< Terug naar vorige pagina
Project
A New Metric for Evaluating the Colour Quality of White Light Sources with Reference to Memory Colours (Een nieuwe methode ter beoordeling van de kleurkwaliteit van witte lichtbronnen met geheugenkleuren als referentie)
Kleurweergave verwijst naar de invloed van een lichtbron op de kleur van een set objecten en is reeds vele jaren het onderwerp van onderzoek. Verscheidene beoordelingsmethodes, niet allemaal even succesvol, zijn voorgesteld in een poging om het effect van de lichtbron te kwantificeren. De huidige standaardmethode is de kleurweergave-index Ra ontwikkeld doorde Internationale Commissie voor Verlichting (CIE). Deze methode biedt een objectieve maat voor de kleurweergave-eigenschappen van een lichtbron. Zon objectieve maat is echter misschien niet het beste antwoord op de noden van verlichtingsontwerpers, architecten en mensen uit de winkel-en retailsector. Eindgebruikers en consumenten zijn dikwijls meer geïnteresseerd in de subjectievere aspecten van kleurweergave kwaliteit, meerbepaald in hoe goed of hoe natuurlijke objecten er uit zien. Dat de CIEkleurweergave-index niet in staat is om de kleurweergave van vele smalbandige lichtbronnen, met in het bijzonder Licht-Emitterende Diodes (leds), nauwkeurig te beschrijven, heeft van kleurweergave een belangrijk internationaal onderzoeksonderwerp gemaakt.
De hoofddoelstelling van ditdoctoraatsonderzoek was een bijdrage te leveren tot de internationale discussie omtrent kleurweergave door het ontwikkelen van een nieuwe metriek die voldoet aan de verwachtingen van de meeste gebruikers: een juistebeschrijving van één of meerdere subjectieve aspecten van de kleurkwaliteit van een witte lichtbron, zoals bijvoorbeeld voorkeur en aantrekkelijkheid. In dit onderzoek werd een nieuwe metriek ontwikkeld die de kleurkwaliteit van een lichtbron evalueert met als referentie de geheugenkleuren van een aantal gekende objecten. Er werd voor een geheugenkleuraanpak gekozen omdat die in vergelijking met methoden op basis van een referentie-lichtbron beter overeenstemt met de manier waarop mensen in het dagelijkse leven de kleurkwaliteit van de verlichting beoordelen: niemand loopt rond met een referentielamp op zak om de kleurkwaliteit van de verlichting te kunnen beoordelen! De basisveronderstelling van de geheugenkleurmethode is eenvoudig en intuïtief: hoe beter een lichtbron de kleuren van objecten weergeeft in vergelijking met wat men verwacht (geheugenkleur), des te beter is de kleurkwaliteit. Alhoewel geheugenkleuren reeds in het verleden het onderwerp zijn geweest van onderzoek was de beschikbare data ofwel ontoereikend ofwel onbruikbaar voor praktische toepassing in een kleurkwaliteitsmetriek op basis van geheugenkleuren. Daarom werd er nieuwe data verzameld in een reeks van visuele experimenten waarin niet alleen de geheugenkleuren van tien gekende objecten werden bepaald, maar waarin ook werd onderzocht in welke mate mensen een afwijkingvan deze geheugenkleuren ervoeren. In deze experimenten werden de objecten één voor één belicht met meer dan honderd verschillende spectra en aan een groep van waarnemers gepresenteerd. De waarnemers werden gevraagd om de kleur van de objecten te beoordelen in vergelijking metwat ze dachten hoe de objecten er in de realiteit uitzagen. De kleur van de objecten werd veranderd door de objecten te belichten in een speciaal hiervoor ontwikkelde LED-verlichtingsbox. Het specifiek ontwerp van de box creëerde de illusie dat de objecten zelf van kleur veranderden en liet tevens toe om de adaptatietoestand van de waarnemers constant te houden onder de verschillende belichtingen. De goede onderlinge overeenkomst tussen de waarnemers suggereerde de mogelijkheid om een gemiddelde waarnemer te postuleren door de beoordelingen van de waarnemers voor iederobject samen te nemen. De waarnemerdata werden vervolgens gemodelleerd in de IPT kleurruimte met behulp van een bivariate normaalverdeling. Op basis van deze gemodelleerde functies werden similariteitsfunctiesbepaald die de overeenkomst kunnen kwantificeren tussen elke objectchromaticiteit en de geheugenkleuren van de gekende objecten. Omdat kleurkwaliteit gerelateerd wordt verondersteld met de overeenkomst tussen de chromaticiteit van een object en zijn geheugenkleur vormen deze similariteitsfuncties de basis van de nieuwe geheugenkleur-kwaliteitsmetriek. In depraktijk wordt de kleurkwaliteit van een witte lichtbron als volgt bepaald. Voor elke object wordt een speciale kwaliteitsindicator bepaald door voor de IPT-objectchromaticiteit (onder de test lichtbron) de waarde van de