David MacAdam podjął pionierską pracę w dziedzinie postrzegania różnic barw w latach 40. XX wieku. W szczególności zaprojektował urządzenie i udoskonalił proces statystyczny, który umożliwił ilościowe określenie tolerancji chromatyczności wokół docelowego koloru.
MacAdam użył standardowego dopasowania kolorów (SDCM) do określenia, jak blisko (lub nie) pasują do siebie kolory emitowane przez dwa źródła światła. Wraz ze wzrostem odchylenia standardowego między dowolnymi dwiema próbkami, różnica kolorów między nimi staje się widoczna dla większej liczby osób.
Dlaczego dopasowanie kolorów odchylenia standardowego jest ważne? Dla inżyniera oświetlenia tolerancja kolorów jest wyrażana jako elipsa MacAdama w 1, 2, 3 (itp.) kroku.
Żadne dwa źródła światła nigdy nie będą emitować dokładnie tego samego koloru światła, ale ponieważ wiele lamp jest zazwyczaj instalowanych obok siebie, bardzo pożądany jest stopień spójności. Dlatego inżynierowie oświetlenia potrzebują sposobu na wyrażenie tolerancji wokół docelowego koloru, w taki sam sposób, w jaki inżynier mechanik wyraża tolerancję wokół wymiaru.
W tym artykule wyjaśnimy pracę Davida MacAdama, która dała początek powszechnemu obecnie użyciu elipsy MacAdama jako sposobu wyrażania tolerancji wokół docelowego koloru.
Historia. David MacAdam był naukowcem pracującym dla firmy Kodak w ich laboratorium badawczym w Rochester w stanie Nowy Jork. W latach czterdziestych Kodak interesował się, jak dokładnie ludzkie oko potrafi rozróżniać podobne kolory.
Czy dopasowanie kolorów jest łatwe?
Czy dopasowywanie kolorów jest łatwe? Nie, dopasowywanie kolorów wcale nie jest łatwe. Możemy postrzegać dwa różne kolory jako bardzo podobne lub dwa podobne kolory jako bardzo różne, ponieważ istnieje wiele czynników zaangażowanych w widzenie kolorów.
Luminancja, czyli w kategoriach laika, jak jasne jest coś. Na przykład to samo źródło światła czerwonego będzie się bardzo różnić w zależności od tego, jak jasno świeci. Podobnie dwa różne kolory mogą wyglądać podobnie, jeśli jeden świeci jaśniej niż drugi. Aparat Davida MacAdama został zaprojektowany tak, aby niezależnie od koloru dwóch porównywanych źródeł światła luminancja utrzymywała się na stałym poziomie.
Odcień. Jest to kolor źródła światła, określony przez jego długość fali. W naturze większość kolorów, które widzimy, składa się z dominującej długości fali oraz kilku innych.
Czystość lub nasycenie. Oba źródła światła mogą mieć tę samą luminancję i dominującą długość fali, ale jeśli jedno było bardzo czystym źródłem światła (tj. było bardzo nasycone, co oznacza, że większość energii w ziarnie światła była skoncentrowana na fali dominującej lub w jej pobliżu długość), a drugi zawierał większą mieszankę różnych długości fal, które wydawałyby się różne.
Zanim praca Davida MacAdama została opublikowana, społeczność zajmująca się oświetleniem próbowała wyrazić ludzką zdolność do rozróżniania podobnych kolorów pod względem progów długości fali (dla kolorów spektralnych lub nasyconych, takich jak czyste czerwienie, zielenie i błękity) oraz progów czystości (dla nie -kolory spektralne, takie jak brąz, różowy i magenta).
W poprzednich pracach innych badaczy próbowano zmierzyć postrzeganie kolorów, szukając „tylko zauważalnej różnicy”. Technika ta miała tę zaletę, że była łatwa do wdrożenia i nie wymagała specjalistycznego sprzętu. Jednak dawał błędne wyniki w całej ocenianej gamie kolorów.
