Visualisierung, WS 2007/ November Visualisierung. Farbe und Helligkeit

Transkript

1 Visualisierung Farbe und Helligkeit Detlef Krömker Uni Frankfurt, Graphische Datenverarbeitung Wolfgang Müller PH Weingarten, Mediendidaktik und Visualisierung Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 1 Übersicht Wiederholung Effekte der frühen Wahrnehmung Helligkeitswahrnehmung Grundlagen der Farbwahrnehmung Normfarbsysteme und gleichabständige Farbsysteme Anomale Farbwahrnehmung Anwendungsspezifische Farbsysteme Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 2 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 1

2 Simultankontrast 1 Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 3 Simultankontrast Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 4 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 2

3 Hermann Grid Illusion Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 5 Simultankontrast 3 (128,128,128) (185,185,185) Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 6 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 3

4 Mach Bänder Ergebnis einer linearen Interpolation (z.b. nach Gouraud) Helle Bänder erscheinen dort, wo die 1. Ableitung eine unstetige Änderung aufweist Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 7 Chevreul Illusion Streifen sind jeweils gleich hell Streifen erscheinen jeweils am linken Rand dunkler als am rechten Rand Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 8 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 4

5 Analyse Analyse Simultankontrast - Hermann Grid Illusion Mach-Bänder - Chevreul Illusion Effekte des frühen Sehens (Retina, erste verarbeitende Nervenzellen) Antwort eines rezeptiven Feldes: DOG (Difference of Gaussians) Modell Basis für die Kanten- und Konturerkennung Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 9 Luminance Brightness Lightness Detlef Krömker Luminance (luminous intensity): Lichtstärke Gemessene Lichtmenge, die aus einer Region des Raumes abgestrahlt wird (Gemessen in Candela (cd)) Brightness (I): Leuchtdichte (Luminance) [cd/m 2 ]) Auch: 1Stilb = 1sb = 1cd/cm 2 1 Apostilb = 1asb= 0,3183 cd/m 2 1 Lambert = 1L = 104/π cd/m 2 1 foot-lambert = 1fl = 3,426 L auf der Netzhaut (Retina) oft in: 1 troland = 1cd/cm 2 bei 1mm Pupillenöffnung Brightness (II): Helligkeit (I) Entspricht der wahrgenommenen Menge an Licht, das von einer selbstleuchtenden Lichtquelle (z.b. Monitor) ausgeht Lightness: Helligkeit (II) Entspricht der wahrgenommenen Menge an Licht, das von einer reflektierenden Oberfläche ausgeht. Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 10 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 5

6 Luminanz ist nicht Brightness Detlef Krömker Zwischen Raumbeleuchtung und Sonnenlicht liegen 5 Größenordnungen Auge ist sensitiv für 9 Größenordnungen Mechanismen der Adaption Rezeptoren unterschiedlicher Sensitivität Rezeptoren bleichen aus und werden bei stärkerem Lichteinfall weniger empfindlich Dauer um volle Empfindlichkeit wiederherzustellen: 30 Minuten Wir nehmen Differenzen in der Beleuchtung wahr und sind keine Lichtmessgeräte! Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 11 Radiometrie und Photometrie Radiometrie: Physikalische Beschreibung elektromagnetischer Energie, z.b. Betrag der Lichtenergie je Wellenlänge Photometrie: psychophysikalische Messung der visuellen Energie, die vom elektromagnetischen Spektrum erzeugt wird CIE V (λ) 1,2000 1,0000 0, nm 2 [ / m ] = V E! L cd "!! d 380nm 0,6000 0,4000 c 0,2000 Detlef Krömker 0, ,2000 Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 12 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 6

7 Definition Kontrast Verschiedene Definitionen üblich m = k = l l max max! l + l min min (Modulationsgrad) K = LR " L L H H! L = L H L R = Leuchtdichte des Reizes L H = Leuchtdichte des Hintergrundes Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 13 Weber-Fechner-Steven sches Gesetz Webersches Gesetz Weber-Fechnersches Gesetz! L! R = = const. L R E = k!log R Stevensches Gesetz E = c " R k Anwendbar für verschiedene Modalitäten Schmerz: k = 2,13 Wärme: k = 0,96 Schall: k = 0,32 Licht: k = 0,21 Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 15 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 7

