MODERN FÉNYFORRÁSOK SZÍNMINŐSÉGÉNEK JELLEMZÉSE ÚJ FEJLESZTÉSŰ SZÍNILLESZKEDÉSI
MODELLEK SEGÍTSÉGÉVEL
Doktori (Ph.D) értekezés
Szabó Ferenc
Témavezető: Dr. Schanda János
Informatikai Tudományok Doktori Iskola Pannon Egyetem
Veszprém 2011
MODERN FÉNYFORRÁSOK SZÍNMINŐSÉGÉNEK JELLEMZÉSE ÚJ FEJLESZTÉSŰ SZÍNILLESZKEDÉSI MODELLEK SEGÍTSÉGÉVEL
Értekezés doktori (PhD) fokozat elnyerése érdekében Írta:
Szabó Ferenc
Készült a Pannon Egyetem Informatikai Tudományok Doktori Iskola programja keretében
Témavezető: 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)
A jelölt az értekezés nyilvános vitáján …...% - ot ért el.
Veszprém, ……….
a Bíráló Bizottság elnöke A doktori (PhD) oklevél minősítése…...
………
Az EDT elnöke
Köszönetnyilvánítás
Ezúton szeretnék köszönetet mondani mindazoknak, akik önzetlen segítségükkel és tanácsaikkal segítették munkámat és hozzájárultak tudományos értekezésem elkészítéséhez.
Mindenekelőtt szeretném megköszönni témavezetőmnek, Dr. Schanda Jánosnak a rengeteg szakmai és emberi támogatást a laborban eltöltött évek alatt. Nemcsak tudásával, tapasztalatával, hanem türelmével, nyitottságával is segítette munkám minden lépését.
Köszönettel tartozom Dr. Bodrogi Péternek a PhD képzés alatti szakmai támogatásért, iránymutatásért.
Köszönetet mondok a Virtuális Környezetek és Fénytan Laboratórium minden tagjának, akikhez minden kérdésemmel bátran fordulhattam és azoknak a munkatársaknak, egyetemi és PhD hallgatóknak akiknek a kísérleti szobában eltöltött óráik nélkül ez a dolgozat nem születhetett volna meg. Köszönöm Dr.
Kosztyán Zsoltnak, hogy az általam elvégzett statisztikai elemzések eredményeit ellenőrizte.
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.
Tartalomjegyzék
Köszönetnyilvánítás ... 3
Tartalomjegyzék ... 4
1 Tartalmi kivonat... 6
1.1 Abstract... 7
1.2 Zusammenfassung ... 8
2 Bevezetés ... 10
3 Irodalmi áttekintés ... 13
3.1 A fényforrások színminőség meghatározásának lehetőségei... 13
3.1.1 A színvisszaadás, mint a színminőség jellemzője ... 13
3.1.2 Új színinger terekre épülő színvisszaadás számítás... 16
3.1.3 CIE CRI-1996... 17
3.1.4 A színvisszaadási index számításának problémái... 18
3.1.5 A színdiszkrimináció kérdése ... 21
3.1.6 A színpreferencia kérdése... 22
3.1.7 Duál indexek... 24
3.1.8 Vizuális tisztaság ... 24
3.1.9 Colour Quality Scale ... 25
3.1.10 A színminőség leírásának legújabb lehetőségei... 29
3.1.11 Összefoglalás ... 33
3.2 A színharmónia és a színilleszkedés fogalmának összehasonlítása... 34
4 Célkitűzések... 35
5 Számítási módszerek ismertetése... 36
6 Kísérleti munka leírása ... 36
6.1 Előkísérletek ... 36
6.1.1 Az előkísérletek elméleti háttere ... 36
6.1.2 Kísérleti módszer... 38
6.1.3 Kísérleti személyek kiválasztása ... 40
6.1.4 Tréning... 41
6.1.5 Színminták kiválasztása... 41
6.1.6 Előkísérletek menetének ismertetése... 42
6.1.7 Kiértékelés, eredmények és következtetések... 43
6.2 Színingerek vizuális illeszkedésének vizsgálata mesterséges színi eltolódások segítségével ... 46
6.2.1 Kísérleti módszer... 46
6.2.2 Kísérleti személyek kiválasztása ... 47
6.2.3 Tréning... 48
6.2.4 Színminták kiválasztása... 48
6.2.5 Kiértékelés, eredmények és következtetések... 50
6.3 A vizuális illeszkedés modellezésére vonatkozó új vizuális kísérletsorozat leírása ... 52
6.3.1 Kísérleti elrendezés... 52
6.3.2 Teszt minták kiválasztása ... 54
6.3.3 Kísérleti személyek kiválasztása ... 56
6.3.4 Kísérleti személyek feladata ... 57
7 Vizuális eredmények értékelése... 58
7.1 Vizuális megfigyelések függetlenség vizsgálata ... 58
7.2 Többszempontú varianciaanalízis vizsgálat ... 59
7.2.1 Vizuális megfigyelések normalitásának vizsgálata ... 59
7.2.2 A varianciák homogenitásának vizsgálata... 60
7.2.3 Varianciaanalízis vizsgálat ... 60
7.3 A vizuális illeszkedés modellezése két és három színingerből álló színkombinációk esetén ... 63
7.3.1 A vizuális illeszkedés modellezése két színingerből álló színkombinációk esetén ... 63
7.3.2 A vizuális illeszkedés modellezése három színingerből álló színkombinációk esetén ... 75
8 A vizuális illeszkedési index bevezetésének lehetőségei... 88
8.1 A vizuális illeszkedési index bevezetésére irányuló kísérletek ismertetése ... 88
8.1.1 Kísérleti elrendezés... 88
8.1.2 Teszt és referencia fényforrások ismertetése ... 89
8.1.3 A megvilágítás időbeli változásának ellenőrzése ... 89
8.1.4 A megvilágítás térbeli változásának ellenőrzése ... 90
8.1.5 2700 K korrelált színhőmérsékletű csoport ... 91
8.1.6 4100 K korrelált színhőmérsékletű csoport ... 93
8.1.7 6500 K korrelált színhőmérsékletű csoport ... 95
8.1.8 Teszt színminták kiválasztása... 97
8.1.9 Kísérleti személyek és feladatuk ... 98
8.2 Vizuális megfigyelések értékelése... 100
8.2.1 Vizuális megfigyelések értékelése... 100
8.2.2 A közvetlen értékelés kísérlet eredménye ... 100
8.2.3 Az összehasonlító kísérlet eredménye ... 102
8.3 A vizuális illeszkedési index bevezetése ... 104
8.4 Fényforrás színképi optimalizálása a vizuális illeszkedési indexhez ... 109
8.5 A vizuális illeszkedési index értékének összehasonlítása más színminőséget jellemző mérőszámokkal... 110
9 Összefoglalás ... 113
10 Tézisek ... 116
Publikációs lista ... 118
Melléklet 1 ... 124
M1.1 Referencia fényforrásra vonatkozó megkötések ... 124
M1.2 Tesztmintákra vonatkozó megkötések ... 125
Melléklet 2 ... 129
M2.1 A színharmónia fogalma ... 129
M2.2 A színilleszkedés és színharmónia fogalmának összehasonlítása ... 130
Melléklet 3 ... 134
M3.1 Ou és Luo matematikai előrejelző modellje ... 134
M3.2 CIECAM02 színmegjelenési modell ... 136
Melléklet 4 ... 140
Melléklet 5 ... 145
Melléklet 6 ... 148
Melléklet 7 ... 151
Melléklet 8 ... 154
Irodalomjegyzék ... 157
1 Tartalmi kivonat
Értekezésem elsődleges célja, hogy a hétköznapi életben használatos hagyományos és új generációs, valamint napjainkban, a kereskedelmi forgalomban gyorsütemben terjedő világító dióda alapú fényforrások színminőségét újszerűen megközelítő, vizuális kísérleteken alapuló, és így az emberi megfigyelő vizuális tapasztalataival jól korreláló színminőségi metrikát dolgozzak ki.
