wahrnehmung und farbräume - ags.cs.uni-kl.de · normativ-technischer aspekt von farbe grundlage...
TRANSCRIPT
Wahrnehmung und Farbräume
Intelligente Mensch-Maschinen Interkation - IMMISS 2011
Prof. Didier [email protected]
Display Charakteristiken
Licht und Farbe (allgemein)
Menschliche Farbwahrnehmung
Farbsysteme (RGB)
Übersicht
Der Begriff Farbe wird häufig zur Charakterisierung sehr verschiedener Begriffe verwendetObjektoberflächenLichtchemische Substanzen
FarbreizPhysikalische Strahlung (aus dem Bereich des
sichtbaren Lichts), die den Sinneseindruck auslöst.„rays are not coloured“ (Newton)
Was ist Farbe?
Physikalische Eigenschaften des Lichtes
Wie setzt sich das natürliche Licht zusammen?
Newton (1704):
Natürliches Licht (Sonnenlicht) besteht aus allen Spektralfarben
Leitet man es durch ein Prisma, erhält man ein Farbspektrum
Sichtbare Strahlung
Monochromatisches Licht ist Strahlung einer genau definierten Wellenlänge.
Eine Spektralfarbe ist jener Farbeindruck, der durch monochromatisches Licht im sichtbaren Teil des Lichtspektrums entsteht. Sie ist in jedem Farbton die intensivste, mithin reine Farbe.
Farbreiz ist die physikalische Strahlung des sichtbaren Lichts, die durch unmittelbare Reizung der Netzhaut des Auges eine Farbempfindung hervorruft.
Definitionen
Wovon ist der Farbeindruck abhängig?Spektralverteilung der Beleuchtungsquelle Reflektanz der Gegenstände:bezeichnet den Teil des Lichtes, der vom
beleuchteten Gegenstand reflektiert wird.Beispiel: eine rot bemalte Wand erscheint
deshalb rot, weil der grüne Anteil des Lichts absorbiert wird.
Der Beobachter: Farbwahrnehmung
Physikalische Eigenschaften des Lichtes
)(LichtE
)(Reflektanz sObjekt'
Beobachter
Lichtquellen
Monochromatisches („einfarbiges“) Lichtwird durch die Wellenlänge beschrieben
Licht ist üblicherweise nicht monochromatischwird durch Spektralverteilung beschrieben)(E
Relative Spektrale Leistung
Wellenlänge
Spektrum einer Leuchtstoff-Lampe
Spektralverteilung des Lichtes
Spektrum eines fluoreszenten Lichtes
Relative Spektrale Leistung
)(LichtE
Entstehung des farbigen Bildes - II
)()(E)(LLicht tesReflektier
)(Reflektanz sObjekt'
Beobachter
Reflektanz für Vegetation und Erdboden
14
Objekte unterschiedlicher Reflektanz
z.B. blaue Pigmentfarbe absorbiert Licht aller Spektralbereiche außer um 450 nm
Reflektanz
Entstehung des farbigen Bildes - III
)(LichtE
)()()(Licht tesReflektier
EL
)(Reflektanz sObjekt'
Beobachter
Farbensignal
)()()(Licht tesReflektier
EL
)(LichtE
)(Reflektanz sObjekt'
x
=
)()()(Licht tesReflektier
EL
Licht als Spektralverteilung wird von einem Rezeptor in einem eindimensionalen Wert transformiert
Farbwahrnehmung
?
Ein Farbrezeptor ist durch seine spektrale Absorptionskurve definiert
Reizantwort (Faltung):
Farbrezeptor
)(
Ein-dimensionaler
wert: p
dLp )()(
Dimension des Farbraumes = Anzahl von verschiedenen Rezeptortypen
Beispiele:1-dimensional: monochromatische Kamera2-dimensional: Saugtiere3-dimensional: Menschen und Primaten
(Trichromaten - Trichromacy)4-dimensional: Vögel, Fische, Reptilien
Dimension des Farbraumes
Schematischer Schnitt durchdas rechte Auge
Foto der Retina
Das Auge
Die Netzhaut
Photo-sensitive Zellen der RetinaReagieren verschieden auf unterschiedliche Amplituden und Frequenzen
Stäbchen (Rods)100 - 120 MillionenNur außerhalb der Fovea
(konzentriert in der Peripherie der Retina)Eingelagerter Sehfarbstoff
Rhodopsin (Sehpurpur)Maximale Empfindlichkeit bei ca.
