HAGYOMÁNYOS ÉS MODERN FÉNYFORRÁSOK SZÍNVISSZAADÁSI TULAJDONSÁGAINAK VIZSGÁLATA. Sándor Norbert

HAGYOMÁNYOS ÉS MODERN FÉNYFORRÁSOK SZÍNVISSZAADÁSI TULAJDONSÁGAINAK VIZSGÁLATA Doktori (Ph.D) értekezés Sándor Norbert Témavezetı: Dr. Schanda János Informatikai Tudományok Doktori Iskola Pannon Egyetem Veszprém 2006

HAGYOMÁNYOS ÉS MODERN FÉNYFORRÁSOK SZÍNVISSZAADÁSI TULAJDONSÁGAINAK VIZSGÁLATA Értekezés doktori (PhD) fokozat elnyerése érdekében Írta: Sándor Norbert Készült a Veszprémi Egyetem Informatikai Tudományok Doktori iskolája keretében Témavezetı: Dr. Schanda János Elfogadásra javaslom (igen / nem) (aláírás) A jelölt a doktori szigorlaton... % -ot ért el, Az értekezést bírálóként elfogadásra javaslom: Bíráló neve:...... igen /nem. (aláírás) Bíráló neve:...... igen /nem. (aláírás) Bíráló neve:...... igen /nem. (aláírás) A jelölt az értekezés nyilvános vitáján...% - ot ért el Veszprém,. a Bíráló Bizottság elnöke A doktori (PhD) oklevél minısítése... Az EDT elnöke 3

Köszönetnyilvánítás Ezúton szeretnék köszönetet mondani mindazoknak, akik önzetlen segítségükkel és tanácsaikkal segítették munkámat és hozzájárultak tudományos értekezésem elkészítéséhez. Mindenekelıtt szeretném megköszönni témavezetımnek, Dr. Schanda Jánosnak a rengeteg szakmai és emberi támogatását a laborban eltöltött évek alatt. Nemcsak tudásával, tapasztalatával, hanem türelmével, nyitottságával is segítette munkám minden lépését. Köszönettel tartozom Sikné Dr. Lányi Cecíliának azért a határtalan lelki támogatásért, amellyel már az egyetemi tanulmányaimtól kezdve kitüntetett, valamint Dr. Bodrogi Péternek a szakmai támogatásért. Köszönetet mondok a Szín és Multimédia Kutatócsoport minden tagjának, akikhez minden kérdésemmel bátran fordulhattam és azoknak a munkatársaknak, egyetemi és Ph.D hallgatóknak akiknek a kísérleti szobában eltöltött óráik nélkül ez a dolgozat nem születhetett volna meg (Beke László, Csuti Péter, Kosztyán Zsolt, Kránicz Balázs, Kutas Gábor, Madár Gábor, Mátrai Rita, Szalmás Attila, Tilinger Ádám, Várady Géza, Tarczali Tünde). Külön köszönöm Csuti Péternek a megfigyelı doboz elkészítésében való részvételét, valamint Kosztyán Zsolt, Várady Géza és Kutas Gábor szakmai segítségét a statisztikai elemzések elvégzéséhez. És végül, de nem utolsósorban szeretnék köszönetet mondani családomnak, szeretteimnek akik mindig mellettem voltak és vannak, valamint barátaimnak türelmükért és a sok biztató, bátorító szóért. 4

Tartalomjegyzék Köszönetnyilvánítás... 4 Tartalomjegyzék... 5 1. Tartalmi kivonat... 8 1.1. Abstract... 9 1.2. Zusammenfassung... 10 2. Bevezetés... 11 3. Történelmi áttekintés... 14 3.1. Korai színvisszaadási kísérletek... 14 3.2. Több sávos módszerek... 14 3.3. Színminták vizsgálatára épülı eljárások... 17 3.4. Referencia fényforrások kiválasztásának kérdése... 20 3.5. Kromatikus adaptáció figyelembe vétele... 21 3.6. Optimalizált fényforrások megjelenése... 23 3.7. A színvisszaadás problémájának alternatív megközelítései... 24 3.7.1. Színdiszkrimináció... 24 3.7.2. Színpreferencia flattery index... 26 3.7.3. Duál indexek... 28 3.7.4. Gamut area meghatározása, mint fényforrások színdiszkriminációs képességének mértéke... 28 3.7.5. Visual clarity... 29 3.8. CIE CRI-1996 Átmeneti megoldás fényforrások színvisszaadási tulajdonságainak jellemzésére... 31 3.8.1. Referencia fényforrások rögzítése... 32 3.8.2. Színminták rögzítése... 33 3.9. Színkategorizáláson alapuló modellek... 34 3.10. Módosított színterek és színmegjelenési modellek... 35 3.10.1. CIECAM97s színmegjelenési modell... 36 3.10.2. Módosított színterek vizsgálata... 42 3.10.3. CIECAM02 színmegjelenési modell... 44 4. Számítási módszerek ismertetése... 47 4.1. A CIE 13.2-es publikációjának ismertetése:... 47 4.1.1. Referencia fényforrásra vonatkozó megkötések:... 47 4.1.2. Tesztmintákra vonatkozó megkötések:... 48 4.2. CIEALAB 1976 L*a*b* színinger térbe való konverzió... 50 4.3. CIECAM02 színmegjelenési modell... 50 5. Kísérleti munka leírása... 51 5.1. Elı kísérlet... 51 5

5.1.1. Kísérleti doboz I... 51 5.1.2. Kísérleti személyek kiválasztása... 52 5.1.3. Tréning... 52 5.1.4. Megvilágítási körülmények rögzítése... 53 5.1.5. Elı kísérlet ismertetése... 55 5.1.6. Kiértékelés, eredmények és következtetések... 57 5.2. Színvisszaadás meghatározására vonatkozó új vizuális kísérletsorozat leírása 61 5.2.1. Kísérleti elrendezés... 61 5.2.2. Teszt és referencia fényforrások ismertetése... 62 5.2.2.1. 2700 K korrelált színhımérsékleti csoport... 62 5.2.2.2. 4000 K korrelált színhımérsékleti csoport... 64 5.2.2.3. 6500 K korrelált színhımérsékleti csoport... 66 5.2.3. Kísérleti személyek és feladatuk... 68 5.2.3.1. Kísérleti személyek kiválasztása... 68 5.2.3.2. A vizuális megfigyelık feladata... 68 5.3. Objektív mérések és számítások eredményeinek kiértékelése... 68 5.3.1. A CIE 13.3-as publikációjában ismertetett eljárás R a általános színvisszaadási index számítása, elméleti referencia fényforrással... 69 5.3.2. A CIE 13.3-as R a általános színvisszaadási index számítása, általam választott referencia fényforrással... 74 5.3.3. Különbözı színminta halmazok hatása a CIE 13.3-as eljárás alapján számított színvisszaadási indexekre... 76 5.3.4. Fényforrások színkészletének (gamut) vizsgálata CIELAB színtérben... 80 5.3.4.1. 2700 K korrelált színhımérsékleti csoport... 83 5.3.4.2. 4000 K korrelált színhımérsékleti csoport... 86 5.3.4.3. 6500 K korrelált színhımérsékleti csoport... 90 5.3.5. Színkoordináták torzulásának vizsgálata u v koordináta-rendszerben... 92 5.3.5.1. 2700 K korrelált színhımérséklető fényforrások... 93 5.3.5.2. 4000 K korrelált színhımérséklető fényforrások... 97 5.3.5.3. 6500 K korrelált színhımérséklető fényforrások... 102 5.3.5.4. Összegzés... 105 5.3.6. Számított színinger-különbségi értékek meghatározása CIE 13.3, CIELAB és CIECAM02 modellek felhasználásával... 105 5.4. Vizuális megfigyelések függetlenség vizsgálata... 108 5.5. Három szempontú varianciaanalízis vizsgálat... 110 5.6. A vizuális megfigyelések és számított színinger-különbségek közti kapcsolatok erısségének vizsgálata... 114 5.7. Vizuális kísérletek és objektív mérések eredményeinek összehasonlítása... 119 5.7.1. A vizuális és számított értékek közti, fényforrás páronkénti korrelációk meghatározása... 120 5.7.1.1. Kis korrelált színhımérséklettel (~2700 K) rendelkezı fényforrások esetén meghatározott vizuális eredmények kiértékelése... 121 5.7.1.2. Közepes korrelált színhımérséklettel (~4000 K) rendelkezı fényforrások esetén meghatározott vizuális eredmények kiértékelése... 125 5.7.1.3. Nagy korrelált színhımérséklettel (~6500 K) rendelkezı fényforrások esetén meghatározott vizuális eredmények kiértékelése... 128 5.7.1.4. Korrelációs együtthatók különbségeinek szignifikancia vizsgálata mindhárom színhımérsékleti szint esetén... 130 6

5.7.2. Vizuális eredmények fényforrás páronkénti összehasonlítása az u v diagramban számított távolságokkal... 132 5.7.3. A vizuális és számított értékek közti, színmintánkénti korrelációk meghatározása... 134 5.7.3.1. Eredeti (módosítatlan), normalizált vizuális értékek felhasználása... 135 5.7.3.2. Normalizált vizuális értékek módosítása... 139 5.7.3.3. A vizuális értékek közti relatív szórás figyelembe vétele... 143 6. Összefoglalás... 147 7. Tézisek... 153 Publikációs lista... 155 Melléklet 1... 157 CIE 1931 tristimulusos értékek meghatározása... 157 Tristimulusos értékek átszámolása D 65 megvilágító adaptációs szintjére... 157 Értékek CIE 1976 CIELAB térbe való transzformációja... 158 CRI-1996 színvisszaadási indexek kiszámítása... 159 Melléklet 2... 161 A színvisszaadás meghatározásának lépései:... 161 Színvisszaadási Indexek meghatározása:... 162 Melléklet 3... 164 Melléklet 4... 166 Melléklet 5... 170 Melléklet 6... 173 Irodalomjegyzék... 177 7

1. Tartalmi kivonat 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 LEDek. 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. Vizuális kísérletek során a megfigyelık által szolgáltatott eredményeket összevetettem több matematikai modell szerint számított színinger-különbségi értékkel és megmutattam, hogy a jelenleg fényforrások színvisszaadási tulajdonságainak leírására elfogadott CIE 13.3-as módszernél létezik jobb modell is. 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. 8

1.1. Abstract The primary aim of my dissertation was to investigate by the help of visual experiments the colour rendering properties of conventional and state of the art light sources used in everyday lighting applications and to compare the data established by the observers with those determined through contemporary methods for calculating colour-rendering indices. In a time when beside conventional incandescent lamps, halogen lamps and fluorescent lamps had an ever broadening field of use, a method for determining colour rendering properties of light sources, called CIE 13.2 (later named CIE 13.3) and accepted in 1974, became available, and is still in general use. Since those days, it has been accepted by the light source manufacturers as the standard method of classifying their products in regard to colour rendering. Owing to the technical development, phosphor converted white LEDs and RGB LED clusters have become available. These sources are more economical in means of power, and have longer lifetime but their spectral power distribution is totally different from that of the traditional light sources. The question whether the CIE 13.3 method provides realistic values in the case of these new light sources, which have very different spectral power distribution compared with that of the fluorescent lamps, has interested experts for some time. To my best knowledge no research has been described in the literature that would have given a comprehensive overview about the colour rendering properties of the new light sources with 2700 K, 4000 K and 6500 K correlated colour temperature, comparing visual observations with calculated values. In my research, results provided from visual experiments were compared with colour difference values calculated using various mathematical models and I have shown that there exists a model which is better than the CIE 13.3 method, which is the currently accepted method to describe colour rendering properties of light sources. Both graphical representations presented in my dissertation to illustrate the difference between the colour samples illuminated by the reference and test light sources grant valuable support to the light source manufacturers in the characterization of the colour rendering properties of their new type of products. 9

1.2. Zusammenfassung Das primäre Ziel meiner Abhandlung war der Vergleich der Farbwiedergabe-Eigenschaften von im Alltagsleben benutzten traditionellen und von neuer Generation stammenden Lichtquellen, mit Hilfe visueller Experimente. Mein weiteres Ziel war die Gleichstellung der gemessenen Daten der Beobachter mit denen beruhend auf verschiedenen Farbraume. So konnte ich berechnen, welche Methode am besten die Mechanik des Sehens beschreibt. Zur Zeit wird noch immer die Farbwiedergabeberechnungsmethode verwendet, die die CIE in 1974 zur Quantifizierung der Farbwiedergabe der ersten und zweiten Generation von Leuchtstofflampen entwickelt hat (CIE 13.2, später CIE 13.3). Dank der technischen Entwicklung erschienen auf dem Markt weiße Leuchtdioden (LED-s), die zum Teil blaue LED-s und gelbe Luminophore, zum Teil Farbige RGB- LEDs verwenden, und die energiesparend sind, und längeres Lebensdauer aufweisen, als die traditionellen Lichtquellen. Die spektrale Leistungsverteilung der LEDs schaut jedoch ganz anders aus als die von traditionälen Lichtquellen. Die Frage blieb bis heute unbeantwortet, ob im Falle dieser neuen Lichtquellen, dessen Spektrum wesentlich von dem der Leuchtstofflampen abweicht, die auf die CIE 13.3 Publikation beruhende Methode richtige Werte liefert oder nicht.? Bis heute erschien keine Veröffentlichung, die einen umfassenden Vergleich der Farbwiedergabe von verschiedenen heutzutage benutzten und neuen Lichtquellen mit den typischen Farbetemperaturen von 2700 K, 4000 K und 6500 K vorgenommen hätte. Ich konnte in meiner Dissertation zeigen, dass es bessere Methoden zur Beschreibung der Farbwiedergabe gibt, als die in CIE Publ. 13.3 beschrieben wurden. Als eine Verbeserung der Berechnungsmethode schlage ich vor die Farbwiedergabe im Farbenraum des CIECAM02 Modells durchzuführen. Dieses Modell gibt in den meisten fällen bessere Übereinstimmung mit den visuellen Ergebnissen, als die CIE 13.3 Methode. Die zwei von mir vorgeschlagenen graphische Darstellungen für die Repräsentation der Unterschiede zwischen mit Referenz- und mit Test-Lichtquelle beleuchteten Farbproben, könnten als Ergänzung für Lichtquellen-Hersteller dienen, um die Farbwiedergabe- Eigenschaften ihrer neuen Lampentypen zu charakterisieren. 10