Dolgozatom témájának felvetését az a tény szolgáltatta, hogy a fényforrások színvisszaadási tulajdonságainak meghatározására 1974-ben nemzetközileg elfogadott és a fényforrásgyártók által azóta is használt CIE 13.2-es (későbbiekben CIE 13.3) módszer az új generációs fényforrások esetén nem szolgáltat megfelelően pontos információt. A színvisszaadási index előrejelzésének az észlelettől eltérő voltát számos publikáció taglalja, és annak elfogadása óta több javaslat is született a módszer megújítására, megjavítására, azonban egyetértést egyik sem váltott ki. Az új javaslatok új szempontok – mint a színhűség, színpreferencia, színdiszkrimináció – alapján közelítik meg a fényforrások színminőségének kérdését. Az irodalomban mindezidáig nem volt fellelhető olyan próbálkozás, amely a fényforrások színminőségét az épített környezet együttesére gyakorolt hatásuk alapján, a természetes megvilágítás körülményei között a látótérben jelenlévő színingerek illeszkedése alapján1, az egymáshoz való illeszkedés mesterséges fényforrások általi torzításának mértékével jellemzi. Dolgozatomban vizuális kísérletek segítségével igazolom, hogy rögzített színösszetételek megjelenését megfigyelve mesterséges fényforrások esetén egy referencia megvilágításhoz képest a megfigyelő számára az egymás mellé helyezett színingerek illeszkedése torzulásokat szenvedhet.
Ennek lehetséges okát grafikus úton mutatom meg.
A vizuális tapasztalatok legpontosabb leírása érdekében új, matematikai modellt fejlesztek ki, két és három egymás mellé helyezett színinger illeszkedésének jellemzésére. Ezek a formulák egy adott megvilágítás esetén a megfigyelő szerinti illeszkedés mértékének pszicho-fizikai korrelátumát szolgáltatják. Az újonnan kifejlesztett matematikai formulákat alkalmazva bevezetem a színilleszkedési indexet, amelynek használhatóságát újabb vizuális kísérletsorozattal igazolom. Az új matematikai formula a jelenlegi színvisszaadási index mellett kiegészítésül szolgálhat a fényforrás gyártók számára, fényforrásaik spektrális teljesítmény eloszlásának optimalizálásakor.
1 A színilleszkedés, valamint fitting/anpassung fogalmakat a színharmónia fogalmától való megkülönböztetés érdekében használom. Az általam vizsgált jelenség leírására nemzetközileg ezek helyett sok esetben a harmónia (harmony, harmonie) fogalmak használatosak.
1.1 Abstract
New aspects in the description of the colour quality of modern light sources with the help of new colour fitting formulae
The primary aim of my dissertation was the development of a new colour quality metric based on visual experiments, correlating well with human observer’s visual experiences both in case of traditional and new generation light sources and light emitting diodes (LED), which are widely spreading nowadays in commercial trade.
The origin of my thesis’ topic was provided by the fact, that the CIE 13.2 (later CIE 13.3) method – internationally accepted in 1974 for describing the colour rendering properties of light sources and since then used by light source manufacturers worldwide – does not provide satisfying and accurate information for new generation light sources. The reason for the failure of the colour rendering index has been discussed in many publications, and many proposals have been put forward to renew and update this metric but none of them achieved accordance till now. The new proposals – such as colour fidelity, colour preference, colour discrimination – are approaching the issue of light-source colour-quality from the point of view of new considerations. To my best knowledge no research has been described in the literature that would have characterized the colour quality of light sources by their effects on the whole of the built environment, with the distortion of the impression of fitting of colours (in the future, I will term it colour fitting impression)2 by artificial light sources, which impression is built up and present in natural lighting conditions. With the help of visual experiments I verified that observing a given set of colour compositions under artificial lighting conditions the observer’s colour fitting impression might be distorted compared to a reference illumination. I showed the possible reason of this phenomenon by means of diagrams/graphs. To achieve the most accurate description of visual experiences, I developed new colour fitting models for two- and three-colour combinations on mathematical basis. These formulae provide the psycho-physical correlate of visual colour fitting impression in case of a given lighting situation. Using the recently developed colour fitting formulae, I introduced the colour fitting index. I verified the utility of this index by subsequent visual experiments. This new mathematical metric can be a supplementary index for the light source manufacturers beside the current colour rendering index, to optimize the spectral power distribution of their light sources.
2 The terms „színilleszkedés”, fitting and „anpassung” are used to make a distinction from the term colour harmony. In the international literature, the terms „colour harmony, Farbharmonie” is often
1.2 Zusammenfassung
Neue Gesichtspunkte in der Charakterisierung der Farbqualität der modernen Lichtquellen mit der Hilfe von neue entwickelten Farbanpassungs-Formeln
Das primäre Ziel meiner Dissertation war eine Farbqualitäts-Metrik auszuarbeiten. Diese auf visuellen Experimenten beruhende Metrik soll an die Farbqualität der im Alltagsleben benutzten traditionellen und von neuer Generation stammenden Lichtquellen, weiterhin die der sich zurzeit im Handel schnell verbreitenden Leuchtdioden neuartig herangehen und mit den visuellen Erfahrungen des menschlichen Beobachters gut korrelieren.
Das Thema meiner Dissertation lieferte die Tatsache, dass die CIE 13.2 (später CIE 13.3) Methode – die zur Bestimmung der Farbwiedergabe- Eigenschaften der Lichtquellen in 1974 international anerkannt wurde, und von den Lichtquellen-Hersteller seitdem benutzt wird – liefert keine entsprechend genaue Information. Die Ursache der Ungenauigkeit des Farbwiedergabe-Index wurde in mehreren Publikationen erörtert, und seit seiner Annahme sind mehrere Vorschläge entstanden um die Methode zu erneuern, zu verbessern, aber keiner von ihnen hat Einverständnis erreicht. Die neuen Vorschläge – wie Farbtreue, Farbpräferenz, Farbdiskrimination – nähern die Frage der Farbqualität der Lichtquellen von neuen Gesichtspunkten an. In der Fachliteratur war bislang kein Versuch zu finden, der die Farbqualität der Lichtquellen anhand ihrer Wirkung auf die Gesamtheit der gebauten Umgebung beschreibt, d.h. die Farbqualität mit dem Maß der Torsion der Farbanpassungs-Wahrnehmung3 – verursacht von künstlichen Lichtquellen –, bezogen auf die Farbanpassung unter natürlicher Beleuchtung charakterisiert. Mit der Hilfe von visuellen Experimenten habe ich bewiesen, dass bei gegebenen Farbkombinationen im Falle von künstlichen Lichtquellen, die im Beobachter entstehenden Farbanpassungs- Wahrnehmungen im Vergleich zu einer Referenz-Beleuchtung verzerrt werden können.
Den Grund für diese Verzerrung habe ich graphisch dargestellt. Um die visuellen Erfahrungen am genauesten zu beschreiben können habe ich ein neues, mathematisches Modell für aus zwei und drei Farbreize bestehenden Farbkombinationen entwickelt. Diese Formeln liefern das psycho-physikalische Korrelat einer visuellen Farbanpassungs- Wahrnehmung bei gegebener Beleuchtung. Die neuentwickelten Farbanpassungs-Formeln benutzt habe ich den Farbanpassungs-Wiedergabeindex eingeführt, wessen Benutzbarkeit
3 Die Begriffe Anpassung, „fitting” und „színilleszkedés” werden benutzt, damit sie vom Begriff Farbharmonie unterschieden werden können. Statt deren werden die Begriffe Harmonie (harmony, harmónia) in der internationalen Fachliteratur oft benutzt, um die Erscheinungen, die in der Dissertation behandelt werden, beschreiben zu können.
ich erneut mit Experimenten bewiesen habe. Die neue Formel kann für die Lichtquellen- Hersteller neben dem derzeitigen Farbwiedergabe-Index als eine Ergänzung funktionieren um die spektrale Verteilung der Leistung ihrer Lichtquellen zu optimisieren.
2 Bevezetés
Az ember a külvilágból származó információ 90%-át látórendszere segítségével veszi fel. A látórendszer által detektálható, majd agyi mechanizmusok által információvá konvertált ingerek többféle típusból tevődnek össze. Ezek közül az ingerek közül az egyik legnagyobb mennyiségű információt hordozó és legnagyobb jelentőséggel bíró inger a színészlelés folyamata által jut el hozzánk.
A mindennapi életben használt tárgyak színe nagymértékben függ a megvilágító fényforrásoktól, amelyek napjainkban igen különböző színképi teljesítmény- eloszlásokkal készülnek. Ha megváltozik a fényforrás (azon belül a színképi teljesítmény eloszlás), az általa megvilágított tárgyak színmegjelenésében is változás lép fel.
