K O L O R Y M E T R I A

K O L O R Y M E T R I A dr inż. Krzysztof Wandachowicz, / studenci/pomoce.html pok. 807, tel. 6652585, 0602 655505, Literatura: 1. Żagan W.: Podstawy techniki świetlnej. Oficyna Wydawnicza Politechniki Warszawskiej 2005, ISBN: 8372075417. 2. Bunting F., Fraser B., Murphy C.: Profesjonalne zarządzanie barwą, wydanie II. Helion 2006, ISBN: 83-7361-669-1. 3. Felhorski W., Stanioch W.,: Kolorymetria trójchromatyczna. WNT, Warszawa 1973. 4. Schanda J., Handbook of Applied Photometry, chapter 9 Colorimetry. DeCusatis Casimer (EDT). Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 1 Promieniowanie Promieniowanie to przenoszenie energii bez pośrednictwa materii. Najczęściej promieniowanie jest traktowane jako promieniowanie elektromagnetyczne, czyli takie, któremu przypisuje się naturę falową (teoria Christiana Huygensa). Teoria korpuskularna światło to przenoszenie cząstek energii (Isaac Newton). Białe światło składa się z promieniowań barwnych (Newton). Promieniowania barwne mają różne długości fali (1822, Fresnel). Max Planc w teorii kwantowej określił energię promieniowania E proporcjonalną ze stałą h do częstotliwości promieniowania v: E = h v Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 2 1

Promieniowanie docierające do powierzchni Ziemi zawiera różne zakresy długości fali Nazwa Długość fali λ Właściwości Gamma < 10nm towarzyszy rozpadowi pierwiastków promieniotwórczych, w reakcjach jądrowych, niszczy wszystkie żywe komórki, także nowotworowe Rentgenowskie od 1/10000nm w diagnostyce medycznej wykorzystuje się fakt, że mięśnie przepuszczają promienie do 50 nm rentgenowskie a kości pochłaniają Ultrafioletowe Widzialne Podczerwone Mikrofalowe od 100 nm do 400 nm od 380 nm do 780 nm od 700 nm do 2 mm od 0.1 mm do 30 cm Radiowe > 0.1 mm radio, telewizja UVC (100nm - 280nm) daleki nadfiolet, szkodliwe dla organizmów żywych, bakteriobójcze, powoduje raka skóry. UVB (280nm - 315nm) średni nadfiolet, opalanie, zaczerwienienie skóry. UVA (315nm - 400nm) bliski nadfiolet, opalanie (solaria), stymulowanie wytwarzania witaminy D, żółknięcie, zmniejszenie wytrzymałości i trwałości materiałów zakres promieniowania elektromagnetycznego, który ma zdolność wywoływania wrażeń wzrokowych promieniowanie nazywane cieplnym, wytwarzane przez rozgrzane ciała radary (pomiar prędkości pojazdów), podgrzewanie potraw w mikrofalówkach Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 3 Promieniowanie Światło docierające do powierzchni Ziemi zawiera pełen zakres promieniowań monochromatycznych (widmowych, czyli takich które mają różną barwę). Światło lamp cechuje się różną intensywnością promieniowań widmowych i nie zawsze pokrywa cały zakres widzialny. Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 4 2

Oko i widzenie - Rogówka - Źrenica - Płyn wodnisty - Soczewka - Ciało szkliste - Siatkówka - Dołek środkowy - Plamka żółta Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 5 Oko i widzenie Siatkówka 130 mln fotoreceptorów, czopki (7 mln) i pręciki (120 mln) czopki i pręciki na siatkówce czopki w dołku środkowym Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 6 3

Oko i widzenie Rozkład czopków (cone) i pręcików (rod) na siatkówce Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 7 Oko i widzenie Ślepa plamka Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 8 4

Oko i widzenie Czułość widmowa fotoreceptorów Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 9 Oko i widzenie Względna widmowa skuteczność świetlna dla widzenia dziennego V(λ), dla widzenia nocnego V (λ) oraz względna widmowa skuteczność cyrkadialna C(λ). Normalny obserwator fotometryczny CIE idealny obserwator, którego krzywa względnej czułości widmowej jest zgodna z funkcją V(λ) V(λ) maksymalna czułość 555 nm V (λ) maksymalna czułość 507 nm C(λ) maksymalna czułość ok. 450 nm CIE Commission Internationale de l Eclairage (Międzynarodowa Komisja Oświetleniowa) Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 10 5

