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1、第2章顯示技術(shù)基礎(chǔ),2.1光度學(xué)基礎(chǔ)2.2人眼視覺特性2.3色度學(xué)基礎(chǔ)2.4圖像的分解、 傳送和合成2.5圖像顯示的基本參量2.6視頻信號(hào)習(xí)題2,2.1 光 度 學(xué) 基 礎(chǔ)2.1.1 光的性質(zhì)光是一種電磁輻射。 電磁輻射的波長(zhǎng)范圍很寬， 按波長(zhǎng)從長(zhǎng)到短的順序排列， 依次是無(wú)線電波、 紅外線、 可見光、 紫外線、 X射線和宇宙射線等。 圖2-1是電磁波按波長(zhǎng)的順序排列的電磁波譜， 其中波長(zhǎng)為380780 nm（納米）的電磁波才能被人感知， 并給人以白光的綜合感覺。,1. 電磁輻射波譜由圖2-1可以看出， 不同波長(zhǎng)的光所呈現(xiàn)的顏色各不相同， 隨著波長(zhǎng)的縮短， 呈現(xiàn)的顏色依次為： 紅、 橙、 黃、

2、綠、 青、 藍(lán)、 紫。 只含單一波長(zhǎng)成分的光稱為單色光； 包含兩種或兩種以上波長(zhǎng)成分的光稱為復(fù)合光。 復(fù)合光對(duì)人眼的刺激呈現(xiàn)為混合色， 太陽(yáng)光就是一種復(fù)合光。,圖2-1 電磁輻射波譜,2. 可見光的色散復(fù)合光分解為單色光的現(xiàn)象叫光的色散。 中國(guó)古代對(duì)光的色散現(xiàn)象的認(rèn)識(shí)最早起源于對(duì)自然色散現(xiàn)象虹的認(rèn)識(shí)。 虹是太陽(yáng)光沿著一定角度射入空氣中的水滴所引起的比較復(fù)雜的由折射和反射形成的一種色散現(xiàn)象。 光的色散可以用三棱鏡、 光柵干涉儀等來(lái)實(shí)現(xiàn)。 牛頓在1666年最先利用三棱鏡觀察到光的色散， 把白光分解為彩色光帶(光譜)， 如圖2-2 所示。,圖2-2 白光經(jīng)過(guò)三棱鏡后的色散現(xiàn)象,通常， 在顯示技術(shù)中，

3、 顯示設(shè)備只能利用電磁輻射波譜的可見光波譜部分， 而在其他科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域， 電磁輻射波譜的應(yīng)用范圍大為擴(kuò)展。 例如， 紅外線可用于夜間偵察、 宇航開發(fā)、 激光研究、 家電遙控等方面； 紫外線可用于生物研究、 醫(yī)學(xué)消毒、 醫(yī)療診斷、 工業(yè)探傷等方面。 這些應(yīng)用所涉及的波譜范圍可寬達(dá)10 20 000 nm。,3. 物體的顏色 物體分為發(fā)光體和不發(fā)光體。 發(fā)光體的顏色由它本身發(fā)出的光譜所確定， 如白熾燈發(fā)黃光， 熒光燈發(fā)白光， 各自有其特定的光譜色。 不發(fā)光體的顏色與照射光的光譜和不發(fā)光體對(duì)照射光的反射、 透射特性有關(guān)。 自然界中的景物， 在太陽(yáng)光照射下， 由于反射（或透射）了可見光譜中的相同成分而

4、吸收其余部分， 從而引起人眼的不同彩色感覺。,一般來(lái)說(shuō)， 某一物體的彩色是該物體在特定光源照射下所反射（或透射）的一定的可見光譜成分作用于人眼而引起的視覺效果。 例如， 紅旗反射太陽(yáng)光中的紅色光、 吸收其他顏色的光而呈紅色； 綠葉反射綠色的光、 吸收其他顏色的光而呈綠色； 白紙反射全部太陽(yáng)光而呈白色； 黑板能吸收全部太陽(yáng)光而呈黑色。 綠樹葉拿到暗室的紅光源下觀察則成了黑色， 這是因?yàn)榧t光源中沒有綠光成分， 樹葉吸收了全部紅光而呈黑色。,另外，彩色感覺既取決于人眼對(duì)可見光譜中的不同成分有不同視覺效果的功能， 同時(shí)又取決于光源所含有的光譜成分以及物體反射（或透射）和吸收其中某些成分的特性。 所以，

