Wissenschaft & Forschung
Licht 1 | 2022

Der Gradient als Maß des Charakters

Entwicklung einer Messmethodik für den Härtegrad des Lichts

Dieser Artikel zum Härtegrad des Lichts (HgF) ist eine Einladung für Lichtinteressierte, diesem Qualitätsmerkmal der Beleuchtung einen festen Platz im planerischen Handeln zu sichern und das Thema weiterzuentwickeln. Im ersten Teil werden die aktuellen Ergebnisse und Betrachtungsansätze aufgezeigt. In der nächsten Ausgabe der LICHT werden die Grundlagenarbeiten aus der Masterthesis von Clarissa Borgstädt, Master of Arts vorgestellt. In Ausgabe 6 | 2021 lesen Sie auf S. 64 im Artikel »Der Charakter des Lichts« außerdem mehr über das Verfahren zur Bestimmung der Lichthärte.

Lesezeit: ca. 17 Minuten

1 Nachweis des Härtegrades des Lichts

Für die theoretische Herleitung und den Nachweis des Härtegrades des Lichts (HgF) ist zunächst ein Verständnis über die Entstehung eines Lichtteilchens (Photon) und dessen Aussendung in den Raum notwendig. Ein Photon – oder auch Lichtquant – ist ein Teil einer elektromagnetischen Strahlung. Es besitzt keine Masse, aber Energie und Impuls. Die enthaltene Energie und der enthaltene Puls sind von seiner Frequenz abhängig. Kurze Frequenzen beinhalten mehr Energie als langwellige Strahlungen. Das lässt sich leicht bei der Lichterzeugung mittels Temperaturstrahler beobachten. So ist die blaue Flamme eines Gasbrenners sehr heiß und energiereich, die orange Flamme einer Kerze hingegen ist vergleichsweise kühl und damit energieärmer.

Das von einer Lichtquelle erzeugte Licht wird in Lumen (lm) gemessen. Der Wert gibt die Strahlungsleistung einer Lichtquelle pro Zeit an, also wieviel sichtbares Licht in den Raum abgegeben wird. Zusätzlich wird der Wert Lumen mit der Helligkeitsempfindung des menschlichen Auges korreliert. Per Definition liegt die maximale Lichtausbeute einer Lichtquelle bei einer Wellenlänge von 555 nm (photopisch). Das entspricht einem gelb/grünen Farbeindruck. Das theoretische Maximum der Lichterzeugung liegt bei 683 lm/W.

Dieser Lichtstrom einer Lichtquelle wird mehr oder weniger geordnet in den Raum (Raumwinkel) vor oder um die Lichtquelle herum ausgestrahlt. Er wird primär durch das optische System einer Leuchte gelenkt. Dies kann durch eine diffuse Abdeckung (große Streuung) oder im Gegensatz dazu durch eine klare Linse (wenig Streuung) erfolgen. Diese primäre Lichtmodulation bestimmt die entstehende Lichtcharakteristik einer Raumlichtsituation. Sekundäre Lichtlenkungen wie Oberflächenreflexionen machen das Raumlicht immer weicher, niemals härter.

Die Entwicklung der Lichthärte kennt in der Praxis nur eine Richtung: von Hart nach Weich. Bei dieser Transformation zerfällt ein gebündelter Lichtstrahl in »N« viele kleinere Lichtquellen. Eine punktförmige Lichtquelle mit einer Leuchtdichte (Lv) cd/m2 weitet sich in viele kleine einzelne Lichtpunkte auf. Diese Einzellichtpunkte bilden in ihrer Summe und ihrer Verteilung im Raum eine größere emittierende Fläche als die Ursprungsquelle. Das resultierende Licht fällt aus einem größeren Raumwinkel in unser Messgerät.

Abb. 1: Lichtpunktzerlegung: ein gebündelter Lichtstrahl zerfällt in viele kleinere Lichtquellen auf einer größeren Fläche Felsch Lighting Design

Der relevante Betrachtungsraum (Messraum) für die HgF-Messung ist die obere Hemisphäre (1/2) einer Raumwinkelbetrachtung von z. B. 360 Grad x 360 Grad (129.600 Messpunkte). Er wird für die Messwertermittlung in einen Halbraum 360 Grad x 180 Grad (64.800 Messpunkte) reduziert. Dieser kann horizontal oder vertikal betrachtet werden, je nach vorrangiger Nutzung der zu betrachtenden Bezugsfläche. Technisch gelingt es dem Messkopf die 360-Grad-Betrachtung in 180 Messschritten à 1 Grad zu absolvieren, da sich die Rotationsachse mittig der Messfläche bzw. des Schattengebers befindet. Aus den zuvor beschriebenen Einflussgrößen entsteht die resultierende Lichtcharakteristik eines Raumlichtes. Damit ist die zu definierende Lichthärte (HgF) zunächst multidimensional.

