5.1. ábra. A fénytechnikai mennyiségek leírási módjai
A fénytechnikai mennyiségeket általában három különböző módon lehet megadni, ezeket az 5.1. ábra tünteti fel. Az ábrán talán a felső a legkézenfekvőbb leírási mód, az, ahogy ténylegesen látjuk és érzékeljük ezeket a mennyiségeket. Ezért ezt a csoportot a különböző érzetjellemzők alkotják, ezek a fénytechnikai mennyiségek érzékelés szerinti megfelelői és így természetesen szubjektív jellegűek, számszerűleg nem adhatók meg.
5.1. ábra. A fénytechnikai mennyiségek leírási módjai
Az 5.1. ábrán feltüntetett második megadási mód tartalmazza az ún. pszichofizikai jellemzőket. Ez esetben a fényt optikai lencsén keresztül úgy vezetjük az optoelektronikai fényérzékelőkre, hogy közben alkalmasan megválasztott optikai szűrőt is használunk. Ezzel a módszerrel a különböző fénytechnikai mennyiségek mérése során figyelembe vesszük az emberi látószerv nemzetközileg is szabványosított karakterisztikáját. (A nemzetközi szerv neve magyarul Nemzetközi Világítástechnikai Bizottság, szokásos francianyelvű rövidítése: CIE – Commission International de l'Éclairage.) Más szavakkal, ez olyan objektív leírási mód, amely számításba veszi az egyébként szubjektív emberi látás korlátait, tulajdonságait is. Az elnevezés ezért utal mind a szubjektív (pszicho-), mind az objektív (-fizikai) tényre. Mivel azonban a szubjektív tényezőket szabványosított karakterisztikával vesszük figyelembe, az egész leírási mód természetesen objektív, számmal jellemezhető.
Végül, a harmadik lehetséges leírási mód, amely vázlatosan az 5.1. ábra alsó részén látható, a tisztán fizikai jellemzőket adja meg. Ez esetben nem vesszük tekintetbe az emberi látás korlátait, és úgy mérjük a fénytechnikai mennyiségeket, mint bármilyen más fizikai mennyiséget. Nyilvánvaló, hogy ez is objektív leírási mód.
A látószerv gyűjtőnév, beleértendő a szem, a látóidegek és az agy bizonyos részei, amelyek a fényingert ingerületekké alakítják át. Ennek szubjektív következménye a látásérzet. A külvilág optikai leképezésére és a kép ingerületekké való átalakítására szolgál a szem. Ennek hátsó felületén található az ideghártya (retina). Ez egy vékony, fényérzékeny hártya, ebben helyezkednek el a látóideg-végződések (csapok és pálcikák), az idegsejtek és a támasztószövet. A látásban nagy szerepe van a kétféle látóideg-végződésnek. Csapokon az ideghártya azon fényérzékeny elemeit értjük, amelyek – feltételezhetően – az erős fényhez hozzászokott szem érzékenységét biztosítják. Az ideghártya másikfajta fényérzékeny elemei a pálcikák, amelyek nagy valószínűséggel a gyenge fényben való látáshoz szükségesek.
Nézzük ezután a látással kapcsolatos egyéb fogalmakat, tudnivalókat. A továbbiakban igen fontos szerepet fog játszani a következő három érzetjellemző: a világosság, a színezet és a telítettség. Vegyük ezeket sorba!
A világosság a látásérzet fontos jellemzője, amelynek értéke attól függ, hogy egy felület több, vagy kevesebb fényt bocsát-e ki vagy reflektál. Ez a meghatározás, mint látható, teljesen megfelel a szó hétköznapi életben szokásos jelentésének.
A színezet a látásérzetnek egy másik jellemzője. Végső soron ennek eredménye a színek – kék, zöld, sárga, vörös, bíbor stb. – elnevezése.
A harmadik látásérzet-jellemző a telítettség. Ennek alapján megbecsülhető, hogy valamilyen (érzékelt) szín – azonos világosságú és színezetű minták esetén – a fehér szín és az ugyanolyan színezetű spektrális szín között hol helyezkedik el. A telítettség fokát a szín mellé tett jelzőkkel szokták leírni, pl: világoszöld, pasztellkék, sötétvörös, halványsárga stb. Mindhárom érzetjellemzőnek létezik – a továbbiakban részletesen is bevezetésre kerülő – pszichofizikai (objektív) megfelelője.
