Chemia koloru, część pierwsza

, część pierwsza Katedra Chemii Materiałów, Adsorpcji i Katalizy Wydział Chemii UMK, Toruń 2015

Plan wykładu Budowa oka Percepcja barw i kształtów Problemy z kolorami

Budowa oka Droga światła jest następująca: rogówka (5) tęczówka (7) soczewka (11) ciało szkliste (12) siatkówka (13)

Siatkówka fotoreceptory komórki dwubiegunowe komórki zwojowe

Fotoreceptory Pręcik

Fotoreceptory Czopek widzenie dzienne (fotopowe) około 4,5 miliona trzy typy światłoczułego barwnika mała czułość wysoka ostrość szybka reakcja ślepota Pręcik widzenie nocne (skotopowe) około 90 milionów jeden typ światłoczułego barwnika duża czułość mała ostrość wolna reakcja ślepota zmierzchowa

Miejsca specjalne plamka żółta największe zagęszczenie czopków, czyli najlepsza ostrość obrazu (około 2 kąta wzrokowego) plamka ślepa pozbawione czopków i pręcików ujście nerwu wzrokowego

Plamka ślepa

Jak widzimy kolory Wyróżniamy trzy rodzaje czopków: protany - fale długie (D) wrażenie czerwieni (R) deutany - fale średnie (Ś) wrażenie zieleni (G) tritany - fale krótkie (K) wrażenie barwy niebieskiej (B) Proporcje występowania: D:Ś:K jak 32:16:1

Chemia czopkow i pręcików Chromofor część cząsteczki odpowiadająca za kolor cząsteczki Chromoproteiny proteiny mające niebiałkowy składnik barwny chromofor: chromoproteina: Czopek retinal opsyny Pręcik retinal rodopsyna

Retinal

Chemia czopkow i pręcików fotoizomeryzacjia chromoforu uwolnienie z błony fotoreceptora substancji przekazujacej sygnał przesłanie sygnału elektrycznego do mózgu

Skąd się biorą różnice w pasmach absorpcji? różnego rodzaju wiązania chromoforu z białkiem różne konformacjie chromoforu różne oddziaływania chromoforu z ładunkami z otoczenia

Problemy z czopkami Wyróżniamy trzy główne rodzaje zaburzeń wrodzonych związanych z rozpoznawaniem barw: monochromatyzm niezdolność do postrzegania barw dichromatyz całkowity brak jednego z rodzajów czopków trichromatyzm zaburzenie w czułości jednego z rodzajów czopków

Monochromatyzm Monochromacja czopków nie rozrózniamy barw, ale widzimy wyraźne kształty Achromatopsja brak lub mała ilość czopków, w konsekwencji widzimy szarości, a dodatkowo tracimy ostrość widzenia

Dichromatyzm Protanopia nierozpoznawanie barwy czerwonej

Dichromatyzm Daltonizm (deuteranopia) nierozpoznawanie barwy zielone

Dichromatyzm Tritanopia nierozpoznawanie barw żółtej i niebieskiej

Trichromatyzm protanomalia obniżona percepcja nasycenia i jaskrawości czerwieni deuteranomalia obniżona percepcja nasycenia (ale nie jaskrawości) zieleni tritanomalia obniżona percepcja barwy niebieskiej

Metameryzm polega na uzależnieniu odbioru barwy w zależności od rodzaju światła

Indukcja przestrzenna barw barwy wzajemnie oddziaływują na siebie:

Indukcja przestrzenna barw

Kontrast następczy zjawisko optyczne polegające na tym, że po wpatrywaniu się w jakiś kształt, a następnie odwróceniu wzroku, w oczach pojawia się na chwilę ten sam, zamazany kształt w barwie dopełniającej.

Włodzimierz Pastuszak: Barwa w grafice komputerowej J.D. Foley i inni: Wprowadzenie do grafiki komputerowej

Tarcza Newtona dysk podzielony na sektory o rozmiarach i kolorach dobranych w taki sposób, żeby przy jego wirowaniu obserwator odnosił wrażenie, że dysk jest biały.

