Fabio Peron. La visione. Luce e colore. Radiazione solare e sensibilità occhio. Lezioni di illuminotecnica.

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1 La visione Lezioni di illuminotecnica. Fabio Peron Università IUAV - Venezia Il dramma della visione ha tre attori: la luce le superfici la mente umana La luce riflessa da una superficie arriva all occhio La retina trasforma la radiazione elettromagnetica in tre impulsi elettrici Tramite il nervo ottico tali impulsi sono trasmessi al cervello Il cervello analizza tali stimoli e ci fornisce la percezione del colore La percezione è un evento soggettivo ma misurabile Jan Vermeer, Il Geografo Università IUAV di Venezia - Acustica applicata e Illuminotecnica prof. F. Peron 2 Radiazione solare e sensibilità occhio Ogni lunghezza d onda viene percepita dall occhio in modo quantitativamente diverso: cioè significa che radiazioni della stessa potenza generano sull occhio sensazioni di diversa intensità. Il sistema visivo umano inoltre attribuisce a radiazioni di diversa lunghezza «colori» diversi 3 4

2 La radiazione elettromagnetica non ha «colore» è il nostro occhio che codifica la sua lunghezza d onda associandogli una «sensazione» che chiamiamo colore. Il colore non è una caratteristica della luce ma una nostra sensazione. I colori sono risposte soggettive del sistema visivo umano stimolato da radiazione elettromagnetica nella banda nm. Una miscela di tutte le radiazioni visibili viene percepita come «bianca» 6 Il colore di una superficie è il risultato dei fenomeni di riflessione e assorbimento della radiazione elettromagnetica che la investe. Una superficie che riflette completamente tutte le componenti della luce diurna ci appare bianca. Una superficie che assorbe completamente tutte le componenti della luce diurna ci appare nera. G G r G a Ga a = G Gr r = G il comportamento delle superfici dipende dalle caratteristiche dei materiali e della luce. trasmissione Una superficie con un fattore di riflessione costante a tutte le lunghezze d onda ci apparirà grigia. Tanto più scura quanto più vicino a zero il fattore di riflessione. G t t = Gt G L assorbimento e la riflessione differenziale di diverse lunghezze d onda porterà a una colorazione della superficie. a + r + t = 1 7 riflessione assorbimento 8

3 Un corpo illuminato da luce bianca appare bianco (a sinistra) se riflette tutti i colori, senza assorbirne nessuno. Appare nero (a destra) se assorbe tutti i colori, senza rifletterne nessuno. Un corpo illuminato da luce bianca appare rosso (a sinistra) se riflette solo la componente rossa della luce incidente, assorbendo le componenti blu e verde. Lo stesso corpo appare nero (a destra) se viene illuminato da luce che non contiene una componente rossa Trasmissione attraverso vetri colorati 11 12

4 Colorimetria La colorimetria ha come scopo l identificazione e la valutazione quantitativa dei colori. La percezione umana è basata sulla azione di 3 tipologie di coni presenti sulla retina, i quali hanno una sensibilità diversa al variare della lunghezza d onda: la visione di un particolare colore e data dalla combinazione dei tre stimoli, di differente intensità, provenienti dai tre recettori. Colorimetria e Coni A esempio se si considera una radiazione monocromatica a 514,5 nm che arriva all occhio si ha una stimolazione del cono V del 74%, del cono B del 7% e del cono R del 39%. Ancora a esempio se si considera una radiazione monocromatica a 5195 nm che arriva all occhio si ha una stimolazione del cono V del 27%, del cono B del 0% e del cono R del 81%. Nel campo del visibile a ogni lunghezza d onda è possibile associare una terna di valori. Non esiste alcuna lunghezza d onda nel campo del visibile cui corrisponde lo stimolo di un solo tipo di cono, essendo gli altri due nulli. Ciò significa che almeno due stimoli sono diversi da zero I tre tipi di coni, hanno diverse curve di sensibilità Colorimetria e componenti RGB Colorimetria e componenti RGB Radiazioni luminose monocromatiche che arrivano nell occhio portano a una sensazione complessiva figlia della somma delle singole sensazioni. E possibile dimostrare sperimentalmente come data una radiazione qualunque essa è ottenibile con la somma di tre radiazioni Rossa, Verde, Blu opportunamente dosate e mescolate tra di loro. I tre colori Rosso, Verde, Blu sono chiamati colori primari. Se mescolo a due a due i colori primari non posso ottenere il terzo, sono cioè indipendenti l uno dall altro. Mescolando i tre colori primari ottengo la luce bianca. Se si mescolano il rosso e il verde si ottiene il giallo che e complementare del blu. Mescolando il rosso e il blu si ottiene il magenta che e complementare del verde. Dal verde e blu si ottiene il ciano che e complementare del rosso. Queste operazioni di somma costituiscono la cosiddetta Sintesi Addittiva. Essa viene utilizzata nei dispositivi in cui la luce viene proiettata: monitor, schermi TV, proiettori, scanner. Viene utilizzata anche in fotografia 15 16

