北邮音视频原理开卷笔记总结（含部分练习题）

1.视觉特性和色度学

视觉特性

光的特性：单色光与复合光

光谱：复色光通过色散系统（如光栅、棱镜）分光后，依照光的波长（或频 率）的大小顺次排列形成的图案。主要分为发射光谱，吸收光谱和反射光谱

🌟判断题1🌟彩色感觉：既决定于光源所含的光谱成分以及景物反射（或透射）和吸收其中某些成分的特性又决定于人眼对可见光谱中的不同成分有 不同视觉效果的能力。人眼彩色感觉是客观 和主观结合的过程。

光源

光源分类：

• 本身发光的物体，它辐射光谱分布，引起人眼的一定彩色感觉
• 不发光的物体，在光源照射下，因反射一定的光谱成分和吸收其 余部分而呈现一定的彩色

绝对黑体（也称全辐射体）是指既不反射也不透射而完全吸收入射 辐射的物体。

标准光源：

• A光源 色温为 2854K，其波 谱能量主要集中在红外线区域， 看起来不如太阳光白，带些橙 红色，早上的阳光。
• B光源 色温为 4800K，接近 于正午直射的阳光。
• C光源 色温为 5500K，其波 谱能量在 400～500毫微米处较 大，可见 C白 含蓝色成分较多， 相当于白天的自然光。
• D65光源 色温为 6500K，相当于白天的平均光照。在 400毫微米以下范围内，它的 波谱能量比 B 光源与 C光源要大些，所以近年来被用作彩色电视中的标准白光。它 可以由彩色显象管的三种荧光粉发出的光适当配合而得到
• E光源 是在色度学中采用的一种假想的等能白光（E白），就是当可见光谱范围内 的所有波长的光都具有相等辐射功率时所形成的一种白光，它与色温为 5500K 的白 光相近。纯粹是为了简化色度学中的计算。

🌟判断题2🌟光源色温越低，感觉越暖。

人眼生理

视觉感知低级层次：成像，转换，传输。

眼睛的构造：

• 眼球壁最里层为视网膜层，它由大量光敏细胞所组成。
• 黄斑区－视网膜的中心部位
• 光敏细胞按其形状分为杆状细胞与锥状细胞：
• 杆状细胞(Rods)：光灵敏度极高，在低照度时，主要靠它来辨别明暗，但对彩 色不敏感。视杆体细长而薄，数量上约 1 亿个，它们提供暗视(Scotopic Vision),即在低几个数量级亮度时的视觉响应。
• **🌟填空题2🌟锥状细胞(Cons)：既可辨别光的强弱，又可辨别彩色。**结构上短而粗，数量少, 约 6.5 百万个，光灵敏度较低，它们提供明视(Photopic Vision)，其响应光 亮度范围比视杆体要高5～6个数量级。在中间亮度范围是两种视觉细胞同时起 作用。视锥体集中分布在视网膜中心。

🌟填空题2🌟白天的视觉过程主要由锥状细胞来完成，夜晚视觉则由杆状细胞起作用，在较暗处只能看见黑白形象而无法辨别彩色

视网膜中有 3 种锥状细胞，具有不同的光谱 特性，峰值吸收分别在光谱的红、绿、蓝区域，从实测光谱 吸收曲线可以看到锥状细胞对蓝光响应的灵敏度相对低，而 且吸收曲线有相当多的部分是相互重叠的。这是三基色原理的生理基础。

视觉感知的高级感知层次：大脑对视神经纤维传送来的图像信息进行分析和理解，通过图像获 得对周围世界感知的信息和知识。

视觉的外在表现-视觉特性

图象是周围世界的一种映射,而周围世界是一个能量场,它可以描述为： E(x,y,z,λ,t)。运动图象,x,y,z都是时间 t的函数,若在连续的不同时间获取图象,可以获得序列图象 {I1,I2,….In}。

