Digitale Bildverarbeitung (DBV)

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1 Digitale Bildverarbeitung (DBV) Prof. Dr. Ing. Heinz Jürgen Przybilla Labor für Photogrammetrie heinz bochum.de Tel Sprechstunde: Montags Uhr und nach Vereinbarung HS BO Labor für Photogrammetrie: Farbmodelle 1

2 Bildspeicherung Farbmodelle HS BO Labor für Photogrammetrie: Farbmodelle 2

3 Farbmodelle Da das menschliche Auge auf Farbsehen eingestellt ist, stellt der Verzicht auf Farbe bei der Bildaufnahme und verarbeitung eine Einschränkung dar, hier insbesondere bei der visuellen Betrachtung und Interpretation. HS BO Labor für Photogrammetrie: Farbmodelle 3

4 Farbmodelle Das menschliche Auge kann mehrere Tausend Farbtöne und intensitäten unterscheiden, im Gegensatz zur Grautonabstufung, die auf ca. 30 beschränkt ist. HS BO Labor für Photogrammetrie: Farbmodelle 4

5 Farbmodelle Neben den Grundlagenkenntnissen über die physikalischen Farben sind für den Umgang mit Farbbildern Modelle notwendig, die die Farben systematisch einteilen und rechnerisch bearbeitbar machen. HS BO Labor für Photogrammetrie: Farbmodelle 5

6 Farbmodelle Die drei bekanntesten Farbmodelle sind das: RGB Farbmodell CYMK Farbmodell HSI (HSB) Farbmodell HS BO Labor für Photogrammetrie: Farbmodelle 6

7 RGB Farbmodell Das RGB Farbmodell ist das am weitesten verbreitete Farbmodell. Es findet sich in digitalen Kameras (z.b. Bayer Pattern) wieder und wird darüber hinaus für die Bildschirmdarstellung genutzt. HS BO Labor für Photogrammetrie: Farbmodelle 7

8 RGB Farbmodell Die Farbe wird innerhalb eines Würfels durch Angabe von Koordinaten, die den Farbanteilen entsprechen, festgelegt. Der Ursprung des normierten Würfels (der Seitenlänge 1) ist P(0,0,0) = schwarz, der Maximalwert P(1,1,1) = weiß. Die Diagonale (alle drei Werte sind gleich groß) ist die Grauwertdiagonale. HS BO Labor für Photogrammetrie: Farbmodelle 8

9 RGB Farbmodell Sättigung HS BO Labor für Photogrammetrie: Farbmodelle 9

10 RGB Farbmodell Dieser Definition entsprechend sind die Farben RGB die Primärfarben des Lichtes. Die Addition der drei RBG Farben ergibt WEISS, daher werden sie auch als additive Farben bezeichnet. HS BO Labor für Photogrammetrie: Farbmodelle 10

11 RGB Farbmodell Für alle Punkte, für die auf der durch das in den Würfel eingezeichnete gleichseitige Dreieck (Maxwellsches Dreieck) bestimmten Ebene liegen, ist die Summe der drei Vektorkomponenten, die ein Maß für die Helligkeit ist, konstant und hat den Wert 1. Der Schnittpunkt einer durch einen beliebigen Farbvektor definierten Geraden mit dem Dreieck gibt Aufschluss über Farbwert und Sättigung. HS BO Labor für Photogrammetrie: Farbmodelle 11

12 CYMK Farbmodell Das CYM Farbmodell basiert ebenfalls auf einem kartesischen Koordinatensystem. Der Ursprung liegt dem RGB System diagonal gegenüber. Die Farben sind Cyan (blaugrün) Magenta Yellow (Gelb) HS BO Labor für Photogrammetrie: Farbmodelle 12

13 CYMK Farbmodell Die Farbe wird innerhalb eines Würfels durch Angabe von Koordinaten, die den Farbanteilen entsprechen, festgelegt. Der Ursprung des normierten Würfels (der Seitenlänge 1) ist P(0,0,0) = weiß, der Max wert P(1,1,1) = schwarz. HS BO Labor für Photogrammetrie: Farbmodelle 13

14 CYMK Farbmodell Die Farben C, Y, M sind sogenannte Pigmentfarben (Plotter, Drucker). In der Praxis kommt als vierte Komponente noch Schwarz (black / Key) dazu, da Schwarz sich aus CYM nur unzureichend realisieren lässt. HS BO Labor für Photogrammetrie: Farbmodelle 14

15 CYMK Farbmodell Die Umrechnung von RGB nach CYM lautet als normierte Vektordarstellung: mit 1 = weiß sowie mit 1 = schwarz HS BO Labor für Photogrammetrie: Farbmodelle 15

16 CYMK Farbmodell Da entsprechend der Umrechnungsformel aus weißem Licht durch Subtraktion einer Lichtprimärfarbe eine Pigmentprimärfarbe entsteht, werden die CYM Farben auch subtraktive Farben genannt (z.b. CYAN = WEISS ROT). Trifft weißes Licht auf einen cyanfarbenen Untergrund wird rot absorbiert und cyan reflektiert. HS BO Labor für Photogrammetrie: Farbmodelle 16

17 RGB Farbmodell Die subtraktiven (CYM) und additiven (RGB) Farben sind Komplementärfarben. HS BO Labor für Photogrammetrie: Farbmodelle 17