8 Webersches Gesetz Weber sches Gesetz (1834) Maß für Unterschiedsschwellen (Just Noticable Differences, JNDs) Das Verhältnis der unterscheidbaren Gewichte ist unabhängig von der Größe des Grundgewichtes Verallgemeinerung "# # = c "# # + a = c Gültig für eine große Anzahl von Modalitäten Sehen: c = 1/60 Schmerz: c = 1/30 Geruch: c = ¼ Geschmack (Salz): c= 1/3 Einschränkung: Gilt nicht für kleine Reize, i.e. nahe der Reizschwelle Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 16 Weber sches Gesetz Δϕ (mn) Δϕ ϕ 300 0, , ,4 60 0, ϕ ϕ ( Newton) (db) Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 17 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 8

9 Weber-Fechnersches Gesetz Weber-Fechnersches Grundgesetz der Psychophysik "Ein Reiz (φ) muss gegenüber einem Schwellenreiz (φ o ) logarithmisch wachsen, wenn er als stärker empfunden werden soll" " = k # log( $% % ) Empfindungsstärke wird indirekt über Unterschiedsschwellen bestimmt Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 18 Steven sches Gesetz (I) Verbesserung des Fechnerschen Gesetzes: Die Empfindungsstärke ist proportional der a-ten Potenz des überschwelligen Reizes Beruht auf subjektiven Angaben der Intensität der Empfindung (z.b. "doppelt so stark") " = k # ($ % $ 0 ) a Der Exponent a" ist mathematisch ein Maß für die Steigung und physiologisch ein Maß für den Bereich relevanter Reizintensitäten Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 19 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 9

10 Steven sches Gesetz (II) Handkraft n n -1 Cold Weight Pressure in Hand Warm Vibration Sound 1000 Hz Sound White Light Relative Intensity of the Stimulus Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 20 Helligkeitswahrnehmung Helligkeit (Hell-Dunkel-Unterschied) sehr wichtige Empfindungsgröße fürs Formensehen, Objektsehen,... bisher angenommen, dass der Unterschied groß genug ist: für kleine Details mindestens 3:1 (besser 10:1) ISO 9241, part 3 für das Lesen von Text Keine absolute Wahrnehmungsgröße; abhängig von: Reizstärke (Leuchtdichte) Leuchtdichte zuvor --> ADAPTION Leuchtdichte in der Umgebung Absolute Größe des Reizes Kontrast, CSF Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 21 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 10

11 Helligkeitsskalen Problem Wie kann eine Skala aus Grauwerten erzeugt werden, so dass die Abstände in der Skala auch zu den empfundenen Helligkeitsunterschieden korrespondieren? Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 38 Empfindungsmäßige Helligkeitsskala Empfindungsgemäße Helligkeitsskala nach CIE sogenannte psychometrische Helligkeitsfunktion Siehe auch CIELUV, CIELAB DL = 1: gerade noch wahrnehmbar $! *! L = #!, Y )! * " Y ' + w ( Y Y w 1 3 & 16 für 0 % Y Y w für < % Y Y w % 1 Y : Leuchtdichte Y W : Leuchtdichte des Referenzweiss Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 39 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 11

12 Zusammenfassung 2-Stufen-Prozess der visuellen Wahrnehmung Effekte bei der Helligkeitswahrnehmung Simultankontrast Hermann Grid Illusion Mach-Bänder Chevreul Illusion Luminance Brightness Lightness Kontrastwahrnehmung Allgemeine Gesetze der Psychophysik Webersches Gesetz, Weber-Fechnersches Gesetz, Stevensches Gesetz Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 41 Was ist Farbe? Farbe ist ein durch das Auge vermittelter Sinneseindruck, also eine Gesichtsempfindung. Die Farbe ist diejenige Gesichtsempfindung eines dem Auge strukturlos erscheinende Teils des Gesichtsfeldes, durch die sich dieser Teil bei einäugiger Beobachtung mit unbewegtem Auge von einem gleichzeitig gesehenen, ebenfalls strukturlosen angrenzenden Bezirk allein unterscheiden kann. (DIN 5033 Farbmessung, Teil 1, 1979) Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 42 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 12

