kleurenzicht

Deze fotometrische gewichten definiëren de lichtopbrengst van elke golflengte en vormen samen de fotopische lichtopbrengstfunctie , de lichtgeadapteerde gevoeligheid van de kegeltjes (diagram rechts). Golflengten buiten het zichtbare spectrum, doorgaans aangeduid als 400 nm tot 700 nm, hebben een verwaarloosbaar effect op het oog en worden meestal genegeerd.

De fotopische gevoeligheidscurve is zo geschaald dat 1 watt aan stralingsflux bij een golflengte van 555 nm ("geelgroen" licht) gelijk is aan een lichtstroom van 683 lumen (diagram, rechts). (Dit oneven getal is gekozen om continuïteit te waarborgen met de overgeërfde, historische lichtmetingen – zoals die werden uitgezonden door een enkele brandende kaars of lamp, of door een opening ter grootte van een potloodpunt boven witgloeiend platina.) De fotopische curve bepaalt vervolgens de proportionele gewichten die worden gebruikt om energie bij andere golflengten om te zetten in licht.

de spectrale lichtsterkteverdeling van daglicht

Het spectrum gemeten in perceptuele eenheden (luminantie in lumen), ten opzichte van de waarde bij 555 nm.

Hier is de spectrale vermogensverdeling van daglicht , gewogen naar lichtrendement, om de fotopische lichtsterkte in lumen weer te geven. De curve is wederom gestandaardiseerd op een piekhelderheid van 555 nm ("geelgroen"). Zoals het diagram laat zien, reageert het oog slechts op 17% van de totale straling die beschikbaar is aan het aardoppervlak (ervan uitgaande dat het oog 100% reageert bij 555 nm).

Er is een tweede curve beschikbaar om de donkergeadapteerde visuele gevoeligheid van de staafjes te beschrijven: de scotopische lichtrendementsfunctie (diagram, rechtsboven). De scotopische piekgevoeligheid bij 507 nm is verschoven naar de korte golflengtezijde van de fotopische efficiëntiecurve; deze is geschaald zodat deze overeenkomt met de gevoeligheid van de kegeltjes bij de fotopische piekgolflengte. Dit verhoogt het scotopische pieklichtrendement tot 1700 lumen per watt: hetzelfde stralingsvermogen lijkt onder scotopische kijkomstandigheden ongeveer drie keer zo helder.

In feite is de piekgevoeligheid bij weinig licht (scotopisch) meer dan 120 keer groter dan bij licht (fotopisch), gemeten als de minimale hoeveelheid licht die nodig is om een ​​zichtbare stimulus te produceren – en niet de 3 keer grotere waarde die de fotometrische schaalverdeling suggereert. Het punt waarop de lichtgevoeligheid bij weinig en licht gelijk is, ligt eigenlijk in het "rode" golflengtegebied, rond 640 nm. De lumen is dus een andere psychofysische eenheid onder fotopische, mesopische of scotopische lichtomstandigheden, en onderschat over het algemeen de lichtopbrengst van zeer zwakke lichtstimuli.

Colorimetrie is het meten van kleurprikkels met behulp van fotometrische technieken. Dit gebeurt door de spectrale vermogensverdeling van een lichtbron of oppervlak te wegen met behulp van drie verschillende lichtrendementscurven: ofwel standaard kleuraanpassingsfuncties , ofwel de L- , M- en S- kegelgevoeligheidscurven . Deze waarden worden vervolgens gebruikt om de kleur van de prikkel te trianguleren of te berekenen wanneer deze als een geïsoleerde plek wordt bekeken; de waarden worden ook opgeteld om de kleurhelderheid te verkrijgen. Deze technieken worden in latere hoofdstukken over colorimetrie en het CIELAB- kleurmodel uitgelegd.

De fundamentele fotometrische beschrijving van de lichtprikkel wordt een spectrofotometrische curve genoemd . Deze beschrijft de relatieve hoeveelheid licht (lumen of fotonen) als een verhouding ten opzichte van een bepaalde standaard- of maximale waarde over het zichtbare golflengtebereik (doorgaans 380 tot 750 nm, of 400 tot 700 nm). Deze curves zijn er in drie varianten:

• Een spectrale emissiecurve beschrijft het licht dat wordt uitgezonden door bronnen zoals de zon of kunstlicht . De hoeveelheid licht die bij elke golflengte wordt uitgezonden, wordt uitgedrukt als een verhouding ten opzichte van de hoeveelheid licht die wordt uitgezonden bij de meest heldere golflengte, of bij een willekeurige standaardgolflengte (meestal 555 nm of 560 nm).

• Een spectrale transmissiecurve toont bij elke golflengte de hoeveelheid licht die door het medium wordt doorgelaten, uitgedrukt als een verhouding ten opzichte van het licht dat op het tegenoverliggende oppervlak valt.

• Een spectrale reflectiecurve toont bij elke golflengte het licht dat door een oppervlak wordt gereflecteerd (niet geabsorbeerd) als een verhouding tot het licht dat op het oppervlak valt.

Omdat prenten en schilderijen in wezen oppervlakken zijn, is de spectrale reflectiecurve de standaardmethode om de kleurvormende eigenschappen van inkt of verf op papier te beschrijven.

Reflectiecurven en kegelvormige lichtopbrengsten voor titaanwit ( PW6 ) en ivoorzwart ( PBk9 )

genormaliseerde kegelspectrale curven van Vos, 1978 en Werner, 1982

De twee bovenstaande voorbeelden tonen de reflectiecurven voor de meest basale oppervlaktekleuren: zwart en wit. De horizontale as geeft specifieke lichtgolflengten in het zichtbare spectrum aan (in het diagram gesymboliseerd als spectrumkleuren). De hoogte van de curve toont het percentage (van 0% tot 100%) van het invallende licht dat door het oppervlak wordt gereflecteerd bij elke golflengte.

De reflectiecurve elimineert elk effect van variaties in de verlichtingssterkte of intensiteit van de lichtbron: een oppervlak dat 50% van het maanlicht reflecteert, reflecteert ook 50% van het zonlicht. De curve is bovendien hetzelfde, ongeacht de kleur van de lichtbron, mits alle zichtbare golflengten in gelijke mate in het licht aanwezig zijn (hoewel de meting het meest nauwkeurig is met een "witte" lichtstandaard). Bij het interpreteren van een reflectiecurve moet men ervan uitgaan dat deze de kleur van het oppervlak weergeeft zoals die wordt waargenomen onder een lichtbron met gelijke energie of "zuiver" wit licht, dat alle zichtbare golflengten in gelijke hoeveelheden bevat.

Het verschil tussen de reflectiecurven voor witte en zwarte verf laat zien dat de lichtheid van een verf evenredig is met de gemiddelde hoogte van de reflectiecurve . Deze verhouding is echter niet gemakkelijk af te leiden uit de curve zelf, omdat lichtheid een kromlijnige relatie heeft met reflectie; zo wordt bijvoorbeeld de grafische kleur "middengrijs" geproduceerd door een gemiddelde reflectie van ongeveer 19%.

Merk ook op dat de gemiddelde hoogte van een reflectiecurve nooit 0% is: alle fysieke oppervlakken reflecteren enig licht. De zwartste aquarelverf reflecteert ongeveer 10% van het licht dat erop valt, en zwarte acrylverf of kleurstalen reflecteren ongeveer 5%.

De trilineaire kleurspecificatie — de relatieve verhouding van L- , M- en S -output geproduceerd door het gereflecteerde licht — kan worden gebruikt om de oppervlaktekleur af te leiden die wordt weergegeven door een reflectiecurve. Ik bied twee hulpmiddelen om u hierbij te helpen. Elke curve is voorzien van de logaritmische gevoeligheidscurven voor de L- , M- en S- kegeltjes. Om te laten zien hoe de curve daadwerkelijk door het oog wordt geïnterpreteerd, worden de meeste reflectiecurven vergezeld door het bijbehorende kegeltjesresponsprofiel , het niveau van kegeltjesrespons dat door het lichtmengsel wordt gecreëerd.

een eenvoudige methode voor het interpreteren van spectrale reflectiecurven

De belangrijkste ijkpunten zijn de kruispunten waar de gevoeligheidscurve van de ene kegel onder die van de andere zakt. Deze zijn gemakkelijk te zien in het spectrum als twee smalle, afzonderlijke kleurbanden: de "cyaan" -grens tussen "blauwe" en "groene" golflengten (rond 495 nm) en de "gele" -grens tussen "groene" en "rode" golflengten (rond 575 nm). Deze kruispunten verdelen het spectrum in drie secties: blauw, groen en rood. Binnen elke sectie is de S-, M- of L- kegel de dominante receptor. Als vuistregel geldt dat de verhouding van gereflecteerd licht in elke sectie van het spectrum de proportionele bijdrage van de L- , M- of S- kegel aan de kleurwaarneming aangeeft.

lichtrendementen voor fotopisch en scotopisch zicht

De grafieken tonen het aantal lumen dat wordt geproduceerd door 1 watt aan stralingsvermogen bij elke golflengte tussen 400 nm en 700 nm.

Het is onverstandig om de kleurwaarneming (helderheid, tint of verzadiging) van een oppervlak rechtstreeks af te lezen van de spectrale reflectiecurve: de curves tonen het percentage gereflecteerd licht bij elke golflengte, maar niet het belang of de invloed van elke golflengte op de kleurwaarneming. De reflectie van een scharlakenrode verf (diagram rechts) heeft bijvoorbeeld een piek in het rode deel van het spectrum, maar wat is precies de dominante golflengte (tint)? De staart van de blauwe en groene reflectie kan een aanzienlijke invloed hebben op de tint en verzadiging van het oppervlak. Het is ook moeilijk om de helderheid van het oppervlak te beoordelen, omdat de groene golflengten veel meer bijdragen aan de helderheid dan de rode of blauwe golflengten. Reflectiecurves zijn het best te interpreteren wanneer de ene curve met de andere wordt vergeleken – om het relatieve reflectieverschil tussen twee soorten verf, inkt of papier aan te geven – of om de algemene kleurwaarneming aan te geven – rood versus groen, of verzadigd rood versus onverzadigd rood.

het gebruik van reflectiecurven om een ​​kleurenmengsel te definiëren

gelijke delen ultramarijnblauw ( PB29 ) en diep cadmiumrood ( PR108 )

Twee reflectiecurven kunnen ook worden gecombineerd om de kleur te modelleren die zou ontstaan ​​door het mengen van twee pigmenten, zoals hierboven is weergegeven voor een mengsel van gelijke delen ultramarijnblauw ( PB29 ) en diep cadmiumrood ( PR108 ).

De reflectiecurve voor aquarelverfmengsels (van verven met gelijke kleurkracht, dekkracht en verdunning) is bij benadering het geometrisch gemiddelde van hun afzonderlijke reflecties, berekend voor elke golflengte in het spectrum. (Het geometrisch gemiddelde is de wortel van het product.) Als bijvoorbeeld ultramarijnblauw 80% van een specifieke "blauwe" golflengte reflecteert (bijvoorbeeld 480 nm) en diep cadmiumrood slechts 8%, dan reflecteert hun mengsel ongeveer 25% van het licht van 480 nm (dat wil zeggen 0,08 x 0,8 = 0,064, waarbij de wortel van 0,064 gelijk is aan 0,25). Deze middeling moet voor elke golflengte worden herhaald. Vervolgens wordt de schijnbare kleur van het mengsel bepaald aan de hand van de reacties van de kegeltjes op de resulterende gemiddelde reflectiecurve (witte lijn).

Voor transmissiefiltermengsels geeft het eenvoudige product van de twee transmissieprofielen de resulterende lichtintensiteit: 0,80 x 0,08 = 0,064, oftewel 6,4% voor de golflengte van 480 nm.

Het geometrisch gemiddelde kent meer gewicht toe aan de absorptie dan aan de reflectie van de twee verfsoorten: bij elke golflengte ligt de reflectie van het mengsel dichter bij die van de donkerdere verf. Om echter de geschatte tint van het mengsel te bepalen of te begrijpen hoe de twee verfsoorten zich gedragen wanneer ze met elkaar of met licht worden gemengd, kan het visuele gemiddelde – dat bij elke golflengte enigszins naar de donkerdere reflectiecurve is verschoven – vaak prima volstaan.

een spectrale reflectiecurve voor een scharlakenrode verf

Dit illustreert dat kleurwaarneming wordt gedomineerd door golflengten die worden uitgezonden of gereflecteerd in het midden van het spectrum, ruwweg tussen "cyaan" en "rood-oranje". Verfsoorten die voornamelijk de middelste golflengten absorberen en de uiteinden van het spectrum reflecteren (zoals dieprood en blauwviolet) produceren bijzonder donkere kleuren.

de ruimtelijke geometrie van licht

De omrekening van een spectrale vermogensverdeling naar lumen is slechts de eerste stap naar een bruikbare maat voor lichtintensiteit: het is ook nodig om de ruimtelijke geometrie te specificeren die beschrijft hoe het licht wordt gemeten of bekeken. Verschillende meetsituaties leveren zeer verschillende beschrijvingen van de lichtbron op.

De negen fotometrische elementen . De negen elementen die nodig zijn om de ruimtelijke geometrie van licht te definiëren zijn:

1. Een denkbeeldige puntbron die de ruimtelijke locatie van de lichtbron weergeeft en de radiale eigenschap van het uitgezonden licht vertegenwoordigt.

2. Een denkbeeldige meetsfeer die gecentreerd is op en de puntlichtbron volledig omsluit (de geometrie van de lichtstroom ).

3. Een denkbeeldige opening in de meetbol, ​​gemaakt door een specifiek oppervlak ( A ) uit de bol te snijden, die de totale hoeveelheid licht die van de puntbron wordt uitgezonden reduceert tot het licht dat door de opening straalt (de geometrie van de lichtsterkte ).

4. Een rechte lijn die de gemiddelde richting aangeeft van het licht dat vanuit de puntbron door de opening wordt uitgezonden.

5. De fysieke afstand ( D ) gemeten in de richting van het licht vanaf de puntbron tot het oppervlak van de meetbol, ​​of tot een oppervlak met een oppervlakte gelijk aan de opening in de bol (een belangrijk element bij verlichtingssterkte ).

(De meetopening, de lichtrichting en de afstand worden gecombineerd tot één meeteenheid, de ruimtehoek , die de verhouding is tussen de meetopening die licht uitzendt, of het oppervlak dat licht ontvangt, en het kwadraat van de afstand van de opening of het oppervlak tot de puntbron: A/D² ^. Zie ruimtehoekgeometrie en de omgekeerde kwadratenwet .)

6. De invalshoek ( θi ₎ tussen de richting van het licht en een lijn loodrecht op het vlak van een fysiek oppervlak dat het licht ontvangt (zie cosinuscorrectie voor oppervlakken).

7. Het beeldgebied ( S ) van het fysieke oppervlak van de lichtbron, gezien vanaf een punt op het oppervlak dat het licht ontvangt (het belangrijkste element in luminantie ).

8. De emissiehoek ( θe ₎ tussen de richting van het licht en een lijn loodrecht op het oppervlak van een uitgestrekte lichtbron (zie cosinuscorrectie voor lichtbronnen).

9. Het pupilgebied dat licht in het oog toelaat (het belangrijkste element in de retinale verlichting ).

In combinatie beperken deze negen elementen het licht tot vijf verschillende meetgeometrieën: elke geometrie creëert een andere eenheid voor lichtmeting. Het onderstaande diagram geeft een samenvatting en een visueel ezelsbruggetje voor deze vijf meeteenheden — lichtstroom, lichtintensiteit, verlichtingssterkte, luminantie en retinale verlichtingssterkte — de geometrie die ze definieert, en de daarop gebaseerde meeteenheden.

de relaties tussen de vijf fotometrische eenheden

Er bestaat een parallelle radiometrische nomenclatuur ( stralingsflux, stralingsintensiteit, bestralingssterkte en stralingssterkte, exclusief de troland): deze zijn gebaseerd op identieke meetgeometrieën, maar passen geen lichtrendementsfunctie toe om de spectrale vermogensverdeling om te zetten in een lichtverdeling .

De lichtstroom is de maat die het dichtst bij de fundamentele natuurkunde van lichtopwekking staat. Deze wordt gemeten in lumen (lm):

1/683 watt uitgestraald = 1 lumen

Zoals hierboven uitgelegd, werd deze fractionele vermogenseenheid (de watt) aangenomen om consistent te blijven met historische eenheden voor lichtmeting: één lumen is ruwweg gelijk aan de totale hoeveelheid licht die door één waskaars wordt uitgestraald.

Lichtstroom is de algemene term voor het zichtbare vermogen dat een lichtbron per seconde uitzendt. De totale lichtstroom is specifiek het licht dat de lichtbron in alle richtingen uitzendt. De ruimtelijke geometrie van dit concept is equivalent aan het omsluiten van de lichtbron in een meetbol die al het uitgezonden licht op het binnenoppervlak opvangt (diagram, rechts).

De straal van de bol verandert niets aan de totale hoeveelheid licht die op het binnenoppervlak valt. We kunnen ons dus voorstellen dat de bol zo enorm is dat de lichtbron in verhouding slechts één puntbron in het middelpunt is. Omdat al het licht vanuit het middelpunt van de bol uitstraalt, staat al het licht loodrecht op het binnenoppervlak van de bol. Dit beschrijft de radiale geometrie van licht.

In de praktijk wordt de lichtstroom berekend door de lichtopbrengst van een lichtbron vanuit verschillende hoeken op gelijke afstanden te meten en deze vervolgens te integreren over een bolvormig oppervlak; of door het gereflecteerde licht op één punt binnen een diffuus bolvormig oppervlak te meten en die hoeveelheid te extrapoleren naar het gehele bolvormige oppervlak. In feite wordt de grootheid meestal verkregen door het licht vanuit één richting en op één afstand te meten (verlichtingssterkte of luminantie) en vervolgens daaruit terug te rekenen.

Lichtstroom is een 'broncentrische' definitie van licht: het beschrijft de bron zonder rekening te houden met de richting, afstand of oppervlakte van een oppervlak, camera of oog dat het licht zou kunnen ontvangen. Conceptueel gezien vertegenwoordigt het de lichtbron onafhankelijk van een fysiek gezichtspunt en komt het overeen met het gevoel van elementaire kracht dat we afleiden uit de ervaring van uitstromend licht.

lichtstroom gedefinieerd door een meetbol

Lichtsterkte is de lichtstroom die vanuit een puntbron wordt uitgezonden in een radiaal gebied, de zogenaamde ruimtehoek (zie hieronder).

De ruimtehoek is in wezen een "venster" of opening die in de meetbol is gesneden. Om de radiale geometrie van het licht te behouden, moet de gemiddelde richting van het licht dat we willen meten gecentreerd zijn binnen het gebied van deze opening, en moet het licht zowel een puntbron zijn als zich in het midden van de bol bevinden wanneer de opening en de richting zijn gedefinieerd.

Deze opening verwijdert een bolvormig oppervlak uit de meetbol, ​​en dit is het oppervlak van de ruimtehoek. Dit oppervlak van de opening kan elke grootte of vorm hebben, maar de standaard of eenheidsruimtehoek is de steradiaan , gelijk aan een vierkante opening met zijden van 57° of een cirkelvormige opening met een diameter van 65°. De steradiaan definieert lichtsterkte als lumen per steradiaan of candela (cd):

1/683 watt uitgestraald in 1 steradiaal
= 1 lumen/steradiaal
= 1 candela

De steradiaan omsluit een gebied gelijk aan het kwadraat van de straal van de meetbol, ​​oftewel een vierkante radiaal. Het is de eenheidsruimtehoek omdat deze is gedefinieerd op een eenheidsbol (met straal 1), waardoor het oppervlak gelijk is aan 1. Daardoor is het oppervlak van de steradiaanopening gelijk aan 1/4π (ongeveer 1/12e) van het totale oppervlak van een bol. Ervan uitgaande dat de puntbron in alle richtingen gelijkmatig straalt:

Lichtsterkte beschrijft het idee dat een lichtbron een bepaalde helderheid of kracht in een specifieke richting heeft: straatverlichting die het trottoir verlicht, plafondlampen die een kantoorwerkplek verlichten, een schijnwerper gericht op een cabaretzanger, de zon die naar de aarde schijnt.

