Licht und Farbe. Verschiedene Lichtquellen

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1 Licht und Farbe Verschiedene Lichtquellen 1. Umgebungslicht (ambient light) physikalisch keine Lichtquelle, Ersatz für globale eleuchtungsrechnung! 2. Punktlichtquelle 3. ichtungslichtquelle (directional light) meist als Punktlichtquelle im Unendlichen simuliert. 4. Diffuse Flächenlichtquelle 5. Strahler ei Phong Shading meist nicht berücksichtigt! Page 1

2 Licht Die elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich von nm wird als sichtbares Licht wahrgenommen. Verschiedene Lichtquellen Lichtquellen unterscheiden sich in ihrer spektralen Zusammensetzung und werden durch ihr Spektrum I(λ) beschrieben.. Page 2

3 Komponenten der Farbe eleuchtung Wahrnehmung eflexion Farbe Sehen Licht erreicht das Auge Licht wird von Sehzellen absorbiert Signale werden an das ehirn geleitet Signale werden zu Farbe verrechnet enaue Funktionsweise des ehirns weitgehend unklar! Page 3

4 Das Auge Der lichtempfindliche Teil des Auges ist die etina. Die etina setzt sich in der Hauptsache aus zwei Zelltypen zusammen, den Stäbchen und den Zäpfchen. Wobei nur die Zäpfchen farbempfindlich sind Die etina Stäbchen Zapfen 1.3 mm von der Fovea entfernt Horizontalzelle ipolarzelle Amacrinzelle 8 mm von der Fovea entfernt Licht anglionzelle Optischer Nerv ehirn Es gibt etwa: Millionen Stäbchen 7-8 Millionen Zäpfchen Aber nur etwa 1Million Nerven verlassen das Auge! Page 4

5 etinale ezeptive Felder Viele zu Eins Abbildung : ON-center OFF-center etinale anglion Zelle Optischer Nerv Die rösse der ezeptiven Felder ist sehr unterschiedlich.smallest at fovea, largest at periphery F s kontrollieren die lokale Lichtempfindlichkeit Lichtabsorption der Sehzellen Die verschiedenen Sehzellen unterscheiden sich in ihrem Absorptionsverhalten als auch ihrer Empfindlichkeit. Die Stäbchen sich bei Tageslicht in Sättigung und die drei Zapfentypen sich für eine Sehen in der Dämmerung zu unempfindlich Page 5

6 Der ezeptorraum Die Erregung eines einzelner ezeptorzelle ist das Produkt aus spektraler Empfindlichkeit und spektraler Lichtanregung. e e k m e l ϕ ϕ k m ϕ l ( λ ) I ( λ ) dλ ( λ ) I ( λ ) dλ ( λ ) I ( λ ) dλ [ e k, e m, e l ] T Das ehirn sieht nur die eaktion der drei ezeptoren! Metamerie > Metamerie, die Mehrdeutigkeit eines eizes I λ [ e k, e m, e l ] T eiz Lichter verschiedenen Spektrums die die selbe Farbwahrnehmung hervorrufen heißen metamer Fundamentales Prinzip der Farbreproduktion! Ziel: Mischen jeder beliebigen Farbe aus drei rundfarben (Primärvalenzen). Page 6

7 Farbmetrik Messen und Vergleich von Farben Farbvergleich durch Mischen CIE -Normierung rassmann sche esetze zur Frabmischung Additive Farbmischung Farbmischung Aus drei asis-farbvalenzen,,, soll ein unbekanntes Licht U gemischt werden. (z.. mit 700nm, 546.1nm, 435.8nm) U c 1 + c 2 + c 3 nicht immer möglich. In manchen Fällen gelingt nur U + c 1 c 2 + c 3 > U - c 1 + c 2 + c 3 U Page 7

8 Spektralwerte Aus den Primärvalenzen ( 700nm, 546.1nm, 435.8nm) sollen nun alle reine Spektalfarben F (λ) gemischt werden. F(λ) r (λ) + g(λ) + b(λ) r (λ), g(λ), b(λ) sind die Spektralwertkurven (Primary Intensities) zu bestimmten Primärvalenzen Das Farbdreieck F r + g F F + b F F Wechseln in normiertes Koordinatensystem rf rf r + g + b F F F, g F gf r + g + b F F F, bf bf r + g + b F F F mit r g + b 1 F + F F könnendie Farbenzweidimensionaldargestellt werden. Spektralvalenzkurve in der Schwerpunktsdarstellung. Man unterscheidet zwischen innerer Farbmischung (einfaches Mischen der Farben) und äußerer Farbmischung (wenn negative Komponente notwendig ist). Page 8