2. Bevezetés A színek segítenek megérteni a körülöttünk lévı világot. A mindennapi életben használatos tárgyak színe nagymértékben függ a megvilágító fényforrásoktól, amelyek manapság igen különbözı színképi teljesítmény-eloszlásokkal készülnek. Ha megváltozik a fényforrás, az általa megvilágított tárgyak színmegjelenésében is változás lép fel. Az áruházban vásárolt, izzólámpa fénye által megvilágított ruha színe könnyen meglepetést okozhat számunkra, ha kilépünk benne a napfényre. A hétköznapi ember számára a hagyományos izzók, halogén izzók és fénycsövek jelentik az elsıdleges mindennapi életben használatos fényforrásokat. Ezek után következik a természetes napfény, a borús, felhıs ég és a déli szikrázó napsütés közti átmenetek mindegyikével. A fénycsövek és nagynyomású gázkisülı-lámpák mellett napjainkban megjelentek a világító diódák (Light Emitting Diodes - LED) is, mint a modern világítástechnika fényforrásai. Ezen új fényforrás típusok színképi teljesítmény-eloszlása nagyon eltérı az említettektıl, s ezért a felületszínek színészlelete is változhat attól függıen, hogy milyen fényforrás típussal (s azon belül milyen színképi teljesítmény-eloszlással) világítjuk meg azokat. A fényt visszaverı anyagok területén is számos új színképzıvel találkozunk, mind a kikészítı iparágakban, mind a nyomdatechnikában. A színmérés, mint olyan, az 1930-as évek derekán vált igazán hasznos gyakorlati alkalmazássá, amikor a Massachusetts-i Technikai Intézet kutatásai révén megjelentek az elsı spektrofotométerek, melyek segítségével reflektáló minták spektrofotometriai adatai váltak mérhetıvé. A színvisszaadási index akkor került bevezetésre, amikor a második generációs fénycsövek betörtek a piacra. A kompakt fénycsövek fényporainak kifejlesztésekor nem a jó vizuális színvisszaadási tulajdonságot tartották szem elıtt, hanem arra törekedtek az optimalizálás során, hogy jó fényhasznosítást és nagy színvisszaadási indexet érjenek el. 11

Nátrium lámpa fénye alatt még a legszínesebb tárgyak is sárgásnak, barnásnak tőnnek, higany lámpák fényénél sem a természetes 1 sugárzásnál már jól megszokott színeket véli felfedezni az ember, amire egy cikkében már Bouma 1 is utalt a rossz szín fogalmával. A CIE 30 évvel ezelıtt vezette be a jelenleg használatos színvisszaadási index számítására szolgáló eljárást 2. Az eltelt 30 év alatt több próbálkozás is volt, hogy a kiadványt módosítsák, és, hogy szinkronba hozzák a modern színmetrikai gyakorlattal (lásd pl. 3 ), de a meggyızı vizuális kísérleti eredmények hiányában, ez mind a mai napig nem történt meg. A CIE meghatározása a színvisszaadás fogalmáról megtalálható a Nemzetközi Világítástechnikai Szótárban 4, melynek magyar fordítását az MSZ 9620-2, Fénytechnikai Terminológia: Látás, színvisszaadás kötete tartalmazza: A sugárzás spektrális eloszlásának a hatása a tárgyak színes megjelenésére; a tárgyak egy referencia-eloszláshoz tartozó színes megjelenésével való tudatos vagy tudatalatti összehasonlítása. A CIE Test Method a napjainkban használt egyenlıköző színterek bevezetése elıtti idıbıl származik, ezért az utolsó évtizedekben jó néhány javaslat készült a jelenlegi módszer kiterjesztésére vagy frissítésére (lásd pl. 3,5 ). Ezek a javaslatok mind új változók - pl. flattery index 6, színdiszkriminációs index 7 - mind pedig új számítási módszer bevezetésében 8 nyilvánultak meg. A fényforrás gyártók általános nézete az volt, hogy mielıtt új matematikai modellt fogadnának el a színvisszaadási index számítására, újra kell vizsgálni a létezı modellt és annak használhatóságát vizuális kísérletek segítségével kell ellenırizni. A CIE Test Method -ot a 4.1 fejezetben részletesen ismertetem. Ezen szempontokat figyelembe véve kezdtem bele egy kísérlet sorozatba, hogy ellenırizzem a jelen modellt az ajánlott eljárás lépéseit betartva, vizuális színinger-különbség értékelést használva, és a vizuális adatokat összehasonlítva a jelen modell és annak néhány lehetséges frissítésével. A LED fényforrások egyre nagyobb teret hódítanak a mindennapi életünkben, nem csak fejlettebb közlekedési jelzılámpák formájában, hanem a kültéri 9,10 és beltéri 11,12 világítástechnika, valamint az autófényszórók 13 területén is. Ezért szükség van egy olyan modern és idıszerő matematikai számítási modellre, amely bizonyítottan jól korrelál a 1 nemzetközileg elfogadott angol megfelelıjét - daylight sokan nappali sugárzáseloszlásnak fordítják, de a magyar terminológiában elfogadott szabvány a természetes sugárzáseloszlás használatát határozza meg. 12

vizuális megfigyelésekkel, de új kalkulációs eljárást csak abban az esetben kellene javasolni, ha a kísérletek bebizonyítják, hogy a jelen modell alkalmatlan a színvisszaadás pontos leírására. 13

3. Történelmi áttekintés A színvisszaadást megbízhatóan csak az ezzel foglalkozó speciálisan felszerelt laboratóriumok tudják vizsgálni. Ugyanakkor szükség van egy olyan objektív mérıszámra, mely lehetıséget biztosít egy nem mérnök ember számára is, hogy a különbözı fényforrások színvisszaadási tulajdonságait összevethesse. 3.1. Korai színvisszaadási kísérletek Kezdetben, mikor mesterséges fényforrások még nem léteztek, a nappalok és éjszakák monoton egymásutániságának megtörésére nem volt lehetıség, a színvisszaadási problémák nem jelentkeztek. Az elsı nagyobb változást a tőz feltalálása jelentette, aminek következtében a természetes sugárzáseloszlás alternatívájaként különbözı anyagok, mint pl. fa, növényi és állati eredető zsiradékok égetése, mint mesterséges világítás vált elérhetıvé, azonban ezek mindegyike hasonló torzulásokat eredményezett a tárgyak megjelenésében az addig tapasztaltakhoz képest, hisz azok spektrális eloszlása a feketetest sugárzóéhoz volt hasonló, csak színhımérsékletükben tértek el egymástól. Egy érdekes jelenségre mutatott rá Paterson 1896-ban, amikor leírta, miként változtak meg egy leopárdmintás anyagon található foltok természetes megvilágítás mellett sötét sárgásbarna színezetbıl, gáz ill. ívkisülésen alapuló lámpák esetén olajzöldre. Ennek hatására alapos és átfogó vizsgálatot kezdeményezett 14, melyben terjedelmes számú mesterséges és természetes színezı anyag tulajdonságait vizsgálta meg, az akkori idıben fellelhetı kilenc darab fényforrás alatt. Ez volt talán az egyik legelsı tudatos, ám leginkább szubjektív vizsgálata a színvisszaadás problémájának. 3.2. Több sávos módszerek Az elsı próbálkozás a színvisszaadás objektívebb megállapítására Bouma 15 nevéhez főzıdik, a fénycsövek megjelenésének kezdeti szakaszában. A nyolc sávos rendszernek nevezett módszer lényege az volt, hogy meghatározta a fényforrás relatív színképi teljesítményeloszlásának görbéjét, majd integrálta azt az általa megállapított teljes látható spektrumot 14

lefedı nyolc sáv mindegyikére, és kiszámolta az egyes sávokra jutó és a teljes fénysőrőség százalékos megoszlását. Ezáltal egy nyolc számból álló sorozattal jellemezte a megvilágítók spektrumát. Ez valójában nem jelentett mást, mint az egyes fényforrások spektrális eloszlásának sávonkénti összevetését. A módszer hátránya az volt, hogy a kék tartományba esı sávok rendkívüli keskeny volta miatt, az azokhoz rendelt százalékok olyannyira kicsik voltak, hogy azok esetleges elhagyása csekély változást jelentett volna, annak ellenére, hogy a színvisszaadás kérdésében e sávok is igen fontos szerepet töltenek be. A Commission Internationale de l Eclairage (CIE), Nemzetközi Világítástechnikai Bizottság 1948-ban 16 azonban elfogadta ezt a módszert, és táblázatban rögzítette a sávok határait (1. Táblázat). 1. Táblázat: A CIE 1948-as színvisszaadási módszerében használt sávtartományok Sávok Tartományok Megnevezés 1 380 nm 420 nm Távoli ibolya 2 420 nm 440 nm Ibolya 3 440 nm 460 nm Kék 4 460 nm 510 nm Kékeszöld 5 510 nm - 560 nm Zöld 6 560 nm 610 nm Sárga 7 610 nm 660 nm Világos vörös 8 660 nm 760 nm Mély vörös 1951-ben a CIE felkérte a nemzeti bizottságokat, hogy vizsgálják tovább fényforrások színvisszaadásának kérdését. A színvisszaadás témájával két bizottság kezdett behatóbban foglalkozni. Az egyik a Colour Rendition of the Illuminating Engineering Society of North America s (IESNA) Light Source Committee albizottsága Dorothy Nickerson elnökletével, melyet 1952-ben jelöltek ki annak céljából, hogy fényforrások színvisszaadásának mérésére és meghatározására eljárásokat dolgozzon ki. A másik bizottság a International Commission on Illumination s committee W1.3.2, mely aktív munkáját 1955-ben kezdte. A késıbbiekben Barnes 17 is vizsgálta a sávos rendszereken alapuló módszer jóságát. Munkájában összehasonlította Bouma 18 nyolc sávos modelljét Kruithof 19 és saját maga hét sávos modelljével. Ellentétben Kruithof-al aki valós mintákkal dolgozott, Barnes elméleti színmintákat melyek spektrális reflexiója közel azonos a valós mintákéval használt Barr, Clark és Hessler 20 munkássága alapján, míg Bouma a természetben elıforduló színektıl teljesen eltérı színezető mintákkal helyettesítette azokat. Barnes úgy találta, hogy a Bouma által választott rövid hullámhossz tartományba esı sávok túl keskenyek, és hogy az ötödik sáv 15

túl széles. Kruithof módszere fıként C sugárzáseloszláson alapul, ezért az nem igazán használható fénycsövek vizsgálatára, habár Bouma rendszerénél azért jobb, de a Barnes által választott lámpák esetében az ı hét sávos megoldása preferálandó. A nyolc sávos rendszerek hátrányai Crawford 21 -ot arra ösztönözték, hogy kísérleteket folytasson e téren, egy jobb modell megalkotása céljából. Egy monokromátor segítségével a látható spektrum tartományát úgy osztotta fel 6 részre, hogy azonos, 10 százalékos fénysőrőségi szint csökkenés éppen észlelhetı változást mutasson az objektumok színében, minden egyes tartomány esetében. Ez a hat sávos módszer jobbnak bizonyult a nyolc sávos modellnél, azonban hátránya a negyedik sáv 540 nm-tıl 590 nm-ig terjedı túlzott szélessége, ami magában foglalja a világoszöld és narancssárga tartomány egészét. Kísérletei során megfigyelte, hogy az emberi bırszín esetén a sárga, narancs valamint vörös tartományok hiánya a spektrumból nagy változásokat mutat, és hasonló eset áll fenn az élelmiszerek színével kapcsolatban is. A megfigyelık kora nem volt számottevı hatással a változtatásokra, azonban kimutatható volt, hogy az idısebb emberek szemének érzékenysége csökkent a spektrum ibolya tartománya felé, ami a változások nagyobb toleranciájában mutatkozott meg a fiatalabbakhoz képest. Fontos észrevétel volt, hogy ha az egymás melletti tartományok intenzitását külön-külön vagy párban csökkentette, akkor annak hatása a színvisszaadásra összeadódott. Amennyiben két nem közvetlen egymás melletti sávban történtek a változtatások, azok hatása a megjelenésre közel a fele volt csak. Megállapítható volt tehát, hogy a toleranciák az egymással érintkezı spektrum tartományok esetén kölcsönösen függnek egymástól, míg szeparált sávok esetén azok kölcsönösen függetlenek. A fényforrások színvisszaadási tulajdonságainak minısítésére Crawford elsıként egy arra alkalmas grafikonon tolerancia vonalakat határozott meg, amelyen ábrázolva az egyes sávokhoz tartozó arányszámokat, könnyen leolvasható volt, ha egy pont kívül esett vagy túl közel volt a határoló vonalakhoz. A megvizsgált fényforrások esetén azt találta, hogy míg kis színhımérséklettel rendelkezı lámpák, pl. meleg fehér fényforrások a tolerancia vonalak közé estek, addig néhány hideg fényő fényforrás esetén voltak tartományok, amelyek kívül estek a tolerancián. Ezek a gyakorlatban sem voltak kielégítık. Crawford ezen és további munkái alapján 22,23 módszerét Nagy Britanniában használni kezdték néhány speciális területen, azonban nemzetközileg nem vált elfogadottá. 16

3.3. Színminták vizsgálatára épülı eljárások A színvisszaadás szubjektív jelenség, ami nemcsak a fényforrás spektrális tulajdonságaitól függ, hanem a megvilágítandó tárgy reflexiójától és az emberi szem látási mechanizmusától is. Habár az említett sávos módszerek egyértelmően megállapítják egy teszt fényforrás spektrális sugárzásának valamilyen mértékő hiányát egy adott tartományban, azonban figyelmen kívül hagyják a megvilágítandó felületek reflexiós tulajdonságait, illetve a kromatikus adaptációs állapot sem foglalható bele, így csak a referenciának tekintett fényforrás színhımérsékletével megegyezı korrelált színhımérséklető teszt fényforrások vethetıek össze. Crawford munkásságával egy idıben amerikai, holland és német kutatások is folytak a fényforrások színvisszaadási tulajdonságainak meghatározása céljából, és a Nemzetközi Világítástechnikai Bizottság (CIE) már 1951-ben további alternatív megoldások 24,25 kidolgozását javasolta, oly módon, hogy azok bármely fényforrás vizsgálatát lehetıvé tegyék, és ne legyenek lekorlátozva speciális esetekre. Ezen új, alternatív megoldások esetében a színmintákat teszt és referencia fényforrással világították meg. Az azonos minták közt észlelt színi eltolódás, a fényforrások spektrális teljesítmény-eloszlásának különbözıségébıl adódott. Széleskörő vizsgálatokat folytatott nagyszámú Munsell színminta vizsgálatával Ouweltjes 26, Münch 27, Münch és Schultz 28, Nickerson 29,30, Helson, Judd and Wilson 31 és arra a következtetésre jutottak, hogy 8 darab színminta elégséges a fényforrások általános színvisszaadási tulajdonságainak meghatározásához, feltéve, ha azok a lehetséges felület színek tartományát jól lefedik. A kromatikus adaptáció és a nem egyenlı köző színtér problémája így is megmaradt, de 1962- ben 32 az IES amerikai albizottsága egy a színminták vizsgálatán alapuló átmeneti eljárást javasolt. A CIE ideiglenesen a Nickerson által bemutatott 21 színminta használatát határozta meg, az alábbi problémák további tanulmányozásával: - a spektrális sávtartomány módszerek összehasonlítása a teszt mintákon alapuló eljárásokkal, - a színminták számának lehetséges csökkentése, hogy azok még reprezentatívak maradjanak, - a választott színminták átfedések nélkül jól lefedjék a színkört. 17