13 Farbe und sichtbares Licht Farbe: Wahrnehmung basierend auf der sensorischen Reaktion auf elektromagnetische Strahlung Sichtbares Licht Röntgen UV IR Mikrowellen Radio 10 "12 10 "10 10 "8 10 "6 10 "4 10 " " [m] " [nm] Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 43 Farbwahrnehmung Retinale Prozesse Rezeptoren: drei Zapfenarten Empfindung: Farbton (Hue): Farbkreis (rot-gelb-grün-blau) Helligkeit (Brightness): hell - dunkel Sättigung (Saturation): Grad der Farbigkeit Sehnerv (Ganglienzellen) Helligkeit & Gegenfarben: Rot-Grün, Blau-Gelb Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 48 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 13

14 Gegenfarbenkomponenten F Frühe Berechnung von Gegenfarbenkomponenten Long (red) Med (green) Short (blue) Luminance R-G Y-B Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 49 Ortsauflösung in den Farbkanälen iso- oder equiluminate Muster Lesen Sie weiter, um festzustellen, wie schwierig es ist und ob sie vielleicht Unterschiede erkennen können. Dies ist keineswegs sicher, aber man muss es versuchen, sonst weiß man es eben nie. Auf alles was ich als Poet geleistet habe, bilde ich mir gar nichts ein.... Das ich aber in meinem Jahrhundert der einzige bin, der das Rechte weiß, darauf tue ich mir etwas zugute, und ich habe daher ein Bewusstsein der Superiorität über viele. Dies hat Goethe gesagt, der eine naturgemäße Ordnung der Farben suchte. Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 50 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 14

15 Folgerungen Reine chromatische Differenzen sind ungeeignet um Formen, Objektbewegung, Entfernungen oder Detailinformationen (wie Text) zu präsentieren. ABER: Farbe ist ein natürliches Attribut von Objekten Farbe erregt Aufmerksamkeit Nahrung (Früchte, Beeren) Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 52 Grassmann sche Gesetze (1853) Erstes Grassmann sches 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. Farben können als Vektoren eines dreidimensionalen Vektorraumes aufgefasst werden Die Vektoren dieses Farbraums heißen Farbvalenzen Die Länge eines Vektors ist ein Maß für die Leuchtdichte und heißt Farbwert, seine Richtung bestimmt die Farbart Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 54 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 15

16 Folgerung: Primärvalenzen Wie in jedem dreidimensionalen Vektorraum benötigt man drei voneinander linear unabhängige Basisvektoren (Primärvalenzen), um den Raum aufzuspannen. In diesem Fall bedeutet linear unabhängig, dass eine Primärvalenz nicht durch Mischung der beiden anderen Primärvalenzen darstellbar ist. Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 55 Folgerung: Farbmischung Folgerungen Farbraum ist drei-dimensional Mit drei Primärvalenzen R, G, B läßt sich für jede Farbvalenz F eine Farbgleichung aufstellen: F = r R + g G + b B Mit Farbvalenzen kann man wie mit Vektoren rechnen Insbesondere ist die Umrechnung der Darstellung bezüglich verschiedener Primärvalenztripel (Basiswechsel) möglich Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 56 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 16

17 Grassmann sche Gesetze (1853) Zweites Grassmann sches Gesetz: Gleich aussehende Farben ergeben mit einer dritten Farbe stets gleich aussehende Farbmischungen. Das heißt, dass es bei der Beurteilung von Gleichheit zweier Farben nur auf die Farbvalenz, nicht auf ihre spektrale Verteilung ankommt. Die spektrale Verteilung und die Wahl der Primärvalenzen spielen keine Rolle. Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 57 Metamerie Mischexperimenten zeigen: Ganz unterschiedliche Spektren können die selben Farbreize erzeugen Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 58 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 17