按不同波段获取图象,可获得彩色图象或不同波段的图象信号(如遥感图象、医学图象 等)。

按不同视角,即不同的 x,y,z间相互关系,可以得到不同视角的不同图象，如多角度电 视转播。

因此,视觉特性包括视觉对光强、对各种波长、彩色的光谱效应,对物体边缘等空间频率 变化的响应,以及视觉对时间瞬时变化运动的响应。

相对视敏函数

在产生相同亮度感觉的情况下，测出各种波长光的辐射 功率 PY(λ）。PY(λ)的倒数可用来衡量视觉对波长为 λ 的光的敏感程度，即视敏

度，用 K(λ）表示。实测表明， 在明亮环境中对波长 555 nm的黄绿光，有最大视敏度 Km = K(555)。

相对视敏函数：任意波长光的视敏 度 K(λ)与 Km之比，并用 V(λ)表示：
$$V(\lambda )=\frac{K(\lambda )}{K(555)}=\frac{K(\lambda )}{K_m}$$
人眼对亮度的感觉可以等效为一个带通滤波器，其频率响应为 V(λ)。 相对视敏函数曲线表明，要使人眼产生相同的亮度感觉，不同波长 的光必须施以不同的照明功率；反之，在受到完全相同的辐射功率 的刺激时，例如在等能白光下照射下，人眼对不同波长的光的亮度 感觉是不同的

明暗视觉：杆状和锥状的相对视敏曲线有所不同，对锥状细胞情况， 在λ =555nm 时黄绿光亮度最敏感，对杆状细胞暗视情况,则 λ =505nm 时青绿光最敏感。

❤️彩色视觉

彩色的三个基本参量：亮度（亦称明 度）、色调和饱和度。

• 亮度是光作用于人眼时所引起的明亮程度的 感觉。一般来说彩色光的光功率大则感觉亮 ，反之则暗。
• 色调反映了颜色的类别。
• 饱和度是指彩色光所呈现彩色的深浅程度（ 或浓度）。

色度是色调与饱和度的合称，它既说明彩色 光的颜色类别，又说明颜色的深浅程度

大脑根据 Φ_R、Φ_G、Φ_B 三者的比例决定了总的色度感觉， 而三者合成的总光通量决定了总的亮度感觉。

彩色视频通信的基础:具有不同功率波谱 P(λ) 的两种光，只要由它们计算出的 Φ_R、φ_G、 φ_B相同，则从人眼彩色视觉来讲是完全等效的。

格拉司曼（Grassman）定律：复合光的亮度等于各光分量 的亮度之和。

视觉范围

视觉范围是指人眼所能感觉的亮度的范围。 这一范围非常宽，约有百分之几尼特至几百万尼 特。因为眼睛的感光作用有随外界光的强弱而自 动调节的能力，即适应性，但人眼并不能同时感 受这样大的亮度范围。 当人眼在适应了某一环境的平均亮度后，视觉范 围就有了一定限度，分段感受。 总之，人眼的明暗（黑白）感觉是相对的，正因 为如此，并不反映景物实际亮度的电影和电视， 却能给人以真实的亮度感觉。

亮度感觉

❤️韦伯定理(Weber’s Law)：如果一个物体的亮度 I+△I与其周围背景 I有刚刚可觉察的差别（最小 可觉差）,则 △I和 I的比值是在一定的亮度范围 内近似不变,为常数值 0.02，这称为韦伯比。即
$$\frac{\Delta I}{I}=d(\log I)=\Delta c$$
人眼亮度感觉 S和客观亮度 B的对数值成正比，是 单调的非线性系统。通过这一对数性质,人眼在受到 保护的同时，达到宽达 106的视觉亮度范围。
$$S=k\lg B+k_0（韦伯-费希纳定律）$$

对比度

对比度 C：最大亮度Bmax与最小亮 Bmin之比值。 只要重现景象与实际景象对主观感觉来说，具有相同的 对比度和亮度差别级数（也称亮度层次），就能给人以 真实的感觉。

人眼的分辨力

黑白细节

分辨力的定义：人眼对被观察物体上能分辨的相邻最近 两点的视角 θ的倒数 1／θ

人眼分辨力与物体在视网膜上成象的位置有关。 人眼分辨力和照明强度也有密切关系。当照度太低时，只有杆状细 胞起作用，分辨力就大为降低，且分辨不出颜色。相反，当照度太 大时，分辨力也不会再增加，甚至由于“眩目”现象而降低 。 分辨力还与景物相对对比度 Cr有关。 被观察物体的运动速度也会影响分辨力。运动速度快，分辨力下降。

