Vas Zoltán Témavezető: Dr. Schanda János Konzulens: Dr. Bodrogi Péter

Átírás

1 Mezopos spektrális érzékenységi modell megalkotása vizuális megfigyelések alapján, a mezopos fénysűrűségi tartomány összegezhetőségének kérdése Doktori (PhD) értekezés Vas Zoltán Témavezető: Dr. Schanda János Konzulens: Dr. Bodrogi Péter Pannon Egyetem Műszaki Informatikai Kar Informatikai Tudományok Doktori Iskola 2011

2 Mezopos spektrális érzékenységi modell megalkotása vizuális megfigyelések alapján, a mezopos fénysűrűségi tartomány összegezhetőségének kérdése Értekezés doktori (PhD) fokozat elnyerése érdekében Írta: Vas Zoltán Készült a Pannon Egyetem Informatikai Tudományok Doktori Iskolája keretében Témavezető: Dr. Schanda János Elfogadásra javaslom (igen / nem) A jelölt a doktori szigorlaton... % -ot ért el, (aláírás) Az értekezést bírálóként elfogadásra javaslom: Bíráló neve: igen /nem Bíráló neve: igen /nem. (aláírás) A jelölt az értekezés nyilvános vitáján...% - ot ért el Veszprém,. (aláírás). a Bíráló Bizottság elnöke A doktori (PhD) oklevél minősítése... az EDT elnöke 2

3 Tartalomjegyzék 1 ÖSSZEFOGLALÓ Summary Zusammenfassung meiner Arbeit BEVEZETÉS ÁTTEKINTÉS Az ember szem felépítése és működése A fénysűrűség, a kontraszt és a láthatósági szint Fénysűrűségi tartományok, érzékenységi görbék, CIE 2 -os és 10 -os megfigyelőjének definíciója A három fénysűrűségi tartományhoz tartozó fénysűrűségi érték számításának módja Korábbi modellek az irodalomból A 3. fejezet összefoglalása MEZOPOS FÉNYSŰRŰSÉGI KÍSÉRLETEK A kísérlet során felhasznált eszközök A kísérletben résztvevő megfigyelők Az alkalmazott eljárások, egy megfigyelés menete A KÍSÉRLET EREDMÉNYEINEK FELDOLGOZÁSA, KIÉRTÉKELÉSE Modell kialakítása Az eredmények kiértékelése A paraméterek analízise Detektálási kontrasztküszöb előrejelzése a CHC2 modellel Előre jelzett detektálási kontrasztküszöb összehasonlítása irodalombeli modellek előrejelzéseivel TOVÁBBI MODELLEZÉS VIRTUÁLIS STIMULUSOKKAL, HIPOTETIKUS MEGFIGYELŐ ÉS HOMOGÉN HÁTTÉR MEGVILÁGÍTÁS ALKALMAZÁSA MELLETT Előre jelzett detektálási kontrasztküszöb értékek a szimulált vizuális céltárgyakhoz Láthatóság, láthatósági szintek

4 7 KÍSÉRLETEK DINAMIKUSAN VÁLTOZÓ HÁTTÉR SPEKTRÁLIS TELJESÍTMÉNY ELOSZLÁS ÉS ÉJSZAKAI VEZETÉSI HELYZETET SZIMULÁLÓ PROGRAM HASZNÁLATÁVAL Eredmények kiértékelése TOVÁBBI MODELLEZÉS VIRTUÁLIS STIMULUSOKKAL, HIPOTETIKUS MEGFIGYELŐ ÉS DINAMIKUSAN VÁLTOZÓ HÁTTÉR MEGVILÁGÍTÁS ALKALMAZÁSA MELLETT Előre jelzett detektálási kontrasztküszöb értékek a szimulált vizuális céltárgyakhoz KONKLÚZIÓ ÖSSZEFOGLALÓ TÉZISEK KÖSZÖNETNYILVÁNÍTÁS MELLÉKLET A fényt emittáló dióda A HPS és LED-es fényforrások rövid összehasonlítása JELÖLÉSJEGYZÉK IRODALOMJEGYZÉK

5 1 Összefoglaló Kutatásom során a mezopos fénysűrűségi tartományban fellépő nem-additivitás jelenségét vizsgáltam, és megalkottam egy olyan modellt, amely a nem-additivitás okozta számítási eltéréseket minimalizálja. Az MSZ bejegyzése alapján Abney összegezhetőségről szóló törvénye a következőképpen hangzik: Az a tapasztalati törvény, amely szerint, ha az A és B színinger egyforma világosságú, valamint a C és a D színinger is egyforma világosságú, akkor az A és a C valamint a B és a D additív színingerkeveréke is egyforma világosságú. [1]. Abney additivitásról szóló törvényénél szorosabb megkötés és a fénysűrűség meghatározásának alapja az a tapasztalat, hogy a fénysűrűség kiszámítható spektrális integrálás segítségével. Ez a két állítás azonos színingerek esetén a fotopos és a szkotopos fénysűrűségi tartományban érvényes, de mezopos körülmények között nem teljesül, amit a csapok és a pálcikák kölcsönhatása okoz. A detektálási kontrasztküszöbnek a mezopos tartományban való előrejelzésénél fontos figyelembe venni Abney összegezhetőségről szóló törvényének sérülését, illetve a spektrális integrálás nem alkalmazhatóságát, hiszen minden spektrálisan összetett fényforrás esetén fellép a mezopos tartományban a nem-összegezhetőség problémája. Ez olyan szituációkhoz vezethet, amelyekben bizonyos vizuális céltárgyak nem kerülnek detektálásra. Ez akár veszélyes helyzetekhez is vezethet, gondoljunk csak az éjszakai vezetésre és egy akadályra, amelyet a vezető nem észlel. Kutatásom során számos kísérletet végeztem 10 -os és 20 -os periferiális megfigyelés mellett, illetve további modellezéssel támasztottam alá a megalkotott ún. CHC2 mezopos detektálási modell által szolgáltatott eredményeket. Három, az irodalomból származó modellel az X, a MOVE és a CIE TC1-58 modellel is összehasonlítottam a felállított CHC2 kontraszt metrika előrejelzési teljesítményét, amely eredményéül azt kaptam, hogy a fent említett három akromatikus modell előrejelzése némi óvatossággal elfogadható, ennek ellenére a pontos eredmények érdekében a CHC2 modell alkalmazása ajánlott, hiszen ez megoldja a mezopos tartományban a nem-összegezhetőség problémáját, az opponens színi csatornák figyelembevételével. 5

6 1.1 Summary The aim of my research was to establish an appropriate detection contrast metric in the mesopic luminance range which solves the problem of non-additivity by taking the influence of the chromatic channels into account. The International Lighting Vocabulary describes Abney s law about additivity as follows: An empirical law stating that if two colour stimuli, A and B, are perceived to be of equal brightness and two other colour stimuli, C and D, are perceived to be of equal brightness, then the additive mixtures of A with C and B with D will also be perceived to be of equal brightness [2]. A tighter restriction than Abney s law about additivity the definition of luminance is that luminance can be calculated by the aid of a spectral integration. These statements hold for photopic and scotopic luminance but in the mesopic range spectral non-additivity occurs, caused by the rod intrusion into the luminance like signal produced by the L- and M-cone receptors. In every mesopic lighting situation, where spectrally composite light sources are used, non-additivity occurs, which can lead to unsafe situations, as some visual targets might remain undetected. For example imagine a night-time driving scenario where the driver is unable to detect a dangerous obstacle. Based on several experiments at 10 and 20 eccentricity, and further theoretical modeling the CHC2 contrast metric was constructed. I compared the prediction performance of the CHC2 contrast metric with models from the literature the X, the MOVE and the CIE TC1-58 models. My conclusion is that the predictions of the achromatic models can be accepted for most object chromaticities. If an accurate detection threshold contrast value is needed, the CHC2 contrast metric shall be used because this contrast metric takes not only retinal eccentricity dependence but also the contribution of the chromatic channels to detection into account. 6

