Chapter1视觉生理学和色度学解析.ppt

Chapter1-Chapter1-视觉生理学和视觉生理学和色度学解析色度学解析1.1.11.1.1眼睛的构造及功能眼睛的构造及功能 人眼的外形接近于球形，是一个直径为24mm的球状体,又称为眼球眼球壁由巩膜、脉络膜巩膜、脉络膜和视网膜视网膜组成(见图2-1) 巩膜巩膜在眼球壁最外一层，呈白色，是眼球的保护层巩膜前面1/6的透明部分叫角角膜膜，光线从角膜射入眼内第一章第一章 视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学2024/8/12 脉络膜脉络膜紧贴巩膜,它含有丰富的血管虹气和色素,起着输送养料、滋养眼睛的作用脉络膜最前面的环形部分为虹膜虹膜,眼的“颜色”由虹膜中的色素决定虹膜中央有一个小圆孔叫作瞳孔瞳孔,瞳孔能控制进入人眼内的光量,可以随着光线的强弱而扩大或缩小,起着像照相机的光圈一样的作用 眼球的第三层为视网膜视网膜,约占眼球内表面的2/3,它含有感光细胞(杆体细胞和锥体细胞)、双极细胞和神经节细胞第一章第一章 视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学2024/8/13第一章视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学•光谱光效率函数：达到同样亮度时，不同波长所需要能量的倒数，即V(λ)=1/Eλ,式中V(λ)是光谱光效率函数值， Eλ是单色光能量。

明视觉明视觉：亮度>3cd/m2，锥体细胞起主要作用，V(λ)在0.55-0.56μm暗视觉暗视觉：亮度< 0.03cd/m2，杆体细胞起主要作用， V(λ)向短波方向移动，相当于0.50-0.51μm的蓝绿色部位2024/8/14第一章视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学•明适应与暗适应暗适应：人眼从光亮中进入到暗室时，在最初的瞬间什么都看不见，逐渐地才适应了黑暗，从而区分出周围物体的轮廓包括两种基本过程：瞳孔大小的变化和视网膜感光化学物质的变化主要机制是视觉的双重作用，即在黑暗中由中央视网膜转化为边缘视网膜的作用视觉的暗适应程度是与视紫红质的合成程度相对应2024/8/161.1.2 1.1.2 视敏度和细节视觉视敏度和细节视觉视敏度和细节视觉视敏度和细节视觉视角：视角：视角：视角：对象与眼睛所形成的张角对象与眼睛所形成的张角V=1/αV=1/α视敏度视敏度视敏度视敏度V V: : 指分辨物体细节和轮廓的能力，通常指分辨物体细节和轮廓的能力，通常以找出两条线间的最小间隔来说明以找出两条线间的最小间隔来说明通常以分（’）表示观察距离亮度对比度 VVV第一章第一章 视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学2024/8/171.1.3 临界闪烁频率临界闪烁频率视觉残留：视觉残留：当光刺激人眼时，感觉并不是立即产生的，而且光刺激在眼睛内所产生的兴奋并不随着刺激的终止而立即消失，而是要维持若干时间。

在刺激停止后所留下来的感觉称为视觉后像或称视觉残留受如下因素影响：1，发光物体的光强；2，刺激光的作用时间；3，不同色光的刺激其中黄 光的后像消失得最快第一章第一章 视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学2024/8/18临界闪烁频率（临界闪烁频率（CFF)：：当闪光频率增加到一定程度时，人眼就不再感到是闪光，而感到一种固定的或连续的光，将这样一种频率简称为CFF一般达到30-55次/s，人眼不再有闪烁的感觉电影：24张图片，48次/秒电视：50（60）Hz第一章第一章 视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学2024/8/19CFF受许多因素影响,现分别介绍如下： 1. 1.刺激的强度，微光时低于刺激的强度，微光时低于10Hz10Hz，高亮度，高亮度（（1000cd/m1000cd/m2 2) )可高达可高达4545－－60Hz60Hz渐进值2. 2.刺激的面积，小面积的刺激的面积，小面积的CFFCFF比大面积的比大面积的CFFCFF低，两低，两者也是对数关系者也是对数关系A代表面积，c，d为两个参数第一章第一章 视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学2024/8/110第一章视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学 3. 3.视网膜的不同部位，中凹处的视网膜的不同部位，中凹处的CFFCFF较高。

