sistemas electrÓnicos para iluminaciÓn · sistemas electrónicos para iluminación uniovi-gei:...

UNIVERSIDAD DE OVIEDO

Sistemas Electrónicos para iluminación

UNIOVI-GEI: Grupo de Electrónica Industrial Manuel Rico Secades

SISTEMAS ELECTRÓNICOS PARA ILUMINACIÓNPARTE IICOLORIMETRIA




COLORIMETRÍAEs la ciencia y la tecnología usada para cuantificar y describir matemáticamente las percepciones humanas del color

RETINAHUMANA

6.8 MILLONES DE CONOS (DIA Y COLOR)

115 MILLONES DE BASTONES (ROD) (NOCTURNA Y PERIFÉRICA)

Los conos están concentrados en la Fóvea ( 15º )

Los bastones solo contienen un fotopigmento (Rhodopsin) y no permite el reconocimiento de colores.

Los conos contienen 3 clases de fotopigmentos:L-CONE Long wavelength sensitive, vulgarmente ROJO (R)M-CONE Medium wavelength sensitive, vulgarmente VERDE (V)S-CONE Short wavelength sensitive, vulgarmente AZUL (B)

La abundancia relativa de los conos es: R=40 G=20 B=1




350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

0

1

SENSIBILIDAD DEL OJO HUMANO: VISIÓN FOTÓPICA (PHOTOPIC) (ALTOS NIVELES DE LUZ)

V()92 lx59%

47 lx30%

17 lx11%

100 lx100%

LUMINOSIDAD

AZUL 17 absoluta (11%)ROJO 47 absoluta (30%)VERDE 92 absoluta (59%)

TOTAL 156

COMENTARIO:

4 bombillas de distintos colores todas de la misma potencia, se aprecia diferente brillo.

Si la amarilla da 100 lx, la verde dará 92 lx, la roja 47 lx y la azul 17 lx.

En un televisor: Luminancia = 0.30 rojo + 0.59 verde + 0.11 azul

2)555.0(42.2570.1)( eV

MÁXIMO EN 555 nm(AMARILLO-VERDOSO)

Publicada en 1923 por K.S.Gibson y E.P.T. Tyndall (National Bureau of Standards)52 observadores en los años 1921 hasta 1923




350 400 450 500 550 600 650 700 750 [nm]

MÁXIMO EN 505 nm(VERDE-AZULADO)

2)505.0(7.351` 0.1)( eV

0

1

SENSIBILIDAD DEL OJO HUMANO: VISIÓN ESCOTOPICA (SCOTOPIC) (BAJOS NIVELES DE LUZ

Aproximación matemática

ESTÁNDAR DEFINIDO EN 1931

"De noche la sensibilidad se desplaza hacia el azul"

V'()




ALTOS NIVELESDE LUZ(FOTÓPICA)

BAJOS NIVELESDE LUZ(ESCOTÓPICA)

Proceso de adaptación

NIVELES DE LUZ INTERMEDIOSVISIÓN MESOTÓPICA (MESOPIC)

"Trabajan los conos fotorreceptores de la retina del ojo".

Reconocimiento de colores.

"Trabajan los bastones ("rods") fotorreceptores de la retina del ojo".

No permiten reconocimiento decolor

DIANOCHE




MODELOS MATEMÁTICOS PARA IGUALAR COLORES

El primer modelo procede directamente del análisis de la fisiología del ojo

MEZCLA DETRES COLORESINDEPENDIENTES

ROJO SATURADO (R). MONOCROMÁTICO DE 700 nm(Lámpara incandescente con un filtro de banda estrecha)

VERDE SATURADO (G). MONOCROMÁTICO DE 546.1 nm(Obtenida del espectro de mercurio)

AZUL SATURADO (B). MONOCROMÁTICO DE 435.8 nm(Obtenida del espectro de mercurio)

"CIE 1931 RGBPRIMARY SYSTEM"

350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

R

GB

RATIOS DEPOTENCIARADIANTERELATIVAUTILIZADA

R=72.0962G=1.3791B=1

"Color-matching" experimentos realizados en 1920 por W.D. Wright, J. Guild y D. Judd




EL ESTÍMULO R SE SELECCIONA CON UN FILTRO DE INTERFERENCIA Y LOS ESTÍMULOS G Y BSON LÍNEAS DE EMISIÓN DE LA DESCARGA DE MERCURIO

LAS UNIDADES DE RGB HAN SIDO TOMADAS DE FORMA QUE LA MEZCLA DE 1 UNIDAD DE R, CON 1 UNIDAD DE G, CON UNA UNIDAD DE B PROPORCIONE UN COLOR IGUAL QUE EL ESTÍMULO BLANCO DE TEST

