Radiometria, fotometria, színmérés

Az előadások a következő témára: "Radiometria, fotometria, színmérés"— Előadás másolata:

1 Radiometria, fotometria, színmérés

2 Jelenségek leírására használt három kategória
Kategóriák mechanikai pld. fotometria Jelenség Mennyiség Egység világosság vagy láthatóság fénysűrűség cd/m2 távolság hosszúság méter

3 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.

4 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

5 Elektromágneses színkép

6 Radiometriai segédmennyiségek
d térszög: a sugárkúp által a gömbfelületből kimetszett terület és a gömbsugár négyzetének hányadosa: d=dA/r2

7 Színképfüggő mennyiségek
hullámhossz függés: X() szűrő áteresztés színképi eloszlás: dX/d  X Katódsugár-csöves monitor fényporainak színképi eloszlás

8 Radiometriai mennyiségek
Megnevezés Term Jele Egysége sugárzott energia radiant energy Q joule, 1 J  1 kgm2s-2 sugárzott teljesítmény radiant flux  vagy F watt (Js-1) besugárzás irradiance E Wm-2 sugárerősség radiant intensity I Wsr-1 sugársűrűség radiance L Wm-2sr-1

9 Radiometriai mennyiségek összefüggései
sugárzott teljesítmény  , F watt (Js-1) teljesítmény eloszlás   d/d Wm-1 sugárzott energia Q joule, 1 J  1 kgm2s-2 besugárzás 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

10 Besugárzás E  d /dA

11 Sugárerősség, pontszerű forrás
I  d /d

12 Sugársűrűség 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: L  dL /d  = d3 /(d dA cos d)

13 Távolságtörvény (inverse square law)
d  I d d  dA2/d2 d /dA2  E2  (I d)/dA2  (I dA2)/(dA2 d2) = E2  I / d2

14 Általánosított távolságtörvény
dE2  (L cos1 cos2 dA1) / d2

15 Lambert sugárzó Lambert radiator
sugársűrűsége szögfüggetlen: L()  L(,)  const.

16 Tükrös és diffúz reflexió

17 Lambert (reflektáló) felület
egyenletesen diffúzan reflektáló felület nincs tükrös reflexiója reflexiós együttható:  = refl/ be refl = be cosd r a reflektált sugársűrűség irányfüggetlen: Lrefl (d)= const.

18 Lambert reflektáló megvilá-gítás: E
visszavert sugárzás, a sugár-sűrűség irány-független:

19 Lambert cosinus törvény

20 Lambert sugárzó fénysűrűsége független a ,  szögtől
mivel a gömb felületén: 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

21 A féltérbe kisugárzott fényáram:
Lambert sugárzó esetén:

22 Fotometria az optikai sugárzást a látószerv színképi érzékenységének megfelelően értékeli vizuális alapkísérlet: fényinger egyenlőség határvonal eltünése villogás minimum azonos világosság:ez más összefüggést ad!

23 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)

24 Villogásos fotométer elvi felépítése

25 Mit ír le a V (l) -láthatósági függvény?
heterochromatikus villogásos fotometria eltünő-éles heterochromatikus fotometria látásélesség kritikus fúziós frekvencia látszólagos mozgás minimalizálás reakcióidő

26 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

27 Láthatósági függvények

28 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.

29 Világosban és sötétben való látás színképi érzékenysége

30 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LV() , általánosítva a sugárzás teljesítmény-eloszlását írhatjuk: SV().

31 A V (l) -láthatósági függvény használata

32 A fotometria alapjai a fenti összefüggések alapján a monokromatikus komponenseket összegezhetjük: ez adja a fotometria és radiometria kapcsolatát

33 A fotometria alapjai Nappali (fotopos) látás: V() , csapok közvetítik
sötétben (szkotopos) látás: V’() , pálcika-látás; szembíbor (rhodopsin), additivitás és proporcionalitás fennáll:

34 Fotometriai mennyiségek és egységek - 1
k és k’ konstansok: 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.

35 Fotopos, mezopos, szkotopos fotometria

36 Fotometriai mennyiségek és egységek - 2
fényerősség a pontszerű fényforrásból adott irányban, infinitezimális térszögben kibocsátott fényáram és a térszög hányadosa: jele: cd, egysége: kandela, 1 cd = 1 lm/sr

37 A kandela definíciója A kandela fényerősség SI egysége: azon Hz frekvenciájú monokromatikus sugárzást kibocsátó fényforrás fényerőssége adott irányban, amelynek sugárerőssége ebben az irányban 1/683 W/sr.”

38 A fényáram származtatása a fényerősségből

39 Fénysűrűség egysége:cd/m2, jele: Lv
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: egysége:cd/m2, jele: Lv

40 Megvilágítás Az adott pontot tartalmazó felületelemre beeső fényáramnak és ennek a felületelemnek a hányadosa egysége: lux, jele:lx; 1 lx = 1 lm/m2

41 Kontraszt, kontrasztviszony
kontraszt: ahol Lt a jel (target) fénysűrűsége Lb a háttér (background) fénysűrűsége kontrasztviszony:

42 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

43 Fényforrások fényhasznosítása
Fényforrás típusa Fényhasznosítás (lm/W) Izzólámpa/halogén izzó 14,4 / 17 LED 60 … 150 Kompakt fénycső 85 Nagynyomású fémhalogén lámpa 90 Nagynyomású Na-lámpa 116 Kisnyomású Na-lámpa 206

44 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.