Oko i widzenie Zestawienie cech czopków i pręcików Cechy CZOPKI PRĘCIKI widzenie umożliwiają widzenie barwne umożliwiają widzenie w odcieniach szarości działanie rozmieszczenie połączenia nerwowe działają przy wysokich poziomach oświetlenia L > 10 cd/m 2 rozmieszczone są nierównomiernie występują najliczniej w środkowej części siatkówki w tzw. żółtej plamce (dołku środkowym) tylko czopki mają niezależne połączenia nerwowe z ośrodkami wzrokowymi w mózgu co umożliwia ostre widzenie obiektów działają przy niskich poziomach oświetlenia L < 0.01 cd/m 2 rozmieszczone są nierównomiernie występują najliczniej na obwodzie siatkówki pręciki łączone są w grupy co powoduje brak możliwości rozróżniania szczegółów Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 11 Widzenie Widzenie Zakres luminancji Opis widzenie nocne (skotopowe) L < 0,01 cd/m 2 działają tylko pręciki widzenie w skali szarości widzenie zmierzchowe (mezopowe) 0,01 < L < 10 cd/m 2 działają pręciki i czopki upośledzone widzenie barwne widzenie dzienne (fotopowe) L > 10 cd/m 2 działają tylko czopki widzenie barwne Sprawdzenie warunku na widzenie dzienne Luminancja w polu widzenia L dla materiału idealnie rozpraszającego światło: Dla rzeczywistego materiału, dla którego współczynnik odbicia ρ=0,5 najmniejsze wymagane natężenie oświetlenia E dla warunku L > 10 cd/m 2 wyniesie: π π E = L = 10 63[lx] ρ 0,5 ρ L = π Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 12 E 6

KOLORYMETRIA - nauka o barwie Barwa należy do subiektywnych wrażeń zmysłowych, podobnie jak dźwięk, zapach, smak i dotyk. Wrażenia te powstają pod wpływem bodźców działających na narząd zmysłów i podrażniających znajdujące się w nich receptory. W receptorach powstają impulsy nerwowe, wywołujące w mózgu odczucie odpowiednich wrażeń. Wrażenia barw są postrzegane dzięki podrażnieniu fotoreceptorów przez promieniowanie elektromagnetyczne z zakresu widzialnego 380 nm 780 nm Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 13 KOLORYMETRIA - nauka o barwie Światło słoneczne stanowi mieszaninę fal elektromagnetycznych o różnej długości fali. Jest to promieniowanie złożone (złożone z różnych promieniowań monochromatycznych). Promieniowanie monochromatyczne to promieniowanie o jednej tylko częstotliwości (długości fali). Po przejściu światła białego przez pryzmat nastąpi jego rozszczepienie ponieważ promieniowanie o różnych długościach fali ulegnie innemu załamaniu i odchyleniu. Obraz powstały wskutek rozłożenia promieniowania złożonego na promieniowania monochromatyczne to widmo promieniowania. Widmo promieniowania przedstawia tzw. barwy widmowe. Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 14 7

Wrażenie barwy Barwa swobodna to barwa, obserwowana przez otwór w przesłonie. Barwa taka nie jest zlokalizowana pod względem głębokości i nie postrzega się jej w związku z żadnym innym przedmiotem. Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 15 Sąsiedztwo barw Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 16 8

Sąsiedztwo barw Pomimo identyczności pobudzenia receptorów siatkówki przez barwę danej plamy, jej otoczenie / sąsiedztwo wpływa na wytworzenie określonych wrażeń. Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 17 Kontrast jednoczesny (symultaniczny) Dwa znaki X wydają się mieć wyraźnie różną jasność i odcień. Jednak jak widać w miejscu, w którym się stykają, są identyczne. Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 18 9

Zjawisko hamowania obocznego Na granicy pól o różnej luminancji (barwie) receptory odbierające barwę jaśniejszą są pobudzane przez sąsiednie receptory odbierające barwę ciemniejszą. W odwrotnej sytuacji receptory odbierające barwę ciemniejszą są blokowane. Działanie takie powoduje wrażenie zwiększenia kontrastu na granicy luminancji. Inne przykłady --- http://www.lottolab.org Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 19 Wrażenie barwy Odcień (ang. hue) Obserwując w szczelinie monochromatora różne przedziały długości fali stwierdzamy, że istnieje różnica pomiędzy każdym z tych wrażeń. Doznawane wrażenia określa się nazywając promieniowania kolejno fioletowym, niebieskim, zielonym, żółtym, pomarańczowym, czerwonym. Tę cechę wrażenia wzrokowego nazywa się odcieniem. Z odcieniem związane jest pojęcie długości fali dominującej. Nasycenie (ang. saturation) Dodając do promieniowania barw widmowych coraz więcej światła białego otrzyma się promieniowanie postrzegane jako nie zmienione w odcieniu ale coraz bardzie blade. Tę cechę wrażenia wzrokowego nazywa się nasyceniem. Z nasyceniem związane jest pojęcie czystości. Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 20 10

