David MacAdam deed in de jaren veertig baanbrekend werk op het gebied van kleurverschilperceptie. Hij ontwierp met name het apparaat en verfijnde het statistische proces waarmee kleurtoleranties rond een doelkleur konden worden gekwantificeerd.
MacAdam gebruikte Standard Deviation Color Matching (SDCM) om te bepalen hoe nauw (of niet) de kleur die wordt uitgestraald door twee lichtbronnen bij elkaar past. Naarmate de standaarddeviatie tussen twee monsters groter wordt, wordt het kleurverschil tussen beide voor meer mensen duidelijk.
Waarom is Standard Deviation Color Matching belangrijk? Voor de lichttechnicus wordt een kleurtolerantie uitgedrukt als een 1-staps, 2-staps, 3-staps (etc) MacAdam-ellips.
Geen twee lichtbronnen zullen ooit exact dezelfde kleur licht uitstralen, maar omdat er meestal meerdere lampen naast elkaar worden geïnstalleerd, is een zekere mate van consistentie zeer gewenst. Daarom hebben lichttechnici een manier nodig om een tolerantie rond een doelkleur uit te drukken, op dezelfde manier als een werktuigbouwkundig ingenieur een tolerantie rond een dimensie zal uitdrukken.
Dit artikel zal het werk van David MacAdam uitleggen dat aanleiding gaf tot het nu universele gebruik van de MacAdam-ellips als middel om een tolerantie rond een doelkleur uit te drukken.
Geschiedenis. David MacAdam was een wetenschapper die voor Kodak werkte in hun onderzoekslaboratorium in Rochester, New York. In de jaren veertig was Kodak geïnteresseerd in hoe nauwkeurig het menselijk oog onderscheid kon maken tussen vergelijkbare kleuren.
Is het matchen van kleuren gemakkelijk?
Is kleurafstemming gemakkelijk? Nee, kleurafstemming is helemaal niet eenvoudig. We kunnen zien dat twee verschillende kleuren erg op elkaar lijken, of we kunnen twee vergelijkbare kleuren als erg verschillend zien, omdat er meerdere factoren betrokken zijn bij het zien van kleuren.
Luminantie, of, in termen van de leek, hoe helder iets is. Dezelfde rode lichtbron zal er bijvoorbeeld heel anders uitzien, afhankelijk van hoe fel het schijnt. Evenzo kunnen twee verschillende kleuren op elkaar lijken als de ene helderder schijnt dan de andere. Het apparaat van David MacAdam is zo ontworpen dat ongeacht de kleur van de twee lichtbronnen die worden vergeleken, de luminantie op een constant niveau werd gehouden.
Tint. Dit is de kleur van de lichtbron, bepaald door zijn golflengte. In de natuur bestaan de meeste kleuren die we zien uit een dominante golflengte plus enkele andere.
Zuiverheid, of verzadiging. Twee lichtbronnen kunnen beide dezelfde luminantie en dominante golflengte hebben, maar als één een zeer zuivere lichtbron was (dwz hij was sterk verzadigd, wat betekent dat de meeste energie in de lichtboon geconcentreerd was op of nabij de dominante golf lengte) en de andere een grotere mix van verschillende golflengten bevatte, leken ze anders te zijn.
Voordat het werk van David MacAdam werd gepubliceerd, had de verlichtingsgemeenschap geprobeerd het menselijk vermogen om onderscheid te maken tussen vergelijkbare kleuren uit te drukken in termen van golflengtedrempels (voor spectrale of verzadigde kleuren zoals puur rood, groen en blauw) en zuiverheidsdrempels (voor niet -spectrale kleuren zoals bruin, roze en magenta).
Eerder werk, door andere onderzoekers, had geprobeerd de kleurperceptie te meten door te zoeken naar een "net merkbaar verschil". Deze techniek had als voordeel dat ze eenvoudig te implementeren was en geen zeer specialistische apparatuur nodig had. Het produceerde echter grillige resultaten over het hele gamma van geëvalueerde kleuren.
