1

Spalvos ir jų suvokimasŠviesos generacijos ir matavimo

fizika ir technologija III• Spalvinis matymas ir kolorimetrija.

Spalvinio matymo funkcijos. Spavlų stimulai. Trichromatiškumas. Spalvų opozicijos. Spalvų atrodymas. Konteksto įtaka spalviniam matymui. Spalvos pastovumas. Individualūs spalvinio matymo skirtumai. Spalvinio matymo sutrikimai. Kolorimetrijos principai. Spalvų atitaikymo metodai. Spalvinės koordinatės. Spalvų atitaikymo standartai.

Kalbėsime apie spalvas

• Kolorimetrija – tai spalvų mokslo rūšis, bandanti išmatuoti ir aprašyti žmonių matomas spalvas. Ji glaudžiai susijusi su fiziologine optika.

Matyti spalvas yra svarbu:

Objektų identifikavimas pagal jų atspindimą šviesą....

Tinklainėje yra dviejų tipų receptorinės ląstelės

Kūgeliai būna trijų rūšių, su sugerties maksimumais ties 420 nm (S), 534 nm (M) ir 564 nm (L). Jų geltonojoje dėmėje yra apie 200000 / mm2.

Stiebeliai tik vienos rūšies – 498 nm, geltonojoje dėmėje nėra.

Spalvas matome tik kūgelių aparato pagalba, todėl prieblandoje spalvų neskiriame!

Kūgelių jautriai ir pirminės spalvos

Kadangi turime trijų rūšių receptorius, užtenka trijų (nepatologiškai parinktų) spalvų bet kokiam spalvos stimului mūsų akyse sukurti....

Spalvos, kurioms jautrios akių ląstelės

2

Spalvinė adaptacija

• Matome juk ne atspindžio koeficientą, o sandaugą tarp atspindžio koeficiento ir apšviečiančios šviesos spektro. Tai kodėl apelsinas ir prie žvakės (2000K), ir prie dienos šviesos lempos (6500K) atrodo vienodai (vaizdų analizė smegenyse)?

Galima spalvinė receptorių adaptacija

• Ilgai stimuliuojant vienos rūšies receptorius, juose įvyksta adaptacija (jie pajautrėja ar tampa mažiau jautrūs). Tai leidžia akims prisitaikyti matyti spalvas, esant įvairaus apšviestumo sąlygoms (von Kries adaptacija);

• Dar yra antrinė adaptacija (persiskirsto įvairių receptorių svoriai)

• Kontrasto adaptacija (smegenų žievė)

Kūgeliai ir vyriškos bėdos

L ir M receptoriai koduojami X chromosomoje, kurių vyrai turi tik vieną... Todėl, jei genas prastai išreikštas ar visai neveikia, vyrai būna daltonikai... Tokių (įvairaus laipsnio) yra apie 6%

Daltonizmo rūšys

• Protanopai – trūksta raudonos;• Deuteranopai – trūksta žalios;• Tritanopai – trūksta mėlynos;

• Būna įvairaus laipsnio:– Anomalūs trichromatai;– Dichromatai

Ar jūs daltonikas(ė)?

25 29 4556 6 8

Kaip daltonikai mato pasaulį...

Pasaulis daltonikui nėra juodai baltas, jis spalvotas, bet kitoks...

3

Grįžtame prie normalių žmonių...

• Kadangi receptoriai tik trijų rūšių (moterys kartais gali turėti keturių rūšių), tai bet kokią spalvą galima sukombinuoti iš trijų atskirų spalvų. Tai vadinama žmonių trichromatiškumu.

• Receptoriaus spalva lemia fotono sugerties tikimybę, bet jei fotonas jau sugertas, atsakas nepriklauso nuo spalvos, t.y. yra univariantiškumas. Kitaip tariant, pavienis receptorius yra daltonikas! (prisimenam stiebelius).