9 Page 9 rassmann sche esetze Superposition S sei das Spektrum eines Lichts rgb seine drei Farbkoeffizienten S a+b S a +S b rgb a+b rgb a +rgb b Lineares System 3x3 Transformationsmatrix zwischen verschiedenen asisvalenzsystemen > Wechsel zwischen Farbsystemen S S S,, Z z z Z y y y Y x x x X egeben zwei Primärvalenzsysteme S,, und S` XYZ esucht T: S ---> S` z z z y y y x x x S S T ' : z z z Z y y y Y x x x X >

10 XYZ-Farbsystem (CIE-Norm 1931) Es werden hypothetische Primärvalenzen X,Y,Z mit nur positiven Spektralwertkurven definiert. Projektion von X,Y,Z in die X+Y+Z 1 Ebene y x X/(X+Y+Z) y Y/(X+Y+Z) z 1-(x+y) x Color amuts Über die Farbwertanteile (chromaticities) lassen sich die verschiedensten Ausgabegeräte vergleichen. Page 10

11 Der Farbwürfel Das additve Farbmodell der Computer raphik wird durch den -Würfel repräsentiert. Die Primärvalenzen sind durch den roten, grünen und blauen Phosphor gegeben. Hue - untton Lightness - Helligkeit Saturation - Sättigung Das HLS-System Page 11

12 isher wurde die Farbe nur bei isolierten Lichtpunkten betrachtet. Frage: Ist Farbe ein lokales Phänomen, oder gibt es Wechselwirkungen gleichzeitig wahrgenommen Punkten? Simultankontrast Adaption Hell/Dunkel-Adaption Farbadaption eometrische Einfüsse 2D-Umrandung 3D-Interpretation Perzeption von Farbe Page 12

13 Simultankontrast Simultankontrast (2) Page 13

14 Adaptation Page 14

15 Umrandungseffekte Page 15

16 3D Page 16

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18 Farbwahrnehmung ist eine sehr komplexe Informationsverarbeitung Lichter mit unterschiedlichen Spektren können den gleichen Farbeindruck erzeugen. Lichter mit gleichen Spektren können einen unterschiedlichen Farbeindruck erzeugen. Sichtbare Mängel der Computer raphik? Was wir gern hätten und was wir oft erhalten! Page 18

19 ild Synthese PHYSIKALISCH WAHNEHMUN 3D Szene Lichtquellen, DFs, Form, ewegung, lickpunkt Position, ewegung, Projektion, endering ild I(x,y,λ,t),t),Display' (x,y,t n ) Farbtonkorrektur Tone Mapping Sehen Szene Lichtquellen, DFs, Form, ewegung, lickpunkt Position, ewegung, Projektion, Farbtonkorrektur Tone Mapping Mit der Farbtonkorrektur ist man bemüht die Wahrnehmung eines synthetischen ildes der Wahrnehmung einer realen Szene anzupassen: Problem: Nicht alle Mechanismen der menschlichen ildverarbeitung sind bekannt. Herausforderung: Lokale Anpassung des Kontrasts und des Farbraums Page 19

20 Es gibt Hoffnung! Künstler sind in der Lage einen hohen Kontrastumfang darzustellen! Darstellung: Kontrast ~ 20 : 1 Szene ~ :1 Details überall sichtbar! 1984 Chris Van Allsburg eschränkte Dynamik! Menschliches Sehen: von ~10-6 bis ~10 +8 cd/m 2 Sternenlicht Mondlicht aumlicht Tageslicht litzlicht ???? typische ildschirme: von ~1 bis ~100 cd/m 2 Page 20

21 Tageslicht Szene: Normiert Sternenlicht Mondlicht aumlicht Tageslicht litzlicht log(i) log(i) Mondlicht Szene: Normiert Sternenlicht Mondlicht aumlicht Tageslicht litzlicht Das Identische ild! Page 21

22 Tone Mapped Mondlicht Szene Sternenlicht Mondlicht aumlicht Tageslicht litzlicht Lichtintensität beeinflusst: Kontrastempfindlichkeit, Farbempfindlichkeit, Auflösung, auschen, Zeitliche Wahrnehmung, Zwei gängige Methoden 1.) Lokale Kontrastanpassung, foveale Methoden. verwendet kein 3D Wissen, kann auf alle ildern mit hohem Kontrast angewendet werden. oft Haloeffekte! 2.) Komponenten Zerlegung Layering Method. verwendet 3D Wissen! ildtintensität wird verschiedene Komponenten zerlegt. z.. in die diffuse, glänzende und transparente eflexion Der Kontrast jeder Komponenten wird separat angepasst. Dann werden die Komponeten wieder zum ild aufaddiert. Page 22

23 1998 Jack Tumblin et a Photographie Tone-Mapped 1X 10X 100X 1000X Page 23

24 Page Jack Tumblin et a