Warum sieht der Himmel durch dieses Fenster plötzlich grau aus?

Versuchen wir, die Vermutung zu validieren und zu quantifizieren, die zuerst von Carl Witthoft in einem Kommentar zu der Frage aufgeworfen wurde, nämlich dass der Himmel im zweiten Bild nur weniger blau erscheint, weil viel mehr Licht von den Fenstern in Richtung Ihrer Kamera gestreut wird.

Wenn das wahr ist, sollten wir in der Lage sein, es zu sehen. Als erstes müssen die Bilder vom relativ nutzlosen RGB-Farbraum in den viel nützlicheren XYZ-Farbraum konvertiert werden, der auf einem Modell der tatsächlichen Rezeptoren im menschlichen Auge aufgebaut ist. Das$Y$Koordinate entspricht der wahrgenommenen Leuchtdichte des Bildes (dh der durchschnittlichen menschlichen Reaktion über das sichtbare Spektrum) und der$Z$Koordinate entspricht unserer blauen Rezeptorantwort. Das$X$Die Koordinate soll den Durchhang ausgleichen und hat nicht unbedingt eine klare physikalische Interpretation. Sehen Sie hier die Antworten über das sichtbare Spektrum: (aus Wikipedia ):

Also, das ist das erste, was ich getan habe. Ich habe erhalten:

Oben sehen Sie die beiden Originalbilder sowie deren$Y$und$Z$Werte. Hier sehen wir deutlich, dass die Gesamtbeleuchtung ($Y$) im grauen Bild ist gestiegen, und der blaue Inhalt des Bildes ($Z$) ist auch gestiegen.

Versuchen wir, genauer hinzusehen. Dazu schaue ich mir als nächstes ein Histogramm der an$Y$und$Z$Werte in den Bildern:

Wenn wir uns dieses Histogramm der Werte ansehen, können wir deutlich sehen, dass beide Bilder bei den mittleren Werten (nahe ~ 0,5) einen blauen Buckel haben. Nehmen wir an, das ist der Himmel (wir werden gleich nachsehen). Beachten Sie aber auch, dass sich dieser blaue Buckel bei der Aktivierung ein wenig nach oben verschoben hat. Sorta in der Nähe des blauen Buckels ist ein Buckel in der Leuchtdichte ($Y$), die viel zu bewegen scheint. Aber auf dem Bild passiert viel, und wenn die Vermutung richtig ist und mehr Licht durch die Fenster einfällt, würden wir erwarten, dass alles im Bild heller ist, einschließlich der Säulen und der Wand. Wir müssen also versuchen, den Himmel zu filtern, also machen wir einen Schnitt auf dem Bild, das diese Buckel im Blau liefern. Ich habe meine Auswahl für die Schnitte als vertikale gestrichelte Linien im Bild gezeigt. Wenden wir diesen Schnitt auf das Originalbild an, erhalten wir:

Absolut wundervoll! Wir haben gerade einen nahezu perfekten Himmelsfilter entwickelt. Jetzt, da wir wissen, welche Pixel dem Himmel entsprechen, können wir uns unsere Histogramme erneut ansehen, diesmal jedoch nur für „Himmels“-Pixel.

Und jetzt scheint es, als wäre die Erklärung von Carl Witthoft nicht zu leugnen, der Himmel erscheint weniger blau, im Bild "Grauer Himmel", nicht weil etwas von dem Blau verschwunden ist (tatsächlich ist mehr Blauanteil darin). ), sondern weil von diesen Punkten jenseits des Blaus so viel mehr Licht kommt und es daher nicht mehr blau aussieht . Schauen wir uns der Vollständigkeit halber die Histogramme in den RGB-Kanälen nur der Himmelspixel an:

Hier können wir deutlich sehen, dass das Blau nicht verschwunden ist, wir haben jetzt nur noch viel mehr Rot und Grün aus den Fenstern.

Aber warum sieht es so viel weniger blau aus, wenn die Werte der roten und grünen Kanäle immer noch kleiner sind als die blauen?

