Функция светоотдачи

Описание средней спектральной чувствительности зрительного восприятия яркости человеком.

Фотопическая (черная) и скотопическая (зеленая) функции светоотдачи. ^{[c 1]} Фотоснимок включает стандарт CIE 1931 года ^{[c 2]} (сплошная линия), модифицированные данные Джадда-Воса 1978 года ^{[c 3]} (пунктир) и данные Шарпа, Стокмана, Ягла и Ягле 2005 года ^{[c 4]} ( пунктирный). Горизонтальная ось — длина волны в нм .

Функция светоотдачи или функция яркости представляет собой среднюю спектральную чувствительность зрительного восприятия света человеком . Он основан на субъективных суждениях о том, какой из пар разноцветных огней ярче, чтобы описать относительную чувствительность к свету разных длин волн . Это не абсолютная ссылка на какого-либо конкретного человека, а стандартное представление наблюдателя о зрительной чувствительности теоретического человеческого глаза . Он ценен в качестве основы для экспериментальных целей и в колориметрии . Различные функции светоотдачи применяются в разных условиях освещения: от фотопических в условиях яркого освещения до мезопических и скотопических в условиях низкой освещенности. Если не указано иное, функция светоотдачи обычно относится к фотопической функции светоотдачи.

Функция фотопической светоотдачи CIE y (λ) или V (λ) является стандартной функцией, установленной Международной комиссией по освещению (CIE) и стандартизированной в сотрудничестве с ISO , ^[1] и может использоваться для преобразования лучистой энергии в световую (то есть видимую) энергию. Он также образует центральную функцию сопоставления цветов в цветовом пространстве CIE 1931 .

Подробности

Флуоресценция пива. Лазер мощностью в один ватт выглядит намного тусклее, чем излучаемая им флуоресценция, поскольку камера, как и человеческий глаз, гораздо более чувствительна в диапазоне 500–600 нм, чем при длине волны лазера 450 нм.

Обычно используются две функции светоотдачи. Для повседневных уровней освещенности функция фотопической яркости лучше всего соответствует реакции человеческого глаза. При низких уровнях освещенности реакция человеческого глаза меняется, и применяется скотопическая кривая. Фотопическая кривая — это стандартная кривая CIE, используемая в цветовом пространстве CIE 1931.

Световой поток (или видимая мощность) в источнике света определяется функцией фотопической светимости. Следующее уравнение рассчитывает общий световой поток источника света:

${\displaystyle \Phi _{\mathrm {v} }=683.002\ (\mathrm {lm/W} )\cdot \int _{0}^{\infty }{\overline {y}}(\lambda )\Phi _{\mathrm {e} ,\lambda }(\lambda )\,\mathrm {d} \lambda ,}$

где

• Φ _v — световой поток , в люменах;
• Φ _e,λ — спектральный поток излучения , в ваттах на нанометр;
• y ( λ ), также известный как V ( λ ), — функция светимости, безразмерная;
• λ — длина волны в нанометрах.

Формально интеграл представляет собой скалярное произведение функции светимости на спектральное распределение мощности . ^[2] На практике интеграл заменяется суммой по дискретным длинам волн, для которых доступны табличные значения функции светоотдачи. CIE распространяет стандартные таблицы со значениями функции светимости с интервалом 5 нм от 380 до 780 нм . ^{[ссылка 1]}

Стандартная функция светоотдачи нормализована до пикового значения, равного единице, при длине волны 555 нм (см. световой коэффициент ). Значение константы перед интегралом обычно округляют до683 лм/Вт . Небольшое превышение дробного значения происходит из-за небольшого несоответствия между определением просвета и пиком функции светимости. Люмен определяется как единица для энергии излучения 1/683 Вт на частоте 540 ТГц , что соответствует стандартной длине волны воздуха 555,016 нм, а не555 нм , что является пиком кривой светимости. Значение y ( λ ) равно0,999 997 в555,016 нм , так что значение 683/0,999 997 = 683,002 — мультипликативная константа. ^[3]

Число 683 связано с современным (1979 г.) определением канделы , единицы силы света . ^{[cie 2]} Это произвольное число привело к тому, что новое определение дало числа, эквивалентные числам из старого определения канделы.