18 RGB Farbmodell Jedes subtraktives Farbenpaar erzeugt eine additive Farbe und umgekehrt. Additiv Subtraktiv Cyan = Blau + Grün = Weiß - Rot Gelb = Grün + Rot = Weiß - Blau Magenta = Rot + Blau = Weiß - Grün HS BO Labor für Photogrammetrie: Farbmodelle 18

19 HSI (HSB) Farbmodell Das HSI Modell (Hue Saturation Intensity Farbe, Farbsättigung, Helligkeit) basiert auf der menschlichen Farbwahrnehmung und beschreibt die 3 Grundmerkmale von Farbe. HS BO Labor für Photogrammetrie: Farbmodelle 19

20 HSI (HSB) Farbmodell HUE Farbe, Farbton, Licht Wellenlänge: Ist die Farbe, von einem Objekt reflektiert wir. Der Farbton wird als Gradzahl zwischen 0 und 360 auf dem Standard Farbkreis angegeben. Der Farbton wird mit dem Namen der Farbe (z.b. Rot, Orange etc.) bezeichnet. HS BO Labor für Photogrammetrie: Farbmodelle 20

21 HSI (HSB) Farbmodell HUE Farbe, Farbton, Licht Wellenlänge: HS BO Labor für Photogrammetrie: Farbmodelle 21

22 HSI (HSB) Farbmodell Saturation Sättigung, Weißheit der Farbe: Auch Chroma genannt, ist die Stärke oder Reinheit der Farbe. Sie beschreibt den Grauanteil im Verhältnis zum Farbton und wird als Prozentwert zwischen 0% (grau) und 100% (gesättigt) gemessen. Nimmt auf dem Standard Farbkreis zum Rand hin zu (Radius) HS BO Labor für Photogrammetrie: Farbmodelle 22

23 HSI (HSB) Farbmodell Saturation Sättigung, Weißheit der Farbe: HS BO Labor für Photogrammetrie: Farbmodelle 23

24 HSI (HSB) Farbmodell Intensity / Brightness Intensität, Helligkeit der Farbe: Stellt die relative Helligkeit oder Dunkelheit der Farbe dar, meistens als Prozentwert zwischen 0% (schwarz) und 100% (weiß) HS BO Labor für Photogrammetrie: Farbmodelle 24

25 HSI (HSB) Farbmodell HS BO Labor für Photogrammetrie: Farbmodelle 25

26 RGB Farbraumtransformation Umwandlung in Graustufenbilder Der Grauwert Y des zu berechnenden Graustufenbildes ergibt sich als (gewichteter) Mittelwert der RGB Komponenten. a) ungewichtet: b) gewichtet für Farbcodierung: HS BO Labor für Photogrammetrie: Farbmodelle 26

27 RGB Farbraumtransformation Umwandlung in CYMK Farbraum für Druck Subtraktives Farbschema HS BO Labor für Photogrammetrie: Farbmodelle 27

28 RGB Farbraumtransformation Umwandlung in HSI Farbraum Farbton (Hue) 360 mit cos / Sättigung (Saturation) 1,, Intensität (Intensity) I HS BO Labor für Photogrammetrie: Farbmodelle 28

29 RGB Farbraumtransformation Rücktransformation vom HSI in den RGB Farbraum für 0 < H < 120 für 120 < H < 240 für 240 < H < 360 H = H 120 H = H 240 B=I(1 S) R=I(1 S) G=I(1 S) G=3I (R+B) B=3I (R+G) R=3I (G+B) HS BO Labor für Photogrammetrie: Farbmodelle 29

30 PAN Sharpening PAN Sharpening ist eine Operation, bei der hoch aufgelöste panchromatische Bilder und niedrig aufgelöste multispektrale Bilder vereint werden, mit dem Ziel hieraus ein hochaufgelöstes Farbbild zu generieren. Die Berechnung erfolgt über eine Farbraumtransformation von RGB nach IHS und zurück. HS BO Labor für Photogrammetrie: Farbmodelle 30

31 PAN Sharpening Die originalen RGB Komponenten werden in ihre korrespondierenden IHS Komponenten zerlegt. Diese werden dann mit Methoden wie Kontraststreckung etc. manipuliert, um die gewünschten Charakteristika des Bildes herauszuarbeiten. HS BO Labor für Photogrammetrie: Farbmodelle 31

32 PAN Sharpening Ein Vorteil ist, dass die IHS Komponenten unabhängig voneinander sind ( unkorreliert ), was für die RGB Komponenten nicht gilt (R+G+B=100%, so dass aus 2 Komponenten die dritte ableitbar ist). Die "Intensität" kann durch Kontraststreckung verbessert werden, der Farbton und die Sättigung werden nicht verändert. HS BO Labor für Photogrammetrie: Farbmodelle 32

33 PAN Sharpening Zum Schluss werden die modifizierten IHS KomponentenwiederindenRGB Farbraum zurücktransformiert. RBG: 5770*3770 px Panchromatisch: 17310*11310 px [Quelle: www. geoinformation.net] HS BO Labor für Photogrammetrie: Farbmodelle 33

34 PAN Sharpening [Quelle: Haala, ifp Stuttgart] HS BO Labor für Photogrammetrie: Farbmodelle 34

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