David MacAdam leistete in den 1940er Jahren Pionierarbeit auf dem Gebiet der Farbdifferenzwahrnehmung. Insbesondere entwarf er die Apparatur und verfeinerte das statistische Verfahren, das es ermöglichte, Farbtoleranzen um eine Zielfarbe herum zu quantifizieren.
MacAdam verwendete Standard Deviation Color Matching (SDCM), um zu definieren, wie genau (oder nicht) die von zwei Lichtquellen emittierte Farbe zusammenpasste. Wenn die Standardabweichung zwischen zwei beliebigen Proben zunimmt, wird der Farbunterschied zwischen ihnen für mehr Menschen sichtbar.
Warum ist die Standardabweichungs-Farbanpassung wichtig? Für den Lichttechniker wird eine Farbtoleranz als 1-stufige, 2-stufige, 3-stufige (usw.) MacAdam-Ellipse ausgedrückt.
Keine zwei Lichtquellen werden jemals genau die gleiche Lichtfarbe emittieren, aber da mehrere Lampen in der Regel nebeneinander installiert werden, ist ein gewisses Maß an Konsistenz sehr wünschenswert. Daher benötigen Lichtingenieure eine Möglichkeit, eine Toleranz um eine Zielfarbe herum auszudrücken, so wie ein Maschinenbauingenieur eine Toleranz um eine Bemaßung ausdrückt.
In diesem Artikel wird die Arbeit von David MacAdam erläutert, die zu der heute universellen Verwendung der MacAdam-Ellipse führte, um eine Toleranz um eine Zielfarbe auszudrücken.
Geschichte. David MacAdam arbeitete als Wissenschaftler für Kodak in ihrem Forschungslabor in Rochester, New York. In den 1940er Jahren war Kodak daran interessiert herauszufinden, wie genau das menschliche Auge zwischen ähnlichen Farben unterscheiden kann.
Ist die Farbabstimmung einfach?
Ist die Farbabstimmung einfach?Nein, die Farbabstimmung ist gar nicht so einfach. Wir können zwei verschiedene Farben als sehr ähnlich wahrnehmen, oder wir können zwei ähnliche Farben als sehr unterschiedlich wahrnehmen, da beim Farbsehen mehrere Faktoren eine Rolle spielen.
Luminanz oder, für Laien ausgedrückt, wie hell etwas ist. Dieselbe Rotlichtquelle beispielsweise erscheint je nach Helligkeit sehr unterschiedlich. Ebenso könnten zwei verschiedene Farben ähnlich erscheinen, wenn eine heller leuchtet als eine andere. Die Apparatur von David MacAdam wurde so konzipiert, dass unabhängig von der Farbe der beiden verglichenen Lichtquellen die Leuchtdichte auf einem konstanten Niveau gehalten wird.
Farbton. Dies ist die Farbe der Lichtquelle, die durch ihre Wellenlänge bestimmt wird. In der Natur bestehen die meisten Farben, die wir sehen, aus einer dominanten Wellenlänge und einigen anderen.
Reinheit oder Sättigung. Zwei Lichtquellen können beide die gleiche Leuchtdichte und dominante Wellenlänge haben, aber wenn eine sehr reine Lichtquelle ist (dh sie war stark gesättigt, was bedeutet, dass die meiste Energie in der Lichtbohne auf oder in der Nähe der dominanten Welle konzentriert ist Länge) und die andere enthielt eine größere Mischung aus verschiedenen Wellenlängen, so dass sie unterschiedlich zu sein scheinen.
Bevor die Arbeit von David MacAdam veröffentlicht wurde, hatte die Beleuchtungsgemeinschaft versucht, die menschliche Fähigkeit auszudrücken, zwischen ähnlichen Farben in Bezug auf Wellenlängenschwellen (für spektrale oder gesättigte Farben wie reine Rot-, Grün- und Blautöne) und Reinheitsschwellen (für Nicht- -Spektralfarben wie Braun, Pink und Magenta).
Frühere Arbeiten anderer Forscher hatten versucht, die Farbwahrnehmung zu messen, indem sie nach einem „gerade wahrnehmbaren Unterschied“ suchten. Diese Technik hatte den Vorteil, dass sie einfach zu implementieren war und keine sehr spezielle Ausrüstung benötigte. Es führte jedoch zu unberechenbaren Ergebnissen über den gesamten ausgewerteten Farbraum.