Улучшения стандарта

Фотопическая функция светимости V ( λ ) CIE 1924 года ^{[cie 3]} , которая включена в функции согласования цветов CIE 1931 года как функция y ( λ ), давно признана недооценивающей вклад синего конца спектра в воспринимаемая яркость. Предпринимались многочисленные попытки улучшить стандартную функцию, чтобы сделать ее более представительной для человеческого зрения. Джаддом в 1951 году, ^[4] усовершенствованным Восом в 1978 году, ^[5] привели к появлению функции, известной как CIE _VM ( λ ) . ^[6] Совсем недавно Шарп, Стокман, Ягла и Ягле (2005) разработали функцию, соответствующую основам конуса Стокмана и Шарпа ; ^[7] их кривые представлены на рисунке выше.

Впоследствии в 2011 году компания Stockman & Sharpe разработала улучшенную функцию, принимая во внимание эффекты хроматической адаптации при дневном свете . ^[8] Их работа в 2008 году ^[9] показала, что «световая отдача или функции V(l) резко изменяются в зависимости от хроматической адаптации». ^[10]

стандарт ИСО

Стандарт ISO — ISO/CIE FDIS 11664-1. Стандарт предоставляет инкрементную таблицу на нм каждого значения в видимом диапазоне для функции CIE 1924. ^{[11] [12]}

Скотопическая светимость

При очень низких уровнях интенсивности ( скотопическое зрение ) чувствительность глаза опосредована палочками, а не колбочками, и смещается в сторону фиолетового цвета , достигая максимума около 507 нм для молодых глаз; чувствительность эквивалентна1699 лм/Вт ^[13] илиНа этом пике 1700 лм/Вт ^[14] . Стандартная скотопическая функция светоотдачи или V ′ ( λ ) была принята CIE в 1951 году на основе измерений Уолда (1945) и Кроуфорда (1949). ^[15]

Яркость мезопического зрения , широкая переходная полоса между скотопическим и фототическим зрением, стандартизирована хуже. По общему мнению, эту светоотдачу можно выразить как средневзвешенное скотопическое и мезопическое светимость, но разные организации предоставляют разные весовые коэффициенты. ^[16]

Дальтонизм

Протанопическая (красная, пунктирная) и дейтеранопная (зеленая, пунктирная) функции светимости. ^[17] Для сравнения показана стандартная фотопическая кривая (черная, сплошная).

Цветовая слепота изменяет чувствительность глаза в зависимости от длины волны. У людей с протанопией пик реакции глаза смещен в сторону коротковолновой части спектра (примерно 540 нм), а у людей с дейтеранопией наблюдается небольшой сдвиг пика спектра, примерно до 560 нм. . ^[17] Люди с протанопией практически не имеют чувствительности к свету с длиной волны более 670 нм.

Большинство млекопитающих, не являющихся приматами , имеют ту же функцию светоотдачи, что и люди с протанопией. Их нечувствительность к длинноволновому красному свету позволяет использовать такое освещение при изучении ночной жизни животных. ^[18]

У пожилых людей с нормальным цветовым зрением хрусталик может слегка пожелтеть из-за катаракты , что смещает максимум чувствительности в красную часть спектра и сужает диапазон воспринимаемых длин волн. ^{[ нужна цитата ]}

Смотрите также

• Видимая величина
• Цветовое зрение
• Квантовая эффективность , эквивалент датчика изображения
• А-взвешивание и контур равной громкости , связанные концепции звука

