第三节 色度学基础知识 一、光与彩色 1. 可见光及其特性 第三节 色度学基础知识 一、光与彩色 1. 可见光及其特性 光是一种客观存在的物质，光也是一种电磁波。电磁波的频谱范围很广，包括无线电波、·9· 红外线、可见光线、紫外线、X 射线、宇宙射线等，如图 1.13 所示。 图1.13 电磁波频谱图

从图 1.13 中可以看出，可见光位于红外线与紫外线之间，波长在 380～780 nm（1 nm = 910 m −）之间，不同波长的光波呈现出不同的颜色，波长由长到短分别引起人眼红、橙、黄、 绿、青、蓝、紫 7 种色感。 白色光是各种单色光的混合效应。太阳光通过玻璃棱镜后，可以分解为红、橙、黄、绿、青、蓝、紫一系列的彩色光。 太阳光的波谱

2 .物体的颜色 物体可分为发光体与非发光体。 发光体的颜色由它所发出的光谱所确定。非发光体所呈现的颜色，是指该物体在特定光源照射下，反射（或透射）的一定可见光谱成分作用于人眼而引起的视觉效果。也就是说对于非发光体，其颜色由主要由照射光源、物体的性质和人眼的彩色视觉特性来决定。 例如，在阳光照射之下，红领巾呈红色，是因为红领巾反射了太阳光中的红色成分，而将其他成分全部吸收。 彩色感觉不但与物体本身对光的反射和吸收特性有关，还与光源所含的光谱成分有关，因此同一物体在不同光源照射下呈现的彩色也有所不同。 国际上曾规定了 A、B、C、D、E 5 种标准白光源，其中 A、B、C、D 光源是实际存在的，E 光源是一种假想的等能量光源，实际是不存在的。

二、彩色三要素 任一彩色光对人眼的视觉作用，都可用亮度、色调及色饱和度这三个参量来描述。这三个参量称为彩色三要素。 1. 亮度 亮度——指彩色光作用于人眼时所引起的明暗程度的感觉。 物体的亮度由照射光和反射光的强度决定。 2. 色调 色调——指彩色光的颜色类别。 例如红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，分别表示不同的色调。色调取决于彩色光的光谱成分。

它与彩色光中含有的白光多少有关，饱和度越高则颜色越深，所含有的白光就越少，不掺入白光，色饱和度为 100%；白光的饱和度为零。 3. 色饱和度 色饱和度——指彩色光颜色的深浅程度。 它与彩色光中含有的白光多少有关，饱和度越高则颜色越深，所含有的白光就越少，不掺入白光，色饱和度为 100%；白光的饱和度为零。 通常把色调和色饱和度合称为色度（F） 。色度既说明彩色光颜色的类别，又说明了颜色的深浅程度。在彩色电视系统中，实质上是传输图像像素的亮度和色度信息。

三、人眼的彩色视觉特性 1. 人眼的视觉特性 人眼视网膜上的光敏细胞有两种，即杆状细胞和锥状细胞。杆状细胞对亮度敏感，能感受弱光，但无色觉。锥状细胞又分红敏、绿敏和蓝敏细胞，在正常光照的作用下引起视觉，产生彩色感觉。 人眼的亮度感觉与实际亮度不是同步的。 人眼的这一视觉特性称为视觉惰性或视觉暂留，如图所示。 人眼的视觉惰性示意图

　 视觉惰性的应用： 1、 在放映电影时，每秒钟换24幅。为了，采用每幅曝光两次的办法，使得每秒钟画面共出现48次，达到了临界闪烁频率，克服闪烁感。 2、我国广播电视采用隔行扫描，规定场频fV=50HZ。图像才可以采用顺序制传送。即将一幅图像分解为若干个像素，传送图像时，不必将所有制得的像素同时传送，而只要快速地按顺序逐个传送像素就可以了。

2. 视力范围与电视机屏幕 由于人眼视觉最清楚的范围是水平方向夹角 20°、垂直方向夹角 15°的矩形内，因此电视机的屏幕一般设计成矩形，宽高比为 4∶3 或 5∶4。高清晰度大屏幕彩色电视机的屏幕宽高比一般为 16∶9。电视机尺寸大小常用对角线长度表示。 3. 电视图像清晰度与电视系统分解力 电视图像的清晰度是指人眼主观感觉到的图像细节的清晰程度。电视系统传送图像细节的能力，称为系统的分解力。扫 描行数越多，景物被分解成的像素就越多，重现图像的细节也就越清晰，分解力就高。 当扫描行数达到一定值后，再增加行数，清晰度提高较慢，而电视信号的频带宽度却急剧增加。为此，扫描行数 一般选在 500～650 行之间。我国选用 625 行，在高清晰度电视中，扫描行数已增加到 1 000行以上。