彩色细节

❤️**🌟计算题1🌟 人眼对彩色细节的分辫力远低于对亮度细节的分辨力。🌟选择题1🌟人眼对亮度分量比对色度分量敏感。**人眼对不同色调细节的分辨力也不相同。人眼分辨景物彩色细节的能力很差。因此，彩色电视系 统在传送彩色图象时，细节部分(高频)可以只送黑白图象，而 不送彩色信息，这就是利用大面积着色原理节省传输频 带的依据。（人眼对低频分量比高频更敏感）

色调和饱和度

不同的波长，色调分辨力不同，当饱和度减少时，人眼的色调分辨力将下降 ，当亮度太大或太小时，色调分辨力也会下降。人眼能分辨出各种彩色的不同饱和度。但对不同颜色的饱和度变化，有不完全一样的灵敏度。在黄色区，人眼只能分辨出四级饱和度，而在红色、蓝色 区域，灵敏度较高，可以分辨出 25个等级。

马赫带

感觉的亮度区域不是简单取决于亮度， 相同亮度的方块在不同背景下，感觉亮度不同；位于中心位置的方块亮度相同，当背景变亮时，方块的亮度变暗。一张白纸放在桌子上看上去很白，但用白纸遮蔽眼睛直视明亮的天空时， 纸看起来总是黑的。

视觉惰性

不同亮度下亮度感觉与作用时间的关系。短暂的光刺激比较长时 向的光刺激更加醒目（指重复频率较低时）。

🌟计算题1🌟视觉惰性：人眼的主观亮度感觉与光的作用时间有关，并且光象一 旦在视网膜上形成，在它消失后，视觉将会对这个光象的感觉维持一 个有限的时间（视觉残留）

闪烁频率

临界闪烁频率 fc：不引起闪烁感觉的最低重复频率。fc 最主要的是和光脉冲亮度 Bm有关。
$$f_c=alg{B}_m+b$$
a 和 b 均为常数。对于电视屏 幕来讲，若 Bm 用尼特为单位，则常 数 a 约为 9.6，b 约为 26.6。所以当 Bm＝100 尼特时，fc ≈ 45.8 赫。随着 Bm 的提高，fc也将提高。

临界闪烁频率还与亮度变化幅度有关。亮度 变化幅度越大，闪烁频率越高。此外，相继两幅画面本身的亮度分布和颜色、 观看者到画面的距离以及环境条件等，也都 对临界闪烁频率有影响。 视觉惰性是设计电视系统的重要依据－隔行 扫描。

色度学

三基色

❤️彩色的表示是基于 Tomas Young 提出的三基色原理：绝大多数单色光可以分解成红、绿、蓝三种色光。

基于三基色原理，一个功率波谱分布为p(λ)的色光C 所产生的彩色感觉，可用谱响应来描述。在彩色复现中，并不要求恢复原景物光谱成分，而重要 的是应获得与原景物相同的彩色感觉。

如果适当选择三种基色，将它们按不同比例进行合成， 就可以引起各种不同的彩色感觉，🌟填空题1🌟合成彩色的亮度由三 个基色的亮度之和决定，而色度（即色调与饱和度）则 由三个基色分量的比例决定。

三个基色必须是相互独立的，其中任一基色都不能由其 它两基色混合产生，这样就能配出较多的彩色。

三基色相加混色：在彩色电视中采用将三种基色光（红、 绿、兰）按不同几例相加而获得不同彩色光的方法

三基色相减混色（CMY模型）：黄、青、紫。与彩色电视不同，在彩色印刷、胶片和绘画中采用相减混色法。

红基色单位（或称单位量）：波长为700 毫微米、光通量为 1 光瓦的红 光，并用[R]表示； 绿基色单位：波长为546.1毫微米、光通量为4.5907光瓦的绿光，并用[G] 表示； 蓝基色单位：把波长为435.8 毫微米、光通量为0.0601 光瓦的蓝光，并用 [B]表示。 这三个基色光的视敏函数值分别为0.0041、0.9756和0.0173。

❤️RGB 制彩色表示

对于任意给定的彩色光F，其配色方程可写成 F ＝R[R]+G[G]+B[B]

RGB 色度图：色度坐标或相对三色系数r、g、b： m=R+G+B ——称为色模。由r+g+b=1，混合色的色度唯一地由 r、g、b中的两个就可以明确地表示。因此各 种彩色的色度可以采用二维表示法。RGB 色度图就是用r-g直角坐标系来表示各种色度，所画 出的平面图形。

