HAGYOMÁNYOS ÉS MODERN FÉNYFORRÁSOK SZÍNVISSZAADÁSI TULAJDONSÁGAINAK VIZSGÁLATA DOKTORI (PhD) ÉRTEKEZÉS TÉZISEI Sándor Norbert Témavezetı: Dr. Schanda János Informatikai Tudományok Doktori Iskola Pannon Egyetem 2006
1. PROBLÉMA FELVETÉSE Értekezésem elsıdleges célja az volt, hogy a mindennapi életben használatos hagyományos és új generációs fényforrások színvisszaadási tulajdonságait vizuális kísérletek segítségével vizsgáljam és a megfigyelık által szolgáltatott adatokat összevessem a gyakorlati, színvisszaadási indexek meghatározására szolgáló módszerekkel, melyik közelíti meg vagy írja le legjobban az emberi látás mechanizmusát. A hagyományos izzólámpák, halogén izzók és fénycsövek elterjedésének idıszakában, fényforrások színvisszaadási tulajdonságainak meghatározására az 1974-ben elfogadott CIE 13.2-es (késıbbiekben CIE 13.3) módszer a fényforrás gyártók körében mind a mai napig általánosan elfogadott szabvány, hogy lámpáikat színvisszaadás tekintetében osztályozzák. A technikai fejlıdésnek köszönhetıen a világítótestek piacán megjelentek az eddigieknél lényegesen energiatakarékosabb és hosszabb élettartammal bíró, a régebbi fényforrásokétól teljesen eltérı spektrális teljesítmény-eloszlással rendelkezı fényporos és színes RGB LED-ek. A világítástechnikával foglalkozó szakemberekben felmerült az a kérdés, vajon ezen új típusú, a fénycsövekétıl lényegesen eltérı spektrális teljesítmény-eloszlással rendelkezı fényforrások esetén valós értékeket szolgáltat-e a CIE 13.3-as eljárása. Mindezidáig az irodalomban nem volt található olyan jellegő kutatás, ami a napjainkban használatos és új típusú lámpákra, jellemzı színhımérsékleti szinteken 2700 K, 4000 K, 6500 K átfogó összehasonlítást közölt volna azok színvisszaadási tulajdonságairól, vizuális kísérletek eredményeinek alátámasztásával. 2. A KUTATÁS MÓDSZEREI Vizuális kísérletek során a megfigyelık által szolgáltatott eredményeket összevetettem több matematikai modell (U*V*W*, CIELAB, CIECAM02) szerint számított színinger-különbségi értékkel és megmutattam, hogy a jelenleg fényforrások színvisszaadási tulajdonságainak leírására elfogadott CIE 13.3-as módszernél létezik jobb modell is. 2
Az általam bemutatott két grafikai ábrázolás a referencia és teszt fényforrás által megvilágított színminták közti eltérések szemléletes bemutatására kiegészítésül szolgálhat a fényforrás gyártók részére, hogy jellemezzék új típusú megvilágítóik színvisszaadási tulajdonságait. 3. ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK 1. Statisztikailag szignifikáns vizuális kísérletekkel igazoltam azt a korábban csak anekdotikus kijelentésekre támaszkodó véleményt 141,142*, hogy a CIE 13.3 publikáció 2 (de facto nemzetközi szabvány) szerinti színvisszaadási index nem korrelál jól a vizuális megfigyelésekkel. Három szempontú varianciaanalízis vizsgálattal megmutattam, hogy a színminták, a kísérleti személyek és a fényforrások közti különbségek szignifikánsak. [P1,P3-P6] 2. Az irodalomban a belsıterek különbözı fényforrásokkal történt megvilágításából leszőrt gyakorlati tapasztalatot, hogy a színvisszaadási index kb. 5 egységnyi változását