Geometrická optikaVnímání a měření barev

světlo určitého spektrálního složení vyvolá po dopadu na sítnici oka v mozku subjektivní barevný vjem

fyzikální charakteristika subjektivní vjem

světelný tok subjektivní jas

vlnová délka

čistota

tón barvy

sytost barvy

subjektivní psychofyziologický vjem zprostředkovaný zrakovým orgánemvjem závisí na podmínkách pozorování

Barva

Geometrická optikaVnímání a měření barev

barevné vnímání zprostředkovávají čípky (tzv. fotopickévidění), které mají tři různé orgány citlivé na červenou, zelenou a fialově modrou složku barvy světla

citlivost základních tří orgánů pro vnímání barev je vyjádřena tzv.barevnými podněty

Geometrická optikaBarva světla

závisí pouze na spektrálním složení pozorovaného zářenív praxi existují různé zdroje světla s různým spektrálním složení

LED

zářivka

Geometrická optikaBarva předmětů

závisí na intenzitě světla vyzařovaného tělesem (např. odraženého nebo prošlého záření) a na spektrálním složení světla, kterým je předmět ozařován

)(λR

)(0 λI

)()()( 0 λλ=λ RII

vnímaná barva předmětučervené světlo bílé světlo

Geometrická optikaMíšení barev

zrak nemá schopnost rozlišovat jednotlivé barvy ve složeném světlestejný barevný vjem lze získat kombinací různých světel

Aditivní míšení barev

součtové skládání barev – sčítají se jednotlivé světelné toky a výslednéspektrum záření je poté vnímáno zrakem jako celekmíšením tří základních barev A,B,C lze získat jakoukoliv barvu Xsmícháním doplňkových barev vznikne bílá barva

X = A + B + C X + C = A + B

Geometrická optikaSubtraktivní míšení barev

odečítání barev z dopadajícího spektra zářeníze spektra se odebírají části světelného toku (pomocí spektrální propustnosti T(λ) vhodného barevného filtru nebo různé spektrální odrazivosti R(λ)povrchu předmětů)

λ

)(λT žlutý filtr

zelená barva

modrý filtr

Geometrická optikaMěření barev – systém RGB

aditivního skládání barev lze využít ke kvantifikování barev

barevný vjem může být vytvořen aditivním míšením tří primárních barevných podnětů (R,G,B) o definovaných světelných tocích ΦR , ΦG , ΦBve velmi širokém oboru pozorovacích podmínek

Φ = ΦR + ΦG + ΦB

barevné podněty spektrální barvy

charakterizují plněbarvu

RW

GW

BW

nm700=λR

nm8,435=λB

nm1,546=λG

)(λr

)(λg

)(λbkonst.)( =λrefW

)(, λ≡Φ λ Vrefe

),( 21 λλ∈λ ref

plochybílématně

referenční polemonochromatickásvětla

Geometrická optikaBarevné podněty spektrálních barev - experiment

spektrální složeníbarevného podnětu

RW

GW

BW

nm700=λR

nm8,435=λB

nm1,546=λG

)(λr

)(λg

)(λbkonst.)( =λrefW

)(, λ≡Φ λ Vrefe

),( 21 λλ∈λ ref

plochybílématně

referenční polemonochromatickásvětla

RRmR VWK )(λ=ϕ)(

dd

λ=λ

Φ=ϕ VWK refm

refrefBGRref ϕ+ϕ+ϕ=ϕ

])()()([1)( BGGGRRref

VWVWVWW

V λ+λ+λ=λ

GGmG VWK )(λ=ϕ

BBmB VWK )(λ=ϕ

)( BB VV λ=

Geometrická optika])()()([1)( BGGGRR

ref

VWVWVWW

V λ+λ+λ=λBarevné podněty spektrálních barev

Rref

RR V

WWrC )()(1 λ

=λ⇒= )()()()( λ+λ+λ=λ bCgCrCV BGR

∫∫∫∞∞∞

λλ=λλ=λλ000

d)(d)(d)( bgr

poměr světlosti barev R-G-B: 1:4.6:0.06 poměr zářivých toků R-G-B: 72.1:1.38:1

poměr světlosti barev R-G-B: 1:4.6:0.06 poměr zářivých toků R-G-B: 72.1:1.38:1

Geometrická optika

nm8,435nm1,546nm700 =λ=λ=λ BGR

Měření barev – systém RGB

světlo se dá jednoznačně určit pomocí složek R-G-B (barevné podněty danébarvy)

