Transcript A színészlelés fiziológiai alapjai

A színészlelés fiziológiai alapjai
Szabó Ferenc
A szem szerkezetének fejlődése
• Különböző fajokban különböző, mégis
azonos gének működnek a kifejlesztésében
pl. a légy és az egér esetében.
• A primitív szemben is a rhodopsin a
fotopigmens, (600 millió éves)
• S és L (vagy M fotopigmens 500 millió éves
(régebbi, mint a gerincesek).
Az emberi szem
Szem transzmisszió
Folytonos vonal: Cornea és aqueous humor
Szaggatott vonal: minden a retina előtt
Látótér és mélységi látás
• Emberi látás
208°-os szöget
fog be
vízszintesen
• Éles látás kb.
0,15 dioptrián
belül: pl. 0,7 m –
1,8 m
Az emberi szem, részletek
A retina keresztmetszete
Receptorok
• Receptorok egy energiafajtát másikká alakítanak
• Pálcikák, 120 x 106, szkotopos látás,V’(l), max
érzékenység 507 nm.
• Csapok, 6 x 106, fotopos látás
• Pálcika látás kb. 100-szor érzékenyebb, de
vörösben nem: sötétkamra világítás
• Fovea centralisban, 0,2 – 0,3 mm átmérő
(kb. 1°): 150 000 csap/mm2
Csap és pálcika eloszlás
Sejt elhelyezkedés a foveolaban,
leképeződés az agyban
• Foveola kb. 0,01
%-a a retina
területének, de az
agyban a
látókéreg 8 %-ra
képeződik le.
• 0,4 szögperc-re
vannak a csapok
a foveolaban.
A fovea szerkezete
Csapok és pálcikák
Csapok
• Hosszú hullámhosszú, Long wavelength sensitive,
érzékenység max.: 560 nm.
• Közepes hullámhosszú, Meddium wavelength
sensitive, érzékenység max.: 530 nm.
• Rövid hullámhosszú, Short wavelength sensitive,
érzékenység max.: 425 nm.
• Arányuk durván: L:M:S=32:16:1, de nagy egyéni
szórás
A 3 csapféleség színképi
érzékenysége
A foveális retina sematikus
szerkezete
Retina képek adaptív optikával és
anélkül
Adaptív
optikai
rendszer
sematikus
vázlata
Csap – pálcika időfüggés
• Pálcikák: kb. 100 ms-os szummáció
• Csapok: 10 ms – 20 ms szummáció
80-90 Hz-ig villogás érzet
Fotopos – mezopos – szkotopos
látás
fénysűrűség, cd/m2 : 10-2
10
1000
Oftalmologiai fénysűrűség egység, retinális megvilágítás:
7 mm-es pupilla esetén 1 troland = 0,01 cd/m2
Fotopigmensek
• Pálcika: rhodopsin, áll az opsin-ből (egy protein)
és a retinal-ból (A-vitamin származék)
• Csapokban különböző opsinok (meghatározzák az
abszorpciós színképet)
• A retinal elnyeli a fényt: alakját változtaja,
photoisomerizáció, esetleg kettétörik – kifakul.
Pálcikák és csapok működése
• Sötétben Na+ ionok
áramlanak a külső
szegmensbe
• Fény hatására a cGMP
csatornák zárnak
• Sötétben 50 pA-es
sötétáramot kapcsol ki a
fény, a membrán
hiperpolarizációja –
40mV-ról –70mV-ra nő.
cGMP: cyclic guanosine monophosphate továbbítja az
információt a fényabszorpció és a sejt membrán közt
Pálcikák és csapok
összehasonlítása
Pálcikák
• Nagy érzékenység
• Sok fotopigmens
• Nagy belső erősítés
• Telítődik nappali
megvilágítás esetén
• Lassú, hosszú integrációs
idő
• Beeső szórt fényre
érzékeny
Csapok
• Kevésbé érzékenyek
• Kevesebb fotopigmens
• Kisebb belső erősítés
• Nagyobb telítési
fénysűrűség
• Gyorsabb működés,
rövidebb integrációs idő,
nagyobb időbeli felbontás
• Nagyobb tengely irányú
érzékenység
Fotopigmensek kódolása
• A DNS molekulán a nukleotidok sorrendje kódolja
fotopigmenst
• A rhodopszint kódoló gene a 3. kromoszomán van,
az S-csap pigmnest kódoló a 7. Kromoszomán, az
L és M pigmenst kódoló az X kromoszomán, és a
364 kódoló közül csak 15 különböző.
• Kis különbségek az L és az M pigmensekben is
vannak.
Csap sejt
csoportok a
retinában
L, M, S csapok
H1 és H2 horizontális sejtek,
hozzájárulnak az antagonisztikus
jel/környezet jelek kialakításához,
különböző L,M, pálcika kapcsolatok
(amakrin sejtek)
B bipoláris sejtek, itt már
centrum/környezet antagonisztikus
hatások: On- és Off centrum sejtek
G ganglion sejtek:
•MC magnoceluláris):in- és
dekrementáló
•PC (parvoceluláris):2-2 in-és
dekrementáló
•KC (konioceluláris):2 inkrementáló
Az antagonisztikus (L-M), (S-L,M) és L+M
jelekből az agyban kialakuló észleleti színdimenziók
Radiometria, fotometria,
színmérés
Jelenségek leírására használt három
kategória
Kategóriák
 Jelenség
mechanikai pld.
• távolság
fotometria
• világosság
vagy
láthatóság
 Mennyiség
 Egység
• hosszúság
• fénysűrűség
• méter
• cd/m2
Radiometria, fotometria,
színmérés
• A radiometria az optikai sugárzást fizikai
mennyiségek formájában határozza meg.
• A fotometria ezt a sugárzást az átlagos
emberi megfigyelő látására jellemző
színképi függvény alapján értékeli.
• A színmérés a színészleléshez kíván
objektíven mérhető mennyiségeket rendelni.
RADIOMETRIA
Elektromágneses sugárzás
• optikai sugárzás: 100 nm – 1 mm
hullámhosszú elektromágneses sugárzás
• látható sugárzás: 380 nm – 780 nm
• fény: a látható sugárzás által kiváltott
észlelet
Elektromágneses színkép
Radiometriai segédmennyiségek
d