S kūgeliai - ypatingi

• S kūgelių yra labai mažai (mažiau kaip 5%), be to, jų nėra geltonosios dėmės centre, kur regėjimas tiksliausias. Taigi, jie mažai lemia, koks šviesus mums atrodo daiktas.

• S kūgelių receptorių genetinis kodas tik 43% procentais sutampa su L ir M, kurie tarpusavyje sutampa 98%.

• S kūgeliai specialzuojasi spalvų kodavime, o L ir M – šviesumo perdavime ir apelsinų aptikime.

Spalvų opozicija

• Signalai iš skirtingų receptorių sukombinuojami įvairiose neuronų klasėse, sudarant signalus, kurie keliauja į smegenis

S M L

S-(L+M)

S M L

L-M

S M L

L+M

Spalvingumas Spalvingumas Šviesumas

Spalvų opozicija

• Spalvos kombinuojamos skirtuminiu būdu: B-(R+G) ir (L-M). Kai kurie bangos ilgiai generuoja žadinimą, kiti – slopinimą.

• Iš principo, kiekviena spalva – tai taškas trimatėje S, M ir L erdvėje (koordinatės atspindi kiek sužadinamas kiekvienas iš receptorių. Taip sudaromos spalvų erdvės, kurių gali būti keletas (kalbėsim vėliau).

Spalvų atrodymas

• Įvertinamas duodant žiūrėti į spalvų apertūrą. Spalvas galima aprašyti – Šviesumu (nuo tamsių iki šviesių)– Atspalviu (raudonas ar mėlynas ar pan.) – Įsotinimu (kuri šviesos dalis yra achromatinė, o kuri-

spalvinė)• Eksperimentai parodė, kad bet kurią iš apertūrinių

spalvų galia aprašyti kaip raudonos, mėlynos, žalios ir geltonos kombinacijas.

Spalvų atrodymas• Nė viena spalva neatrodo ‘mėlynai geltona’ arba

‘žaliai raudona’. Todėl buvo padaryta išvada (Herring, 1964), kad spalvos koduojamos taip:– Raudona arba Žalia– Mėlyna arba Geltona– Šviesi arba tamsi

4

Spalvų atrodymas

Įsotinimas, atspalvis ir šviesumas

Spalvų adityvus ir subtraktyvus maišymas

Šviesos šaltiniai (pvz., monitorius) Šviesos sugėrovai (dažai ant popieriaus)

Spalvų adityvus ir subtraktyvus maišymas

Jei maišom šviesą (monitorius), tai gaunama spalva yra R+G+B;

Jei spausdinam ant popieriaus ir nudažom jį raudoną spalvą sugeriančiais dažais, tai gaunam –R+G+B (Cyan), t.p. +R-G+B (Magenta, sugeria žalią), t.p. +R+G-B (Yellow, sugeria tik mėlyną). Dėl geresnio įsotinimo pridedam dar juodą ir gaunam CMYK.

Spalvų sutapatinimas: kada dvi spalvos yra vienodos?

• Maišome R (645nm), G (526 nm) ir B(444 nm). Kitas variantas: R(700 nm), G(546 nm) ir B (435.8) Spalvos užduotos, keičiamas tik jų intensyvumas. Užduotis –sutapatinti pusapskritimio spalvas, keičiant pirminių spalvų intensyvumus. Pirmieji šiuos eksperimentus atliko W. David Wright (Wright 1928) and John Guild (Guild 1931).

R, G ir B šaltinių spinduliuotės galia turi būti vienoda!

Maksvelo atitaikymas (geresnis)

• Maksvelo atitaikymo metodas: pirma suvedamas baltas balansas, tada pakeičiama viena iš trijų spalvų ir bandoma kompensuoti kitomis dviem...

• Metodas geresnis tuo, kad akis visada vienodai adaptuota...