7 1.2 Zusammenfassung meiner Arbeit Der Zweck meiner Forschung war ein adäquates Modell für den mesopischen Bereich zu entwickeln, das die Erscheinung der sogenannten spektralen Nichtadditivität durch Berücksichtigung der chromatischen Kanäle des Sehsystems beschreibt. Das Internationale Lichttechnische Wörterbuch bietet unter für das Abneysche Gesetz die folgende Definition: Einem empirischen Gesetz nach, wenn zwei Farb-stimulus, A und B, dieselbe Helligkeit haben, und zwei andere Farb-stimulus, C und D, die auch die gleiche Helligkeit haben, werden auch die additive Farbmischungen von A und C, sowie die von B und D auch äquale Helligkeiten haben [2]. Es gibt noch ein engeres Gesetz, als das Abneysche Gesetz: die Leuchtdichte kann mit Hilfe einer spektralen Integration berechnet werden. Diese Gesetze sind unter photopischen und skotopischen Sehverhältnissen gültig, aber es kann nicht im Dämmerungssehen verwendet werden, verursacht von der parallelen Aktivität der vier Photoreceptoren: den L-, M-, S-Zapfen und den Stäbchen. Wenn eine spektral komplexe Strahlungsquelle (z.b. eine weiße Leuchtstoff- LED) für die Beleuchtung im Dämmerungssehen benutzt wird, wird eine Nichtadditivität auftreten, was dazu führen kann, dass z.b. der Autofahrer einige visuelle Objekte nicht erkennen kann, und so eine unsichere Situation entstehen könnte. Basierend auf dem neuen chromatischen Modell CHC2 genannt, habe ich die Resultate von etwa 1500 Experimente ausgeführt unter 10 und 20 Sehwinkel, und die von weiteren theoretischen Überlegungen ausgewertet. Heutzutage benutzt man achromatische Modelle wie X, MOVE und CIE TC1-58 um die Vorhersage der Detektion der Kontrastgrenze berechnen zu können. Diese Modelle wenden eine einfache Methode an, um die Kontrastschwellenwerte zu ermitteln. Aus diesem Grund können sie in Messgeräten relativ einfach implementiert werden. Diese Modelle berücksichtigen allerdings weder den Einfluss der chromatischen Kanäle, noch die Sehwinkelabhängigkeit der Detektionswahrscheinlichkeit. Deshalb habe ich diese Modelle mit dem neu entwickelten CHC2 Modell verglichen, und ich bin zum Ergebnis gekommen, dass die Vorhersage der achromatischen Modelle nur mit Vorsicht akzeptiert werden sollten und eher nur für foveale Beobachtungen, aber wenn eine präzise Hervorsage benötigt wird, sollte man das CHC2 Modell verwenden. 7

8 2 Bevezetés Külvilágunkat érzékszerveinken keresztül vagyunk képesek megismerni. Ezen érzékszervek közül talán az egyik legbonyolultabb mind működésben, mind felépítésben a szem, és általa a látás mechanizmusa. A szem pontos működése még mindig rejtély, habár a felépítését már ismerjük. A szem speciális fényérzékelő receptorokkal rendelkezik, melyek segítségével mind éjszaka (pálcikák) mind nappal (csapok) tökéletesen látunk. Ezen érzékelők különbözősége miatt eltérő spektrális érzékenységi görbéket kell használnunk az éjszakai és a nappali viszonyokhoz. Nappali viszonyok között a V(λ) spektrális érzékenységi függvényt használjuk, mely modellezi a csapok működését. A görbének egyetlen maximuma van λ=555 nm hullámhosszúságnál, amely arra enged következtetni, hogy az emberi szem érzékenységének maximuma nappali körülmények között a zöldes színekre a legnagyobb. Éjszakai körülmények között viszont a V (λ) görbe írja le a receptorok érzékenységét, melynek némileg eltolva alacsonyabb hullámhossztartomány felé, λ =507 nm-nél van a maximuma. Ezen két tartomány között található a mezopos fénysűrűségi tartomány, mely megfelel például a szürkületi-, hajnali- vagy éjszakai járművezetés fényviszonyainak. Ebben a fénysűrűségi tartományban mind a két típusú fotoreceptor aktív, emiatt egy jóval komplexebb jel- és jelfeldolgozó mechanizmusra van szükség a szem működésének megértéséhez. Mind a nappali, mind az éjszakai fénysűrűségi tartományokban érvényes a spektrális integrálás tapasztalati törvénye, amely szerint a fénysűrűség kiszámítható a spektrális integrálás segítségével. Ez a törvény a mezopos fénysűrűségi viszonyok között sajnos nem érvényes, így a nappali- és éjszakai tartományban alkalmazott modellek és variánsaik nem használhatók. Viszont égetően nagy szükség lenne egy precíz modellre, amely az összegezhetőség törvényének figyelembe vételével ezt a fénysűrűségi tartományt leírja, gondoljunk csak a közvilágításban, gépjárműveknél és egyéb területeken használt fehér színű optikai sugárzásra, amely sok monokromatikus hullámhossz keveréke, melynél fellép az összegezhetőség problémája. Az eddig használt modellek figyelmen kívül hagyták az összegezhetőség nem meglétét, ezáltal nem megfelelő a szem e fénysűrűségi tartománybeli érzékenységének megállapítása sem. Az előbb említett tények miatt balesetveszélyes helyzetek állhatnak elő. 8

9 Disszertációmban leírt munkám célja egy olyan modell megalkotása volt, amely feloldja az összegezhetőség problémáját a mezopos fénysűrűségi tartományban, ezzel elősegítve a nagyobb biztonságot a közutakon, és az energiatakarékosabb fényforrások megalkotását spektrális optimalizáció segítségével. 9

10 3 Áttekintés 3.1 Az ember szem felépítése és működése Az ember érzékszervei közül talán a szem (oculus) a legfontosabb, felépítése nagyon komplex. Működését rengeteg változó befolyásolja, mint például a tárgyak színe, vetületük mérete a retinán, a környezet fénysűrűsége, az adaptáció ideje, a céltárgy/háttér kontrasztaránya Emiatt fontosnak tartom eme szervünk tulajdonságainak ismertetését, a pontosabb érthetőség céljából [3]. 1. ábra: Az emberi szem sematikus vázlata [4]. Már az ókorban is ismeretes volt, hogy a látásért a szem a felelős, de működésének és felépítésének megismerése a XX. században vált teljesebbé. Ebben a folyamatban nagy szerepet játszottak Leonardo da Vinci skiccei és feltevései, majd a XVII. században Galileo Galilei és Johannes Kepler lencserendszerrel kapcsolatos kutatásai segítettek a szem működésének teljesebb megértéséhez. A látásért felelős szervünket alkotó szöveteket a következő nagyobb csoportokba oszthatjuk: a szemgolyó (bulbus oculi), a fényérzékelő receptor szerv; a látóideg, a látóközpont és a látókéreg. A fény ingerületét a látóideg (nervus opticus), a látókötegen (tractus opticus) át a szubkortikális látóközpontba, majd a látókisugárzás (radiatio optica) útján az agykéreg látómezőjébe juttatja; 10