Andere Forscher (Wright und Pitt in „Farbtonunterscheidung bei normalem Farbsehen“) hatten vorgeschlagen, dass es besser wäre, an jedem Punkt der Farbkarte eine große Anzahl von Übereinstimmungen zu erstellen und dann die Streuung der Beobachtungen zu analysieren, aber sie kommentierten, dass dies ein „unmöglich langwieriger Prozess“ sei.
David MacAdams Forschung – eine Zusammenfassung
MacAdam erkannte, dass Wright und Pitt Recht hatten, da mehrere Beobachtungen erforderlich waren und ein statistischer Prozess erforderlich war, um zu analysieren, wie nah (oder nicht) die versuchten Übereinstimmungen an den Zielfarben waren.
Um die von Wright und Pitt erwarteten Schwierigkeiten zu überwinden, die einen „unmöglich langwierigen Prozess“ verursachen würden, entwarf und baute MacAdam ein ausgeklügeltes Instrument, um die Fähigkeit eines Beobachters zu testen, eine einstellbare Testfarbe an eine feste Referenz- (oder Ziel-)Farbe anzupassen, indem er einfach a . anpasst einzelnes Zifferblatt. Im Verlauf von etwa 25.000 Lesungen wurde die Fähigkeit des Assistenten von David MacAdam, Herrn Perley G. Nutting, Jr., an 25 Referenzfarben getestet.
MacAdam begann mit der Auswahl von 25 Punkten, die weit über das CIE 1931-Farbraumdiagramm verteilt sind - siehe Abbildung 48 unten aus dem Originalpapier von MacAdam.
Der Mittelpunkt jeder Ellipse ist eine von David MacAdam ausgewählte Zielfarbe.
In seiner Arbeit bezieht sich MacAdam auf die Standardfarbtafel von ICI 1931. ICI ist die Internationale Beleuchtungskommission, die heute unter ihrem französischen Akronym CIE (Commission Internationale d'Eclairage) bekannt ist.
MacAdams Ellipsen gezeichnet auf einer farbigen Version des CIE 1931 Farbraumdiagramms.
Jeder dieser Farbpunkte konnte durch die Verwendung eines einzelnen Filters erzeugt werden, der damals im Handel erhältlich war. Einige der von MacAdam ausgewählten Farbpunkte sind gesättigter (sie liegen nahe am Rand des Farbraumdiagramms) als andere, die näher an der Mitte liegen. Diese Farbpunkte sollten die 25 Zielfarben sein, zu denen ein Beobachter versuchen würde, eine Übereinstimmung herzustellen.
Filter zum Replizieren der Zielfarben
Die zusätzlichen Farbfilter, die MacAdam erstellte, wurden auf dem CIE 1931-Farbraumdiagramm aufgetragen.
Jede Zielfarbe (oben) könnte durch Kombinieren von Licht (in unterschiedlichen Anteilen) von bis zu 8 Paaren dieser zusätzlichen Filter repliziert werden.
MacAdam erstellte dann eine Reihe von etwa 100 zusätzlichen Farbfiltern. Diese wurden so entworfen, dass jede der Zielfarben (oben) repliziert werden konnte (in Farbton und Reinheit), indem man (in den erforderlichen Proportionen) Licht von einem Paar der zusätzlichen Filter miteinander mischte. Im Allgemeinen könnte jede Zielfarbe von bis zu 8 verschiedenen Paaren zusätzlicher Filter repliziert werden, wenn sie auf die richtigen Proportionen eingestellt wurden.
MacAdams Apparat zur Erzeugung der Ziel- und einstellbaren Farben
Die von MacAdam entworfene Vorrichtung wird unten detailliert beschrieben. Kurz gesagt besteht es aus einer einzigen Lichtquelle (rechts) mit Farbfiltern (7& 8), einer Anordnung von Prismen und Linsen (in der Mitte) und einem Okular (links).
Aus der einzigen Lichtquelle (ganz rechts) erzeugt das Gerät zwei Strahlenpaare. Ein Paar ist vertikal polarisiert, das andere horizontal. Beide Paare bestehen aus einem Strahl von Filter 7 und einem Strahl von Filter 8.
