A színek világa Bevezetés. A színek fontosak!

A színek világa Bevezetés

A színek fontosak! Információgyűjtés a környezetről: I

Érett-e e gyümölcs?

I

Veszélyforrások gyors azonosítása.

I

Színes jelzések, lámpák, táblák.

Az ember és a színek: I

Kifejező eszköz: ruhák, rangjelzések, stb.

I

Alapvető fontosságú a képzőművészetekben.

I

Hangulat befolyásoló tényező.

A színek világa Bevezetés

Miről szól az előadás?

1. Miért látunk színeket? 2. Miért látja két ember különbözőnek egy tárgy színét? 3. Hogyan tudunk színeket utánozni? 4. Tényleg minden szín kikeverhető három színből? 5. Milyen színek jeleníthetők meg monitoron, nyomtatásban, ...

A színek világa A színlátás A fény

Mi is a fény? Fény: elektromágneses hullám kb. 380 nm és 760 nm közti hullámhosszal. (< ezredmilliméter)

A hullámtulajdonság közvetlenül nem látható. A fény ennél sokkal bonyolultabb, de ez más téma...


A tiszta színek Tiszta szín: csak egy hullámhosszat tartalmaz. Közelítőleg tiszta színű fényforrások: I

lézerek színe

I

nátriumlámpák (narancssárga fényű utcai lámpák)

I

szivárvány színei

Az innen hiányzó színek a kevert színek.


A tárgyak színképe A legtöbb esetben nem tiszta színekkel találkozunk. Színkép: megmutatja, milyen hullámhossz milyen erősen van jelen. (Nem precíz, de szemléletes.)

Néhány hétköznapi tárgy színképe. (Fehér fényben.)

A színek világa A színlátás A fény érzékelése

A szem szerkezete

Fő részek: szemlencse: képet alkot retina: felfogja és elektromos jellé alakítja a képet írisz: leszűkíti a bemenő fénynyalábot (változtatahtó méret)


Érzékelők a retinán Kétféle sejt: pálcikák és csapok.


Pálcikák és csapok Pálcikák:

Csapok:

I

középen kevesebb

I

középen koncentrálódnak

I

kis megvilágításnál működnek

I

erős megvilágításnál működnek

I

nem színérzékenyek

I

színérzékenyek: 3 féle csap


Pálcikák és csapok Pálcikák:

Csapok:

I

középen kevesebb

I

középen koncentrálódnak

I

kis megvilágításnál működnek

I

erős megvilágításnál működnek

I

nem színérzékenyek

I

színérzékenyek: 3 féle csap

Sok minden megérthető. Pl.: I

Miért nem látunk éjszaka színeket?

I

Éjjel a halvány dolgok mellé kell nézni, hogy jól lássuk őket.

I

A 3 kitüntetett szám a színelméletben.


A csapok érzékenysége A 3-féle csap érzékenységi függvénye:

Sok emberen végzett mérések átlaga.


Mit is érzékelünk? Érzékelés: A színkép érzékenységi függvényekkel súlyozott átlagértékét.

Matematikailag: ha az i. fajta csap érzékenysége Vi (λ), akkor az agyba menő jel közelítőleg: Z ∞ Ji = Vi (λ)ϕ(λ)d λ 0


A színlátás alapjai A fenti folyamat a színképet (folytonos függvény, elvileg végtelen sok adat) 3 komponensű jellé alakítja. ϕ(λ)−→(J1 , J2 , J3 ) Az egyszerűsítés jó: I

megőriz valamit a színkép tulajdonságaiból,

I

de nem kell túl sok adatot kezelni.


A színlátás alapjai A fenti folyamat a színképet (folytonos függvény, elvileg végtelen sok adat) 3 komponensű jellé alakítja. ϕ(λ)−→(J1 , J2 , J3 ) Az egyszerűsítés jó: I

megőriz valamit a színkép tulajdonságaiból,

I

de nem kell túl sok adatot kezelni.

Érdekes következmények: I

különböző színképekhez is tartozhat azonos színérzet

I

a színérzet egyénfüggő


Ha csak 2 csapunk lenne...

Néhány ember kétszínlátó. Ők sokkal kevesebb színnel kell beérjék... (A legtöbb állat is kétszínlátó.)


Metamer színek Két szín egymás metamerje, ha azonos színérzet társul hozzájuk. A metamerek színképe különbözik, de azonos színűnek látjuk őket.