11 a szem járulékos szervei (organa oculi accessoria): a szemgödör (orbita), a szem pólyái, és izmai (fasciae et mm. bulbi oculi), a szemhéjak (palpebrae), a kötőhártyával (tunica conjunctiva), és a könnykészülék (apparatus lacrimalis). Az emberi szem nagyon rugalmas szövetből épül fel, a test többi szervéhez képest nagy a fajlagos folyadéktartalma, átlagosan 24 mm átmérőjű, tömege körülbelül 7,5 gramm, a szemüregben helyezkedik el, amelyet 7 kis csont alkot. Mint az 1. ábrán jól látható, a felépítése a következő: külső hártya (tunica fibrosa bulbi) főképpen kollagén rostokból álló, merev falú, rugalmatlan védőburok, amely a szemgolyó vázát alkotja. A külső hártya további két részre osztható: hátulsó 4/5-ét képező ínhártya (sclera), amely fehér színű, ínszerű szövet elülső 1/5-ét alkotó domború, hasonló szerkezetű, de átlátszó szaruhártya (cornea); középső hártya (tunica vasculosa bulbi), amelynek kötőszövetes szerkezete vékony és laza, erekben valamint pigmentekben meglehetősen gazdag, idegrostok és rugalmas rostok szövik be, valamint némi simaizom sejtet is tartalmaz. Színe feketés-zöld, a fényt elnyeli. Elsődleges feladata a szemgolyó tápanyaggal és oxigénnel való ellátása. Részei: az érhártya (chorioidea) a sugártest (corpus ciliare) a szivárványhártya (iris); belső hártya (tunica interna bulbi), amely a fényingert veszi fel. A pupillán keresztül bejutó fény a középső hártya látóidegfőtől (papilla optica) egészen az ora serrata-ig terjedő részét éri. Ezen a területen találhatók a fényinger felvételére, átalakítására és tovajuttatására szolgáló idegsejteket. Ezt a területet pars optica retinae-nak nevezzük. A sugártestet borító pars ciliaris retinae és a szivárványhártya hátulsó felületén elhelyezkedő pars iridica retinae-hoz nem jut el az optikai sugárzás. Ez a kettő együtt a pars caeca retinae [5]. A szaruhártya átlátszó képződmény, mely az ínhártyában folytatódik. A sclera színe fehér, ez abból adódik, hogy a kötőszöveti rostok szabálytalanul szövik be, tömött 11

12 szerkezetet létrehozván, illetve ez a régió kevés eret tartalmaz. Ez a szöveti rész nagyon fontos, hiszen ez határolja el a szem többi részét a szemüregtől, illetve a külvilágtól. Az emberi szem a körülbelül λ=380 nm és a λ=780 nm közötti hullámhossz tartományban képes érzékelni a beérkező optikai sugárzást. Ez a sugárzás fénytörést szenved a szaruhártyán majd a szemlencsén, amelynek törésmutatója csak minimálisan tér el a csarnokvíz (humor aquosus) és az üvegtest törésmutatójától. A csarnokvíz állandó cirkulációja tölti be a vér szerepét ebben az átlátszó közegben: tápanyaggal látja el a szemlencsét. Antioxidánsokat, C- és E vitamint, és luteint (C 40 H 56 O 2 ) is tartalmaz, ezáltal nagyban hozzájárul a szemlencse védelméhez, amely nagyon érzékeny mind a nagy intenzitásra, mind az UV sugárzásra. Minél nagyobb a beeső optikai sugárzás intenzitása, annál nagyobb a veszélye annak, hogy sérül a szemlencse és/vagy a retina. Erre egy példa, hogy a szem átmeneti/maradandó károsodást szenvedhet el, amikor védelem nélkül nézzük például a napfogyatkozást, vagy bármilyen nagy intenzitású fényforrást, de hasonló a hóvakságot okozó effektus is [6]. Hasonlóan mesterséges fényforrások által kibocsátott UV-A és UV-B sugárzás is károsíthatja a szemet [7]. A szemkárosodás nemcsak a nagy intenzitás hatására jöhet létre, hanem a kor előrehaladtával meggyengült védelem csökken a csarnokvízben oldott, a szemlencse védelméért felelős anyagok mennyisége miatt akár a hosszabb távú besugárzás által is [8,9,10]. A szemlencse egy természetes változása a sárgulás. Az UV-A és UV-B sugárzás hatására kémiai reakciók mennek végbe a szemlencsében, xanthuren-sav képződik, amely hozzájárul a lencse korai szakaszban való (körülbelül 40 éves kortól) homályosodásához, majd későbbiekben (körülbelül 60 éves kortól) a sárgulásához [11]. Idősebb korban a szemlencse sárgulása miatt a rövidebb hullámhosszú optikai sugárzás kevésbé jut el a retináig. A szemlencse domborúságát a sugárizmok változtatják. Ezen izmok segítségével vagyunk képesek fókuszálni a különböző távolságban levő tárgyakra, és így élesen leképezni azokat a retinára. Szivárványhártyának hívjuk a sugárizmok külső felületét borító szövetet, amely nemcsak a szemünk domináns színét határozza meg, hanem a pupilla átmérőjét is szabályozza a beeső optikai sugárzás erősségének függvényében. A szemünkbe a pupillán keresztül lép be az optikai sugárzás. A beeső fény nagyon jó hatásfokkal nyelődik el, ezért pupillánk egy feketének látszó felületnek tűnik. A pupilla átmérője reflexszerűen alkalmazkodik a szemet érő fénymennyiség változásához, ennek 12

13 megfelelően az átmérője 2 mm és 8 mm között változhat (2. ábra). Minél nagyobb a megvilágítás, a pupilla átmérője annál jobban csökken, ezt a mechanizmust pupilla kontrakciónak nevezzük. A megvilágítás csökkenése pedig a pupilla átmérőjének növekedéséhez vezet, amit a pupilla dilatációjának nevezünk. Ez a két funkció (kontrakció, dilatáció) a szem megvilágításhoz való adaptációjához járul hozzá. Az adaptáció kontrakció esetén csak pár másodperc, ezzel szemben a dilatációnál ez akár 1 órát is igénybe vehet. 2. ábra: Fényviszonyok és az ehhez tartozó szem-reakciók, érzékenységi tartományok. A retina a szem legbelső rétege. Itt kezdődik meg a jelfeldolgozás. Ezen réteg egyik kitüntetett része a körülbelül 4 méretű sárgafolt (macula lutea), amely a szem optikai tengelyének irányában található, és a látógödör (vagy más néven a fovea) helye. A sárgás színű pigment hám miatt a csapok jele némileg torzított. A retinán helyezkednek el az optikai sugárzást ideg-ingerületté alakító érzékelők, a csapok és pálcikák. Ezekhez kapcsolódnak az ingerületet primer módon feldolgozó, a lokális gerjesztések között kapcsolatot teremtő sejtcsoportok. Ehhez a szövethez csatlakozik az ingerületet az agy felé elvezető látóidegpályákból álló idegköteg, amely a ganglionsejtek nyúlványaiból áll. A látóideg a vakfoltnál található látóidegfőn keresztül hagyja el a szemet. A vakfoltnál nincsenek fotoreceptorok: a szem folyamatos mozgása és post-retinális jelfeldolgozás segítségével az agyban kitöltődik a tárgytér ezen területéről érkező információ, így nem jelenik meg a látásunkban egy sötét terület. 13

