2D-3D számítógépes grafika BME Építészmérnöki Kar Építészeti Ábrázolás Tanszék Előadó: Batta Imre Fénymérés, színmérés

Tartalom Téma: hogyan mérjük a fény mennyiségét és a színeket? Fénymérés: ● radiometria ● fotometria CIE láthatósági függvény feketetest sugárzó kandela szabvány fényerősség (I), fényáram (F), megvilágítás (E), fénysűrűség (L) Színmérés: ● korrelált színhőmérséklettel alkalmazási terület: fehér egyensúly ● színmérés három szín arányával (színmegfeleltetés) színkeverés Grassman törvényei összehasonlító színmérés negatív színek CIE színmérés 1931 XYZ színinger-mérő rendszer 1931 XYZ színingertér 1931 xyZ színdiagram helyek, szabványos sugárzások, gamut 1976 L*u*v* 1976 L*a*b* Színmegjelenés modellek CIE szótár

Fénymérés A radiometria az optikai sugárzást fizikai mennyiségek formájában határozza meg. A mérés valamennyi hullámhossz mennyiségének összesítésével történik. Jelölés e (energia) és λ (hullámhossz) alsó indexekkel. A fotometria a fizikai mennyiségeket az átlagos emberi megfigyelő látására jellemző láthatósági függvény alapján értékeli. A mérés a látható fény hullámhossz tartományában történik. Jelölés v (mint visibility) alsó indexxel. A színmérés a színekhez - mint érzetekhez - mérhető mennyiségeket rendel. Alkalmazott mértékegységek: Teljesítmény, jele Φ (Fluxus) vagy P (Power), mértékegysége Joule/s, jele W (Watt). Felület, jele A (Area), mértékegysége m2. Térszög a kimetszett gömbfelület-terület és a gömbsugár négyzetének hányadosa (A/r2), mértékegysége Szterradián, rövidítve sr, (1 sr = 4π), jele Ω. Hőmérséklet, mértékegysége K (Kelvin), jele T (Temperature).

X Fotometria Észlelés hatásfoka Fekete test sugárzó teljesítménye A fotómetriai mennyiségek az elektromágneses sugárzás látható részének a teljesítménye. SI mértékegysége a Kandela: Észlelés hatásfoka [ CIE láthatósági függvény V(λ) ] X Fekete test sugárzó teljesítménye 2045 Kelvin hőmérsékleten.

CIE láthatósági függvények 507 555 1.0 Fénysűrűség 400 500 600 700 λ Hullámhossz (nm) CIE szabványos láthatósági függvények (V mint Visibility) alacsony megvilágítási szinten (szkotopos látás) V’(λ) és nappali fényben (fotopos látás) V(λ). A kapott értékek a szem relatív világosság érzékenységét adják a különböző hullámhosszakon. Készült villogásos fotometria módszerével a különböző hh fénysugárzással keltett világosság érzetek összehasonlításával. A választott max. referencia szint a 507 illetve 555 nm-es hullámhosszú zöld színű fény. CIE fénymérő észlelő az az ideális észlelő, akinek a szkotopos és fotopos látása megegyezik a V’(λ) és V(λ) láthatósági függvényekkel.

Sugárzott teljesítmény Wm-2nm-1 Feketetest sugárzó A különféle testek anyagi minőségüktől függően eltérő mértékben nyelnek el és bocsátanak ki sugárzásokat. Minden anyag 0 Kelvin hőmérséklet felett elektromágneses sugárzást bocsát ki. A sugárzás spektrális eloszlása (hullámhossza és teljesítménye, így a fény színe) az anyag hőmérsékletétől függően változó (Stefan-Boltzmann törvény). A hőmérséklet növelésével a sugárzás maximuma a rövidebb hullámhosszak felé tolódik el, ezért a szemünkkel először vörös (2500 K), majd fehér (6000 K), végül kék (15000 K) színű fényt érzékelünk. 2.5-15 2E-15 6504K 1.5E-15 Sugárzott teljesítmény Wm-2nm-1 1E-15 5000K 5E-16 2800K 2045K 5E+13 5E+13 1E+14 1.5E+13 2E+14 2.5E+14 Frekvencia

Feketetest sugárzó A fényenergia mennyiségének meghatározásához olyan referencia fényforrásra szükséges, amelynek Φ(λ) spektrális teljesítmény-eloszlása mértékegységül szolgálhat. A fénymérés referencia sugárzója az un. teljes feketetest sugárzó (full blackbody radiator). A feketetest sugárzó egy zárt kamra, amelynek falát hevítve benne EM sugárzás (fény) keletkezik. A termodinamika törvénye szerint a zárt kamrában a kibocsátott és az elnyelt sugárzás elméletileg egyensúlyban van, ezért a keletkező különböző hullám-hosszúságú sugárzás energia eloszlása csak a kamra anyagától és az anyag hőmérsékletétől függ, a kamra illetve az anyag alakjától és méretétől (sugárzó területétől) nem. A teljes feketetest sugárzó minden hullámhosszt elnyel és minden hullámhosszon sugároz. A fényméréshez választott mértékadó teljesítmény szabvány szerint 2045 K hőmérsékleten, a platina halmazállapot-változásánál (dermedési pontja) 101 325 N/m2 nyomás alatt keletkezik.

