Medientechnik SS Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau

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1 Medientechnik SS 2011 Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 1

2 Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 2

3 media type image representation Farbmodelle (CIE, RGB, HSB, CMYK) Alpha-Kanäle (Transparenzbereiche) Anzahl der (Farb-) Kanäle Kanaltiefe (Bits pro Pixel, z.b. 1,2,4,8,10) Interlacing (pixelweise oder kanalweise) Farbpaletten Seitenverhältnis (aspect ratio) Kompression methods Editieren, einzelne Pixel, Masken etc. Paintbrush Punktweise Operationen (newp := f(p)) Filter ( newp := f(neighbourhood(p)) Zusammenfügen, Überblenden Geometrische Transformationen (Größe, Spiegeln, Drehen) Formatumwandlung (Farbseparation, Auflösung u.a.) Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 3

4 nm = 10-9 m THz = /sec λ = Wellenlänge (m) f = Frequenz (sec -1 ) v = Geschwindigkeit (m/sec) Spektrum des sichtbaren Lichtes Wellenlänge 380 nm-780 nm Lichtgeschwindigkeit 3*10 8 m/s Frequenzbereich THz U S λ v = λ * f Wellenlänge 1/f 10-1m UKW / VHF m UHF Infra-Rot nm Sichtbares Licht m Ultraviolett-Strahlung m Röntgen-Strahlung hart Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 4

5 Energie hängt von Frequenz ab: Planck sches Wirkungsquantum Q = h* f h = 6,62*10 34 W sec 2 für 1 Photon Wellentheorie: Huygens, Snellius, Fresnel Maxwell Teilchentheorie: Newton (!), Planck,... Intensitätsverteilung Sonnenlicht Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 5

6 Physikalische Grundgröße: Lichtstärke [cd] Candela Licht breitet sich in alle Richtungen gleichmäßig aus: Isotropie Ein punktförmiger Strahler sendet Lichtmenge proportional zum Raumwinkel Lichtstrom (Lumen) 1 lm = 1cd * 1 sr Lichtstärke * Raumwinkel Gesamter Lichtstrom des Punktstrahlers (1 cd) 12,5664 lm Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 6

7 Physikalische Grundgröße: Lichtstärke Formelzeichen I SI-Einheit: candela (cd) Lichtstrom Φ =Lichtstärke I *(Raum-) Winkel Ω SI-Einheit Lichtstrom lumen (lm) Punktförmige Lichtquelle mit Lichtstärke I Lichtstärke= Strahlungsleistung pro Raumwinkel Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 7

8 Bogenmaß des Winkels = Länge des Kreisbogens b / Länge des Radius b Bogenmaß ist dimensionslos 0.. 2π, Maß rad (Radiant) Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 8

9 Ausgangsidee: Punktförmiger Strahler mit Gesamtlichtstrom Φ Welcher Lichtstrom Φ F wirkt auf Fläche F? Ganze Kugeloberfläche = Verhältnisgleichung: 2 4πR 2 Φ :4 π R =ΦF : F F Φ F =Φ* Definition Raumwinkel: 4 2 π R F Ω = 2 Ω [ 0..4π ] Φ * R F =Φ Ω 4 π Lichtstärke = Lichtstrom / Raumwinkel R F Oberflächenstück F / R 2 Maßeinheit sr Steradiant lm 1 1 cd sr = Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 9

10 Système Internationale d Unités das Meter (m) als Einheit der Länge das Kilogramm (kg) als Einheit der Masse die Sekunde (s) als Einheit der Zeit das Ampere (A) als Einheit der elektrischen Stromstärke das Kelvin (K) als Einheit der thermodynamischen Temperatur das Mol (mol) als Einheit der Stoffmenge die Candela (cd) als Einheit der Lichtstärke Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 10

11 10 24 Yotta Y Zetta Z Exa E Peta P Tera T 10 9 Giga G 10 6 Mega M 10 3 Kilo k 10 2 Hekto h Potenz 10 1 Deka Name Zeichend 10 1 Dezi d 10 2 Zenti c 10 3 Milli m 10 6 Mikro µ 10 9 Nano n Piko p Femto f Atto a Zepto z Potenz Yokto Name yzeichen Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 11

12 1 sr = derjenige Raumwinkel, der aus einer Kugeloberfläche (Radius r) eine Kugelkappe mit Fläche r*r ausschneidet. Quelle: Alex Ryer: Light Measurement Handbook 12

13 Theorie der elektromagnetischen Wellen Maxwell sche Gleichungen Drahtlose Telegrafie 1899 James Clerk Maxwell Nachweis elektromagnetischer Wellen, breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Quelle: Forschungsverbund Medientechnik Medientechnik Südwest, Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 13

