Bildverarbeitung Herbstsemester Farben, Farbsehen und Farbbilder

Transkript

1 Bildverarbeitung Herbstsemester 2012 Farben, Farbsehen und Farbbilder 1

2 Inhalt Aufbau des Auges Helligkeits- und Farbwahrnehmung lineare Farbsysteme nicht-lineare Farbsysteme digitale Farbbilder Umwandlung in Graustufenbilder 2

3 Lernziele Sie kennen den groben Aufbau des Auges und verstehen, warum Menschen Farben empfinden können. Sie wissen, dass das Helligkeits- und Farbempfinden stark vom Kontext abhängt. Sie kennen die wichtigsten linearen und nichtlinearen Farbsysteme und verstehen deren Unterschiede und Einsatzgebiete. Sie verstehen den Aufbau von nicht komprimierten digitalen Farbbildern und können solche mit einem selbst geschriebenen Programm einlesen, konvertieren und ausgeben. 3

4 Aufbau des Auges 4

5 Sehgrube (Gelber Fleck) (Blinder Fleck) Gelber Fleck Durchmesser: 2.5 mm auf der Sehachse grösste Dichte von Photorezeptorzellen Sehgrube Bereich des gelben Flecks Durchmesser: 0.5 mm nur Zapfen (Farbsehen) grösstes Auflösungsvermögen (ca Zellen pro mm 2 ) Blinder Fleck Sehnerv und Blutgefässe keine Photorezeptorzellen 5

6 Photorezeptorzellen Zapfen (Cones) für die Farbwahrnehmung wichtig wenig lichtempfindlich ca. 125 Mio. Zellen Stäbchen (Rods) sehr lichtempfindlich keine Farbwahrnehmung ca. 6 Mio. Zellen 7

7 3 Typen von Zapfen S-Zapfen S: short wave length, ca. 430 nm decken den Blau-Bereich ab M-Zapfen M: middle wave length, ca. 530 nm decken den Grün-Bereich ab genetisch eng mit dem L-Zapfen verwandt meistens für Farbfehlsichtigkeit verantwortlich L-Zapfen L: long wave length, ca. 560 nm decken den Gelb-Rot-Bereich ab 8

8 Farbempfindlichkeit 10

9 Test: Farbempfindlichkeit Welche Punkte haben die gleiche Farbe?

10 Test: Farbwahrnehmung (1) Sind die zwei Bilder gleich? 12

11 Test: Farbwahrnehmung (2) Sind die zwei Bilder gleich? 13

12 High Dynamic Range (HDR) High Dynamic Range Image (Hochkontrastbild) Kontrastumfang von mindestens 1: eine relative Abstufung feiner als 1 % Abdeckung sämtlicher sichtbaren Farben Erzeugung aus verschiedenen Einzelbildern 14

13 HDR Beispiel 15

14 Hellempfindlichkeit blau: bei Nachtsehen rot: bei Tagsehen 16

15 Helligkeitsanpassung Das Auge kann sich über 11 Zehnerpotenzen der Helligkeit anpassen Gleichzeitig sichtbar können wir aber nur etwa 50 bis100 Helligkeitsstufen unterscheiden Anpassung ist eine zentrale Eigenschaft des Auges Das können wir für die Quantisierung ausnutzen Ein Byte (256 Stufen) ist für die Beschreibung der Intensität in einem Graustufenbild oft ausreichend 17

16 Test: Hellempfindlichkeit (1) Welche Punkte haben die gleiche Farbe?

17 Test: Hellempfindlichkeit (2) 19

18 Wahrnehmung der Helligkeit Ein ausgeschalteter Bildschirm ist dunkelgrau. Eingeschaltet empfinden wir aber dunkle Stellen als Schwarz. Wie geht das? 20

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26 Lineare Farbsysteme RGB Rot, Grün, Blau additive Farbmischung CMY Cyan (Türkis), Magenta (Purpur), Yellow (Gelb) subtraktive Farmischung YUV, YIQ und YC b C r Fernseh-Komponentenfarbräume CIEXYZ CIE Standard-Farbraum 28

27 Nicht-Lineare Farbsysteme CMYK Farbmischung für den 4-Farbendruck: CMY und Schwarz (K) HSV/HSB/HSI/HLS Hue (Farbton), Saturation (Sättigung), Value/Brightness/Intensity/Luminance (Helligkeit) CIExy Koordinatensystem des CIE-Farbdiagramms einfache Umrechnung zwischen CIEXYZ und CIExy nicht intuitiv zu verstehen CIE L*a*b* intuitiv verständlich möglichst linear gegenüber dem menschlichen Sehen srgb Standard RGB (präzise definiert, basierend auf CIE xy) relativ kleines Gamut (für digitale Anwendungen genügend) 29

28 RGB 30

29 RGB-Farbauszug 31

30 HSV und HLS Traditionelle Darstellung als hexagonale Pyramide bzw. Doppelpyramide 32

31 Verteilung von Farbwerten 33

32 HSV-Farbauszug h: Farbwert (rot und gelb werden sehr dunkel dargestellt) s: Farbsättigung (volle Farben werden sehr hell dargestellt) v: Helligkeit (dieser Kanal entspricht einer guten Grauwertdarstellung) 34