Kandela (Conference Internationale des Poids et Mesures, 1967) illetve 555 A fényenergia SI fotómetriai mértékegysége a Kandela, jele cd = az észlelés hatásfoka [ CIE láthatósági függvény V(λ) ] x a feketetest sugárzó teljesítménye 2045 K hőmérsékleten. SI (MSz 9620) meghatározás: teljes feketetest sugárzó 1/600000 m2 felületének fényerőssége a felületre merőleges irányban, 2045 K (a platina dermedési hőmérsékletén, 101 325 N/m2 nyomás alatt, (Conference Internationale des Poids et Mesures, 1967) illetve azon 540.1012 Hz frekvenciájú (555 λ) monokromatikus sugárzást kibocsátó fényforrás fényerőssége (Ie) adott irányban, amelynek sugárerőssége (teljesítménye) ebben az irányban 1/683 watt/sr. (Conference Internationale des Poids et Mesures, 1979) 50 1,0 (I) 2045 K feketetest 40 0,8 30 0,6 (V) láthatósági (I) kandela, 1979 λ = 555 nm I = 1/683 W/sr Fénysűrűség 20 Fénysűrűség 0,4 10 0,2 (I) kandela, 1967 0,0 300 400 500 600 700 800 900

Feketetest sugárzó megvalósítása Olyan feketetest sugárzó, amely minden hullámhosszon elnyel és sugároz, a gyakorlatban nem állítható elő. Néhány kísérleti készülék készült el, amelyekhez először wolframot, majd a melegítés hatására erős fehér fényt kibocsátó tóriumoxidot alkalmaztak. A fénymérő műszerek kalibrálásához ma wolframszálas izzólámpát használnak. 4 1 2 3 1. Olvasztótégely 2. Tóriumoxid cső (feketetest) 3. Platina 4. Nyílás (területe:1/600.000 m2) Lummer és Kurlbaum feketetest kísérleti készüléke 1898-ból.

Iv Fényerősség (Intensity) A fény(sugárzás) alapvető mennyiségi jellemzője a fényerősség. Iv fényerősség (Luminous Intensity) adott pontból adott irányú dΩ elemi térszögbe kisugárzott energia teljesítménye. Mértékegysége: kandela, jele: cd. dΩ dΩ Iv dFv =

ò Φv Fényáram (Flux)  F = ) ( l d V K 1st=A/r2 A fényforrások teljesítményének jellemzője a fényáram. Φv fényáram (Luminous Flux) pontszerű, minden irányban egyenlő teljesítménnyel sugárzó (izotróp) fényforrás teljesítménye. Mértékegysége lumen, jele lm. 1 lumen fényáram 1 cd fényerősségű minden irányban egyenletesen sugárzó pontszerű fényforrás 1 szterradián térszögbe kibocsátott teljesítménye. (Így a teljes 4π térszögben minden irányban 1 cd fényerősségű fényforrás fényárama = 4π lm.) A fényáram radiometria megfelelője a sugárzott teljesítmény (W). A Φv fényáram és Φe sugárzott teljesítmény viszonya: Kmax= 683 lm/W, az EM sugárzás fényhasznosításának legnagyobb értéke, Vλ = CIE láthatósági függvény. 1st=A/r2 ò  F = 780 380 , ) ( l n d V K e m

Ev Megvilágítás (Illuminance) Az építészeti terek és felületek, utak stb. előírt megvilágításához szükséges fénymennyiség jellemzője a megvilágítás. A megvilágítás független a megvilágított felület optikai jellemzőitől (pl. fényelnyelés, visszaverődés stb.) Ev megvilágítás (Illuminance) a felfogó felület egy pontjára eső Φv fényáram (teljesítmény). E pontot magába foglaló felületre eső dΦv fényáram és dA egységnyi felület hányadosa: Mértékegysége lux, jele: lx, vagy Lumen/m2. d A v E dF = tervezőiroda, szupermarket 750 iroda, konyha, szerelőműhely, laboratórium 500 oktatóterem, könyvtár, szerelőműhely 300 előcsarnok, társalgó, étkező 200 raktár, rakodó terület 150 lépcsőház, folyosó, öltőző 100 helyiség lux

Lv Fénysűrűség (Luminance) Az emberi látás a megvilágított vagy önsugárzó felületek világosságát érzékeli. A világosságot előidéző fényinger mennyiségi jellemzésére szolgál a fénysűrűség. Lv fénysűrűség (Luminance) a felület egy pontjából adott Θ szögben dΩ elemi térszögbe kisugárzott Φv fényáram (teljesítmény). Lv fénysűrűség (Luminance) a felület egy pontjából adott Θ szögben dΩ elemi térszögbe kisugárzott Iv fényerősség. A sugárzó felület egységnyi területére eső fényerősség. Mértékegysége cd/m2, watt/srm2. θ dΩ dA cosθ dΩ v L d2Fv = dA Imax IΘ Ikons. θ dA cosθ v L Iv = A fényes, tükröződő felületek fényerőssége a nézési iránytól függően változó, az un. Lambert féle matt felületek fényerőssége a nézési iránytól függetlenül állandó.

Példa: LCD képernyő fénysűrűsége Az LCD képernyők minőségének egyik jellemzője a képpontok (maximális) fénysűrűsége. Pl. 500 cd/m2. A nagyobb max. fénysűrűség nyilvánvalóan jobb kontrasztot képez a képernyő fekete szintjéhez képest. A fénysűrűség adott irányból mért mennyiség. Az LCD képernyők jellemző technológiai fogyatékossága, hogy a fénysűrűség a látószögtől függően változik.

Figyelmeztetés: a színeket szemléltető képek nem valósághűek! 2D-3D grafika Színmértan Figyelmeztetés: a színeket szemléltető képek nem valósághűek!