14 Optikai szempontból a szem lencserendszerrel ellátott, körülbelül 1,25 MPixel-es (a szemből kivezető idegrostok száma miatt) kamerának felel meg, amely a tárgyak kicsinyített és fordított állású képét állítja elő. A cornea és a szemlencse képezi le a retinára a külvilágot. Az optikai sugárzás idegi jelekké történő átalakítását a szemben található fényérzékelő sejtek, a csapok és a pálcikák végzik. Az emberi szem körülbelül 128 millió fényérzékelő sejtet tartalmaz, ebből nagyjából 7 millió csap és 120 millió pálcika. A fennmaradó kb. 1 millió sejt a szem alsó részén található, és kutatások szerint a bioritmus szabályozásában vesznek részt [12]. A nappali fényben azaz fotopos fénysűrűségi tartományban az érzékelést a csapok végzik, amelyek ebben a tartományban kitűnően működnek. Három csap fajtát különböztetünk meg: S-, M- és az L- típusút, melyek neveiket a Short-, Middle-, és Long-Wavelenght Sensitive Cones rövidítésekről kapták, és spektrális érzékenységükre utalnak. A fő különbség ezek között, hogy másfajta festékanyag (fotopigment) nyeli el bennük az optikai sugárzást, ezáltal a hullámhossz érzékenységük is eltérő. Az S-típusú csapok a rövid hullámhosszúságú fényre érzékeny színezőanyagot tartalmaznak, ezért ezekkel érzékeljük a kékes színeket. Az M-típusú csapok a közepes, míg az L-típusúak a hosszú hullámhosszúságú optikai sugárzásra érzékenyek. Az előbbi inkább a zöldes, míg az utóbbi a pirosas színű gerjesztésre aktiválódik (3. ábra). Eredetileg az L- és az M- csapok azonos hullámhossz érzékenységgel rendelkeztek, de a törzsfejlődés során a fotopigmentben bekövetkező mutáció miatt mostanra már különböző spektrumtartományokra érzékenyek. A csapok által alkotott kép térben is gazdagabb, részletesebb, mint a pálcikák segítségével kapott kép [12,13,14]. Relatív spektrális érzékenység Csapok spektrális érzékenysége 1 L-csap 0,9 M-csap 0,8 0,7 S-csap 0,6 Pálcika 0,5 0,4 0,3 0,2 0,

15 3. ábra: Az optikai receptorok L-,M-,S- csapok és a pálcikák spektrális érzékenysége és topológiája [15]. A pálcikák kis fénysűrűség mellett működnek tökéletesen. Nagy érzékenységgel rendelkeznek, nappali megvilágításnál működésképtelenné válnának, túlterhelődnének, emiatt adaptívan de- illetve reaktiválódnak. Egyetlen típusú fotopigmentet, rhodopsint tartalmaznak, emiatt éjszaka nem vagyunk képesek a pálcikák segítségével színeket látni. A két receptor típus, a csapok és pálcikák, nemcsak a tartalmazott fotopigmentben térnek el, hanem topológiájuk is némileg különböző (3. ábra). A retinán a csapok és a pálcikák eloszlása nem egyenletes, a pálcikák legfőképp a foveán kívül, a csapok pedig a foveában helyezkednek el. A foveától a periféria felé haladva a csapok száma rohamosan csökken, ezáltal ebben a tartományban a pálcikák veszik át az optikai érzékelés mechanizmusát (4. ábra). A csapok eloszlása a foveában sem egyenletes: a centrális részében (foveola) csak L- és M-típusú csap van, míg a foveolán kívül megjelennek az S csapok is. Ezek aránya a retinán 38:20:1 (L:M:S) körüli. 4. ábra: Csapok és pálcikák eloszlása a retinán, illetve az L-, M-, és S- csapok térbeli eloszlása a foveolában, azaz a fovea centrális részében [16]. A csapok és pálcikák a retina külső szegmensében helyezkednek el, ezek nyelik el az optikai sugárzást és bonyolult biokémiai folyamatok eredményeképpen elektromos jeleket állítanak elő belőle. A jelek átalakítását és továbbítását a pálcikákban és csapokban az e feladatra specializálódott sejtszervek látják el. A jelek a sejtszervek másik pólusán, a szinaptikus végződéseken át haladnak a retina egyéb idegsejtjei (a bipoláris és horizontális sejtek) felé. A jeltovábbítást kémiai transzmitterek teszik lehetővé. 15

16 A szemből kivezető látóidegek száma hozzávetőlegesen 1,25 millió, ami arra enged következtetni, hogy nem minden pálcika és csap ingerületét továbbítja egymástól függetlenül a látóidegköteg az agy felé. Ezért a retinán a primer ingerületeket a bipoláris-, amakrin- és ganglion sejtek feldolgozzák. Nagyon valószínű, hogy a foveolában elhelyezkedő minden egyes csapból érkező jelet független idegszál továbbítja az agyba. Ugyanakkor a periférián elhelyezkedő pálcikák jele összegződik, mielőtt az agyba továbbítanák az idegpályák a jelet. A retinán így egy bonyolult jelfeldolgozási folyamat megy végbe. Ezt a folyamatot további post-retinális a retina utáni jelfeldolgozás követi, mely a kereszteződésben, az ikertestben és a cortexben megy végbe [16,17]. A retinára érkező fény a csapokon és a pálcikákon elektromos jelekké alakul, de mielőtt az agy látóközpontjába érkezne, további feldolgozáson megy keresztül. Ebben a szakaszban kerül értelmezésre a színi információ, valamint a kép az idegsejtek által élekre, vonalakra, formákra, tónusokra, foltokra való felbontása. Ez a feldolgozás részben a retina szintjén jön létre, részben a kereszteződésben (chiasma opticum) és az ikertestekben (corpus geniculatum laterale). A kereszteződésben történik az észlelt tárgyak térbeli elhelyezése (stereopsis). A kereszteződött idegrostok ebből a szövetből haladnak tovább az ikertestek felé, melyekben további jelfeldolgozás megy végbe. A csapok jeleinek egy lehetséges feldolgozásmódját Young és Helmholtz kutatómunkásságához köthetjük, ami kimondja, hogy a három receptor típus neurális jeladásának gyakorisága az optikai sugárzás spektrális eloszlásától függ. Sajnos ez az elmélet a működés egészét hiányosan és részben hibásan írja le, viszont a receptorok működését helyesen [18]. Ezen elgondolást a leginkább Hering ellenezte. Szerinte a látási folyamatot nem a csapjelek segítségével írhatjuk le helyesen, hanem az őáltala négy ősszín -nek nevezett színek segítségével, melyek a piros, a zöld, a kék, és a sárga illetve az akromatikus jel (fehér vagy fekete). Az ősszínek és az akromatikus színpár összességében három, úgynevezett antagonisztikus színpárt alkot. Ezen elmélet azt feltételezi, hogy az antagonisztikus színpárok színei nem jelennek meg egyidejűleg, tehát nem létezik sárgás kék, pirosas zöld (s persze fordítva) (5.a ábra). 16