A sugárzások radiometriai mérésével szemben a fotometriai mérések során figyelembe veszik az emberi látószervnek azt az alapvető tulajdonságát, hogy a különböző hullámhosszúságú spektrális fényingerekre különböző érzékenységgel reagál. A fotometria mérőeszköze egy műszem, amely ugyanúgy érzékeli a fénysugárzást, mint az átlagos emberi szem, de természetesen a mérési eredményt műszeren mutatja. Mivel mindig van több-kevesebb különbség az egyes emberek szemének érzékenységi görbéi között, ezért a CIE-ben nemzetközi megállapodással még 1924-ben szabványosították ezt a jelleggörbét. Ezért elnevezése CIE láthatósági függvény, jelölése V(λ). A görbét az 5.2. ábra szemlélteti. Az ordináta neve láthatósági tényező. A görbét úgy nyerték, hogy megkeresték azt a λm hullámhosszat, amely azonos sugárzott teljesítmény esetén a legnagyobb világosságérzetet kelti. Ez az érték λm = 555 nm. Ezután a látható hullámhossztartományon belül vettek egy másik λ hullámhosszúságú sugárzást, és annak úgy szabályozták a teljesítményét, hogy az azonos világosságérzetet keltsen a λm referenciasugárzással. Ekkor vették a λm és a λ hullámhosszúságú sugárzások teljesítményeinek arányát, ami a relatív láthatósági függvényt adta λ függvényében. Ezt ismételve adódott pontonként az 5.2. ábrán látható görbe.
5.2. ábra. V(λ) láthatósági függvény
Természetesen számos személyen végeztek kísérletet, mielőtt a V(λ) láthatósági függvényt szabványosították. A fentiek alapján egyszerűen belátható, hogy az olyan sugárzásérzékelő, amelynek spektrális érzékenységi görbéje megegyezik a V(λ) láthatósági függvény görbéjével, alkalmas fotometriai mennyiségek mérésére. Ezeket CIE fénymérő észlelőnek nevezzük. A létező fotometriai mennyiségek közül csak a legfontosabbat, a fénysűrűséget definiáljuk. A fénysűrűség kissé egyszerűsített definíciója: az adott térszögbe kisugárzott fényáramnak (sugárzott teljesítmény), valamint e térszögnek és a felület vetületének a hányadosa. A fénysűrűség a világosság fotometriai, azaz pszichofizikai megfelelője.
Közelítsük meg a problémát szubjektív oldalról. Az 5.3. ábrán látható egy összehasonlító színmérő vázlatos elrendezése. Középen fehér, nem tükröző felületű fényvisszaverő ék van, amit jobbról ismeretlen, balról pedig ismert fényforrások világítanak meg (R–vörös, G–zöld, B–kék). Az ékkel szemben helyezkedik el az összehasonlításos mérést végző személy úgy, hogy az ék mindkét oldalát jól látja. Ez a megfigyelő személy egyben a színmérő "indikátora" is: az ő szubjektív megítélésére van bízva, hogy az ék két oldaláról a szemébe jutó két sugárzás egyforma, vagy különböző színérzetet kelt-e benne. A megfigyelőnek az ismert (hitelesített) fényforrások sugárerősségét változtatva kell megkeresnie azt a beállítást, amelynél az egyezés az ék két oldalán fennáll. Ekkor – leolvasva az ismert fényforrások sugárerősségét – a színt már objektíven lehet jellemezni.
5.3. ábra. Összehasonlító (szubjektív) színmérő
A tapasztalat azt mutatja, hogy még ilyen egyezés esetén sem azonos spektrális eloszlású a kétféle színinger, sőt a legkülönbözőbb spektrális eloszlások, azaz színingerfüggvények esetében is létrejöhet azonos színérzet.
Ez a tény rendkívül fontos bármilyen színes képreprodukciónál, mert csak így lehetséges technikailag, hogy a természetben előforduló színek végtelen sokaságát pl. három alkalmasan megválasztott, ún. alapszín segítségével "reprodukáljuk".
Az olyan színingereket, amelyek azonos észlelési körülmények között azonos színérzetet keltenek, izokrom színingereknek nevezzük.
Ahhoz, hogy az összehasonlító színmérővel mért adatok megismételhetők legyenek, a CIE 1951-ben szabványosította az 5.3. ábrán feltüntetett három ismert fényforrást.
Egyszerűen előállítható spektrális színeket választottak, a spektrumvonalak hullámhossza:
Ugyancsak szabványosították e három CIE alapszín azon sugárerősségeinek arányát, amely azonos színérzetet kelt, mint az egyenlő energiájú, egyenletes spektrális eloszlású fehér fény. Ez lényegében egy relatív egység választását jelenti a három mérőfényforrás fénysűrűségére vonatkozóan.