498 nm (grün)
KantenlesenHelligkeit (hell-dunkel)
Rezeptortypen
Zapfen (Cones) 7-8 MillionenPrimär in der Fovea(konzentriert im Zentrum der Retina)
3 verschiedene Typen mit unterschiedlich photosensitiven Segmenten (3 Typen des Photopigment Iodopsin)
Maximale Empfindlichkeiten bei ca. 420 nm, 534 nm, 564 nm
Farberkennung
Rezeptortypen
Retina (Netzhaut)
Gesehene Umwelt wird auf Retina abgebildet
Zapfen (cones) befinden sich hauptsächlich in der “Mitte” der Netzhaut (Fovea)
Stäbchen (Rods) befinden sich an der Peripherie
Ausgang zum Sehnerv (Blinder Fleck) besitzt weder Zapfen noch Stäbchen (“Blind spot”)
Zapfen und Stäbchen
Zeit in Dunkelheit in Min
Fovea besitzt hauptsächlich Zapfen (cones) erlaubt Erkennen von Details Unterscheidung von ca. 30 Perioden pro Sehwinkel erlaubt Farbwahrnehmung
Peripherie besitzt hauptsächlich Stäbchen ermögicht die Wahrnehmung geringerer Intensitäten ermöglicht Wahrnehmung von Veränderungen
Hellempfindlichkeit
Skot
opis
ches
Sehe
nM
espo
isch
es
Sehe
nPh
otop
ishc
es
Sehe
n
Stäbchen-Aktivität
Zäpfchen-Aktivität
Sonne zur Mittagszeit
Klarer Himmel am Tag
Bildschirm
Bequemes Lesen
Unter Grenze der Farbwahrnehmung
Weißes Papier im Mondlicht
Untere Grenze des Nachtsehens
Bereich des schärfsten Sehens
Dämmerungssehen
Tagessehen
Nachtsehen
Nacht sind alle Katzen grau
Auge versus Kamera
Auge und Kamera bündeln das Licht
Netzhaut entspricht Film
Kamera: Fokussierung durch Bewegung der Linse
Auge: Fokussierung durch Veränderung der Brechungseigenschaften (Form) der Linse: Akkomodation
Empfindlichkeit der Zapfen für FarbenZum Vergleich: CCD
Spektrale Absorptionskurven
Zapfen (Cones)
Ein Spektrum ist in 3 Werte kodiert“Long, medium and short (LMS)”
Zapfen (Cone Response)
From A Field Guide to Digital Color, © A.K. Peters, 2003
Effects of Retinal Encoding
Alle Spektren, die die selben Zapfen stimulieren, sind nicht zu unterscheiden.Metameric match
Spektralverteilung 1 (S1)
Spektralverteilung 2 (S2)
Wahrgenommene Farbe(Farbreiz) für S1 und S2
Die Farbwahrnehmung ist eine Projektion aus dem unendlich-dimensionalen Raum aller unterschiedlichen Spektralkurven in einen dreidimensionalen Farbraum
Zwei Farbreize sind gleich, falls die Erregungszustände der Farbzapfen gleich sind
Unterschiedliche Spektren können dieselben Farbreize erzeugen
Metamere: verschiedene Lichtkombinationen die den selben Sinneseindruck erzeugenAbhängig von der Lichtquelle
Metamere
Wenn die Dimension des Farbraumes n ist, dann reichen nLichtquellen (Primärvalenzen) aus, um durch Farbmischung alle mögliche Farben darzustellen
Additive FarbmischungPrimärvalenzen müssen nicht
monochromatisch seinAnwendung: Monitore, Displays
Metamere sind nützlich
Monochromatisches Licht ist Strahlung einer genau definierten Wellenlänge.
RGB: Red, Green, Blue
HSV: Hue, Saturation, Value
CMYK: Cyan, Magenta, Yellow, Black
CIE model
Farbmodellen
Tristimulus System
Klassische Theorie der Farbwahrnehmung: Die Dreidimensionalität der Farbe ist
durch die drei verschiedene Arten von Farbrezeptoren (Zapfen) des menschlichen Auges motiviert
Helmholtz‘sche DreifarbentheorieDurch Mischung der drei
Primärfarben ergibt sich jede beliebige Farbe
Grassmannsche GesetzeVektorielle Eigenschaften des
Farbraumes (Linearität, Additivität…)
Hermann von Helmholtz (1821-1894)
Hermann Günther Graßmann(1809-1877)
Erstes Graßmannsches Gesetz
Zwischen je vier Farben besteht immer eine eindeutige lineare Beziehung
Eine Farbe braucht zu ihrer Beschreibung drei voneinander unabhängige Bestimmungsstücke, d.h. die Farbe ist eine dreidimensionale Größe.