Maßgebliche Faktoren sind:

  • Der Lichtcharakter der Leuchte, also wie weich oder hart das Licht in den Raumwinkel abgegeben wird. Wir nennen das den Lichtweitungsfaktor (LwF)
  • Anzahl und Positionierung der Lichtquellen
  • Abstand der Messstelle zu den Lichtquellen
  • Verortung und Ausrichtung der Messstelle
  • Aufbau der Messapparatur/Schattengeber/Sensorfläche/Software zur Auswertung
  • Theoretisch die Zeit einer Messung (mit zunehmender Zeit müsste die Anzahl an Interreflexionen im Raum zunehmen)

Um diese Vielzahl an Faktoren wieder auf einen greifbaren Wert zurückzuführen, bedienen wir uns einer Momentaufnahme einer Raumlichtsituation. Im Moment der Messung entfalten alle Faktoren ihren eigenen Beitrag zum Ergebnis. Aus den zuvor beschriebenen 180 Messschritten wird die Messung mit dem höchsten HgF bzw. kleinstem »D« herausgefiltert und als führende Messgröße abgespeichert.

In der bisherigen Betrachtung, u. a. in der Bearbeitung der Masterthesis (siehe LICHT 2|2022), galt die höchste Steigung im Übergang von der voll beleuchteten Fläche zum Kernschatten als Maß für den HgF. Diese Betrachtung wird den tatsächlichen Raumlichtbedingungen nicht gerecht. Tatsächlich ändert sich der HgF einer Situation durch das Abdimmen der Lichtquellen nicht. Jedoch würde sich die Steigung ändern, da die x-Achse gleichbleibt, während die y-Achse verändert wird. Diese Herangehensweise würde bei gleichbleibender Lichthärte aber geänderter Helligkeit zu einer Veränderung des HgF-Wertes führen. Entscheidend bleibt die Strecke »D«, welche sich aus der Summe der ermittelten »d« zusammensetzt.

Abb. 2: Flächenprojektion Kugeloberfläche: Die Grafiken veranschaulichen A die Flächenprojektion einer dreidimensionalen Form auf eine zweidimensionale Fläche, B die Licht-Emission bzw. Licht-Immission in bzw. aus dem Raum und deren zweidimensionale Projektion, und C die Anordnung des Schattengebers über der Messfläche und dessen zweidimensionalen Projektion. Felsch Lighting Design
Abb. 3: In der schematischen Darstellung werden zwei verschiedene Schattenübergänge, bzw. Lichthärte dargestellt: A höherer HgF (kurzes D), B niedrigerer HgF (längeres D). Felsch Lighting Design

2 Entwicklung Demonstrator-Messgerät

Die Entwicklung eines Demonstrators dient dem Beweis, dass eine Messbarkeit des Härtegrades von Licht über diese Methode generell möglich ist.

2.1 Kamera

Zur Entwicklung des Demonstrators wurde (eine dem Lichtlabor der HAW Hamburg zur Verfügung stehende) LMK mobile air genutzt. Diese EOS 650D Spiegelreflexkamera von Canon ist mit einem 18 Megapixel CMOS-Sensor ausgestattet. Das mitgelieferte Objektiv (Sigma 17-50mm F2,8 EX DC OS HSM) hat eine Brennweite von 17-50 mm und eine Lichtstärke, also einen minimalen Blendenwert, von 1:2,8. Die Naheinstellgrenze liegt bei 28 cm, wobei dies dem minimalen Abstand zwischen der Sensorebene und der Fokusebene entspricht. Die Sensorebene der Kamera ist mit einem Kreissymbol markiert, durch das eine horizontale Linie verläuft:

Für die Messungen wurde der Autofokus über den Schalter am Objektiv ausgeschaltet, da die Schärfeebene zu Beginn des Messaufbaus einmal eingestellt wird und unverändert bleiben sollte. Da die Naheinstellgrenze bei 28 cm liegt, war es nötig, die ursprünglich als Messelement Oberfläche bezeichnete Projektionsfläche mindestens auf diesen Abstand zu bringen. Dies stellt sicher, dass die Schärfeebene immer auf der Projektionsfläche liegen kann, sodass für die Messbilder eine Vergleichbarkeit erreicht wird.

