Desarrollo de métodos de procesado de imágenes laríngeas en color para la detección del espacio glotal y de las cuerdas vocales

La medicina ha evolucionado de forma que las imágenes digitales tienen un papel de gran relevancia para llevar a cabo el diagnóstico de enfermedades. Son muchos y de diversa naturaleza los problemas que pueden presentar el aparato fonador. Un paso previo para la caracterización de imágenes digitales de la laringe es la segmentación de las cuerdas vocales. Hasta el momento se han desarrollado algoritmos que permiten la segmentación de la glotis. El presente proyecto pretende avanzar un paso más en el estudio, procurando asimismo la segmentación de las cuerdas vocales. Para ello, es necesario aprovechar la información de color que ofrecen las imágenes, pues es lo que va a determinar la diferencia entre una región y otra de la imagen. En este proyecto se ha desarrollado un novedoso método de segmentación de imágenes en color estroboscópicas de la laringe basado en el crecimiento de regiones a partir de píxeles-semilla. Debido a los problemas que presentan las imágenes obtenidas por la técnica de la estroboscopia, para conseguir óptimos resultados de la segmentación es necesario someter a las imágenes a un preprocesado, que consiste en la eliminación de altos brillos y aplicación de un filtro de difusión anisotrópica. Tras el preprocesado, comienza el crecimiento de la región a partir de unas semillas que se obtienen previamente. La condición de inclusión de un píxel en la región se basa en un parámetro de tolerancia que se determina de forma adaptativa. Este parámetro comienza teniendo un valor muy bajo y va aumentando de forma recursiva hasta alcanzar una condición de parada. Esta condición se basa en el análisis de la distribución estadística de los píxeles dentro de la región que va creciendo. La última fase del proyecto consiste en la realización de las pruebas necesarias para verificar el funcionamiento del sistema diseñado, obteniéndose buenos resultados en la segmentación de la glotis y resultados esperanzadores para seguir mejorando el sistema para la segmentación de las cuerdas vocales. ABSTRACT Medicine has evolved so that digital images have a very important role to perform disease diagnosis. There are wide variety of problems that can present the vocal apparatus. A preliminary step for characterization of digital images of the larynx is the segmentation of the vocal folds. To date, some algorithms that allow the segmentation of the glottis have been developed. This project aims to go one step further in the study, also seeking the segmentation of the vocal folds. To do this, we must use the color information offered by images, since this is what will determine the difference between different regions in a picture. In this project a novel method of larynx color images segmentation based on region growing from a pixel seed is developed. Due to the problems of the images obtained by the technique of stroboscopy, to achieve optimal results of the segmentation is necessary a preprocessing of the images, which involves the removal of high brightness and applying an anisotropic diffusion filter. After this preprocessing, the growth of the region from previously obtained seeds starts. The condition for inclusion of a pixel in the region is based on a tolerance parameter, which is adaptively determined. It initially has a low value and this is recursively increased until a stop condition is reached. This condition is based on the analysis of the statistical distribution of the pixels within the grown region. The last phase of the project involves the necessary tests to verify the proper working of the designed system, obtaining very good results in the segmentation of the glottis and encouraging results to keep improving the system for the segmentation of the vocal folds.

