VLIV INTENZITY OSVĚTLENÍ NA ROZLIŠOVÁNÍ VELKÝCH BAREVNÝCH ROZDÍLŮ
Diplomová práce
Studijní program: N3108 – Průmyslový management
Studijní obor: 3106T014 – Produktový management – Textil Autor práce: Bc.Petra Čentéšová
Vedoucí práce: Doc. Ing. Michal Vik, PhD.
Liberec 2014
PROHLÁŠENÍ
Byla jsem seznámena s tím, že na mou diplomovou práci se plně vztahuje zákon č.
121/2000 Sb., o právu autorském, zejména § 60 – školní dílo.
Beru na vědomí, že Technická univerzita v Liberci (TUL) nezasahuje do mých autorských práv užitím mé diplomové práce pro vnitřní potřebu TUL.
Užiji-li diplomovou práci nebo poskytnu-li licenci k jejímu využití, jsem si vědoma povinnosti informovat o této skutečnosti TUL; v tomto případě má TUL právo ode mne požadovat úhradu nákladů, které vynaložila na vytvoření díla, až do jejich skutečné výše.
Diplomovou práci jsem vypracovala samostatně s použitím uvedené literatury a na základě konzultací s vedoucím diplomové práce a konzultantem.
V Liberci dne 6. ledna 2014
...
Podpis
PODĚKOVÁNÍ
Především bych ráda poděkovala svému vedoucímu diplomové práce Doc. Ing. Michalu Vikovi, PhD. za trpělivost, odborné vedení a poskytování rad v průběhu zpracování diplomové práce. Za poskytnuté rady, vedení a vstřícnou pomoc nejen v průběhu experimentů bych chtěla poděkovat své konzultantovi diplomové práce Ing. Martině Vikové, PhD. Ráda bych také poděkovala všem, kteří se zúčastnili všech experimentů, díky kterým vznikla tato práce. Poděkování patří také mé rodině za morální a materiální podporu po celou dobu studia na vysoké škole.
ANOTACE
Diplomová práce se zabývá studií velkých barevných rozdílů. Konkrétně, jaký vliv má, na vnímání velkých barevných rozdílů, různá intenzita osvětlení. Práce se věnuje ověření Grassmannova zákona aditivity pro tento experiment při všech zvolených intenzitách osvětlení a zda platí také Stevens-Huntův efekt. Dále práce obsahuje popis a výsledky všech zvolených experimentů, kde data byla získána subjektivním vizuálním hodnocením barevných vzorků připravených v německém BAM v Berlíně. Barevné diference byly také získány a spočítány objektivním měřením pomocí spektrofotometru Datacolor. K výpočtům byly použity vybrané rovnice pro barevné rozdíly - CIELAB, CIE2000, CMC (c:l) a CIE CAM 02 a následně byla určena vhodnost jejich použití pro velké barevné diference.
KLÍČOVÁ SLOVA:
Barevný rozdíl Vizuální rozdíl Objektivní měření Vizuální hodnocení Karty barevných vzorků Barevné souřadnice L*, a*, b*
ANNOTATION
The diploma thesis deals with large color differences. Specifically, how the different intensity of illumination effects the perception of large color differences. The aim of this thesis is to verify the validity of the Grassmann additivity law within this experiment in all selected intensities of illumination and whether the Stevens-Hunt effect can be also applied. Moreover the thesis includes a description and results of all selected experiments, where the data was obtained by subjective visual evaluation of color samples prepared at BAM in Berlin, Germany. Color differences were also obtained and calculated objectively by measurement of the spectrophotometer Datacolor. For the calculations were used chosen equations for color differences - CIELAB, CIE2000, CMC (c: l) and CIE CAM 02 and subsequently was determined their suitability of use for large color differences.
KEY WORDS:
The color difference The visual difference Objective measurement Visual observation Cards color samples Color position L*, a*, b*
SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ:
BAM Bundesanstalt für Materialforschung und -prüfung NCS Natural color system
LCAM DMS Laboratoř měření barevnosti a vzhledu TF Textilní fakulta
TU Liberec Technická univerzita Liberec Apod. A podobně
Obr. Obrázek
Tab. Tabulka
dV Vizuální odchylka
dE Barevná odchylka
H V/C Hue Value / Chroma (odstín jas/čistota)
cca Circa
mm Milimetr
cm Centimetr
nm Nanometr
lx lux
Resp. Respektive
Tzv. Takzvaně
Např. Například S-čípky Short (krátký) M-čípky Middle (střední) L-čípky Long (dlouhý) PMMA Polymetylmetakrylát
TES Total Error Score (Celkové chybové skóre) FM100 test Farnsworth-Munsell 100 Hue test
°K Kelvin
9 OBSAH
Úvod ... 11
1 Barevné atlasy ... 12
1.1 Munsellův atlas barev ... 12
1.1.1 Historie atlasu... 12
1.1.2 Uspořádání atlasu ... 13
1.2 NCS (Natural Color System) ... 16
2 Lidské oko a vidění ... 19
2.1 Fyziologie oka ... 19
2.2 Sítnice... 20
2.3 Akomodace a adaptace oka ... 21
3 Světlo ... 22
3.1 Elektromagnetická teorie světla ... 22
3.2 Spektrální vlastnosti světla ... 23
3.3 Základní fotometrické pojmy a veličiny ... 24
3.4 Světelné zdroje ... 25
3.4.1 Světelné zdroje primární a sekundární ... 25
3.4.2 Světelné zdroje elektrické – inkandescenční, luminiscenční a fluorescenční ... 26
4 Barevné vidění ... 28
4.1 Barvocit ... 29
4.2 Vliv světla na barvocit ... 30
4.3 Vliv intenzity osvětlení na barvocit ... 30
4.3.1 Fotopické pásmo ... 31
4.3.2 Mezopické pásmo... 31
4.3.3 Skotopické pásmo ... 32
4.4 Vliv stáří na barvocit ... 33
5 Rovnice pro výpočty barevných odchylek ... 34
5.1 CIELAB ... 34
5.2 CMC (l:c) ... 36
5.3 CIE2000 ... 37
5.4 CIE CAM 02 ... 39
6 Experimentální část ... 41
6.1 Testování barvocitu ... 44
6.1.1 Pozorovatel s vynikající rozlišovací schopností ... 46
10
6.1.2 Pozorovatel s průměrnou rozlišovací schopností ... 47
6.1.3 Pozorovatel s protanoanomalickou vadou barvocitu... 48
6.2 Vizuální hodnocení barevných rozdílů ... 50
6.2.1 Vizuální hodnocení 1 ... 51
6.2.2 Vizuální hodnocení 2 ... 54
6.2.3 Objektivní měření pomocí spektrofotometru ... 55
6.3 Vyhodnocení výsledků ... 55
6.3.1 Robustní filtrace ... 55
6.3.2 Grassmannův zákon aditivity ... 56
6.3.2 Stevens–Huntův efekt ... 58
6.3.3 Porovnání vizuální odchylky dV a barevné odchylky dE v rovnicích CIELAB, CMC (l:c), CIE 2000 a CIE CAM 02 ... 59
7 Závěr ... 61
Seznam použité literatury: ... 63
Seznam obrázků: ... 65
11
Úvod
Intenzita osvětlení je součástí velkého množství informací, které jsou vnímány pouze lidských zrakem. Na sítnice lidského oka jsou umístěny dva typy detektorů - čípky a tyčinky. Ke spuštění jejich aktivity dochází právě působením světla. Čípky jsou v aktivitě tehdy, působí-li na ně vhodná intenzita osvětlení, díky čemuž dochází k vnímání barev, tedy barevnému vidění. Naopak tyčinky slouží pro vidění za tmy.
Aktivita tyčinek je zapojována s postupně klesající intenzitou osvětlení, kdy za určitých podmínek lidské oko ještě rozliší barevné rozdíly a při velmi nízké nebo žádné intenzitě osvětlení už nikoli.