De lichtsterkte is echter nog steeds een "broncentrische" of abstracte maat voor licht, omdat we de afstand tot een waarnemer of verlicht oppervlak, noch de grootte van het fysieke oppervlak dat het licht ontvangt, hebben gespecificeerd. Lichtsterkte is een abstracte maat voor de hoeveelheid stralingsvermogen of fluxdichtheid binnen een standaard ruimtehoek.

De kijkgeometrie . Om lichtmetingen "kijkergericht" te maken, moeten we de meting van de lichtstroom aanpassen aan aspecten van de lichtgeometrie zoals een kijker die definieert. Deze aspecten omvatten onder andere het oppervlak dat door het licht wordt verlicht, de afstand van het oppervlak tot de lichtbron en de visuele grootte van de lichtbron voor de kijker. De ruimtehoek is een meeteenheid die al deze aspecten van de kijkgeometrie kan combineren.

lichtsterkte gemeten in steradianen in een specifieke richting

De steradiaan is het oppervlak van een bol dat gelijk is aan het kwadraat van de straal van de bol.

Ruimtehoekmeetkunde . De ruimtehoek is simpelweg een geprojecteerd oppervlak :

• Numeriek gezien is een ruimtehoek een verhouding tussen afstand en oppervlakte die geldt voor alle afstanden, net zoals de "gulden rechthoek" een verhouding is tussen hoogte en breedte (1:1,618) die geldt voor rechthoeken van alle groottes. (Natuurkundigen zeggen daarom dat het een "dimensieloos" getal is.)

• Geometrisch gezien is een ruimtehoek analoog aan (maar niet hetzelfde als) een kegel of piramide: bij het toepassen van de ruimtehoek op de meting van licht, komt de geïdealiseerde puntlichtbron die het te meten licht genereert overeen met de top van een kegel, en de gemiddelde richting van het licht dat zich door de ruimte voortplant, komt overeen met de centrale as van een kegel.

De "basis" van de kegel of piramide wordt echter gedefinieerd als het oppervlak van de basis geprojecteerd op het oppervlak van een bol, waarbij de puntbron zich in het middelpunt van de bol bevindt.

Waarom is het nodig dat het oppervlak van de ruimtehoek wordt gedefinieerd op een meetbol ? Omdat dit ervoor zorgt dat elk deel van de ruimtehoek op gelijke afstand van de oorsprong van het licht wordt gemeten (al het licht wordt met gelijke intensiteit gemeten), en omdat het bolvormige oppervlak het kleinst mogelijke geprojecteerde oppervlak definieert voor een gegeven afstand D, gemeten langs de gemiddelde richting van het licht.

We kunnen bijvoorbeeld de ruimtehoek doorsnijden met een vlak oppervlak, waardoor een "basis" voor de kegel ontstaat, of we kunnen de kegel op het oppervlak van een bol plaatsen, zoals de maan (diagram, rechts). De vlakke en de gebogen oppervlakken zullen een groter gebied definiëren dan de meetbol, ​​omdat op zowel de gebogen als de vlakke oppervlakken de buitenrand van de ruimtehoek ( b in het diagram) verder van de puntlichtbron verwijderd zal zijn dan de afstand gemeten langs de as ( a ).

Het is eenvoudig om de oppervlakte van vlakke geometrische figuren te vinden die op een bol geprojecteerd worden. Als we bijvoorbeeld aannemen dat de ruimtehoek een cirkelvormige doorsnede heeft (zoals een kegel), dan is de oppervlakte van de ruimtehoek geprojecteerd op een meetbol:

waarbij theta ( θ ) de hoekgrootte van de ruimtehoek is, gelijk aan de binnenhoek van de kegel gemeten aan de top. Met andere woorden, we gebruiken de hoekgrootte om het oppervlak van de ruimtehoek te definiëren, onafhankelijk van elke afstandsmaat vanaf het punt.

Eerst definiëren we de afmetingen van het geprojecteerde oppervlak in booggraden, zoals gemeten bij de puntlichtbron. Zo meten we voor een cirkelvormig geprojecteerd oppervlak de diameter van de cirkel in graden; voor een vierkant geprojecteerd oppervlak meten we de zijde van het vierkant in graden. Dit is de hoekgrootte van het geprojecteerde oppervlak ( AS _graden ).

Ten tweede zetten we de hoekafmeting om in radialen, de geschikte afstandseenheid op het oppervlak van een bol. De omrekeningsformule is:

Ten derde berekenen we de oppervlakte van de bolvormige ruimtehoek, waarbij we radialen gebruiken als de maateenheid in de gebruikelijke formules voor de oppervlakte van vlakke figuren. Dit resulteert in een ruimtehoek uitgedrukt in steradianen. Een cirkelvormig meetgebied definieert een ruimtehoek dus als volgt:

En een vierkant meetgebied definieert een ruimtehoek als volgt:

ruimtehoek (steradianen) = AS _radialen ² .

Vanuit de aarde gezien lijkt de maan dus op een cirkelvormige schijf met een gemiddelde diameter (hoekshoek) van 0,52° of 0,0091 radialen. De ruimtehoek die wordt gevormd door het cirkelvormige oppervlak van de maan, gezien vanaf de aarde, is dus π*(0,0087/2) ² of 0,000065 steradianen.

Ten slotte kan een ruimtehoek worden gedefinieerd voor elk type geprojecteerd oppervlak — een ellips, een vijfhoek, een schaakbord van afzonderlijke vierkante vlakken, het profiel van Abraham Lincoln. We bepalen eerst de hoekgrootte van alle afmetingen die nodig zijn om de oppervlakte van de geprojecteerde figuur te berekenen, zetten die afmetingen vervolgens om in radialen en passen ten slotte de formule voor de oppervlakte van een figuur op een vlak oppervlak toe om de ruimtehoek in steradianen te vinden.

Een vereenvoudigde ruimtehoek . In praktische kijksituaties is het meestal voldoende en veel gemakkelijker om de afstand tot de lichtbron te meten (of te schatten) dan de hoekgrootte ervan; en in situaties waar de breedte van het geprojecteerde gebied erg klein is in vergelijking met de afstand van het gebied tot de lichtbron, kunnen we, met een verwaarloosbaar verlies aan nauwkeurigheid, aannemen dat het ontvangende oppervlak vlak is in plaats van driedimensionaal. Dan vereenvoudigt de oppervlakte van een ruimtehoek zich tot:

In deze formule wordt de ruimtehoek nog steeds uitgedrukt in steradianen, zelfs wanneer zowel het fysieke oppervlak als de afstand tussen de bron en het oppervlak in dezelfde eenheden worden uitgedrukt (voet, meter, kilometer). De diameter van de maan is dus 3480 km en de gemiddelde afstand tot het aardoppervlak is 378.000 km, wat een ruimtehoek van 0,000067 steradianen oplevert.

de ruimtehoek en oppervlakken

Het geprojecteerde oppervlak is niet hetzelfde als het verlichte oppervlak.

Hoewel het geen geometrische figuur is, is de steradiaan een nuttige perceptuele verhouding voor het visueel inschatten van de helderheid op een oppervlak (diagram, rechts). Een cirkelvormig oppervlak met een bepaalde breedte onder een diffuus licht lijkt min of meer gelijkmatig verlicht en vormt de basis voor ons oordeel of de lichtsterkte voldoende is voor het beoogde doel. Een leeslamp lijkt voldoende helder of te zwak, afhankelijk van de hoeveelheid licht die hij werpt op een cirkelvormig bureauoppervlak van 60 centimeter eronder, en een plafondlamp op basis van de verlichting op een cirkelvormige vloer van 2,7 meter breed eronder.

De omgekeerde kwadratenwet . Hoewel het steradiaaloppervlak van een ruimtehoek dimensieloos is (constant op alle afstanden van de lichtbron), moeten we wel nagaan wat er met het werkelijke geprojecteerde oppervlak gebeurt op verschillende afstanden van de lichtbron.

Omdat zowel de zijden van een ruimtehoek als de lichtbundels die erin vallen afkomstig zijn van de puntbron, blijft de totale lichtintensiteit die in een ruimtehoek uitstraalt constant, ongeacht de afstand tot de puntbron waar we het licht meten. Het dwarsdoorsnedeoppervlak wordt echter groter , waardoor de energie meer verspreid raakt (zie onderstaande diagram).

ruimtehoek en standaard oppervlakte

De ruimtehoek wordt gebruikt om de lichtsterkte te meten, die niet verandert met de afstand; het oppervlak wordt gebruikt om de verlichtingssterkte te meten, die wel verandert met de afstand.

Als we uitgaan van een constant oppervlak (hetzelfde fysieke oppervlak) op twee verschillende afstanden van de lichtbron, dan kan het oppervlak op de ene afstand ( D _{_a} ) gelijk zijn aan de doorsnede van de ruimtehoek, maar op grotere afstand ( D _{_b} ) slechts een klein deel ervan beslaan . De hoeveelheid licht die op het oppervlak valt bij D_{_b} moet dus kleiner zijn dan de hoeveelheid bij D_{_a} — maar hoeveel kleiner precies?

De omgekeerde kwadratenwet definieert de relatie tussen de twee afstanden en het verschil in de hoeveelheid licht die op elk valt ( I _a en I _b ) als volgt:

I _b = I _a * (D _a /D _b ) ²

Dit betekent: als een hoeveelheid licht I _a op een oppervlak valt dat zich aanvankelijk op een afstand D _a van de lichtbron bevindt, en het oppervlak vervolgens naar een nieuwe afstand D _b van de lichtbron wordt verplaatst, dan is de nieuwe hoeveelheid licht die op het oppervlak valt I _b gelijk aan de oorspronkelijke hoeveelheid licht vermeerderd of verkleind met het kwadraat van de verhouding tussen de twee afstanden.

Deze verhouding dankt zijn naam aan het feit dat we de verhouding van de nieuwe afstand gedeeld door de oorspronkelijke afstand nemen, de verhouding omkeren en vervolgens kwadrateren. In het diagram (hierboven) wordt een oppervlakte die zich aanvankelijk op 1 afstandseenheid van de lichtbron bevindt, verplaatst naar 3 afstandseenheden van de lichtbron; daar ontvangt het slechts (1/3) ^² of 1/9e van de lichtintensiteit die er op 1 afstandseenheid op viel. Als het licht eerst op 3 eenheden wordt gemeten en vervolgens naar 2 eenheden wordt verplaatst, is de hoeveelheid invallend licht (3/2) ^² of 2,25 keer groter.

straatverlichting en steradian

Cosinuscorrectie . Tot slot nemen we meestal, met weinig verlies aan nauwkeurigheid, aan dat het fysieke oppervlak dat overeenkomt met de ruimtehoek vlak is (een vlak). Maar belangrijker nog, we nemen altijd aan dat het oppervlak loodrecht staat op de richting van het licht . Als het vlakke oppervlak onder een schuine hoek ten opzichte van de richting van het licht staat, neemt het fysieke oppervlak dat door de ruimtehoek wordt omsloten toe, of neemt de schijnbare grootte van het oppervlak, gezien vanuit de puntbron, af (het beslaat een kleinere visuele hoek), vaak aanzienlijk. Dit noemen we verkorting .

Omdat verkorting het oppervlak, gezien vanuit de puntbron, altijd kleiner doet lijken, definieert het oppervlak altijd een kleinere ruimtehoek en ontvangt het dus minder licht. De mate van deze vermindering van het invallende licht wordt bepaald met de cosinuscorrectie voor verkorting . We voegen in de formule voor de ruimtehoek de cosinus van de hoek ( θi ₎ tussen de richting van het invallende licht en een lijn loodrecht op het oppervlak in (diagram rechts):

_{Als een oppervlak loodrecht op de richting van het licht staat , is} de invalshoek θi = 0, de cosinus = 1,0 en verandert de hoeveelheid licht die op het oppervlak valt niet. Als de invalshoek θi = 45°, dan is de cosinus = 0,707 en wordt de hoeveelheid licht die op het oppervlak valt met 71% verminderd.

Met behulp van de vereenvoudigde formule voor de ruimtehoek, inzicht in de omgekeerde kwadratenwet en de cosinuscorrectie voor verkorting, kunnen we de twee meest voorkomende en "kijkergerichte" lichtmetingen ontwikkelen: verlichtingssterkte en luminantie.

Verlichtingssterkte is de hoeveelheid licht die op een oppervlak valt, afkomstig van een of meer lichtbronnen. De afstand tot of de grootte van de lichtbron(nen) wordt hierbij niet gespecificeerd. De standaard meeteenheid voor verlichtingssterkte is echter gedefinieerd als de lichtenergie die in één seconde op een oppervlakte van één vierkante meter valt, op een afstand van één meter van een puntlichtbron. Dit levert lumen per vierkante meter (lm/m² ⁾ of lux (lx) op.

1/683 watt invallend licht op 1 vierkante meter
= 1 lumen per vierkante meter
= 1 lux

Er bestaan ​​verschillende verouderde of niet-metrische definities van verlichtingssterkte, waaronder de footcandle (1 lumen op 1 vierkante voet). Omdat er ongeveer 10 vierkante voet in één vierkante meter zit, definieert de footcandle een grotere lichteenheid dan de lux:

1 footcandle = 10,76 lux.

De verlichtingssterkte op een oppervlakte van 1 vierkante meter heeft een eenvoudige relatie (via de omgekeerde kwadratenwet ) met de twee eerder gedefinieerde maten voor de lichtopbrengst van een lichtbron, namelijk lichtstroom en lichtsterkte:

Bedenk dat de steradiaan simpelweg het vierkante oppervlak met een straal van een bol is, en dat de steradiaan-ruimtehoek dus gelijk is aan het kwadraat van de straal (afstand). In formule [1] leiden we de lichtsterkte af door de lichtstroom, de totale lichtopbrengst in alle richtingen, te delen door het aantal steradianen in het oppervlak van een bol ( 4π of ongeveer 12,57); vervolgens gebruiken we in beide formules de omgekeerde kwadratenwet om de lichtsterkte aan te passen door te delen door het kwadraat (in meters) van de afstand van de lichtbron tot het lichtontvangende oppervlak. Dit geeft ons de verlichtingssterkte in lux, als de hoeveelheid van de totale lichtstroom die op één vierkante meter zou vallen op de gegeven afstand.

de basisgeometrie van verlichting

Verlichtingssterkte als het puntlichtintensiteitsgetal vermenigvuldigd met het kwadraat van de afstand tot een standaard ontvangstoppervlak van één vierkante meter.

Een niet-reflecterende gloeilamp van 60 W straalt dus ongeveer 600 tot 840 lumen uit; lumen staat voor lichtstroom, dus volgens formule [1] is de verlichtingssterkte op 3 meter afstand ongeveer 5 tot 7,5 lux. Inbouw- of reflectorlampen stralen hun lichtstroom in één richting uit, als een diffuse bundel of lichtkegel. De ruimtehoek van deze lichtkegel varieert per type verlichting, maar een handige vuistregel is dat de kegel binnen een ruimtehoek van één steradiaan past. De nominale lichtsterkte van het licht in lumen is dan gelijk aan de verlichtingssterkte in lux (1 lumen is gelijk aan 1 lux op 1 meter afstand), en alleen de omgekeerde kwadratische correctie voor verschillende afstanden is nodig. Voor een reflector- of inbouwlamp van 60 W met een nominale lichtsterkte van 650 lumen is de verlichtingssterkte op 3 meter afstand ongeveer 72 lux.

Als het licht schuin in plaats van loodrecht op het oppervlak valt, is de verlichtingssterkte lager en moet de lichtintensiteit worden vermenigvuldigd met de cosinuscorrectie voor verkorting:

Ten slotte is er een derde definitie van verlichtingssterkte, gebaseerd op de luminantie en de beeldgrootte (ruimtehoek) van de lichtbron zoals die vanaf het oppervlak verschijnt:

[3] verlichtingssterkte = luminantie * ruimtehoek S

waarbij de lichtsterkte wordt gemeten in candela per vierkante meter en de verlichtingssterkte wordt uitgedrukt in lux.

Omdat verlichtingssterkte vaak wordt gebruikt in architectuur- of taakspecificaties, ligt het voor de hand om eraan te denken in termen van hoe verlichting er in een bepaalde situatie uitziet . Maar dit kan misleidend zijn, en drie belangrijke punten zullen helpen verduidelijken wat verlichtingssterkte nu eigenlijk meet.

Het eerste en belangrijkste punt is dat lichtsterkte nooit direct zichtbaar is als een hoeveelheid licht. We zien alleen het gereflecteerde beeld ervan als de luminantie van fysieke oppervlakken. Als de lichtbron zich achter ons bevond en er geen oppervlakken in zicht waren (of de oppervlakken het licht volledig absorbeerden), zouden we in totale duisternis kijken. Als we ons omdraaiden om direct naar de lichtbron te kijken, zouden we de luminantie van het optische beeld van de lichtbron op het netvlies waarnemen. Deze luminantie hangt niet alleen af ​​van de hoeveelheid lichtsterkte, maar ook van de visuele grootte van de bron die het licht uitzendt. Ons oordeel dat gebieden helder of zwak verlicht zijn, is feitelijk gebaseerd op onze waarneming van het licht dat wordt gereflecteerd door bekende oppervlakken, zoals witte muren of de bladzijden van een boek, en onbewust op onze waarneming van visuele adaptatiesignalen, zoals contrast en kleur.

Ten tweede specificeert de verlichtingssterkte op zichzelf geen lichtbronnen ; ze beschrijft het vermogen van het licht dat op een specifiek oppervlak op een specifieke locatie in de ruimte valt. Uit een verlichtingssterktemeting alleen kunnen we het vermogen, de grootte of het aantal lichtbronnen niet afleiden. Het is vergelijkbaar met de "blinde" huidsensatie van warmte op onze hand, die kan worden veroorzaakt door de verre zon of door een nabijgelegen, onbedekte gloeilamp: de sensatie van warmte zegt op zichzelf niets over de bron. Dit betekent in de praktijk dat verlichtingssterktemetingen op een van de volgende twee manieren beperkt moeten worden. Als we de hoeveelheid licht die door een specifieke lichtbron wordt geleverd (in lux) willen beschrijven, moeten we alle andere lichtbronnen uitsluiten van de meting; als we het licht willen beschrijven dat op een specifiek fysiek oppervlak valt, moeten we de verlichtingssterkte van alle lichtbronnen die het oppervlak verlichten bij elkaar optellen.

Ten derde heeft de afstand een enorme invloed op de verlichtingssterkte door het omgekeerde kwadratenprincipe. Op één meter afstand geeft één kaars (1 candela) een verlichtingssterkte van 1 lux. Op 10 meter afstand produceert de kaars een verlichtingssterkte van 0,01 lux. Om de verlichtingssterkte van 1 lux van een afstand van 10 meter terug te krijgen, zouden we 100 kaarsen nodig hebben.

Ten slotte wordt de lichtsterkte in de praktijk aanzienlijk beïnvloed door de geometrie van objecten die het licht blokkeren ten opzichte van de lichtbronnen : het hangt niet alleen af ​​van de lichtbronnen zelf. Op een heldere zonnige dag wordt een boek dat in de schaduw van een stopbord op een landweg ligt, bijvoorbeeld verlicht door de gehele zichtbare hemel; maar als we in de schaduw staan ​​van een groot gebouw dat de helft van de hemel blokkeert, wordt de lichtsterkte met bijna de helft verminderd. Evenzo, als een enkel raam op het noorden een kamer verlicht, verdubbelt het sluiten van de jaloezieën voor een tweede raam de lichtsterkte. In bossen, canyons, steegjes of op bewolkte dagen geeft de vermindering van de natuurlijke daglichtverlichting de mate van lichtblokkering aan, en niet veranderingen in de lichtbron.

Deze afhankelijkheid van de afstand maakt verlichtingssterkte tot de belangrijkste architectonische maatstaf voor verlichting. De fysieke afmetingen van een binnenruimte, samen met de activiteiten die in die ruimte moeten plaatsvinden, bepalen de eisen aan de architectonische verlichting. Dezelfde verlichtingssterkte kan worden bereikt met veel verschillende verlichtingssystemen (aantal, vermogen en fysieke grootte van de lichtbronnen); verlichtingssterkte specificeert alleen de totale lichtopbrengst die het systeem moet leveren.