Wrażenie barwy Jaskrawość (ang. brightness) Aby wywołać zmianę wrażenia barwy można także zmniejszyć strumień świetlny np. odsuwając źródło światła od obserwowanej powierzchni. Nie stwierdzi się wtedy zmiany odcienia, ani zmiany nasycenia, ale odbierać się będzie wrażenie coraz słabszego światła. Tę cechę wrażenia wzrokowego nazywa się jaskrawością. Z jaskrawością związane jest pojęcie luminancji. Dla barw swobodnych zmiana trzech czynników: - odcienia, - nasycenia - i jaskrawości wyczerpuje wszystkie możliwe sposoby zmiany wrażenia barwy. Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 21 Czułość widmowa fotoreceptorów Czopki zawierają trzy różne światłoczułe barwniki. Dwa z nich mają bardzo podobną czułość widmową L (Long Wave) i M (Medium Wave) trzeci z nich S (Short Wave) posiada znacznie różniącą się charakterystykę czułości. Czopki L, M i S wymieszane są na siatkówce losowo ale nie w takiej samej ilości. Stosunek liczby czopków L:M:S = 40:20:1. W centralnej części dołka środkowego (żółta plamka) nie ma czopków S. Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 22 11

Przeciwstawność barw Teoria barw przeciwstawnych twierdzi, że fotoreceptory nie są niezależne, lecz działają w przeciwstawnych parach a komórki nerwowe generują sygnały: jasno-ciemno, czerwony-zielony, niebieski-żółty. Dwa czynniki (w uproszczeniu) umożliwiają powstanie wrażenia barwy: 1. Fotony promieniowania pobudzają trzy rodzaje czopków (S, M i L). Produkty rozpadu światłoczułych barwników generują impulsy nerwowe. Odpowiedź jest liniowo zależna od pobudzenia. 2. Impulsy z czopków przesyłane są do komórek nerwowych znajdujących się na siatkówce. Komórki nerwowe zbierają przeciwstawne sygnały pochodzące od czopków i przekształcają je w trzy, następujące informacje (odpowiedź jest silnie nieliniowa): - jaskrawość (jasno-ciemno): wzbudzenie pochodzące od czopków M i L, - barwa (czerwona lub zielona): przeciwstawność (różnica) wzbudzenia pochodząca od czopków L i M, - barwa (niebieska lub żółta): przeciwstawność (różnica) wzbudzenia pochodząca od czopków L i M w stosunku do S. Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 23 Zjawisko widzenia pseudoprzestrzennego Niebieski obiekt wydaje się być dalej (za płaszczyzną, na której jest wyświetlany) a czerwony bliżej. Oko nie posiada zdolności jednoczesnego skupienia obrazu niebieskiego i czerwonego przedmiotu w dołku środkowym. Promieniowanie niebieskie B (krótkofalowe) jest silniej załamywane w układzie optycznym oka niż promieniowanie czerwone R (długofalowe). Przy widzeniu obuocznym obrazy niebieskiego obiektu (B) znajdują się bliżej siebie. Czerwony obiekt (R) wydaje się wtedy znajdować bliżej obserwatora. Norma ISO9241-303 (Requirements for electronic visual displays) wprowadza wymaganie dla tekstu i grafiki zakazujące wyświetlania obiektów czerwonych i niebieskich o dużym nasyceniu na czarnym tle oraz wzajemnie czerwony na niebieskim i odwrotnie. Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 24 12

Addytywne mieszanie barw Tworzenie wrażeń barwnych przez mieszanie w oku promieniowań odpowiadających różnym barwom. Układ barw RGB stanowią trzy bodźce barwowe odniesienia (barwy główne): czerwona, zielona i niebieska. Addytywne mieszanie barw wykorzystywane jest m.in. w: - telewizorach, - monitorach. Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 25 Subtraktywne mieszanie barw Uzyskiwanie wrażeń barwnych pod wpływem promieniowania białego, z którego pochłania się kolejno promieniowania różnych barw. Jest to mieszanie barwników. Układ barw CMY stanowią trzy bodźce barwowe odniesienia (barwy główne): turkusowa (niebiesko-zielona), purpurowa i żółta. W układach CMYK dodaje się czwarty barwnik czarny. Subtraktywne mieszanie barw wykorzystywane jest w: - drukarkach, - przez malarzy. Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 26 13