45 Szkotopos, mezopos és fotopos tartomány

46 Láthatósági függvények

47 Fényhasznosítás változása
L, lámpa: cd/m2 Na cd/m2 Hg Fotopos: 0,05 0,05 Mezopos: 0,028 0,061 Szkotopos: 0,01 0,07 Különbség világosság észlelet, reakció sebesség és részletfelismerés között!

48 Belsőtéri látási feladat
Munkavégzéshez a szabványos fotometriai rendszer megfelelő leírást biztosít

49 Világosság – fénysűrűség összefüggés
Színes fény világosabbnak tűnik: Helmholz-Kohlrausch hatás Equivalens fénysűrűség fogalma L**=log(L)+C C=0, ,184y - 2,527xy ,656x3y + 4,657xy4

50 Azonos fény-sűrűség esetén észlelt világosság

51 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

52 Látás az úton 2°-os foveális nézéskor V(l) érvényes
periferiális nézéshez V10(l) -t kell definiálni + pálcika közreműködés

53 Az útjelző tábla olvasása
Táblát foveálisan látjuk, V(l) érvényes Akadályt parafoveá-lisan látjuk: V10(l) + pálcika látás

54 A reakcióidő változása a fénysűrűséggel különböző fényforrások esetén

55 Két azonos fotometriai értékű színkép

56 Káprázás figyelembevétele
Képernyős munkahelyen Ablak kápráztató hatása Általános mesterséges világítás Szomszédos munkahely helyi világítása Gépkocsi vezetés során fellépő hatások A káprázás színképi érzékenysége

57 Általános világítás kápráztató hatása

58 Képernyős munkahely optimális fénysűrűség (cd/m2) viszonyai

59 Két munkahelyes szoba elrendezés

60 Napi életritmus szabályozó hormonok és hatásuk

61 A világítás élettani hatásai
A fény hatása a napi életritmusra

62

63 Melatonin-elnyomás színképi hatásfüggvénye

64 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

65 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

66 A színmeghatározás történetéből
Young ( ) –Helmholtz ( ) 3 szín-látás

67 Ellenszín elmélet Ewald Hering (1834-1918): ellenszínek fehér-fekete
vörös-zöld Sárga-kék ellenszínek

68 Additív szubtraktív színkeverés

69 Az additív színegyeztetés alapkísérlete

70 Grassmann törvények 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. Színegyezés létrehozásához csak a választott alapszíninger a lényeges, a színképi összetétele nem. Az egyes színingerek erősségének folyamatos változtatásának hatására az eredő színinger is folyamatosan változik.

71 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

72 Additív színingerkeverés
Proporcionalitás Ha C1R1(R)+G1(G)+B1(B) akkor aC1aR1(R)+aG1(G)+aB1(B)

73 Színinger-megfeleltetés, színinger összetevők
R =  SR()   G =  SG()   B =  SB()  

74 A SZÍNINGER-METRIKA ALAPJAI Additív színegyeztetés
Fennáll a disztributivitás, additivitás és proporcionalitás törvénye Összehasonlító színingerek: vörös: 700 nm zöld: 546 nm kék: 435 nm

75 Az additív színegyeztetés alapkísérlete

76 Színigermegfeleltető kísérlet

77 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

78 CIE színingermetrika, 2 A színinger-egyenlet:
Alapszíningerek mennyiségei: a 3 alapszíninger egységnyi mennyiségének additív keveréke az equienergetikus színingerrel azonos észleletet keltsen.

79 Színinger-megfeleltető függvények (colour matching functions)

80 X,Y,Z színinger tér: CIE 1931 szabványos színinger-észlelő

81 RGB - XYZ matrix transformáció

82 A CIE 1931 színinger-megfeleltető függvények

83 CIE XYZ trirtimulusos érték-ek (színinger-összetevők), önvilágítók (fényforrások) esetén
a színinger-megfeleltető függvények Az függvény azonos a V(l) függvénnyel, k = 683 lm/W

84 szín(inger-) vagy színességi koordináták

85 Szín(inger-) vagy színességi diagram
R, G, B: katódsugár-csöves monitor alap-színingerei Planck sugárzók vonala

86 A színes-ségi dia-gram színes ábrája

87 Másodlagos sugárzók (nem önvilágítók) színmérése
ahol S(l) a megvilágító sugárforrás színképi teljesítményeloszlása r(l) a minta spektrális reflexiója

88 Szabványos sugárzáseloszlások és fényforrások
CIE A sugárzáseloszlás CIE D65 sugárzáseloszlás további nappali sugárzáseloszlások, grafikus iparban: D50 CIE A fényforrás CIE D65 szimulátor

