《显示技术》课件第2章.ppt

1、第2章显示技术基础2.1光度学基础光度学基础2.2人眼视觉特性人眼视觉特性2.3色度学基础色度学基础2.4图像的分解、图像的分解、传送和合成传送和合成2.5图像显示的基本参量图像显示的基本参量2.6视频信号视频信号习题习题22.1 光光 度度 学学 基基 础础2.1.1 光的性质光的性质光是一种电磁辐射。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2-1是电磁波按波长的顺序排列的电磁波谱，其中波长为380780 nm（纳米）的电磁波才能被人感知，并给人以白光的综合感觉。1.电磁辐射波谱由图2-1可以看出，不同波长的光所呈现的颜

2、色各不相同，随着波长的缩短，呈现的颜色依次为：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫。只含单一波长成分的光称为单色光；包含两种或两种以上波长成分的光称为复合光。复合光对人眼的刺激呈现为混合色，太阳光就是一种复合光。图2-1 电磁辐射波谱2.可见光的色散复合光分解为单色光的现象叫光的色散。中国古代对光的色散现象的认识最早起源于对自然色散现象虹的认识。虹是太阳光沿着一定角度射入空气中的水滴所引起的比较复杂的由折射和反射形成的一种色散现象。光的色散可以用三棱镜、光栅干涉仪等来实现。牛顿在1666年最先利用三棱镜观察到光的色散，把白光分解为彩色光带(光谱)，如图2-2 所示。图2-2 白光经过三棱镜后的色散现象通

3、常，在显示技术中，显示设备只能利用电磁辐射波谱的可见光波谱部分，而在其他科学技术领域，电磁辐射波谱的应用范围大为扩展。例如，红外线可用于夜间侦察、宇航开发、激光研究、家电遥控等方面；紫外线可用于生物研究、医学消毒、医疗诊断、工业探伤等方面。这些应用所涉及的波谱范围可宽达10 20 000 nm。3.物体的颜色 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，如白炽灯发黄光，荧光灯发白光，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。自然界中的景物，在太阳光照射下，由于反射（或透射）了可见光谱中的相同成分而吸收其余部分，从而引起人眼的不

4、同彩色感觉。一般来说，某一物体的彩色是该物体在特定光源照射下所反射（或透射）的一定的可见光谱成分作用于人眼而引起的视觉效果。例如，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。绿树叶拿到暗室的红光源下观察则成了黑色，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。另外，彩色感觉既取决于人眼对可见光谱中的不同成分有不同视觉效果的功能，同时又取决于光源所含有的光谱成分以及物体反射（或透射）和吸收其中某些成分的特性。所以，同一物体在不同光源照射下人眼感觉到的颜色也有所不同。4.标准白

5、光源标准光源是指模拟各种环境光线下的人造光源，它能让生产工厂或实验室等非现场也获得与特定环境下的光源基本一致的照明效果。国际照明委员会（CIE）于1931年推荐了A、B、C和E四种标准光源。以下是几种常见的标准白光源的特点：A光源(色温2854 K)为钨丝灯额定光谱，其光色偏黄；B光源(色温4874 K)近似为中午太阳光的光谱；C光源(色温6774 K)相当于白天多云天气的自然光；E光源(色温5500 K)是色度学中采用的一种假想的等能白光（E白），就是当可见光谱范围内的所有波长的光都具有相等辐射功率时所形成的一种白光。E光源无法直接产生，实际上也并不存在，采用它纯粹是为了简化色度学中的计算。

6、5.绝对黑体与色温在显示系统中，通常用标准白光源作为照明光源。为了便于对标准白光源进行比较和计算，可用绝对黑体的辐射温度（开氏度、K）色温来表示标准光源的光谱分布和色度特性。这种方法非常符合工程技术的要求，是一种既简单又准确的方法。绝对黑体也称全辐射体，是指既不反射，也不透射，而完全吸收入射辐射的物体。它对所有波长辐射光的吸收系数均为100%，反射系数均为零。严格说来，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，在其上面开一个小孔，进入小孔的光辐射经内壁多次反射、吸收，已经不能再逸出外面，这个小孔的内部球体就相当于绝对黑体。色温（Color Temperature）是表