Jelentősség: nem kell a tárgy teljes színképét utánozni, elég egy metamerjét megtalálni. Ez az összes színkeverési technika alapja.

A színek világa Színkeverés, színrendszerek Additív színkeverés

Alapötlet Ha több lámpa egyszerre világít, színképeik összegződnek. Pl. egy piros és egy zöld lámpa hatása együtt sárgának tűnik.


Alapötlet Ha több lámpa egyszerre világít, színképeik összegződnek. Pl. egy piros és egy zöld lámpa hatása együtt sárgának tűnik. Finomítás: Változtassuk a fényerőt fokozatosan! Így a színképek súlyozott összege állítható elő.

Kérdés: Néhány alapszínkép súlyozott összegében minden színkép metamerje benne lesz?


Egyszerű színkeverés


Három szín keverése Ésszerű feltételezés: 3 féle csap van ezért 3 színből minden kikeverhető. (?) Ez sok könyvben így szerepel. A gyakorlat első pillanatra igazolni látszik. De igaz ez?


Három szín keverése Ésszerű feltételezés: 3 féle csap van ezért 3 színből minden kikeverhető. (?) Ez sok könyvben így szerepel. A gyakorlat első pillanatra igazolni látszik. De igaz ez? Matematikailag: ϕ(λ) színkép metamerjét keressük. Adott 3 darab alapszínkép: A1 (λ), A2 (λ), A3 (λ). Találhatunk-e olyan s1 , s2 , s3 súlyokat, hogy s1 A1 + s2 A2 + s3 A3 metamerje legyen ϕ(λ)-nak?


Három szín keverése (folyt.) A matematikai megoldás: Nem fogunk számolni vele! Z Ji =

ϕ(λ)Vi (λ)d λ,

J = (J1 , J2 , J3 )

Z Ti,j =

Aj (λ)Vi (λ)d λ s = T −1 J


Három szín keverése (folyt.) A matematikai megoldás: Nem fogunk számolni vele! Z Ji =

ϕ(λ)Vi (λ)d λ,

J = (J1 , J2 , J3 )

Z Ti,j =

Aj (λ)Vi (λ)d λ s = T −1 J

Matematikailag lényegében mindig van megoldás. Probléma: s komponensei közt lehetnek negatívok! Ez fizikailag nem megvalósítható. Nincs „−5 wattos” izzó.


Három szín keverése (folyt.) Bebizonyítható, hogy a fizikailag megvalósítható megoldások körében: I

A tiszta színeknek nincs metamerjük.

I

3-nál több alapszín esetén is lesznek nem ábrázolható színek.

I

Ha van két különböző alapszín-hármas, akkor legalább az egyik tartalmaz olyan színeket, melyek a másikban nem ábrázolhatók.

Ez elég szomorú.... De hogyan jelentkezik ez a gyakorlatban?

A színek világa Színkeverés, színrendszerek Az RGB-rendszer

Alapgondolat Ötlet: az emberi szemhez illeszkedve válasszunk egy vörös, zöld és kék tiszta színt alapszínnek. A három alap-hullámhosszat 1931-ben így határozták meg: λ1 = 700 nm,

λ2 = 546, 1 nm,

Ezekből kiszámolható s = (R, G , B).

λ3 = 435, 8 nm,


Alapgondolat Ötlet: az emberi szemhez illeszkedve válasszunk egy vörös, zöld és kék tiszta színt alapszínnek. A három alap-hullámhosszat 1931-ben így határozták meg: λ1 = 700 nm,

λ2 = 546, 1 nm,

λ3 = 435, 8 nm,

Ezekből kiszámolható s = (R, G , B). Ha csak a szín érdekel, nem az intenzitás, akkor érdemes ezt használni: r=

R , R +G +B

g=

G , R +G +B

b=

B . R +G +B


Az RGB-rendszer színei Milyen (r , g , b) értékekkel ábrázolhatók (elvileg) a tiszta színek?

Probléma: a grafikonok több helyen lemenek a tengely alá!


A színpatkó Az összes színhez tartozó (r , g ) párok egy síkban ábrázolhatók:

Vigyázat! Az I. síknegyeden kívüli területen a színek hamisak! (RGB-eszközöket használunk.)

A színek világa Színkeverés, színrendszerek Gyakorlati példák

Alapok Látjuk, hogy nem minden szín fér bele az RGB-rendszerbe. Kérdés: A gyakorlatban hol lépnek fel az RGB-ből kilógó színek?