17 Relatív spektrális érzékenység 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 Az opponens színcsatornák jeleinek abszolút értéke L+M L-M L+M- S 5.a ábra: Hering antagonisztikus színpárjai, 5.b ábra: Opponens színi csatornák, 5.c ábra: A kromatikus- illetve akromatikus csatornajelek értéke [20]. A színes látásért felelős csapok L, M és S jelei Young-Helmholtz és Hering opponens elmélet alapján különbségi jelekként indulnak az agy felé [19]. Kettő, a színi információkat továbbító, azaz kromatikus csatornapár, és egy akromatikus csatornapár létezik (5. b és 5. c ábra). Az egyik színi csatornapáron az L- és az M-csapok jeleinek különbsége (L-M) illetve (M-L), a másikon az L-, M-csapok összegének és az S-csapok jeleinek különbsége ((L+M)-S) (pontosabban: (S-L) és (M-S)) halad tovább az ikertestek felé. Az (L-M)/(M-L) jelkülönbség az egyik (kromatikus) antagonisztikus színpárnak megfelelően megmutatja, hogy a jelben mekkora a piros illetve a zöld színek aránya, míg a másik (kromatikus) antagonisztikus színpár a sárga és kék színek arányát mutatja az 5. b és 5. c ábra. Az opponens színeket egymás terhére észleljük. Ezek a kromatikus különbségi jelek megakadályozzák, hogy redundáns spektrális információ kerüljön az agyba az átlapolódó spektrális érzékenységű csapokból. Ez az átlapolódás jól megfigyelhető a 3.a ábrán. Az L- és az M-csapjelek (bizonyos elméletek szerint az 17

18 S-csapok jele is szerepet játszik az összegzésben) összege halad a harmadik, akromatikus csatornapáron, szomszédos retinális tartományokból képezve antagonisztikus jellegű információt. Az emlősöknél a ganglionsejtek túlnyomó része úgynevezett receptív mezővel rendelkezik, amelyek körülbelül 90%-a az L- és M-csapok által szolgáltatott neurális jeleket fogadja. A receptív mezők koncentrikusan helyezkednek el. Az a tény, hogy körülbelül 130 millió fotoreceptor hozzávetőlegesen 1,25 millió ganglionsejthez kapcsolódik (a látóideg a ganglionsejtek nyúlványaiból áll), jelentős konvergenciát feltételez, azaz számos fotoreceptor kapcsolódik egy adott ganglionsejthez. A konvergencia pálcikák esetén jelentősebb, mint a csapoknál: nagyobb területről szolgáltatnak a hozzájuk tartozó ganglionsejtnek információt, így kisebb mennyiségű fényre is jól reagálnak (a jelek összegződése miatt). A konvergencia térbeli összegződéshez vezet: több fotoreceptor által érzékelt optikai sugárzás keltette ingerület összegződik a ganglionsejtben. A pálcikákhoz kapcsolódó ganglionsejtekben nagyobb a térbeli összegződés, emiatt kisebb inger is nagyobb reakciót válthat ki. Ellenben a csapokhoz kapcsolódó ganglionsejtekben viszont kisebb a térbeli összegződés, emiatt pontosabb információt szolgáltat sötét és világos változásairól, élekről: vagyis az éleslátásért lesz felelős. Ezek a receptív mezők átlapolódóak is lehetnek, illetve mindig egy központi foltból, valamint egy azt körülvevő sávból, körgyűrűből állnak. A mezőket L- és M- vagy L-, M- és S-típusú csapok alkotnak. Egy (L-M)/(M-L) receptív mező középpontja L/(M) csapokból áll, a körgyűrű pedig M/(L) csapokból. A nyugalmi állapotban levő receptív mező közepes frekvenciájú jelet ad. Ha a receptív mező középpontját L-csapok esetén hosszú hullámhosszú optikai sugárzással ingereljük, az nagy jelfrekvenciával, a körgyűrű M-csapok esetén ugyanilyen ingerekre kis frekvenciás jellel reagál. Ebből következik, hogy ha a receptív mező középpontját egy pontszerű, hosszú hullámhosszú inger éri, akkor a mező nagy frekvenciájú jellel reagál, ezzel szemben, ha ugyanez az inger a körgyűrűt is lefedi, akkor a receptív mező válasza csak kicsivel lesz a nyugalmi állapot felett, hiszen a körgyűrű az ingerre alacsony jelfrekvenciával reagál. Ezt a jelenséget laterális gátlásnak nevezzük. A legnagyobb frekvenciájú jelet akkor kapjuk, ha a receptív mező középpontját hosszú-, a körgyűrűt rövid hullámhosszú optikai sugárzással ingereljük. Ez a folyamat alapozza meg retinális szinten a homogén felületek és azok éles színi kontúrjainak detektálását. A receptív mezők jellegzetességeivel magyarázható több vizuális illúzió, így például a Hermannrács sötét rácsháló találkozási pontjaiban világos foltok illúziója, amit a sarkoknál a 18

19 gátló körgyűrű nagyobb ingerlése okoz a Mach-sávokat egyre sötétedő sávok találkozásánál, az adott sáv sötétebb felé eső széle világosabbnak tűnik. A receptív mező mérete változik a retina területén: a foveában vannak a legkisebb receptív mezőjű sejtek, a periféria felé haladva növekszik az egyes ganglionsejtek receptív mezője. A receptív mezők tovább bonthatók Be és Ki jellegű csoportokra. A két csoport között az alapvető eltérés az, hogy eltérően reagálnak az ingerlés növelésére és csökkenésére, és a nem ingerelt állapotukban sötétben eltérő a tüzelési frekvenciájuk. Sötétben a Be típusú csoportok gyengén gátoltak, a Ki típusú csoportok jelfrekvenciája nagyobb sötétben, mint a Be csoportoké. Ezek alapján megkülönböztetünk (L-M; M-L; L, M és S kombinációjából álló) Be-, illetve Ki típusú csoportokat. Ezek alapján feltételezhetjük, hogy a vizuális céltárgyak észlelt színét befolyásolja a háttér színe is. [21, 22, 23]. Hering elmélete meglehetősen jól írja le a színlátást, bár ez az elképzelés sem teljes. Az ikertestek reléként működnek a szem és a látókéreg között. Az ikertestekben tükröződik a jel kiindulási helye. Három jól megkülönböztethető sejtstruktúrát találunk itt: a magnocelluláris (MC)-, a parvocelluláris (PC)- és a koniocelluláris (KC) réteget. A MC réteg sejtjei nagyobbak, mint a PC vagy a KC réteg sejtjei, emiatt a jelterjedés sebessége is nagyobb, körülbelül 15 m/s (míg a PC/KC rétegnél ez ennek közel fele, 6 m/s figyelhető meg). A magnocelluláris rétegben történik az akromatikus (L+M) jelek továbbítása, részleges helyi feldolgozása. Az MC sejtjei felelnek a fénysűrűségnek megfelelő észleletért. A PC réteg sejtjei felelősek a kromatikus (L-M)/(M-L) információk továbbításáért. A KC réteg sejtjeinek felépítése nagyban hasonlít a PC réteg sejtjeire, ezáltal jelterjedési sebessége szintén 6 m/s körül alakul. A KC réteg feladata az (S-L) és az (M-S) jelek továbbítása. Mind a PC-, mind a MC réteg jelei a lateral geniculate nucleus-ba (LGN) jutnak, további feldolgozásra, míg a KC jelei az LGN rétegei közötti részbe juttatja az információt. A retinán elhelyezkedő ganglionsejtek hozzávetőlegesen 10%-a a MC réteget, körülbelül 80%-a a PC és a KC rétegeket alkotja, a fennmaradó 10% feltehetően a pupillareflexekért lehet felelős (más elméletek szerint a fényérzékeny ganglionsejtek szabályozzák a pupilla méretet). 19