Zur Erstellung dieses Mindestabstandes und für ein gleichzeitiges Ausschließen von seitlichem Streulicht wurde ein handelsübliches, im Baumarkt erhältliches, Marley HT-Rohr mit einem Durchmesser von 75 mm und einer Länge von 250 mm als Hilfsmittel verwendet. Hiermit wurde eine Objektivverlängerung umgesetzt. Dazu wurde zunächst die Naheinstellgrenze auf dem Rohr markiert, um die Projektionsfläche an die richtige Position zu bringen.

Das Rohr wurde nun mit einer groben Zugabe von 5 cm über der Projektionsfläche gekürzt. Zusätzlich zur Kürzung des Rohres wurde auf der Höhe der Projektionsfläche von beiden Seiten ein Schlitz in das Rohr gesägt. Durch diesen Schlitz wurde eine passend geformte Filterfolie geführt, welche die Innenfläche des Rohres komplett abdeckte. Hierfür wurde die Filterfolie 252 Eighth White Diffusion (LEE Filters, 2018) verwendet. Um die manuelle Fokussierung auf die Projektionsfläche setzen zu können, wurde auf dieser eine kleine Markierung in Form eines Kreuzes aufgezeichnet. Über eine Vergrößerung des Bildausschnittes auf dem Display der Kamera, in dem das Kreuz zu sehen ist, konnte mit Fokussierung auf das Kreuz die Projektionsebene scharf gestellt werden.

Da der Durchmesser des Rohres etwas kleiner ist als der Innendurchmesser des Objektivfiltergewindes, musste der Durchmesser des Rohres angepasst werden. Dafür wurde das Rohr an dem unteren Ende mit schwarzem Isolierband umwickelt, bis eine Passgenauigkeit des Rohres auf das Objektiv geschaffen war. Dabei wurde die erste Schicht des Isolierbandes so aufgebracht, dass sie über die Kante des Rohres nach innen umklappbar war, um ein Zerkratzen der Objektivfront durch das Rohr zu verhindern. Da das Rohr nur in Staubgrau (RAL 7037) erhältlich war, waren die Reflexionen auf der Innenseite des Rohres noch recht hoch. Dieses Problem wurde durch das Auskleiden des Rohres mit schwarzem Molton erheblich verbessert.

Abb. 4: Demonstrator im finalen Zustand Felsch Lighting Design

2.1.1 Ermittlung der Länge der Objektivverlängerung

Für den Schattengeber wurden zwei flache Holzstäbchen mit schwarzem Gaffer Tape nebeneinander zusammengeklebt. Auf diese Konstruktion wurden dann mithilfe von doppelseitigem Klebeband zwei Streifen Alufolie so aufgebracht, dass die spiegelnden Seiten nach oben zeigte und die Streifen jeweils an den langen Seiten überstanden. Durch die scharfe Kante der Alufolie sollte die Beugung des Lichts an der Kante möglichst reduziert werden. Mit der resultierenden Schattengeberbreite von 15 mm betrug das Verhältnis von Schattengeberbreite zum Durchmesser der Objektivverlängerung somit 1:5.

Um einen möglichst optimalen Abstand zwischen Projektionsfläche und Schattengeber zu erreichen, wurden Testmessungen mit verschiedenen Abständen durchgeführt. Dazu wurden sechs verschiedenen Abstände mit Hilfe von 7,5 mm breiten Ringen realisiert. Diese Abstände entsprachen somit einem Verhältnis von Schattengeberbreite zum Abstand zur Projektionsfläche von 1:0,5 bis hin zu 1:3 in 0,5-Schritten (Abb. 5).

