Ugrás a tartalomhoz

3D megjelenítési technikák

Dr. Fekete Róbert Tamás, Dr. Tamás Péter, Dr. Antal Ákos, Décsei-Paróczi Annamária (2014)

BME-MOGI

Alapfogalmak

Alapfogalmak

Az alábbi fejezetekben áttekintjük a színingerek érzékelésével és feldolgozásával kapcsolatos alapfogalmakat.

Inger, észlelet és érzéklet

Nem a szemünkkel, hanem az agyunkkal látunk [2.2.]. Ez természetesen az általános értelemben vett látáson belüli színlátásra is érvényes. A színinger lényegében a látás szervébe behatoló, fizikailag meghatározott hullámhosszú elektromágneses sugárzás [2.3.] hatására keletkező inger, amely a fiziológiai jellegű észlelet formájában kerül a pszichológiai szintű, agyi feldolgozásra, és váltja ki az érzékletet. A további vizsgálódásaink szempontjából a fény e hullámhossztartományának az emberi – teljes – idegrendszeri alapú látószervére gyakorolt fizikai, fiziológiai és pszichológiai hatásaként létrejövő színérzékletet jelenti [2.4.].

A színekkel, mint fény okozta érzékletekkel és annak egyéb kapcsolataival foglalkozó tudományág a színtan, amely a jellegénél fogva szorosan összefügg a fizikával, a fiziológiával és a pszichológiával. Objektív értelemben sem az elektromágneses sugárzás kitüntetett hullámhossztartományának, sem a minket körülvevő tárgyaknak, fényforrásoknak nincs színük, csupán a szemünkkel és az agyunkkal látjuk azokat színeseknek. A színtan tehát a színérzéklet kialakulásának, számszerűsítésének és mérésének elméleti, módszertani és gyakorlati kérdéseivel foglakozik. Szintén nagy jelentőséggel bír a színek - kereskedelmi és egyéb alkalmazástechnikai vonatkozásaik miatt - tulajdonságainak valamint paramétereinek szabványosítása.

2.1. ábra - A színingerek észlelésének folyamata

A színingerek észlelésének folyamata


A továbbiakra vonatkozóan a színek osztályozásáról előrebocsátjuk, hogy a színérzet alapján nem tarka vagy semleges, illetve tarka színeket különböztetünk meg [2.5.]. A nem tarka színek csoportjába soroljuk a fehéret, szürkét, feketét, viszont a tarka színeket jelentik például a vörös, kék, sárga és ehhez hasonlók. Egy másik csoportosítás a forrásra vonatkozik, amely szerint egyes színek valódi fényforrásokból származnak, amilyenek például a Nap, a csillagok, egy viaszgyertya, egy halogén izzó, egy LED vagy egy izzólámpa. A nem önálló forrásként működő, nem világító tárgyakból származó színek az úgynevezett közvetett színek, amelyek például a testek, felületek színei. A közvetett színeket a szerint csoportosítjuk, hogy azok érzékelése reflexió vagy transzmisszió útján valósul meg, azaz visszaverten vagy átmeneti fényben szemléljük őket [2.6.].

A szín, mint megnevezés

A szín szót többféle értelemben is használjuk. Általában a minket körülvevő tárgyak, festékanyagok, sugárforrások megjelölésére alkalmazzuk. A fizikában a forrásból – annak típusától és jellegétől függetlenül – kilépő elektromágneses sugárzás emberi szem által érzékelhető hullámhossztartományba eső részének jellemzését jelenti.