1 UNIDAD DE R

1 UNIDAD DE G

1 UNIDAD DE B

BLANCO DE5.6508 cd/m2

"CIE 1931 RGB PRIMARY SYSTEM"

1 UNIDAD DE R APORTA 1.000 cd/m2

1 UNIDAD DE G APORTA 4.5907 cd/m2

1 UNIDAD DE B APORTA 0.0601 cd/m2

RATIOS DEPOTENCIARADIANTERELATIVAUTILIZADA

R=72.0962G=1.3791B=1

350 400 450 500 550 600 650 700 750

P()

Wnm

P()

Wnm

[nm]

ESTIMULO E

P( ) =1

360 £ £ 770

"EQUAL-ENERGY STIMULUS"

ESTIMULO BLANCO DE TEST




IDEAS IMPORTANTES DE LA COLORIMETRÍA

1.- CUALQUIER ESTÍMULO PUEDE CONSIDERARSE COMO UNA SUMA DE ESTÍMULOS MONOCROMÁTICOS

P()

P()

P()

P()

= + ........

P()

"LEYES DE GRASSMAN"




IDEAS IMPORTANTES DE LA COLORIMETRÍA

2.- SI TODOS LOS COLORES MONOCROMÁTICOS ENTRE 38O nm Y 780 nm SE IGUALAN CON UNA MEZCLA DE LOS COLORES RGB SE OBTIENEN LAS LLAMADAS "COLOR MATCHING FUNCTIONS" r(), g(), b().

r()g()

b()

[nm]

Las "color matching functions"son muy importantes. nos permitenobtener el RGB de cualquier lámpara

FUNCIONES DE AJUSTE DE COLOR =COLOR MATCHING FUNCTIONS

17 observadores




r()g()

b()

[nm]

i

=

[nm]

B

R

G

i

EXPERIMENTO PARA OBTENER LAS "COLOR MATCHING FUNCTIONS"

ESTIMULO CON LA MISMA ENERGÍAA TODAS LAS

"Este procesose repite con todoslos i"




i

R

r()g()

b()

[nm]

i

=

[nm]

B

R

G

i

INTERPRETACIÓN VALORES NEGATIVOS EN LAS "COLOR MATCHING FUNCTIONS"

ESTIMULO CON LA MISMA ENERGÍAA TODAS LAS

No es posible igualar la luz de i mezclando

RGB




Las "COLOR MATCHING FUNCTIONS" r(), g(), b() son importantes, conocido el Espectro de una lámpara podemos conocer la cantidad de R, G y B que necesitamos para describir matemáticamente su color.

350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

P() [W/nm]

350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

P() [W/nm]

780

380

)()( drPR

780

380

)()( dgPG

780

380

)()( dbPB

LA LUMINANCIA DE UN COLOR DADO POR SU RGB SERÁ:

L = 1.0000 R + 4.5907 G + 0.601 B [cd/m2]




COMENTARIO:

La sensación de color de un estímulo cualquiera definido por suespectro P(), será igual a la suma de sensaciones de cada una de suscomponentes.

NORMALMENTE SE NORMALIZA EL RESULTADO

BGR

Rr

BGR

Gg

BGR

Bb

OBVIAMENTE: r+g+b = 1




REPRESENTACIÓN GRÁFICA DEL RESULTADO:TRIÁNGULO DE COLOR DE MAXWELL

g

r1

1

350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

P() [W/nm]

350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

P() [W/nm]

NUESTRA LÁMPARA

BR

G

350 400 450 500 550 600 650 700 750

P()

Wnm

P()

Wnm

[nm]

ESTÍMULOSMONOCROMÁTICOS

600

510

450

0.33

0.33 E

350 400 450 500 550 600 650 700 750

P()

Wnm

P()

Wnm

[nm]

ESTIMULO EP() =1360 £ £ 770

"EQUAL-ENERGY STIMULUS"ESTIMULO BLANCO DE TEST

"CIE 1931 RGBPRIMARY SYSTEM"




g

r1

1

R

G

B 0.33

LÁMPARA 1

350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

P() [W/nm]

350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

P() [W/nm]

LÁMPARA 2

350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

P()

W

nm

P()

W

nm

IMPORTANTE:PUEDEN EXISTIR DOS LÁMPARAS CON DISTINTO ESPECTRO PERO EL MISMO COLOR.(COLORES METAMÉRICOS)




EL SISTEMA RGB NO SE UTILIZA POR LA DIFICULTAD DE REALIZAR"COLORÍMETROS FOTOELÉCTRICOS" CON CANTIDADES POSITIVAS YNEGATIVAS

EL CIE EN 1931 ADOPTO UN NUEVO CONJUNTO DE ESTÍMULOS PRIMARIOS QUESE DENOMINAN X, Y, Z.

