Monday, 30 March 2015

Valkoinen väri


Taideteos: "Valkoinen väri"

Wikipedia "tietää": Valkoinen on väri, joka aistitaan kun esine heijastaa kaikkia värisävyjä. Valkoinen valo sisältää kaikkia näkyviä sähkömagneettisen säteilyn taajuuksia yhtä paljon.

Korjaisin ehkä näin. Silmän väriaistimus on valkoinen, kun silmään tulevan valon aallonpituusjakauma on suunnilleen sama kuin auringonvalon. Valkoinen väriaistimus voidaan saan myös, jos valo sisältää punaista, vihreää ja sinistä valoa vastaavia aallonpituuksia sopivassa suhteessa. Kuten ylä olevassa kuvassa.

Valkoinen valo ei siis sisällä kaikkia sähkömagneettisen säteilyn taajuuksia yhtä paljon. Onneksi, sillä silloinhan siinä olisi hurjat määrät myös lyhyitä aallonpituuksia ja se ei totta vielä olisi terveellistä. Valkoinen valo ei myöskään sisällä edes näkyvän valon aallonpituuksia kaikkia yhtä paljon, vaan keltavihreät sävyt ovat paljon intensiivisempiä kuin punaiset tai siniset.

Näkyvän valon spektri tasajakauma voisi olla jotenkin tämän näköinen.

 Tietysti voidaan ajatella, että millainen mahtaisi väriaistimus olla, jos kaikki aallonpituudet olisivat samalla intensiteetillä mukana. Karkeasti arvioiden sinisen pään intensiteetin pitäisi kasvaa keskimäärin 25% ja punaisen 50 %.

Vasemmalla silmän herkkyys eri väreille, keskellä Auringon "valkoisen valon" aallonpituusjakauma ja oikealla se väri, jollaisena kuvittelen silmän näkevän tasajakautuneen valon spektrin.

Tästä kuvasta käynee selville se ajatus, josta olen spekuloinut tasajaukautuneen valon väriä.


Silmä on herkin sinikeltaiselle värille, eli sille, joka auringonvalon spektrissä on intensiivisintä. Miten paljon silmän kokema väriaistimus muuttuu, jos spektri "tasapäistetään"? Ilman todellista koetta siihen on vaikea vastata, mutta olettaisin sen olevan aika lähellä vaaleanpunaista. Tämä päättely sen perusteella, että punaista päätä pitää korjata enemmän kuin sinistä. Silmän väriherkkyyskäyrä on kuitenkin aika symmetrinen, joten tämän tasaisen spektrin vaikutuksen olettaisi vaikuttavan enemmän punasävyiseen kuin sinisävyiseen lopputulokseen. Spekulaatiota, sen myönnän, joskin perusteltua sellaista. En vain ole törmännyt missään siihen, että asiaa olisi testattu. Jos jollain on tietoa, niin olisi mukava kuulla.

Väristä ja sen näkemisestä enemmän tietoa haluaville löytyy täältä.

ps. 5.4.2015

Tällainen olisi "tasavärinen" valkoinen Henri Kuokan kommentin perusteella.

13 comments:

  1. Helsingin Maisteri31 March 2015 at 00:37

    Linkissä oleva teksti on ilmeisesti bloginpitäjän tekemä opinnäyte (gradu), eikö niin? Mielenkiintoisesta tekstistä puuttui kuitenkin päiväys ja oppilaitos, jossa gradu on tehty. Milloin gradu on tehty ja mihin oppilaitokseen?

    ReplyDelete
    Replies
    1. Lyhentämällä hiukan osoitetta pääsee hakemistoon, jossa on muitakin mielenkiintoisia tekstejä.

      http://per.physics.helsinki.fi/kirjasto/ont/

      Delete
    2. Kyseessä on tosiaan didaktisen fysiikan sivugraduni Helsingin yliopiston fysiikan laitokselle, jonka tein jo selkeästi aikuisiässä vuonna 1998. Sain siitä ihan hyvän arvosanankin, en enää muista minkä, kun paperinen versio ei juuri nyt satu silmiin.

      Sakarin osoitteesta löytyy muitakin opetusalan fysiikan graduja, joista meriitit voi antaa myös proffille Kaaarle Kurki-Suonio ja Heimo Saarikko, joiden kummankin kanssa Sakari ja minä olemme tehneet tehneet paljon yhteistyötä.

      Delete
  2. No et ole ainakaan vielä Wikipediaa korjannut? :) mJ

    ReplyDelete
  3. Blogitekstin pohdinta on mielenkiintoinen, mutta lähtökohta on parilla tavoin väärä.

    Edellä esitetty herkkyyskuvaaja kertoo silmän herkkyydestä kokonaisuutena näkyvän valon eri aallonpituuksille. Värihavainnon kannalta olennaista on kuitenkin se, että sillä silmässä on kolmenlaisia tappisoluja, joilla kullakin on hieman erilainen herkkyysvaste näkyvän valon aallonpituuksille (hyvin karkeasti punainen, vihreä ja sininen).