7、示光源光色的一种尺度，单位为K（开尔文）。色温在摄影、图像显示、出版等领域有着极其重要的应用。光源的色温是这样定义的：如果一种光源的光谱分布与绝对黑体在某一温度下的光谱分布相同或者相近，并且二者的色度相同，那么绝对黑体的温度（K）就称为该光源的色温。例如，A光源的色温是2854 K，就是说它的光谱分布与绝对黑体加热到2854 K时的辐射光谱分布相近，而且二者的色度相同。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。如有的品牌CRT显示器的色温高达11 000 K，给人以偏蓝色的感觉。色温与光源的实际温度无关。下面是有关色温的两个例子：例1

8、一个钨丝灯泡在额定功率下所发出的白光，与温度保持为2854 K的绝对黑体所辐射的白光完全相同，于是就称该（灯泡的）白光的色温为2854 K。例2 某CRT显示屏表面的实际温度为300 K（室温）左右，而其显示的白光色温则为6504 K。值得强调的是色温并非光源本身的实际温度，而是用来表征其光谱特性的参量。2.1.2 光的度量光的度量1 光谱光效率曲线在明视觉条件下，人眼对380780 nm可见光谱范围内的不同波长的辐射，即各种色光具有不同的感受性。对于等能量的各色光，人眼觉得黄绿色最亮，其次是蓝、紫，最暗是红色。人眼对不同色光感受性不一样，可用光谱光效率函数来表征，并用光谱光效率曲线（又称为相

9、对视敏度曲线)来表示。所谓光谱光效率函数就是达到同样亮度时，不同波长所需能量的倒数，即式中，V()为光谱光效率函数值，E()为单色光能量。经过对各种类型人的实验进行统计，国际照明委员会（CIE）推荐的光谱光效率曲线如图2-3所示。它是以对许多正常观察者进行测试所取得的统计平均值为依据的。图2-3中的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。图2-3 光谱光效率曲线图2-3中的两条曲线分别代表了明视觉和暗视觉特性。由于视网膜含两种不同的感觉细胞，在不同的照明水平下，V（）函数会发生变化。当光亮度大于3 cd/m2时为明视觉，此时视网膜的锥状细胞起主要作用，V（

10、）的峰值产生在550560 nm部位；而当光亮度小于0.03 cd/m2时则为暗视觉，此时视网膜的杆状细胞起主要作用，V()的峰值将向短波长方向移动，大约位于500510 nm的蓝绿色部位。总之，图2-3说明，如果光的辐射功率相同而波长不同，人眼的亮度感觉将按曲线规律变化。对于明视觉，当=555 nm时为黄绿光，此时V()=1，亮度感觉最大；对其余波长的光，则V()1，此时亮度感觉减弱；而当 680 nm时，V()0，说明人眼已没有亮度感觉了。在以上基本知识的基础上，下面我们将讨论如何用人眼去度量光的辐射，也就是讨论客观光波对人眼刺激的效果。因为人眼对不同波长光的亮度感觉不同，所以用人眼来度量

11、某一波长光的辐射时，其结果不仅与该波长光的辐射功率有关，而且还与人眼对该波长光的光效能有关。下面所引出的几种光学度量单位都是与光谱光效率函数有关的物理量，同时也包含了人眼主观度量的因素。2 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，用符号表示。其单位名称为流明，符号为lm。当555 nm的单色光辐射功率为1 W时，其产生的光通量为683 lm，或称1光瓦。在其他波长时，由于相对视敏度V()下降，相同辐射功率所产生的光通量随之下降。2）光照度 光通量与被照射表面面积之比称为光照度，用符号E表示，其单位名称为勒克斯,符号为lx。1勒克斯等于1流明的光通量均匀分布在1平方米面

12、积上的光照度。为了对光照度的单位勒克斯有个大概的印象，列出了下列数据可供参考：室外晴天的光照度约为104勒，室外阴天的光照度约为102勒，月光下的光照度约为101勒，黑夜下的光照度约为104勒。2.2 人眼视觉特性人眼视觉特性 电影每秒投射24幅静止画面，且每画面曝光两次，由于人眼的视觉惰性，看起来就如同活动景象一样。普通电视每秒扫描25帧画面，每帧画面是由625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。人眼的视觉特性是实现图像显示技术的重要依据。2.2.1 人眼的视觉生理基础人眼的视觉生理基础人们的视觉感受是由于光的刺激而引起的，而产生视觉的生理基础