由[R]、[G]、[B] 三点连成的三角形称彩色三角形，其重 心E即为等能白光E白的位置。

谱色轨迹：根据各谱色光的色度坐标值可绘出可见光谱 在r-g 平面上的坐标位置。由它们连接而成的一条舌形曲 线，称为谱色轨迹。坐标位置越靠近谱色轨迹，所对应的彩色越纯，即饱和度越高；而越靠近E点， 所对应的彩色的饱和度越低。

RGB 计色制的缺点：

• 在色度图上不能直接表示出亮度，计算某色光的亮度非常复 杂和不方便。
• 混色曲线 r(λ)、g(λ)、b(λ) 中有负值存在，计算和实际 测量容易出差。
• 谱色轨迹不全在坐标的第一象限内，作图也感不便。

XYZ 制彩色表示

XYZ 制的基本思想：选三个基色单位 [X]、[Y]、[Z]， 它所组成的三角形将单色光频谱全面包围在内，而且使 三个色坐标中的一个恰好等于色光的亮度。在 XYZ 制中，配色方程为 F = X[X] + Y[Y] + Z[Z]

三基色单位 [X]、[Y]、[Z] 满足的三个条件：

• 用它们配出实际彩色时，三个色系数 X、Y、Z 均为正值。
• 为了便于计算，使合成彩色光的亮度仅由 Y[Y] 确定，并规 定 1[Y] 的光通量为 1 光瓦。
• 当 X = Y = Z 时，仍代表等能白光 E白。

RGB物理三基色单位到XYZ计算三基色单位的线性方 程组:

1. = 0.4185[R]- 0.0912[G] + 0.0009[B]
2. [Y] = - 0.1587[R] + 0.2524[G]- 0.0025[B]
3. [Z] = - 0.0828[R] + 0.0157[G] + 0.1786[B]

XYZ色度图：色域图：根据不同坐标处颜色 的不同，可以将曲线所包围的 面积大致分成若干小区，每个 区域都标出该处的颜色名称。 黑体轨迹或普朗克（ P1anckian）轨迹：当绝对黑 体的温度由低到高连续变化时 ，其色度坐标将画出一条曲线.等色调波长线：由 W点（等 能白光）引向谱色轨迹的直线 均为等色调波长线，其与谱色 轨迹的交点所对应的波长，即 为该直线上各点彩色的色调波长。 等饱和度线：由色调波长不同 而饱和度相同的各点联成的曲 线。 辩差的椭圆曲线 。等色差域图：具有相同级数刚

❤️CIE 1931色度图是用标称值 表示的CIE色度图，x表示红 色分量，y表示绿色CIE 1931 色彩空间色度图分量。E点代 表白光，它的坐标为（0.33， 0.33）环绕在颜色空间边沿的颜色 是光谱色，边界代表光谱色 的最大饱和度，边界上的数 字表示光谱色的波长，其轮 廓包含所有的感知色调。所有单色光都位于舌形曲线 上，这条曲线就是单色轨迹 ，曲线旁标注的数字是单色 （或称光谱色）光的波长值 ；自然界中各种实际颜色都 位于这条闭合曲线内；RGB 系统中选用的三基色在色度 图的舌形曲线上。

显像管的重现色域

彩色显象管是利用空间混色法来重现彩色的，它以红、绿、蓝三种荧光粉 所发出的非谱色光作为显象 三基色光，而不能直接采用 CIE 规定的标准光谱三基色 [R]、[G]、[B]。打印机的彩色 全域边界不规 则，因此颜色 打印比颜色显 示更难控制。

2.模拟视频

模拟视频基础

基本概念

宽高比

画面显示格式采用了4:3宽高比。人眼清楚的区域在垂直方向上是15°视角，水平是20°。人类长期观看的对象主要分布在地平面上，以扁宽为宜。

世界正向16:9宽高比转移 ，高清晰度电视HDTV的α=16:9，一般是方形象素。

清晰度

图象上某方向为人眼所看到的象素数，以线或行数表示。 因为与人眼视觉有关，图象的清晰度是一种主观感觉。 🌟选择题1🌟一般认为眼睛在水平和垂直方向上的分辨能力是相等的。