    Lisäksi on huomioitava tappisolujen pigmenttien tummumisesta ja aivojen tulkinnasta aiheutuva adaptoituminen tiettyyn valoon. Sekä suoraan verkkokalvossa tapahtuva signaalien yhdistely (selittää osaltaan vastaväri-ilmiön).

    http://en.wikipedia.org/wiki/Color_vision

    Vastaus voidaan onneksi laskea, sillä jo viime vuosisadan alkupuolella kansainvälinen valaistuskomissio CIE määritti runsaiden värintäsmäystestien perusteella keskimääräisen ihmisen (standardihavainnoija) värinäkemistä kuvaavat värintäsmäysfunktiot x(λ)y(λ)z(λ). Näiden ja valon spektrin avulla saadaan laskettua CIE:n vuoden 1931 värijärjestelmän mukaiset värikoordinaatit XYZ.

    http://en.wikipedia.org/wiki/CIE_1931_color_space

    Lisäksi tarvitaan kaksi oletusta. Blogissa puhuttiin auringonvalosta, mutta oletan nyt että tarkoitus on puhua yleisemmin päivänvalosta (auringon ja ilmakehän yhteisvaikutus), jota yleisimmin kuvaa CIE:n standardivalonlähde D65. Lisäksi oletan, että värinhavaitsijan näköjärjestelmä on täysin adaptoitunut juuri D65-valoon (valkoinen).

    Kahden valonlähteemme XYZ-värikoordinaatit voidaan joko laskea (tai katsoa taulukosta). Tasaenergiaspektriä kutsutaan CIE:n termeillä standardivalonlähteeksi E.

    XYZ_D65 = {95.047, 100, 108.883}
    XYZ_E = {100, 100, 100}

    XYZ-värijärjestelmässä Y-koordinaatti kuvaa valon luminanssia, joten molempien valonlähteitemme kirkkaus on silmälle yhtä suuri.

    Seuraavaksi meidän on muunnettava XYZ-värikoordinaatit tietokoneiden käyttämään RGB-järjestelmään. Helpointa tässä on olettaa, että sekä tietokonenäyttö ja Photoshop käyttävät yleistä sRGB-väristandardia, jossa valkoiseksi väriksi on myös valittu standardivalonlähdettä D65 vastaava valkoinen piste xy_D65.

    Lisäksi muunnoksessa on huomioitava se, että muiden aistien tavoin ihmissilmän havainto kirkkaudesta muuttuu logaritmisesti valon intensiteetin mukana. Tämän vuoksi muunnokseen tarvitaan niin sanottu gamma-korjaus, jonka ansiosta RGB-väreille saadaan lineaariset havaitun kirkkauden muutokset (havaitsijan kannalta ero harmaasävyn 100 ja 110 välillä tuntuu yhtä suurelta kuin sävyjen 110 ja 120 välillä).

    Viimeisenä oletuksena sRGB-määritys antaa meille puhtaiden R-, B- ja G-perusvärien xy-värikoordinaatit (ilman luminanssia Y).

    http://en.wikipedia.org/wiki/SRGB

    Kun kaikki nämä oletukset on tehty, pääsemme viimein monien mutkien kautta muuntamaan kahden valonlähteemme XYZ-värikoordinaatit RGB-muotoon. Helpoiten tämä onnistuu käyttämällä verkosta löytyviä sRGB-laskureita, kuten vaikka tätä:
    http://www.brucelindbloom.com/index.html?ColorCheckerCalcHelp.html

    Näin saamme lopputulokseksi seuraavaa:
    RGB_D65 = {255, 255, 255}
    RGB_E = {276.715035, 249.11511, 244,496295}

    Koska RGB-järjestelmä ei salli arvoja yli 255:n meidän on vielä tummennettava sävyjämme hieman.

    XYZ_D65_tumma = {78.8914, 83.0025, 90.3756}
    XYZ_E_tumma = {83.0025, 83.0025, 83.0025

    RGB_D65_tumma = {234.90702, 234.90702, 234.90702}
    RGB_E_tumma = {255, 229.4615, 225.1877}

    Näin ollen tasaspektrisen valon RGB-värikoordinaatti on lievästi pinkki {255, 229, 225}. Ja tätä samalla kirkkaudella vastaa puhdas ”valkoinen” harmaasävy {235, 235, 235}.

    Eri valonlähteiden approksimoituja värejä voi tutkia myös tästä Wikipedian artikkelista kohdasta ”White points of standard illuminants”:
    http://en.wikipedia.org/wiki/Standard_illuminant

    Jos joku on innokas tutkimaan värilaskentaa enemmänkin, niin kaikki edellä esitetyt kaavat löytyvät toivon mukaan selvällä suomella esitettynä mennestä diplomityöstäni, joka löytyy täältä:
    https://dl.dropboxusercontent.com/u/18441596/Henri_Kuokka_Nayttolaitteiden_varitarkkuuden_mittaaminen.pdf

    Terveisin,
    Henri Kuokka

    ReplyDelete
    Replies
    1. Haasteeseeni vastattiin, mikä pannaan voimakkaasti plus-merkkisenä merkille. Olin siis kuitenkin omissa peukalotuntumaspekuloinneissani oikeilla jäljellä värin suhteen. Juttuni pääpointti oli kuitenkin se usein esitetty väärä tieto, että valkoinen syntyy, kun kaikkia aallonpituuksia on yhtä paljon. Kiitokset kuitenkin Henrille perusteellisesta kommentista. Asiaa, joka on sydäntä lähellä, viitsii kommentoida vähän syvällisemminkin. Sanonta jo antiikin ajoilta: "Se joka härillä kyntää,se häristä puhuu." Ugh, Henri ja minä olemme puhuneet. Muutkin saavat nyt sananvuoron.