A szakkifejezések helyes – és itt elsősorban a „szín” szó – használata a műszaki-tudományos gyakorlatban elengedhetetlen. A színes látással, és az azt létrehozó komponensekkel, illetve részben azok számszerűsítésével a színingermetrika foglalkozik, amely bevett fogalmait az MSZ 9620 számú szabvány rögzíti. Színes tárgy látványakor agyi funkciók működnek – és ahogy ezt már kifejtettük –, a pszichológia számára ezt észlelést – színészlelet – jelent, és az ehhez kapcsolódó jelenségek tárgyalása során az észlelet szó használata a helyes. Továbblépve azt is megállapíthatjuk, hogy a színészleletek okozója maga az optikai sugárzás, mely energetikai kérdéseivel a radiometria foglalkozik. Az átlagos emberi észlelő tulajdonságaira alapozva vezethetjük be a szabványosított, és a világítástechnikában széles körben használatos fotometriai fogalmakat és mennyiségeket, melyek így színingermetrikai mennyiségeknek tekinthetők. A színingermetrikai mennyiségekkel kapcsolatos vizsgálatok, számítások során meg kell jelennie az inger szónak, amely ezáltal azt jelenti, hogy színingermetrikai tárgyalásmódról van szó [2.7.]. Az elmélet és a gyakorlat szempontjából tehát különösen fontos a színészlelet és a színinger közötti fogalmi különbség, azok helyes és megfelelő helyen való használata. Így a szín kifejezést önmagában a színingermetrika területén kerülni kell, vagy ha használata indokolt, akkor azt előzetesen definiálni szükséges.

A tarka színek jellemzői

A tarka színeket három fontos tulajdonsággal jellemezzük, amelyek a legismertebb besorolás szerint a színezet (amelyet színárnyalatnak, színjellegnek illetve színnek is nevezünk), a telítettség és a világosság.

A színezet szempontjából megkülönböztetünk úgynevezett ős, illetve közbülső színeket, melyek az ősszínekből összetettnek látszanak. Sajátságos szempontok – általában a hasonlóság – alapján a színárnyalatok visszatérő sorozatba, úgynevezett színkörbe rendezhetők. A spektrumszínek ismert sorrendje: vörös, narancs, sárga, zöld és kék. Egy ilyen színkörben az egymással szemközt található színek úgynevezett ellentétes színek. Természetesen a színkörben található színárnyalatok száma nem véges.

A másik fontos paraméter a telítettség, amely lényegében a tarka szín fehértartalmával függ össze. Annál telítettebb egy színárnyalat, minél kevesebb fehéret tartalmaz. A fehértartalom növelésével a telítettlenség fokozható. A legtelítettebbek a spektrumszínek, a telítettségi fokozatok megkülönböztethetőségének mértéke a szem egyik fontos paramétere.

A harmadik fontos paraméter a világosság, amely energetikai vonatkozású fogalom.  Azonos spektrális energiaeloszlás esetén a szemünkbe jutó két fény közül az a világosabb, amely intenzitása nagyobb. Néhány kivételtől eltekintve megállapítható, hogy a tarka színek világossága a színérzetet viszonylag szerény mértékben befolyásolja.

Metaméria

Ismert tény, hogy spektrálisan eltérő színek azonos színérzetet válthatnak ki [2.8.]. Ezt a jelenséget nevezzük metamériának [2.9.], amely jellemzője, hogy két színárnyalat, egy adott megvilágításban egyformának tűnik, de más megfigyelési geometria vagy eltérő fényviszonyok esetén már különböznek [2.10.]. A metaméria a festék- és nyomdaipar komoly problémája, amely akkor lép fel, amikor a próbanyomat készítésénél fennálló fényviszonyok a felhasználásakor már nem állnak fenn. Kissé túlozva előfordulhat, hogy a műfénynél ellenőrzött próbanyomat kültéri felhasználásra kerül. A metaméria, mint hiba felléphet a szemlélő okán, mivel nincs két azonos színlátású ember. Így amit az egyik szemlélő azonosnak lát, azt egy másik ember, teljesen azonos körülmények között is eltérőnek észlelhet. Metaméria jellegű hibát okozhat a méretbeli eltérés is, ugyanis a látótér különböző részein érzékelt színek eltérőnek bizonyulhatnak. De ugyanígy különböző távolságokból vagy más látószög alatt szemlélt színek a kis területeken fellépő, eltérő fényviszonyok miatt különbözhetnek. Ez a jelenség elsősorban fémes csillogású festékek vagy hordozók, esetleg speciális bevonatok esetén fordulhat elő.

