面积(重现色域)尽量大；

其次，应使三基色荧光粉的发光效率要比较高,以求彩色图像有足够的亮度。这两个要求之间是存在矛盾的，显像三基色的选择应该对重现色域和发光效率两者折衷的考虑。实际上是采用非谱色(荧光粉本来也难以发出谱色光)，牺牲一些重现色域，而换得能有较高的屏幕彩色亮度。具体采用什么坐标位置的三基色又完全决定于可以实际生产怎样的基色荧光粉，而荧粉化学材料的研制和质量提高又是在发展着的。1.1953年美国确立NTSC制2.1970年欧洲广播联盟(EBU)3.1973年对原先的NTSC制荧光粉的改进

类别基色、基准白和化学成分

x

yNTSC制(1953年)Re1锰激活磷酸锌]Ge1锰激活硅酸锌Be1银激活硫化锌C白0.6700.2100.1400.3100.3300.7100.0800.316EBU制(1970年)Re2稀土元素Ge2银激活硫化镉Be2银激活硫化锌D65

白0.6400.2900.1500.3130.3300.6000.0600.329NTSC制(1973年)Re3铕激活钒酸Ge3银激活硫化锌镉Be3银激活硫化锌D65白0.6480.3060.1530.3130.3290.5920.0740.329表2.2显像三基色的色度坐标

1953年规定的NTSC制中，混配出C白的三基色荧光粉发光的亮度比为:

LR∶LG∶LB=2.63∶5.15∶15.1=0.299∶0.587∶0.1141970年规定的EBU制中混配出D65白的三基色荧光粉发光亮度比为:LR∶LG∶LB=3.12∶9.1∶1=0.222∶0.707∶0.0712.

亮度公式和混色曲线(1)亮度公式的导出

就1953年的NTSC制荧光粉进行计算

，要求:1［Re］+1［Ge］+1［Be］混配出1光瓦C白，即:1［Re］+1［Ge］+1［Be］=Fe(1光瓦)(2.26)

将这三个基色单位量构成电视显像三基色计色系统,它与XYZ系统的计色单位量之间的关系为:1单位显像三基色的光通量分别为:｜1［Re］｜=0.299光瓦｜1［Ge］｜=0.578光瓦(2.28)｜1［Be］｜=0.114光瓦配出任一彩色光F的配色方程为:

F=Re［Re］+Ge［Ge］+Be［Be］(2.29)

则其光通量为：

｜F｜=0.299Re+0.587Ge+0.114Be(2.30)这就是所谓的亮度公式

对于EBU制的荧光粉和D65白，可以仿效地计算得:｜1［Re］｜=0.222光瓦｜1［Ge］｜=0.707光瓦（2.31）｜1［Be］｜=0.071光瓦其亮度公式为：

｜F｜=0.222Re+0.707Ge+0.071Be(2.32)

(2)混色曲线显像三基色确定后，可以求出它们相应的分布色系数，即幅射功率为1瓦，波长为λ的谱色光用显像三基色混配时所需的三色系数re(λ)、ge(λ)、be(λ)称显像三基色分布色系数。所有的谱色光构成的相应的三条曲线为混色曲线，即荧光粉的混色曲线。3.1电视传像的基本概念1.景物光学信息的函数表达式电视传像的基本过程是：在发送端，由电视摄像机经光电变换将景物的亮度B和色度C(包括色调H和饱和度S)按一定的规律变换成相应的电信号，经适当处理后通过无线电波或有线线路传输出去。在接收端，用电视接收机将收到的电信号经电光变换按对应的规律重新显示出图像，逼真地反映出原景物。把景物看成是许许多多小点的集合体，这些小点为像素，也就是景物的最小单元。这些像素在它们各自固定的几何位置上(几何位置可用空间坐标x、y、z来表示)含有各自的亮度和彩色信息，这样静止景物的光学信息B、H、S都因地(空间位置)而异，它们都是x、y、z函数，于是可用下列函数式来表达：(3.1)活动景象的光学信息还因时而异，它可用下列函数式来表达：

(3.2)对于现今通用的平面彩色电视来说，就只需要传送景物的二维光学信息，重现的是平面图像，所以不需要式(3.2)中的z参量，函数表达式成为：

(3.3)

如果传送的是平面黑白电视信号，那么三个光学信息中只剩下一个亮度信息B了，函数表达式简化为：

B=f(x,y,t)

(3.4)