Abb. 5: Schematische Darstellung des Messaufbaus zur Ermittlung des optimalen Abstandes von Schattengeber zu Projektionsfläche Felsch Lighting Design

Die Messungen wurden einmal mit diffusem Licht (Abb. 6) und einmal mit einer Mischlichtquelle durchgeführt. Dabei wurde zunächst ein Ring auf die Projektionsebene gelegt. Auf den Ring wurde der Schattengeber möglichst parallel zum Kamerasensor platziert. Die Belichtungsparameter wurden eingestellt und die Aufnahme durchgeführt. Daraufhin wurde der nächste Ring zusätzlich zu dem Vorherigen aufgelegt und die Messung durchgeführt. Dieses Verfahren wurde wiederholt, bis die Messung mit sechs Ringen und einem Gesamtabstand von Projektionsebene zu Schattengeber von 4,5 cm erfolgt war. Die Belichtungsparameter (Blende 8, ISO 100, Belichtungszeit 1/60 Sekunde) wurden bei der diffusen Beleuchtung nicht verändert, sondern blieben für alle sechs Messungen gleich. Die Messbilder wurden mit Hilfe der LMK-Software LabSoft4 (TechnoTeam Bildverarbeitung GmbH, 2018) untersucht. Anhand dieser Software lassen sich die Leuchtdichten in einem Bild untersuchen und visualisieren.

Abb. 6: Messaufbau zur Ermittlung des optimalen Abstandes des Schattengebers,
diffuses Licht
Felsch Lighting Design

Die Auswertung durch die Software sollte helfen, genau den Zustand zu finden, an dem bei diffusem Licht die Schatten verschwinden und sobald gerichtetes Licht hinzukommt, Schattenbildung erkennbar ist. Zudem sollte ermittelt werden, bei welchem Abstand der äußere Ring-Schattenwurf durch die Objektivverlängerung möglichst gering ist. Dazu wurden die sechs Messbilder mit dem jeweils unterschiedlichen Abstand des Schattengebers zur Projektionsfläche nebeneinandergestellt und verglichen (Abb. 7).

Abb. 7: Messergebnisse zur Ermittlung des optimalen Abstandes, diffuses Licht Felsch Lighting Design

Wie man in der Gegenüberstellung der Auswertung der Messergebnisse durch die LMK-Software erkennen kann, nimmt mit zunehmendem Abstand des Schattengebers der Einfall des Streulichtes zu. Auch der Einfluss des äußeren Ring-Schattenwurfs durch die Objektivverlängerung ist deutlich an der Zunahme des äußeren grünen Ringes, insbesondere in den Falschfarbendarstellungen, sichtbar. Zudem kann man anhand der 3D-Auswertungs-Diagramme sehen, dass mit zunehmendem Abstand zwischen Schattengeber und Projektionsfläche die Konturen der Messbilder ungenauer werden.

Für die Auswertung der vom Schattengeber produzierten Schatten werden die ersten drei Messbilder genauer betrachtet (Abb. 8), da diese zum einen nur sehr gering durch die Objektivverlängerung verschatten werden und zum anderen die Lichtcharakteristik hier am besten ablesbar erscheint. In der Detailansicht ist deutlich sichtbar, dass mit zunehmendem Abstand des Schattengebers der Lichteinfall auf die darunter liegende Fläche zunimmt. In den Ausschnitten der 3D-Diagramme ist hierbei erkennbar, dass bei einem Abstand mit nur einem Zwischenring die Fläche unter dem Schattengeber selbst bei nahezu komplett diffuser Beleuchtung ohne Lichteinfall bleibt. Zudem ist der Helligkeitsverlauf auf einen sehr kleinen Bereich begrenzt, wodurch weitere Untersuchungen erschwert werden.

Abb. 8: Feinauswertung zur Ermittlung des optimalen Abstandes, diffuses Licht Felsch Lighting Design

Bei einem Abstand mit zwei Zwischenringen ist der Helligkeitsverlauf feiner abgestuft. Zudem reicht der Lichteinfall hier gerade eben bis zur Mitte der vom Schattengeber erzeugten Fläche. Betrachtet man hingegen die Detailauswertung des Messaufbaus mit drei Ringen, so kann man erkennen, dass die Helligkeitsabstufungen noch feiner sind, da sie über einen größeren Bereich verlaufen. Allerdings ist hier die vom Schattengeber erzeugte Fläche nicht mehr so differenziert abgebildet.

Betrachtet man vergleichsweise die in Abb. 9 dargestellten Messergebnisse der Aufnahmen bei Mischlicht, kann man auch hier sehen, dass bei nur einem Ring unter dem Schattengeber auf der Hälfte der Fläche kein Lichteinfall vorhanden ist. Da die Beleuchtung aber auch einen Diffus-Anteil hat, sollte hier zumindest ein wenig Lichteinfall abgebildet sein. Bei zwei Ringen lässt sich dieser schon erkennen, bei drei Ringen hingegen ist fast der komplette Kernschatten mit zusätzlichem Lichteinfall überlagert. Auf Basis dieser Auswertungen wurde der Abstand zwischen Schattengeber und Projektionsfläche auf 15 mm festgelegt. Das Verhältnis der Schattengeberbreite zum Abstand beträgt demnach 1:1.