similariteitsfunctie te berekenen. De IPT-objectchromaticiteit wordt bepaald door eerst de tristimuluswaarden voor de CIE 10° waarnemer teberekenen gebruikmakend van de spectrale reflectie van de objecten. Nadien worden de tristimuluswaarden omgezet in hun overeenkomstige tristimulus onder de CIE illuminant D65 met behulp van de CAT02 chromatische adaptatie transformatie. De graad van chromatische adaptatie wordt bepaald aan de hand van de verlichtingssterkte. Indien die niet gekend is, levert een waarde van 0.90 cfr. een verlichtingssterkte van ongeveer 800 lx over het algemeen een goed resultaat op. Vervolgens worden de IPT-chromaticiteits coördinaten berekend op basis van de overeenkomstige tristimulus waarden onder de CIE illuminant D65. Een algemene geheugenkleur kwaliteitsindex wordt berekend als het geometrisch gemiddelde van despeciale geheugenkleur-kwaliteitsindicators. Psychofysische experimenten uitgevoerd in het kader van dit doctoraatsonderzoek, evenals onafhankelijke visuele data verzameld uit de literatuur lieten toe om de geheugenkleur-kwaliteitsmetriek te valideren met een hoge statistische significantie. De metriekwaarden vertoonden een hoge mate van overeenkomst met devisuele appreciatie van een lichtbron. Verder werd aangetoond dat de metriek significant beter is dan vele eerder en huidig voorgestelde metrieken om de visuele appreciatie van een witte lichtbron te beoordelen. De correlatie met natuurlijkheid was echter eerder aan de lage kant. Tenslotte werd aangetoond dat de nieuwe metriek ook toepasbaar is voor het ontwerpen van nieuwe lichtbronnen met een hoge visuele appreciatie. Op basis van de resultaten van een optimalisatie van gesimuleerde tri- en tetrachromatische LED-clusters werd een lamp gerealiseerd die bestond uit warmwitte fosforwitte LEDs gecombineerd met rode, groene, en blauwe LEDs. De superieure kleurkwaliteit van de lamp, geoptimaliseerd voor 2700 K metbehulp van de geheugenkleur-kwaliteitsmetriek, werd geverifieerd in eenpsychofysisch rating experiment. Wat betreft aantrekkelijkheid, voorkeur en overeenkomst met de herinnering werd de kleurkwaliteit van de lamp significant beter bevonden dan die van een gloeilamp. Zoals verwacht op basis van de uitgevoerde prestatie-analyse werden er geen significante verschillen vastgesteld voor natuurlijkheid en levendigheid.
Alhoewel de geheugenkleur-kwaliteitsmetriek nog een aantal potentiële tekortkomingen of onzekerheden vertoont, zoals het beperkt aantal testobjecten en de mogelijke invloed van culturele verschillen, is de huidige versie zoals die ontwikkeld werd tijdens het doctoraat reeds voldoende beloftevol om een significante bijdrage te zijn voor het onderzoeksgebied rond kleurweergave. Dit doctoraatsonderzoek heeft op zijn minst de internationale kleurwetenschappelijke gemeenschap bewust gemaakt van het potentieel vaneen geheugenkleuraanpak om de kleurkwaliteit van witte lichtbronnen te beoordelen.
De hoofddoelstelling van ditdoctoraatsonderzoek was een bijdrage te leveren tot de internationale discussie omtrent kleurweergave door het ontwikkelen van een nieuwe metriek die voldoet aan de verwachtingen van de meeste gebruikers: een juistebeschrijving van één of meerdere subjectieve aspecten van de kleurkwaliteit van een witte lichtbron, zoals bijvoorbeeld voorkeur en aantrekkelijkheid. In dit onderzoek werd een nieuwe metriek ontwikkeld die de kleurkwaliteit van een lichtbron evalueert met als referentie de geheugenkleuren van een aantal gekende objecten. Er werd voor een geheugenkleuraanpak gekozen omdat die in vergelijking met methoden op basis van een referentie-lichtbron beter overeenstemt met de manier waarop mensen in het dagelijkse leven de kleurkwaliteit van de verlichting beoordelen: niemand loopt rond met een referentielamp op zak om de kleurkwaliteit van de verlichting te kunnen beoordelen! De basisveronderstelling van de geheugenkleurmethode is eenvoudig en intuïtief: hoe beter een lichtbron de kleuren van objecten weergeeft in vergelijking met wat men verwacht (geheugenkleur), des te beter is de kleurkwaliteit. Alhoewel geheugenkleuren reeds in het verleden het onderwerp zijn geweest van onderzoek was de beschikbare data ofwel ontoereikend ofwel onbruikbaar voor praktische toepassing in een kleurkwaliteitsmetriek op basis van geheugenkleuren. Daarom werd er nieuwe data verzameld in een reeks van visuele experimenten waarin niet alleen de geheugenkleuren van tien gekende objecten werden bepaald, maar waarin ook werd onderzocht in welke mate mensen een afwijkingvan deze geheugenkleuren ervoeren. In deze experimenten werden de objecten