P

d térszög:
a sugárkúp által a
gömbfelületből
kimetszett terület és
a gömbsugár
négyzetének
hányadosa:
d=dA/r2
Színképfüggő mennyiségek
hullámhossz
függés: X(l)
szűrő áteresztés
színképi
eloszlás:
dX/dl  Xl
Katódsugárcsöves monitor
fényporainak
színképi eloszlás
Radiometriai mennyiségek
Megnevezés Term
sugárzott
energia
sugárzott
teljesítmény
besugárzás
radiant
energy
radiant flux
irradiance
sugárerősség radiant
intensity
sugársűrűség radiance
Jele
Egysége
joule, 1 J 
1 kgm2s-2
 vagy F watt (Js-1)
Q
E
Wm-2
I
Wsr-1
L
Wm-2sr-1
Radiometriai mennyiségek
összefüggései
, F
sugárzott
teljesítmény
teljesítmény
eloszlás
l  d/dl
watt (Js-1)
Wm-1
Q
joule, 1 J  1
kgm2s-2
E  d /dA
E
Wm-2
sugárerősség
I  d /d
I
Wsr-1
sugársűrűség
L
d2/(d dA cos)
L
Wm-2sr-1
sugárzott
energia
Q 
besugárzás
Φ
dt
Besugárzás
E  d /dA
dF
dA
Sugárerősség, pontszerű forrás
d
d
P
I  d /d
I
Sugársűrűség
L
n
d

A sugárzó felület dA
felületeleme által a
felület normálisától (n)
 szögre elhelyezkedő
irányban, a d elemi
térszögben kibocsátott
d sugáráram
L  d2 /(d dA cos) ,
spektrális sugársűrűség:
dA
Ll  dL /dl 
= d3 /(d dA cos dl)
Távolságtörvény
(inverse square law)
• d  I d
• d  dA2/d2
• d /dA2  E2
P
 (I d)/dA2
 (I dA2)/(dA2 d2)
= E2  I / d2
dA
d
d
d
2
Általánosított távolságtörvény
dA
a1
1
n2
n
1
d
dE2  (L cosa1 cosa2 dA1) / d2
a2
dA
2
Lambert sugárzó
Lambert radiator
• sugársűrűsége szögfüggetlen:
L()  L(,)  const.
L
d
n
d


P
dA

Tükrös és diffúz reflexió
Lambert (reflektáló) felület
•
•
•
•
•
egyenletesen diffúzan reflektáló felület
nincs tükrös reflexiója
reflexiós együttható:  = refl/ be
refl = be cos
a reflektált sugársűrűség irányfüggetlen:
Lrefl () const.
Lambert reflektáló
• megvilágítás: E
• visszavert
sugárzás, a
sugársűrűség
irányfüggetlen:
L 
b e e s õ s u g á rn y a ál b
fe ül el t n o m
r á lsi a
v si s z a v e r t s u g á r
s u g á rs û rû s é g i
v e k to r
 E
π
re f el k tá ól fe ül el t
Lambert cosinus törvény
R s ni  d  R d 


R
Lambert sugárzó fénysűrűsége független a , 
szögtől
dF  L
d A1 cos  1 d A 2 cos  2
R
2
mivel a gömb felületén:
 L d A sin  d  d F cos 
dA2 = R sin  R d
és az elemi térszög:
d = sin  d d
a vetített térszög pedig:
dp = sin  d d cos 
A féltérbe kisugárzott össz-fényáram: M =  / dA
A féltérbe kisugárzott fényáram:
2π
π/2
M  L