Tristimulus System
Farben können als Vektoren eines 3D Vektorraumes aufgefasst werden
Die Vektoren dieses 'Farbraums' heißen FarbvalenzenDie Länge eines Vektors ist ein Maß für die
Leuchtdichte und heißt FarbwertDie Richtung bestimmt die Farbart
Die drei voneinander linear unabhängige Basisvektoren heißen PrimärvalenzenLinear unabhängig bedeutet, dass eine Primärvalenz
nicht durch Mischung der beiden anderen Primärvalenzen darstellbar ist
Tristimulus System
Drei Primärvalenzen (Grundfarbe) werden ausgewählt: R, G und B(z.B. mit R = 700nm, G = 546.1nm, B = 435.8nm)
Farbgleichung auf der Basis der Primärvalenzen R, G, BF = rR + gG + bB
r, g und b heißen Farbwerte und müssen durch ein Experimentgewonnen werden Die Farbwerte der Primärvalenzen werden verändert,
bis dergleiche Farbton getroffen wird Innere Farbmischung
Tristimulus System (RGB System) -Experimente
Es gibt Farbvalenzen, die sich nicht durchadditives Mischen erzeugen lassen Farbgleichheit lässt sich herstellen, wenn man zu
der gegebenen Farbvalenz Primärvalenzen hinzumischt
Äußere Farbmischung
F + rR = gG + bB
F = - rR + gG + bB
Tristimulus System (RGB System) -Experimente
F
Barizentrische Darstellung
0 CBbCGgCRr
0,, bgr
G
RB
C
Begriffe innere und äußere Farbmischung haben geometrische Bedeutung Das Innere des Dreiecks: innere
Farbmischung
Barizentrische Darstellung
0 CBbCGgCRr
0,0
bg
r
G
RB
CBegriffe innere und äußere Farbmischung haben geometrische Bedeutung Das Innere des Dreiecks: innere
Farbmischung Ausserhalb äußere Farbmischungen
Die Farbwerte (r,g,b) der Spektralfarben (monochromatisches Licht) bzgl. vorgegebener Primärvalenzen heißen Spektralwerte
Wie muss man seine Primärvalenzen (Grundfarben) mischen, um das Farbempfinden einer bestimmten spektralen Verteilung zu erreichen?
Spektralwerte
Praktische Umsetzung: Farbmisch-Experiment
Reminder
Betrachte den Farbreiz eines engen Spektralbands („monchromatisches“ Licht) Breite des Bandes 5 bis 10 nm, da das Auge ohnehin keine höhere
spektrale Auflösung hat.
Für die zu diesem Farbreiz gehörende Farbvalenz kann man wiederum eine Farbgleichung aufstellen
Die Farbkoeffizienten r(), g() und b() heißen Spektralwerte bzgl. der Primärvalenzen R,G ,B .
Die Spektralwerte können nur mittels Mischexperimenten gewonnen werden (David Wright (Wright 1928) and John Guild (1931))
)(f
Spektralwerte
BbGgRrf )()()()(
Das Ergebnis für alle Bänder ergibt die sogenannten Spektralwertkurven
Spektralwertkurven
Erzeugung aller reinen Spektalfarben F (λ) aus den Primärvalenzen ( R = 700nm, G = 546.1nm, B = 435.8nm)
Hat man die Spektralwertkurven für ein Primärvalenztripel bestimmt, so kann man daraus die Farbwerte r, g und b für jede beliebige Spektralverteilung berechnen:
Die Spektralverteilung ist die Summation von lückenlos aneinander liegenden Spektralbändern der Breite wobei
die relative spektrale Leuchtdichte der Wellenlänge ist.
Die Koeffizienten der zugehörigen Farbvalenz erhält man durch Aufsummieren der mit den spektralen Leuchtdichten gewichteten Spektralwerte.