5 Sintesi addittiva e Leggi di Grassmann Leggi di Grassmann 1 Ogni colore può essere riprodotto dalla miscela di non più di tre colori detti primari, scelti in modo tale che nessuno di essi possa essere ottenuto miscelando gli altri due. 3 Se un colore ha luminanza pari a: L c1 (C1) = L 1 (R) + L 2 (G) + L 3 (B) e si moltiplica ogni luminanza per un fattore n il colore risultante C1 avrà luminanza pari nlc1 si ha: nl c1 (C1) = nl 1 (R) + nl 2 (G) + nl 3 (B) 2 La luminanza Lc1 del colore ottenuto dalla sintesi di tre colori primari R, G e B si ottiene dalla relazione: L c1 (C1) = L 1 (R) + L 2 (G) + L 3 (B) 4 La luminanza della miscela di due colori è uguale alla somma delle luminanze dei singoli componenti. Se: L c1 (C1) = L 1 (R) + L 2 (G) + L 3 (B) e L c2 (C2) = L 1 (R) + L 2 (G) + L 3 (B) allora: L c1 (C1)+ L c2 (C2) = (L 1 + L 1 )(R) + (L 2 + L 2 ) (G) + (L 3 + L 3 ) (B) 5 6 Le combinazioni di colore godono della proprietà additiva: se C 1 = C 2 e C 3 = C 4, allora si ha C 1 + C 3 = C 2 + C 4 Le combinazioni di colore godono della proprietà sottrattiva: se C 1 = C 2 e C 3 = C 4, allora si ha C 1 -C 3 = C 2 -C 4 7 Le combinazioni di colore rispettano la proprietà transitiva: se C 1 = C 2 e C 2 = C 3, allora si ha C 1 = C 3 8 I componenti di una miscela di colore non possono essere distinti separatamente dall occhio, cioè l occhio non è in grado di percepire la composizione dei diversi colori, a differenza di quanto accade per l udito nei confronti del suono Colorimetria: colori primari e secondari I colori primari sono tre : rosso (R, 700 nm) luminanza LR (1 nit) verde (G, 546 nm) luminanza LG (4,59 nit) bleu (B, 436 nm) luminanza LB ( 0,06 nit) Componendo i colori primari ed i loro derivati si ottengono tutte le gamme dei colori con le diverse sfumature (grado di saturazione). I colori secondari sono: giallo (rosso+verde), magenta (blu+rosso) e ciano (blu+verde). Per ottenere la luce bianca si possono usare anche solo due fonti di luce, detti complementari: es. verde (colore primario) + magenta (blu+rosso) = bianco. Sistemi colorimetrici La percezione del colore degli oggetti, così come l emozione che essi suscitano, è un fatto soggettivo e pertanto differente da individuo a individuo..la colorimetria è la scienza che classifica i colori. I primi studi in questa disciplina furono condotti da eminenti scienziati quali Isaac Newton, Thomas Young e James Clerk Maxwell. I sistemi oggi utilizzati per la valutazione oggettiva dei colori sono diversi, ma essenzialmente i più diffusi sono tre: -Il SISTEMA CIE (Commission Internationale pour l Eclarage) -Il SISTEMA MUNSELL -Il SISTEMA NCS A livello italiano la denominazione ufficiale dei colori è definita dalla NORMA UNI 9810:

