VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Transkript

1 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV ELEKTROENERGETIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF ELECTRICAL POWER ENGINEERING SROVNÁNÍ KONVENČNÍCH A NOVÝCH METOD MĚŘENÍ A HODNOCENÍ JASŮ DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR BC. MILOSLAV SVOBODA BRNO 2012

2

3 Bibliografická citace práce: SVOBODA, M. Srovnání konvenčních a nových metod měření a hodnocení jasů. Brno: Vysoké učení technické v Brně, Fakulta elektrotechniky a komunikačních technologií, s. Vedoucí diplomové práce doc. Ing. Petr Baxant, Ph.D. Jako autor uvedené diplomové práce dále prohlašuji, že v souvislosti s vytvořením této diplomové práce jsem neporušil autorská práva třetích osob, zejména jsem nezasáhl nedovoleným způsobem do cizích autorských práv osobnostních a jsem si plně vědom následků porušení ustanovení 11 a následujících autorského zákona č. 121/2000 Sb., včetně možných trestněprávních důsledků vyplývajících z ustanovení části druhé, hlavy VI. Díl 4 Trestního zákoníku č. 40/2009 Sb. Zároveň chci poděkovat vedoucímu mé bakalářské práce doc. Ing. Petru Baxantovi Ph.D, za odbornou konzultaci. Dále Ing. Janu Škodovi Ph.D, za účinnou metodickou a odbornou pomoc a další cenné rady při zpracování mé diplomové práce. Dále bych rád poděkoval vedoucímu divize servisu PPMV ABB Brno, Ing. Juraji Súkeníkovi, za umožnění provedení měření v těchto prostorech, Bc. Michalu Strakovi, za asistenci při měření v terénu a Ing. Tomáši Pavelkovi, za trpělivost a ochotu při řešení administrace. Velké díky patří všem známým, příbuzným a mé přítelkyni Barboře Kamenické, za podporu po celou dobu mého studia. Bc. Svoboda Miloslav

4 VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA ELEKTROTECHNIKY A KOMUNIKAČNÍCH TECHNOLOGIÍ ÚSTAV ELEKTROENERGETIKY FACULTY OF ELECTRICAL ENGINEERING AND COMMUNICATION DEPARTMENT OF ELECTRICAL POWER ENGINEERING SROVNÁNÍ KONVENČNÍCH A NOVÝCH METOD MĚŘENÍ A HODNOCENÍ JASŮ COMPARISON OF CONVENTIONAL AND NEW METHODS OF MEASUREMENT AND EVALUATION OF LUMINANCE DIPLOMOVÁ PRÁCE MASTER S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR Bc. SVOBODA MILOSLAV doc. Ing. PETR BAXANT, Ph.D. BRNO 2012

5 Abstrakt 5 ABSTRAKT Protože jas je jediná veličina, na kterou reaguje zrak, jeho měření se stává důležitým z hlediska zajištění správné funkce zraku. V dnešní době lze měření jasu provést metodami konvenčními, například přímým měřením pomocí jasoměrů. Nastupuje také zcela nová metoda měření jasových úrovní jasovými analyzátory, které využívají k jasové analýze digitální fotografii. Tato diplomová práce se zabývá touto problematikou a je rozdělena do několika kapitol, které tvoří dvě hlavní části práce, teoretickou a praktickou. V teoretické části se práce zabývá základy světelné techniky, dále pak principy měření jasu konvenčními metodami. Novým metodám měření, tedy pomocí jasových analyzátorů, jsou věnovány kapitoly dvě, ve kterých se rozebírá jednak jejich princip a jednak vlastnosti dnes dostupných analyzátorů. V praktické části jsou pak provedena srovnávací měření laboratorní i v terénu pomocí obou metod. KLÍČOVÁ SLOVA: fotometrie; jas; měření jasu; jasoměr; jasový analyzátor; digitální fotografie; digitální fotoaparát;

6 Abstract 6 ABSTRACT Because luminance is the only value to which our sight responds, its measurement becomes important in terms of ensuring the proper function of vision. Nowadays luminance measuring can be made by conventional methods, such as direct using of luminance meter. However an entirely new method of measuring luminance levels is coming. This method is based on using luminance analyzers which work using a digital photography for the analysis of luminance. This thesis deals with these issues and is divided into several chapters, which form the two main parts of the thesis, the theoretical and the practical one. The theoretical part of the thesis deals with the basics of lighting technology, as well as the principles of measuring the luminance using conventional methods. New methods of measurement, i.e. using luminance analyzers, are discussed in two chapters which analyse both the principle and characteristics of analyzers available today. In the practical part is a comparative measurement carried out in the laboratory and in terrain using both methods. KEY WORDS: photometry; Luminance; measuring of luminance; luminance meter; luminance analyzer; digital photography; digital camera;

7 Obsah 7 OBSAH SEZNAM OBRÁZKŮ... 9 SEZNAM TABULEK SEZNAM SYMBOLŮ A ZKRATEK ÚVOD CÍLE PRÁCE FOTOMETRIE FOTOMETRICKÉ VELIČINY SVĚTELNÝ TOK PROSTOROVÝ ÚHEL SVÍTIVOST OSVĚTLENOST JAS SVĚTLENÍ FYZIOLOGIE ZRAKOVÉHO SYSTÉMU A PROCES VIDĚNÍ MEZNÍ STAVY ZRAKU OSLNĚNÍ PRINCIPY MĚŘENÍ JASU METODIKA MĚŘENÍ A HODNOCENÍ JASŮ KONVENČNÍ METODY MĚŘENÍ JASU PŘÍMÁ MĚŘENÍ JASU NEPŘÍMÁ MĚŘENÍ JASU PROBLÉMY A CHYBY PŘI MĚŘENÍ JASU NOVÉ METODY MĚŘENÍ PRINCIP JASOVÉHO ANALYZÁTORU DIGITÁLNÍ FOTOAPARÁTY A JEJICH SENZORY VYUŽITÍ DIGITÁLNÍ FOTOGRAFIE K JASOVÉ ANALÝZE KALIBRACE DIG. FOTOAPARÁTŮ, VÝPOČET JASU ZDROJE CHYB DIGITÁLNÍCH FOTOAPARÁTŮ VYUŽITELNOST JASOVÝCH ANALYZÁTORŮ K MĚŘENÍ JASŮ SROVNÁNÍ METOD MODERNÍ JASOVÉ ANALYZÁTORY TECHNOTEAM LMK LUMIDISP RADIANT KONICA MINOLTA SROVNÁVACÍ MĚŘENÍ RŮZNÝCH ZDROJŮ JASU ZJIŠTĚNÍ JASU SVĚTELNÝCH ZDROJŮ SROVNÁVACÍ MĚŘENÍ JASU SV. ZDROJE MĚŘENÍ VYSOKÝCH JASŮ A KONTRASTŮ... 53

8 Obsah ZJIŠTĚNÍ ROZLOŽENÍ JASU V ZORNÉM POLI POZOROVATELE JASOVÁ ANALÝZA KANCELÁŘSKÉHO PROSTORU JASOVÁ ANALÝZA UČEBNY MĚŘENÍ JASU VEŘEJNÉHO OSVĚTLENÍ ZÁVĚR ZÁVĚRY PRÁCE A JEJÍ PŘÍNOS NÁVRH DALŠÍHO POSTUPU POUŽITÁ LITERATURA PŘÍLOHA A SNÍMKY A HISTOGRAMY PRO SROVNÁVACÍ MĚŘENÍ PŘÍLOHA B SNÍMKY A PRŮBĚHY PRO MĚŘENÍ VYSOKÝCH JASŮ A KONTRASTŮ PŘÍLOHA C SNÍMKY A TABULKY PRO JASOVOU ANALÝZU UČEBNY... 82

9 Seznam obrázků 9 SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 3-1 Spektrální citlivost normalizovaného fotometrického pozorovatele dle CIE [3] Obr. 3-2 Definice jasu [6] Obr. 3-3 Diagram a geometrické uspořádání pro stanovení činitele polohy [2] Obr. 4-1 Schématické zobrazení principu objektivního jasoměru [2] Obr. 4-2 a) jasoměr Konica Minolta LS-100 b) jeho optický systém [10] Obr. 4-3 Princip jasového analyzátoru [28] Obr. 4-4 a) Rozmístění barev v Bayerově uspořádání b) interpolace barev [14] Obr. 4-5 Princip CCD snímače [15] Obr. 4-6 Principiální rozdíl mezi CCD a CMOS snímači [18] Obr. 4-7 Zpracování a uložení obrazu do formátů JPEG, TIFF a RAW [16] Obr. 4-8 Stupnice dynamických rozsahů [19] Obr. 4-9 Vytvoření HDR fotografie [21] Obr. 5-1 Jasové kamery LMK 98-4, LMK 98-4 color a LMK HighRes 11/16 MP [23] Obr. 5-2 Canon EOS550 - LMK Mobile Advanced [23] Obr. 5-3 Uživatelské prostředí LMK LabSoft zobrazen průběh jasu na přímce [23] Obr. 5-4 Jednotlivé části jasového analyzátoru Lumidisp [4] Obr. 5-5 Uživatelské prostředí programu LumiDISP - zobrazen průběh jasu na přímce Obr. 5-6 Histogram a okno metadat v programu Lumidisp Obr. 5-7 Jasové kamery Radiant: a) PM-1000, b) PM-1200, c), d) PM-1400 a PM1600 [31] Obr. 5-8 Uživatelské prostředí programu ProMetric 9 - zobrazen průběh jasu na přímce [31]. 43 Obr. 5-9 Konica Minolta CA D Color Analyzer [32] Obr Uživatelské prostředí programu CA-S20w [33] Obr. 6-1 Schéma zapojení a uspořádání pracoviště pro srovnávací měření na komp. zářivce Obr. 6-2 Naznačené místo měření jasoměrem Obr. 6-3 Rozmazaný snímek, zobrazení přesaturovaných pixelů Obr. 6-4 Zachycená scéna před a po přepočtu na jas Obr. 6-5 Schéma zapojení a uspořádání pracoviště pro měření vysokých jasů sv. zdrojů Obr. 6-6 Jasový sken sv. zdroje LED ROHS GU10; 3x2W v přímém směru Obr. 6-7 Průběh jasu sv. zdroje LED na zvolené přímce Obr. 6-8 Naznačená místa měření jasoměrem a zároveň místa porovnávací Obr. 6-9 Jasová mapa s rozložením jasu v místě pozorovatele pracovníka Obr Naznačená místa měření jasoměrem a zároveň místa porovnávací... 63

10 Seznam obrázků 10 Obr Jasová mapa s rozložením jasu v místě pozorovatele studenta v 6. řadě Obr Uspořádání pracoviště pro měření jasu veřejného osvětlení Obr Jasová mapa s naznačenými místy měření jasoměrem veřejné osvětlení Obr HDR fotografie pro určení jasu veřejného osvětlení Obr Výřez z fotografie pro posouzení viditelnosti chodce Obr Průběh jasu na přímce mezi chodcem a jeho bezprostředním okolím... 69

11 Seznam tabulek 11 SEZNAM TABULEK Tab. 3-1 Odpovídající si fotometrické a radiometrické veličiny a jejich jednotky Tab. 3-2 Exponenty ze vztahu pro činitel oslnění dle některých autorů [9] Tab. 4-1 Tabulka s vybranými parametry jasoměru Konica Minolta LS-100 [11] Tab. 4-2 Srovnání senzorů CCD a CMOS Tab. 4-3 Expoziční hodnoty odpovídající nastavení exp. času a clony [30] Tab. 4-4 Srovnání konvenčních a nových metod měření a hodnocení jasů Tab. 5-1 Jasové kamery LMK a jejich vlastnosti [23] Tab. 5-2 Základní parametry LMK Mobile Advanced [22] Tab. 5-3 Základní parametry jasového analyzátoru LumiDISP [25] Tab. 5-4 Jasové kamery Radiant PM-Series a jejich vlastnosti [31] Tab. 5-5 Základní vlastnosti jasové kamery Konica Minolta CA-2000 [32] Tab. 6-1 Naměřené hodnoty jasu ve zvoleném místě sv. zdroje Tab. 6-2 Zdroje chyb jasoměrů [34] Tab. 6-3 Určení nejistoty typu B pro měření jasoměrem Tab. 6-4 Určení nejistoty typu B pro měření jasovým analyzátorem Tab. 6-5 Nastavení fotoaparátu pro měření vysokých jasů sv. zdrojů Tab. 6-6 Naměřené hodnoty jasoměrem a jas. analyzátorem ve zvolených místech Tab. 6-7 Hodnoty pro výpočet indexu oslnění UGR Tab. 6-8 Naměřené hodnoty jasoměrem a jas. analyzátorem ve zvolených místech Tab. 6-9 Naměřené hodnoty jasoměrem a jas. analyzátorem ve zvolených místech... 67

12 Seznam symbolů a zkratek 12 SEZNAM SYMBOLŮ A ZKRATEK Symbol, zkratka Vysvětlivka Jednotka a, b, c, d exponenty pro výpočet indexu oslnění UGR - A plocha m 2 AEB automatické posouvání expozice - A/D převodník analogových dat na digitální - C mřížka, clona - CCD nabitý vázaný prvek - CIE Mezinárodní komise pro osvětlování - CMOS snímač řízený el. polem - cos kosinus - ČSN Česká technická norma - d derivace proměnná veličina - DIN Německý ústav pro normalizování - E osvětlenost lx EN Evropská norma - EV expoziční hodnota - f ohnisková vzdálenost m F fotočlánek, filtr, clonové číslo - g gram jednotka hmotnosti - G glare činitel oslnění - H světlení lm.m -2 HDR High Dynamic Range vysoký dyn. rozsah - I svítivost cd ISO mezinárodní organizace pro standardy, citlivost - JPEG formát obrazu - K kontrast - l vzdálenost m L jas cd.m -2 LED Light Emitting Diode LED zdroj - LMK označení jasového analyzátoru TechnoTeam - LumiDISP Luminance Distribution Processing - log logaritmus -

13 Seznam symbolů a zkratek 13 m metr jednotka délky - n počet - p činitel polohy - r poloměr m RAW formát obrazu - RGB trichromatický systém - Si chemická značka křemíku - SiO 2 chemická značka oxidu křemičitého - u označení dílčí nejistoty měření % U označení rozšířené nejistoty měření % UGR Unified glare rating index oslnění - TIFF formát obrazu - W watt jednotka výkonu - X označení neznámé veličiny - XYZ trichromatický souřadnicový systém - z označení zdroje nejistoty % β, γ označení úhlů, rad Φ světelný tok lm π konstanta (3,141 ) - Ω prostorový úhel sr

14 Úvod 14 1 ÚVOD Jas je veličinou, na kterou přímo reaguje lidský zrak. Pro zajištění správné činnosti zraku, je tedy nutné znát hladiny jasů a jeho rozložení v zorném poli pozorovatele. Hodnoty jasů jsou taktéž důležité pro hodnocení osvětlovacích soustav dle zadaných parametrů, pro hodnocení zobrazovacích zařízení, dále se zjišťují jasy světelných zdrojů, hodnoty jasu lze využít i pro určení činitele odrazu světla. S jasem souvisí i kontrast jasu. Jak je vidět, jas je tedy obecně důležitou veličinou. Během vývoje techniky osvětlování se soustředila pozornost zejména na úrovně osvětlení. Měření jasů, s ohledem na náročnost měřících přístrojů, byla spíše výjimečnou záležitostí, ačkoliv jsou a byly známy předchozí zmíněné závěry. Jas lze změřit několika způsoby. V současné době je k dispozici celá řada kvalitních jasoměrů. Jas lze určit i nepřímo pomocí jiných fotometrických veličin. Díky možnosti jasové analýzy pomocí digitální fotografie nastupuje zcela nový systém měření a hodnocení jasových úrovní jasovými analyzátory pracujících na principu kalibrovaných digitálních fotoaparátů. Konvenčními metodami provedené měření jasů, například přímé měření jasu jasoměrem, je měření známé a již zavedené. Nové metody měření, kam spadá měření jasovými analyzátory, jsou veřejnosti zatím nepříliš známé a neprobádané, stejně jako typy dnes dostupných jasových analyzátorů. Stejně jako u všech inovativních a nových prostředků je i u jasových analyzátorů nutné proniknout do jejich podstaty, principu a možností. A stejně tak jsou patrné rozdíly při postupu, vyhodnocování, nebo chyb při měření, které je nutno deklarovat. Zjednodušeně řečeno, je nutno provést co nejkvalitnější rešerši k dané problematice. Metody a měřící prostředky se pak dají jednoduše srovnávat. Každý z uvedených způsobů má jistě své uplatnění, výhody a nevýhody. Předmětem této práce je seznámení se s konvenčními (jasoměry) a novými metodami (jasové analyzátory) měření a hodnocení jasů. S jejich principy, možnostmi využití a chybami při měření atd. Na základě všech zjištěných poznatků pak provést multikriteriální srovnání, které umožňuje podat celkový přehled o daných metodikách. Přínosem práce je tedy detailní pohled na problematiku měření a vyhodnocování jasů a jeho rozložení pomocí konvenčních a nových metod. A to nejen v teoretické, ale i v praktické podobě.

15 Cíle práce 15 2 CÍLE PRÁCE Cílem práce je popsat konvenční a nové metody měření a hodnocení jasů a provést jejich srovnání. Konvenčními metodami rozumíme měření pomocí jasoměrů či nepřímá měření, novou metodou je jasová analýza pomocí jasových analyzátorů. Práce je rozdělena na dvě části teoretickou a praktickou. Nezbytným teoretickým základem je definovat základní fotometrická měření, postupy, fotometrické jednotky a fyziologii zrakového systému. Prvním úkolem bude tedy popsat obecnou fotometrii, definovat si základy světla, normalizovaného pozorovatele, fotometrická měření, veličiny a jejich jednotky a ve zkratce popsat fyziologii zrakového systému jeho mezní stavy, které jsou spojeny s jasovými podmínkami. Druhým úkolem bude popsat principy měření jasu, čemu se musíme při měření vyvarovat, aby nedocházelo k problémům a chybám měření. Tuto kapitolu rozdělíme do dvou podkapitol zabývajících se konvenčními způsoby měření a novými metodami. Nové metody měření detailněji rozebereme a popíšeme, provedeme co nejlepší rešerši zabývající se touto problematikou. Posledním úkolem teoretické části bude provést rešerši k momentálně dostupným jasovým analyzátorům. Popsat jejich vlastnosti a možnosti využití k jasové analýze. V praktické části bude oběma metodami provedeno srovnávací měření různých zdrojů jasu, které bude náhledem i jakýmsi návodem pro použití zmíněných metod, s popisem postupu při měření, s výpočty, vyhodnocením měření a popisem problémů a chyb při měření. Tato praktická měření budou také využita pro srovnání obou metod.

