Farbbild-Qualitätsmesstechnik mit OPTIMAS (FmO)

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1 Technische Universität Ilmenau Fakultät für Maschinenbau Fachgebiet Qualitätssicherung Prof. Dr.-Ing. habil. Gerhard Linß Praktische Ausbildung und Training Qualitätsmanagement Farbbild-Qualitätsmesstechnik mit OPTIMAS () Dr.-Ing. P. Brückner ( ) Dipl.-Ing. B. Proske ( ) qs@tu-ilmenau.de 0. Gliederung 1. Ausbildungs- und Trainingsziel 2. Messobjekt 3. Messaufgaben 4. Theoretische Grundlagen 5. Praktisches Demonstrationsbeispiel 6. Versuchsvorbereitung 7. Versuchsdurchführung 8. Versuchsauswertung 9. Literatur 1. Ausbildungs- und Trainingsziel 1. Vertiefung der Grundlagen der Farbtheorie, Farbmischung und technischer Farbmodelle. 2. Erlernen der Grundlagen der Bildverarbeitung durch individuelle Bedienung eines konfektionierten Bildverarbeitungssystems. 3. Erlernen der Farbsignalverarbeitung mit einem PC-Bildverarbeitungssystem durch individuelle Einstellung von Betriebsparametern. 4. Erlernen des Umgangs mit der Analysesoftware OPTIMAS durch individuellen Aufruf von Einzelbefehlen und Makros. 5. Erlernen von Messstrategien durch schrittweise interaktive Funktionsaufrufe zur Erkennung und Lagebestimmung von farbigen, mechanischen Messobjekten. 6. Entwicklung von Messprogrammen zur Erkennung und Lagebestimmung von farbigen, mechanischen Messobjekten. TU Ilmenau, Fakultät MB, FG Qualitätssicherung, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. G. Linß 1

2 2. Messobjekt Meßobjekt ist ein rotes Lichtschrankengehäuse mit schwarzer Kunststoffeinlage und je einer grünen und einer gelben Leuchtdiode (light emitting diode) LED. Bild 1 Messobjekt Lichtschrankengehäuse 3. Messaufgaben Erkennen von Kontur- und Farbmerkmalen mit einem PC-basierten Farbbildverarbeitungssystem und der Analysesoftware OPTIMAS 6.2 unter MS-Windows mit den Teilaufgaben: 1. Vorverarbeiten der Bilddaten mit digitalen Filtern zur Hervorhebung der Konturen. 2. Erkennen von Farbmerkmalen durch Extraktion von charakteristischen Farbanteilen. 3. Entwickeln einer Prüfstrategie in Form von Makros, um durch interaktive Befehlsaufrufe der Auswertesoftware OPTIMAS die grüne Leuchtdiode des Meßobjektes auf Anwesenheit und richtige Lage (richtige Bohrung) zu prüfen. 4. Ermitteln der nicht relevanten Farbvalenzen im AOI (area of interest) mittels Farbhistogramm. Einstellen der Schwellwerte für eine robuste Farberkennung. 5. Ermitteln des Abstandes zwischen Lichtschrankengehäuse und Kunststoffeinlage in Bildschirmkoordinaten. 4. Theoretische Grundlagen Farbe Farbe ist im Sinne der Norm DIN 5033:1979, Teil 1, Pkt. 1 ein durch das menschliche Auge (Bild 2) vermittelter Sinneseindruck, also eine Gesichtsempfindung. Farbe ist diejenige Gesichtempfindung, durch die sich zwei aneinandergrenzende, strukturlose Teile des Gesichtsfeldes bei einäugiger Beobachtung mit unbewegtem Auge allein unterscheiden können. In der deutschen Sprache wird der Begriff "Farbe" mehrdeutig verwendet und zwar 1. Farbe als Sinneseindruck von einer selbstleuchtenden Lichtquelle (Lichtfarbe) oder in der Reflexion von einem nicht selbstleuchtenden Material (Körperfarbe) 2. Farbe als Strahlung mit einer definierten Wellenlänge im Spektralbereich des sichtbaren Lichtes, d.h. als monochromatisches Licht (Spektralfarbe) 3. Farbe als Färbemittel (Farbstoff, Pigment) 4. Farbe als stoffliches Produkt (Leimfarbe, Wasserfarbe, Druckfarbe). Um Verständigungsschwierigkeiten einzuengen, sollte immer deutlich erklärt werden, welche "Farbe" gerade gemeint ist. TU Ilmenau, Fakultät MB, FG Qualitätssicherung, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. G. Linß 2