Stevens-Huntův efekt popisuje, že s rostoucí intenzitou osvětlení se zvyšuje kontrast barevných odstínů, kdy světlé barvy se jeví světlejšími a tmavé barvy tmavšími. Což znamená, že se snižující se intenzitou osvětlení, se snižuje také vnímaní barevných rozdílů. V této práci bude zkoumána platnost Stevens-Huntova efektu při zvoleném experimentu s velkými barevnými rozdíly.
Následně pro vypočítání a vyhodnocení dat v této práci budou použity vybrané rovnice pro výpočty barevných rozdílů CIELAB, CIE2000, CMC (c:l) a CIE CAM 02.
Záměrem pro použití těchto rovnic bylo určení vhodnosti jejich použití pro velké barevné diference, i přesto, že některé z nich byly vyvinuty pouze pro malé barevné diference. Vhodnost použití vybraných rovnic byla ověřována na datech naměřených z objektivního měření pomocí spektrofotometru Datacolor a na datech získaných ze subjektivního vizuálního hodnocení barevných vzorků při různých intenzitách osvětlení.
Tato speciálně sestavená sada vzorků byla připravena v BAM (Bundesanstalt für Materialforschung und – prüfung) v Berlíně.
12
1 Barevné atlasy
Pokusy o označení a uspořádání barevných odstínů mají počátek již u Aristotela.
Později se staly výzvou také pro Thomase Younga, Hermana von Helmholze, Ewalda Heringa a spoustu dalších vědců.
Kategorizované barevné odstíny se mohou dělit do dvou základních skupin:
systematicky uspořádané barvy a nesystematické barevné soubory, kde se jedná o volné uspořádání barevných odstínů. U systematicky uspořádaných barev je potřeba splňovat několik požadavků, a to přesnou definici barev, názorné označení a uspořádání barev, jednoduchost použití a definice platnosti (zdroj světla, apod.). Mezi nejvýznamnější systematicky uspořádané barevné atlasy patří Munsellův atlas barev a NCS (Natural Colour System).
Jedná se o systémy uspořádání barev, kde uspořádání je založeno na barevném vjemu, barevném povrchu nebo barevném podnětu s ohledem na určitá pravidla. Atlasy barev jsou systematické soubory úzce odstupňovaných vzorků barev, kde uspořádání barev je obvykle založeno na třech atributech popisujících barvu [1], [2].
1.1 Munsellův atlas barev
Patrně nejstarším a jedním z nejvíce používaných barevných atlasů je Munsellův atlas barev. Jeho základní principy byly zveřejněny již v roce 1905.
1.1.1 Historie atlasu
V roce 1915 vyšel Munsellův altas barev, který obsahoval deset odstínových karet, které byly členěny podle světlosti a čistoty barev. V roce 1929 obsahoval již 20 odstínových karet a v roce 1950 byl počet odstínových karet opět zdvojnásoben, tentokrát na 40 odstínových karet. V roce 1958 byla vydána publikace, která byla určena pro lesklé barevné povrchy laků, plastů, apod. V roce 1990 byla publikace doplněna o kolekci pastelových barev. V současné době existují tři kolekce: The Munsell Book of Color, Matte Collection, která obsahuje 1 270 barevných vzorků, The Munsell Book of Color, Glossy Collection obsahující 1 564 barevných vzorků a The Munsell Nearly Neutrals Colllection, která obsahuje 1 100 barevných vzorků [3].
13 1.1.2 Uspořádání atlasu
Munsellův systém zohledňuje lidské vnímání a současné modely z něj vycházejí.
Munsellův barevný atlas je založen na trojrozměrném modelu, který má tvar nepravidelného elipsoidu. Jeho prvním modelem byla koule, ale následně zjistil, že do koule nemohou být začleněny všechny dostupné barvy, proto se z koule stal nepravidelný elipsoid, který pojmenoval „Barevný strom“ (Obr. 1). Munsellův atlas se skládá z 960 barev, které jsou rozděleny do 40 barevných map. Každá tato barevná mapa znázorňuje jednu barvu a všechny mapy jsou rozmístěny kolem svislé osy, která zároveň znázorňuje osu jasu. Kolmo na osu jasu je znázorněna míra čistoty (sytosti).
Jednotlivé barvy v atlasu jsou od sebe rovnoměrně vzdáleny [4].
Obr. 1 - Munsellův atlas barev („Barevný strom“) [2]
Každá barva má své specifické označení, které vychází z předpokladu, že každá je složena ze tří atributů. Munsellovy definice těchto atributů jsou označovány jako H V/C: H - Hue (odstín), V - Value (světlost) a C - Chroma (čistota) [3].
1.1.2.1 HUE (odstín)
Jedná se o kvalitativní odlišnost vjemu jednotlivých spektrálních barev. Munsellův atlas barev má přirozenou posloupnost 100 odstínů a to v pořadí červená, žlutá, zelená, modrá a purpurová, které jsou uspořádány do kruhu ve stejných intervalech. Mezi tyto hlavní odstíny je vloženo pět dílčích odstínů a to, žluto-červená, zeleno-žlutá, modro-
14
zelená, purpurově-modrá a červeno-purpurová. Jako symboly pro označení těchto deseti sektorů odstínů byly pro zjednodušení použity iniciály z anglických názvů barev (R, YR, Y, GY, G, BG, B, PB, P a RP).Barvy, které mají odstín, se nazývají chromatické barvy.
Munsellova definice barevného odstínu vycházející z principů měření barev na Maxwellově disku: Jestliže se aditivně mísí chromatická barva s achromatickou, pak výsledkem je barevný tón, který je shodný s barevným tónem výchozí chromatické barvy [2], [3], [5].
Obr. 2 - odstínový kruh – HUE [2]
1.1.2.2 VALUE (světlost)
Jedná se o intenzitu vjemu světelného toku nebo jasu. Hodnota Value tedy udává světlost či tmavost odstínu. Všechny odstíny jsou rozmístěny kolem svislé osy, která v Munsellově atlasu barev představuje osu světlosti. Rozsah hodnot na této ose se pohybuje na škále 0 – 10 (0 čistě černá, 10 čistě bílá), přičemž u chromatických dat jsou v současných edicích Munsellova atlasu využívány úrovně 1 - 9.
Munsellova definice světlosti vycházející z principů měření barev na Maxwellově disku:
Jestliže dvě barvy, jejichž hodnoty jasu jsou a zabírají na Maxwellově disku určité plochy a , pak výsledná hodnota světlosti smíchané barvy je dána rovnicí:
[2], [3].
15
Obr. 3 - svislá osa světlosti – VALUE [5]
1.1.2.3 C (čistota)
Udává podíl čisté spektrální či purpurové barvy v dané barvě na celkovém barevném počitku. Hodnoty čistoty odstínu mohou teoreticky dosahovat až úrovně 50. Technická realizace Munsellova atlasu je však závislá na čistotě a stálosti dostupných pigmentů, a tudíž se v současných edicích využívá maximální hodnoty čistoty 28.
Munsellova definice čistoty vycházející z principů měření barev na Maxwellově disku:
Jestliže dvě komplementární barvy zabírají na Maxwellově disku proporčně inverzní plochu k vlastní sytosti, pak výsledkem aditivního míšení na Maxwellově disku je příslušný stupeň šedi podle úrovně světlosti obou míšených komplementárních barev.
[2], [3].
Obr. 4 - čistota – CHROMA [5]
16
Po úpravách z roku 1943 je Munsellův atlas považován za vizuálně stejnoměrně odstupňovaný systém uspořádání barev a je využíván pro posuzování kvality modelů barevných prostorů. Ale bezesporu výhodou Munsallova atlasu je jeho snadné použití, které vychází ze skutečnosti, že jeho značení umožňuje rychlou představu o odstínu příslušné barvy, který se dá velmi jednoduše doplnit o světlost a čistotu.