Ouweltjes eredményei alátámasztották azt a tényt, hogy a jó színvisszaadási tulajdonságokkal rendelkezı fényforrások esetén (pl. de luxe) a sávos módszer nem mőködik igazán jól, azon sem a sávok számának megváltoztatásával, sem a tartományok méretének változtatásával nem lehetett javítani. Ellentmondások léptek fel a teszt minta eljárásokkal szemben, míg azok eredményei jobb összhangban voltak a vizuális megfigyelésekkel. Nickerson az 1958-as cikkében összefoglalta az addig megismert módszereket, a rendelkezésre álló információkat, és hiányosságokat. Összegyőjtötte a CIE által 1931-ben elfogadott A, B, és C standard megvilágítók, és a további rendelkezésre álló fényforrások színképét, a Gibson 33 által származtatott elméleti természetes sugárzás-eloszlású függvényeket, valamint a Taylor és Kerr által 1939-ben mért spektrumokat. Az évek folyamán egyértelmővé vált, hogy a színvisszaadási problémák megoldására csakis jól definiált körülmények és pontos, precíz mérések során juthatnak, és ez által felvetıdött a kérdés, milyen fényforrás is tekinthetı referenciaként. Egy másik probléma, olyan színtér keresése volt, melyben az azonos színinger-különbségek azonos észleletbeli színingerkülönbségeket jelentenek az egyes megvilágított tárgyak esetében, mivel az akkoriban használt CIE (x,y) színinger diagram ennek nem tett eleget. Átfogó tanulmányok születtek a Munsell rendszer elemeinek vizsgálatára 34. Nickerson 35 és Burnham 36 szintén összegyőjtötték az e téren dolgozó kutatók - Judd, MacAdam, Breckenridge és Schaub, Farnsworth, Scofield- Judd-Hunter, Adams, Moon és Spencer, Saunderson és Milner - munkáit. 1955-ben Nickerson, Judd és Wyszecki 37 jelentettek be egy olyan ábrázolási diagrammot, mely a világosság értékek figyelmen kívül hagyásával a legjobban írt le egy egyenlıköző színteret. Barr, Clark és Hessler 20 egy 1952-ben publikált munkájukban közel természetes sugárzáseloszlású fényforrásokkal megvilágított 18 Munsell mintát vizsgáltak. Referenciának a CIE C megvilágítóját választották, és a teljes színinger-különbséget a textil iparban, egy a Nickerson 38 által 1936-ban bemutatott formula segítségével határozták meg: = ( C / 5)(2 H ) + 6 V + 3 C (1) E N ahol, C, H, V a króma, színezet valamint világosság attribútumot jelenti. Ily módon csak olyan fényforrásokat lehetett vizsgálni, melyek színe közel állt a természetes sugárzáseloszlás színéhez, mivel más korrelált színhımérséklettel rendelkezı fényforrások esetében figyelembe kellett volna venni a kromatikus adaptáció jelenségét. Helson 39,40, Burnham 41,42, és MacAdam 43 annak lehetıségét kezdték vizsgálni, miként lenne lehetséges a Munsell minták értékeinek transzformálása más színességgel rendelkezı 18

fényforrások esetén. Adam Chromatic-Value diagrammja lehetıséget adott Von Kries transzformációt felhasználva a különbözı fényforrással megvilágított Munsell minták értékeinek egyidejő ábrázolására, az eltérések mértékének és irányultságának meghatározására. A 18 színminta E N el számított színinger-különbségeit átlagolva egy elsıdleges közelítését adták különbözı fényforrások színvisszaadási tulajdonságainak jellemzésére. További átszámítási formulák CIE, Judd-Wyszecki, Brewer számhármasok - láttak napvilágot, annak céljából, hogy megpróbálják megbecsülni Munsell minták színkoordinátáit különbözı megvilágítások esetén, azonban jelentıs különbségek adódtak e formulák felhasználásának függvényében, így egyik sem vált elfogadottá. Ezen kutatómunkák révén a CIE bizottsága a teszt minta eljárások mellett döntött szemben a spektrális sávtartományok eljárásával. Amerikai 44, német 45,28 és holland 26 kutatások megmutatták, hogy kevés számú 8-15 darab minta már elégséges a fényforrások színvisszaadásának jellemzésére, feltéve, ha azok a színteret kellıképpen lefedik. Crawford 46 egy 1957-es munkájában csoportosította a vizuális kísérletek megvalósításakor használatos színminták összehasonlításának lehetséges módjait, melyek az alábbiak: - két apró minta szorosan egymás mellé helyezve, alig észrevehetı elválasztó vonallal. A megfigyelı az összehasonlítást minimális bizonytalansággal és maximális pontossággal teheti meg, a pszichológia minimális befolyásával. - a vizuális mezık térben szeparáltak. A megfigyelı szemének, vagy akár egész testének helyzetét megváltoztatva képes csak az összehasonlításra, a memória, mint pszichológiai faktor egyre nagyobb befolyásával. - a megfigyelı elıször teljesen adaptálódik egy környezethez, majd az összehasonlítás attól, egy térben és idıben is eltérı helyen, a memóriájára hagyatkozva történik, és ekkor a legnagyobb a pszichológiai befolyás. A való életben elıforduló szituációk nagyobb része leggyakrabban a harmadik osztályba esik. Bár a kromatikus adaptáció problémája még mindig megoldásra várt, az elsı teszt mintán alapuló eljárás bevezetését az 1963-as CIE bécsi ülésén 47 terjesztették elı, és annak elsı változatát 1965-ben 48 fogadták el hivatalosan is CIE 13-as publikáció néven. Nyolc darab közepes világosságú és krómájú Munsell mintát választottak ki, melyek a színezeti kör mentén nagyjából egyenlı távolságra helyezkedtek el egymástól. 19

A fennmaradó problémák mielıbbi vizsgálatában is megállapodtak. Ezek az alábbiak voltak: - minél több tapasztalatot győjteni az elfogadott módszer segítségével - egy újabb változat elkészítése, mely már tartalmazza a kromatikus adaptáció hatását - a már meglévı teszt minták mellé további fluoreszcens minták felvétele - a vizuálisan éppen észlelhetı színinger-különbségek, és toleranciák meghatározása a színvisszaadási indexek függvényében 3.4. Referencia fényforrások kiválasztásának kérdése A kromatikus adaptáció matematikai korrekciójának hiányában problémák merültek fel a referencia fényforrások kiválasztása terén. Minden egyes teszt fényforrás esetén szükségessé vált egy színhımérsékletben hozzá legközelebb álló referencia fényforrás. Megállapodás született, hogy az 5000 K alatti színhımérséklettel rendelkezı lámpák esetén referencia fényforrásnak egy a teszt fényforrás korrelált színhımérsékletével azonos hımérséklető feketetest sugárzó, míg 5000 K felett egy a teszt fényforrás korrelált színhımérsékletével megegyezı korrelált színhımérséklető természetes sugárzás-eloszlású standard fényforrás választandó. Mivel a teszt fényforrások színességi koordinátái általában nem illeszkedtek a feketetest sugárzók görbéjéhez, egy egyszerő vektor korrekciót építettek be a számításban, hogy korrigálják a kromatikus adaptáció hatásmechanizmusát. Ennek értelmében, ha különbség volt a teszt és referencia fényforrások színkoordinátái közt, akkor a színminták teszt fényforrás által megvilágított színkoordinátáit korrigálni kellett a fényforrások közti eltéréssel a CIE 1960-as UCS diagramban. Az így korrigált színminták és a referencia fényforrás által megvilágított minták közti színinger-különbséget a CIE kétdimenziós színinger-különbségi egyenlete segítségével számolták. 1964-ben lehetıvé vált a számítást az U*V*W* színtérben, 3 dimenzióban végezni. A színinger-különbségeket mind a 14 elfogadott színminta esetén kiszámították, majd azok átlagolásával és bizonyos faktorok segítségével az általános színvisszaadási index, R a értékét úgy határozták meg, hogy teljes egyezés esetén 100, míg egy meleg fehér fénycsı (~ 3000 K) esetén annak általános színvisszaadási indexe 50 legyen. Ouweltjes 49 megmutatta, hogy a színvisszaadási index értéke nagymértékben függ a választott referencia fényforrás színhımérsékletétıl. Összehasonlítást végzett a CIE által elfogadott 20

eljárás és egy von Kries típusú transzformációt magában foglaló modell között három közel azonos színhımérséklettel rendelkezı - Standard Cool White [4200 K], de Luxe Cool White [3900 K] és egy 4100 K es, jó színvisszaadási tulajdonságokkal rendelkezı fénycsı felhasználásával, melyek általános színvisszaadási indexeit különbözı korrelált színhımérséklető referencia fényforrásokkal való összevetése függvényében külön-külön meghatározta. Von Kries típusú transzformációt használó modell esetén megmutatható volt, hogy az egyes lámpák CRI értékei csekély mértékben változtak csak meg a különbözı korrelált színhımérséklettel rendelkezı referencia fényforrások függvényében, míg az aktuálisan elfogadott modell esetén jóval nagyobb R a értékbeli változások mutatkoztak, és a maximális CRI érték egy a teszt fényforrás színhımérsékletétıl merıben eltérı referencia fényforrás esetén volt megtalálható. Felmerült tehát a kromatikus adaptáció korrigálására szolgáló transzformáció beágyazásának fontossága a modell következı változatába. 3.5. Kromatikus adaptáció figyelembe vétele Mivel a kromatikus adaptáció nagyban csökkenti az észlelhetı különbséget a teszt és referencia fényforrás között, a CIE bizottsága támogatta egy a kromatikus adaptáció figyelembe vételére vonatkozó formula bevezetését a modellbe. 1974-ben publikálták a CIE 13-as publikációjának második változatát 50, melyben az egyik jelentıs módosítás az egyszerő vektor eltolási korrekció von Kries-féle kromatikus adaptációs formulával 51 való helyettesítése volt, abban az esetben, ha csekély különbség van a teszt és referencia fényforrások színe között. Egy másik fontos változás, az általános színvisszaadási index számítási formulát érintette, amit immár az elsı 8 darab színminta speciális indexeinek átlagolásával határoztak meg. A CIE 13.2-es modelljének részletes leírását a 4.1 fejezet tartalmazza. Az eljárás egyik nagy elınye, a modell gyakorlati szempontjából, hogy tisztán matematikai formalizmusokkal a színvisszaadási indexek meghatározhatóak, bármilyen reflexiós együttható és spektrális teljesítmény-eloszlás esetén. A nem mérnöki emberek számára a színvisszaadás egyetlen számmal történı becslése komoly elınyt jelentett annak értelmezésében, habár a modell egyik legnagyobb hátrányának is ez tekinthetı, hisz rengeteg információ sőrősödik egyetlen számban, és ez a különbözı hatások átlagolásához vezet. 21

Az így elfogadott teszt minta eljárásnak azért számos elınye mellett, számos hátránya is megmutatkozott. Egy számítási módszertıl elvárjuk, hogy azonos indexekhez azonos színvisszaadási tulajdonságok tartozzanak. Kísérletek azt mutatták, hogy a 95 és 100 közötti R a értékkel rendelkezı lámpák esetén az 5 egységnyi eltérés az éppen észlelhetı színingerkülönbséget jelentette. Még az azonos CCT vel és azonos R a értékekkel rendelkezı lámpák esetén is különbségek mutatkoztak azok színvisszaadási tulajdonságaiban, nem beszélve a speciális indexekrıl, ahol azok egyezése sem jelentett azonos színvisszaadást, mivel azok értéke nem utalt az eltolódás irányára. Két különbözı korrelált színhımérséklettel rendelkezı lámpa esetén, azonos R a értékek vizuális színvisszaadása pedig eltérı. A modell pontosságának tovább növelése érdekében hatékonyabb kromatikus adaptációs korrekcióra, és egy egyenlıbb köző színtérre lenne szükség, az eltolódások irányának feltüntetésével fogalmazódott meg sokakban. Ennek következménye volt az a rengeteg kutatómunka, amit ezen 1974-es publikáció további vizsgálatai eredményeztek. Mivel az akkori számítások javarészt elméleti spektrális eloszlásokon alapultak, mind inkább elıtérbe került a lámpák színvisszaadási tulajdonságainak szubjektív, vizuális megítélése is. Halstead és társai 52 különbözı színvisszaadási tulajdonságokkal rendelkezı fényforrásokkal megvilágítva a nyolc darab CIE Munsell mintát vizuális kísérleteket végeztek, melynek keretein belül a megfigyelıknek egy négy elemő skálán kellett értékelniük az észlelt színinger-különbségeket. Azt találták, hogy az éppen észlelhetı színinger-különbségek körülbelül 12-18 speciális R i index egységnek felelnek meg, egy adott, konkrét mintát tekintve. Kambe és Mori 53 már 1971-ben hasonló kísérleteket folytattak, és az éppen észlelhetı színinger-különbséget 7 egységnyi R a index értékben határozták meg a nyolc Munsell minta esetén, valamint megmutatták, hogy a speciális indexek, és a vizuális megfigyelések közti korreláció mértéke a vizsgált mintától függıen változott. Maitreya 54 binokuláris látási szituációs technikát alkalmazva, az eddigiektıl eltérıen, jóval kisebb mértékő (5 speciális R i index egységnyi) toleranciát határozott meg a minimálisan észlelhetı színinger-különbségekhez kapcsolódva, ami alighanem az eltérı technika alkalmazásának volt köszönhetı. Eastmen és társai 55 arra hívták fel a figyelmet, hogy a mért és vizuális különbségek közt nagyobb mértékő egyezés mutatható ki azokban az esetekben, amikor a megfigyelık teljes mértékben adaptálódnak a látási körülményekhez. 22