Die Ansicht, die dem Beobachter am Okular (ganz links) präsentiert wurde, war wie folgt.
Das Testfeld bestand aus zwei Teilen: Auf einer Seite wurde die Zielfarbe von einem Strahlenpaar in vorab festgelegten Proportionen erzeugt, um einer der Zielfarben des CIE 1931-Farbraumdiagramms mit einer Beleuchtungsstärke von 48 cd/m² . zu entsprechen
Auf der anderen Seite war eine einstellbare Farbe, die ebenfalls von einem Paar von Strahlen derselben Filter erzeugt wurde, die der Betrachter durch Drehen eines einzigen Zifferblatts einstellen konnte. Das rotierende Zifferblatt war mit einem Prisma verbunden und als das Prisma gedreht wurde, wurde der Lichtanteil von Filtern 7&Ampere; 8 entsprechend geändert. Unabhängig von der Einstellung blieb die Leuchtdichte bei 48 cd/m².
25.000 Messwerte nehmen
Bevor die Messungen beginnen konnten, wurde ein Filterpaar ausgewählt und die Position der Prismen durch Berechnung und Beobachtung so eingestellt, dass die konvergierenden Lichtstrahlen der Zielfarbe entsprachen. Dann begannen die Beobachtungen und es war die Aufgabe des Beobachters (der Patient Herr Nutting, der dies ca. 25.000 Mal machte) das Zifferblatt so einzustellen, dass die Farbe rechts des Testfeldes mit der Farbe links übereinstimmte (siehe Abbildung oben). .
Als Nutting das erreichte, was er für ein Streichholz hielt, wurde die Position des Zifferblatts (und damit der Prismen) notiert. Nach dem Design von MacAdams Apparat entsprach jede Änderung der Position der Prismen einer Änderung der Chromatizität.
Die Ablesungen wurden 50 Mal für jedes der 5-8 Filterpaare wiederholt, die in der Lage waren, eine Farbübereinstimmung mit dem Ziel zu erzeugen.
Für jeden Satz von 50 Ablesungen wurden die Ergebnisse aufgezeichnet und die Standardabweichung wurde berechnet und auf dem CIE 1931 Farbraumdiagramm aufgetragen. Für jede der 25 Zielfarben war das Ergebnis im Wesentlichen das gleiche, die Standardabweichung aller versuchten Farbübereinstimmungen in jedem Satz fiel in ein Muster, das eine auf das Ziel zentrierte Ellipse beschrieb.
MacAdams Ellipsen, wie sie in seiner Originalarbeit 1942 vorgestellt wurden.
In der Mitte jeder Ellipse befinden sich die 25 Referenzfarben, zu denen er versuchte, eine Farbabstimmung zu erstellen. Die Standardabweichung der versuchten Übereinstimmungen von den Referenzfarben wird durch die Ellipsen beschrieben, die hier in 10-facher tatsächlicher Größe gezeichnet sind.
Warum sind die Ellipsen von MacAdam wichtig?
Die Ellipsen von MacAdam sind wichtig, weil die von ihm verwendeten Techniken uns die Möglichkeit gegeben haben, eine Toleranz um eine Zielfarbe herum auszudrücken.
Im Maschinenbau sagt man, ein Maß ohne Toleranz sei bedeutungslos. Bei der Beleuchtung gilt das gleiche. Eine Farbübereinstimmung kann nie perfekt sein, daher sind Toleranzen unerlässlich.
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Was machen die Ellipsen von MacAdam nicht?
MacAdam ging es darum, eine Methode zur Definition von Toleranzen zu beschreiben. Es ging ihm nicht darum, die Genauigkeit der Farbwahrnehmung in der gesamten menschlichen Bevölkerung zu quantifizieren. Während seine Arbeit darauf hinwies, dass Nuttings Beobachtungen nicht abnormal waren (sie wurden von einer kleinen Anzahl anderer Beobachter repliziert), führte MacAdam keine systematische Untersuchung der Genauigkeit der Farbwahrnehmung zwischen verschiedenen Geschlechtern, Altersgruppen oder Ethnien durch.