Er bestaan ​​veel normen voor de gewenste lichtsterkte in verschillende architectonische omgevingen of voor uiteenlopende taken. Voor kantoorverlichting geldt een standaard van 300 tot 500 lux op de werkplek; in woningen ligt deze standaard doorgaans lager. (Zie dit gedeelte voor een algemene vergelijking van de verschillende lichtsterktes.) Veel oogklachten worden veroorzaakt door verblinding (weerkaatst licht) of een te groot lichtcontrast, en niet door een te lage lichtsterkte.

Lichttechnici en interieurontwerpers meten de lichtsterkte met een lichtmeter , die de hoeveelheid licht bepaalt aan de hand van de elektrische stroom die wordt opgewekt door lichtenergie die op een lichtgevoelig oppervlak valt. Lichttechnici gebruiken vaak een lichtmeter die licht opvangt vanuit een breed gebied, zodat de gemeten lichtsterkte overeenkomt met lichtbronnen van elke grootte en vorm in elke richting; al deze waarden tellen op tot de totale hoeveelheid licht die op het meetinstrument valt. Fotografen gebruiken eveneens een lichtmeter om de gemiddelde hoeveelheid licht te schatten die beschikbaar is voor het ontwikkelen van fotografische film; zij meten echter meestal alleen het licht dat wordt weerkaatst door een gemiddelde grijskaart, of het gemiddelde licht dat wordt weerkaatst door alleen de oppervlakken die in de afbeelding zijn opgenomen.

Luminantie is de lichtsterkte van een lichtbron gedeeld door het fysieke oppervlak van de bron, of (ofwel) de verlichtingssterkte die een lichtbron ontvangt gedeeld door de visuele grootte van de lichtbron.

Luminantie is de meest contextspecifieke definitie van licht, omdat deze gebaseerd is op een ruimtehoek en een oppervlakte, wat resulteert in candela per vierkante meter (cd/m² ⁾ :

1/683 watt invallend op
1 vierkante meter op een afstand van 1 meter
= 1 candela/meter ²

Luminantie gaat ervan uit dat een lichtgevend oppervlak (zoals het diffuus glas boven een gloeilamp, een reflecterend wit vel papier of een raam) het licht produceert dat op een lichtontvangend oppervlak valt (film, CMOS-chip, netvlies), of, anders gezegd, het licht dat door een opening gaat die de hoeveelheid licht regelt die het lichtontvangende oppervlak bereikt.

Een oppervlak van één vierkante meter op een afstand van één meter is gelijk aan de steradiaanse ruimtehoek. Waarom is luminantie dan niet hetzelfde als lichtsterkte ? Omdat lichtsterkte uitgaat van een puntlichtbron, terwijl de definitie van luminantie het oppervlak van de lichtbron erbij optelt. De eenheidsdefinitie van luminantie omvat dus het oppervlak van één vierkante meter dat licht ontvangt van een puntlichtbron op één meter afstand (impliciet in de steradiaanse ruimtehoek die de candela van de lichtsterkte vertegenwoordigt), gestandaardiseerd op (gedeeld door) de vierkante meter die het oppervlak van de lichtbron vertegenwoordigt.

Omdat afstand een rol speelt, wordt deze gecombineerd met een van de twee oppervlaktes om een ​​ruimtehoek te definiëren: ofwel de visuele grootte van het oppervlak dat het licht ontvangt, gezien vanuit de lichtbron, ofwel de visuele grootte van de lichtbron, gezien vanuit het oppervlak dat het licht ontvangt.

de cosinuscorrectie voor verkorting

Het onderstaande diagram illustreert de basisgeometrie van luminantie in termen van een vlakke, diffuse lichtbron die straalt in een eenheidshalve bol.

de basisgeometrie van luminantie

Luminantie is de ruimtehoek van de puntlichtsterkte, vermenigvuldigd met het oppervlak van het licht.

Deze geometrie levert vijf equivalente definities van luminantie op, gebaseerd op verschillende meeteenheden:

Formule [1] laat zien dat de luminantie wordt gedefinieerd door drie geometrische grootheden: de twee oppervlakten (of een oppervlakte en een opening) en de gemeenschappelijke afstand ertussen. De oppervlakte van de lichtbron (cirkelvormig in het diagram) wordt dus gedefinieerd door π*X ² . (De oppervlakte van een vierkante lichtbron zou (2X) ² zijn .) De cirkelvormige oppervlakte van het lichtontvangende oppervlak (of opening) is π*Y ² . Dit oppervlak (of deze opening) bevindt zich op afstand  D van de bron.

Het is doorgaans handig om het kwadraat van de afstand te verdelen in een van beide oppervlakten om een ​​ruimtehoek te creëren, zoals in formules [2] en [3]. Het oppervlak van de lichtontvangende opening definieert de ruimtehoek A , gelijk aan π*Y ² /D ² steradianen; het oppervlak van de lichtemitterende bron definieert de ruimtehoek S, gelijk aan π*X ² /D ² steradianen.

Zoals altijd is het handig om X en Y uit te drukken als een visuele hoek in radialen , omdat dit de oppervlaktegeometrie van zowel de bron als het apertuurgebied uitsluit. Als Y de hoekgrootte (in radialen) van het apertuur is, gemeten vanaf een punt s op de bron, en X de hoekgrootte van de bron is, gemeten vanaf een punt d op het apertuur, dan zijn hun ruimtehoeken π*Y ² steradianen en π*X ² steradianen.

De ruimtehoek A definieert het aandeel van de lichtstroom dat door de opening gaat vanuit een enkele "puntbron" s  op het oppervlak van de lichtbron. Het totale aantal punten dat de opening verlicht, is gelijk aan het fysieke oppervlak van de bron ( π*X² ⁾ . De ruimtehoek A, gebaseerd op het bolvormige oppervlak van de opening, wordt dus vermenigvuldigd met het oppervlak van de bron, en dit wordt gedeeld door de lichtstroom.

Merk op dat de afstand slechts één keer wordt meegenomen in een luminantieberekening, dus twee ruimtehoeken zijn nooit nodig. In formule [4] bevat de lichtsterkte al één ruimtehoek (in het "apertuur"-gebied van de steradiaan-ruimtehoek), dus deze wordt alleen geschaald met het bronoppervlak. In formule [5] bevat de verlichtingssterkte alleen een oppervlakte (het oppervlak/de opening die het licht ontvangt), dus deze moet worden geschaald met de ruimtehoek naar de bron (de visuele grootte ervan op de kijkafstand).

Zoals eerder vermeld, kan in elk van de bovenstaande formules de luminantie worden aangepast met de cosinuscorrectie (diagram rechts), wanneer het apertuurvlak (de invalshoek, θi ) of het bronvlak (de emissiehoek, _{θe ) of beide} (een verkorte bron schijnt op een verkort oppervlak) niet loodrecht staan ​​op de gemiddelde richting van het licht ertussen:

Formule [6], gebaseerd op de verlichtingssterkte (gemakkelijk te meten met een fotometer) en inclusief de cosinuscorrecties die nodig zijn voor specifieke verlichtingsproblemen, is waarschijnlijk de meest gebruikte berekening van de luminantie.

Nu ik alle standaardformules heb uitgelegd, laten we eens kijken naar de perceptuele implicaties van helderheid.

Ten eerste beschrijft luminantie fysiek uitgestrekte lichtbronnen , niet denkbeeldige puntlichtbronnen . Het beeldgebied is hier het belangrijkste concept, aangezien alle fysieke lichtbronnen of reflecterende oppervlakken een meetbaar oppervlak moeten hebben, oftewel een visuele breedte en hoogte (hoekgrootte), ongeacht hoe klein of ver weg de bron zich bevindt. (Merk op dat de ondergrens van de visuele breedte wordt bepaald door de "pixel"-structuur van ons netvlies of CMOS-chip, of de "korrel"-structuur van een filmemulsie; deze leggen een hoekgrootte op aan de beeldvorming van zeer kleine bronnen, zoals sterren.)

Ten tweede is luminantie de "oppervlakte-intensiteit" van de lichtbron . Deze hangt niet alleen af ​​van de hoeveelheid licht die het oog bereikt, maar ook van de mate waarin de verlichting afkomstig is van een visueel compacte bron.

Een eenvoudig voorbeeld: u stapt een kantoor binnen en merkt dat de vloer fel verlicht is. Door simpelweg naar de vloer en het materiaal te kijken, kunt u de geschatte lichtsterkte inschatten, bijvoorbeeld in vergelijking met de lichtopbrengst van direct zonlicht. Maar u kunt de luminantie van de lichtbron zelf niet zien: daarvoor moet u omhoog kijken. Als de verlichting afkomstig is van meerdere kleine plafondspots, die er vanuit uw perspectief erg klein uitzien, zullen ze waarschijnlijk onaangenaam fel zijn om naar te kijken – ze hebben een hoge luminantie. Of als de verlichting afkomstig is van een volledig plafond bedekt met diffuus licht, waardoor het licht over een groot oppervlak wordt verspreid, kunnen de panelen aangenaam gedempt lijken – ze hebben een lage luminantie. Lichttechnici passen dit principe toe bij het ontwerpen van armaturen die dezelfde lichtsterkte leveren, maar de lichtbron over een groter visueel oppervlak verspreiden.

Ten derde is de "oppervlakte-intensiteit" van de luminantie constant over de afstand : de luminantie van een lichtbron is hetzelfde, of deze nu 1 meter of 100 meter verderop staat! Omdat de verlichtingssterkte van een lichtbron evenredig is met het omgekeerde kwadraat van de afstand, neemt het invallende licht af naarmate de lichtbron verder weg is. Maar de visuele grootte van het licht wordt vanuit ons gezichtspunt ook kleiner, en wel met dezelfde omgekeerde kwadratische verhouding. Daardoor blijft de verhouding tussen invallend licht en visuele grootte constant. Naarmate lichtbronnen zich van ons verwijderen, worden ze zwakker, maar ook proportioneel geconcentreerder in het visuele gebied, waardoor we de bron waarnemen als een constante omgevingshelderheid. Hetzelfde geldt voor relatieve luminantie (verlichtingssterkte maal oppervlakte-reflectie): materiaaloppervlakken lijken dezelfde helderheid te hebben, ongeacht de afstand.

Ten vierde is luminantie de fotometrische eenheid die de waargenomen helderheid van een lichtbron of de lichtheid van een oppervlak, zoals gezien door een camera of het menselijk oog, het meest nauwkeurig benadert. Als verlichtingssterkte de maat is voor invallend licht, dan is luminantie de meest geschikte maat voor waarneembaar licht. Luminantie is altijd zichtbaar en is daarom complementair aan verlichtingssterkte, die altijd onzichtbaar is.

Hoewel de luminantie constant blijft bij veranderingen in de afstand tot de lichtbron, is er slechts een los verband tussen luminantie en de perceptie van helderheid/lichtheid . De waargenomen helderheid hangt af van de schijnbare afstand tot de lichtbron (lichten lijken zwakker naarmate ze verder weg zijn), en de lichtheid van oppervlakken hangt af van het lokale contrast met andere oppervlakken; en beide oordelen worden beïnvloed door de mate van luminantie-adaptatie .

Luminantie en optica . De luminantie van een lichtbron, zoals die wordt waargenomen in een optisch systeem, zoals een camera of het oog, brengt een aantal specifieke problemen met zich mee.

de gaatjesgeometrie van luminantie

De ruimtehoek van het beeld is gelijk aan de ruimtehoek van het oppervlak van de lichtbron; beide zijn constant over de afstand.

In het eenvoudigste geval bevat een gaatjescamera geen lens, maar alleen een gat dat extreem klein is in verhouding tot de afstand D tot de lichtbron en de brandpuntsafstand F tot het beeldvlak. Door het gaatje projecteert elk punt s op de lichtbron een enkel puntbeeld van zichzelf op het beeldvlak. Omdat de ruimtehoeken S en I gelijk zijn, is de totale hoeveelheid licht die door het gaatje gaat gelijk aan de verlichtingssterkte (niet de luminantie) van de lichtbron bij het gaatje.

cosinuscorrecties in luminantie

Het gaatje is op zijn beurt een puntbron in de camera, die het beeld creëert op brandpuntsafstand F. Omdat het verplaatsen van het beeldvlak weg van het gaatje het beeldgebied ( I ) vergroot door projectie, maar de lichtsterkte in het beeld niet verhoogt, zorgt een grotere brandpuntsafstand ervoor dat elk deel van het beeld minder helder wordt. De helderheid van het beeld wordt dus bepaald door de lichtsterkte van het gaatje gedeeld door het kwadraat ^van de brandpuntsafstand ( F² ).

luminantie [beeld] = verlichtingssterkte/F ²

Wat gebeurt er als we de opening van het gaatje vergroten, zodat er meer licht binnenkomt? Hierdoor wordt het oppervlak dat licht doorlaat groter:

luminantie [beeld] = diafragma-oppervlakte * (verlichtingssterkte/F ² )

Dit levert een veel helderder, maar optisch onscherp beeld op. Het onscherpte-effect van een groter diafragma wordt tenietgedaan door een lens (of parabolische spiegel).

de optische geometrie van luminantie

De ruimtehoek van het beeld is evenredig met de verhouding van de afstanden D/F.

De ruimtehoeken I en A aan weerszijden van de lens zijn niet langer gelijk – de lens breekt de lichtstralen af ​​in een grotere ruimtehoek. De twee ruimtehoeken hebben echter wel de oppervlakte van de opening van de lens gemeen, waardoor de verhouding tussen de twee ruimtehoeken gelijk is aan de verhouding tussen de twee afstanden, ^D₂ / F₂ ^. Dit is het vermogen of het lichtconcentrerend vermogen van het optische systeem.

Ervan uitgaande dat D zeer groot is ten opzichte van F (zoals bij een verrekijker of telescoop), wordt de ruimtehoek I groter en neemt het vermogen van het optische systeem toe naarmate de brandpuntsafstand F korter wordt. ^Wanneer de lens een scherp beeld produceert, is het fysieke beeldoppervlak evenredig met het fysieke bronoppervlak in de verhouding F² ^/ D² — dat wil zeggen, hoe hoger het optisch vermogen, hoe kleiner het scherpe beeld.

Elke verhouding is het omgekeerde van de andere, waardoor ze elkaar netjes opheffen wanneer de ruimtehoek I wordt vermenigvuldigd met het beeldoppervlak (of wanneer de ruimtehoek A wordt vermenigvuldigd met het bronoppervlak). Het resultaat is dat voor een volledig transparante lens geldt:

luminantie [beeld] = luminantie [bron] .

Dit herhaalt in wezen de derde eigenschap van lichtbronnen met betrekking tot luminantie: de luminantie blijft constant bij veranderingen in afstand. Dit komt doordat het beeld van een object in elk optisch systeem groter of kleiner wordt in dezelfde omgekeerde kwadratische verhouding tot de afstand tot het object.

Het bijzondere hieraan is dat de beeldhelderheid toeneemt met het optisch vermogen (kortere brandpuntsafstand), net zoals bij een groter diafragma. Dit komt doordat een kortere brandpuntsafstand een grotere beeldhoek (gezichtsveld) vastlegt, en dit "groothoekbeeld" vangt meer licht op, terwijl het tegelijkertijd de beeldgrootte van elk beeldelement verkleint, waardoor de helderheid toeneemt. Beide effecten verhogen de hoeveelheid invallend licht (helderheid) op elk punt binnen het beeldgebied en de helderheid van het beeld. Om deze reden belicht een groothoeklens een fotografische film sneller dan een telelens met een lange brandpuntsafstand en een gelijk diafragma, en ontsteekt een vergrootglas een stuk papier in zonlicht, omdat de warmte van de zon condenseert in het diafragmagebied van de lens (het schaduwgebied op het papier), terwijl de korte brandpuntsafstand dit licht concentreert in een klein puntje.

Luminantie en oppervlakken . De luminantie van reflecterende oppervlakken is potentieel complex en hangt af van (1) de lichtsterkte op het oppervlak, (2) de reflectiecoëfficiënt of albedo van het oppervlak (het deel van het licht dat op het oppervlak valt en wordt gereflecteerd), (3) de invalshoek van het licht, (4) de kijkhoek op het oppervlak en (5) de mate waarin het oppervlak het licht diffuus of willekeurig verstrooit. Deze aspecten worden op een latere pagina verder behandeld , maar enkele punten dienen hier alvast te worden genoemd.

Er bestaan ​​verschillende alternatieve luminantiemetingen die proberen de luminantie van een oppervlak gelijk te stellen aan de lichtsterkte die erop valt. De meest voorkomende zijn de metrische apostilb en millilambert (de laatste heeft de voorkeur boven de onhandig kleine lambert ) en de Amerikaanse voetlambert.

1 candela/meter² ⁽ 1 nit) = 3,1416 apostilbs
= 0,3142 millilambert
= 0,2919 foot lambert

Deze zijn allemaal gerelateerd aan de algemene formule voor de luminantie van een oppervlak dat loodrecht op het oppervlak wordt bekeken en van alle kanten wordt verlicht door een perfect diffuus licht:

De kijkgeometrie is omkeerbaar. Zo zal een perfect mat oppervlak (dat geen glans of reflectie vertoont) met een reflectiecoëfficiënt van 0,4, dat wordt verlicht met 500 lux door een enkele lichtbron loodrecht op het oppervlak, vanuit alle kijkhoeken een gemiddelde luminantie hebben van ongeveer 200 apostilbs of 64 cd/ ^m² .

Merk op dat reflectie niet de helderheid ( L ) is, wat een visuele gewaarwording is, maar het aandeel van het totale invallende licht dat door het oppervlak wordt weerkaatst. Het herschalen van deze grootheid naar pi is noodzakelijk omdat licht dat vanuit één richting op een fysiek oppervlak valt, in alle richtingen wordt verstrooid of diffuus weerkaatst, waardoor het vanuit elk afzonderlijk gezichtspunt wordt gedimd.

Het ogenschijnlijk eenvoudige concept van reflectie (het deel van het invallende licht dat door een oppervlak wordt weerkaatst) kent zo zijn eigenaardigheden. Reflectie wordt normaal gesproken gemeten als het deel van het licht dat loodrecht wordt weerkaatst door een oppervlak dat vanuit alle richtingen wordt verlicht door een gelijkmatig diffunderende lichtbron (of, equivalent, het deel van het licht dat vanuit alle kijkhoeken waarneembaar is vanaf een loodrecht verlicht oppervlak). Het is in feite het weerkaatste licht dat vanuit één gezichtspunt wordt waargenomen, maar gemiddeld over alle belichtingshoeken. Soms is het echter geschikter om kleuren te beoordelen met een beperkte kijkhoek en belichtingshoek — bijvoorbeeld in de grafische kunsten, door het vlakke oppervlak van een kunstwerk loodrecht te bekijken terwijl het oppervlak vanaf één kant wordt verlicht (onder een invalshoek van 45°) om de veranderingen in kleurwaarneming als gevolg van oppervlakteglans of reflecties te minimaliseren. In deze situaties wordt reflectie vaker gemeten als de reflectiefactor , gedefinieerd als de hoeveelheid licht die door een oppervlak wordt gereflecteerd ten opzichte van het invallende licht dat, onder identieke licht- en kijkomstandigheden , zou worden gereflecteerd door een perfect reflecterende diffuser (een geïdealiseerd fysiek oppervlak dat zowel perfect reflecterend of "zuiver wit" is, als een Lambert-oppervlak dat invallend licht gelijkmatig in alle richtingen reflecteert). Reflectie is een constante voor elk oppervlak, terwijl de reflectiefactor van een oppervlak aanzienlijk kan variëren afhankelijk van de invalshoek van het licht en de kijkhoek.

In de meeste situaties weerkaatsen oppervlakken slechts een klein deel van het licht dat erop valt: een "middengrijs" (met L  = 50) weerkaatst minder dan 20% van het invallende licht. Bovendien zijn oppervlakken doorgaans visueel veel groter dan de lichtbron, en de helderheid van gelijk oplichtende lichtbronnen varieert met hun grootte. Dit zorgt er paradoxaal genoeg voor dat kleinere lichtbronnen helderder lijken , terwijl de oppervlakken eronder in vergelijking juist donkerder lijken.