Material, espacio y color en Mies van der Rohe. Café Samt & Seide: Hacia una Propuesta Estructural

La aparición de varias fotografías del Café Samt & Seide no publicadas hasta 2008 en las que se observaba la luz natural de la exposición; los planos a escala de la nave donde se realizó la exposición textil; y los croquis inéditos de la instalación de la seda localizados durante el transcurso de la Tesis Doctoral por el doctorando en el plano de la Sala de Cristal, han sido las principales aportaciones de la búsqueda documental que ha tenido por objeto el conocimiento espacial e interpretación gráfica del proyecto expositivo realizada durante el transcurso de la Tesis Doctoral para poder profundizar en el alcance de la propuesta protoarquitectónica y, a través de ella, en la obra y pensamiento de Mies van der Rohe. Material, espacio y color son elementos propuestos como capítulos que estructuran la disertación y que son empleados por Mies van der Rohe como factores de una nueva expresión espacial en la exposiciones como ensayos identificados con su idea de arquitectura. En el Café Samt & Seide, Mies van der Rohe y Lilly Reich proponen una sensibilidad en el empleo del material y color trasladada al espacio mediante una atmósfera rítmica y en movimiento de superficies abstraídas e iluminadas. La estructura visual de opuestos nace del doble material textil de la exposición desplegándose en un orden espacial y constructivo de elementos independientes iniciado en los apartamentos de la Colonia Weissenhof y Sala de Cristal de Stuttgart 1926-1927, y que será trasladado desde los espacios experimentales de 1927 a las series de mármoles y cristales del Pabellón Alemán 1928-1929. La síntesis intelectual (arte-ciencia-filosofía) guía el proceso de formalización y la técnica en una intención que será trasladada a su arquitectura en el empleo de la tecnología. La creatividad y repercusión de las vanguardias en la instalación muestra la voluntad integradora de la exposición y arquitectura como arte total. Los aspectos interpretativos de las artes plásticas, visuales y musicales se integran como criterios y sensibilidades aplicadas a las estructuras yuxtapuestas material, espacial y de color. Modernidad y tradición tectónica convergen en este espacio construido cuyas superficies cubren un armazón metálico oculto. La construcción mínima textil será incorporada como idea de forma en la futura construcción del pilar metálico, la pared flotante de sus viviendas y pabellones abiertos a la naturaleza, y la gran fachada tecnológica del espacio público de sus agrupaciones en la ciudad. El espacio total del Café Samt & Seide dentro de la gran nave de Berlín anticipa las exposiciones artísticas e industriales realizadas junto a Lilly Reich en el interior de las espaciosas salas de estructura metálica como instalaciones conceptuales de gravedad y luz antecedentes de los pabellones de grandes dimensiones y espacio universal. Arquitectura, construcción y lugar son integrados en la instalación por el principio estructural como propuesta de una idea de arquitectura que es desarrollada en las exposiciones. Oscilador y bastidor son construcciones escaladas dentro de la gran nave iluminada, expresando el conjunto un orden de partes que reflejan un todo integrado en la naturaleza y lo universal. Las múltiples relaciones espaciales, constructivas y conceptuales de la exposición con su arquitectura desvelan al Café Samt & Seide como un exponente y antecedente de su obra e idea a la que definió como una propuesta estructural. La estructura, entendida como un conjunto de valores culturales y medios técnicos, es el concepto con el que Mies van der Rohe identifica la síntesis intelectualtecnológica de su tiempo, constituyendo la finalidad de su expresión material, espacial y de color. ABSTRACT The unpublished pictures of the Café Samt & Seide appeared in 2008 in which the natural light in the exhibition can be seen; the scaled plan of the nave where the textile exhibition was held; and the unpublished sketches of the silk exhibition located by the doctoral candidate while preparing his dissertation have been the main input of the data search aiming at a better understanding of the space and a graphic interpretation of the exhibition project made by the doctoral candidate during the dissertation as a basic requirement to deepen in the scope of this protoarchitectural proposal and, though it, into Mies van der Rohe’s work and thinking. Material, space and colour are the elements put forward as the chapters structuring this dissertation and were used by Mies van der Rohe as factors of a new spatial expression in expositions as tests identified with his idea of architecture. In Café Samt & Seide, Mies van der Rohe and Lilly Reich present material and colour sensitivity transferred to space though a rhythmic and moving atmosphere made up by abstracted and lit surfaces. Such a visual grammar and oppositions unfolds into a space and constructive order of independent elements originated with the apartments of the Weissenhof Colony and Glass Room in Stuttgart 1926-1927, and which were transferred these test spaces 1927 to the series of marble and glass in the German Pavilion 1928-1929. The intellectual and formal will (art-science-philosophy) guides the technical expression, which is transferred to architecture through technology. The creativity and impact of avant-gardes in the installation reflects exhibition and architecture’s will to integrate as a Total Art. The interpretative aspects of plastic, visual and musical arts are part of a sensitivity applied to the overlapped structures of material, space and colour. Tectonic modernity and tradition converge in this space built with surfaces covering a hidden metal framework. The minimal textile construction is integrated as a shape idea in his subsequent construction of the metal pillar, floating wall in his housing and pavilions open to nature, and the great technological façade of the public space of his urban clusters. The total space of the exhibition inside the great nave in Berlin anticipates the artistic and industrial exhibitions done together with Lilly Reich inside the spacious Halls built with exposed metal structures as conceptual installation of gravity and light prior to the big-dimensioned pavilions and universal space. Architecture, construction and place are integrated by the structural principle. Oscillator and framework are scaled constructions integrated inside the great, lit nave, and the whole conveys order of its parts reflecting a whole integrated in nature and the universal. The many conceptual, space and constructive link of the textile exhibition to his European and American architecture add a greater knowledge of the time when Mies van der Rohe stated he gained a “new awareness” 1926, revealing Café Samt & Seide as a valuable example and the experimental precursor of his work and idea defined by himself as a “structural proposal”. The structure, understood as a set of cultural and material values expressed by architecture, is the notion used by Mies van der Rohe to identify the intellectual-technological synthesis as the idea of a time and which is the goal of its material, space and colour expression.

