第二章彩色电视原理

第二章彩色电视原理彩色电视不仅能传送，重现景物的高密度信息，还能传送、重现景物垢色度信息。它大大地丰富了图象传送的内容，使景物更加形象逼真地重现出来。彩色电视是在黑白电视与色度学的基础上发展起来的。色度学是研究人的颜色视觉规律、颜色测量理论与技术的科学，它是一门本世纪发展起来的，以物理光学、视觉生理、视觉心理、心理物理等学科为基础的综合性科学。彩色电视就是根据色度学的原理，发送端将界物彩色分解成红、绿、蓝三种基本色光，然后采用与黑白电视类似的方法，将它们转换成三种基色信号，传送到接收端，最后在接收端又根据色度学原理重现出景物的彩色。本章内容•一、彩色电视基础（2次）•二、兼容彩色电视的基本特征•三、亮度与色度信号•四、色度与色同步信号•五、NTSC制得彩色电视•六、PAL制及其编码、解码（2次）第一节彩色电视基础知识本节内容一、彩色与光二、人眼的视觉特性三、色度学思考题和习题彩色基本概念一、彩色与光光有单色光与复合光。描述光性能的方式很多，有用颜色，波长，光谱等多种方式。例：太阳光随波长由长到短所呈现的颜色依此为：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。决不能以颜色来判断光谱的分布。一定的光谱分布表现为一定的颜色，但同一颜色则可由不同光谱分布而获得。1、光的特性1、1光的种类光的种类繁多，下面仅从颜色，频率成分和发光方式等三方面将其分类。1、按颜色可分为彩色光和非彩色光。非彩色包适白（色）光、各种深浅不一样的灰（色）光和黑（色）光；彩色光又可细分为红光、绿光、黄光、........红紫光等。2、按频率成分可分为单色光和复合光。单色光是指具有一波长的色光或者所占波谱宽度小于5nm的色光；非单色光即分复合光。3、按频率和颜色综合考虑可分为谱色光（SpectrumColor）和非谱色光。谱色光主要是指波长从780nm到380nm，而颜色按红、橙、黄、绿、青、蓝、紫顺序排列的各种单色光；把两个或者两个以上的单色光混合所得，但又不能作为谱色出现在光谱上的色光称为非谱色光。白光是非谱色光。单色光一定是谱色光，非谱色光一定是复合光，而复合光也可能是谱色光。例如，红单色光和绿单色光合成的复合光为黄色，它属于谱色光。4、按发光方式可分为直射光，反射光和透射光。发光体（光源）直接发出的光称为直射光；物体对光源发出的光，能够进行反射所形成的光称为反射光；能进行透射所形成的光称为透射光。若设光源的功率波谱为P（l），物体反射或透射特性分别为R（l）和t（l），则直射光、反射光和透射光的功率波谱将分别为P（l），P（l）R（l）和P（l）t（l）。1、2可见光谱光是一种电磁辐射。电磁辐射的波长范围很宽，按波长从长到短的顺序排列，依次是无线电波、红外线、可见光、紫外线、X射线和宇宙射线等。图1-1是电磁波按波长的顺序排列的电磁波谱。波长在380～780nm范围内的电磁波能够使人眼产生颜色感觉，称为可见光。可见光在整个电磁波谱中只占极小的一段。可见光谱的波长由780nm向380nm变化时，人眼产生的颜色感觉依次是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫7色。一定波长的光谱呈现的颜色称为光谱色。太阳光包含全部可见光谱，给人以白色感觉。光谱完全不同的光，人眼有时会有相同的色感。用波长540nm的绿光和700nm的红光按一定比例混合可以使人眼得到580nm黄光的色感。这种由不同光谱混合出相同色光的现象叫同色异谱。图1-1电磁辐射波谱波长/m频率/Hz3×103无线电波105红外线1010紫外线1015X射线1020宇宙射线1025红橙黄绿青蓝紫780nm可见光3×10－23×10－73×10－123×10－17380nm1、3光的颜色无论是什么光，它的颜色都是取决于客观与主观两方面的因素。1、客观因素是它的功率波谱分布。对光源的颜色，直接取决于它的功率谱P（l）R（l）和P（l）t（l）。