David MacAdam påtok seg banebrytende arbeid innen fargeforskjellsoppfatning på 1940-tallet. Spesielt designet han apparatet og foredlet den statistiske prosessen som gjorde det mulig å kvantifisere kromatiske toleranser rundt en målfarge.
MacAdam brukte Standard Deviation Color Matching (SDCM) for å definere hvor tett (eller ikke) fargen som sendes ut av to lyskilder samsvarte med hverandre. Ettersom standardavviket mellom to prøver øker, blir fargeforskjellen mellom dem tydelig for flere.
Hvorfor er standardavviksfargematching viktig? For lysingeniøren uttrykkes en fargetoleranse som en 1-trinns, 2-trinns, 3-trinns (osv) MacAdam-ellipse.
Ingen to lyskilder vil noen gang avgi nøyaktig samme lysfarge, men fordi flere lys vanligvis er installert ved siden av hverandre, er en grad av konsistens veldig ønskelig. Derfor trenger lysingeniører en måte å uttrykke en toleranse rundt en målfarge på, på samme måte som en maskiningeniør vil uttrykke en toleranse rundt en dimensjon.
Denne artikkelen vil forklare arbeidet til David MacAdam som ga opphav til den nå universelle bruken av MacAdam-ellipsen som et middel til å uttrykke en toleranse rundt en målfarge.
Historie. David MacAdam var en vitenskapsmann som jobbet for Kodak i forskningslaboratoriet deres i Rochester, New York. På 1940-tallet var Kodak interessert i å finne ut hvor nøyaktig det menneskelige øyet kunne skille mellom lignende farger.
Er fargematching lett?
Er fargematching lett? Nei, fargematching er ikke lett i det hele tatt. Vi kan oppfatte to forskjellige farger som svært like, eller vi kan oppfatte to like farger som svært forskjellige fordi det er flere faktorer involvert i fargesyn.
Luminans, eller, i lekmannstermer, hvor lyst noe er. Den samme røde lyskilden vil for eksempel se veldig forskjellig ut avhengig av hvor sterkt den lyser. På samme måte kan to forskjellige farger se like ut hvis den ene skinnet sterkere enn den andre. David MacAdams apparat ble designet slik at uavhengig av fargen på de to lyskildene som ble sammenlignet ble luminansen holdt på et konstant nivå.
Hue. Dette er fargen på lyskilden, bestemt av dens bølgelengde. I naturen består de fleste farger vi ser av en dominerende bølgelengde pluss noen andre.
Renhet, eller metning. To lyskilder kan begge ha samme luminans og dominerende bølgelengde, men hvis den ene var en veldig ren lyskilde (dvs. den var svært mettet, noe som betyr at mesteparten av energien i lysbønnen var konsentrert ved eller nær den dominerende bølgen lengde) og den andre inneholdt en større blanding av forskjellige bølgelengder som de ser ut til å være forskjellige.
Før David MacAdams arbeid ble publisert, hadde belysningssamfunnet forsøkt å uttrykke den menneskelige evnen til å skille mellom lignende farger når det gjelder bølgelengdeterskler (for spektrale eller mettede farger som rene røde, grønne og blå) og renhetsterskler (for ikke -spektrale farger som brun, rosa og magenta).
Tidligere arbeid, av andre forskere, hadde forsøkt å måle fargeoppfatning ved å se etter en "bare merkbar forskjell". Denne teknikken hadde den fordelen at den var enkel å implementere og ikke trengte særlig spesialutstyr. Det ga imidlertid uberegnelige resultater på tvers av fargespekteret som ble evaluert.
Andre forskere (Wright og Pitt i "Hue discrimination in normal colour-vision") hadde foreslått at en bedre tilnærming ville være å lage et stort antall treff på hvert punkt i fargekartet og deretter analysere spredningen av observasjonene, men de kommenterte at dette ville være "en umulig langvarig prosess".
David MacAdams forskning – en oppsummering
MacAdam erkjente at Wright og Pitt var korrekte ved at det var nødvendig med flere observasjoner og at det var nødvendig med en statistisk prosess for å analysere hvor nære (eller ikke) de forsøkte matchene var målfargene.
For å overvinne vanskelighetene som Wright og Pitt forventet ville skape "en umulig langvarig prosess" designet og bygde MacAdam et genialt instrument for å teste evnen til en observatør til å matche en justerbar testfarge til en fast referanse (eller målfarge) ganske enkelt ved å justere en enkelt urskive. I løpet av rundt 25 000 avlesninger ble evnen til David MacAdams assistent, Perley G. Nutting, Jr., testet på 25 referansefarger.
MacAdam startet med å velge 25 punkter bredt fordelt over CIE 1931-fargeromsdiagrammet - se figur 48, nedenfor, fra MacAdams originale papir.
Midtpunktet til hver ellipse er en målfarge valgt av David MacAdam.
I sin artikkel refererer MacAdam til ICI 1931 standard kromatisitetsdiagram. ICI er International Commission on Illumination, mer kjent i dag under sitt franske akronym, CIE (Commission Internationale d'Eclairage).
MacAdams ellipser tegnet på en farget versjon av CIE 1931-fargeromsdiagrammet.