较高4. 4.不同背景光及不同的刺激色光不同背景光及不同的刺激色光 白光的最大CFF值大于其他色光的相应数值；绿光的CFF值大于红，蓝光的相应数值白光在蓝光背景上CFF最高，红光背景上中等，绿光背景上最低5. CFFCFF还与年龄、疲劳、缺氧有关还与年龄、疲劳、缺氧有关2024/8/1111.2 光度学光度学1.2.1光通量和发光强度光通量和发光强度1.2.2照度及距离平方反比定律照度及距离平方反比定律1.2.3亮度及朗伯定律亮度及朗伯定律第一章第一章 视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学2024/8/1121.2.1光通量和发光强度光通量和发光强度光通量光通量(φ)：：在光度学中,它定义为能够被人的视觉系统所感受到的那部分光辐射功率的大小的度量,单位是lm(流明)显然，光通量将不可见光（红外线，紫外线）排除在外，而且在数量上也并不等于看得见的那部分光辐射功率值第一章第一章 视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学2024/8/113V(λ)V(λ)就是标准的明视觉函数就是标准的明视觉函数Φe,λΦe,λ是单位波长间隔内光的实际功率是单位波长间隔内光的实际功率(W)(W)KmKm是一个转换常数是一个转换常数, ,现在叫最大光谱效能。

规定现在叫最大光谱效能规定Km =683lm/WKm =683lm/W第一章第一章 视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学2024/8/114 由此可见，光通量的大小反映了一个光源所发出的光辐射能所引起的人眼光亮感觉的能力 40W钨丝灯泡所输出的光通量468lm，40W日光灯可达2100lm 我们用每瓦流明数来表达一个光源或一个显示器的光效率光效率单位lm/w第一章第一章 视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学2024/8/115发光强度：发光强度：指在某一指定方向上发出光通量的能力I I为发光强度为发光强度dΩdΩ为立体角元为立体角元dφdφ为这个立体角元所包含的光通量为这个立体角元所包含的光通量I I的单位是的单位是cd(cd(坎德拉坎德拉) )第一章第一章 视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学2024/8/1161.2.2照度及距离平方反比定律照度及距离平方反比定律 照度指照明程度的大小，定义为单位面积上的光通量照度指照明程度的大小，定义为单位面积上的光通量E=dφ/dA E=dφ/dA （勒克斯）（勒克斯）lxlx曝光量曝光量 H=Et （勒克斯秒）第一章第一章 视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学2024/8/117 例：设有一个发光强度为例：设有一个发光强度为I cdI cd的点光源的点光源, ,若以此点光若以此点光源为球心作一个半径为源为球心作一个半径为R R的球面的球面, ,求球面上的照度。

求球面上的照度dφdφRdA这就是照度的距离平方反比定律第一章第一章 视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学2024/8/118第一章视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学上式表明，一个发光强度为上式表明，一个发光强度为I I的点光源，在距离的点光源，在距离它它R R处的平面上产生的照度，与这个光源的发光处的平面上产生的照度，与这个光源的发光强度成正比，与距离平方成反比强度成正比，与距离平方成反比 但必须注意但必须注意, ,被照射的平面一定要垂直于光线被照射的平面一定要垂直于光线投射方向投射方向2024/8/119 亮度：亮度：亮度：亮度：它表示单位面积上的发光强度，即：它表示单位面积上的发光强度，即： L L＝＝＝＝dI/ddI/dA A 单位单位cd/mcd/m2 2( (坎德拉每平方米坎德拉每平方米) )或或如果这个面的法线方向与观察方向所成之角为如果这个面的法线方向与观察方向所成之角为θ, θ,上上式变为式变为: : L=dI/(dA×cosθ) L=dI/(dA×cosθ) (2.15)(2.15) L=dL=d2 2φ / ( dΩdA× cosθ) φ / ( dΩdA× cosθ) (2.16)(2.16)1.2.3亮度及朗伯定律亮度及朗伯定律第一章第一章 视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学2024/8/120第一章视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学亮度还可用来描述光路的任一截面 如果有一个面积为A的均匀发光面，它在某一方向上的亮度为Lθ，则它在这个方向上的发光强度Iθ应为： Iθ ＝＝ Lθ×A× cosθ2024/8/121第一章视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学2024/8/122第一章视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学亮度定义的应用之: 探照灯的出射光强探照灯的出射光强I: I=ρ·L·SS:探照灯反射器的投影面积.第一章视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学出光度出光度和亮度亮度的计算第一章视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学发光体的亮度亮度举例: 钨丝灯､HID灯: ~106 cd/m2. 荧光灯:T12:3-4000 cd/m2. T8卤粉:>8000 cd/m2. 三基色粉:>10000 cd/m2. T5:16000 cd/m2. CFL:40000 cd/m2. 人眼适应的最好亮度人眼适应的最好亮度:100 cd/m2. 白云:8000cd/m2. 道路:0.5-2.0 cd/m2. 如果这个面光源的亮度在各个方向上都相等如果这个面光源的亮度在各个方向上都相等, ,则则Lθ=L=Lθ=L=常数。