Dysk Newtona w formie prawie oryginalnej

Dysk Newtona w formie zmodyfikowanej

metria metria dział fizyki zajmujący się ilościowym opisem i charakterystyką barw postrzeganych przez człowieka.

Dawno temu w Szczecinie Hermann Günther Graßmann (ur. 15 kwietnia 1809 w Szczecinie, zm. 26 września 1877 w Szczecinie) Jego wkład w naukę to m.in.: notacja bra ketowa (zapis iloczyno skalarnego w postaci a b ) liczby grassmanowskie (liczby niekomutujące)

Prawa Grassmanna Prawo trójchromatyczności: każda dowolnie wybrana barwa może być określona za pomocą trzech barw niezależnych kolorymetrycznie. Konsekwencje: każde cztery barwy są liniowo zależne istnieją zbiory trójek barw liniowo niezależnych

3D układ kartezjański

Prawa Grassmanna A co z twierdzeniem odwrotnym do prawa trójchromatyczności, czyli: za pomocą trzech barw niezależnych kolorymetrycznie możemy odtworzyć każdą dowolnie wybrana barwę?

Prawa Grassmanna

Prawa Grassmanna Prawo ciągłości: jeśli w mieszaninie barw złożonej z dwóch składników jeden z nich zmienia się stopniowo (a drugi pozostaje w tym czasie niezmieniony), to barwa mieszaniny również stopniowo się zmienia Konsekwencje: nie istnieje barwa, która by nie sąsiadowała z pozostałymi dowolna barwa może być prekształcona w inną za pomocą ciągłych i stopniowych przemian

Przestrzeń barw

Prawa Grassmanna Prawo addytywności: barwa mieszaniny zależy jedynie od barwy jej składników, a nie od ich składu widmowego. Konsekwencje: metameryzm arytmetyka barw

Arytmetyka barw zakładamy, że barwy A i B oraz C i D są parami identyczne. dodanie barw A i C da taką samą barwę jak dodanie barw B i D analog dodawania A + C = B + D odjęcie barwy A od C da taką samą barwę jak odjęcie barwy B od D analog odejmowania C A = D B n jednostek promieniowania A ma taką samą barwę jak n jednostek promieniowania B analog mnożenia na = nb

Matematyka barw równoważność barw wywołaną odpowiednimi barwami będziemy wyrażać znakiem równości (=) złożenie barw odpowiadające mieszaniu różnych rodzajów promieniowania będziemy wyrażać znakiem sumy (+) ilościowe stosunki w jakich dokonujemy złożenia barw będziemy wyrażać wartościami współczynników liczbowych

Bazy przestrzeni barw Barwa F jest liniowo zależna od barw G i H wtedy gdy F uzyskujemy w wyniku mieszania barw G i H: g,h F = gg + hh Barwa X jest liniowo niezależna od barw G i H wtedy gdy nie ma możliwości uzyskania jej w wyniku mieszania barw G i H: g,h X gg + hh

Bazy przestrzeni barw Istnieje wiele trójek barw liniowo niezależnych, ale z powodów fizjologicznych naturalnym wydaje się wybranie barwy: czerwonej (R) zielonej (G) niebieskiej (B)

Współczynniki trójchromatyczne Wyraźmy barwę F za pomocą R, G, B: f F = r R + g G + b B, gdzie r, g, b są wspólczynnikami wskazującymi liczbę jednostek każdej z barw.

Współczynniki trójchromatyczne Poniewaz barwy bazowe R, G, B są ustalone, to zmiennymi niezależnymi są: r, g, b. Wprowadzając miarę luminacji (natężenia światła) m: m = r + g + b, możemy przeskalować zmienne r, b, g : r = r m, g = g m, b = b m, r, b, g będziemy nazywać współczynniki (skladowymi) trójchromatycznymi

Współczynniki trójchromatyczne Po tym zabiegu możemy zapisać, że barwa jednostkowa F: F = rr + gg + bb, gdzie: oraz f = m, czyli f m = 1 r + b + g = 1