      Delete
  4. Löihän kerrankin joku poikkitieteilijälle kunnolla luun kurkkuun.

    ReplyDelete
    Replies
    1. Näitä negatiivistelijoita on aina. Miten niille saisi luun kurkkuun?

      Delete
  5. Henri Kuokan kommentti on perusteellinen ja ansiokas. Minusta se ei kuitenkaan vastaa Wikipediassa olleeseen lähtökohtaan. Millainen olisi aistihavainto, jos spektrin kaikkia aallonpituukisia olisi yhtä paljon. Maallikon ymmärryksellä en osaa edes kuvitella, miten sellainen koejärjestely voitaisiin tehdä.

    ReplyDelete
  6. "Valkoinen valo sisältää kaikkia näkyviä sähkömagneettisen säteilyn taajuuksia yhtä paljon"

    Tämä määritelmä on jo periaatteessa ongelmallinen. Mitä tarkoittaa yhtä paljon? Spektrijakauma esitetään yleensä valon tehona aallonpituuden funktiona. Yhtä hyvin se voitaisiin määritellä kvanttien määränä, jolloin lyhytaaltoisten energeettisempien aallonpituuksien osuus olisi vielä nykyistäkin vähäisempi ja toisaalta taas punaisen pitkäaaltoisen pään suurempi. Suoraan sanoen en tiedä, onko valokvanttien energia vai lukumäärä määräävä tekijä valon kirkkauden näkemisessä.

    ReplyDelete
    Replies
    1. Yllä siteerattu Wikipedian lause on myös kielellisesti viturallaan. Ensinnäkin taajuudet eivät ole näkyviä, vaan tietyntaajuinen säteily (tai oikeastaan kohde, josta säteily tulee). Toiseksi ilmaus "valo sisältää kaikkia - - taajuuksia yhtä paljon" on tolkuton. Jos kyseinen henkilö olisi kirjoitustaitoinen, hän olisi ilmaissut, fysikaalisesti siis virheellisen, asiansa esimerkiksi seuraavasti: "Valkoisessa valossa kaikkien (näkyvän sähkömagneettisen säteilyn) taajuuskomponenttien amplitudi on sama".

      Delete
  7. Taas Poikkitieteilijän juttu jäi askarruttamaan mieltäni. Muutaman päivän pohdittuani esittäisin taas "eriävän mielipiteeni" ilman lähdeviitteitä.

    Juttu alkaa lainauksella wikistä "Valkoinen on väri, joka aistitaan kun esine heijastaa kaikkia värisävyjä. "

    Tuossa siis selvästi puhutaan esineen tai vastaavan väristä eikä valon väristä. Lumi ei ole esine, mutta sen valkoisuuteen pätee tietysti sama asia.

    Jos esineeseen osuu valkoinen valo, sen pitää heijastaa kaikkia värisävyjä saman verran. Muussa tapauksessa esineestä heijastuva valo ei ole enää valkoista, koska esine heijastaa jotain väriä vähemmän. Esine on siis valkoinen, kun se heijastaa kaikkia värisävyjä saman verran.

    Jos esineeseen osuu "väärän värinen" valo, se tietysti heijastaa senkin väärän (eli valon) värisenä muuttamatta sitä. Lumi näyttää valkoiselta sekä auringonpaisteessa että auringon painuttua horisontin taakse, vaikka valon väri on muuttunut. Silmä ja aivot tulkitsevat lumen valkoiseksi kummassakin tapauksessa siksi, että se ei muuta siitä heijastuvaa valoa vaan heijastaa kaikkia värejä yhtä paljon.

    Olen törmännyt tuohon ongelmaan valokuvatessani lunta. Valokuvassa lumi näyttää valkoiselta vain, jos kuvaa katsotaan samanlaisessa valaistuksessa kuin mitä se otettiin (tai väännetään kuvan väriä jonnekin suuntaan).

    Sitten tietysti pohdituttaa, mihin perustuu hämärässä punaisen valon käyttö ilman, että hämäränäkö heikkenee. Sen perusteella voisi arvioida, että silmän väriherkkyyskäyrä on erilainen erilaisilla valon voimakkuuksilla. Silti valkoinen esine on aina valkoinen.

    ReplyDelete
  8. http://timosuvanto.blogspot.fi/2015/04/miksi-lumi-on-valkoista.html

    Kirjoittelin vähän enemmän lumen valkoisuudesta yllä olevassa.

    ReplyDelete