Abb. 9: Feinauswertung zur Ermittlung des optimalen Abstandes, Mischlicht Felsch Lighting Design

2.2 Rotation

Ursprünglich war eine Rotation des Schattengebers angedacht. Bei der Weiterentwicklung stellte sich jedoch heraus, dass dies zu Problemen bei der Bildauswertung führen kann, da Analysefilter hier meistens horizontal oder vertikal arbeiten, teilweise auch diagonal in einem 45°-Winkel. Entsteht der geworfene Schatten nun aber so, dass er nicht vertikal oder horizontal im Bildausschnitt verläuft, kann es sein, dass der angewandte Analysefilter die Kante des Schattens nicht erfassen kann. Um dieses Problem auszuschließen, wurde anstatt einer Schattengeberrotation eine Rotation des kompletten Messgerätes umgesetzt, wobei der Schattengeber immer in der gleichen Position zur Kamera blieb. Mithilfe einer Markierung auf der Objektivverlängerung und der Fixierung des Schattengebers an die Objektivverlängerung wurde die parallele Position des Schattengebers zum Kamerasensor sichergestellt.

Die Rotation des Messgerätes wurde mithilfe eines Movinglight (GLP Impression) umgesetzt. Zur Positionierung und Fixierung der Kamera wurde eine Schaumstoffschablone erstellt, welche sich genau in den Kopf des Movinglight einfügt. Dadurch war auch der Schutz des Movinglight gegeben. Bei der Erstellung der Schablone wurde darauf geachtet, dass der Mittelpunkt des Objektivs auf dem Mittelpunkt des Movinglight-Kopfes liegt, sodass sich bei der Rotation während der Messungen die Position der Objektivachse nicht verändert.

Angesteuert wurde das Movinglight mithilfe eines Lichtstellpultes (MA Dot2). Der GLP Impression wurde im Normal Mode gepatcht. In welchem Modus das Movinglight gepatcht wird sagt aus, wie viele Parameter ansteuerbar sind. Da hier die eigentliche Funktion des Movinglight nicht gebraucht wird, ist es nur wichtig einen Modus zu wählen, in welchem die horizontale Rotation feinauflösend einstellbar ist. Das Movinglight wurde in die Center-Position gebracht. In dieser Position zeigt sein Kopf oben, sodass für die Messungen lediglich die Rotation des Movinglight auf der horizontalen Ebene um jeweils 1° verändert werden musste. Hierfür wurde der Pan-Wert für jedes Bild in 1° Schritten angepasst.

2.3 Messaufbau

Zur Prüfung des Demonstrators auf Funktionalität bezüglich des Erfassens der Lichtcharakteristik wurden Messungen mit diffusem und gerichtetem Licht durchgeführt. Zur Ansteuerung der Leuchten wurde das Lichtstellpult MA Dot2 genutzt. Als diffuse Lichtquelle wurde eine quadratische Flächenleuchte mit den Maßen 1m x 1m x 0,2 m der Firma Rentex Wand- und Deckensysteme GmbH verwendet (Rentex Wand- und Deckensysteme GmbH, 2018). Für diese Leuchten lassen sich die Farben Rot, Grün, Blau, Kaltweiß und Warmweiß einstellen. Für die Messung wurde lediglich Kaltweiß und Warmweiß zusammen auf jeweils 100 % genutzt. Die Leuchte wurde in einem Abstand zum Boden von 0,89 m, gemessen an der Unterkante, installiert. Der Demonstrator wurde darunter aufgebaut und erreichte eine Gesamthöhe von 65,5 cm, sodass sich ein Abstand von 23,5 cm zwischen Leuchte und Schattengeber ergab (Abb. 10).