3 Farbsehen des Menschen Die objektive Welt ist primär nicht farbig. Farbe ist eine Reaktion des menschlichen Sensorsystems Auge (Bild 2) [ ] mit Netzhaut (Bild 3) und Gehirn auf elektromagnetische Wellen im Bereich ( ) nm. Diese Wellen heißen Lichtwellen. Bild 2 Aufbau des menschlichen Auges Die Farbwahrnehmung des Menschen basiert auf dem sogenannten Zäpfchen-Sehen der Netzhaut (Bild 3) [ ] Bild 3 Farbsensoren im menschlichen Auge Farbe existiert nur subjektiv beim Sehenden. Ändert sich ein Glied in der Ursache-Wirkungs-Kette, ändert sich die Empfindung Farbe (Bild 4) [ ]. TU Ilmenau, Fakultät MB, FG Qualitätssicherung, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. G. Linß 3

4 Bild 4 Entstehung von Farbeindrücken im menschlichen Auge + Gehirn Der vom Auge erkennbare Spektralbereich für Wellenlängen von 360 nm bis 830 nm heißt "visueller Spektralbereich" oder "Licht". Sein wesentlicher Teil ist nachstehend durch die Aufspaltung in Regenbogenfarben dargestellt (Bild 5) [ ]. Bild 5 Sichtbares Licht im Spektralbereich von 360 nm bis 830 nm Ein Prisma sortiert die Strahlung der Sonne nach Wellenlängen des Lichtes und nicht nach Farben. Farbe kann dennoch nicht allein durch die Wellenlänge definiert werden (Bild 6) [1]. TU Ilmenau, Fakultät MB, FG Qualitätssicherung, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. G. Linß 4

5 Bild 6 Spektralbereiche elektromagnetischer Wellen Alle Farben lassen sich in Übereinstimmung mit dem menschlichen Sensorsystem aus den drei Grundfarben Rot, Grün und Blau zusammensetzen (Bild 7) [ ]. Diese RGB- Farbenlehre ist physiologisch umstritten. In der Technik hat sie sich aus pragmatischen Gründen durchgesetzt [ ] Bild 7 Wahrnehmung von beliebigen Farbeindrücken aus der Kombination Rot, Grün, Blau Zur technischen Beherrschung von Farbwahrnehmungen durch den Menschen und Farbgebungen von Produkten für den Menschen wurden Farbmodelle entwickelt. Farbmodelle haben die Aufgabe, die subjektiven Farbempfindungen des "Normalbeobachters" zu objektivieren und damit technisch beherrschbar und vergleichbar zu machen. Tages- und Nachtsehen des Menschen Das menschliche Tagessehen (photopisches Sehen) erfolgt bevorzugt durch Zäpfchen (Bild 3). Es kann Farben unterscheiden. Das menschliche Nachtsehen (skotopisches Sehen) erfolgt durch Stäbchen (Bild 3). Es kann keine Farben unterscheiden. TU Ilmenau, Fakultät MB, FG Qualitätssicherung, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. G. Linß 5

6 Die spektralen Verläufe der Bewertungsfunktionen V(λ) für Tagessehen und V'(λ) für Nachtsehen sind unterschiedlich (Bild 8) [ Projekt 4.1.1] V'(λ) V(λ) Bild 8 Spektrale Hellempfindlichkeiten des menschlichen Auges, Bewertungsfunktionen für Tag- und Nachtsehen Auslösung von Farbempfindungen Das helladaptierte Auge (Tagessehen) eines farbennormalsichtigen Beobachters bewertet die einfallende Strahlung (den Farbreiz) aufgrund der Physiologie des Auges (siehe Bilder 2 und 3) primär nach drei voneinander unabhängigen Empfindlichkeitsfunktionen (Spektralwertfunktionen). Diese drei Bewertungsfunktionen (Spektralwertfunktionen) sind im Normalfall unabhängig von der Stärke (Amplitude) der einfallenden Strahlung (Bild 9) [ ]. Bild 9 Spektrale Empfindlichkeiten des menschlichen Auges TU Ilmenau, Fakultät MB, FG Qualitätssicherung, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. G. Linß 6