18 Was ist Weiß? Anregung des visuellen Systems im ganzen sichtbaren Spektrum mit etwa gleicher Intensität erzeugt Empfindung Weiß Es gibt nicht eine einzige weiße Farbe Charakterisierung mittels der Temperatur eines hypothetischen Schwarzstrahlers mit einer Temperatur (in Kelvin): Farbtemperatur Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 59 Farbmischprinzipien: Additive Mischung Addition von Licht: 2 oder mehr Farben werden dem Auge gleichzeitig angeboten Echte Überlagerung Sukzessiv (zeitliche Integration): Farbkreisel Simultan (örtliche Integration): Monitor Grundfarben Red Green Blue Hintergrund: Summenfarbe: Black White Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 60 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 18

19 Das RGB-Modell Alle darstellbare Farben als Punkte eines Einheitswürfels Primärfarben Rot, Grün und Blau auf den positiven Halbachsen Eigenschaften: Schwarz im Ursprung (0,0,0) Weiß im Punkt (1,1,1) Grauwerte, darstellbar durch gleichgroße Anteile von R, G und B, liegen auf der Hauptdiagonalen des Einheitswürfels Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 61 Farbmischprinzipien: Subtraktive Mischung Subtraktive Mischung: Farbige Gläser (Filter) Druckpigmente Grundfarben: Cyan Magenta Yellow CMY Hintergrund: Summenfarbe: White Black Hilfsfarbe: Black (CMYK) Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 62 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 19

20 RGB CMY(K)! C $ # M & # & "# Y %& =! 1$! R$ # 1& ' # G& # & # & "# 1% & "# B% &! R$ # G& # & "# B% & =! 1$! C $ # 1& ' # M & # & # & "# 1% & "# Y %& K := min(c,m,y) C := C-K M := M-K Y := Y-K Achtung: Weder RGB noch CMY(K) sind kalibrierte Farbangaben Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 63 Aspekte des RGB-Systems Probleme des RGB-Systems: Was ist rot? Was ist grün? Was ist blau? Es gibt keinerlei Referenzen für diese Farbwerte! Wie erzeugt man eine vorgegebene Farbe aus einer Mischung von R, G, und B? Das RGB-System ist nicht intuitiv und korrespondiert nicht gut zur menschlichen Farbwahrnehmung in Bezug auf die wahrgenommenen Farbkomponenten Wie können Farben auf unterschiedlichen Ausgabegeräten reproduziert werden? Durch das Fehlen einer Farbreferenz ist der Austausch von Farbinformationen zwischen verschiedenen Systemen schwierig! Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 64 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 20

21 Messen von Farben: Colorimetrie CIE: Commission International de l Eclaireage Internationale Beleuchtungskommission Normalbeobachter für Farbmischversuche 2 o Sehfeld: CIE o Sehfeld: CIE 1961 Hellempfindlichkeit Y 3 reale Lichtquellen ( monochromatisch ) 700 nm CIE Rot 546,1 nm CIE Grün 435,8 nm CIE Blau Frankfurt, WS 2007/2008 Detlef Krömker Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 65 Experimente zur Farbwahrnehmung a b G+B +R Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 66 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 21

22 Normalbeobachter Color Matching Functions nach Stiles und Burch (1955, 1959) Gültig für Sehwinkel von 2 o Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 67 Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 68 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 22

23 2 1,8 1,6 z 1,4 1,2 1 0,8 y x 0,6 0,4 0, Frankfurt, WS / Visualisierung D. 570Krömker, W. 610 Müller Ergebnisse von Farbmischversuchen Ergebnisse von Farbmischversuchen Lineare Transformation zu virtuellen Primärvalenzen X,Y,Z so daß: Vermeidung negativer Koeffizienten für reale Farben Transformation, so dass Primärvalenz Y der Hellempfindung entspricht Ergebnis: r, g, b x, y, z Korrekturen von Judd (1951) und Vos (1978) Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 70 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 23