Színmérés feladata A színmérés feladata, hogy a fény fizikai összetételét (hullámhossz, teljesítmény)… a) a (szín)érzet szempontjából számszerűsíthető mennyiségekkel meghatározza, b) két (szín)érzet közötti különbséget számszerűen kifejezze, c) a (szín)érzet látási és megvilágítási körülményektől, a képi tartalomtól függő módosulását előre jelezze. A színméréssel kapott mérőszámok alapján a színeket - a színemlékezetünktől függetlenül - bármely képalkotó eszközzel újra előállíthatjuk, a különböző képfelvevő, képrögzítő, képtovábbító, képalkotó eszközök színterjedelmét összehangolhatjuk. A színmérés történhet: 1. abszolút (fizikai) mennyiségekkel (fotometria), 2. feketetest sugárzó különböző hőmérsékleteken keletkező színeihez viszonyítva (korrelált színhőmérséklet), 3. három reprezentatív szín mennyiségi aránya alapján (trikromatikus szín-összehasonlítás).

Korrelált színhőmérséklet A korrelált színhőmérséklet a közel-fehér fényforrások egytényezős jellemzője. A fényforrásokhoz igazodó képrögzítő anyagokat pl. filmeket ugyancsak színhőmérséklettel jellemzik. Eszerint egy fényforrás színe olyan „hőmérsékletű”, hogy megfelel* (korrelál) a fekete test sugárzó adott hőmérsékleten keletkező színéhez. Pl. a wolframszálas izzólámpa korrelált színhőmérséklete 2800 K, azaz a színe hasonlít a 2800 K hőmérsékletű feketetest sugárzó színéhez. A fényforrás üzemi- és színhőmérséklete között tehát nincs közvetlen fizikai összefüggés. T=15000 K T=12500 K T=10000 K T=7500 K Abstract: Correlated colour temperature is a one-dimensional description of the colour of near-white light sources. The concept relates the numerical value to a visual observation of smallest colour difference between the chromaticity of the test source and of a point lying on the Planckian locus. In practice, chromaticity difference on a uniform chromaticity scale diagram is used. Since the introduction of the CIELUV and CIELAB spaces, it has been questioned whether the calculations should be done on the traditional u,v diagram, or by using a more equidistant colour space. Based on our visual experiments, we can state that the u,v diagram-based calculation is adequate to describe the correlated colour temperature of a source. The individual scatter of observations is so large that a visual definition has no practical reality. Thus, we recommend changing the definition of correlated colour temperature from a visual definition to a mathematical one and dropping any reference to visual investigations. © 2001 John Wiley & Sons, Inc. Col Res Appl, 26, 450–457, 2001 Key words: colour temperature; correlated colour temperature INTRODUCTION In engineering practice it is often required to characterize a phenomenon with the least possible parameters, even if some conventions have to be set to make the definition unambiguous. This was the case in colorimetry, when the concepts of colour temperature and correlated colour temperature were defined by the CIE. Colour temperature (Tc)1 has a simple definition based on the chromaticity of a Planckian radiator, where the temperature of the radiator is used to describe the x,y chromaticity of the radiation. (The temperature of a Planckian radiator whose radiation has the same chromaticity as that of a given stimulus. For further details see Appendix A.) The concept of correlated colour temperature is somewhat more complicated, as it has both a visual (perception-based) and a colorimetric (psychophysical) definition. Correlated colour temperature (Tcp) is the temperature of the Planckian radiator whose perceived colour most closely resembles that of a given stimulus at the same brightness and under specified viewing conditions. The International Lighting Vocabulary adds two notes to the above definition: 1. The recommended method of calculating the correlated colour temperature of a stimulus is to determine on a chromaticity diagram the temperature corresponding to the point on the Planckian locus that is intersected by the agreed isotemperature line containing the point representing the stimulus. Note that the Planckian locus is the locus of the chromaticities of Planckian (blackbody) radiation of different temperatures in a chromaticity diagram. (see CIE Publication No. 15). 2. Reciprocal correlated colour temperature is used rather than reciprocal colour temperature whenever correlated Cool White: hidegfehér Daylight Fluorescent: nappali fényű fénycső Fluorescent: fénycső (sokan ezt hívják helytelenül neon-nak, irodákban szinte kivétel nélkül ez van) Halogen: halogén High Pressure Sodium: nagynyomású nátrium (ezt használják a közvilágítási lámpatestekben az utcán!!!, sárgás színű) Incandescent: izzólámpa Low Pressure Sodium: kisnyomású nátriumlámpa (ezt Mo.-on nagyon ritkán alkalmazzák, esetleg benzinkutak bekötőútjain, nagyon sárga) Mercury: higyanylámpa (régebben alkalmazták, főleg kültéren, fehéres színű) Metal Halide: fémhalogén (manapság ez váltotta föl a higanyt, kékes-fehér színű) Phosphor mercury: megmondom őszintén fogalmam sincs Quartz: kvarclámpa (régebben az volt a szolárium őse! ) White fluorescent: hidegfényű fénycső (ritkán használják fehérbe hajló színe van). Xenon: xenon (ezt használják manapság az autó fényszórójában, kékes színű). felhős égbolt 6500 napkorong (tengerszintről mérve) 5600 átlagos napfény, vakú, D50-es színes film 5000 wolfram izzók prof. fotósoknak 3200 60 W-os izzó, napkelte, naplemente 2800 gyertya 1200 Fényforrás Kelvin erősen felhős égbolt 8000 tiszta kék égbolt 10000 T=5000 K T=2500 K * megfelelés követelményei: a két színinger (1) spektrális eloszlása azonos, vagy (2) hasonlóak, metamer egyezés, vagy (3) a CIE színkoordinátáik azonosak.

