Optické záření

  • vlnové rozsahy elektromagnetického záření, pro něž platí zákony optiky (0,01 – 1 000 µm = 10nm – 1 cm)
  • druhy optického záření:
    • vzdálené infračervené záření (1 000 – 50 µm)
    • blízké infračervené záření – světlo (50 – 0,760 µm)
    • viditelné světlo (0,760 – 0,380 µm = 760 – 380 nm)
    • blízké ultrafialové záření – světlo (0,380 – 0,300 µm)
    • vzdálené ultrafialové záření (0,300 – 0,010 µm)
  • světlo je elektromagnetické záření, přičemž jeho povaha je jak vlnová, tak i korpuskulární
  • Pierre Gassendi (1645) – korpuskulární teorie (převzal Newton 1666)
  • Christiaan Huygens (1690) – vlnová teorie – světlo je postupující rozruch, který se šíří vlněním (prokázal Young 1801)

Viditelné světlo

  • lidský zrak dokáže vnímat energii v omezeném spektru elektromagnetického vlnění
  • viditelné elektromagnetické záření = světlo
  • záření schopné vzbudit zrakový vjem
  • vlnové délky světla se obvykle uvádějí v rozmezích asi 760 – 380 nm
    • červené světlo (760 – 620 nm)
    • oranžové světlo (620 – 585 nm)
    • žluté světlo (585 – 575 nm)
    • zelenožluté světlo (575 – 560 nm)
    • zelené světlo (560 – 500 nm)
    • modrozelené světlo (500 – 490 nm)
    • modré světlo (490 – 465 nm)
    • modrofialové světlo (465 – 430 nm)
    • fialové světlo (430 – 380 nm)

Rozklad slunečního světla

  • v roce 1666 objevil Isaac Newton, že sluneční paprsek procházející skleněným hranolem obsahuje spojité spektrum 7 barevných oblastí – červené, oranžové, žluté, zelené, modré, indigové a fialové
  • dominuje-li ve světle některá vlnová délka, jedná se o světlo chromatické – pestré
  • obsahuje-li světlo všechny vlnové délky o přibližně stejné intenzitě, je zdroj světla achromatický – nepestrý

Vlastnosti světla fyzikální

  • vlnová délka (rychlost či frekvence kmitání – percepčně odstín)
  • intenzita (síla či amplituda vlny – percepčně jas)
  • purita (čistota vůči ostatním vlnovým délkám – percepčně sytost)
  • polarizace (rovina kmitání – percepčně množství světla – jas)

Vlastnosti prostředí – předloh

  • opacita O (propustnost či odraznost) = poměr mezi intenzitou dopadajícího světla a:
    • u odrazových předloh intenzitou odraženého světla (reflektance)
    • u transparentních předloh intenzitou propuštěného světla (transmitance)
    • opacita zcela čirého materiálu = 1
  • denzita D (optická hustota) – denzita je desítkovým logaritmem opacity: D = log10 O
    • denzita zcela čirého materiálu = 0 (log10 1 = 0)
    • prochází-li materiálem např. 10% dopadajícího světla, je denzita 1
    • odrazí-li se od materiálu např. 1% světla, je denzita 2 apod.
    • dynamický rozsah denzit – důležitým parametrem např. skenerů je rozpětí denzit (Dmax – Dmin), kde Dmax a Dmin jsou krajní hodnoty, které je schopen skener rozlišit, např. 2,2 D pro papírové předlohy, 3,4 D pro snímání diapozitivů

Radiometrické veličiny

  • fyzikální veličiny stanovené objektivně ve vztahu k elektromagnetickému záření (též světlu) se označují jako radiometrické veličiny – mezi základní náleží:
    • zářivá energie (E nebo Qe) = energie, kterou do svého okolí vyzařuje zdroj záření – jednotka: joule (J)
    • zářivý tok (Φe) = zářivá energie (zářivý výkon), kterou zdroj vyzáří za časovou jednotku 1s – jednotka: watt (W)
    • zářivost – zářivá intenzita (Ie) nebo udává prostorovou hustotu zářivého toku zdroje v různých směrech – jednotka: watt na steradián (sr -1) (pozn.: steradián = jednotka prostorového úhlu)