Als concreet voorbeeld nemen we een gelijkmatig diffuus (mat) wit oppervlak van 1 vierkante meter, geplaatst op 5 meter afstand onder een perfect diffuus lichtpaneel van 1 vierkante meter dat 100 lux aan verlichting op het oppervlak levert. Dan zal de lichtbron, gezien vanaf 5 meter afstand, een luminantie van 2500 cd/m² lijken te hebben, ^terwijl het oppervlak een luminantie van ongeveer 30 cd/m² zal hebben ^: de lichtbron lijkt meer dan 80 keer helderder dan het oppervlak dat hij verlicht. Het vervangen van het diffusiepaneel door een enkele 6-inch spotlamp die wederom 100 lux verlichting levert, verhoogt de luminantie van de lichtbron tot meer dan 137.000 cd/m² ^, terwijl de oppervlakteluminantie onveranderd blijft; het licht lijkt nu bijna 4600 keer helderder dan het oppervlak. Diffusiepanelen maken het dus mogelijk om dezelfde lichtopbrengst over grotere architectonische ruimtes te verspreiden met hetzelfde effect op de oppervlakteluminantie; om dezelfde reden lijkt de grond helderder dan de lucht op zwaar bewolkte dagen. Over het algemeen lijken alle ongefilterde lichtbronnen (de zon en geconcentreerde gloeilampen zoals een onbedekte wolfraamgloeidraad) altijd veel "te helder" of verblindend in vergelijking met de verlichting die ze op oppervlakken leveren. Daarentegen produceren lichtbronnen die prettig zijn om direct naar te kijken (zoals de volle maan, een kaars of een kleine zaklamp) doorgaans een zwakke verlichting die alleen bruikbaar is in bijna volledige duisternis.

Paradoxaal genoeg lijken glanzende oppervlakken meestal donkerder dan matte oppervlakken met dezelfde reflectiecoëfficiënt, tenzij de lichtbron direct in onze ogen wordt gereflecteerd. Dit is de reden waarom het sterk reflecterende water van een zee of meer donkerder lijkt in vergelijking met het sterk reflecterende strandzand: het zand verspreidt licht gelijkmatig in alle richtingen, terwijl het water licht voornamelijk reflecteert in de richting waar het beeld van de zon op het oppervlak zichtbaar is.

De retinale verlichtingssterkte is een maat voor de hoeveelheid licht die daadwerkelijk het oog binnenkomt. Deze wordt gemeten in trolands en is afgeleid van de luminantie van de lichtbron vermenigvuldigd met de oppervlakte van de pupil van de waarnemer in vierkante millimeters. Omdat de pupilgrootte van persoon tot persoon verschilt en zelfs binnen dezelfde persoon varieert bij verschillende lichtintensiteiten, heeft de troland slechts een empirische of waargenomen relatie tot de luminantie van de lichtbron; maar bij typische binnenverlichting (ongeveer 300 lux):

1 candela/meter² ⁼ ~10 trolands

Daarom is de lichtsterkte van het maanlicht op het netvlies in trolanden 's nachts groter dan overdag, omdat onze aan het donker aangepaste pupillen 's nachts groter zijn.

De troland wordt voornamelijk gebruikt in oogonderzoek. Om de meting bij verschillende personen te standaardiseren, wordt een kunstmatige pupil voor de ogen van de proefpersoon geplaatst. Dit is een klein gaatje in een ondoorzichtig scherm met een vaste diameter die kleiner is dan de minimale pupildiameter van normale ogen; het oppervlak van de kunstmatige pupil wordt gebruikt om de troland te berekenen.

De troland-test houdt geen rekening met de meeste perceptuele veranderingen die optreden bij de aanpassing aan de helderheid tussen dag en nacht, waardoor (net als bij de helderheidstest) de troland-test de subjectieve helderheidsbeleving niet erg nauwkeurig beschrijft . De test maakt het simpelweg mogelijk om de hoeveelheid licht die daadwerkelijk op het netvlies valt, preciezer in te schatten.

James Calvert heeft een nuttige handleiding over belichting geplaatst waarin de geometrische definities en standaardformules voor fotometrische eenheden worden uitgelegd.

de kleurvormende eigenschappen

De fysieke meting van licht moet gepaard gaan met een nauwkeurige beschrijving van de subjectieve kleurervaring die door de kleurprikkel wordt opgewekt. Deze beschrijving is gebaseerd op drie kleurvormende eigenschappen: (1) helderheid/lichtheid , (2) tint en (3) tintzuiverheid (chroma of verzadiging), die voor het eerst werden gedefinieerd door Hermann Grassmann en Hermann von Helmholtz in de jaren 1850.

Hoe de drie kleurvormende eigenschappen zich precies verhouden tot de drie L- , M- en S -kegeltjes , de fysiologie van kleurenzien, is niet relevant. Het enige doel is om mensen een eenduidige manier te bieden om een ​​kleurervaring te beschrijven als een getal of hoeveelheid op basis van drie gestandaardiseerde en gemakkelijk herkenbare eigenschappen.

De waarneming van een kleur is een oordeel gebaseerd op de context — de omgeving waarin de kleur wordt bekeken en onze aanpassing aan de helderheid en kleur van die omgeving. Maar tegelijkertijd kunnen we ook een absoluut kleuroordeel vellen , een soort kleurperceptie in een ideale kleurruimte, onafhankelijk van de kijkcontext of onze visuele aanpassing. Dit stelt ons in staat om kleuren in verschillende situaties te vergelijken en te herkennen, bijvoorbeeld wanneer we waarnemen dat een wit vel papier helderder is in het middagzonlicht dan in het maanlicht, of dat de kleuren van de zonsondergang roder zijn dan die van de middag. De relativistische kleurwaarnemingseigenschappen, die worden beïnvloed door onze visuele aanpassing en de kijkcontext, hebben betrekking op verwante kleuren , terwijl de absolute kleuroordelen ruwweg overeenkomen met niet-verwante kleuren .

De drie contextuele kenmerken die het belangrijkst zijn voor kleurwaarneming zijn:

• De intensiteit en kleur van de verlichting — verreweg het belangrijkste contextuele element. Voor deze twee afzonderlijke eigenschappen van een lichtbron en voor hun combinatie worden verschillende termen gebruikt:

–  Verlichtingssterkte verwijst naar de hoeveelheid of intensiteit van het licht dat op het kleurvlak valt, wat (via het licht dat van oppervlakken wordt weerkaatst) de mate van luminantieaanpassing bepaalt .

–  De term 'lichtbron' verwijst naar een abstracte, relatieve spectrale vermogensverdeling die de kleurweergave van een geïdealiseerde lichtbron karakteriseert, onafhankelijk van de helderheid ervan; de werkelijke spectrale vermogensverdeling van een lichtbron bepaalt de kleurweergave- eigenschappen en de chromatische adaptatie die op het visuele systeem wordt toegepast.

–  Verlichting verwijst in algemene zin naar de intensiteit en kleur van het licht dat op het kleurvlak en de omringende oppervlakken valt.

• Het relatieve helderheidscontrast tussen een kleurvlak en de omgeving bepaalt of het wordt waargenomen als een lichtuitstralend of een reflecterend oppervlak. Kleuren lijken zelflichtend wanneer hun helderheid veel groter is dan die van een herkenbaar 'wit' oppervlak ; ze lijken object- of oppervlaktekleuren wanneer hun helderheid kleiner is dan die van 'wit'. Kleuren die niet duidelijk als licht of oppervlak kunnen worden geïdentificeerd, worden apertuurkleuren genoemd . Daarnaast beïnvloedt het chromaticiteitscontrast (de relatieve helderheidscontrasten binnen specifieke delen van het spectrum) tussen een kleur en de omringende oppervlakken vaak de kleurwaarneming.

• de ruimtelijke interpretatie van de scène , die de driedimensionale relatie bepaalt tussen verschillende oppervlakken, en tussen alle oppervlakken en de (meestal meerdere) lichtbronnen in de kijkcontext.

Om een ​​nauwkeurige kleurbeoordeling te kunnen maken, moeten deze contextuele factoren (en andere, zoals glans, textuur of spiegelende reflecties) ofwel worden geëlimineerd (zoals bij niet-gerelateerde kleuren) ofwel expliciet worden gestandaardiseerd (zoals bij verwante kleuren bekeken op een middengrijze achtergrond onder een diffuus, matig helder, volledig spectrum "wit" licht).

Fysieke prikkel, waarneembare prikkel en gewaarwording . De kleureigenschappen bieden een flexibele en ondubbelzinnige beschrijving van kleursensaties zoals die worden ervaren in licht of op oppervlakken. Dit houdt echter in dat ze niet de fysieke eigenschappen van de kleurprikkel beschrijven en niet gelijk zijn aan een gemeten hoeveelheid van de prikkel.

Een subjectieve hoeveelheid van de visuele sensatie van helderheid (bijvoorbeeld een licht dat wordt omschreven als "pijnlijk helder") is bijvoorbeeld niet consistent gerelateerd aan een specifieke fysieke hoeveelheid licht (bijvoorbeeld 10 watt stralingsvermogen) of een specifieke waarneembare hoeveelheid licht (bijvoorbeeld 6800 lumen). De 10 watt kan bijvoorbeeld als "groen" of "rood" licht binnenkomen, wat de waargenomen helderheid beïnvloedt; de 6800 lumen kan worden waargenomen als een lichtflits bij hoge fotopische adaptatie of volledige scotopische adaptatie, wat de visuele impact ervan verandert. Veel andere nuances of unieke omstandigheden zijn mogelijk.

Ook hier geldt dat context van belang is voor visuele waarneming. Het is belangrijk om de drie opvattingen over de stimulus – als fysieke grootheden, als waarneembare grootheden en als sensaties – van elkaar te onderscheiden, omdat een generalisatie gebaseerd op één opvatting niet per se van toepassing is op de andere. De kleureigenschappen beschrijven letterlijk kleursensaties, en niets anders.

Niettemin kunnen, mits de contextuele factoren op passende wijze worden beperkt of gestandaardiseerd, en met een ruime marge voor meetfouten en individuele verschillen in visuele vermogens, correlaties of equivalenten van de kleurvormende eigenschappen worden berekend op basis van de fysieke of waarneembare hoeveelheden van een stimulus. Deze maken deel uit van de kleurspecificatie in vrijwel alle moderne kleurmodellen .

Helderheid/Lichtheid . Het eerste en belangrijkste kenmerk van kleurvorming is de lichtheid of donkerheid van een kleur zoals die verschijnt in uitgestraald of gereflecteerd licht. Dit wordt op twee verschillende manieren waargenomen:

Helderheid verwijst naar de relatieve waarneming van licht dat wordt uitgezonden of weerkaatst door een kleurvlak, rekening houdend met het huidige niveau van luminantie-adaptatie. Dit is een sensorische definitie; er is een zwakke correlatie met de waarneembare luminantie van het kleurvlak, zoals hieronder wordt uitgelegd.

Lichtheid verwijst naar de helderheid van een gekleurd oppervlak als een verhouding tot de helderheid van een gebied dat onder dezelfde belichting en lichtadaptatie als "wit" wordt waargenomen. Dit is ook een sensorische definitie; het is sterk gecorreleerd met de fysieke meting van de relatieve reflectie ( luminantiefactor of albedo ) van oppervlakken in vergelijking met de reflectie van een perfect diffuus ("helder wit") oppervlak, binnen het fotopische tot hoge scotopische bereik van de belichting en gegeven een breed scala aan verschillende reflecties in het gezichtsveld.

Voor objecten of oppervlakken worden uitersten van helderheid meestal beschreven als donker of zwart tot licht of wit; voor zelflichtende oppervlakken (lampen) worden de termen zwak of gedimd tot helder gebruikt. Het onderstaande voorbeeld toont variaties in de helderheid van een doffe (lage chroma) middenblauwe tint.

verschillen in lichtheid

tint en verzadiging constant gehouden

Helderheid wordt geassocieerd met reflectie of de gemiddelde luminantiefactor, beoordeeld ten opzichte van de reflectie van een witte standaard (diagram, rechts), en dit contextuele "witte" anker maakt helderheid tot een verwante kleureigenschap . Een willekeurig gedefinieerd "wit oppervlak" is feitelijk de referentie die wordt gebruikt om correlaties van helderheid te berekenen op basis van de gemeten luminantie van een gekleurd oppervlak. Perceptueel gezien is een "witte" standaard ergens in beeld niet essentieel om helderheidsverschillen te zien; we hebben meestal een goed gevoel voor de hoeveelheid licht die op oppervlakken valt, en onze luminantieaanpassing aan het licht, vanwege de variatie in oppervlaktereflectanties binnen een scène.

Helderheid en lichtheid hangen samen met de luminantie van een oppervlak of lichtbron. Dit betekent dat helderheid en lichtheid doorgaans toe- of afnemen naarmate de kleurluminantie toe- of afneemt, maar of en in welke mate dit gebeurt, hangt af van de kijkcontext. Laten we eerst de verbanden tussen contextfactoren bekijken en vervolgens samenvatten hoe deze de waarneming van helderheid/lichtheid beïnvloeden. (Een uitgebreidere versie is te vinden in 'Kleur in de wereld' .)

contextfactoren die de perceptie van helderheid/lichtheid creëren

We nemen fysieke omgevingen waar door het licht dat op materiaaloppervlakken valt, wat afhangt van de lichtsterkte of verlichtingssterkte van de lichtbron. De verlichtingssterkte is de lichtsterkte van de lichtbron verminderd met de afstand tot de verlichte oppervlakken. Gemiddeld over alle direct verlichte oppervlakken is dit de totale verlichtingssterkte van de scène .

Verlichtingssterkte staat los van het bronbeeld of de luminantie van de lichtbron, die afhangt van de intensiteit van de bron, de afstand en de visuele grootte ervan vanuit ons gezichtspunt. Een uitgestrekte, diffuse lichtbron, zoals een bewolkte middaghemel of een plafondlamp, kan een aanzienlijke verlichtingssterkte leveren, maar als bronbeeld zeer zwak lijken. Dit komt doordat bij gelijke verlichtingssterkte de luminantie toeneemt naarmate de visuele grootte van het bronbeeld kleiner wordt : een gloeilamp heeft een veel hogere luminantie dan een lichtpaneel.

Omgevingsoppervlakken reflecteren meer of minder licht, afhankelijk van hun reflectiecoëfficiënt . De combinatie van omgevingsverlichting, schaduwen en reflectiecoëfficiënten van het oppervlak bepaalt het luminantiebereik van het oppervlak – de variaties in de helderheid van de fysieke omgeving. Dit vormt de basis voor luminantieaanpassing om twee redenen: de luminantie van oppervlakken is constant over afstand (zoals bij lichtbronnen); en bij diffuus reflecterende oppervlakken wordt de luminantie niet significant beïnvloed door de kijkhoek of de invalshoek van het licht.

Hoe luminantie-adaptatie precies plaatsvindt, is niet duidelijk, maar het vereist kennelijk drie gelijktijdige aanpassingen in de visuele respons: (1) een receptorversterkingsadaptatie _aan de gemiddelde luminantie van de scène (de adaptatiegrijswaarde , Lg , equivalent aan een reflectie van ongeveer 13%), (2) een cognitieve _verankering van de helderheid die de hoogste oppervlaktereflectie (niet meer dan 5 keer de adaptatiegrijswaarde) koppelt aan de perceptie van "zuiver wit" (de adaptatiewitwaarde , Lw ), en (3) een perceptuele verbreding of vernauwing van het helderheidsbereik, zodat een oppervlak met een luminantie van ongeveer 1/5 van de adaptatiegrijswaarde als zwart wordt waargenomen (de adaptatiezwartwaarde ). Als gevolg hiervan worden kleurvlakken met luminanties binnen het bereik van _Lw tot 1/20 Lw waargenomen als objecten met variërende helderheid , of _als kleur met een grijsgehalte.

Het helderheidsbereik laat veel specifieke kleurgebieden met een hogere luminantie dan het adaptatiewit buiten beschouwing, waaronder gebieden met puntverlichting (zonlicht dat door een raam op de vloer valt), glans of spiegelende reflecties en secundaire of primaire lichtbronnen. Deze verschijnen als lichtbronnen met variërende helderheid , of als kleuren met een zekere mate van schittering. Een stimulus die donkerder is dan het adaptatiezwart is onzichtbaar, tenzij deze afsteekt tegen een lichtere achtergrond, waar hij als een leegte verschijnt. Zowel helderheid als lichtheid zijn nodig om het volledige bereik aan luminanties waar te nemen, van leegtes tot bronafbeeldingen, zoals die in fysieke omgevingen kunnen voorkomen.

De waarneming van helderheid wordt sterk beïnvloed door de mate van luminantie-adaptatie en de luminantie van de omgeving. De waarneming van lichtheid is opmerkelijk consistent en stabiel, mits alle oppervlakken aan dezelfde lichtsterkte worden blootgesteld; maar lichtheidsverschillen kunnen sterk worden beïnvloed door de waargenomen ruimtelijke geometrie van materiaaloppervlakken en lichtbronnen, vooral wanneer deze de waarneming van gemiddelde luminantie, spotlicht en schaduw bepalen.

Binnen deze algemene contextbeschrijving hangt de helderheid/lichtheid van een kleurvlak af van:

•  Luminantieaanpassing . De visuele aanpassing aan de lichtintensiteit bepaalt de perceptuele grens tussen de helderheid van een oppervlak en de lichtsterkte van de bron, en de gevoeligheid voor luminantieverschillen binnen elk bereik.

In de meeste omgevingen is de gemiddelde hoeveelheid licht die van oppervlakken wordt weerkaatst – het helderheidsbereik van de scène – het referentiepunt voor lichtadaptatie. Dit is in feite het weerkaatste beeld van de scèneverlichting. Zowel voor oppervlakken als voor lichtbronnen met een constante helderheid neemt de helderheid af naarmate de lichtadaptatie toeneemt , en omgekeerd neemt de helderheid toe naarmate de donkeradaptatie toeneemt. De lichten en kleuren van een film lijken gedempt wanneer we de bioscoop binnenkomen, maar worden helderder nadat onze ogen zich aan het donker hebben aangepast, hoewel er objectief gezien geen verandering is in de helderheid van de film. Zelfs "grijze" trottoirs of gevels hebben een hoge helderheid en autokleuren lijken levendiger wanneer we de bioscoop verlaten, maar deze effecten nemen af ​​naarmate onze ogen zich aan het licht aanpassen. Op dezelfde manier lijken lichtbronnen gedempt te worden, witte tinten helderder, oppervlaktekleuren chromatischer en het contrast tussen wit, grijs en zwart groter naarmate de scèneverlichting toeneemt, hoewel deze effecten gedeeltelijk verdwijnen wanneer we ons aan het nieuwe verlichtingsniveau aanpassen.

Bij mesopisch of scotopisch zicht ( donkeradaptatie ) ervaren we ook een sensorische verandering in de waarneming van licht: het lichtcontrast neemt af en een "wit" oppervlak lijkt perceptueel grijs, in vergelijking met de geheugenkleur van een wit oppervlak onder fotopische verlichting. Bij scoptopisch zicht lijken alleen lichtbronnen (zoals de maan) perceptueel "zuiver wit".

•  Helderheidscontrast . Lichtheid en helderheid zijn lokale contrastbeoordelingen , geen directe waarnemingen van licht dat op het netvlies inwerkt. De relatie tussen de luminantie van een kleur en de waargenomen helderheid of lichtheid wordt dus sterk beïnvloed door de visuele context.

De belangrijkste factor is het relatieve helderheidscontrast. De lichtgevende of "briljante" kwaliteit van helderheid wordt waargenomen in kleurvlakken met een helderheid die twee of meer keer zo hoog is als die van een witte omgeving, of ongeveer veertig keer zo hoog als die van een donkergrijze of zwarte omgeving. Licht lijkt helderder in relatieve duisternis vanwege de aanzienlijk lagere omgevingshelderheid en de geringere helderheidsadaptatie. Het helderheidscontrast wordt vergroot als het helderdere kleurvlak visueel kleiner wordt gemaakt, zelfs wanneer de contrasterende kleurvlakken oppervlakken met een constante reflectie zijn.

's Nachts lijkt een zaklamp "helder", en "helderder" dan een kaars, omdat het contrast met een donkere omgeving een donkeradaptatie is; onder de middagzon zijn zowel de kaars als de zaklamp onzichtbaar, omdat ze een verwaarloosbare toename in helderheid produceren ten opzichte van de gemiddelde helderheid van het oppervlak en de lichtadaptatie van het oog. "Helder" beschrijft ook spiegelende reflecties die visueel veel kleiner zijn dan het bronbeeld, en oppervlakken waarvan de helderheid de huidige adaptatiewitwaarde overschrijdt als gevolg van puntverlichting.

