Modelleren van het kleuruitzicht van ongerelateerde lichtgevende stimuli

De hoofddoelstelling van dit doctoraatsproject is het modelleren van het kleuruitzicht van ongerelateerde lichtgevende kleuren. Ongerelateerde kleuren zijn kleuren waargenomen in isolatie van andere kleuren, zoals een verkeerslicht geobserveerd in nachtelijke omstandigheden. Een accurate voorspelling van de perceptie van dergelijke stimuli a.d.h.v. een ‘colour appearance’ model kan een waardevolle bijdrage leveren in de ontwikkeling van richtlijnen voor led signalisatie en reclameborden, in de standaardisatie van verkeerslichten en borden met variabele boodschap, in het beschrijven van de verblinding van verlichtingstoestellen en voor de ontwikkeling van nieuwe specifieke ‘colour appearance’ modellen. Tijdens de voorbije 40 jaar werden verschillende ‘colour appearance’ modellen ontwikkeld en onderzocht. Deze modellen trachten het kleuruitzicht of de ‘colour appearance’ van een stimulus te voorspellen a.d.h.v. de fysische eigenschappen van de stimulus en zijn omgeving. Het merendeel van deze modellen werd ontwikkeld voor ‘gerelateerde kleuren’, dit zijn kleuren waargenomen in relatie met andere kleuren. Een typisch voorbeeld hiervan is het gereflecteerde kleur van een object gezien in een verlichte omgeving. Daarnaast werden o.a. twee modellen ontwikkeld die de perceptie van ‘ongerelateerde kleuren’ trachten te voorspellen, CAM97u en CAMFu. Door een gebrek aan psychofysische data werden deze bestaande modellen echter nog nooit grondig gevalideerd. Vooraleer deze modellen uit te breiden naar complexere stimuli en andere kijkomstandigheden, leek het dus aangewezen om ze eerst te verifiëren m.b.v. nieuwe visuele data.

In een eerste reeks psychofysische experimenten werd de helderheid van een reeks lichtgevende teststimuli omgeven door een zwarte achtergrond, met een constante luminantie maar variabele kleurtint en saturatie, geëvalueerd door een groep waarnemers. Deze stimuli werden gegenereerd d.m.v. rode, groene, blauwe en witte leds gepositioneerd achter een cirkelvormige diffusor. Door de flux van deze leds te variëren kan de kleur van dit lichtgevend oppervlak aangepast worden. De afstand van de waarnemer tot de stimulus werd zodanig gekozen dat het gezichtsveld van de stimuli ongeveer 10° bedroeg. Via de ‘magnitude estimation’ methode werd de helderheid van de teststimuli geëvalueerd in vergelijking met die van een referentiestimulus waaraan een helderheidswaarde van 50 werd toegekend. De mate waarin CAM97u, CAMFu en vier andere kleurmodellen de waargenomen helderheid kunnen voorspellen werd onderzocht. De overeenkomst met de visuele data was echter voor alle modellen pover tot matig, onder andere door een onderschatting van het effect van de kleurrijkheid of ‘colourfulness’ van een stimulus op zijn helderheid. Dit effect staat bekend als het Helmholtz-Kohlrausch effect en heeft als gevolg dat gesatureerde, levendige stimuli er steeds helderder uitzien dan de meer neutrale kleuren (voor dezelfde luminantie). Door in CAM97u de bijdrage van de kleurrijkheid te verhogen, geformaliseerd in een aangepast model CAM97um, werd een substantieel betere voorspelling van de helderheid bekomen. De helderheidsvoorspelling van dit CAM97um model werd zowel via een ‘matching’ als via een uitgebreid ‘magnitude estimation’ experiment gevalideerd.

In een daaropvolgende reeks van psychofysische experimenten werd, naast helderheid, ook de perceptie van kleurtint en ‘hoeveelheid wit’ onderzocht. De ‘hoeveelheid wit’ is een nieuwe kleurattribuut dat werd geïntroduceerd na het uitvoeren van enkele preliminaire experimenten. Hiermee werd geprobeerd om de beoordeling van de traditionele kleurattributen kleurrijkheid, saturatie en chroma door personen met weinig of geen kennis omtrent kleurtheorie te vereenvoudigen. Opnieuw werden in de psychofysische experimenten ongerelateerde lichtgevende 10°-stimuli, dit keer met een variabele luminantie, kleurtint en saturatie, getoond aan proefpersonen. Gebaseerd op de resultaten van deze visuele experimenten werd een nieuw ‘colour appearance’ model voor ongerelateerde lichtgevende stimuli ontwikkeld, CAM15u genaamd. Het model gebruikt de absolute spectrale radiantie van de stimulus als input, maakt gebruik van de CIE 2006 ‘cone fundamentals’ en voorziet in een vereenvoudigde berekeningsmethode vergeleken met de bestaande modellen. Het tracht de helderheid, kleurtint, kleurrijkheid, saturatie en hoeveelheid wit te voorspellen. Het CAM15u model is beperkt tot fotopische, niet-verblindende ongerelateerde 10°-stimuli. Via een uitgebreid validatie-experiment werd aangetoond dat, ondanks zijn eenvoud, de voorspellingen van CAM15u gelijkwaardig of zelfs beter zijn dan deze van de andere modellen.

In een laatste reeks van psychofysische experimenten werd de helderheidsperceptie van ongerelateerde lichtgevende stimuli met variabele grootte, luminantie, kleurtint en saturatie onderzocht. De stimuli werden gepresenteerd op een lcd-scherm in een donkere ruimte. Een significant, kleurtint-onafhankelijk, effect van de stimulusgrootte op helderheid werd waargenomen. De impact van de stimulusgrootte werd gemodelleerd d.m.v. een eenvoudige machtsfunctie en dit werd opgenomen in de helderheidsvoorspelling van CAM15u, resulterend in de uitgebreidere versie CAM15us (waarbij de toegevoegde “s” staat voor “size”). De resultaten van een validatie-experiment toonden aan dat CAM15us in staat is om de helderheidsperceptie van ongerelateerde lichtgevende stimuli, met variabele grootte, chromaticiteit en luminantie, te voorspellen.

Hoewel er nog steeds ruimte is voor verbetering en uitbreiding, hebben CAM15u en CAM15us zeker hun waarde bewezen in het voorspellen van de kleurperceptie van ongerelateerde lichtgevende stimuli. Daarmee is het pad geëffend om ook gerelateerde stimuli, zoals stimuli omgeven door een lichtgevende achtergrond, te modelleren.