1.1.1 色度学理论

用定性和定量的方法来研究人类眼睛视觉规律的科学称为色度学。色度学比较深奥，涉及的知识面很广，这里我们只引用某些主要结论，目的就是要告诉大家电视所能显示的色彩和自然界所能观察到的色彩的区别。

1.色彩的三要素

在电视工程中除选定的基准白外，其他所有的颜色统称为彩色。

无论是哪一种彩色光，对人的视觉作用都可以用色调、亮度和饱和度3个量来描述，这3个量就是彩色三要素。

1）色调

色调是指彩色光的颜色类别。红、橙、黄、绿、青、蓝、紫表示着不同的色调。彩色景物的色调取决于光照下反射或透射光的光谱成分，所以它的色调与照射它的光源有关。不同波长的光所呈现的颜色不同，实际就是指光的色调不同，改变彩色光的光谱成分，就会引起色调的变化。

2）亮度

亮度是指彩色光所引起的人眼视觉感受的明暗程度。人眼对黄、绿光照射的景物最敏感，所以在同等强度的不同色光照射下，人眼会感到被黄、绿光照射的景物最明亮。亮度与光线的强弱和光线的波长有关，同样的景物因光照的强弱不同就会产生不同的亮度感觉。

3）饱和度

饱和度是指颜色的深浅程度，就是浓或淡的颜色。例如：用两个聚光灯向一块白色屏幕同时投光，一道光为红色，一道光为白色，由这两种光混合而成的光则呈淡红色。如果这两种光亮度一样，淡红色的饱和度就为50％；如果不开白色的光，红色光的饱和度就是100％。由此可见，饱和度与色光中的白色光成分有关，色光中的白色光成分越多，饱和度越低。单纯白色光的饱和度为零。相同色调的彩色光，它的饱和度越高，颜色就越深，相反则颜色就会变得非常浅。

Tips

相减混色只在彩色绘画、印刷和胶卷等方面采用，与电视无关，因此不做更多的介绍。

2.三基色原理

自然界中能观察到的各种颜色，几乎都能由3种基色以不同的比例混合而得。3种基色必须是相互独立的，其中任何一色都不能由其他两种混合所得。三基色组的选择在原则上是任意的。人眼的3种锥状细胞分别对红、绿、蓝三基色的反应最灵敏。用红、绿、蓝作为三基色，这就是三基色原理。

根据三基色的原理，可以把需要传送景物的任何颜色先分解成红、绿、蓝三基色，然后用表征三基色的3种电信号进行传送；在接收端，先把这3种电信号恢复成三基色，再加以混合就可以重现景物的彩色图像。

3.混色

彩色的混合简称为混色。混色可以分为相加混色和相减混色。彩色电视技术中采用相加的混色法。将红、绿、蓝三基色光按不同的比例相加，就可以获得不同的色彩，这种混色方法称为相加混色法。如图1-1所示为用等功率的红、绿、蓝三基色光进行相加混色的示意图。

由图1-1可知，相加混色的基本规律如下：

红色＋绿色＝黄色

绿色＋蓝色＝青色

红色＋蓝色＝品色

红色＋蓝色＋绿色＝白色

品色即是品红色，又称紫红色。有人称其为紫色，但它与紫色是不一样的。

因为黄色是红色和绿色相混所得，如果再加上蓝色，就混合成白色，所以称黄色与蓝色互为补色。同理，青色与红色、品色与绿色也互为补色。即

黄色+蓝色=白色

青色+红色=白色

品色+绿色=白色

有两种方法可以实现相加，即直接混色和间接混色。

直接混色是将三种不同亮度的基色同时投射到一个全反射的表面上从而合成不同色彩的方法。

间接混色法又分为三种：时间混色法、空间混色法、生理混色法。时间混色法将三种不同亮度的基色光按照一定的时间顺序快速地轮流投射到同一反射面上，利用视觉的惰性合成不同的色彩。空间混色法将三种不同亮度的基色光分别投射到同一表面上相临的三个点上，由于眼睛的分辨能力有限，只要距离足够近，就能产生与直接混色相同的色彩感觉。生理混色法利用了两只眼睛同时分别观看两种不同颜色的同一景物时会产生混色效果的现象进行混色。