2.顺序传送制和同步扫描

按一定顺序将一个个像素的亮度信号轮流地变换成电信号，并且用同一条传输通道传送这些电信号，称为顺序传送制。

123123

图3.1顺序制传输图像像素示意图传输通道顺序传送像素的规律(或图像的顺序分解与复合的过程)称为扫描。如果扫描的速度足够快，使帧频既高于活动景物连续感所需的频率，又高于临界闪烁频率，则在接收端所见到的就是既有连续感又无闪烁感的活动景象了。从数学上说，扫描的实质是将原来随空间和时间而变的函数变换成只随时间而变的函数。扫描前，分布在平面上的亮度信息函数是B=f(x,y,t)；通过扫描，就成为时间t的单一函数了，即:

B=f(t)(3.5)

扫描并未丢弃了空间因素，在扫描时，处在不同空间位置x,y上的像素是在不同的时刻t传送的，也就是说，x,y分别是时间t的函数，所以代表空间位置的变量x,y没有丢失而已经隐藏于式(3.5)所表达的函数关系中了。进行扫描时必须做到收、发两端的扫描规律要严格相同，称之为同步。所谓同步，包含两个要求：一是收、发两端的扫描速度相同，这叫同频；二是收、发两端每行、每帧的扫描起始时刻相同，这叫同相。3.电视系统的扫描和传像原理1)电视摄像：光电导摄像管内的主要部分是光敏靶和电子枪，管外则有聚焦线圈和偏转线圈。光敏靶利用其电导率随光线强弱而变化的光敏特性将一帧光的图像，转变成了一帧“电的图像”。电子束扫描又使“电像”分解为像素，并依次拾取各像素的信息。2)电视显像：管内结构有电子枪和荧光屏，管外有偏转线圈。

由阴极发射出来的电子在电子枪其它电极的聚焦和加速作用下聚成电子束，并以高速轰击荧光屏，使它发出一个光点(像素)。电子束电流越大，发光点越亮。图像信号输至电子枪的栅极(或阴极)，使电子束电流的大小受图像信号的控制。所以荧光屏上发光点的明暗与图像内容有关。同时，在偏转线圈产生的偏转磁场作用下，电子束按与摄像管电子束同样的规律在荧光屏上快速地扫描。这样就可以在荧光屏上就重视出原图像。3)同步信号显像管中电子束的扫描规律应与摄像管中电子束的扫描规律完全相同，即应做到同频又同相的同步扫描。为此需要由统一的同步信号来控制收，发两端的扫描电路，以使它们输出步调一致的扫描电流送入偏转线圈。同步信号是由播送端的同步机产生的。

同步混入处理存储传输通道接收、解调、同步分离扫描电路扫描电路靶电源扫描线圈显像管偏转、聚焦线圈摄像管R同步机图3.2电视系统示意图电子束光敏靶阴极3.2电视扫描

1.扫描方式在电视系统中，为了充分利用矩形屏幕，并使扫描设备简单可靠，都采用匀速单向直线扫描方式。这种扫描方式分水平和垂直两个方向：从显像管外看，水平扫描的顺序是从左到右；垂直扫描是从上到下。水平扫描也叫行扫描，垂直扫描也叫场扫描或帧扫描。2.逐行扫描电流和扫描光栅

t0t1t2t3t7

12345678场正程TVt场逆程TVr行正程THt向下偏转向上偏转向左偏转向右偏转行逆程THr图3.3水平和垂直扫描电流波形图iHt图3.4电子束扫描的轨迹和光栅当显像管外的偏转线圈中没有偏转电流通过，此时电子束应径直地射向荧光屏的中心，发出一个亮点。如果只在水平偏转线圈中通以图3.3所示的iH，则电子束只沿水平方向来回扫描，结果在荧光屏上呈现的是一条通过屏中心的水平亮线，见图3.4(a)。若只是垂直偏转线圈中通以图3.3所示的iV，那么呈现的是一条通过屏中心的垂直亮线，见图3.4(b)。

若同时存在iH和iV时，电子束就能自左至右、自上而下扫描整个屏幕。此时，电子束的扫描轨迹如图3.4(c)所示。电子束从左到右的扫描称为行正程，行正程扫描所用的时间称为行(扫描)正程时间，用THt表示；从右到左的回扫过程称为行逆程，用THr表示。电子束自上至下的扫描，称为场的正程，场正程时间用TVt表示；自下而上的回扫过程称为场逆程，用Tvr表示。3.扫描的参数1)参数