0
0
sin  cos  d  d F
Lambert sugárzó esetén:
 /2
 /2
M  2 L

0
sin  cos  d 
1

2
 2 L  sin  
2
0
 L
Fotometria
• az optikai sugárzást a
látószerv színképi
érzékenységének
megfelelően értékeli
• vizuális alapkísérlet:
fényinger egyenlőség
– határvonal eltünése
– villogás minimum
– azonos világosság:ez
más összefüggést ad!
sz ínes v zi sgá ól sugá r fo rrás
összehason lító sugá r fo rrás
Villogásos fotometria
• világosságészlelet egyenlőség
meghatározása bizonytalan
• két fényingert felváltva juttatva a szembe,
frekvenciát növelve, előbb szűnik meg a
színkülönbség észlelet, mint az intenzitás
észlelet (10 – 20 Hz-es tartomány)
Villogásos fotométer elvi
felépítése
kö rszek ot r
üt kö r
összehason líót sugá rzás
of rrása
m o ot r
éf gliá et resz õt
üt kö r
m onok rom á ot r
m eg fgiyeõl szem e
éf ny rekesz
vzisgáalndó sugá rzás
of rrása
1 3
sugá rzásm é rõ
6 4
Mit ír le a V (l) -láthatósági
függvény?
•
•
•
•
•
•
heterochromatikus villogásos fotometria
eltünő-éles heterochromatikus fotometria
látásélesség
kritikus fúziós frekvencia
látszólagos mozgás minimalizálás
reakcióidő
Láthatósági (visibility)
függvények
• Nemzetközi Világítástechnikai Bizottság
(Commission Internationale d‘Éclairage, CIE)
1924-ben szabványosította a V(l)-görbét
(világosban, fotopos látás) : 3 cd/m2 fölött
érvényes
• 1954-ben a V’(l)-görbét (sötétben, szkotopos
látás): 10-3 cd/m2 alatt érvényes
• További láthatósági függvények:
– V10(l): nagylátószögű, 10°-os látószögre
– VM(l): módosított láthatósági függvény
Láthatósági függvények
1
0,9
rel. érzékenység
0,8
V'( l )
0,7
V( l )
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
350
400
450
500
550
600
hullám hossz, nm
650
700
750
800
A V (l) -láthatósági függvény
• A kék színképtartományban korrekció:
VM(l)- láthatósági függvény.
• Új ajánlás, mely a vörös és infravörös
színképtartományban is ad korrekciót.
• Korrigált függvények csak tudományos
célra, gyakorlati fotometria számára marad
a V (l)- láthatósági függvény.
Világosban és sötétben való látás
színképi érzékenysége
1.200
1.000
rel. sens.
0.800
V'(l)
V2(l)
0.600
V10(l)
VM(l)
0.400
0.200
0.000
400
500
600
wavelength, nm
700
A fotometria kísérleti alapja
•
•
•
•
szimmetria: ha AB, akkor BA;
tranzitivitás: ha AB és BC, akkor AC;
arányosság: ha AB, akkor aAaB;
additivitás: ha AB, CD és (A+C)(B+D), akkor
(A+D)(B+C)
itt A, B stb. fényinger (stimulus): a sugársűrűség és
a láthatósági függvény adott hullámhosszon vett
értékének szorzata: pl. ALlV(l) , általánosítva a
sugárzás teljesítmény-eloszlását írhatjuk: SlV(l).
A V (l) -láthatósági függvény használata
780 nm
780 nm
F  Km
F
l  380 nm
e
(l )  V (l )  Δ l

Km
F
380 nm
e
(l )  V (l )  d l
A fotometria alapjai
• a fenti összefüggések alapján a monokromatikus
komponenseket összegezhetjük:
 S l V (l )  l
780 nm
V  k

V
(
l
)
d
l
e
,
l

l  380 nm
ez adja a fotometria és radiometria kapcsolatát
A fotometria alapjai
• Nappali (fotopos) látás: V(l) , csapok
közvetítik
• sötétben (szkotopos) látás: V’(l) , pálcikalátás; szembíbor (rhodopsin), additivitás és
proporcionalitás fennáll:
780 nm
 k
'
v
'

l  380 nm
 e , l V '( l )d l
Fotometriai mennyiségek és
egységek - 1
• k és k’ konstansok:
780 nm
v  K m

e ,l
( l ) V ( l )  dl
l  380 nm
ahol Km = 683 lm/W alapján definiálhatjuk a
fényáram egységét a lument.
De a fényerősség egysége, a kandela az alapegység.
K’m = 1700 lm/W
Fényáram jele:lm, egysége a lumen.
Fotopos, mezopos, szkotopos
fotometria
gl (c d m
/ ² )
-5
-4
s z k o to p o s
-3
-2
-1
m e zo p o s
0
1
2
3
fo to p o s
4
5
6
Fotometriai mennyiségek és
egységek - 2
• fényerősség a pontszerű fényforrásból adott
irányban, infinitezimális térszögben kibocsátott
fényáram és a térszög hányadosa:
Iv 
dv
d
jele: cd, egysége: kandela, 1 cd = 1 lm/sr
A kandela definíciója
• A kandela fényerősség SI egysége: azon
540.1012 Hz frekvenciájú
monokromatikus sugárzást kibocsátó
fényforrás fényerőssége adott irányban,
amelynek sugárerőssége ebben az
irányban 1/683 W/sr.”
A fényáram származtatása a
fényerősségből
1m
 = 1 sr
1 cd fé n ye rõ s sé g û
p o n ts ze rû fé n y fo r rá s
1m 2
Fénysűrűség