Az áruházi megvilágítás mellett gondosan kiválasztott, egymással harmonikus kompozíciót alkotó alkalmi ruha összeállítás megjelenése könnyen meglepetést okozhat számunkra, ha azt viselve kilépünk a napfényre, vagy elmegyünk benne színházba, bálba. Természetszerűleg észlelt tény, hogy az egyes ruhadarabok színi megjelenésének megváltozása a megfigyelőben korábban kialakult vizuális színilleszkedés torzulását idézheti elő.
Hétköznapjainkban a hagyományos és halogén izzólámpák, fénycsövek színképe, valamint a természetes napfény különböző fázisai jelentik az elsődleges, mindennapi életben gyakran előforduló színképi eloszlásokat. A kompakt fénycsövek és nagynyomású gázkisülő lámpák mellett az ezredfordulón megjelentek a világító diódák (Light Emitting Diode - LED) is, mint a modern világítástechnika fényforrásai. A LED fényforrások egyre nagyobb teret hódítanak a mindennapi életünkben, nem csak fejlettebb közlekedési jelzőlámpák formájában, hanem a kültériés beltéri világítástechnika, valamint az autófényszórókterületén is.
Emiatt szükség van egy olyan, a mai színmérés modern eszközeit használó matematikai számítási modellre, amely jól korrelál a vizuális megfigyelésekkel, és az alkalmazás területétől függően a jelenlegi vagy egy megújított színvisszaadási index mellett, azt kiegészítve ad információt a fényforrás színminőségéről.
A világító dióda alapú fényforrások színképi teljesítmény-eloszlása nagyon eltérő a hagyományos fényforrásokétól, ezért a felületszínek színészlelete, valamint belsőtér világítás esetén az egymás mellett alkalmazott színek kombinációjának illeszkedési mértéke (a köznapi szóhasználatban gyakran pontatlanul színharmónia tartalomként említett tulajdonság) is változhat attól függően, hogy milyen fényforrás típussal (s azon belül milyen színképi teljesítmény-eloszlással) világítjuk meg azokat.
A fényforrások színminőségének értékelésére jelenleg egyedüli hivatalosan elfogadott módszer a CIE színvisszaadási index1 (CIE 13.3 publikáció), amely akkor került bevezetésre, amikor a második generációs fénycsövek megjelentek a piacon. Az azóta eltelt 30 év alatt több próbálkozás is történt, hogy az első publikációt módosítsák, valamint szinkronba hozzák a modern színmetrikai gyakorlattal, de teljes egészében ez mind a mai napig nem történt meg. További gyakorlati probléma merül fel azzal, hogy a kompakt fénycsövek valamint világító diódák fényporainak kifejlesztésekor a gyártók sokáig nem a jó vizuális színvisszaadási tulajdonságot tartották szem előtt, hanem arra törekedtek az optimalizálás során, hogy jó fényhasznosítást és nagy színvisszaadási indexet érjenek el.
A CIE meghatározása a színvisszaadás fogalmáról megtalálható a Nemzetközi Világítástechnikai Szótárban2, melynek magyar fordítását az MSZ 9620-2, Fénytechnikai Terminológia: Látás, színvisszaadás kötete3 tartalmazza:
„A sugárzás spektrális eloszlásának a hatása a tárgyak színes megjelenésére; a tárgyak egy referencia-eloszláshoz tartozó színes megjelenésével való tudatos vagy tudatalatti összehasonlítása.”
Az utóbbi évtizedekben jó néhány javaslat készült a jelenlegi módszer kiterjesztésére vagy frissítésére. Ezek a javaslatok mind új szempontok - pl.
színpreferencia, színdiszkrimináció, vizuális tisztaság – szerint közelítik meg a színminőség kérdését. A javaslatok másik csoportja új, vagy átdolgozott számítási módszer (pl. a színminőségi skála) bevezetése felé mutat. Jelen dolgozatban a fényforrások színminőségének megközelítésére új, eddig nem alkalmazott módszert
mutatok be, amely a megfigyelőben egy adott látási szituációban egymás melletti színingerek illeszkedésének torzulása alapján értékeli a fényforrásokat.
A színvisszaadási index mellett egy ilyen kiegészítő metrika használatával elérhető a gyártás során a fénypor összetevők változtatásának segítségével a fényforrás színképi teljesítmény eloszlásának optimalizálása annak érdekében, hogy a fényforrás optimális vizuális tulajdonságokkal rendelkezzék.
3 Irodalmi áttekintés
3.1 A fényforrások színminőség meghatározásának lehetőségei
A mesterséges fényforrások megjelenése lehetővé tette, hogy az emberiség megváltoztassa kulturális szokásait, jobban kihasználja a nap 24 óráját, környezetét komfortosabbá és biztonságosabbá tegye. Azonban az első mesterséges fényforrások megjelenésének pillanatától kezdve ösztönösen is felvetődő kérdés a mesterségesen keltett fény kölcsönhatása az emberi környezettel. Amint többféle mesterséges fényforrás került használatba, tudatos vizsgálatok nélkül is megállapításra kerültek az egyes fényforrások által biztosított világítás minőségi jellemzői. Ez az általában szubjektív és pusztán vizuális tapasztalatokon alapuló ítélet önmagában csak nehezen általánosítható, pontatlan és ellentmondásos mértéket szülhetett volna. A színmérés eszközeinek fejlődésével és szabványainak kidolgozásával azonban megnyílt az út a mérési adatokon és vizuális megfigyelések eredményeinek összevetésén alapuló mértékek létrehozása előtt, melyek – mint látni fogjuk – többféle ötlet és szempont alapján jellemzik a fényforrások színminőségét.
3.1.1 A színvisszaadás, mint a színminőség jellemzője
Az emberi természetből legkézenfekvőbb módon fakad valamilyen pillanatnyilag észlelt jelenség összehasonlítása valamely általa megszokottnak vélt körülmény közötti észlelettel. A mesterséges fényforrások esetében ilyen összehasonlítás tehető a színes környezet elemeinek emberi megfigyelő által természetes sugárzáseloszláskor észlelt színészlelete, valamint ugyanazon felületek mesterséges fényforrás által megvilágított színészlelete között.
Az első objektív méréseken alapuló színvisszaadási mérőszám megalkotása Bouma4 nevéhez fűződik, aki a fényforrás színképi teljesítmény eloszlásának objektív mérési eredményéből indult ki. Alapötletével – a látható színképtartomány sávokra osztásával – több szerzőt ösztönzött a színvisszaadás ilyen elvű megközelítésére. A műszerével mérhető 380 nm – 760 nm közötti
hullámhossztartományt 8 intervallumra osztotta fel, és minden intervallumra meghatározta a fénysűrűség relatív értékeit, így minden tesztfényforrást 8 számmal jellemzett. A módszer fő problémája, hogy a rövidebb hullámhossztartományban 20 nm - 40 nm nagyságú intervallumokat, míg a látható színképtartomány többi részében 50 nm - 100 nm nagyságú tartományokat jelölt ki, így a kisebb intervallumokra számolt fénysűrűségi értékekre – vagyis színvisszaadást jellemző mérőszámokra – elhanyagolhatóan kicsi értékeket kapott, pedig a vizuális tapasztalatok szempontjából ezek a tartományok is releváns tartalommal bírnak.