Az így kialakított összehasonlító színmérővel ezután mérések sorozatát hajtották végre úgy, hogy az ismeretlen fényforrásokhoz megkeresték a nekik megfelelő (egyenlőnek látszó) három CIE alapszín keverési arányát. Sok-sok kísérlettel, méréssel, amelyek során természetesen gyakran cserélték a megfigyelő személyét is, kialakult egy adathalmaz, amely reprodukálhatóan megadta a természetben előforduló szinte valamennyi színinger leírásához szükséges értékhármasokat. Ahhoz, hogy ez a hatalmas mennyiségű adat a gyakorlatban is használható legyen, a CIE sajátos ábrázolási módot alakított ki. Ehhez felhasználtak matematikai koordinátatranszformációt is, és mivel minden egyes színingernek a megadásához három adatra van szükség, ami csak háromdimenziós térben ábrázolható, ezért úgy ügyeskedtek, hogy a matematikai műveletek során végül is csak két adat maradjon meg a színingerek jellemzésére. Ezeket már lehet síkban is ábrázolni. Ennek az egyszerűsítésnek azonban ára van: a CIE által végül szabványosított színdiagram nem ad semmiféle információt az illető színinger fénysűrűségéről, az "csupán" a színességinformációt tartalmazza. Ennek ellenére a CIE színdiagram roppant hasznos mindennemű színmérési feladat elvégzésére, különös előnye, hogy a felhasználónak nem szükséges ismernie a magasabb matematikai műveleteket is igénylő származtatási eljárásokat.
5.4. ábra. CIE színdiagram (színháromszög)
Az összes számítás, áttranszformálás, vetítés után az 5.4. ábrán látható CIE színdiagramot kapták eredményül. Ez az egyenes vonallal, az ún. bíboregyenessel lezárt patkó alakú görbe foglalja magába a természetben előforduló valamennyi elképzelhető színingernek megfelelő színpontot. A patkó alakú görbe mentén helyezkednek el a spektrálszínek: a görbe mellé írt háromjegyű számok paraméterként az illető ponthoz tartozó színingereknek a nm-ben kifejezett hullámhosszát jelentik. A diagram belseje felé haladva kapjuk a nemspektrálszíneket, a diagram középső részén a különböző fehérárnyalatok helyezkednek el. Az 5.4. ábrán az E pont az egyenlőenergiájú fehérnek felel meg. A diagramban folytonos görbével a feketesugárzó által képviselt színpontokat tüntettük fel, a színhőmérséklet függvényében 1000 K-től a végtelenig. Minden pontot az x és y koordinátái határoznak meg, ezeket CIE színkoordinátáknak nevezzük, ellentétben a színmérés X, Y és Z mennyiségeivel, ezek CIE színösszetevők, az eredeti háromdimenziós vektortér színvektorainak az összetevőit jelölik.
Ahhoz, hogy egy színingert egyértelműen meg tudjunk adni, nemcsak az x és y színkoordinátáira van szükség, hanem ezek mellett még egy további adat is kell. Ez lehet például az eredeti színinger Y színösszetevője (fénysűrűsége).
Egyszerű összefüggés áll fenn a színkoordináták (x és y), valamint a színösszetevők (X, Y és Z) között:
Terjedelmi okok miatt nincs mód a színek összegző keverési elvének részletes ismertetésére. Csak annyit jegyzünk meg, hogy két színpont eredője a színpontokat összekötő egyenesen van. Az eredő az összekötő egyenest a színösszetevők összegének fordított arányában osztja.
Most térjünk vissza az 5.4. ábra CIE színdiagramjára. A diagram alja nem spektrálszínekkel van "lezárva", hanem a kéket a vörössel összekötő egyenessel. Ez azt jelenti, hogy a diagramnak ezen határoló egyenese mentén olyan színek fekszenek, amelyek két spektrálszín, a kék és a vörös eredőjéből származtathatók. E színek érzetjellemzői a lila, a bíbor stb., ezért ezt az egyenest bíboregyenesnek is szokás nevezni.
Mivel mindazon színpontoknak, amelyek két színből összegzéssel nyerhetők, a két színpontot összekötő egyenes mentén kell feküdniük, megállapíthatjuk, hogy a színdiagram belsejében lévő legtöbb színinger "modellezhető", előállítható egy fehér és egy spektrálszín eredőjeként. Ugyanis, ha kiszemelünk a színdiagram közepén egy fehérnek megfelelő, pl. xW = 0,33; yW = 0,33 pontot (E pont), és ezt összekötjük a patkó alakú görbén egy spektrálszín színpontjával, akkor az E fehér és ezen spektrálszín keverési arányának változtatásával az eredő színpontot az összekötő egyenes bármelyik pontjára tehetjük. Továbbmenve, ha most megváltoztatjuk a spektrálszín hullámhosszát, λ-t, akkor az E pont körül tetszés szerinti irányú egyenes nyerhető, így a CIE színdiagram valamennyi pontjának megfelelő színinger előállítható a választott fehér és egy spektrálszín eredőjeként (pl. a P pont). Ez a megállapítás kiegészítésre szorul abban az esetben, ha az előállítandó színinger a színdiagram alsó részén, a bíboregyenes közelében van. Ilyenkor értelemszerűen nem egy spektrálszínt kell a fehérhez hozzáadni, hanem a kék és vörös megfelelően súlyozott eredőjét (pl. a Q pont).