)(L
Bestimmung der Farbwerte einer Spektralverteilung
d)(L
)(L
Baryzentrische Darstellung
Orte der Spektralfarben
Die spektralen Valenzen bilden eine stetige Kurve
Die Kurve hat ein langwelliges und ein kurzwelliges Ende
Alle real darstellbaren Farben liegen innerhalb der KurveJede reale Farbe entspricht einem
WellenlängenspektrumDie einzelnen Wellenlängen des Spektrums können
nur positive Beiträge liefern
Spektralvalenzkurve
Spektralkurven können negative Werte beinhalten
Problem bei RGB System
1931 von der Commission Internationale de l‘Eclairage vorgeschlagen
normativ-technischer Aspekt von Farbe Grundlage technischer Farbmodelle Ziel: Normierung & Vergleichbarkeit 3 künstliche Grundfarben X, Y, Z:
Normfarbwerte (auch: Primärfarben) Normfarbtafel Die CIE-Primärvalenzen liegen außerhalb
der Spektralvalenzkurve Sie sind nicht darstellbar Solche Farbvalenzen heißen virtuell
CIE XYZ Farbsystem (1931)
CIE XYZ Farbsystem (1931)
->Definiert alle wahrnehmbaren Farbwerte
Positive Spektralkurven
Y korrespondiert zur
Helligkeitsempfindlichkeitskurve des menschlichen Auges
X korrespondiert grob zum
Rot-Grün Anteil keine Luminanzinformation
Z korrespondiert grob zum Blau-
Gelb Anteil keine Luminanzinformation
CIE XYZ Farbsystem (1931)
Vermessen vs. CIE Color Spaces
measured basis monochromatic lights physical observations negative lobes
transformed basis “imaginary” lights all positive, unit area Y is luminance
ZYXXx
CIE XYZ Farbsystem (1931) - xyz
Andere Darstellung als Normfarbwertanteile:
ZYXYy
ZYXZz
1 zyx
• x, y, und z enthalten keine Helligkeitsinformation
• Übliche Farbspezifikation CIE(x,y,Y)
X
Y
Z
1 ZYX
CIE (x,y)
David A. Forsyth and Jean Ponce, “Computer Vision: A Modern Approach”Chap 6
Stellt eine 2D Projektion vom CIE (X,Y,Z) –einfacher!!!
SpektralfarbliniePurpurlinieWeisspunktBlack-Body-
Kurve
Die Normfarbtafel - CIE Chromaticity Diagram
Die Definition des RGB-Farbsystems orientiert sich am MonitorAdditive FarbmischungPhysikalisch-technisches Modell
Weitere Farbmodelle sind notwendigphysikalisch-technische Modelle für andere Gerätewahrnehmungs-orientierte Farbsysteme zur
Beschreibung von Farben
Farbmodelle
Technisch-physikalischen FarbmodelleOrientieren sich an den GerätenSind für den Menschen nicht intuitiv
Wahrnehmungsorientierte FarbmodelleUnterschieden nach Helligkeit, Farbton und
Farbsättigung
Numerisch-Symbolische Beschreibung
Addition von Licht: 2 oder mehr Farben werden dem Auge gleichzeitig angeboten“Echte” Überlagerung z.B. durch ProjektionSukzessiv (zeitliche Integration): FarbkreiselSimultan (örtliche Integration): Monitor
Grundfarben: Hintergrund: Summenfarbe:
Technische Farbmodelle: RGB
Rot Grün Blau
Schwarz
Weiß
Das RGB-Modell stellt einen Einheitswürfels im Ursprung des kartesischen Koordinatensystems darDie Hauptachse enthalten die Primärfarben Rot,
Grün und BlauGrauwerte gleiche Anteile von R, G und B liegen auf der Hauptdiagonalen
des EinheitswürfelsSchwarz im Ursprung (0,0,0)Weiß im Punkt (1,1,1)
Technische Farbmodelle: RGB
Farbe wird durch Anteile von R, G und B beschrieben, die zu Schwarz addiert werden müssen
Alle anderen Farbbeschreibungen müssen vor der Farbausgabe auf einem Monitor in den äquivalenten Punkt des RGB-Würfels umgerechnet werden.