Nevýhodou u tohoto atlasu však je, že když se mění podmínky osvětlování a pozorování, dochází také ke změně barevného vzhledu jednotlivých vzorků. A tato změna je obvykle pro každý jednotlivý vzorek úplně jiná. Jelikož Munsell vycházel z vlastních definic barevného vzhledu, které byly založeny na Maxwellově disku a jeho vlastním fotometru, je především čistota vázána na konkrétní podmínky osvětlování.
Proto je nutné dodržovat při používání tohoto atlasu konfiguraci vizuálního hodnocení CIE ve smyslu geometrie 45°/0° nebo 0°/45°, osvětlení denním světlem D65 s intenzitou osvětlení mezi 800 - 1 400lx a blízká plocha by měla být neutrální šeď až Munsellova šeď V7 [2], [3].
1.2 NCS (Natural Color System)
Natural Colour System je barevný systém vytvořený švédskou firmou Scandinavian Colour Institute. NCS není definován barevnými vzory jako Munsellův atlas barev.
Jedná se o logický barevný systém, který je založený na principu přirozeného lidského vnímání barev. Pomocí tohoto systému lze definovat jakýkoliv přírodní odstín. NCS vychází z Heringových představ a není závislý na vnějších podmínkách pozorování.
Hering pracoval se 4 základními barvami - zelenou, žlutou, červenou a modrou. Tyto základní barvy umístil do vnějšího kruhu, který v místě, kde se překrývají sousední barvy, zobrazuje množství variant jejich smícháním (Obr. 5). Z toho vyplývá, že sousední základní odstíny lze míchat v libovolných poměrech. Kontrastní odstíny červená se zelenou a žluté s modrou se nepřekrývají, z čehož vyplývá, že se nemohou míchat. Linie přes vnější kruh označuje relativní podíl dvou základních barev potřebných k vytvoření odstínu, který je umístěný na vnitřním kruhu barevných odstínů.
[1]
17
Obr. 5 - Heringův kruh barev[29]
NCS vychází ze skutečnosti, že jakýkoliv přírodní odstín (nezahrnuje metalické a fluorescenční barvy) lze zkombinovat pomocí šesti základních barev: bílé, černé, žluté, červené, modré a zelené. Těleso NCS je tvořeno otevřeným dvoukuželem, v němž svislá osa je osa achromatických barev (odstínů šedi) a na obvodu jsou umístěny barvy chromatické. Tento barevný prostor obsahuje dva základní prvky - NCS barevný kruh ve vodorovném řezu prostorem a NCS barevné trojúhelníky (Obr. 6). Těchto 40 rovnostranných odstínovaných trojúhelníků je uspořádáno svisle okolo osy achromatických barev, která tvoří základnu tohoto barevného systému. Barevný tón je určen polohou odstínu na barevném kruhu. Jas odstínu je určen jeho svislou polohou na barevném trojúhelníku a pohybuje se mezi bílou a černou. Sytost odstínu je určena jeho vodorovnou polohou na barevném trojúhelníku a pohybuje se mezi šedou a plným odstínem. První vydání NCS atlasu barev bylo již v roce 1979 a tehdy se atlas skládal z 1500 vzorků. V roce 1995 bylo druhé vydání NCS atlasu, který již obsahoval 1750 barevných vzorků. A v roce 2004 byl atlas rozšířen o dalších 200 barevných vzorků.
V současnosti se tedy NCS atlas skládá z 1950 vzorků [1], [6].
18
Obr. 6 - NCS barevný kruh a NCS těleso – dvoukužel [2]
Technická realizace NCS je však rovněž ovlivněna vnějšími podmínkami pozorování, a proto je nutné také u ní dodržovat přibližně stejné podmínky jako při práci s Munsellovým atlasem [3].
Obr. 7 - NCS atlas barev složený z barevných trojúhelníků [2]
19
2 Lidské oko a vidění
Jelikož 70% informací z vnějšího světa je získáváno prostřednictvím zraku, je zrak nejdůležitějším lidským smyslem. Umožňuje vnímání barev, tvarů, prostorového uspořádání těles, jejich vzdáleností a pohybu a usnadňuje orientaci v prostoru. Lidské oko rozeznává měnící se obrazce světla a odesílá je jako nervové vzruchy do mozku.
Mozek tyto signály zpracuje, vyhodnotí a zareaguje na ně [7].
2.1 Fyziologie oka
Lidské oko je složitý optický systém. Oční koule je uložena v dutině očnice. Zadní stěna oka je tvořena třemi obaly: zevní – bělima, která tvoří pevný obal oční koule, střední – cévnatka a vnitřní – sítnice. Bělima přechází v přední části ve vazivovou rohovku, která ohraničuje přední oční komoru, která je vyplněna komorovou vodou. Cévnatka obsahuje cévy, kterými zásobuje především zevní vrstvy sítnice. V přední části přechází cévnatka v řasnaté těleso, které fixuje čočku. Přední komora je ohraničena pigmentovanou duhovkou, která má uprostřed zornici. Duhovku tvoří dva hladké svaly, které způsobují zúžení nebo rozšíření zornice. Zúžení vzniká vlivem ostrého světla nebo ve spánku. Rozšíření zornice nastává v šeru nebo v bezvědomí [8].
Obr. 8 - Schéma lidského oka [7]
20
Světlo do oka vstupuje průhlednou rohovkou. Světlo je rohovkou zhruba zaostřeno a poté postupuje zornicí do čočky. Čočka zaostří světlo přesněji, a to poté projde sklivcem, který vyplňuje oční kouli. Na sítnici v zadní části oka se vytvoří obraz [7].
2.2 Sítnice
K nervovému systému oka náleží zejména sítnice. Lidské oko vidí pouze to, co je promítáno na jeho sítnici. Jedná se o průsvitnou, cca 0,2 mm tenkou, blánu s velmi složitou, ale pravidelnou buněčnou skladbou. Sítnice je složena z jedenácti vrstev.
V těchto vrstvách je rozmístěno mnoho nervových buněk. Díky velmi komplikovaně provázanému systému nervových buněk může první zpracování a třídění informací proběhnout již v sítnici. Tyto informace jsou zachyceny fotoreceptory v podobě časových a prostorových, jasových i barevných rozdílů a změn. Vybrané informace mohou být zakódovány do podoby, která je schopna přenosu prostřednictvím vláken zrakového nervu do vyšších úrovní zrakového systému a do mozkových center. Na sítnici je umístěno také velké množství fotoreceptorů - buněk citlivých na světlo.
Těmito buňkami jsou čípky a tyčinky. Fotoreceptory jsou na sítnici rozloženy v různém poměru a hustotě. Na sítnici se nachází cca 7 milionu čípků, které jsou soustředěné více ke středu sítnice a cca 125 milionů tyčinek, které jsou umístěny u kraje sítnice. Čípky reagují na jednotlivé barvy a tyčinky reagují na bílou a černou barvu. Čípky umožňují barevné vidění, na světlo jsou však méně citlivé než barvoslepé tyčinky. Centrální jamka, což je místo přímého vidění s největší rozlišovací schopností, obsahuje pouze čípky (cca 800 000). Průměr čípků se pohybuje kolem cca 0,005 mm a průměr tyčinek přibližně 0,002 mm.Na sítnici dochází ke kontaktu mezi světelnou energií a nervovým systémem. Ve fotoreceptorech dochází ke změně světelné energie na neurochemický signál [9], [23].
21
Obr. 9 - Předávání signálu fotoreceptory ostatním nervovým buňkám [2]
2.3 Akomodace a adaptace oka
Mezi základní zrakové mechanizmy patří akomodace a adaptace. Lidské oko nedovede na sítnici stejně ostře zobrazit předměty nacházející se v různých vzdálenostech.