Inni badacze (Wright i Pitt w „Dyskryminacji barwy w normalnym widzeniu barw”) sugerowali, że lepszym podejściem byłoby wykonanie dużej liczby dopasowań w każdym punkcie na wykresie kolorów, a następnie przeanalizowanie rozrzutu obserwacji, ale skomentowali, że byłby to „niemożliwie długi proces”.
Badania Davida MacAdama – podsumowanie
MacAdam przyznał, że Wright i Pitt mieli rację, ponieważ wymagane były wielokrotne obserwacje i że potrzebny był proces statystyczny, aby przeanalizować, jak bliskie (lub nie) były próby dopasowania do kolorów docelowych.
Aby przezwyciężyć trudności, których spodziewali się Wright i Pitt, stworzyliby „niemożliwie długi proces”, MacAdam zaprojektował i zbudował genialny instrument do testowania zdolności obserwatora do dopasowania regulowanego koloru testowego do ustalonego koloru odniesienia (lub docelowego), po prostu dostosowując pojedyncze pokrętło. W ciągu około 25 000 odczytów umiejętności asystenta Davida MacAdama, pana Perleya G. Nuttinga, Jr., zostały przetestowane na 25 referencyjnych kolorach.
MacAdam rozpoczął od wybrania 25 punktów szeroko rozłożonych na diagramie przestrzeni kolorów CIE 1931 — patrz rysunek 48 poniżej, z oryginalnego artykułu MacAdama.
Punktem centralnym każdej elipsy jest kolor docelowy wybrany przez Davida MacAdama.
W swoim artykule MacAdam odwołuje się do standardowego diagramu chromatyczności ICI 1931. ICI to Międzynarodowa Komisja ds. Oświetlenia, dziś szerzej znana pod francuskim akronimem CIE (Commission Internationale d'Eclairage).
Elipsy MacAdama narysowane na kolorowej wersji diagramu przestrzeni barw CIE 1931.
Każdy z tych punktów barwnych można by wytworzyć przy użyciu pojedynczego filtra, dostępnego w tamtym czasie na rynku. Niektóre z wybranych przez MacAdama punktów kolorystycznych są bardziej nasycone (bliżej krawędzi diagramu przestrzeni kolorów) niż inne, które są bliżej środka. Te punkty kolorów miały być 25 kolorami docelowymi, do których obserwator próbowałby stworzyć dopasowanie.
Filtry do replikacji kolorów docelowych
Dodatkowe filtry kolorów stworzone przez MacAdama, wykreślone na diagramie przestrzeni kolorów CIE 1931.
Każdy kolor docelowy (powyżej) można odtworzyć, łącząc światło (w różnych proporcjach) z maksymalnie 8 par tych dodatkowych filtrów.
MacAdam następnie stworzył serię około 100 dodatkowych filtrów kolorów. Zostały one zaprojektowane tak, aby każdy z kolorów docelowych (powyżej) mógł być replikowany (w odcieniu i czystości) poprzez zmieszanie (w dowolnych proporcjach) światła z pary dodatkowych filtrów. Ogólnie rzecz biorąc, każdy kolor docelowy może być powielany przez maksymalnie 8 różnych par dodatkowych filtrów, jeśli zostaną dostosowane do właściwych proporcji.
Aparat MacAdama do generowania celu i regulowanych kolorów
Aparatura zaprojektowana przez MacAdam jest szczegółowo opisana poniżej. W skrócie składa się z pojedynczego źródła światła (po prawej) z filtrami barwnymi (7& 8), układu pryzmatów i soczewek (pośrodku) oraz okularu (po lewej).
Z pojedynczego źródła światła (z prawej strony) urządzenie wytwarza dwie pary wiązek. Jedna para jest spolaryzowana pionowo, druga poziomo. Obie pary składają się z wiązki z filtra 7 i wiązki z filtra 8.
Widok przedstawiony obserwatorowi w okularze (dalej po lewej) był jak poniżej.