2.2. ábra - A metaméria jelenségének szemléltető ábrája

A metaméria jelenségének szemléltető ábrája


Színkeverési módok

A színkeverés során különböző spektrális összetételű elektromágneses sugárzásokat hozunk egymással kapcsolatba azzal a céllal, hogy újabb színeket hozzunk létre. A színkeverés két fő típusát különböztetjük meg, az additív (összeadó) és a szubtraktív (kivonó) színkeverést. Megjegyzendő, hogy a szakirodalom több fajta – nem igazán elterjedt – színkeverést is megkülönböztet [2.11.]. Párhuzamos színkeverés esetén, két vagy több szűrővel létrehozott akromatikus színinger egyidejűleg esik egy síknak ugyanarra a pontjára, és ezt látja az észlelő. Soros színkeverésnél egyetlen akromatikus fényinger két vagy több színes rétegen, egymás után halad át, az észlelő ezt is egy sík ugyanazon pontjában figyeli meg. Időbeli színkeverés esetén színingerek felváltva lépnek be a megfigyelő szemébe, de olyan frekvenciával, hogy az csak a keveréküket észleli. Foltok színkeverésekor kis alakzatokat készítünk úgy, hogy a megfigyelő nem tudja őket felbontani, így csak a színingerek keverékét látja.

Az additív színkeverés

Az additív színkeverés minden esetben színes fények keverését jelenti úgy, hogy további fény esetén világosabb fényt kapunk. Mivel az ilyen színes fények összeadódnak, összeadó színkeverésnek is nevezzük ezt az esetet. Szemléltetésének legegyszerűbb módja, ha három vetítőegység elé külön-külön sugárutakba vörös, zöld és kék üveget helyezünk, és ezeket egy fehér felületre vetítjük úgy, hogy a színes alakzatok részben fedjék egymást. Ebben az esetben az egymásra kerülő színek egy világosabb színt hoznak létre, a három szín pedig egymással keverve fehéret ad. A vörös és zöld összeadása sárgát, a vörös és kék bíbort, míg a zöld és kék türkizt eredményez. Mivel itt a sugárzások, vagyis a színek, és nem színes anyagok keverednek, az additív színkeverést optikai színkeverésnek is nevezzük. Additív színkeverés valósul meg akkor is, amikor a szem érzékelőjének ugyanazon helyét gyors időközökben, váltakozó színű fénysugarak érik, vagy a különféle színű felületrészeket a felbontóképességnél kisebb látószög alatt nézzük. Ekkor a szem a színeket már nem tudja különválasztani. A nyomdaiparban alkalmazott többszínnyomás felületén a szem nem ismeri fel a raszterpontok színét külön-külön, hanem csak a keverékszínt.

Összefoglalva, az additív, vagy más néven összeadó színkeverés elnevezése onnan származik, hogy a jelenség létrehozása szempontjából kiindulásnak tekinthető alapszínek fényenergiái összeadódnak. Az ilyen típusú színkeverés leggyakrabban tapasztalható esete például az optikai rendszerű, több vetítőegységből egy közös ernyőre történő vetítés. Ennek az esetnek feleltethető meg a színes monitor vagy televízió is, amelynél a forrásból kilépő elektronok vezérelt pályákon haladva a képcső elülső üvegfala belső felületén található speciális anyagnak ütközve színpontokat hoznak létre. Ha az additív színkeverés alapszíneinek megfelelő anyagokat gerjesztünk, akkor megfelelő elrendezés és méret esetén, kellő távolságból szemlélve, és a részleteket már nem felbontva additív keverékszínek jönnek létre a szemben. Hasonló a helyzet az autotípia (rácsfelbontásos) nyomtatásnál is, amikor az alapszínekkel nyomtatott pontok, azok közelsége miatt nem bonthatók fel az emberi szem által. Kicsit más eset, amikor a színes felületrészek gyors időbeni váltásakor,a tehetetlenség miatt jön létre az additív színkeverés. Az összeadó színkeverés mindegyik változatára jellemző, és az bennük a közös, hogy a különböző alapszínekből származó fénysugarak a szemben gyakorlatilag egy időben egy színérzékelő elemet ingerelnek.

2.3. ábra - Az additív színkeverés

Az additív színkeverés


A Grassmann-törvények

A Grassmann-törvények [2.12.] a színek additív keverésének törvényszerűségeit írják le. Kimondják,

  • hogy a színjellemzők meghatározására három független változó szükséges és elegendő,

  • hogy az additív színkeverés szempontjából a színek jellemzői számítanak, és nem azok spektrális összetétele,

  • ha a színek additív színkeverésében egy vagy több összetevőt folyamatosan változtatunk, az eredményül kapott jellemzők is folyamatosan változnak.