7 Die zu einer Farbreizfunktion φ(λ) gehörige Farbvalenz entsteht durch Bewertung dieser Funktion mit drei spektralen Wirkungsfunktionen, die aus dem Verhalten des menschlichen Farbensehens abgeleitet sind und als Spektralwertfunktionen bezeichnet werden. Strahlungen, die durch unmittelbare Reizung der Netzhaut (Bild 3) im menschlichen Auge Farbempfindungen hervorrufen können, werden Farbreize genannt. Die Wirkungskette zur Auslösung von Farbempfindungen (Bilder 4, 7 und 10) hat folgende Struktur Auslöser Umwandler Aufnehmer Ergebnis Strahlungsquelle bestrahlter Körper Farbempfänger Farbeindruck (Lichtquelle) (Probe) (Auge, Sensor) (subjektiv, objektiv) spektrale spektraler spektrale subjektive Strahlungsdichte Remissionsfaktor Empfindlichkeit Farbempfindung P(λ) R(λ) S(λ) F = R+G+B CIE genormter CIE-Norm CIE-objektivierte Normstrahler Remissionsfaktor spektralwerte Farbvalenz D 65 R xquer(λ) F = X+Y+Z (Gleichenergieweiss) yquer(λ) zquer(λ) Bild 10 Prinzipielle Struktur für die Auslösung von Farbempfindungen Erstes Graßmannsches Gesetz Eine Farbe braucht zu ihrer Beschreibung drei voneinander unabhängige Bestimmungsstücke. [ ]. Die Dreidimensionalität der Farbe ist durch die drei verschiedenen Arten von Farbsensoren (Zäpfchen) (Bild 3) des menschlichen Auges (Bild 2) naheliegend. Farbe ist eine subjektive Eigenschaft, die dem Verhalten des menschlichen Auges technisch nachgebildet wird. Farben können als Vektoren eines dreidimensionalen Farbenraums (Bild 11) aufgefasst werden. Die Vektoren dieses Farbenraums heißen Farbvalenzen. Die Länge eines Vektors ist ein Maß für die Helligkeit (Leuchtdichte) und heißt Farbwert. Die Richtung bestimmt die Farbart. Im praktischen Gebrauch hat sich das Farbenraum-Modell mit den Primärfarben (Primärvalenzen) Rot, Grün, Blau kurz RGB durchgesetzt. Jede Farbe ist innerhalb des Würfels durch die entsprechenden Primärfarbenanteile definiert (Bild 11) [ Bild 11 Farbenraum mit normierten Rot-, Grün-, Blau-Vektoren TU Ilmenau, Fakultät MB, FG Qualitätssicherung, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. G. Linß 7

8 Die drei voneinander linear unabhängigen Basisvektoren R Rot, G Grün, B Blau heißen Primärvalenzen. Linear unabhängig bedeutet, dass eine Primärvalenz nicht durch Mischung der beiden anderen Primärvalenzen dargestellt werden kann. Für jede Farbkomponente Rot, Grün, Blau (RGB) gibt es technisch in der Regel 2 8 = 256 Stufen. In allen drei Dimensionen sind das insgesamt = Kombinationen Der Mensch kann bis über eine Million Farbarten unterscheiden, wobei diese nur im direkten Vergleich, relativ zueinander unterscheidbar sind. Die Angabe der Farbanteile erfolgt im Internet in HTML und JavaScript durch drei Hexadezimalzahlen in der Form #RRGGBB. RR ist die zweistellige Hexadezimalzahl für den Rot-Anteil, GG für den Grünund BB für den Blauanteil. Schwarz hat die Hexadezimalzahl und Weiss die FFFFFF. Farbmischungen Mischungen der beteiligten Farbvalenzen sind frei wählbar, die Vektoren der Farbvalenzen dürfen aber nicht auseinander mischbar sein. Werden beispielsweise drei Farbvalenzen ausgewählt, dann dürfen die Vektoren nicht coplanar sein. Die Veränderung der Länge eines Vektors der an der Mischung beteiligten Farbvalenzen verändert auch die Farbart. Bei gleichzeitiger proportionaler Veränderung aller beteiligten Farbwerte bleibt dagegen die Farbart unverändert und es verändert sich nur die Helligkeit einer Farbe. Die Mischung aus zwei Komponenten kann nur einen kleinen Teil des Farbenraumes darstellen (Bild 11). Aus Rot und Blau kann beispielsweise nie Gelb oder Grün gemischt werden. Infolge der verschiedenen physiologischen Einflüsse kann ein Farbreiz zu unterschiedlichen Farbempfindungen führen. Die Farbwerte allein sagen deshalb noch nichts über die Farbempfindung aus. Haben aber zwei Farbreize die gleichen Farbwerte, dann lösen sie beim Beobachter auch die gleichen Farbempfindungen aus. Zwei Farben mit für einen Beobachter gleichen Farbwerten sehen für diesen Beobachter unabhängig von der spektralen Beschaffenheit ihrer Farbreize stets gleich aus. Aus der Linearität der Bewertung folgt, dass beliebige Linearkombinationen der drei Spektralwertfunktionen zu gleichen Farbwerten führen. Innere additive Farbmischung In den meisten praktischen Fällen lässt sich ein vorgegebener Buntton (Farbvalenz) F mit den Primärvalenzen R, G, B gemäß der Farbgleichung F = rr + gg + bb (1) modellieren, wobei r, g und b durch Experiment gewonnen werden müssen. Dazu werden die Farbwerte R, G, B der Primärvalenzen so lange verändert, bis der gleiche Farbton getroffen ist. Es gilt Die einzelnen Farbanteile sind: F = R + G + B (2 ) r = R/(R+G+B) (3) g = G/(R+G+B) (4) b = B/(R+G+B) (5) mit r+g+b = 1. (6) TU Ilmenau, Fakultät MB, FG Qualitätssicherung, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. G. Linß 8