16 Fotometrie 16 3 FOTOMETRIE Fotometrie je nauka, která se zabývá světlem z hlediska jeho působení na lidský zrak. Světlo definujeme jako část elektromagnetického záření detekovatelné lidským zrakem, což je záření v rozmezí vlnových délek od 380 nm do 780 nm. Velikost působení světla na zrakový vjem vyjadřujeme podle světelně technických (dále fotometrických) veličin, které jsou analogické s jednotkami radiometrickými.[1][2][3] Některé případy jsou uvedeny v Tab Tab. 3-1 Odpovídající si fotometrické a radiometrické veličiny a jejich jednotky Fotometrické veličiny Světelný tok [lm] Svítivost [cd] Radiometrické veličiny Zářivý tok [W] Zářivost [W/sr] Jas [cd/m 2 ] Záře [W/sr.m 2 ] Osvětlení [lx] Ozáření [W/m 2 ] Aby se zajistila jednotnost světelně technických výpočtů s ohledem na různou spektrální citlivost jednotlivých pozorovatelů, byl zaveden tzv. normalizovaný fotometrický pozorovatel, což je myšlená osoba, jejíž zrak má spektrální citlivost danou normou. Na tuto spektrální citlivost se pak vztahují všechna fotometrická měření a veličiny.[1][3] Nazývá se též V(λ) křivka (Obr. 3-1). Obr. 3-1 Spektrální citlivost normalizovaného fotometrického pozorovatele dle CIE [3] Metody měření fotometrických veličin se dělí na: Vizuální (subjektivní) indikátorem je zrak Fyzikální (objektivní) indikátorem jsou fyzikální čidla (fotočlánky) Subjektivní metody měření jsou závislé na individuálních vlastnostech zraku různých pozorovatelů a na změnách těchto vlastností v závislosti na podmínkách pozorování. Dnes se dává přednost metodám objektivním, které využívají přesné přístroje vybavené kvalitními

17 Fotometrie 17 fotočlánky. Nahrazením zraku fyzikálními čidly jako přijímače záření se v objektivní fotometrii vylučuje závislost měření na dokonalosti zraku pozorovatele průběh křivky spektrální citlivosti fotočlánku se totiž blíží průběhu křivky spektrální citlivosti normalizovaného pozorovatele. Fotometrickým měřením můžeme zjistit řadu veličin vypovídajících o světelných vlastnostech zdrojů, svítidel, nebo osvětlovací soustavy.[1][2] Fotometrická měření můžeme dále rozlišit podle úkonu [4][5]: Obecná fotometrie např. měření fotometrických veličin zdroje, svítidla Spektrofotometrie měření spektrálních vlastností v určité části spektra (např. měření odrazných vlastností) Spektroradiometrie měření spektrálních vlastností sv. záření (např. měření spektrální hustoty záření zdrojů) Kolorimetrie měření barevných vlastností světla Obecně můžeme všechny metody měření, i fotometrické, rozdělit mimo jiné i na přímé (výsledkem je přímo hodnota měřené veličiny) a nepřímé (hodnota určité veličiny se určuje na základě výsledku přímého měření pomocných veličin, které jsou s hledanou veličinou vázané vztahem). Známe i metodu komplexní kdy je možné zjistit několik hodnot téže veličiny na jednom nebo na několika místech měřeného objektu. 3.1 Fotometrické veličiny Základem pro obecnou fotometrii je znalost základních fotometrických veličin. Pomocí těchto veličin se provádějí všechny výpočty Světelný tok Světelný tok odpovídá zářivému toku a vyjadřuje schopnost zářivého toku způsobit zrakový vjem. Jednotkou světelného toku je lumen.[2][3] Označení, jednotka: Z hlediska účinnosti přeměny elektrické energie na světlo byl definován tzv. měrný výkon. Měrný výkon je podíl výstupního světelného toku zdroje a celkového elektrického příkonu světelného zdroje. Jednotkou je lm.w -1. Maximální hodnota měrného výkonu je 683 lm.w -1, což je hodnota, při které bychom veškerou el. energii přeměnili na světelnou.[2][3] Světelný tok zdrojů či svítidel je možno stanovit buď graficko-početními metodami z naměřených křivek svítivosti, nebo přímým měřením světelného toku v kulovém integrátoru.[2] Prostorový úhel Prostorový úhel je důležitou veličinou používanou ve světelně technických výpočtech. Velikost prostorového úhlu je určena velikostí plochy, vyťaté obecnou kuželovou plochou na povrchu jednotkové koule, jejíž střed je shodný s vrcholem kužele. Jednotkou prostorového úhlu je steradián.[2][3] Označení, jednotka: Prostorový úhel se určuje vždy výpočtem. Prostorový úhel, pod nímž je ze středu koule o poloměru r vidět plocha A vyťatá na povrchu této koule, se stanoví ze vztahu (3.1).[3]

18 Fotometrie 18 (3.1) Nejvyšší hodnoty Ω max nabývá prostorový úhel pro celý prostor, tedy povrch celé koule o ploše. Prostorový úhel dω, pod nímž je vidět element plochy da z určitého bodu obecné plochy ve vzdálenosti r, se vypočte ze vztahu (3.2).[3] (3.2), kde: β je úhel, který svírá normála plošky da s osou elementárního prost. úhlu l je vzdálenost bodu pozorování a středu elementární plošky da Svítivost Svítivost můžeme definovat jako hustotu světelného toku v prostorovém úhlu, jímž tento tok prochází. Její jednotka je kandela a je jednou ze sedmi základních jednotek soustavy SI.[2][3] Označení, jednotka: Svítivost je možno stanovit pouze pro bodový zdroj, tj. pro zdroj, jehož rozměry jsou prakticky zanedbatelné ve srovnání se vzdáleností zdroje od kontrolního bodu. Svítivost bodového zdroje ve směru určeném úhlem γ je rovna sv. toku obsaženém v jednotkovém prostorovém úhlu a je tedy definována vztahem (3.3).[3] Svítivost je vektor a má tedy svou velikost a směr. Pokud spojíme všechny koncové body vektorů svítivosti od bodového zdroje světla, dostaneme tzv. fotometrickou plochu svítivosti, která vyjadřuje směrové charakteristiky vyzařování světelného zdroje. Pro snadnější popis vyzařovacích charakteristik definujeme pouze vybrané řezy touto plochou, v rovinách řezů jsou čáry svítivosti.[2][3] Svítivost se neměří přímo, ale převádí se na měření osvětlenosti. Dnes se k měření čar svítivosti, potažmo svítivosti používá tzv. goniofotometr, jehož princip spočívá v tom, že umožňuje měřit svítivost sv. zdroje v různých rovinách a pod různými úhly.[5] Osvětlenost Osvětlenost můžeme definovat jako plošnou hustotu světelného toku dopadlého na plošku světelný tok dopadne na osvětlovanou plochu a vznikne určitá intenzita osvětlení.[2][3] Označení, jednotka: (3.3) [3] Osvětlenost je v praxi nejsledovanější veličinou světelné techniky. Je určena vztahem (3.4). Pokud je osvětlenost způsobena zdrojem o známé svítivosti, můžeme osvětlenost určit z tzv. čtvercového zákona (3.5) (prostorová hustota záření klesá se čtvercem vzdálenosti).[3] (3.4) (3.5)

19 Fotometrie 19 Pro vnímání osvětlované plochy je nejvýznamnější kolmá (normálová) složka osvětlenosti. Pro normálovou osvětlenost platí vztah podle kosinového (Lambertova) zákona dopadu světla (3.6).[3], kde: β je úhel svírající dopadající paprsek a normála osvětlované plochy K měření osvětlenosti se používá objektivních přístrojů luxmetrů. Luxmetr se skládá z přijímače s korigovaným fotočlánkem (např. křemíkovým) opatřeným kosinovým nástavcem a z měřicího a vyhodnocovacího systému s indikátorem (analogový, nyní digitální).[2][3] Jas Jas je veličinou, na kterou bezprostředně reaguje zrakový orgán. Z hlediska lidského vidění je tedy nejvýznamnější veličinou. Jas vyjadřuje množství světelného toku, který se odráží od daného elementu (nebo z něj vychází), v určitém směru k místu pozorovatele.[2][3] Označení, jednotka: Praktičtěji můžeme jas vyjádřit jako poměr svítivosti, kterou disponuje svítící, nebo odrážející elementární ploška ve směru k pozorovateli, ku průmětné ploše této plošky na směr pozorování (Obr. 3-2), což lze vyjádřit vztahem (3.7).[3] (3.6) (3.7) Obr. 3-2 Definice jasu [6] Starší jednotky pro uvádění hodnoty jasu: stilb (1 stilb = cdm -2 ), Lambert (1 cdm -2 = π/10000 Lambert), apostilb (1 cdm -2 = π apostilb), fl (Foot-Lambert) (3, cdm -2 ). Způsoby, jakými je v dnešní době měřen a vyhodnocován jas, nalezneme v kapitole Světlení Světlení je definováno jako plošná hustota světelného toku vyzařovaného z plošky. Je to tedy ekvivalent k osvětlení s tím rozdílem, že u osvětlení uvažujeme světelný tok dopadající.[2][3] Označení, jednotka: Světlení je definováno vztahem (3.8). [3] (3.8)

20 Fotometrie Fyziologie zrakového systému a proces vidění Zrakový systém je složitou biologickou soustavou s komplikovanou anatomickou strukturou. Fyziologie zraku je nauka o činnosti, funkcích a nejrůznějších projevech tohoto systému. Cílem světelné techniky je zajistit takové osvětlovací podmínky, aby zrak pracoval optimálně. Jde zejména o vhodné rozložení jasu v osvětlovaném prostoru. Optimální pracovní podmínky (rozložení jasu) pro zrakovou činnost jsou nejvýznamnějším faktorem pro definici zrakové pohody. Zraková pohoda je psychologický stav, při němž zrakový systém plně plní své funkce a při kterém má člověk pocit nejen, že dobře vidí, ale cítí se i psychicky příjemně.[2][3][6] Mezní stavy zraku Pokud se blížíme k hranicím funkčnosti zraku, mluvíme o jeho tzv. mezních stavech, kdy již nelze zajistit jeho správnou činnost. Nejběžnějšími mezními stavy jsou [2][3]: Vysoká úroveň jasu Nízká úroveň jasu Nejmenší (kritický) pozorovatelný detail zraková ostrost Splývání Oslnění Vysoká úroveň jasu je nejběžnějším mezním stavem. Při vysoké hladině jasu dochází k přetěžování sítnice. Vysoká úroveň může být celková (přetěžování celé sítnice), nebo lokální (přetěžování některé části sítnice).[2][3] Nízká úroveň jasu při nízké úrovni je zraková činnost taktéž znemožněna, nebo omezena. Tento stav nastává, jestliže v místě zrakového úkonu není dostatečná úroveň osvětlení a okolí je osvětleno více (oko není schopné rozlišit kontrasty jasů viz níže). Zrak se adaptuje na celkově vyšší úroveň jasu a vlastní činnost zraku je zhoršena. Aby se dala lépe definovat rozlišitelnost jako schopnost oka rozlišit určité rozdíly jasu, byla zavedena veličina nazvaná kontrast jasu K, kterou můžeme určit ze vztahu (3.9): [2][3] (3.9), kde: L a je jas detailu L b je jas okolí detailu Nejmenší rozlišitelný rozdíl jasů se nazývá práh rozlišitelnosti jasu (prahový kontrast) K min. Převrácenou hodnotou prahového kontrastu je definována kontrastní citlivost, která závisí i na kritickém rozlišovaném detailu. Kontrastní citlivost roste s adaptačním jasem, optimálních hodnot dosahuje pro jasy přibližně 300 až 5000 cd.m -2. Hladina adaptačního jasu je pro rozeznání dvou ploch s rozdílným jasem velice důležitá.[2][3] Důležitým kriteriem pro posouzení rozlišovací schopnosti je zraková ostrost, což je veličina, jíž se oceňuje schopnost oka rozeznat vůči danému pozadí dva detaily, které jsou velmi blízko sebe. Číselně je zraková ostrost vyjádřena jako převrácená hodnota nejmenšího úhlu měřeného v minutách, pod kterým jsou dva detaily okem pozorovány. Nejmenší detail, který lze vypozorovat je nazýván kritickým detailem.[2][3]

21 Fotometrie 21 Zrakový vjem nevzniká ani nezaniká současně s popudem má časové zpoždění. Rychlost vnímání závisí na jasu detailu a s rostoucím jasem se zvyšuje. Mění-li se intenzita (jas) světelného podnětu periodicky s frekvencí vyšší než je mezní frekvence, je zrakový vjem stejný jako při světelném podnětu s intenzitou rovnou aritmetickému průměru intenzit periodického podnětu. Tuto skutečnost popisuje Talbotův zákon a mezní frekvence se nazývá frekvence splývání. Frekvence splývání určuje např. mezní obnovovací frekvenci snímků počítačových monitorů, také je příčinou vzniku stroboskopického jevu, kdy dochází k interferenci více obrazových signálů.[2][3] Oslnění Vyskytují-li se v zorném poli oka příliš velké jasy, jejich rozdíly nebo prostorové či časové kontrasty jasů, které překračují adaptabilitu zraku, vzniká oslnění. Oslnění je nepříznivý stav zraku, který vzniká, když je sítnice nebo její část vystavena jasu vyššímu, než na který je oko adaptováno.[2][7][8][9] Podle příčiny rozlišujeme oslnění: Přímé způsobené nadměrným jasem svítících částí svítidel, nebo hlavních povrchů prostoru Odrazem způsobené odrazy svítících ploch na lesklých částech pozorovaných předmětů a jejich bezprostředního okolí Přechodné způsobené při náhlé změně adaptačního jasu (přechod z tmavějšího do světlejšího prostředí), které se zrakový systém nedokáže rychle přizpůsobit Z hlediska sv. techniky je nejdůležitější oslnění kontrastem, způsobené výskytem vysokých jasů v zorném poli v porovnání s jasem, na které je zrak adaptován. Podle psychofyziologických následků se oslnění kontrastem dělí na [2][9]: oslnění psychologické pozorovatelné, rušivé oslnění fyziologické omezující, oslepující Při psychologickém oslnění zdroj vyššího jasu odpoutává pozornost od vlastního zrakového úkolu a vzniká pocit zrakové nepohody, ovšem nevyvolává měřitelné změny zrakových funkcí. Při fyziologickém oslnění již dochází k zhoršení činnosti zraku, oslepující oslnění znemožňuje činnost zraku úplně. Omezení oslnění je důležité pro vyvarování se chyb, únavy a úrazů.[2][9] Hodnocení oslnění v interiérech se zaměřuje na rušivé oslnění. Jsou-li dodrženy limity rušivého oslnění, není omezující oslnění hlavním problémem. Metodiky výpočtu vycházejí buď z určení činitele či indexu oslnění a celkové hodnocení je pak dáno dle normy, nebo se hodnotí oslnění podle jasu svítidel a k nim stanoveným mezním hodnotám jasu nebo závěsných výšek.[7][8][9] Nejužívanějším způsobem, který hodnotí oslnění, je založen na výpočtu indexu oslnění z různě modifikovaného empirického vzorce. Vzorec vychází z úvahy, že stupeň oslnění je tím vyšší, čím je vyšší jas oslňujícího světelného zdroje L z a čím větší je prostorový úhel Φ, pod nímž je zdroj vidět; a naopak stupeň oslnění klesá s rostoucím průměrným jasem pozadí L p (adaptačním jasem). Pro oslňující zdroj má vzorec tvar [2][9]: (3.10)

22 Fotometrie 22, kde L p je jas pozadí (adaptační jas) L z Ω p je jas svíticí části každého svítidla ve směru očí pozorovatele je prostorový úhel (ve steradiánech) svíticí části každého svítidla vzhledem k očím pozorovatele je činitel polohy podle Luckieshe a Gutha pro každé svítidlo podle jeho odklonu od směru pohledu. Tento činitel lze stanovit z diagramu (Obr. 3-3). a,b,c,d jsou empiricky stanovené exponenty, jejich nejčastější hodnoty jsou v Tab Tab. 3-2 Exponenty ze vztahu pro činitel oslnění dle některých autorů [9] autor exponent a b c d Netušil 1 0,4 0,5 1 Harison 2 1 0,6 1 Arndt, Bodman, Muck 1 0,33 0,66 1 Hopkinson 1,6 0,8 1 1,6 Sörensen Nyní se nejčastěji používá systém UGR (unified glare rating), který je i doporučen Mezinárodní komisí pro osvětlování (CIE). Pro n oslňujících zdrojů má vzorec tvar (Sorensův vzorec): [7] [8] (3.11) Hodnota UGR osvětlovací soustavy nesmí přesáhnout hodnoty uvedené normě ČSN EN Mimo UGR existují i další systémy hodnocení oslnění. Např. dřívější německý systém oslnění podle DIN 5035, který umožňuje hodnotit globálně celou osvětlovací soustavu. [2] Obr. 3-3 Diagram a geometrické uspořádání pro stanovení činitele polohy [2]

23 Principy měření jasu 23 4 PRINCIPY MĚŘENÍ JASU V této kapitole si uvedeme momentálně využívané principy měření jasu a zmíníme se o problémech a chybách těchto principů. 4.1 Metodika měření a hodnocení jasů Během vývoje techniky osvětlování se soustředila pozornost zejména na úrovně osvětlení. Měření jasů, s ohledem na náročnost měřících přístrojů, byla spíše výjimečnou záležitostí, ačkoliv je známo, že jas (popř. kontrast jasů) je jediná sv. veličina, kterou zrakový orgán vnímá. [10] V současné době je k dispozici celá řada kvalitních jasoměrů, nastupuje zcela nový systém měření a hodnocení jasových úrovní jasovými analyzátory pracujících na systému kalibrovaných digitálních kamer (fotoaparátů). Měření jasů se provádí např. pro tyto účely [10]: Zjištění jasu světelných zdrojů měření se provádí jasoměrem v jednom bodě, pokud se viditelná velikost průmětu světelného zdroje blíží velikosti zorného pole jasoměru. V zorném poli musí být měřená plocha a jasoměr musí být na ni zaostřen. Pokud je zdroj větší a zorný úhel jasoměru nelze zvětšit, musí se měřit ve více bodech tak, aby jednotlivá zorná pole jasoměru porkyla měřený předmět. Z těchto hodnot se spočítá aritmetický průměr. Pomocí jasového analyzátoru můžeme pomocí jedné fotografie získat celkový přehled o jasu sv. zdroje v každé jeho světelně činné plošce. Zjištění rozložení jasů v zorném poli při tomto měření je jasoměr umístěn na stativu v místě, kde se při práci nachází zrakový orgán. Naměřené hodnoty se vyznačí buď na fotografii, nebo na perspektivním nákresu tohoto místa. Hodnoty lze uvést do tabulky, ale musí se zaznamenat vertikální i horizontální úhel jasoměru, při kterém byly naměřeny. Pomocí jasového analyzátoru získáme pomocí jednoho snímku celkový přehled o jasu ve scéně. Měření jasu veřejného osvětlení měříme průměrný jas vozovky jasoměry z místa pozorovatele, které se předpokládá 1,2m nad vozovkou v ¼ šírky komunikace ve vzdálenosti 60m. I toto měření lze provést pomocí jasového analyzátoru, který pomocí jednoho snímku zachytí celkový přehled o jasu ve scéně. 4.2 Konvenční metody měření jasu Měření jasu konvenčními metodami lze provést měřením přímým, či nepřímým. Uvedeme si obě metody měření a zmíníme se o problémech a chybách, které mohou při tomto měření nastat Přímá měření jasu Pro přímé měření jasu se používá jasoměrů vizuálních nebo fyzikálních. U vizuálního jasoměru je princip jasný v zorném poli se porovnává neznámý jas s jasem uměle vytvořeným vlastním zdrojem instalovaným v přístroji. [1][2] Většina fyzikálních jasoměrů je založena na měření sv. toku procházejícího clonou určitého tvaru a velikosti a v rovině této clony se zobrazuje zorným polem vymezená ploška, jejíž jas se určuje. Princip fyzikálního jasoměru můžeme popsat pomocí Obr. 4-1 [1][2]:

24 Principy měření jasu 24 Obr. 4-1 Schématické zobrazení principu objektivního jasoměru [2] Na přijímač (fotočlánek) je nasazena uvnitř černá trubka T, která je vpředu opatřena clonkou s kruhovým otvorem C, čímž je vymezen prostorový úhel Ω, v němž dopadají paprsky z měřené plochy na fotočlánek F. V tomto uspořádání se fotočlánkem změří normálová osvětlenost přijímací plochy čidla. Střední jas plochy vymezené prostorovým úhlem na sledovaném povrchu se pak určí ze vztahu [1][2]: Při měření jasoměrem zjišťujeme střední hodnotu jasu měřené plochy, kterou vymezuje optika přístroje v závislosti na vzdálenosti jasoměru od měřeného povrchu. Musíme tedy dbát na to, aby měřená plocha zahrnovala pouze povrch, jehož jas hodnotíme.[1][2][10] Podle velikosti plochy, jejíž jas se vyhodnocuje, (resp. velikosti clon určujících zorný úhel přístroje) se rozlišují jasoměry [1][2]: (4.1) Bodové měření jasu velmi malých ploch (např. pozorovaných pod úhlem 6 minut) Integrační zjišťování jasu větších ploch (pozorovaných pod úhlem např. 2 stupně) Podle CIE se jasoměry člení do čtyř tříd přesnosti označených písmeny L, A, B a C. Uvedeným třídám přesnosti odpovídají celkové přípustné chyby jasoměrů 5%; 7,5%; 10% a 20%. [1][2] Jako příklad měření jasoměrem uvedeme měření pomocí jasoměru Konica Minolta LS-100. Tento digitální jasoměr firmy Konica Minolta vyšetřuje bodově průměrný jas v zorném úhlu 1. V Tab. 4-1 je soupis některých jeho základních parametrů. Jeho princip můžeme vysvětlit pomocí Obr Obr. 4-2 a) jasoměr Konica Minolta LS-100 b) jeho optický systém [10] L 1 čočka objektivu C mřížka L 2 systém čoček hledí F filtr korekce spektrální citlivosti M vysoce odrazivé zrcadlo D silikonový fotočlánek S 1 mez apertury P hranol S 2 mez pole G zaostřovací plocha

25 Principy měření jasu 25 Světlo z měřeného objektu prochází čočkou objektivu a mezí apertury. Malá část světla se odráží od zrcadla a převážná část prochází dále. Toto záření prochází štěrbinou, filtrem na korekci spektrální citlivosti a dopadne na silikonový fotočlánek., který převede sv. záření na analogový el. signál. Tento signál je pomocí A/D převodníku převeden na digitální signál. Světlo odražené hranolem je směřováno k ostřícímu systému, aby zajistilo obraz v hledí. Měřená plocha je vyznačena na průhledné plošce v hledí a vnitřní displej umožňuje, aby mohl uživatel najednou vidět jak měřený objekt, tak i změřenou hodnotu jasu.[10] Při samotném měření již postupujeme podle zvolené metodiky a účelu měření. Chceme-li například zjistit rozložení jasů v zorném poli pozorovatele či v nějakém prostoru, musíme jasoměr umístit na stativ na místo pozorovatele a změřit jednotlivé hodnoty jasu, tyto hodnoty pak vyznačit na nákresu. Tab. 4-1 Tabulka s vybranými parametry jasoměru Konica Minolta LS-100 [11] Optický systém min. ohnisková vzdálenost f: 85mm; průměr clony: f/2,8 Měřící úhel 1 Jednotky jasu cd.m -2 nebo fl Rozsah měření (pro odezvu jasoměru) Rychlá: 0,001 až cd.m -2, pomalá: 0,001 až cd.m -2 Přesnost (pro norm. světlo typu A) 0,001 až 0,999 cd.m -2 - ±2% ±2 hodnoty z naměřené hodnoty 1 a více cd.m -2 - ±2% ±1 hodnoty z naměřené hodnoty Možnosti měření Jas, kontrast Nepřímá měření jasu Nejsou-li k dispozici jasoměry, můžeme použít měření nepřímé. Při nepřímém měření jasu můžeme použít luxmetr pro měření osvětlenosti E plochy. Při znalosti činitele odrazu ρ, pak můžeme jas dopočítat dle vzorce [2]: Hodnota činitele odrazu ρ lze informativně určit měřením pomocí luxmetru nejprve se změří osvětlenost E d odpovídající toku dopadajícímu na uvažovanou plochu, poté se článek umístí proti odrážející ploše do takové vzdálenosti, aby údaj měřicího přístroje byl ustálený a vyloučila se tak chyba zastíněním odrážejícího povrchu čidlem. V této poloze se změří osvětlenost odpovídající odraženému světlu E odr. Hledaný činitel odrazu je pak podílem takto změřených osvětleností [2]: Problémy a chyby při měření jasu Už z principu je jasné, že při použití konvenčních metod, například bodového jasoměru, může vzniknout problém s určením místa, kde byl jas měřen, navíc bychom museli změřit velké množství hodnot, různě přemisťovat jasovou kameru, může vzniknout nepřesnost měření způsobená změnou světelných podmínek atd. Kromě těchto metodických problémů při konvenčním měření jasu musíme brát na zřetel zdroje chyb, které mohou zapříčinit chybu, ať už při přímém, či nepřímém měření. (4.2) (4.3)