Normální oko hledící do dálky zobrazuje na sítnici ostře předměty umístěné teoreticky nekonečně daleko od oka. Aby se na sítnici mohly zobrazit ostře i blízké předměty, musí se optický systém oka přizpůsobit - akomodovat. Akomodace je tedy samovolné přizpůsobení se lidského oka vzdálenosti pozorovaného předmětu. Jedná se o aktivní proces dosahovaný nervovou činností, při které se mění zakřivení přední i zadní stěny čočky oka. Nejdále umístěný bod, který dokáže oko, přizpůsobené pro viděné do dálky, vidět ještě ostře, se nazývá vzdálený bod. Nejbližší bod, který může plně akomodované oko vidět ostře, se nazývá blízký bod. Tento bod se s přibývajícím věkem vzdaluje. U dítěte je tato vzdálenost asi 9 až 10 cm, u padesátileté osoby už kolem 50 cm.
Naopak adaptace je přizpůsobení lidského oka různým hladinám osvětlenosti. Oko je schopné se přizpůsobit osvětlenostem od hodnot asi 0,25lx až do lx. Takto velkým změnám osvětlenosti se oko přizpůsobuje změnou velikosti otvoru zornice, změnou citlivosti fotoreceptorů na sítnici a změnou velikosti vjemových polí sítnice. Hlavním adaptačním mechanismem je však fotochemický děj – rozklad zrakových pigmentů ve vnějších segmentech fotoreceptorů působením světla, resp. syntéza pigmentů vlivem tmy. Rychlost rozpadu pigmentů závisí na parametrech předcházejícího osvětlení a na jasu a vlnové délce nového světelného podnětu. Při adaptaci lidského oka na světlo
22
(z nižšího jasu na vyšší) se vlivem rozkladu fotopigmentů zmenšuje citlivost fotoreceptorů, kdy děj je téměř dokončen asi do jedné minuty a poté doznívá ještě asi 10 minut. Při adaptaci oka na tmu (z vyššího jasu na nižší) je naopak vyžadováno vytvoření zásob fotopigmentů, proto adaptace trvá od několika minut při vysokých hladinách osvětlenosti až hodinu při nízkých hladinách osvětlenosti [25].
3 Světlo
Světlo je z hlediska osvětlování pro člověka především prostředkem k získání a přenosu informací o prostředí, kterým je obklopen. Světlo je záření, které je schopné vzbudit zrakový vjem, a které je hodnocené měřítky lidského zraku [23].
3.1 Elektromagnetická teorie světla
Světelná energie je zářivá energie, která je hodnocena podle citlivosti lidského zraku a připadá na viditelný obor elektromagnetického vlnění (v rozmezí 380-780nm).
Světlo je možné vnímat pouze v případě, že elektromagnetické vlnění vyzařované světelným zdrojem vnikne do lidského oka přímo nebo nepřímo až po odrazu.
V případě, že světelný paprsek nezastihne lidské oko, je pro něj neviditelný. Světelná záření, která mají různou vlnovou délku, vnímá lidské oko jako světlo různé barvy.
Každé spektrální barvě je přiřazena určitá vlnová délka (Tab. 1) [23].
Tab. 1 – Vlnový rozsah hlavních barevných pásem viditelného spektra [23]
Barevné pásmo Vlnový rozsah [nm]
fialová 400 – 420
modrofialová 420 – 440
modrá 440 – 460
modrozelená 460 – 510
zelená 510 – 560
žlutá 560 – 610
oranžová 610 – 660
červená 660 – 760
23
3.2 Spektrální vlastnosti světla
Podle vzhledu světelného spektra jsou rozeznávány světelné zdroje se spojitým či nespojitým spektrem. U světelného zdroje se spojitým spektrem jednotlivá barevná pásma poznenáhlu splývají v jeden souvislý mnohobarevný pruh (Obr. 10). Jedná se o inkadescenční světelné zdroje přírodní i umělé. Naopak světelné zdroje s nespojitým spektrem mají spektrum čárové nebo pásové, kdy jednotlivá barevná pásma spolu nesplývají. Takové spektrum mají výbojky a svítící trubice.
Spektrální složení světla je důležité, protože je rozhodující pro vidění barev, ovlivňuje tzv. barevné podání. Pokud mají dvě světla stejnou barvu, ale různé spektrální složení, způsobí to různé zkreslení barev. V případě, že jsou, u dvou různých světel, vyzařované světelné energie v jednotlivých barevných pásmech přibližně stejné, pak tato dvě světla jsou barevně rovnocenná a barvy předmětů se při nich projevují stejně. Čím větší je spektrální zářivost v některém barevném pásmu, tím více vynikají příslušné barevné tóny nad ostatními barvami. Také bílá barva předmětu dostává toto příslušné zabarvení.
A čím menší je spektrální zářivost v některém barevném pásmu, tím více zanikají dotyčné barvy. V případě, že ve světle některé spektrální složka chybí, ztrácí dotyčná barva svůj přirozený tón a nastává silné barevné zkreslení.
Barva světla, se spektrem spojitým či převážně pásmovým, se v praxi určuje tzv.
teplotou barvy. Teplota barvy udává absolutní teplotu ve stupních Kelvina [°K] černého zářiče, při které svítí zářič světlem s přibližně stejným spektrálním složením jako uvažovaný světelný zdroj. Čím je světlo bělejší, tím vyšší je teplota barvy.
Barva denního světla se neustále mění, a to v závislosti na zeměpisné poloze, roční doby, denní doby, počasí a dalších jiných změn. Tím se mění také barva předmětů. Za normální denní světlo lze považovat světlo lehce zatažené severní oblohy (tzv. světlo ateliérové), jehož teplota barvy je 6500 – 7000°K [23].
Obr. 10 – Spojité centrum viditelného světla [2]
24
3.3 Základní fotometrické pojmy a veličiny
Všechny světelně technické jednotky jsou odvozeny z jednotky svítivosti. Ta jediná je realizovatelná a její velikost mohla být fyzikálně stanovena. Pojem svítivost vyplývá z pojmu světelného toku, tudíž je potřeba se zabývat současně svítivostí i světelným tokem. Pochopení pojmu svítivosti a světelného toku usnadní geometrický pojem prostorový úhel, který objasní jejich vzájemný vztah [23].
Světelný tok [lm]
Ze světelného zdroje vychází na všechny strany proud zářivé energie. Veškerá zářivá energie nemusí však způsobit světelný vjem. Ten závisí na citlivosti oka na jednotlivé vlnové délky (ultrafialové ani infračervené záření nezpůsobuje světelný vjem ani při velké zářivé energii). Světelný tok je tedy světelný výkon té části záření, která působí světelný vjem. Světelný tok udává, kolik světla celkem vyzáří zdroj do všech směrů.
Jednotkou světelného toku je lumen (lm), který je v soustavě SI definován jako světelný tok, který izotropní zdroj o svítivosti 1 cd vysílá do prostorového úhlu 1sr.
Svítivost I [cd]
Veličina udává, kolik světelného toku vyzáří světelný zdroj nebo svítidlo do prostorového úhlu v určitém směru.
Obecně je svítivost zdroje v různých směrech různá. Pro zdroj, jehož svítivost je ve všech směrech stejná (zdroj izotropní), může být použita tato rovnice:
Jednotkou pro měření svítivosti je kandela (cd), která patří mezi základní jednotky SI.
Kandela udává hustotu světelných paprsků světelného zdroje.
Prostorový úhel W [sr]
Prostorový úhel je úhel při vrcholu kuželu. Jeho velikost je definována jako poměr kulové plochy A, kterou vyřezává úhel v kulové ploše o poloměru r a druhé mocniny tohoto poloměru.
Prostorový úhel má hodnotu 1 steradián, když se vyřízne z kulové plochy koule o poloměru 1 m plocha 1 m².
25
Obr. 11 – Definice prostorového úhlu [26]
Osvětlenost (intenzita osvětlení) E [lx]
Osvětlení je fotometrická veličina vyjadřující světelný tok dopadající na určitou plochu.
Je tedy podílem světelného toku (v lumenech) a plochy (v metrech čtverečních).