5、 同一物體在不同光源照射下人眼感覺到的顏色也有所不同。,4. 標(biāo)準(zhǔn)白光源標(biāo)準(zhǔn)光源是指模擬各種環(huán)境光線下的人造光源， 它能讓生產(chǎn)工廠或?qū)嶒?yàn)室等非現(xiàn)場(chǎng)也獲得與特定環(huán)境下的光源基本一致的照明效果。 國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）于1931年推薦了A、 B、 C和E四種標(biāo)準(zhǔn)光源。 以下是幾種常見的標(biāo)準(zhǔn)白光源的特點(diǎn)：,A光源(色溫2854 K)為鎢絲燈額定光譜， 其光色偏黃； B光源(色溫4874 K)近似為中午太陽(yáng)光的光譜； C光源(色溫6774 K)相當(dāng)于白天多云天氣的自然光； E光源(色溫5500 K)是色度學(xué)中采用的一種假想的等能白光（E白）， 就是當(dāng)可見光譜范圍內(nèi)的所有波長(zhǎng)的光都具有相等輻射功率時(shí)所

6、形成的一種白光。 E光源無(wú)法直接產(chǎn)生， 實(shí)際上也并不存在， 采用它純粹是為了簡(jiǎn)化色度學(xué)中的計(jì)算。,5. 絕對(duì)黑體與色溫在顯示系統(tǒng)中， 通常用標(biāo)準(zhǔn)白光源作為照明光源。 為了便于對(duì)標(biāo)準(zhǔn)白光源進(jìn)行比較和計(jì)算，可用絕對(duì)黑體的輻射溫度（開氏度、 K） 色溫來(lái)表示標(biāo)準(zhǔn)光源的光譜分布和色度特性。 這種方法非常符合工程技術(shù)的要求， 是一種既簡(jiǎn)單又準(zhǔn)確的方法。,絕對(duì)黑體也稱全輻射體， 是指既不反射， 也不透射， 而完全吸收入射輻射的物體。 它對(duì)所有波長(zhǎng)輻射光的吸收系數(shù)均為100%， 反射系數(shù)均為零。 嚴(yán)格說(shuō)來(lái)， 絕對(duì)黑體在自然界是不存在的， 其實(shí)驗(yàn)?zāi)Ｐ褪且粋€(gè)中空的、 內(nèi)壁涂黑的球體， 在其上面開一個(gè)小孔， 進(jìn)入

7、小孔的光輻射經(jīng)內(nèi)壁多次反射、 吸收， 已經(jīng)不能再逸出外面， 這個(gè)小孔的內(nèi)部球體就相當(dāng)于絕對(duì)黑體。,色溫（Color Temperature）是表示光源光色的一種尺度， 單位為K（開爾文）。 色溫在攝影、圖像顯示、 出版等領(lǐng)域有著極其重要的應(yīng)用。 光源的色溫是這樣定義的： 如果一種光源的光譜分布與絕對(duì)黑體在某一溫度下的光譜分布相同或者相近， 并且二者的色度相同， 那么絕對(duì)黑體的溫度（K）就稱為該光源的色溫。 例如， A光源的色溫是2854 K， 就是說(shuō)它的光譜分布與絕對(duì)黑體加熱到2854 K時(shí)的輻射光譜分布相近， 而且二者的色度相同。,絕對(duì)黑體所輻射的光譜與它的溫度密切相關(guān)。 絕對(duì)黑體的溫度越高

8、， 輻射的光譜中藍(lán)色成分越多， 紅色成分越少。 如有的品牌CRT顯示器的色溫高達(dá)11 000 K， 給人以偏藍(lán)色的感覺。 色溫與光源的實(shí)際溫度無(wú)關(guān)。 下面是有關(guān)色溫的兩個(gè)例子：,例1 一個(gè)鎢絲燈泡在額定功率下所發(fā)出的白光， 與溫度保持為2854 K的絕對(duì)黑體所輻射的白光完全相同， 于是就稱該（燈泡的）白光的色溫為2854 K。 例2 某CRT顯示屏表面的實(shí)際溫度為300 K（室溫）左右， 而其顯示的白光色溫則為6504 K。 值得強(qiáng)調(diào)的是色溫并非光源本身的實(shí)際溫度， 而是用來(lái)表征其光譜特性的參量。,2.1.2 光的度量1 光譜光效率曲線在明視覺條件下， 人眼對(duì)380780 nm可見光譜范圍內(nèi)的