14 Physikalische Definition Candela Normlichtquelle mit 1 cd: 1/60 cm 2 Schwarzkörper bei 1770 C (erstarrendes Platin) Zusammenhang mit radiometrischen Einheiten: 1 Watt = 683,0 lm bei 555 nm Wellenlänge Lichtäquivalent Der Kehrwert 683 lm / Watt ist die max. Lichtausbeute für Lampen (theoretisch!) Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 14

15 1 Watt=683 lm Unterschiede zwischen helladaptiertem und dunkeladaptiertem Auge Luminanz berücksichtigt die Empfindlichkeit des menschlichen Auges Quelle: Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 15

16 Physiolog. Helligkeitsempfindung Physiolog. Helligkeitsempfindung grün grün-gelb Tag-Sehen Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 16 Nacht-Sehen

17 K λ = K V ( ) ( ) max λ Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V(λ) (Tagessehen) K = max 683 lm/w 1,2 1 Violett Blau Grün Gelb Orange Rot V(λ) 0,8 0,6 0,4 Reihe1 0, Wellenlänge λ (nm) Blaugrün Grüngelb Orangerot Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 17

18 Gesamtlichtstrom technischer Leuchten Allgebrauchslampe, klar, Doppelwendel, Sockel E27, 60 W Lichtstrom 730 lm, Ausbeute 12,17 lm/w Leuchtstofflampe, 38mm, Warmton 30, 65 W Lichtstrom: 4600 lm, Ausbeute 59 lm/w Quecksilberdampflampe, Klarglas, Leuchtstoff HQL, 80/90 W Lichtstrom 3100 lm, Ausbeute 34,4 lm/w Kerze 5-15 lm Elektronenblitz Bis 40 Mlm (Megalumen) Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 18

19 Definition: 1 Lux = 1 lm / m 2 E = Φ A Belichtungsmesser Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 19

20 Definition: 1 lx = 1 lm / m 2 Natürliche Beleuchtungsstärken Sonnenlicht im Sommer lx Sonnenlicht im Winter lx Bedeckter Himmel, Sommer lx Vollmondnacht 0,2 lx Grenze der Farbwahrnehmung: 3 lx Normalbeleuchtungsstärken Wohnräume lx Arbeitsräume lx allgemein Arbeitsplätze lx Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 20

21 Definition: 1 lx = 1 lm / m 2 Beispiel: 65 W Leuchtstofflampe über Schreibtisch 2*1m Lichtstrom gesamt: 4600 lm Auf den Schreibtisch treffen 50 % =2300 lm Beleuchtungsstärke lx Arbeitsrechtliche Vorschriften beachten! Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 21

22 SI-Einheit: 1 lx s = Luxsekunde Φ H = Et = t = A Q A Leistung*Zeit= Arbeit A Fläche Q Lichtmenge = Lichtstrom * Zeit Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 22

23 Leuchtdichte ist subjektiv Helligkeit L = I A asb = apostilb stilb = cd/m2 1 lm/m 2 /sr (lumen pro Quadratmeter pro Steradian) = 1 candela/m 2 (cd/m 2 ) = π apostilbs (asb) Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 23

24 Lichtstärke I cd Grundgröße Leuchtdichte L cd/m 2 Lichtstrom Φ lm = cd*sr Lichtmenge Q lm*s Beleuchtungsstärke E lx = lm/m 2 Belichtung H lx * s Raumwinkel Ω sr Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 24

25 Video, ergo sum! Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 25

26 Hornhaut: durchsichtig, 5-schichtig vordere Kammer mit Kammerwasser Linse mit ringförmigem Ciliarmuskel dazwischen: Regenbogenhaut (Iris) dahinter: Glaskörper, Augenfüllung dahinter: Netzhaut, Aderhaut, Lederhaut Akkommodation: Ziliarmuskel zieht sich zusammen und verdickt die Linse Anpassung der Brechkraft der Linse, Fehlfunktionen: Weitsichtigkeit (Brechkraft zu klein) Kurzsichtigkeit (Brechkraft zu groß) Koordination: Synchronisation beider Augen (räumliches Sehen, Fehlfunktion Schielen, Doppelsichtigkeit) Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 26