因此物体的颜色不仅取决于它的反射特性r（l）和透射特性t（l），而且还与照射光源的功率谱有密切关系，关于这一点将在2.1.2节中详细举例说明。因此，在色度学和彩色电视中，对标准光源的辐射功率波谱，必要作出明确而严格的规定。2、主观因素是人眼有视觉特性。不同的人对于同一功率谱P（l）的光的色感可能是不相同的。例如，对于用红砖建造的房子，视觉正常的人看是红色，而有红色盲的人看是土黄色；同样，他看绿草坪是黄色。由于周围环境的影响，红色盲患者会把他看到的“土黄色”房子叫做“红色”房子；同样，把他看到的“黄色”草坪，叫做绿色草坪，并认为他看到的“红色”与“绿色”和正常人一样。只通过一定检验方法才能发现色盲患者的视觉缺陷。由此可见，光给人的颜色感觉与人眼的视觉特性有关。颜色是光信号作用于人眼的视觉效果。物体的颜色是物体光特性作用于人眼的视觉效果。物体光特性把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，如白炽灯发黄和荧光灯发白，各自有其特定的光谱色。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。例：红旗反射太阳光中的红色光、吸收其他颜色的光而呈红色；绿叶反射绿色的光、吸收其他颜色的光而呈绿色；白纸反射全部太阳光而呈白色；黑板能吸收全部太阳光而呈黑色。绿叶拿到暗室的红光下观察成了黑色，这是因为红光源中没有绿光成分，树叶吸收了全部红光而呈黑色。2物体的颜色3标准光源在彩色电视系统中，用标准白光作为照明光源。为了便于对标准白光进行比较和计算，用绝对黑体的辐射温度——色温表示光源的光谱性能。绝对黑体也称全辐射体，是指不反射、不透射，完全吸收入射辐射的物体。它对所有波长辐射的吸收系数均为1。绝对黑体在自然界是不存在的，其实验模型是一个中空的、内壁涂黑的球体，在其上面开了一个小孔，进入小孔的光辐射经内壁多次反射、吸收，已不能再逸出到外面，这个小孔就相当于绝对黑体。绝对黑体所辐射的光谱与它的温度密切相关。绝对黑体的温度越高，辐射的光谱中蓝色成分越多，红色成分越少。光源的色温是这样定义的：光源的可见光谱与某温度的绝对黑体辐射的可见光谱相同或相近时，绝对黑体的温度称为该光源的色温，单位以绝对温度开氏度(K)表示。色温与光源的实际温度无关，彩色电视机荧光屏的实际温度为常温，而其白场色温是6500K。在色度学和电视技术中，常以白色作为一种标准，所以标准光源都是白光。常用的标准白光有五种，称为A、B、C65和E光源。它们辐射的光谱分布在下叶图中用几条曲线表示。这种表示方法虽然精确，但是，对于使用感到非常不方便，于是人们想到了绝对黑体（下面简称黑体）。物理光学指出：在不同温度下，黑体辐射电磁波的本领是不同的，它的辐射本领按波长分布的规律如下页图所示。由图可见，黑体在不同温度下的辐射光谱作为标准，让各种光源的光谱分布与之比较。当光源的光谱与黑体某一温度下的光谱相一致时，则黑体的这一温度称为光源的色温；当光源的光谱只能与黑体某一温度下的光谱相近似，而不能精确等效时，则称这一温度为光源的相关色温。由于黑体这个温度与颜色有关，故名色温。读者注意，光源的色温与光源本身的温度是两回事，通常两者是不相同的。例如白炽灯光源本身温度为2800K，但其色温是2845K。•常用的标准白光有A、B、C、D65和E光源5种，它们的光谱分布如图1-2所示。•(1)A光源色温为2854K的白光，光谱偏红，相当于充气钨丝白炽灯所产生的光。•(2)B光源色温为4874K的白光，近似中午直射的太阳光。•(3)C光源色温为6774K的白光，相当于白天的自然光。它是NTSC制彩色电视白光标准光源。•(4)D65光源色温为6504K的白光，相当于白天的平均光照。它是PAL制彩色电视的白光标准光源。•(5)E光源色温为5500K的等能量白光(E白)。它是为简化色度学计算所采用的一种假想光源，实际并不存在。•电视演播室卤钨灯光源的色温为3200K，有体积小、亮度高、寿命长、色温稳定等优点。图1-2标准光源的光谱分布700600500400波长/nm相对功率波谱/%20015010050CABD65BCD65A4光的度量单位1.