这时常数这时(2.17)(2.17)式可变为式可变为: :I Iθ θ ＝＝＝＝ LA cosθ LA cosθ （（（（2.182.18））））令 I I0 0＝＝L×A L×A 表示该面光源法线方向上的发光强度表示该面光源法线方向上的发光强度则 I Iθ θ ＝＝＝＝ I I0 0cosθ cosθ （（（（2.192.19）））） 朗伯定律朗伯定律朗伯体第一章第一章 视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学朗伯体向半空间辐射的光通量？朗伯体向半空间辐射的光通量？2024/8/126第一章视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学1.2.4 照度照度E 被照面上单位面积被照面上单位面积S上接受的光通量上接受的光通量. E= Φ/S单位:勒克司(lx).即 1lx=1lm/1m2. 举例: 夏天的太阳下:80000-100000lx 满月下:2lx 办公室:500lx 车间一般照明:150-300lx 体育场(国际):垂直1200lx 居住小区最佳半柱面照度Esc:3~10lx第一章视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学有多种照度的定义:第一章视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学照度的计算 E=I/r2举例: 10000cd的光强在10m远处的照度? E=10000/10X10=100lx.第一章第一章 视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学1.2.5光出射度光出射度 扩展源单位面积向2π空间发出的全部光通量。

单位：lm/m2 (流明); A为扩展源面积 2π空间：（半球空间）因扩展源有面积，不同于点光源，不能向下或向内辐射2024/8/130第一章视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学亮度定义的应用之: 出光度出光度M与亮度亮度L 表面反射的光通量构成了出光度.反射量的多少与反射率有关.第一章视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学(1)光照度与光出度的单位都一样，但物理含义不同；（2）朗伯发射面光照度和亮度之间的关系（3）面光源来的光通量与光照度的关系，亮度为L的发光面在某一位置产生的照度的计算2024/8/132第一章视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学1.3 色度学概要色度学概要•颜色的基本特性及颜色混合颜色的基本特性及颜色混合•彩色光的三色原理彩色光的三色原理2024/8/1331.3.11.3.1颜色的基本特性及颜色混合颜色的基本特性及颜色混合颜色的基本特性及颜色混合颜色的基本特性及颜色混合 光是一种一定频率的电磁辐射可见光谱的波长为0.38 ～0.78um表2.1是可见光谱颜色的波长范围物体的颜色是由光线在物体上被反射和吸收的情况决定的,所以又受光源条件的影响。