27 Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 27

28 Hyperopie: Weitsichtigkeit 28 Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau

29 1. Netzhaut = Retina 2. Aderhaut = Choroidea 3. Lederhaut = Sklera 4. Hornhaut = Cornea 5. Bindehaut = Tunica Conjunctiva 6. Regenbogenhaut = Iris 7. Strahlenkörper = Corpus ciliare 8. Linse = Lens 9. Vordere Augenkammer = Camera anterior bulbi 10. Hintere Augenkammer = Camera posterior bulbi 11. Sehloch oder Pupille = Pupilla 12. Glaskörper = Corpus vitreum 13. Gelber Fleck (Stelle des schärfste Sehens) = Macula, Fovea centralis 14. Blinder Fleck (Durchtritt des Sehnervs durch die Wand des Augapfels Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 29

30 In Abb. 85 ist die menschliche Netzhaut abgebildet, wie sie mit einem Ophthalmoskop durch die Pupille aussieht. Ein Ophthalmoskop oder Augenspiegel ist ein Instrument, mit dessen Hilfe der Arzt die inneren Teile des Auges einsehen kann. (Ophthalmologie: Lehre von den Augenkrankheiten ) Man kann links den Eintritt des Nervus opticus (Sehnervs Ø ca. 1,8 mm) mit dem miteintretenden zentralen retinalen Blutgefäß und die Macula lutea (gelber Fleck = Bereich des scharfen Sehens) mit der Stelle den schärfsten Sehens, der Fovea centralis (Sehgrube, ca. 3,4 mm vom Sehnerv entfernt) erkennen. E.G.Beck: Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 30

31 Die Retina besteht aus Lichtsinneszellen und Nervenzellen. Dabei findet man von beiden Gruppen unterschiedliche Typen (siehe unten). Als Lichtsinneszellen gibt es die länglicheren Stäbchen und die etwas kürzeren, dickeren Zapfen (nicht Zäpfchen) Zapfen sind für das Farbensehen, Stäbchen für das Helldunkel und Kontrastsehen verantwortlich. Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 31

32 Stäbchen (Helligkeit), "rods" Zapfen (Farbe), "cones" Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 32

33 Pigmentepithel Pigmentep 1. Neuron Fotorezeptorenschicht 2. Neuron Bipolare Ganglienzellen 3. Neuron Große Ganglien Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 33

34 1. Innere Grenzmembran = Stratum limitans internum folgt auf den Glaskörper; wird ganz unten von einer unterschiedlich dicken Basallamina begrenzt; darüber spreizen sich die Radiärfaserkegel auf, die die Endfüßchen der Müller Gliazellen darstellen und basal über Tightjunctions miteinander verbunden sind. Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 34

35 2. Nervenfaserschicht = Stratum neurofibrarum fast ausnahmslos marklose Neuriten, die sich an der Sehnervenpapille zum Sehnerven vereinigen, sowie einige Gefäße Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 35

36 3. Ganglienzellschicht = Stratum ganglionicum mit multipolaren Ganglienzellen, die die dritten Neurone der Sehbahn sind Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 36

37 4. Innere plexiforme Schicht = Stratum plexiforme internum hier findet die Umschaltung von den zweiten auf die dritten Neurone (Ganglienzellen) der Sehbahn statt. Auch in diesem Bereich treten mit synaptischen Körperchen ausgestattete Ribbonsynapsen auf, zusätzlich ist ein große Zahl konventioneller chemischer und weniger elektrischer Synapsen vorhanden. Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 37

38 5. Innere Körnerschicht = Stratum nucleare internum mit den Perikaryen von A. bipolaren Zellen (Stäbchen- und Zapfenbipolarzellen = zweite Neurone der Sehbahn von denen sich funktionell und morphologisch viele Unterarten differenzieren lassen), B. den innen gelegenen selteneren amakrinen Zellen, C. den außen lokalisierten ebenfalls weniger häufigen Horizontalzellen in deren Cytoplasma gelegentlich die sehr großen Makrotubuli aggregati auftreten, sowie einigen Kernen von Radiärfaserzellen (= Müller-Gliazellen) Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 38

39 6. Äußere plexiforme Schicht = Stratum plexiforme externum hier erfolgt an den Terminalen der Stäbchen und Zapfenzellen die Umschaltung auf die Dendriten der zweiten Neuronen der Sehbahn (Stäbchen- bzw. Zapfenbipolarzellen). Fortsätze von Horizontalzellen und der Bipolarzellen sind in die Terminalen der Rezeptorzellen eingestülpt (invaginiert). In diesem Bereich werden die extrem schnell feuernden (tonischen) Ribbonsynapsen, die durch spezielle Zellorganellen, die synaptischen Körperchen charakterisiert sind, ausgebildet. Bei Stäbchenterminalen sind hier in einer nicht selten nochmals unterteilten Invagination seitlich meist 2 bizarre am Ende (terminal) verdickte Horizontalzellfortsätze zu finden, in der Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau Mitte meist 1 bis 3 nicht terminal verdickte Bipolarzellfortsätze. In Zapfenterminalen finden 39