één voor één belicht met meer dan honderd verschillende spectra en aan een groep van waarnemers gepresenteerd. De waarnemers werden gevraagd om de kleur van de objecten te beoordelen in vergelijking metwat ze dachten hoe de objecten er in de realiteit uitzagen. De kleur van de objecten werd veranderd door de objecten te belichten in een speciaal hiervoor ontwikkelde LED-verlichtingsbox. Het specifiek ontwerp van de box creëerde de illusie dat de objecten zelf van kleur veranderden en liet tevens toe om de adaptatietoestand van de waarnemers constant te houden onder de verschillende belichtingen. De goede onderlinge overeenkomst tussen de waarnemers suggereerde de mogelijkheid om een gemiddelde waarnemer te postuleren door de beoordelingen van de waarnemers voor iederobject samen te nemen. De waarnemerdata werden vervolgens gemodelleerd in de IPT kleurruimte met behulp van een bivariate normaalverdeling. Op basis van deze gemodelleerde functies werden similariteitsfunctiesbepaald die de overeenkomst kunnen kwantificeren tussen elke objectchromaticiteit en de geheugenkleuren van de gekende objecten. Omdat kleurkwaliteit gerelateerd wordt verondersteld met de overeenkomst tussen de chromaticiteit van een object en zijn geheugenkleur vormen deze similariteitsfuncties de basis van de nieuwe geheugenkleur-kwaliteitsmetriek. In depraktijk wordt de kleurkwaliteit van een witte lichtbron als volgt bepaald. Voor elke object wordt een speciale kwaliteitsindicator bepaald door voor de IPT-objectchromaticiteit (onder de test lichtbron) de waarde van de similariteitsfunctie te berekenen. De IPT-objectchromaticiteit wordt bepaald door eerst de tristimuluswaarden voor de CIE 10° waarnemer teberekenen gebruikmakend van de spectrale reflectie van de objecten. Nadien worden de tristimuluswaarden omgezet in hun overeenkomstige tristimulus onder de CIE illuminant D65 met behulp van de CAT02 chromatische adaptatie transformatie. De graad van chromatische adaptatie wordt bepaald aan de hand van de verlichtingssterkte. Indien die niet gekend is, levert een waarde van 0.90 cfr. een verlichtingssterkte van ongeveer 800 lx over het algemeen een goed resultaat op. Vervolgens worden de IPT-chromaticiteits coördinaten berekend op basis van de overeenkomstige tristimulus waarden onder de CIE illuminant D65. Een algemene geheugenkleur kwaliteitsindex wordt berekend als het geometrisch gemiddelde van despeciale geheugenkleur-kwaliteitsindicators. Psychofysische experimenten uitgevoerd in het kader van dit doctoraatsonderzoek, evenals onafhankelijke visuele data verzameld uit de literatuur lieten toe om de geheugenkleur-kwaliteitsmetriek te valideren met een hoge statistische significantie. De metriekwaarden vertoonden een hoge mate van overeenkomst met devisuele appreciatie van een lichtbron. Verder werd aangetoond dat de metriek significant beter is dan vele eerder en huidig voorgestelde metrieken om de visuele appreciatie van een witte lichtbron te beoordelen. De correlatie met natuurlijkheid was echter eerder aan de lage kant. Tenslotte werd aangetoond dat de nieuwe metriek ook toepasbaar is voor het ontwerpen van nieuwe lichtbronnen met een hoge visuele appreciatie. Op basis van de resultaten van een optimalisatie van gesimuleerde tri- en tetrachromatische LED-clusters werd een lamp gerealiseerd die bestond uit warmwitte fosforwitte LEDs gecombineerd met rode, groene, en blauwe LEDs. De superieure kleurkwaliteit van de lamp, geoptimaliseerd voor 2700 K metbehulp van de geheugenkleur-kwaliteitsmetriek, werd geverifieerd in eenpsychofysisch rating experiment. Wat betreft aantrekkelijkheid, voorkeur en overeenkomst met de herinnering werd de kleurkwaliteit van de lamp significant beter bevonden dan die van een gloeilamp. Zoals verwacht op basis van de uitgevoerde prestatie-analyse werden er geen significante verschillen vastgesteld voor natuurlijkheid en levendigheid.
Alhoewel de geheugenkleur-kwaliteitsmetriek nog een aantal potentiële tekortkomingen of onzekerheden vertoont, zoals het beperkt aantal testobjecten en de mogelijke invloed van culturele verschillen, is de huidige versie zoals die ontwikkeld werd tijdens het doctoraat reeds voldoende beloftevol om een significante bijdrage te zijn voor het onderzoeksgebied rond kleurweergave. Dit doctoraatsonderzoek heeft op zijn minst de internationale kleurwetenschappelijke gemeenschap bewust gemaakt van het potentieel vaneen geheugenkleuraanpak om de kleurkwaliteit van witte lichtbronnen te beoordelen.
Datum:2 jun 2008 → 20 dec 2011
Trefwoorden:Colour perception, LED, Colour rendering
Project type:PhD project