• a dA1 felületelemet elhagyó (azon
áthaladó vagy arra beeső) és adott
irányt tartalmazó d térszögben
sugárzott dF fényáramnak,
valamint az elemi térszögnek és a
felületelem adott irányra
merőleges vetülete szorzatának
hányadosa:
2
d F
d
 v
2
Lv 
 Ω  A1 cos  1
egysége:cd/m2, jele: Lv
dA
1

Megvilágítás
• Az adott pontot tartalmazó felületelemre
beeső fényáramnak és ennek a
felületelemnek a hányadosa
E  d v / dA 2
egysége: lux, jele:lx; 1 lx = 1 lm/m2
Kontraszt, kontrasztviszony
• kontraszt:
ahol
– Lt a jel (target)
fénysűrűsége
– Lb a háttér
(background)
fénysűrűsége
• kontrasztviszony:
c 
Lt - Lb
Lb
cv 
Lt
Lb
Hatásfok, fényhasznosítás
• sugárzási hatásfok, jel: 
a sugárzó sugárzott és felvett teljesítményének
hányadosa
• sugárforrás fényhasznosítása, egysége: lm/W
a kibocsátott fényáram és a sugárzó által felvett
teljesítmény hányadosa
Fényforrások fényhasznosítása
Fényforrás típusa
Izzólámpa/halogén izzó
LED
Kompakt fénycső
Nagynyomású
fémhalogén lámpa
Nagynyomású Na-lámpa
Kisnyomású Na-lámpa
Fényhasznosítás (lm/W)
14,4 / 17
60 … 150
85
90
116
206
Mezopos fotometria
• CAD laboratóriumokban és irányító
központokban előforduló
számítástechnikusi feladat
• útvilágítás
• 3 cd/m2 és 10-3 cd/m2 közötti fénysűrűség
tartomány
• szem színképi érzékenysége V(l)-tól V’(l)
felé tolódik el.
Szkotopos, mezopos és fotopos
tartomány
gl (c d m
/ ² )
-5
-4
s z k o to p o s
-3
-2
-1
m e zo p o s
0
1
2
3
fo to p o s
4
5
6
Láthatósági függvények
1
0,9
rel. érzékenység
0,8
V'( l )
0,7
V( l )
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
0
350
400
450
500
550
600
hullám hossz, nm
650
700
750
800
Fényhasznosítás változása
L, lámpa:
• Fotopos:
• Mezopos:
• Szkotopos:
cd/m2 Na
0,05
0,028
0,01
cd/m2 Hg
0,05
0,061
0,07
Különbség világosság észlelet, reakció
sebesség és részletfelismerés között!
Belsőtéri látási feladat
Munkavégzéshez
a szabványos
fotometriai
rendszer
megfelelő leírást
biztosít
Világosság – fénysűrűség
összefüggés
• Színes fény világosabbnak tűnik: HelmholzKohlrausch hatás
• Equivalens fénysűrűség fogalma
L**=log(L)+C