26 Principy měření jasu 26 Chyba měřicího přístroje s chybou měřicího přístroje se musí vždy počítat. Například u jasoměru Konica Minolta LS-100 je deklarována chyba 2% při měření jasu normalizovaného světla typu A. Toto zařízení je přiřazeno do třídy přesnosti B. Proto celková chyba (včetně nejistot, viz. níže) tohoto zařízení se může pohybovat kolem 6-10%. Při nepřímých měřeních musíme uvažovat chyby jednotlivých použitých přístrojů. Nejistota měření každá měření jsou poznamenána nejistotou. Nejistota charakterizuje rozsah naměřených hodnot okolo výsledku měření, který lze zdůvodněně přiřadit k hodnotě měřené veličiny. Nejistota měření se týká nejen výsledku měření, ale i měřicích přístrojů, hodnot použitých konstant, korekcí apod., na kterých nejistota výsledku měření. [2][27] Standardní nejistoty se dělí na standardní nejistoty typu A a typu B. Udávají se buď samostatně bez znaménka, nebo za hodnotou výsledku se znaménkem ±. Označují se písmenkem u s indexem dané nejistoty. Standardní nejistoty typu A, u A jsou způsobovány náhodnými chybami, jejichž příčiny se považují všeobecně za neznámé. Stanovují se z opakovaných měření stejné hodnoty měřené veličiny za stejných podmínek. Tyto nejistoty se zmenšují se stoupajícím počtem opakovaných měření. Přitom se předpokládá existence náhodných chyb s normálním, nebo rovnoměrným rozdělením. Je-li n nezávislých stejně přesných pozorování, bude odhad výsledné hodnoty reprezentován hodnotou aritmetického průměru.[27] Příslušná nejistota se určí jako směrodatná odchylka této výsledné hodnoty, tedy výběrového průměru [2]: (4.4) ( ) ( ) (4.5) Standardní nejistoty typu B, u B jsou způsobovány známými a odhadnutelnými příčinami vzniku. Jejich identifikaci a základní hodnocení provádí experimentátor. Jejich určování nebývá vždy jednoduché. U složitých měřicích zařízení a při zvýšeném požadavku na přesnost, se musí provést podrobný rozbor chyb, což vyžaduje značné zkušenosti. Tyto nejistoty vycházejí z různých zdrojů a výsledná nejistota typu B je dána jejich sumací přitom nezávisí na počtu opakovaných měření.[2][27] Při rozboru nejistot světelně technických měření je třeba přihlédnout k dílčím nejistotám vyplývajícím zejména z těchto možných zdrojů odchylek [2]: nejistota kalibrace přístroje (uvedena v kalibračním listu) nejistoty plynoucí z možných odchylek měřidel, zvláště vlivem chyby spektrální, směrové, linearity, displeje, únavy fotonky, teploty, modulace světla, vyrovnání, citlivosti na UV a IR záření nejistoty plynoucí z chyb metody (postupu) měření, zvláště vlivem chyby plošné a výškové umístění fotonky, směrování jasoměru, časového souběhu odečítání, nestability napájecího napětí, počtu a umístění měřících bodů nejistoty plynoucí z postupu vyhodnocování, zvláště vlivem chyby zaokrouhlování, korekcí na kalibrační křivku, korekcí na druh světla. Při znalosti zdrojů nejistot typu B z ib, určíme dílčí nejistoty typu B podle vztahu (4.6), kde součinitel k vychází ze zákona rozdělení, kterým se příslušné zdroje řídí. Nejčastěji se uvažuje rozdělení normální (Gaussovo), nebo rovnoměrné (pravoúhlé). Normální rozdělení přichází v úvahu, pokud je sledovanou chybou zatížen jen malý počet měření. Není-li však možno v rámci

27 Principy měření jasu 27 daného intervalu předpokládat soustředění odchylek a zmíněná chyba se může v daném intervalu vyskytnout kdekoliv, uvažuje se rozdělení rovnoměrné.[2][27] Při znalosti zdrojů dílčích nejistot typu B dále můžeme dle vzorce (4.7) určit celkovou nejistotu typu B.[2] (4.6) (4.7) Kombinovaná standardní nejistota C, u C je sumací nejistot typu A a B. Hodnotí-li se výsledek měření touto nejistotou, není třeba rozlišovat nejistoty typu A a B. Kombinovaná standardní nejistota udává interval, ve kterém se s poměrně velkou pravděpodobností může vyskytovat skutečná hodnota měřené veličiny.[2][27] V praxi se dává této nejistotě přednost a vypočítá se následovně [2]: (4.8) Pravděpodobnost, že rozdíl mezi naměřenou a pravou (skutečnou) hodnotou nepřekročí určenou standardní nejistotu, závisí na rozdělení chyb. Při normálním rozdělení chyb je tato pravděpodobnost 68,3 % a při rovnoměrném rozdělení 57,7 %. Pro praktické použití jsou však uvedené hodnoty pravděpodobnosti nízké. Udává se proto rozšířená standardní nejistota U, která se stanoví z výrazu [2]: Činitel rozšíření k U se obvykle volí roven dvěma. V takovém případě je pravděpodobnost, že pravá hodnota leží v intervalu kolem naměřené hodnoty, při normálním rozdělení chyb 95,5 %, při rovnoměrném rozdělení chyb prakticky 100 %.[2] Při světelně technických měřeních, ať už vizuálních nebo fyzikálních, je tedy nutné pro dosažení správných, srovnatelných a reprodukovatelných výsledků dodržet řadu podmínek, jako např.: měření nesmí být ovlivněna rozptýleným světlem, optické části fotometrů nesmí být zaprášeny, dostatečná fotometrická vzdálenost (pro možnost uvažování bodového zdroje), stabilita přístrojů, zahřátí zdroje na provozní teplotu, aj. Podle normy ČSN by pak rozšířená nejistota měla být: u měření přesných U 8 [%], provozních 8 < U 14 [%] a orientačních 14 < U 20 [%]. [2] 4.3 Nové metody měření V této kapitole si popíšeme novou metodiku měření a hodnocení jasů pomocí jasových analyzátorů, jejich funkci a princip. Dozvíme se, jaké problémy a chyby měření s touto metodikou souvisí Princip jasového analyzátoru Měření jasu konvenčním jasoměrem, jako je naznačeno v kapitole 4.2.1, je sice jednoduché, ale zároveň vznikne i několik problémů i chyb měření, tato metodika tedy není vždy optimální. Dnes je možná jasová analýza pomocí digitální fotografie s využitím jasových analyzátorů, což jsou v podstatě kalibrované digitální fotoaparáty (jasové kamery). Dnešní přístroje pro záznam obrazů s CCD nebo CMOS snímači, poskytují možnost zaznamenat scénu s informacemi o rozložení jasu ve scéně, jedná se tedy o metodu komplexní. Výstupem digitálních fotoaparátů je fotografie s velkým rozlišením, což je datový záznam obrazu původní scény.[9][12][13] Schématické zobrazení jasového analyzátoru a princip jeho funkce naznačuje Obr. 4-3: (4.9)

28 Principy měření jasu 28 Obr. 4-3 Princip jasového analyzátoru [28] Jasový analyzátor sestává z dig. fotoaparátu (kamery) s CCD nebo CMOS snímačem, upevněným na stativu nebo kamerovém jeřábu, z důvodu pohybu po vertikální nebo horizontální ose, či pevného umístění pro přesnější získání obrazů scény. Dig. fotoaparát, který musí být kalibrovaný pro měření jasu, zaznamená jas scény pomocí fotografie a v podobě tohoto datového záznamu (výstupních digitálních signálů) jej předá k dalšímu vyhodnocení. Součástí analyzátoru je software, který provádí převod snímku na jasovou informaci a umožňuje dále vyhodnocovat získaná data a informace o jasu scény. Součástí tohoto softwaru mohou být mimo jiné také algoritmy určené pro komunikaci s fotoaparátem, například pro nastavení jeho vstupních parametrů (expoziční časy, aj.) Digitální fotoaparáty a jejich senzory Snímač (senzor) digitálního fotoaparátu obsahuje miliony světlocitlivých buněk pixelů, které se skládají z menších buněk subpixelů. Každý typ subpixelu má svou spektrální citlivost a dokáže rozeznat barevný vjem dopadajícího světla. Ve většině případů se používá soustava RGB, přičemž na každý pixel se díky barevné masce umístěné před senzor propouští pouze červená, zelená a modrá barva. Výsledná barva bodu na fotografii je pak dána interpolací barev sousedních bodů. Nejčastější je tzv. Bayerova interpolace těchto barev. Využívá toho, že lidské oko je nejcitlivější na žlutozelenou barvu a proto je informace o této barvě pro něj nejdůležitější. Proto také má Bayerovský filtr (Obr. 4-4) dvojnásobný počet zelených buněk oproti buňkám červeným a modrým.[14][15][16][17] Obr. 4-4 a) Rozmístění barev v Bayerově uspořádání b) interpolace barev [14]

29 Principy měření jasu 29 CCD Charged Coupled Device v překladu,,nabité vázané prvky není nic jiného než posuvný registr vystavený působení světla. Tyto čipy mají schopnost pomocí polovodičů převádět světlo na elektrický signál. Čip se skládá z několika vrstev mezi nejdůležitější patří polovodičová (Si) a pro elektrony nepropustná (SiO 2 ). Je také tvořen sítí elektrod, které rozdělují čip na menší pole tzv. nábojové studny (pixely), které hromadí elektrony. Počet pixelů je jedna z nejdůležitějších informací. Když světelné fotony dopadnou na polovodič, předají energii a z polovodiče se uvolní elektrony, ty jsou však drženy pozitivním nábojem elektrod na jednom místě. Na Obr. 4-5 je vidět, že na pixel vlevo dopadlo více fotonů, a je tedy u jeho elektrody shromážděno více elektronů než u pixelu vpravo. Pokud se na elektrody přivede, v tomto případě trojfázový (existují i dvojfázové nebo čtyřfázové čipy) signál, elektrony se přelévají z jedné nábojové studny do sousední atd. Ty elektrony, které doputují na okraj pole, jsou snímány a předány výstupnímu zesilovači, který je převede do silnějšího elektrického signálu (napětí), tedy zpracovatelného dalšími částmi přístroje. Signál je dále přes A/D převodník předán k dalšímu zpracování.[14][15] Obr. 4-5 Princip CCD snímače [15] CMOS je zkratka pro Complementary Metal Oxide Semiconductor. Na rozdíl od CCD má každá elementární buňka vlastní obvody pro odvedení a měření vygenerovaného náboje. Jednotlivé CMOS buňky pak fungují víceméně nezávisle. Speciální obvody pro každou buňku jsou nutné, neboť je třeba odfiltrovat náhodný (šumový) náboj, který je jiný u každé elementární buňky. Pomocné obvody zabírají značnou část každé buňky. Uvádí se dokonce i tzv. faktor zaplnění, který vyjadřuje, jak velká část buňky funguje jako světlocitlivá plocha. Obecně platí, že čím větší je velikost světlocitlivé plochy, tím je kvalita snímání vyšší.[14][16][18] CCD vs. CMOS shrnutí (Tab. 4-2): CCD senzor má z principu funkce nižší šum a vyšší kvalitu obrazu. CMOS senzory se ale stále dramaticky zlepšují, tento senzor má navíc celou řadu výhod již zmíněnou nižší cenu, nižší složitost okolí, menší spotřebu, možnost vysoké integrace a tím i vyšší rozlišení. Principiální rozdíl mezi CCD a CMOS je patrný na Obr [16][18] Tab. 4-2 Srovnání senzorů CCD a CMOS CCD CMOS Cena Dražší než CMOS Levnější - využívá standardní technologii Odběr Odebírá cca 50x více než CMOS Menší než u CCD Šum Malý - velká kvalita obrazu Větší než u CCD Složitost Velká - mnoho obvodů mimo senzor Malá - vše potřebné je přímo v obvodu senzoru Funkčnost Omezená - komplikovaný přenos buněk Vysoká - maticově adresovatelné buňky Rychlost Nízká - sekvenční čtení Vysoká - adresné čtení

30 Principy měření jasu 30 Obr. 4-6 Principiální rozdíl mezi CCD a CMOS snímači [18] Využití digitální fotografie k jasové analýze Jak již bylo řečeno, výstupem digitálních fotoaparátů je fotografie s velkým rozlišením. Transport informace o jasových hodnotách rozložených v prostoru zajišťuje světelný tok, jehož svazky jsou systémem optiky směrovány na světlocitlivou vrstvu, kde vyvolá patřičné reakce na částech média. Zatímco oko nebo fotočlánek reagují na okamžitý výkon sv. záření, fotografický senzor (např. CCD) registruje celkovou energii. Při statických scénách a při krátkých a konstantních expozičních časech můžeme reakci senzorů vztáhnout přímo k velikosti jasu snímané scény i s jejím prostorovým rozložením což je předpoklad umožňující využití této techniky při snímání nebo měření rozložení jasu.[9][12][13] Pro jasovou analýzu je nutné, aby data v digitálním fotoaparátu co nejvíce odpovídaly obrazu zachycenému čipem. Obecně závisí na barevné hloubce (viz kap A/D převodníky) a zpracování a ukládání získaného obrazu, jež se může zpracovat do formátu JPEG, TIFF nebo RAW.[4][12] Postup při zpracování obrazu, ze kterého vyplývají i výhody/nevýhody použitých formátů je na Obr Obr. 4-7 Zpracování a uložení obrazu do formátů JPEG, TIFF a RAW [16]

31 Principy měření jasu 31 K získání dat pro kvalitní jasovou analýzu může sloužit použití formátu fotografie RAW, ve kterém jsou uložené data z digitálního fotoaparátu přesně tak, jak je senzor zachytil. Formáty JPEG a TIFF jsou méně vhodné vzhledem k ovlivnění dat Bayerovou interpolací, kompresí, atd. Ovšem samotná analýza z formátu RAW lze provést až po přesném kalibrování fotoaparátu na měření jasu.[4][12] Využití HDR fotografie HDR technologie umožňuje větší dynamický rozsah expozice, tj. poměr mezi nejsvětlejším a nejtmavším bodem scény, než je u normální snímací techniky. Získáme tak jasovou scénu zachycenou se širokým rozsahem jasů od velmi malých po vysoké hodnoty. Fotografii HDR tak s výhodou můžeme využít při jasové analýze světelných zdrojů, vzhledem k dobře čitelným světlým i tmavým místům i při vyhodnocování oslnění metodikou UGR. Cílem HDR technologie je zprostředkovat focenou scénu tak, jak je viděna zrakem. Snímací čip fotoaparátu má totiž značné omezení nedokáže zachytit tak velký rozsah jasů. Lidský zrak se může přizpůsobit dynamickému rozsahu : 1 (od jasu hvězd až po jasné objekty v plném slunečním záření). Oko však není tak flexibilní, pokrývá dynamický rozsah asi : 1 v první okamžik, i tak tedy je větší než rozsah většiny reálných scén. Porovnání dynamických rozsahů popisuje Obr. 4-8.[19] Obr. 4-8 Stupnice dynamických rozsahů [19] Pakliže chceme získat HDR fotografii, v první řadě se musí získat dostatek informací o jasu scény toho se docílí vytvořením několika fotografií v různých expozicích, čímž se pokryje celý dynamický rozsah. Nejjasnější údaje musí být jasně viditelné v co nejkratší expozici a nejtmavší v co nejdelší expozici obrazu. Doporučené je nastavit expoziční časy tak, aby krok expoziční hodnoty (EV Exposure Value, viz kap ), mezi snímky byl 1 nebo 2 EV. Ve většině případů 3 snímky stačí.[19][20] Aby se obrazová sekvence snímala automaticky pomocí digitálního fotoaparátu, může se využít automatické posouvání expozice Auto Exposure Bracketing (AEB). Pro dosáhnutí co nejlepších výsledků by obrazy neměly být příliš nevyrovnané a proto je potřebné fotit s kamerou na stativu.[19][20] Finální vytvoření HDR snímku spočívá ve spojení všech snímků do jednoho, který, jak bylo řečeno, překrývá celý dynamický rozsah zaznamenané scény. Výsledkem celé operace je obraz se skutečným vysokým dynamickým rozsahem HDR. Příklad je na obrázku 4-9 a) přexponovaný snímek; b) průměrně naexponovaný snímek; c) podexponovaný snímek; d) výsledná HDR fotografie.

32 Principy měření jasu 32 Obr. 4-9 Vytvoření HDR fotografie [21] Kalibrace dig. fotoaparátů, výpočet jasu Digitální fotoaparáty musí být před použitím na měření jasu kalibrovány. Kalibrace definuje, která výstupní digitální hodnota se vztahuje na který vstupní signál jasu. Jak bylo řečeno, snímač (senzor) digitálního fotoaparátu obsahuje miliony pixelů, skládající se ze subpixelů. Každý typ subpixelu má svou spektrální citlivost a dokáže rozeznat barevný vjem dopadajícího světla. Ve většině případů se používá soustava RGB. Vhodnou kalibrací je možné získat citlivostní funkce, které dostatečně přesně popisují, jaká je odezva signálu jednotlivých buněk na dopadající světlo, tzn., že je možné zpětně ze změřeného signálu vypočítat původní jas plochy, kterou zachytil ten či onen pixel.[12] Cílem je najít takové koeficienty, kterými by se násobily jednotlivé hodnoty vybuzených R, G a B kanálů a nalezení správné jednotkové (součet koeficientů je roven 1) lineární kombinace tak, aby pro každou kompozici vyšel správný jas, a to s uvažováním všech korekčních (kompenzačních) veličin. Často bývá složité získat relevantní kalibrační funkce dnes není známa nějaká přesná metodika, taková funkce se získává experimentálně (jednou z možností je srovnání s kalibrovaným přístrojem přesným jasoměrem) pro jednotlivé fotoaparáty, protože každý fotoaparát může mít jiné vlastnosti.[29] Při kalibraci je nutné brát v potaz ovlivnění řadou faktorů, které jsou mimo jiné popsány v kapitole 4.3.5, a také to, že jasové podmínky se mění od variace expozice. Expoziční hodnota (EV) je definována v ISO EV je absolutní veličina, poukazující na množství osvětlení, ve kterém fotografujeme. V praxi to znamená to, že večer budeme fotografovat při zcela jiné EV, než za slunečného dne. Pomocí EV tak označujeme intenzitu světla přicházejícího do fotoaparátu.[26][30] Každá hodnota reprezentovaná hodnotou expozice kombinuje čas uzávěrky t a clonové číslo F [26]: (4.10)

33 Principy měření jasu 33 Expozici snímku ovlivňují 3 faktory, již zmíněný expoziční čas, což je doba jak dlouho světlo působí na senzor, dále clonové číslo, tj. průměr kruhového otvoru ve středu objektivu a ISO citlivost, což je elektronicky řízená citlivost senzoru na světlo. Hodnotě 0EV odpovídá takové množství světla, při kterém budeme šedou tabulku správně exponovat při expozici 1 sekunda, cloně f1 a citlivosti ISO100. Průběh stupnice EV ovšem není přírůstkový, nýbrž násobkový. Každé zdvojnásobení množství světla na fotografované scéně tak odpovídá přírůstku EV o 1. Jinak řečeno, sousední hodnoty EV (mění se po jednotkách) odpovídají dvojnásobné nebo poloviční intenzitě osvětlení.[30] Tab. 4-3 jednoduchým a souhrnným způsobem poukazuje, jakým hodnotám EV odpovídají optimální hodnoty expozičních časů a clon při ISO100: Tab. 4-3 Expoziční hodnoty odpovídající nastavení exp. času a clony [30] Hodnota EV (ISO100) Čas uzávěrky t Clonové číslo F / / / / / Pokud zvýšíme ISO citlivost 2x (např. z ISO 100 na ISO 200), ke stejné expozici stačí poloviční množství světla. Čas uzávěrky a clonové číslo (vždy 1,4 násobek předchozího) natavujeme vždy podle určité řady. Např. při času uzávěrky 1/30 a clonovém číslu 5,6 dosáhneme expoziční hodnoty 10 EV a tedy zhruba pětisetnásobku množství světla ve fotografované scéně. Rozsah množství světla od 1 EV do 10 EV udává tedy poměr jasů 1:500, rozsah 1 EV 15 EV poměr jasů zhruba 1:16000 atp. S rozdílem aktuální hodnoty expozice, kalibrační hodnoty a digitálního výstupu můžeme určit jas scény.[30] Další fází potřebné k analýze jasu z digitální fotografie je výpočet jasu. Kalibrace je chápaná jako základ pro všechny výpočty jasu, nejprve se tedy přiřadí výstupní data k jasu v kalibrační funkci a následně se provede přepočet na jasovou informaci. Jednou z možností je transformace výstupních dat na hodnotu CIE Y křivka CIE XYZ je téměř rovnocenná se spektrální citlivostí lidského oka. Tato hodnota je tedy schopná umožnit přímý přehled o jasu barev. Ve vnitřním zpracování obrazu ve fotoaparátu se lineární RGB údaje fotoaparátu (tedy data závisející od zařízení) přibližují barevné ploše XYZ lineární transformací. Dále se předpokládá, že výstupní údaje digitálního fotoaparátu se nacházejí v barevné ploše srgb. [26] Proto je možné vypočítat hodnotu CIE Y použitím následující rovnice pro lineární srgb data [26]: (4.11) Další možností je výpočet s hodnotou expozice (EV). Co je hodnota expozice a čím je určovaná je řečeno výše. Na získání aktuálního jasu musíme vynásobit jas kalibrace určitým faktorem. Tento faktor má obsahovat rozdíl expozice mezi kalibrací a novou expozicí. Z definice jasu obrazového senzoru a definice hodnoty clony a expozice můžeme odvodit následující rovnici [26]: ( ) (4.12), kde X cal hodnoty kalibrace X new hodnoty aktuální expozice