3.6. Optimalizált fényforrások megjelenése Kihasználva a CIE új modelljének elınyeit sokan mind hatékonyság, mind pedig színvisszaadás szempontjából optimalizált spektrumok meghatározásába kezdtek 56,57,58,59,60,61,62,63,64, mely kutatások a keskeny sávú és kompakt fénycsövek kialakulásához vezettek 65,66. Koedam és Opstelten 67 egy számítógépes program segítségével generált és módosított spektrális teljesítmény-eloszlásokat vizsgáltak. A program segítségével képesek voltak meghatározni, hogy a spektrum egyes részeinek intenzitását megváltoztatva milyen hatása van annak az elméleti eloszlások színvisszaadására. Meghatározták azt a maximális R a értéket, melyet 3 vagy 4 vonalat tartalmazó spektrummal lehet elérni. Megmutatták, hogy egy nagynyomású gázkisülı lámpa spektrumába további elemek (pl. kadmium, indium, tallium, nátrium, lítium) által gerjesztett vonalat adva, R a = 80 általános színvisszaadás index érhetı el, megváltoztatva természetesen annak hatékonyságát. Három sávval rendelkezı lámpa esetén az alábbiakat határozták meg: - három vonal választandó a hullámhossz tartomány három elkülönülı részén, nevezetesen a kék, zöld és vörös tartományokban (455 nm 485 nm, 525 nm 560 nm, 595 nm 620 nm), - fényforrások színességi koordinátáinak közel azonosnak kell lenniük a Plank sugárzó színességi koordinátáival, - a korrelált színhımérséklet növelésével az optimális hullámhosszak a rövidebb hullámhossz tartományok felé tolódnak, - csökkenı korrelált színhımérséklet esetén az általános színvisszaadási index értéke némiképpen nı. A különbözı spektrumok meghatározása során vizsgálták azok X,Y,Z színinger összetevıinek változását, és arra a következtetésre jutottak, hogy alacsony színhımérséklető lámpák esetén azok Z értéke nagymértékben csökken, következésképp a kék hullámhossz tartomány hatása is kisebb lesz, és ennek igazolására létre is hoztak egy 2 vonalas spektrumot, melynek színvisszaadási indexe közel R a = 64 volt. A kísérlet célja az volt, hogy rávilágítson arra a tényre, miszerint már akár csak három vonal felhasználásával is képesek jó színvisszaadással rendelkezı spektrumok megalkotására a CIE által megfogalmazott módszer értelmében, ami felveti annak helyességét. Walter 68,69 hasonló törekvéső munkája során megmutatta, hogy négy keskeny sáv (460 nm, 530 nm, 580 nm, 620 nm) elegendı egy 95-ös R a index eléréséhez. 23

3.7. A színvisszaadás problémájának alternatív megközelítései 3.7.1. Színdiszkrimináció Mások, újabb és újabb elgondolások alapján próbálták a színvisszaadás problémáját vizsgálni, és ez által kapcsolatot teremteni a színvisszaadási index és például a színdiszkrimináció (colour discrimination), vagy a vizuális tisztaság 70 (visual clarity) fogalmai között. A színdiszkrimináció alapvetı hipotézise, hogy milyen jól különböztethetıek meg a közel azonos színek egy megvilágító esetében. Ennek érdekében színinger-különbségeket határoztak meg az egymástól csekély mértékben eltérı színek esetén. Schanda és Czibula 71 egy speciális színdiszkriminációs indexet alkottak (scdi) a színinger-különbségek és azok standard szórását felhasználva (δ i ): scdi i = 8 * Eik ( S) * k= 1 Eik ( D65 8 ) aδ ahol, E * ik (D 65 ) és E * ik (S) színinger-különbségek a centrálisan elhelyezett nyolc színminta mindegyike és az azok körül elhelyezett nyolc másik minta között kerültek kiszámításra, a mintákat D 65 referencia fényforrással és az S teszt fényforrással megvilágítva. i az i-dik központi mintát jelenti és k pedig azok szomszédait. Az a pedig egy paraméter, melyet úgy határoztak meg, hogy az scdi optimális egyezést mutasson Boyce és Simons 72 vizuális kísérleteinek eredményeivel. Boyce 73 figyelme olyan vizsgálatok irányába terelıdött, ahol a szín-megkülönböztetés lehetısége minél nagyobb mértékben van jelen. Az általános színvisszaadási index helyett, ezen feladatok esetében, egy alternatív megoldásként a színdiszkriminációs index bevezetésére tett javaslatot. Ennek értelmében, szerinte minél nagyobb a nyolc Munsell minta színkoordinátái által CIE UCS színtérben meghatározott oktagonális területe, annál jobb egy lámpa színdiszkriminációs képessége. Vizuális kísérletet folytatott különbözı CRI értékkel rendelkezı Northlight, Natural, White és Grolux lámpák esetén, 300 lx és 1000 lx megvilágítási szint mellett, vizsgálva annak eltérı hatását is a színdiszkriminációs feladatokban, az 1973-ban kiadott IES Code for Interior Lighting 74 dokumentum figyelembe vételével. A megfigyelık feladata az volt, hogy a Farnsworth-Munsell 100 Hue teszt 75 elemeit sorba rendezzék mind a négy fényforrás által megvilágítva, a két különbözı megvilágítási szint mellett. Statisztikai számítások révén kimutatható volt, hogy szignifikáns kapcsolat van az egyes lámpatípusok és i (2) 24

a színkör különbözı tartományaiban elkövetett hibák között. Az is kimutatható volt, hogy a fénysőrőségi szint változása nem befolyásolta szignifikáns mértékben a hibák számát, mellyel kapcsolatban késıbb Crawford 76 is vizsgálódott, és úgy találta, hogy kis színingerkülönbségek észlelésének folyamatát a közel 30 lux alatti megvilágítási szint befolyásolja csak nagymértékben. Megvizsgálta az átlagos hibák számát az átlagos színtérbeli különbségek függvényében, miszerint ha az egyes színezeti tartományokban található korongok közelebb vannak egymáshoz a színtérben, akkor a sorba rendezés során elkövetett hibák számának elviekben növekednie kellene. E vizsgálat során arra a következtetésre jutott, hogy a CIE UCS diagramja nem feltétlen egyenlıköző, és ezt Pointer 77 eredményei is alátámasztották, de megjegyezte, miszerint a 2000 K és 6500 K közötti tartományba esı korrelált színhımérséklettel rendelkezı fényforrások esetén a színtér nem egyenlıközősége csak csekély mértékben mutatható ki. A fluoreszcens világosítók és festékek megjelenése fıleg a textil és mosószer iparban (valamint nyomdaiparban) szükségessé tette az UV kibocsátással is rendelkezı fényforrások vizsgálatát. Ganz és Eitle 78 olyan CRI index kidolgozásával próbálkoztak, mely figyelembe veszi a fényforrások UV tartományba esı sugárzását, miként hatnak azok optikai világosító anyagokra (lásd még 79 ). A CIE Bizottsága fontolóra vette egy hasonló speciális index kidolgozásának lehetıségét is, adott UV tartomány és speciális fluoreszcens minták felhasználásával, többek munkáját Berger és Strocka 80,81, Terstiege és Mallwitz 82 - figyelembe véve, azonban ez mind a mai napig nem valósult meg. Voltak, akik a mérések pontosságát szerették volna ellenırizni, ezért ugyanazon fénycsöveket több laboratóriumban is bevizsgálták és Moore és társai 83 átlagosan 2 egységnyi R a, valamint 5 egységnyi R i eltérést tapasztaltak az elsı nyolc Munsell minta esetén, ha a különbözı laboratoriumokban meghatározott színképek segítségével határozták meg a vizsgált lámpa színvisszaadását. A CIE 13.2-es változatában bevezetett kromatikus adaptáció helyességét többen is vizsgálni kezdték (Halstead és társai 84, Henderson és Halstead 85 ), mert feltőnt számukra, hogy ha a lámpa színessége a Plank görbétıl a bíbor irányába esett úgy a színvisszaadási indexek nagyobbak voltak, mintha a lámpa színessége ugyanolyan mértékben a Plank görbétıl a zöldesebb irányába tért el. Úgy találták, hogy nemcsak az adaptációs transzformáció, hanem az alkalmazott színtér geometriája is fontos szerepet tölt be fényforrások színvisszaadási tulajdonságainak meghatározásakor. 25

3.7.2. Színpreferencia flattery index Szintén teljesen új elven alapuló, a színpreferenciával kapcsolatos munkák is napvilágot láttak, melynek elsıdleges megfogalmazása ( flattery index ) Judd 86 nevéhez főzıdik. A színvisszaadás fogalma ebben az esetben azt jelentette, hogy egy fényforrás mennyire képes a tárgyakat azok preferált színével megjeleníteni. Az így bevezetett flattery index azt határozta meg, hogy a vizsgált fényforrás milyen mértékben jeleníti meg a színeket, úgy, ahogy azt mi látni szeretnénk. Elıször is szükség volt a vizsgálandó tárgyak (pl. emberi bır, vaj, levélzet, zöld fő) preferált színeinek meghatározására valamilyen referencia fényforrás alatt, mely Sanders 8788, Buck and Froelich 89, Newhall, Burnham és Clark 90, valamint Bartleson 91 munkáját felhasználva valósult meg. A CIE modelljét alapul véve egy elızetes index számítási képlet született: R f 100 0,839 E f, K = (3) ahol a preferált színek és a teszt fényforrás által megvilágított minták (a CIE modell E f, K szerinti elsı 8, valamint a 13-dik és 14-dik Munsell minta) színei közti számított színingerkülönbségek számtani közepét jelenti. Ezen a téren még Jerome 92,93 és Thornton 94 munkáját kell megemlítenünk. Jerome egy olyan kísérleti dobozt épített, melybe két különbözı típusú fényforrást (W-13 és Cool White) helyezett, oly módon, hogy változtatni lehetett a két spektrum keverékének arányát. A 13-as publikációban elfogadott 14 Munsell mintát egyenként, szürke háttér elıtt kellett a kísérleti személyeknek a kísérleti dobozban megfigyelni, és a lámpák arányát úgy változtatni, hogy az észlelt szín a legkellemesebb legyen számukra minden egyes minta esetén. Azt találta, hogy bizonyos színminták esetében ezen arányok megváltoztatása nincs hatással azok megjelenésére, pl.: 2. sötétszürkés sárga, 3. erıs sárgászöld, 14. levélzöld. Az alábbi színminták esetében elsıdlegesen színezetbeli különbségeket talált: 6. világoskék, 7. világos ibolya, 10. erıs sárga és 12. erıs kék. Az eredmények igazolták az eddigi kutatásokat, miszerint minél élénkebb, erıteljesebb, színesebb volt egy adott minta, annál jobban preferálták azt a megfigyelık, egyre nagyobb arányban keverve a W-13 fénycsı spektrumát. Több fényforrás esetén is meghatározta az R a és R f értékeket, amibıl kitőnt, hogy a két skála nem arányosan változik. Jerome és Nickerson kifogásolta ezen képlet azon rossz tulajdonságát, hogy nem vethetı közvetlenül össze az R a általános színvisszaadási index-el, 26

ezért azt a képletben szereplı konstans megváltoztatásával, egy az R a értékekkel jobban korreláló formulára módosította: R f 100 4,6 E f, K = (4) így a két index, azonos skálázásuk révén, már összevethetı volt. Jerome további R f formulákat vezetett be Judd egyenletébıl kiindulva, amiket a vizuális kísérleteivel alátámasztott. Judd és Jerome munkássága egyértelmően rámutat arra a tényre, hogy egyetlen index használata nem feltétlen elegendı a fényforrások színvisszaadási tulajdonságainak összehasonlítására. Míg a vizsgált, 90 százalékban W-13 spektrumot tartalmazó megvilágító jóval gyengébb CRI értékkel rendelkezik, mint a Cool White de luxe társa, addig a vizuális kísérletekben a megfigyelık nagyobb mértékben preferálták a kevert fényforrást. Thornton 95 3 különbözı alkalmazási területen színvisszaadás (CRI), színdiszkrimináció (CDI) valamint színpreferencia (CPI) végzett kísérleteit foglalta össze, melyekben fényforrások tulajdonságait vizsgálta. Tizenegy fényforrás CRI, CDI és CPI értékeit határozta meg számos mérés, valamint vizuális kísérlet segítségével és vetette össze azokat egymással. Megmutatta, hogy azonos színességi koordinátával rendelkezı fényforrások esetén is e három index értékei nagyban eltértek egymástól. Arra a megállapításra jutott, hogy egy fényforrás jellemzésére az adott alkalmazási területtıl függıen más-más indexszámítás adja a legjobb eredményt, azaz nem mindegy, hogy adott feladathoz választandó lámpákat milyen indexszámítással hasonlítunk össze. Azon lámpák esetén, amelyeket olyan célra fejlesztettek ki, ahol könnyő szín-megkülönböztetés volt az elsıdleges feladat, a növekvı színdiszkriminációs képesség drasztikusan csökkenı CRI és CPI értékekkel párosult. A tárgyak preferált színeikkel való megjelenítéséhez kifejlesztett lámpák esetén viszont növekvı CDI indexekhez növekvı CPI értékek és csökkenı CRI k tartoztak. Felvetıdik a kérdés, hogy mesterséges fényforrások felhasználási céljától függıen más-más indexet válasszunk-e azok színvisszaadási tulajdonságainak jellemzésére, egyetlen szám kielégítı információt tud e szolgáltatni akár a specialisták részére is, illetve, hogy mennyire kell és tudják befolyásolni a hétköznapi emberek eltérı igényei a színvisszaadás meghatározásának folyamatát? A késıbbiekben a flattery index szó használatát preference index re módosították erkölcsi kifogások miatt. 27