24 CIE XYZ! X = k PRxd"! Y = k PRyd" k =! Z = k PRzd"! 100 Pyd" Y = 100: ideale nichtfluorezierende weiße Fläche Weitere Transformation: Chromaticity Coordinates (Normfarbwertanteile) X x = X + Y + Z Y y = X + Y + Z Z z = X + Y + Z Yxy Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 71 CIE XYZ Color System (1931) X Y Z Korrespondiert grob dem Rot-Grün-Anteil Keine Helligkeit Korrespondiert exakt der empfundenen Helligkeit Korrespondiert grob dem Blau-Gelb-Anteil Keine Helligkeit Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 72 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 24

25 CIE XYZ Color System (1931) Normfarbwertanteile (Chromaticity Coordinates) X x = X + Y + Z Y y = X + Y + Z z =1" x " y Typische Angabe CIE(x,y,Y) Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 73 Normfarbtafel CIE Chromaticity Diagram Spektralfarben Purpurgerade Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 76 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 25

26 Normfarbtafel CIE Chromaticity Diagram A B C Farbwert (Hue) basierend auf der dominaten Wellenlänge Sättigung/Reinheit Weißpunkt Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 77 Normfarbtafel - CIE Chromaticity Diagram E Gegenfarben D A B C Weißpunkt Normfarbwert Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 78 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 26

27 Transformation zwischen RGB und CIE-XYZ Transformation from RGB to XYZ Gegeben: XYZ-Raum sowie die korrespondierenden X, Y, Z- Normfarbwerte für R, G, B (z.b. als Normfarbwerte der Phosphore) Gesucht: korrespondierende XYZ-Werte für ein beliebiges XYZ-Tupel Transformation from XYZ to RGB R R X R Y R Z X G = G X G Y G Z B Y B X B Y B Z Z Gegeben: RGB-Raum mit den Primärvalenzen R, G, B Gesucht: korrespondierende RGB-Werte für ein XYZ-Tupel X X R X G X B R Y = Y R Y G Y B G Z Z R Z G Z B B Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 79 Lichtquellen und Weißpunkt CIE Illuminant A (2854K) 100 Watt Tungsten Lampe CIE Illuminant B: Mittagssonne CIE Illuminant C: bedeckter Himmel, Weiterentwicklung zu Illuminant D 65 (1965) D 65 ist heute gebräuchlich, entspricht 6500K Farbtemperatur Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 80 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 27

28 Weißpunkte in der Normfarbtafel Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 81 Monitorphosphore: Primärvalenzen 0, , , ,6 0, Weißpunkt: einstellbar aber fest 0, , ,2 0, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 82 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 28

29 Gamut und Luminanz Bei reduzierter Helligkeit verringert sich der Farbraum Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 83 Chrominanzstufen Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 84 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 29

30 McAdam Ellipsen Berechnete Farbdifferenzen basierend auf Normfarbwerten korrespindiert nicht besonders gut zur menschlichen Wahrnehmung Beweis: MacAdam s Ellipses Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 85 Diskussion CIE 1931 Farbnormtafel + -werte Normiert und akzeptiert XYZ, Yxy Einfache lineare Mischoperationen: Mischfarben von zwei Primärvalenzen liegen auf der Verbindungsgeraden; Anteile mischen sich linear Mischfarben von drei Primärvalenzen liegen innerhalb des aufgespannten Dreiecks Komplementärfarben sind einfach zu finden: Gerade durch den Weißpunkt Näherungswerte für Farbton (dominant wavelength) und Sättigung (purity) Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 86 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 30

31 Diskussion CIE 1931 Farbnormtafel + -werte Kalibrierung von RGB-Werten durch Angabe der Primärvalenzen + Weißpunkt möglich ABER Entspricht nicht der menschlichen Wahrnehmung: Ähnlichkeit von Farben Farbabstände weitere Transformationen nötig! Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 87 UCS Diagramm Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 88 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 31

32 Chrominanzstufen im UCS Diagram Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 89 Tritanopic Confusion Lines Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 90 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 32