El color en la transfiguración del espacio: un estudio empírico de los dispositivos de transformación y configuración

La presente investigación analiza la capacidad del color de cualificar los espacios y propone una clasificación que ordene los diferentes dispositivos que actúan en este proceso. El objetivo de esta tesis es describir estos dispositivos estableciéndolos como parte inequívoca de cualquier proceso desencadenado por la presencia del binomio luz y color. El color ha sido objeto de estudio y experimentación a lo largo de la historia, en todas las artes y las distintas disciplinas relacionadas con la física, la percepción y la interacción. De este modo se realiza una aproximación teórica e histórica al color desde puntos de vista interdisciplinares, para llegar a comprender el modo en el que el color se acaba separando de la forma para pasar a formar parte de la configuración del espacio. Con el propósito de alcanzar este objetivo, se ha realizado un recorrido a través de diferentes teorías y manifestaciones artísticas realizadas en torno al color a lo largo de la Historia, para encontrar las claves de la relación del color con el espacio. Tomando de base este primer acercamiento al tema, se realiza un estudio empírico exhaustivo con modelos físicos con el fin de aislar los dispositivos que intervienen el este proceso en el que el color se pone en relación con el espacio; se analiza su variación a medida que fluctúan las características de los elementos que desencadenan los dispositivos. El objetivo es descubrir un orden, una taxonomía, que permita interpretar cualquier transformación producida por el color en el espacio. Posteriormente, se verifica la validez de esta clasificación estudiando siete espacios modelo en los que el color transfigura el espacio mediante la activación conjunta de varios de los dispositivos analizados. Se ha elegido este grupo de siete espacios debido a que, al tomarlos como suma, sus interiores engloban todos los fenómenos encontrados en el análisis previo. El conjunto de los dispositivos que actúan en cada espacio forma un sistema único e irrepetible que tiene que ver con su transfiguración espacial mediante la luz y el color. Estos sistemas constituyen parte de la génesis propia de cada espacio a través de una secuencia de dispositivos de transformación y configuración espacial que lo hace singular. Los dispositivos clasificados en esta investigación se encuentran en cualquier espacio en el que intervengan la luz y el color, agrupándose secuencialmente en sistemas determinados que cualifican el espacio arquitectónico. ABSTRACT This research analyzes the ability of the colour to qualify the spaces and proposes a classification to arrange the different devices that act in this process. The aim of this thesis is to describe these devices, unequivocally established as part of any process triggered by the presence of light and color pairing. Colour has been the subject of study and experimentation throughout history, in all the arts and disciplines related to physics, perception and interaction. Thus a theoretical and historical approach to the colour is developed from interdisciplinary points of view, in order to understand the way that colour separates from the form and is part of the space configuration. With the purpose of reaching this target, there has been a journey through the artistic movements and theories on colour throughout history, seeking for the key points of its relation with the space. Based on these first intuitions as a starting point, an exhaustive empirical study is made with physical models with the purpose of isolating the devices that participate in this process where colour is related with the space as well as analyzing their variation to the extent that the characteristics of the elements which cause them fluctuate. The objective is to discover an order, a taxonomy that allows to performing any transformation produced by the colour in the space. Afterwards, the validity of this classification is verified by studying seven model spaces in which the colour transfigures the space by the combined activation of several analyzed devices. These seven spaces were chosen due to all the phenomenon set in the previous analysis are included in their interior space. The group of devices that act on each space creates an unrepeatable and unique system that has to do with its spatial transfiguration by means of light and colour. These systems form part of the origin itself of each space through a sequence of devices of spatial transformation and configuration that make this space unique. The devices sorted in this research transform and configure any space in which light and colour participate, sequentially grouping together in determined systems that qualify the architectonic space.