Einhorn 96 1975-ben bırszínekhez határozott meg preferencia indexeket, csupán csak az u színkoordináta eltolódását figyelembe véve, mely munka igazi jelentıssége, hogy rámutat a bırszínek fontos szerepére a színvisszaadási tulajdonságok meghatározásában. Ha egy lámpa egy adott tárgyat annak preferált színével képes megjeleníteni, abból nem következik, hogy egy másik tárgyat is preferált színében fog megjeleníteni, így a speciális indexek meghatározása hasznosabbnak tőnik, mint egy általános index bevezetése 3.7.3. Duál indexek Az úgynevezett duál index -et Halstead és társai 97 fogalmazták meg, melynek értelmében a CIE R a index számítási elvét alapul véve bevezették az általános R DLT és R INC indexek fogalmát, ahol egy adott teszt fényforráshoz összehasonlító referencia fényforrásként természetes sugárzás eloszlású (daylight), illetve izzólámpát (incandescent) választottak. Mind a nyolc Munsell mintához speciális duál indexeket is meghatároztak, amiket azután összehasonlítottak más, elızı munkákból származó eredményekkel 52 ; és az általános duál indexekkel, amik között jó korreláció mutatkozott. Ez a fajta megközelítés a színvisszaadás vizsgálatának alapjait tekintve nem sokban tér el a CIE modell szerintitıl; egy vagy két hasonló index bevezetése nem biztos, hogy használhatóbb megoldást eredményez. 3.7.4. Gamut area meghatározása, mint fényforrások színdiszkriminációs képességének mértéke 1967-ben Pracejus 98 vetette fel talán elsıként azt az ötletet, hogy a nyolc kitüntetett Munsell minta UCS színkoordinátái által meghatározott nyolcszög alakú terület segítségével valamiképp jellemezze a lámpák színvisszaadási tulajdonságait. Több fényforrás esetén is meghatározta ezen nyolcszög alakú területek nagyságát és összevetette azokat konstans energiájú spektrum által történt megvilágítás segítségével meghatározott területtel. Az így képzett arányok összhangban voltak a vizuális kísérleteivel. Miként azt a színdiszkrimináció tárgyalásánál már említettük, Thornton 99 úgy gondolta, hogy a gamut area fogalma talán a lámpák színdiszkriminációs képességeivel is összefügghet, miszerint minél nagyobb ez a terület, annál jobb a színvisszaadás. Ez nem feltétlen igaz, és erre a késıbbiekben példát is mutatok, illetve az állítás egy más megfogalmazása, miszerint a 28

jó színmegkülönböztetés jó színvisszaadással párosul, sem következik egymásból. Ezen terület számítási eljárás használhatósága azonban nagyban függ az alkalmazott színtér egyenlıközőségétıl, amire már korábban utaltam Henderson és Halstead munkássága kapcsán. Egy nagyon fontos, és ez idáig nem említett területe a színvisszaadás problémájának fényforrások használata a szín reprodukciós iparágban, melyet Hunt 100 ismertetett 1973-ban. Színreprodukció folyamata során fényforrások használata több fázisban is megjelenik, melynek mindegyike hatással van a színek végsı megjelenésére, azonban e terület rendkívüli komplexitása révén túlmutat a világítástechnika területén. A különbözı fényforrások megjelenésével egyidejőleg a festékiparban is jelentıs változások mentek végbe, új alapanyagok jelentek meg, ami egy eddig számításba nem vett problémára hívta fel a figyelmet, a metamériára. Színvisszaadási tulajdonságok vizsgálatánál nem szabad figyelmen kívül hagyni a metaméria jelenségét sem, mely szerint, amíg két színminta egy adott fényforrás alatt azonosnak látszik, addig azokat egy másik sugárzáseloszlással megvilágítva a két minta különbözınek mutatkozhat. Thornton 101,102,103 ezen a téren is számos vizsgálatot folytatott, és olyan lámpát tervezett, amelynek segítségével a metaméria jelensége által észlelt eltérések könnyen detektálhatóak voltak. Nagyszámú valós mintával végzett kísérleteket folytatott e téren Brockes 104 is. 3.7.5. Visual clarity A visual clarity fogalmának kigondolása Aston és Bellchambers 70, valamint Bellchambers és Godby 105 kísérleteihez kapcsolódik. Eredete arra a megfigyelésre vezethetı vissza, miszerint egy jó színvisszaadással rendelkezı lámpa világosabb, fényesebb, élénkebb színben adja vissza a tárgyakat, mint ahogy azt a mérési eredmények igazolják. Ennek a jelenségnek a mérésére két azonos kísérleti szekrényt építettek 70, melynek egyik falát közép szürkére festették, a szekrény aljába egy zöld ruhát tettek, és erre üvegvázába mővirágot, valamint különbözı színő könyveket, a hátsó lapra pedig virágokkal díszített drapp függönyt, valamint egy enyhén csiszolt famintát helyeztek. A megfigyelıknek közvetlen a két doboz elıtt állva, össze kellett hasonlítaniuk egy fix megvilágítási szinttel rendelkezı standard, nagy 29

fényhasznosítással rendelkezı lámpát (200 lx, 400 lx és 800 lx megvilágítás esetén) egy jó színvisszaadási tulajdonságokkal rendelkezı állítható fényerejő de luxe fénycsıvel, és annak megvilágítási szintjét úgy állítani, hogy a két lámpa esetén észlelt világosság, illetve színek azonosak legyenek. Az eredmények azt mutatták, hogy a jó színvisszaadással rendelkezı lámpa megvilágítási szintjét általában 20 százalékkal kisebbre állították be a megfigyelık, a standard lámpa szintjéhez képest, de úgy vélték ez a környezet túlzott színessége miatt történhetett. Késıbb, 1972-ben 105 a kísérletet megismételték, immáron két azonos mérető és elrendezéső szoba segítségével. Az egyiket rögzített fénysőrőségi szinttel rendelkezı lámpával, míg a másikat jó színvisszaadási tulajdonságokkal rendelkezı, de állítható fénysőrőségi szintő lámpával világították meg. A megfigyelıknek itt is úgy kellett a megvilágítási szintet beállítaniuk, hogy az egymástól elhatárolt szobák látványa világosság, vizuális tisztaság és kellemesség szempontjából azonos legyen. Ezzel a kísérletsorozattal is alátámasztották elızı eredményeiket, miszerint azonos megvilágítási szint mellett a jó színvisszaadással rendelkezı lámpák nagyobb fokú vizuális tisztaságot nyújtanak a nagy fényhasznosítással rendelkezı lámpákkal szemben. Boyce és Lynes 106 éppen ezért drapposabb színek választásával hasonló megfigyeléseket végzett és 25 százalékos csökkenést mértek a de luxe lámpa esetén alátámasztva ezzel Bellchambers és társai eredményeit. Thornton 107,108 egy cikkében leírta, hogy festık a képek akromatikus részleteit tisztábbnak és élesebbnek látják az ı prime-colour fényforrása alatt, mint standard lámpával megvilágítva. Ugyanezen jelenség volt megfigyelhetı egyazon kirakat bal ill. jobb oldalának elıbb említett két fényforrással való megvilágítása esetén is. Semmiképpen sem elhanyagolható ezen vizuális tisztaság -nak keresztelt jelenség létezése, de azt sem szabad elfelejteni, hogy ez sokkal inkább egy szubjektív érzet, mint egy objektíven mérhetı mennyiség. A CIE vonatkozó bizottsága tanulmányozta és elemezte a fentieket, de egyik módszert sem fogadta el. A Nemzetközi Világ. Tech. Bizottság 1976-ban két új színteret határozott meg, CIELAB és CIELUV néven, felismervén, hogy az 1964-ben ismertetett U*V*W* egyenlıköző színtér, amire a CRI számítás alapult nem volt kellıképpen egyenlıköző. 1983-tól kezdve több technikai bizottságot hoztak létre, melyek mindegyikének közvetve feladata volt a színvisszaadás számítási modell meghatározásának továbbfejlesztése. Munkálkodásuk során a napvilágra került újabb módszerekben, változtatásokban nem igazan értettek egyet, ezért bizonyos ideig fel is függesztették azok munkáját. Az 1991-es ülésen 30

felmerült az az ajánlás, hogy Nayatani 109 és Hunt 110 munkáit alapul véve, színmegjelenési modellre alapozott színvisszaadási eljárást dolgozzanak ki, azonban Walter 111 megmutatta, hogy ezen színmegjelenési modellek hasonló eredményeket szolgáltatnak, mint az 1974-es 13.2 es modell. A CIE újabb bizottságok felállítása mellett döntött (TC 1-32: színek megjelenésének megbecsülése eltérı kromatikus adaptációk mellett, TC 1-33, TC 1-34: színmegjelenési modellek vizsgálata és ajánlása a gyakorlatban), és a TC 1-33 bizottság számára az alábbiakat határozta meg: fényforrások színvisszaadási tulajdonságainak tanulmányozása különbözı színmegjelenési modelleket alapul véve, ajánlást adva egy új eljárásra, mely helyettesíti a 13.2-es publikációt. Az 1992/93/94-es években tovább folytak a tárgyalások egy új modell felállításával kapcsolatban, ahol fel is vetıdött annak lehetısége, hogy az 1976-ban megjelent színterek valamelyikét adaptálják a modellbe, egy újonnan megjelent kromatikus adaptációs transzformációval (CIE 109-1994) 112 együtt. 3.8. CIE CRI-1996 Átmeneti megoldás fényforrások színvisszaadási tulajdonságainak jellemzésére Idıközben CRI-1996 névre keresztelve egy átmeneti megoldásnak számító modell javaslatot jelentettek be, amíg egy a színmegjelenési modelleken alapuló eljárás nem lát napvilágot. Ennek a javított modellnek, ami a CIE 13.2-es eljárás helyettesítését szolgálja a legfontosabb újdonsága, hogy a teszt és referencia fényforrás által megvilágított színminták tristimulusos értékeit CIELAB színtérbe transzformálja D 65 megvilágítási adaptáció mellett, a CIE (109-1994) 112 új kromatikus adaptációs transzformációja segítségével, helyettesítve ezzel a von Kries féle transzformációt. A modell megalkotásakor az alábbi irányelveket vették figyelembe: - a javított modellnek következetesnek, ellentmondásmentesnek kellett lennie az akkori CIE szabványokkal és ajánlásokkal - a színvisszaadás meghatározásának általános elvét nem szabadott megváltoztatni, miszerint adott egy teszt-minta eljárás, melyben a színminták azok spektrális sugárvisszaverési tényezıijével pontosan rögzítettek és a lámpák színvisszaadási 31

tulajdonságai azok általános és speciális színvisszaadási indexének meghatározásával történik a referencia és teszt fényforrás általi eredı színinger-különbségek révén. A színvisszaadási indexek meghatározásához szükség van a választott színminták eredı színinger-különbségére, mely a minták fényforrás által okozott színeltolódásának valamint a kromatikus adaptáció általi színeltolódásnak a vektori összege. Ezt az alábbiak szerint kell számolni: 1. elıször a színminták referencia és teszt fényforrás által megvilágított CIE színingerösszetevıit kell meghatározni, 2. majd a tristimulusos értékekre alkalmazni kell az új kromatikus adaptációs transzformációt, melynek hatására olyan színinger jellemzıket kapunk, melyek megfelelnek az eredeti színek D 65 alatti értékeivel. Erre azért van szükség, mert a CIELAB tér D 65 megvilágítási körülmények között a legegyenlıbb köző és a színtérrel kapcsolatos legtöbb vizsgálat is D 65 sugárzáseloszlás alatt történt, 3. végezetül meg kell határozni az adott minták CIELAB térbeni színinger-különbségét, mely az eredı színinger-különbséget szolgáltatja. 3.8.1. Referencia fényforrások rögzítése Mint minden színvisszaadás meghatározására való törekvésnél a teszt fényforrásunkat mindig valamilyen referencia fényforráshoz viszonyítjuk. A CRI-1996 modell matematikailag definiált választható referencia fényforrásokat határoz meg (CRI-1996-RI): 2. Táblázat: A CIE CRI-1996 által meghatározott referencia fényforrások és színmetrikai jellemzıi Megvilágító Korrelált CIE (x,y) színkoordináták megnevezése színhımérséklet x y D 65 CIE daylight 6500 K 0,3128 0,3292 D 50 CIE daylight 5000 K 0,3457 0,3586 P4200 Plank sugárzó 4200 K 0,3720 0,3714 P3450 Plank sugárzó 3450 K 0,4081 0,3921 P2950 Plank sugárzó 2950 K 0,4405 0,4053 P2700 Plank sugárzó 2700 K 0,4599 0,4106 Ezen referencia fényforrás értékek az IEC (International Electrotechnical Commission) által rögzített cél-korrelált színhımérsékletek. A fényforrások spektrumát 380 nm és 780 nm 32

között, 5 nm-es lépésközzel kell meghatározni. A táblázatban szereplı referencia fényforrások közül azt kell választani melynek a*,b* CIELAB koordinátái legközelebb esnek a teszt fényforrás CIELAB színkoordinátáihoz. Elviekben megengedett ezektıl eltérı referencia fényforrás használata is, de ez esetben annak adatait pontosan rögzíteni kell. 3.8.2. Színminták rögzítése Mivel a 13.2-es módszerben ismertetett Munsell minták egy része már a gyakorlatban nem volt elérhetı vizuális kísérletek számára, ezért azokat a színteret elviekben jobban lefedı, telítettebb színekre cserélték ki, felhasználva a GretagMacbeth ColorChecker Chart 113 (MCC) színpaletta nyolc darab kromatikus mintáját (CRI-1996 TCS01*-TCS08*) valamint két valódi bırtípust (1. ábra). A CRI-1996 TCS01*-TCS08* minták MCC megfelelıit a 4. Táblázat tartalmazza. TCS03 100 80 TCS04 60 TCS02 b* TCS05 40 20 TCS10 TCS09 TCS01 0-60 -40-20 0 20 40 60-20 TCS08 TCS06-40 TCS07-60 a* 1. ábra: TCS01*-TCS10* tesztminták CIELAB a*,b* színtérben való ábrázolása. A választott minták D 65 szabványos megvilágító alatti CIELAB színkoordinátái a 3. Táblázatban olvashatóak. 33

3. Táblázat: A színminták D 65 szabványos nappali sugárzáseloszlással megvilágított L*a*b* értékei TCS01* TCS02* TCS03* TCS04* TCS05* TCS06* TCS07* TCS08* TCS09* TCS10* L* 40,9 61,1 81,6 72,0 55,7 51,7 30,0 51,0 68,7 63,9 a* 51,0 28,8-4,2-29,4-43,4-26,4 23,2 47,3 14,2 11,7 b* 26,3 57,9 80,3 58,9 35,6-24,6-49,6-13,8 17,4 17,3 Ugyan a paletta tartalmaz két bırtípust is, szerencsésebbnek látták azokat valódi spektrális adatokkal helyettesíteni. Így esett a választás egy Halstead 114, valamint Buck és Froelich 89 által rögzített kaukázusi bırszínre (TCS09*), és egy japán nıi arcszínre (TCS10*), melyet japán ipari szabvány 115 rögzített. A színminták reflexiós spektrumának görbéit és spektrális sugárvisszaverési tényezıit a Függelék 6. tartalmazza (CD Melléklet). 4. Táblázat: CRI-1996 TCS01*-TCS10* színminták MCC és Munsell megfeleltetéseik CRI-1996 TCS Macbeth ColorChecker Chart megfeleltetés Munsell megfeleltetés TCS01* MCC 15 5.0R 4/12 TCS02* MCC 7 5.0YR 6/11 TCS03* MCC 16 5.0Y 8/11.1 TCS04* MCC 11 5.0GY 7.08/9.1 TCS05* MCC 14 0.1G 5.38/9.65 TCS06* MCC 18 5.0B 5/8 TCS07* MCC 13 7.5PB 2.90/12.75 TCS08* MCC 17 2.5RP 5/12 TCS09* TCS10* kaukázusi bırszín kelet-ázsiai bırszín A módszer egyes lépéseinek részletesebb leírását az 1. számú Melléklet tartalmazza. 3.9. Színkategorizáláson alapuló modellek A CIE színvisszaadási index számítása nem a tárgyak színmegjelenésén, hanem a különbözı fényforrások okozta színinger-különbségek átlagolásán alapul. A színek megnevezései fontos szerepet töltenek be a gyakorlati alkalmazásokban, mint pl. színkódolásban, színreprodukcióban, színjelzésben, a mindennapi életünkben. A szín elnevezések a tárgyak színmegjelenésének leírását teszik lehetıvé, ezért alkalmazásuk lámpák színvisszaadási tulajdonságainak vizsgálatakor hasznosnak tőnhet. 34