Abb. 10: Messaufbau zur Messung des Härtegrades; links diffuses Licht, rechts gerichtetes Licht Felsch Lighting Design

Die Kamera wurde so eingestellt, dass pro Bild jeweils eine RAW-Datei mit den Rohdaten des Bildsensors sowie eine komprimierte Version des Bildes als JPG-Datei abgespeichert wurde. Zudem wurde im Menü die Einstellung gewählt, dass die Aufnahme der Bilder über den Fernauslöser aktiviert werden konnte. Die Zählung der Bilder wurde zurückgesetzt, sodass die Nummerierung der Messbilder bei 1 begann. Dies ist für die spätere Auswertung von Bedeutung. Mit dem Live View Modus holte man das Bild auf den Bildschirm der Kamera , um so den Bildausschnitt, den Fokus und die Belichtung einstellen zu können. Die Kamera wurde nun in die angefertigte Schaumstoffschablone auf den Kopf des Movinglight platziert und die Objektivverlängerung auf das Objektiv platziert. Für den passenden Bildausschnitt deaktivierte man zunächst den Zoom Lock und vergrößerte das Bild . Die Schärfe wurde mithilfe der Kreuzmarkierung auf die Projektionsfläche gelegt und die Belichtungsparameter passend für die Beleuchtungssituation eingestellt. Um Rauschen im Bild möglichst gering zu halten, wählte man einen niedrigen ISO-Wert von 100. Um Probleme der Schärfentiefe zu vermeiden, sollte nach Möglichkeit ein Blendenwert zwischen 5,6 und 8 gewählt werden. Für diese Beleuchtungssituation wurde Blende 8 mit einer Belichtungszeit von 1/100 Sekunde gewählt.

Das Movinglight wurde auf der horizontalen Ebene in 1°-Schritten bewegt, wobei bei jedem Schritt per Fernauslöser die Aufnahme eines Bildes erfolgte. Dies wurde wiederholt, bis die Rotation 180° erreicht hatte und somit 180 Messbilder entstanden waren. Die Datenmenge eines Messpunktes beträgt knapp 4 GB. Für die Messung mit direktem Licht wurde ein ETC Source Four 750 mit einer 15-30° Optik verwendet, wobei die Optik auf 15° eingestellt und der Fokus auf den kleinsten Lichtkegel reduziert wurde. Die Messung erfolgte bei voller Leistung des Scheinwerfers.

Der Aufbau des Demonstrators war identisch zur Messung der diffusen Lichtquelle, lediglich die Belichtungszeit wurde auf 1/60 Sekunde angepasst. Der Demonstrator wurde für die Messung frei im Raum in dem Lichtkegel des Scheinwerfers platziert. Der Ablauf der Messung war identisch zur Messung des diffusen Lichts. Zusätzlich wurde der Einfluss unterschiedlicher Leuchtmittel, also konventionell und LED, in baugleichen Leuchten überprüft. Hierfür wurde der ETC Source Four ebenso als LED-Version (ETC Source 4 Lustr, Series 1) mit der gleichen Optik von 15-30° vermessen. Die Optik wurde ebenso auf 15° eingestellt und der Fokus auf den kleinsten Lichtkegel reduziert. Die Lichtrichtung war fast die gleiche wie beim ETC Source Four 750, da die beiden Scheinwerfer nebeneinander an die Traverse gehängt wurden (Abb. 11). Die Belichtungsparameter wurden auf eine Belichtungszeit von 1/60 Sekunde, Blende 5,6 und einen ISO von 100 eingestellt.

Abb. 11: Messaufbau gerichtetes Licht, Draufsicht Felsch Lighting Design

2.4 Messdatenauswertung

An jedem Messpunkt im Raum entstehen durch die Rotation des Messgerätes um 180° jeweils 180 Bilder. Diese müssen miteinander abgeglichen werden, um das Bild zu finden, auf welchem der kleinste Kernschatten beziehungsweise die klarste Abgrenzung eines Schattens zu sehen ist. Das ermittelte Bild wird dann in der LMK-Software LabSoft4 (TechnoTeam Bildverarbeitung GmbH, 2018) weiter ausgewertet. Diese Auswertung ist die Grundlage für die weiteren Schritte dieser Arbeit.

2.4.1 Bildauswertungsprogramm

Für den Abgleich der 180 Bilder wurde ein Programm in Python 3.7 geschrieben, welches die Nummer des gesuchten Bildes wiedergibt. Der Programmcode gilt als Grundlage für die Auswertung der Messreihen und wurde gegebenenfalls angepasst. Die Aufnahme der Messbilder musste als RAW-Datei und JPG erfolgen, da die Bildauswertung in Python mit JPG-Format erheblich einfacher ist. Das Programm startet mit einer Funktion zum Laden eines Messbildes (load) aus dem mit »JPG« benannten Ordner. Zur Beschleunigung der Verarbeitung wird innerhalb der Funktion eine Reduzierung der Bildgröße auf 256 x 256 Pixel vorgenommen, da die hohe Originalauflösung für diese Bildauswertung nicht zwingend notwendig ist. Zudem wird das Bild in ein Graustufenbild gewandelt. Diese Schritte passieren automatisch bei jedem Aufruf der Funktion load. Nun wird exemplarisch ein beliebiges Bild aus dem Ordner geladen und der vertikale Grauverlauf des Bildes an der Position 150 auf der x-Achse als Graph angezeigt.