Példa: fehér egyensúly Az emberi látás a fényforrások színéhez adaptálódik, az anyagok „valódi”, azaz a napfényben megtanult színét bizonyos határok között kiegyensúlyozatlan megvilágításban is helyesen érzékeli (von Kries színadaptáció). Más a helyzet a képekkel, melyeknek a színeit csak akkor tartjuk természetesnek, ha az emberek, ismert tárgyak stb. megvilágítása fehér (napfény) színű. Az ideális fényforrás a napfény spektrális teljesítmény-eloszlását közelíti, amely a látható fényből minden hullámhosszúságú sugárzást tartalmaz. A gyakorlatban használt mesterséges fényforrások hullámhossz összetétele nem egyenletes, a színük a kékes, zöldes, sárgás, vöröses irányba tolódik. A képrögzítő eszközök (filmemulzió, szenzor stb.) érzékenységét a különböző hullámhosszakon a fényforrások színösszetételéhez kell igazítani. A korrekció kiindulópontja a fehér szín, mivel a fényforrások elszínező hatása a világos telítetlen színű felületeken érzékelhető a legerősebben. Látvány fehér fényben Látvány sárgás fényben Kék szűrős korrekció

Színrendszerek I. II. III. Színmérő rendszerek (színingermérő rendszerek) • CIE 1931 XYZ (általános) • CIE színességi diagramok (általános) • CIE 1976 Luv (összeadó színkeveréshez) • CIE 1976 Lab (kivonó színkeveréshez) • CIE 1997 Cam (médiák közötti adatcseréhez) Commission Internationale de l’Éclairage (Nemzetközi Világítási Bizottság) www.cie.co.at II. Eszközvezérlő rendszerek (eszközfüggő színrendszerek) • RGB (elektronikai eszközök) • HSV, HLS (számítógépes grafika) • LUV, YIQ, YCC (TV - videó) • CMY, CMYK (nyomtatók, nyomdagépek) III. Színminta gyűjtemények (színrendelő rendszerek) • Munsell 1906 - (általános célú katalógus) • RAL 1927 - (fémfestékek, építőipar, gépgyártás) • Pantone 1963 - (textil-, műanyag és nyomdaipar) • Színetalonok (NPL, NBS, OMH stb.) (színmérő műszerek ellenőrzéséhez)

Történeti előzmények I. Newton (1643-1727) J.H. Lambert (1777-1828) Kör alakú színrendszer. 7 spektrum alapszín: ibolya, indigó, kék, zöld, sárga, piros.. A spektrum két szélső színe keverhető. J.H. Lambert (1777-1828) Gúla alakú színrendszer. 3 alapszín: sárga, vörös, kék. Első térbeli színrendszerek egyike. J.C. Maxwell (1831-1879) Háromszög alakú színrendszer. 3 alapszín: vörös, zöld, kék. A.H. Munsell (1859-1918) Henger alakú színrendszer. 5 alapszín: piros, sárga, zöld, kék, bíbor. 3 színjellemző: színezett (Hue), telítettség (Chroma) világosság (Value). Festett színminták Szabadalmaztatott képlettel kézzel festett színminták 1906. Forrás: www.colorsystem.com

Színkeverés törvényei Grassmann metamer* törvényei:* szimmetria: ha A≡B, akkor B≡A tranzitivitás: ha A≡B és B≡C, akkor A ≡ C arányosság: ha A≡B, akkor αA = βB additivitás: ha A≡B, C≡D és (A+C)≡(B+D), akkor (A+D)≡(B+C). * A metamer színpárok színérzete azonos, spektrális energia-eloszlásuk azonban különböző. Metamer eredeti jelentése ugyanazon anyag különböző formában. ** Általános fotometriai mennyiségekre nem érvényesek. ≡ egyformának látszó, metamer egyezés. + színek összekeverése.

Trikromatikus színmérés – 3/1 G B Trikromatikus színmérés: Valamennyi színinger* reprodukálható három egymástól független szín** additív keverékével (Grassmann). Képlettel: Cmintaszín= R(R) + G(G) + B(B) A három szín súlyarányával a színek „mérhetők”, sőt a színek helye koordinátarendszerbe foglalható. A mintaszín és három alapszín keverékének összehasonlításán alapuló színmérést színmegfeleltetésnek (Color Matching) nevezik. *** * Színinger: adott színérzetet kiváltó fizikai inger, pl. fényforrás vagy festék „színe”. ** A három szín akkor független egymástól, ha egyik sem hozható létre a másik kettő keverékeként. *** Az összehasonlító színmérés alapja a színek metamerizmusa. P1 P2 P3 PM

Trikromatikus színmérés – 3/2 Zöld Negatív színek: A három alapszínnel történő mérés fogyatékossága: két szín additív keveréke mindig kevésbé telített színt eredményez, és a hozzáadott harmadik alapszín a fehértartalmat növeli. Ezért a színek egy része csak két méréssel katalogizálható. 1. Az első mérés a mintaszínt összehasonlítja a három alapszín keverékével. 2. A második mérés a mintaszínhez a harmadik alapszínből annyit tesz hozzá, annyival tompítja, hogy az megfeleljen a színmeghatározó keverékhez. Ez utóbbi hozzáadott alapszín értéke tehát negatív lesz. -30% Vörös C 0% Vörös C’ +33% Vörös +66% Vörös Kék Vörös P1 P2 P3 PM