Mieszanie barw barwy dopełniające Bodźce barwowe mają swoje barwy dopełniające. W mieszaninie addytywnej dwóch barw powstaje wtedy barwa biała, a w mieszaninie subtraktywnej barwa czarna. czerwony (Red) niebieskozielony (Cyan) zielony (Green) purpurowy (Magneta) niebieski (Blue) żółty (Yellow) Np. C+M=(W-R)+(W-G)=R+G+B-R-G=B Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 27 Jak powstaje wrażenie barwy W powstaniu wrażenia barwy biorą udział trzy czynniki: - przedmiot, - światło, - obserwator. Przedmiot. Właściwości obiektu, od którego odbija się światło, lub który przepuszcza światło. Parametry: widmowy współczynnik odbicia ρ λ lub przepuszczania τ λ strumienia świetlnego. Materiały: - Aselektywne (szare), które nie zmieniają rozkładu widmowego światła odbitego, - Selektywne (barwne), które zmieniają rozkład widmowy światła odbitego. Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 28 14

Jak powstaje wrażenie barwy Światło. Rozkład widmowy promieniowania widzialnego, które oświetla obserwowany obiekt. Obserwator. Właściwości obserwatora zaadoptowanego do danych warunków widzenia, który postrzega barwę na tle innych przedmiotów lub jako barwę swobodną. Źródło światła Przedmiot Obserwator Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 29 Prawa Grassmann a (1853r.), układ kolorymetryczny RGB 1. Każdy bodziec barwny może być odtworzony przez addytywne mieszanie trzech bodźców niezależnych. Bodźce niezależne to takie, których nie da się odtworzyć poprzez zmieszanie dwóch pozostałych. C= n R R + n G G+ n B B Nie zawsze da się uzyskać równowagę barw. Niekiedy barwę czerwoną R należy przenieść na stronę barwy C. C= n R + n R G G+ n B B W układzie kolorymetrycznym RGB CIE 1931 bodźce barwowe odniesienia stanowią barwy monochromatyczne o następujących długościach fali: R: λ = 700 nm G: λ = 546,1 nm B: λ = 435,8 nm Pole widzenia ma wielkość kątową od 1 0 do 4 0, wtedy obraz obiektu znajduje się na dołku środkowym. Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 30 15

Prawa Grassmann a (1853r.), układ kolorymetryczny RGB 2. Dwa bodźce wywołujące takie samo wrażenie barwne, lecz posiadające różne składy widmowe w mieszaninie z trzecim bodźcem tworzą zawsze identyczne wrażenie barwne. Metameryzm (def.): bodźce barwowe o różnym składzie widmowym mogą mieć takie same składowe trójchromatyczne (taką samą barwę). Np. barwa żółta monochromatyczna (580nm) jest metameryczna z żółtą wywołaną przez mieszaninę promieniowania zielonego (540-560nm) i czerwonego (600-700nm). Metameryzm sytuacja, w której dwie próbki barwne o różnym składzie widmowym w określonych warunkach oświetleniowych dają takie samo wrażenie barwy, a różnią się barwą w innych warunkach oświetleniowych. 3. Jeżeli w mieszaninie addytywnej jeden ze składników będzie zmieniał się w sposób ciągły to barwa mieszaniny będzie się zmieniała również w sposób ciągły. Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 31 Metameryzm Przedmioty mogą odbijać promieniowanie jedynie o takich długościach fal, które są obecne w widmie źródła światła. Źródło B promieniuje mniej energii w zakresie fal długich (czerwonych) niż źródło A. Próbki, które są zgodne w świetle źródła A, nie są zgodne w świetle źródła B.? Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 32 16

Układ kolorymetryczny RGB CIE 1931 Układ barw RGB jest układem fizjologicznym (barwy w tym układzie można odtworzyć w laboratorium). Układ RGB przyjmuje istnienie barw ujemnych w związku z tym nie może być stosowany do obliczeń kolorymetrycznych. Barwę białą (równoenergetyczną E tzn. taką, że jej rozkład widmowy ma jednakową i stałą wartość mocy promienistej dla wszystkich długości fali w zakresie widzialnym) uzyskuje się poprzez nierównomierne zmieszanie trzech bodźców głównych. Stosunki luminancji bodźców barwowych odniesienia wynoszą wtedy: ' ' ' L r :L g :L b = 1.0000:4.5907:0.0601 Z założenia, w każdym układzie kolorymetrycznym, suma jednostkowych ilości barw odniesieniowych odtwarza barwę idealnie achromatyczną E (barwę białą). Podstawowymi jednostkami układu trójchromatycznego są składowe trójchromatyczne R, G, B (gdzie L r, L g i L b to luminancje bodźców barwowych odniesienia odtwarzających barwę C). L L Lg Lg L L R= r = r ; G = = ; B= b = b ' L 1 ' L 4.5907 ' L 0.0601 r g b Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 33 Układ kolorymetryczny RGB CIE 1931 3 [E] 1[R] + 1[G] +1[B] - w jednostkach 3- chromatycznych 5,65 [E] 1[R] + 4,59 [G] +0,06 [B] - w jednostkach luminancji 1 [E] 0,3333 [R] + 0,333[G] + 0,333[B] - w jednostkach 3-chromatycznych 1 [E] 0,177 [R] + 0,812[G] + 0,011[B] - w jednostkach luminancji Współrzędne chromatyczności barwy C: C R + G + B Równanie jednostkowe: 1[C] R/C [R] + G/C [G] + B/C [B] [C] r [R] + g [G] + b [B] R G B r = ; g = ; b= ; r+ g+ b= 1 R+ G+ B R+ G+ B R+ G+ B Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 34 17