C=0,256 - 0,184y - 2,527xy +
+ 4,656x3y + 4,657xy4

Azonos fénysűrűség esetén
észlelt
világosság
A világosság pszichofizikai
korrelátuma
• A jelenlegi fotometriai rendszerben nincsen
ilyen mennyiség
• A világosság információt más neurális
hálózat továbbítja az agyba, mint amely a
finom részletek felismerését biztosítja
• További bonyodalmak: tágasság, érdekesség
stb.: esztétikai kategóriák
Látás az úton
• 2°-os foveális
nézéskor V(l)
érvényes
• periferiális
nézéshez V10(l)
-t kell definiálni
+ pálcika
közreműködés
Az útjelző tábla olvasása
•Táblát
foveálisan
látjuk, V(l)
érvényes
•Akadályt
parafoveálisan látjuk:
V10(l) +
pálcika látás
A reakcióidő változása a fénysűrűséggel
különböző fényforrások esetén
Két azonos fotometriai értékű
színkép
Káprázás figyelembevétele
• Képernyős munkahelyen
– Ablak kápráztató hatása
– Általános mesterséges világítás
– Szomszédos munkahely helyi világítása
• Gépkocsi vezetés során fellépő hatások
– A káprázás színképi érzékenysége
Általános világítás kápráztató
hatása
Képernyős munkahely optimális
fénysűrűség (cd/m2) viszonyai
Két munkahelyes szoba
elrendezés
Napi életritmus szabályozó
hormonok és hatásuk
A világítás élettani hatásai
• A fény hatása a napi életritmusra
Melatonin-elnyomás színképi
hatásfüggvénye
A szín fogalma
• A „szín” fogalmát kiegészítés nélkül ne
használjuk! - inger vagy észlelet
–
–
–
–
színészlelet - pszichológiai fogalom
színinger - pszichofizikai fogalom
radiometria - fizikai fogalom
fotometria - a színinger egyik dimenziója
Színészlelet - színmérés
• a szín észlelet, agyunkban keletkezik
• színinger, mely az észleletet kiváltja,
számszerűen leírható, de csak adott külső
körülmények közt ad azonos észleletet
• színinger-megfeleltetés
• színinger keltés:
– additív színkeverés : monitor
– szubtraktív színkeverés: színes film, nyomtató
A színmeghatározás történetéből
• Young (1773-1829) –
Helmholtz (18211894) 3 szín-látás
Ellenszín elmélet
• Ewald Hering
(1834-1918):
– fehér-fekete
– vörös-zöld
– Sárga-kék
ellenszínek
Színkeverés
Additív
szubtraktív
színkeverés
Az additív színegyeztetés
alapkísérlete
összehason lító
éf ny of rrások
v zi sgá al ndó
éf ny of rrás
ni tenz itás t
szabá yl ozó
éf ny rekesz
Grassmann törvények
1. Minden színinger létrehozható 3 egymástól független
színinger additív keverékeként. A függetlenség alatt
azt értjük, hogy a három színinger közül egyik sem
hozható létre a másik kettő additív keverékeként.
2. Színegyezés létrehozásához csak a választott
alapszíninger a lényeges, a színképi összetétele nem.
3. Az egyes színingerek erősségének folyamatos
változtatásának hatására az eredő színinger is
folyamatosan változik.
Additív színingerkeverés
• Additivitás:
Ha
C1R1(R)+G1(G)+B1(B)
C2R2(R)+G2(G)+B2(B)
akkor
CR(R)+G(G)+B(B), és C C1 + C2
ahol R= R1+ R2, G= G1+ G2, B= B1+ B2
Additív színingerkeverés
• Proporcionalitás
Ha
C1R1(R)+G1(G)+B1(B)
akkor
aC1aR1(R)+aG1(G)+aB1(B)
Színinger-megfeleltetés,
színinger összetevők
• R =  SlR(l)  l
R  k  S l r (l )dl
• G =  SlG(l)  l
G  k  S l g (l )dl
• B =  SlB(l)  l
B  k  S l b (l )dl
A SZÍNINGER-METRIKA
ALAPJAI
Additív színegyeztetés
Fennáll a
• disztributivitás,
• additivitás és
• proporcionalitás törvénye
Összehasonlító színingerek:
• vörös:
700 nm
• zöld:
546 nm
• kék:
435 nm
Az additív színegyeztetés
alapkísérlete
összehason lító
éf ny of rrások
v zi sgá al ndó
éf ny of rrás
ni tenz itás t
szabá yl ozó
éf ny rekesz
Színigermegfeleltető kísérlet
CIE színingermetrika, 1
• A színinger-egyenlet feltételei:
– 2° osztott látómező, központi fixálás, sötét
környezet.
– Alapszíningerek (megfeleltető, refrencia,
primér ingerek, -stimulusok):
• vörös (R): 700 nm,
• zöld (G):
546,1 nm,
• kék (B):
435,8 nm
C  R (R ) + G ( G ) + B (B )
CIE színingermetrika, 2
• A színinger-egyenlet:
– Alapszíningerek mennyiségei:
a 3 alapszíninger egységnyi mennyiségének
additív keveréke az equienergetikus színingerrel
azonos észleletet keltsen.
R , G , B a la p s z ín in g e re k fé n ys ű rű s é g e :
vö s ö s :
1 ,0 0 0 0
c d /m 2 = 1 ú j R e g ys é g
z ö ld :
4 ,5 9 0 7
c d /m 2 = 1 ú j G e g ys é g
kék:
0 ,0 6 0 1
c d /m 2 = 1 ú j B e g ys é g
rgb színegyeztető fg.
Színinger-megfeleltető függvények (colour
matching functions)
0,40
0,35
0,30
0,25
B( l )
0,20
0,15
0,10
0,05
0,00
-0,05350 400 450
-0,10
-0,15
G( l )
500
550 600
R( l )
650
hullámhossz, nm
r ( l ), g ( l ), b ( l )
700 750
800
X,Y,Z színinger tér: CIE 1931
szabványos színinger-észlelő
1. Az
e q u ie n e rg e tik u s
s z ín k é p
ö s s z e te v ő i a z o n o s a k le g y e n e k .
s z ín in g e r -
2 . A fo to m e tria i in fo rm á c ió t e g y e tle n s z ín in g e r ö s s z e te v ő , (Y ), h o rd o z z a (h a s u g á rs ű rű s é g e t
m é rtü n k , ú g y a fé n y s ű rű s é g e t k a p ju k ). A z a z a z
Y (l ) = V ( l ).
3 . A z ö s s z e s re á lis s z ín in g e r s z ín in g e r-ö s s z e te v ő i