Trikromatikus színmérés – 3/3 Az összehasonlító színmérés csak vizuálisan végezhető el, mert a metamer egyezést csak az agy képes megállapítani. Olyan módszerre van szükség, amellyel a színmérés vizuálisan és műszeresen egyaránt elvégezhető. Megoldás: 1. Három – egymástól független – alapszín, az un. alapszín-ingerek szabványosítása. 2. Az alapszínek arányát a spektrum minden hullámhosszán kísérleti módszerek pontosságával megmérni. Az így kapott három un. színinger-megfeleltető függvény segítségével a mérendő színinger (színminta) spektrális eloszlásában hullámhosszról - hullámhosszra (dλ-ként) kiszámítható az alapszín-ingerek mennyiségi aránya. Az értékek összesítése (integrálása) ugyanazt az eredményt adja mint a vizuális összehasonlító színmérés. 4. Összesítés után kapott három értékkel, elnevezésük színinger-összetevők, mint vektorokkal a vizsgált szín 3D-s vagy 2D-s koordináta-rendszerben (un. színességi diagramban) ábrázolható. Színmérő készülék 1931-ből.

CIE 1931-es színmérő észlelő CIE 1931 Standard Colorimetric Observer (szabványos színmérő észlelő) a CIE 1931-ben szabványosított színinger-mérő rendszere. 1. Kiindulópont: rgb színinger-megfeleltető függvények Szabványosított három alapszín-inger (Tristimulus Values): reprodukálható 700, 664,1 és 435,8 nm-es monokróm fényforrások, jelölésük R, G, B. Guild és Wright mérései alapján szabványosított színinger-megfeleltető függvények (Color matching functions), 380-780 nm-es tartományban 10 nm-es intervallumokban tabulált táblázatos adatok, jelölésük felülvonással ellátott r̅(λ), g̅(λ), b̅(λ). A mérési látószög 2º-os. 0.4 b r g 0.2 Színinger összetevö értékek 0.0 -0.1 400 500 600 700 λ Hullámhossz (nm) CIE 1931-es 2º-os rgb színinger-megfeleltető függvények. Egyes hullámhossztartományokban két függvény értéke negatív, amely megnehezítette korabeli (1931) színmérő számításokat, amelyek kézzel történtek.

CIE 1931-es színmérő észlelő 2. Transzformáció: xyz színinger-megfeleltető függvények A számítások egyszerűsítése érdekében az r̅(λ), g̅(λ), b̅(λ) színinger-megfeleltető függvényeket transzformációs mátrix átosztja. Az eredmény az x̅(λ), y̅(λ) és z̅(λ) színinger-megfeleltető függvények, s az R, G és B alapszín-ingereket X, Y és Z elnevezésű nem valóságos alapszín-ingerek (Tristimulus values) helyettesítik. Tehát a színek meghatározása továbbra is három alapszín arányával történik, de ezek az alapszínek már nem valóságosak, nem realizálhatók. A színek felszorzását Grassmann addíciós törvénye megengedi. 700 Hullámhossz (nm) 600 500 400 λ 0.0 1.0 2.0 z y x CIE 1931 xyz színinger-megfeleltető függvények, azaz CIE 1931-es szabványos színmérő észlelő. CIE 1931-es transzformációs együtthatók X = 2.76888 R +1.75175 G + 1.13016 B Y = 1.00000 R + 4.59070 G + 0.06010 B Z = 0.00000 R + 0.05651 G + 5.59427 B

CIE 1931-es színmérő észlelő 3. Színinger mérése A CIE megfogalmazása szerint az 1931-es szabványos színmérő észlelő (Standard Colometric Observer) a mérendő színinger X,Y és Z alapösszetevőit az x̅(λ), y̅(λ) és z̅(λ) színmegfeleltető függvények szerint határozza meg. A színmérés, azaz színinger-összetevők (Tristimulus Values) kiszámítása a mintaszín spektrális eloszlása és a három színinger-megfeleltető függvény szorzatának összesítésével (integrálásával) történik. A képletben… ▪ X,Y,Z a színinger-összetevők egyezményes jelölése, az adott képzetes alapszínekre utaló nagybetűk, ▪ k konstans a világosság meghatározásához, ▪ x̅, y̅, z̅ színinger-megfeleltető függvények, ▪ dλ mérési hullámhossz-köz, rendszerint 10 nm vagy 20 nm. ▪ Leλ a mintaszín műszerrel mért spektrális eloszlása, Ha vizsgált szín tárgyszín, akkor Leλ helyett S(λ) • ρ(λ) ahol S(λ) vizsgált színmintát megvilágító fény(forrás) spektrális eloszlása, ρ(λ) a felület spektrális reflexiós tényezője. X = k ∫ Leλ • x(λ) dλ Y = k ∫ Leλ • y(λ) dλ Z = k ∫ Leλ • z(λ) dλ _ 780 380

CIE 1931-es színmérő észlelő Relatív S(λ) ρ(λ) 1 780 λ 380 ρ(λ)S(λ) = x 1.2 Minta ρ(λ) D65 S(λ) Relatív ρ(λ) Relatív L 380 λ 780 S(λ) ρ(λ) x(λ) 1.8 780 λ 380 X S(λ) ρ(λ) ŷ(λ) Y S(λ) ρ(λ) ž(λ) Z x szining.össz. x(λ) − y szining.össz. y(λ) z szining.össz. z(λ) x = 380 λ 780 Egy színminta színinger-összetevőinek számítása. Kiinduló adatok a minta, és a mintát megvilágító fényforrás (pl. D65 fehér) spektrális reflexiós- illetve teljesítmény-eloszlása: ρ(λ) és S(λ). 1. lépés: ρ(λ) és S(λ) összeszorzása. 2. lépés: ρ(λ)S(λ) és a három színinger-megfeleltető függvény összeszorzása. 3. lépés: a három függvény - görbe alatti területének - integrálása. Egy színminta színinger-összetevőinek számítása. Kiinduló adatok a minta, és a mintát megvilágító fényforrás (pl. D65 fehér) spektrális reflexiós- illetve teljesítmény-eloszlása: ρ(λ) és S(λ). 1. lépés: ρ(λ) és S(λ) összeszorzása. 2. lépés: ρ(λ)S(λ) és a három színinger-megfeleltető függvény összeszorzása. 3. lépés: a három függvény - görbe alatti területének - integrálása.