Fotometrické veličiny

  • fyzikální veličiny určované ve vztahu k působení světla na zrakový orgán a citlivosti oka pozorovatele se označují jako fotometrické veličiny – mezi základní náleží:
    • světelná energie (QV) = zářivá energie vyvolávající světelný vjem určité velikosti – jednotka: lumen sekunda (lm•s)
    • světelný tok (Φ) = světelná energie (světelný výkon), kterou zdroj světla vyzáří za 1s do všech směrů – jednotka: lumen (lm) (pozn.: lumen = světelný tok vyzařovaný do úhlu 1 steradiánu bodovým zdrojem, jehož svítivost je ve všech směrech 1 kandela)
    • svítivost – intenzita světla (I nebo IV) = prostorová hustota světelného toku zdroje v různých směrech – jednotka: kandela (cd) (pozn.: kandela = svítivost zdroje, který v daném směru emituje monochromatické záření o frekvenci 540 •1012 hertzů a jehož zářivost (zářivá intenzita) v tomto směru činí 1/683 wattů na jeden steradián)
    • osvětlení – intenzita osvětlení (EV) = světelný tok dopadající na určitou plochu – jednotka: lux (lx)(pozn.: lux = osvětlení způsobené světelným tokem 1 lm dopadajícím na plochu 1 m2)
    • jas (L nebo LV) = měrná veličina svítivosti (intenzity světla) rozhodující pro vnímání světla – jednotka: kandela na m2 (cd • m-2)

Vlastnosti světla percepční

  • jas (vnímaná intenzita světla) – dán amplitudou
    • jediná percepční kvalitou achromatického světla
    • jas zdroje lze vyjádřit jeho svítivostí I (Luminous intensity) udávané v cd (kandela)
    • jas odraženého světla se vyjadřuje jako luminance L v cd/m2
    • udává se též jako poměr jasů Imax/Imin
    • jasový rozsah = min. až max. rozsah pro konkrétní zařízení: např. televize 100:1, dobrý monitor 250 :1, lidské oko 1 000 000 :1
    • každé zařízení může zobrazit či detekovat jen určitý jasový rozsah; jasový rozsah daného zařízení může být převáděn na intervaly, např. <0 , 1>, <0 , 100>, <0 , 255>
    • jasová denzita = log10 poměrů jasů = DI = log10 (Imax/Imin)
      • udává nejtmavší a nejsvětlejší rozpoznatelný odstín šedi
      • lidské oko má např. DI 6, obrazovka DI 2 (10 000 x méně)
    • odstín (hue)
      • odstín je dán dominantní vlnovou délkou ve spektru
      • určuje druh barvy a dává barvě její základní název
    • sytost – nasycení (saturation – chroma)
      • sytost je dána strmostí vlny světla
      • udává čistotu barvy světla (jak jsou zastoupeny jiné než dominantní frekvence, resp. do jaké míry je dominantní vlnová délka ovlivněna dalšími)
      • určuje, jak výrazně se daná barva odlišuje od šedé

saturace

 

Sytost = saturace

  • světlost (lightness)
    • relativní jas – vnímání jasu odstínu barvy vzhledem k rozsahu
    • vyjadřuje kvantitu světla, resp. jak světlá se barva jeví
  • barevná teplota (color temperature) – spektrum světla, které vyzařuje těleso, je ovlivněno jeho teplotou
    • barva světla se proto též vyjadřuje teplotou, na kterou je absolutně černé těleso třeba zahřát, aby vyzařovalo danou barvu
    • teplota světla se udává v Kelvinech (ºC = K – 273)
    • teplejší zdroje produkují pro lidského pozorovatele studené bílé až modré světlo, zatímco fyzikálně studené zdroje člověk označí za zdroje teplého (červeného) světla
    • jako teplé barvy vnímáme syté a jasné barvy žluté, červené, oranžové a žlutozelené
    • jako studené barvy vnímáme málo syté a temné barvy modré, fialové či tmavě zelené

teplota

 

Barevná teplota

 

Vnímání světla zdroje

  • zdroje světla obvykle neobsahují pouze jednu vlnovou délku, ale směs různých délek, kterou však vnímáme jako určitou složenou barvu
  • směs všech barev vyrovnané intenzity nebo vhodného spektra vnímá lidské oko jako bílou

Vnímání světla odraženého

  • obecně závisí na:
    • spektrálním složení zdroje světla
    • spektrální odraznosti či propustnosti tělesa (materiály průhledné, průsvitné a neprůsvitné)
  • při vnímání osvětlených objektů závisí na interakci světla s povrchy
  • při dopadu světla na objekt jsou některé frekvence pohlceny – kombinace frekvencí v odraženém světle vytváří vjem barvy objektu