33 CIE-LUV und CIE-LAB Gleichabständige Farbsysteme CIELAB (1976) für subtraktive Farbmischungen CIELUV (1976) für additive Farbmischungen Besser, aber immer nocht nicht vollständig ausreichend! Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 91 CIELUV 1976 u' = 4 X X Y Z v 9Y ' = X + 15Y + 3Z! Y $ L* = 116# & ' 16 wenn Y / Yn > 0, " Y % L* = 903, 3( Y / Y ) sonst u* = 13L *( u' ' u ') v* = 13L *( v' ' v ') n 1/ 3 n n n ( E * = (( L*) + (( u*) + (( v*) uv Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 92 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 33

34 Der Spektrallinienzug im u*v*-diagramm v* 200 gelb grün rot u* blau -200 Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 93 CIELAB 1976 ' Y L* = 116 % & Yn -' a* = 500+ % +,& ersetze % ' & Y Y " $ # n X ( ) X n Z ( ) 1/3 $ " # X X n 1/3 $ " #. 16 1/3 '. % & Y Y 1/3 = 7,787( Y / Y n ) + 16 / 116 wenny / Y n / 0, /3 = 7,787( X / X n ) + 16/116 wennx / X n / 0, /3 = 7,787( Z / Z n ) + 16/116wennZ / Z n / 0, Z n n $ " # * ( () -' Y b* = 200+ % + Yn,& $ " # 1/3 '. % & Z Z n $ " # 1/3 * ( ()! E * ab = (! L*) 2 + (! a*) 2 + (! b*) Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 94 2 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 34

35 CIELUV und CIELAB Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 95 CIELUV/CIELAB-Diskussion Metriken zur Farbabstandsmessung für Objekte gleicher Größe und Form auf mittelgrauem Grund CIELAB hat keine zugehörige Farbnormtafel Gerade Linien in x,y oder u*v* sind allgemein nichtgerade in a*b* CIELUV wird gegenüber CIELAB bei Monitoranwendungen bevorzugt: Gerade Linien bleiben gerade (additive Farbmischung) Farbnormtafel u v für CIELUV Mißverständnisse Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 96 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 35

36 Kritik CIELAB / CIELUV Probleme von CIELUV/CIELAB Große Farbabstände werden unkorrekt bestimmt Farbabstände für kleine Objekte (< 2 0 ) werden fehlerhaft bestimmt Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 97 Small-Field Tritanopia Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 98 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 36

37 Kleinfeld-Korrekturen Kleinfeld-Korrekturen nach Silverstein und Merrifield (1985) [( K! L*) + ( K! u*) + ( K *) ] 1/ 2! uv " sf L u v! E * = v Sehwinkel KL Ku Kv 32 0,850 0,270 0, ,575 0,160 0, ,285 0,072 0, ,105 0,020 0, ,032 0,003 0,000 Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 99 Farbfehlsichtigkeit Farbe wird nicht von allen Personen gleich wahrgenommen Farbfehlsichtigkeit Abnormale Farbwahrnehmung Ca. 8% der männlichen und ca. 0.4% der weiblichen Bevölkerung Häufig nur für kleine Sehwinkel (< 2 0 ) Betroffene Personen wissen häufig nichts von ihrer Farbfehlsichtigkeit Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 100 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 37

38 Farbfehlsichtigkeit Anomaler Trichromatismus Dichromatismus Monochromatismus Protanomalie (Rot) ca. 1% Deuteranomalie (Grün) 5-6% Tritanomalie (Blau-Gelb) 0,004% Tests: Ishihara-Test Farnsworth Munsell 100 Hue Test Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 101 Farbfehlsichtigkeit Anomalien Wahrgenommener Farbraum kann mit immer noch mit 3 Primärvalenzen beschrieben werden Protanomalie Schwäche in der Rot-Grün Wahrnehmung (Schwäche im Rot-Bereich) ca 1% der Bevölkerung Deuteranomalie Schwäche in der Rot-Grün Wahrnehmung (Schwäche im Grün-Bereich) 5-6% der Bevölkerung Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 102 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 38