34 Principy měření jasu Zdroje chyb digitálních fotoaparátů Nyní si uvedeme, jaké chyby a problémy mohou ovlivnit měření jasu u jasových analyzátorů. Souvisí hlavně s nastavením a přesnosti měření digitálního fotoaparátu. Nastavení clony a expozičního času přesnost přizpůsobení clony a uzávěrky je spojená s odchylkami (DIN 19016). Tyto odchylky můžeme zjistit například měřením expoziční doby a porovnáním s časem na fotoaparátu. Můžeme použít metodu, kdy vyfocením několika LED zdrojů, které se rozsvěcují jeden po druhém s nastavitelnou frekvencí, snadno určíme skutečný čas uzávěrky. Tak můžeme zjistit, že nastavení času uzávěrky fotoaparátu, například 1/250 sekund, je ve skutečnosti součástí expozičního času 1/200 s, který je ekvivalentní s dalším nastavením času expoziční stupnice. Elektronickou uzávěrku je možné upravit mnohem přesněji než mechanickou. U fotoaparátů, které mají elektronickou uzávěrku, je čas expozice vyjádřený meta daty velmi přesné číslo - např. 1/7.5 s, 1/28 s, nebo 1/58 s. Nepřesnost v nastavení uzávěrky a clony degeneruje vypočítanou hodnotu expozice a následně i výslednou hodnotu jasu.[26] Nastavení ISO stanovení citlivosti digitálního fotoaparátu je zdokumentované v ISO Každý CCD, nebo CMOS senzor má přirozenou citlivost. Tato přirozená citlivost závisí od základní kvantové účinnosti procesu foton-elektronické konverze, fyzické velikosti pixelů a hloubky potenciálu použité na sběr elektronů. Jestli je pro správnou expozici nutná vyšší citlivost než původní citlivost čipu, elektrony uložené na snímač se zesílí. Toto zesílení se získává prostřednictvím automatického ziskového kontroleru na čipu. Bohužel zvyšováním citlivosti také zesílí šum. Jak je uvedené níže, šum negativně ovlivňuje měření jasu. Hlavním problémem na dosáhnutí spolehlivých výsledků měření jasu je dosáhnutí spolehlivého zesílení signálu. To znamená, že ovládání automatického ziskového kontroleru musí být důkladně kalibrované. Ovšem i to nemusí být nutné, protože například ISO citlivost 100 je ve skutečnosti rovnocenná s ISO 80 (tato reálná hodnota nebude zachycená v metadatech). To vede k chybám, protože výsledek se pak počítá použitím nesprávné hodnoty.[26] Stálost expozice stálost expozice závisí hlavně od schopnosti přesně reprodukovat nastavení clony a uzávěrky. Clona a uzávěrka zřejmě nemají stejné časy expozice přijaté úspěšně, ačkoliv expozice byly uskutečněné se stejným nastavením clonového čísla a času expozice. Důvodem je omezená přesnost mechanických částí.[26] A/D převod v předchozích kapitolách jsme si řekli, že obrazové senzory ukládají obrázky ve formě elektronů generovaných absorbovanými fotony. Tento elektrický náboj je pak převedený na napětí, které je zesílené na úroveň, při které může být dále zpracované z analogového na digitální A/D převodníkem. A/D převodník třídí nepřetržité hodnoty napětí do více přerušovaných číselných digitálních hodnot. Tento krok obsahuje nevyhnutelnou ztrátu údajů a chybu zaokrouhlování, nazývanou kvantovací chyba. Tato chyba se může zredukovat rozšířením hloubky kvantování, která je definovaná počtem bitů - barevnou hloubkou. Barevná hloubka A/D převodníku digitálních fotoaparátů může být podmíněná dynamickým rozsahem senzoru. Čím vyšší je dynamický rozsah, tým vyšší hloubka kvantování musí být použitá s cílem vyhnout se ztrátě informací. Dnes je většina digitálních fotoaparátů vybavená 10 až 14 bitovými A/D převodníky.[26] Vyvážení bílé na měření jasu s digitálním fotoaparátem je nejlepší metodou na přizpůsobení vnímání lidského oka nastavení automatického vyvážení bílé. Algoritmy odhadovaného jasu při automatickém vyrovnávaní bílé jsou vyvinuté na správnou a přirozenou reprodukci scény tak, jak by to vnímalo lidské oko. Manuální nastavení vyvážení bílé příliš mění barevné odstíny například objekt osvětlený žárovkou se po manuálním vyvážení bílé barvy zobrazí příliš namodralý. Tento dojem z obrázku neodpovídá vnímání lidským okem a opět vede k chybám při měření jasu.[26]

35 Principy měření jasu 35 Šum každý krok zahrnující formování obrázku je ovlivněný šumem. Existují různé zdroje šumu. Mohou být klasifikované jako Fixed Pattern Noise (pevný obraz šumu - FPN) a Random Noise (náhodný šum - např. šum fotonového záběru, šum tmavého záběru a tepelný šum). FPN se v podstatě nemění z obrazu na obraz. Proto v ideálním případě může být odstraněný vytvořením záběrů v nepřítomnosti signálu a odčítáním tohoto obrazu od reálného obrazu. Random noise, jak už název napovídá, nemůže být odstraněný tak lehce, jako FPN. Zdroje šumu závisí na určitých parametrech, jako je teplota, čas expozice aj. Měření jasu na jediný pixel může vést k chybě, protože je možné, že může mít špatný odstín (vlivem šumu). Proto, když chceme minimalizovat vliv šumu na měření jasu, musíme na hodnocení brát v úvahu průměrnou hodnotu několika pixelů.[26] Transformace barev ve vnitřním zpracování obrazu fotoaparátu jsou dvě transformace barev. Účelem dekódování barvy scény je reprezentace údajů závislých od zařízení do kolorimetrického prostoru nezávislého od zařízení. Tato transformace, jak bylo stručně popsáno výše, je lineární: RGB cam M(3x3) RGB unred. Protože odpověď fotoaparátu (RGB cam ) je nekolorimetrická, dá se předpokládat, že se hodnoty fotoaparátu přesně neshodují s hodnotami kolorimetrického barevného prostoru lineární transformací (lineárnost je odůvodněná jednodušší a účinnější implementací v systému). Výrobci fotoaparátů se pokouší najít optimální matici M(3x3) s cílem dosáhnout minimální rozdíl mezi oběma barevnými prostory. Tato operace je obyčejně jen odhadem a proto výsledné údaje (RGB unred ) nejsou přesně kolorimetrické. Tato skutečnost taktéž ovlivňuje přesnost měření jasu.[26] Vinětace světlo dopadající na snímač je zeslabené kvůli geometrickým účinkům. Zachycení objektu mimo osy objektivu je spojené s poklesem jasu v periferních oblastech obrazu. Tento efekt je známý jako vinětce ztmavení rohů obrazu. Existují dva typy výskytu vinětace vinětace přirozená a umělá. Přirozená vinětace je přirozená každému objektivu. Čím širší je úhel bodu objektu mimo osu, tím vyšší je pokles jasu na čipu. Proto jsou širokoúhlé čočky nejvíc postihnuté tímto účinkem. Pokles osvětlení z přirozené vinětace je úměrný čtvrté mocnině kosinu úhlu mimo osu. Umělá vinětace se vztahuje na skutečnost, že se šikmo dopadající světlo ztlumilo na rámech objektivu. Tento typ vinětace může být odstraněný zacloněním spodní clony. Protože všechny čočky jsou ovlivněné vinětací, na měření jasu nejsou vhodné vnější okraje obrázku. Proto by se mělo brát do úvahu, že oblasti, které se mají měřit, by neměli ležet na vnějším okraji obrázku.[26] Rušivé světlo rušivé světlo se vyskytuje ve většině systémů zachytávajících obraz. Existují různé faktory, které jsou důvodem rušivého světla v digitálním fotoaparátu. Vzniká na bariérách dvou různých optických materiálů při částečném odrazu přicházejícího světla. V objektivu fotoaparátu mluvíme o bariéře skla a ovzduší. Objektivy s mnohými čočkami vykazují relativně vysokou míru rušivého světla. Silikónový obrazový senzor má též velmi vysokou sazbu reflexe, jestliže ochranné sklo namontované před obrazovým senzorem příliš odráží přicházející světlo. Toto rozptýlené světlo ruší okolí těla fotoaparátu i objektivu a má za důsledek snížení kontrastu obrazu a proto negativně ovlivňuje výstupní data na měření jasu. Metodou, která snižuje rozptýlené světlo, může být pokrytí povrchu prvků objektivu a povrchu obrazového senzoru maskou.[26] Přesnost a nejistota měření samozřejmě i měření jasovým analyzátorem je ovlivněno přesností a nejistotami. Přesnost a nejistoty souvisí se všemi zmíněnými chybami, ať už s nepřesnou kalibrací, či přepočtem, dále uvažováním nejen zdrojů chyb kamery, ale i metodických chyb, jako je nepřesný postup, či vyhodnocování atd.

36 Principy měření jasu Využitelnost jasových analyzátorů k měření jasů Jasový analyzátor má široké uplatnění. Kromě potřeby měření jasu a jeho distribuce, jej můžeme využít pro měření veličin spojených s jasem (kontrast aj.). Na rozdíl od konvenčního způsobu měření získáme při měření jasovým analyzátorem nejen vizuální snímek, ale i komplexní přehled o rozložení jasu v celém obrazu odpadají problémy s časovou náročností bodového měření, či problémy spojené se změnami sv. podmínek. Široký měřící rozsah navíc umožňuje užití jasového analyzátoru k měření nízkých i vysokých jasů. Další případy využitelnosti jasových analyzátorů mohou být hodnocení oslnění (UGR), hodnocení sv. zdrojů, analýza viditelnosti v silničním provozu v noci, hodnocení zobrazovacích zařízení, nebo měření rušivého světla. Jasové analyzátory se tedy dají použít jak k celkovému hodnocení osvětlovacích soustav, tak i pro obecné účely světelné techniky.[4][12][13] Díky geometrické struktuře snímacích čipů a objektivu přináší digitální fotografie ještě jednu možnost měření přesný měřič polohy. Z fotografie není možné určit přímo rozměry, ale získáme alespoň úhlové souřadnice. Z hlediska měření je tato reprezentace výhodnější, neboť umožňuje přímo měřit prostorový úhel. U měření polohy je problémem výchozí pozice kamery a její směrování.[12][13] 4.4 Srovnání metod Z předchozích kapitol, kde jsme si popsali principy a využití jednotlivých metod, bychom mohli snadno provést jejich srovnání. Pro lepší přehled si toto srovnání zaneseme do tabulky (Tab. 4-4), kde bude toto srovnání jednoznačně patrné. Srovnávat budeme měření pomocí jasoměrů a pomocí jasových analyzátorů. Někdy zmíněné konkrétní hodnoty jsou uvažovány jako parametry jasoměru Konica Minolta LS-100 a jasového analyzátoru Lumidisp (kap. 5.2.). Tab. 4-4 Srovnání konvenčních a nových metod měření a hodnocení jasů Zákl. údaje / parametry Přesnost Dynamický rozsah měření nižší Náročnost metodiky (principu) Měření jasoměry Měření jasovými analyzátory Zhodnocení Popis Zhodnocení Popis 6-10% třídy přesnosti 5-20% (+ chyby jasový analyzátor Lumidisp udává 1,5% (A*) (A*) a nejistoty) přesnost 1,5% (+ chyby a nejistoty) možno zachytit více úrovní jasu - možno zachytit 1 hodnotu jasu vyšší Lumidisp udává rozsah 1:4000, při (rozsah 1:1) HDR 1: jednotlivé fotoaparáty, jejich nižší optický systém a fotočlánek vyšší přizpůsobení k měření jasů, vývoj zvláštního softwaru Cena nižší v řádech desetitisíců Kč vyšší v řádech statisíců Kč Možnosti měření / využití Měření jasoměry Zhodnocení Popis Využití úzké jas, kontrast široké Náročnost měření Možnosti vyhodnocení Rozsah využití Způsob měření náročné úzké úzké bodové měření - časově a jinak náročné měření jedna (průměrná) hodnota jasu v daném prost. úhlu pouze v rámci měř. rozsahu jednotlivých jasoměrů Měření jasovými analyzátory Zhodnocení Popis snadné široké široké snadné jednoduché interakční měření náročné * = platí pro normalizované světlo typu A jas, kontrast, barevné souř., měřič polohy a další informace a veličiny změřeny miliony bodů jedním záznamem celkové rozložení jasu ve scéně velmi nízké i velmi vysoké jasy, dle potřeby a nastavení expozice potřeba nastavení exp. hodnot, řádného upevnění atd.

37 Moderní jasové analyzátory 37 5 MODERNÍ JASOVÉ ANALYZÁTORY V minulé podkapitole 4.3 jsme si rozebrali funkčnost digitálních fotoaparátů a princip jasové analýzy pomocí digitální fotografie. V této kapitole se budeme věnovat dostupným jasovým analyzátorů a jejich vlastnostmi. 5.1 TechnoTeam LMK Jednou ze známých firem zabývajících se jasovou analýzou je TechnoTeam Bilderverarbeitung GmbH sídlící v Ilmenau v Německu. Nabízí hned několik typů jasových kamer převážně s čipy CCD, pod označením LMK luminance measuring camera (Obr. 5-1). V následující tabulce jsou jednotlivé jasové kamery a jejich vlastnosti. Tab. 5-1 Jasové kamery LMK a jejich vlastnosti [23] Typ kamery Měření Snímač Rozlišení snímku (HxV) (snímač) Dyn. rozsah (single, multi, high-dyn pic) Přesnost (světlo typu A) LMK 98-4 jas CCD Sony ICX 285 CCD Sony ICX bit 1380 x 1030 (285) 2448 x 2050 (655) 1:1100 1:3600 1: % LMK 98-4 color jas, barevné souř. (x,y) CCD Sony ICX 285 CCD Sony ICX bit 1380 x 1030 (285) 2448 x 2050 (655) 1:1100 1:3600 1: % pro jas 0,002 hodnoty x,y LMK HighRes 11/16P jas CCD Kodak KAI /16000M 10bit 4008 x 2672/4008 1:1100 1:3600 1: % Obr. 5-1 Jasové kamery LMK 98-4, LMK 98-4 color a LMK HighRes 11/16 MP [23] LMK Mobile Advanced tento jasový analyzátor firmy TechnoTeam Bilderverarbeitung GmbH, je založen na kalibrovaném digitálním fotoaparátu Canon EOS s CMOS senzorem (Obr. 5-2). K jejímu vyhodnocení je však potřeba softwarové podpory pro výrobky série LMK je dodávaný software LMK LabSoft. Tento analyzátor je jako celek kalibrován pro normalizované světlo typu A. Přizpůsobení ke křivce spektrální citlivosti normalizovaného pozorovatele je provedena softwarově, což při měření jiného duhu světla, které má jiné spektrální složení než normalizované světlo typu A, může za určitých okolností způsobit i velké chyby měření.[22][23][24]. Soupis základních vlastností LMK Mobile Advanced najdeme v Tab. 5-2.

38 Moderní jasové analyzátory 38 Obr. 5-2 Canon EOS550 - LMK Mobile Advanced [23] Tab. 5-2 Základní parametry LMK Mobile Advanced [22] Snímač Formát obrazu Měření CMOS Canon 14bit RAW s Bayerovou strukturou, nekomprimovaný jas, barevné souřadnice (RGB) Rozlišení snímku 2592 x 1728 Dyn. rozsah (single, high-dyn - pic) 1:4000, 1:32000 Přesnost (světlo typu A) 3% Přizpůsobení v V(λ) Softwarově - LMK LabSoft Jasový analyzátor LMK Mobile Advanced ve spojení s programem LMK LabSoft nabízí celou řadu možností využití v jasové analýze komplexní vyhodnocení scény pomocí fotografie a získání velkého počtu měřených dat. Výstupy jasové analýzy pomocí tohoto analyzátoru jsou distribuce jasu v měřených snímcích, statistické údaje zpracovatelné v Excelu, Matlabu aj. LMK LabSoft software LMK LabSoft nabízí velký počet možností pro vyhodnocení jasového rozložení a dalšího zpracování jasových snímků, standardně pracuje pod operačním systémem Windows a velmi dobře spolupracuje s vyhodnocovacími programy MATLAB, LABview, MS Office. Jeho snadná obsluha, podle zvoleného úkolu je zaručena pomocí specifických snímacích funkcí [22][23]: SinglePic-capture umožňuje získat jasový obraz velmi rychle MultiPic-capture umožňuje opakované snímání jednotlivých obrázků tak, aby se odstranila možná chyba měření pomocí průměrování HighDyn-algorithm umožňuje získat jasový obrázek složený z více obrazů o různých expozičních časech získání fotografie o vysokém dynamickém rozsahu (technologie HDR)

39 Moderní jasové analyzátory 39 Pro vizualizaci výsledků si může uživatel zvolit mimo jiné z volně škálovatelných barevných stupnic, stejně jako několik logaritmických reprezentací. Volně umístěné body, přímky, kruhové či obdélníkové prostory, umožňují zjistit údaje jasu ve zvolených místech rychle a pružně. Kromě toho software disponuje mnoho pomocnými prostředky pro statistické vyhodnocení dat tabulky, grafy, histogramy. Uživatelské prostředí LMK LabSoft můžeme vidět na Obr. 5-3.[22][23] Obr. 5-3 Uživatelské prostředí LMK LabSoft zobrazen průběh jasu na přímce [23] 5.2 LumiDISP LumiDISP (LUMInance DIStribution Processing) - je první program svého druhu v České Republice a byl vyvinut na ústavu elektroenergetiky Vysokého učení technického v Brně. Systém LumiDISP představuje technologii pro fotometrické měření jasu a jeho distribuce a je založen na analýze jasových poměrů za pomocí digitální fotografie. Jednotlivé části systému jasového analyzátoru tvoří následující prvky [4][25]: Měřicí fotoaparát NIKON D90 kalibrovaný na základní zdroje světla Vlastní program LumiDISP, nebo jeho adaptace na konkrétní aplikaci Databázový stroj FireBird Nápověda k programu a příručka v tištěné podobě Setový kufr, který obsahuje další doplňky (kabely, baterie, nabíječ, filtry, čtečku, popruhy, instalační CD.