Ettől eltérő elven alapuló számítási modellt dolgozott ki Kruithof5 és Barnes6, akik Bouma módszerének vizsgálatából és annak kritikájából következően 7 sávot állapítottak meg, viszont már tesztmintákat is használtak. Kruithof és Barnes módszere a tesztmintákban különbözött egymástól, ugyanis míg Kruithof valós színmintákat használt, addig Barnes elméleti színminták reflexiós spektrumaival számolt. A látható színképtartomány további, más elvű felosztását javasolta Crawford7, aki az előző két szerzővel szemben olyan tartományokat definiált, amelyek közötti fénysűrűségi szint változása éppen észlelhető vizuális különbséget jelentett. A minősítési rendszerében elsőként toleranciavonalakat alkalmazott, amelyek segítségével az eddigi puszta számítási eredményekhez így már vizuális észleletet előrejelző jelentéstartalom is társult. A sávosztásos módszerek közös tulajdonsága, hogy – bár az alkalmazott sávok számának és a sávok határának módosításával az egyes fényforrások színképi teljesítmény-eloszlásához igazíthatók – általános, minden esetben használható modellt nem szolgáltatnak. Emiatt a következő törekvések már általános érvényű színvisszaadási metrika kifejlesztésére irányultak. Nickerson8 összefoglalta az addig megismert módszereket, a rendelkezésre álló információkat, és hiányosságokat. Összegyűjtötte a CIE által 1931-ben elfogadott A, B, és C standard megvilágítók, és a további rendelkezésre álló fényforrások színképét. Ennek eredményeképp jelentek meg az első olyan vizsgálatok eredményei, amelyek a színvisszaadást referencia és tesztfényforrással megvilágított színminták színi eltolódásaként vizsgálták. Ez az összeállítás azonban rögtön felveti a tesztminták kiválasztásának, valamint az adott tesztfényforráshoz megfelelő referencia megválasztásának problémáját. Kezdeti tanulmányok9 C
sugárzáseloszlást referenciaként használva, 18 Munsell minta színi eltolódásán alapultak, azonban ezek a módszerek csak a természetes eloszlással azonos korrelált színhőmérsékletű tesztfényforrások vizsgálatára voltak alkalmasak, a kromatikus adaptáció figyelmen kívül hagyásának következményeként. Az általánosan használható színvisszaadási metrikák felé nagy lépést tulajdoníthatunk a Von Kries transzformációnak10, amely matematikai modellt alkotott a kromatikus adaptáció folyamatára, így lehetővé vált a referenciától kis mértékben különböző korrelált színhőmérsékletű teszt fényforrások vizsgálata is. A színi eltolódások nagyságának jellemzéséhez szükséges valamilyen színkülönbséget számszerűsítő összefüggés is. Ezt a színkülönbséget a vizuális tapasztalatokkal összhangban csak emberi színészlelet szerint egyenletes színtérben határozhatjuk meg. E kritérium teljesítése akkoriban azért számított különösen nagy kihívásnak, mivel az 1931-ben elfogadott CIE x-y színességi diagramról MacAdam11 és szerzőtársai éppen az 1940-es években igazolták, hogy vizuális észlelet szerint nem egyenközű. 1965-ben vált elérhetővé a CIE U*V*W* színinger tér és az ebben definiált színkülönbségi formula12. Az említett vizsgálatok – ugyan újszerű és általános módszert nem szolgáltattak – megmutatták, hogy megfelelő kiválasztás esetén akár már 8-15 színminta is alkalmas lehet a fényforrások színvisszaadásának jellemzésére. Az időközben szabványosított sugárzáseloszlások segítségével kétféle alapelven, végtelen sok referencia fényforrás használatát javasolták. Ha a tesztfényforrás korrelált színhőmérséklete 5000 K-nél kisebb, a tesztfényforrással megegyező színhőmérsékletű Planck sugárzót kell választani. 5000 K feletti korrelált színhőmérsékletű tesztfényforrás esetén azzal megegyező korrelált színhőmérsékletű, generátorfüggvények segítségével előállított természetes sugárzáseloszlás használandó. Az említett szabályok rögzítésével a CIE U*V*W*
színkülönbségekből speciális színvisszaadási indexeket (Ri) definiáltak, míg ezek átlagolásával általános színvisszaadási index (Ra) számolható. A képletben szereplő konstans értékét úgy határozták meg, hogy a tesztfényforrás általános színvisszaadási indexe (Ra) a tesztminták színkoordinátáinak a referencia fényforrás alatti megjelenéssel való teljes egyezése esetén 100-nak adódjon, míg az akkori forgalomban lévő melegfehér fénycső színvisszaadási indexe 50 legyen. Ez az
eredmény a felhasználó számára is érthető információt szolgáltatott13. Halstead14 és szerzőtársai vizuális kísérletek segítségével vizsgálták a színvisszaadás jelenségét.
Eredményeik azt mutatták, hogy a megfigyelők által egy-egy tesztminta esetén vizuálisan észlelhető színinger különbség az adott mintára vonatkozó speciális színvisszaadási index (Ri) tekintetében 12-18 egység változásnak felel meg.
Maitreya15 binokuláris látómező technikával folytatott kísérletei ugyanerre az esetre 5 Ri egységet határoztak meg. A CIE által is elfogadott modell a fényforrás tervezőket és gyártókat arra ösztönözte, hogy az új modell szerinti legnagyobb színvisszaadási index elérése érdekében optimalizálják lámpáik színképi teljesítmény-eloszlását. A nagynyomású gázkisülő lámpa gyártásánál alkalmazott újabb elemek (disprosium, tallium, nátrium) a színképi eloszlásban új színképvonalakat gerjesztenek, így a fényhasznosítás romlása ellenében nagyobb színvisszaadási index érhető el. A fénycsövek és az ezidőtájt megjelenő kompakt fénycsövek esetén megmutatták, hogy megfelelően kiválasztott fénypor összetevők alkalmazásával három sáv esetén 80 körüli, míg 4 sáv esetén 95 körüli Ra érték érhető el.
3.1.2 Új színinger terekre épülő színvisszaadás számítás
A CIE U*V*W* színingertér helyett a CIE 1976-ban két új színteret16 fogadott el CIELAB és CIELUV néven. Később Nayatani17 és Hunt18 színmegjelenéssel kapcsolatos vizsgálataira alapozva színmegjelenési modellekre alapozott színvisszaadás számítási eljárás kidolgozása is szóba került, viszont Walter19 megmutatta, hogy a színmegjelenési modellek használatával hasonló eredmények érhetők el, mint az 1974-ben elfogadott 13.2 publikáció szerinti eljárással. Az 1990-es évek elején a színvisszaadási indexek számításához kétféle színkülönbség számítási eljárás jelenthetett alternatívát: az 1976-ban elfogadott két új színtér egyike, vagy az ezeknél újabb színmegjelenési modell alkalmazása, az akkor újonnan megjelent kromatikus adaptációs transzformációval20.
3.1.3 CIE CRI-1996
A 13.2 publikáció megjelenése óta elfogadott újabb színterekre és a von Kries transzformáció helyett ajánlott CIE 109-1994 azonosítóval jelzett új kromatikus adaptációs transzformációra20 alkalmazva 1996-ban a CIE CRI módszer egy továbbfejlesztett változata került ismertetésre ideiglenes megoldásként, míg egy színmegjelenési modellen alapuló számítási algoritmusban nem sikerül megállapodni. Az új javaslat a referencia és teszt fényforrások által megvilágított tesztminták tri-stimulusos értékeit a CIELAB 1976 L* a* b* színingertérbe transzformálja, D65 megvilágítási adaptáció mellett. A módszer azért sem lehetett több egy ideiglenes megoldásnál, mert kidolgozását nagyon sok megkötés határolta be. A színvisszaadás számításának korábban elfogadott elvét ugyanis nem szabadott megváltoztatni, vagyis az általános színvisszaadási indexet továbbra az addigra sokat kritizált elv szerint, skalár színkülönbségek átlagaként kellett számítani. A referencia fényforrások választására azonban új módszert határoztak meg. 2700 K és 6500 K között 6 sugárzáseloszlást rögzítettek, és a tesztfényforráshoz ezek közül azt kellett választani referenciaként, amelynek CIELAB a* b* koordinátái a legközelebb esnek a tesztfényforrás CIELAB színkoordinátáihoz.
1. Táblázat: A CIE CRI-1996 eljárásban meghatározott referencia fényforrások és színingermetrikai jellemzőik
CIE 1931 (x,y) színkoordináták Megvilágító megnevezése Korrelált
színhőmérséklet
x y CIE D65 daylight 6500 K 0,3128 0,3292
CIE D50 daylight 5000 K 0,3457 0,3586 P4200 Planck sugárzó 4200 K 0,3720 0,3714 P3450 Planck sugárzó 3450 K 0,4081 0,3921 P2950 Planck sugárzó 2950 K 0,4405 0,4053 P2700 Planck sugárzó 2700 K 0,4599 0,4106
Az 1996-ban javasolt módszer a tesztmintákkal kapcsolatos problémákat orvosolta, ugyanis a 13.2 publikációban meghatározott, időközben már elérhetetlenné vált Munsell mintákat a CIELAB színingerteret jobban lefedő, telítettebb színmintákra
cserélte le. Az új tesztmintahalmazt a GretagMacbeth ColorChecker Chart színminta gyűjtemény nyolc kromatikus mintáját és kétféle bőrszínt választva alkották meg. Kétféle bőrszínt ugyan a ColorChecker színgyűjtemény is tartalmaz, a CRI-1996 módszerben inkább a Halstead21 valamint Buck22 és Froelich által meghatározott kaukázusi bőrszínt, valamint a japán ipari szabvány23 által rögzített japán női arcszínt választották.