Spalvų atitaikymo funkcijos (CMF): apibrėžimas

• Santykiniai r, g ir b intensyvumai, kurių reikia, norint atitaikyti monochromatinio λ bangos ilgio šaltinio (pastovios energijos) spalvą, vadinami spalvų atitaikymo funkcijomis (CMF).

R, G ir B šaltinių spinduliuotės galia turi būti vienoda!

5

• Pasirodo, ne visoms spalvoms tai pavyksta. Kai kur tenka įmaišyti į bandomąją spalvą šiek tiek pirminės spalvos (tada atitaikymo funkcija laikoma neigiama). Taip buvo nustatytos CIE (Commission Internationale de l'Eclairage) RGB spalvų atitaikymo funkcijos (CMF), vadinamos

Spalvų sutapatinimas: kada dvi spalvos yra vienodos?

( ), ( ), ( )r g bλ λ λ

R 700 nm, G 546 nm,B 435.8 nm

• Tai hipotetinis stebėtojas (vidutinis statistinis), kuriam galioja CIE nustatytos spalvų atitikimo funkcijos (1931, 1964 metai). Jos pateikiamos CIE, galima rasti: http://cvision.ucsd.edu/index.htm

• Priklauso nuo žiūrėjimo kampo, nes nuo jo priklauso kūgelių pasiskirstymas!

Standartinis stebėtojas

• Neigiama kurios nors CMF vertė reiškia, kad į bandomąją spalvą teko įmaišyti šiek tiek pirminės spalvos, kad būtų galima jas sutapatinti, o tarp maišomų spalvų tos spalvos visai nebuvo. Taip daryti tenka todėl, kad kūgelių sugerties spektrai persikloja ir parinktos pirminės spalvos jų nestimuliuoja unikaliai.

Kodėl CMF būna neigiamos? Spalvų atitaikymo savybės

1 1 2 2 3 3( ) ( ) ( )E a a aλ λ λ λ= + +A A A• Spalva – tai tiesinė trijų CMF kombinacija. • Atitaikymas yra simetriškas: Jei A atitinka B, tai B atitinka A.• Tranzityvumas: jei A atitinka B, B atitinka C, tai A atitinka C.• Proporcingumas: jei A atitinka B, tai nA atitinka nB (n –

konstanta).• Adityvumas: Jei A atitinka B, o C atitinka D, tada A ir C

kombinacija atitinka B ir D kombinaciją

• Tiesiškumas ir adityvumas galioja tik pirmu priartėjimu.

Sudėtingi stimulai

• Bet kokio spektro spalvų stimulą P(λ) galima sudaryti iš trijų CMF:

1 1( ) ( )A a P dλ λ λ= ∫2 2 ( ) ( )A a P dλ λ λ= ∫3 3( ) ( )A a P dλ λ λ= ∫

Integravimą keičia sumavimu, nes CMF visada nustatomos iš eksperimentų ir yra diskretinės.

Transformacijos

• CMF funkcijas galima tiesiškai transformuoti vienas į kitas. Svarbu, kad rinkiniai būtų nepriklausomi ir galėtų unikaliai stimuliuoti S, M ir L kūgelius.

• Taip gali būti gaunamos ‘menamos’ spalvos, nes bazinės funkcijos neatitinka jokios realios fizikinės spalvos, bet spektrinį pasiskirstymą

6

CMF specifiškumas

• CMF priklauso nuo žiūrėjimo kampo, yra standartinės 2° ir 10° rgb funkcijos.

• Gali skirtis įvairiems žmonėms...• Stiles and Burch sudarė turbūt patikimiausius

žmonių CMF rinkinius 2° ir 10° kampui (1955 ir 1959).

http://cvision.ucsd.edu/index.htm

Spalvų erdvės

• Būna dvimatės ir trimatės• Kad būtų patogiau, spalvų atitaikymo

duomenys išreiškiamos ne CMF koeficientais, bet spalvinėmis koordinatėmis.