Yaguchi 116,117 és társai munkájuk során 292 Munsell mintát, 14 különbözı lámpával világítottak meg és a 4 megfigyelı feladata az volt, hogy a mintákat szétválogassák a Berlin és Kay 118 által rögzített 11 elemi színkategória szerint, melyek az alábbiak voltak: vörös, zöld, sárga, kék, narancs, rózsaszín, bíbor, barna, fehér, szürke, fekete. Az így kiválasztott, azonos színkategóriába sorolt mintákat ezek után négy különbözı színtérben ábrázolták, hogy megvizsgálják, egymásba esnek-e a koordinátarendszerben az azonos csoportba tartozó minták a különbözı fényforrások esetén. Azt találták, hogy sem a Munsell színtér, sem a CIE 1931 (x, y) tér, sem a CIELAB tér nem jó választás, mert bizonyos kategóriák átlapolódnak, ha a mintákat különbözı fényforrások világítják meg. Megoldást nyújtott azonban a CIECAM97s színmegjelenési modellben való ábrázolás, a minták színességi értékeinek J, C, h koordinátákba való transzformálása. A 11 színkategória egyike sem esett egybe egy másikkal a különbözı megvilágítók esetén. Ez azt jelentette, hogy a CIECAM97s színmegjelenési modell pontosan elıre tudja jelezni, hogy egy adott minta egy adott fényforrás alatt milyen színkategóriába fog esni. Kidolgoztak egy módszert a kategorikus színvisszaadás meghatározására, átlapolódások mértékére alapozva azt, Boynton, Fargo és Collins 119 módszeréhez hasonlóan. Minden egyes színkategóriához hozzá rendeltek egy területet, mely a maximális és minimális színezeti szöggel ill. krómával került kijelölésre. A színkategóriák referenciának választott D 65 megvilágító alatti, négy referencia pont által meghatározott területeit (S ri ) hasonlították össze a teszt fényforrások alatti területekkel (S ti ). Kategorikus színvisszaadási indexnek a ( S ri Sti )/ Sti 100 -t, míg általános kategorikus színvisszaadási indexnek ezek átlagát tekintették. A színkategóriákon alapuló módszer segítségével meghatározott és lámpák közt felállított sorrend nem teljesen egyezett meg a hagyományos CRI számítás általi sorrenddel, de az R a = 60 nál nagyobb indexel rendelkezı lámpák esetén az értékek jól korreláltak egymással. 3.10. Módosított színterek és színmegjelenési modellek A tárgyak, képek színmegjelenése attól függıen, hogy milyen megvilágítási körülmények közt látjuk azokat pl. különbözı hordozó médiumok, fényforrások, háttér színek, megvilágítási szintek különbözıképpen változnak. Ez a jelenség rengeteg problémát vet fel minden, a színmegjelenéssel kapcsolatos iparágban, például: - festékipar: miként változnak meg a felületszínek különbözı megvilágítások mellett; 35

- világítástechnika: teszt és referencia fényforrások színvisszaadási tulajdonságainak meghatározása; - színreprodukció: az eredeti minta színhő leképzése egy teljesen más médiumon pl. ruha, fénykép, monitor, papír, stb. függetlenül attól, hogy milyen megvilágítás mellett látjuk. Ahhoz, hogy ezeket a problémákat elemezni lehessen nagyon sok vizuális kísérletre van szükség tapasztalt megfigyelık bevonásával, mely költséges és szubjektív eredményeket adó megoldás. Az iparban dolgozó mérnökök már régóta igényelték egy olyan módszer megalkotását, melynek segítségével pontosabban meg lehet határozni a színmegjelenést. A színinger mérés csak arra ad felvilágosítást, hogy azonos látási körülmények között azonos színészleletet válte ki két színinger vagy sem. A különbözı látási körülmények közötti azonos színészlelet leírását színmegjelenési modellek tehetik lehetıvé. 3.10.1. CIECAM97s színmegjelenési modell A CIE Divízió 1. 1996-os bécsi ülésén fontos kérdés volt egy általánosan használható színmegjelenési modell létrehozása, melyre például a képreprodukciós iparban nagy szükség lett volna. Az ilyen modellek feladata, hogy matematikai kapcsolatot határozzon meg a stimulus fizikailag mérhetı tulajdonságai (pl. CIE X, Y, Z) valamint a vizuálisan észlelhetı attribútumok, mint pl. abszolút világosság, színezet, króma, színdússág, telítettség között. Ehhez nemcsak az inger tristimulusos értékeire, hanem annak hátterére, környezetére, a megvilágítási szintre, valamint kognitív hatások figyelembe vételére is szükség van. 36

X, Y, Z RGB-válasz transzformáció R, G, B Bemeneti paraméterek: L A, Y b, X w, Y w, Z w, F, c, F LL, N c Kromatikus adaptációs transzformáció R c, G c, B c Csap-válasz transzformáció R, G, B Dinamikus válasz transzformáció R a, G a, B a kromatikus jelfeldolgozása akromatikus jelfeldolgozása a, b, h, H J, Q s, C, M 2. ábra: Színmegjelenési modellek általános struktúrája. A kimenetnek számító adatok az alábbi észleletek korrelátumai, melyek definíciói a Fénytechnikai Terminológia 120 szerint az alábbiak: - abszolút világosság (brightness): A vizuális érzékelés jellemzı tulajdonsága, amely szerint úgy tőnik, hogy egy felület több vagy kevesebb fényt bocsát ki. Nyílt végő skála, melynek zárt végén a zéró pontban definiált értéke a fekete. Egy minta abszolút világossága nagyban függ annak megvilágításától; ha egy felületszínt erısebben világítunk meg, az világosabbnak tőnik, mint ugyanazon felület gyengébben megvilágított területe. - relatív világosság: Egy felület világossága egy hozzá hasonlóan megvilágított, fehérnek vagy nagyon fényáteresztınek látszó felületnek a világosságához képest. Ez a skála 0-tól (fekete) 100-ig (fehér) terjed. Egy minta relatív világossága nagyban függ 37

a háttér relatív világosságától; egy sötét háttér elıtti minta világosabbnak tőnik, mint ugyanazon minta egy világosabb háttér elıtt. - színdússág (colourfulness): A vizuális érzékelés jellemzı tulajdonsága, amely szerint egy felület színészlelete többé vagy kevésbé kromatikusnak tőnik. Szintén nyílt végő skála, melynek zéró pontjában a neutrális színek helyezkednek el. Hasonlóan az abszolút világosság esetéhez, a fénysőrőségi szint komoly befolyással bír egy tárgy színdússágára; minél erısebben világítunk meg egy tárgyat, az annál színesebbnek, élénkebb színőnek, színdúsabbnak tőnik (Hunt-effect). - króma (chroma): Egy felület színdússága egy hasonlóan megvilágított fehérnek vagy nagyon fényáteresztınek látszó felületnek az abszolút világosságához képest. Nyílt végő skála, kezdıpontjában a neutrális színekkel. - telítettség (saturation): Egy felület színdússága annak abszolút világosságához viszonyítva. - színezet: A vizuális érzékelés jellemzı tulajdonsága, amely szerint úgy tőnik, hogy egy felület hasonlít a piros, sárga, zöld vagy kék színészlelet egyikéhez vagy közülük kettı kombinációjához. Az ábrán (2. ábra) feltüntetett paraméterek az alábbiak: - X,Y,Z: a minta színinger összetevıi, - X w,y w,z w : a referencia fehér színinger összetevıi, - Y b : a háttér relatív világossága, - L A : az adaptációs mezı átlagos fénysőrőségi szintje, - c, N c, (F LL ), F: a környezetet leíró paraméterek, - R,G,B: a színinger összetevık mátrix transzformációval elıállított R,G,B jelei, - R c,g c,b c : az R,G,B jelekre alkalmazott kromatikus adaptációs transzformáció értékei, - R,G,B, R a,g a,b a: további transzformáltak értékei, - a,b,h,h: színkülönbségi jelek (a,b), színezeti szög, színezeti kvadratúra, - s (saturation), C (chroma), M (colourfulness): színtelítettség, króma, színezetdússág, - J (lightness),q (brightness): világossági tényezı, abszolút világosság A színmegjelenési modellek tesztelésére több módszert is kidolgoztak, pl. haploszkópikus egyeztetés, memória egyeztetés vagy nagyság becslés. Hunt 121 12 pontban foglalta össze, hogy milyen követelményeknek kell megfelelnie egy ilyen modellnek, és hogy a TC 1-34 38

bizottság minél hamarabb lásson neki a modell kidolgozásának. 1997-ben a CIE divízió 1 ülésen Kyoto-ban mutatták be a CIECAM97s (simple version) ill. CIECAM97c (complex) névre keresztelt modellt, mely egybeolvasztása volt sok kutató, többek között: Bartleson, Breneman, Fairchild, Estevez, Hunt, Lam, Luo, Nayatani, Rigg, Seim és Valberg munkájának. Négy másik színmegjelenési modellel Hunt96, Nayatani97, RLAB96, LLAB96 - összehasonlítva bizonyult a legjobbnak több száz mintát tartalmazó adathalmazok vizsgálata során. Luo és munkatársai 122,123,124 számos nagyságrend becslésen alapuló vizuális megfigyelést folytattak, amely során keletkezett adathalmazt (LUTCHI) használták fel a CIECAM97s kifejlesztéséhez. Ezekben az adathalmazokban teszt és referencia megvilágítások mellett, azonosnak észlelt, de eltérı színkoordinátákkal rendelkezı minták találhatóak. A teszt fényforrás színkoordinátáira ezek után lefuttatva a modellt, az a referencia körülmények közt egy becsült értéket ad a minta megjelenésére. Amennyiben a becsült és az adathalmazban található értékek megegyeznek, a modell jól mőködik és sok mintára az összehasonlítást elvégezve a hatékonyság meghatározható. Az 1997-ben bemutatott CIECAM97s széles körben való elterjedésének a képreprodukció iparágában annak leginkább komplexitása, bonyolultsága, nehéz invertálhatósága szabott gátat. Ezért célul tőzték ki a modell egyszerőbbé tételét új technikai bizottság, a TC8-01 felállításával. Moroney 125, Fairchild 126,127 és több más kutató 128,129,130 javaslatai a modell bizonyos pontjainak megváltoztatására az alábbiak voltak: 1. a kromatikus adaptációs transzformáció linearizálása a modell egyszerősítése és az invertálhatóság megkönnyítése érdekében 2. környezeti változók anomáliájának kijavítása 3. a világossági tényezı skálájának teljesen fekete mintához igazítása 4. a króma skála pontosítása az alacsony krómájú színek esetén 5. a környezeti változók súlyozásának folytonosan változtathatóvá (lineárissá) tétele Ezek alapján az eredeti és átdolgozott modell CIECAM97sR 131,132 - összehasonlítását az alábbi táblázat tartalmazza: 39

Bemeneti adatok: CIECAM97s (simple) CIECAM97sR (revised) L A, XYZ, X w Y w Z w, Y b L A, XYZ, X w Y w Z w, Y b c, N c, F LL, F (táblázat alapján) c, N c, F (táblázat alapján, linearizált fv.) Kromatikus adaptáció: CIECAM97s (simple) R G = M B B X / Y Y / Y Z / Y CIECAM97sR (revised) R X = G M Y B Z 0.8951 0.2664 0.1614 M B = 0.7502 1.7135 0.0367 ; 0.0389 0.0685 1.0296 k R G B c c c p = 0.8562 0.3372 0.1934 M = 0.8360 1.8327 0.0033 ; 0.0357 0.0469 0.0112 M 1 B = [...] M = [ D( 1.0 / RW ) + 1 D] R Rc = D( 100 / RW ) = [ D( 1.0 / GW ) + 1 D] G Gc = D( 100 / GW ) p = [ 1.0 / BW ) + 1 D] B Bc = D( 100 / BW ) 0.0834 ( B /1.0) W D = F F / F N 4 2 [ 1+ 2( L ) ( )/ 300] 1/ + L A A 1 = [...] [ + 1 ] [ + 1 ] [ + 1 ] D = F F / = 1/ ( 5LA + 1) k = 1/ ( 5L + 1) L n = Y bb = 0.2k b / Y = N z = 1+ F w cb LL 4 4 2 ( 5L ) + 0.11 ( k ) ( 5L ) 1/ 2 ( n) = 0.725 1/ n A 0.2 1/ 3 A F n = Y N L bb = 0.2k b / Y = N z = 1+ n w cb A 4 1/ 2 4 2 [ 1+ 2( L ) ( )/ 300] 1/ + L A D R D G D B 4 2 ( 5L ) + 0.11 ( k ) ( 5L ) A ( n) = 0.725 1/ 0.2 A 1/ 3 A ' R ' G = M ' B H M 1 B RcY GcY B Y c 0.38971 0.68898 0.07868 M H = 0.22981 1.18340 0.04641 ; 0.00 0.00 1.00 ' R ' G = M ' B H M 1 R G B 0.38971 0.68898 0.07868 M H = 0.22981 1.18340 0.04641 ; 0.00 0.00 1.00 c c c 40