Układ kolorymetryczny RGB CIE 1931 Funkcje kolorymetryczne r( λ), g( λ), b( λ) b(λ) g(λ) r(λ) Funkcje kolorymetryczne powstają gdy za pomocą składowych trójchromatycznych R, G i B przedstawia się barwy widmowe (wąskie przedziały widmowe w zakresie widzialnym), które tworzą rozkład widmowy równoenergetyczny (odtwarzający barwę białą). Ponieważ odtwarza się barwy widmowe (zależne od długości fali) to funkcje kolorymetryczne są również zależne od długości fali, np.: C( λ )= n R+ n G n B C(λ )= n R+ n G n B 1 R G + 1 1 B1 2 R G + 2 2 B2 Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 35 Układ kolorymetryczny RGB CIE 1931 Dla znanego rozkładu widmowego P(λ) składowe trójchromatyczne R, G i B obliczamy z następujących równań: R = k G = k B = k 830 360 830 360 830 360 P(λ) r(λ) Δλ = k P(λ) g(λ) Δλ = k P(λ) b(λ) Δλ = k 830 360 830 360 P(λ) r(λ) dλ 830 360 P(λ) g(λ) dλ P(λ) b(λ) dλ Przykładowe rozkłady widmowe P(λ) [W/nm] Luminancja obiektu o danym rozkładzie widmowym P(λ) będzie następująca: L= 1, 0000R + 4, 5907G+ 0, 0601B Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 36 18

Układ kolorymetryczny RGB CIE 1931 Barwa jako wektor w przestrzeni Brawa może być traktowana jako wektor w przestrzeni. Początek wektora ustanowiony jest w początku układu kolorymetrycznego RGB. Wektor opisujący barwę wysyłany jest w przestrzeń barw, która jest ograniczona stożkiem barw. O chromatyczności barwy mówi ślad po przejściu wektora barwy przez płaszczyznę barw. Płaszczyzna barw przecina przestrzeń barw w punktach oznaczających jednostkowe wartości składowych R, G i B. Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 37 Układ kolorymetryczny RGB CIE 1931 Barwa jako wektor w przestrzeni Wektory R, G i B pokazują położenie bodźców barwowych odniesienia, które są reprezentowane przez barwy monochromatyczne R:700 nm, G: 546,1 nm, B:435,8 nm i dlatego leżą na linii barw widmowych. Addytywne mieszanie bodźców barwowych R, G, B tworzy barwy zawarte w trójkącie o wierzchołkach RGB. Wszystkie dostępne barwy pokazane są jako podstawa stożka ograniczona linią barw widmowych. Przedstawienie niektórych barw wymaga przeniesienia bodźca barwowego R na stronę odtwarzanej barwy C. Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 38 19

Układ kolorymetryczny XYZ CIE 1931 Stworzono nowy układ kolorymetryczny XYZ CIE 1931, który nie posiada niektórych wad układu RGB. Jest to układ barw fikcyjnych, którego bodźce barwowe odniesienia nie można odtworzyć w laboratorium. Najważniejsze cechy układu: 1. Bodźce barwowe odniesienia odpowiadające barwie białej mają takie same wartości (punkt odpowiadający barwie białej znajduje się w środku trójkąta barw., 2. Jedna ze składowych jest proporcjonalna do luminancji. Funkcja kolorymetryczna nowego układu y(λ) = V(λ). Wtedy składowa 3-chromatyczna Y wyraża luminancję bodźca barwowego Y = Lc. 3. Współrzędne wszystkich barw mają wartości dodatnie. Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 39 Układ kolorymetryczny XYZ CIE 1931 Przekształcenie układu RGB na układ XYZ: - składowa Y jest opisana takim samym równaniem jak luminancja w układzie RGB, co oznacza, że składowa Y jest proporcjonalna do luminancji, - dla każdej składowej XYZ suma składowych RGB daje taką samą wartość co oznacza, że bodźce barwowe odniesienia XYZ odpowiadające barwie białej mają takie same wartości. Funkcje kolorymetryczne są dodatnie, a funkcja y(λ) ma taki sam przebieg jak funkcja V(λ). z(λ) y(λ) x(λ) Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 40 20