• Kadangi CMF gali būti daug variantų (su tikslumu iki tiesinės transformacijos), tai daug ir tų erdvių, kurių bazinės funkcijos (CMF) yra tiek realios, tiek menamos spalvos...

Spalvų erdvės: 3D RGB

( )( )( ) ( ) ( )

rrr g b

λλλ λ λ

=+ +

( )( )( ) ( ) ( )

ggr g b

λλλ λ λ

=+ +

( )( )( ) ( ) ( )

bbr g b

λλλ λ λ

=+ +

Koordinačių sistema aprašoma, panaudojant r, g ir b funkcijas:

Koordinates reikia atidėti su tam tikrais masteliais, nes akies jautriai įvairioms spalvoms skiriasi. R : G : B = 1 : 4.5907 : 0.0601.

Spalvų erdvės: RGB• Kadangi

• vaizduojamas paprastai tik r ir g, nes b galima surasti iš jų

( ) ( ) ( ) 1r g bλ λ λ+ + =

Lokusas (monochromat. šalt.)

E – tai baltos šviesos taškas, parinkus atitinkamus r, g ir b koeficientus jis bus ties r=g=b=1/3

RGB chromatiškumo diagrama

Žalio šaltinio linija

Mėlyno šaltinio linija

Raudono šaltinio linija

Diagramoje galima pažymėti bet kokio spektro stimulą... Šitos koordinatės buvo nelabai patogios (yra neigiamų funkcijų reikšmių), tai CIE sugalvojo xyz spalvų erdvę.

Spalvų erdvės: xyz (CIE 1934)• Nutarė įvesti dar vieną, tokią kad:

– Visos CMF būtų didesnės už nulį visiems bangų ilgiams– y(λ) atitiktų akies fotopinį jautrį– Baltas taškas (spalvinė t-ra 5400K) atitiktų koordinates

x=y=z=1/3• Transformacija:

7

Spalvų erdvės: xyz (CIE 1934)Gautos CMF Chromatiškumo koordinatėsMonochromatinis

lokusas

Kam tos chromatiškumo koordinatės?

• Galima apytiksliai įvertinti, ar dvi spalvos labai skiriasi viena nuo kitos.• Galima apibrėžti, kokį spalvų intervalą sugeba padengti vaizdavimo įrenginys ir palyginti jį su žmogaus matomų spalvų intervalu.

Chromatiškumo koordinatės

Baltos spalvos balansas (‘baltas taškas’)

Tai nustatymas, ką vadinsime balta spalva (t.y. kiek bus stimuliuojami atskiri receptoriai, esant baltai spalvai). Yra nemažai baltų taškų...

Naudojami spalvų korekcijai, esant įvairiam apšvietimui (fotografuojant, filmuojant)

Baltos spalvos balansas (‘baltas taškas)

Tai nustatymas, ką vadinsime balta spalva (t.y. kiek bus stimuliuojami atskiri receptoriai, esant baltai spalvai). Yra nemažai baltų taškų...

Naudojami spalvų korekcijai, esant įvairiam apšvietimui (fotografuojant, filmuojant)

Baltas ta6kas

CIE 1931 CIE 1964 Pavadi-nimas x y x y

CCT°K Atsp. Pastaba

E 1/3 1/3 1/3 1/3 5400 Vienodų energijų

D50 0.34567 0.35850 0.34773 0.35952 5000

D55 0.33242 0.34743 0.33411 0.34877 5500

D65 0.31271 0.32902 0.31382 0.33100 6500 Televizija, sRGB

D75 0.29902 0.31485 0.29968 0.31740 7500

A 0.44757 0.40745 0.45117 0.40594 2856 Wolframo lemputė

9300 0.28480 0.29320 9300 Aukšto efektyvumo mėlyno fosforo monitoriai

F2 0.37207 0.37512 0.37928 0.36723 4200 Cool White fluorescencinė lempa (CWF)

F7 0.31285 0.32918 0.31565 0.32951 6500 Broad-Band Daylight Fluorescent

F11 0.38054 0.37691 0.38543 0.37110 4000 Narrow Band White Fluorescent

Spalvų pokyčių kreivumas

• XYZ erdvėje spalvų skirtumai yra šiek tiek netolygūs. T.y., skirtingose koordinatėse vienodi atstumai sukelia nevienodus pojūčio skirtumus.