Continuidad y discontinuidad en Louis I. Kahn : material, estructura y espacio

La obra de Louis I. Kahn —como decía Robert Le Ricolais, íntimo colaborador suyo sorprendentemente ignorado hasta ahora— no es fácil de reducir a un discurso lineal. Al hilo de esta apreciación, en el presente trabajo hemos intentado distanciarnos de una linealidad, lo cual nos separa sensiblemente de otras interpretaciones sobre este arquitecto. El acceso directo al material de los Archivos Kahn de la Universidad de Pennsylvania, los mismos edificios construidos y aquellos otros proyectos no realizados, la conversación con sus íntimos colaboradores y los hallazgos de documentación hasta ahora inédita han hecho posible una aproximación a la realidad vital del pensamiento y la obra de Kahn. Hemos querido en este trabajo acercarnos a aquellos puntos de máxima tensión interna en la obra kahniana, a aquellas aparentes contradicciones que desvelan la aproximación de Kahn al hecho proyectual. Estos puntos luminosos, desde la consideración del material, la estructura y el espacio, han servido de urdimbre para el trabajo. Y los hemos abordado desde tres hilos conductores, tres niveles de discurso cuyas fibras se entrelazan y forman un tejido. En primer lugar, la cultura arquitectónica de los años cincuenta con el telón de fondo del organicismo, entendido éste como reacción a un reduccionismo funcionalista y que adopta muchas formas más allá del concepto wrightiano de "arquitectura orgánica". En segundo término, la consideración de los problemas formales más allá de una configuración precisa, desde sus principios, de modo abierto, como corresponde al concepto kahniano de Forma", que entendemos en este trabajo como "disposición flexible" o "estructura topológica", siguiendo las Ideas de Robert Le Ricolais. Por último, la abstracción visual y espacial, la consideración de que además de la naturaleza de los materiales, existe otra dimensión más visual o fenomenológica pero no por ello menos rigurosa, más ligada a la interpretación personal que el artista o el arquitecto hacen del material con el que trabajan. En este sentido, encontramos paralelismos entre las actitudes de Josef Albers y Kahn ante el espacio. 1. Kahn queda incorporado en este trabajo a la tradición orgánica a través de una idea de geometría estructurada en niveles sucesivos de escala: una geometría orgánica. Anne Griswold Tyng, quien puso a Kahn en contacto con esta tradición, y su entendimiento de la arquitectura como el arte de dar forma al número y número a la forma, le posibilitó afianzarse en sus propias convicciones y en la radicalidad y universalidad de este orden geométrico arquetípico, presente tanto en las realidades naturales como en las mentales. En este sentido, la unidad elemental de espacio en Kahn —la estancia ["Room'), una unidad indivisible cuya fragmentación interna destruiría su sentido— constituye muchos de sus proyectos como acumulaciones celulares, como si se generaran por crecimiento o agrupación de unidades elementales —casa Parasol (1944), casa Adler (1955), Centro de Arte Británico de la Universidad de Yale (1969-74)—. La idea de "crecimiento" frente a la de "composición", con la que más frecuentemente se ha asociado a Kahn, parece ser una clave importante para entender su proceso proyectual, como manifiesta una reveladora discusión mantenida entre Kahn y Colin Rowe que se recoge en este trabajo. Este concepto kahniano de "Room"se revela como un 'espacio para', un espacio con carácter definido, un lugar que evoca un uso y que escapa de la idea abstracta de espacio como 'pura extensión' asumida por el funcionalismo. 2. En este trabajo se propone para Kahn el término de "disposición" mejor que el de "composición", con el que más frecuentemente ha sido asociado. Nos situamos, por tanto, frente a las interpretaciones más comunes, que se centran en el sentido de la "composición" analizando aspectos puramente compositivos en su obra —axialidades y otros recursos formales en las plantas, por ejemplo—, así como su herencia de una tradición Beaux-Arts. Desde nuestro punto de vista, la topología sirve como referente para un nuevo entendimiento de Kahn, y a la luz de sus conceptos se comprende que el proyecto se define por las relaciones, continuidades y conexiones de los espacios entre sí, y no por su forma precisa. Esa idea de forma abierta dota al proyecto de una libertad interna para recomponerse sobre sí mismo, para encontrar esa adecuada disposición ["Forma" según la llama Kahn) y extraer de ella toda su energía. 