Achromatické světlo • „Bílé světlo" : signál složený ze záření všech vlnových délek viditelného spektra • Difúzní odraz dopadajícího světla na povrchu těles: odraz > 80 % - bílé předměty odraz < 3% - černé předměty • Kolik úrovní šedé barvy rozlišíme ? Stačí 32-64 • Lidský vizuální systém je schopen adaptace na různé úrovně intenzity. Dolní a horní mez vnímání intenzity se liší násobkem 1010 ! Současně vnímáme několik desítek úrovní intenzity v určitém místě, při změně pohledu se podle úrovně intenzity na sledovaném povrchu vizuální systém přizpůsobí. 2017 prof. Otruba 2 Barevný vjem • Grassmanovy zákony (1854) - lidské oko vnímá: - dominantní vlnovou délku (odstín, "hue") - čistotu barvy (sytost, "saturation") - intenzitu (jas, "brightness") 2017 prof. Otruba Skládání světel V principu jde o skládání barevných světel (světelných zdrojů): • Červeného (red) • Zeleného (green) • Modrého (blue) V ideálním případě je spektrální šířka každého světla (světelného zdroje) 1/3 viditelného spektra aby výsledná směs - bílé světlo -obsahovalo všechny vlnové délky. 2017 Aditivní skládání barev (RGB) 2017 prof. Otruba Skládání barviv V principu jde o odečítání barevných složek (absorpcí částí spektra v pigmentu -barvivu) z bílého světla: • Purpurová (magenta) absorbuje zelenou • Azurová (cyan) absorbuje červenou • Žlutá (yellow) absorbuje modrou V ideálním případě každé barvivo absorbuje 1/3 viditelného spektra dopadající bílé světlo 2017 prof. Otruba Subtraktivní skládání barev (CMY) Yellow 2017 prof. Otruba Žlutý barevný pigment 2017 prof. Otruba 8 Barevný vjem • Vnímání jasu a barev Díky sondování celého spektra "jen" třemi druhy čípků se snadno může stát, že dvě nebo i více různých složených spekter je vyhodnoceno okem a mozkem stejně a to i přesto, že se jedná o dvě zcela rozdílná spektra. Potom se jeví tato rozdílná spektra jako stejná barva a jsou tedy okem nerozlišitelné. • Vidění versus fotoaparát I dnešní nejdokonalejší fotoaparáty se bohužel schopnostem oka a zejména mozku jen přibližují. Schopnosti, které má zdravý člověk (dynamický rozsah vidění, schopnost vyvážení bílé, gamut, ostření, noční vidění atd.), jsou zatím technikou naplněny jen zčásti. 2017 prof. Otruba 9 Vlastnosti zraku • různá citlivost na červenou (0.3), zelenou (0.6) a modrou (0.1) barvu - navíc střed žluté skvrny téměř neobsahuje "modré" čípky • zaostřuje se podle jasové složky (Y = R+G) - nelze dobře zaostřit na rozdíly v modré složce • integrační schopnost sítnice - vnímáme samostatné tečky a zároveň jejich hustotu 2017 prof. Otruba 10 Vizuální přenos • Zahrnuje 3 procesy : fotochemický, biochemický a elektrický • Fotoreceptorové buňky oka jsou tyčinky a čípky. Každý typ má zploštělé disky, které obsahují fotoreceptorový pigment. Tento pigment je rhodopsin v tyčinkách a červený, ze ený a modrý pigment v čípcích. Rhodopsin je transmembránový protein s prostetickou skupinou 11-cis-retinal. Rhodopsin bez 11-cis-retinalu = opsin. 11-cis-retinal 2017 prof. Otruba 11 Vlastnosti systému vidění • větší rozlišovací schopnost ve svislém a vodorovném směru - v šikmých směrech asi o 30% menší • přeostřování na barvy vzdálené ve spektru • setrvačnost ("afterimage") - laterální inhibice nervových buněk • očekávání ("expectation") - psycho-fyziologická vlastnost 2017 prof. Otruba Vnímání barev Citlivost předpokládaných tří druhů čípků - na vlnovou délku A reaguje každý detektor jinou velikostí podráždení - barevný vjem může být charakterizován mimo vínové délky záření i relativní velikostí podráždění receptoru. Obojí způsob je podle potřeby používán. Míšením signálů vzniká v mozku informace o barvě. Analýza těchto dat, kdy každá tyčinka a čípek říká něcojiného, odpovídá výpočetnímu výkonu, na který se nehrabe žádná grafická karta na světě! 