Auf Basis des geladenen Bildes wird der betrachtete Bildausschnitt reduziert und ein Mittelwert über die vertikalen Linien in dem ausgewählten Bereich gebildet. Dies glättet den Graphen und vereinfacht die Analyse des Grauverlaufs. Es folgt eine Schleife zum Laden aller Messbilder. Hierin wird jedes Bild mit der Funktion load geladen. Sollte ein Bild nicht vorhanden sein erfolgt die Textausgabe »Bild nicht da« und es wird versucht, das nächste Bild zu laden. Der Bildausschnitt der geladenen Bilder wird wieder auf den gleichen Bereich wie zuvor begrenzt und es wird aus jedem Bild eine vertikale Achse, bestehend aus der Mittelung über den ausgewählten Bereich innerhalb des Bildes, extrahiert. Die Begrenzung dieses Bereiches ist im Quellcode zwischen den Pixeln 100-150 auf der x-Achse festgelegt (Abb. 12). Dies ist insofern sinnvoll, als dass hier der mittlere Teil des Bildes ausgewertet wird, in welchem die gesuchten Informationen immer liegen sollten. Die soeben extrahierten vertikalen Achsen der 180 Bilder werden nun nebeneinander in ein neues Bild zusammengefügt und ausgegeben (Abb. 12).

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Wie im Quellcode erkennbar, wurden die früheren Messbilder, welche für die Erstellung des Programmcodes verwendet wurden, nicht mit einer konstanten Belichtung aufgenommen. Die Belichtungsparameter wurden hier noch nicht komplett manuell eingestellt, sondern es wurde die Einstellung AV (Aperture value) gewählt, bei der eine feste Blende gewählt wird und die anderen Parameter automatisch angepasst werden. Aufgrund dessen musste eine Nachkalibrierung des Gesamtbildes im Auswertungsprogramm vorgenommen werden. Dieses Bild wurde nun mit einem Laplace-Filter nach vertikalen Kanten gefiltert. Anhand eines Graphen des Maximalwertes über y in x-Richtung ist sichtbar, wo sich die stärkste Kante in dem gefilterten Bild findet. Das Programm gibt einem zum Schluss die Nummer des Bildes aus, welches durch den Kantenerkennungsfilter als gesuchtes Bild detektiert wurde. Dieses Bild weist den kleinsten Kernschatten aller an diesem Messpunkt aufgezeichneten Bilder auf.

Abb. 13: Bildauswertung; links, Begrenzung des betrachteten Bereiches auf der x-Achse; rechts, Bilder der Messreihe nebeneinander angezeigt Felsch Lighting Design

Es erwies sich als sinnvoll, die Belichtungseinstellungen der Kamera für jeden Messpunkt vor Beginn der Messung einmal manuell festzulegen und diese nicht über eine Belichtungsautomatik steuern zu lassen. So ergeben sich 180 gleichmäßig belichtete Bilder, welche sich besser vergleichen und auswerten lassen. Die Kalibrierungsfunktion im Quellcode wurde einfach deaktiviert und kann jederzeit wieder aktiviert werden. Zudem wurde das Programm für die jeweilige Auswertung noch dahingehend angepasst, als dass der zu betrachtende Abschnitt auf der y-Achse je nach Messung auf einen optimalen Bereich begrenzt wurde. Dieser definiert sich darüber, dass die durch den Schattengeber erzeugte dunklere Fläche, sowie die im Bild darüber und darunter liegenden, noch in dem Kreis befindlichen Informationen, auf allen 180 Bildern erfasst wird. Die Auswertung der Messbilder durch die Software ist in Abb. 14 zu sehen.

Abb. 14: Grafische Darstellung der Funktionsweise des Bildauswertungsprogrammes Felsch Lighting Design

2.4.2 Bildauswertung mit LMK LabSoft4

Die weitere Auswertung des gefundenen Bildes erfolgt in der LMK-Auswertungssoftware LabSoft4 (TechnoTeam Bildverarbeitung GmbH, 2018). Hierfür wird die aufgenommene RAW-Datei benötigt, welche bei Canon die Dateiendung .CR2 hat. Diese Datei kann in die Software eingelesen werden und es wird sofort ein Leuchtdichtebild in einer Falschfarbendarstellung erstellt (Abb. 15).