Spektrumszínek két másik nézetből CIE XYZ 1931 színtér Spektrumszínek két másik nézetből 4. Színinger ábrázolás térben Az XYZ színinger-összetevők ábrázolása az XYZ és az xyY derékszögű koordináta-rendszerekben történik. Az XYZ színtér (XYZ Color Space) normalizált, a színinger pontok a három egységvektorral kifeszített egységsíkra kerülnek. Egy színinger koordinátái az XYZ színinger-összetevők és azok összegének hányadosa, jelölésük: x, y, z. x=X/(X+Y+Z) y=Y/(X+Y+Z) z=Z/(X+Y+Z) így x+y+z=1 A színinger koordináták elnevezése színességi koordináták. C Yc Y=1 Színességi diagram X=1 Xc Spektrumszínek Egységsík Zc Z=1

CIE xyZ 1931 színességi diagram Xc Yc C Zc 5. xyY színességi diagram Z koordináta redundáns adat, ezért elmarad, az XYZ egységsík a koordináta-rendszer xy síkjára vetül, a színeket x,y koordináta-pár határozza meg, z = 1 - x - y. Az ábrázolási mód elnevezése xyY színességi diagram. Az xyY színességi diagram is 3D-s koordináta-rendszer. A harmadik tengelyen az Y színinger-összetevő mennyisége, azaz a színinger világossága ábrázolható. E tengely jelölése nagybetűs Y. Lásd a következő képet. Y=100 x=1 y=1 Színességi diagram R=1 G=1 B=1 Hullámhossz (λ) 700 564,1 435,8 Fénysűrűség (L) 1 4,59 0,06 x,y koordináták 0.73,0.26 0.27,0.71 0.17,0.01

CIE xyY 1931 színességi diagram 6. Világosság: nagybetűs Y tengelyen A színingerek világossága a y̅(λ) színmegfeleltető függvénnyel számítható, mert annak alakja a V(λ) láthatósági függvénnyel azonos. Az eredmény a nagybetűs Y tengelyen ábrázolható. Eszerint az xy síkon a színingerek feketék. E sík elnevezése alychne (lat. fény nélkül). A számításhoz a k konstans (fénysűrűségi index) úgy kell megválasztani, hogy az Y színösszetevő mennyiségét 0−100 érték közé normalizálja. Ha színminta tárgyszín, k konstans értékét úgy kell megválasztani, hogy a mintát megvilágító referencia fehér fényben az Y színösszetevő mennyisége 100 legyen. Ha a színminta önsugárzó (pl. képernyő), és spektrális eloszlása tényleges radiometriai mennyiség, 1k = 683 lumen/watt. y = V(λ) y=1 x=1 Alychne sík Y=100 ∫ Sfehér(λ) • y(λ) dλ k = 100

CIE xyY 1931 színességi diagram Helyek (Locus*) Spektrum színek Bíbor színek Feketetest színek (Planck görbe) Izotermikus vonalak CIE szabványos sugárzások E ee fehér (5500 K, 0.33, 0.33) A háztartási wolfram izzó (2856 K, 0.45, 0.41) B közvetlen napfény (4874 K, 0.35, 0.35) D65 természetes nappali (6504 K, 0.31, 0.33) C átlagos nappali (6774 K, 0.31, 0.32) (∞ K, 0.24,0.23) X Y E A 8 D65 4800 K 5500 K 6500 K 7500 K 10000 K C B G = 564.1 λ (0.27,0.72) R = 700.0 λ (0.73,0.26) B = 435,8 λ (0.17,0.01) 250 CIE A sugárzás 250 CIE D65 sugárzás rel. L rel. L *locus, loci - lat. hely, helyek. 380 λ 780 380 λ 780

CIE xyY 1931 színességi diagram Domináns hullámhossz: a színárnyalat (Hue) jellemzője: az adott színnel azonos színezetű monokromatikus fény hullámhossza. Helyét a spektrum színek görbéjén az E ee fehér és az adott szín koordinátapontján átfektetett egyenes jelöli ki. (Pl. S1 → P1) Domináns komplementer hullám-hossz: a bíbor színek komplementer spektrum színe. (Pl. S2 → P2) Kibocsátási tisztaság a telítettség (Saturation) jellemzője: b P2 S3 a D65 S = (a+b) a S1 S2 X

CIE xyY 1931 színességi diagram Gamut (színterjedelem) a képrögzítő és megjelenítő eszközök színrögzítő illetve színvisszaadó képessége. Példák: PAL/Secam (európai tv) NTSC (USA tv) CMYK (átlagos nyomtató) A képalkotó lánc (pl. szkenner – képernyő – printer) színeinek összehangolására a Color Management eljárás szolgál. A színkezelés beállításai, az un. színprofil elmenthető a képfájlban vagy külön az ICC* által szabványosított formában (ICC Color Profile). *ICC - International Color Consortium www.color.org PAL/Secam tv Átlagos nyomtató NTSC tv 0.21,0.71 0.29,0.60 0.60,0.55 0.64,0.33 E 0.67,0.33 0.17,0.25 0.32,0.17 0.14,0.08 0.15,0.06 X