100 ■ Spektrální profil citlivosti lidského oka. Tyto křivky byly naměřeny nepřímými metodami a neodpovídají přesně absorpčním spektrům barviv izolovaných z oční sítnice - spektrální citlivost jednotlivých receptoru se částečně překrývá 2017 prof. Otruba 13 Monochromatické světlo • Čípky dovedou rozlišit pásma o šířce cca 2 nm, cca 150 barevných tónů (monochromatických světel) -barevných tónů sytých • Směs všech monochromatických světel je světlo bílé 2017 prof. Otruba Barevný tón, sytost • Dvě nebo více monochromatických světel tvoří směs, jejíž barevný tón je shodný s tónem určitého monochromatického světla, ale sytost směsi je vždy menší. • Směs několika monochromatických světel je světlo složené. Světlo složené a světlo monochromatické, která se jeví ve stejném barevném tónu, se označují jako světla podmíněně podobná (metamerní). 2017 prof. Otruba 15 Odstín barvy (hue) Díky reprezentaci barev pomocí kola je možné odstín barvy (Hue) vyjádřit jako úhel ve stupních od 0 do 360. Odstínem barvy (Hue) se přitom myslí barva ve své čisté podobě, tedy nezatížená tím, jak je světlá či tmavá, či jak velké množství bílé má v sobě přimícháno. Odstín je tedy to, co má většinou běžná jména, jako "červená", "modrá", "žlutá" atd. Současné RGB modely přiřadily úhlu 0° barvu červenou, úhlu 120° barvu zelenou a úhlu 240° barvu modrou. 2017 prof. Otruba 16 Sytost barvy (saturation) Sytost barvy, neboli její čistota jednoduše znamená, jak moc se barva odlišuje od šedé. Přitom nezáleží na tom, jak moc světlá či tmavá šedá to je, ale pouze na tom, ak moc se od "nějaké šedé" Darva odlišuje sytá barva neobsahuje příměs šedé (černé a bílé) 2017 Otruba 17 Světlost barvy (lightness) • Světlost barvy vyjadřuje, jak moc světlá se barva jeví, a označuje se často slovy jako "světle modrá", "tmavě červená" atp. • Udává se opět v % • 100 % - zcela bílá a označuje maximální jas, kterého je zařízení schopno. • 0 % = černá, čili zcela tmavý (černý) bod. 2017 Maximální rozsah, kterého je zařízeni schopno prof. Otruba 18 Barevný model RGB RGB model lze zobrazit jako krychli, kde jednotlivé x, y, z osy odpovídají modrému, červenému a zelenému světlu. Na úhlopříčce krychle je potom stav, kdy všechna tři světla svítí na maximum, tedy vytvoří bílou. Velmi zjednodušeně říká, jak moc je drážděn červený (R-Red) receptor oka, jak moc je drážděn zelený (G-Green) a jak moc modrý (B-Blue). Sada 3 čísel RGB potom určuje jak barvu, tak i intenzitu světla 2017 RGB=255,255,0 RGB=255,255,255 Intenzita svetla modrého (0.J55) prof. Otruba 19 RGB obraz a jeho tři RGB složky Světlá obloha se skládá ze všech RGB složek (všechny jsou poměrně světlé), červený květ má jen složku červenou a pole se skládá ze zelené a trochy červené. Modrá složka v barvě pole i květu téměř chybí (je hodně tmavá). 2017 Barevný model CMY CMY model je teoreticky inverzní k modelu RGB. Lze ho tedy popsat stejnou krychlí, ale s výchozím bodem v bílé barvě (vpravo nahoře) a s barvivy (inkousty) doplňkovými k barvám RGB, tedy CMY. Reálná barviva mají jinou barvu než přesné doplňkové barvy k RGB. CMY=C, CMY=0,0,C CMY=0,0,255 | CMY=3$5,Q.255 CMY= =255,C,Q CMY=255r;255,3!55 CM V=;S 5,255,0 2017 prof. Otruba 21 CMY obraz a jeho CMY složky CMY model je subtraktivní model, tedy založený na odčítání RGB barev při odrazu bílého světla od barviv. Přidáním všech barviv naplno se vytvoří černá barva, neboli všechno světlo je pohlceno. 