McAdam eksperimetas: stebėtojų buvo prašoma sutapatinti dvi spalvas. Elipsės rodo izokreives, t.y. paviršius, kur spalvų juslinis pokytis yra pastovus. Kitaip tariant, jos apibrėžia metriką xy spalvų erdvėje

Ką reiškia, kad tos kreivės neapskritos?

‘Tiesesnė’ spalvų erdvė

• 1976 CIE įvedė CIELAB spalvų erdvę, kur elipsės pavirto (beveik) apskritimais. Joje atstumas crhomatiškumo diagramoje iš esmės atitinka juslinį pokytį tarp spalvų.

• Erdvė yra trimatė, t.y. L+a+b≠1.• L – šviesumas (0 – juoda, 100 – balta);• a – padėtis tarp avietinės ir žalios (neigiamas a

– žaliau, o teigiamas – avietiškiau);• b – padėtis tarp mėlynos ir geltonos (neigiamas

– mėlyna, o teigiamas – geltona);

8

XYZ transformacija į CIELAB

Xn, Yn, Zn – trijų stimulų vertės baltam taškui.

jei ir

Visais kitais atvejais

http://en.wikipedia.org/wiki/Lab_color_space

‘Tiesesnė’ spalvų erdvėL=25% L=50% L=75%

Apytikslė reprezentacija, ką reiškia a ir b parametrai CIELAB spalvų erdvėje, esant trims skirtingoms šviesumo vertėms....

‘Tiesesnė’ spalvų erdvė: CIELAB CIELAB erdvė

• Euklidinis atstumas atitinka realų juslinį skirtumą tarp dviejų spalvų:

• Senesnis (pasenęs) CIELAB variantas yra CIELUW, kuris vis dar naudojamas šviesos šaltinių CRI nustatyti (truputį kitatransformacija, gaunama dvimatė erdvė).

CIELUW erdvė Koreliacinė Spalvinė Temperatūra (CCT)

Tai temperatūra juodo kūno, kuris pagal savo spinduliavimą artimiausias tiriamam šaltiniui. Artimumas nusakomas pagal akį todėl jį tenka skaičiuoti ištiesinus erdvę (CIELAB)!

9

Spalvų koordinatės ir Planko šaltiniai

• Tam tikros temperatūros juodo kūno spinduliavimas stimuliuoja visų trijų rūšių receptorius tam tikru laipsniu. Kitaip tariant, jis turi savo vietą chromatiškumo koordinatėse. Pagal apibrėžimą, baltas taškas – tai 5400 K Planko šaltinio spinduliavimas.

• Ką daryti, jei šaltinis kitoks, spygliuotas? Naudojama CCT (koreliacinė spalvinė temperatūra)

Chromatiškumo koordinatės

CIELUW erdvė

Spalvų kontūrai apvalesni aplink baltos šviesos tašką....

Color rendering index (CRI)

• Nusako, kaip šviesos šaltinis, palyginus su juodu kūnu (tam tikros temperatūros) perteikia spalvas.

• Juodam ar pilkam kūnui visada 100%.• Lyginimas turi prasmę tik vienodų

spalvinių temperatūrų šaltiniams!