第一章第一章 视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学2024/8/134第一章视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学•太阳光为混色光•短波的光能量较多时便呈现蓝色，长波的光能量较多时呈现红色•为何有些花看起来是红色？•人们在灯光下观看颜色时，会受到光源影响：人们在灯光下观看颜色时，会受到光源影响：•绿草在钠灯下看不出是绿色，•不论什么颜色的物体在月光下看都带青绿色彩2024/8/135第一章视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学颜颜色色的的表表示示方方式式一是：以颜色的色调（相）、明度、饱和度3个特征为基础的纯生物方式二是：以加法混合为基础的生物物理方式如：Munsell表色系如：CIE 表色系2024/8/136第一章视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学颜色的显色系统表示方法颜色的显色系统表示方法2024/8/137•人：美國藝術家曼賽爾•概念：•1915年Munsell修正色彩體系，以「人眼視覺」之色彩間距感知為基礎•在色相環上相對之色相對混合則呈灰色，互為補色￿（一）Munsell 体系1.颜色的三个基本特性颜色的三个基本特性（色调，明度，饱和度）黑白红橙黄绿蓝紫绿黄蓝绿明度明度饱和度色调颜色立体图第一章第一章 视觉和电视显示基本原理视觉和电视显示基本原理2024/8/139颜色在不同波长的区分特性颜色在不同波长的区分特性是指色彩的相貌是指色彩的相貌1）色调（）色调（Hue H））•色相：10階•依據色光之三原色的位置(G、、YR、、PB) ，於三角形頂點放在色相環上。

再以視覺等距為基礎，延伸至十個基本色相•每一個在細分為10個色相共為100個顏色•編號方面：每一基礎色皆以「「5」」表示（（1）） Munsell色调色调2）明度）明度(V)颜色的亮度在人类视觉上的反映颜色的亮度在人类视觉上的反映表示物体颜色深浅的特征量表示物体颜色深浅的特征量颜色的第二种属性颜色的第二种属性 明度不等于亮度；明度不等于亮度；•明度：11階•理想中的純黑色以0 代表，理想中的純白色以10代表，在視覺上等距離的等級•無彩色用N1、、N2…N9代表，有彩色以1/、、2/、、3/…代表2）） Munsell明度（明度（Value V））3）饱和度）饱和度 （（S/C））光谱中各个单色光是饱和度最高的彩色光谱中各个单色光是饱和度最高的彩色也称为纯度；（即波长范围的宽度）也称为纯度；（即波长范围的宽度）饱和度是颜色色调的表现程度；饱和度是颜色色调的表现程度；（（3）） Munsell彩度（彩度（Chroma C））从从0~20 按照等视觉原则划分，按照等视觉原则划分，用用2，，4，，6等反映等反映第一章视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学三色原理三色原理•选择合适的三种基色(R、G、B)，将它们按不同比例混合，就可以引起不同的彩色感觉，合成彩色光的亮度由三基色的亮度之和决定，色度由三基色分量的比例确定，三种基色彼此独立，任一基色不能用其他两种颜色配出。

Grassman 定律（二）（二）CIE表色体系表色体系三色原理在广播电视中发挥了巨大的作用2024/8/147红红蓝蓝紫绿白青黄1. 加法混色加法混色第一章第一章 视觉和电视显示基本原理视觉和电视显示基本原理2024/8/148①①原刺激：原刺激：R: 波长为700nm G: 波长为546.1nm B:波长为435.8nm CIE-RGB规定：规定：②②基础刺激基础刺激—等能量光谱的白光 亮度系数：2024/8/149③③RGB 表色体系的等色函数表色体系的等色函数2024/8/150第一章视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学为简化计算，使用了三基色单位制，记作[R]、[G]、[B]，它规定白光是由各为1个单位的三基色光组成1个单位[R]＝1光瓦(红基色光)1个单位[G]＝4.5907光瓦(绿基色光)1个单位[B]＝0.0601光瓦(蓝基色光)任意色光：任意色光：2024/8/151第一章视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学CIE-XYZ标准表色体系RGB—XYZ的转换关系的转换关系2024/8/152第一章视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学2024/8/153第一章视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学求三刺激值的标准方程求三刺激值的标准方程2024/8/154第一章视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学•均匀色标制CIE-UCS2024/8/155第一章视觉生理学和光度色度学视觉生理学和光度色度学色域和色域覆盖率色域和色域覆盖率•色域色域— CIE 1931年公布的人眼可见光谱 表示颜色的范围和鲜明度 显示器的RGB三角形的大小来表示 色域覆盖率色域覆盖率在色域图上，显示器的色域面积占色度空间全部面积0.1952的百分数。

2024/8/156结束结束 。