Jednotkou osvětlení je lux (lx), což je osvětlení způsobené světelným tokem 1lm dopadajícího na plochu 1 m².
Jas L
Jas je měřítkem pro vjem světlosti svítícího nebo osvětlovaného povrchu [26].
3.4 Světelné zdroje
Podle toho, zda světelné zdroje svítí vlastním či cizím světlem, jsou rozděleny na světelné zdroje prvotní (primární) a druhotné (sekundární).
3.4.1 Světelné zdroje primární a sekundární
Primární světelný zdroj svítí vlastním světlem, které vzniká žárem nebo studenou cestou. Jsou to zdroje přírodní (slunce, minerály, polární záře) a zdroje umělé (svíčka, petrolejová lampa, elektrické světelné zdroje).
Sekundární světelný zdroj svítí obvykle odraženým světlem jiného světelného zdroje (měsíc, osvětlená stěna). V podstatě všechny předměty, které vidíme, se dají považovat za druhotné světelné zdroje. Světlo, které reflektují, však neslouží k osvětlování, nýbrž ke zviditelnění těchto předmětů různými kontrasty jasů a barev [23].
26
3.4.2 Světelné zdroje elektrické – inkandescenční, luminiscenční a fluorescenční
Elektrické světelné zdroje jsou rozeznávány jako inkandescenční, luminiscenční a fluorescenční podle toho, zda světlo vzniká žárem nebo studenou cestou.
U inkandescenčních elektrických světelných zdrojů vzniká světlo žárem, při vysoké teplotě rozžhavením kovového vlákna nebo uhlíkových elektrod. Jedná se o všechny žárovky a obloukovky. Výkon dodaný těmto světelným zdrojům je z největší části přeměněn na teplo.
V případě luminescenčních elektrických světelných zdrojů vzniká světlo studenou cestou. Jedná se o výbojky, doutnavky a svítící trubice. V podstatě jde o výbojovou trubici různých rozměrů a tvarů se zatavenými elektrodami. Trubice je naplněna zředěným plynem o určitém podtlaku ve studeném stavu a obsahuje lehce výparné kovy nebo jejich sloučeniny. Světlo vzniká převážně elektrickým výbojem v kovových parách výbojek nebo v plynové náplni svítících trubic.
Také u fluorescenčních elektrických světelných zdrojů vzniká světlo studenou cestou.
Jedná se o zářivky, rtuťové výbojky s fluorescenční baňkou a tzv. luminoforové svítící trubice pro vysoké napětí. Uvnitř těchto zdrojů svítí tzv. luminofor (fluorescenční látka), který je ozařován ultrafialovým zářením vznikajícím při elektrickém výboji v různých plynech či ve rtuťových parách.
Na vnitřním povrchu výbojové trubice je nanesena tenká vrstva fluorescenční látky - luminoforu. Světlo v těchto trubicích vzniká druhotně - fluorescencí luminoforů.
Různými luminofory se dosáhne různých barev světla. V trubici ve směsi argonu a rtuťových par vzniká výbojem o nízkém tlaku v nepatrném množství proudové ultrafialové záření. Toto záření je pohlceno luminoforem a skleněnou stěnou trubice a je přeměněno na viditelné záření a teplo. Barva světla je závislá na chemickém složení luminoforu. Zářivky jsou vyráběny se světlem v různých barevných odstínech.
K běžným osvětlovacím účelům jsou však používány zářivky se třemi základními barevnými odstíny, se světlem denním (6300-6700°K), bílým (3100-4700°K) a růžovým (2700-3000°K) [23].
27
Obr. 12 – Spektrální distribuce denního světla (vlevo) a žárovkového osvětlení (vpravo) [2]
Obr. 13 – Spektrální distribuce zářivkového osvětlení Cool White (vlevo) a Warm White (vpravo) [2]
Barva světla se spojitým spektrem nebo alespoň se spektrem převážně pásmovým se v praxi často určuje teplotou barvy, tzv. teplotou chromatičnosti. Teplota chromatičnosti světla uvažovaného zdroje udává absolutní teplotu ve stupních Kelvina [°K] černého zářiče, při které zářič svítí světlem přibližně stejného spektrálního složení jako uvažovaný světelný zdroj. Čím je bělejší světlo, tím je vyšší teplota chromatičnosti.
S rostoucí teplotou chromatičnosti se světlo jeví chladnější a naopak čím je teplota chromatičnosti nižší, tím se jeví světlo teplejší. Např. žárovkové světlo je bohaté na dlouhovlnné záření a uplatňují se v něm barvy teplých tónů (červená a oranžová), kdežto barvy studených tónů (modrá, fialová a zelená) zanikají [23].
28
Tab. 1 – Přibližné teploty chromatičnosti světla různých světelných zdrojů [23]
Světelný zdroj Teplota chromatičnosti [°K]
Stearinová svíčka Petrolejová lampa
1720 1870
žárovka
Uhlíková Kovovláknová Kryptonová Projekční Snímková
1850 2500 - 2750
2800 2800 3000 zářivky
Denní Bílá růžová
6500 4000 2700 Obloukovka
Průměrné přírodní denní světlo Modrá obloha
4500 5900 6800
4 Barevné vidění
Barevné vidění je složitým psychologickým procesem. Jedná se o schopnost rozeznávat barevné odstíny. Podmínkou pro tento proces je neporušená činnost oka, zrakové dráhy a příslušných mozkových center. Další podmínkou je dobré osvětlení pozorovaných předmětů, protože při příliš vysoké či naopak příliš nízké intenzitě osvětlení zaniká u normálního oka schopnost rozlišovat barvy.
Světlo z přírodního či umělého světelného zdroje může dopadat na sítnici oka přímo nebo odrazem od předmětu nebo průnikem předmětovým optickým prostředím, což vyvolává vjem barvy.
Každý člověk je schopen rozeznat okolo 6500 individuálních odstínů. Při párovém srovnávání je lidské oko schopno rozeznat přibližně 2-3 milióny odstínů, přičemž školené oko rozezná dokonce až 7 miliónů barevných odstínů. Různé barevné odstíny mají různou vlnovou délku. Spektrální pásmo člověka se pohybuje přibližně v oblasti 360 - 780nm. Barvy předmětů se jeví různě podle spektrálního složení světla a podle intenzity osvětlení. Barvy předmětů se projevují tím, že každá barva odráží světlo příslušné vlnové délky a ostatní složky dopadajícího světla pohltí. Při větších jasech se počet rozeznatelných barev snižuje vlivem oslnění. S klesající intenzitou osvětlení se počet rozeznávaných barevných tónů také snižuje a při velmi nízké intenzitě osvětlení je lidské oko barvoslepé [2], [23].
29
4.1 Barvocit
Vnímání a rozlišování barevných odstínů je dosahováno pomocí barevných fotoreceptorů – čípků, a to při určité hladině osvětlení. Podmínkou pro barevné vidění je také správná mozková činnost. Informace o barvách jsou na sítnici zpracovány horizontálními buňkami, které přijímají signály z čípků, které reagují na různé složky barevného světla. Další podmínkou je, že na sítnici musí být umístěny alespoň dva typy čípků, aby bylo možné jejich signál v mozku sečíst. Součet signálů z čípků dodává zrakovému vjemu jas, a rozdíl signálu mu dává barvu.
Čípky obsahují pigment s rozdílnou spektrální citlivostí a jsou rozděleny na krátkovlnné čípky (S-čípky), středovlnné čípky (M-čípky) a dlouhovlnné čípky (L-čípky). S-čípky mají maximální spektrální citlivost v oblasti pro modrou barvu (445nm), M-čípky pro zelenou barvu (535nm) a L-čípky pro červenou barvu (570nm). Nejedná se však o citlivost pouze na jednu frekvenci světla, ale v okolí jedné frekvence. Čím více se od této frekvence budeme vzdalovat, tím méně čípek bude reagovat. Množství čípků v modré, zelené a červené oblasti se nachází v poměru 1 : 16 : 32 (Obr. 11) [2], [10], [11].