Układ kolorymetryczny XYZ CIE 1931 Składowe trójchromatyczne chromatyczne : X = k Φ eλ x(λ) dλ Y = k Φ eλ y(λ) dλ Z = k Φ eλ z(λ) dλ k = 100/ Φ eλ y(λ) dλ tzn. Y = 100 Uwaga: Sumowanie w zakresie λ = (360-830) nm Współrzędne chromatyczności x, y, z: X x = X + Y + Z Y y = X + Y + Z Z z = x + y + z = X + Y + Z 1 Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 41 Układ kolorymetryczny XYZ CIE 1931 Trójkąt barw. Współrzędne chromatyczności x, y, z: Linia barw widmowych. Linia purpur i trójkąt purpur. Punkt bieli: x=y=z=1/3 Gamut zakres barw określający granice możliwości odwzorowania barw przez dane urządzenie (monitor, drukarka, skaner). Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 42 21

Układ kolorymetryczny XYZ CIE 1931 W położenie barwy równoenergetycznej (białej). λd (punkt D) długość fali dominującej promieniowania monochromatycznego dla barwy C i wszystkich innych barw leżących na linii DW (odcień). Dla barwy C leżącej w obszarze trójkąta purpur λd jest długością fali dopełniającej. pe czystość pobudzenia. Im punkt barwy C leży bliżej punktu W, tym barwa C jest mniej czysta, im bliżej punktu D, tym jest bardziej czysta, nasycona (nasycenie). pe = CW DW y yw x x = = w yd yw xd x w Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 43 Obserwator kolorymetryczny Obserwator kolorymetryczny CIE 1931 normalny Pole widzenia 2 0 (dołek środkowy - czopki), Obserwator idealny, którego charakterystyki kolorymetryczne odpowiadają funkcjom kolorymetrycznym układu XYZ CIE 1931. x( λ), y( λ), z( λ) Obserwator kolorymetryczny CIE 1964 dodatkowy normalny Pole widzenia 10 0 (pole większe od dołka środkowego czopki i pręciki), Obserwator idealny, którego charakterystyki kolorymetryczne odpowiadają funkcjom kolorymetrycznym układu X 10 Y 10 Z 10 CIE 1964. x 10 λ 10 z10 ( ), y ( λ), ( λ) Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 44 22

Temperatura barwowa Rozkład widmowy ciała czarnego Ciało doskonale czarne model idealnego promiennika temperaturowego, który pochłania w całości padające nań promieniowanie. Model symulujący ciało doskonale czarne to otwór we wnęce wypełnionej rozgrzaną do temperatury T platyną. Rozkład widmowy ciała czarnego zależy od jego temperatury. Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 45 Temperatura barwowa Krzywa barwy ciała czarnego krzywa łącząca punkty barwy ciała czarnego, które podgrzewa się do temperatury T. Temperatura barwowa Tb (Tc) to temperatura ciała czarnego, w której ma ono taką samą barwę jak barwa badanego obiektu. Temperatura barwowa służy do określania wrażenia barwy białej. Wrażenie barwy białej Ciepła do 3300K Neutralna 3300K 5000K Chłodna powyżej 5000K Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 46 23

Progowe różnice barwy Progowe (ledwo dostrzegalne) różnice barwy naniesione na wykres chromatyczności tworzą zamknięte krzywe (elipsy MacAdam a przedstawiające dziesięciokrotne progowe różnice barwy). XYZ CIE 1931 Nierównomierna przestrzeń barw. Jednakowe różnice wrażenia barwy tworzą różne pola na wykresie XYZ. Wykres chromatyczności CIE 1976 równomierny (u, v ). Równomierna przestrzeń barw CIE LUV. Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 47 Temperatura barwowa Temperaturę barwową najbliższą źródeł, których punkty chromatyczności leżą poza krzywą ciała czarnego, można wyznaczyć po zlokalizowaniu takiego punktu na wykresie chromatyczności, na którym umieszczono w tym celu linie izotemperaturowe. XYZ CIE 1931 Nierównomierna przestrzeń barw. Linie izotemperaturowe przecinają krzywą barwy ciała czarnego pod różnymi kątami. Wykres chromatyczności CIE 1976 równomierny (u, v ). Linie izotemperaturowe są prostopadłe do krzywej barwy ciała czarnego. Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 48 24

Temperatura barwowa Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 49 Iluminanty normalne CIE Iluminanty których względne rozkłady widmowe energii zostały określone przez CIE A promieniowanie ciała czarnego o temperaturze 2856K. B bezpośrednie promieniowanie słoneczne o temperaturze barwowej Tc 4874K (wycofany). C średnie światło słoneczne Tc 6774K (wycofany). D światło dzienne łącznie z obszarem nadfioletu: D55 Tc 5503K, D65 Tc 6504K, D75 Tc 7504K. Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 50 25