Alapok Látjuk, hogy nem minden szín fér bele az RGB-rendszerbe. Kérdés: A gyakorlatban hol lépnek fel az RGB-ből kilógó színek?

Saját fotókat vizsgáltam: Egy kis programmal minden pixelt felpöttyöztem az rg -síkra.

Vigyázat! A fényképezőgép pontossága kérdéses. Tájékozódásra azonban jó.


Kevés színű fotó

Zöld és barna árnyalatok keverednek. A színek nem közelítik meg a háromszög szélét.


Átlagos fotó

Több szín, de alig egy-két pixel jut a szélére.


Élénk színek 1.

Ez a sárga és kék már túl sok az RGB-rendszernek.


Élénk színek 2.


Élénk színek 3.

Elég élénk színek, de alig érnek ki a szélére.


Élénk színek 4.

Ez viszont már 4 helyen is kilóg!


Élénk színek 5.

A sárga és a ciánkék pohár túl élénk színű.


Természetes élénk színek 1.

Teljesen fa borítású terem: a többszörös visszaverődések telítetté teszik a színeket.


Természetes élénk színek 2.

Az élénk naracs-sárga átmenet nem jön át a fotón.


Speciális fényforrás: Na-lámpa

Gyakran használt utcai lámpa: majdnem egyszínű.


A kivonó színkeverés Eddig az összeadó, vagy additív színkeverést tárgyaltuk. (A lámpák fénye összeadódik.) Egy másik színkeverési mód: a kivonó színkeverés. Ekkor egy lámpa fénye színes rétegeken áthaladva egyre csökken, minden réteg a maga jellegzetes módján hullámhossz-függően nyel el a fényből. Példák: I

Egymás utáni színes üvegek.

I

Egymásra kent festékrétegek.

I

Színes nyomtatás.

Időhiányban nem tárgyaljuk részletesen.

A színek világa A színábrázolás korlátai A színtér (gamut) fogalma

A színtér Színtérnek vagy gamutnak nevezzük az adott eszközzel ábrázolható színek halmazát. Pl. az RGB-rendszer színtere az előbb ábrázolt háromszög.

Alapvető fontosságú: ha két rendszer színtere nem egyezik meg, bizonyos színeket tud az egyik ábrázolni, a másik meg nem.


A színtér Színtérnek vagy gamutnak nevezzük az adott eszközzel ábrázolható színek halmazát. Pl. az RGB-rendszer színtere az előbb ábrázolt háromszög.

Alapvető fontosságú: ha két rendszer színtere nem egyezik meg, bizonyos színeket tud az egyik ábrázolni, a másik meg nem.

A színteret sokféleképp lehet ábrázolni, mi a leggyakoribb módot, az xy-színpatkót fogjuk használni.


Az XYZ-rendszer (R, G , B) helyett (X , Y , Z ) koordináták. (X , Y , Z ) = Q(R, G , B)T , ahol Q egy adott mátrix.


Az XYZ-rendszer (R, G , B) helyett (X , Y , Z ) koordináták. (X , Y , Z ) = Q(R, G , B)T , ahol Q egy adott mátrix. Tulajdonságok: Q ügyes megválasztása miatt + Azt összes szín nemnegatív koordinátákkal írható le. + Y közel arányos az emberi szem össz fényességérzetével. − Nem lehet hardveresen közvetlenül megvalósítani. Nincs pl. „X-színű” lámpa. Történeti okokból ezt használják a legtöbb esetben alap-rendszerként.


Az xy-színpatkó x = X /(X + Y + Z ),

y = Y /(X + Y + Z ) Patkó széle: tiszta színek E = (1/3, 1/3): semleges szín. (fehér és szürkeárnyalatok) A jelölt háromszög az RGB-rendszer színtere. Vigyázat! Az RGB-színtéren kívüli területen a színek csak tájékoztató jellegűek.

Ez a leggyakoribb „térképe” a színterek bemutatásának.


Színek az xy-síkban

A színek világa A színábrázolás korlátai Monitorok, TV-k színtere

Az ideális kijelző

Cél: a teljes színpatkó előállítása. I

A tiszta színeknek nincs metamerje: minden tiszta színt tudni kellene előállítani.

I

Kevés adattal le lehessen írni a színt. Erre az RGB nem jó, de pl. az XYZ igen.

I

A felvevő berendezés színtere is teljes kell legyen. Ilyenünk még közelítőleg sincs.


RGB-kijelzők Lézer-kijelző: ideális, mert vonalas színképűek a források. Baj: túl drága.