20 6. ábra: Az ingerület útja az agy felé [20]. Az ikertestekbe befutó idegköteg (tractus opticus) rostjainak nagy része átkapcsolódik a látókisugárzás (radiatio optica) rostjaira, melyek a látókéreghez továbbítják a beérkezett ingereket (6. ábra). A cortex-ben fejeződik be az észlelet feldolgozása. Az agyban tárolt információk alapján itt alakul ki a végleges kép, mivel a cortex kapcsolatban van az agy többi részével is. Az agyi leképezés folyamata által alakul ki a látott alakzat mentális képe, a már eltárolt forma-, mozgás-, szín-információ alapján. Ezután asszociációk alakulnak ki a már ismert jelenségek vagy tárgyak képével. 3.2 A fénysűrűség, a kontraszt és a láthatósági szint A fénysűrűség (angolul luminance, németül Leuchtdichte, jele L) fotometriai mennyiség, amelynek definíciója: adott irányban, a fényforrás vagy a megvilágított felület vagy a fénynyaláb adott pontjában: L v I Acosε e =. (1) Tehát a felület egy adott pontjából kiinduló fényerősségnek és a felület erre merőleges vetületének hányadosa, SI mértékegysége: [L]=cd/m 2 (régebben ennek az egységnek külön nevet is használtak, a nit megnevezést). A világítástechnikai tervezés alapvető mennyisége, mivel szemünk ezt érzékeli. Néhány sugárzó fénysűrűsége Nap felülete: L=1,5*10 9 cd/m 2 ; gyertyaláng: L=8*10 2 cd/m 2 ; 20

21 átlátszó burájú izzólámpa : L=1,5*10 7 cd/m 2 ; fénycső (d=38 mm): L=10 4 cd/m 2. A fénysűrűség értékét kiszámíthatjuk akár a CIE (Commission Internationale de l Eclairage Nemzetközi Világítástechnikai Bizottság), Y tristimulusos értéke segítségével is, mivel a nemzetközi bizottság úgy határozta meg a három szabványos színinger-megfeleltető függvényt, hogy önvilágítók esetében a fénysűrűség megegyezzék az Y értékével. Tárgyak láthatóságát a háttértől eltérő fénysűrűség (esetleg szín + fénysűrűség) teszi lehetővé. A kettő közötti különbség azaz a céltárgy és a háttér fénysűrűségének különbsége a kontraszt. Létezik szubjektív és objektív kontraszt. Szubjektív kontraszt, a látómező két vagy több, egyidejűleg vagy egymás után látott része közötti megjelenésbeli különbség értékelése (így megkülönböztetünk világosság-, relatív világosság-, szín-, szimultán- és szukcesszív kontrasztot stb.). Objektív a fénysűrűségkontraszt, mely a világosságkontraszt megfelelője, amit például a C = L/L formában számíthatunk ki. Így, ha a tárgy fénysűrűsége L 1, a háttéré L 2 L = L 1 L 2, (2) ahol L a fénysűrűség különbséget jelöli. Továbbá még használatos a Michelson kontraszt is, ahol L 2( L1 L2 ) C = =, (3) L L + L átlag 1 2 Dolgoztomban a világítástechnikai irodalomban szokásos Lcéltárgy Lháttér C =, (4) L háttér 21

22 leírást használtam, ahol C jelöli a számolt kontraszt értékét, L céltárgy a vizuális céltárgy, L háttér a háttér spektrális teljesítmény eloszlásához (továbbiakban SPD Spectral Power Distribution) tartozó fénysűrűségeket jelöli, amelyek a tradicionális módon, spektrális integrálással V(λ) fotopos spektrális érzékenységi görbét használva (11). egyenlet határozhatók meg. A későbbiekben pontos bemutatásra kerülő saját modellben a CHC2 modellben felhasznált kontrasztokhoz minden fotoreceptorhoz külön meg kell határoznunk ezeket az értékeket a következő módszerrel: C L L =, CM L b M =, CS M b S =, CR S b R =, (5) R b ahol L-, M-, S- a csapok, R- pedig a pálcikák spektrális érzékenységét leíró függvényeket jelölik. A receptorok alsóindexében szereplő b jelzi a háttér (b: background) spektrumával, a pedig az inkrementummal 1 súlyozott értékeket, amelyeket a következőképpen számíthatjuk ki: L b 780 L λ χb λ λ, 380 = ( ) ( )d( ) 780 L = L( λ) χ( λ)d( λ ), (6) 380 M b 780 M λ χb λ λ, 380 = ( ) ( )d( ) 780 M = M ( λ) χ( λ)d( λ ), (7) 380 S R b b 780 S λ χb λ λ, 380 = ( ) ( )d( ) 780 R λ χb λ λ, 380 = ( ) ( )d( ) 780 S = S( λ) χ( λ)d( λ ), (8) R = R( λ) χ( λ)d( λ ). (9) 380 Ezen eljárással a fotoreceptorok háttér SPD ingeréhez való egyenkénti adaptációja valósítható meg, ezáltal egyik receptor-adaptáció sem függ a többi receptor adaptációjától. A modell számításának további lépéseit később mutatom be. A láthatósági szintet (visibility level) az határozza meg, hogy egy adott vizuális céltárgy kontrasztja mennyivel van a detektálási kontrasztküszöb felett: 22

23 L VL = L céltárgy küszöb (10) ahol a L céltárgy jelöli a vizuális céltárgy és a háttér fénysűrűség különbségét, L küszöb pedig azt a minimális fénysűrűség különbséget jelöli, amely a vizuális céltárgy detektálásához szükséges. 3.3 Fénysűrűségi tartományok, érzékenységi görbék, CIE 2 -os és 10 -os megfigyelőjének definíciója Egy nap fénysűrűség szerint három részre osztható fel: nappali (fotopos), éjszakai (szkotopos), és az e kettő között elhelyezkedő szürkületi (mezopos) tartományra. A világosban látás, azaz fotopos fénysűrűségi tartomány alsó határa L=10 cd/m 2, felső határa pedig L=10 5 cd/m 2 (ezen érték felett már közvetlen káprázási hatás lép fel). Ilyen viszonyok között a retinán a csapok aktívak, amelyek segítségével színekben és részletekben gazdag képet tudunk észlelni. Az ehhez a tartományhoz tartozó, villogásos fotometria segítségével meghatározott spektrális érzékenységi görbét V(λ)-val jelöljük MSZ által definiálva (7.a ábra), melyet a CIE 1924-ben fogadott el [24]. Mint ahogy az a 7. ábrán is jól látható, a haranggörbére (Gauss-görbére) hasonlító függvény egyetlen maximummal rendelkezik, λ=555 nm hullámhossznál. Az évek során több kutatócsoport is vizsgálta a V(λ)-t, és több korrekciót is javasoltak (magát a V(λ)-t nem változtatták meg). Az egyik ilyen módosítást 1951-ben Judd és munkatársai javasolták, melyet a CIE 1990-ben el is fogadott, és V M (λ)-ként jelölték meg (7.a ábra) [25]. Ez a görbe a rövidebb hullámhosszú régiókban sokkal precízebben írja le a fotopos villogásos fotometriai spektrális érzékenységet, mint az eredeti V(λ) görbe. Majd 2002-ben Sharpe és Stockman újabb módosításokat javasoltak, és az így megalkotott függvényt V*(λ)-val jelölik (7.a ábra) [26] ben, a CIE Budapesten rendezett konferenciáján, újabb módosítást mutattak be, amely minimálisan tér el a 1 Inkrementum alatt azt értem, hogy a kísérlet során egyenletes háttérvilágítást hoztam létre, melyre eltérő színképű kis járulékos fényfoltot vetítettem; ezen járulékos fényfolt színképét jelöli az inkrementális SPD. 23