2. Táblázat: A CRI-1996-ban rögzített tesztminták MCC és Munsell megfelelői 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 5.0YR 8/11.1
TCS04* MCC 11 5.0GY 7.08/9.1 TCS05* MCC 14 0.25G 5.38/8.65
TCS06* MCC 18 5.0B 5/8
TCS07* MCC 13 7.5PB 2.90/12.75
TCS08* MCC 17 2.5RP 5/12
TCS09* Kaukázusi bőrszín
TCS10* Kelet-ázsiai bőrszín
3.1.4 A színvisszaadási index számításának problémái
A jelenleg is világszerte használt CIE 13.2 publikáció (később apró szerkesztői változtatásokkal változatlan tartalom melletti CIE 13.3 publikáció) szerinti színvisszaadási index több problémát hordoz magában, különösen világító dióda alapú fényforrások rangsorolása esetén. A jelenlegi helyzetben a színvisszaadási index az egyedüli nemzetközileg elfogadott mérőszám, amely a fényforrások színminőségének jellemzésekor szóba kerülhet, azonban az utóbbi fejezetekből is láthatjuk, hogy nagy hiba a színminőség összetett problémáját pusztán a színvisszaadás kérdéseként kezelni. A színvisszaadás egyedül a felületi színek megjelenésének színhűségét jellemzi, azzal a nem minden esetben helytálló megkötéssel, hogy ugyanazon színes felületek feketetest sugárzó illetve természetes
(nappali)4 sugárzó alatti megjelenéséhez képesti bármilyen irányú és mértékű különbséget kedvezőtlenebb vizuális megjelenésként értékelünk.
A CIE U*V*W* egykor egyenközűként elfogadott színinger-teréről mára bebizonyosodott, hogy különösen a vörös tartományában nem egyenközű, ezért használatát a CIE a továbbiakban nem ajánlja. A vörös tartományban a színkülönbségeket az észlelt színkülönbséghez képest jelentősen felnagyítja, míg a sárga és kék tartományban alábecsüli. A mai gyakorlatban a színvisszaadási index és a korrelált színhőmérséklet számításán kívül semmilyen más területen nem használatos. Helyette a CIE az 1976-ban elfogadott L*a*b* (CIELAB) és L*u*v*
(CIELUV) színinger terek és az ezekben számított színinger különbségek használatát javasolja, illetve kis színingerkülönbségek esetén a CIE DE2000 színkülönbségi formulát24. A színi áthangolódás tekintetében a Von Kries transzformációnál sokkal pontosabban leíró modell, a CMCCAT2000 (Colour Measurement Committee’s Chromatic Adaptation Transform)25 használata teheti a következő színvisszaadási formulát hatékonyabbá.
A számítási algoritmus következménye, hogy még a legkülönfélébb színképi teljesítmény-eloszlással rendelkező fényforrásoknak is lehet teljesen azonos színvisszaadási indexük annak ellenére is, hogy vizuálisan tökéletesen eltérő észleletet nyújtanak. A CRI módszer előírja a tesztfényforrással azonos korrelált színhőmérsékletű referencia fényforrás választását, amely teljes színi adaptációt feltételez a megvilágítók közös fehér pontjához. Ez a feltételezés azonban extrém korrelált színhőmérsékletek esetén első látásra is hibás eredményt szolgáltat.
További ellentmondás, hogy a 2000 K korrelált színhőmérsékletű feketetest sugárzó (észlelet szerinti vöröses fényével) Ra=100 indexet kap a rangsorolásnál, csak úgy, mint a 6504 K korrelált színhőmérsékletű természetes (nappali) sugárzáseloszlás és ugyanígy a 20000 K korrelált színhőmérsékletű (észlelet szerint meglehetősen kellemetlenül kékes) természetes sugárzáseloszlás. Az egyformán kiváló színvisszaadást jelző Ra=100 ellenére vizuálisan nagy különbség észlelhető a három tesztfényforrással megvilágított színminták színészlelete között, amelyek közül a 2000 K és 20000 K korrelált színhőmérsékletű források biztosan nem
4 nemzetközileg elfogadott angol megfelelőjét - „daylight” – a színtanban általában nappali sugárzáseloszlásnak fordítják. A
idéznek elő kellemes, jó színhűséggel rendelkező megvilágítást. Meglepő eredményt produkál a referencia fényforrás kiválasztásánál figyelembe veendő 5000 K-es határértéknél bekövetkező éles különbség is. Ha ugyanis egy 4999 K színhőmérsékletű feketetest sugárzót tekintünk tesztfényforrásnak, ahhoz a CRI módszer 4999 K színhőmérsékletű feketetest sugárzó választását írja elő referencia fényforrásként. Ebből következik, hogy ezen tesztfényforrás Ra értéke 100-nak adódik. Ha viszont egy 5001 K színhőmérsékletű feketetest sugárzót tekintünk tesztfényforrásnak, ahhoz a CIE ajánlása szerint már 5001 K korrelált színhőmérsékletű természetes sugárzáseloszlást kell választanunk, így ezen tesztfényforrás Ra értéke 2 egységet csökken. A színvisszaadási index skálája tehát nem folytonos: 2 egységnyi Ra különbség keletkezik annak ellenére, hogy a két tesztfényforrás színképi eloszlása közötti különbség elhanyagolható, korrelált színhőmérsékletük közötti 2 K különbség vizuálisan megfigyelhető színkülönbséget nem idéz elő.
A tesztmintákkal kapcsolatos probléma, hogy az Ra számításnál alkalmazott 8 tesztminta mindegyike kis vagy maximum közepes krómájú. Keskenysávú fényforrások (például világító dióda alapú fényforrások) esetén azok színvisszaadása telített színek esetén nagyságrendekkel rosszabb lehet, mint ahogy az a kevésbé telített mintákkal számított Ri speciális színvisszaadási indexekből és Ra általános színvisszaadási indexből következne. Mivel a színvisszaadási indexek értéke kizárólag a fényforrás színképi teljesítmény eloszlásán alapul, a fényforrásgyártók gyakran élnek a fénypor összetétel olyan változtatásával, hogy az az Ra érték pozitív irányú változását vonzza magával.
A nyolc tesztminta színkülönbségének átlagából származtatott index lehetővé teszi, hogy az adott lámpa nagy általános színvisszaadási indexet kapjon még akkor is, ha a nyolc tesztminta közül egy vagy két tesztminta esetén a referenciához képest nagy színinger-különbségeket találunk. Különösen gyakori ez a jelenség világító diódák esetén, melyek keskenysávú, több csúccsal rendelkező spektruma eredményezhet nagy színinger-különbségeket a színingertér egy kis tartományában.
A színes környezet kedvező megítélése szempontjából a vizuális tapasztalatokkal ellentmond az is, hogy a referenciához képest színezetben és krómában észlelt
bármilyen irányú és nagyságú változás rosszabb színvisszaadást jelent. Számos alkalmazásban ugyanis a telítettség növekedése nagyobb fokú kontrasztot vagy vizuális tisztaságot eredményez és növeli az észlelt világosságot, ezért vizuálisan jobb tapasztalatokkal és emiatt jobb ítélettel jár együtt, a kisebb fokú színhűség és a kisebb Ra érték ellenére is (lásd színpreferencia kutatás).
3.1.5 A színdiszkrimináció kérdése
A színdiszkrimináció a mesterséges fényforrások azon jellegzetessége, hogy az adott megvilágító alkalmazása esetén a minimális (ΔE≈1-2 CIELAB egység) színkülönbséggel rendelkező tesztminta halmaz tagjai vizuálisan mennyire különböztethetők meg egymástól. Boyce26,27 vizuális kísérletei alapján színdiszkriminációs indexet dolgozott ki, melynek alapgondolata a kiválasztott 8 darab Munsell minta által az adott fényforrás alatt a CIE UCS egyenközű diagramjában kifeszített oktagonális terület nagyságának vizsgálata volt.