4.色度图的基本概念

在亮度、色调、色饱和度中，决定色与色之间本质区别的是色调和色饱和度，因为色调和色饱和度合称为色度，因此说色度是色与色之间的本质区别。所以，要描述彩色光，就将色调和色饱和度这两个参量放在一个二维空间的平面坐标系统中加以表征。这种将各种彩色光的色度放在一个平面坐标里的表示图，称为色度图。

色度图是根据大量三基色配色实验的结果而确定的。找出各种色彩与三基色之间的关系后，通过数学运算和坐标变换就可以绘制出色度图，图1-2为标准色度图。

在色度图上，每一个点都代表一个确定的颜色。但对人的视觉来说，有一定的辨色阈值，所以当某种颜色的坐标变化很小时，人眼仍认为它是原来的颜色，而感觉不出来颜色有什么变化。可见，每一个颜色虽然在色度图上占一个点的位置，而对视觉来说，它实际上是一个小范围，这个范围内的颜色虽然各不相同，但在视觉上是等效的。在色度图的某一点附近变动坐标的位置，人眼刚能察觉颜色变化的小范围，称为等色差域。为了表明人眼对不同颜色变化的辨别能力，我们可在色度图中画出不同位置的等色差域，称为等色差域图，如图1-3所示。

人眼对不同波长光的辨色阈限是不同的，在490～600nm一带，视觉辨色能力较高，1毫微米波长的改变人眼就能察觉；而在可见光谱带的两端，变化5～6nm，人眼才能察觉。同时由于色度图上光谱轨迹的波长不是等距离的，所以色度图上的等色差域就不可能是均匀的了。图1-3中等色差域的椭圆是实际测量结果的10倍左右。在电视技术中不可避免地存在着复现彩色的色度失真，但是只要失真不超过等色差域的范围，我们就没有必要无限地提高色度的复现质量，以避免系统不必要的复杂性。我们可以根据等色差域图来确定对不同色度的失真容限。

不过在等色差域图中要注意的是，图中椭圆越小并不代表人眼对该点颜色的变化越敏感。例如绿色椭圆的长轴大约是蓝色的20倍，但蓝色光谱轨迹的密度却是绿色光谱的300～400倍，可见人眼对绿色的变化比较敏感。

在图1-2中谱色轨迹上各点的饱和度为100%，标准白光E白的饱和度为0%。从E白到谱色轨迹上各谱色点，可连成许多直线，这些直线称为等主波长线。任意一条等主波长线上的不同点表示不同的饱和度，连接各等主波长线上相同饱和度的点，可以画出许多条等饱和度曲线，如图1-4所示。

必须指出，等主波长线上的点，如图1-4中F1和F2，表示由白光和一波长（这里是520nm）谱色光的复合光F1的饱和度。还应指出，非谱色三角形EBR中的任一点的色彩，不能由白光和某一波长的谱色混合而得。

世界上所有的颜色全部包纳在舌形曲线内部。任何颜色都可在舌形曲线上或其内部找出它所在的坐标位置。人们所能见到的绝大部分色彩都是低饱和度的色彩。

各种光源的色温不同，其功率波谱也不同，所以在色度图中的位置也不同，如图1-3所示。

5.彩色电视重现的色度范围

彩色显像管重现的色度范围，取决于显像管屏玻璃内侧所涂的红、绿、蓝三基色发光材料的发光性能。为了能显示逼真、丰富多彩的画面，最好按色度学中规定的，即按红波长为700nm、绿为546.1nm、蓝基色为435.8nm的物理三基色来选配荧光粉。图1-3中所包纳的范围就是可重现的范围。目前的荧光粉材料还达不到这种纯光谱的辐射弧度和亮度，因而难以获得满意的效果。在选取荧光粉基色时，为使配出的彩色尽可能地丰富，应使色度图中由显像三基色所构成的彩色三角形的面积尽可能地大，同时要求荧光粉的发光效率尽可能高一些，这样才能重现明亮而色彩鲜艳的图像。

彩色电视技术中，不同制式所选取的显像管三基色不同，白光的标准也不同。NTSC制采用C光源为标准白光，PAL制（我国采用此制式）采用D6500光源为标准白光。PAL制荧光粉重现的色度范围要比NTSC制重现的色度范围略小一点。但由于新荧光粉的发光效率高，因而重现图像看起来十分鲜艳。彩色电视所不能重现的都是饱和度很高的彩色，这在自然界中是很少见到的。为便于比较，图1-5中还画出了颜料和电影所呈现的色度范围。