6 Sistemi colorimetrico CIE Nel 1931, la CIE (Commission Internationale de l Éclairage - Commissione Internazionale di Illuminazione) ha definito le risposte cromatiche alla luce di un osservatore medio, che sono ancora oggi il sistema di classificazione più usato. CIE ha definito tre colori fondamentali con le seguenti caratteristiche: Rosso, R, λ= 700 nm L R = 1 nit Verde, V, λ= 546,1 nm L R = 4,5909 nit Blu, B, λ= 435,8 nm L R = 0,06012 nit Sulla base di questi valori vengono definite le quantità x, y e z dei colori primari necessarie per riprodurre lo stimolo cromatico generato da quantità unitarie di energia di una radiazione di lunghezza d onda λ. Le curve in figura rappresentano la sensibilità dell osservatore medio al rosso al verde e al blu. La curva y coincide con quella del fattore di visibilità in visione fotopica 21 Sistema CIE indicato con f(λ) la funzione che descrive lo stimolo della sensazione visiva (Radianza) prodotto del fattore di riflessione ρ(λ), oppure di trasmissione τ(λ), o del fattore di radianza β(λ), per la distribuzione spettrale S(λ) della sorgente che sta illuminando l oggetto, si possono definire le X, Y e Z chiamate componenti tricromatiche Se si pone il valore della costante pari a 683 lmw -1, uguale a K max esiesprimelo stimolo in Wm -2 sr -1 nm -1, visto che la curva y(λ) corrisponde alla curva di visibilità, il valore della componente Y coincide con la luminanza della radiazione. 22 Sistema CIE A partire da X, Y e Z possono essere definite le coordinate tricromatiche x, y e z: La somma delle coordinate x, y, z è pari a 1. Di conseguenza il colore può essere sempre individuato con due sole coordinate, di solito x e y. Come ulteriore conseguenza è possibile dare una rappresentazione piana degli stimoli cromatici costruendo un diagramma x,y, detto diagramma tricromatico CIE. Il diagramma colorimetrico CIE E un triangolo nel quale i vertici corrispondono alle sensazioni di stimolo dei tre ricettori ai colori rosso, verde e blu (RGB). Il baricentro del triangolo, E, è il punto acromatico o bianco, avente coordinate x = y = 0,33 0,55 0,33 0,12 0,

7 Sistema CIE Nel diagramma sono individuate le aree dei colori fondamentali e dei colori complementari (giallo, ciano magenta). Il punto W definito dalle coordinate x=y=z=0,33 rappresenta il bianco di uguale energia o punto acromatico di riferimento. E possibile nel diagramma tracciare la curva luogo dei punti che rappresentano le radiazioni monocromatiche da 380 a 780 nm (colori puri). C P Sistema CIE Il punto P rappresenta una miscela di rosso e verde con coordinate x=0,42 y=0,49 z=0,09 Congiungendo P con C bianco di riferimento e intersecando con la campana si ottiene la dominante. In questo caso si ha 570 nm. Si tratta del colore puro corrispondente a quello in analisi. Il rapporto tra i segmenti CP e CD, qui 0,76, indica che il colore dominante deve essere diluito con il 24% di bianco per ottenere il colore P Sistema CIE Nel diagramma si traccia la curva di Plank che rappresenta il luogo delle coordinate della radiazione emessa dal corpo nero alle diverse temperature. Si tracciano poi le rette isoprossimali. Ogni loro punto ha la stessa temperatura di colore del punto loro intersezione con la curva di Plank. Sistema colorimetrico Munsell La sensazione di colore che il cervello umano percepisce può essere individuato come risultato della combinazione di tre componenti: Tono, Saturazione e luminosità. Il sistema Munsell classifica i colori a partire da queste tre qualità. TONO O TINTA. E legato alla lunghezza d onda dominante ed individua il colore con cui viene visto l oggetto (rosso, giallo, blu etc.) PUREZZA O SATURAZIONE. E la vivacità del colore che appare più o meno definito distinguendosi dalla visione del grigio (una lunghezza d onda monocromatica fornisce un colore puro; lo stesso colore può essere ottenuto con luci diverse, ma la sua saturazione diminuisce). LUMINANZA O LUMINOSITA : esprime l intensità luminosa nella direzione della visione (quantità di bianco)