光通量光通量是按人眼的光感觉来度量的辐射功率，用符号φ表示。其单位名称为流明(lm)，当λ＝555nm的单色光辐射功率为1W时，产生的光通量为683lm，或称1光瓦。在其他波长时，由于相对视敏度V(λ)下降，相同辐射功率所产生的光通量随之下降。40W的钨丝灯泡输出的光通量为468lm，发光效率为11.7lm/W；40W的日光灯可以输出2100lm的光通量，发光效率为52.5lm/W；电视演播室卤钨灯发光效率可达80～100lm/W。2.光照度光照度E，单位勒(克斯),符号为lx。勒(克斯)等于1流明的光通量均匀分布在1平方米面积上的光照度。为了对光照度单位勒有个大概的印象，下列数据可供参考：室外晴天光照度约为10000勒，多云约为500勒，傍晚约为50勒，月光约为10-1勒，黄昏约为10-2勒，星光约为10-4勒。二、人眼的视觉特性人能感觉到图像的颜色和亮度是眼睛的生理结构所决定的。电影和电视都是根据人眼的视觉特性发明的。电影每秒投射24幅静止画面，每画面投射2次，由于人眼的视觉惰性，看起来就同活动景象一样。电视每秒扫描50幅画面，每幅画面是由312根扫描线组成的，由于人眼的视觉惰性和有限的细节分辨能力，看起来就成了整幅的活动景象。人眼的视觉特性是电视技术发展的重要依据。1视觉灵敏度波长不同的可见光光波，给人的颜色感觉不同，亮度感觉也不同，人眼对不同波长光的灵敏度是不同的。400500600700波长/nm相对视敏度V()0.80.60.40.201.0VG()20VB()VR()人眼的灵敏度因人而异，同一个人眼睛的灵敏度也随年龄和健康状况有所变化，所以采用统计方法，用许多正常视力的观察者来做实验，取其平均值。经过对各种类型人的实验进行统计，国际照明委员会推荐标准视敏度曲线(也称相对视敏函数曲线)如图中的V（λ）曲线所示。图中曲线表明具有相等辐射能量、不同波长的光作用于人眼时，引起的亮度感觉是不一样的。可以看出人眼最敏感的光波长为555nm，颜色是草绿色，这一区域颜色，人眼看起来省力，不易疲劳。在555nm两侧，随着波长的增加或减少，亮度感觉逐渐降低。在可见光谱范围之外，辐射能量再大，人眼也是没有亮度感觉的。人眼视网膜上有大量的光敏细胞，按形状分为杆状细胞和锥状细胞，杆状细胞灵敏度很高，但对彩色不敏感，人的夜间视觉主要靠它起作用，因此，在暗处只能看到黑白形象而无法辨别颜色。锥状细胞既可辨别光的强弱，又可辨别颜色，白天视觉主要由它来完成。关于彩色视觉，科学家曾做过大量实验并提出视觉三色原理的假设，认为锥状细胞又可分成三类，分别称为红敏细胞、绿敏细胞、蓝敏细胞。2人眼的彩色视觉它们各自的相对视敏函数曲线分别为下页图所示的VR（λ）、VG（λ）、VB（λ），其峰值分别在580nm、540nm、440nm处。图中VB（λ）曲线幅度很低，已将其放大了20倍。三条曲线的总和等于相对视敏函数曲线V（λ）。三条曲线是部分交叉重叠的，很多单色光同时处于两条曲线之下，例如600nm的单色黄光就处在VR（λ）、VG（λ）曲线之下，所以600nm的单色黄光既激励了红敏细胞，又激励了绿敏细胞，可引起混合的感觉。当混合红绿光同时作用于视网膜时，分别使红敏细胞、绿敏细胞同时受激励，只要混合光的比例适当，所引起的彩色感觉，可以与单色黄光引起的彩色感觉完全相同。不同波长的光对三种细胞的刺激量是不同的，产生的彩色视觉各异，人眼因此能分辨出五光十色的颜色。电视技术利用了这一原理，在图像重现时，不是重现原来景物的光谱分布，而是利用三种相似于红、绿、蓝锥状细胞特性曲线的三种光源进行配色，在色感上得到了相同的效果。分辨力是指人眼在观看景物时对细节的分辨能力。对人眼进行分辨力测试的方法如图1-4所示，在眼睛的正前方放一块白色的屏幕，屏幕上面有两个相距很近的小黑点，逐渐增加画面与眼睛之间的距离，当距离增加到一定长度时，人眼就分辨不出有两个黑点存在，感觉只有一个黑点，这说明眼睛分辨景色细节的能力有一个极限值，我们将这种分辨细节的能力称为人眼的分辨力