色度學與彩色電視之光與顏色

有了色溫和相關色溫的概念，表示光源的特性將非常方便。例如：

A光源：色溫為2845K，相當于白熾燈在2800K時輻射出的光。

B光源：相關色溫為4800K，相當于中午直射的日光。

C光源：相關色溫為6700K，相當于白天的自然光，它的藍色成分較多。

D65光源：相關色溫為6500K，相當于白天平均光照，近年來，常被用作彩色電視的標準光源。

E光源：又稱為等能白光，即P（l ）＝常數(shù)，它是一種假想而實際并不存在的光源，采用它純粹是為了簡化色度學中的計算，其相關色溫為550K。

另外，在彩色電視、電影攝影棚和演播室中常采用新式鹵鎢燈，其相關色溫3200K，它是近代照明技術中常采用的光源。

顯象管屏幕上顯現(xiàn)的白光，有些色溫高達9000～11000K，此時白色已經偏藍了。

維恩（Wien）位移定律指出：當絕對黑體的溫度增高時，比較大的發(fā)射本領向短波方向移動（見圖2.1-1）,所以色溫較高的光源，其發(fā)出的輻射能較多地分布在波長較短的綠光和藍光之中；而色溫較低的光源，其輻射能較多地分布在波長較長的紅光中。因此，在上述幾種標準白光中，色溫較低者，偏紅；色溫較高時，偏藍。

2.1.2 顏色及其視覺理論

一、顏色

顏色可分為非彩色與彩色兩大類，顏色是非彩色與彩色的總稱。非彩色指白色，黑色與各種深淺不同的灰色。白色、灰色、黑色物體對光譜各波長的反射沒有選擇性，它們是中性色。彩色物體對光譜各波長反射具有選擇性所以它們在白光照射下出現(xiàn)彩色。圖2.1－3畫出了幾種顏色物體的光譜反射率特性。白色物體反射系數(shù)近1，黑色物接近于0，灰色物體介于0與1之間。彩色物體的反射率是隨頻率變化的，其數(shù)值介于0至1之間。

彩色是指白黑系列以外的各種顏色，顏色有三特性：亮度、色調和飽和度。

亮度（Luminance）是指色光的明暗程度，它與色光所含的能量有關。對于彩色光而言，彩色光的亮度正比于它的光通量（光功率）。對物體而言，物體各點的亮度正比于該點反射（或透射）色光的光通量大小。一般地說，照射光源功率越大，物體反射（或透射）的能力越強，則物體越亮；反之，越暗。

色調（Hue）:指顏色的類別，通常所說的紅色，綠色，藍色等，就是指色調。光源的色調由其光譜分布P（l ）決定；物體的色調由照射光源的光譜P（l ）和物體本身反射特性r （l ）或者透射特性t （l ）決定，即取決P（l ）r （l ）或P（l ）t （l ）。例如藍布在日光照射下，只反射藍光而吸收其它成分。如果分別在紅光，黃光或綠光的照射下，它會呈現(xiàn)黑色。紅玻璃在日光照射下，只透射紅光，所以是紅色。

飽和度（Saturation）：是指色調深淺的程度。各種單色光飽和度更高，單色光中摻入的白光愈多，飽和度愈低，白光占絕大部分時，飽和度接近于零，白光的飽和度等于零。物體色調的飽和度決定于該物體表面反射光譜輻射的選擇性程度，物體對光譜某一較窄波段的反射率很高，而對其它波長的反射率很低或不反射，表明它有很高的光譜選擇性，物體這一顏色的飽和度就高。