4. 亮度特性 对于同一波长的光，当光的辐射功率不同时，给人的亮度感觉也不同。辐射功率相同而波长不同的光，给人的亮度感觉也是不同的，这种不同，通常用相对视敏度曲线来表示，如 图 1.14 所示。从图中可以看出，人眼对 555 nm 波长的黄绿色光最敏感。 图1.14 相对视敏度曲线

四、三基色原理与混色 1. 三基色原理 　 用三种不同颜色的单色光按一定的比例混合，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基色光，这三种颜色叫三基色。其主要内容是： ① 自然界中的大多数彩色，都可以用三基色按一定比例混合得到；反之任意一种彩色也都可以分解为三基色。 ② 三基色必须是相互独立的彩色，即其中任意一种基色都不能由其他彩色混合产生。 ③ 三基色之间的混合比例，决定了混合色的色调和饱和度。 ④ 混合色的亮度等于三基色亮度之和。 在彩色电视中，选用红（R）、绿（G）、蓝（B）作为三基色。

选用红（R）、绿（G）、蓝（B）作为三基色原因： 1）人眼对红、绿、蓝三基色比较敏感； 2）红、绿、蓝三基色彼此独立； 3）红、蓝分布在可见光谱的两端，绿分布在可见光谱的中间，而由红、绿、蓝三基色混合而成的彩色较为丰富。 根据三基色原理，我们只需把要传送的彩色分解成红（R）、绿（G）、蓝（B）三种基色，然后再将它们转换成三种电信号进行传送。在电视接收端，再将这三种电信号送至彩色显像管，经过混色的方法就能重现原来被传送的彩色图像了。

　彩色图像的发送与接收示意图

利用三基色按不同比例混合来获得彩色的方法，称为混色法。 2. 混色法 利用三基色按不同比例混合来获得彩色的方法，称为混色法。 彩色混色方法有两种： ①彩色光的混色（相加混色） ②彩色颜料的混色（相减混色） （1）直接混色 1）相加混色 用等能量的红、绿、蓝三束单色光同时投射到白色屏幕上，屏幕上将出现一幅品字形的三基色圆图，如图所示。 　相加混色

2）相减混色 相减混色的三基色为黄、青、紫。 在一张白纸上分别画黄、青、紫三个圈，并使之有交叠处。 白－红＝青 白－绿＝紫 白－蓝＝黄 白－蓝－绿＝红 白－红－绿－蓝＝黑 相减混色图

是将三种基色光分别投射到同一表面上邻近的三点上，则由于人眼的分辨力的限度，就能产生三种基色光混合的色彩感觉。 　　间接混色法是利用人眼的视觉特性进行混色的方法。间接混色法又可分为空间混色法、时间混色法和生理混色法。 　　（２）空间混色法 　　是将三种基色光分别投射到同一表面上邻近的三点上，则由于人眼的分辨力的限度，就能产生三种基色光混合的色彩感觉。 　　现代彩色显像管就是根据这种方法来重现彩色图像的。 　　（３）时间混色法 　　是将三种基色光按一定顺序轮流投射到同一表面上，轮换速度足够快，由于人眼的视觉惰性，将产生与三基色光直接混合时相同的彩色感觉。 时间混色法是顺序制彩色电视的基础。

　3、彩色三角形 1）三角形的顶点为三个基色，每条边是其对应两端点基色以不同比例组成的混色线。 2）三角形的重心是由红、绿、蓝三基色等能量组成的白色，而三角形各顶点与其对边中点的连线必过三角形重心，即红与青、绿与紫、蓝与黄这三对互为补色也能构成白色。 图1.１2　彩色三角形 3）三条边上各点与重心的连线为等色调线，它越趋于重心，饱和度越低。

r、g、b是计色三角形的色坐标，r+g+b=1，一定的r、g、b就表示一定的颜色。 例如： r=1/2、g=1/2、b＝0，呈黄色； r=3/4、g=1/4、b=0，呈橙色。 由图可见，穿过W点的任何一条直线连接三角形上两点代表的相加均得白色，通常把相加后形成得两种颜色称为互补色，因此，红与青、绿与紫、蓝与黄均为互补色。 计色三角形

1.3.4　亮度方程 　　将显像三基色直接写作R、G、B。经过理论的研究得出，混合光的总亮度（用Y表示）与三基色光的关系近似为 Y=0.30R+0.59G+0.11B 在彩色电视信号传输过程中，亮度信号和三基色信号是以电压的形式来表示的，则亮度方程式可以写成电压方程形式，即 EY＝0.30ER+0.59EG+0.11EB 亮度方程式在彩色电视技术中有着很重要的地位，它是对彩色图像进行三基色分解、三基色编码传输及解码都必须遵循的一个基本公式。