Licht Farbwahrnehmung Farbmodelle Farben bei der Bildgenerierung
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- Edith Linden
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1 Thomas Jung Licht Farbwahrnehmung Farbmodelle Farben bei der Bildgenerierung 1
2 Farbwahrnehmung ist subjektiv Unterschiedliche Farbmodelle nach Anwendungsbereich Farbe ist grundlegend für die gesamte Computergrafik Licht fällt ins Auge direkt von einem selbst leuchtenden Objekt (Lichtquelle, Monitor) reflektiert von einer Oberfläche (Materialeigenschaften, Papierausdruck) gebrochen durch eine transparente Oberfläche (Materialeigenschaften, Folie) Farbeindruck durch Stimulation von Rezeptoren auf der Retina und komplizierte neuronale Weiterverarbeitung 2
3 Sonnenlicht besteht aus Bündel des Farbspektrums Isaac Newton (Bildquellen Goldstein: Wahrnehmungspsychologie, Wikipedia ) Farbeindruck beim Menschen (Bildquellen Goldstein: Wahrnehmungspsychologie, Wikipedia ) 3
4 Auge Gehirn (Bildquellen: Goldstein, Wahrnehmungspsychologie, Spektrum Akademischer Verlag) Abbildung der Umwelt Rezeptoren Zapfen in der Mitte (Fovea) Stäbchen an der Peripherie Blinder Fleck am Ausgang zum Sehnerv (Bildquellen: Goldstein, Wahrnehmungspsychologie, Spektrum Akademischer Verlag) 4
5 Zapfen Erkennen von Details Lesen! Unterscheidung von ca. 30 Perioden pro Sehwinkel Farbwahrnehmung 3 unterschiedliche Typen Stäbchen Wahrnehmung geringerer Intensitäten Wahrnehmung von Veränderungen Dunkeladaption (Bildquelle: Goldstein, Wahrnehmungspsychologie, Spektrum Akademischer Verlag) Probanden können aus drei Grundfarben vorgegebene Farbe im Spektrum mischen Nicht jedoch aus zwei Grundfarben Hermann von Helmholtz, Schlussfolgerung: Mensch muss drei verschiedene Rezeptortypen besitzen Rezeptortypen werden vom farbigen Licht in unterschiedlichem Maß aktiviert aber welche? (Bildquelle: Wikipedia) 5
6 K: für kurze M: für mittlere L: für lange Wellenlängen Jede Farbe im Spektrum erzeugt ein Absorptionsmuster (K, M, L) wird vom Gehirn erkannt (Bildquellen Goldstein: Wahrnehmungspsychologie, Wikipedia ) Schwarzlicht nm Unterschiedliche Farbverteilungen können gleichen Farbeindruck verursachen (Metamere) Gelb (580nm) absorbiert L viel stärker als M wirkt wie Mischlicht von Grün (550nm) absorbiert L stärker als M und Rot (610nm) absorbiert L 6
7 Farbtafel Gleicher Farbeindruck (Absorptionsmuster) nur bei einer Beleuchtungssituation! (Bildquellen: ) Rot/grün und Blau/Gelb sind perzeptuell zu Gegensatzpaar verbunden Nachbilder auf weißem Papier in der Gegenfarbe nach Betrachten einer Farbfläche Mischtöne aus Gegenfarben schwer vorstellbar Ewald Hering (Bildquellen: vlp.mpiwg-berlin.mpg.de, wikipedia.de ) 7