24 korábbi, 2002-es görbétől, a hosszabb hullámhossztartományban [27]. A V*(λ) spektrális érzékenységi görbe talán a legpontosabb ezen függvények közül. Relatív spektrális érzékenység Relatív spektrális érzékenység Relatív spektrális érzékenység A V(λ) és a VM(λ) 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, V(λ) 1951 VM(λ) A V(λ) és a V*(λ) 2008-as változata V(λ) 0, V*(λ) 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, A V(λ) és a V10(λ) 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, V(λ) 1964 V10(λ) Relatív spektrális érzékenység Relatív spektrális érzékenység A V(λ) és a V'λ) 1 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, V(λ) 1951 V'(λ) A V(λ) és a V*(λ) 2002-es változata V(λ) 0, V*(λ) 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, A V*(λ) 2002-es és 2008-as változata 1, V*(λ) 0,9 0, V*(λ) Relatív spektrális érzékenység 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0, Relatív spektrális érzékenység 2,50 2,00 1,50 1,00 0,50 CIE 2 -os és CIE 10 -os megfigyelő színinger-megfeleltető függvényei x(λ) 2 y(λ) 2 z(λ) 2 x(λ) 10 y(λ) 10 z(λ) 10 0, a ábra: A V M (λ), a V (λ), a 2002-es V * (λ), a 2008-as V * (λ) és a V 10 (λ) spektrális érzékenységi görbék a V(λ) spektrális érzékenységi görbéhez viszonyítva illetve a Sharpe és Stockman féle V * (λ) függvény 2002-es és 2008-as változatának összehasonlítása, 7.b ábra: CIE 2 -os és CIE 10 -os megfigyelő színinger-megfeleltető függvények-, a megfigyelési szögek összehasonlítása 24

25 Itt szeretném megjegyezni, hogy a V(λ) görbe 1924-es változata egy hibrid függvény, melyet több kutató eltérő kísérleti körülményeiből származó adataiból állítottak össze, mesterségesen simították és szimmetrikussá tették. Ezen 1924-es V(λ) görbe zömmel Gibson és Tyndall 1923-as kutatásaira vezethető vissza, és annak ellenére, hogy az eredményeik nem voltak teljesen reprezentatívak mégis ez lett a V(λ) függvény alapja [28]. A CIE 1951-ben fogadta el az éjszakai azaz szkotopos fénysűrűségi viszonyokra érvényes spektrális érzékenységi görbét, a V (λ)-t (7.a ábra) [29]. Szkotopos tartományról beszélünk, ha a fénysűrűség L=10-3 cd/m 2 érték alatt marad. Ilyen viszonyok között a szemben a pálcikák az aktív fotoreceptorok, melyek egyfajta fotopigmentjük miatt csak színtelen képet tudnak szolgáltatni. A V(λ) függvény alakjához hasonlóan, a V (λ) görbe alakja is Gauss-görbéhez hasonlít, amelynek maximuma λ=507 nm hullámhossznál van. A fent említett spektrális érzékenységi görbék a CIE által definiált 2 -os megfigyelő eljárás alkalmazásával készültek el. A CIE 2 -os megfigyelő jelentése a következő: az optikai sugárzás a szem foveális részének közepére esik, mégpedig úgy, hogy a látótengellyel maximálisan 1 -os szöget zár be [25]. Ez a 2 -os körlap tehát a szem azon részére esik, ahol a legnagyobb a fovea felbontóképessége (sárgafolt- macula lutea). A CIE felismerte, hogy vizuális megfigyelések esetén gyakran a 2 -osnál nagyobb szögre van szükség, emiatt definiálták a CIE 10 -os megfigyelőt is, amely a szög nagyságát kivéve megegyezik a CIE 2 -os megfigyelő definíciójával (7.b ábra). Emiatt a CIE 1964-ben megalkotta a V(λ) görbe 10 -os változatát, a V 10 (λ)-t, amely egy ajánlás a 2 -nál szélesebb látószögű megfigyelések, vagy periferiális látás végzésére (7.a ábra) [30]. A szem érzékenységének átmenetét a fotopos fénysűrűségi tartományból a szkotopos fénysűrűségi tartományba (vagy fordítva), Purkinje effektusnak, vagy Purkinje eltolódásnak hívják. Ezt a jelenséget Jan E. Purkyně fedezte fel 1819-ben. Megfigyelte, ahogy csökken a fénysűrűség, a retina érzékenysége egyre jobban eltolódik a spektrum kékes tartománya felé. A jelenség oka a következő: a csapok kevésbé érzékenyek, mint a pálcikák, emiatt fotopos fénysűrűségi viszonyok között a pálcikák nem továbbítanak jelet, mert nagy érzékenységük miatt túlterhelődnének. De 25

26 amint csökken a fénysűrűség, a pálcikák érzékelésre való befolyása egyre nő, a csapoké egyre elhanyagolhatóbbá válik [31,32]. A Purkinje effektus valahol a két fénysűrűségi tartomány között megy végbe, és ezt az intervallumot hívjuk mezoposnak. Alsó határa körülbelül L=10-3 cd/m 2 értéknél van, felső határa függ az optikai sugárzás retinális pozíciójától: L=3 cd/m 2 és L=10 cd/m 2 között van. A mezopos tartományban mind a csapok mind a pálcikák aktívak, ami egy jóval bonyolultabb jelhalmazt eredményez, mint ami a szkotopos vagy akár a fotopos tartományban észlelhető. Több kutatócsoport vizsgálta és vizsgálja napjainkban is a szem érzékenységét ilyen viszonyok között. 3.4 A három fénysűrűségi tartományhoz tartozó fénysűrűségi érték számításának módja A 3.2-es fejezetben leírtak szerint, a fénysűrűség értéke önvilágítók esetén egyenlő a CIE tristimulusos értékek közül az Y értékével. Tehát ezek szerint a fénysűrűség a következő módon is számítható: 780 Y=L=k S( λ) V ( λ)dλ, (11) 380 ahol S(λ) jelöli a fényforrás spektrális teljesítmény eloszlását, V(λ) pedig a világosban, azaz a fotopos látáshoz tartozó spektrális fényhatásfok görbe, k egy súlyozó tényező (az elérhető maximális fényhasznosítást jelenti), amely k=683 lm/w. A spektrális integrálást az optikai sugárzás látható tartományában végezzük el. Az itt leírt egyenletben V(λ) láthatósági görbe szerepel, ami miatt ezt a fénysűrűségi értéket csak fotopos körülmények között lenne szabad használni. Emiatt ezt az értéket L p -val jelölöm a továbbiakban. Ha a V(λ)-t az egyenletben V (λ)-ra cseréljük, akkor a szkotopos fénysűrűségi tartományhoz tartozó fénysűrűséget tudjuk meghatározni: 780 L s=k S( λ) V' ( λ)dλ, (12)