A Grassmann-törvények nem alkalmazhatók a perifériás, illetve a mezopos látás esetére, és akkor sem érvényesek, ha a vakítás jelensége lép fel. A jelentőségük megértése szempontjából értelmezésük különleges fontossággal bír. Az 1853-ban publikált Grassmann törvények azt jelentik a számunkra, hogy a keverékfény színét az összetevők színe szabja meg, és nem függ azok spektrális összetételétől. A gyakorlatban ez például azt jelenti, hogy a vörös és a zöld színek additív keverésével létrehozható sárga nem függ attól, hogy a létrehozó színkomponensek monokromatikusak-e, vagy sem, például keverékszínek. Minden színt három, matematikailag értelmezhető paraméterrel, a színezettel, a telítettséggel és az intenzitással lehet meghatározni. A keverés során az egyik összetevő folytonos változtatásakor a keverékszín is folytonosan változik, diszkrét lépések nélkül.

Összefoglalva és kissé más megfogalmazásban tehát a Grassmann-törvények kimondják, hogy egy szín leírásához három egymástól független adat szükséges és elégséges. A gyakorlatban ez például a színezetet, a telítettséget és a világosságot jelenti. Az adatok számára vonatkozó megkötés szerint három adat azért szükséges, mert a színlátás folyamata három különböző spektrális érzékenységű detektáló elemhez köthető. Az jellemzők kölcsönös függetlensége biztosítja, hogy azok közül kettőből matematikai módszerekkel a harmadik ne legyen meghatározható. Megjegyzendő, hogy a példaként említett világosság a három érzékelő elemtípus összegzett ingerültségi szintjét jelenti, valamint a becsapódó energia és a hozzá tartozó érzet logaritmikus összefüggést mutat. A fentebb tárgyalt metamer színek összeadó módszerrel kikevert színei szintén metamerek. Ennek gyakorlati jelentősége különösen nagy, mivel ez biztosítja, hogy például nyomtatásnál az előírtnak megfelelő színt állítsuk elő akkor is, ha a spektrális összetételek különbözőek. A keverés során a paraméterek folyamatos változtatásakor tapasztalható, az eredményül kapott színre vonatkozó jellemzők szintén folyamatosan változnak. Ennek következménye, hogy az additív színkeverésnél az egyik színből mindig el tudunk jutni egy másikba, a köztük lévő színárnyalatokon keresztül.

2.4. ábra - Hermann Günther Grassmann (1809-1877) [2.26.]

Hermann Günther Grassmann (1809-1877) 2.26.


A szubtraktív színkeverés

A kivonó, vagy szubtraktív színkeverés esetén a fénysugár útjába kerülő színes anyagok módosítják annak spektrális összetételét. Ebben az esetben – az additive színkeveréstől eltérően – már egy meglévő fehér színből indulunk ki, és annak tulajdonságait az adott spektrális tartományban elnyelő vagy szóró eszközzel módosítjuk. Erre a célra a legtöbb esetben színszűrőket alkalmazunk, melyekre jellemző, hogy az összes színárnyalatot tartalmazó fehér fényből bizonyos hullámhossztartományokat átengednek, a többit viszont elnyelik, tehát a fehérből azokat kivonják, ez az új szín keletkezésének módja. A szubtraktív színkeverés törvényszerűségei természetesen az additív változaton alapulnak, arra vezethetők vissza.