Megállapította, hogy a kísérleti elrendezésében használt 300lx és 1000lx megvilágítási szinten a Farnsworth-Munsell 100Hue teszt28 korongjainak sorba rendezésekor a kísérleti személyek annál kevesebb hibát követnek el, minél nagyobb a tesztminták által kifeszített terület. Később ugyan több szerző is megmutatta, hogy a CIE UCS diagramja sem egészében egyenközű, azonban azon a területen, ahova a gyakorlatban használt tesztfényforrások által megvilágított színminták (pl. Farnsworth-Munsell 100Hue teszt) színkoordinátái esnek, a színingertér anomáliái csak csekély mértékben mutathatók ki.
Fényforrás színdiszkriminációs képességének számszerűsítésére Schanda és Czibula29 8 darab elsődleges tesztminta, és azok mindegyike köré elhelyezett 8 darab másodlagos színminta megkülönböztethetőségét vizsgálta, és speciális színdiszkriminációs indexet alkotott a színinger különbségek és azok standard szórását (δi) számolva.
i
k ik
ik
i E D a
S E
sCDI Δ − δ
Δ
=
∑
= ∗
∗
8 ) (
) (
8
1 65 (1)
ahol ΔEik*(D65) és ΔEik*(S) színinger-különbségek a centrálisan elhelyezett nyolc színminta mindegyike és az azok körül elhelyezett nyolc másik minta között kerültek kiszámításra, a mintákat D65 referencia fényforrással és az S teszt fényforrással megvilágítva. „i” az i-dik központi mintát jelenti és „k” pedig azok szomszédjait. Az „a” pedig egy paraméter, melyet úgy határoztak meg, hogy az sCDI optimális egyezést mutasson Boyce és Simons vizuális kísérleteinek eredményeivel.
A világító dióda alapú fényforrások színminőségét Vienot30 és társai a színdiszkrimináció és színmegjelenés alapján vizsgálták. 32 színmintából álló, egyedileg készített gyűjtemény sorrendbe állítása volt a feladat, különböző tesztfényforrások alatt. A tesztminták L*=80 világosság és azonos króma mellett a színkör mentén helyezkedtek el, egymástól ΔE=3 CIELAB egység távolságra. A tesztfényforrások között szerepelt szűrőzött halogén izzólámpa, RGB világító dióda, RGB világító dióda borostyán színű LED kiegészítéssel, fényporos hideg fehér LED és vörös LED kombinációja, valamint egy összetett, RGB világító diódát, meleg- és hidegfehér fényporos LED-eket valamint vörös és borostyán színű LED-eket tartalmazó egyedileg készített tesztfényforrás is. A kísérleteket 40 megfigyelő végezte el. A kiértékelésnél azon megfigyelők számát határozták meg, akik a sorrendbe állításnál hibáztak. Tapasztalataik szerint az RGB világító diódák, valamint az RGB világító diódát és borostyán színű LED-et tartalmazó tesztfényforrás esetén kétszer annyi megfigyelő hibázott, mint a többi tesztfényforrás esetén.
3.1.6 A színpreferencia kérdése
A színpreferencia megfogalmazása Judd31 nevéhez fűződik, amely definíció hasonlít a színvisszaadáséhoz, azzal a különbséggel, hogy a színvisszaadásnál referenciaként használt színi megjelenést a színpreferencia esetén az adott színes felület preferált megjelenésével helyettesítjük. A fényforrások jellemzésére bevezetett flattery index azt mutatja, hogy az adott tesztfényforrás milyen mértékben képes a színes felületeket úgy megjeleníteni, ahogy azt az emberi megfigyelő látni szeretné. Ezt az értéket Sanders32, Bartleson33, valamint Buck34 és
Clark35 eredményeit felhasználva, valamint a CIE színvisszaadásra vonatkozó számítási képletét figyelembe véve a következő képlet alapján határozták meg:
K f
f E
R =100−0,839Δ , (2)
Ahol ΔEf,K a preferált színek és a teszt fényforrás alatt megjelenő minták között számított színinger-különbségek számtani közepe. Jerome36 olyan kísérleti elrendezést épített, amelynek segítségével a megfigyelő két különböző fényforrás spektrumát tudta keverni. Feladata a két tesztfényforrás olyan keverékének beállítása volt, amely esetén a CIE 13-as publikációban elfogadott 14 tesztminta egyenként a legkellemesebb vizuális hatást kelti. Eredményei azt mutatták, hogy egyes színminták (6. világoskék, 7. világos ibolya, 10. erős sárga, 12. erős kék) esetén a keverék aránya erősen befolyásolja azok megjelenését, míg mások (2.
sötétszürkés sárga, 3. erős sárgászöld, 14. levélzöld) esetén a keverékarányok nincsenek jelentős hatással a színminták érzet szerinti megjelenésére. Általánosan kijelenthető, hogy az élénk, színesebb megjelenést a megfigyelők jobban preferálták. Az Ra és Rf értékek összehasonlításával belátható, hogy a két skála nem arányosan változik egymáshoz képest. Az Rf index számítási képletében szereplő konstans megváltoztatásával a következő képlet segítségével számolt index azonos skálázású Ra-val, így a két metrika könnyebben hasonlítható össze.
K f
f E
R =100−4,6Δ , (3)
Ezzel a kísérlettel beigazolódott az a korábbi sejtés is, hogy egyetlen index nem feltétlenül szolgáltat elegendő információt a fényforrások minősítéséhez, ugyanis a kisebb Ra értékkel rendelkező fényforrást gyakran nagyobb arányban használták a legkellemesebb megjelenés előállításához, mint a nagyobb Ra értékkel rendelkező másik tesztfényforrást. Thornton37 már az eddig említett három területen végzett vizuális kísérleteket, melyek segítségével 11 fényforrás színvisszaadási, színdiszkriminációs és színpreferencia szerinti jellemzőit vizsgálta. Kísérleteiből kiderült, hogy egyes tesztfényforrások a három különböző metrika egyike szerint kiemelkedőnek adódnak, addig egy másik metrika szerint ugyanarra a tesztfényforrásra kicsi index adódik. Megfigyelése szerint a jó szín-
megkülönböztetést biztosító fényforrások színvisszaadási képessége és különösen színpreferenciája rossznak adódik. Amely lámpák preferált megjelenést biztosítanak, azok egyszerre jó diszkriminációt és rossz színvisszaadási képességet produkálnak. A fenti ellentmondásos eredmények miatt javasolta a fényforrások alkalmazási területétől függően különböző indexek szerinti rangsorolását.
Einhorn38 számításai alapján több preferencia indexet határozott meg a CIE UCS diagramban az u’ koordináta eltolódásának alapján. A preferenciával kapcsolatos kísérletek mutattak rá igazán arra a tényre, hogy míg egyes fényforrások egyes színingerek esetén kedvező megjelenést nyújtanak, más színminták esetén ez nem feltétlenül teljesül, ezért ilyen tekintetben is fontos az átlagot adó általános index helyett a speciális indexek használata a fényforrás alkalmazási területét figyelembe véve.
3.1.7 Duál indexek
Halstead és szerzőtársai39 a CIE Ra számítási elvét alapul véve általános RDLT és RINC duál indexet vezettek be. Az indexben található DLT rövidítés a természetes sugárzáseloszlás angol megfelelőjére utal, míg az INC az izzólámpa angol megfelelőjét jelenti. Ezek a duál indexek a CIE eljárásához hasonlóan speciális RDLT és RINC indexek átlagából számíthatók a 13-as publikációban meghatározott 8 tesztmintára, referenciaként az RDLT esetében 6504K korrelált színhőmérsékletű természetes sugárzáseloszlást, RINC esetében pedig izzólámpát használva. Az így származtatott indexek természetüknél fogva jól korreláltak az akkori munkákból származó eredményekkel, azonban a kétféle referencia esetére ugyanolyan algoritmus szerint számított duál index az elfogadott CIE színvisszaadási index problémáit nem orvosolta.
3.1.8 Vizuális tisztaság
Aston és Bellchambers40, valamint Bellchambers és Godby41 kísérleteinél megfigyelte, hogy egy jó színvisszaadással rendelkező lámpa a vizuális észlelet szerint a színes felületek élénkebb, fényesebb megjelenését idézi elő, mint ami a mérési eredményekből következik. A kísérlet során két középszürkére mázolt
megfigyelődobozban berendezett, színes vázát, művirágot, könyveket valamint drapériát tartalmazó összeállítást világítottak meg. Egyik dobozban nagy fényhasznosítású, közepes színvisszaadási index-szel rendelkező referencia fényforrás, a másik dobozban egy nagy színvisszaadási index-szel rendelkező „de luxe” fénycső működött. A megvilágítási szintet úgy kellett beállítani, hogy az itt található összeállítás megjelenése a referencia megvilágítóval azonos legyen.