9、不同波長(zhǎng)的輻射， 即各種色光具有不同的感受性。 對(duì)于等能量的各色光， 人眼覺得黃綠色最亮， 其次是藍(lán)、 紫， 最暗是紅色。,人眼對(duì)不同色光感受性不一樣， 可用光譜光效率函數(shù)來(lái)表征， 并用光譜光效率曲線（又稱為相對(duì)視敏度曲線)來(lái)表示。 所謂光譜光效率函數(shù)就是達(dá)到同樣亮度時(shí)， 不同波長(zhǎng)所需能量的倒數(shù)， 即,式中， V()為光譜光效率函數(shù)值， E()為單色光能量。,經(jīng)過(guò)對(duì)各種類型人的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)， 國(guó)際照明委員會(huì)（CIE）推薦的光譜光效率曲線如圖2-3所示。 它是以對(duì)許多正常觀察者進(jìn)行測(cè)試所取得的統(tǒng)計(jì)平均值為依據(jù)的。 圖2-3中的曲線表明具有相等輻射能量、 不同波長(zhǎng)的光作用于人眼時(shí)， 引起的亮度感覺

10、是不一樣的。,圖2-3 光譜光效率曲線,圖2-3中的兩條曲線分別代表了明視覺和暗視覺特性。 由于視網(wǎng)膜含兩種不同的感覺細(xì)胞，在不同的照明水平下， V（）函數(shù)會(huì)發(fā)生變化。 當(dāng)光亮度大于3 cd/m2時(shí)為明視覺， 此時(shí)視網(wǎng)膜的錐狀細(xì)胞起主要作用， V（）的峰值產(chǎn)生在550560 nm部位； 而當(dāng)光亮度小于0.03 cd/m2時(shí)則為暗視覺， 此時(shí)視網(wǎng)膜的桿狀細(xì)胞起主要作用，V()的峰值將向短波長(zhǎng)方向移動(dòng)， 大約位于500510 nm的藍(lán)綠色部位。,總之， 圖2-3說(shuō)明， 如果光的輻射功率相同而波長(zhǎng)不同，人眼的亮度感覺將按曲線規(guī)律變化。 對(duì)于明視覺， 當(dāng)= 555 nm時(shí)為黃綠光， 此時(shí)V()=1，

11、亮度感覺最大； 對(duì)其余波長(zhǎng)的光， 則V()1， 此時(shí)亮度感覺減弱； 而當(dāng) 680 nm時(shí)， V()0， 說(shuō)明人眼已沒有亮度感覺了。,在以上基本知識(shí)的基礎(chǔ)上， 下面我們將討論如何用人眼去度量光的輻射， 也就是討論客觀光波對(duì)人眼刺激的效果。 因?yàn)槿搜蹖?duì)不同波長(zhǎng)光的亮度感覺不同， 所以用人眼來(lái)度量某一波長(zhǎng)光的輻射時(shí)， 其結(jié)果不僅與該波長(zhǎng)光的輻射功率有關(guān)， 而且還與人眼對(duì)該波長(zhǎng)光的光效能有關(guān)。 下面所引出的幾種光學(xué)度量單位都是與光譜光效率函數(shù)有關(guān)的物理量， 同時(shí)也包含了人眼主觀度量的因素。,2 光的度量單位 1） 光通量 光通量是按人眼的光感覺來(lái)度量的輻射功率， 用符號(hào)表示。 其單位名稱為流明， 符號(hào)

12、為lm。 當(dāng)555 nm的單色光輻射功率為1 W時(shí)， 其產(chǎn)生的光通量為683 lm， 或稱1光瓦。 在其他波長(zhǎng)時(shí)， 由于相對(duì)視敏度V()下降， 相同輻射功率所產(chǎn)生的光通量隨之下降。,2） 光照度 光通量與被照射表面面積之比稱為光照度， 用符號(hào)E表示， 其單位名稱為勒克斯, 符號(hào)為lx。 1勒克斯等于1流明的光通量均勻分布在1平方米面積上的光照度。 為了對(duì)光照度的單位勒克斯有個(gè)大概的印象， 列出了下列數(shù)據(jù)可供參考： 室外晴天的光照度約為104勒，室外陰天的光照度約為102勒， 月光下的光照度約為101勒， 黑夜下的光照度約為104勒。,2.2 人眼視覺特性 電影每秒投射24幅靜止畫面， 且每畫面

13、曝光兩次， 由于人眼的視覺惰性， 看起來(lái)就如同活動(dòng)景象一樣。 普通電視每秒掃描25幀畫面， 每幀畫面是由625根掃描線組成的， 由于人眼的視覺惰性和有限的細(xì)節(jié)分辨能力， 看起來(lái)就成了整幅的活動(dòng)景象。 人眼的視覺特性是實(shí)現(xiàn)圖像顯示技術(shù)的重要依據(jù)。,2.2.1 人眼的視覺生理基礎(chǔ)人們的視覺感受是由于光的刺激而引起的， 而產(chǎn)生視覺的生理基礎(chǔ)則是人的眼睛。 人的眼睛是經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期進(jìn)化而形成的一個(gè)復(fù)雜的、 功能強(qiáng)大的視覺感受器。 它是一個(gè)前極稍微凸出， 前后直徑約為25 mm， 橫向直徑約為20 mm的近似球體。 人的眼睛結(jié)構(gòu)可比喻為一臺(tái)精巧完美的光學(xué)照相機(jī)， 由晶狀體、 虹膜和視網(wǎng)膜等組成。 人的眼睛與照