40 7. Äußere Körnerschicht = Stratum nucleare externum mit den Zellkernen (Perikaryen) der Rezeptorzellen (Stäbchen und Zapfen = erste Neurone der Sehbahn) Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 40

41 8. Äußere Grenzschicht = Stratum limitans externum Bereich mit speziellen Gürteldesmosomen (Zonulae adhaerentes) die zwischen den Rezeptorzellen und den hier sehr engen Endfortsätzen der Müller Gliazellen ausgebildet werden Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 41

42 9. Schicht der Stäbchen und Zapfen = Stratum segmentorum externorum et internorum unten Innen- und oben Außenglieder der Rezeptorzellen (Stäbchen und Zapfen). Der in Richtung Außenglied gelegene Teil der Innenglieder von Photorezeptoren enthält sehr viele Mitochondrien, einige Wurzelfasern, wellige Intermediärfilamentbündel und Mikrotubuli; er wird als Ellipsoid bezeichnet und geht in das Myoid, den unteren Teil des Innenglieds über, wo sich Golgi-Apparate und RER aber nur ganz wenige Mitochondrien finden. Um die Außenund Innenglieder herum findet sich ein weiter mit Flüssigkeit (Liquor) gefüllter Raum in den von außen längere, dünne Fortsätze der Müller Gliazellen und von innen ebenfalls lange dünne Fortsätze der Pigmentepithelzellen hineinreichen. Außen- und Innenglieder werden nur über einen dünnen, um ein Cilium mit 9x2 + 0 Mikrotubuli gelegenen, Cytoplasmabereich miteinander verbunden. Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 42

43 10. Pigmentepithel (Stratum pigmenti = Pars pigmentosa; --> Abbildungen) mit Pigmentepithelzellen, die die eintauchenden Enden der Außenglieder von Stäbchen und Zapfen phagocytieren. Die phagocytierten Abschnitte verdichten sich immer weiter und sind schließlich nicht mehr von den Pigmentvesikeln zu unterscheiden, deren Aufgabe es ist, Reflektionen des einfallenden Lichts zu verhindern. Typischerweise findet sich sehr viel nahezu ausschließlich glattes endoplasmatisches Retikulum in den etwa isoprismatischen Pigmentzellen. Die mit Tight-junctions ausgestatteten Haftkomplexe zwischen den Pigmentepithelzellen sind wesentlich für die Blut- Retina Schranke. Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 43

44 120 Mio. Stäbchen (Helligkeit) 6 Mio. Zapfen (Farben) Zum Vergleich: CCD Empfindlichkeit der Zapfen für Farben: Stäbchen sind empfindlicher: Nachts sind alle Katzen grau! Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 44

45 Strahlung Auge R,G,B Farbvalenz Farbreiz R-G G-B B-R R+G+B Farbvalenz (Signal an das Gehirn) Rot-Grün- Anteil Farbton, Sättigung Blau-Gelb Anteil Helligkeit Farbempfindung Gehirn Farbverarbeitung nach George Wald Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 45

46 1809: Thomas Young RGB (nach RYB) f = Frequenz Young sche Nervenelementreihe 1861: James Clerk Maxwell Drei-Farben-Projektion mit RGB-Diapositiven 1961 (?): George Wald Nobelpreis für Nachweis 3 verschiedener Zapfentypen (Biochemie) Neuere Forschung: Jerry Nathans Gene der Zapfen entschlüsseln Gibt es Tetrachromatizität bei Frauen? RRGB c λ f Frequenz c Lichtgeschwindigkeit l Wellenlänge Ultraviolett Blau: nm kurzwellig hochfrequent Grün: nm Rot: nm langwellig niederfrequent Infrarot Wellenlänge Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 46

47 Vorlesung Medientechnik WS 2011 Dr. Manfred Jackel Studiengang Computervisualistik Universität Koblenz-Landau Campus Koblenz Postfach Koblenz Manfred Jackel WWW: mtech.uni-koblenz.de Literatur zu diesem Kapitel: Marchesi: Handbuch der Fotografie 1-3 Alex Ryer: Light Measurement Handbook Fischer, Karl Friedrich u.a.: Taschenbuch der technischen Formeln Kuchling, Horst: Taschenbuch der Physik Hyperlinks zu diesem Kapitel Grafik-Quellen de.wikipedia.org/wiki/farbensehen EGB s Welt EGB s Welt Medientechnik 2011 Manfred Jackel Universität Koblenz-Landau 47