Рекомендации

1. ISO/CIE 23539:2023 CIE TC 2-93 Фотометрия. Система физической фотометрии CIE. ИСО/МКО. 2023. дои : 10.25039/IS0.CIE.23539.2023.
2. Чарльз А. Пойнтон (2003). Цифровое видео и HDTV: алгоритмы и интерфейсы. Морган Кауфманн. ISBN 1-55860-792-7.
3. Выжецкий, Гюнтер и Стайлз, WS (2000). Наука о цвете - концепции и методы, количественные данные и формулы (2-е изд.). Уайли-Интерсайенс. ISBN 0-471-39918-3.
4. Джадд, Дин Б. и Выжецкий, Гюнтер (1975). Цвет в бизнесе, науке и промышленности (3-е изд.). Джон Уайли. ISBN 0-471-45212-2.
5. Вос, Джей-Джей (1978). «Колориметрические и фотометрические свойства фундаментального наблюдателя 2 °». Исследование и применение цвета . 3 (3): 125–128. дои : 10.1002/col.5080030309.
6. Стайлз, WS; Берч, Дж. М. (1955). «Промежуточный отчет Международной комиссии по освещению в Цюрихе, 1955 г., об исследовании Национальной физической лаборатории по сопоставлению цветов». Оптика Акта . 2 (4): 168–181. Бибкод : 1955AcOpt...2..168S. дои : 10.1080/713821039.
7. Шарп, LT; Стокман, А.; Ягла, В.; Ягле, Х. (2005). «Функция светоотдачи V*(λ) для адаптации к дневному свету» (PDF) . Журнал видения . 5 (11): 948–968. дои : 10.1167/5.11.3 . PMID  16441195. Архивировано из оригинала (PDF) 26 апреля 2012 г.
8. Шарп, LT; Стокман, А.; и другие. (февраль 2011 г.). «Функция светоотдачи, V * D65 (λ), для адаптации к дневному свету: поправка». ЦВЕТ Исследования и применение . 36 (1): 42–46. дои : 10.1002/col.20602 .
9. Стокман, А; Ягле, Х; Пирцер, М; Шарп, LT (15 декабря 2008 г.). «Зависимость светоотдачи от хроматической адаптации». Журнал видения . 8 (16): 1.1-26. дои : 10.1167/8.16.1 . ПМИД  19146268.
10. Стокман, Эндрю (декабрь 2019 г.). «Основы конуса и стандарты CIE» (PDF) . Современное мнение в области поведенческих наук . 30 : 87–93 . Проверено 27 октября 2023 г.
11. «Колориметрия - Часть 1: Стандартные колориметрические наблюдатели CIE» . Проверено 9 декабря 2018 г.
12. "Кей и Лаби; таблицы физических и химических констант; Общая физика; Подраздел: 2.5.3 Фотометрия" . Национальная физическая лаборатория; ВЕЛИКОБРИТАНИЯ. Архивировано из оригинала 1 мая 2019 года . Проверено 9 декабря 2018 г.
13. Кохей Нарисада; Дуко Шредер (2004). Справочник по световому загрязнению . Спрингер. ISBN 1-4020-2665-Х.
14. Казимер ДеКусатис (1998). Справочник по прикладной фотометрии . Спрингер. ISBN 1-56396-416-3.
15. «Функция скотопической светимости» .
16. Фотопический и скотопический просвет - 4: Когда фотопический просвет нас подводит.
17. Джадд, Дин Б. (1979). Вклад в науку о цвете. Вашингтон, округ Колумбия, 20234: NBS. п. 316.{{cite book}}: CS1 maint: местоположение ( ссылка )
18. И.С. МакЛеннан и Дж. Тейлор-Джеффс (2004). «Использование натриевых ламп для яркого освещения мышиных домиков в темное время суток» (PDF) . Лабораторные животные . 38 (4): 384–392. дои : 10.1258/0023677041958927. PMID  15479553. S2CID  710605.^{[ постоянная мертвая ссылка ]}

Документы CIE

1. «Избранные колориметрические таблицы CIE» . Архивировано из оригинала 31 января 2017 г.
2. 16-я Генеральная конференция по весам и мерам, Резолюция 3, CR, 100 (1979 г.) и Metrologia , 16 , 56 (1980 г.).
3. CIE (1926). Протоколы Международной комиссии по освещению, 1924 год . Издательство Кембриджского университета, Кембридж.

Данные кривой

1. "Кривая яркости CIE Scotopic (1951)" . Архивировано из оригинала 28 декабря 2008 г.
2. «CIE (1931) Функции сопоставления цветов по 2 градуса» . Архивировано из оригинала 28 декабря 2008 г.
3. "Джадд-Вос изменил кривую фотопической яркости CIE на 2 градуса (1978)" . Архивировано из оригинала 28 декабря 2008 г.
4. «Шарп, Стокман, Ягла и Ягле (2005) Функция светоотдачи 2 градуса В * (л)» . Архивировано из оригинала 27 сентября 2007 г.

Внешние ссылки

• Лаборатория цвета и исследований зрения - таблицы данных светоотдачи