RGB-kijelzők Lézer-kijelző: ideális, mert vonalas színképűek a források. Baj: túl drága. Hagyományos képcső: elektronnyaláb fénylést indukál. Baj: alacsony hatásfok, széles alapszínkép.


RGB-kijelzők Lézer-kijelző: ideális, mert vonalas színképűek a források. Baj: túl drága. Hagyományos képcső: elektronnyaláb fénylést indukál. Baj: alacsony hatásfok, széles alapszínkép. LCD kijelzők: egy háttérvilágítást szűrőkön engedünk át és ennek útjában képez gátat a vezérelhető folyadékkristály. Baj: ha a szűrő széles tartományt enged át, akkor kicsi a színtér. Ha keskeny sávot, akkor kicsi a hatásfok. Javítás: keskeny sávú háttérvilágítás: LED-LCD kijelzők.


Egy LCD-kijelző közelről


Egy hagyományos képcső színképe


Egy LED képcső színképe


Egy lézer színképe


Egy tipikus kijelző

Hagyományos képcső színképe

A szűkített RGB-rendszer

Számítógépeink nem is RGB-t, hanem a szűkített sRGB-t használják!

A színek világa A színábrázolás korlátai Nyomtatók színtere

Nyomtatók színtere A nyomtatók kivonó színkeveréssel dolgoznak. Történeti okokból a CMY színrendszer az elterjedt: C=Cyan, M=magenta, Y=Yellow


Nyomtatók színtere A nyomtatók kivonó színkeveréssel dolgoznak. Történeti okokból a CMY színrendszer az elterjedt: C=Cyan, M=magenta, Y=Yellow Sok technikai nehézség lép fel, melyre nincs idő kitérni. Javítási kísérletek: I

A fekete (K=blacK) komponens bevezetése.

I

Minden színből két árnyalat: cCmMyY.

I

Áthelyezett alappontok.

I

5-6 alapszín használata.

A nagyobb színhűség sok pézbe kerül!


Nyomtatók színtere A CMYK színtere függ: I

a használt festékek pontos színétől

I

a színkeverési technikától

I

a papírtól

Jobbra egy tipikus eset látszik. Az sRGB és a CMYK mindegyikében vannak színek, amiket a másik nem tartalmaz. RGB-ben készült ábra, fotó nem nyomtatható ki hűen, de a monitor sem tud minden színt, ami nyomtatható lenne.

A színek világa Érdekességek Az élénk színek

Mitől „rikító” egy szín? Kulturális okok is szerepet játszanak, de van biofizika ok is.


Mitől „rikító” egy szín? Kulturális okok is szerepet játszanak, de van biofizika ok is. A retinán sokkal több az érzékelő, mint ahány idegszál az agyba megy. A retina csak a „lényeges” részekről küld információt az agyba: I

ahol gyors változások vannak

I

ahol a szomszéd érzékelők jele nagyon eltérő

A retina már maga egy bonyulult ideghártya keresztkapcsolatokkal a neuronok közt.


Mitől „rikító” egy szín? Élénk szín: a jelvektor (J) komponensei nagyon eltérőek. A szomszédos, különböző típusú színérzékelők jele nagyon eltér! A retina azt mondja az agynak: ez a terület érdekes! Mivel figyelmet igényel, el is fáradunk, ha sokáig ilyet nézünk. Felhasználás: I

láthatósági mellény

I

reklámfeliratok


Láthatósági mellény

Reklámtábla LED-ekkel: igen élénk színek.


LED-kijelző 1.



Zöld LED a laborban



LED-kijelző 2.


A színek világa Érdekességek A látás alkalmazkodása

Alkalmazkodás Szemünk, látásunk alkalmazkodik a körülményekhez. Pl. sötétben nagyobb, világosban kisebb érzékenységi fokozotra áll. Ez színenként is működik.

A színek világa Érdekességek A látás alkalmazkodása

Alkalmazkodás Szemünk, látásunk alkalmazkodik a körülményekhez. Pl. sötétben nagyobb, világosban kisebb érzékenységi fokozotra áll. Ez színenként is működik. Az átálláshoz idő kell! Pl. a csapoknál τ ≈ 120 s a karakterisztikus idő. Ennyi idő alatt csökken e ≈ 2, 718-ad részére az egyensúlyi állapottól való eltérés. Közismert tény: ha szembe világítanak éjszaka, egy ideig a látóterünk egy része kiesik. (Az erős fény levitte az érzékenységet.)