∫∞

λλλ=0

d)()( WrR

∫∞

λλλ=0

d)()( WgG

∫∞

λλλ=0

d)()( WbB

barevné souřadnice

BGRRr++

=

BGRGg++

=

BGRBb++

=

Geometrická optikaTransformace barevného systému R-G-B

barevný systém R-G-B má tu nevýhodu, že některé souřadnice barev (r,g,b) vycházejí záporné a bílý bod je nesymetricky umístěn v chromatickém diagramu

proto se provádí lineární transformace do systému XYZ, kde jsou všechny souřadnice kladné

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡⋅⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡=

⎥⎥⎥

⎦

⎤

⎢⎢⎢

⎣

⎡

bgr

zyx

59427,505651,0006010,059070,4113016,175175,17688,2

Geometrická optikaMěření barev – systém CIE 1931

podle normy Mezinárodní osvětlovací komise (CIE 1931, vzniklé na základěměření velkého počtu pozorovatelů, se předpokládá, že oko vnímá třemi základními fyziologickými orgány, jejichž citlivost k barvám je vyjádřena barevnými podněty (trichromatickými členiteli) spektrální barvy vlnovédélky λ

)(λx)(λy

)(λzbarevné podněty spektrálních barev

druhý barevný podnět je roven poměrné světelné

účinnosti záření)()( λ=λ Vy

Geometrická optika

při určování barvy světla se nejprve určí barevné podněty X, Y, Z, kterévytvoří světlo o spektrálním složení W(λ)

barevné podněty (trichromatické složky světla)

∫∞

λλλ=0

d)()( WxX ∫∞

λλλ=0

d)()( WyY ∫∞

λλλ=0

d)()( WzZ

hodnota Y je přímo úměrná celkovému světelnému toku]cd/m[683 2YL =jas barevného podnětu

barevné souřadnice (x,y,z)

barva světla je potom jednoznačně definována pomocí tzv. barevných souřadnic

ZYXXx++

=ZYX

Yy++

=ZYX

Zz++

= 1=++ zyx

Geometrická optikadiagram chromatičnosti

barevné souřadnice (x,y) lze pro přehlednost vynést do tzv. diagramu chromatičnosti (kolorimetrického trojúhelníka)

křivka spektrálních barev

Geometrická optikaVnímání barvy světla odraženého nebo propuštěného

spektrum odraženého resp. prošlého světla se mění a tím se také měníbarevný vjem

barevný vjem poté závisí na spektrálním složení W(λ) zdroje světla a spektrální odrazivosti R(λ) resp. propustnosti T(λ) pozorovaného předmětu

∫∞

λλλλ=0

d)()()( WRxX ∫∞

λλλλ=0

d)()()( WRyY ∫∞

λλλλ=0

d)()()( WRzZ

Geometrická optikaTeplota barvy světla

rostoucí teplota

Druh světla Teplota barvy T [K]

plamen svíčky 1850

40-200 W žárovka 2700-3000

východ Slunce 3200

přímé slunce 5000-5400

měsíční světlo 4100

denní světlo (slunce) 5500-6500

denní světlo (zataženo)

6000-7500

modrá obloha 9000-14000

teplota absolutně černého tělesa, jehož záření má stejnou barvu

Geometrická optikaStandardizované zdroje světla

pro měření barvy odraženého resp. prošlého světla byly standardizovány následující zdroje A, B, C, D, E, D65

A žárovka 300 W

B přímé sluneční světlo

C rozptýlené sluneční světlo

E izoenergetické bílé světlo

D65 průměrné denní světlo

zdroj T [K]

A 2856 K

B 4874 K

C 6774 K

E 5600 K

D65 6500 K

Geometrická optikaBílé (achromatické) světlo

za bílé světlo se nejčastěji považuje světlo zdroje C, D65 nebo izoenergetickésvětlo E o barevných souřadnicích x = 1/3, y = 1/3

převládající vlnová délka

vlnová délka, ve které spojnice bílého bodu s bodem znázorňujícím danou barvu protíná křivku spektrálních barev – udává barevný tón

sytost barvy

vzdálenost bodu X2 znázorňujícího danou barvu od bílého bodu E, vyjádřená v procentech vzdálenosti bílého bodu od spektrálního bodu X1měřené na spojnici uvažovaného bodu s bílým bodem

1X

2X

Geometrická optikaZobrazení barev na obrazovce

při zobrazování barev na nejrůznějších zařízeních (barevné obrazovky, LCD displeje, skenery, tiskárny, apod.) není možné zobrazit všechny možnébarvy, ale pouze určitou část

sRGB barevný prostor