14、相機(jī)的比較見表2-1所示。,與照相機(jī)的結(jié)構(gòu)相似， 人的眼球由兩大系統(tǒng)組成屈光系統(tǒng)(角膜、 晶狀體和玻璃體等)與感光系統(tǒng)(視網(wǎng)膜)， 而在眼球的后極偏向內(nèi)側(cè)的部分組織則是通過(guò)神經(jīng)與大腦相連來(lái)傳遞視覺信息的。 晶狀體起著透鏡的作用， 兩側(cè)的肌肉可以調(diào)節(jié)其凸度， 即調(diào)節(jié)了焦距， 以便使不同距離的物體成像在視網(wǎng)膜上； 同時(shí)吸收一部分紫外線， 對(duì)眼睛起到保護(hù)作用。 虹膜緊貼在水晶體上， 其中心有一個(gè)小孔稱為瞳孔。,瞳孔的直徑可以從2 mm調(diào)節(jié)到8 mm 左右。 改變瞳孔的大小， 用以調(diào)節(jié)進(jìn)入眼睛的光通量， 有類似于照相機(jī)光圈的作用。 視網(wǎng)膜位于眼球的后部， 其作用很像照相機(jī)中的感光膠片， 它由許多光敏細(xì)

15、胞組成。 這些細(xì)胞可以分為兩大類： 一類叫做桿狀細(xì)胞， 另一類叫做錐狀細(xì)胞。 錐狀細(xì)胞大部分集中在視網(wǎng)膜上正對(duì)著瞳孔的中央部分直徑約為2 mm的區(qū)域， 因其呈黃色， 故也稱為黃斑區(qū)。 在黃斑區(qū)中央有一個(gè)下陷的區(qū)域， 稱為中央凹。,在中央凹內(nèi)錐狀細(xì)胞密度最大， 視覺的精細(xì)程度主要由這一部分所決定。在黃斑區(qū)中心部分， 每一個(gè)錐狀細(xì)胞都連接著一個(gè)視神經(jīng)末稍； 而在遠(yuǎn)離黃斑區(qū)的視網(wǎng)膜上分布的視覺細(xì)胞大部分是桿狀細(xì)胞， 而且視神經(jīng)末稍分布較稀， 幾個(gè)桿狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞或一群桿狀細(xì)胞合接在一條視神經(jīng)上。 所有這些視神經(jīng)都通過(guò)視網(wǎng)膜后面的一個(gè)小孔通到大腦中去， 在小孔處幾乎沒有視覺細(xì)胞， 因而它不能感覺到光

16、， 故這個(gè)小孔被稱為盲孔或盲點(diǎn)。,根據(jù)近代視覺理論， 在光的刺激下， 人眼的桿狀細(xì)胞和錐狀細(xì)胞分別執(zhí)行著不同的視覺功能。錐狀細(xì)胞能夠分辨顏色和物體的細(xì)節(jié)， 但錐狀細(xì)胞的感光靈敏度比較低， 它只有在明亮條件下才起作用， 因此， 錐狀細(xì)胞是一種明視覺器官。 分辨顏色是錐狀細(xì)胞本身所具有的特性，而分辨細(xì)節(jié)則是因?yàn)殄F狀細(xì)胞密集地分布在中央凹附近， 而且每一個(gè)錐狀細(xì)胞連接一根視神經(jīng)的關(guān)系。 桿狀細(xì)胞的感光靈敏度比較高， 故桿狀細(xì)胞是一種暗視覺器官， 它可以在光線較暗的條件下起作用， 但它卻無(wú)法分辨顏色與細(xì)節(jié)。,由此可見， 人眼的視覺具有二重功能， 即明視覺功能和暗視覺功能。 人眼對(duì)不同波長(zhǎng)可見光的感受性也是不同的， 同樣功率的輻射在不同的光譜部位表現(xiàn)為不同的明亮程度。 在明視覺情況下， 同樣功率的不同顏色， 人眼感受到的亮度不同； 在暗視覺情況下， 由于錐狀細(xì)胞幾乎不起作用， 人眼看不到光譜上的各種顏色， 視覺成為灰色。 值得一提的是： 不同的人對(duì)相同波長(zhǎng)的感光靈敏度也稍有差別， 即使對(duì)同一個(gè)人來(lái)講， 也會(huì)因其年齡、 健康狀況和周圍環(huán)境等原因而有所不同。,2.2.2 視覺的時(shí)間特性和空間特性1