Voor helderheid geldt het omgekeerde: het helderheidscontrast neemt toe met toenemende lichtsterkte (het Stevens-effect ). Meer nuances in helderheid worden zichtbaar en het visuele contrast tussen de verschillende helderheidsniveaus lijkt groter; wit lijkt helder en donker lijkt diepzwart. Het helderheidscontrast is vrij uitgesproken in het middagzonlicht en wordt zachter of minder uitgesproken in de schemering. Naarmate de lichtsterkte afneemt, wordt het visuele contrast tussen lichtbronnen en oppervlakken extremer, en zelfs zeer zwakke lichtbronnen lijken helderder. Vandaar de truc van filmmakers om dag voor nacht te filmen, waarbij de illusie van nacht wordt gecreëerd door scènes bij daglicht op te nemen met een lagere belichting, waardoor de helderheid van het beeld afneemt en het contrast vermindert.

Lichtheid gelijkgesteld aan de verhouding van gereflecteerd licht

in vergelijking met een wit oppervlak onder dezelfde belichting

Zolang het patroon van licht en donker op een oppervlak hetzelfde blijft, lijkt de helderheid constant bij veranderingen in de lichtsterkte (diagram rechts). Dit komt doordat de waarneming van helderheid alleen afhangt van de reflectiecoëfficiënten (helderheid) van de oppervlakken ten opzichte van elkaar of als een verhouding tot wit. De zwarte tekst in een boek reflecteert ongeveer 10% van het invallende licht en het witte papier ongeveer 90%, wat een verhouding van 1:9 oplevert; deze verhoudingen veranderen niet als de hoeveelheid invallend licht (de lichtsterkte) wordt verhoogd of verlaagd, waardoor de waargenomen helderheid constant blijft.

Een beperkt bereik aan helderheidscontrasten creëert doorgaans de lichtheidsschaal van grijstinten. Er wordt wel eens beweerd dat we de kleur "grijs" niet kunnen zien in licht, maar dit wordt weerlegd door de grijstinten in het diagram rechts, die worden gegenereerd door de pixelgrote lichtjes in uw computermonitor. We kunnen grijs niet zien in licht dat geïsoleerd wordt bekeken of als herkenbare lichtbronnen; het licht lijkt dan eerder gesluierd of gedempt.

Lichtheid en helderheid zijn complementaire gebieden op de luminantiedimensie: normaal gesproken maskeert lichtheid de directe waarneming van helderheid , en omgekeerd. De "zwarten" in een televisiebeeld hebben dezelfde absolute luminantie (helderheid) als het "grijze" monitorscherm wanneer de televisie is uitgeschakeld: ze produceren een zwarte kleur in het videobeeld door contrast met pixels met een hogere luminantie eromheen.

De helderheid wordt sterk beïnvloed door het contrast tussen een kleurvlak en de omgeving. De helderheid van een kleurvlak kan veranderen, soms radicaal, afhankelijk van de helderheid van oppervlakken die er visueel naast of erachter liggen ( simultaan contrast ). Een donkere achtergrond of omringende kleur zal een kleurvlak lichter doen lijken; een lichte omgeving zal de kleur donkerder doen lijken. Een klassiek voorbeeld is de volle maan aan de dag- of nachthemel, die wit lijkt, hoewel hij in werkelijkheid erg donker is (zijn albedo, oftewel reflectie, is 7%).

Ten slotte, als de "straling" die zichtbaar is op oppervlakken of in het bronbeeld van lichtbronnen, signaleert helderheid een verandering (contrast) in verlichtingssterkte of luminantie in ruimte, tijd of context. Relatieve luminantieverschillen worden waargenomen als constante lichtheidspatronen bij veranderingen in verlichtingssterkte, maar ze zijn perceptueel samengesteld uit een vaste hoeveelheid (reflectie) en een variabele hoeveelheid (verlichtingssterkte). In het bijzonder is helderheid het sensorische kenmerk (het bewuste attribuut) voor (1) een luminantie die wordt waargenomen als hoger dan het helderheidsbereik, of (2) een verandering in verlichtingssterkte of contrast die een opwaartse of neerwaartse aanpassing vereist in de perceptuele interpretatie van de luminantiehoeveelheden die geassocieerd worden met wit, grijs en zwart. Als de verlichtingssterkte overal constant en gelijk is op oppervlakken, en we ons hebben aangepast aan de verlichtingssterkte van de scène, dan nemen we alleen oppervlakken met verschillende helderheid waar; de perceptuele kwaliteit van helderheid ontbreekt.

contextverschillen tussen helderheid (links) en
lichtheid (rechts)

Helderheid valt meer op dan lichtheid wanneer:

• De lichtsterkte van de scène verandert aanzienlijk (de zon komt achter een wolk vandaan; we verlaten een bioscoop).

• De lokale lichtsterkte verandert (we verplaatsen een object van de schaduw naar het licht, we doen een bureaulamp aan)

• Er is een helderdere of donkere plekverlichting op een oppervlak (slagschaduwen, volumeschaduwen, een lichtstraal op de vloer)

• we zien een reflectie van het oppervlak (de maan op het water, de zon in een autoruit)

• We zien een helder gekleurd gebied tegen een donkere achtergrond, of een lege ruimte in lichtreflecterende oppervlakken.

In al deze gevallen zien we licht als een afzonderlijk kenmerk dat min of meer losstaat van het oppervlak.

Als gevolg hiervan maakt de perceptie van helderheid het niet mogelijk om de helderheid van oppervlakken die verschillen in zowel lichtheid (grijstinten) als lokale belichting, op elkaar af te stemmen. Het is bijvoorbeeld moeilijk om een ​​binnenspot die een lichtgrijs papier verlicht zo af te stellen dat de helderheid van het papier overeenkomt met de helderheid van een donkergrijs papier in zonlicht (diagram, rechts). De lokale beoordelingen van relatieve helderheid onder lokale belichting overschrijven de globale vergelijkingen van absolute helderheid. (Zie ook het voorbeeld van de betegelde kubus, rechtsonder.) Deze helderheidsafstemmingen zijn echter vrij eenvoudig te realiseren als alleen de kleurvlakken, zonder enige omringende informatie over de belichting van de scène, zichtbaar zijn door kleine openingen.

Helderheidsvergelijkingen tussen verschillende grijstinten en lichtsterktes
zijn onbetrouwbaar.

•  Ruimtelijke interpretatie . Relatieve helderheidsverschillen worden sterk beïnvloed door de ruimtelijke of driedimensionale interpretatie van een afbeelding. Dit komt doordat de hoek van oppervlakken ten opzichte van elkaar en ten opzichte van de lichtbron de lichtsterkte bepaalt die op de oppervlakken valt (die lager is voor oppervlakken die onder een grotere hoek ten opzichte van het licht staan) en met name het contrast tussen licht en schaduw.

Over het algemeen zien we verlichte donkere vlakken als donkerder dan hun werkelijke reflectie, en schaduwrijke lichte vlakken als lichter dan hun werkelijke reflectie. In het voorbeeld (rechtsboven) heeft de centrale "donkergrijze" tegel aan de verlichte zijde van de kubus dezelfde helderheid op de monitor en dezelfde gemeten lichtheid als de "witte" tegels aan de schaduwzijde. Dit is duidelijk te zien wanneer alle andere tegels in de vorm worden verwijderd (diagram rechtsonder).

De ruimtelijke interpretatie van de verschillen in belichting tussen licht en schaduw, en de schijnbare overeenkomst van de oppervlaktepatronen aan alle zijden van het object, maken een directe vergelijking van de helderheid onmogelijk: wederom maskeert de lichtheid de waarneming van helderheid. De tegels aan de schaduwzijde worden als lichter waargenomen omdat het visuele systeem de effecten van de virtuele schaduw compenseert.

•  Puntverlichting . Tot slot hangt de helderheid of lichtheid van oppervlakken af ​​van de continuïteit van de scèneverlichting.

In de meeste gevallen van puntverlichting (een lokaal gebied met verhoogde lichtsterkte) registreert het visuele systeem de absolute toename in helderheid als een toename in oppervlaktehelderheid. (Zie deze discussie voor het onderscheid tussen relatieve en absolute helderheidsveranderingen.) Op dezelfde manier wordt een lokaal gebied met verminderde lichtsterkte waargenomen als een schaduw. We zien plekken met zonlicht door bladeren niet als witte vlekken op de grond; we zien ze als helderdere versies van dezelfde lichtheid die zichtbaar is in de omringende schaduwen.

Een oppervlak kan op mysterieuze wijze donkerder of lichter lijken dan het normaal gesproken is, als we het relatieve verschil in lichtsterkte niet kunnen waarnemen bij een visuele vergelijking. Als we in een donkere kamer zitten en door een smalle opening in een gordijn naar het door de zon verlichte asfalt buiten kijken, kan het asfalt wit of lichtgrijs lijken in plaats van zwart. Op dezelfde manier zal een zwart vel papier dat in volledige duisternis hangt en wordt verlicht door een smalle, intense lichtbundel, er volkomen wit uitzien, zolang er verder niets in de kamer zichtbaar is. Het lijkt ineens zwart als er ook een grijs of wit oppervlak in de lichtbundel wordt geplaatst.

Het is zelfs mogelijk om situaties te bedenken waarin de puntverlichting niet perceptueel te scheiden is van de ruimtelijke definitie van oppervlaktepatronen of oppervlakteranden, of toe te schrijven is aan zichtbare lichtbronnen of schaduwen in de scène. Een lichtstraal of schaduwvorm kan bijvoorbeeld zo worden geplaatst dat de randen van het licht of de schaduw exact overeenkomen met de randen van een enkele witte of zwarte tegel in een schaakbordvloer. In die situatie zal de afwijkende oppervlaktehelderheid verschijnen als een geïsoleerde grijze tegel, of – als de verandering in puntverlichting groot genoeg is – als een vierkante lichtbron ingebed in de vloer, of als een vierkant gat.

Terminologie . Kunstenaars praten meestal over een schilderij zonder rekening te houden met de belichting van de situatie waarin het wordt bekeken, en ze vertalen landschapswaarden naar verfwaarden die onder verschillende soorten verlichting zichtbaar zullen zijn. Om die reden is het verwante kleuroordeel van helderheid (of de kunstenaarsterm, toonwaarde ) het concept dat gebruikt moet worden bij het bespreken van kunstwerken; helderheid moet worden gebruikt om de landschaps-, atelier- of galerieverlichting te beschrijven.

Kleurtoon . Dit is het meest bekende kleurkenmerk, het kenmerk dat antwoord geeft op de bekende vraag: welke kleur heeft het?

Een tint wordt aangeduid met een categorische basiskleurnaam zoals rood, geel, groen of blauw; of een combinatie van twee basisnamen zoals geelgroen; of een secundaire kleurnaam zoals oranje. Het onderstaande voorbeeld toont verschillende tinten met dezelfde helderheid en tintzuiverheid.

verschillen in tint

Verzadiging en helderheid constant gehouden (kleuren met gelijke nuance)

Lichtheidsoordelen worden beïnvloed door de ruimtelijke interpretatie van licht.

De grijze tegels hebben  in beide afbeeldingen dezelfde helderheid ( L = 60).

De tint wordt meestal geassocieerd met de gemiddelde of sterkste golflengten in het lichtspectrum , ongeacht het totale bereik van golflengten dat in de stimulus aanwezig is (diagram, rechts). Omdat de taalcategorieën voor tint onnauwkeurig en inconsistent zijn, wordt tint vaak beschreven door deze te koppelen aan de kleur van een monochromatisch licht, aangeduid met de golflengte. Dit wordt de dominante golflengte van de kleur genoemd: de dominante golflengte van geel is 575 nm.

Monochromatische lichtbronnen veranderen echter enigszins van tint als hun helderheid of chroma verandert (zoals hier besproken ), en kunnen aanzienlijk verschuiven in contrast met andere tinten in de omgeving (zoals hier besproken ). De overeenkomst tussen een specifieke tint en een spectrale golflengte is dus relatief ten opzichte van de kijkcontext. Dat wil zeggen dat elke kleurstimulus kan worden beschreven door een dominante golflengte, maar dat de dominante golflengte niet in alle situaties de verschijning van de kleurstimulus bepaalt.

Als er veel golflengten bij betrokken zijn, wordt de tint bepaald als het gemiddelde of het geometrisch gemiddelde van alle golflengten op een chromaticiteitsdiagram , niet op het lineaire spectrum . Dat wil zeggen, de tint die ontstaat door een mengsel van "rood" en "violet" licht (aan de uiteinden van het spectrum) is niet groen (in het midden van het spectrum) maar paars (buiten het spectrum, maar tussen rood en blauw op een kleurencirkel). Voor deze extraspectrale tinten is de dominante golflengte de complementaire kleur ("groen" monochromatisch licht) die het kleurmengsel exact neutraliseert, aangeduid met een " c " vóór het golflengtenummer. De dominante golflengte van magenta is c530 nm.

Zoals deze afstemmingsprocedure impliceert, zijn tinten beperkt tot spectrale (prisma)kleuren en de extraspectrale mengsels van spectraal "rood" en "violet" licht. In het Engels zijn deze tintnamen magenta, rood, oranje, geel, groen, cyaan, blauw en violet of paars; samenstellingen van deze namen zoals blauwviolet of geelgroen; en specifieke namen voor verzadigde kleuren zoals scharlaken, oranje, chartreuse of turkoois.

De kleurtoon geeft de locatie van de kleur aan langs de omtrek van een kleurcirkel, niet een specifieke kleurlocatie in het midden. Namen van doffe of gedempte kleuren zoals wit, grijs, zwart, bruin, kastanjebruin, roze, beige, goud, roodbruin, olijfgroen enzovoort beschrijven geen spectrale kleuren, en daarom zijn ze geen geschikte kleurtoonnamen, ook al zouden ze een passend antwoord kunnen zijn op de vraag: welke kleur is het?

Desondanks is het belangrijk dat kunstenaars de juiste kleuraanduidingen voor doffe kleuren leren. "Bruin" is bijvoorbeeld technisch gezien een bijna neutrale, donkere oranje tint met een dominante golflengte rond 610 nm; "olijf" is een doffe, middentint gele kleur met een dominante golflengte rond 570 nm. Je zult je koffie waarschijnlijk nooit als donkeroranje en je martini-olijf als donkergeel omschrijven, maar dat is nu eenmaal wat ze zijn. Het correct herkennen van de tint van een oppervlak helpt je om die kleur te mengen met behulp van een kleurencirkel en om te begrijpen hoe de kleur er waarschijnlijk uitziet onder verschillende lichtomstandigheden of van licht naar schaduw.

De tint is een eigenschap van zowel verwante als niet-verwante kleuren. We kunnen de tint van verkeerslichten op elk moment van de dag of nacht gemakkelijk herkennen, en we kunnen de tint van elk oppervlak beoordelen, mits we weten of de verlichting fel of gedimd is, en "wit" of getint.

Over het algemeen blijft de waargenomen kleur constant bij grote veranderingen in daglicht . Met name veranderingen in de hoeveelheid zonlicht van ochtend tot middag, of in de bewolking, hebben geen significante invloed op de kleurwaarneming. Het contrast tussen vergelijkbare kleuren, en hun verzadiging, lijkt echter wel toe te nemen naarmate de verlichting toeneemt . Bij donkeradaptatie (in de nacht) verdwijnt de kleurwaarneming van oppervlakken, hoewel we wel kleur kunnen zien in lichtbronnen (zoals de planeet Mars en verkeerslichten in de verte).

Betrouwbare kleurherkenning kan mislukken in verschillende ongebruikelijke of extreme situaties: (1) het oppervlak wordt bekeken zonder omringende kleuren en zonder een nauwkeurig beeld van de intensiteit en kleur van de lichtbron; (2) de kijker is gewend aan één gekleurde lichtbron en de verlichting verandert in een andere kleur of in wit; (3) de kleur wordt bekeken in contrast met aangrenzende kleurvlakken met een sterk verschillende kleur en helderheid; (4) de verlichting heeft een intense (zuivere) kleur; (5) de spectrale vermogensverdeling bestaat uit een gebroken spectrum dat slechts enkele golflengten of vele golflengten met zeer verschillende intensiteiten uitzendt; (6) kleuren worden bekeken met extreem hoge luminantieniveaus die de fotoreceptorcellen verzadigen of overweldigen; of (7) kleuren worden bekeken door een positief of negatief nabeeld .

De meesten van ons kennen wel de sterk vervormde autokleuren die verschijnen onder gele natriumdamplampen, of het doffe effect van tl-verlichting op rode en gele tinten. Abrupte veranderingen in lichtkleur, bijvoorbeeld wanneer we van daglicht in het rode licht van een donkere kamer of bar stappen, leiden tot bijzonder onnauwkeurige kleurwaarnemingen. Kleurvervorming is duidelijk zichtbaar in oppervlaktekleuren rond zonsopgang of zonsondergang, maar dit effect is zo bekend en wordt voldoende geminimaliseerd door de lichtbron buiten beschouwing te laten , dat het een verwaarloosbaar effect heeft op de kleurwaarneming.

Terminologie . Kunstenaars gebruiken zowel onafhankelijke als onafhankelijke kleurbeoordelingen om de verfmengsels te bepalen die nodig zijn om de kleuren in de omgeving te evenaren. Onafhankelijke kleurbeoordelingen verwijzen naar de 'ware' of lokale kleur zoals die eruit zou zien op een normaal verlicht oppervlak (zoals kunstwerken doorgaans worden tentoongesteld), zelfs wanneer we het oppervlak onder ongebruikelijke lichtomstandigheden zien. Monets advies, dat de kunstenaar simpelweg de tint van een retinale kleurvlek moet nabootsen, betekent dat een schilder de lokale kleur moet negeren en in plaats daarvan de tint moet nabootsen zoals die eruitziet onder invloed van contextuele factoren.

Kleurzuiverheid . Het derde en laatste kenmerk van kleurvorming is de helderheid of intensiteit van de tint , waarbij tint wederom de beperkte betekenis heeft van monochrome spectrale kleuren en extraspectrale mengsels.

De zuiverheid van een kleur varieert van intens of zeer chromatisch voor pure kleursensaties tot neutraal of achromatisch voor volledig kleurloze (wit, grijs of zwart) sensaties. Het is echter gebruikelijk dat een zeer chromatische kleur (zoals een "blauw" monochroom licht) wordt omschreven als verzadigd, puur, helder, briljant, rijk, levendig, lichtgevend of gloeiend, en een achromatische of bijna neutrale kleur als onverzadigd, onzuiver, vuil, dof, levenloos, gesluierd, donker, bleek, witachtig of gedempt.

De aanzienlijke overlap in de bijvoeglijke naamwoorden die chroma en helderheid beschrijven (en tussen beide en de bijvoeglijke naamwoorden die vitaliteit en intelligentie beschrijven) duidt op de zintuiglijke en "morele" gelijkenis tussen de twee. Het is echter eerder een parallellisme dan een polariteit: chroma heeft zijn nultoestand (grijs) en helderheid zijn nultoestand (donker). Voor de rest zijn ze elkaars tegenpolen: luminantie is een breedbandkwaliteit, terwijl chroma gericht is op spectrale subeenheden ; de meest verzadigde mogelijke tinten, spectrale lichten, lijken zwart als ze als oppervlaktekleuren worden waargenomen; en een sterk luminantiecontrast op zich kan zowel een hoge chroma- als een luminantiekleurperceptie veroorzaken .

Het onderstaande voorbeeld toont variaties in de kleurverzadiging van scharlakenrood bij een constante tint en helderheid.

verschillen in kleur

tint en helderheid bleven constant

Kleurzuiverheid is de meest fascinerende en tegelijkertijd problematische eigenschap van kleurvorming. Waar tint een eenduidige perceptie is die kan worden gekoppeld aan een precieze fysische eigenschap (golflengte), en helderheid een enigszins complexe perceptie is die eveneens gekoppeld is aan een precieze fysische eigenschap (stralingssterkte of luminantie), is kleurzuiverheid tegelijkertijd de meest opvallende kleureigenschap en de eigenschap die het moeilijkst te definiëren is in termen van specifieke stimuluskenmerken. Sterker nog, veel definities van kleurzuiverheid worden verkregen als de resterende dimensie in een geometrisch kleurmodel : kleurzuiverheid is de stimulusbijdrage die overblijft nadat rekening is gehouden met luminantie en tint.