Vnímání achromatického světla

  • achromatický zdroj světla, obsahující všechny vlnové délky o přibližně stejné intenzitě, se jeví jako bílý
  • odražené nebo propuštěné achromatické světlo se jeví jako bílé, černé anebo šedé o určité úrovni intenzity
  • objekty odrážející achromaticky více než 80% světla ze zdroje bílého světla se jeví jako bílé, objekty odrážející méně než 3% světla, jeví se jako černé.
  • u achromatického světla lze hodnotit jen jas (intenzitu)
  • je-li např. použit zdroj bílého achromatického světla a povrch odráží pouze vlnové délky kolem 700 nm, bude povrch vnímán jako červený
  • je-li např. použit zdroj monochromatického červeného světla a povrch odráží pouze vlnové délky cca 470 nm (modré světlo), pak se bude povrch jevit jako černý
  • vidíme-li světlo určité vlnové délky, získáme určitý vjem barvy

barvy

 

Barvy a vlnové délky

Pojem barvy

  • barva, kterou vnímáme, je dána povahou (spektrálním složením) světla přicházejícího od pozorovaného objektu
    • chromatické barvy – definované jedinou frekvencí jako čisté barvy bez příměsi jiných odstínů
    • různým mícháním vlnových délek vzniká řada barev, které nikdy nemohou být vytvořeny jednou vlnovou délkou
    • spektrální barvy jsou všechny chromatické odstíny daného světelného zářiče; spektrum obsahuje všechny barvy, které sestávají z viditelného světla jediné vlnové délky
    • nespektrální barvy nejsou obsaženy v čistém spektru světla (např. šedá, růžová, purpurová = červená + fialová)

Senzorické procesy

  • senzorické procesy – obecně komunikace organismu a prostředí pomocí smyslových orgánů
  • smyslové orgány (ústrojí) se skládají ze tří částí:
    • receptor – periferní analyzátor
    • dostředivá nervová dráha
    • korové centrum – korový analyzátor
  • receptory – čidla zachycují informace v podobě určité energie a tato informace je jako nervový vzruch předána ke zpracování
    • chemoreceptory
    • termoreceptory
    • mechanoreceptory
    • fotoreceptory

Vnímání světla zrakem

  • zrak = smysl pro vnímání světelných podnětů (elektromagnetické vlnění) prostřednictvím zrakových pigmentů ve fotoreceptorech sítnice – tyčinkách pro noční vidění a čípcích pro barevné denní vidění
  • oko = optická soustava promítající skutečný zmenšený převrácený obraz na sítnici (analogie: čočka – clona – film)
    • soustava má ohniskovou vzdálenost f = 15 – 20 mm a optickou mohutností 58 dioptrií
    • poruchou je krátkozrakost (myopie) – oko příliš dlouhé a dalekozrakost (hyperopie) – oko příliš krátké
    • normální zorné pole činí 125°, efektivní zorné pole 20-30°
    • blízký akomodační bod – 15 let 10 cm, 30 let 13 cm, 50 let 50 cm
    • průměr vstupní pupily 1,5 mm až 8 mm – množství světla se může změnit cca 30x (max. světelnost 2,8)
    • člověk vnímá světlo v rozsahu vlnových délek 397-723 nm (tj. modrofialová – červená; citlivost na barvy je však různá – nejcitlivější je na zeleno-žlutou)
    • poruchami barvocitu trpí 9 % mužů a 0,4 % žen

Skladba oka

  • žlutá skvrna (5 mm) – jamka fovea 1,5 mm = oblast nejostřejšího vidění s vysokou koncentrací čípků 150 tis./1 mm2 (barevné vidění)
  • oko opouští cca 1 mil. nervových vláken – 130 neuronů na vlákno – nutnost silné integrace (konvergence) vizuální informace

oko

Sítnice

  • sítnice (retina) 0,2 mm, má 10 vrstev, obsahuje fotoreceptory = světločivné neurony (tyčinky a čípky) a dále převodní neurony a podpůrné buňky

sitnice

 

Sitnice

  • tyčinky – zprostředkují vidění hlavně za šera, tzv. vidění skotopické (noční vidění)
    • počet tyčinek je cca 125 mil., jsou 1000x citlivější než čípky, uplatňuji se při hladinách jasu nižších než 0,001 cd•m–2 a mají vetší citlivost na modrou část spektra
    • obsahují fotopigment rodopsin (zrakový purpur) s největší citlivostí na světlo s vlnovou délkou 498 nm, dle jiných pramenů 507 nm
  • čípky – vidění při osvětlení, tzv. vidění fotopické (barevné vidění), zajišťují 3 typy čípků s citlivostí na modro-fialové, zeleno-žluté a červeno-žluté světlo – uplatňují se při jasech vyšších než 10 cd•m–2; počet čípků je cca 7 mil; obsahují 3 sloučeniny pigmentu iodopsin
    • největší citlivost 437 nm – modro-fialová barva – 2% čípků
    • největší citlivost 533 nm – zeleno-žlutá barva – 32% čípků
    • největší citlivost 564 nm – červeno-žlutá barva – 64% čípků