39 Farbfehlsichtigkeit Dichromatismus Wahrgenommener Farbraum kann allein mit 2 Primärvalenzen beschrieben werden Protanopie Rot-Grün-Blindheit ca 1% Deuteranopie Rot-Grün-Blindheit ca 1% Tritanopie Blau-Gelb-Blindheit ca 0.004% Monochromatismus Wahrgenommener Farbraum reduziert auf 1 Dimension Farbblindheit ca % Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 103 Protanopia Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 104 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 39

40 Tritanopia Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 105 Deuteranopia Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 106 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 40

41 Farbfehlsichtigkeit Original Protanopia (weakness in red) Deuteranopie (weakness in green) Tritanopia (weakness in blue-yellow) Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 107 Formen der Dichromasien Bezeichnung Effekt Häufigkeit Ursprung der Unbunt Verwechslungsgeraden Protanopie Rot-Blindheit ca. 1% x p = y p = nm Deuteranopie Grün -Blindheit ca. 1% x d = y d = nm Tritanopie Blau-Gelb -Blindheit 0.004% x t = y t = nm Monochromasie Farbenblindheit 0.003% Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 108 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 41

42 Farbauswahl und -spezifikation Technisch-physikalische Farbmodelle (RGB, CMY) entsprechen den technischen Gegebenheiten, sind aber zur direkten Farbdefinition durch den Benutzer ungeeignet Folgerung Entwicklung von Farbmodellen, die näherungsweise (sehr grob) den Größen der menschlichen Wahrnehmung entsprechen, insbesondere bzgl. Helligkeit Farbton Farbsättigung Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 109 HLS-Modell H=Hue, L=Lightness, S=Saturation Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 111 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 42

43 HSV-Farbsystem Andere Bezeichnung HSB-Farbsystem Variante des HLS-Farbsystems Komponenten Hue (Farbwert) Saturation (Sättigung) Value (Helligkeit) Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 113 Farbordnungssysteme Anordnung der Farben im Farbkreis gemäß der Abstände im CIE-Farbsystem zwar farbmetrisch, aber nicht visuell gleichabständig Grundlage: Farbkreis (Hering): Viele verschiedene Systeme: Ostwald (1931), Munsell (1929), OSA (1974) NCS (1970), Chroma Cosmos 5000 (1979) Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 115 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 43

44 Munsell-Farbsystem Munsell Book of Color, 1923 Farb-Samples, die nach empfundenen Farbabständen sortiert sind Munsell Hue 10 diskrete Stufen als primäre Referenz (z.b. YR für gelb-rot) jeweils 11 diskrete Radien (0 bis 10) primäre Referenz besitzen Hue-Radius 5 (z.b. 5GY) Munsell Value Helligkeit in 10 diskreten Stufen Munsell Chroma Beispiel Abstand vom Grau gleicher Helligkeit (Sättigung) 7.5Y 7/8 Gelb mit Munsell-Farbwert 7.5, Helligkeit 7 und Sättigung 8 Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 116 Munsell-Farbsystem Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 117 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 44

45 Munsell-Farbsystem 10 RP (OR) 10 R (OYR) 10 P (ORP) 5 RP 5 R 5 YR 10 YR (OY) 5 P 5 Y 10 PB (OP) 10 Y (OGY) 5 PB 5 GY 10 B (OPB) 5 B 5 BG 5 G 10 GY (OG) 10 BG (OB) 10 G (OBG) Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 118 Munsell-Farbsystem (II) Munsell-System bietet keine Metrik zur Berechnung allgemeiner Farbabstände Musell Book of Colors findet oft Verwendung als Quelle für Referenzfarben oder Testfarben Farnsworth-Munsell 100-Hue Test Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 119 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 45