Om deze redenen heeft kleurzuiverheid vele namen gekend — Sättigung, kleurrijkheid, chromaticiteit, chroma, verzadiging, excitatiezuiverheid, colorimetrische zuiverheid, chromatische inhoud, briljantie — elk gedefinieerd in relatie tot een specifiek stimuluskenmerk of kleurwaarnemingssituatie. Voorlopig gebruik ik kleurzuiverheid in algemene zin om te verwijzen naar de levendigheid of intensiteit van een kleur, maar ik zal de term aan het einde van dit hoofdstuk een specifieke definitie geven.

In de literatuur over kleuronderzoek bestaan ​​drie verwante definities van kleurzuiverheid als een perceptuele dimensie van kleur (bijvoorbeeld in Fairchilds Color Appearance Models ):

1. Kleurrijkheid is het kenmerk van een visuele gewaarwording op grond waarvan de waargenomen kleur van een gebied min of meer chromatisch lijkt te zijn.

2. Chroma is de kleurrijkheid van een gebied, beoordeeld als een verhouding ten opzichte van de helderheid van een vergelijkbaar verlicht gebied dat wit lijkt.

3a. Verzadiging is de kleurrijkheid van een gebied, beoordeeld als een verhouding tot de eigen helderheid.

Deze perceptuele definities van kleurzuiverheid, ondanks de onzekerheid die de lezer mogelijk heeft over hoe ze zich precies tot elkaar verhouden, benadrukken de verwantschap tussen kleurzuiverheid en helderheid/lichtheid als kleursensaties. Dit is een kwestie die ik hieronder zal bespreken, wanneer we de contextfactoren bekijken die de perceptie van kleurzuiverheid beïnvloeden.

Stimulusdefinities van kleurzuiverheid . Laten we eerst de fysieke kant van de kleurenpsychofysica bekijken: wat is een goede stimulusdefinitie van kleurzuiverheid?

De kleurtoon wordt gelijkgesteld aan de dominante of "gemiddelde" golflengten van licht.

Laten we beginnen met licht. We weten dat de meest verzadigde fysieke stimulus die mogelijk is, enkelvoudig golflengte (monochromatisch) licht is, en de minst verzadigde fysieke stimulus die mogelijk is ("wit" licht) een nagenoeg gelijke mix is ​​van alle golflengten over het gehele zichtbare spectrum. De logische eerste stap is dus om kleurzuiverheid te definiëren als de spectrale breedte van het verhoogde deel van een emissiecurve: kleurzuiverheid is het aantal verschillende golflengten in de spectrale vermogensverdeling van het licht (diagram, rechts). Volgens dit principe reflecteert of zendt een kleurstimulus met lage verzadiging golflengten uit over een groot deel van het spectrum. Naarmate golflengten geconcentreerd raken binnen een enkel, smal deel van het spectrum, neemt de kleurzuiverheid van de kleur toe; maar daarbij neemt onvermijdelijk de helderheid van het kleurgebied af.

Het probleem met de definitie van kleurzuiverheid op basis van "golflengtezuiverheid" is dat het oog niet gelijkmatig reageert op de "breedte" van golflengtemengsels. Het bereik van "rode" golflengten, aangeduid als "medium" in het diagram, zou net zo verzadigd lijken als een enkele golflengte van "oranje" licht, omdat de "rode" golflengten hun kleurzuiverheid niet verliezen wanneer ze gemengd worden. Daarentegen, als het "medium" bereik van golflengten gecentreerd zou zijn rond de "geelgroene" golflengten, zou het resulterende mengsel bijna "wit" lijken. Emissie- en reflectiecurven geven deze eigenaardigheden van kleurwaarneming niet weer , waardoor kleurzuiverheid niet betrouwbaar kan worden afgeleid uit de golflengtezuiverheid van de kleurstimulus.

Een tweede oplossing: definieer kleurzuiverheid in termen van een standaard lichtmengsel. Hermann von Helmholtz , de 19e-eeuwse bedenker van kleurmeetinstrumenten, stelde voor dat Sättigung de proportionele mengeling was van "wit" en zuiver monochromatisch licht met gelijke helderheid. Dit beperkt alle metingen van kleurzuiverheid tot een consistente golflengtestandaard, creëert een constante kleurzuiverheids"liniaal" (een menglijn tussen 0% bij "wit" en 100% bij de zuivere spectrale kleur) en definieert een praktische methode om kleurzuiverheid te manipuleren in een kleurenzichtexperiment (meng "wit" met een licht van één golflengte met gelijke helderheid). Het beste van alles is dat deze methode overeenkomt met de perceptie van gekleurd licht door een waarnemer, dat altijd witter lijkt te worden naarmate het minder verzadigd raakt.

Deze definitie is ook eenvoudig toe te passen op oppervlaktekleuren als de visuele mengeling van wit, zwart en kleur, bijvoorbeeld door middel van het patroon dat August Kirschmann ontwikkelde (diagram, rechts) om gelijke veranderingen in de oppervlaktekleurverzadiging te produceren bij constante helderheid wanneer de schijf als een kleurentol wordt rondgedraaid.

Hoewel de Helmholtz-benadering een elegante manier is om de kleurprikkel te definiëren, heeft deze een ernstige tekortkoming als definitie van de kleurperceptie: spectrale tinten creëren niet allemaal dezelfde sensatie van kleurzuiverheid . Monochromatisch "geel" licht heeft een witachtige, bleke kleur en een zwakke tintkracht wanneer het gemengd wordt met "wit" licht; monochromatisch "violet" licht is donker, extreem intens en heeft een zeer sterke tintkracht op "wit" licht. Een perceptuele kwaliteit die verschilt van de stimuluskwaliteit van "spectrale zuiverheid" is nodig om te kunnen zeggen dat verzadigd "geel" licht, de meest verzadigde gele stimulus die er bestaat, nog steeds niet erg verzadigd is.

Dit lijkt logischerwijs te impliceren dat de beoordeling van de kleurzuiverheid gebaseerd is op een vergelijking met iets anders dat als standaardreferentie wordt gebruikt. Dat "iets anders" is achromatische luminantie – de waargenomen helderheid of lichtheid van wit.

Kleurzuiverheid wordt gedefinieerd als de
breedte van een emissieprofiel.

een Kirschmann-schijf

(boven) het vaste patroon van wit, zwart en pure kleur, in gelijke stappen gemengd over concentrische ringen; (onder) de kleurweergave als een kleurtop

Colorimetrische definities van kleurzuiverheid . Om deze vergelijkende benadering te verduidelijken, kijken we eerst naar hoe chroma wordt geïmplementeerd in het chromaticiteitsvlak van een uniforme kleurruimte, bijvoorbeeld CIELUV (diagram, rechts). Een chromaticiteitsvlak is gebaseerd op de verhouding van de stimulatie die de kleurstimulus produceert in elk van de drie soorten kegeltjes: we beschouwen niet langer de fysieke mengeling van de stimulus, maar de responsmengeling in het netvlies.

Vergelijk dit diagram eerst met wat we al weten over de zuiverheid van spectrale tinten. De spectrale tinten "geel" tot "rood" liggen op een rechte lijn en behouden daarom hun zuiverheid wanneer ze gemengd worden; de spectrale tinten "groen" zijn sterk gebogen, waardoor hun mengsel dichter bij het achromatische witpunt ( WP ) komt; de afstand van het witpunt tot de spectrale locus van "geel" ( Y ) is vrij klein, wat aangeeft dat het licht relatief bleek lijkt, terwijl de afstand van het witpunt tot de spectrale "blauwviolet" ( B ) vrij groot is, wat aangeeft dat het licht vrij intens lijkt. (Bedenk dat deze variaties in spectrale kleur ontstaan ​​door de overlapping van de grondtonen van de kegeltjes over het hele spectrum, waardoor het moeilijk is voor één type kegeltje om onafhankelijk van de andere twee te worden gestimuleerd.) De algemene perceptuele feiten worden correct weergegeven.

Nu kunnen we kleurzuiverheid definiëren als de chromaticiteitsafstand van het witpunt tot de kleur in een chromaticiteitsdiagram, waarin per definitie alle kleuren een gelijke luminantie hebben ten opzichte van het witpunt of een zuiver achromatische stimulus. Met andere woorden:

4. Chroma verwijst naar het kenmerk van een visuele gewaarwording dat een oordeel mogelijk maakt over de hoeveelheid zuivere chromatische kleur die aanwezig is, ongeacht de hoeveelheid achromatische kleur (CIE, 1982).

De formulering is hier ongelukkig gekozen, omdat het impliceert dat we simpelweg een enorme hoeveelheid "wit" pigment aan een stimulus kunnen toevoegen zonder de schijnbare chroma te beïnvloeden. De betekenis is dat de chroma constant blijft bij een verandering in de luminantie van de achromatische standaard, mits een gelijke verandering in luminantie ook op de kleurstimulus wordt toegepast. Chroma is echter een gemakkelijk te interpreteren maatstaf in termen van een gevestigd kleurmodel of kleurruimte, omdat het concentrische cirkels van gelijke chroma creëert, gecentreerd rond het achromatische punt (diagram rechts).

Tot slot, wanneer gedefinieerd in termen van een kleurenmodel, is het gebruikelijk om naar Helmholtz' Sättigung te verwijzen als een nieuw kleurkenmerk, gedefinieerd in termen van een achromatische en spectrale tintmengeling op het chromaticiteitsvlak:

5. Excitatiezuiverheid verwijst naar de chroma van een kleurgebied, beoordeeld als een verhouding tot de chroma van de monochrome tint met dezelfde helderheid en dominante golflengte.

Dat wil zeggen, het chromaticiteitsvlak in een kleurenmodel wordt gebruikt om de chroma van de spectrumlocus bij een gegeven luminantie of helderheid te definiëren, en de chroma van de stimulus wordt gedeeld door deze tintspecifieke grootheid. Als gevolg hiervan zullen excitatiezuiverheid en chroma zeer verschillende schattingen van tintzuiverheid opleveren, afhankelijk van de tint van de kleur (zie diagramonderschrift, rechtsboven).

Context en kleurzuiverheid . Helaas is een chromaticiteitsdiagram een ​​kaart van kleursensaties, een kaart die afhangt van de manier waarop we receptorreacties op licht definiëren. We hebben het hier nog steeds niet direct over kleurperceptie, de psychologische in plaats van de sensorische kant van de psychofysica.

Om dat te doen, moeten we terugkeren naar de perceptuele definities van kleurrijkheid, chroma en verzadiging die hierboven zijn gegeven , en denken in termen van oppervlaktekleuren, waarbij de zuiverheid van de tint wordt beïnvloed door absolute luminantie en door relatief luminantiecontrast : het is geen vaste eigenschap van een gekleurd materiaal, maar een relatieve eigenschap van het materiaal dat in een specifieke context wordt bekeken.

Fairchild illustreert het verschil tussen kleurrijkheid en chroma door middel van verlichte kubussen, vergelijkbaar met het diagram (hieronder).

Effecten van luminantiecontrast op de zuiverheid van de kleur

In deze context kunnen de kleuren van de oranje kubus worden vergeleken met de kubus ernaast, die we in deze context als de "witte" standaard beschouwen. Binnen de door deze afbeelding geïmpliceerde lichtsterkte is de hoeveelheid licht die op overeenkomende vlakken van de twee kubussen valt gelijk, en we concluderen dat beide kubussen aan alle zijden een effen kleur hebben. Net zoals we de drie zijden van de witte kubus als even helder zien, hoewel ze verschillen in luminantie (helderheid), zien we de drie zijden van de oranje kubus als even chroma, hoewel ze verschillen in kleurintensiteit.

kleur versus excitatiezuiverheid in het
CIE u'v'-chromaticiteitsdiagram

Kleuren C en c, of Y en y, hebben een gelijke kleurverzadiging maar een ongelijke excitatiezuiverheid; kleuren Y, C en B hebben een ongelijke kleurverzadiging maar een gelijke (maximale) excitatiezuiverheid.

Ik vind dat het diagram (rechts) dit contrast tussen kleurrijkheid en chroma beter verduidelijkt. Hier worden oranje, groene en blauwe vierkanten getoond onder verschillende lichtniveaus, die ze alle drie evenveel beïnvloeden. Bij lage lichtsterkte (onderaan) lijkt de oranje kleur relatief donker en gedempt; als we de kleur isoleren en weergeven, lijkt deze vrij bruin. Naarmate we de luminantie van de kleur verhogen – de invallende lichtsterkte voor oppervlakken; de lichtintensiteit voor lampen – neemt de kleurrijkheid van de kleur toe (het vierkant links wordt kastanjebruin en uiteindelijk oranje), hoewel we in de context van het blauw en groen (rechts) een constant oranje oppervlak waarnemen , dat oplicht in samenhang met de andere kleuren door veranderingen in de lichtsterkte, waardoor het een constante chroma heeft.

En hoe zit het met verzadiging, oftewel de vergelijking van de chromaticiteit van een kleur met de eigen helderheid? De natuurlijke context voor verzadiging is de waarneming van licht, omdat we licht doorgaans los van oppervlakken zien, waardoor de inherente helderheid direct waarneembaar is. Voor oppervlakken moeten we een "witte" context elimineren en de kleur in plaats daarvan omringen met een achromatische achtergrond die overeenkomt met de helderheid van de kleur. Dit levert een definitie van verzadiging op die specifiek is voor oppervlaktekleuren:

3b. Verzadiging is de kleurrijkheid van een gebied, beoordeeld ten opzichte van een achromatisch (grijs) gebied met dezelfde helderheid.

Met andere woorden, verzadiging is simpelweg de kleurverzadiging gedeeld door de helderheid ( S = C/B of S = C/L ): naarmate de helderheid toeneemt, moet de kleurverzadiging in gelijke mate toenemen om de verzadiging gelijk te houden.

Hieronder ziet u de originele rode chroma-serie , nu weergegeven tegen een achromatische achtergrond met een overeenkomstige helderheid:

verschillen in verzadiging

tint en helderheid bleven constant

De robuustheid van verzadiging als perceptueel oordeel, zowel bij oppervlaktekleuren als bij licht, is dat elk waarneembaar verschil tussen het kleurvlak en een overeenkomend grijs (of elke afwijking van wit in de kleur van een lichtbron) per definitie volledig te wijten is aan de chromatische intensiteit. (Helaas zijn het gelijkstellen van de helderheid van monochrome kleuren door middel van heterochromatische helderheidsvergelijking , of het sorteren van Munsell-kleurstalen met een hoge chroma in een correcte overeenkomst met een grijsschaal, perceptueel lastige taken, omdat de zuiverheid van de tint zich manifesteert als een soort helderheid. Dit is duidelijk te zien in de rode kleurenreeks hierboven: het intense rood lijkt niet alleen zuiverder dan de vergrijsde kleuren, het lijkt helderder of gloeiend, alsof de tint een chromatische luminantie bevat .)

Tot slot, hier is de hierboven getoonde oranje serie, nu met bijpassende grijze randen.

verzadiging als eliminatie van helderheidscontrast

In deze situatie lijkt het verschil tussen de achtergrond en het kleurmonster constant, en daarom is de verzadiging ook constant, hoewel de gemeten chroma van het kleurmonster (als digitale kleur) toeneemt om evenredig te blijven met de toename in de kleurhelderheid. Het verschil tussen dit diagram en het vorige diagram (rechtsboven) is of we de veranderingen in helderheid toeschrijven aan een verandering in de oppervlaktekleur of aan een verandering in de belichting van de oppervlakken.

Als de bron van de helderheidsverandering onduidelijk is, of als we het relatieve helderheidscontrast tussen het kleurgebied en de omgeving vergroten, dan leidt een hogere kleurhelderheid of een lagere omgevingshelderheid tot een grotere kleurintensiteit, verzadiging en chroma . (Dit werd onderzocht door Ralph Evans onder de noemer ' briljantie' .) Het onderstaande diagram illustreert dit basiseffect.

Effecten van luminantiecontrast op de zuiverheid van de kleur

In dit voorbeeld, dat slechts een indicatie geeft van de daadwerkelijke impact van omgevingshelderheidscontrasten, hebben de violette en magenta kleurvlakken elk een karakteristieke helderheid (CIELAB-lichtheid L* ) bij maximale chroma, zoals links weergegeven ten opzichte van het adaptatiewit of -zwart. Elke kleur wordt (midden) weergegeven binnen een omranding met een overeenkomstige helderheid, en vervolgens (rechts) binnen een omranding met een hogere helderheid (voor magenta) of een lagere helderheid (voor violet). Hoewel het effect klein is, zou je het violet in de donkere omranding als meer verzadigd ("helderder") moeten zien, en het magenta in de lichtere omranding als minder verzadigd ("doffer").

Bovendien zorgt het contrast tussen een oppervlaktekleur en een helderdere omgeving voor een soort 'zwartheid' in de kleur die niet optreedt bij kleuren die worden waargenomen als geïsoleerde lichtbronnen of als fel verlichte oppervlakken in een donkere omgeving. Grijs en sommige onverzadigde 'warme' kleuren (zoals olijfgroen, bruin of kastanjebruin) komen alleen tot hun recht bij de aanzienlijke helderheidscontrasten die de illusie van zwartgekleurde oppervlaktekleuren creëren. Gedempte lichtbronnen tegen een donkere achtergrond lijken niet grijs of bruin, maar eerder zwak wit of oranje.

Mits de kleurhelderheid constant blijft, verhoogt het minimaliseren van de omgevingshelderheid de kleurrijkheid . Als de verlichting van een kleurvlak wordt verhoogd terwijl de omliggende kleurvlakken minder helder blijven, neemt de kleurrijkheid van dat kleurvlak toe. Dit is een truc die veelvuldig wordt gebruikt in kunstgalerieën die vooral toeristen trekken: door individuele schilderijen te belichten met sterk gehoekte spotlights in een verder zwak verlichte galerieruimte, worden de kleurrijkheid en het contrast in helderheid van de schilderijen kunstmatig vergroot.  

Helderheid, witheid en kleurzuiverheid . Tot slot kunnen we de specifieke perceptuele oordelen onderzoeken die nodig zijn om kleurrijkheid, chroma en verzadiging te definiëren.

Kleurrijkheid is (net als helderheid ) een onafhankelijk kleurkenmerk en is, net als helderheid, gerelateerd aan de luminantie van de kleur. Om de zuiverheid van een tint te beoordelen, moet een kijker de kleurrijkheid en de helderheid van een kleurvlak als afzonderlijke kenmerken kunnen waarnemen.

perceptie van helderheid bij beoordelingen van kleurzuiverheid

In het voorbeeld van "gekleurd licht" (hierboven, links) beoordeelt een kijker de verzadiging van een kleur die geïsoleerd wordt waargenomen door de helderheid en de kleurrijkheid te vergelijken – twee afzonderlijke en ondubbelzinnige eigenschappen van de kleurwaarneming. In licht heeft het witte gehalte de eigenschap "doorschijnend" te zijn, waardoor het gekleurde gehalte relatief dun of verdund lijkt. Verzadigd licht lijkt doorgaans relatief donker, omdat er geen "wit" licht doorheen kan schijnen. De kleur kan helderder worden gemaakt door wit licht toe te voegen of door de lichtsterkte van de bron te verhogen, en elk heeft een ander waarneembaar effect op de kleurrijkheid – het wit wordt waargenomen als een verdunning van de kleurrijkheid.

In het voorbeeld van het "gekleurde oppervlak" (hierboven, rechts) zijn kleurrijkheid en witheid opnieuw onderscheidende eigenschappen van de kleurwaarneming, maar de oorsprong van de luminantie (helderheid) is nu problematisch. Welk deel van de chromatische luminantie is te danken aan de chromatische intensiteit van de kleur, en welk deel aan de verlichtingssterkte of de absolute intensiteit van het invallende licht? Om deze ambiguïteit op te lossen, moet de kijker de verlichtingssterkte beoordelen door de onverduisterde reflectie ervan te beschouwen als de luminantie van de "witte" standaard.

Impliciet wordt de witte standaard pas gekozen na aanpassing van de luminantie aan de lichtbron, zodat rekening wordt gehouden met het effect van aanpassing op de kleurwaarneming. Omdat kijkers echter vrij gemakkelijk grijs (of zelfs zwart!) als de "witte" helderheidsstandaard kunnen aannemen wanneer oppervlakken geïsoleerd of onder verschillende lichtomstandigheden worden bekeken, kunnen oordelen over chroma sterk afhankelijk zijn van de context en radicaal veranderen als de structuur van licht in de ruimte verkeerd wordt waargenomen. Dit wordt expliciet in de bovenstaande voorbeelden: verhogingen van de monitorchroma van de kleur in een digitaal bestand worden waargenomen als "dezelfde chroma" wanneer ze zijn ingebed in de weergave van een oranje kubus die in de ruimte wordt verlicht.