8 Probanden stellen Anteil der vier Grundfarben für per Farbtafel vorgegebene Farbe ein CIEXYZ-Farbmodell Komplementärfarben werden nicht zusammen gemischt!!! (Bildquellen Goldstein: Wahrnehmungspsychologie, Wikipedia ) Elektrischer Impuls entlädt sich im Neuron Nervenfasern leitet bis zur Synapse Chemische Substanz (Neurotransmitter) überwindet synaptischen Spalt Neurotransmitter dockt an passendem Rezeptor an und ändert Spannung Zielneuron wird bzgl. Entladung gehemmt oder erregt (Bildquellen: Goldstein, Wahrnehmungspsychologie, Spektrum Akademischer Verlag) 8
9 Neuronaler Schaltkreis zur Farbbestimmung stimu-liert stimuliert stimu-liert stimu- hemmt stimuliert stimu-liert liertstimuliert stimuliert hemmt Blau bei K > M + L Gelb bei K < M + L Rot bei L > M Grün bei L < M (Bildquelle Goldstein: Wahrnehmungspsychologie ) Sonnenlicht bündelt Farbspektrum Auge besitzt 3 Rezeptortypen zur Farbwahrnehmung in der Retina Farben als Absorptionsmuster Metamere erzeugen gleiche Muster Gegenfarben durch besondere neuronale Schaltkreise 9
10 CIEXYZ-Modell basierend auf menschlicher Wahrnehmung Computergrafik RGB-Modell HSL-Modell CMYK-Modell für den Druck YUV-Modell für Farbfernsehen CIE: Internationale Beleuchtungskommission Farben gemäß menschlichem Farbwahrnehmungsapparat darstellen Probanden sehen farbig beleuchtete Tafel CIE 1931: Blickfeld 2 CIE 1964: Blickfeld 10 bestimmen Mischverhältnis der drei Primärfarben Rot 700nm; Grün 546,1nm und Blau 453,8nm (regelbare Lichtquellen). Werte werden gemittelt ( Normalbeobachter ), Kurven geglättet und normiert (Bildquellen Goldstein: Wahrnehmungspsychologie, Wikipedia ) 10
11 Keine Primärfarbe erreicht 100% (Bildquellen Wikipedia ) Farbe als Mischung aus X * Rot + Y * Grün + Z * Blau Da X + Y + Z = 1 gilt, kann Z-Richtung ( Helligkeit ) weggelassen werden Nur Farben innerhalb eines Dreiecksausschnitts sind auf dem Bildschirm darstellbar! Auf Linien ausgehend von W gleiche Farbtöne und Komplementärfarben (Bildquellen Wikipedia ) Reine Spektralfarben Purpurttöne sind keine Spektralfarben 11
12 Monitor leuchtet selbst drei Grundfarben pro Bildpunkt Dreieck Farbdruck auf Papier: Beleuchtung meist vier Farbpigmente pro Bildpunkt Reflexion von Licht an Papieroberfläche Farbfolie, Film: Durchleuchtung Im Gegensatz zum Papier Durchscheinen des Lichts durch Farbpigmente (Lichtbrechung) ( Bildquelle: Watt, 3D-Computergrafik ) Delta-Röhre Raster von Bildpunkten (Rastergrafik) Bildpunkt besteht aus drei nebeneinander liegenden Leuchtpunkten z. B. mit den Frequenzen 700nm, 546,1nm und 435,8nm (Bildquelle: wikipedia.de ) 12
13 Additive Farbmischung von Rot, Grün und Blau Farbanteil von 0 bis 1 Truecolor: 256 Abstufungen (8 Bit) pro Farbkanal RGB-Tripel sind nicht intuitiv Farbeindruck einer RGB-Farbe hängt ab von Primärvalenzen (Modellvariante) Gerät (Leuchtsubstanzen) Umgebungslicht Weißabgleich (automatisch auf Smartphones) Betrachter (Subjektivität) (Bildquelle: wikipedia.de ) 13