a s z ín in g e rté r e ls ő n e g y e d é b e n fe k ü d je n e k , s
o ly a n k ic s in y e k le g y e n e k , a m e n n y ire c s a k
le h e ts é g e s .
RGB - XYZ matrix transformáció
X
2 , 76888
1, 75175
1,13016
R
Y
 1, 00000
4 ,59070
0 , 06010
 G
Z
0 , 00000
0 , 05651
5 ,59427
B
A z in v e rs e tra n s fo rm a c ió :
0 , 41846
-0 , 15866
-0 , 08283
-0 , 09117
0 , 25243
0 , 01571
0 , 00092
-0 , 00255
0 , 17860
A CIE 1931 színingermegfeleltető függvények
CIE XYZ trirtimulusos érték-ek
(színinger-összetevők), önvilágítók
(fényforrások) esetén
780
X  k
780
 S l x (l )dl ;
Y  k
380
380
( x ( l ), y ( l ), z ( l ))
Az
y (l )
 S l y (l )dl ;
780
Z  k
 S l z (l )dl
380
a színinger-megfeleltető
függvények
függvény azonos a V(l) függvénnyel,
k = 683 lm/W
szín(inger-) vagy színességi
koordináták
x 
y 
X
X Y  Z
Y
X Y  Z
Szín(inger-) vagy színességi diagram
0,9
520 nm
0,8
•R, G, B:
katódsugárcsöves
monitor alapszíningerei
540 nm
510 nm
0,7
560 nm
G
0,6
500 nm
0,5
y
580 nm
0,4
2000 K
4000 K
0,3
•Planck
sugárzók
vonala
600 nm
R
7000 K
650 nm
100 000 K
0,2
0,1
475 nm
B
450 nm
0
0
0,1
400 nm
0,2
0,3
0,4
x
0,5
0,6
0,7
0,8
A
színességi
diagram
színes
ábrája
Másodlagos sugárzók (nem
önvilágítók) színmérése
X  k  S ( l )  ( l ) x ( l )d l
Y  k  S ( l )  ( l ) y ( l )d l
Z  k  S ( l )  ( l ) z ( l )d l
ahol
k 
1
 S ( l ) y ( l )d l
S(l) a megvilágító sugárforrás színképi teljesítményeloszlása
(l) a minta spektrális reflexiója
Szabványos sugárzáseloszlások
és fényforrások
• CIE A sugárzáseloszlás
• CIE D65 sugárzáseloszlás
• további nappali sugárzáseloszlások,
grafikus iparban: D50
• CIE A fényforrás
• CIE D65 szimulátor
CIE A sugárzáseloszlás
Le ,l ( l , T ) 
c1
π
c2
l
-5
(e
lT
- 1)
-1
ahol: c0 = 299792458 +/- 1,2 m/s
c1  2 π hc 0
2
c 2  hc o / k  (1,438 769  0 ,000 012 )  10
h  6 ,626  10
- 34
J s
k  ( 1,380 658  0 ,000 012 )  10
- 23
J/K
-2
m K
CIE A- és D65 sugárzáseloszlás színképe
CIE 1931 és 1964 színingermérő rendszer
• 2°-os látószög: CIE 1931
• 10°-os látószög: CIE 1964
x 10 ( l ), y 10 ( l ), z 10 ( l ) - val
X10(l), Y10(l), Z10(l) színinger összetevők
számítása
CIE 1931 és 1964 szabványos
színingermérő észlelők
MacAdam ellipszisek
• The CIE x,y
diagram
színingermegkülönböztetési
ellipszisekkel
Egyenletes színességi skálájú
diagram
• u' = 4X / (X+15Y+3Z) = 4x / (-2x+12y+3)
• v' = 9Y / (X+15Y+3Z) = 9y / (-2x+12y+3)
• u = u' , v = (2/3)v'
• CIE 1976 u,v színezeti szög:
• huv = arctg[(v' - v'n) / (u' - u'n)] = v* / u*
• CIE 1976 u,v telítettség:
• suv = 13[(u' - u'n)2 + (v' - v'n)2]1/2
u’,v’ színességi diagram
550
0 ,6
600
650
0 ,5
500
700
huv
Sn
v'
0 ,4
0 ,3
C
0 ,2
0 ,1
450
400
0
0
0 ,1
0 ,2
0 ,3
0 ,4
0 ,5
u'
0 ,6
0 ,7
0 ,8
0 ,9
1
Átlátszatlan, nem fémes
anyag
beeső fény
diffúz reflexió
tükrös reflexió
A tárgy színe a diffúz reflexióból adódik
Felület (test) színingerek
mérése
• A visszaverés etalonja:
– Tökéletesen visszaverő diffúzor
– A szórt visszaverési tényező másodlagos etalonjai
• Préselt BaSO4 por-tabletta
• “ halon" fehér etalon
• Szabványos mérési geometriák
– 45°/merőleges irányított visszaverési tényező (reflectance
factor)
– diffúz/merőleges visszaverési tényező, tükrös komponenst
belemérve/kiküszöbölve
– merőleges/diffúz, visszaverési tényező, tükrös komponenst
belemérve/kiküszöbölve
Magasabbrendű színtan
• A Hering féle
opponens
mechanizmus
figyelembevétele:
CIELAB
színrendszer
• Színi áthangolódás:
adaptálás a
képernyőhöz
– Színvisszaadási
kutatások (Sándor
N.)
CIE 1976 (L*a*b*) szín(inger)tér,
CIELAB színtér
•
L* 116(Y/Yn)1/3 - 16
•
a* 500 ( X/Xn)1/3 - (Y/Yn)1/3 
•
b* 200 (Y/Yn)1/3 - (Z/Zn)1/3
• ha
X/Xn > 0,008856
•
Y/Yn > 0,008856
•
Z/Zn > 0,008856
CIE 1976 a,b színingerkülönbség és összetevői
• Színinger-különbség:
– Eab   (L*)2 + (a*)2  (b*)21/2
• CIE1976 a,b króma:
– Cab*  (a*2 + b*2)1/2
• CIE 1976 a,b színezeti szög:
– ha  arctan (b*/a*)
• CIE 1976 a,b színezeti különbség:
– Hab*  (Eab*)2 - (L*)2 - (Cab*)21/2
Munsell rendszer képe
Az NCS színtér
A Coloroid színtér alakja
Különböző hőmérséklet
fogalmak
• Valódi hőmérséklet
• Sugárzási hőmérséklet
• Eloszlási hőmérséklet
• színhőmérséklet
– Korrelált színhőmérséklet
Fényforrások színi jellemzése
• Fény(forrás) színinger-mérése
– színességi koordináták
• (domináns hullámhossz – gerjesztési tisztaság)
• színhőmérséklet
• korrelált színhőmérséklet
• Fényforrás színképe
– színvisszaadás
Szín
(inger-)
diagram
vagy
színességi
diagram
Korrelált színhőmérséklet
• Azonos korrelált színhőmérsékletű vonalak (az u,vdiagramban merőlegesek a Planck görbére)
Fényforrások színi jellemzése
• Fény(forrás) színinger-mérése
– színhőmérséklet
– korrelált színhőmérséklet
• Színvisszaadás
– Az észlelt felület-szín függ a megvilágító
színképi teljesítményeloszlásától
• színi áthangolódás: von Kries törvény, Bradford
transzformáció, leírás az észleletet követő
színrendszerben
Színi áthangolódás - 1
Von Kries színi áthangolódási
törvény