3. Las ideas de Kahn sobre "lo que el material quiere ser", que parecen identificarse con el concepto wrightiano de "la naturaleza de los materiales", sugieren de modo implícito una oculta paradoja. La obra de Kahn se abre a aspectos fenomenológicos, más ligados a lo visual y a la experiencia perceptiva del material: su textura, su comportamiento ante la luz, sus resonancias cromáticas. A este respecto, hemos encontrado en Kahn ecos de las ideas que Josef Albers expresaba mediante juegos de color, abstracción y espacio en sus composiciones con cristal. Una interpretación arquitectónica del aforismo kahniano de que "la materia es luz gastada" parece estar en la vibración del material ante la luz, y en el reconocimiento de que entre ambos existe un constante intercambio de energía, una asociación íntima. El material es traído a la presencia por la luz, y ésta necesita de la materia para hacerse visible. Material y luz son dos fuentes de energía en continuo intercambio que se reclaman mutuamente. Esto lleva a Kahn a matizadas yuxtaposiciones de materiales, sutiles enfrentamientos de texturas que son valoradas por el principio siempre cambiante de la luz dando vida al espacio. Sin embargo, estas cualidades fenomenológicas y abstractas de la materia, que le sirven para activar el espacio, se ven filtradas a través de un proceso constructivo. Al operar en sus proyectos con las cualidades visuales de los materiales, Kahn mantiene una paralela atención por dejar en ese juego las huellas del sistema constructivo. Descubrimos que los materiales, en sus sistemas de encofrado, puesta en obra, estandarización y prefabricación, cuentan la historia de un proceso, y que la idea del edificio en construcción, en su hacerse, en esa batalla con la técnica, está presente desde el proyecto como elemento conformador. De este modo se revelan aspectos importantes del tipo de espacio que Kahn propone: un espacio atravesado por la acción del instrumento, que evidencia cómo ha sido hecho. En último extremo, esta noción espacial es expresión de una Idea base en el pensamiento de Kahn: que el espacio procede del muro al abrirse, al desmaterializarse, y está atado a un sistema constructivo-estructural. De este modo, el presente trabajo da cuenta del peculiar modo de entender las relaciones entre el material, la estructura y el espacio por parte de Kahn, quien se ubica en una perspectiva amplia e ¡integradora que acoge y aglutina nociones de ámbitos que parecerían contrapuestos: la abstracción y la tectónica, el rigor geométrico y una apertura topológica. Esto nos revela a un Kahn que elude lecturas directas o lineales, que se sitúa ante los problemas con los ojos siempre abiertos —así dibujaba su actitud mental Robert Le Ricolais—, permanentemente atento a los acontecimientos espaciales, a su continuidad heredera de un primer movimiento moderno y a las sutiles discontinuidades que necesariamente aparecen en éste. Pues el espacio kahniano nace de la disgregación del espacio continuo, de la escisión de éste en unidades, de la aceptación de su heterogeneidad (espacios servidores o servidos, estancias que buscan su propia autonomía y diferenciación de acuerdo con un modo más natural de resolver los problemas). Pero, al mismo tiempo, este espacio no atraviesa una total disgregación, ya que también se busca con igual energía una continuidad casi homogénea, una cierta indiferenciación entre las partes, una sorprendente aspiración al silencio: la disolución de lo individual, de lo particular, en una homogeneidad creada por una simultánea tensión entre geometría, espacio, material, estructura y sistema constructivo.