图像扫描

扫描：将图像转变成顺序传送的电信号的过程。扫描按着自左至右、自上而下的顺序进行发送和接收的。

行扫描： 自左至右的扫描，概念：行频、行正程、行逆程。帧扫描： 自上而下的扫描，概念：帧频，帧正程、帧逆程。 场频，场正程，场逆程。

连续扫描

连续扫描：也称逐行扫描。模拟电视一帧的扫描行数为625行。连续图象-每次扫描得到所有的行数 1,2,3,4,5,6,7,8…623,624,625 。目前计算机显示一般采用逐行扫描， 通过处理完整的图象，使压缩算法效率更高，带宽是隔行扫描的2倍

❤️🌟填空题3🌟基本参数:

• 行周期:T_H
• 行正程时间:T_Ht,行逆程时间:T_Hr,行逆程系数:α=T_Hr/T_H
• 场正程时间:T_Vt,场逆程时间:T_Vr,场逆程系数:β=T_Vr/T_V
• 行频:f_H=1/T_H
• 帧周期T_F
• 帧频f_F = 1/ T_F
• 行数Z（扫描总行数): f_H = Zf_F
• 有效扫描行数 : Z’=(1-β_r)Z

如何选择行频，场频和行数：

• 帧频（场频）选择:为使图像有连续感，帧频应高于20Hz , 为使图像不产生闪烁感，帧频应高于临界闪烁频率45.8Hz ,考虑电视机初期要减少交流电源对视频干扰，因此帧频要与交流电源频率相同（ 50/60HZ）
• 行数：考虑到分辨角θ约为1’-1.5’，人在距离画面4倍高度的位置上观看，当画面上有573 条水平条纹时，人眼观看两条相邻黑白条纹的张角约为1.5’。 通常βr=0.08，因此标称扫描行数Z为 620。由公式可得行频
• 带宽：假设有效扫描行数600，宽高比4:3，每帧的像素为600*(600*4/3)=480000个 。帧频50Hz，扫描两个像素的时间为2*(1/480000*50)=1/12us。最高频率为1/12us的倒数，即12MHz。

隔行扫描

隔行图象-每次扫描提供1/2的行数。🌟选择题2🌟隔行扫描把每视频帧分为两场；第 一场包含图象的奇数行扫描线 1,3,5,7,9,11,13…623,625，第二 场包含图象的偶数行扫描线 2,4,6,8,10,12,14…622,624 。❤️隔行扫描可减少闪烁，降低传输带宽。

逐行扫描带宽x2，

如何选择行频，场频和行数：

• 场频f_v：与连续扫描一样，50/60Hz
• 帧频f_F：1/2场频，
  25Hz/30Hz
• 行数：行数应该为奇数(场扫描锯齿波电流的电路比较简单)，625
• 行频：Zf_F=15625HZ
• 带宽：7.37MHZ

❤️隔行扫描的缺点：

• 行间闪烁：整个屏幕的亮度是按场频50Hz重复的，高于临界闪烁频率，每一行的亮度却是按帧频25Hz重复的，低于临界闪烁频率 ，当我们观看比较亮的细线时，会有不舒服的感觉。
• 视在并行现象：如果被传送图像中的运动物体在垂直方向上有足够大的速度分量 ，而且每经过一场时间运动物体正好向下移动一行距离，则后一 场传送的细节将于前一场相同。当视线随着运动物体移动时，看 起来好像两行变成了一行。
• 图像边缘的锯齿化
• 运动的不连续感
• 对同步系统提出了更高的要求：行、场扫描频率之间保持严格的关系，否则两场的光栅不能均匀 镶嵌。最严重时，两场光栅会重叠在一起。

图象扫描—空间频率与时间频率的转换：当需要传送的细节fx固定时，图像信 号的频率f与扫描速度成正比；或者， **在扫描速度Vhf固定时，信号频率f 与要传送的细节fx成正比。**即：f=f_xV_hf

❤️水平和垂直分解力

分解力:显示设备所能分辩的图像象素数目，客观指标。

垂直分解力

系统沿图象垂直方向所能分解的象素数，以线或行数表示。垂直分解力直接取决于扫描行数，但是小于扫描行数。

🌟填空题3🌟实际垂直分解力和有效行数：M=kZ’，k称为凯尔系数,一般取k=0.7

水平分解力

系统沿图象水平方向所能分解的象素数，以线数或行数表示。影响水平分解力的因素：扫描电子束尺寸和视频信号带宽。

🌟填空题3🌟计算：

理想垂直分解力
M = Z ′ = Z ( 1 − β ) M = Z' = Z(1 - \beta)