Obr. 14 – Spektrální citlivost čípků [2]
Prostřednictvím měření lidského zraku a vnímání barev bylo zjištěno, že lidské oko nejvíce reaguje na barvu žlutou (555nm). To je však způsobeno blízkostí frekvence červené a zelené barvy, na které čípky reagují. Tak dochází k tomu, že frekvence žluté barvy dráždí ještě dostatečně oba čípky, čímž dochází k vysoké citlivosti na tuto barvu.
Funkce čípků je závislá na osvětlení. Pokud je osvětlení příliš intenzivní, přestáváme vnímat jednotlivé barvy postupně od krátkovlnného konce spektra (od modré barvy) k dlouhovlnnému konci spektra (k červené barvě). Při snižování intenzity osvětlení je
30
tomu naopak. Pokud dojde k překročení prahové hodnoty, čípky ztratí svou funkci a přestanou rozeznávat barvy.
Lidské oko je tedy nejcitlivější na barvu žlutou, příp. žlutozelenou, ale pouze za dostatečných světelných podmínek (fotopické vidění). Naopak při nižší hladině osvětlení (skotopické vidění) je lidské oko nejcitlivější kolem na modrozelenou barvu (500nm) [11].
4.2 Vliv světla na barvocit
Při testování barvocitu by se mělo v ideálním případě použít přirozené denní světlo, ale ne vždy to však okolní podmínky dovolí, a proto je třeba použít umělý zdroj osvětlení.
Vnímání barevných odstínů jednotlivých předmětů je založeno na odrazu a pohlcení dopadajícího přirozeného bílého světla obsahujícího celé barevné spektrum. Pokud dopadne na bílý předmět je beze změny odraženo, dopadne-li na černý předmět, je světlo pohlceno a mění se na tepelnou energii. V případě, že dopadne světlo na barevný předmět, část spektra, která odpovídá této barvě, je odražena a zbylá část je pohlcena.
Proto musí světlo umělého zdroje osvětlení obsahovat všechny vlnové délky, které mají být odraženy, aby nedocházelo ke špatnému hodnocení barev. Z toho důvodu je tedy při vyšetření barvocitu nutné používat zdroje umělého osvětlení se spojitým spektrem světla. Tento druh světla obsahuje všechny vlnové délky ve viditelném spektru. A barvy jsou zastoupeny tak, že světlo vnímáme jako bílé [12].
4.3 Vliv intenzity osvětlení na barvocit
Skladba fotoreceptorů na sítnici je nestejnorodá, proto jsou zrakové schopnosti v různých místech sítnice různé, a jsou také závislé na vnějších okolnostech, především na intenzitě osvětlení. K podráždění fotoreceptorů dochází působením světla. Intenzita osvětlení má vliv nejen na zrakovou ostrost, ale také na vnímání barevných odstínů.
Stevens-Huntův efekt - Stevensův efekt ukazuje, že s rostoucí intenzitou osvětlení se zvyšuje kontrast barevných odstínů, kdy světlé barvy se jeví světlejší a tmavé barvy se jeví tmavší. Zatímco Huntův efekt ukazuje, že s rostoucí intenzitou osvětlení se zvyšuje barevná vydatnost. Jedná se o jev, kdy vzorek o nižší čistotě odstínu se může jevit stejný jako vzorek o vyšší čistotě odstínu, pokud intenzita osvětlení vzorku s nižší čistotou je adekvátně vyšší. Proto je důležité zahrnout absolutní hladinu intenzity osvětlení do modelu barevného vzhledu [2], [14], [23].
31
Obr. 15 – Stevens – Huntův efekt [2]
Práh citlivosti vnímání barevných odstínů lidským zrakem je jiný při vidění za dne, a jiný při vidění za šera. Při tom se mění i pořadí jasnosti barev. To je způsobeno různou aktivitou fotoreceptorů - tyčinek a čípků, při měnících se hladinách osvětlení. A podle toho, které fotoreceptory jsou aktivní v závislosti na hladině osvětlení, se rozlišují 3 pásma vidění – fotopické, mezopické a skotopické.
4.3.1 Fotopické pásmo
Při fotopickém vidění jsou aktivními fotoreceptory pouze čípky, které slouží k vnímání barevných odstínů. Fotopické vidění nastává při hodnotách nad 10 luxů, kdy většina lidí již dokáže rozlišit základní barevnost povrchů a základní barevné odstíny člověk rozliší již při hodnotě 50 lux [2], [15].
4.3.2 Mezopické pásmo
Za šera, kdy přechází hladina osvětlení z vyšší na nižší hladinu (přechod mezi oblastí fotopického a skotopického vidění) jsou aktivní oba dva druhy fotoreceptorů, tyčinky a částečně také čípky. Tato oblast se nazývá mezopické vidění. Mezopická oblast vidění nastává při hladině osvětlení cca 0,1-10 lux. Vnímání barev začíná při hodnotách osvětlení větší než 1 lux. Mezopické vidění je neostré, barvy předmětů ztrácejí více či méně své barevné tóny, tím mizí také mnohé kontrasty. Vidění za těchto okolností je velmi namáhavé.
32
Tyčinky vidí lépe než čípky modré barvy a čípky vidí červené světlo, které je pro tyčinky neviditelné, a proto je tyčinkami vnímáno jako černé. To znamená, že na denním světle se bude zdát červená barva jasnější než modrá a ve tmě tomu bude naopak. Tomuto jevu říkáme Purkyňův jev. Jan Evangelista Purkyně zjistil, že při snižování intenzity osvětlení se postupně mění relativní citlivost oka k barvám, kdy maximum spektrální citlivosti oka se posouvá směrem ke kratším vlnovým délkám. Při pozorování ranního rozbřesku si všiml, že při rozednívání se začaly objevovat barvy postupně z neutrální šedi. Nejprve vystoupila barva modrá a až po chvíli barva červená.
Z počátku se modrá barva jevila světlejší než červená, avšak s přibývajícím světlem se světlost barev upravila a červená barva se začala jevit světlejší než barva modrá [2], [16], [17], [23].
4.3.3 Skotopické pásmo
Při osvětlení, které poklesne na intenzitu menší než 0,1 lux, přestávají čípky reagovat.
Tím oko přestává vnímat barvy a různě barevné předměty získávají relativní jas. Tato oblast se nazývá skotopické vidění, ve kterém přejímají funkci receptorů tyčinky.
Skotopické vidění je neostré, jelikož jsou v činnosti pouze tyčinky, jejichž skladba v sítnici je řídká a mnohé z nich jsou zapojeny na společné nervové vlákno. Při skotopickém vidění jsme barvoslepí.
Schopnost rozlišovat barevné odstíny však zaniká nejen při příliš nízké, ale také příliš vysoké intenzitě osvětlení, kdy může dojít i k poškození sítnice [13], [23].
Obr. 16 – Křivky poměrné spektrální světelné účinnosti podle CIE [24]
33
4.4 Vliv stáří na barvocit
Barevné vidění se u různých osob liší. Fyziologicky je však dané, že se u každého člověka mění barvocit s přibývajícím věkem. K tomuto procesu přispívá také fakt, že buňky na sítnici postupem času odumírají.
Jedním druhem, ze získaných poruch barvocitu, je katarakta. Katarakta senilní je podmíněná věkem a u starších osob velmi častá. Čočka se stává více žlutou až hnědou a tím brání krátkovlnnému světlu dopadat na sítnici. Předpokládá se, že vliv na kalení čočky, které způsobuje zhoršení zraku a vnímání barev je multifaktoriálního původu.
Jelikož čočka neustále roste a zvyšuje svoji hmotnost, ztrácí schopnost akomodace.