Adaptacja barwowa Stałość barwy właściwość systemu wzrokowego pozwalającego na zachowanie percepcji tej samej barwy mimo zmieniających się warunków oświetlenia. Jeśli wszystkie barwy zmieniają się w podobny sposób to system wzrokowy uznaje to za zmianę właściwości oświetlenia i ignoruje ją, np. postrzeganie barw przy zmieniających się warunkach oświetlenia nie zmienia wrażenia barwy. Barwy materiału widoczne w świetle słońca i w cieniu. Próbki barwne w świetle nieboskłonu i w świetle zachodzącego słońca. Środkowe pole punkt bieli. Adaptacja barwowa najczęściej jest kojarzona z właściwością układu wzrokowego polegającego na tym, że w pewnych warunkach za barwę białą uznaje się najjaśniejszą barwę w obserwowanym obrazie, np. światła mijania pojazdów (żarówka i lampa ksenonowa), monitor z ustawionym punktem bieli 5000K i 6500K. Fotoreceptory działają w parach i są od siebie zależne. Jedna z teorii mówi, że fotoreceptory dążą do zachowania równowagi w różnych warunkach oświetlenia. Z kolei np. negatyw (lub matryca aparatu cyfrowego z ustawioną korekcją punktu bieli) do zdjęć w oświetleniu sztucznym lub dziennym zawiera trzy elementy światłoczułe będące we wzajemnie stałej relacji z brakiem możliwości dostosowania do różnych warunków oświetlenia. Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 51 Wskaźnik oddawania barw Ra (CRI) Ocena właściwości źródeł światła. Określa stopień zniekształcenia kolorymetrycznego (różnice barw) czternastu próbek barwnych oświetlonych światłem pochodzących od źródła wzorcowego (iluminant normalny, indeks r) i pochodzącym od źródła badanego (indeks k). Dobór iluminantu odniesieniowego: dla Tc <5000 K rozkład widmowy ciała czarnego dla Tc >5000 K rozkład widmowy iluminantu D (D55, D65, D75) ΔE = i * 2 * * 2 * * 2 ( Ur *, i Uk ), i) + ( Vr, i Vk, i) + ( Wr, i Wk, i Ri - Szczególny wskaźnik oddawania barw dla i= 1... 14 R = 100 4, 6 ΔE i i Ra Ogólny wskaźnik oddawania barw dla i= 1... 8 Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 52 R a 1 = 8 8 i= 1 R i 26

Wskaźnik oddawania barw Ra (CRI) Wskaźnik oddawania barw (maks. 100) grupy: 1A Ra=90-100, 1B Ra=80-90, 2 Ra=60-80, 3 Ra=40-60, 4 Ra=20-40 Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 53 Wskaźnik oddawania barw Ra (CRI) Zniekształcenie barw przedmiotów oświetlonych przez różne źródła światła. Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 54 27

CRV (Colour Rendering Vector) Zdolność oddawania barw źródła światła poddawanego testowi sprawdzana jest dla każdej z 215 barw i porównywana z wzorcowym źródłem światła. Na diagramie CRV zniekształcenia barwne pokazano za pomocą wektora skierowanego od naturalnej barwy (obserwacja w świetle źródła wzorcowego) do postrzeganej barwy (obserwacja w świetle źródła badanego). Kierunek wektora wskazuje kierunek odchylenia barwy. Wektor skierowany ku krawędzi okręgu oznacza wzrost nasycenia barwy, skierowany ku jego środkowi - spadek nasycenia. Początek i koniec wektora wskazują odpowiednio rzeczywistą barwę (w świetle wzorcowego źródła światła) i barwę postrzeganą (w świetle badanego źródła światła). Długość wektora pokazuje wielkość odchylenia barwy. Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 55 CRV (Colour Rendering Vector) Świetlówka barwa 840 Lampa metalohalogenkowa Lampa sodowa Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 56 28

Równomierna przestrzeń barw CIE 1976 CIELUV Przestrzeń barw oparta na wykresie chromatyczności CIE 1976 (u v ) Przekształcenie z układu XYZ CIE 1931: Trójwymiarowa przestrzeń tworzona przez następujące wielkości: gdzie: L luminancja, Y, u, v składowa i współrzędne chromatyczności danej barwy, Yn, un, vn składowa i współrzędne chromatyczności punktu bieli (iluminantu, źródła światła, monitora). Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 57 Równomierna przestrzeń barw CIE 1976 CIELAB Trójwymiarowa przestrzeń tworzona przez następujące wielkości: gdzie: L luminancja, X, Y, Z składowe danej barwy, Xn, Yn, Zn składowe punktu bieli (iluminantu, źródła światła, monitora). Układ wykorzystuje teorię barw przeciwstawnych: jasno (L=100) ciemno (L=0); czerwony(+a) zielony(-a); niebieski(+b) żółty(-b) Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 58 29