色調與飽和度合稱為色度（Chromaticity），它既說明彩色光的顏色類別，又說明顏色的深淺程度。色度再加上亮度，就能對顏色作完整的說明。

非彩色只有亮度的差別，而沒有色調和飽和度這兩種特性。

二、關于顏色視覺理論

現(xiàn)代顏色視覺理論主要有兩大類：一是楊一赫姆霍爾茲的三色學說，二是赫林的“對立”顏色學說。前者從顏色混合的物理規(guī)律出發(fā)，后者從視學現(xiàn)象出發(fā)，兩者都能解釋大量現(xiàn)象，但是各有欠缺之處。例如：三色學說是最大優(yōu)越性是能充分說明各種顏色的混合現(xiàn)象，但比較大的因難是不能滿意地解釋色盲現(xiàn)象。對立學說對于色盲現(xiàn)象能夠得到滿意的解釋，但是比較大的困難是對三基色能產生所有顏色這一現(xiàn)象沒有充分的說明，而這一物理現(xiàn)象正是近代色度學的基礎，一直有效地指導著電視技術的發(fā)展，彩色電視技術的發(fā)展，彩色電視技術中是依靠三色學說作為理論基礎的。

一個世紀以來，以上兩種學說一直處于對立地位，似乎若要肯定一個，非要否定另一個不可。在一個時期，三色學說曾占上風，因為它有更大的實用意義。然而最近一、二十年的發(fā)展，人們對這兩種學說有了新的認識，證明兩者并不是不可調和的?，F(xiàn)代彩色視覺理論產生一種“顏色視覺的階段學說”，將這兩個似乎是完全對立的古老的顏色學說統(tǒng)一在一起，有關這方面的知識，請閱讀參參考文獻[18],P.60。下面只介紹作為彩色電視理論基礎之一的三色學說。

三、三色學說

這種學說認為人眼的錐狀細胞是由紅、綠、藍三種感光細胞組成的，它們有著各自獨立的相對視敏函數(shù)曲線，分別為Vr（l ）＝Vq（l ）和Vb（l ） （2.1－1）

如果某色光的功率頻譜分布為P（l ），則三種色敏細胞感受到光通量分別為FR、D和F

大腦對該色光感覺到的亮度正比于它的總光通量F＝FR＋FG＋FB，大腦感覺該色光的色度（色調和飽和度）由FR、FG和FB分別相互比值來決定。所以，對于兩種不同功率頻譜分布的色光，只要它們的FR、FG和FB分別相同，對人眼來說，感覺到的亮度是完全相同的，它們的對人眼的彩色視覺是完全等效的。如果它們的FR、FG和FB雖然不同，但是FR、RG和FB的相同互比值相同，則它們對人眼來說，只是亮度感覺不同而色度感覺是完全相同的。

由此可見，人眼的顏色感覺雖然取決于色光譜布，但是并不能從看到的顏色來測斷它們的光譜分布。也就是說，一定的光譜分布，對應著一種唯確定的顏色；但是同一顏色，可以由不同的光譜分布所組成，這種現(xiàn)象稱為“同色異譜”現(xiàn)象。彩色電視正是利用這一現(xiàn)象進行顏色重現(xiàn)的。在顏色重現(xiàn)過程中，并非一定要求重現(xiàn)原景物輻射光的光譜成分，而重要的是應獲得與原景物相同的彩色感覺。用什么方法才能實現(xiàn)這一目標呢？下面討論的三基色原理與顏色混配規(guī)律為此問題的解決提供理論依據(jù)方法。

2.1.3 三基色原理與混色規(guī)律

一、混色規(guī)律

不同顏色混合在一起，能產生新的顏色，這種方法稱為混色法?；焐譃橄嗉踊焐拖鄿p混色。相加混色是各分色的光譜成分相加，彩色電視就是利用紅、綠、藍三基色相加產生各種不同的彩色。相減混色中存在光譜成分的相減，在彩色印刷、繪畫和電影中就是利用相減混色。它們采用了顏色料，白光照射在顏色料上后，光譜的某些部分使被吸收，而其他部分被反向或透射，從而表現(xiàn)出某種顏色?；旌项伭蠒r，每增加一種顏料，都要從白光中減去更多的光譜成分，因此，顏料混合過程稱為相減混色。

