Optické simulace a jejich vnímání lidským okem – Human Vision: 2.část

V první části článku  jsme prozkoumali, jak software Ansys SPEOS úspěšně řeší výzvy spojené s lidským viděním a jak můžete nejlépe interpretovat výsledky simulací s ohledem na to, jak vnímají světlo naše oči.

Část 3 – Human Vision – kalibrace a zobrazovací módy

CIE XYZ (nebo také CIE 1931) je jedním z prvních matematicky definovaných barevných prostorů. Umožňuje mapovat každou kombinaci vlnových délek a výsledných barev, které může lidské oko vidět. Byl definován ve studii o vnímání barev vytvořené mezinárodním úřadem Commission internationale de l'éclairage (zkráceně CIE) v roce 1931. 

Chromatický diagram CIE 1931

V tomto modelu je barva dána souřadnicemi (x; y), skrze které je možno vyjádřit nekonečné množství kombinací vlnových délek. Třetím rozměr (Y) udává hodnotu jasu – vyšší hodnota značí jasnější barvu.

Ukázka kolorimetrického měření výsledků v SW SPEOS

Kalibrace

Obrazovky mají individuální RGB schopnosti. Proto je často nutné provést kalibraci. Pro popsání celé charakteristiky displeje (barevně – reprodukčních vlastností) se používají kalibrační zařízení. 

Toto zařízení přetlumočí počítači aktuální možnosti displeje. Počítač poté přizpůsobí informace, které na displej posílá a ořeže je například s RGB paletou barev (gamutem).

Barevný gamut je tedy soubor barevných hodnot, kterých je monitor schopen dosáhnout. Barvy mimo tento prostor lze na daném zařízení zobrazit pouze přibližně. 

Nekalibrovaný vs. kalibrovaný monitor

Monitoru nebo displeji tedy můžeme věřit, jenom tehdy, pokud je zkalibrován a pokud se parametry zobrazovaného výsledku (např. renderu) vejdou do zobrazovacích možností monitoru.

Vlevo: fyzický vzorek, vpravo: přesaturovaný monitor

Pokud je výsledek na monitoru přesaturovaný, je třeba, pro zobrazení všech detailů, softwarově upravit zobrazení barev (odstíny), které se nachází mimo gamut. Tzn. že SW kvantifikuje odchylku reálné barvy a jasu od možností zobrazovacího zařízení. 

Barevné informace, nacházející se mimo gamut

Ansys SPEOS používá 3 módy, které umožňují zobrazení barev a jasů, které se nacházejí mimo gamut. Tyto 3 módy pokrývají různé druhy potřeb při interpretování výsledků. Jsou to:

• Gamut Clipping: užívaný, pokud potřebujeme držet barvu co nejblíže originálu
• Maintain Lightness and Hue: užívaný, pokud potřebujeme vidět detaily ve variacích přepalů – jasů (nehomogenity)
• Maintain Hue: užívaný, pokud potřebujeme vidět variace přepalů a zároveň držet barvu co nejblíže originálu

Volba módu tedy záleží na tom, jestli budeme spíše vyhodnocovat přesnost barev nebo přesnost kontrastu a nehomogenity.

3 módy, které umožňují zobrazení barev a jasů, které se nacházejí mimo gamut

Červeným křížkem je vyznačen bod mimo gamut monitoru

Pro zobrazení v Human Vision módu by měl mít SW také možnost přiblížit výsledek vnímání lidského oka. Některé z těchto parametrů si podrobněji nastíníme v následující kapitole. 

 

Část 4 – Human Vision – vybrané parametry

Podívejme se blíže na vybrané parametry, které můžeme simulovat v rámci Human Vision. 

Depth of Field (DoF) neboli hloubka ostrosti značí, jak je obraz proostřen kolem cílového bodu, na který je oko zaostřeno. Vzdálenější a bližší objekty jsou rozostřeny. Čím, dále se nacházejí od cílového bodu, tím více jsou rozostřeny. 

DoF

Zajímavostí také je, že hloubka ostrosti závisí také na velikosti zornice. Pokud je zornice zúžená, vidíme ostřeji a hloubka ostrosti je větší, obraz je tedy více proostřen. V případě, že je zornice rozšířena, rozostření před a za cílovým bodem je větší. Stejný efekt se dá pozorovat například i objektivu fotoaparátu, kdy pro se pro efekt rozostřeného pozadí co nejvíce otevírá clona fotoaparátu. 

Ostření 1 m – zornice 2 mm    vs.    Ostření 1 m – zornice 8 mm

Glare neboli oslnění závisí na velikosti jasu a úhlu pod kterým se na zdroj jasu díváme, a také na míře kontrastu (jasu okolí). To znamená, že více jsme oslněni zdrojem, který je umístěn v temnu. Oslnění udržuje informaci o barvě zdroje světla. SPEOS používá dva algoritmy výpočtu a zobrazení oslnění:

Acuity neboli ostrost vidění. Je známo, že prostorové rozlišení oka se snižuje s intenzitou světla. Jelikož se při nízkém osvětlení zvětšuje zornice, aby vpustila do oka více světla, snižuje se kvalita kolimace oční čočky. 

Dále při nízkých intenzitách osvětlení dopadající světlo na sítnici vyhodnocují spíše tyčinky než čípky (mesopické a skotopické vidění). Hustota tyčinek na sítnici je mnohem menší než hustotu čípků, proto se také snižuje ostrost vidění.

Peripheral Acuity neboli ostrost v periferním vidění. 

Rozlišení oka je vyšší v centrálním vidění než v periferním vidění. Typická ostrost oka je 0,015°. Rozlišení snímače musí mít tedy minimálně toto rozlišení, aby bylo dosaženo plné ostrosti.

Photopic / Mesopic / Scotopic vision neboli Fotopické, mezopické a skotopické vidění.

Na sítnici se nacházejí světlocitlivé buňky dvojího druhu: tyčinky (Cones) a čípky (Rods). Čípky jsou citlivé na světlo různé barvy (různé vlnové délky), různé intenzity a sytosti barev. Čípky zajišťují fotopické vidění a zrakovou ostrost. Tyčinky reagují na nižší intenzitu osvětlení, ale nejsou schopny rozeznávat barvu. Zajišťují skotopické vidění. 

Mezi fotopickým a skotopickým viděním se nachází oblast mezopického vidění, při které světlo vyhodnocují jak čípky, tak i tyčinky. Oko tedy stále vnímá barvy, ale ostrost je již o poznání nižší. 

Skotopické / Mezopické / Fotopické vidění

Fotopické vs. Skotopické vidění v SW SPEOS

Human Vision ale umí mnohem více. Bere v úvahu například čas adaptace oka při pohledu na světelnou scénu, stereoskopii, barevnou slepotu, čitelnost, viditelnost a další. 

Dále, jak jsme nakousli v předchozí kapitole, Human Vision funkcionalita řeší interpretaci výsledků v případech, kdy displej naráží na své limity v rámci svého omezeného dynamického rozsahu. K takové interpretaci výsledků (přizpůsobení) Human Vision používá charakteristiku lidského oka. 

Raw Luminance Map vs. Human Vision

Mějme stále na paměti, že lidské vnímání je velmi subjektivní téma, a i když je technologie oka pro všechny stejná, mozek každého člověka může být trochu odlišný. Pro věrohodnost měřených parametrů a správnou funkci SW je tedy nutné vycházet ze škály lidských „pozorovatelů“. Stejně jako v jiných, i v této oblasti vždy platí, pokud si nejste jistí simulací, proveďte měření. A také pamatujte, že koncový uživatel vašich produktů je člověk.