2017 prof. Otruba Diagram chromatičnosti CIE Obvod podkovy vyznačuje polohu monochromatických (sytých) světel, souřadnice x=y=0,33 určují polohu bílého světla (C), tedy barev nepestrých (bílá, šedá, černá). Křivka uvnitř plochy je tzv. čára teplotních zářičů. Konce podkovy spojuje přímka, vyznačující polohu směsí fialového a červeného světla (purpurové barvy nespektrální). Celkem na podkově je rozlišeno 150, na přímce 30, celkem 180 tónu barev pestrých. 2017 prof. Otruba 23 Vlastnosti CIE diagramu • všechny viditelné barvy jsou uvnitř podkovy • intenzita (světlost) barev je ignorována, dvě barvy se shodným tónem a sytostí se promítají do stejného bodu diagramu • spektrální (monochromatické) barvy leží na křivkovém okraji podkovy • úsečka mezi modrou a červenou barvou je „purpurová čára" • bod C je „bílý bod" • protože xy-rovina je projekcí lineárního prostoru (barevného prostoru), lze také skládat barvy lineárně na ClE-diagramu • komplementární barvy jsou barvy, jejichž kombinací složíme bílou • dominantní vlnovou délku barvy nalezneme na polopřímce spojující bílou a testovanou barvu. Je to průsečík s křivkovým okrajem podkovy 2017 prof. Otruba 24 Vlastnosti CIE diagramu • Směs světel K a L leží na spojnici KL. Barevný tón odpovídající směsi např. v R'odpovídá průsečíku spojnice R'a B s podkovou. Směs dvou spektrálních světel je vždy méně sytá než základní složky. • Barvy dávající smísením bílou (M, N) jsou doplňkové. 2017 prof. Otruba 25 1 book 4QaaK 55QQK 8000 k Teplota chromatičnosti i2000k 16000k Barevná teplota charakterizuje spektrum bílého světla. Světlo určité barevné teploty má barvu tepelného záření vydávané černým tělesem, zahřátým na tuto teplotu. Člověk své vnímání barev přizpůsobuje světlu - bílý papír vnímá jako bílý, i když je vlivem osvětlení zabarvený. Fotoaparáty a kamery se naproti tomu musí na barevnou teplotu nastavovat Filmový materiál je naproti tomu většinou kalibrován na denní světlo, a barevné tónování se upravuje speciálními filtry 2017 200 180 160 no % 120 -| 100 I 80 5 60 40 20 0 1 / > V 7000 _ 6000 4 HUUU- 5005^ w vo m 500 5"4ŕ? 580 620 —(nm) 660 700 Rozložení energie ve spektru absolutně černého tělesa prof. Otruba 26 Teplota chromatičnosti • Vliv různé polohy slunce během dne na teplotu chromatičnosti 2017 prof. Otruba Teplota chromatičnosti Bílý papír není bílý. Má vždy barvu světla, které na něj svítí Na základě známé barvy předmětu provede mozek korekci signálu z očí tak, aby předměty zachovávaly svojí barvu. Mozek tedy eliminuje barvu osvětlujícího světla - provádí vyvážení jeho barvy (korekci) na bílou. 2017 prof. Otruba 28 Bílé světlo • Za bílou v lidském slova smyslu lze považovat takové světlo, které dráždí všechny tři druhy barvocitlivých receptoru oka stejně. Bílá je tak velmi subjektivní záležitost (jako vše související s viděním), a proto byly vytvořeny standardy pro bílou. 350 450 550 650 750 Vlnová délka [nm] Spektrum standardizovaného bílého světla D65 odpovídá polednímu, mírně zamračenému dni v Evropě a má odpovídající teplotu 6500K 2017 prof. Otruba 29 Barva typických světel Teplota v K Typický zdroj světla 1200-1500 Svíčka 2500-3200 Běžná žárovka (40-200W) 3000-4000 Východ a západ slunce 4000-5000 Zářivka 5000-6000 Sluneční světlo (slunný den), fotografický blesk 6000-7000 Zamračený a mlhavý den 7000-8000 Fotografie ve stínu slunce 8000-11000 Modré nebe bez slunce (hory) 9000KH 8000K -7000K-6000K-5000K-4000K - J Modré nebe na horách 2017 prof. Otruba Stín Zamračený den Přímé slunce, fotografický blesk Západy a východy slunce Žárovky Svíčka 30 Barvy předmětů Ideální šedá plocha (1) Ideální modrá plocha (3) Skutečná modrá plocha (2) vykazuje ve srovnání s ideální příměs černé (Č) a bílé (B) barvy 100 o 0 400 3 ± N \ \ \ \ ^ 2 _I_1_1 500 600 —~~A (nm) 700 Spektrální reflektance ideálních a skutečných povrchových barev 2017 prof. Otruba 31 Soudobý kontrast Vliv sousedství černé a bílé na zdánlivou světlost a sytost barvy (podle Evanse) 2017 prof. Otruba Simultánní kontrast Velké čtverce v dvojici nad sebou se navzájem barevně liší jasem (vlevo), saturací (uprostřed) a barevným tónem (vpravo). Dvojice malých čtverců v jejich středu má vždy přesně tutéž barvu, nicméně kontrast s velkým čtvercem způsobuje, že vypadají, jako by jejich jas (vlevo), saturace (uprostřed) nebo barevný tón (vpravo) byly různé. 