Pole testowe składało się z dwóch części: po jednej stronie znajdował się kolor docelowy wytwarzany przez jedną parę wiązek w proporcjach, które zostały wcześniej ustalone, aby pasowały do jednego z kolorów docelowych na schemacie przestrzeni barw CIE 1931 z natężeniem oświetlenia 48 cd/m²
Z drugiej strony był regulowany kolor, również wytwarzany przez parę wiązek z tych samych filtrów, które obserwator mógł regulować, obracając pojedynczą tarczą. Obrotowa tarcza była połączona z pryzmatem i podczas obracania pryzmatu proporcja światła z filtrów 7& 8 zmieniono odpowiednio. Niezależnie od dokonanej regulacji luminancja utrzymywała się na poziomie 48 cd/m².
Pobranie 25 000 odczytów
Zanim odczyty mogły się rozpocząć, dobrano parę filtrów i poprzez obliczenia i obserwację skorygowano położenie pryzmatów tak, aby zbiegające się wiązki światła pasowały do koloru docelowego. Następnie rozpoczęły się obserwacje, a zadaniem obserwatora (pacjenta, pana Nuttinga, który zrobił to około 25 000 razy) było ustawienie tarczy tak, aby kolor po prawej stronie pola testowego pasował do koloru po lewej stronie (patrz schemat powyżej). .
Kiedy Nutting osiągnął to, co uważał za dopasowanie, zanotowano położenie tarczy (a co za tym idzie pryzmatów). Zgodnie z projektem aparatu MacAdama każda zmiana położenia pryzmatów odpowiadała zmianie chromatyczności.
Odczyty powtórzono 50 razy dla każdej z 5-8 par filtrów, które były w stanie uzyskać dopasowanie koloru do celu.
Dla każdego zestawu 50 odczytów zarejestrowano wyniki i obliczono odchylenie standardowe i wykreślono je na diagramie przestrzeni barw CIE 1931. Dla każdego z 25 kolorów docelowych wynik był zasadniczo taki sam, odchylenie standardowe wszystkich prób dopasowania kolorów w każdym zestawie wypadało we wzorze, który opisywał elipsę wyśrodkowaną na celu.
Elipsy MacAdama przedstawione w jego oryginalnym artykule z 1942 r.
W centrum każdej elipsy znajduje się 25 kolorów odniesienia, do których próbował dopasować kolory. Odchylenie standardowe prób dopasowania od kolorów referencyjnych jest opisane za pomocą elipsy, narysowanych tutaj przy 10-krotnym rzeczywistym rozmiarze.
Dlaczego elipsy MacAdama są ważne?
Elipsy MacAdama są ważne, ponieważ zastosowane przez niego techniki dały nam środki do wyrażenia tolerancji wokół docelowego koloru.
W inżynierii mechanicznej mówi się, że wymiar bez tolerancji jest bez znaczenia. To samo dotyczy oświetlenia. Dopasowanie kolorów nigdy nie może być idealne, dlatego tolerancje są niezbędne.
Kiedy opisujemy oprawę oświetleniową jako posiadającą SDCM<3 (na="" przykład),="" oznacza="" to,="" że="" gdy="" jest="" nowa,="" kolor="" światła="" emitowanego="" przez="" którąkolwiek="" z="" tych="" opraw="" będzie="" mieścił="" się="" w="" granicy="" opisanej="" przez="" 3="" odchylenia="" standardowe="" dopasowanie="" koloru="" z="" punktu="" centralnego="" lub="" koloru="" docelowego.="" dla="" zdecydowanej="" większości="" ludzi="" ten="" poziom="" zróżnicowania="" jest="" niezauważalny.=""><5 jest="" luźniejszym="" standardem="" i="" będzie="" wykazywać="" wyższy="" poziom="" zmienności,="" ale="" nadal="" jest="" całkowicie="" akceptowalny="" dla="" wielu="">
Czego nie robią elipsy MacAdama?
MacAdam chciał opisać metodę definiowania tolerancji. Nie zajmował się ilościowym określaniem dokładności postrzegania kolorów w całej populacji ludzkiej. Chociaż jego praca wskazywała, że obserwacje Nuttinga nie były anormalne (zostały powtórzone przez niewielką liczbę innych obserwatorów), MacAdam nie przeprowadził systematycznych badań dokładności percepcji kolorów między różnymi płciami, wiekiem czy pochodzeniem etnicznym.