a megfigyelı már nem tudja jól érzékelni 52,53,54, jó színvisszaadású fényforrások által megvilágított minták esetén végzett színkülönbség meghatározások segítségével igazoltam. Kimutattam, hogy R a 80 általános színvisszaadási indexnél nagyobb általános színvisszaadási indexel rendelkezı fényforrás esetén a vizuális észlelet és a matematikailag meghatározható színinger különbségek közt a sztochasztikus kapcsolat gyenge, ezzel szemben, ha az észlelt színkülönbség nagy, akkor közepes erısségő is lehet a sztochasztikus kapcsolat a vizuális észlelet és a matematikailag meghatározott színinger különbség között. [K1] 3. Kísérletileg kimutattam az irodalomban található megállapítással szemben 143 hogy a színvisszaadási index számításánál a CIE eredeti színmintáit (pasztell Munsell minták) a GretagMacbeth ColorChecker Chart telített mintáira lecserélve a fényforrások színvisszaadási jósági sorrendjében változás nem következik be. [P1] 4. Thornton korábbi felvetését 99 cáfolva kimutattam, hogy a színvisszaadási index nem korrelál az R a (általános színvisszaadási index) meghatározásához használt nyolc színminta CIELAB térben lefedett területével. [P1] * A hivatkozási számok a doktori értekezés irodalomjegyzékében található publikációkra vonatkoznak. 3
5. Kísérletileg kimutattam, hogy a színvisszaadás elvi definíciója szerint végrehajtott vizuális kísérletek (ha csak kis mértékben is, de) jobban korrelálnak a CIECAM02 színvisszaadási modell alapján számolt indexel, mint a CIE 13.3 publikációban használt, ma már a CIE által visszavont U*V*W* térben és von Kries transzformáció alapján végzett index meghatározással, és ugyanakkor a fényforrások színvisszaadási sorrendje nem változik. Bár a korrelációs együtthatók szignifikánsan nem térnek el egymástól, a köztük felállított jósági sorrend megtartható figyelembe véve, hogy azok két mennyiségi változó közti lineáris kapcsolat erısségére vonatkozóan nyújtanak konkrét becslést. A tendencia mindenképpen megfigyelhetı. Ezek alapján a CIE számára megfogalmazható egy olyan ajánlás, hogy tegyen javaslatot CIECAM02 színmegjelenési modellen alapuló színvisszaadási index számítás bevezetésére. [P1] 6. A vizuális színvisszaadással az összes eddigi módszernél jobban korreláló, a CIE 1976 UCS színességi diagramján alapuló, matematikai modellt dolgoztam ki. [K1] 4. AZ ÚJ TUDOMÁNYOS EREDMÉNYEK ALKALMAZÁSA Fényforrások színkészletének grafikus ábrázolása jó alternatívát jelenthet, ha arra vagyunk kíváncsiak milyen mértékő és irányultságú várható torzulások mennek végbe teszt fényforrással megvilágított színminták színmegjelenésében a referencia fényforrással való megvilágításhoz képest. Az ábrázolt színkészlet méretébıl és alakjából jól következtethetı a fényforrás által megjeleníthetı színek tartománya illetve a referencia fényforráshoz képesti viszonya, de a referenciához képesti minél nagyobb mérető tartományból semmiképpen sem következtethetünk annak CIE szerinti értelmezéső színvisszaadási tulajdonságaira. Az általam bemutatott két grafikai ábrázolás, mely a referencia és teszt fényforrás által megvilágított színminták közti eltéréseket szemlélteti, kiegészítésül szolgálhat a fényforrás gyártók részére, hogy jellemezzék új típusú megvilágítóik színvisszaadási tulajdonságait. A vizuáls megfigyelések valamint a különbözı modellek szerint számított színinger különbségek összevetésének eredményeként a CIE számára megfogalmazható egy olyan ajánlás, hogy tegyen javaslatot CIECAM02 színmegjelenési modellen alapuló színvisszaadási index számítás bevezetésére. 4