CRI nustatymas: 1

• Imam standartizuotų 8 arba 14 spalvų paletę: No. Approximate

Munsell Notation Colour appearance under daylight

1 7,5 R 6/4 Light greyish red 2 5 Y 6/4 Dark greyish yellow 3 5 GY 6/8 Strong yellow green 4 2,5 G 6/6 Moderate yellowish green 5 10 BG 6/4 Light bluish green 6 5 PB 6/8 Light blue 7 2,5 P 6/8 Light violet 8 10 P 6/8 Light reddish purple 9 4,5 R 4/13 Strong red 10 5 Y 8/10 Strong yellow 11 4,5 G 5/8 Strong green 12 3 PB 3/11 Strong blue

13 5 YR 8/4 Light yellowish pink (human complexion)

14 5 GY 4/4 Moderate olive green (leaf green)

CRI nustatymas: 2

Įvertinam skirtumus tarp spalvų CIELUW erdvėje:

tarp juodo kūno (tam tikros temperatūros) ir mūsų tiriamo šviesos šaltinio apšvietimo. Kiekvienai spalvai surandame:

CRI nustatymas: 3

Suvidurkinam rezultatus 8 spalvoms:

10

CRI problemos• Leidžia palyginti tik vienodos spalvinės temperatūros šaltinius. 70% CRI prie 5400K temperatūros daug geriau perteikia spalvas, negu 90% CRI prie 1800 K temperatūros.• Netinka spygliuotiems spektrams

Komercinės spalvų koordinatės ir schemos: Munsell

• Munsell color system– Sugalvojo dailininkas prof. Albert Munsell

1898– Spalvos aprašomos atspalviu, šviesumu,

Munsell book of color

Spalvos sudėtos į cilindrą, kurio apačia – juoda,viršus baltas, vidurys pastelinis, o išorė sodri

Komercinės spalvų koordinatės ir schemos: Munsell

• Šviesumas: 0 (juoda) iki 10 (balta)• Atspalvis R Y G B P ir tarpinės YR GY BG

PB ir RP ir kampai tarp jų nuo 0 iki 10• Chroma – bele koks, bet 10 – tai daug

5B 5/10 – tai mėlynos juostos vidurys, 5 –vidutinis šviesumas, chroma 10

Kas tas įsotinimas?

NCS (natural color system)

• Įvesta Scandinavian Color institute• Išnaudoja spalvų opozicijas ganglijinių ląstelių lygyje,

todėl tinka akims apgauti

TamsumasĮsotinimasAtstumas tarp spalvų

NCS 0580-Y10R – 5% tamsumas, 80% įsotinimas, 90% geltonos ir 10% raudonos

NCS 4055-R95B – 40% tamsumas, 55% įsotinimas, 5% raudonos ir 90% mėlynos

Spalvingumų suma turi būti 100%

RAL

• Įvesta vokiečių kokybės instituto Reichsausschuß für Lieferbedingungen (und Gütesicherung)

• Sudaro spalvų sąrašus ir standartus, tinka dažams parinkti.

• Pagal šią schemą, galima nurodyti, kokia spalva reikia nudažyti, pvz., automobilį.

11

Pantone (PMS)

• Viskas prasidėjo nuo standartizuotų spalvotų kortelių gamybos

• Paskui buvo susieta su CMYK, RGB ir t.t.• Naudojama dizainerių, parenkant ‘realias’

spalvas. Spalvos turi numerius

Matyti spalvas yra svarbu:

Objektų identifikavimas pagal jų atspindimą šviesą....

Iliuzijos ir smegenų darbas, atkuriant spalvas

• Apelsiną atpažinti reikia ir tada, kai jis auga ant medžio (saulėje), ir, kai pasisviesdami degtuku, ieškote jo rūsyje. Realios spalvos, kurias jis jums skleidžia, tuomet skiriasi.

• Smegenys turi vaizdų apdorojimo sistemą, kuri leidžia matyti ‘realias’ spalvas (spalvų pastovumas).

• Bet kokią apdorojimo sistemą galima ‘išdurti’

Spalviniam matymui įtakos turi kontekstas: Adelsono šviesumo iliuzija

Spalvos ir judesys Spalvos ir judesys

12

Spalvos ir judesys