Różnica barw Długość odcinka w przestrzeni trójwymiarowej pomiędzy dwiema barwami. W układzie CIELUV W układzie CIELAB Układy CIELUV oraz CIELAB nie tworzą idealnie równomiernej przestrzeni barw. Wprowadzono dwa nowe układy barw, które uwzględniają m.in. barwę i jaskrawość tła, wielkość obserwowanej próbki, odległości pomiędzy porównywanymi próbkami. CIE 1994 LCh CIEDE 2000 Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 59 Munsell system - atlas barw System barw opracowany w 1915 roku przez amerykańskiego malarza Alberta Munsell a. Na podstawie systemu Munsell a stworzono atlas barw. Barwę opisują trzy wielkości: hue (odcień), chroma (nasycenie), value (jaskrawość). Każde koło odcienia podzielone jest na pięć głównych części Yellow, Red, Purple, Blue, Green, na graniczne części wspólne YR, RP, PB, BG, GY, a każda z tych 10-ciu części na 10 elementów. Barwa opisywana jest w postaci kodu: Hue Value/Chroma np. 5 YR 8/4 jasny żółtawy róż Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 60 30

Natural Colour System NCS atlas barw System barw opracowany Scandinavian Colour Institute opiera się na dwóch założeniach: - istnieje sześć barw podstawowych, które nie są do siebie podobne, - każdą postrzeganą barwę można opisać poprzez podobieństwo do jednej z sześciu barw podstawowych. Sześć barw podstawowych to: biała, czarna, żółta, czerwona, niebieska, zielona. Barwa pokazywana jest w skali od 0 do 100. Przestrzeń barw NCS Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 61 Natural Colour System NCS Każda ćwiartka koła (pomiędzy barwami podstawowymi) podzielona jest na 100 równych części: np. Y90R żółty 10% z 90-cio procentową zawartością czerwonego. Zapis barwy: S czerń 10% C nasycenie 50% 100-10-50=40% bieli (W) Koło odcienia. Trójkąt nasycenia i jaskrawości. Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 62 31

Przemysłowy atlas barw RAL Już ponad 70 lat temu powstał wzornik kolorów RAL opracowany przez niemiecką Komisję Rzeszy ds. Warunków Dostaw. Pełen system zawiera około 1,7 tys. kolorów. Każdy z kolorów RAL oznaczony jest czterocyfrowym symbolem, który określa położenie w kole barw systemu. System Pantone System wzorników barwy używanych głównie przez grafików. Barwy w systemie Pantone mogą być odtworzone na maszynie drukarskiej (wydrukowane) z użyciem systemu CMYK (barw podstawowych używanych w drukarni). Do odwzorowania barw spoza gamutu CMYK system umożliwia stosowanie barw dodatkowych (spot colors). Niektóre państwa określają barwy występujące na ich flagach za pomocą systemu Pantone (Szkocja, Kanada, Korea Płdn.) Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 63 Pomiary barwy Kolorymetr trójchromatyczny Czułości widmowe fotoprzetworników muszą być zgodne z przebiegiem funkcji kolorymetrycznych. Występuje błąd dopasowania istotny przy pomiarach prom. monochromatycznego i wąskopasmowego. Składowe trójchromatyczne X, Y, Z: 830 " X = P!! x!! d! 360 830 " Y = P!! y!! d! 360 830 " Z = P!! z!! d! 360 Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 64 32

Pomiary barwy Monochromator Pomiar rozkładu widmowego Pλ promieniowania rozszczepionego na pryzmacie lub siatce dyfrakcyjnej. Siatka lub pryzmat obraca się co umożliwia uzyskanie promieniowania o danej długości fali w szczelinie wyjściowej. Duża dokładność, długi czas wykonania obliczeń. 830 X = " P!! x!! d! Y = " P!! y!! d! Z = " P!! z!! d! 360 830 360 Spektrofotometr Pomiar rozkładu widmowego Pλ promieniowania rozszczepionego na siatce dyfrakcyjnej. Siatka jest nieruchoma. Promieniowanie odbite od siatki pada na linijkę diodową. Każda kolejna fotodioda mierzy promieniowanie o innej długości fali. Mniejsza dokładność, krótki czas wykonywania obliczeń. 830 360 Kolorymetria, Specjalność Technika Świetlna (pierwszy stopień studiów). Krzysztof Wandachowicz, strona 65 33