R G B ' a ' a ' a = = = M [...] M [...] H 1 = ' 40( FL R /100) ' 0.73 ( FL R /100) ' 40( FLG /100) ' 0.73 ( FLG /100) ' 40( FL B /100) ' 0.73 ( F B /100) Vizuális korrelátumok: 0.73 [ + 2] 0.73 [ + 2] 0.73 [ L + 2] + 1 + 1 + 1 R G B ' a ' a ' a = = = H 1 = ' 40( FL R /100) ' 0.73 ( FL R /100) ' 40( FLG /100) ' 0.73 ( FLG /100) ' 40( FL B /100) ' 0.73 ( F B /100) 0.73 [ + 2] 0.73 [ + 2] 0.73 [ L + 2] + 1 + 1 + 1 a = R b = e = a ' a H = H + 12G ' a /11+ B ' a /11 ' ' ' ( 1/ 9)( R + G 2B ) a a ( b a) h = tan 1 / ( e e )( h h ) ( h ) 1 + 2 1 1 / 2 h1 1 100( h h1 )/ e1 ( h h1 )/ e1 + ( h2 h) / e2 Vörös: h = 20.14, e = 0.8, H = 0 or 400, Sárga: h = 90.00, e = 0.7, H = 100, Zöld: h = 164.25, e 7 1.0, H = 200, Kék: h = 237.53, e = 1.2, H = 300 [ 2R' a + G' a + ( 1/ 20) B' a 2. ] Nbb A = 05 Q 50 s = J = 100 / ( A ) cz A w ( 1.24 / c)( J /100) 0.67 ( A + 3 ) 0. 9 = w 2 2 2 ( a + b ) 1/ 100e( 10 /13) R ' a + G ' a + a ( 21/ 20) B ' a N c N cb 0.67n n ( J /100) ( 1.64 0. ) 0.69 C = 2.44s 29 0.15 M = CF L a = R b = e = a ' a H = H + 12G ' a /11+ B ' a /11 ' ' ' ( 1/ 9)( R + G 2B ) a a ( b a) h = tan 1 / ( e e )( h h ) ( h ) 1 + 2 1 1 / 2 h1 1 100( h h1 )/ e1 ( h h1 )/ e1 + ( h2 h) / e2 Vörös: h = 20.14, e = 0.8, H = 0 or 400, Sárga: h = 90.00, e = 0.7, H = 100, Zöld: h = 164.25, e 7 1.0, H = 200, Kék: h = 237.53, e = 1.2, H = 300 [ 2R' a + G' a + ( 1/ 20) B' a 3. ] Nbb A = 05 Q 50 s = C = 0.7487s J = 100 / ( A ) cz A w ( 1.24 / c)( J /100) 0.67 ( A + 3 ) 0. 9 = w 2 2 2 ( a + b ) 1/ 100e( 10 /13) R ' a 0.973 + G ' a + a ( 21/ 20) B ' a N c N 0.945n n ( J /100) ( 1.64 0.29 ) 1. 41 0.15 M = CF L cb ahol, X, Y, Z: a minták színinger összetevıi az adott látási szituációban (CIE 2 -os megfigyelı), X w, Y w, Z w : a referencia fehér színinger összetevıi ugyanazon látási szituációban (CIE 2 -os szabványos észlelı), 41

L A : az adaptációs mezı átlagos fénysőrőségi szintje, Y b : a háttér relatív világossága, és c, N c, (F LL ), F a környezetet leíró paraméterek (5. Táblázat). 5. Táblázat: CIECAM97s és CIECAM97sR modell környezetet leíró bemeneti paraméterei Látási szituáció, CIECAM97s c N c F LL F Átlagos, >4 (látómezı) 0.69 1.0 0.0 1.0 Átlagos,<4 (látómezı) 0.69 1.0 1.0 1.0 Mérsékelt környezet 0.59 1.1 1.0 0.9 Sötét környezet 0.525 0.8 1.0 0.9 Átvilágított poszter 0.41 0.8 1.0 0.9 Látási szituáció, CIECAM97sR c N c F Átlagos környezet 0.69 1.0 1.0 Mérsékelt környezet 0.59 0.95 0.9 Sötét környezet 0.525 0.8 0.9 A modell kimenete a vizuális attribútumok matematikai korrelátumait tartalmazza: abszolút világosság (Q), relatív világosság (J), színezeti szög (h), króma (C), színdússág (M) és telítettség (s). 3.10.2. Módosított színterek vizsgálata A tény, miszerint a CIE 1931 (x, y) színtér nem egyenlıköző, a kutatókat folyamatosan arra ösztönözte, hogy minél jobb színtereket definiáljanak, melyek a vizuálisan azonosnak észlelt színinger-különbségeket azonos távolságokkal tudják leírni a térben. Ennek kapcsán született meg 1976-ban a CIELAB és CIELUV színtér, de a fejlıdés itt nem állt meg és azóta is folyamatosan újabb és újabb terek kerülnek elıterjesztésre. Ezen újonnan kifejlesztett színtereket (NC-III C, L*a*b*-N), CIELAB színtérre épülı színinger-különbségi formulákat, (CMC, CIEDE94, CIEDE2000) valamint a CIECAM97s színmegjelenési modellt hasonlította össze Nakayama M. és Ikeda K. 133 a már korábban kidolgozásra került CIELAB és CIELUV terekkel. 42

Ikeda és társai által kifejlesztett (NC-III C) 134,135 színtér újdonsága, hogy az opponens csapmechanizmus leírását nem-szimmetrikus és nem-lineáris függvények segítségével határozták meg, illetve az (L*a*b*-N) 135 tér a CIELAB egy nem-lineáris transzformációval bıvített változata. Vizuális kísérletek során észlelt színinger-különbségeket hasonlítottak össze színmetrikai színinger-különbségekkel egyenlıköző színterek, színmegjelenési modellek és színingerkülönbség számítási formulák alkalmazásával. 160 azonos krómájú és világosságú, a térben egymástól közel azonos távolságban elhelyezkedı, különbözı színezető színmintákat tartalmazó győjteményt alkalmaztak a vizsgálat lefolytatásához, melyet nyolc csoportra bontottak (4 + 4 átlapolódással). Minden egyes csoport (40 darab minta), minden egyes mintájához a többi csoportból véletlenszerően választottak párt. Speciális közép szürkére festett kísérleti dobozt építettek, melyet D 65 illetve A fényforrással világítottak meg. A dobozbanban elhelyezett két darab szürke minta közötti észlelt színinger-különbséget tekintették egy egységnyi eltérésnek. A megfigyelı feladata az volt, hogy határozza meg a generált párok tagjai közötti észlelt színinger-különbséget a két rögzített szürke minta közti színinger-különbséghez viszonyítva. Ezt a 3 megfigyelı öt alkalommal tette meg, minden egyes színpár esetén, ahol ezek átlagát használták fel a kiértékelés során. A megfigyelésekbıl levont következtetések az alábbiak voltak: - Az összes modell közül a CIELAB, NC-III C valamint CIECAM97s esetében volt a legjobb a korreláció, γ 0. 90 korrelációs együtthatóval, de ezek közül is az Ikeda által kidolgozott NC-III C teljesített a legjobban. - A regressziós egyenes meredeksége, mely az észlelt és jósolt színinger-különbségek nagyságának arányát mutatja, nagymértékben változott a különbözı színcsoportok (színezet változás) korrelációja esetén egy adott modellen belül, melyet grafikusan is ábrázoltak. Ebben az esetben is kimagasló volt a különbség a két Ikeda által definiált színtér valamit a többi modell között; a legkisebb standard eltérést az átlagostól a teljes színezeti skála mentén az NC-III C és L*a*b*-N színterek produkálták, míg a színinger-különbség számítási formulák és a CIECAM97s esetén kimutatható volt a relatív világossági skála és színezeti skála közti különbözıség. - Egységes ábrázolási eljárást dolgoztak ki a Munsell színminták számított értékeinek megjelenítésére egy koordináta rendszerben. Ennek lényege az volt, hogy az azonos krómával rendelkezı minták elvileg egy adott sugarú kör mentén helyezkednének el. 43

Az egyes színterek és modellek esetén meghatározták ezen kör sugarát illetve a színminták attól való átlagos eltérését. A legnagyobb torzulás a CIELUV és CIELAB színterek esetén volt kimutatható, míg NC-III C és L*a*b*-N színterek esetén közel szabályos kör mentén helyezkedtek el a minták. 3.10.3. CIECAM02 színmegjelenési modell A CIECAM97s modellel végzett kísérletek eredményeit felhasználva, az évek során az egyes transzformációs lépések elemeit tovább fejlesztették, melynek eredményeként 2002-ben elıterjesztésre került egy újabb színmegjelenési modell, CIECAM02 néven. Számos kutató végzett vizsgálatokat az új eljárás pontosságára, teljesítményére vonatkozólag (pl. M. Ronnier Luo 136 ). Végleges formáját a CIE 159:2004 137 publikációja rögzíti. Egy színmegjelenési modell lehetıséget nyújt a fizikailag mérhetı egységek (pl. CIE XYZ) észleleti attribútum korrelátumokba való transzformálására, a különbözı látási szituációk függvényében. Míg a CIELAB és CIELUV színterekbe való transzformálás egyenletei csak a relatív világosság, színezet és króma értékek meghatározását teszi lehetıvé, addig a CIECAM02 ezeken felül az abszolút világosság, telítettség és színdússág színmetrikai adatok meghatározására szolgáló egyenleteket is tartalmazza. A modell teljes egészében a CIECAM97s alapjaira épül, melyet nagyon sok adathalmazra való optimalizálás és az emberi látó mechanizmusról szerzett legújabb ismeretek segítségével fejlesztettek ki. CIECAM97s esetén az XYZ bemeneteket elıször Bradford komponensekre konvertálják, majd egy nem lineáris kromatikus adaptációs transzformációt alkalmaznak és az értékeket Hunt-Pointer-Estevez csap hármassá alakítják. Végezetül hiperbolikus poszt-adaptációs válasz tömörítést alkalmaznak mielıtt az észleleti attribútum korrelátumok kiszámításra kerülnének. A változtatások számos faktor figyelembevételével történtek, melyek az alábbiak voltak: teljesítmény, egyszerőség, CIECAM97s modellel való kompatibilitás és fiziológiai törvényszerőségek. Mindazon fogalmak, paraméter elnevezések és rövidítések melyek a CIECAM97s modellben megtalálhatóak, azonos formában és néven kerültek bevezetésre a CIECAM02-ben is. 44

Módosítások 1999-tıl kezdve számos változtatás bevezetését javasolták, annak érdekében, hogy növeljék a modell teljesítményét és egyszerősítsék a számítási egyenleteket (Li et al., 1999; Fairchild, 2001; Hunt et al., 2002; Li, Luo and Hunt, 2000). Ezen egyszerősítések közé tartozott egy lineáris kromatikus adaptációs transzformáció, egy módosított nem lineáris válasz-tömörítési függvény, módosított króma, telítettség valamint világossági tényezı skála, és módosított környezeti paraméterek bevezetése egyaránt. Kromatikus adaptációs transzformáció A CIECAM97s-ben eredetileg egy nem lineáris transzformációt alkalmaztak a kék csatorna átszámítása során, mely a modellt komplexé és nehezen invertálhatóvá tette. Vizsgálatok kimutatták, hogy lineáris transzformáció használata nem befolyásolja szignifikáns mértékben a teljesítményt. A kromatikus adaptációs transzformáció végsı formájának egy 3x3-as mátrix tekintendı, melyet a legtöbb gyakorlati alkalmazásokban használatos adathalmazokra optimalizáltak és melyet M CAT02 mátrixnak neveztek el. Relatív világossági skála Mivel a CIECAM97s modell esetében a J skála nem nulla minimum értéket vett fel, úgy gondolták, hogy hasonlóképpen, mint a CIELAB esetében is, a skálát érdemes 0 és 100 közé rögzíteni. Ezt az A akromatikus válasz kiszámítására szolgáló képlet módosításával érték el. Króma skála A poszt-adaptációs nem lineáris válasz-tömörítés, valamint a króma egyenlet módosításával sikerült elérni, hogy alacsony krómájú minták esetén is a króma attribútum korrelátum jól illeszkedjék különbözı vizuális adathalmazokra. Poszt-adaptációs nem lineáris válasz-tömörítés Hasonlóképpen az eredeti modellhez, a módosított egyenletekben használt függvények szintén hiperbolikus jellegőek, azonban a paraméterek módosításával sikerült elérniük, hogy a stimulus fénysőrőségi tényezıjének megváltozása ne eredményezzen telítettségbeli változást. Környezeti paraméterek Az N c elnevezéső környezeti paraméter értékét 1,1-rıl 0,9-re módosították, míg az átvilágított poszter környezeti feltételt eltörölték az elıre definiált állapotok közül. Eredetileg a 45

környezeti paraméterek kategorikusak voltak. Mivel ezen értékek szignifikáns mértékben hatással vannak a végsı számításokra, és lehetnek olyan látási szituációk, melyek a definiált kategóriák közé esnek, ezért hasznosnak tőnt, olyan eljárás kidolgozása, mellyel köztes állapotokhoz is rendelhetıek környezeti változók. A legtöbb esetben, az elıre definiált 3 állapot elégséges, de a c, N c, és F köztes értékek meghatározására lineáris interpolációt vezettek be (3. ábra). Annak ellenére, hogy c és N c értékei azonosak, eltekintettek a paraméterek egybe olvasztásától a CIECAM97s modellel való kompatibilitás és a késıbbi, lehetséges fejlesztések érdekében. 1,05 1,00 Átlagos Nc vagy F 0,95 0,90 0,85 Mérsékelt 0,80 Sötét 0,75 0,50 0,55 0,60 0,65 0,70 c 3. ábra: Környezeti paraméterek lineáris interpolációja köztes állapotok definiálásának céljából. A módosítások egyik fı szempontja a modell könnyő invertálhatósága volt, melyre vonatkozó számítási lépések és inverz mátrixok a vonatkozó CIE 159:2004 137 -es publikációjában megtalálhatóak. A 4. számú Mellékletben részletezett CIECAM02 színmegjelenési modell azonban közel sem tekinthetı a fejlesztések egy végsı állapotának, további kutatások szükségeltetnek számos kapcsolódó területeken is egy olyan modell kidolgozásához, mely az emberi látás mechanizmusának minél pontosabb és közelebbi leírását adja. 46

4. Számítási módszerek ismertetése Az elızı fejezetben ismertetett színvisszaadási index meghatározására vonatkozó eljárások közül három számítási módszert célszerő a vizuális kísérletekkel összehasonlítani: a CIE 13.2 módszerét, a CIELAB színtért és a CIECAM02 modellt felhasználva. Ezek rövid leírását az alábbi fejezetek tartalmazzák, részletes ismertetésüket pedig a disszertáció mellékletében írom le. 4.1. A CIE 13.2-es publikációjának ismertetése: Az eljárás teszt objektumok eredı színi eltolódásán (resultant colour shift) alapul, melyet Test Colour Method eljárásnak neveztek el, és minden, a fényforrások színvisszaadási tulajdonságának meghatározását szorgalmazó módszer alapjának tekintendı. A színvisszaadás meghatározásának folyamata az alábbi fıbb lépésekre tagolódik: 4.1.1. Referencia fényforrásra vonatkozó megkötések: - Mindig valamilyen matematikailag meghatározott referencia fényforráshoz viszonyítjuk adott fényforrás színvisszaadási tulajdonságait. A referencia fényforrás színessége azonos vagy közel azonos kell legyen a teszt fényforráséval. Ha máshogy nincs meghatározva, akkor 5000 K alatt referencia fényforrásnak egy a teszt fényforrás korrelált színhımérsékletével megegyezı Plank sugárzó tekintendı, és 5000 K felett pedig egy azonos korrelált színhımérséklető nappali sugárzáseloszlás választandó referenciának. - Az így meghatározott referencia fényforrás és adott teszt fényforrás közötti színingerkülönbség: 1 2 2 2 3 C = [( uk ur ) + ( vk vr ) ] < 5,4.10 (5) kell, hogy legyen, ahol k a teszt fényforrásra, r a referencia fényforrásra utal. 47