Egy kis játék

Nézzük mereven a középső kis keresztet 30 s-ig, majd nézzünk rá egy fehér felületre. Mit látunk? Miért?

A színek világa Érdekességek A képzetes színek

A képzetes színek A csapok érzékenységi függvényeinek átfedése miatt a J jelvektor nem vehet fel akármilyen értéket. Pl. nem lehet tiszta zöld: J = (0, 1, 0), mert ha egy szín ingerli a zöld érzékeny csapokat, akkor az a másik kettő valamelyikét is ingerelni fogja. Az olyan színérzethez tartozó „színt”, mely nem fordul elő a normál működés során, képzetes színnek nevezzük.


A képzetes színek A csapok érzékenységi függvényeinek átfedése miatt a J jelvektor nem vehet fel akármilyen értéket. Pl. nem lehet tiszta zöld: J = (0, 1, 0), mert ha egy szín ingerli a zöld érzékeny csapokat, akkor az a másik kettő valamelyikét is ingerelni fogja. Az olyan színérzethez tartozó „színt”, mely nem fordul elő a normál működés során, képzetes színnek nevezzük. Nincs olyan „szuperzöld” festék, ami J = (0, 1, 0)-t eredményez. Akkor miért beszélünk róla?


A képzetes színek A csapok érzékenységi függvényeinek átfedése miatt a J jelvektor nem vehet fel akármilyen értéket. Pl. nem lehet tiszta zöld: J = (0, 1, 0), mert ha egy szín ingerli a zöld érzékeny csapokat, akkor az a másik kettő valamelyikét is ingerelni fogja. Az olyan színérzethez tartozó „színt”, mely nem fordul elő a normál működés során, képzetes színnek nevezzük. Nincs olyan „szuperzöld” festék, ami J = (0, 1, 0)-t eredményez. Akkor miért beszélünk róla? Mert a szem alkalmazkodásának ideje miatt mégis tapasztalhatunk ilyet pár másodpercig.


A képzetes színek bemutatása Példa: (Más színekkel hasonlóan lehetne tenni) 1. fehér alapon lila kört nézünk 20-30 s-ig 2. hirtelen zöld felületre nézünk Az 1. lépésben a vörös és kék érzékenység csökken, a zöldé marad. A 2. lépésben a zöld szín föleg a zöld érzékelőket ingerli, de a csökkent vörös és kék érzékenység miatt azok jele gyenge lesz. Így „szuperzöld” színt fogunk látni. Igazán jól csak lézerrel vagy színes diódával működik. Kivetítőn a korlátozott színtér miatt a képzetes tartományt nem érjük el, de a színtéren azért túllépünk.

Nézd 20-30 s-ig a keresztet mereven...

Mi látszik ezen a lapon most?

A színek világa Érdekességek Mozgás-illúzió

Ötlet Ha egy test mozog a látóterünkben, akkor az érzékelők késleltetése miatt az eleje és a tárgy mögötti részt kicsit máshogy érzékeljük. Az egyes színek érzékelői nem azonos sebességűek. Ezért egy mozgó tárgy eleje valamilyen árnyalatot, a mögöttes rész ennek kiegészítő színét kapja.


Ötlet Ha egy test mozog a látóterünkben, akkor az érzékelők késleltetése miatt az eleje és a tárgy mögötti részt kicsit máshogy érzékeljük. Az egyes színek érzékelői nem azonos sebességűek. Ezért egy mozgó tárgy eleje valamilyen árnyalatot, a mögöttes rész ennek kiegészítő színét kapja. A hatás gyenge. A fordítottja viszont jól működik! A fentiek szerint színezett foltok mozogni látszanak, ha nem bonja fel őket a szemünk részletesen.


Alapelem

Most világosan látszik, hogy nem mozog, mert részletesen látjuk. De a következő oldalon ilyenekből van egy keret kirakva...

Mozgásillúzió

Forgásillúzió

A színek világa Befejezés

Tanulságok

I I

A színek fogalma nem is olyan egyszerű, mint gondolnánk. A folyamatok részletes megértéséhez: I I I I

biológiai ismeretek, fizikai törvények, matematika modell, sok mérés és kiértékelés

szükséges. I

Az alapos elemzés meglepő alkalmazásokhoz vezethet.

A színek világa Befejezés

..

Köszönöm a figyelmet!

A színek világa Bevezetés. A színek fontosak!

Recommend Documents