1853年格拉斯曼（H.Grasman）教授總結也下列相加混色定律：

1.補色律：自然界任一顏色都有其補色，它與它的補色按一定比例混合，可以得到白色或灰色。

2.中間律：兩個非補色相混合，便產生中間色。其色調決定于兩個顏色的相對數(shù)量，其飽和度決定于二者在顏色順序上的遠近。

3.代替律：相似色混合仍相似，不管它們的光譜成分是否相同。

4.亮度相加律：混合色光的亮度等于各分色光的亮度之和。

利用如圖2.1.-5所示的顏色環(huán)，可以比較直觀地表達各種顏色的混合規(guī)律。按順序把飽和度更高的譜色光和紫紅色圍成一個近似的圓環(huán)，每一顏色都在圓環(huán)上或環(huán)內占有一確定位置。白色位于圓心，顏色飽和度愈低，愈靠近圓心。顏色環(huán)圓心對邊的任何兩種顏色都是互補色，按適當比例混合是得到白色或灰色，例如，黃色與藍色，紅色與青色，綠色與品紅色。顏色環(huán)上任何兩種非補色相混合，可產生中間色，它的位置在此兩色的連線上。中間色的色調決定于兩顏色的比例多少，并按重力中心定律偏向比重大的一色；中間色的飽和度決定于兩色在顏色環(huán)的距離，二者距離愈近，飽和度越大，反之越小?；パa色在色環(huán)上的距離被認為是最遠。

還可以利用如圖2.1-6所示的顏色三角形，簡便地記憶相加混色和相減混色的規(guī)律。

相加混合

紅＋青＝白 紅＋綠＝黃

藍＋黃＝白 綠＋藍＝青

綠＋品紅＝白 紅＋藍＝品紅

紅＋綠＋藍＝白

相減混合

黃＝白－藍 黃＋品紅＝白－藍－綠＝紅

青＝白－紅 黃＋青＝白－藍－紅＝綠

品紅＝白－綠 品紅＋青＝白－綠－紅＝藍

黃＋青＋品紅＝白－藍－紅－綠＝黑色

二、三基色原理

三基色原理是指自然界常見的多數(shù)彩色都可以用三種相互獨立的基色按不同比例成，所謂獨立的三基色是指其中的任一色都不能由另外兩色合成。三基色原理可用混色規(guī)律中的“中間律”證明：先讓兩種基色按不同比例合成出所有中間色，然后讓第三基色與每一種中間色按不同比例再合成出所有中間色，這樣三基色按不同比例就能合成出如圖2.1-6所示的以三基色為頂點的三角形所包圍的各種顏色。

在彩色電視中，經過適當?shù)剡x擇，確定以紅、綠、藍為三基色，就可以合成出自然界常見的多數(shù)彩色。三基色原理對彩色電視有著極其重要的意義，它傳送具有成千上萬、瞬息萬變彩色的任務，簡化為只需要傳送三個基色圖象信號。

三、相加混色的實現(xiàn)方法

為了實現(xiàn)相加混色，除了將三種不同的基色，同時投射到某一全反射面產生相加混色外，還可以利用人眼的某些視覺特性實現(xiàn)相加混色。

1. 時間混色法：將三種不同的基色以足夠快的速度輪流投射到某一平面，因為人眼的視覺惰性，分辨不出三種基色，而只能看到它們的混合色。時間混色法是順序制彩色電視的基礎。

2.空間混色法：將三種基色分別投射到同一表面上相鄰的三點，只要這些點足夠的近，由于人眼分辨力的有限性，不能分辨出這三種基色，而只能感覺到它們的混合色?？臻g事法是同時制彩色電視的基礎。

3.生理混色法：當兩只眼睛同時分別觀看不同的顏色，也會產生混色效應。例如，兩只眼睛分別戴上紅、綠濾波眼鏡，當兩眼分別單獨觀看時，只能看到紅光或綠光；當兩眼同時觀看時，正好是黃色，這就是生理混色法。