Das ist ausschließlich ein Effekt der menschlichen Wahrnehmung. Wir reagieren viel weniger empfindlich auf blaues Licht als auf grünes. Wenn Sie sich die Handlung oben in dieser Antwort noch einmal ansehen, denken Sie daran, dass die$Y$Als Kurve wurde die Wahrnehmungsempfindlichkeit menschlicher Probanden über das sichtbare Spektrum gewählt. Beachten Sie, wie wenig es mit Blau überlappt.

Tatsächlich ist eine häufig verwendete Formel zum Konvertieren von Bildern in Graustufen (das ist schlimmer als die XYZ-Transformation, aber einfach zu bewerkstelligen):

Dies zeigt das Problem mit nur drei Zahlen. Etwa 72 % dessen, was wir als Helligkeit wahrnehmen, stammt aus dem Grünkanal, 21 % aus dem Rotkanal und nur 7 % aus dem Blaukanal. Wenn also die Sonne auf diese Fenster in Ihrem Gebäude scheint, sieht es plötzlich sehr trist aus, obwohl mehr blaues Licht einfällt und die blauen Komponenten immer noch die anderen Farben dominieren.

^{Der gesamte Code, der zur Erstellung dieser Abbildungen verwendet wurde, ist hier als Ipython-Notebook verfügbar .}

Es gibt eine beliebte Frage zu den Eignungsprüfungen von Graduiertenschulen in Physik,

Warum ist der Himmel blau?

Die Antwort ist die Rayleigh-Streuung . Photonen mit kürzerer Wellenlänge ändern mit größerer Wahrscheinlichkeit die Richtung in der Atmosphäre, weshalb das blauere Licht mit kürzerer Wellenlänge in dem Licht, das aus zufälligen Richtungen des Himmels kommt, überrepräsentiert ist.

Ich glaube, dass der gleiche Grund „warum der Himmel blau ist“ auch der Grund ist, warum „der Himmel unter Umständen nicht so blau ist“. Wenn die Sonne direkt auf das Glas scheint, aber nicht auf Sie, können die Photonen von Schmutz und Verunreinigungen auf dem Glas gestreut werden. Im Gegensatz zur Luft sind diese Verunreinigungen in der Lage, die Richtung aller Photonen zu ändern.

Wenn also der Schmutz auf dem Glas nicht direkt von der Sonne beleuchtet wird, kommen die Photonen von generischen Orten des Himmels nur dann zu Ihrem Auge, wenn sie von den von der Atmosphäre gestreuten Sonnenphotonen stammen, und diese Photonen neigen dazu, blau zu sein. Wenn das Glas jedoch direkt beleuchtet wird, empfangen Sie viele Photonen von der Sonne, die ihre Richtung ändern, während sie auf den Schmutz auf dem Glas treffen, und diese werden nicht zum blauen Ende des Spektrums verschoben, da die Streuung am Schmutz nicht erfolgt. t Rayleigh-Streuung; es ist eher farbenblind. Daher wird die in den generischen Richtungen gesehene Farbe grauer.

Beachten Sie, dass ich ziemlich genau sage, dass die richtige Frage das Gegenteil von Ihrer hätte sein sollen: Warum ist der Himmel in der ersten Situation blau? Es ist der "Standardzustand" für Licht, das aus bestimmten Richtungen kommt, um farbneutral zu sein, dh "grau". Dies tritt auf, wenn die Richtung der Photonen ziemlich unabhängig von ihrer Farbe oder Wellenlänge geändert wird, und diese Bedingung erfüllt ist, wenn die Streuung an den Verunreinigungen auf dem Glas die dominierende Lichtquelle aus einer Richtung ist. Andererseits ist es „außergewöhnlich“, dass Licht nicht farbneutral, also blau ist, und deshalb verdient immer noch der blaue Himmel und nicht der graue Himmel eine „besondere“ Erklärung. Es ist die übliche Erklärung basierend auf der Rayleigh-Streuung! In diesem Sinne,