行正程时间THt与行逆程时间THr之和称为行周期TH，它的倒数为行扫描(水平扫描)频率，简称行频，用fH表示。场正程时间Tvt与场逆程时间Tvr之和称为场周期Tv，场周期的倒数为场扫描(垂直扫描)的频率，简称场频，用fv表示。行逆程时间与行周期之比称为行逆程系数，用α表示，即：

(3.11)

场逆程时间与场周期之比称为场逆程系数用β表示，即:(3.12)逐行扫描方式应要求每场的光栅能够精确重合，也就是要求每场正程和逆程内的总行数正好是整数。这样，当第二场开始时，iv为最大值，iH正好又处在最小值，于是第二场的起扫点又在屏的左上角，与第一场起扫点重合。即：Tv=ZTH(3.13)fH=Zfv(3.14)Z为标称扫描行数：每场扫描行数。2)参数的选择场频的选择：要考虑图像有连续感，无闪烁、不易受干扰、图像信号频带不至于过宽等因素。当播送静止画面时，由于人眼的视觉暂留时间一般大于0.05秒，所以只要场频高于20赫兹时，就可以产生视觉的连续感。对于断续出现的运动景物来说，当它重复出现的频率高于20赫且相邻两次出现的相对位置对眼睛的张角不超过7.5分时，就可以产生连续移动的感觉。（fv>32Hz）

为了使电视图像没有闪烁感，场频应高于人眼对画面的临界闪烁频率fc。（fv>48Hz)

场频越高，图像信号的频带就越宽，因此选择过高的场频会使电视设备复杂而不经济。

在电视选取场频时，通常都选用与电源频率相同的场频，即50赫或60赫。行频的选择：在逐行扫描方式中，为使各场光栅精确重合，应保持fH=Zfv，其中Z为每场的标称扫描行数(整数)。标称扫描行数与图像信号的带宽、电视系统的分解力等指标有着密切的关系。在一定范围内扫描行数越多，电视系统的分解力和清晰度越高，但图像信号的频带也就越宽。

由于人眼的分辨力是有限的，所以当扫描行数较少时，增加扫描行数可明显提高清晰度；但当扫描行数增加到一定值时，随扫描行数的提高，清晰度的主观感觉就趋于恒定而很难提高了。在满足视场要求的情况下，观看距离L与屏幕LV之间应具有下列关系：

(3.17)

15ºφ1.00.80.60.40.20

图3.5相对视力与垂直偏转角的关系

相对视力

由于人眼的分辨力是有限的，所以当扫描行数较少时，增加扫描行数可明显提高清晰度；但当扫描行数增加到一定值时，随扫描行数的提高，清晰度的主观感觉就趋于恒定而很难提高了。在满足视场要求的情况下，观看距离L与屏幕LV之间应具有下列关系：

(3.17)

满足人眼分辨力的屏幕扫描行数

ZM=LV/d=600(3.18)标称扫描行数：Z=ZM/[1-β]=652(3.20)

目前世界各国对60Hz场频的，选用525行，其行频为15750Hz；对50Hz场频的选用625行，其行频为15625Hz。高清晰度电视，其标称扫描行数约为1125行。缺点：10MHz~20MHz4.隔行扫描

1)隔行扫描原理

隔行扫描是将一幅画面分两次扫描：先扫画面上空间位置的奇数行光栅(包括场逆程，奇数场)；扫完后，接着再扫偶数行光栅（称为偶数场），完成第二场的扫描。这前后两场内传送并显示的图像称一帧。所以在隔行扫描中，一帧分两场。(a)奇、偶场光栅结构图

(b)奇、偶两场光栅均匀镶嵌

图3.6隔行扫描的光栅结构一帧等于两场，所以帧频

fF

恒等于fV之一半。

(3.21)隔行扫描中，标称扫描行数Z是指一帧内的扫描行数，也就是前后两场总行数，而每场(包括场正程和场逆程)只扫描二分之一Z行，所以隔行扫描各频率参数间具有下列关系：(3.22)隔行扫描的图像信号带宽：

(3.23)上式对逐行扫描和隔行扫描都适用，可见隔行扫描的图像信号带宽要减少一半。6MHz2)隔行扫描的特点隔行扫描解决了逐行扫描无法克服的闪烁感、清晰度和图像信号频带三者之间的矛盾，同时满足对这三方面的要求。隔行扫描也有缺点，如存在行间闪烁及产生并行现象(奇数场的光栅和偶数场的光栅并在一起或不均匀地镶嵌)，从而降低分解力和清晰度。当采用隔多行扫描时，上述隔行扫描的缺点将变得明显，因此现在世界各国的广播电视制式都不采用隔多行扫描的方式，而均采用隔行率为2∶1的隔行扫描。3.3图像信号(VideoSignal)