Kleurbeoordelingen zijn gebaseerd op luminantiecontrasten (in de vorm van lichtverankering ), op de ruimtelijke interpretatie van de scène en op kleurgeheugen. Zo kan men bijvoorbeeld de helderheid en het contrast van een televisiebeeld aanpassen totdat het er 'goed uitziet', ongeacht of het beeld een zonnige of bewolkte dag, in kleur of zwart-wit weergeeft. We zien voorbij duizenden omgevingsvariaties in lichtsterkte – als we van de ene naar de andere kamer lopen, naar objecten kijken die dichtbij of ver van een raam staan, loodrecht of schuin op het licht, in licht of in schaduw – om gekleurde oppervlakken te beoordelen.

Conceptuele definities . De voorgaande discussie suggereert definities voor kleurrijkheid, chroma en verzadiging die beter aansluiten bij de kleurintuïtie van kunstenaars:

•  Kleurrijkheid is de hoeveelheid pure kleur, gedefinieerd als een denkbeeldige pure tint of als een pure kleurstof van spectraal licht of pigment, als een verhouding tot de totale hoeveelheid pure kleurstof, witte kleurstof en/of zwarte kleurstof in de kleur.

•  Chroma is de schijnbare helderheid van een tint, vergeleken met de helderheid van een gebied dat als "wit" wordt ervaren en op dezelfde manier wordt verlicht als het gekleurde gebied.

•  Verzadiging is de schijnbare helderheid van een tint, vergeleken met de helderheid van een grijs of achromatisch gebied dat wordt waargenomen als een gebied met dezelfde gemiddelde reflectie als de kleur.

Deze definities zijn gemakkelijker te begrijpen.

Optimale kleurstimuli . Op dit punt kunnen we een nieuwe doelstelling formuleren: of het mogelijk is een maatstaf voor kleurzuiverheid te definiëren die (1) specifiek van toepassing is op oppervlaktekleuren in plaats van lichtmengsels; (2) gestandaardiseerd is op de maximaal mogelijke kleurzuiverheid voor elke oppervlaktekleur, luminantiecontrast of absolute verlichtingssterkte; en (3) een verifieerbare perceptuele validiteit heeft, in die zin dat kleuren die als "maximale kleurzuiverheid" worden beschouwd, ook daadwerkelijk zo lijken. Dit kan worden bereikt door optimale kleuren te gebruiken als de perceptuele standaard voor maximale kleurzuiverheid.

Bedenk dat de maximale kleurzuiverheid voor lichte kleuren wordt bepaald door monochromatisch licht – een enkele golflengte uit het zichtbare spectrum, of een mengsel van twee golflengten, "rood" en "violet", voor extraspectrale kleuren. Spectraal licht is de meest verzadigde kleurstimulus die mogelijk is, wat betekent dat monochromatische stimuli gebruikt kunnen worden als referentiepunt voor de maximale excitatiezuiverheid of Helmholtz- Sättigung van elk gekleurd licht.

De kleurzuiverheid van oppervlaktekleuren vereist echter een ander perceptueel proces, omdat er een breed scala aan luminantiecontrasten tussen het kleurvlak en de achtergrond bij betrokken is. Naarmate oppervlaktekleuren steeds verzadigder worden, of helderder worden verlicht tegen een constante achtergrond, bereiken ze uiteindelijk een punt waarop de chromatische luminantie niet langer lijkt toe te nemen: in plaats daarvan lijkt de kleur te gloeien of te fluoresceren en vervolgens te veranderen in een licht. De basisvorm van de kleur lijkt te veranderen. Deze grens van nul grijstinten biedt een logische maatstaf voor maximale kleurzuiverheid.

Deze grijstintgrens, waar oppervlaktekleuren de maximaal mogelijke tintzuiverheid bereiken zonder te fluoresceren of zelflicht te geven, kan worden gelijkgesteld aan de optimale kleurstimuli of MacAdam-limieten zoals voorgesteld door David MacAdam (die het concept in 1935 ontwikkelde op basis van ideeën die eerder door Rösch en Schrödinger waren geopperd). Optimale kleuren voldoen aan criterium 1, hierboven.

Contextverschillen tussen kleurrijkheid (links) en verzadiging (rechts)

Optimale kleurstimuli zijn geen daadwerkelijke oppervlakken of kleurstalen, maar theoretische reflectieprofielen die aan twee eisen voldoen:

• De reflectie is bij elke golflengte ofwel 0% ofwel 100%.

• De overgang van 100% naar 0% reflectie (of omgekeerd) vindt niet meer dan twee keer plaats over het gehele spectrum.

Deze profielen zijn theoretisch, omdat geen enkel fysiek oppervlak 100% van het invallende licht kan reflecteren of absorberen, en omdat de overgangen van hoge naar lage reflectie bij fysieke kleurstoffen geleidelijker of ronder verlopen.

Optimale kleuren kunnen slechts drie mogelijke vormen aannemen (diagram, rechts):

Type A : kleur gecreëerd door een geïsoleerde piek of blok reflectie binnen het spectrum (waarvoor geen spectrumlimieten nodig zijn), die alle kleuren van een spectrale tint produceren;

Type B : kleur gecreëerd door een reflectieblok aan een van beide uiteinden van het spectrum (waarvoor een spectrumgrens in de "rode" of "violette" golflengten nodig is), die geen kleur met een groene tint kan produceren ;

Type C : kleur gecreëerd door twee reflectieblokken aan tegenovergestelde uiteinden van het spectrum (waarvoor twee spectrumgrenzen nodig zijn in zowel de "rode" als de "violette" golflengten), die alle kleuren van een extraspectrale tint omvatten .

In alle gevallen vertegenwoordigt de breedte(s) w de gereflecteerde golflengten die de luminantie en chromaticiteit van het kleurgebied bepalen.

Hoewel optimale kleurstimuli niet als fysieke oppervlakken kunnen bestaan, is de zuiverheid van de tint afhankelijk van het luminantiecontrast ; het is dus mogelijk om het uiterlijk van een MacAdam-kleur te simuleren in een oppervlak of object (bijvoorbeeld door een stukje sterk verzadigde verf te verlichten met een vignettering van intens wit of chromatisch licht), en deze optimale simulator te gebruiken om de fysieke standaard van chromatische intensiteit te representeren in een perceptuele kleurvergelijkingstaak. De MacAdam-grenzen vertegenwoordigen theoretische of ideale kleuren, maar de perceptuele grens die ze vertegenwoordigen is wel degelijk reëel (criterium 3, hierboven).

In alle geïdealiseerde profielen is de breedte w willekeurig. Deze breedte beïnvloedt de luminantie van het oppervlak (en dus de waargenomen helderheid) en de chromaticiteit (als positie in een chromaticiteitsdiagram). Door de breedte w in de reflectiecurven stapsgewijs te vergroten en elk profiel stapsgewijs over het gehele spectrum te verschuiven, kan een complete inventaris van optimale kleurstimuli worden gegenereerd. Ervan uitgaande dat het zichtbare spectrum zich uitstrekt van 380 nm tot 750 nm en dat de berekeningen worden uitgevoerd in gehele golflengte-intervallen, zijn er 136.532 optimale kleuren, ruwweg gelijkmatig verdeeld over alle niveaus van chroma en helderheid.

optimale kleurgrenzen voor lichtbronnen met verschillende kleurzuiverheid

In het CIE UCS- diagram geven de getallen de helderheid van de kleuren bij elke grens aan; uit Perales, Mora, Viqueira, de Fez, Gilabert & Martinez-Verdu (2005).

Het bovenstaande diagram toont optimale kleuren geprojecteerd in het CIE u'v' uniforme chromaticiteitsschaaldiagram, waarbij we de lichtheidsniveaus van oppervlakken moeten interpreteren als specifieke helderheidsniveaus over alle tinten (omdat de spectrumlocus de chromaticiteitsgrenzen definieert). Deze vormen optimale kleurgrenzen naarmate de helderheid toeneemt vanaf de spectrumlocus.

Het krimpende gebied van de grenzen laat zien dat het vergroten van de breedte w van optimale kleuren de lichtsterkte verhoogt, maar een evenredige afname van de maximaal mogelijke chroma veroorzaakt. Merk op dat de tint de relatie tussen helderheid en MacAdam-limieten beïnvloedt . Tinten in het circuit van groen via blauw tot magenta krimpen naar het witpunt met gelijke energie ( EE ) ruwweg evenredig met de breedte w : elk van deze tinten heeft bij 50% helderheid een chroma die ongeveer halverwege tussen het witpunt en de spectrumlocus ligt, en deze krimp is perceptueel het meest extreem bij blauwviolette tinten. Dit geldt echter niet voor tinten van groengeel tot roodoranje: geel of oranje kan maximale tintzuiverheid hebben, zelfs wanneer de spectrale menging (breedte w ) zeer breed is. Voor licht van geelgroen tot oranjerood is tintzuiverheid in feite losgekoppeld van spectrale zuiverheid.

optimale kleurstimuli

de drie mogelijke profielvormen;
in elk geval kunnen de breedtes "w"
elke gewenste grootte hebben tot de totale spectrumbreedte
, en voor "B" kan de breedte
vanaf beide uiteinden van het spectrum komen.

Omdat we het echter over oppervlaktekleuren hebben, is het zinvoller om de optimale kleurgrenzen te tonen binnen een kleurruimte die speciaal voor oppervlaktekleuren is ontworpen, bijvoorbeeld het CIELAB a*b*-vlak (diagram, rechts). En voor reflecterende oppervlakken is het verhaal heel anders dan voor zelflichtende lampen. Optimale oppervlaktekleuren, over alle helderheidsniveaus heen, vormen een wigvormig "mandje" waarvan de breedte het grootst is bij de middelste waarden en het smalst bij extreem lichte of donkere waarden. De grenzen van dit mandje lopen van een diagonale lijn langs extreem donkerpaars (rechtsonder) omhoog naar blauw, groen, rood en geel, en sluiten zich vervolgens aan de bovenkant af tot een smalle kam die zich uitstrekt van groengeel tot wit. Ter vergelijking heb ik de CIELAB-locatie van gangbare aquarelpigmenten ingevoegd en het kleurenspectrum van gangbare aquarelpigmenten in wit omlijnd .

De kleurzuiverheid kan nu worden gedefinieerd door een lijn te trekken vanuit het achromatische punt door de locatie van de kleur op het chromatische vlak en deze lijn onder dezelfde tinthoek door te trekken naar de optimale kleurgrens met gelijke helderheid. Dit levert twee chroma-waarden op: één voor de verf en één voor de optimale kleur met overeenkomende helderheid en tinthoek. Dit definieert de kleurzuiverheid ten opzichte van de fysiek maximaal mogelijke chroma voor een specifieke tint en helderheid.

6. Kleurzuiverheid verwijst naar de chroma van een oppervlaktekleur als een verhouding tot de maximaal mogelijke chroma [MacAdam-limiet] voor een oppervlaktekleur met een overeenkomstige helderheid en kleurhoek.

Voor elke oppervlaktekleur S _HL met tinthoek H en helderheid L bestaat er dus een overeenkomstige optimale kleur OC _HL met dezelfde tinthoek en helderheid. Dan geldt:

HP(S _HL ) = chroma(S _HL ) / chroma(OC _HL )

Net als bij excitatiezuiverheid standaardiseert deze procedure de MacAdam-limieten, zodat ze op alle helderheidsniveaus en voor alle tinten even ver van het achromatische centrum verwijderd zijn (dat wil zeggen, de wigvormige optimale kleurenmand wordt omgevormd tot een cilinder waarvan de as een grijsschaal is). Als we verschillen in helderheid als een aparte (onafhankelijke) dimensie negeren, stort de cilinder in langs de grijsschaal en vormt een vlak van kleurzuiverheid (chromaticiteit). De kleurzuiverheid van oppervlaktekleuren is dan hun afstand tot het middelpunt van deze cirkel van kleurzuiverheid , zoals hieronder weergegeven voor 130 veelgebruikte aquarelverfsoorten.

CIELAB-schattingen van de zuiverheid van kleur en tint

Kleurzuiverheid gestandaardiseerd naar eenheidsradius; CIELAB-chroma-markers ingevoegd ter vergelijking, waarbij de chroma is herschaald zodat chroma en kleurzuiverheid gelijk zijn voor hansa geel (PY97).

Deze procedure vernietigt uiteraard de geometrie van het CIELAB a*b* -vlak, met één uitzondering: de tinthoek blijft intact. Het diagram projecteert daarom de oorspronkelijke CIELAB-chroma-markeringen over de tintzuiverheidswaarden, geschaald zodat de chroma en tintzuiverheid van een verzadigd geel (waarbij helderheidsverschillen de minste invloed hebben op de MacAdam-limieten) gelijk zijn, en verbindt de tintzuiverheids- en chroma-markeringen met een lijn. Dit maakt het mogelijk om de relatieve verschillen tussen de twee metingen rond de tintcirkel te vergelijken.

De vergelijking suggereert dat geel-oranje tot violetrood (magenta) verf, en blauwviolet tot groenblauw (cyaan) verf, voor de kijker een zuiverdere tint zouden moeten lijken dan hun CIELAB-chromawaarden voorspellen. Rood-oranje zou ook verzadigder moeten lijken dan gele verf of andere verfsoorten, met uitzondering van ultramarijnblauw. Veel oranje verfsoorten bereiken inderdaad een kleurzuiverheid van meer dan 80%, net zoals een Munsell-waarde van 9 80% van de mogelijke reflectie voor een achromatisch oppervlak bereikt. De blauwtinten benaderen ook 70% of meer van de maximaal mogelijke kleurzuiverheid, en het verschil in chroma tussen rood en blauw wordt bijna gelijk. Daarentegen ligt de kleurzuiverheid van verf van blauwgroen tot groengeel consequent onder de 50%: de meest intense groene pigmenten (de ftalogroenen) hebben dezelfde kleurzuiverheid als gebrande sienna of ijzerblauw!

Toen ik deze maatstaf voor kleurzuiverheid ontwikkelde, leek het een utopisch idee in vergelijking met de CIELAB-chromaschaal. Ik was dan ook verheugd te ontdekken dat de CIECAM- chroma-classificatie van aquarelverf grotendeels overeenkomt met de positie in deze kleurzuiverheidsberekeningen (los van de verschillende schattingen van de kleurhoek in CIELAB en CIECAM). Om dit te illustreren, volgt hier de kleurzuiverheidsverdeling berekend voor 174 aquarelpigmenten, met behulp van de CIECAM a _c b _c -chroma- maatstaf.

CIECAM-schattingen van de zuiverheid van kleur en tint

Kleurzuiverheid gestandaardiseerd naar eenheidsradius; CIECAM-chroma-markeringen zijn ter vergelijking ingevoegd, waarbij de chroma is herschaald zodat chroma en kleurzuiverheid gelijk zijn voor hansa-geel (PY97). (Zie deze pagina voor een tabel met CIECAM-kleurzuiverheidswaarden .)

optimale kleurgrenzen op het CIELAB a*b*-vlak

Het kleurenspectrum van aquarelverf in wit; de kleurzuiverheid wordt gedefinieerd als HP = C _verf /C _max en C is de chroma op het a*b*-kleurvlak.

Dit diagram suggereert dat de CIECAM-schaling in de b- en a- richting de kleurzuiverheid onderschat, maar dat de algehele overeenkomst tussen chroma en kleurzuiverheid verbetert. Los van de discrepantie in de schattingen van de kleurhoek tussen CIELAB en CIECAM, zijn de schattingen van de kleurzuiverheid (spreiding van donkerblauwe markers) echter opmerkelijk vergelijkbaar tussen de twee kleursystemen. Dit komt doordat de "mand" van optimale kleurgrenzen wordt gevormd door de specifieke eigenschappen die elk systeem kan produceren in de kleur- of chroma-schaling, zodat deze eigenaardigheden worden geëlimineerd wanneer de chroma wordt gestandaardiseerd op de optimale kleuren.

Desondanks is de chroma-schaling in CIECAM duidelijk beter. Dit komt doordat zowel de chroma- als de verzadigingswaarden in CIECAM een ruwweg cirkelvormige curve produceren binnen de optimale kleurgrenzen, in tegenstelling tot de wigvormige grenzen die CIELAB produceert (diagrammen, rechts). Al deze overwegingen verklaren waarom ik CIECAM prefereer als basis voor een kleurencirkel voor kunstenaars . CIECAM laat de convergentie zien tussen mijn meting van kleurzuiverheid en moderne metingen van verzadiging.

Optimale kleuren wijken op een belangrijk punt af van de traditionele opvattingen over verzadiging: een kijker zou de perceptuele gewaarwording hebben van een oppervlaktekleur die puur is, maar niet kleurrijk (een "puur roze", een "puur bruin", zelfs een "puur zwart"). Deze perceptie ontstaat doordat optimale kleuren de grijstinten (witheid of zwartheid) elimineren die consistent aanwezig zijn in materiaalkleuren (tenminste, zonder het luminantiecontrast te manipuleren).

zijaanzicht van optimale kleurgrenzen in CIECAM

met de verdeling van aquarelpigmenten bij maximale kleurintensiteit

In feite zullen zeer lichte of donkere kleuren, dicht bij de mediumspecifieke wit ( W ) of zwart ( K ) helderheidsgrenzen, het meest "materieel" en het minst "optimaal" lijken, omdat de materiële chroma-grenzen zich op een aanzienlijke afstand van de optimale kleurgrenzen bevinden (stippellijnen). Dit komt doordat het kleinere helderheidsbereik tussen materieel wit en zwart, het resultaat van fysische processen van absorptie en verstrooiing die in alle kleuren binnen het medium in gelijke mate voorkomen, ervoor zorgt dat alle materiële chroma-grenzen in ongeveer dezelfde mate naar een middengrijs worden verschoven . (Uitzonderingen hierop zijn dieprode kleuren, waar de oppervlaktezwartheid een onevenredige verdonkering van de tint veroorzaakt, en blauwviolette kleuren, waar pseudofluorescentie van ultraviolet licht ervoor zorgt dat de chroma bijzonder helder lijkt.) Materiële kleuren lijken het minst materieel en het meest "ideaal" bij de unieke helderheid waarbij de verhouding S/OC maximaal is — wat rond een gemiddelde waarde ligt voor rode kleuren ( a+ , diagram hierboven), maar bij een zeer lichte waarde voor gele kleuren.

Alle definities van chromatische intensiteit die hier worden besproken en op de volgende pagina worden geëvalueerd , lijken te herleiden tot een van de volgende drie concepten: (1) de tintsterkte van een chromatische stimulus in een additief mengsel of in een helderheidscontrast met een andere kleur, meestal wit (Evan's grijsheid ); (2) als de chromatische afstand van een kleur tot een achromatisch referentiepunt, wit of grijs ( verzadiging, CIE-chroma ); of (3) als een chromatische verhouding tussen de chroma van een kleurstimulus en de maximaal mogelijke chroma of verzadiging voor die tint, waarbij het maximum een ​​fysieke stimulus is (excitatiezuiverheid, mijn tintzuiverheid ) of een ingebeeld of subjectief ideaal ( kleurrijkheid, NCS-zuivere kleur ).

Terminologie . Kunstenaars werken doorgaans met kleurverhoudingen in context en proberen de kleurintensiteit van het luminantiebereik van een landschap af te stemmen op het luminantiebereik van een doek, zonder rekening te houden met de verschillen in luminantie. Om die reden zijn verzadiging of chroma de meest geschikte termen. Kleurrijkheid kan worden gebruikt om de relatieve kleurveranderingen te beschrijven die worden waargenomen bij veranderingen in de lichtsterkte, bijvoorbeeld in het uiterlijk van een schilderij dat wordt bekeken bij hogere lichtniveaus of onder lichtbronnen met verschillende kleurweergave-eigenschappen.

Zijn drie kenmerken voldoende? De laatste vraag die we moeten beantwoorden is: zijn er meer dan drie kleurkenmerken nodig om oppervlakken te beschrijven? Het antwoord is ja en nee.