Hvert av disse fargepunktene kan produseres ved bruk av et enkelt filter, kommersielt tilgjengelig på den tiden. Noen av fargepunktene MacAdam valgte er mer mettede (nær kanten av fargeromsdiagrammet) enn andre som er nærmere midten. Disse fargepunktene skulle være de 25 målfargene som en observatør ville forsøke å lage en match til.
Filtre for å gjenskape målfargene
De ekstra fargefiltrene som MacAdam opprettet, plottet på CIE 1931-fargeromsdiagrammet.
Hver målfarge (over) kan replikeres ved å kombinere lys (i varierende proporsjoner) fra opptil 8 par av disse tilleggsfiltrene.
MacAdam opprettet deretter en serie med rundt 100 ekstra fargefiltre. Disse ble designet slik at hver av målfargene (over) kunne replikeres (i nyanse og renhet) ved å blande sammen (i hvilke proporsjoner som måtte være nødvendige) lys fra et par ekstra filtre. Vanligvis kan hver målfarge replikeres med opptil 8 forskjellige par ekstra filtre hvis de ble justert til riktige proporsjoner.
MacAdams apparat for å generere målet og justerbare farger
Apparatet som er designet av MacAdam er beskrevet nedenfor. Kort fortalt består den av en enkelt lyskilde (til høyre) med fargefiltre (7& 8), et arrangement av prismer og linser (i midten) og et okular (til venstre).
Fra den enkle lyskilden (helt til høyre) produserer apparatet to par stråler. Ett par er polarisert vertikalt, det andre horisontalt. Begge parene består av en stråle fra filter 7 og en stråle fra filter 8.
Synet som ble presentert for observatøren ved okularet (helt til venstre) var som nedenfor.
Testfeltet var i to deler: på den ene siden var målfargen produsert av ett par stråler i proporsjoner som var blitt fikset på forhånd for å matche en av målfargene på CIE 1931-fargeromsdiagrammet med en belysningsstyrke på 48 cd/m²
På den andre var en justerbar farge, også produsert av et par stråler fra de samme filtrene som observatøren kunne justere ved å rotere en enkelt skive. Den roterende skiven ble koblet til et prisme, og mens prismet ble rotert ble andelen lys fra filtrene 7& 8 endret tilsvarende. Uansett hvilken justering som ble gjort, holdt luminansen seg på 48 cd/m².
Tar 25 000 avlesninger
Før avlesningene kunne starte ble et par filtre valgt og posisjonen til prismene justert ved beregning og observasjon slik at de konvergerende lysstrålene matchet målfargen. Observasjonene begynte da, og det var observatørens oppgave (pasienten Mr Nutting, som gjorde dette rundt 25 000 ganger) å justere skiven slik at fargen til høyre i testfeltet passet med fargen til venstre (se diagram over). .
Da Nutting oppnådde det han anså for å være en match, ble posisjonen til skiven (og dermed prismene) notert. I henhold til utformingen av MacAdams apparat tilsvarte enhver endring av prismenes plassering en endring av kromatisitet.
Avlesningene ble gjentatt 50 ganger for hvert av de 5-8 filterparene som var i stand til å produsere en fargematch med målet.
For hvert sett med 50 avlesninger ble resultatene registrert og standardavviket ble beregnet og plottet på CIE 1931 fargeromsdiagrammet. For hver av de 25 målfargene var resultatet i hovedsak det samme, standardavviket for alle forsøk på fargetreff i hvert sett falt i et mønster som beskrev en ellipse sentrert på målet.
MacAdams ellipser, som presentert i hans originale artikkel i 1942.
I midten av hver ellipse er de 25 referansefargene som han forsøkte å lage en fargematch til. Standardavviket for de forsøkte treffene fra referansefargene er beskrevet av ellipsene, tegnet her ved 10x faktisk størrelse.
Hvorfor er MacAdams ellipser viktige?
MacAdams ellipser er viktige fordi teknikkene han brukte har gitt oss muligheten til å uttrykke en toleranse rundt en målfarge.
I maskinteknikk sies det at en dimensjon uten toleranse er meningsløs. I belysning gjelder det samme. En fargematch kan aldri være perfekt, så toleranser er avgjørende.
Når vi beskriver en lysarmatur som å ha en SDCM<3 (for="" eksempel),="" betyr="" det="" at="" når="" den="" er="" ny,="" vil="" fargen="" på="" lyset="" som="" sendes="" ut="" av="" noen="" av="" disse="" armaturene="" falle="" innenfor="" grensen="" beskrevet="" av="" 3="" standardavvik="" på="" fargetilpasning="" fra="" det="" sentrale="" punktet,="" eller="" målfarge.="" for="" det="" store="" flertallet="" av="" mennesker="" er="" dette="" nivået="" av="" variasjon="" umerkelig.=""><5 er="" en="" løsere="" standard="" og="" vil="" vise="" høyere="" nivåer="" av="" variasjon,="" men="" er="" fortsatt="" helt="" akseptabel="" for="" mange="">
Hva gjør ikke MacAdams ellipser?
MacAdam var opptatt av å beskrive en metode for å definere toleranser. Han var ikke opptatt av å kvantifisere nøyaktigheten av fargeoppfatning over hele den menneskelige befolkningen. Mens arbeidet hans indikerte at Nuttings observasjoner ikke var unormale (de ble replikert av et lite antall andre observatører), gjorde MacAdam ingen systematisk undersøkelse av nøyaktigheten av fargeoppfatning mellom forskjellige kjønn, aldre eller etnisitet.