5. A DOKTORI ÉRTEKEZÉS TÉMAKÖRÉHEZ KAPCSOLÓDÓ TUDOMÁNYOS CIKKEK ÉS ELİADÁSOK A DOKTORI ÉRTEKEZÉS TÉMAKÖRÉHEZ KAPCSOLÓDÓ TUDOMÁNYOS PUBLIKÁCIÓK NEMZETKÖZI FOLYÓIRATBAN: [P1] N. Sándor, J. Schanda: Visual colour-matching experiments at different correlated colour temperatures, Lighting Research & Technology. (Közlésre elfogadva, megjelenés alatt) [P2] N. Sándor, T. Ondró and J. Schanda: Spectral interpolation errors. Colour Research & Application, 2005; 30(5): 348-353. TÉZISEKHEZ KÖZVETLENÜL KAPCSOLÓDÓ REFERÁLT, HAZAI ÉS NEMZETKÖZI KONFERENCIÁK KIADVÁNYAIBAN (PROCEEDINGS-EK) MEGJELENT DOLGOZATOK: [P3] Csuti Péter, Sándor Norbert, Schanda János: Modern elsıdleges és másodlagos fényforrások színvisszaadása. XXIX. Kolorisztikai Szimpózium, Eger, 2003. május 26-28. (CD kiadás) [P4] N. Sándor, P. Bodrogi, P. Csuti, J. Schanda: Direct Visual Assessment of Colour Rendering, 25th Session of the CIE, San Diego, California USA, 25 June 2 July 2003, p. D1-42. [P5] N. Sándor, P. Csuti, P. Bodrogi, J. Schanda Visual observation of colour rendering. CIE EXPERT SYMPOSIUM on LED Light Sources: Physical Measurement and Visual and Photobiological Assessment, 7-8 June, 2004, Tokyo, Japan. p. 16-19. [P6] N. Sándor, J. Schanda: Visual colour-rendering experiments. 10th Congress of the International Colour Association, AIC Colour 05, 8-13 May, Granada, Spain, 2005. p. 511-514. 5
TÉZISEKHEZ KÖZVETLENÜL KAPCSOLÓDÓ TOVÁBBI KONFERENCIÁKON ELHANGZOTT ELİADÁSOK: [K1] Sándor Norbert, Schanda János: Fényforrások Színvisszaadási Tulajdonságainak Átfogó Vizsgálata Különbözı Korrelált Színhımérsékleteken. Világítástechnikai Ankét, Budapest, 2005. október 12-13. DOLGOZATHOZ KAPCSOLÓDÓ TOVÁBBI IDEGEN NYELVŐ KONFERENCIÁKON TARTOTT ELİADÁSOK: [K2] P Csuti, N. Sándor: Direct Visual Assessment of Colour Rendering. 1st PhD Mini- Symposium, Veszprém, 16 June 2003. [K3] N. Sándor: Visual observation of colour rendering. 2nd PhD Mini-Symposium, Veszprém, June 2004. [K4] F. Szabó, N. Sándor, P. Bodrogi, J. Schanda: Colour rendering of white LED light sources: Visual experiment with colour samples simulated on a colour monitor. CIE Midterm Meeting, Leon, Spain, 2005. DOLGOZATHOZ KAPCSOLÓDÓ TOVÁBBI MAGYAR NYELVŐ KONFERENCIÁKON TARTOTT ELİADÁSOK: [K5] Dr. Schanda János, Sándor Norbert: A színlátás fejlıdése és az emberi színlátás mechanizmusa. Világítástechnikai Ankét, Budapest, 2003. október 15-16. [K6] Csuti Péter, Sándor Norbert, Dr. Schanda János: Modern elsıdleges és másodlagos fényforrások és a színvisszaadás, Lux et Color Vespremiensis, Veszprém, 2003. október [K7] Sándor Norbert, Ondró Tamás, Dr. Schanda János: A spektrális interpoláció hibái, Lux et Color Vespremiensis, Veszprém, 2004. október 21. 6