40 Moderní jasové analyzátory 40 Obr. 5-4 Jednotlivé části jasového analyzátoru Lumidisp [4] LumiDISP je jasový analyzátor, ve které jsou implementovány prvky pro zpracování dat RAW formátu (přímo ze senzoru) digitálního fotoaparátu Nikon D90, jakož i jejich přepočet na jasovou informaci L v jednotkách cd.m -2. Přizpůsobení ke křivce spektrální citlivosti normálního pozorovatele je řešeno pomocí hardwarového filtru, nasazeném na objektivu fotoaparátu. Soupis zákl. vlastností je v Tab [4][25] Tab. 5-3 Základní parametry jasového analyzátoru LumiDISP [25] Snímač Formát obrazu Měření CMOS Canon 12bit RAW (u Nikonu je to NEF) jas, barevné souřadnice (RGB) Rozlišení snímku 4310 x 2868 Dyn. rozsah (single, HDR) 1:4000, 1: Přesnost Přizpůsobení k V(λ) 1,5% pro světlo typu A, 3% pro všechny světla hardwarově pomocí filtru Možnosti aplikace jasového analyzátoru Lumidisp jsou velmi široké. Základním úkolem je samozřejmě měření jasu. Díky vizuálnímu snímku získáme přehled o rozložení jasu a díky možnosti vytvoření jasové mapy získáme hodnoty jasu v libovolném bodě nebo oblasti. Stejně jako u jasového analyzátoru LMK Mobile Advanced i zde si můžeme pro vizualizaci zvolit barevné stupnice, stejně jako můžeme měnit paletu z lineární na logaritmickou, či měnit maxima a minima. Potřebné hodnoty můžeme jednoduše exportovat, např. do Excelu.[25] Díky volně umístitelné přímce, můžeme vytvořit tzv. jasový řez, na němž můžeme zkoumat jas. Pomocí této utility se zobrazí průběh jasu v konkrétním směru a souřadnici jednak v grafu a jednak v tabelovaných hodnotách, se kterými lze dále pracovat. Toho se s výhodou může použít při hodnocení rovnoměrnosti rozložení jasů ve zkoumané scéně. Dalším nástrojem je Zoom Window a Pixel Info, kde můžeme zjistit hodnotu jasu v jednotlivých pixelech. V Tool Options dále můžeme dle libovůle měnit písma, tloušťky čar, barvy, zobrazení aj. Uživatelské prostředí programu LumiDISP můžeme vidět na Obr. 5-5.[25]

41 Moderní jasové analyzátory 41 Obr. 5-5 Uživatelské prostředí programu LumiDISP - zobrazen průběh jasu na přímce Dalším užitečným nástrojem programu je histogram, který vyjadřuje četnost sledované veličiny (jas) v daném intervalu. Díky histogramu můžeme například vyhodnotit oslňující místa a jejich četnost ve sledovaném prostoru (či přímo celém snímku). LumiDISP má také okno s metadaty komplexní informace o snímku, které lze exportovat snadno do textového souboru. [25] Obr. 5-6 Histogram a okno metadat v programu Lumidisp

42 Moderní jasové analyzátory 42 Podle předchozího popisu můžeme říct, že jasový analyzátor LumiDISP tedy nabízí celou řadu možností využití v jasové analýze vyhodnocení scény pomocí fotografie a získání velkého počtu měřených dat; je využitelný ve všech vzpomenutých případech v kapitole Radiant Další firmou zabávající se jasovými kamerami je Radiant Imaging sídlící v USA ve městě Redmond ve státě Washington. Tato firma vznikla v roce 1992 a je jednou z předních dodavatelů systémů a služeb v oblasti měření světla a kolometrie. Ve své nabídce má kalibrované jasové kamery s CCD snímači sloužící k přesnému a rychlému měření jasu a barevných vlastností pro široké spektrum zařízení a materiálů, jako sv. zdrojů, osvětlovacích soustav, displejů a obrazovek a optických materiálů. K vyhodnocení těchto měření poskytuje i softwarovou podporu. Jasové kamery firmy Radiant mají označení PM-Series a liší se svými vlastnostmi a parametry. Jednou z nejdůležitějších je samozřejmě typ snímače jasové kamery Radiant jsou osazeny buď snímačem CCD Interline, který umožňuje rychlejší zobrazování, ovšem s většími nejistotami a je méně nákladný, nebo CCD Full-frame, který má faktor zaplnění blízký 100%, zachycuje scénu přesněji s vyšším dynamickým rozsahem, nižším šumem (je chlazený a tepelně stabilizovaný). Soupis těchto vlastností a další informace nalezneme v Tab. 5-4.[31] Tab. 5-4 Jasové kamery Radiant PM-Series a jejich vlastnosti [31] Typ kamery PM-1000 PM-1200 PM-1400 PM-1600 Měření Jas, osvětlenost, svítivost, záře, ozáření, zářivost Jas, osvětlenost, svítivost, záře, ozáření, zářivost, barevné souř., (XYZ), teplota chromatičnosti, dominantní vlnová délka Jas, osvětlenost, svítivost, záře, ozáření, zářivost Jas, osvětlenost, svítivost, záře, ozáření, zářivost Snímač CCD Interline 10bit CCD Interline 12bit CCD Fullframe 14bit CCD Fullframe 16bit Rozlišení snímku Rozsah [cd.m -2 ] Přesnost 1392 x , % pro jas 1392 x , ,005 hodnoty 3% pro jas pro XYZ 768 x x x x x , % pro jas 0, % pro jas Obr. 5-7 Jasové kamery Radiant: a) PM-1000, b) PM-1200, c), d) PM-1400 a PM1600 [31]

43 Moderní jasové analyzátory 43 Jasové kamery Radiant PM-Series jsou dodávány s vyhodnocovacím programem ProMetric 9 Software. Tento software je spustitelný v systému Windows XP, Vista i 7 a poskytuje rozsáhlé možnosti kontroly zařízení, sběru dat a možnosti analýzy obrazu. Jasové kamery PM-Series mohou zaznamenat mezi 250 tisíce až 18 miliony bodů v (závislosti na zvolené konfiguraci) během několika sekund a ProMetric umožňuje reprezentaci a analýzu těchto dat. Do této reprezentace a analýzy výsledků patří: Bitmapový přehled 2-D, 3-D grafy, příčné řezy, histogramy Zobrazení v kolorimetrickém trojúhelníku Uživatelem zadané vyhodnocované body Analýzu obrazu, analýzu barev Vyhlazování a prahování ProMetric dále poskytuje rozsáhlé možnosti kontroly a řízení měření a různých administrativních funkcí jako je nastavení parametrů pro provoz fotoaparátu (expozice), správa kalibračních databází a jejich využití, operace s obrazy např. výpočet rozdílů mezi dvěma obrázky, export dat v klasických formátech a integrované funkce nápovědy. Na Obr. 5-8 můžeme vidět uživatelské prostředí programu ProMetric 9, konkrétně průběh jasu na křivce. [31] Obr. 5-8 Uživatelské prostředí programu ProMetric 9 - zobrazen průběh jasu na přímce [31]

44 Moderní jasové analyzátory Konica Minolta Konica Minolta je světoznámou japonskou firmou poskytující širokou nabídku produktů nejen v oblasti fotometrie tedy kromě zařízení pro měření a vyhodnocování světelně technických veličin také 3D digitizéry, zařízení pro zdravotní průmysl, či pro fotovoltaiku. Konica Minolta CA D Color Analyzer (Obr. 5-9) je jasová kamera pro dvojrozměrné měření jasu a barevných souřadnic světla zobrazovacích zařízení LCD, či plasma displejů, projektorů, různých klávesnicových, panelových (např. v automobilovém průmyslu) podsvícení atp. [32] Obr. 5-9 Konica Minolta CA D Color Analyzer [32] Tato jasová kamera je osazena senzorem CCD a je dodávána s vyhodnocovacím programem CA-S20w. Je dodávána ve třech možných typech podle použitého objektivu CA-2000S standardní, CA-2000W široký a CA-2000T teleobjektiv, což umožňuje měření objektů různých velikostí, právě podle typu použitého objektivu. V Tab. 5-5 je soupis základních vlastností.[32] Tab. 5-5 Základní vlastnosti jasové kamery Konica Minolta CA-2000 [32] Typ kamery Zorný úhel Měření Rozlišení snímku Rozsah [cd.m -2 ] Přesnost CA-2000S 22 0, CA-2000W 40 jas, kontrast, barevné 980 x 980 (v CA-S20w souřadnice (XYZ..), možné vybrat i 490 x dominantní vlnová 490 a 196 x 196) délka 0, CA-2000T 8 0, % pro jas 0,005 hodnoty pro XYZ K Teleobjektivu mohou být dodány zvětšující objektivy, které zkracují zaostřovací vzdálenost.[32] CA-S20w jak již bylo řečeno, k jasové kameře popsané výše se dodává vyhodnocovací a řídící program CA-S20w. Tento program umožňuje podobně jako již zmíněné programy nastavení oblasti měření (tedy i nastavení kamery) a široké možnosti vyhodnocování získaného snímku analýza rozložení jasu pomocí přehledového obrázku, barevné rozlišení hladin jasu, libovolné změny barev palet, umístění bodů či přímek, 2D i 3D grafy, histogramy, zobrazení v kolorimetrickém trojúhelníku. Samozřejmostí je i export dat (tabulek, grafů) např. do Excelu, nebo Wordu. Uživatelské prostředí CA-S20w můžeme vidět na Obr [33]

45 Obr Uživatelské prostředí programu CA-S20w [33] Moderní jasové analyzátory 45

46 Srovnávací měření různých zdrojů jasu 46 6 SROVNÁVACÍ MĚŘENÍ RŮZNÝCH ZDROJŮ JASU V této kapitole jsou ve formě zjednodušených elaborátů popsána a vyhodnocena provedená praktická měření pomocí obou rozebíraných metodik. Účelem těchto měření bylo srovnání metod na základě předchozích zmíněných kritérií a poukázání na možnosti jejich využití. 6.1 Zjištění jasu světelných zdrojů Měření za účelem zjištění jasů sv. zdrojů byla provedena v laboratorních podmínkách. Bylo provedeno srovnávací měření na kompaktní zářivce a měření vysokých jasů sv. zdrojů Srovnávací měření jasu sv. zdroje Toto měření bylo provedeno ve světelné laboratoři na ústavu elektroenergetiky fakulty elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně. Cíl měření cílem tohoto měření je zjistit jas kompaktní zářivky pomocí zmíněných metod měření jasů, provést vyhodnocení a výpočet nejistot měření. Dílčím cílem měření je poukázat na chyby a problémy, které se při tomto měření vyskytly. Výstupem by měly být porovnatelné hodnoty jasu kompaktní zářivky s přiřazenou nejistotou měření. Na základě tohoto měření provést diskuzi získaných výsledků a provést srovnání obou měřících metod. Teoretický rozbor provedeného měření zjištění jasu světelných zdrojů je jedním ze základních účelů měření jasů. Konvenčním jasoměrem lze provést měření v jednom bodě, pokud se viditelná velikost průmětu světelného zdroje blíží velikosti zorného pole jasoměru. Pokud je zdroj větší a zorný úhel jasoměru nelze zvětšit, musí se měřit ve více bodech tak, aby jednotlivá zorná pole jasoměru porkyla měřený předmět. Z těchto hodnot se spočítá aritmetický průměr.[2] Pomocí jasového analyzátoru můžeme pomocí jedné fotografie získat celkový přehled o jasu sv. zdroje v každém jeho světelně činném místě v určitém úhlu (směru, náklonu). Získáme tak vlastně jasový sken světelného zdroje. Pokud bychom tento jasový sken provedli pro každou z měřících rovin, jako je tomu při měření čar svítivosti, tak při znalosti vzdálenosti mezi fotoaparátem a světelným zdrojem, parametrů udávajících směrování fotoaparátu a při poskytnutí geometrických údajů měřených elementárních ploch analyzátorem, můžeme jas jednoduše přepočítat na svítivost.[4] Protože toto měření není předmětem této úlohy, omezíme se na porovnání naměřených hodnot jasu jasoměrem a jasovým analyzátorem v jednom měřícím místě, ve zvoleném jasovém skenu. Toto měřící místo bylo zvoleno na vrcholu kompaktní zářivky (Obr. 6-2). Jedno měřící, porovnávací místo bylo zvoleno z důvodu, že při měření celkového jasu sv. zdoje by musel být jasoměr různě natáčen a nakloňován, či přemisťován to by zapříčinilo další chybu v měření a výsledky by byly pro náš účel porovnání méně relevantní. Při stejných výchozích podmínkách obou měření je možné tyto hodnoty, potažmo celou metodiku porovnat. Výpočtem nejistoty měření poukážeme na přesnost, na všechny chyby a problémy při měření. Použité měřící přístroje a pomůcky: Jasový analyzátor LumiDISP kalibrovaný digitální fotoaparát NikonD90 s nasazeným hardwarovým filtrem pro přizpůsobení ke křivce spektrální citlivost normalizovaného pozorovatele; adaptér pro napájení fotoaparátu; USB kabel; PC s nainstalovaným programem LumiDISP verze 2. Jasoměr Konica Minolta LS 100 Laboratorní přípravek pro připojování sv. zdrojů Stojan pro přípravek, stativ, propojovací kabely, svinovací metr

47 Srovnávací měření různých zdrojů jasu 47 Zkoušený objekt Kompaktní zářivka OSRAM Dulux EL, 16W/41-827; V; 140mA Schéma zapojení / pracoviště na Obr. 6-1 můžeme vidět zjednodušené schéma zapojení měřících přístrojů a uspořádání pracoviště pro měření, přičemž propojení s PC a napájení kamery platí pouze pro měření s jasovým analyzátorem. Obr. 6-1 Schéma zapojení a uspořádání pracoviště pro srovnávací měření na komp. zářivce Pro připojení kompaktní zářivky byl použit laboratorní přípravek pro připojování sv. zdrojů, obsahující více druhů objímek. Jak digitální fotoaparát, tak jasoměr byly ostřeny ze vzdálenosti 1 m a umístěny na stativ z důvodu získání co nejlepších výsledků. Postup při měření měření a vyhodnocení proběhlo v následujících krocích: 1. Příprava měření uspořádání pracoviště a zapojení přístrojů 2. Provedení měření / vypracování 3. Výpočet nejistot měření 4. Vyhodnocení měření, srovnání metod 1. Příprava měření prvním úkolem bylo připravení pracoviště dle schématu (Obr. 6-1). Už zde se vyskytl první problém, konkrétně s umístěním měřících přístrojů. Jako ideální se ukázalo být umístit přístroje na stativ (pomocí vodováhy nastaven do správné polohy), do vzdálenosti 1 m od zdroje a do výšky cca 1 m, přičemž měřený objekt se nacházel ve výšce cca 0,5 m. V tomto umístění došlo nejen k přesnému a úplnému zaostření jasoměru, ale také hodnoty jím naměřené v místě měření při rychlé odpovědi nejméně kolísaly a hlavně zorný úhel nepřesahoval velikost měřeného objektu, což je pro toto měření nezbytné. Toto umístění se také ukázalo jako vhodné i při zachycení scény digitálním fotoaparátem, scénu bylo dokonce možno přiblížit. Po cca 15 minutách, po dostatečném zahoření sv. zdroje, bylo přikročeno k měření. Měření byla provedena při zhasnutém osvětlení, aby nedošlo k přílišnému ovlivnění měření rozptýleným světlem jako jediný škodlivý zdroj zde byl počítačový monitor.

48 Srovnávací měření různých zdrojů jasu Provedení měření nejprve bylo provedeno měření pomocí jasoměru. Jasoměr byl dle dřívějšího popisu umístěn na stativ a směrován na řečené zvolené místo měření, které je vyznačeno na Obr V tomto místě budeme změřenou hodnotu porovnávat s hodnotou jasu naměřenou jasovým analyzátorem. Protože však takový postup není ideální, musí se při tomto porovnání počítat s určitou chybou směrování a také s chybou při vyhodnocování. Při měření bylo využíváno manuálu k tomuto jasoměru. Jasoměr byl nastaven na měření absolutního jasu. Bylo změřeno celkem 10 hodnot jasu, tyto hodnoty jsou uvedeny v Tab Obr. 6-2 Naznačené místo měření jasoměrem Dalším úkolem bylo provedení měření pomocí jasového analyzátoru. Digitální fotoaparát byl umístěn na stativ a pomocí USB kabelu byl propojen s PC. V programu LumiDISP byl vytvořen nový projekt svoboda_sv_zdroje, který bude použit pro všechna následující provedená měření. Před samotným zachycením scény bylo nutno najít ideální hodnoty zesílení ISO, nastavení clony a expozičního času pro danou expozici, a také dbát na správné zaostření fotoaparátu zachycená scéna by neměla být rozmazaná (Obr. 6-3). Využili jsme propojení dig. fotoaparátu s programem LumiDISP a hodnoty expozice nastavili vzdáleně pomocí utility pro získání fotografie capture image. Pokusným získáním několika snímků o různých expozičních hodnotách, společně s nastavením funkce zobrazení přesaturovaných přepálených pixelů (viz. Obr. 6-3 vpravo červené pixely jsou přesaturované) bylo zjištěno ideální nastavení fotoaparátu pro danou scénu, nezbytně nutné pro získání relevantních výsledků: expoziční čas 1/500; clonové číslo 10; zesílení ISO 200. Formát obrazu byl zvolen RAW o rozlišení 4352x2868. Tyto hodnoty lze nalézt i v metadatech, přiložených ve formě textových souborů ke snímkům. V metadatech nalezneme také veškeré informace o získaném snímku. Aby nedošlo k přílišnému ovlivnění vinětací, či jinými geometrickými účinky, byl fotoaparát ostřen do středu sv. zdroje (což je taktéž i střed zachycované scény). Obr. 6-3 Rozmazaný snímek, zobrazení přesaturovaných pixelů

49 Srovnávací měření různých zdrojů jasu 49 Po správném nastavení bylo možno přikročit k samotnému získání snímků. Bylo zachyceno celkem 10 snímků o stejném nastavení a vždy po minutě tak, aby přesnost měření nebyla ovlivněna přílišným namáháním mechanických částí fotoaparátu. Po zachycení 10 snímků byl každý pomocí utility Image to L přepočten na jas a uložen do databáze. V každém takto přepočteném snímku byla vytvořena paleta s lineární stupnicí, s upraveným fontem, atd. Lineární stupnice byla ponechána z důvodu dobře rozeznatelných jasných bodů. Na Obr. 6-4 můžeme vidět výřez zachycené scény před přepočtem na jas a přepočtenou na jas (celé snímky pro první měření jsou v Příloze A). Nyní lze velmi dobře a pružně vyšetřovat jas v libovolném místě a taktéž rychle zjistit jas sv. zdroje z určitého úhlu. Protože toto měření bylo provedeno za účelem srovnání metod, jak již je popsáno výše, bylo zvoleno místo, ve kterém bude vyšetřován jas. V každém ze zachycených snímků byla vytvořena kružnice (pomocí circle, můžeme ji vidět i na Obr. 6-4 vpravo), která byla vytvořena v místě, ve kterém byl měřen jas jasoměrem a která odpovídá zornému úhlu jasoměru (tedy pr. úhlu cca 0,00024sr). Obr. 6-4 Zachycená scéna před a po přepočtu na jas K odečtení průměrné hodnoty jasu v této kružnici a prost. úhlu vymezeného kružnicí bylo využito utility histogram. Z histogramu můžeme odečíst sumu, maximální, minimální a průměrnou hodnotu jasu a prost. úhlu buď celého snímku, nebo právě vybrané oblasti. Bylo tedy využito možnosti změřit průměrnou hodnotu pro jas; a možnosti odečíst sumu pro prost. úhel. Příklady histogramů pro první snímek jsou Příloze A. V Tab. 6-1 jsou hodnoty jasu změřeného jasovým analyzátorem ve zvoleném místě. Tab. 6-1 Naměřené hodnoty jasu ve zvoleném místě sv. zdroje n [-] L jasoměr [cd.m-2] L jas,an. [cd.m-2] , , , , , , , , , ,0 3. Výpočet nejistot měření dalším krokem bude výpočet nejistot měření pro obě metody, díky kterým získáme přehled o přesnosti použité metody, a díky kterým si uděláme obrázek o všech chybách a problémech, které se při měření vyskytly. Co je nejistota měření, jaké nejistoty existují a co vyjadřují je již dostatečně popsáno v kapitole Proto zde bude uveden pouze postup při jejich výpočtu, a to konkrétně standardní nejistoty typu A (statistické zpracování naměřených údajů), typu B (uvažování všech zdrojů nejistot) a určení kombinované standardní a rozšířené nejistoty z obou provedených měření. Nejistoty typu A byly vypočteny pomocí naměřených hodnot v Tab. 6-1 a vzorců (4.4) a (4.5):

50 Srovnávací měření různých zdrojů jasu 50 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) Pro výpočet nejistoty typu B musíme nejdříve určit zdroje chyb. Pro jasoměr jsou tyto zdroje popsány v Tab. 6-2 (chyby pro ručkové přístroje nebyly uvažovány): Tab. 6-2 Zdroje chyb jasoměrů [34] Označení zdroj chyby L A B C [%] [%] [%] [%] z 1 odchylka od V(λ) 1, z 2 UV - citlivost 0, z 3 IR - citlivost 0, z 4 chyba linearity 0, z 5 chyba měřícího přístroje 0,2 3 4,5 7,5 z 6 teplotní závislost 0,1 / K 0,2 / K 1 / K 2 / K z 7 činitel stárnutí 0,1 0,5 2 2 z 8 stabilita 0,1 0,2 0,5 1 z 9 směrová odchylka 0,1 0,5 1 2 z 10 spektrální chyba 0,2 0,8 1,5 3 z celková příp. chyba 5 7, Použitý jasoměr Konica Minolta patří do třídy přesnosti B, jedná se tedy o přístroj pro provozní měření a pro výpočet nejistoty budeme uvažovat zdroje nejistot ve třetím sloupci Tab. 6-2, přičemž deklarovaná chyba měřicího přístroje je 2%. Uvažujme také chyby při postupu, metodické chyby. Do tohoto zdroje můžeme uvažovat řečenou chybu směrování, ovlivnění rozptýleným světlem, chybu zaokrouhlování, nestabilitu napájecího napětí, blikání sv. zdrojů atd. Zdroj této nejistoty byl zvolen na 5%. V Tab. 6-3 je vypočtená celková nejistota typu B, a to pomocí vzorců (4.6) a (4.7.), při uvažování rovnoměrného rozdělení k =.