• Fiziológiai alapszíninger-rendszerben dolgozunk
• Ahhoz, hogy az adott megvilágító (Rw, Gw, Bw) esetén az
R, G, B-vel jellemzett szín
• a referencia megvilágító (Rrw, Grw, Brw) alatt ugyanolyan
színészleletet hozzon létre
• a minta jellemzői a referencia megvilágító esetén Rr, Gr, Br
a következőképen számítandók:
Rr=(Rrw/ Rw)*R, Gr=(Grw/Gw)*G, Br=(Brw/Bw)*B
Színmegjelenés függ a
megvilágítástól:
Két sugárzó színképe, melyek színingerpontja
azonos
Spetrális teljesítményeloszlás
180
160
rel. teljesítmény
140
120
100
80
60
40
20
0
350
400
450
500
550
600
650
700
hullámhossz, nm
750
800
850
900
A két sugárzó színpontja és a velük
megvilágított minta színpontjai
0.342
0.340
D65
0.338
3-line
y
0.336
0.334
0.332
0.330
0.328
0.300
0.350
x
0.400
Színvisszaadási index
• Minták színmegjelenése összehasonlítva ideális fényforrással történő
megvilágítás alatt látható színmegjelenéssel
• Ideális fényforrás, a vizsgálandóval azonos korrelált
színhőpmérsékletű:
– 5000 K alatt: Planck sugárzó
– 5000 K felett nappali (Daylight) sugárzáseloszlás
• Minták: 8 + 5 Munsell színminta
• von Kries színi áthangolódás
• Színinger-különbség U*,V*,W* térben
• Ri =100-Ei,
Ra = (Ri )/8,
i= 1 ... 8
A színvisszaadás számítás
folyamatábrája
Test smpls.
Ref.
illuminant
illum.
ref. illum.
Equal
CCT
XYZ
U*V*W*
Colour
CIE
diff.
test smpl.
Chrom.
Test
source
Test smpls.
illum.
test source
XYZ
adapt.
U*V*W*
transf.
CRI
CRA
Színinger mérés
Mérőműszerek felépítése, jellemzői
Színingermérők csoportosítása
• Mérési elv szerint
– Spektroradiométerek és spektrofotométerek
– Tristimulusos színmingermérők
• Mérendő objektum jellemzői szerint
– Önvilágítók: fényforrások, monitorok stb.
• Besugárzás mérés
• Sugársűrűség mérés
– Reflektáló/fényáteresztő minták
• Irányított mérési geometria
• Diffúz mérési geometria
Spektroradiométerek és
spektrofotométerek
• Főbb építőelemei
– Bemenő optika: lásd mérendő objektum
jellemzői szerinti felépítések
– Monokromátor
– Detektor
– Jelfeldolgozó elektronika
Monokromátor
•
•
•
•
Rácsos monokromátor
Prizmás monokromátor
(Interferenciás szűrős monokromátor)
Hangolható LCD szűrők
• Szimpla monokromátor
• Kettős monokromátor
Színkép-bontó eszközök
• interferenciás szűrő
a
b
a
f
b
d
ü ve g el m e z
f
t
Féminterferenciás szűrő
merőleges
és ferde
beesési
szög
esetén
eltérő
áteresztési
görbe!
16,00
14,00
0°
transzmisszió, %
12,00
10°
10,00
8,00
6,00
4,00
2,00
0,00
450
460
470
480
490
500
510
hullámhossz, nm
520
530
540
550
Interferenciaszűrő-ékes monokromátor elvi
felépítése
é ke s
ni et rfe renc ái s
ré et g
be él põ ré s
ni et rfe renc ai szû rõé k
m o zga át s i iránya
fo ot de et k ot r
Interferencia
Optikai rács
d s ni b
a
a
d s ni a
b
a
d
a)
b)
erősítés: d (sina+sinb) = ml, m a rendszám
b
Optikai rács
• különböző rendek egymásra-rakódása:
ha elsőrendű színképvonal 1000 nm-nél,
akkor
másodrendű színkép 500 nm-es és
harmadrendű színkép 333 nm-es vonala
azonos irányba térül el!
• Osztott rácsok (Jedlik) és holografikus
rácsok
• blaze-szög
Rácsos monokromátor
be él põ rés
ko m
lli á ot r üt kö r
op tki a i rács
ana lzi á ot r üt kö r
k iél põ rés
magasabb
rendű
színképek
vágása prizmás
előmonokromátorral vagy vágószűrővel
Kettős monokromátoros
spektrométer
CCD érzékelős spektrométer
b e él p õ ré s
rá c s
CCD é rz é k e õl
Rácsos monokromátor felbontása
• szögdiszperzió, függ a rács rácsállandójától,
szokásos a látható színképtartományra készített
rácsok esetén: 300 – 600 vonal/mm
• felbontóképesség:
(l/l) = mN
ahol N a színkép kialakításában résztvevő
rácsvonalak száma
• sík- és henger (gömb)-felületű rácsok
• sávszélesség, szórt fény
Az optikai sugárzás
Newton
kísérlete
A látható
színkép
Prizmás monokromátor elve
ko lm
li á ot r el n cse
be él põ rés
ana lzi á ot r el n cse
p rzm
i a
k iél põ rés
Continuous scan method
Method of measurement
• Sequence: test - standard
• Transmittance function - Bandwidth
Bandwidth & sampling
Sáváteresztés
Tristimulusos színingermérő
" I lulm n
i a n ce e n tra n ce
w n
i d ow "
Am p lif e
i r (s ) ,m u ltp
i el x n
ig,
A D
/ co n ve rs o
i n
Inp u t cha nne sl
X
Y
Z
F i lte re d p ho to -d e te c to rs
O u tp u t cha nne sl : e .g .X ,Y ,Z
D g
i ita ld s
i p al y
Subtractive Colour Mixture
T ra n sm si s oi n
 (l ) ni
 (l )
ou t
Transmittance
• Transmittance:  = (l)out / (l)in
• Internal transmittance = External
transmittance - Reflectance
• Optical Density
Optical Density
D (l) = lg [1/(l)]
Lam bert-B ouguer-B eer law :
(l) = exp[- a ( l )  c  l]
w here:
a : spectral absorption coefficient
c : concentration
l : thickness of layer
Transmittance change with filter
thickness
 (l )   0(l )
l / l0
1
0 .9
1 mm
0 .8
2 mm
0 .7
4 mm
8 mm
0 .6
16 m m
0 .5
0 .4
0 .3
0 .2
0 .1
0
400
500
600
700
Detektor illesztése a
színingermeg-feleltető
függvényekhez
• Teli
szűrőzés:szubtraktív színingerkeverés
• Parciál szűrőzés:
részben additív,
részben
szubtraktív
illesztés
Detektor illesztési jósága