2017 Machovy pruhy Kontrast podél náhlých přechodů (hran) se oku jeví větší, než ve skutečnosti je. Díky tomuto efektu vypadá levá strana každého pruhu světlejší než pravá, ačkoli celý pruh je ve skutečnosti stejně tmavý. Na druhém obrázku Střední pruh je v celé své délce stejně šedý - většina z vás ho ale uvidí jako přechod od světle šedé (vlevo) do tmavší šedé (vpravo). Je to vliv okolní plochy. 2017 prof. Otruba 34 „Přecházení zraku" Rozhraní červené a modré barvy se jeví jako neklidné (podle Evanse). Je to způsobeno přeostřováním oční čočky podle ohniska příslušné barvy - barevná vada oční čočky 2017 prof. Otruba 35 Vliv spektrálního složení světla • Křivka spektrální reflektance plochy, která se jeví ve světle složeném vlnových délek A-,, A2, A3jako černá 2017 prof. Otruba Vjem bílého světla -A (nm) a) světlo zahrnuje všechny vlnové délky b) světlo zahrnuje jen tři vlnové délky A2, A3 c) světlo zahrnuje jen dvě vlnové délky A4, A5. • Ve všech třech případech se světlo jeví oku jako bílé! 'A(nm) 2017 prof. Otruba 37 Vliv složení světla na podání barev • Na horním snímku je scéna osvětlena světlem se spojitým spektrem (žárovka) • Na dolním snímku je scéna osvětlena směsí monochromatického červeného a modrozeleného světla, které se jeví oku jako bílé 2017 prof. Otruba 38 Světelné zdroje • Přirozené zdroje světla mají spojité spektrum, základem je sluneční světlo v našich zeměpisných šířkách o teplotě chromatičnosti 5500K. (nad atmosférou Země 6565K). Slouží jako srovnávací standard bílého světla. Ve stínu dosahuje při modré obloze až 12000K (ve stínu při sytě modré obloze na horách), při zatažené obloze 6000-8000K. • Umělé světelné zdroje mají často velmi složitý průběh spektra a je možné posuzovat pouze přibližně odpovídající teplotu chromatičnosti. Proto jsou zavedeny pojmy Colour Rendering (Ra) - podání barev ve srovnání se standardním osvětlením a • CRI - Colour Rendering Index (činitel věrnosti barvy, rozsah 0-100) je mezinárodní systém pro popis fyziologického vjemu barvy při osvětlení příslušným světelným zdrojem ve srovnání se slunečním světlem (CRI = 100). Obecněji se používá srovnání i pro zdroje jiné teploty chromatičnosti ve srovnání s příslušným zářením černého tělesa (žárovky CRI = 100) 2017 prof. Otruba 39 Kde používat produkty s vyšší hodnotou CRI(Ra)? Reasonable CRI Good CRI Excellent CRI • laboratoře, kontrolní a řídící místnosti, operační sály, ordinace, zubní laboratoře, grafické studia, video studia, dílny, pracovny, montážní haly. • Oblasti vhodné na přesnou reprodukci barev - kulturní prostory (galerie, výstavy, prezentace, muzea apod.) - relaxační prostory (sauny, bazény, fitness, restaurace, solné jeskyně apod.) 2017 prof. Otruba 40 Žárovky (CRI = 100) Nízkonapěťové halogenové žárovky Philips CAPSULEline Pro CRI = 100 Barevné korekce na teplotu chromatičnosti 5500 K barevné folie (např. IFF Florencie, Kodak Rochester) 2017 prof. Otruba 41 Zářivky s vysokým CRI (>90) Fluorescent lamps Zářivková trubice Philips TL-D 90 de Luxe Tchr = 3000K, 4000K, 5000K, 6500K g 500 I b 400 TL/930 Í00 200 100 0 I 500 f 400 I 300 IA a. íoo a 100 o TL /950 400 500 600 Ra = 9S 700 Wavelength in nm Ra - M 700 Wavelength in nm 500 •400 TL /940 I 300 S. 200 a 100 o TL /965 TL-D 