51 Srovnávací měření různých zdrojů jasu 51 Tab. 6-3 Určení nejistoty typu B pro měření jasoměrem Označení zdroj chyby u rozložení rovnoměrné u 2 [%] u / [%] u B1 odchylka od V(λ) 6 3,46 12,00 u B2 UV - citlivost 2 1,15 1,33 u B3 IR - citlivost 2 1,15 1,33 u B4 chyba linearity 2 1,15 1,33 u B5 chyba měřicího přístroje 2 1,15 1,33 u B6 teplotní závislost 1 0,58 0,33 u B7 činitel stárnutí 2 1,15 1,33 u B8 stabilita 0,5 0,29 0,08 u B9 směrová odchylka 1 0,58 0,33 u B10 spektrální chyba 1,5 0,87 0,75 u B11 metodická chyba 5 2,89 8,33 u B jasoměr nejistota typu B: Obdobným způsobem se určí nejistota typu B pro měření s jasovým analyzátorem. Zdroje nejistot pro jasový analyzátor LumiDISP nejsou přesně určeny, byly proto zvoleny na základě odhadu, při znalosti chyb a problémů při tomto měření. Níže je uveden soupis uvažovaných zdrojů chyb: z 1 odchylka od V(λ) - ačkoliv byl na objektivu nasazen filtr pro přizpůsobení ke křivce norm. pozorovatele, i tento filtr je spektrálně a směrově závislý a může tak docházet k odklonu od V(λ) křivky a k nutnému sotfwarovému přizpůsobení. Zdroj této chyby byl zvolen na 0,5%. z 2 zahrnuje chybu indikace snímače. K tomuto i níže uvedenému zdroji chyby by bylo potřeba zjistit údaje od výrobce, například faktor zaplnění snímače. V provedeném měření vycházíme z úvahy nízké chyby indikace (směrování do středu, opakování měření bylo pomalé, snímání při normální teplotě atd.), zdroj této chyby byl tedy zvolen na 0,2%. z 3 kvantovací chyba A/D převodníku. Zdroj této chyby byl zvolen na základě výše popsané úvahy na 0,2%. Při vyšší hloubce převodníku by bylo možno uvažovat tuto chybu ještě nižší. z 4 zahrnuje možné chyby při kalibraci, ty se mohou skládat z více dílčích chyb (kalibračních přístrojů, výpočtů atd.) Zdroj této chyby byl proto zvolen na 2%. z 5 chyba přepočtu. Jasový analyzátor LumiDISP umožňuje přepočíst každý pixel snímku na jasový kanál (1x1). Uvažujme tedy zdroj této chyby relativně nízký, a to 0,2%. Při zvolení jiného kroku přepočtu, např. interpolaci z více pixelů, by bylo nutné uvažovat vyšší chybu. z 6 tento zdroj zahrnuje omezenou přesnost mech. částí fotoaparátu. Tento zdroj chyby byl zvolen relativně nízký na 0,2% z důvodu, že získávání snímků bylo provedeno po určité časové prodlevě (1 min), aby nedošlo k přílišnému ovlivnění právě touto chybou. z 7 zdroj chyby ovlivnění vinětací a šumem byl zvolen na základě směrování fotoaparátu a získaných snímků jas je vyšetřován ve středu snímku a šum není nijak zvlášť patrný. Zdroj této chyby byl tak zvolen na 0,5%. 5,34

52 Srovnávací měření různých zdrojů jasu 52 z 8 chyba měřícího přístroje výrobce udává hodnotu přesnosti 3% pro všechny typy světel. z 9 metodická chyba nižší hodnota procentní chyby tohoto zdroje oproti jasoměru byla zvolena záměrně. Fotoaparát byl správně nastaven a byl lépe a pevně nasměrován, nebylo s ním vůbec manipulováno, hodnoty byly z fotografie odečítány ze stejného místa, zaokrouhlování bylo minimální atd. Byl tedy metodickou chybou ovlivněn méně. Na základě těchto zdrojů chyb můžeme stejným způsobem jako u jasoměru určit standardní nejistotu typu B (Tab. 6-4). Přičemž bylo uvažováno opět rovnoměrné rozdělení. Tab. 6-4 Určení nejistoty typu B pro měření jasovým analyzátorem Označení zdroj chyby u rozložení rovnoměrné u 2 [%] u / [%] u B1 odchylka od V(λ) 0,5 0,29 0,08 u B2 chyba indikace snímače 0,2 0,12 0,01 u B3 kvantovací chyba A/D převodníku 0,2 0,12 0,01 u B4 chyba kalibrace 2 1,15 1,33 u B5 chyba přepočtu 0,2 0,12 0,01 u B6 omezená přesnost mech. částí fotoaparátu 0,2 0,12 0,01 u B7 ovlivnění vinětací, šumem 0,5 0,29 0,08 u B8 chyba měřícího přístroje 3 1,73 3,00 u B9 metodická chyba 2,5 1,44 2,08 u B jas.an. nejistota typu B: K výpočtu kombinované standardní nejistoty typu C využijeme vzorec (4.8.): 2,58 Výpočet rozšířené nejistoty provedeme dle vzorce (4.9), činitel rozšíření k U = 2: Nyní, když známe procentní vyjádření rozšířené nejistoty, můžeme ji přepočítat na absolutní hodnotu a přiřadit k naměřeným hodnotám: ( ) ( )

53 Srovnávací měření různých zdrojů jasu Vyhodnocení měření účelem tohoto laboratorního měření bylo srovnání použitých metod k měření jasu jak z pohledu přesnosti, tak z pohledu využitelnosti metodiky, jejich výhod a nevýhod, dále poukázání na problémy a chyby při těchto měřeních. Jestliže porovnáme výsledky měření obou metod pomocí vyjádřeného průměru a přiřazené nejistoty, která vyjadřuje, že se naměřená hodnota může objevit v určitém intervalu, můžeme pronést závěr, že naměřené hodnoty oběma metodami mohou být stejné. Při měření jasoměrem je tento interval hodnot větší, z pohledu problémů a chyb při měření proto můžeme říci, že v rámci měření konvenčním jasoměrem nastává více aspektů (chyb), na které nutno brát zřetel. Při měření jasovým analyzátorem se jako jediný, podstatnější aspekt ukázalo být nalezení vhodného nastavení fotoaparátu, resp. hodnoty zesílení ISO, clony a spouště a správného zaostření. Jak je patrné z výsledků, pro měření jasoměrem vyšla hodnota rozšířené nejistoty 10,6%. Z definice tříd přesnosti jasoměrů víme, že se jasoměry třídy přesnosti B používají pro provozní měření. Požadavky uvedené v normě ČSN udávají, že rozšířená nejistota provozního měření musí být v intervalu 8% < U < 14%.[2] Hodnota 10,6% se v tomto intervalu nachází a požadavek je tedy splněn. Pro měření jasovým analyzátorem vyšla hodnota rozšířené nejistoty 5,2%, což podle normy ČSN spadá do měření přesných, avšak tuto hodnotu nelze brát v úvahu jako úplně přesnou, vzhledem k odhadu velikosti zdrojů chyb. Pro přesné určení nejistoty měření jasovým analyzátorem by bylo třeba provést velké množství porovnávacích měření a na základě výsledků těchto měření a informací od výrobce určit směrodatné velikosti jednotlivých zdrojů chyb s uvažováním všech faktorů (stárnutí aj.). Pro naše měření se vycházelo z předpokladu nižšího ovlivnění metodickými chybami při měření jasovým analyzátorem a také se přihlíželo ke skutečnosti, že digitální fotoaparát byl důkladně kalibrován s uvažováním všech kompenzačních veličin a ke křivce V(λ) je přizpůsoben hardwarově, což je jednou z výhod jasového analyzátoru LumiDISP oproti ostatním analyzátorům. Jednoznačnou výhodou jasových analyzátorů zůstává nejen změření celkového rozložení jasu ve scéně a tím změření celkového jasu světelného zdroje v jednom snímku v jednom směru, ale také široká možnost dalšího využití naměřených hodnot. Pakliže budeme uvažovat i přesnost provedeného měření jasovým analyzátorem vyjádřenou nejistotou, tak určení jasu sv. zdroje při nalezení optimálního postupu (správné směrování, umístění, nalezení správného nastavení fotoaparátu pro daný sv. zdroj atd.) a jeho standardizování, vytvoří tuto metodiku pro měření jasů sv. zdrojů nejen přesnější, ale také rychlejší, pružnější a více využitelnou. Příkladem může být výše popsané měření čar svítivosti Měření vysokých jasů a kontrastů Toto měření bylo provedeno ve dnech 13. a ve světelné laboratoři na ústavu elektroenergetiky fakulty elektrotechniky a komunikačních technologií VUT v Brně. Cíl měření cílem tohoto měření je zjistit vysoké jasy světelných zdrojů v přímém směru pomocí jasového analyzátoru a poukázat tak na možnosti širšího využití, širokého dynamického rozsahu a výhod tohoto měření oproti konvenčnímu měření jasoměry. Dílčím cílem měření je poukázat na chyby a problémy, které se při tomto měření vyskytly. Výstupem by měly být jasové skeny sv. zdrojů a hodnoty jejich jasu. Na základě tohoto měření provést diskuzi získaných výsledků a provést srovnání obou měřících metod. Teoretický rozbor provedeného měření dnešní moderní sv. zdroje, např. LED se vyznačují vysokými hodnotami jasu vyzařovaných z velmi malé plochy. Je známo, že tyto jasy se pohybují kolem 10 6 cd.m -2, je tedy jasné, že konvenčními přístroji jsou velmi náročné k změření jednak kvůli svému nízkému rozsahu, jednak kvůli tomu, že zorný úhel jasoměru většinou překračuje světelně činnou plochu sv. zdroje a hodnota jasu tak není změřena správně. Existují samozřejmě i přístroje, jako např. Spektroradiometr Konica Minolta CS-1000A, jež při určitém rozšíření takové

54 Srovnávací měření různých zdrojů jasu 54 hodnoty dokážou změřit, ovšem takové zařízení je většinou cenově i jinak velmi náročné. Pomocí jasového analyzátoru můžeme při správném nastavení jednoduše a rychle změřit i vysoké jasy, popř. kontrasty jasů, je tak možné provést i jasové skeny těchto sv. zdrojů a využít získané snímky a hodnoty k dalším účelům. Použité měřicí přístroje a pomůcky: Jasový analyzátor LumiDISP kalibrovaný digitální fotoaparát NikonD90 s nasazeným hardwarovým filtrem pro přizpůsobení ke křivce spektrální citlivost normalizovaného pozorovatele; adaptér pro napájení fotoapátu; USB kabel; PC s nainstalovaným programem LumiDISP verze 2. Laboratorní přípravek pro připojování sv. zdrojů Stojan pro přípravek, stativ Propojovací kabely, svinovací metr Zkoušené objekty: LED 1 ROHS GU10; 3x2W; 230V LED 2 PARATHON CL A 80059; E27; Warm White; V; 2W LED 3 LDAHV4L27CG; 4,4W; V; 40mA; 50/60Hz; Soft Warm LED 4 OSRAM DECOSPOT LED 80012; GU10; 230V; 0,75W; White Halogen - OSRAM A; 40W; 490lm; Halolux Classic clear Schéma zapojení / pracoviště na Obr. 6-5 můžeme vidět zjednodušené schéma zapojení měřících přístojů a uspořádání pracoviště pro měření. Pro připojení sv. zdrojů byl použit laboratorní přípravek pro připojování sv. zdrojů, obsahující více druhů objímek. Obr. 6-5 Schéma zapojení a uspořádání pracoviště pro měření vysokých jasů sv. zdrojů

55 Srovnávací měření různých zdrojů jasu 55 Postup při měření měření a vyhodnocení proběhlo v následujících krocích: 1. Příprava měření uspořádání pracoviště a zapojení přístrojů 2. Provedení měření / vypracování 3. Vyhodnocení měření 1. Příprava měření prvním úkolem bylo připravení pracoviště dle schématu (Obr. 6-5). Fotoaparát byl umístěn na stativ, kolmo nad zkoušený sv. zdroj (pomocí vodováhy nastaven do správné polohy), do vzdálenosti 0,5 m od zdroje, maximálně přiblížen a směrován do středu sv. zdroje. Toto umístění se ukázalo jako vhodné pro získání co nejlepších výsledků. Po cca 15 minutách, po dostatečném zahoření sv. zdrojů bylo přikročeno k měření. Měření byla provedena při zhasnutém osvětlení, aby nedošlo k přílišnému ovlivnění měření rozptýleným světlem jako jediný škodlivý zdroj zde byl opět počítačový monitor. 2. Provedení měření po připravení pracoviště jsme tedy mohli přistoupit k provedení měření. Digitální fotoaparát byl pomocí USB kabelu propojen s PC. V programu LumiDISP byly snímky ukládány opět do projektu svoboda_sv_zdroje. Před samotným získáním snímků bylo opět nutno najít ideální hodnoty zesílení ISO, nastavení clony a expozičního času pro danou expozici, a také dbát na správné zaostření. Pomocí utility pro získání fotografie capture image bylo pokusným získáním několika snímků o různých expozičních hodnotách, společně s nastavením funkce zobrazení přesaturovaných pixelů (viz. Obr. 6-3) zjištěno ideální nastavení fotoaparátu pro daný sv. zdroj. V Tab. 6-5 nalezneme tyto hodnoty, které mohou sloužit jako podklad pro další prováděná měření pomocí tohoto analyzátoru. Tyto hodnoty lze opět nalézt i v metadatech, přiložených ve formě textových souborů ke snímkům. Tab. 6-5 Nastavení fotoaparátu pro měření vysokých jasů sv. zdrojů Sv. zdroj / nastavení LED 1 LED 2 LED 3 LED 4 Halogen ISO F t 1/2500 1/2000 1/1600 1/1000 1/800 Hodnoty nastavení času uzávěrky jsou velmi malé a je nutno při tomto měření dbát mnohem více na omezující faktor blikání sv. zdrojů a nestability napájecího napětí. Tento problém je spojen s kvalitou el. energie. Naměřené hodnoty jasů sv. zdrojů jsou tedy zatíženy touto nejistotou více než například měření provedené v kapitole 6.1. Po zachycení snímků byl každý pomocí utility Image to L přepočten na jas a uložen do databáze. V každém takto přepočteném snímku byla vytvořena paleta s logaritmickou stupnicí, s upraveným fontem, atd. Na Obr. 6-6 můžeme vidět snímek sv. zdoje LED 1 před přepočtem na jas a přepočtený na jas (další snímky pro toto měření jsou v Příloze B). Pomocí snímku tak lze velmi dobře a pružně vyšetřovat jas LED zdroje v přímém směru. Zaměříme-li se například na kontrast, tak pomocí palety ve snímku, či přímo v pracovním prostoru programu LumiDISP (přesnější postup, který byl použit) můžeme přesně určit jeho hodnoty. Můžeme určit kontrast sv. zdroje a pozadí uvažujme například nejvyšší hodnotu jasu tohoto zdroje cd.m -2 a jas pozadí přibližně cd.m -2. Pomocí vzorce (3.9) pak vyjádříme tento kontrast:

56 Srovnávací měření různých zdrojů jasu 56 Obr. 6-6 Jasový sken sv. zdroje LED ROHS GU10; 3x2W v přímém směru Výhodou jasové analýzy ze snímku je tak nejen určení jasu sv. zdroje, ale i další možnost využití pomocí snímku můžeme určit jas každé jeho sv. činné plošky a kontrasty mezi ploškami. Pokud chceme zjistit hodnoty jasu v těchto ploškách či průběh jasu v těchto ploškách, můžeme tak učinit změřením, či odečtením hodnot jasu a jejich vynesením. Výhodnější, rychlejší a přesnější možností je v pracovním prostředí programu LumiDISP na libovolnou část sv. zdroje přímo umístit přímku umístitelný objekt Line (viz. Obr. 6-6 bílá přímka vpravo) a na této přímce zobrazit tento průběh (Obr. 6-7) utilita Slice. Pomocí této přímky lze pak vyšetřovat jas sv. zdroje podle výše popsaných postupů. Můžeme tedy říci, že jasový analyzátor, resp. jasová analýza pomocí digitální fotografie lze s výhodou použít i pro hodnocení zobrazovacích zařízení, kde se také vyšetřují jasy z velmi malých ploch (pixelů). Obr. 6-7 Průběh jasu sv. zdroje LED na zvolené přímce

57 Srovnávací měření různých zdrojů jasu Vyhodnocení měření cílem tohoto měření bylo poukázat na možnosti širšího využití a výhod jasových analyzátorů oproti měření jasu konvenčními metodami. Za tímto účelem bylo provedeno jasové skenování v přímém směru několika světelných zdrojů, převážně LED. Z kapacitních důvodů byly tyto snímky umístěny do přílohy B, další byly ponechány v databázi pro další využití na PC ve světelné laboratoři UEEN. Jednoznačnou výhodou oproti konvenčním metodám je opět získání celkového přehledu o jasu scény pomocí digitální fotografie. Jak je patrno z uvedeného příkladu (Obr. 6-6 a 6-7), je možné získat hodnoty vysokých jasů sv. zdrojů vyzařujících z velmi malých ploch. Zjištění jasu takových sv. zdrojů pomocí jasových analyzátorů se tak stává snadnějším, rychlejším a více využitelným. Jasový analyzátor se navíc díky snadno rozlišitelným místům s různým jasem stává účelnějším a výhodnějším také pro hodnocení zobrazovacích zařízení, displejů atd. Další výhodou oproti konvenčním metodám měření je také široký dynamický rozsah měření, na příkladě uvedeném výše se jedná o rozsah mezi hodnotami jasu řádů cd.m -2. Jediným podstatnějším problémem při měření a vyhodnocování s jasovým analyzátorem je vzhledem ke krátkým časům uzávěrky fotoaparátu faktor blikání sv. zdrojů, dále bylo nutno najít správné nastavení fotoaparátu pro dané zdroje. Postupy nastavení však byly zdárně a poměrně rychle vyřešeny. Možností vyřešení tohoto problému může být standardizace postupu, kdy bude známo na který sv. zdroj (resp. velikost jasu) je vhodné jaké nastavení fotoaparátu, nebo využití technologie HDR. 6.2 Zjištění rozložení jasu v zorném poli pozorovatele Měření za účelem zjištění rozložení jasu v zorném poli pozorovatele byla provedena opět za účelem porovnání metod, v případě jasového analyzátoru na poukázání možnosti širšího využití pro hodnocení osvětlovacích soustav. Měření byla provedena v kancelářských prostorech a v učebně, tedy tzv. v terénu Jasová analýza kancelářského prostoru Toto měření bylo provedeno dne v kancelářském prostoru divize servisu rozvaděčů vysokého napětí ABB s.r.o. Cíl měření cílem tohoto měření je zjistit rozložení jasu v zor. poli pozorovatele pomocí jasového analyzátoru a jasoměru a provést srovnání výsledků. Dílčím cílem je poukázat na možnosti využití jas. analyzátoru pro hodnocení osv. soustav a poukázat na problémy a chyby, které se při měření vyskytly. Teoretický rozbor provedeného měření znalost hladin jasů a rozložení těchto jasů v zorném poli pozorovatele je rozhodujícím kritériem pro posouzení osvětlení. Zrakový výkon a zraková pohoda bezprostředně souvisí s kvalitní distribucí jasů v zorném poli pozorovatele. Rozložení jasu v zorném poli určuje úroveň adaptace zraku, která ovlivňuje viditelnost úkolu. Velmi dobře vyvážený adaptační jas je potřebný ke zvětšení zrakové ostrosti, kontrastní citlivosti a účinnosti zrakových funkcí. Rozložení jasu v zorném poli ovlivňuje také zrakovou pohodu. Z tohoto důvodu je nutno vyloučit příliš velké jasy, které mohou způsobit oslnění, příliš velké kontrasty jasů, jež mohou způsobit únavu v důsledku nepřetržité readaptace a příliš malé jasy a kontrasty.[2] Jasoměrem provedené měření není náročné jasoměr se umístí na stativ v místě, kde se při práci nachází zrakový orgán a naměřené hodnoty se vyznačí např. na fotografii. Museli bychom však změřit velké množství hodnot, různě přemisťovat jasoměr, může vzniknout nepřesnost měření způsobená změnou světelných podmínek atd. Pomocí jasového analyzátoru získáme pomocí jednoho snímku celkový přehled o rozložení jasu ve scéně.