Megállapítható, hogy a megfigyelők a jó színvisszaadással rendelkező „de luxe”
fénycső megvilágítási szintjét átlagosan 20 százalékkal kisebbre állították a referencia oldal megvilágítási szintjéhez képest. 1972-ben a kísérletet két azonosan berendezett szoba segítségével ismételték meg, és előző kísérleti eredményeikkel megegyező eredményre jutottak, vagyis azonos megvilágítási szint mellett a nagyobb színvisszaadással rendelkező lámpák nagyobb fokú vizuális tisztaságot nyújtottak, mint a nagy fényhasznosítású, kisebb színvisszaadási index-szel rendelkező fényforrások. A fényforrás színminőségének megítélésekor a vizuális tisztaság ugyan megfontolásra alkalmas tényező, viszont szubjektív pszicho-fizikai mennyiségként önállóan nem alkalmas a színminőség leírására.
3.1.9 Colour Quality Scale
Néhány fényforrás, amely kitűnő színvisszaadással rendelkezik kevésbé telített tesztminták esetén, nagyon rossz eredményeket ad telítettebb minták esetében (különösen igaz ez a keskenysávú, csúcsokkal rendelkező világító dióda alapú fényforrások esetén). A CIE CRI módszer tesztmintái inkább kis-közepes telítettségű színmintákat tartalmaznak, továbbá a metrika bünteti azokat a fényforrásokat, amelyek a tesztmintáknak a referenciához képest telítettebb megjelenését eredményezik, holott ez több alkalmazás esetén is kedvező hatású.
Davis és Ohno42 ezért a színminőségi skála (Color Quality Scale-CQS) felállításánál 15 Munsell mintát választott ki. A preferencia figyelembe vétele érdekében a CQS különbséget tesz színezetbeli és telítettségbeli eltolódások között és figyelembe veszi a telítettségbeli eltolódások irányát is. Az Ra érték meghatározásánál alkalmazott átlagszámítás elfedi az egyes tesztminták esetében okozott nagymértékű színkülönbségeket, ezt a CQS a színkülönbségek szórásának
beépítésével megmutatja. A CIE jelenleg elfogadott színvisszaadási módszere csak színhűséget határoz meg, vagyis egy referencia megvilágító alatti ideálisnak tekintett megjelenéshez képesti különbségek alapján értékeli a tesztfényforrást. A CQS meghatározásához 15 darab olyan színmintát választottak, amelyek az adott színezetet tekintve igen nagy krómával rendelkeznek, megközelítőleg egyenletesen helyezkednek el a CIELAB színkör mentén.
3. Táblázat: a CQS számításához használt színminták Munsell jelölései 7.5P 4/10 10PB 4/10 5PB 4/12 7.5B 5/10 10BG 6/8 2.5BG 6/10 2.5G 6/12 7.5GY 7/10 2.5GY 8/10 5Y 8.5/12 10YR 7/12 5YR 7/12 10R 6/12 5R 4/14 7.5RP 4/12
A CQS a vizuális tapasztalatoknak megfelelően a fényforrást nem bünteti abban az esetben, ha a tesztminták krómája növekszik. Bünteti viszont a referenciához képesti színezetbeli vagy világosságbeli bármely irányú eltolódást, valamint króma csökkenést. Ilyen módon a színpreferencia hatását is, és a gamut méretének változásával a színdiszkrimináció hatását is figyelembe veszi.
A referencia megválasztásának kérdése egy újabb bonyolult témaköre a színvisszaadás problémájának. A CRI módszer a tesztfényforrással azonos korrelált színhőmérsékletű referencia fényforráshoz képesti színinger-különbségekkel számol, holott extrém korrelált színhőmérsékletek (kékes vagy vöröses fény) esetén a fényforrás színkészlete (gamut) csökken, így az általa biztosított szín- megkülönböztetési képesség is romlik. A CQS-ben a referencia fényforrás megválasztásakor alkalmazzuk a CRI módszer során is használt eljárást, azzal a különbséggel, hogy nem törekszünk a tesztfényforrással azonos színhőmérsékletű referencia fényforrás kiválasztására, miután egy ily módon kiválasztott referencia fényforrás CQS indexe 100 lenne, még az extrém korrelált színhőmérsékleteken tapasztalt nagyon kedvezőtlen vizuális tapasztalatok ellenére is. Emiatt a CQS-ben először a tesztfényforrással azonos korrelált színhőmérsékletűnek választjuk a referencia megvilágítót, majd egy szorzótényezővel módosítjuk a véglegesként választott referencia megvilágító korrelált színhőmérsékletét. Ennek a szorzótényezőnek a meghatározása feltételezi, hogy a 15 tesztminta által a CIELAB színingertérben meghatározott színkészlet (a 15 tesztminta színkoordinátáinak összekötéséből előállt tetrahedron területe) csökkenése rosszabb színvisszaadáshoz
és kedvezőtlenebb színdiszkriminációhoz vezet. A szorzótényezők meghatározásánál a 6500 K korrelált színhőmérséklet esetén kifeszített színkészlet tekintendő viszonyítási alapnak. Megfigyelhető, hogy ez a színkészlet a 4000 K és 5000 K korrelált színhőmérsékletű referencia fényforrások esetén nagyobb, mint a viszonyításnak tekintett 6500 K esetén, azonban a szorzótényezőt ezekben az esetekben is 1,00-ben határozták meg. A szorzótényező bevezetésének hatására a tesztfényforráshoz rendelt referencia fényforrás korrelált színhőmérsékletét a 3500K – 6500K korrelált színhőmérséklet tartományban nem módosítjuk, így a vizuálisan kedvező tesztfényforrások CQS indexe közelítőleg 100-nak is adódhat, míg az ezen a tartományon kívüli, vizuálisan egyébként kedvezőtlen hatást nyújtó lámpáké a szorzótényező büntetése miatt csökken.
4. Táblázat: A 15 tesztminta által a CIELAB színinger térben meghatározott színkészlet a CQS számításánál használt különböző korrelált színhőmérsékletű referencia fényforrások esetén
5A színkészlet nagysága a CQS meghatározásakor használt 15 tesztminta színkoordinátáinak összekötésével nyert sokszög CCT [K] színkészlet
nagysága5 szorzótényező
1000 2645 0,32
1500 5424 0,65
2000 6902 0,83
2500 7676 0,93
2856 7987 0,97
3000 8075 0,98
3500 8268 1,00
4000 8347 1,00
5000 8341 1,00
6000 8274 1,00
6500 8211 1,00
7000 8151 0,99
8000 8040 0,98
9000 7947 0,97
10000 7868 0,96
15000 7620 0,93
20000 7495 0,91
A jelenlegi színvisszaadási index egy hasonló jelentőségű problémája, hogy egy olyan fényforrás is elérhet kiemelkedően nagy színvisszaadási indexet, amely a mostani tesztminta halmaz tagjai közül 1-2 minta esetében nagy színinger- különbséget idéz elő a referenciához képest. Ennek a hatásnak a figyelembevételére a CQS-ben a színinger-különbségek átlagolása helyett azok négyzetes középértékét számoljuk az alábbi képlet alapján:
∑
=Δ
=
Δ 15
1 2
15 1
i i
RMS E
E (4)
A CRI-ben a skálázáshoz használt szorzótényező a CQS esetén 2,81-re változott, a tesztminták megnövekedett száma miatt, azonban a CQS és a CRI skálája közötti átjárhatóság jele, hogy a CIE által rögzített fénycső sugárzáseloszlásokra (F1-F12) számított átlagos Ra index (=75,1) megegyezik ugyanezen lámpákra számított CQS értékkel. A CIE CRI módszer még negatív Ri indexet is szolgáltathat, és ez a színvisszaadás fogalmának értelmezése tükrében zavaró lehet. Ezt a problémát a CQS esetében egy logaritmikus transzformációval oldották meg, amely a 20 feletti CQS értékek esetén biztosítja az eredeti skálával való egyezést, míg a 20 alatti CQS értékek esetén logaritmikus léptékben 0-hoz konvergáló értékeket szolgáltat.