27 ahol a jelölésben az s index jelöli, hogy a szkotopos látásra vonatkozik, L s. Ebben az egyenletben k értéke nem 683 lm/w, mint ahogy az L p egyenletében szerepelt, hanem k=1699 lm/w. A mezopos látási viszonyoknál ez az egyenlet nem használható, mert nem áll rendelkezésre a mezopos tartományban érvényes láthatósági görbe. Emiatt több módszert is kidolgoztak a mezopos fénysűrűségi tartományban használható L mes számítására. A továbbiakban az irodalomban található jelentősebb kutatásokat tárgyalom, melyek mérföldkőnek tekinthetők a szürkületi látás vizsgálatában, illetve egy megfelelő fénysűrűség számítási módszer kialakításában [33]. 3.5 Korábbi modellek az irodalomból A mezopos fénysűrűségi tartományt modellező függvények alapvetően három fő kísérlettípus köré épültek. Az egyik ilyen módszer a heterokromatikus világosságegyeztetés (heterochromatic brightness matching), ami azt jelenti, hogy egy körlap egyik felén egy teszt stimulus jelenik meg (valamilyen hullámhosszon), melynek fénysűrűségét a kísérleti személy addig állíthatja, míg az meg nem egyezik a körlap másik felében megjelenített összehasonlító, referens ingerrel (amely általában a vizsgált fénysűrűségi szintnek megfelelő szürke). A második a heterokromatikus villogtatásos fotometria (heterochromatic flicker photometry). Ebben a kísérlettípusban egy adott helyre vetül a két stimulus, amely általában kör alakú. Az egyik jel a sztenderd (általában hasonlóan a heterokromatikus világosságegyeztetéshez- ez közepesen világos szürkét jelent), a másik pedig egy monokromatikus, amely a teszt stimulus. A két jel felváltva jelenik meg. A megfigyelő feladata először olyan villogtatási frekvencia (minimal flicker frequency) beállítása, melynél a két stimulus színét már nem tudja megkülönböztetni, csak pulzálást képes érzékelni. Ezen a frekvencián a teszt stimulus értékét addig állítja a megfigyelő, amíg villogási minimumot nem érez. A monokromatikus teszt stimulus ezen esetben mért sugársűrűségéből számítható a szürke referens stimulussal megegyező fénysűrűség. A 27

28 monokromatikus teszt stimulusokra vonatkozó színképi érzékenységet ezen értékek reciprokaként kapjuk, a maximális érzékenységnél mért értékhez viszonyítva. A harmadik egyben talán a mezopos fénysűrűségi tartományban a legfontosabb módszer csoport a vizuális teljesítmény alapú megfigyeléseken alapul (visual performance based observations). Ilyen típusú kísérletek által meghatározott vizuális érzékenységi görbék alakja eltér a heterokromatikus világosságegyeztetéses vagy a villogtatásos fotometria segítségével meghatározott görbék alakjától. A különbség oka az eltérő megfigyelési feladatokban keresendő. A vizuális teljesítmény alapú megfigyelésekben a háttér előtt éppen észlelhető (a háttértől megkülönböztethető) jel, észlelési küszöbének meghatározása a feladat. Három altípusa a következő: észlelés (detection): a megfigyelő feladata a céltárgy legkorábbi észlelése (tipikus ilyen helyzet: vezetés közben az úttest szélén mozgó céltárgyak észrevétele); felismerés (recognition): a kísérleti személy feladata nem csak a céltárgy detektálása, hanem annak felismerése (tipikus ilyen feladat: vezetés közben az úttest szélén elhelyezett útjelző táblák tartalmának felismerése); reakcióidő (reaction time): a céltárgy megjelenése és a megfigyelő reakciója között eltelt idő meghatározása (tipikus ilyen feladat: vezetés közben valamilyen akadály észlelése és a kiváltott reakció közötti idő) [34,35]. A három kísérlettípust használó legjelentősebb kutatások a következők. David Allan Palmer volt az első, aki 1967-ben [36] kísérleteiben heterokromatikus világosságegyeztetést használt, 15 -os céltárgyakkal és 21 -os környezettel. T CCT =2042 K korrelált színhőmérsékletű fehér színű fényt egyeztetett monokromatikus sugárzásokkal. Miután sikerült egyeztetni a két stimulus világosságát, Palmer kiszámította mind a fotopos (az ő jelölése szerint P) mind a szkotopos (S) fénysűrűséget, és ezek arányát diagramon ábrázolta. Ő ezt S/P-vel jelölte, s úgy gondolta, hogy az S/P aránnyal leírható a mezopos fénysűrűség. Későbbi kutatásai alapján az alábbi egyenlet segítségével írta le a mezopos fénysűrűséget: L( S, P) = 2 ( MS + P ), (13) ( M + P) 28

29 ahol S a szkotopos, P a fotopos fénysűrűséget jelöli, M pedig súlyozó paraméter (dimenziója megegyezik a fénysűrűség dimenziójával). Palmer mérései alapján további két fontos megállapítást tett. Az egyik, hogy a pálcikák nagyban hozzájárulnak az optikai sugárzás világosságának érzékeléséhez, a másik pedig a Purkinje hatás létezésének bizonyítása volt. Néhány évvel később Sagawa és Takeitchi hasonlóan Ikeda-hoz és Shizmozonohoz heterokromatikus világosságegyeztetés módszerének használatával a következő egyenletet határozta meg, melynek segítségével leírható az elméleti mezopos fénysűrűség: log ST( λ) = alog SR( λ) + (1 a)log SC( λ), (14) ahol ST( λ ) a mezopos fénysűrűségi tartományhoz tartozó spektrális érzékenységi görbe, SR( λ ) pedig a 0,01 trolandhoz tartozó pálcikaérzékenység, SC( λ ) a csapérzékenységi görbe, a pedig súlyozó paraméter, amely az adaptációtól függ [37]. Kokoschka és Trezona szintén a világosságegyeztetés módszerét alkalmazta. Az általuk ajánlott modellben a mezopos fénysűrűséget nem a V( λ) és a függvények lineáris kombinációjából számolták, hanem a négy receptor jeleinek súlyozott összegével közelítették az ekvivalens fénysűrűséget: V '( λ) L = L F + L F + L F + LF, (15) ' eq p p d d t t s ahol Lp, Ld, L a csapok, L a pálcikák ekvivalens fénysűrűséghez való hozzájárulását t jelölik. Azért, hogy az ekvienergetikus pont fénysűrűségét kapjuk, Fp, Fd, F az s L -től eq függő változók (p, d és t jelölik a csapok-, míg s a pálcika elnyelési együtthatóját) [34]. Az 1990-es évek derekán, He és munkatársai reakcióidő alapú kísérleteket folytattak, amelyekben fém-halogén (metal halide, MH) és nagynyomású nátrium (highpressure sodium lamp, HPS) fényforrásokat használtak [39]. Ezek fénysűrűségét több lépcsőben változtatták. Céltárgy gyanánt 2 -os villogó körlapot használtak, 15 -os parafoveális megjelenítés mellett. A kísérleti személyek monokuláris megfigyeléseket végeztek. A kísérletek kimutatták, hogy L p =1 cd/m 2 fénysűrűség alatt a HPS 29