f 1,i ' 
s rel, i * ( l ) - t i ( l )  d l
100 %
0

t
i
( l ) d l
0

S
m
( l ) t i ( l ) d l
s rel, i * ( l )   0
S
0
m
 s rel ( l )
( l ) s rel , i ( l ) d l
Fényforrás mérő geometria
Fiber-optic
input
Transmitting
diffuser
Sugár- & fénysűrűségmérő
b em e n õ o p t ki a
fo to e el k tro n so k s zo ro zó
ál tó té r h a tá ro ól b el n d e
k iej zl õ
ál tó s zö g
e rõ s ítõ
V (l ) s zû rõ
n a g y fe s zü ltsé g
Sugár- & fénysűrűségmérő bemenő
optikája
látószög
méretek:
0,1°--- 2°
Fényforrás teljes
fényáramának/színképének mérése
Total spectral radiant
Detector port
flux standard lamp
(cosine-corrected)
Spectroradiometer
Test lamp
Auxiliary
lamp
F test ( l )
Reflektáló minták mérési
geometriái: 0°/45°
Reflektáló minták mérési
geometriái: 45°a/0°, körkörösen
Integráló gömbös, diffúz mérés
F  E in d 
1- 

 A
Eind: fal megvil.
A: fal felület
Integráló gömbös, diffúz
megvilágítás
Alulvilágítás, túlvilágítás
Összehasonlító etalonok
• Fényforrás: izzólámpa
• Áteresztés: üres fényút
• Visszaverés
– Tükör: első felületű Al-tükör & fekete üveg
(Fresnel reflexió)
– Tökéletesen diffúz reflektor, BaSO4, PTFE
Fluoreszkáló minták mérése