90 de Luxe Ra = 95 700 Wavelength in nm Ra = 98 700 Wavelength in nm 2017 prof. Otruba 42 Xenónové výbojky 100 Pulzní bleskové fotografické xenónové výbojky mají teplotu chromatičnosti 5500K (korigované žlutým filtrem, D«0,1) nebo 6000K bez korekce na čáry Xe v modré oblasti spektra. CRI = 95-100. Kontinuálni xenónové výbojky (výkony do 20kW) pro projekci filmů a přisvětlení scény při denním světle. CRI = 90-98, Tch-5800K 200 300 400 50O 600 700 WAVELENGTH (nm) 800 900 1000 2017 prof. Otruba 43 Vysokotlaké výbojky • Výbojky s náplní směsi rtuti, halogenidů kovů (převážně vzácných zemin) a argonu, Dříp. xenónu, hořák je z korundu. • Příklad výbojky Philips MASTER Colour CDM-T s teplotou chromatičnosti 3000 K (CRI až 85) a 4200 K (CRI až 96) • Výkonové (až 5000W) mají CRI 55 - 85. 2017 metalhalidové CDM /830 L \ ■"--J L--- 300 400 500 600 700 80 Wavelength in nm CDM /942 300 400 500 600 700 Wavelength in nm prof. Otruba 44 LED (Light emitting diode ) zdroje • Moderní polovodičové zdroje světla. Mají již vysokou účinnost, dlouhou životnost a jsou otřesuvzdorné - důležité pro mobilní zařízení. • Spektrální vlastnosti jsou dány složením polovodiče (GaAs, InP, GaAlP, GaN, SiC,... • „Bílé" LED kombinují diodu emitující v modré oblasti spektra s luminoforem příp. s diodou emitující v dlouhovlnné obfasti. 2017 prof. Otruba 45 Vyvážení bílé - film Konverzní filtry • „Bílé světlo" může mít tedy různý odstín. Barevné materiály jsou vyváženy buď pro „denní" světlo (cca 5500 K) nebo „umělé" (cca 3200 K, označení T - tungsram). • Pro korekce teploty chromatičnosti se používají konverzní filtry načervenalé (snižují teplotu chromatičnosti) nebo namodralé (zvyšují teplotu chromatičnosti). • Pro měření teploty chromatičnosti se vyrábějí tzv. colortestery, které měří poměr intenzit modré a červené složky světla, příp. třípásmové, měřící poměry R:G:B. 2017 prof. Otruba 46 Hodnoty mired Konverzní filtry jsou vyráběny v sadách a jejich převodní hodnoty se udávají v miredech (m/'cro reciprocal c/egree) a=106/T (v podstatě reciproké teploty chromatičnosti) Výhodou je, že stejné diference v miredech odpovídají stejným diferencím v barvě vnímané lidským okem. Prakticky se používá jednotka 10x větší dekamired. V dekamiredech jsou nastavovány i barevné korekce u digitálních přístrojů (obvykle vyšší kategorie) 2017 prof. Otruba Korekce konverzními filtry Příklad: Svítíme-li žárovkami o barevné teplotě 2800K (350 Mired), tak modrý filtr, který posouvá barvu o -150 Mired (záporné hodnoty značí posun do modrých barev), ji změní na 200 Mired, což odpovídá 5000K. Naopak je-li světlo velmi modré (10000K = 100 Mired), červený filtr o hodnotě 100 Mired posune barvu světla na 200 Mired, tedy opět 5000K. 2017 prof. Otruba 48 Příklad nomogramu pro konverzní filtry feplofa chromapifnosfi osvětleni (v kelv/nech) 10000 - 9000 IĹf'A V-sm (ve stínu, na platí,\\- JOOO na horách) průměrné denní světlo jodová žárovka -Tungsram phot B- tirovka 100 W ~ 6000 5000 -3800 -3J0ť 3000 L2800 hodnota konverzního filtru (v miredech) 240 -192 - 96 12 -24 -48 V96 144 192 ^240 0 teplota chromatičnosti i na kterou je barevny film vyvážen (v miredech) 350 ľ- JOi 250 - 200- 150 - 100 3200 -5500 2017 prof. Otruba 49 Vyvážení bílé - digitální fotografie • vyvážení bílé se děje posunem signálu (změnou intenzity, citlivosti) z jednotlivých kanálů RGB (mícháním barev) • možné přístupy: • automaticky •přednastavené režimy (slunečno, žárovka, zataženo...) •ruční nastavení teploty chromatičnosti (ve stupních Kelvina) •kalibrace na bílou (šedou) tabulku •post-processing (focení do RAWu) 2017 prof. Otruba 50 Srovnání (Nikon D700, 3000K): kompaktní zářivka/halogenová žárovka 2017 prof. Otruba