Współczynniki trójchromatyczne Podsumowanie Mając daną bazę kolorów, jesteśmy w stanie opisać opisać barwy od nich liniowo zależne za pomocą dwóch wspólrzędnych trójchromatycznych i luminacji. Jeśli pominiemy luminację, możemy zredukować nasz model do dwóch zmiennych (płaszczyzna)

Trójkąt Maxwella

Obserwator CIE Długości fal: 700nm, 546.1nm i 435.8nm

Obserwator CIE

CIERBG

Efekt Purkiniego zmiana wrażliwości na barwy podczas adaptacji oka do ciemności, wynikająca ze stopniowego wyłączaniaćzopków odpowiedzialnych za widzenie fal długich;

Widzenie fotoskopowe i skotopowe

Zakresy działania czopków

Widzenie fotopowe Maksimum dla 550nm (światło żółtozielone)

Naprawiamy CIE RGB Model CIE RGB nie sprawdził się ze względu na ujemne wkłady pochodzące od R. Propozycja rozwiązania problemu: Zmieńmy bazę kolorów podstawowych

Transformacja współrzędnych

Transformacja układu współrzędnych Mamy nieskończenie wiele możliwości, bo naszym jedynym założeniem jest, żeby wkłady barw X, Y i Z były zawsze dodatnie. Musimy narzucić sobie jakieś dodatkowe ograniczenia.

Barwa, to odcień, nasycenie i jasność:

Współczynniki trójchromatyczne Wyraźmy barwę W za pomocą F, R, G, B, będącymi barwami o jednostkowej luminacji (jasności): W = f F = r R + g G + b B, gdzie f, r, g, b są wspólczynnikami wskazującymi liczbę jednostek każdej z barw (czyli ich jasność). Z trzeciego prawa Graßmanna wynika, że: f = r + g + b, czyli: W = f F = f (rr + gg + bb)

W konsekwencji jasność (luminacja) wydaje się całkiem dobrym kandydatem na jedną ze współrzędnych. I tak właśnie dfiniujemy Y

Pozostało nam: Z, które ma dawać rozkład podobny do odpowiedzi tritanów, czyli czopków odpowiedzialnych za promieniowanie o krótkich długościach fali X, które zapewnia, że wkłady barw X, Y i Z są zawsze dodatnie.

Rozkład widma dla CIERGB

Rozkład widma dla CIEXYZ

Przestrzeń barw CIEXYZ

Jeszcze troch manipulacji Dowolną barwę W możemy przedstawić teraz w postaci: W = XX + Y Y + ZZ, gdzie X,Y i Z są wagami stosowanych barw. Wprowadzając ponownie pewną normę X + Y + Z możemy przejść do opisu za pomocą współczynników znormalizowanych: x = X X + Y + Z, y = Y X + Y + Z, z = Z X + Y + Z.

Współczynniki x,y,z spełniają oczywistą zależność: x + y + z = 1, czyli leżą na płaszczyżnie X + Y + Z = 1

Ponadto, możemy określić jeden ze współczynników przez pozostałe, np.: z = 1 x y Czy x i y wystarczą do opisuwszystkich możliwych barw?

Mamy tutaj pełną zależność od dominującej długości fali i nasycenia, ale brakuje jasności. I tak doszliśmy do modelu CIE xyy

Co możemy wyczytać z wykresów chromatyczności?

Model RGB Zalety łatwość zapisu barwy jako kobminacji liniowej barw RGB Wady nieintuicjność odległości w sześcianie nie przekłada się na różnicę w postrzeganiu (tzw. percepcyjna niejednorodność; za chwilę do tego wrócimy)

Model RGB Prosty sposób okrślenia koloru, np dla 8 bitów na kolor (czyli wartości od 0 do 255) Powrót do kolorów podstawowych: n k = R (256 256) + G 256 + B R = n k /65536, G = (n k %65536)/256, B = n k 65536 R 256 G W tym przykładzie numer koloru to: 11898880. Dużo wygodniej zapisywać w formacie szestastkowym.