通过电视扫描，在摄像端的摄像管内的电子束对成像在摄像靶面上的活动图像进行扫描分解，即可将f(x,y,t)的活动图像分解成随时间变化的电信号f(t)，称此电信号为图像信号。黑色电平和白色电平图象信号的波形特点：单向性(正极性和负极性)和脉冲性。

(a)八级辉度垂直条图像

(b)正极性图像信号

(c)负极性图像信号

白色电平

黑色电平

逆程正程图3.7图像信号

3.4消隐脉冲和同步脉冲

1.消隐脉冲

消隐脉冲也称消隐信号，它包含行消隐脉冲和场消隐脉冲两种脉冲序列，行、场消隐脉冲合称复合消隐信号。

行消隐脉冲用来使行扫描(水平扫描)逆程期间显像管电子束截止，不显示图像，完成行消隐；

场消隐脉冲用来使场扫描(垂直扫描)逆程期间电子束截止，完成场消隐。11.8us52.2us25TH+THr1612us行消隐场消隐

图3.8图像信号为负极性的复合消隐脉冲消隐脉冲电平：略高于黑电平消隐脉冲宽度：行消隐脉冲宽度=11.8us

场消隐脉冲宽度=25

TH+THr=1612us

消隐脉冲的重复周期：TH、Tv2.同步脉冲

为了实现收发端电子束扫描的同步，由电视中心台内的同步机产生同步信号(也叫同步脉冲)，同时送给电视摄像机和接收机，用以控制它们的扫描电路。简单复合同步脉冲：包括行同步脉冲和场同步脉冲两种脉冲序列，分别被放置在行逆程和场逆程中传送。与消隐脉冲采用以幅度相区别的叠加方式。行同步脉冲与场同步脉冲在一起称为复合同步脉冲。

同步信号与消隐信号的相同之处：频率相同不同之处：1）电平不同2）脉冲宽度不同3）脉冲的起始时刻不同基准时刻（起始时刻）：行同步脉冲的前沿决定行扫描电流正程结束，逆程开始。简单复合同步脉冲存在的问题：1）在场同步期间缺乏行同步信息，容易造成局部行扫描的失步；2）接收端行、场同步分离电路使奇、偶两场实际的场周期有差异，从而导致两场光栅不能精确镶嵌。

幅度分离锁相环路积分电路频率分离全电视信号行扫描电路场扫描电路复合同步信号场同步图3.12同步分离电路示意图

行同步偶数场奇数场奇数场场同步偶数场场同步奇数场偶数场切割电平线tAtBtatbΔt(a)(b)(c)TH图3.13奇、偶两场场周期时间差Δt的原因同步出发电平问题的解决1)在场消隐前肩上的几个行同步脉冲改成二倍行频的均衡脉冲，使奇、偶两场的场同步脉冲前一段时间内(例如2.5TH)具有相同的脉冲群，以消除奇、偶场周期差异。2)对场同步进行2倍行频刻槽，利用槽脉冲的上升沿补回失去的行同步信号。采用2倍行频的原因是1倍行频刻槽会使得奇、偶场的积分起始电平不同产生奇、偶场周期差异。3.5黑白全电视信号

黑白全电视信号(VBS)就是图像信号、复合消隐信号和复合同步信号的组合。第一个场同步前沿与应起行同步作用的脉冲前沿相一致时，此时刻规定为奇数场的起点;第一个场同步前沿与应起行同步作用的脉冲前沿差半行时，此时刻规定为第二场(偶数场)的起点。每帧的第1行，并非是场正程中显示光栅的顶部的首行，它隐匿于场消隐之中。场消隐后肩有“空闲”行，可安插其他信息。全电视信号的幅度：同步头至峰白电平143单位;消隐电平0单位;黑色电平距消隐电平7.5单位;峰值电平距消隐电平100单位;同步脉冲43单位.

国别,参数内容南、北美洲国家日本等

西欧国家中国前苏联

每帧扫描行数

525

625625625

帧频（赫兹）

30

2525

25

场频（赫兹）

60505050

行频（赫兹）

15750156251562515625行周期（

s）63.5

6464

64行消隐宽度（

s

）

9.5-11.5

11.52-1211.52-12

11.52-12行同步宽度（

s）4.754.74.74.7行消隐前肩（

s）1.271.31.31.3行消隐后肩（

s）3.81

5.8

5.85.8场消隐脉宽（

s）13331611.81611.81611.8前后均衡脉冲个数6