La luz natural como generadora del espacio arquitectónico de la catedral gótica

La historia de la construcción de las catedrales góticas es la historia de la búsqueda de la luz. Esta afirmación casi metafísica, recoge una realidad asumida por todos los historiadores tanto de la arquitectura antigua como del resto de las artes. La luz en el gótico ha sido descrita bajo múltiples matices como son su carácter simbólico, cromático e incluso místico, sin embargo no existe, en el estudio del conocimiento de la luz gótica, ninguna referencia a la misma como realidad física cuantificable, cualificable y por tanto, clasificable. La presente tesis doctoral aborda el concepto de la iluminación gótica desde una perspectiva nueva. Demuestra, con un método analítico inédito, que la iluminación gótica es cuantificable y cualificable. Para ello analiza en profundidad la iluminación de una selección de 6 edificios muestra, las catedrales de Gerona, Toledo, Sevilla y León, la basílica de Santa María del Mar y la capilla de la Sainte Chapelle de París, mediante una toma de datos “in situ” de iluminación y su comparación con los datos lumínicos obtenidos por un programa de soleamiento de la simulación en tres dimensiones de los distintos proyectos originales góticos. El análisis exhaustivo de las muestras y su introducción en el método analítico descrito, permite determinar, en primer lugar, unas cualidades inéditas que identifican la luz de los espacios góticos según unos parámetros nuevos como son la intensidad, expresividad, recorrido, distorsión y color. También describe cuales son los factores determinantes, de nuevo inéditos, que modulan cada una de las cualidades y en que proporción lo hacen cada uno de ellos. Una vez establecidas las cualidades y los factores que las definen, la tesis doctoral establece los rangos en los que se mueven las distintas cualidades y que conformarán la definitiva clasificación según “tipos de cualidad lumínica”. Adicionalmente, la tesis propone un procedimiento abreviado de acercamiento a la realidad de la iluminación gótica a través de unas fórmulas matemáticas que relacionan los factores geométricos detectados y descritos en la tesis con el resultado luminoso del espacio en lo que concierne a las dos cualidades más importantes de las reflejadas, la intensidad y la expresividad. Gracias a este método y su procedimiento abreviado, la clasificación se hace extensible al resto de catedrales góticas del panorama español y europeo y abre el camino a nuevas clasificaciones de edificios históricos de distintas épocas, iniciando un apasionante camino por recorrer en la recuperación de “la luz original”. Esta clasificación y sus cualidades podrán a su vez, ser utilizadas como herramientas de conocimiento de un factor determinante a la hora de describir cualquier espacio gótico y su aportación pretende ser un nuevo condicionante a tener en cuenta en el futuro, ayudando a entender y respetar, en las posibles intervenciones a realizar sobre el patrimonio arquitectónico, aquello que fue en su inicio motor principal del proyecto arquitectónico y que hoy día no se valora suficientemente tan solo por falta de conocimiento: su luz. The history of the construction of the Gothic cathedrals is the history of the search for light. This almost etaphysical statement reflects a reality accepted by all historians both of ancient architecture and other arts. Light in the Gothic period has been described under multiple approaches such as its symbolic, chromatic and even mystical character. However, in the study of the Gothic light, no references exist to it as a physical quantifiable and qualifiable reality and therefore, classifiable. This dissertation deals with the concept of Gothic light from a new perspective. With a new analytical method, it shows that Gothic lighting is quantifiable and can be classified regarding quality. To this end, a selection of 6 buildings light samples are analyzed; the cathedrals of Gerona, Toledo, Seville and León, the basilica of Santa María of the Sea and the Sainte Chapelle in Paris. "In situ" lighting data is collected and it is compared with lighting data obtained by a program of sunlight of the 3D simulation of various Gothic original projects. The comprehensive analysis of the samples and the data introduced in the analytical method described, allows determining, first, important qualities that identify the light of Gothic spaces according to new parameters such as intensity, expressiveness, trajectory, distortion and color. It also describes the determinant factors, which modulate each of the qualities and in what proportion they do it. Once the qualities and factors that define them have been established, in this doctoral dissertation the ranges regarding different qualities are set, which will make up the final classification according to "types of light quality". In addition, this work proposes an abbreviated procedure approach to the reality of the Gothic lighting through some mathematical formulae, relating the geometric factors identified and described in the study with the bright result of space regarding the two most important qualities of the light,intensity and expressiveness. Thanks to this method and to the abbreviated procedure, the classification can be applied to other Spanish and European Gothic cathedrals and opens up the way to new classifications of historic buildings from different eras, starting an exciting road ahead in the recovery of the "original light". This classification and its qualities may in turn be used as tools to know a determinant factor when describing any Gothic space. Its contribution is intended to be a new conditioning factor to keep in mind in the future, helping to understand and respect, in possible interventions on the architectural heritage, what was the main engine to start the architectural project and which today is not valued enough due to the lack knowledge: the light.