A szubtraktív színkeverés leggyakrabban a festékek keverése, vagy azok egymásra történő nyomtatása során jön létre. A kivonó színkeverés egyik legismertebb, és szinte mindenki által megtapasztalható esete a színes film, illetve a színes fénykép keletkezése. Az alapszínek a cián, a magenta (bíborvörös) és a sárga, melyek teljes keveréke a fekete színt adja. A színhívásos elven működő színes filmek esetén a hordozóra egymás felett, az egyes additív színekre érzékeny anyaggal kevert zselatinréteget visznek fel. A fényérzékeny anyag általában valamilyen ezüsthalogén, mely az expozíció során energiát nyel el, és az érzékenységének megfelelő tartományban beérkező sugárzás hatására benne fotofizikai változások következnek be. Ennek során az ezüsthalogénben elemi ezűstcsíra gócok keletkeznek az elnyelt energiával arányos mennyiségben. Ez az úgynevezett látens kép, melyet egy színhívásnak vetnek alá, amely során az adott rétegben, a keletkezett elemi ezüstcsíra gócok mentén, az expozíció mennyiségével arányosan ezüst redukálódik ki, és a réteg érzékenységének megfelelő kiegészítő színű színezék is keletkezik. Következő lépésben az ezüstöt eltávolítva, megmarad a keletkezett színezék, amely a rajta áthaladó fehér fényből az eredeti szín kiegészítőjét hozza létre. A fenti esetben negatív filmet kapunk. A pozitív, az úgynevezett diakidolgozás esetén, az első lépés egy egyszerű redukció, amely során a rétegekben a beexponált helyeken ezüst keletkezik. Az ezüst eltávolítását követően a rétegekben az összes megmaradt ezüsthalogént beexponálják, majd ezután következik a színhívás, amely így az eredeti színeket fogja eredményezni, azaz pozitív kép keletkezik.

2.5. ábra - A szubtraktív színkeverés

A szubtraktív színkeverés


Nyomdatechnikában negyedik színként általában a feketét használják, mivel a nyomtatásban viszonylag sok a fekete színű felület. A három alapszínből történő összenyomásnál jobb minőségű a feketével történő nyomtatás. A valóságban általában nem tisztán additív vagy szubtraktív színkeveréssel magyarázhatjuk a színek keletkezését, hanem a kettő keveredésével. A nyomdatechnikában gyakran készítenek olyan színes nyomatokat, amelyek esetében az egymásra hordott festékek nem tökéletesen fedik egymást, azaz nem takarják ki az alattuk lévő színt, hanem átlátszóak.

A szubtraktív színkeverés alapkísérlete az egymás után elhelyezett – a feladatnak megfelelően megválasztott spektrális tulajdonságokkal rendelkező – színszűrőkkel vagy úgynevezett színes optikai ékekkel vitelezhető ki. Az egymás után elhelyezett szűrők esetén a fényforrás fehér fényéből az első színszűrő kivon egy részt azáltal, hogy a megfelelő rész elnyelődik. Ezután a megmaradó nyalábból a következő szűrő szintén kivon egy részt. Amennyiben ezeket, az egymást követő szűrőket sárga, bíbor és zöldeskék színűnek választjuk, akkor ezen szubtraktív alapszínek keverésével az additív színeket és a fekete színt is elő tudjuk állítani.

Például, a bíbor és zöldeskék szűrő kivonó jellegű alkalmazásával a kék additív színt kapjuk. Megjegyzendő, hogy ebben az esetben a példa nem általánosítható, mivel a kivonó szín­keverés eredménye – nem úgy, mint az összeadó színkeverés esetén – függ az egyes szubtraktív szűrők spektrális eloszlásának tulajdonságaitól. A festékiparban elterjedt festéktípusok színes részecskéi, az úgynevezett pigmentek keveredésénél, azaz a festékkeverésnél a kivonó színke­verésnek megfelelően keletkezik az eredő szín. Például fehér alap esetén sárga és kék festék keverésével nem az összeadó keverés tulajdonságainak megfelelő fehér, hanem a szubtraktív módon létrejövő zöld keletkezik. Általános szabályként fogalmazható meg, hogy az észlelt tárgyszín mindig a felület által elnyelt szín kiegészítő színe lesz.

2.6. ábra - A bíbor szín szubtraktív keverésének módja

A bíbor szín szubtraktív keverésének módja


2.7. ábra - A sárga szín szubtraktív keverésének módja

A sárga szín szubtraktív keverésének módja


2.8. ábra - A kékeszöld (türkiz) szín szubtraktív keverésének módja

A kékeszöld (türkiz) szín szubtraktív keverésének módja


2.9. ábra - A vörös szín szubtraktív keverésének módja

A vörös szín szubtraktív keverésének módja


2.10. ábra - A zöld szín szubtraktív keverésének módja

A zöld szín szubtraktív keverésének módja


2.11. ábra - A kék szín szubtraktív keverésének módja

A kék szín szubtraktív keverésének módja