Andere onderzoekers (Wright en Pitt in "Hue discriminatie in normaal kleurenzicht") hadden gesuggereerd dat het beter zou zijn om op elk punt in de kleurenkaart een groot aantal overeenkomsten te maken en vervolgens de verspreiding van de waarnemingen te analyseren, maar ze merkten op dat dit "een onmogelijk langdurig proces" zou zijn.
Het onderzoek van David MacAdam – een samenvatting
MacAdam erkende dat Wright en Pitt gelijk hadden omdat er meerdere waarnemingen nodig waren en dat er een statistisch proces nodig was om te analyseren hoe dicht (of niet) de pogingen tot overeenstemming waren met de doelkleuren.
Om de moeilijkheden te overwinnen waarvan Wright en Pitt verwachtten dat ze een "onmogelijk langdurig proces" zouden creëren, ontwierp en bouwde MacAdam een ingenieus instrument om het vermogen van een waarnemer te testen om een instelbare testkleur af te stemmen op een vaste referentiekleur (of doelkleur), simpelweg door een aanpassing van een enkele wijzerplaat. In de loop van ongeveer 25.000 metingen werd het vermogen van de assistent van David MacAdam, de heer Perley G. Nutting, Jr., getest op 25 referentiekleuren.
MacAdam begon met het kiezen van 25 punten die wijdverspreid waren over het CIE 1931-kleurruimtediagram - zie figuur 48 hieronder uit MacAdams originele paper.
Het middelpunt van elke ellips is een doelkleur gekozen door David MacAdam.
In zijn paper verwijst MacAdam naar het ICI 1931 standaard chromaticiteitsdiagram. ICI is de International Commission on Illumination, tegenwoordig beter bekend onder het Franse acroniem CIE (Commission Internationale d'Eclairage).
De ellipsen van MacAdam zijn getekend op een gekleurde versie van het CIE 1931-kleurruimtediagram.
Elk van deze kleurpunten zou kunnen worden geproduceerd door het gebruik van een enkel filter, dat destijds in de handel verkrijgbaar was. Sommige van de kleurpunten die MacAdam koos, zijn meer verzadigd (dicht bij de rand van het kleurruimtediagram) dan andere die dichter bij het midden liggen. Deze kleurpunten zouden de 25 doelkleuren zijn waarmee een waarnemer zou proberen een match te maken.
Filters om de doelkleuren te repliceren
De extra kleurfilters die MacAdam heeft gemaakt, zijn uitgezet op het CIE 1931-kleurruimtediagram.
Elke doelkleur (hierboven) kan worden gerepliceerd door licht (in verschillende verhoudingen) te combineren met maximaal 8 paar van deze extra filters.
MacAdam creëerde vervolgens een reeks van ongeveer 100 extra kleurenfilters. Deze waren zo ontworpen dat elk van de doelkleuren (hierboven) kon worden gerepliceerd (in tint en zuiverheid) door licht van een paar extra filters te mengen (in welke verhoudingen dan ook). Over het algemeen kan elke doelkleur worden gerepliceerd door maximaal 8 verschillende paren extra filters als ze in de juiste verhoudingen werden aangepast.
MacAdam's apparaat voor het genereren van het doel en instelbare kleuren
Het apparaat dat MacAdam heeft ontworpen, wordt hieronder beschreven. Het bestaat kort gezegd uit een enkele lichtbron (rechts) met kleurfilters (7& 8), een opstelling van prisma's en lenzen (in het midden) en een oculair (links).
Vanuit de enkele lichtbron (uiterst rechts) produceert het apparaat twee paar bundels. Het ene paar is verticaal gepolariseerd, het andere horizontaal. Beide paren bestaan uit een bundel van filter 7 en een bundel van filter 8.
Het beeld dat aan de waarnemer bij het oculair (uiterst links) werd gepresenteerd, was zoals hieronder.