58 Srovnávací měření různých zdrojů jasu 58 Podle normy ČSN patří k nejdůležitějším zásadám, na které je nutno dbát při návrhu osvětlení, zajištění potřebných jasů a osvětleností, správného prostorového rozložení jasu a osvětlenosti, zabránění oslnění atd.[7] Ačkoliv se tyto parametry dají ověřit konvenčními metodami, jako je měření pomocí jasoměrů a luxmetrů, s nástupem digitální fotografie, se toto ověření dá provést mnohem snadněji a rychleji. Pokud se zaměříme na určení indexu oslnění UGR, je množství a náročnost měření, nutných pro určení tohoto indexu značné je nutné zjistit jas oslňujících zdrojů, vypočítat prostorový úhel pod kterým je oslňující zdroj viděn, zjistit adaptační jas z nepřímé složky vertikální osvětlenosti a činitel polohy pro daný sv. zdroj. Pomocí jasu zachyceného v digitální fotografii a zaznamenaných geometrických údajů toto množství a náročnost měření odpadá. V provedeném měření si postup při výpočtu indexu UGR z fotografie ukážeme. Použité měřicí přístroje a pomůcky: Digitální fotoaparát NikonD90 s nasazeným hardwarovým filtrem pro přizpůsobení ke křivce spektrální citlivost normalizovaného pozorovatele; adaptér pro napájení fotoaparátu; paměťová karta. Jasoměr Konica Minolta LS 100 Stativ Vyhodnocování bylo provedeno v laboratoři na PC s nainstalovaným programem LumiDISP verze 2. Postup při měření měření a vyhodnocení proběhlo v následujících krocích: 1. Příprava měření uspořádání pracoviště a zapojení přístrojů 2. Provedení měření / vypracování 3. Vyhodnocení měření 1. Příprava měření prvním úkolem bylo připravení pracoviště. Fotoaparát a jasoměr byly umístěny na stativ, do výšky 1,2 m (sedící pozorovatel), směrovány na pracovní prostor a to v místě pozorovatele, který byl v daném prostoru vyhodnocen jako nejvíce oslněný. Prostor byl osvětlován umělým osvětlením tak, jak je po většinu pracovní doby kanceláře. 2. Provedení měření po připravení pracoviště bylo přikročeno k měření jasoměrem. Byly změřeny hodnoty jasu ve zvolených bodech tak, aby bylo možno alespoň částečně určit rozložení jasu. Celkové měření rozložení jasu pomocí jasoměru by bylo velmi náročné. Změřené hodnoty byly tabelovány (Tab. 6-6), a měřící místa označena a vyznačena na fotografii zkoumaného prostoru (Obr 6-8). Takto změřené hodnoty budou moci být porovnány s hodnotami naměřenými jasovým analyzátorem, či dále využity. Dále bylo přikročeno k získání snímku pomocí fotoaparátu. Protože měření bylo provedeno v terénu, nebylo možno využít přímého propojení s programem LumiDISP. Fotografie tak byly vyfoceny v mnoha expozicích a uloženy na paměťovou kartu fotoaparátu. Vyhodnocení bylo provedeno v nejblíže dostupnou dobu ve světelné laboratoři, kde je program dostupný. I tuto mobilitu lze považovat za výhodu této měřící techniky. Všechny získané fotografie byly v programu LumiDISP vkládány z paměťové karty do již existujícího projektu svoboda_sv_zdroje. Pro jasovou analýzu vybrán vyhovující snímek (opět za pomoci zobrazení přesaturovaných pixelů) o expozici 1/50s; clonovém číslu 3,5; zesílení ISO 200; a přepočten na jasový kanál (Obr. 6-9). Paleta snímku byla zvolena logaritmická, z důvodu lepší čitelnosti hladin jasů. V takto upraveném snímku byly vytvořeny kružnice, ve kterých byl odečítán jas. Tyto kružnice byly vytvořeny ve stejném místě, ve kterých byl měřen jas jasoměrem. Hodnoty jasu byly tabelovány v Tab. 6-6.

59 Srovnávací měření různých zdrojů jasu 59 Obr. 6-8 Naznačená místa měření jasoměrem a zároveň místa porovnávací Obr. 6-9 Jasová mapa s rozložením jasu v místě pozorovatele pracovníka

60 Srovnávací měření různých zdrojů jasu 60 Tab. 6-6 Naměřené hodnoty jasoměrem a jas. analyzátorem ve zvolených místech místo Květiny Strop jas [cd.m -2 ] K1 a K1 b K1 c K1 d K2 Z1 a Z1 b Z2 a Z2 b L jasoměr 7,4 9,1 22,2 11,4 11,1 14,9 11,8 27,2 23,4 L jas. analyzátor 8,5 13,6 17,5 13,2 11,6 12,0 11,4 20,6 17,3 místo Sv. zdroje Monitor jas [cd.m -2 ] Sv 1 a Sv 1 b Sv 1 c Sv 2 a Sv 2 b Sv 3 M1 M2 M3 M4 L jasoměr 1053,0 1083,0 1038,0 65,6 66,4 41,7 1,8 2,1 4,4 10,4 L jas. analyzátor 991,5 1067,2 934,0 62,8 52,8 34,4 1,8 2,2 3,4 9,1 místo Stůl Šanony Papíry jas [cd.m -2 ] S1 a S1 b S2 a S2 b S2 c Š1 Š2 Š3 P L jasoměr 20,5 10,5 7,1 11,6 6,2 55,4 43,4 41,1 95,5 L jas. analyzátor 19,2 8,1 6,4 10,0 5,6 55,2 40,2 38,2 83,2 Podle hodnot v Tab. 6-6 můžeme porovnat hodnoty změřeného jasu oběma metodami. Můžeme říci, že jsou více méně stejné, musíme však brát v úvahu to, že jasoměr byl různě směrován (různý úhel natočení) a také jasy z fotografie nemusely být odečteny úplně přesně ze stejného místa, kde byl měřen jas jasoměrem (prost. úhel, ze kterého se odečítali hodnoty neodpovídal vždy přesně prost. úhlu jasoměru). Výsledky tak nemusejí být přesně vypovídající, pro orientační porovnání to však stačí. Podle výsledků můžeme provést analýzu rozložení jasu ve scéně. Hodnoty změřené pomocí jasoměru nebudou tolik vypovídající. Mohli bychom provést jakousi aproximaci mezi měřenými místy a vynesení například do 3D grafu, tento postup je však náročný a vzhledem k malému množství změřených hodnot bychom do měření zanesli velkou chybu. Jedinou možností jak změřit celkové rozložení jasu je tedy zřejmě změřit značné množství hodnot. Naproti tomu při měření jasovým analyzátorem můžeme pomocí fotografie (Obr. 6-9) jednoduše a rychle vyšetřovat jas ve scéně. O zachycené scéně tak můžeme pronést závěr, že jas je poměrně dobře rozložen většina scény je v modrých a zelených barvách, tato místa na fotografii odpovídají jasům od cca 10 do 50 cd.m -2, adaptační jas se tak zřejmě bude pohybovat v tomto rozsahu hodnot. Jedinou výjimkou jsou žlutá místa jasy rozsahu hodnot od cca 1000 do 6000 cd.m -2. Uveďme se nyní příklad výpočtu indexu oslnění UGR s využitím dig, fotografie. Jak již bylo uvedeno výše, pro výpočet potřebujeme hodnoty jasu oslňujících zdrojů. Pakliže víme, že oslnění nastává, nastane-li v zorném poli poměr jasů 1:100 [2], uvažujeme jako jediný oslňující sv. zdroj přímo nad pozorovatelem (označení Sv 1), jehož průměrný změřený jas se pohybuje okolo hodnoty 1000 cd.m -2. Tato hodnota byla odečtena pomocí polygonu umístěného v místě sv. zdroje a pomocí histogramu. Ostatní sv. zdroje, vzhledem k nižším hodnotám jasu, jako oslňující neuvažujme (berme však v úvahu, že zraková pohoda je narušena při výskytu poměru jasů asi 1:10 [2]). Dále je nutno určit prostorový úhel, pod kterým je tento oslňující zdroj viděn. Využijeme již umístěného polygonu a pomocí histogramu z něj odečteme sumu prost. úhlu. Další potřebnou hodnotou je adaptační jas oka pozorovatele tj. jas, který je definován jako rovnoměrný jas celého okolí, který v místě oka pozorovatele ve svislé rovině zajistí stejnou osvětlenost jako skutečné zorné pole bez oslňujících zdrojů.[2][3] Tento jas lze určit tak, že pomocí tvarů (obdélník, čtverec, polygon) z fotografie odečteme jasy ploch bez oslňujících zdrojů. Tímto způsobem bylo odečteno několik hodnot jasů, ty byly zprůměrovány a tento průměr můžeme s jistou chybou uvažovat jako hledaný adaptační jas.

61 Srovnávací měření různých zdrojů jasu 61 Poslední hodnotou, která se vyskytuje ve vzorci pro výpočet indexu oslnění UGR je činitel polohy, který byl určen standardním způsobem. Byly změřeny potřebné hodnoty délky pro určení činitele polohy podle diagramu (Obr. 3-3) [34]: l vzdálenost oka pozorovatele od roviny proložené osl. zdrojem kolmo k ose pohledu h výška osl. zdroje nad vodorovnou rovinou proloženou osou pohledu a boční vzdálenost osl. zdroje od vertikální roviny proložené směrem k pohledu Tab. 6-7 Hodnoty pro výpočet indexu oslnění UGR Hodnoty z fotografie Naměřené a vypočítané hodnoty L z L p1 L p2 L p3 L p Ω l a h a / l h / l p [cd.m -2 ] [cd.m -2 ] [cd.m -2 ] [cd.m -2 ] [cd.m -2 ] [sr] [m] [m] [m] [-] [-] [-] ,26 16,08 15, , ,2 2 0,4 0,65 3,4 Pomocí těchto hodnot můžeme dosadit do vzorce 3.11, pro n = 1, a vypočítat přibližnou hodnotu indexu oslnění UGR pro danou situaci: Podle výsledku vidíme, že pozorovatel je oslňován podle normy ČSN , která udává mezní hodnotu indexu oslnění pro kancelářské prostory 19 [7], však můžeme zhodnotit pracoviště jako nezávadné. Obdobným způsobem by mohla být provedena měření rozložení jasu, jakožto i výpočet indexu oslnění, z více míst různých pozorovatelů. 3. Vyhodnocení měření cílem tohoto měření bylo provést měření rozložení jasu v zorném poli pozorovatele pomocí jasoměru a jasového analyzátoru a provést srovnání měření. Pro účely srovnání byla zvolena měřící, porovnávací místa, kde byl měřen jas jasoměrem a odečítán z fotografie. Pokud srovnáme tyto hodnoty, při uvažování nejistot měření vypočtené v kap , můžeme tyto hodnoty považovat za stejné. Následující srovnání je tedy založeno na využití získaných výsledků, výhodách, či problémech při měření. Při měření jasoměrem nebylo změřeno celkové rozložení jasu, toto měření se ukázalo jako časově i metodicky velmi náročné. Vzhledem k možnosti pouze bodového měření by bylo nutno změřit velké množství hodnot jasu, zároveň by bylo nutno brát v potaz další problémy při tomto měření, jako je směrování jasoměru, změna sv. podmínek aj. Měření rozložení jasu pomocí jasoměru tedy lze sice provést, ovšem s celou řadou uvažovaných nejistot a problémů, navíc s menšími vyhlídkami na využití výsledků. Při měření jasovým analyzátorem tyto problémy částečně či úplně odpadají a výsledky měření lze dále nejen porovnávat např. s počítačovými návrhy osvětlení, ale i dále využít, v tomto případě pro hodnocení osvětlovací soustavy. Příkladem je provedený výpočet indexu oslnění UGR, ze získané fotografie na Obr. 6-9 navíc můžeme snadno odečítat hodnoty jasu v libovolném místě (=měření pro zajištění potřebných jasů), zároveň dostaneme celkový přehled o rozložení jasu v zorném poli pozorovatele (=měření pro zjištění správného rozložení jasů). Výhody měření jasovými analyzátory jsou tedy rychlost provedení měření a široké a praktické využití získaných hodnot jasu a jeho rozložení ve scéně pomocí fotografie.

62 Srovnávací měření různých zdrojů jasu Jasová analýza učebny Toto měření bylo provedeno dne v učebně A3-612 na ústavu elektroenergetiky VUT FEKT v Brně. Cíl měření toto měření je doplněk k předchozímu měření (kap ), cílem je zjistit rozložení jasu v zor. poli pozorovatele pomocí jasového analyátoru a jasoměru a provést srovnání výsledků. Použité měřicí přístroje a pomůcky: Digitální fotoaparát NikonD90 s nasazeným hardwarovým filtrem pro přizpůsobení ke křivce spektrální citlivost normalizovaného pozorovatele; adaptér pro napájení fotoaparátu; paměťová karta. Jasoměr Konica Minolta LS 100 Stativ Vyhodnocování bylo provedeno téhož dne v laboratoři na PC s nainstalovaným programem LumiDISP verze 2. Postup při měření měření a vyhodnocení proběhlo v následujících krocích: 1. Příprava měření uspořádání pracoviště a zapojení přístrojů 2. Provedení měření / vypracování 3. Vyhodnocení měření 1. Příprava měření pro toto měření byly zvoleny 3 měřící místa z místa učitele a ve dvou řadách, uprostřed a v zadní části učebny (6. a 10 řada stolů). Fotoaparát a jasoměr byly umístěny na stativ, do výšky 1,2 m (sedící pozorovatel), směrovány na pracovní prostor zachycení pokud možno všech stolů pro učitele a střed tabule pro studenty. Učebna byla osvětlována pouze umělým osvětlením, při stažených žaluziích, aby bylo možno vyloučit příspěvek denního osvětlení. Pro textovou část bylo jako příklad zvoleno měření z pozice studenta v 6. řadě, ostatní tabulky a snímky jsou umístěny v Příloze C. 2. Provedení měření stejně jako u předchozího měření bylo i zde jasoměrem provedeno alespoň částečné měření rozložení jasu v několika bodech (Obr. 6-10), ve kterých potom můžeme alespoň částečně porovnat výsledky s hodnotami naměřenými jasovým analyzátorem Změřené hodnoty jsou tabelovány v Tab Získání snímku pomocí fotoaparátu bylo provedeno obdobně jako u předchozího měření. Fotografie byly opět vyfoceny v mnoha expozicích a uloženy na paměťovou kartu fotoaparátu. Vyhodnocení bylo následně provedeno ve světelné laboratoři. Pro jasovou analýzu vybrán vyhovující snímek, o expozici 1/40s; clonovém číslu 3,5; zesílení ISO 200; a přepočten na jasový kanál (Obr. 6-11). Paleta snímku byla opět zvolena logaritmická, z důvodu lepší čitelnosti hladin jasů. V takto upraveném snímku byly vytvořeny kružnice, ve kterých byl odečítán jas. Hodnoty jsou tabelovány v Tab Pomocí tabulky s naměřenými hodnotami (Tab. 6-8) můžeme opět provést srovnání metod. V některých místech se hodnoty jasu poměrně liší, s uvažováním všech řečených faktorů je však můžeme opět považovat za stejné. Z naměřených a vynesených hodnot můžeme opět pronést závěr, že využití dig. fotografie pro účely měření rozložení jasu je mnohem výhodnější. Na Obr vidíme například rovnoměrnosti jasu na stolech, tabuli atp, nutných pro hodnocení osvětlovacích soustav. Tyto hodnoty tedy můžeme pomocí fotografie také vypočítat (podobný výpočet proveden v kap. 6.3). Toto při měření jasoměrem nemůžeme určit tak snadno (Obr. 6-10). Danou osvětlovací soustavu můžeme vyhlásit za vyhovující, jak ze správného osvětlení stolů a tabule (viditelný kontrast, správné rozložení), tak z pohledu oslnění (oslnění nenastane, či bude velmi malé poměr jasů není ani 1:100).

63 Srovnávací měření různých zdrojů jasu 63 Obr Naznačená místa měření jasoměrem a zároveň místa porovnávací Obr Jasová mapa s rozložením jasu v místě pozorovatele studenta v 6. řadě

64 Srovnávací měření různých zdrojů jasu 64 Tab. 6-8 Naměřené hodnoty jasoměrem a jas. analyzátorem ve zvolených místech místo Sv. zdroje Okno jas [cd.m -2 ] Sv 1 a Sv 1 b Sv 2a Sv 2 b Sv 3 a Sv 3 b Sv 3 c O L jasoměr 79,41 71,44 78,85 72,12 60,65 50,58 54,34 108,50 L jas. analyzátor 70,66 67,95 72,63 71,72 59,46 49,90 49,51 91,32 místo Stěny Tabule Dveře jas [cd.m -2 ] Z1 Z2 Z3 T1 T2 T3 D L jasoměr 73,70 57,12 51,10 144,30 154,80 142,50 19,72 L jas. analyzátor 70,25 55,06 48,63 132,60 160,58 143,67 15,05 místo Stoly Strop jas [cd.m -2 ] S1 a S1 b S1 c S2 a S2 b S2 c St L jasoměr 48,55 90,50 52,67 47,65 68,08 57,08 49,55 L jas. analyzátor 45,54 88,75 55,58 47,68 68,18 54,96 43,46 Bohužel příspěvek denního osvětlení ani při stažených žaluziích nemohl být úplně vyloučen, měření tak může být částečně ovlivněno tímto faktorem. Na fotografii to vidíme jasnými plochami (červené až žluté plochy) mezi žaluziemi a oknem. 3. Vyhodnocení měření i toto měření bylo provedeno spíše za účelem srovnání využití obou metod. Jako v předchozím případě, i zde se využití digitální fotografie, resp. měření pomocí jasového analyzátoru, ukázalo být mnohem výhodnější a více využitelné. 6.3 Měření jasu veřejného osvětlení Měření za účelem měření jasu veřejného osvětlení bylo provedeno za účelem porovnání metod, v případě jasového analyzátoru opět na poukázání možnosti širšího využití, jednak pro hodnocení veřejného osvětlení a jednak pro možnost využití k posouzení viditelnosti chodců. Měření bylo provedeno tzv. v terénu, dne v Brně na méně frekventované komunikaci na ulici Dobrovského. Cíl měření cílem tohoto měření je zjistit rozložení jasu v zor. poli pozorovatele (řidiče) pomocí jasového analyzátoru a jasoměru a provést srovnání výsledků. Dílčím cílem je poukázat na problémy a chyby, které se při měření vyskytly. Teoretický rozbor provedeného měření zjištění jasu veřejného osvětlení je jedním ze základních účelů měření jasů a jeho rozložení. Jasoměry měříme průměrný jas vozovky z místa pozorovatele, které se předpokládá 1,2m nad vozovkou v ¼ šířky komunikace.[2] Toto měření lze provést i pomocí jasového analyzátoru, který pomocí jednoho snímku zachytí celkový přehled o jasu ve scéně a naskýtá širší možnosti získaných výsledků. Význam veřejného osvětlení je velmi široký a zahrnuje bezpečnostní, kulturní, sociální, ekonomické i psychologické aspekty. Základním účelem veřejného osvětlení (místních komunikací) je zabezpečit dobrou viditelnost a zrakovou pohodu všem uživatelům a tím přispět ke zvýšení bezpečnosti silničního provozu a chodců. Veřejné osvětlení pro komunikace lze podle normy ČSN EN rozdělit do několika tříd podle svého účelu a pro tyto třídy se jsou dané určité podmínky. Tyto podmínky udává kromě ČSN EN mimo jiné i norma ČSN I zde se jedná o zajištění potřebných jasů a jeho správného rozložení, oslnění, rušivé světlo a další parametry, jako rovnoměrnost jasů aj.[35][36] Výpočet některých parametrů si v provedeném měření předvedeme.

65 Srovnávací měření různých zdrojů jasu 65 Osvětlením přechodů pro chodce se taktéž věnuje norma, přičemž nezávisí pouze na použitém svítidle a jeho jasu. Roli hraje mnoho dalších faktorů, jako je správné umístění stožárů aj. Hodnotit osvětlování přechodů pro chodce můžeme provádět podle kontrastů, nebo podle celkového osvětlení přechodů.[37] Použité měřicí přístroje a pomůcky: Digitální fotoaparát NikonD90 s nasazeným hardwarovým filtrem pro přizpůsobení ke křivce spektrální citlivost normalizovaného pozorovatele; adaptér pro napájení fotoaparátu; paměťová karta. Jasoměr Konica Minolta LS 100 Stativ Vyhodnocování bylo provedeno dne v laboratoři na PC s nainstalovaným programem LumiDISP verze 2. Schéma zapojení / pracoviště Obr Uspořádání pracoviště pro měření jasu veřejného osvětlení Postup při měření měření a vyhodnocení proběhlo v následujících krocích: 1. Příprava měření uspořádání pracoviště a zapojení přístrojů 2. Provedení měření / vypracování 3. Vyhodnocení měření 1. Příprava měření prvním úkolem bylo připravení pracoviště (viz. Obr. 6-12). Fotoaparát a jasoměr byly umístěny na stativ, do výšky 1,2 m (sedící řidič) a směrovány na přechod pro chodce a na prostor za ním. Dle normy je předepsaná vzdálenost 60m, měření však bylo provedeno ze vzdálenosti kratší cca 50m před sloupem veřejného osvětlení s možností záběru prostoru cca 10m za ním (pro možnost lepšího vyhodnocení kontrastů). Stejně tak měření nebylo provedeno v ¼ šířky komunikace, ale cca v ½ šířky důvodem byl automobil zaparkovaný u krajnice, který by zacloňoval (viz. Obr. 6-13). Pro hodnocení viditelnosti chodců byl přizván spoluměřící, oděn kompletně v černém oděvu, jež simuloval chodce přecházející přes přechod. 2. Provedení měření jasoměrem byly změřeny hlavně hodnoty jasu sv. činné plochy svítidla veřejného osvětlení a plochy na komunikaci a přechodu pro chodce (viz. Obr. 6-13). V těchto místech bude porovnáván jas. Pomocí fotoaparátu bylo opět získáno značné množství fotografií na paměťovou kartu, vyhodnocení bylo provedeno následujícího dne ve světelné laboratoři. Protože byla scéna neustále rušena různými vlivy (projíždějící vozy, procházející chodci), muselo být měření často přerušováno pro znovuzískání výchozích podmínek.

