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.

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.