CIE színesség diagrammok 1931-76 CIE XYZ és xyY fogyatékosságai Kék tartomány (λ 460 nm alatt) elégtelen, színingerek közötti távolság nem egyenletes, Módosítások 1976-ig Színmegfeleltető függvények 10º-os látószöggel: 1964 Supplementary Standard Observer. Projektív transzformációkkal átosztott CIE xyY: CIE 1964 UCS**, CIE 1976 UCS egyenletes közű színességi diagramok. CIE 1931 xy színesség diagram CIE 1964 uv színesség diagram CIE 1976 u’v’ színesség diagram y v u v’ u’ Színmegfeleltető függvények 10º-os látószöggel: Stiles & Burch (1959) és Speranskaya (1959) adatai alapján. x x=X/(X+Y+Z)= y=Y/(X+Y+Z)= u=4X/(X+15Y+3Z)=4x(-2+12y+3) v=6Y/(X+15Y+3Z)=6y(-x+12y+3) u’=4X/(X+15Y+3Z)=4x(-2+12y+3) v’=9Y/(X+15Y+3Z)=9y(-2x+12y+3) * UCS - Uniform Chromaticity Scale

CIE 1976-os átdolgozás L*  116 (Y/Yn)1/3 – 16 1931-es örökség: A színingertér továbbra sem egyenletes. A színesség és a világosság meghatározása egymástól független, Világosság árnyalatok lineárisak, (a világosság érzékelés nem lineáris). 1976-os átdolgozás szempontjai: Egyenletes közű színingertér, Színesség és a világosság összekapcsolása, Nem lineáris (hatványkitevős) világosság skála. Y világosság helyett L* relatív világosság. Két tengelyes színesség meghatározás (uv ill. ab) a televízióhoz hasonlóan, CIE Luv és a CIE Lab, két egyenértékű színrendszer. 1 L1/2 116L1/3-16 Világosság L1/3 Relatív fénysűrűség 1 L* világosság tényező: a színek referencia fehérhez viszonyított fényerőségük / fényvisszaverő tulajdonságuk szerint fekete (0) - fehér (100) közötti zárt nem lineáris skálán helyezkednek el. L*  116 (Y/Yn)1/3 – 16

CIE L*u*v* 1976 v* Kivonó színkeveréshez (TV, videó, dig. kamera, számítógép) használt eszköz-független színrendszer. CIE 1976 L*u*v* az 1976 UCS egyenletes léptékű színességi diagram projektív átosztása. L* (mint Lightness) világosság tengelyen a színek akromatikus világossága referencia fehérhez viszonyított fényerőségük / fényvisszaverő tulajdonságuk szerint osztályozhatók fekete (0) és fehér (100) közötti zárt skálán. u* és v* tengelyek a CIE 1976 u’v’ tengelyek a fehér pontba tolva. u*

CIE L*u*v* 1976 Forrás: Wyszecki és Stiles, 1982

CIE L*a*b* 1976 +b Összeadó színkeveréshez (festékek, textil-, műanyag és nyomdaipar) használt eszköz-független színingertér. CIE 1976 L*a*b* a CIEXYZ koordináta-rendszer projektív átosztása. Az egymásra merőleges tengelyek felvétele a Hering ellenétes színek és a világosság csatorna elméletén alapul. L* (mint Lightness) világosság tengelyen a színek referencia fehérhez viszonyított fényerőségük / fényvisszaverő tulajdonságuk szerint fekete (0) és fehér (100) közötti zárt skálán helyezkednek el. a* tengely: zöld (−a) és vörös (+a) nyitott skála. b* tengely: kék (−b) és sárga (+b) nyitott skála. -a +a -b 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, Y/Yn, Z/Zn ≤ 0,008856, L*, a* és b* számítása lineáris: Xn,Yn,Zn fehér etalon színösszetevői adott megvilágítás mellett

CIE L*a*b* 1976 Forrás: Wyszecki és Stiles, 1982

CIELa*b* rendszerben a L 50 síkra vetítve ábrázolt festékszínek.

CIE 1997, új célok CIE Lab/Luv hátrányai: Új követelmények: - szabványosított mérési (megvilágítási) körülmények, a rendszer csak egy időben látott mintákkal működik. - nem méri az közelben levő színek, a háttér, a környezet, a változó fénysűrűség és az észlelés mint kognitív folyamat hatását. - nem jelezhető előre a megváltozott megvilágítási körülmények között a színek világosság és színdússág változását. Új követelmények: - a színek megjelenése módosul média váltásnál. Ugyanaz a CIE XYZ szín másnak látszik a képernyőn és a nyomaton, - azonos médiával, de különböző megvilágítási körülmények között, - adaptáció. Színmegjelenés modell: Új cél előre becsülni (predict) a színek megjelenését (color appearance). A CIECAM (Color Appearance Model) a CIE 1997-ben bevezetett kísérleti számítási rendszere Utolsó verzió 2002 CIECAM02 egyszerűsített változat.