A fentiekhez kapcsolódik még néhány fontos színmérési fogalom, vegyük most ezeket sorra. Az 5.5. ábra színdiagramján feltüntettünk egy C-vel jelölt általános helyzetű pontot. Ez olyan színingert ad meg, amely előállítható az E fehér és a kerületen lévő Cd spektrális színinger eredőjeként. Mivel pedig a színinger színezetmeghatározásában domináló, jellemző szerepet játszik ez a Cd spektrálszín, ezért ennek hullámhossza, λd a CIE elnevezés szerint domináns hullámhossz, vagy jellemző hullámhossz. Bárhol is helyezkedik el a színpont az E fehér és e jellemző hullámhosszal megadott spektrálszín között az összekötő egyenesen, a keltett színezet érzete mindig ugyanaz marad, így belátható, hogy a színezet érzetjellemző pszichofizikai (színmérési) megfelelője a domináns hullámhossz.
Továbbra is megmaradva az 5.5. ábrán feltüntetett példánál, aránylag egyszerűen be tudjuk vezetni a telítettség érzetjellemző színmérési megfelelőjét.
Ha ui. azt vizsgáljuk, hogy miként változik a színérzetünk, amikor a színpont az E fehértől indulva halad a diagramon kifelé a domináns hullámhosszú színpontig, megállapíthatjuk, hogy csak a fehér és a spektrálszín keverési aránya változik.
Ez viszont más szavakkal azt jelenti, hogy sem a színezet, sem a világosságérzet nem változik, csak a telítettség, így szükségképpen a telítettségnek megfelelő pszichofizikai mennyiségnek az értékét az szabja meg, hogy hol helyezkedik el a színpont az E pont és a kerületi pont között.
Így jött létre a színtartalom fogalma, ami a CIE definíciója szerint a következő:
5.5. ábra. Domináns hullámhossz, színtartalom
A célunk a továbbiakban az, hogy meghatározzuk egy állókép információtartalmát, valamint a mozgóképek átvitelére alkalmas csatorna kapacitását. Ezzel kapcsolatban először is azt kell eldöntenünk, hogy hány képelemre bontsuk fel a képet. A "végső vevő" a szemünk. Az emberi szem felbontóképessége – fekete-fehér ábrát figyelembe véve – kb. 2', ennél kisebb látószög esetén már nem tudjuk megkülönböztetni egymástól a finom képrészleteket. Nincs értelme kisebb képelemek alkalmazásának, mint amekkorát ez a látószög – adott nézési távolságból – meghatároz. Kísérleti úton ugyancsak eldöntött tény az, hogy az optimális képnézőszög kb. 20°, valamint az, hogy a fényképek esetében megszokott képméretarány kb. 4:3, amit célszerű volt a képátvitelnél is megtartani. Mindezeket az adatokat az 5.6. ábrán tüntettük fel.
5.6. ábra. A képelemek számának meghatározása
Függőleges irányban n1 = 20°/2' = 600, vízszintes irányban pedig n2 = (4/3)·n1 = 800 képelem van, tehát összesen: n = n1·n2 = 600·800 = 4,8·105 képelemből áll egy teljes kép. A következő feladat annak az eldöntése, hogy mekkora legyen az egy-egy képelem által felvehető fénysűrűségszintek (árnyalatok) száma. Itt ismét szubjektív mérések eredményeire vagyunk utalva. Megállapították, hogy ha egy képen az árnyalati szintek számát kb. 100-ra választjuk, akkor a szemünknek már nincs hiányérzete, a kép természethűnek tűnik. Ennél sokkal kevesebb szinttel dolgozva tónusszegény lesz a kép, ha ellenben többet használunk, akkor már alig észlelünk további javulást. (Az analóg tv-technika ennél részletdúsabb képet szolgáltatott.)
Az előzőek alapján számszerűen is megadhatjuk egy továbbításra szánt fekete-fehér (nem színes) kép információtartalmát.