46 Munsell-Farbsystem (III) Aktuelle Studien belegen, daß auch der Munsell Color Solid nicht so empfindungsgemäß gleichabständig und gleichmäßig ist wie ursprünglich behauptet Experiment [Indow & Aoki 1983] Bewertung von 361 Farbdifferenzpaaren auf Basis von 178 Munsell Color Chips durch Testpersonen Resultat: keine konzentrischen, gleichabständige Kreise wie erwartet, sondern komplexes Netz Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 120 Farbe und Sprache Studie von Berlin und Kay zu Sprachen und Farbname (1969) Untersuchung von mehr als 100 Sprachen mit folgenden Ergebnissen: Sprachen mit 2 Farbbezeichnungen: immer schwarz und weiß Sprachen mit 3 Farbbezeichnungen: es kommt immer rot dazu weiß schwarz rot grün gelb gelb grün blau braun rosa lila orange grau Helligkeit Gegenfarben Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 121 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 46

47 Farbnamen Studie von Post und Green (1986): 210 mögliche Farben in 2 0 Größe mit schwarzem Hintergrund: Bild zeigt die Gebiete, die mit 75% Sicherheit als solche benannt wurden Beachte: Reines Monitorrot wurde oft als orange bezeichnet Resultat: Nur 8 Farben wurden überhaupt konsistent benannt! Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 122 Nichtlineare Verzerrungen: Gamma In CRT wird Intensität durch Strahlstärke bestimmt Nichtlineare Strahlstrom-Steuerspannungskennlinie! Unter Umständen verschieden für die drei Primärvalenzen γ=2.2 ohne Korrektur mit Korrektur ' I % & I G G max $ ' U " = % # & U G G max $ " # 1! Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 123 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 47

48 Gammakorrektur Gamma-Korrektur im Fernsehen Korrektur auf der Aufnahmeseite Bearbeitung und Übertragung vorverzerrter nichtlineare Signale (z.b. R,B,G ) Vorteil Helligkeit wird vom menschlichen Sehsystem in etwa logarithmisch erfasst (d.h. eine exponentielle Helligkeitssteigerung wird als linear empfunden) Bereiche kleinerer Helligkeit gegen Übertragungsfehler daher nicht empfindlicher als Bereiche größerer Helligkeit Gamma-Korrektur in der GDV: Die Helligkeitswerte werden ggf. gleich bei der Berechnung korrigiert Unkorrigierte linearen Werte werden ggf. durch eine vorberechnete Tabelle (Color Lookup Table) effizient korrigiert Videohardware im Ausgabezweig hat ein nichtlineares Verhalten je nach Hersteller verschieden. Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 124 Color Management und Gamut-Anpassung 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Anpassung einer Farbdarstellung an Eigenschaften eines (anderen) Ausgabegerätes Ausgabesystem-unabhängige Beschreibung von Farbdarstellungen Gamut Farbraum, der von einem Ausgabegerät unterstützt wird Problem Zum Teil große Differenzen zwischen den Gamuts verschiedener Ausgabegeräte Gamut-Mapping: Abbildung des Quellfarbraums auf den Farbraum des Zielgeräts Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 125 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 48

49 Color Management und Gamut-Anpassung Strategien des Gamut-Mappings Absolute Farbmetrik 1:1 Übernahme der Farbvalenzen des Quellfarbraums Pro: Farben werden exakt übernommen Contra: Gamut-Clipping Farben ausserhalb des Zielfarbraums müssen auf nächstliegende Farbvalenz im Zielgamut beschnitten werden Variante: Anpassung der Weißpunkte Perzeptives Rendering Transformation (z.b. Skalierung) des Quellfarbraums, so dass er vollständig im Zielfarbraum enthalten ist Pro: Alle Farbvalenzen werden auf eindeutige Farben des Zielfarbraums abgebildet; Gesamteindruck wird erhalten Contra: Farbverfälschung Umsetzung in Color Management Systemen ICC-Profile (International Color Consortium) für Ausgabegeräte auf Basis des CIEXYZ-Farbraums Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 126 Danksagung Diese Vorlesung basiert auf Materialien von Prof. Dr. Heidrun Schumann Prof. Dr. Wolfgang Müller Prof. Dr. Detlef Krömker Prof. Dr. Colin Ware Prof. Dr. Ralf Dörner Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 128 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 49

50 ENDE Frankfurt, WS 2007/2008 Visualisierung - D. Krömker, W. Müller 129 (c) 2007 D. Krömker, W. Müller 50