Color uniformity in spotligths - visual perception and system design

La iluminación con diodos emisores de luz (LED) está reemplazando cada vez en mayor medida a las fuentes de luz tradicionales. La iluminación LED ofrece ventajas en eficiencia, consumo de energía, diseño, tamaño y calidad de la luz. Durante más de 50 años, los investigadores han estado trabajando en mejoras LED. Su principal relevancia para la iluminación está aumentando rápidamente. Esta tesis se centra en un campo de aplicación importante, como son los focos. Se utilizan para enfocar la luz en áreas definidas, en objetos sobresalientes en condiciones profesionales. Esta iluminación de alto rendimiento requiere una calidad de luz definida, que incluya temperaturas ajustables de color correlacionadas (CCT), de alto índice de reproducción cromática (CRI), altas eficiencias, y colores vivos y brillantes. En el paquete LED varios chips de diferentes colores (rojo, azul, fósforo convertido) se combinan para cumplir con la distribución de energía espectral con alto CRI. Para colimar la luz en los puntos concretos deseados con un ángulo de emisión determinado, se utilizan blancos sintonizables y diversos colores de luz y ópticas secundarias. La combinación de una fuente LED de varios colores con elementos ópticos puede causar falta de homogeneidad cromática en la distribución espacial y angular de la luz, que debe resolverse en el diseño óptico. Sin embargo, no hay necesidad de uniformidad perfecta en el punto de luz debido al umbral en la percepción visual del ojo humano. Por lo tanto, se requiere una descripción matemática del nivel de uniformidad del color con respecto a la percepción visual. Esta tesis está organizada en siete capítulos. Después de un capítulo inicial que presenta la motivación que ha guiado la investigación de esta tesis, en el capítulo 2 se presentan los fundamentos científicos de la uniformidad del color en luces concentradas, como son: el espacio de color aplicado CIELAB, la percepción visual del color, los fundamentos de diseño de focos respecto a los motores de luz y ópticas no formadoras de imágenes, y los últimos avances en la evaluación de la uniformidad del color en el campo de los focos. El capítulo 3 desarrolla diferentes métodos para la descripción matemática de la distribución espacial del color en un área definida, como son la diferencia de color máxima, la desviación media del color, el gradiente de la distribución espacial de color, así como la suavidad radial y axial. Cada función se refiere a los diferentes factores que influyen en la visión, los cuales necesitan un tratamiento distinto que el de los datos que se tendrán en cuenta, además de funciones de ponderación que pre- y post-procesan los datos simulados o medidos para la reducción del ruido, la luminancia de corte, la aplicación de la ponderación de luminancia, la función de sensibilidad de contraste, y la función de distribución acumulativa. En el capítulo 4, se obtiene la función de mérito Usl para la estimación de la uniformidad del color percibida en focos. Se basó en los resultados de dos conjuntos de experimentos con factor humano realizados para evaluar la percepción visual de los sujetos de los patrones de focos típicos. El primer experimento con factor humano dio lugar al orden de importancia percibida de los focos. El orden de rango percibido se utilizó para correlacionar las descripciones matemáticas de las funciones básicas y la función ponderada sobre la distribución espacial del color, que condujo a la función Usl. El segundo experimento con factor humano probó la percepción de los focos bajo condiciones ambientales diversas, con el objetivo de proporcionar una escala absoluta para Usl, para poder así sustituir la opinión subjetiva personal de los individuos por una función de mérito estandarizada. La validación de la función Usl se presenta en relación con el alcance de la aplicación y condiciones, así como las limitaciones y restricciones que se realizan en el capítulo 5. Se compararon los datos medidos y simulados de varios sistemas ópticos. Se discuten los campos de aplicación , así como validaciones y restricciones de la función. El capítulo 6 presenta el diseño del sistema de focos y su optimización. Una evaluación muestra el análisis de sistemas basados en el reflector y la lente TIR. Los sistemas ópticos simulados se comparan en la uniformidad del color Usl, sensibilidad a las sombras coloreadas, eficiencia e intensidad luminosa máxima. Se ha comprobado que no hay un sistema único