Ja, want kleureigenschappen veranderen uiteraard afhankelijk van het algehele helderheidsniveau en het helderheidscontrast tussen de kleur en de omgeving, zoals we thuis zien in het contrast tussen het licht in de vroege ochtend en de middag, of in de kleurverandering van oppervlakken die worden verlicht door een directe lichtstraal; en deze veranderingen beïnvloeden ook de kleurzuiverheid. Als we veranderingen in kleurwaarneming willen beschrijven van de ene verlichtingscontext naar de andere, of tussen oppervlakken en lichtbronnen, of in een onbekende of verwarrende omgeving, dan zijn vijf eigenschappen nodig.

Nee, want als we lichtbronnen in het donker beschrijven, of oppervlakken bij daglicht, of de kleur van bekende objecten bij gedempt of getint licht, dan zijn drie kenmerken meestal voldoende om de kleur ondubbelzinnig te beschrijven. Deze waarnemingen zijn nauw verbonden met ons concept van de 'echte' kleuren van onveranderlijke objecten en liggen dichter bij kleurideeën dan bij kleurwaarnemingen.

Oppervlakken kunnen vele andere eigenschappen vertonen, zoals glans, craquelé, textuur, nerf, aggregatie, opaciteit, diepte, iriserende effecten en patronen. Deze eigenschappen zijn echter ondubbelzinnig oppervlakte- of materiaaleigenschappen die gemakkelijk te onderscheiden zijn van kleur als een algemene of gemiddelde eigenschap. Drie kleurvormende eigenschappen zijn de norm, omdat meer eigenschappen meestal overbodig zijn.

Er zijn mogelijk andere kleureigenschappen die verschillende categorieën omvatten, zoals helderheid, tint of kleurzuiverheid, die in traditioneel kleuronderzoek onverkend zijn gebleven, maar die verder onderzoek verdienen omdat ze belangrijk zijn geweest voor kunstenaars. Een daarvan is het warm/koud-contrast , dat volgens mij voortkomt uit chromatische adaptatie aan de kleurveranderingen van daglicht . Het manipuleren van het warm/koud-contrast is belangrijk voor de weergave van natuurlijk licht in landschapsschilderijen, en het beoordelen van warm of koel is een handige en praktische manier om vergelijkende kleurverschillen in kleurontwerp en kleurmenging te karakteriseren.

optimale kleurgrenzen op
het CIECAM ab-vlak

(boven) kleurmeting,
(onder) verzadigingsmeting;
onder EE-lichtbron, 20% achtergrondreflectie, witte oppervlaktehelderheid
318 cd/ ^m²

Uiteindelijk komen we uit op deze vijf (vaak drie) kleurvormende eigenschappen:

Deze vijf kleureigenschappen definiëren elke kleursensatie volledig : lichtheid en helderheid geven het deel van de totale verlichting aan dat door een oppervlak wordt gereflecteerd; kleurrijkheid en/of chroma beschrijven de kleurzuiverheid als een verhouding tussen het invallende en gereflecteerde licht; en tint geeft de gemiddelde of dominante golflengten aan van de spectrale vermogensverdeling van het licht binnen de gesloten spanwijdte van een tintcirkel .

Nogmaals: contextuele factoren kunnen de kleurvorming sterk beïnvloeden. Deze drie factoren moeten constant worden gehouden om nauwkeurige kleurbeoordelingen of kleurvergelijkingen te kunnen maken:

•  intensiteit en kleur van de verlichting

•  Relatief helderheidscontrast met omringende kleuren

•  ruimtelijke interpretatie .

Al deze verschijnselen tonen aan dat het momentane, gepixelde beeld op het netvlies uitgebreid is aangepast en geïnterpreteerd om waarnemingen te produceren die overeenkomen met een leven lang visuele ervaring met de echte wereld.

verzadiging en waarde van het schilderij

In dit afsluitende deel wordt gekeken naar de relatie tussen lichtheid, verzadiging en kleurverzadiging in de context van traditionele schilderkunst.

Hoe beoordeel je chroma ? Om chroma of verzadiging nauwkeurig te beoordelen, moet de kunstenaar er kwalitatief mee vertrouwd raken. De truc is om verschillende perceptuele tests te gebruiken voor drie niveaus van chromatische weergave.

• Aan het ene uiterste — vergrijsde, doffe, bijna neutrale of achromatische kleuren — is het moeilijk om de kleur als tint te benoemen. Onverzadigde kleuren zijn mengsels van veel verschillende golflengten van licht, waardoor de kleur geen smalle, precieze positie binnen het zichtbare spectrum heeft. De vraag is dus of het oppervlak een specifieke tint heeft, en welke dat is . Meestal lijkt het grijs duidelijk warm of koel te zijn voordat er een specifieke tint aan kan worden toegekend.

• Aan het andere uiterste, wanneer de kleurintensiteit zeer hoog is, is de oppervlaktetint vrij specifiek en is de beste visuele aanwijzing de mate waarin de kleur lijkt te gloeien , in vergelijking met een grijs van gelijke helderheid. Bij verf is dit heel gemakkelijk te onderscheiden van de oppervlakteglans. De kleur heeft een intensiteit die bijna van het papier lijkt op te stijgen. Dit gloeiende effect heeft niets te maken met helderheid: een goede kwaliteit ultramarijnblauw, onverdund aangebracht op wit papier, heeft een uitgesproken glans wanneer het nat is, ook al is de kleur vrij donker en krijgt het een witachtige ondertoon wanneer het droog is.

• Voor kleuren met een gemiddelde verzadiging is er een derde nuttige aanwijzing: naarmate de chroma toeneemt, wordt de tint specifieker . Toen John Ruskin schreef dat "je tien minuten naar een tint in het werk van een goede schilder moet kijken voordat je weet hoe je die moet noemen", bedoelde hij simpelweg dat de kleuren van een goede schilder onverzadigd zijn. Gebrande sienna lijkt een soort rood-oranje te zijn, maar het is niet duidelijk of de kleur meer naar oranje of rood neigt.

De chroma of verzadiging van een kleur wordt bepaald door welke test het meest relevant lijkt. Als je twijfelt of de kleur warm of koel is, is deze zeer onverzadigd; als je weet dat de kleur warm is, maar niet zeker bent van de tint, is deze matig onverzadigd; als je de algemene tint kent, maar niet de specifieke nuance, dan is deze matig verzadigd; als de kleur een specifieke tint heeft, maar enigszins witachtig, donker of gesluierd lijkt, dan is deze verzadigd; als de kleur lijkt te gloeien of te schitteren, is deze maximaal verzadigd.

Houd er rekening mee dat geelgroen, de kleur van zonlicht, ook de kleur is met het kleinste waargenomen kleurverzadigingsbereik en de oppervlaktekleur en lichtkleur is die het dichtst bij wit ligt. De kleurverzadiging van gele verf neemt zeer snel af wanneer deze wordt gemengd met paars, blauw of zwart; de helderheid neemt ook af. Verzadigde gele, oranje en rode tinten mengen zeer goed met minimale invloed op de kleurverzadiging; blauw en groen hebben de neiging elkaar donkerder te maken, tenzij ze worden verdund of witgemaakt, en blauw zal bijna elke andere kleur doffer maken, behalve paars of magenta.

Chroma, helderheid en verzadiging . Het volgende probleem is te begrijpen hoe chroma en verzadiging veranderen met helderheids- of luminantiecontrasten. Dit betekent dat de kunstenaar moet weten hoe hij oppervlakken onder licht kan vertalen naar kleurveranderingen.

Het diagram toont een reeks roodviolette kleurstalen over het volledige bereik van chroma en helderheid. De helderheid of toonwaarde neemt verticaal toe van zwart (onder) tot wit (boven), in gelijke stappen van een grijsschaal of waardeschaal . De chroma verandert horizontaal in gelijke perceptuele stappen van achromatisch (grijs) links tot maximale chroma rechts. De gekleurde rechthoeken in elke rij van het diagram hebben dezelfde helderheid; de rechthoeken in elke kolom hebben dezelfde chroma.

Lichtheid (L), chroma (C) en verzadiging (S) voor een roodviolette tint.

Verminderde kleurverzadiging en een verzwakt lichtsignaal leiden tot minder verlichting van het oppervlak; dit gecombineerde effect zorgt voor een constante verzadiging.

In deze opstelling worden lijnen met gelijke verzadiging weergegeven door een constante verhouding of percentage chroma ten opzichte van de helderheid:

verzadiging = (chroma/helderheid)*100

De lijn S = 100 loopt diagonaal door de vierkanten met gelijke helderheid en verzadiging, van zwart (L = 0, C = 0) tot lichtpaars (L = 7, C = 7). De lijn S = 200 geeft kleuren aan waarbij de verzadiging tweemaal (200%) de helderheid is; S = 50 de kleuren waarbij de verzadiging de helft (50%) van de helderheid is, enzovoort.

Voor een bepaalde tint heeft een verlicht oppervlak een specifieke helderheid en verzadiging. Naarmate het oppervlak in de schaduw valt, neemt de helderheid af in dezelfde kolom. De verzadiging neemt echter af naarmate de helderheid afneemt bij constante verlichting, waardoor de kleur ook aan verzadiging verliest. Dit betekent dat de kleur naar links verschuift in de figuur. De combinatie van deze twee effecten resulteert in een diagonaal die begint bij een zuiver zwarte waarde, een lijn met gelijke verzadiging voor de kleur.

Het onderstaande diagram geeft in karikatuur de visuele gevolgen weer van een kleurverandering in helderheid, verzadiging en tint. Bekijk eerst deze voorbeelden en bepaal welke het minst en welke het meest overtuigend zijn als weergave van een schaduw aan één kant van een doffe, matig lichtgekleurde rood-oranje bol.

Schaduwcontrasten in helderheid, kleurverzadiging en kleurintensiteit.

Linker kolom: helderheid 40% verminderd, constante kleurverzadiging; middelste kolom: helderheid en kleurverzadiging 40% verminderd, constante verzadiging; rechter kolom: kleurverzadiging 40% verminderd, constante helderheid; middelste rij: schaduwtint = verlichte tint; bovenste rij: schaduwtint 15° groener; onderste rij: schaduwtint 15° roder

De kolom bollen aan de rechterkant lijkt niet in de schaduw te liggen (minder helder), maar verkleurd. De bollen aan de linkerkant lijken in de schaduw te liggen, maar verkleurd door de verandering in tint. De evenwichtige vermindering van helderheid en verzadiging, of constante verzadiging (middelste kolom), is zowel het meest kleurneutraal als de schaduw die het minst beïnvloed wordt door veranderingen in tint.

De "gebroken kleuren" van de schilders . De lichtheid van verf kan op drie manieren worden veranderd zonder de fundamentele tint aan te tasten. In de Europese schildertraditie werd elke verzadigende mengeling van een puur pigment met een andere kleur, of met wit en/of zwart, een gebroken kleur genoemd , en het breken van een kleur was synoniem met het doffer of witter maken ervan.

In moderne terminologie worden deze mengsels schakeringen, tinten of tonen van de pure kleur genoemd , zoals in de onderstaande afbeelding voor een middenrode kleur te zien is.

tinten, tonen en nuances van een middenrood

De pure pigmentkleur, rechtstreeks uit de tube (maar wel goed verdund zodat deze niet bronskleurig of zwart wordt bij het aanbrengen op papier), vertegenwoordigt de tint op zijn maximale verzadiging en optimale helderheid. Van daaruit kan de verfkleur worden aangepast door:

• Het verminderen van zowel de verzadiging als de helderheid van de kleur ( –L–C ) door te mengen met een zwarte of donkere, bijna neutrale verf, waardoor de helderheid tot de donkerste mogelijke waarde in aquarelverf kan worden teruggebracht (ongeveer stap 2 op een waardeschaal), om nuances van de tint te produceren.

• het verminderen van de chroma van de kleur zonder de helderheid significant te veranderen ( –C ), door te mengen met (1) een grijs mengsel van zwart en wit met ongeveer dezelfde helderheid als de pure kleur, of (2) een andere verf met een vergelijkbare helderheid die een complementaire mengkleur is , waardoor de mengkleur dichter bij grijs komt; dit zijn tinten van de kleur.

• Het verminderen van de chroma en het verhogen van de helderheid van de kleur tot de "witte" helderheid van het papier of canvas ( +L–C ), door te mengen met zuiver water (bij aquarelverf of acrylverf) of een witte verf of kleurloos medium (bij acrylverf en olieverf), om nuances van de tint te produceren.

Deze veranderingen in helderheid en verzadiging binnen een constante tint worden in moderne kleurenmodellen doorgaans weergegeven als afzonderlijke "pagina's" of secties door het kleurvlak, bijvoorbeeld in het Munsell Book of Color en het Zweedse NCS . Deze presentatie weerspiegelt de praktijk van het veranderen van verf met een specifieke tint door deze te mengen met witte en/of zwarte verf, een techniek die wordt aanbevolen in schilderkunstverhandelingen van Alberti tot Chevreul . We zullen hier de kleurveranderingen bekijken die door deze traditionele methoden van verfmenging worden geproduceerd.

Tinten . Door verf geleidelijk te verdunnen met water ontstaan ​​tinten of lichtere, pastelversies van de kleur. Aquarelverf kan ook lichter gemaakt worden door een witte verf toe te voegen, zoals zinkoxide of titaniumoxide. Dit is vooral effectief bij zeer donkere of sterk kleurende tinten. (Let wel: mengen met een wit pigment kan de lichtechtheid van sommige pigmenten, zoals Pruisisch blauw [ PB27 ] of dioxazineviolet [ PV23 ], aanzienlijk verminderen.)

Verdunning verhoogt de helderheid van de kleur. Omdat wit geen chroma heeft, verliezen tinten chroma naarmate de helderheid wit nadert. Bij de meeste verfsoorten geldt dat, zodra de verf op papier tot de maximale chroma is verdund, elke verdere verdunning de verzadiging met een gelijke hoeveelheid vermindert : een toename van 50% in helderheid richting wit resulteert in een afname van 50% in verzadiging en chroma van de verf.

Houd er rekening mee dat verf pas tinten begint te vertonen nadat de maximale kleurintensiteit op papier is bereikt. Bij sommige verfsoorten zorgt de verdunning die nodig is om de maximale kleurintensiteit te bereiken ervoor dat de helderheid met 20% tot 50% toeneemt ten opzichte van de oorspronkelijke helderheid. Dit is vaak het geval voor zeer donkere verfsoorten of matig matte verfsoorten aan de warme kant van het kleurenwiel, waaronder: anthrapyramidinegeel ( PY108 ), alle chinacridonpigmenten (chinacridongoud PO49 , chinacridonoranje PO48 , chinacridonkastanjebruin PR206 , chinacridonkarmijn PR N/A , chinacridonroze en chinacridonviolet PV19 ), peryleenkastanjebruin ( PR179 ), peryleenscharlakenrood ( PR149 ), alle ijzeroxide (aarde)pigmenten ( PBr7 , PR101 , PY42 en PY43 ), dioxazineviolet ( PV23 ), indanthronblauw ( PB60 ), de donkere tinten ftalocyanineblauw ( PB15 en PB16 ) en beide tinten ftalocyaninegroen ( PG7 en PG36). Zie de pagina over het geheim van stralende kleuren voor meer informatie.

Kleurschakeringen . Verf kan ook donkerder gemaakt worden door een donker neutraliserend pigment toe te voegen, zoals neutrale tint, Payne's grijs, koolstofzwart of synthetisch zwart . Door gekleurde verf donkerder te maken ontstaan ​​kleurschakeringen en wordt het kleurenbereik onder de waarde van de pure verf vergroot.

Echt zwart is een zuiver neutrale kleur, dus tinten verliezen aan kleurintensiteit naarmate het aandeel zwart in het mengsel toeneemt. Ze verliezen ook in gelijke mate aan helderheid. Daarom zou de verzadiging van de verf idealiter gelijk moeten blijven, omdat helderheid en kleurintensiteit in ongeveer gelijke verhouding afnemen.

Sterker nog, donkere verfmengsels verliezen ook wat verzadiging, omdat "zwarte" verf eigenlijk een donkergrijs is, waardoor de kleur naar een punt boven de werkelijke zwarttint neigt. Hierdoor overschrijdt het mengsel de verzadigingsgrens naarmate het de neutrale kleur nadert. Perceptueel gezien lijkt zeer donkere verf tijdens het drogen doorgaans iets witter te worden, en deze witheid werkt, net als bij tinten, door zowel de chroma als de verzadiging te verminderen.

Als er in plaats daarvan een getinte, bijna neutrale kleur wordt gebruikt, kan de verzadiging constant blijven voor verfsoorten met een vergelijkbare tint: blauw, als Payne's grijs of indigo wordt gebruikt; oranje of rood, als sepia wordt gebruikt; paars, als een neutrale tint wordt gebruikt; groen, als peryleenzwart wordt gebruikt. In het bijzonder mogen verfsoorten met de naam sepia niet worden gebruikt om blauwe verf donkerder te maken, aangezien dit de complementaire kleur van sepia is, omdat dit de kleur te veel zal dof maken; en hetzelfde geldt voor de complementen van de andere bijna neutrale kleuren die zojuist zijn beschreven.

Tinten . Tot slot kan de lichtheid van de verf relatief constant worden gehouden, maar verschoven naar een neutraal grijs, door een complementaire mengkleur met een hogere lichtheid toe te voegen of een synthetisch zwart dat tot dezelfde waarde als de pure kleur is verdund. Dit levert tinten van de kleur op .

Net als bij tinten en nuances verliezen tonen hun kleurintensiteit naarmate het mengsel grijs nadert. Tonen hebben ongeveer dezelfde waarde als de pure verf, dus de verzadiging van tonen neemt ook af naarmate er meer grijs (complementaire kleur) wordt toegevoegd.

Het mengen van complementaire kleuren levert meestal een neutrale tint op die donkerder is dan de complementaire verf. Zodra een neutraal mengsel is bereikt, moet dit worden verdund tot dezelfde lichtheid als de pure kleur. Daarna kunnen tinten een volledig scala aan chroma of verzadiging creëren binnen een constante tint en lichtheid.

Kleurverschuivingen . Het komt vaak voor dat de kleur van een verfmengsel lichtjes verandert wanneer er variaties in tinten of nuances worden aangebracht, en vooral bij veranderingen in helderheid die door nuances worden veroorzaakt. Dit is zowel een perceptueel als een materieel effect.

De verschuiving wordt het Abney-effect genoemd bij monochromatisch (licht met één golflengte), waarbij de tint verandert naarmate er meer "wit" licht mee wordt gemengd. Het feit dat dit effect optreedt bij lichtmengsels wijst erop dat het voortkomt uit de kleurwaarneming: de y/b- en r/g- tegengestelde functies oefenen verschillende responscompressies uit, wat leidt tot verschillende relatieve veranderingen in chroma naarmate de tintintensiteit toe- of afneemt. Op een kleurencirkel van een kunstenaar zijn de Abney-verschuivingen met de klok mee voor tinten ruwweg tussen geelgroen en blauwviolet, en tegen de klok in voor tinten van geel tot magenta. Het effect is het grootst voor blauwviolette kleuren, die violet of paars worden wanneer ze sterk worden ontverzadigd met "wit" licht.

In verf wordt een vergelijkbare verschuiving veroorzaakt door de verschillende kleurkracht en tint van de pigmentdeeltjes. Over het algemeen hebben kleinere pigmentdeeltjes een grotere kleurkracht en ook een andere tint (meestal geler) dan het pigmentpoeder als geheel. Wanneer verf wordt verdund met water of witte verf, oefenen de kleinere deeltjes met een hogere kleurkracht een grotere invloed uit op de kleur, waardoor de tint verschuift. Op het kleurenwiel van kunstenaars is deze verschuiving meestal met de klok mee voor verf van ongeveer rood naar geel, en tegen de klok in voor verf van blauwviolet naar groen.

De omvang en richting van de kleurverschuiving, die in de handleiding voor aquarelpigmenten wordt aangeduid als tintverschuiving , hangt af van de variatie in de deeltjesgrootte in de verf, het tintverschil tussen kleine en grote deeltjes en hun relatieve kleurkracht. Over het algemeen overheerst de kleurverschuiving het Abney-effect in verfmengsels: ultramarijnblauw en ultramarijnviolet worden blauwer, niet roder, wanneer ze worden verdund met water of witte verf.

VOLGENDE:   de geometrie van kleur

Laatst herzien op 08.01.2005 • © 2005 Bruce MacEvoy