ESTOS ESTÍMULOS SON IMAGINARIOS Y NO SE CORRESPONDEN CON NINGÚNCOLOR REAL. SON PURAS TRANSFORMACIONES MATEMÁTICAS.

SE HA TOMADO DE FORMA QUE LAS COORDENADAS CROMÁTICAS DELESTIMULO BLANCO DE TEST EN RGB Y EN XYZ SEAN LAS MISMAS.

UNA DE LAS NUEVAS "COLOR MATCHING FUNCTIONS" SE HA TOMADO V()(ESTÁNDAR FOTÓPICO DEL OJO HUMANO). SE HA TOMADO y() = V().

LAS COORDENADAS DE TODOS LOS COLORES REALES DEBEN DE SER POSITIVAS




LA TRANSFORMACIÓN ADOPTADA POR LA CIE XYZ 1931 FUE:

X = 2.76888 R + 1.75175 G + 1.13016 BY = 1.00000 R + 4.59070 G + 0.06010 BZ = 0.00000 R + 0.05651 G + 5.59427 B

"NOTAR QUE LA Y DE LA TRANSFORMACIÓN ES LA LUMINANCIA"

LA TRANSFORMACIÓN INVERSA PUEDE OBTENERSE (INVIRTIENDO LA MATRIZ):

R = 0.41846 X - 0.15866 Y - 0.08283 ZG = -0.09117 X + 0.25243 Y + 0.01571 ZB = 0.00092 X - 0.00255 Y + 0.17860 Z

RGB XYZ

RGBXYZ




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()

LAS NUEVAS "COLOR MATCHING FUNCTIONS" x(), y(), z()PUEDEN OBTENERSE MATEMÁTICAMENTE

recordar que se ha preparado todo para que y() = V()

350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

x()y()z()Se pueden aproximar matemáticamente:

2

2

)600.0(450

)445.0(1200

060.1

34.0)(

e

ex

2)555.0(42.2570.1)()( eVy

2)450.0(8007741.1)( ez

en m




Utilizando las "COLOR MATCHING FUNCTIONS" x(), y(), z() pueden obtenerse las coordenadas cromáticas XYZ de una lámpara

350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

P() [W/nm]

350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

P() [W/nm]

780

380

)()( dxPX

780

380

)()( dyPY

780

380

)()( dzPZ

NOTAR QUE AHORA Y ES DIRECTAMENTE LA LUMINANCIA (L) DE LA LÁMPARA




ZYX

Xx

ZYX

Yy

ZYX

Zz

OBVIAMENTE: x+y+z = 1

IGUAL QUE ANTES, SE NORMALIZA EL RESULTADO




REPRESENTACIÓN GRÁFICA DEL RESULTADO:CIE 1931 XYZ

y

x1

1

"CIE 1931 XYZPRIMARY SYSTEM"

ESTIMULO EP() =1360 £ £ 770

"EQUAL-ENERGY STIMULUS"ESTIMULO BLANCO DE TEST

0.33

0.33 E

350 400 450 500 550 600 650 700 750

P()

Wnm

P()

Wnm

[nm]

ESTÍMULOSMONOCROMÁTICOS

620

540

500

460

R

G

B

350 400 450 500 550 600 650 700 750

P()

Wnm

P()

Wnm

[nm]

NUESTRA LÁMPARA

350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

P() [W/nm]

350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

P() [W/nm]




MEZCLA DE 2 COLORES

COLORA

COLORB

PROPORCIÓN DE BPROPORCIÓN

DE A

COLOR OBTENIDO




CASO PARTICULARMEZCLA DE EXTREMOS DEL ESPECTRO VISIBLE: LÍNEA DE PÚRPURAS

COLORA

LÍNEA DE PÚRPURAS

COLORPÚRPURA




IMÁGENES DE TELEVISIÓN

"El color A puede considerarseuna mezcla de blanco (LUMINANCIA)con el color monocromáticocorrespondiente(CROMINANCIA)

LONGITUD DE ONDA DOMINANTE

LONGITUD DE ONDA COMPLEMENTARIA

BLANCO

A

B

"El color B puede obtenerse de filtrardel color blancoel color monocromáticocorrespondiente




MEZCLA SUBSTRACTIVA DE COLORES (PINTURA, FOTOGRAFÍA Y ARTES GRÁFICAS)

MEZCLA DE COLORES FILTRADO DE COLORES

CYAN

(AZUL-VERDOSO)BLANCO

FILTROS

BLANCOMAGENTA

(AZUL-ROJO)

BLANCOAMARILLO

(VERDE-ROJO)

AZUL

ROJO

VERDE

FILTROS

NEGRO

NEGRO

NEGRO

FILTROS

CYAN

(AZUL-VERDOSO)BLANCO

FILTROS

BLANCOMAGENTA

(AZUL-ROJO)