que obtenga los mejores resultados en todas las categorías, y que una excelente uniformidad de color se pudo alcanzar por la conjunción de dos sistemas diferentes. Finalmente, el capítulo 7 presenta el resumen de esta tesis y la perspectiva para investigar otros aspectos. ABSTRACT Illumination with light-emitting diodes (LED) is more and more replacing traditional light sources. They provide advantages in efficiency, energy consumption, design, size and light quality. For more than 50 years, researchers have been working on LED improvements. Their main relevance for illumination is rapidly increasing. This thesis is focused on one important field of application which are spotlights. They are used to focus light on defined areas, outstanding objects in professional conditions. This high performance illumination required a defined light quality including tunable correlated color temperatures (CCT), high color rendering index (CRI), high efficiencies and bright, vivid colors. Several differently colored chips (red, blue, phosphor converted) in the LED package are combined to meet spectral power distribution with high CRI, tunable white and several light colors and secondary optics are used to collimate the light into the desired narrow spots with defined angle of emission. The combination of multi-color LED source and optical elements may cause chromatic inhomogeneities in spatial and angular light distribution which needs to solved at the optical design. However, there is no need for perfect uniformity in the spot light due to threshold in visual perception of human eye. Therefore, a mathematical description of color uniformity level with regard to visual perception is required. This thesis is organized seven seven chapters. After an initial one presenting the motivation that has guided the research of this thesis, Chapter 2 introduces the scientific basics of color uniformity in spot lights including: the applied color space CIELAB, the visual color perception, the spotlight design fundamentals with regards to light engines and nonimaging optics, and the state of the art for the evaluation of color uniformity in the far field of spotlights. Chapter 3 develops different methods for mathematical description of spatial color distribution in a defined area, which are the maximum color difference, the average color deviation, the gradient of spatial color distribution as well as the radial and axial smoothness. Each function refers to different visual influencing factors, and they need different handling of data be taken into account, along with weighting functions which pre- and post-process the simulated or measured data for noise reduction, luminance cutoff, the implementation of luminance weighting, contrast sensitivity function, and cumulative distribution function. In chapter 4, the merit function Usl for the estimation of the perceived color uniformity in spotlights is derived. It was based on the results of two sets of human factor experiments performed to evaluate the visual perception of typical spotlight patterns by subjects. The first human factor experiment resulted in the perceived rank order of the spotlights. The perceived rank order was used to correlate the mathematical descriptions of basic functions and weighted function concerning the spatial color distribution, which lead to the Usl function. The second human factor experiment tested the perception of spotlights under varied environmental conditions, with to objective to provide an absolute scale for Usl, so the subjective personal opinion of individuals could be replaced by a standardized merit function. The validation of the Usl function is presented concerning the application range and conditions as well as limitations and restrictions in carried out in chapter 5. Measured and simulated data of various optical several systems were compared. Fields of applications are discussed as well as validations and restrictions of the function. Chapter 6 presents spotlight system design and their optimization. An evaluation shows the analysis of reflector-based and TIR lens systems. The simulated optical systems are compared in color uniformity Usl , sensitivity to colored shadows, efficiency, and peak luminous intensity. It has been found that no single system which performed best in all categories, and that excellent color uniformity could be reached by two different system assemblies. Finally, chapter 7 summarizes the conclusions of the present thesis and an outlook for further investigation topics.