89 CIE A sugárzáseloszlás
ahol: c0 = /- 1,2 m/s

90 CIE A- és D65 sugárzáseloszlás színképe

91 CIE 1931 és 1964 színingermérő rendszer
2°-os látószög: CIE 1931 10°-os látószög: CIE 1964 X10(), Y10(), Z10() színinger összetevők számítása

92 CIE 1931 és 1964 szabványos színingermérő észlelők

93 MacAdam ellipszisek The CIE x,y diagram színinger-megkülön-böztetési ellipszisek-kel

94 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

95 u’,v’ színességi diagram

96 A tárgy színe a diffúz reflexióból adódik
Átlátszatlan, nem fémes anyag diffúz reflexió beeső fény tükrös reflexió A tárgy színe a diffúz reflexióból adódik

97 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

98 Magasabbrendű színtan
A Hering féle opponens mechanizmus figyelembevétele: CIELAB színrendszer Színi áthangolódás: adaptálás a képernyőhöz Színvisszaadási kutatások (Sándor N.)

99 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

100 CIE 1976 a,b színinger-különbség és összetevői
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

101 Munsell rendszer képe

102 Az NCS színtér

103 A Coloroid színtér alakja

104 Különböző hőmérséklet fogalmak
Valódi hőmérséklet Sugárzási hőmérséklet Eloszlási hőmérséklet színhőmérséklet Korrelált színhőmérséklet

105 Fényforrások színi jellemzése
Fény(forrás) színinger-mérése színességi koordináták (domináns hullámhossz – gerjesztési tisztaság) színhőmérséklet korrelált színhőmérséklet Fényforrás színképe színvisszaadás

106 Szín (inger-) diagram vagy színességi

107 Korrelált színhőmérséklet
Azonos korrelált színhőmérsékletű vonalak (az u,v-diagramban merőlegesek a Planck görbére)

108 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

109 Színi áthangolódás - 1

110

111

112 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

113 Színmegjelenés függ a megvilágítástól:

114 Két sugárzó színképe, melyek színingerpontja azonos
Spetrális teljesítményeloszlás 180 160 140 120 rel. teljesítmény 100 80 60 40 20 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 hullámhossz, nm

115 A két sugárzó színpontja és a velük megvilágított minta színpontjai

116 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: Munsell színminta von Kries színi áthangolódás Színinger-különbség U*,V*,W* térben Ri =100-DEi, Ra = S(Ri )/8, i=

117 A színvisszaadás számítás folyamatábrája
Ref. illuminant Test source Equal CCT test source U*V*W* transf. Test smpls. illum. test smpl. CIE XYZ ref. illum. Colour CRI diff. CRA Chrom. adapt.

118 Színmegjelenési modell
Színészleletnek megfelelő színinger leírása két különböző környezetben Számos próbálkozás az elmúlt 10 – 20 évben Hunt modell CIECAM02 modell, figyelembe veszi: Színi áthangolódást Környezet fénysűrűségét Vizuális rendszer nonlinearitásait

119 CIECAM02 modell Bemenő mennyiségek: Jel színinger összetevői
Megvilágító színinger összetevői Fehér pont Y színinger összetevője Háttér fénysűrűsége Környezet jellemzői: világos, félhomályos, sötét

120 CIECAM97s modell Átfogó Tág ingerhatárok közt működjék: sötéttől világosig Tág adaptációs határok közt használható Az x,y,z függvényekre alapul Előrejelzések: színezeti-szög, világosság, telítettség, króma, színdússág Megfordítható Egyszerüsített és teljes változat Független színekre is alkalmas változat

121 CIECAM97s modell Bemeneti adatok Az adaptációs mező fénysűrűsége, LA
A minta színinger-összetevői a vizsgált fényforrással történő megvilágítás esetén A vizsgált körülmények közötti fehér-pont A vizsgált körülmények közötti háttér relatív fénysűrűsége,Yb Környezet hatása, kromatikus indukció, relatív világossági kontraszt tényező Látási körülmények (világos, alkonyi, sötét)

122 CIECAM97s modell Színi áthangolódás Indukciós szorzótényező számítása
Színképileg kihegyezett csap érzékenységi eloszlások módosított vonKries adaptáció. Indukciós szorzótényező számítása Nemlineáris hatás-kompresszió Megjelenés korrelátumok Vörös-zöld, sárga-kék érték, színezeti szög Relatív és abszolút világosság korrelátum Színdússág, króma, telítettség

123 CIECAM02 modell Kimenő mennyiségek: Színezeti szög / quadráns
Relatív világosság (korrelátum) Világosság (korrelátum) Telítettség (korrelátum) Chroma Színgazdagság

124 Magasabbrendű színtan
Színmegjelenési modellek Különböző fényforrásokkal való megvilágítás szimulálás (Madár G., Beke L.) Színharmónia az eltérések detektálására (Szabó F.)

125 Kognitív hatások Színmemória Kedvelt színek
Memóriaszínek és felhasználásuk az informatikában (Tarczali T.) Érzelmek színi megjelenítésének leírása Kedvelt színek Kulturális különbségek