Technische Farbmodelle: RGB
Subtraktive Mischung:(Farbige Gläser (Filter))Ölfarben (Pigmente)
Grundfarben:
Hintergrund:
Summenfarbe:
Technische Farbmodelle: CMY(K)
Cyan Magenta Gelb
Schwarz
Weiß
DruckausgabeSubtraktive FarbmischungZum RGB-Würfel komplementäres ModellDie Koordinatenachsen enthalten die Primärfarben
Cyan, Magenta und GelbCyan, Magenta und Gelb sind subtraktive
PrimärfarbenUmrechnung zwischen den ModellenVon RGB nach CMY: (C,M,Y)=(1,1,1)-(R,G,B)von CMY nach RGB: (R,G,B)=(1,1,1)-(C,M,Y)
In der Realität ist Schwarz häufig zusätzlich notwendig
Technische Farbmodelle: CMY(K)
Wahrnehmungsorientierte Modelle - HLS
H=Hue (Farbton), L=Lightness (Helligkeit),S=Saturation (Sättigung)
Orthographische Projektion des RGB-Würfels von Weiß nach Schwarz entlang der Hauptdiagonalen
Wahrnehmungsorientierte Modelle - HLS
Das Sechseck wird meist durch einen Kreis ersetzt Der Farbton (H) wird als Winkel angegeben
H'L'S'-System entsteht durch Verschieben von Grün inRichtung Blau Rot, Gelb und Blau liegen gleich weit voneinander entfernt, was der
Farbempfindung besser entspricht
HLS Farbraum
Beispiel: Bildverarbeitung (z.B. Photoshop…) H=Hue (Farbton) L=Lightness (Helligkeit) S=Saturation (Sättigung) Value
Saturation
HueL
Die Helligkeit (L) wird als Wert zwischen 0 und 1 angegeben 0 ist Schwarz und 1 ist Weiß
Die Sättigung (S) ist der Abstand einer Farbe vom Mittelpunkt des Farbkreises 0 sind achromatische Farben Maximalwert für die
gesättigten Farben
Relative Sättigung Zylinder
Absolute Sättigung Doppelkegel
Wahrnehmungsorientierte Modelle - HLS
Unterschiedliche Geräte können i.A. nicht die gleichen Farben darstellen.
Sie haben einen unterschiedlichen Gamut
Der Gamut ist die Menge aller Farben, die ein Gerät (Monitor, Drucker, Scanner, Film,…) darstellen, wiedergeben bzw. aufzeichnen kann.
= Körper im Farbraum, der mit dem Gerät durch innere Farbmischung nachgestellt werden kann.
Gamut
Drucker
Monitor
Gamut eines Druckers und Monitors
Der Gamut eines additiven Displays ist ein Parallelepiped (3D-Parallelogramm)Kann durch vier 3D-Punkte
völlig beschrieben werdenR, G und BK (Schwarz)
Diese Punkte können gemessen werden(Farbmessgerät: Spektralphotometer )
Additive Displays
Gamut-Mapping die Gamuts verschiedener Geräte so aufeinander
abzubilden, dass möglichst wenig störende Farbverschiebungen und Abrisse entstehen
Die nicht darstellbaren Farben müssen so ersetzt werden, dass die Farberscheinung jeweils erhalten bleibt.
Wahrnehmung spielt eine zentrale Rolle: „Perceptual Gamut-Mapping“
Gamut-Mapping stellt die große Herausforderung des Farbmanagments dar
Gamut-Mapping
Fähigkeit des Menschen, Farbe zu abstrahieren.
Die Farbe eines Objekts scheint unter verschiedenen Lichtverhältnissen konstant zu bleiben.
Farbkonstanz (Colour constancy)
Farbkonstanz
Das Farbensehen läßt sich am besten mit Spektralfarben analysieren. Das von Objekten reflektierte Licht hängt nicht nur von der spektralen Absorption ihrer Oberfläche, sondern auch von der spektralen Zusammensetzung der Beleuchtung ab. Da sich aber die spektralen Eigenschaften des natürlichen Himmelslichtes je nach Tageszeit, Bewölkung und Himmelsausschnitt ändert, ändert sich auch die spektrale Zusammensetzung des reflektierten Lichtes. Ohne Farbkonstanz, d.h. einen Korrekturmechanismus, der die Änderungen der Beleuchtungsfarbe kompensiert, könnten Objekte aufgrund des Farbtons nicht wiedererkannt werden -ein effektives Farbensehen wäre nicht möglich.
Farbkonstanz
Farbkonstanz
Danke!!!!
Nächste Woche: 3D-Wahrnehmung / Kameramodel / AR