Számítsuk ki először azt, hogy mennyi információt tartalmaz egy képelem!
Mivel egy-egy képelem által egyforma valószínűséggel felvehető szintek száma, s = 100, egy képelem információtartalma:
Ez azt jelenti, hogy a kiindulási feltételeknek megfelelő kép továbbításakor kb. 3 millió bit információt kell átvinni a csatornán.
Felvetődik az első kérdés: mekkora kapacitású csatornára van minimum szükség fekete-fehér mozgókép továbbításához?
Itt az az időtartam, amely alatt egy képet továbbítani kell (1/25…1/30 s), már kötött.
Az információtovábbítás sebességét megkapjuk, ha egy fekete-fehér kép információtartalmát megszorozzuk a másodpercenként átvitt képek számával, N-nel.
Legyen N = 25, akkor:
Mindenekelőtt azt kell tisztázni, hogy mennyivel több információt tartalmaz egy színes kép a fekete-fehérhez képest. Az nyilvánvaló, hogy a színes képek továbbításakor is hasonló módon járunk el, mint korábban: továbbra is olyan kis képelemekre bontjuk a képet, amelyek már elég kicsik ahhoz, hogy szemünk – kellő távolságból szemlélve a képet – ne különálló mozaikoknak, hanem egybefolyónak, folytonosnak lássa őket. Így ezúttal is járható út az, hogy megállapítjuk egyetlen képelem információtartalmát, majd ezt megszorozva a képelemek számával, nyerjük a teljes színes kép információtartalmát.
Ezen a ponton fel kell használnunk azt a megállapítást, hogy egy színes képelemet három egymástól független adat határoz meg egyértelműen.
Az első a fénysűrűség, a másik két adat együttesen szolgáltatja a kérdéses képelem színinformációját. Ez az adat lehet a színmérésben használt két színkoordináta: x és y, de lehet például a vörös és a kék színkülönbségi jel is. (A színkülönbségi jelek részletes értelmezését a 20. fejezet tartalmazza.)
Ezúttal is korlátot állapítunk meg és eleve lemondunk valamennyi elképzelhető színárnyalat átviteléről, csakúgy, mint ahogy maximum 100 világosságárnyalatot vittünk át monokróm kép továbbításakor. Kísérleti úton bebizonyított tény, hogy a színek "gazdagsága" a reprodukált képen már kielégítő, ha a két színkülönbség értéktartományát a végtelen sokról mintegy 20 értékre korlátozzuk. Ennek megfelelően minden képelem – egyforma valószínűséggel – 20 értéket vehet fel.
Ezen csökkentett értéktartományon kívül azonban még figyelembe kell vennünk a szemünk színekre vonatkozó csökkenő felbontóképességét. Azt a minimális látószöget tekintjük a szem színfelbontó képességének, amellyel két különböző színű fénypontot nézve a fénypontok egymástól még éppen megkülönböztethetők. Kísérleti úton kimérhető, hogy különböző színpárosításokra nézve a szemünk színfelbontó képessége ugyan más és más, de általában jóval gyengébb, mint a monokróm felbontóképesség. Középértéket véve alapul megállapítható, hogy szemünk színekre vonatkoztatott felbontóképessége kb 10', szemben a monokróm eset 2'-ével. Ez azt jelenti, hogy a színinformációt illetően távolról sincs szükség annyi képelemre (olyan felbontásra), mint amennyi a monokróm esetben kellett.
Ebből viszont már egyszerűen adódik, hogy a szükséges színes képelemek mérete 5·5 = 25-szöröse a monokróménak, ami más szavakkal annyit jelent, hogy egyetlen színes képelem színinformáció-tartalma elegendő ahhoz, hogy egy 5*5-ös fekete-fehér, négyzet alakú, 25 monokróm képelemből álló képfelületet kiszínezzen. Tehát azt mondhatjuk, hogy látásunk megelégszik és jónak találja azt a színes képet is, amelyen a színinformáció "mozaikszerű" struktúrája 25-ször durvább, mint a finom részleteket is kirajzoló fekete-fehér struktúra.
Ezen adatok ismeretében már könnyen meghatározhatjuk az egy képre vonatkozó átviendő színinformációt:
Ezek után számítsuk ki egy színes kép információtartalmát:
Ez utóbbi adat egyben megszabja a színes tv-kép átvitelére elvileg alkalmas csatorna minimális kapacitását is. A gyakorlatban ennél lényegesen nagyobb kapacitás kell, mert sem a csatornát, sem az időt nem lehet 100%-osan kihasználni jeltovábbításra.
| CIE | Commission International de l'Éclairage | Nemzetközi Világítástechnikai Bizottság |