8 Sistema colorimetrico Munsell Sistema colorimetrico Munsell TONO O TINTA. La scala dei toni contiene cinque tinte principali: Rosso (R), Giallo (Y), Verde (G), Blu (B), Porpora (P). Vi sono poi cinque tinte intermedie YR, GY, BG, PB, RP. PUREZZA O SATURAZIONE. La vivacità del colore è individuata con una scala che va da 0 a 14 per ogni livello di luminanza. LUMINANZA O LUMINOSITA : la luminanza di una tinta è indicata utilizzando una scala di grigi classificata con un numero che va da uno (nero) a nove (bianco) Sistema colorimetrico Munsell: Hue -Tinta Sistema colorimetrico Munsell: Luminosità - Value 31 32

9 Sistema colorimetrico Munsell: Chroma - Saturazione Sistema colorimetrico Munsell: Sistema colorimetrico Munsell: tonalità e saturazione Sistema colorimetrico Munsell: luminosità Con la tonalità, T, si definisce l essenza del colore. Esso è tanto più puro quanto più «monocromatico». In termini fisici è caratterizzato da un singola lunghezza d onda o da una larghezza di banda stretta. In pratica solo luce colorata generata da un laser si può definire come colore puro. Le variazioni di saturazione fanno apparire un colore più o meno chiaro. Word di Windows: riempimento altri colori Più bassa è L (luminosità), meno luminoso (scuro) apparirà il colore: a parità di tonalità e saturazione, la tavolozza a sinistra presenta una più alta luminosità rispetto a quella di destra (150 contro 100)

10 Coordinate RGB e XYZ Sistema colorimetrico NCS natural color system 0,55 Per il caso in esame il contributo alla sensazione luminosa dei colori primari è per il verde (55%), seguito dal blu (33%) e dal rosso(12%) bianco nero giallo rosso blu verde 0,12 Rosso X = 37 verde Y = 163 blu Z = 94 X + Y + Z = 294 Rosso x = X/(X + Y +Z) = 37/294 = 0,12 Verde y = Y/(X + Y +Z) = 163/294 = 0,55 Blu z = 1- x y = 1 (0,12+0,55) = 0,33 Tutti i colori, eccetto quelli fondamentali, sono imparentati a differenti gradi con colori sia cromatici che acromatici. Nel solido NCS dei colori, tutti i colori immaginabili possono avere una specifica collocazione. Il doppio cono è suddiviso in due modelli bidimensionali. Il Cerchio dei colori NCS e il Triangolo dei colori NCS Il cerchio dei colori Il triangolo dei colori Spazio delle Nuance Spazio delle Tonalità Nel cerchio i quattro colori elementari sono situati ai quattro punti cardinali. Ogni settore compreso tra due colori elementari è suddiviso in 9 parti. Nel cerchio è indicata la tonalità Y90R, ovvero un giallo con il 90% di rossezza. Il triangolo NCS dei colori è una sezione verticale che taglia il solido dei colori in corrispondenza di ciascuna tonalità. Sul lato sinistro del triangolo si trova la scala dei grigi dal bianco W al nero S, e alla destra si trova il colore della tonalità considerata nella sua massima cromaticità C

11 Il triangolo dei colori Il triangolo dei colori La notazione NCS Il sistema Pantone Chiarezza Nella notazione NCS: S 2030-Y90R la lettera S sta per Seconda Edizione, 2030 sta per la nuance, cioè per il grado di somiglianza con il nero S e con la massima cromaticità C. In questo caso la nerezza (S) è al 20% e la cromaticità (C) al 30%. Y90R esprime la tonalità di un colore giallo che presenta il 90% di rossezza e il 10% di giallezza

12 Il sistema Pantone Il sistema Pantone Tinta Croma Il colorimetro Il colorimetro Il colorimetro permette di misurare le coordinate cromatiche di sorgenti di luce e superfici colorate secondo il sistema CIE. In genere il colorimetro e costituito da tre celle. Ognuna riproduce la curva di sensibilità rispetto a un colore fondamentale utilizzando filtri assorbenti. E possibile ottenere le coordinate tricromatiche nei diversi sistemi colorimetrici e la temperatura di colore. Uno spettrofotometro permette di individuare lo spettro di un colore e da questo di ottenere le coordinate cromatiche