CIECAM 1997-2002 Technikai különbségek: Eltérő látási körülmények: Egy szín megjelenését megváltoztatják Technikai különbségek: - eltérő fénysűrűség, - eltérő felbontás (színben, térben), - eltérő képjellemzők (gamma, gamut, dinamika, stb.) Eltérő látási körülmények: - szomszédos színek, - háttér megvilágítása, - környezet megvilágítása, Különböző képi tartalom: - pszichofizikai tényezők, - pszichológiai tényezők: méret, alak (forma), mélység, szerkezet. - kognitív értékelés. http://ise.stanford.edu/class/psych221/projects/98/ciecam/Project.html

CIECAM tipikus látómező specifikáció Bemeneti adatok (relatív értékek) Minta XYZ színinger-összetevői Referencia fehér XwYwZw színinger-összetevői Háttér világossága (cd/m2) Környezet világossága (cd/m2) Adaptáció mértéke Különleges tényezők Stevens hatás Hunt hatás Környezeti hatás Szimultán kontraszt Élénkülés (crispening) Csillogás (flare) Színterülés (spreading) Színadaptáció stb. Környezet Háttér 2º Színinger Proximális mező 10º CIECAM tipikus látómező specifikáció

CIECAM 1997-2002 Kimeneti adatok (előrejelzések) Relatív világosság (Lightness), a minta (színinger) világossága – fénykibocsátása – egy hozzá hasonlóan megvilágított, fehérnek vagy erősen fényáteresztőnek látszó felület (referencia fehér) világosságához képest. Króma (Chroma) relatív színdússág, a minta (színinger) relatív színtartalma – színdússága – egy hozzá hasonlóan megvilágított, fehérnek látszó felülethez képest. Színezett (Hue), a minta (színinger) színe. Eredeti Világosság Króma http://ise.stanford.edu/class/psych221/projects/98/ciecam/ColorViewer.html Színezet

CIE szótár Szín (Color) színességgel vagy szín nélküliséggel jellemezhető vizuális érzet, amelynek tartalma leírható színelnevezésekkel. Relatív és nem relatív színek (Related Color, Non Related Color) A relatív színek csak más színekkel együtt láthatók. A nem relatív színek csak más színektől elszigetelve láthatók. Egyes színek csak az egyik vagy a másik csoportba tartoznak. Pl. barna vagy a szürke mindig relatív színek, elszigetelve a barna narancssárga, a szürke fehér. A fényforrások színe tekinthető elszigetelt nem relatív színeknek. Referenciaszínek: vörös, zöld, kék, sárga További színek narancs, barna, lila Akromatikus elnevezések: fehér, fekete, szürke Megjelenés: sötét, világos, halvány, tompa, fényes stb.

CIE szótár Színezet (Hue, H) a vizuális érzetnek az a jellemzője, amely szerint egy felület hasonlít a vörös, sárga, zöld és kék elnevezésű érzet egyikéhez vagy közülük kettő kombinációjához. A színezet a spektrális összetétel függvénye. Fokozatai normalizált skálán, pl. kör alakú skálán 0-360º szöggel, vagy lineáris skálán vörös (0), sárga (100), zöld (200), kék (300) és ismét vörös (400) számokkal mérhetők. A négy pszichológiai színérzet alapja Hering ellentétes színei, amelyek együtt nem észlelhetők: nincs kékes-sárga, és nincs vöröses zöld. A négy alapszín nyelvileg is megalapozott, más színelnevezésekkel vagy azok kombinációival nem írhatók le. Akromatikus szín (Achromatic Color) az a szín, amelynek nincs színezete. Kromatikus szín (Achromatic Color) az a szín, amelynek van színezete.

CIE szótár Világosság (Brightness, Q) a vizuális érzetnek az a jellemzője, amely szerint egy felület több vagy kevesebb fényt bocsát ki. A világosság a felület megvilágítottságának a függvénye. Az erősebben megvilágított felület világosabbnak látszik mint a gyengébben megvilágított. Nyílt végű skálán mérhető, melynek kezdőpontja a fekete. A világosság abszolút rangsorolás eredménye. Relatív világosság (Lightness, L) egy felület világossága egy hozzá hasonlóan megvilágított, fehérnek vagy erősen fényáteresztőnek látszó felület (referencia fehér) világosságához képest. Képlettel: L = Q / Qfehér Fokozatai zárt skálán mérhetők, amelynek kezdőpontja a referencia fekete (0), végpontja a referencia fehér (100). A relatív világosság lokális látási szituációban keletkező érzetek közvetlen összevetésének eredménye. 0 ref. fekete 100 ref. fehér

CIE szótár Színdússág (Colourfulness, M) Króma (Chroma, C) Színdússág a vizuális érzetnek az a jellemzője, amely szerint egy felület több vagy kevesebb színtartalmat mutat. A színdússág a felület megvilágítottságától is függ: az erősebben megvilágított felület színe erőteljesebbnek látszik, mint a gyengébben megvilágítotté. Fokozatai nyílt végű skálán mérhetők, amelynek kezdőpontja a szín nélküli szín (0), azaz a szürke. A színdússág abszolút rangsorolás eredménye. Króma (Chroma, C) relatív színdússág, azaz egy felület színdússága egy hozzá hasonlóan megvilágított, fehérnek látszó felülethez képest. Képlettel: C = M / Qfehér Fokozatai nyílt végű skálán mérhetők, amelynek kezdőpontja a szín nélküli szín (0), azaz fehér vagy szürke. A króma lokális látási szituációban keletkező érzetek közvetlen összevetésének eredménye. Színdússág 0 szín nélküli szín – Króma 0 ref. fehér –

CIE szótár Telítettség (Saturation, S) egy felület saját világosságához viszonyított színdússága. Képlettel: S = Q / M vagy S = L / C. Ha egy világos felülethez színt keverünk, növekszik a telítettsége, és csökken a világossága. Fokozatai nyílt végű skálán mérhetők, amelynek kezdőpontja szín nélküli szín.

www.star.bme.hu © Batta Imre, 2006 www.star.bme.hu http://www.cs.umb.edu/~ram/courses/color/Applet/ColorViewer.html http://ise.stanford.edu/class/psych221/projects/98/ciecam/Project.html -1,5