[
exp( /10) 1]
ln
10∗ +
= in
out R
R (5)
Rin értéke még negatív értéket is felvehet, Rout azonban már nemnegatív szám. A CQS jelenlegi alakjában még az elavultnak mondható von Kries színi adaptációs transzformációt használja, a jövőben azonban ez a Bradford43 vagy a Színmérési Társulat (Colour Measurement Committee) CAT20044 vagy a CIECAM02 színmegjelenési modellben már alkalmazott CIE CAT0245 transzformációk egyikére cserélhető. A jövőben a felmerült nemlinearitás miatt felülvizsgálandó a CIELAB színkülönbségi formula helyett más, újabb színkülönbségi formula (például a CIEDE200046) használata.
3.1.10 A színminőség leírásának legújabb lehetőségei
A Nemzetközi Világítástechnikai Bizottság 2002-ben TC1-62 számmal technikai bizottságot alapított a fehér színű világító dióda alapú fényforrások színvisszaadásának vizsgálatára. A Technikai Bizottság céljait a következőképp határozták meg: A fehér színű világító dióda alapú fényforrások színvisszaadási tulajdonságainak vizsgálata vizuális kísérletek segítségével, valamint a CIE jelenlegi színvisszaadási index használatának lehetőségei fehér LED-ek esetén.
2006-ban a technikai bizottság zárójelentésében 3 laboratórium munkáját foglalta össze. A hiroshimai egyetem laboratóriumában multispektrális kamera segítségével pixelenként határozták meg ötféle természetet ábrázoló fénykép tristimulusos értékeit, majd ezek különféle fényforrásokkal (köztük kilenc RGB LED-el és egy fényporos LED-el) megvilágított megjelenését szimulálták katódsugárcsöves monitoron. A megfigyelők feladata 18 melléknév pár szerinti ítéletalkotás volt (pl.
hideg-meleg, telítetlen-telitett, csodálatos-csúf). A főkomponens analízis két lényeges szempontot mutatott ki, az elsőnek (70%) a színdússág, míg a másodiknak (16%) a színhűség adódott. A színhűség jól korrelált a CIE jelenlegi Ra indexével, de a színdússág gyenge korrelációt mutatott47.
A TC1-62 jelentésében a jelenlegi színvisszaadási index használatát nem javasolta, ha a tesztfényforrások között világító dióda alapú fényforrás is található. Egy jövőbeli technikai bizottság számára javasolta új színvisszaadási index (vagy több ilyen index) kidolgozását, amelynek eleinte csak a jelenlegi CRI módszer melletti kiegészítő szerepet szán, majd az új metrika sikeres integrációja után javasolta a jelenlegi index cseréjét. Az újonnan kidolgozandó módszernek általánosan, minden fényforrásra – tehát nemcsak ezen technikai bizottság céljaként szereplő fehér LED alapú fényforrásokra – kielégítő eredményt és a vizuális tapasztalatokkal jó korrelációt kell mutatnia. Megerősítette, hogy a modern fényforrások színminőségének komplex leírásához, illetve ezen mérőszám felhasználó felé történő kommunikációjához, többféle tényezőtől – így a színhűség mellett a színdiszkrimináció, színpreferencia és színharmónia torzítási jellemzőtől – függő összetett formulát javasol. 2006-ban alakult meg a TC1-69 számú technikai bizottság, melynek feladata a fehér fényű fényforrások színvisszaadásának
vizsgálata. Li és társai48 négyféle új mértéket definiáltak a színvisszaadás számszerűsítésére. A színtérfogat a színingertér azon térrészének nagyságát mutatja, amely az adott fényforrás esetén realizálható. Ennek a 3 dimenziós általános testnek a térfogatát a tetraéderekké való felbontás segítségével adhatjuk meg, ahol minden tetraéder egy közös csúcsból indul ki, amely a test tengelyében húzódó világossági skála közepe (L*=50). A közös terület mértékének meghatározásához a 3 dimenziós test L*=50 világossági szinten való keresztmetszetét kell tekintenünk. Ebben az a*-b* metszetben a referencia és a tesztfényforrás által kifeszített síkidomok közös területét a szerzők az L*-C* síkon és az a*-b* síkon is mértéknek tekintik. A negyedik mérték a közös térfogat szintén a tetraéderek térfogatának összegéből számítható. A számításoknál D65 sugárzáseloszlást és annak hatféle szimulátorát (köztük világító dióda alapú megoldást is) vizsgálva megállapították, hogy az újonnan származtatott mértékek nem térnek el jelentősen a CRI és CQS indexek eredményeitől. Ezen kívül a CRI és CQS formulák tesztminta függőségét is ellenőrizték a CRI esetében definiált 14, a CQS esetében használt 15, a GretagMacBeth ColorChecker Chart 24 mintája, valamint 684 féle reflexiós spektrum alapján. Megállapították, hogy a CIE CRI módszerében használt 14 reflexiós spektrum helyett a CQS számításánál használt 15 reflexiós spektrum használata az Ra index nagymértékű változását vonja maga után. Hasonló mértékű változás tapasztalható, ha a CQS számításánál használt 15 reflexiós spektrum helyett a CRI számításánál használt 14 reflexiós spektrumot használjuk. A 684 darab reflexiós spektrum használatával közel azonos Ra és CQI értékek adódnak, mintha a CQS módszerben használt 15 reflexiós spektrumot használnánk mindkét számítás során. A vizsgálatok azt mutatták, hogy sem a CIE jelenlegi színvisszaadási indexe, sem pedig a CQS nem tesztminta független mennyiség, azonban a tesztminták változtatása a kísérletben szereplő hat természetes sugárzáseloszlás szimulátor sorrendjét nem változtatja meg.
Sándor PhD disszertációs munkájában49 vizuális kísérletekkel igazolta, hogy a CIE 13.3 publikáció szerinti színvisszaadási index nem korrelál jól a vizuális megfigyelésekkel. Kimutatta, hogy Ra=80 általános színvisszaadási indexnél nagyobb általános színvisszaadási index-szel rendelkező fényforrás esetén a
vizuális észlelet és a matematikailag meghatározható színinger különbségek közt a sztochasztikus kapcsolat gyenge. Az Ra módszer tesztmintáktól való függőségét vizsgálva az irodalomban található megállapítással szemben megmutatta, hogy a színvisszaadási index számításánál a CIE eredeti színmintáit (pasztell Munsell minták) a GretagMacbeth ColorChecker Chart telített mintáira lecserélve a fényforrások színvisszaadási jósági sorrendjében változás nem következik be.
Thornton korábbi felvetését cáfolta azzal, hogy a színvisszaadási index nem korrelál az Ra meghatározásához használt nyolc színminta CIELAB térben lefedett területével. Kísérletileg kimutatta, hogy a színvisszaadás elvi definíciója szerint végrehajtott vizuális kísérletek jobban korrelálnak a CIECAM02 színmegjelenési modell alapján számolt index-szel, mint a CIE 13.3 publikációban használt, ma már a CIE által visszavont U*V*W* térben és von Kries transzformáció alapján végzett index meghatározással. Boissard és munkatársai50 a világító dióda alapú fényforrások színminőségét vizsgálták, három egymás mellett elhelyezett megfigyelődoboz segítségével. Kísérletükben a jobb szélső megfigyelődobozt halogén izzóval vagy fénycsővel világították meg, míg a középső és bal oldali megfigyelődobozban 5 különböző világító diódából (fehér, türkiz, zöld, borostyán és vörös) épített fényforrás üzemelt. A három megfigyelődobozban 230 ± 6 lux megvilágítási szintet állítottak be, 3020 K ± 80 K korrelált színhőmérséklet mellett.
A fehér LED-hez először egyenként a vörös és a borostyán színű LED-eket keverték, majd a fehér LED-hez a türkiz és a vörös, majd a zöld és a vörös, valamint a borostyán és vörös színes LED párokat keverték. Az így előállt ötféle színképen kívül a fehér és az összes színes LED alkalmazásával összesen hatféle színképi eloszlást nyertek. A három megfigyelődobozban zöldségeket, gyümölcsöket és a Macbeth ColorChecker színmintagyűjteményt helyezték el. A megfigyelők feladata a középső megfigyelődobozhoz képesti értékelés volt. A színhűség számszerűsítésére 0-tól 6-ig terjedő skálát használtak, a természetes objektumok megjelenése közül a legtermészetesebbet kellett kiválasztani, színmintagyűjtemény esetében pedig a színdússág szerinti sorrendet kellett felállítani. A vizuális eredmények azt mutatják, hogy a színvisszaadás tekintetében a világító dióda alapú fényforrások jobbak, míg természetesség szerint a