Spektrální citlivost oka

  • ve dne je oko nejcitlivější na vlnovou délku 543 nm
  • klesá-li osvětlení, posouvá se maximum citlivosti oka ke kratším vlnovým délkám – tzv. Purkyňův jev
  • ve tmě se snižuje citlivost oka na červenou oblast až o 50 nm

TYCINKY

 

Tyčinky a čípky

vlnovadelka

Denní a noční vidění

Rozlišovací schopnost oka

  • lidské oko je zobrazovací systém s konečným prostorovým, časovým a jasově-kontrastním rozlišením
  • prostorová rozlišovací schopnost
    • dána průměrem tyčinek a čípků – průměr čípků je cca 0,005 mm a tyčinek přibližně 0,002 mm
    • dána jejich počtem (125 mil. + 7 mil.) a jejich hustotou (např. 150 tis./mm2 = 388/mm = cca 10 tis. DPI – CCD 65Mpx)
    • limitní prostorová rozlišovací schopnost oka činí 1‘
      • normální lidské oko je za dobrých podmínek schopno rozlišit vzorek černých a bílých čar o úhlové velikosti cca 1‘ = na vzdálenost 25 cm to činí 0,07mm, na vzdálenost 3,5 m přibližně 1 mm
    • nejmenší bod viditelný okem je cca 30 µm = 0,03 mm
  • časová rozlišovací schopnost
    • dána především rychlostí vedení vzruchů a jejich zpracování (tzv. setrvačnost oka)
    • frekvenční práh (kritický kmitočet blikání, kmitočet splynutí) = frekvence záblesků, které oko ještě rozliší jako blikání a nad níž není blikání pro dané podmínky již vnímatelné
    • kritický kmitočet blikání závisí především na max. jasu, trvání osvětlení, tvaru náběhu světelného stimulu a úhlu pozorování – obvykle se pohybuje kolem 50 Hz
    • Talbotův zákon – vjem nad kmitočtem splynutí je stejný jako při působení trvalého podnětu se stejnou průměrnou energií
    • kontinuální vjem série snímků počíná na frekvenci 12 obr./s a využívá se do 25 obr./s (film od 16 obr./s + rotační závěrka)
  • jasová – kontrastní rozlišovací schopnost
    • jas (intenzity) objektu primárně závisí na intenzitě světla zdroje a vlastnostech povrchu předmětu (množství odraženého světla)
    • jasový rozsah lidského oka činí 1 000 000:1 a jeho optická denzita 6 (kvalitní diapozitivy mají optickou denzitu 4 – 100x méně než oko, obrazovky mají optickou denzitu 2 – 10 0000x méně než oko)
    • kontrast jasový – poměr jasů nejsvětlejšího a nejtmavšího místa v obraze (např. kontrast 1000 : 1 znamená, že nejsvětlejší místo je 1000x jasnější než nejtmavší)
    • jasová adaptace oka – oko je schopno se změnou plochy zornice až 1 : 20 za cca 360 ale i za 100 ms a změnou citlivosti fotopigmentů rychle adaptovat na různé jasové úrovně – dynamika, na kterou je schopno se adaptovat je enormní, cca 1010 (od 2×10–9 lx do 105 lx)
    • u reálného obrazu se oko adaptuje na průměrnou hodnotu jasu obrazu
    • oslnění – jistou dobu je citlivost vůči dané barvě snížena a doba trvání oslnění roste s intenzitou a vlnovou délkou
    • adaptace na tmu – max. zvýšení citlivosti oka do 40 min; nejdříve se zvětší zornička (vzroste množství dopadajícího světla do oka až 30x), asi 10 min roste citlivost čípků a zbylých 30 min se regeneruje rhodopsin v tyčinkách
    • regenerace fotopigmentů čípků ve tmě je podstatně rychlejší (asi 1,5 min) než u rodopsinu (5 min)

Vnímání jasu

  • subjektivní jas (brightness) – rozdíl mezi subjektivním vnímáním jasu a množstvím světla, které reálně předmět odráží nebo vysílá
  • brightness je subjektivní dojem, který v člověku ponechá pozorování předmětu o určité luminanci – stejná luminance dokáže vyvolat různé dojmy brightness
  • psychosenzorický vjem jasu tedy není identický s fyzikální veličinou jasu
  • oko vyhodnocuje jas objektu v kontextu jasu okolí s ohledem na jasový kontrast
  • psychosenzorický vjem jasu terče závisí na jasu jeho okolí – stejný předmět, obklopen tmavými tóny, se nám bude vždy zdát jasnější, než je-li obklopen světlými tóny