Model RGB Cyfry systemu szestanstkowego (heksadecymalnego): 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, A, B, C, D, E, F. Podstawą jest liczba 16 Liczba 120 z systemu decymalnego, to 78 w systemie heksadecymalnym. 7 16 + 8 = 112 + 8 = 120 = 1 10 2 + 2 10 + 0 I tak zamiast numeru koloru: 11898880, czy współrzędnych RGB (80,200,130) podajemy #50C882 http://www.rapidtables.com/web/color/rgb Color.htm

Model HSV (HSB) Intuicyjny model bazujący na współrzędnych: barwa (Hue), nasycenie (Saturation), wartość (Value) lub równoważnie jasność (Brightness)

Model HSV (HSB) Zalety intuicyjność separacja barwy i nasycenia od jasności Wady osobliwości przy przejściu do RGB percepcyjna niejednorodność

Model CMYK ( http://www.rapidtables.com/convert/color/cmyk-to-rgb.htm )

CMYK a RGB

O co chodzi z percepcyjną niejednorodnością Elipsy MacAdama obszary nierozróżnialnych barw na diagramie chromatyczności

CIE LUV CIE LUV to próba uzyskania układu, który pozwali na intuicyjne powiązanie odległości punktów na wykresie chromatyczności z różnicą wrażeń barwy świateł o tych samych luminacjach. Innymi słowy, odległości na diagramie odpowiadją większym różnicom we wraże- niach, a ta sama odległość - podobnym różnicom wrażeń barwy. Model CIE LUV jest związany z teorią barw przeciwstawnych, czyli uwzględnia kodowane barwy przez mózg człowieka jako wykluczjących się wzajemnie parametrów: jasny lub ciemny (L+M) czerwony lub zielony (L,M) żółty lub niebieski (L+M,S)

CIE LUV W modelu CIE LUV przypisano: oś u: czerwona(+), zielona(-) oś v: żółta (+), niebieska (-) oś L: barwy achromatyczne z uwzględnieniem nieliniowej zależność wrażenia jasności od strumienia światła (Prawo Webera-Fechnera).

CIE LUV W tym modelu będziemy definiować: chroma (c) odległość barwy (L, u, v )od punktu reprezentującego biel odniesienia (L, u r, v r ) c = 13L (u u r ) 2 + (v v r ) 2 odcień (h) odcień barwy względem bieli odniesienia różnica barw ( E) h = arctan v v r u u E = (L 2 L 1) 2 + (u 2 u 1) 2 + (v 2 v 1) 2

CIELUV jest przestrzenią rekomendowaną do wyświetlanych kolorów.

CIE LAB Kolejny model barw, analogiczny do CIE LUV: oś a: czerwona(+), zielona(-) [-120,120] oś b: żółta (+), niebieska (-) [-120,120] oś L: barwy achromatyczne z uwzględnieniem nieliniowej zależność wrażenia jasności od strumienia światła (Prawo Webera-Fechnera).

CIE LAB Wzory na chromę (c), odcień (h) i różnicę barw ( E) są analogiczne: c = 13L (a a r ) 2 + (b b r ) 2 h = arctan a ar b b E = (L 2 L 1) 2 + (a 2 a 1) 2 + (b 2 b 1) 2

CIE LAB,różnice barw 0 < E < 1 - nie zauważa różnicy, 1 < E < 2 - zauważa różnicę jedynie doświadczony obserwator, 2 < E < 3, 5 - zauważa różnicę również niedoświadczony obserwator, 3, 5 < E < 5 - zauważa wyraźną różnicę barw, 5 < - obserwator odnosi wrażenie dwóch różnych barw.

Ciekawe strony http://www.gm.fh-koeln.de/hstl/dokumente/projekt-wolter- 2003/CIELab/Applet/Applet.html http://www.easyrgb.com

Oddziaływanie promieniowania z materią Czas na troche fizyki i chemii

Diagram Jabłońskiego

Emisja spontaiczna Emisja spontaniczna zachodzi wtedy, gdy elektrony znajdujące się na poziomach wzbudzonych w sposób spontaniczny wracają na niższe poziomy energetyczne, emitując przy tym fotony. Jak pobudzić fotony???