33 YUV, YIQ und YC b C r Fernsehnormen NTSC Fernsehnorm verwendet YUV oder YIQ PAL Fernsehnorm verwendet YUV digitales Fernsehen verwendet YC b C r Auftrennung in Luminanz- und Chroma-Komponenten Y: Luminanz-Komponente (Helligkeit) plus zwei gleichwertige chromatische Komponenten (unterschiedliche Farbdifferenzen) Vorteil Kompatibilität zum Schwarz-Weiss-Fernsehen optimale Ausnutzung der Kanalbandbreiten, da das menschliche Auge gegen Unschärfe im Farbsignal wesentlich toleranter ist als gegenüber Unschärfe im Helligkeitssignal 35

34 Fernsehteilbilder Idee Bandbreitenbedarf für die beiden Chroma- Kanäle reduzieren Formate 4:4:4 (keine Unterabtastung) keine Bandbreitenreduktion 4:2:2 (horizontale Unterabtastung mit Faktor 2) Reduktion auf 2/3 4:1:1 (horizontale Unterabtastung mit Faktor 4) Reduktion auf ½ 4:2:0 (horizontale und vertikale Unterabtastung mit Faktor 2) Reduktion auf ½ 36

35 Yxz-Farbauszüge 37

36 CMY und CMYK RGB CMY CMY CMYK (Vers. 1) CMY CMYK (Vers. 2) 38

37 a) Version 2 b) Version 3 c) Photoshop a: Version 2 c: Photoshop 39

38 Referenz Stimulus Stimulus 1 Dimmer Farbfilter Lichtquellen reine Spektralfarbe CIEXYZ CIE: Commision Internationale d'eclairage XYZ-Farbsystem ist die Grundlage aller heutigen Farbsysteme 1920 empirisch entwickelt und 1931 standardisiert Versuchsanordnung und Farbraum nm nm nm 40

39 CIExy Koordinatensystem des CIE-Farbdiagramms XYZ xy xy XYZ (Y = 1) 41

40 CIE Chart 42

41 Normbeleuchtung Objektive Messung von Farben ist abhängig von der Beleuchtung Kalibrierung des Messgerätes Beleuchtung CIE definiert verschiedene Normbeleuchtungsarten wichtig für digitale Farbräume sind D50 und D65 D50 Farbtemperatur von 5000 Kelvin ähnlich dem direkten Sonnenlicht Referenzbeleuchtung für die Betrachtung von reflektierenden Bildern wie z.b. von Druckern D65 Farbtemperatur von 6500 Kelvin durchschnittliche indirekte Tageslichtbeleuchtung Normweisslicht für emittierende Wiedergabegeräte (z.b. Bildschirme) 43

42 Farbtemperatur 44

43 Weisspunkte Chromatische Adaptierung Mensch nimmt Farbwerte relativ zum Weisspunkt wahr will man den gleichen Farbwert auf dem Bildschirm wie auf dem Ausdruck wahrnehmen, so ist eine chromatische Adaptierungstransformation notwendig 45

44 Gamut Gesamtmenge aller verschiedener Farben, die durch einen Farbraum dargestellt werden können 46

45 CIE L * a * b * Idee intuitiv verständliches Farbsystem möglichst linear gegenüber dem menschlichen Sehen nicht linear zur CIE XYZ L*: Helligkeitsachse a*: Farben entlang der Grün-Rot-Achse b*: Farben entlang der Blau-Rot-Achse Details entwickelt 1976 von der CIE Standardmodell für die Farbraum-Umrechnung in Photoshop 47

46 CIE L * a * b * -Farbauszug zur besseren Darstellung wurde der Kontrast in den Bildern für a* und b* um 40% erhöht 48

47 srgb Primärfarben sind klar definiert Y nicht lineare srgb Komponenten ( R'G'B' ) 49

48 Transformation srgb XYZ Nichtlineare srgb-komponenten Inverse modifzierte Gammakorrektur Lineare Transformation von RGB nach CIE XYZ 50

49 Digitale Farbbilder allgemeiner Aufbau eines digitalen Farbbildes digitales Bild: Pixelmatrix Wahl eines Farbsystems (Farbraums) pro Pixel die Angabe des Farbwertes Vollfarbenbilder alle Farbwerte des Farbraums stehen zur Verfügung Einsatzgebiet: natürliche Bilder Beispiele von Bildformaten: BMP, TIFF, JPEG, PNG Indexbilder nur eine Auswahl von Farbwerten steht zur Verfügung Auswahl kann pro Bild unterschiedlich sein Einsatzgebiet: künstlich generierte Bilder Beispiele von Bildformaten: GIF, BMP, PNG 51

50 Vollfarbenbilder Komponentenanordnung Farbkomponenten jeweils in getrennten Matrizen von identischer Grösse gepackte Anordnung (interleaved) nur eine Matrix pro Pixel alle Farbkomponenten hintereinander 52

51 Indexbilder Pixelmatrix besteht aus Indizes jeder Pixel ist ein ganzzahliger Index k in eine Farbtabelle P (Palette) Farbtabelle enthält N beliebige Farbwerte des Farbraums Farbtabelle wird mit dem Bild abgespeichert 53

52 Umwandlung in Graubilder Ziele Bild enthält nur noch Grauwerte subjektiver Helligkeitseindruck sollte erhalten bleiben pro Pixel die Helligkeit (Luminanz bestimmen) Ansätze bei Farbsystemen mit Luminanzkomponente Y nur Y verwenden bei Farbsystemen ohne Luminanzkomponente Y Y berechnen Beispiel: gegeben RGB 54