Vnímání barev

  • lidské oko je ve dne nejcitlivější na zeleno-žlutou barvu (543 nm) a nejméně citlivé na barvu modrou až fialovou
  • oko je schopno rozlišit až 250 čistých spektrálních barevných odstínů s rozdílem kolem jednoho nanometru; každou barvu navíc v mnoha úrovních sytosti a světlosti – cca 20 tisíc odstínů barvy a 300 odstínů šedi (teoreticky 10 mil. odstínů)
  • pro celé spektrum má přitom oko pouze tři druhy sond (čípků) – mohou existovat miliony různých spekter, které oko kvůli zjednodušeným sondám nebude schopné rozlišit
  • logicky z toho též vyplývá i opačný fakt – všechny okem rozlišitelné barvy je možné ze tří druhů spekter smíchat (barvy, které tak namíchat nelze, jsou stejně nerozlišitelné)
  • oko vyhodnocuje jas objektu nejen v kontextu jasu okolí, ale též v kontextu barvy – světlé barvy se zdají jasnější
  • např. na žlutou barvu je oko mnohem citlivější než na barvu fialovou – žlutý předmět se bude vždy zdát jasnější (světlejší), i když z fyzikálního hlediska odráží stejné množství energie jako předmět fialový

Barevné modely dle fyziologie oka

  • většina reálných barev však může být vytvořena ze tří základních barev: červené (R-Red), zelené (G-Green) a modré (B-Blue) v aditivním systému RGB
  • použít lze také barvu modrozelenou (C-Cyan), purpurovou (M-Magenta) a žlutou (Y-Yellow) v subtraktivním systému CMY

cmyk

 

RGB a CMYK

Iluminanty (smluvní světla)

  • vnímání barvy zásadně ovlivňují světelné podmínky, resp. spektrální charakteristika osvětlení
  • objekty mohou odrážet pouze takové vlnové délky, které jsou součástí dopadajícího světla
  • odlišná (stejná) spektra mohou při určitém osvětlení evokovat stejnou (různou) vnímanou barvu =metamery – metamerie
    • 1927 stanovuje komise CIE (Commission Internationale de l’Eclairage = osvětlení) standardní osvětlení, tzv. illuminanty udávající spektrální charakteristiku osvětlení
    • pro praxi DTP a přípravy tisku (norma ANSI) se používá illuminant D50, který odpovídá světlu 2 hod. po východu slunce v létě v Evropě = světlu o barevné teplotě 5003 K
    • světlo o barevné teplotě 5000 K
    • pro definici bílé v RGB je užíván illuminant D65, který odpovídá dennímu světlu v Evropě v zimně v poledne = o teplotě 6500 K
  • existuje řada dalších normovaných i nenormovaných illuminantů, např. A (žárovka) = 2 854 K, B (střední denní světlo) = 4 800 K

Barevný kontrast

  • vnímaná barva může být kromě podnětu samotného závislá i na barevném kontextu okolí – tzv. barevný kontrast

vliv

Vliv barevného kontrastu na čitelnost

Vnímání hloubky

  • okulomotorické informace prostřednictvím
    • akomodace – přeostření
    • konvergence – změna sbíhavosti os očí
  • vizuální informace
    • binokulární – paralaxa (sítnicová nerovnost obrazů)
    • monokulární
      • pohybová paralaxa (zdánlivý vzájemný pohyb objektů)
      • statické klíče
        • interpozice – vzájemná poloha (např. překrývání)
        • velikost (nutná zkušenost)
        • perspektiva
          • lineární (ubíhání)
          • texturová (texturní gradient)
          • vzdušná (změna barev a ostrosti)

Vnímání světla zrakem – závěr

  • lidské vidění není strojové – jeho účelem je přežití, takže má zcela subjektivní charakter
  • oko a mozek propojuje fyzikální vidění se zkušeností a emocemi
  • všichni lidé nejsou stejně citliví na určité odstíny – stejná barva vnímaná v různých prostředích může působit jinak
  • u osoby, která pozoruje barvu delší dobu, dochází k únavě sítnice oka a barvy nejsou pak vnímány přesně
  • mozek dokáže korigovat vady oka, doplňovat části scény nebo se rychle přizpůsobit měnícím se světelným podmínkám z hlediska jasu i barvy (vyvážení bílé)
  • mozek je ale též náchylný k optickým klamům a paradoxům
  • obecně lze rozlišovat 2 hlavní skupiny – klamy fyziologické a klamy psychologické