Jádro čočky je také vystaveno tlaku vlivem koncentricky vznikajících kortikálních vláken a stává se tužším. Čočka se mění také z hlediska chemického charakteru, kdy bílkoviny čočky se mění v bílkoviny o vyšší molekulové hmotnosti a to způsobuje, že čočka se zakaluje a ztrácí svoji průhlednost. Tyto změny bílkovin v jádře čočky zapříčiňují pigmentaci, čímž čočka nabývá žlutavé až hnědavé barvy. Tohle žluknutí u starších osob způsobuje, že na sítnici dopadá mnohem méně světla, někdy také s dojmem žlutého filtru. Vidění se stává méně ostrým a barvy méně výrazné. Především barvy krátkovlnného konce spektra vnímají starší osoby mnohem tmavší, než lidé mladšího věku [18], [19], [20].
Obr. 17 – Změna transparentnosti čočky vlivem stáří [30]
34
5 Rovnice pro výpočty barevných odchylek 5.1 CIELAB
Jedná se o normalizovanou přibližně rovnoměrnou soustavu CIE L* a* b, zkráceně označovanou CIELAB, která byla přijata komisí CIE v roce 1976. Pravoúhlé osy tohoto standardního barevného prostoru tvoří měrná světlost L*, která nabývá hodnot z intervalu 0 (černá) až 100 (bílá), a dvě chromatické osy a* a b*. Osa a* probíhá od zelené barvy k červené, osa b* od modré ke žluté. Souřadnice barvy se počítá z trichromatických složek pro X > 0,008856 , Y > 0,008856 a Z > 0,008856 ( - trichromatické složky použitého normalizovaného světla) pomocí následujících vztahů:
[21]
(1) (2) (3)
kde: pro
pro
pro
pro
pro
pro
35
Barevný prostor CIELAB umožňuje také výpočet objektivních odchylek (rozdíl barev) mezi jednotlivými barvami z odchylek jasu ∆L* a odchylek chromatických souřadnic ∆a* a ∆b* a to pomocí vztahu:
[21]
(4)
kde: (5a)
(5b) (5c)
Obr. 18 - Barevný prostor CIELAB [2]
36
5.2 CMC (l:c)
V roce 1984 došlo k úpravě rovnice JPC79. Za účelem odstranění problémů s výpočtem poloosy světlostí bylo navrženo, aby při hodnotách měrné světlosti L předlohy nižších jak 16 byla hodnota poloosy stanovena fixně. Skokový přechod byl nahrazen plynulým pomocí přechodové funkce f, a byly zavedeny váhové faktory l a c z důvodu využití rovnice k různým účelům. Tato rovnice je počítána v barevném prostoru CIELAB.
[21]
, (6)
pro ,
pro ,
, ,
pro pro
Rovnice CMC(l:c) se stala uznávaným standardem pro výpočty barevných diferencí. Při použití vzorce pro vyhodnocování textilních vzorků nabývají váhové faktory l a c obvykle hodnot 2:1 (l = 2 a c = 1) a skutečně hraniční citlivost lidského oka se pohybuje mezi 0,2-0,3 .
[21]
37
Obr. 19 - Zobrazení tolerančních elips CMC (l:c) [2]
5.3 CIE2000
Vzhledem k problematice vlivu natočení tolerančního elipsoidu na predikční schopnosti rovnic pro výpočty barevných odchylek byla přijata CIE norma v roce 2000, podle které se výpočet provádí ve 4 následujících krocích:
[21]
1. krok: Výpočet L*, a*, b* jako pro prostor CIELAB 2. krok: Výpočeta’, C’ a h’
(7)
(8)
(9)
Kde:
(10)
38
(11)
kde Cab* je aritmetický průměr čistoty Cab* standardu a vzorku.
3. krok: Výpočet
(12)
4. krok: Výpočet
(13)
Kde:
22
50 20
50 015
, 1 0
L SL L
39
5.4 CIE CAM 02
Prostor CIE CAM02 popisuje model chromatické adaptace, který vychází z modelu CMC CAT97 a také na tento model navazuje. Oproti modelu CMC CAT97 je však výrazně zjednodušený a využívá novou transformaci zvanou CAT 02, která obsahuje tři fáze výpočtu.
V první fázi jsou naměřená data vzorku doplněna ještě o trichromatické složky testovaného osvětlení (index w) a referenčního osvětlení (index rw). Následně je vypočtena neadaptovaná čípková odezva R, G, B pomocí transformační matice Mcat02:
(14)
kde:
M cat02 =
(15)
Chromatická adaptace je také závislá na jasové adaptaci, která se vypočte pomocí stupně adaptace D:
(16)
kde La1 je jas plochy testovaného vzorku pod příslušným osvětlením, v normálních podmínkách pozorování F = 1 (např. kancelář) a při pozorování v zatemněném prostředí F = 0,8 (např. kinosál). Teoretické rozmezí stupně adaptace D je na hodnotách od 0 (pro vizuální situaci bez adaptace) do 1 (při úplné adaptaci). V praxi je D = 0,65 při zatemněném okolí, přičemž exponenciálně konverguje k mezní hodnotě 1 pro průměrné okolí.
Ve druhé fázi výpočtů v rámci modelu chromatické adaptace CAT02 probíhá odhad hodnot adaptovaných odezev Rc, Gc, Bc z R, G, B (obdobně jsou vypočteny Rwc, Gwc, Bwc z Rw, Gw, Bw) :
(17)
40
Výpočet příslušných trichromatických souřadnic pod testovaným osvětlením se pak řídí podle rovnice:
(18)
Vzhledem k tomu, že některé testy ukázaly, jako výhodnější použití transformace založené na užších odezvových křivkách než jsou křivky citlivosti jednotlivých čípků získané pomocí testů barevného vyrovnání, je v současné době doporučováno použití tzv. Sharp transformace. V podstatě jde o substituci standardní transformační matice Mcat02 za novou matici označovanou jako T.
Výpočet neadaptované čípkové odezvy se pak řídí podle vztahu:
(19)
kde T je „Sharp“ transformační matice a nabývá tvaru:
T=
Odhad hodnot adaptovaných odezev Rc, Gc, Bc rovnicí:
(20)
kde
=
Výpočet trichromatických složek pod testovaným osvětlením probíhá adekvátně rovnici:
(21)
41
6 Experimentální část
Použitou metodou testování při experimentální části byl Farnsworth-Munsell 100 Hue test, kterým byl vyhodnocen barvocit testujících respondentů. Následně bylo provedeno vizuální hodnocení barevných rozdílů pomocí sady barevných standardů BAM při různých intenzitách osvětlení.
Testování bylo provedeno v Laboratoři Měření Barevnosti a Vzhledu (LCAM DMS TF TU Liberec). Testu se zúčastnilo 24 respondentů s bezdefektním rozlišováním barev, a z toho jeden respondent s protanoanomalickou vadou barvocitu. Byli vyšetřováni muži i ženy ve věkovém rozmezí 20-45 let. Test byl vyhodnocen celkem pětkrát v koloristické skříni AtelierTechnik Color, kde bylo zajištěno standardní osvětlení. Bylo použito světlo splňující podmínky denního osvětlení D65. Při prvním měření, které bylo provedeno bez filtrů, byla naměřena průměrná intenzita osvětlení 1310 lux. Druhý až pátý test byl proveden se snižující se intenzitou osvětlení, ke které docházelo postupně s nadcházejícím měřením. Ke snížení intenzity osvětlení byla použita sada čtyř neutrálně šedých filtrů - transparentních desek z PMMA, které byly potaženy neutrálně šedou folií používanou pro autoskla. Tyto filtry byly do koloristické skříně vkládány postupně. S ohledem na rozdílnou optickou hustotu neutrálních filtrů tak byla osvětlenost měněna po krocích 1310lx, 682lx, 236lx, 31lx a 2.8lx. Před každým hodnocením probíhala 10- ti minutová adaptace na měřeném adaptačním jasu. Mezi každým měřením měl pozorovatel nejméně den volna z důvodů únavy očí, a také aby sám sebe neovlivňoval.