14 Angelehnt an CRT- Monitore von 1996 LCD-Monitore angepasst Von HP und Microsoft Gestützt durch PNG, GIMP, W3C, Intel Relativ kleiner Ausschnitt Größere Ausschnitte bei Adobe-RGB oder ECI-RGB Primärvalenzen [0.3000, ] [0.3127, ] [0.6400, ] [0.1500, ] (Bildquelle: wikipedia.de ) Monitore verwenden unterschiedliche Leuchtsubstanzen bei gleichen RGB-Tripeln unterschiedliche Farben Leuchtpunkte liegen nebeneinander gesättigte Farben mit reduzierter Intensität Zusammenhang von RGB-Wert und Lichtintensität ist nichtlinear Imonitor = K * I γ Gamma-Korrektur: Gamma möglichst 1/Y I = I 1/γ Imonitor = K * (I 1/γ ) Y Gamma von TV: 1,6 über Mac: 1,8 bis PC: 2,2 14
15 Hue (Farbwert), Saturation (Sättigung), Value (Grauwert) Perzeptuelles Farbmodell Äquivalent zum RGB-Modell Ähnliche Modelle HLS, HSB und HSI (Bildquelle: wikipedia.de ) Geeignet für Fernsehen Y entspricht Luminanz des SW- Fernsehens Ähnlich zu YIQ-Modell U und V (Chrominanz) können mit geringerer Genauigkeit repräsentiert werden Bildkompression Y = 0,299 * R + 0,587 * G + 0,114 * B U = (B Y) * 0,493 V = (R Y) * 0,877 (Bildquelle: wikipedia.de ) 15
16 Cyan Yellow Key Magenta Subtraktive Farbmischung Geeignet für den Druck Theoretisch ist K (Schwarz) auch durch Mischung von C, M und Y möglich, praktisch nicht CMYK Mensch kann ca. nur 200 Farbtöne (aus dem Farbspektrum) unterscheiden Mit Helligkeiten und Sättigungen kann man bis zu Farben (z. B. auf Monitor oder Foto) unterscheiden TrueColor ist ausreichend Das Auge kann jedoch Kontraste in einem Verhältnis von 1 zu erfassen Durch Hell-/Dunkeladaption insgesamt 1 zu 1 Milliarde HDR-Farben haben mehr als 256 Abstufungen pro Farbkanal mindestens aber beim Intensitätswert HDR-Kameras und HDR-Displays sind in Entwicklung 16
17 Maximale Leuchtdichte Abstufungen gemäß Bildformat Standard-RGB 256 Grautöne Kontrast anhand Leuchtdichte Leuchtdichte wahrgenommene Helligkeit Kontrast Verhältnis zwischen max. und min. Leuchtdichte OLED-Displays (z. B. iphonex) haben bis zu 1 Million zu 1 LCD-Displays (z. B. iphone8) ca zu 1 Röhrenmonitor zu 1 Minimale Leuchtdichte Abstufungen 10 Bits pro Farbkanal 2048 statt 256 Abstufungen Größerer Rec.2020-Farbraum von modernen Fernsehern unterstützt HDMI 2.0a Helligkeit bis zu nits ( normaler LCD-Monitor nits) Rec.2020 Zum Vergleich: Dolby Vision Bis zu nits Helligkeit 12 Bits pro Farbkanal Ebenfalls Rec.2020-Farbraum HDMI 1.4b (Helligkeit bzw. Lichtstärke für alle in eine Richtung abgegebenen Leuchtdichten) 17
18 Licht als Spektrum Reflexion ebenso Reflektiertes Spektrum u. a. anhand Einfallswinkel In der Computergrafik in der Regel Repräsentation durch drei Abtastpunkte für R G B Unterabtastung ( Bildquellen: Wikipedia ) Reflexionsspektren in Prozenten von Referenzweiß für ausgewählte Gelbpigmente, nach Abney, 1891 CIE-Normvalenzsystem (Farbtafel) entspricht menschlicher Wahrnehmung RGB-Modell u. a. für Bildschirme HSV-Modell zur intuitiven Farbeinstellung YUV-Modell fürs Fernsehen CMYK-Modell für den Vierfarbdruck HDRI Beleuchtung in der Computergrafik mit RGB- Modell 18
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