Het testveld bestond uit twee delen: aan de ene kant werd de doelkleur geproduceerd door een paar bundels in proporties die vooraf waren vastgesteld om overeen te komen met een van de doelkleuren op het CIE 1931-kleurruimtediagram met een verlichtingssterkte van 48 cd/m²
Aan de andere kant was een instelbare kleur, ook geproduceerd door een paar stralen van dezelfde filters die de waarnemer kon aanpassen door aan een enkele wijzerplaat te draaien. De roterende wijzerplaat was verbonden met een prisma en terwijl het prisma werd gedraaid, nam de hoeveelheid licht van filters 7& 8 dienovereenkomstig gewijzigd. Welke aanpassing er ook werd gemaakt, de luminantie bleef op 48 cd/m².
25.000 metingen uitvoeren
Voordat de metingen konden beginnen, werd een paar filters geselecteerd en de positie van de prisma's aangepast door berekening en observatie, zodat de convergerende lichtbundels overeenkwamen met de doelkleur. Daarna begonnen de waarnemingen en het was de taak van de waarnemer (de patiënt meneer Nutting, die dit zo'n 25.000 keer deed) om de wijzerplaat zo af te stellen dat de kleur rechts van het testveld overeenkwam met de kleur links (zie afbeelding hierboven) .
Toen Nutting bereikte wat hij als een match beschouwde, werd de positie van de wijzerplaat (en dus van de prisma's) genoteerd. Volgens het ontwerp van het apparaat van MacAdam kwam elke verandering in de positie van de prisma's overeen met een verandering van kleurkwaliteit.
De metingen werden 50 keer herhaald voor elk van de 5-8 filterparen die een kleurovereenkomst met het doel konden produceren.
Voor elke set van 50 metingen werden de resultaten geregistreerd en werd de standaarddeviatie berekend en uitgezet op het CIE 1931-kleurruimtediagram. Voor elk van de 25 doelkleuren was het resultaat in wezen hetzelfde, de standaarddeviatie van alle pogingen tot kleurovereenkomsten in elke set viel in een patroon dat een ellips beschreef gecentreerd op het doel.
MacAdam's ellipsen, zoals gepresenteerd in zijn originele paper in 1942.
In het midden van elke ellips staan de 25 referentiekleuren waarmee hij een kleurovereenkomst probeerde te creëren. De standaarddeviatie van de pogingen tot overeenkomsten van de referentiekleuren wordt beschreven door de ellipsen, hier getekend op 10x ware grootte.
Waarom zijn de ellipsen van MacAdam belangrijk?
De ellipsen van MacAdam zijn belangrijk omdat de technieken die hij gebruikte ons de middelen hebben gegeven om een tolerantie rond een doelkleur uit te drukken.
In de machinebouw wordt gezegd dat een maat zonder tolerantie zinloos is. Bij verlichting geldt hetzelfde. Een kleurmatch kan nooit perfect zijn, dus toleranties zijn essentieel.
Wanneer we een armatuur beschrijven als een armatuur met een SDCM<3 (bijvoorbeeld),="" betekent="" dit="" dat,="" wanneer="" nieuw,="" de="" kleur="" van="" het="" licht="" dat="" door="" een="" van="" die="" fittingen="" wordt="" uitgestraald,="" binnen="" de="" grens="" valt="" die="" wordt="" beschreven="" door="" 3="" standaarddeviaties="" van="" kleurafstemming="" vanaf="" het="" centrale="" punt,="" of="" doelkleur.="" voor="" de="" overgrote="" meerderheid="" van="" de="" mensen="" is="" deze="" mate="" van="" variatie="" niet="" waarneembaar.=""><5 is="" een="" lossere="" standaard="" en="" zal="" een="" hogere="" mate="" van="" variabiliteit="" vertonen,="" maar="" is="" nog="" steeds="" perfect="" acceptabel="" voor="" veel="">
Wat doen de ellipsen van MacAdam niet?
MacAdam wilde een methode beschrijven om toleranties te definiëren. Hij hield zich niet bezig met het kwantificeren van de nauwkeurigheid van kleurperceptie in de menselijke populatie als geheel. Hoewel zijn werk aangaf dat de waarnemingen van Nutting niet abnormaal waren (ze werden gerepliceerd door een klein aantal andere waarnemers), deed MacAdam geen systematisch onderzoek naar de nauwkeurigheid van kleurwaarneming tussen verschillende geslachten, leeftijden of etniciteiten.
