彩色视觉特性及人眼感官特点分析

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。它们各自的相对视敏函数曲线分别如图2-8所示。

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。

图2-8　视觉三色曲线

下面介绍彩色电视系统涉及的人眼视觉特性。

（一）辨色能力

彩色电视要表示景物的颜色需要三个独立的物理量，除亮度外，还需增加色调和饱和度，因此，亮度、色调和饱和度称为颜色的三要素。

亮度表示色光对人眼刺激程度的强弱，它与进入人眼色光的能量有关。

色调表示颜色的种类，通常所说的红色、绿色、蓝色等就是指的色调。

饱和度是指彩色的浓淡程度，即掺白程度，用百分率表示。谱色光的饱和度为100%，谱色光掺入白光时颜色变淡，即饱和度降低。纯净白光或不同亮度的灰色、黑色的饱和度为零。

色调与饱和度合称为色度，彩色电视系统中的图像信号就分为亮度信号和色度信号两部分，色度信号传送色调和饱和度两个量值。

人眼对不同波长的谱色光有不同的色调感觉。理论上，对于一个连续光谱，应有无数种色调与之对应，但实际上对波长很接近的谱色光，人眼无法区分其色调差别，在380nm～780nm的波长范围内，人眼大体能分辨出200多种色调。人眼除了对纯净谱色光色调有分辨能力之外，对于一定波长的谱色光的掺白程度，也具有相当的分辨能力。通过实验，统计出人眼平均能分辨出15～20级的饱和度变化。

综上所述，人眼的彩色视觉的辨色能力总共有3000～4000种。

人眼对彩色感觉具有非单一性。颜色感觉相同，光谱组成不同，这种光称为同色异谱光。

（二）彩色细节分辨力(www.xing528.com)

人眼对彩色细节的分辨力比对黑白细节的分辨力要低。统计结果分析表明：人眼的彩色分辨角一般比黑白分辨角大3～5倍，即人眼对彩色细节的分辨力只有对黑白细节分辨力的1/3～1/5。因此，在彩色电视系统传输彩色电视信号时，可以用较宽的带宽（0Hz～6MHz）传送图像的亮度信息，用很窄的带宽（亮度信号带宽的1/3～1/5）传送图像的色度信息。例如，黑白相间的等宽条子，相隔一定距离观看时，刚能分辨出黑白差别，如果用红绿相间的同等宽度条子替换它们，此时人眼已分辨不出红绿之间的差别，而是一片黄色。

实验还证明，人眼对不同彩色，分辨力也各不相同。如果眼睛对黑白细节的分辨力定义为100%，则实验测得人眼对各种颜色细节的相对分辨力用百分数表示如表2-4所示。

表2-4　人眼对各种颜色细节的相对分辨力

因为人眼对彩色细节的分辨力较差，所以在彩色电视系统中传送彩色图像时，只传送黑白图像细节，而不传送彩色细节，这样做可减少色信号的带宽，这就是大面积着色原理的依据。

（三）混色特性

混色特性包括时间混色、空间混色和双眼混色等。

时间混色：指人眼视觉暂留的结果，在同一个位置轮流投射两种或者两种以上的彩色光，当轮换速度高到一定值后，人眼所感觉到的是它们混合后的彩色。时间混色是顺序制彩色电视的基础，轮流投射红、绿、蓝三种颜色光进行时间混色的过程和结果如图2-9所示。

图2-9中：（a）表示轮流投射三种颜色光的速度慢，（b）表示速度较快，（c）表示速度更快，（d）表示速度已达到人眼不能分辨三种颜色的程度。

图2-9　时间混色

空间混色：指人眼在较远的距离观看彼此间隔很近的不同色光的小光点时，由于受视觉分辨力的限制而不能区分出各个彩色的光点，感觉到的是混合颜色效果的特性。彩色显像管的荧光屏，彩色液晶显示屏和等离子体显示屏，都是根据人眼空间混色特性得到彩色图像的。同时投射红、绿、蓝三种颜色光进行空间混色的过程和结果如图2-10所示。

图2-10　空间混色

图2-10中：（a）表示投射的三种颜色光离人眼的距离近，（b）表示距离较远，（c）表示距离更远，已达到人眼不能分辨三种颜色的程度。

双眼混色：指左右两眼同时分别观看两种不同颜色的同一景象时，两束视神经给出的光刺激通过大脑综合给出混合色光的感觉。它具有立体感的特点，在立体彩色电视中，可利用此原理实现。