Abb. 15: Bildauswertung; Auswertungsprozess Python Felsch Lighting Design

Die Falschfarben lassen sich nach Bedarf anpassen, das war für diese Auswertung aber nicht notwendig. Für die weitere Analyse dieses Bildes stehen verschiedene Auswertungsmöglichkeiten zur Verfügung. Das Platzieren verschiedener Messflächen (Rechteck, Kreis, Linie, Polygon) ist möglich. Für jede eingefügte Messfläche steht hierbei eine Auswahl an statistischen Auswertungsmöglichkeiten zur Verfügung (Abb.16).

Abb. 16: Bildauswertung, Leuchtdichtebilder Felsch Lighting Design

Zum einen kann man sich die Helligkeiten in einem 3D-Ansichtsdiagramm darstellen lassen. Dies ist auch für einen selbst bestimmten Ausschnitt des Bildes möglich, wie in diesem Fall dem Übergang von beleuchteter zu beschatteter Fläche (Abb. 17). Eine weitere Auswertungsmöglichkeit ist der Grauwertbildschnitt (Abb. 19). Dieser lässt sich über eine linienförmige Messregion im Bild abrufen und gibt den Helligkeitsverlauf über die Messlinie wieder. Wichtig ist hierbei darauf zu achten, dass die Messlinie genau auf der vertikalen Achse in das Bild gelegt wird. Dies lässt sich beim Erstellen oder Anpassen der Linie einfach anhand des angegebenen Winkels überprüfen. Mithilfe des Grauwertbildschnittes lässt sich die Steigung des Helligkeitsverlaufs sehr gut grafisch ablesen. Für eine genauere Auswertung der Steigung im Bereich des Überganges von beleuchteter zu unbeleuchteter Fläche lassen sich die Daten des Grauwertbildschnittes in einer .csv-Datei exportieren, welche einfach in eine Excel-Datei eingelesen werden kann.

Abb. 17: LMK LabSoft 4, Benutzeroberfläche Felsch Lighting Design
Abb. 18: Bildauswertung, 3D-Leuchtdichte-Diagramm Felsch Lighting Design
Abb. 19: Bildauswertung, Grauwertbildschnitt Felsch Lighting Design

2.4.3 Datenauswertung in Excel

Zunächst werden die Daten normiert und die Kurve geglättet, um die gesuchte Steigung besser detektieren zu können. Nun kann die Steigung an jedem Punkt ermittelt werden, indem das Delta zwischen dem vorherigen und aktuellen Punkt berechnet wird. Zur Untersuchung der ersten Flanke sucht man hierbei die stärkste negative Steigung. Anhand dieser Steigung lässt sich dann eine Aussage über den Härtegrad des Lichts an dem Messpunkt treffen.

Die ermittelte stärkste negative Steigung aus den Werten der Messung des diffusen Lichts hat einen Wert von -13. Der Punkt der stärksten Steigung in der linken Flanke ist in dem Diagramm mit einem Roten Kreuz markiert (Abb. 20). Die Auswertung der Messwerte des gerichteten Lichts mit konventionellem Leuchtmittel ergibt einen maximalen Wert von -79, bei gerichtetem Licht mit LED-Leuchtmittel einen Wert von -67. Die fiktiven Werte einer Steigung von 0 für komplett diffuses Licht bis 100 für komplett gerichtetes Licht könnten also die Grenzen einer Härtegrad-Skala ergeben. Die reellen Werte werden sich immer zwischen diesen Begrenzungen bewegen, wobei die Skala für den Betrag der ermittelten Steigung gilt.

Abb. 20: Normiertes Diagramm, Ermittlung der Steigung bei diffusem Licht Felsch Lighting Design
Abb. 21: Normiertes Diagramm, Ermittlung der Steigung bei gerichtetem Licht Felsch Lighting Design

Die Fortsetzung des Artikels in Ausgabe 2 | 2022 befasst sich mit den Tests und Ergebnissen im Lichtsimulationsprogramm.

Weitere Informationen:

Markus Felsch, Felsch Lighting Design GmbH, www.felsch.de

Fotos und Abbildungen: Felsch Lighting Design

Dieser Artikel ist erschienen in

Licht 1 | 2022

Erschienen am 25. Februar 2022