BLANCOAMARILLO

(VERDE-ROJO)

AZUL

ROJO

VERDE

FILTROS

NEGRO

NEGRO

NEGRO

FILTROS




MEZCLA DE TRES COLORES: MONITORES

X

COLORES QUE PUEDEN SER REPRESENTADOS POR EL MONITOR

FÓSFOROS




OTROS ESTÁNDARES PARA DEFINIR EL COLOR HAN SIDO INTRODUCIDOS POR EL CIE

CIE 1960 (u,v) (LAS COORDENADAS CROMÁTICAS SON U, V, W)

3212

4

xy

xu

3212

6

xy

yv

24

5.1

vu

ux

24

vu

vy

ESTE DIAGRAMA ES INTERESANTE PARAEL TEMA DE LA TEMPERATURA DE COLOR




CIE 1976 (u',v') (LAS COORDENADAS CROMÁTICAS SON U', V', W')

3212

4'

xy

xu

3212

9'

xy

yv

3'4'

'25.2

vu

ux

3'4'

'

vu

vy




TEMPERATURA DE COLOR Y TEMPERATURA DE COLOR CORRELACIONADA

EL MODELO MATEMÁTICO DEL CUERPO NEGRO SIRVE PARA APROXIMAR LA EMISIÓN DE UNA LÁMPARA INCANDESCENTE Y TAMBIÉN LA LUZ SOLAR

OBVIAMENTE, LAS LÁMPARAS NO RESPONDEN AL ESPECTRO DEL CUERPO NEGRO

"LA TEMPERATURA DE COLOR DE UNA LÁMPARA ES LA TEMPERATURA A LA QUE TENGO QUE PONER EL CUERPO NEGRO PARA QUE LA APARIENCIA DE COLOR DE AMBOS SEA LA MISMA"

350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

P() [W/nm]

350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

P() [W/nm]

350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

P()

W

nm

P()

W

nm

NUESTRALÁMPARA

CUERPO NEGRO A 3000 K

TEMPERATURA DE COLOR DE NUESTRA

LÁMPARA 3000 K

T




DIAGRAMA CIE 1931 XY:TEMPERATURA DE CUERPO NEGRO Y POSICIÓN DE LOS ILUMINANTES ESTÁNDAR DE LA CIE




ILUMINANTES ESTANDARIZADOS POR LA CIE

ILUMINANTE A: LÁMPARA INCANDESCENTE DE TUNGSTENO A 2.790 K (CUERPO NEGRO A 2.856 K)

ILUMINANTE B: LUZ SOLAR DIRECTA CON TEMPERATURAS DE COLOR 4.874 K

ILUMINANTE C: LUZ SOLAR DÍA NUBLADO CON TEMPERATURAS DE COLOR 6.774 K

ILUMINANTE D65: LUZ NATURAL A TEMPERATURA DE COLOR 6.504 K

ILUMINANTE E: ESTÍMULO EQUI-ENERGÉTICO




EVOLUCIÓN DEL COLOR DEL CUERPO NEGRO EN DISTINTOS DIAGRAMAS

CIE 1931 XYZ

CIE 1960 (u,v)




350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

P() [W/nm]

350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

P() [W/nm]

NUESTRALÁMPARA

¿TEMPERATURA DE COLOR DE NUESTRA LÁMPARA ?

T

SE USA LA "TEMPERATURA DE COLOR CORRELACIONADA" PARA CASO EN QUE EL COLOR DE LA LÁMPARA ESTÉ ALEJADO DEL LUGAR DE COLOR DEL CUERPO NEGRO




CIE 1960 (u,v)

350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

P() [W/nm]

350 400 450 500 550 600 650 700 750

[nm]

P() [W/nm]

NUESTRALÁMPARA

90º

TEMPERATURA DE COLOR CORRELACIONADA

T = 3000 K

TEMPERATURA DE COLOR CORRELACIONADA

DE NUESTRALÁMPARA 3000 K




ÍNDICE DE REPRODUCCIÓN CROMÁTICA (IRC)

LA CAPACIDAD PARA RECONOCER EL COLOR DE OBJETOS ILUMINADOS POR UNA FUENTE DE LUZ SE MIDE POR MEDIO DEL IRC

EL IRC VARIA DE 0 HASTA 100.

BUEN IRC 85NORMAL ENTRE 70 Y 85MALO £70




AZUL

ROJOAMARILLO

VERDE

SODIO DE ALTA PRESIÓN (IRC 25) FLUORESCENTE TRIFOSFORO (IRC 85)

MUESTRA DE TEST

EJEMPLO DE UN MAL Y DE UN BUEN IRC

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