电视原理中的三基色原理和计色系统详解

电视原理中的三基色原理和计色系统详解

引用

CSDN

1.

https://blog.csdn.net/qq_33483839/article/details/132302431

电视原理中的三基色原理和计色系统是电视技术的重要基础。本文将详细介绍这些原理和系统，帮助读者更好地理解电视色彩的呈现方式。

基准光源

在讨论三基色原理之前，我们首先需要了解基准光源的概念。基准光源是用于描述和测量颜色的重要参考标准。以下是几种常见的基准光源：

1. A光源（A白）：色温为2845K，橙红色，相当于钨丝灯在2800K时发出的光。
2. B光源（B白）：色温为4800K，接近于中午直射阳光，可以用特制的滤波器在A光源下获得。
3. C光源（C白）：色温为6770K，相当于白天的自然光，波谱能量在400-500nm处最大，含蓝色成分多，也可以用特制的滤波器在A光源下获得。
4. D65光源（D65白）：色温为6500K，相当于白天的平均光照，1967年，CIE（国际照明委员会）建议采用D65作为标准光源。
5. E光源（E白）：色温5500K，这种白光自然界不存在，但采用它大大简化了色度学的计算，因此它是一种为了彩色计算的假想光源。

三基色原理

三基色原理是电视色彩呈现的基础。根据格拉兹曼法则，人的视觉只能分辨亮度、色调和色饱和度。任何彩色都可以用三基色混合得到，合成彩色光的亮度等于三基色分量亮度之和。此外，光谱成分不同的光在视觉上可能具有相同的颜色感觉。

通过配色实验可知，三基色光不一定是红绿蓝，也可以是其他任何一个不能用其他两个基色光混合得到的三基色光。但红绿蓝三基色相加混合得到的颜色最多，色域最广，因此彩色电视就是利用红绿蓝三基色相加混合显示各种颜色。

CIE物理三基色（RGB）计色系统

国际照明委员会（CIE）规定了标准红基色（R）、绿基色（G）和蓝基色（B）的波长分别为700nm、546.1nm和435.8nm。它们都是谱色光，视敏函数值分别为VR(700)=0.041、VG(546.1)=0.9756和VB(435.8)=0.0173。

配色实验中，待配色光F可以用下式表示（配色方程）：
F = R[R] + G[G] + B[B]

式中F表示具有一定亮度与色度的任一彩色光，[R]、[G]、[B]分别表示红、绿、蓝三基色单位；R、G、B表示基色单位数，称基色系数。在选定基色单位时，为了方便色度学计算，规定各以1单位的红、绿、蓝三基色光相混时，恰能产生等能白光（即E白光）时，所需三个基色光通量的比例为：
1[R]∶4.5907[G]∶0.0601[B]

CIE规定：

• 1[R]基色单位表示1光瓦波长为700nm的红谱色光
• 1[G]基色单位表示4.5907光瓦波长为546.1nm的绿谱色光
• 1[B]基色单位表示0.0601光瓦波长为435.8nm的蓝谱色光

在配色实验中，比色计调节器是以[R]、[G]、[B]为单位进行刻度的，因此E白光的方程表示为：
FE白 = 1[R]+ 1[G]+ 1[B]

其光通量为：
|FE白| = 1+4.5907+0.0601 = 5.6508 (光瓦)

对于任意色光，其配色方程为：
F = R[R] + G[G] + B[B]

CIE标准三基色（XYZ）计色系统

CIE XYZ是国际照明委员会在1931年开发并在1964年修订的CIE颜色系统，该系统是其他颜色系统的基础。它使用相应于红、绿和蓝三种颜色作为三种基色，而所有其他颜色都从这三种颜色中导出。

CIE选择的X，Y和Z基色具有如下性质：

1. 所有的X，Y和Z值都是正的，匹配光谱颜色时不需要一种负值的基色；
2. 用Y值表示人眼对亮度的响应；
3. 如同RGB模型，X，Y和Z是相加基色。因此，每一种颜色都可以表示成X，Y和Z的混合。

根据视觉的数学模型和颜色匹配实验结果，国际照明委员会制定了一个称为“1931 CIE 标准观察者”的规范，实际上是用三条曲线表示的一套颜色匹配函数，因此许多文献中也称为“CIE 1931标准匹配函数”。在颜色匹配实验中，规定观察者的视野角度为2度，因此也称标准观察者的三基色刺激值（tristimulus values）曲线。

CIE 1931标准匹配函数中的横坐标表示可见光谱的波长，纵坐标表示基色X，Y和Z的相对值。三条曲线表示X，Y和Z三基色刺激值如何组合以产生可见光谱中的所有颜色。例如，要匹配波长为450 nm的颜色（蓝/紫），需要0.33单位的X基色，0.04单位的Y基色和1.77单位的Z基色。

计算得到的数值（X，Y，Z）可以用三维图表示，如下图所示。图中所有数值都落在正XYZ象限的锥体内。光谱的红色波段在图的右下角，绿色波段在左上角，蓝色波段在左下角。形成一个马蹄形，马蹄形边上各点代表380nm（紫色）到780nm（红色）之间所有的纯色光，而从紫色段端到红色端的连接直线是光谱上没有的紫红色（purple）。所以根据CIE1931色度图（CIE xy色度图），对于给定的x和y值，我们都能知道它所指定的唯一的颜色。

彩色电视的三基色

彩色电视三基色的选择需要考虑两个方面：

1. 应使三基色荧光粉的光色尽可能靠近适当的谱色，以求显像三基色构成的彩色三角形面积（重现色域）尽量大；
2. 应使三基色荧光粉的发光效率要比较高，以求彩色图像有足够的亮度。

这两个要求之间是存在矛盾的，显像三基色的选择应该对重现色域和发光效率两者折衷的考虑。实际上是采用非谱色（荧光粉本来也难以发出谱色光），牺牲一些重现色域，而换得能有较高的屏幕彩色亮度。

1953年规定的NTSC制中，混配出C白的三基色荧光粉发光的亮度比为：
LR∶LG∶LB=2.63∶5.15∶15.1 =0.299∶0.587∶0.114。

1970年规定的EBU制中混配出D65白的三基色荧光粉发光亮度比为：
LR∶LG∶LB=3.12∶9.1∶1=0.222∶0.707∶0.071。

就1953年的NTSC制荧光粉进行计算，要求：
1［Re］+1［Ge］+1［Be］混配出1光瓦C白，即：
1［Re］+1［Ge］+1［Be］= Fe(1光瓦) 。

将这三个基色单位量构成电视显像三基色计色系统，它与XYZ系统的计色单位量之间的关系为：

配出任一彩色光F的配色方程为：
F=Re［Re］+Ge［Ge］+Be［Be］。

则其光通量为：
|F|=0.299Re+0.587Ge+0.114Be，这就是亮度公式 。

显像三基色确定后，可以求出它们相应的分布色系数，即幅射功率为1瓦，波长为λ的谱色光用显像三基色混配时所需的三色系数re(λ)、ge(λ)、be(λ)称显像三基色分布色系数。所有的谱色光构成的相应的三条曲线为混色曲线，即荧光粉的混色曲线，如下图所示。