66 Srovnávací měření různých zdrojů jasu 66 Protože se jedná o scénu s potřebou odečtu velmi nízkých a zároveň vysokých hodnot jasů, byla pro analýzu z fotografií využita možnost HDR fotografie (viz. kap ). Na Obr můžeme vidět HDR snímek, jež byl vytvořen pomocí dvou snímků o expozičních hodnotách 0,292 a 3,97 EV. Na Obr potom HDR fotografii ze tří snímků o 0,292, 3,97 a 17 EV. Původní záměr, totiž využít pouze tuto jednu HDR fotografii (snímek o expoziční hodnotě 17 EV byl jako jediný nepřesaturován), selhal z důvodu vysokého šumu a tedy nemožnosti odečítat z něj hodnoty nízkých jasů. Tento problém nebyl odstraněn i přes snahu přizpůsobit logaritmus pro výpočet HDR fotografie. Můžeme však využít obě HDR fotografie Obr pro odečítání nižších hodnot jasů a Obr. 6-14, pro odečítání velmi vysokých jasů. Dalším problémem jsou viditelné chyby (kolečka) způsobené nedokonalostí nasazeného filtru. Tato chyba bohužel nemohla být nijak odstraněna, či jinak ošetřena. Hodnoty jasu v těchto oblastech jsou tedy zkreslené a není možno v nich bez uvažování chyb odečítat. Obr Jasová mapa s naznačenými místy měření jasoměrem veřejné osvětlení Tabelované porovnávací hodnoty z Tab. 6-9 byly tedy odečítány z obou fotografií a můžeme je porovnat a pronést závěr, že jsou opět velmi podobné či stejné. Musíme však opět brát v úvahu chyby a problémy, kterých bylo dopuštěno, ať už při samotném měření jasoměrem, či odečítání hodnot z fotografie. Měření jasoměrem můžeme dále vyhodnocovat a do jisté míry dále využít. Pakliže bychom naměřili dalších, například 10 hodnot, na vozovce, mohli bychom podle jejich průměru s uvažovanou chybou vypočítat rovnoměrnost jasů či jiné hodnoty pro hodnocení osvětlení. Co však nemůžeme, je přesně určit jas sv. zdroje. Ten dle fotografie (Obr. 6-14) dosahuje hodnoty až cd.m -2, vzhledem k zornému úhlu jasoměru však byl změřen jas pouze cca cd.m -2. Ze stejného důvodu nelze posuzovat viditelnost chodce.

67 Srovnávací měření různých zdrojů jasu 67 Obr HDR fotografie pro určení jasu veřejného osvětlení Tab. 6-9 Naměřené hodnoty jasoměrem a jas. analyzátorem ve zvolených místech místo Sv. zdroje Pravý pruh komunikace Chodník Travnatý povrch jas [cd.m -2 ] Sv 1 Sv 2 S 1 a S 1 b S 1 c S 1 d Ch T L jasoměr ,770 1,447 1,360 1,300 0,879 0,480 L jas. analyzátor ,210 1,610 1,620 1,290 0,910 0,386 místo Levý pruh komunikace Přechod pro chodce jas [cd.m -2 ] S 2 a S 2 b S 2 c S 2 d P1 P2 P3 L jasoměr 0,950 1,130 1,010 1,490 0,840 2,60 0,790 L jas. analyzátor 1,510 1,200 1,060 1,480 0,434 2,06 0,535 Naproti tomu, při měření jasovým analyzátorem se nám naskýtá možnost širokého uplatnění a vyhodnocení. Zaměřme se nyní na hodnocení veřejného osvětlení. Podle normy ČSN EN Osvětlení pozemních komunikací, je před samotným měřením a vyhodnocováním nutno určit třídu osvětlení a definovat požadavky pro tuto třídu. Protože nejsou známy přesné podmínky pro zkoumanou komunikaci, vycházejme pouze z odhadu světelné situace podle této normy. Odhad této situace je B2 této světelné situaci odpovídá typ prostoru silniční komunikace v zastavěných oblastech, kde rychlost hlavního uživatele (motorová doprava, doprava velmi pomalých vozidel a cyklisté) je km/h a dalším povoleným účastníkem je chodec, bez dalšího oddělení cyklistické dopravy. Tato situace zhruba odpovídá dané situaci, pro niž jsou podmínky, které budeme pomocí fotografie vyhodnocovat, následující průměrný jas L = 0,5-2 cd.m -2 ; celková rovnoměrnost jasu U 0 = 0,35 0,4; podélná rovnoměrnost jasu U l = 0,4 0,7. [35][36]

68 Srovnávací měření různých zdrojů jasu 68 Z fotografie můžeme potřebné hodnoty odečíst pomocí umístění polygonu (či jiného tvaru) na vozovku a dále využít histogramu, který nám přímo vypočítá minimální, maximální a průměrnou hodnotu jasu. (Pozn.: v našem případě byl využit polygon; pro vyloučení automobilu v pravé dolní části snímku) Průměrný jas vozovky [8]: Celková rovnoměrnost [8]: Podélná rovnoměrnost [8]: O dané komunikaci můžeme podle požadavků normy prohlásit, že je z hlediska průměrného jasu a celkové rovnoměrnosti vyhovující a z hlediska podélné rovnoměrnosti je nevyhovující. Podle normy ČSN se však bere největší ohled právě na průměrný jas a celkovou rovnoměrnost.[8] Nyní si ukážeme možnost posouzení viditelnosti chodců pomocí digitální fotografie. Chodce na přechodu lze zdůraznit pozitivním nebo negativním kontrastem proti pozadí (vozovce). Negativní kontrast lze zajistit správně navrženým základním osvětlením komunikace. V místě přechodu je doporučeno vhodné uspořádání stejných světelných míst (stejná výška osvětlovacích stožárů, stejná svítidla, stejné světelné zdroje, stejné vyložení svítidel atd.) jako na celé komunikaci. Dále by měl být správně a rovnoměrně osvětlen nejen přechod, ale i chodník blízko přechodu. O pozitivním kontrastu můžeme říci, že se jedná o případ, kdy je chodec výrazně více osvětlen (světlý chodec na tmavém pozadí). [37] Pro zhodnocení naší situace byl v LumiDISPu vybrán výřez ze získané fotografie (Obr. 6-15) a průběh jasu mezi okolím a chodcem, získaný pomocí umístěné přímky (Obr a 6-16). Chodec byl zmíněný spoluměřící, jenž se záměrně postavil na okraj přechodu. Můžeme tak posoudit nejen jeho viditelnost, ale i rovnoměrnost rozložení jasu na celém přechodu. Podle Obr můžeme předběžně říci, že přechod je celkově nerovnoměrně osvětlen. Hodnoty jasu uprostřed přechodu jsou v rozmezí asi 2 5 cd.m -2, a na krajích přechodu v rozmezí asi 0,8 1,5 cd.m -2. Hodnoty jasu uprostřed přechodu jsou tedy vyšší než na jeho krajích, což potvrzuje předchozí závěr. Pro správné osvětlení přechodu by měl být přechod osvětlen rovnoměrně a pokud možno vyššími jasy, než je jas vozovky. Přechod potom splývá s vozovkou a bezpečnost chodců tak není zaručena. Při nízkých adaptačních jasech, které jsou vždy, i v případě nejlépe osvětlené komunikace, je možné rozlišit jasy v poměru cca 1:3.[37] Poměr jasů mezi chodcem a jasem pozadí (či vozovky) by měl být alespoň trojnásobný. Podle Obr. 6-16, kde hodnoty pixelů cca jsou na chodci a ostatní pixely jsou jeho bezprostřední okolí, můžeme říci, že dostatečného kontrastu, ať už negativního či pozitivního, není dosaženo. Chodec tedy může splývat s okolím a jeho viditelnost není zaručena. Stejný případ zřejmě nastane v dalších místech přechodu, kde sice jsou větší jasy, větší jsou však také jasy okolí a potřebného kontrastu nebude opět dosaženo. V našem případě tedy můžeme osvětlení přechodu vyhodnotit jako nesprávné.

69 Srovnávací měření různých zdrojů jasu 69 Obr Výřez z fotografie pro posouzení viditelnosti chodce Obr Průběh jasu na přímce mezi chodcem a jeho bezprostředním okolím V uvedeném případě by optimálním řešením mohlo být umístění stožáru s veřejným osvětlením i z druhé strany komunikace. Přechod by byl lépe osvětlen, stejně jako chodec a taktéž by se jistě dosáhlo lepšího rozložení jasu.

70 Srovnávací měření různých zdrojů jasu Vyhodnocení měření cílem tohoto měření bylo srovnání metod a poukázání na možnosti využití jasového analyzátoru. Jak je vidět z předchozího vypracování, široké možnosti využití, které má jasový analyzátor, měření pomocí jasoměru nenaskýtá. Pomocí jasoměru byly změřeny hodnoty jasu na vozovce i přechodu, se kterými se jistě dá určit rovnoměrnost jasů na vozovce či minimální hodnoty, ovšem výhody jasové mapy z digitální fotografie jsou zřejmé. Stejně jako v předchozích kapitolách bylo dokázáno, že digitální fotografie, resp. měření pomocí jasového analyzátoru je mnohem více využitelné. Příkladem budiž provedené hodnocení viditelnosti chodců či celkové hodnocení veřejného osvětlení, které bylo snadno a rychle proveditelné. S uvažováním nejistot při měření jasoměrem bylo i přesnější. Jediným problémem při měření jasovým analyzátorem se ukázalo být získání vhodných fotografií (resp. nalezení vhodných hodnot expozice). Záměr vytvořit HDR fotografii s velmi širokého rozpětí expozičních hodnot (jasů), nevyšel z uvedených důvodů. Řešením by mohlo být nalezení a použití vhodného logaritmu pro výpočet HDR fotografie, lépe však nalezení správných hodnot expozice. Rozdíl mezi EV v našem případě byl totiž značný (0 17 EV). Dalším problémem byly geometrické účinky světla, které ve fotografii vytvořili kružnice odrazů, ve kterých tedy nemohly být hodnoty jasu přesně odečítány. I přes uvedené problémy jsou však výhody této metody značné.

71 Závěr 71 7 ZÁVĚR 7.1 Závěry práce a její přínos Cílem práce bylo srovnat konvenční a nové metody měření a hodnocení jasů. Před samotným popisem těchto metod byl sepsán nutný teoretický základ zahrnující druhy fotometrických měření, fotometrické jednotky a fyziologii zrakového systému, s níž tato problematika závisí. Konvenčními metodami provedené měření a hodnocení jasů lze provést vcelku jednoduše, existuje však řada omezení, které není hodno přehlédnout. Při měření jasoměrem vznikne řada problémů, které mohou zapříčinit chyby měření, či které tuto metodu měření učiní nevhodnou. Patří sem ať už časová náročnost, nepřesnost měření způsobená změnou světelných podmínek, či menší využitelnost získaných výsledků. S nástupem nových měřicích metod využívajících k jasové analýze digitální fotografii se zachycenými jasovými poměry ve scéně, tyto problémy a omezení zcela odpadají. Jasové analyzátory nabízejí široké využití a možnosti jasové analýzy a vhledem k vývoji digitálních fotoaparátů jako měřicích přístrojů a k vývoji počítačových softwarových podpor k vyhodnocení získaných dat, by tak pomalu, ale jistě měly dostávat výhradní místo v měření a vyhodnocování jasů. Součástí textové části diplomové práce je i tabulka se srovnáním obou zmíněných metod měření a vyhodnocování jasů, kde jsou vyjádřeny výše zmíněné závěry. Tato tabulka byla vytvořena na základě všech dostupných a zpracovaných informací, literatury, manuálů atd. V návaznosti na tuto tabulku byla provedena praktická, srovnávací měření různých zdrojů jasu pomocí obou metod. Součástí srovnávacího měření byl výpočet nejistot měření, který měl poukázat na všechny chyby a problémy, které se při měření vyskytly. Pro určení nejistoty měření se vycházelo jak ze statistického zpracování naměřených údajů, tak z uvažování všech zdrojů chyb. Pro měření jasoměrem jsou deklarovány zdroje chyb a proto výsledná nejistota měření jasoměrem, tedy 10,6%, může být považována za správně vypočtenou. Velikostí této nejistoty řadíme měření jasoměrem do měření provozních, které připouštějí tuto nejistotu měření až 14%. Přesnost měření jasoměrem je tedy viditelně zasažena relativně vysokou chybou. Velikost nejistoty měření jasovým analyzátorem se pohybovala kolem 5%, což spadá do měření přesných, vzhledem k pouhému odhadu zdrojů chyb však tuto hodnotu nelze brát jako úplně směrodatnou. Dále byla provedena další srovnávací měření, která měla poukázat na možnosti využití, výhod a nevýhod zvolených metod měření jasu. Tato měření splnila svůj účel podle těchto měření si můžeme udělat obrázek o možnostech využití a opět, s odkazem na srovnávací tabulku, potvrdit předchozí závěry. Z těchto měření vyplynulo, že jasová analýza pomocí digitální fotografie je jednoznačným přínosem a je jednoznačně metodou výhodnější a rychlejší. Příkladem může být provedené měření vysokých jasů vyzařovaných z malých ploch, dále provedené zjištění jasů v zorném poli pozorovatele za účely hodnocení interiérových osvětlovacích soustav, nebo provedené měření jasu veřejného osvětlení za účelem hodnocení tohoto osvětlení a posouzení viditelnosti chodců. Při tomto měření byly navíc vypočítány a určeny hodnoty, které by jinak při konvenčním měření šly určit jen velmi těžko, jako například index oslnění UGR. I při měření jasovým analyzátorem se však samozřejmě vyskytly chyby, které je nutno brát v potaz. Tyto chyby by měly být odstraňovány, či aspoň omezovány, a to vylepšením postupů a metodiky, viz. kap. 7.2 Návrh dalšího postupu. Co se týče dnes dostupných, moderních jasových analyzátorů, dostupnost informací k těmto přístrojům, či vůbec celé problematice je zatím velmi omezená a to z důvodu, že tato metodika zatím není plně rozvinutá, resp. zavedená. V této práci je provedena rešerše ke čtyřem dostupným

72 Závěr 72 jasovým analyzátorům, ke kterým byly čerpány informace pouze z internetu ze zveřejněných publikací, manuálů atd. Kromě analyzátoru LumiDISP, který je vyvíjen na ústavu elektroenergetiky FEKT VUT v Brně, jsou zřejmě nejdále v Ilmenau v Německu se svým LMK Mobile Advanced, který byl již mnohokrát využit a výsledky měření pomocí tohoto analyzátoru můžeme nalézt v různých publikacích zabývajících se světelnou technikou a inovacemi v ní. Přínosem této práce je tedy popis měřících metod jasu, seznámení s jejími principy a možnostmi využití, a to ať už po teoretické či praktické stránce. Při práci bylo využíváno norem, či oficiálních manuálů a instrukcí. 7.2 Návrh dalšího postupu Dalším postupem při srovnání konvenčních a nových metod by jistě mohlo být provedení dalších různých srovnávacích měření. Mohlo by to být měření za účelem zjištění činitele odrazu, nebo křivek svítivosti světelných zdrojů. Toto jsou však postupy poměrně náročné a každá z nich by jistě byla zajímavým tématem na další odbornou práci. Kromě těchto měření by dalším postupem mohlo být srovnávací měření ne měřících metod, ale samotných měření jasovým analyzátorem, za účelem určení jeho parametrů, například zdrojů nejistot digitálního fotoaparátu. Obecně dalším postupem pro metodu měření jasovými analyzátory by mělo být kalibrování a přizpůsobování dalších digitálních fotoaparátů k měření jasu a zlepšování vyhodnocovacích programů o možné další utility, či samotné vylepšování měřících postupů za účelem získání co nejlepších výsledků. Využití jasových analyzátorů k měření jasů je totiž velmi perspektivní a účinnou metodou, která by, jak již bylo řečeno, měla získávat výhradní místo v měření jasů.

73 Použitá literatura 73 POUŽITÁ LITERATURA [1] HABEL, J. Světelná technika, ČVUT v Praze, 1990, ISBN , 76 stran. [2] HABEL, J. Osvětlování, ČVUT v Praze, 1995, ISBN , 328 stran. [3] BAXANT, P. Světelná technika, VUT v Brně, 2008, elektronický učební text, 82 stran. [4] ŠKODA, J. Nekonvenční metody měření ve fotometrii. Disertační práce. Ústav elektroenergetiky FEKT VUT v Brně, 2011, 106 stran. [5] Laboratoř světelné techniky [on-line], [cit ]. Dostupný z www: [6] SKOKANSKÝ, K. a kol. Racionalizace v osvětlování kancelářských, školských a bytových prostor, Česká společnost pro osvětlování, VŠB-TU Ostrava, 2008, 136 stran. [7] Česká technická norma ČSN EN , Světlo a osvětlení Osvětlení pracovních prostorů, část 1. Vnitřní pracovní prostory, 52 stran. [8] Česká technická norma ČSN EN , Světlo a osvětlení Osvětlení pracovních prostorů, část 2. Venkovní pracovní prostory, 26 stran. [9] BAXANT, P. Analýza jasových poměrů s využitím digitální fotografie, VUT v Brně, 2000, teze disertační práce, 29 stran. [10] PLCH, J., KUTAL, K. Příklady měření jasů, Kurz osvětlovací techniky XXV, Česká společnost pro osvětlování, VŠB-TU Ostrava, 2006, 314 stran [11] Konica Minolta Lightmeters [on-line], 2011, [cit ] dostupný z www: df [12] BAXANT, P., ŠKODA, J. Digitální fotografie a její využití ve světelné technice, Odborný časopis Světlo časopis pro světelnou techniku a osvětlování [on-line], číslo 1/2010, [cit ] dostupný z www: [13] BAXANT, P., ŠKODA, J. Digitální fotografie a její využití ve světelné technice, Odborný časopis Světlo časopis pro světelnou techniku a osvětlování [on-line], číslo 2/2010, [cit ], dostupný z www: [14] Digitální fotoaparát Wikipedia otevřená encyklopedie [on-line], 2011, [cit ], dostupný z www: [15] CCD Wikipedia otevřená encyklopedie [on-line], 2011 [cit ], dostupný z www: [16] PILHAN, R. Vše o světle Světlo a sensor digitálních fotoaparátů [on-line], článek r.2007 [cit ], dostupný z www: [17] Bayerova maska Wikipedia otevřená encyklopedie [on-line], 2011 [cit ], dostupný z www: [18] PILHAN, R. Obrazové problémy ditigální fotografie I sensor, [on-line], článek r.2011 [cit ], dostupný z www:

74 Použitá literatura 74 [19] EasyHDR PRO High Dynamic Range Image Processing Software [on-line], dokumentace r.2011, [cit ], dostupný z www: [20] FRÖSSLER, R. Jak na HDR foto ve photoshopu [on-line], článek r.2009, [cit ], dostupný z www: [21] HDR soft HDR image (created from the 3 left photos) [on-line], 2011, [cit ] dostupný z www: [22] TechnoTeam Bilderverarbeitung LMK Luminance Camera [on-line], 2011, [cit ], dostupný z www: [23] TechnoTeam Bilderverarbeitung Complete overview of LMK Luminance Camera, [online], 2011, [cit ], dostupný z www: [24] MARTYKÁN, A. Praktické příklady měření a hodnocení jasových poměrů, Odborný časopis Světlo časopis pro světelnou techniku a osvětlování [on-line], číslo 2/2003, [cit ], dostupný z www: [25] LumiDISP Luminance Distribution Processing software [on-line], 2011, [cit ], dostupný z www: [26] WÜLLER, D., GABELE, H. The Usage of Digital Cameras as Luminance Meters, [online], 2007, [cit ], dostupný z www: [27] PALENČÁR, VDOLEČEK, HALAJ Nejistoty v měření I. Určování nejistot, Odborný časopis Automa [on-line], 2001, [cit ], dostupný z www: [28] WOLF, S., GALL, D. Luminance Analzyers What they do and how do them work, [on-line], 2003, [cit ], dostupný z www: [29] HOLLAN, J. Fotometrické hodnocení scén pomocí digitálních fotoaparátů, [on-line], 2003, [cit ], dostupný z www: [30] DOLEJŠÍ, T. EV, neboli expoziční hodnota tajemství zbavená, [on-line], 2007, [cit ], dostupný z www: [31] Radiant Imaging Imaging Photometers and Colorimeters, [on-line], 2012, [cit ], dostupný z www: [32] Konica Minolta 2D Color Analyzer CA-2000 [on-line], 2012, [cit ] dostupný z www: [33] Konica Minolta CA-S20w Software [on-line], 2012, [cit ] dostupný z www:

75 Použitá literatura 75 [34] PLCH, J. Světelná technika v praxi, IN-EL spol s.r.o., Praha 1999, ISBN , 210 stran. [35] GAŠPAROVSKÝ, D. Atributy dobrého VO z pohledu teorie a praxe, [on-line], 2011, [cit ], dostupný z www: reho_vo_gasparovsky.pdf [36] ŽÁK, P. Terminologie veřejného osvětlení v nových dokumentech, [on-line], [cit ], dostupný z www: 20VO/Terminologie%20pro%20ve%C5%99ejn%C3%A9%20osv%C4%9Btlen%C3%AD.pdf [37] MAIXNER, T.. Osvětlení přechodů pro chodce, Odborný časopis Světlo časopis pro světelnou techniku a osvětlování [on-line], číslo 4/2008, [cit ], dostupný z www:

76 Přílohy 76 PŘÍLOHA A SNÍMKY A HISTOGRAMY PRO SROVNÁVACÍ MĚŘENÍ

77 Přílohy 77

78 Přílohy 78 PŘÍLOHA B SNÍMKY A PRŮBĚHY PRO MĚŘENÍ VYSOKÝCH JASŮ A KONTRASTŮ LED_1 - ROHS GU10:

79 Přílohy 79 LED_2 - PARATHOM CL A 80059; Warm White: LED_3 - LDAHV4L27CG:

80 LED_4 - OSRAM DECOSPOT LED GU10: Přílohy 80

81 Halogen - OSRAM A: Přílohy 81