3.1.4 彩色视觉特性

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，也可辨别颜色，白天的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3类，分别为红敏细胞、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3-7所示。

图3-7中，VR(λ)、VG(λ)、VB(λ)的峰值分别在580nm、540nm、440nm处。其中 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3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，而是利用相似于红、绿、蓝锥状细胞特性曲线的3种光源进行配色，在色感上得到了相同的效果。

下面简要介绍彩色电视系统涉及的人眼视觉特性。

1．辨色能力

彩色电视要表示景物的颜色需要3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、色调和饱和度称为彩色的三要素。

亮度表示色光对人眼刺激的程度，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，指的就是色调。

饱和度是指彩色的浓淡程度，即掺白程度，用百分数表示。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0。

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380～780nm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，光谱组成可以不同。

2．彩色细节分辨力

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1/5～1/3。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（0～6MHz）传送图像的亮度信息，用很窄的带宽（亮度信号带宽的1/5～1/3）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3-1所示。

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。

3．混色特性

混色特性包括时间混色、空间混色和双眼混色等。

时间混色是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，如图3-8所示。图3-8（a）表示轮流投射三基色光的速度慢，图3-8（b）表示速度较快，图3-8（c）表示速度更快，图3-8（d）表示速度已达到人眼不能分辨三基色的程度。

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，如图3-9所示。图3-9（a）表示投射的三基色光离人眼的距离近，图3-9（b）表示距离较远，图3-9（c）表示距离更远，已达到人眼不能分辨三基色的程度。

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，立体彩色电视就是利用此原理实现的。