42
Obr. 20 – Ukázka měření při adaptačních jasech: a) 354.21 , b) 187.16 , c) 64.79 , d) 8.32 , e) 0.78
Na Obr. 20 je znázorněno měření adaptačních jasů pomocí bílého standardu, spektroradiometru PhotoResearch PR740 a koloristické skříně AtelierTechnik, která byla osazena zářivkami dle standardu CIE F7 s neutrálními filtry. Získané naměřené hodnoty adaptačních jasů (354.21 , 187.16 , 64.79 , 8.32 a 0.78 ), odpovídaly intenzitám osvětlenosti 1310lx, 682lx, 236lx, 31lx a 2.8lx.
43
Obr. 21 – Spektrální průběhy osvětlení na různých jasových úrovních [27]
Obr. 22 – Kolorimetrické souřadnice osvětlení na různých jasových úrovních, při různých osvětlenostech [27]
Jelikož při experimentu byly použity neutrální filtry z transparentních desek z PMMA, které byly potaženy neutrálně šedou folií používanou pro autoskla, nebylo postupné snižování naměřených jasů zatíženo výraznější změnou spektrálního průběhu, jak znázorňují grafy na obr. 21 a obr. 22. Naměřené náhradní teploty chromatičnosti se
0.00E+00%
5.00E'03%
1.00E'02%
1.50E'02%
2.00E'02%
2.50E'02%
3.00E'02%
380% 400% 420% 440% 460% 480% 500% 520% 540% 560% 580% 600% 620% 640% 660% 680% 700% 720% 740% 760% 780%
Scope&[counts]&
Wavelength&[nm]&
354.21%cd.m'2%
187.16%cd.m'2%
64.79%cd.m'2%
8.32%cd.m'2%
0.78%cd.m'2%
0 .4 0 ! 0 .4 2 ! 0 .4 4 ! 0 .4 6 ! 0 .4 8 ! 0 .5 0 ! 0 .5 2 ! 0 .5 4 ! 0 .5 6 ! 0 .5 8 ! 0 .6 0 !
0 .1 6 ! 0 .1 8 ! 0 .2 0 ! 0 .2 2 ! 0 .2 4 ! 0 .2 6 ! 0 .2 8 ! 0 .3 0 ! 0 .3 2 ! 0 .3 4 ! 0 .3 6 !
v'!
u'!
CIE 1 9 7 6 u'-v' diagram!
Spect rum locus!
Planckian locus!
Equi energy!
D6 5 ! A!
1 3 1 0 lx!
6 8 2 lx!
2 3 6 lx!
3 1 lx!
2 .8 lx!
3 0 0 0 K!
5 0 0 0 K!
1 0 0 0 0 K!
2 0 0 0 0 K!
2 0 0 0 K!
5 7 0 !
5 8 5 !
5 9 0 ! 5 8 0 !
5 7 5 !
4 0 0 0 K!
6 0 0 0 K!
Iso-CCT line: ± 0.02 duv!
2 5 0 0 K!
44
pohybovaly v rozmezí hodnot 5000 – 6300 K. Při nejnižší jasové úrovni byla naměřena náhradní teplota chromatičnosti 7000 K.
6.1 Testování barvocitu
Pro testování vlivu osvětlenosti na rozlišování barevných rozdílů u jednotlivých respondentů byl použit seřazovací test Farnsworth-Munsell 100 Hue test, který byl prezentován již v roce 1957. Původní Munsellův systém barev obsahoval 100 barevných odstínů. Farnsworth však zjistil, že vyšetřovaní respondenti měli problém rozlišit některé odstíny barev. Z toho důvodu bylo z Munsellova systému barev vyřazeno 15 odstínů. Současný Farnsworth-Munsell 100 Hue test se tedy skládá z 85 barevných odstínů. Tento test je sestaven ze čtyř boxů odstínových řad, které jsou pokryty barvou viditelného spektra. Odstínové řady jsou v barvách červeno-žlutá, žluto- zelená, zeleno-modrá a modro-červená. V jednotlivých boxech jsou vyjímatelné odstínové terče, které jsou před každým testováním náhodně promíchány a respondent má za úkol barevné terče seřadit do logického sledu podle příslušných odstínů mezi první a poslední terč, které jsou v boxech fixní. První box obsahuje 22 terčů a zbylé tři obsahují 21 terčů (Obr. 14). Experimentu se zúčastnilo 23 respondentů ve věkovém rozmezí 20 - 45 let s bezdefektním rozlišováním barev a jeden pozorovatel s protanoanomalickou vadou barvocitu, tedy celkem 24 respondentů. Celkem bylo provedeno 10125 individuálních posudků. [11]
Obr. 23 - Farnsworth-Munsell 100 Hue test [28]
45
Velikost a výskyt odchylek od správného pořadí barevných odstínů jsou dány rozlišovacími schopnostmi pozorovatele, včetně potenciálních vad barvocitu. Pro vyhodnocení testu je Farnsworth-Munsell 100 Hue test doplněn speciálním softwarem (Obr. 24). Tento software rozřadí respondenty do skupin barevného vnímání, popřípadě určí také jejich poruchy barvocitu. Na základě pořadových vztahů mezi jednotlivými odstínovými terči u testu se určí tzv. celkové chybové skóre – „Total Error Score“
(TES):
TES = 0 – 16 → Výborné (Supperior) TES = 20 – 100 → Průměrné (Average) TES > 100 → Špatné (Low)
Obr. 24 - Jednotlivé barevné řady a vyhodnocení testu [28]
Podle barevného vnímání byli respondenti při našem testování rozřazeni, pomocí Farnsworth-Munsell 100 Hue testu, do všech třech skupin – Supperior, Average a Low (Tab. 2).
Tab. 2 – Rozřazení respondentů do skupin dle chybového skóre TES při osvětlenosti 1310lx
Chybové skóre TES Počet respondentů
Supperior 10
Average 13
Low 1
celkem 24
46
V experimentu bylo také sledováno celkové chybové skóre FM100 testu. Do úrovně nad 100lx zůstává průměrný pozorovatel s bezdefektním barvocitem na úrovni hodnotitele s vynikající až průměrnou rozlišovací schopností, následně však dochází k výraznému nárůstu chybovosti (Tab. 3).
Tab. 3 – Celkové chybové skóre TES podle FM100 testu při různých osvětlenostech [27]
Osvětlenost [lx] Průměrný pozorovatel Pozorovatel s Protanomálií
1310 8 112
682 20 188
236 48 192
31 108 368
2.8 256 444
S přibývajícím věkem celkové chybové skóre TES nabývá jiných hodnot, do dvaceti let klesá a poté začíná pozvolna narůstat. Tento test je vhodný nejen pro testování získaných či vrozených poruch barvocitu, ale také pro zjišťování kvality barvocitu u jedinců s normálním barvocitem, kteří pracují v módním či textilním průmyslu. [11]
6.1.1 Pozorovatel s vynikající rozlišovací schopností
V případě, že pozorovatel má vynikající rozlišovací schopnosti, může diagram testu Farnsworth-Munsell 100 Hue být znázorněn jako na obr. 19, kde na základě pořadových vztahů mezi jednotlivými odstínovými terči byl test vyhodnocen s celkovým chybovým skóre TES = 4, kde odstínové řady v jednotlivých boxech byly seřazeny následovně (chyba je zaznačena červeně):
Odstínová řada červeno-žlutá: 85, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16, 17, 18, 19, 20, 21, 22.
Odstínová řada žluto-zelená: 23, 24, 25, 26, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 35, 36, 37, 38, 39, 40, 41, 42.
Odstínová řada zeleno-modrá: 43, 44, 45, 47, 46, 48, 49, 50, 51, 52, 53, 54, 55, 56, 57, 58, 59, 60, 61, 62, 63.
Odstínová řada modro-červená: 64, 65, 66, 67, 68, 69, 70, 71, 72, 73, 74, 75, 76, 77, 78, 79, 80, 81, 82, 83, 84.