Światło chemiczne utlenianie szczawianu difenylu i rozkład 1,2-dioksoetanodionu.

Wzbudzenie światłem Pierwsze doświadczenia

Fluorescencja

Fosforescencja

Fosforescencja Fosforescencja http://weirdscience.eu/

Światło Co to jest światło? Promieniowanie elekromagnetyczne rozchodzące się w przestrzeni zaburzenie pola elektromagnetycznego.

Nagroda Nobla dla Alberta Einstaina w 1921 roku Efekt fotoelektryczny zjawisko fizyczne polegające na emisji elektronów z powierzchni przedmiotu. Foton to kwant promieniowania elektromagnetycznego. Energia fotonu zależy od długości fali.

Światło odbicie Odbicie - zmiana kierunku rozchodzenia się fali na granicy dwóch ośrodków, powodująca, że pozostaje ona w ośrodku, w którym się rozchodzi.

Światło refrakcja Refrakcja (załamanie) zmiana kierunku rozchodzenia się fali elektomagnetycznej. Załamanie fali związane ze zmianą jej prędkości, gdy przechodzi do innego ośrodka.

Światło refrakcja

Światło dyfrakcja Dyfrakcja (ugięcie fali) to zjawisko fizyczne zmiany kierunku rozchodzenia się fali na krawędziach przeszkód oraz w ich pobliżu. Zjawisko zachodzi niezależnie od wielkości przeszkody, ale wyraźnie jest obserwowane dla przeszkód o rozmiarach porównywalnych z długością fali.

Światło interferencja Interferencja zjawisko powstawania nowego, przestrzennego rozkładu amplitudy fali (wzmocnienia i wygaszenia) w wyniku nakładania się (superpozycji fal) dwóch lub więcej fal. Warunkiem trwałej interferencji fal jest ich spójność, czyli korelacja faz i częstotliwości.

Światło polaryzacja Polaryzacja właściwość fali poprzecznej polegająca na zmianach kierunku oscylacji rozchodzącego się zaburzenia w określony sposób. Światło możemy polaryzować przez odbicie lub rozpraszanie https://www.youtube.com/watch?v=e9qpbt0v5hw

Światło rozpraszanie Rozpraszanie światła - zjawisko oddziaływania światła z materią, w wyniku którego następuje zmiana kierunku rozchodzenia się światła, z wyjątkiem zjawisk opisanych przez odbicie i załamanie światła. Wywołuje złudzenie świecenia ośrodka. Rozpraszanie Rayleigha zjawisko rozpraszania światła na cząsteczkach o rozmiarach mniejszych od długości fali rozpraszanego światła. Występuje przy rozchodzeniu się światła w przejrzystych ciałach stałych i cieczach, ale najbardziej efektownie objawia się w gazach.

Dlaczego niebo jest niebieskie?

Światło dyspersja Dyspersja w optyce zależność współczynnika załamania ośrodka od częstotliwości fali świetlnej.

Tęcza

Tęcza https://www.youtube.com/watch?v=urmdzvvzmzq

Emisja wymuszona Emisja wymuszona (stymulowana, indukowana) proces emisji fotonów przez materię w wyniku oddziaływania z fotonem inicjującym. Foton emitowany przez atom ma częstotliwość (a więc również energię), fazę i polaryzację taką samą jak foton wywołujący emisję. Kierunek ruchu obu fotonów również jest ten sam. Światło złożone z takich identycznych fotonów nazywa się światłem spójnym. Zjawisko to jest podstawą działania laserów

Laser https://www.youtube.com/watch?v=ouebmjtwc-a

Laser półprzewodnikowy

Laser półprzewodnikowy https://www.youtube.com/watch?v=xjvomuodumm

Inne sposoby produkcji swiatła Lampa wyładowcza https://www.youtube.com/watch?v=vqvbwhdcwmi

Oko Inne sposoby produkcji swiatła Kula plazmowa

Nie stresować sie wzorami i POWODZENIA