- Minden esetben a színvisszaadási index értékét a referencia fényforrás színhımérsékletével együtt kell megadni. 4.1.2. Tesztmintákra vonatkozó megkötések: - A Nemzetközi Világ. Tech. Bizottság által meghatározott színminták az alábbiak: 6. Táblázat: A 13.2 publikációban rögzített színminták Munsell megfelelıi Színminta Munsell Megnevezés nappali száma megfeleltetés megvilágítás mellett 1 7,5 R 6/4 Világosszürkés piros 2 5 Y 6/4 Sötétszürkés sárga 3 5 GY 6/8 Telített sárgászöld 4 2,5 G 6/6 Közepes sárgászöld 5 10 BG 6/4 Világos kékeszöld 6 5 PB 6/8 Világoskék 7 2,5 P 6/8 Világos ibolya 8 10 P 6/8 Világos vöröses bíbor 9 4,5 R 4/13 Telített vörös 10 5 Y 8/10 Telített sárga 11 4,5 G 5/8 Telített zöld 12 3 PB 3/11 Telített kék 13 5 YR 8/4 Világos sárgás rózsaszín (emberi arcbır) 14 5 GY 4/4 Közepes olivazöld * A minták reflexiós spektrumainak adatai az 5. Függelékben találhatóak (CD Melléklet). - A felsorolt minták mindegyikének spektrális sugárvisszaverési tényezıi (spectral reflectance factor) táblázatban rögzítettek. - Az elsı nyolc minta a színkört jól lefedi, mérsékelten telítettek és közel azonos világosságúak. - A további 6 mintát telített vörös, sárga, zöld, kék valamit bır és lombkorona színek alkotják. - Speciális színvisszaadási indexek meghatározásához elvileg bármilyen egyedi színminta használható, melynek spektrális reflexiója pontosan meghatározott, azonban 48

az általános színvisszaadási index meghatározásához csak az elsı nyolc minta használata elfogadott. A modell szerint értelmezett színvisszaadási index számítás egyes lépéseit a 2. számú Mellékletben részletezem. Az alábbi ábra szemlélteti a CIE 13.2 szerint értelmezett eljárás fı lépéseit: Teszt Referencia (u,v) x ki,y ki X ki,y ki,z ki Teszt- Minták x ri,y ri X ri,y ri,z ri T Von Kries adaptációs transzformáció R U*V*W* U*V*W* E i R i R a 4. ábra: CIE 13.2 számítási modell vázlatos ábrázolása 49

4.2. CIEALAB 1976 L*a*b* színinger térbe való konverzió Mivel 1976-ban a CIE az U*V*W* színinger tér és (u,v) színinger diagram helyett a CIELUV 2 és CIELAB színinger tereket javasolta, egy másik lehetséges eljárás számított színingerkülönbségek meghatározására, hogy a színminták CIE színinger-összetevıit CIE 1976 (L*a*b*) vagy más néven CIELAB színinger térbe konvertáljuk. A transzformáció fı lépéseit és a színinger-különbségi formulák számítására szolgáló képleteket a 3. számú Melléklet tartalmazza. 4.3. CIECAM02 színmegjelenési modell 2002-ben a CIE eljárást fogadott el a színmegjelenés jellemzésére CIECAM02 néven. Mivel a színvisszaadás az észlelt színi eltéréseket kellene, hogy leírja, egy további lehetıség ezen CIECAM02 színmegjelenési modell használata. A módszer részletes leírását a 4. számú Melléklet tartalmazza. 2 Az utóbbi 30 év tapasztalatai alapján a CIELUV színtér jelentısége csökkent, ezért disszertációmban csak a CIELAB térrel foglalkozom. 50

5. Kísérleti munka leírása 5.1. Elı kísérlet A kísérlet célja a kis korrelált színhımérséklető, kereskedelmi forgalomban kapható halogén izzó valamint kompakt fénycsı és új-generációs Shark típusú RGB LED cluster fényforrások színvisszaadási tulajdonságának összehasonlítása volt egy pszicho-fizikai kísérletsorozat segítségével. 5.1.1. Kísérleti doboz I. Az elı kísérlet elvégzéséhez egy elsı kísérleti dobozt használtam, melynek bal és jobb oldalába helyeztem el a referencia ill. teszt fényforrásokat úgy, hogy a különbözı sugárzások ne keveredjenek egymással. Adott fényforrás párok esetén a fénysőrőségi szintet úgy állítottam be, hogy az a lehetıségekhez mérten közel azonos legyen. A minél homogénebb megvilágítás elérésére maratott üveglap szolgált, a megfigyelı doboz belseje fehér színő volt. A teszt fényforrások korrelált színhımérsékletéhez legközelebb esı színhımérséklető referencia fényforrást választottam, figyelembe véve azt is, hogy azok CIE (x, y) színkoordinátái a lehetı legközelebb legyenek egymáshoz lerövidítve ezáltal a kromatikus újra adaptálódás idejét. 51

5. ábra: Elı kísérlet kísérleti elrendezés (bal: referencia, jobb: teszt). 5.1.2. Kísérleti személyek kiválasztása A kísérletben részt vett megfigyelık színlátását Munsell 100-Hue teszttel ellenıriztem. Mivel ezt a színlátási tesztet 6500K-es nappali sugárzáseloszlást használva fejlesztették ki, így a kísérleti dobozban elhelyezett kis korongokat én is egy Toshiba D 65 nappali sugárzáseloszlású fénycsıvel világítottam meg. A megfigyelı feladata az volt, hogy a négy különbözı színezető skála számozott elemeit sorba rendezze. A kísérletben csak azon személyek vehettek részt, akik hibátlan vagy maximum két darab, egymás melletti minták felcserélési hibáját vétették az egyes színezetek esetén. Az elıkísérletben 9 személy (6 férfi, 3 nı) vett részt, akik a megfigyeléseket egyszer végezték el és közülük öt személy a késıbbi kísérletekben is segédkezett megfigyelıként. 5.1.3. Tréning A résztvevık általában nem rendelkeztek olyan mértékő színtani ismeretekkel, hogy az számunkra értékes adatokkal szolgáljon, ezért a konkrét kísérleteket megelızıen egy tréningen kellett részt venniük. Elsı lépésben a színinger három attribútumának színezet, telítettség, világosság megértése volt a fı cél. Ennek minél gyorsabb és gyakorlatiasabb szemléltetésére a Munsell atlasz színmintáiból színvillákat készítettem. Egy spektrofotométer 52

segítségével lemértem az MCC színes mintáinak színkoordinátáit és a Munsell atlaszban megkerestem az ezekhez legközelebb álló mintákat (ezeket referencia mintáknak neveztem el). Ezt követıen a Munsell megfeleltetett mintákhoz a színatlaszból további színmintákat kerestem, melyek egy Munsell egységgel világosabb, sötétebb, nagyobb illetve kisebb krómájú valamint azonos világosságú és krómájú, de egy színezeti egységgel a színkörön balra illetve jobbra elhelyezkedı minták voltak. Nyolc darab olyan MCC minta volt, melyekhez mind a hat szomszéd megtalálható volt az atlaszban. A színminták összekeverését követıen a megfigyelıknek meg kellett mondaniuk, hogy a referencia mintához képest melyik az, amelyik sötétebb, világosabb, nagyobb illetve kisebb krómájú, illetve milyen irányú színezetbeli eltolódást észlel. A tréning során a résztvevık megszerezték azt az ismeretanyagot, ami a kísérletek elvégzése szempontjából alapvetıen szükséges és igyekeztek elsajátítani azt, hogy egy-egy színezeti, világosságbeli és telítettségbeli különbség mekkora szürke-skála különbségnek felel meg. 6. ábra: A megfigyelık színtani ismereteinek bıvítését szolgáló tréning. 5.1.4. Megvilágítási körülmények rögzítése Referencia fényforrásnak közel 2700 K korrelált színhımérséklető halogén izzót, míg teszt fényforrásnak kompakt fénycsövet és vörös, zöld, kék clusterekbıl épített RGB LED-et választottam. Az így elıállított fényforrás párok az alábbiak voltak: Halogén izzó Fénycsı, Halogén izzó RGB LED, melyeknél az elsı fényforrás volt a referencia. A megvilágítók 53

normalizált spektrális teljesítmény-eloszlását az alábbi ábra szemlélteti; 2 nm-enkénti értékeit az 1. számú Függelék tartalmazza (CD Melléklet). 2700 K - Elı kísérlet 1,2 spektrális teljesítményeloszlás 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 380 430 480 530 580 630 680 730 780 hullámhossz (nm) Halogén izzó - referencia RGB LED cluster (S_2700) Kompakt fénycsı 7. ábra: A 2700 K-es elı kísérletben vizsgált lámpák normalizált spektrális teljesítmény-eloszlásai. Ha két sugárzó színhımérséklete vagy színességi koordinátái megegyeznek, attól azok még spektrálisan különbözhetnek egymástól. Ha azonos, elnyelı vagy reflektáló mintákat világítunk meg ilyen tulajdonságú fényforrásokkal, akkor azok eltérı színességi koordinátájú mintákat eredményezhetnek. Ezen értékek közötti színinger-különbséget általában valamilyen egyenlıköző színtérben határozzák meg, pl.: CIELAB. Mivel a referencia fényforrások által szolgáltatott megvilágítási szint nagyobb volt, mint a LED fényforrásoké (kb. 200 300 lux LED-ek esetén), így az azok által létrehozott megvilágítást ehhez az értékhez kellett közelíteni árnyékolások segítségével. Ennek eléréséhez homogén pausz papírt használtam, mely a sugárzók spektrumát csak intenzitásukban változtatta meg. A nyersadatokban szereplı értékek nem egy adott fényforrásra, hanem annak, már a kísérleti elrendezésben, az árnyékolásokkal együtt, spektroradiométerrel lemért spektrális teljesítmény eloszlására vonatkoznak, és a további számításokban is ezen nem nyers spektrális adatokkal dolgoztam. Ellentétben a halogén izzóval és a kompakt fénycsıvel, LED fényforrások esetén a három színcsatornát - vörös, zöld, kék külön-külön lehetett vezérelni egy áramstabilizált tápegység 54

segítségével, így a referencia fényforrások színhımérsékletével teljesen azonos korrelált színhımérsékletet is be lehetett állítani. A három csatorna áramát 20mA és 300mA között 10mA-es lépésközzel állítva, megmértem azok spektrumát, a kapott értékekre függvényt illesztettem, amit felhasználva készítettem egy optimalizációs programot, mely adott CIE (x,y) színességi koordináták megvalósításához meghatározta az egyes csatornák áramát. Ezáltal egy közelítı értéket kaptam, amit finom csatornahangolásokkal és mőszeres méréssel a pontos értékekre igazítottam. A lámpák korrelált színhımérsékletét és színességi koordinátáiknak értékeit az alábbi táblázat tartalmazza: 7. Táblázat: A vizsgált lámpák színmetrikai adatai Fényforrások x y CCT Halogén izzó referencia 0.4564 0.4154 2787 RGB LED cluster (S_2700) 0.4559 0.4145 2786 Kompakt fénycsı 0.4742 0.4146 2541 A fényforrások bemelegedési idejét fél órában határoztam meg, és minden egyes kísérlet elıtt mőszeres kontrollmérést hajtottam végre a legpontosabb színességi koordináták elérése érdekében. 5.1.5. Elı kísérlet ismertetése A Munsell színatlaszban található szürke mintákból azonos, egy Munsell egységnyi lépésköző szürke skálát állítottam elı a minták csak relatív világosságukban tértek el egymástól -, amely a késıbbiekben az egyes minták közötti színinger-különbségek meghatározására szolgált. Referencia szürkének az N=6 jelöléső mintát választottam alapul. A doboz bal, referencia fényforrással megvilágított kamrájában került elhelyezésre a szürke skála valamint mindkét oldalra egy-egy 18 kromatikus és 6 akromatikus színmintát tartalmazó GretagMacbeth ColorChecker Chart (MCC). 55

8. ábra: Gretag Macbeth ColorChecker Chart. A megfigyelınek a kísérlet megkezdése elıtt tíz percet kellett várnia a sötét szobában, hogy megfelelı mértékben adaptálódjék a már elızıleg pontosan beállított és stabilizálódott környezethez, amely idıt a feladat megértésével, a fogalmak újbóli tisztázásával és az esetlegesen felmerülı kérdések megbeszélésével töltött. Feladata az volt, hogy a két kamrában elhelyezett teszt és referencia fényforrás által megvilágított MCC színtábla azonos mintái között észlelt színinger-különbséget megbecsülje. Az aktuálisan vizsgált színminta köré fekete takaró lapot kellett helyeznie, ami a tábla többi elemét teljes mértékben eltakarta. Az adott színminta párok elemei közt észlelt színinger-különbség meghatározásához egy olyan másik szürke mintát kellett választani az N=6 szürke minta mellé a szürke skála elemeibıl, amelyek közti észlelt világosság különbség megegyezett a két MCC minta közötti vizuálisan észlelt színinger-különbséggel. Részfeladat volt az így meghatározott színinger-különbség százalékos felbontása, hogy a megfigyelı szerint ennek a különbségnek mekkora hányada adódik színezetbeli, krómabeli illetve világosságbeli eltérésbıl. Ennek pontos meghatározásához használhatták a tréning során megismert színvillákat. A feladatra korlátlan idı állt rendelkezésre, de átlagosan kb. 45 percet töltöttek a színinger-különbségek meghatározásával. A kísérletek során a színinger-különbségek felbontása színezet, króma és világosság összetevıkre túl nehéznek bizonyult, a megfigyelık válaszai következetlenek voltak a három színi attribútum esetében. A mért és vizuálisan meghatározott különbségek közt korreláció nem volt kimutatható, így a késıbbi kísérleteknél a megfigyelınek már nem volt feladata a teljes színinger-különbség százalékarányos felbontása. 56