13、则是人的眼睛。人的眼睛是经过长期进化而形成的一个复杂的、功能强大的视觉感受器。它是一个前极稍微凸出，前后直径约为25 mm，横向直径约为20 mm的近似球体。人的眼睛结构可比喻为一台精巧完美的光学照相机，由晶状体、虹膜和视网膜等组成。人的眼睛与照相机的比较见表2-1所示。与照相机的结构相似，人的眼球由两大系统组成屈光系统(角膜、晶状体和玻璃体等)与感光系统(视网膜)，而在眼球的后极偏向内侧的部分组织则是通过神经与大脑相连来传递视觉信息的。晶状体起着透镜的作用，两侧的肌肉可以调节其凸度，即调节了焦距，以便使不同距离的物体成像在视网膜上；同时吸收一部分紫外线，对眼睛起到保护作用。虹膜紧贴在水晶体上

14、，其中心有一个小孔称为瞳孔。瞳孔的直径可以从2 mm调节到8 mm 左右。改变瞳孔的大小，用以调节进入眼睛的光通量，有类似于照相机光圈的作用。视网膜位于眼球的后部，其作用很像照相机中的感光胶片，它由许多光敏细胞组成。这些细胞可以分为两大类：一类叫做杆状细胞，另一类叫做锥状细胞。锥状细胞大部分集中在视网膜上正对着瞳孔的中央部分直径约为2 mm的区域，因其呈黄色，故也称为黄斑区。在黄斑区中央有一个下陷的区域，称为中央凹。在中央凹内锥状细胞密度最大，视觉的精细程度主要由这一部分所决定。在黄斑区中心部分，每一个锥状细胞都连接着一个视神经末稍；而在远离黄斑区的视网膜上分布的视觉细胞大部分是杆状细胞，而且

15、视神经末稍分布较稀，几个杆状细胞和锥状细胞或一群杆状细胞合接在一条视神经上。所有这些视神经都通过视网膜后面的一个小孔通到大脑中去，在小孔处几乎没有视觉细胞，因而它不能感觉到光，故这个小孔被称为盲孔或盲点。根据近代视觉理论，在光的刺激下，人眼的杆状细胞和锥状细胞分别执行着不同的视觉功能。锥状细胞能够分辨颜色和物体的细节，但锥状细胞的感光灵敏度比较低，它只有在明亮条件下才起作用，因此，锥状细胞是一种明视觉器官。分辨颜色是锥状细胞本身所具有的特性，而分辨细节则是因为锥状细胞密集地分布在中央凹附近，而且每一个锥状细胞连接一根视神经的关系。杆状细胞的感光灵敏度比较高，故杆状细胞是一种暗视觉器官，它可以在

16、光线较暗的条件下起作用，但它却无法分辨颜色与细节。由此可见，人眼的视觉具有二重功能，即明视觉功能和暗视觉功能。人眼对不同波长可见光的感受性也是不同的，同样功率的辐射在不同的光谱部位表现为不同的明亮程度。在明视觉情况下，同样功率的不同颜色，人眼感受到的亮度不同；在暗视觉情况下，由于锥状细胞几乎不起作用，人眼看不到光谱上的各种颜色，视觉成为灰色。值得一提的是：不同的人对相同波长的感光灵敏度也稍有差别，即使对同一个人来讲，也会因其年龄、健康状况和周围环境等原因而有所不同。2.2.2 视觉的时间特性和空间特性视觉的时间特性和空间特性1 视觉的时间特性人眼在观察景物时，光信号传入大脑神经，需经过一段短暂的时间，当光的作用结束后，视觉形象并不立即消失，这种残留的视觉现象被称为“视觉暂留”。这里先介绍视觉适应能力，然后再讨论视觉惰性与闪烁等问题。1）视觉适应能力 人眼对亮度的适应范围大约是一千万比一，之所以有这样大的适应性，除了瞳孔的调节作用之外，主要是视觉细胞的调节作用。人的眼睛看物体感觉亮与不亮，这就是主观亮度。这个主观亮度与观察者的生理和心理特性直接相关。此外，在客观上主观亮度也取决于视网膜上