9 Die Primärvalenzen R, G, B haben für jede definierte Farbvalenz ein definiertes Verhältnis zueinander, wobei der absolute Wert für die Farbart, d.h. der Farbwert keine Rolle spielt. Da jeder Farbwert einen Beitrag zur Helligkeit enthält wird durch die Summe der Farbwerte dividiert: F / (R+G+B) = r R / (R+G+B) + g G / (R+G+B) + b B / (R+G+B) (7) mit F / (R+G+B) = 1. (8) Die Farbwertanteile r, g, b werden auch reduzierte Farbwerte genannt. Da die Summe der reduzierten Farbwerte immer gleich eins ist kann auf eine der Größen zur Angabe der Farbart verzichtet werden. Damit lässt sich der Farbenraum auf eine Farbenfläche reduzieren. Die sogenannte Farbtafel stellt eine Ebene dar, die durch die Endpunkte der Primärvalenzvektoren gleichen Farbwertbetrages geht (Bild 12). R B G S Bild 12 Farbtafelebene mit Spektrallinienzug im Vektorraum. Die Vektoren sollen gleiche Länge im Raum haben. Die Farbtafelebene von oben betrachtet hat etwa das Aussehen einer Schuhsohle (Bild 12). Äußere additive Farbmischung Es gibt vorgegebene Bunttöne (Farbvalenzen) F', die sich nicht durch additives Mischen der Primärvalenzen erzeugen lassen. Farbgleichheit lässt sich aber herstellen, wenn zu dem vorgegebenen Buntton Primärvalenzen hinzugemischt werden gemäß der Farbgleichung F' + gg = rr + bb oder umgewandelt F' = rr + bb gg. (9) Die äußere Mischung wird also durch mindestens einen negativen Farbwert angezeigt. Um Farbgleichheit mit dem vorgegebenen Buntton zu erzielen, müsste also eine Komponente entfernt werden. Das ist bei technischen Systemen wie dem (Bunt)Farbfernsehen in der Regel nicht möglich, weil negative Intensitäten nicht erzeugt werden können. Die äußere additive Farbmischung ist für stark gesättigte Farben typisch. Zweites Graßmannsches Gesetz Zwei gleichaussehende Farben ergeben mit einer dritten Farbe zwei gleichaussehende Farbmischungen. Die chemisch-physikalische Zusammensetzung der beiden Farbmittel spielt dabei keine Rolle, entscheidend sind deren Farbvalenzen TU Ilmenau, Fakultät MB, FG Qualitätssicherung, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. G. Linß 9

10 Modellierung von Normalbeobachtern Der Normalbeobachter ist ein Beobachter, dessen individuelle Spektralwertfunktionen xquer(λ), yquer(λ), zquer(λ) mit den von der CIE ermittelten und verallgemeinernd festgelegten Spektralwertfunktionen xquer(λ), yquer(λ), zquer(λ) (Bild 9) identisch sind. CIE steht für Commission International d'eclairage (Internationale Kommission für Beleuchtung). Aus der Dreiheit der Spektralwertfunktionen bedingt durch den physiologischen Aufbau der menschlichen optischen Farbsensoren in der Netzhaut folgt, dass zur eindeutigen Kennzeichnung einer Farbvalenz jeweils drei voneinander unabhängige Farbwerte notwendig und hinreichend sind. Diese voneinander unabhängigen Farbwerte werden auch Maßzahlen oder Farbmaßzahlen genannt. Weil die drei Spektralwertfunktionen beim Menschen physiologisch bedingt von der Gesichtsfeldgröße abhängen, sind international zwei Tripel von Wirkungsfunktionen vereinbart worden, die sich auf zwei verschiedene Gesichtsfeldgrößen beziehen und jeweils einen anderen farbmetrischen Normalbeobachter definieren [DIN 5033:1992, Teil 2]. Bei technischen Farbmessungen wird also gemäß DIN 5033:1992 Teil 2 zwischen dem 2 Normalbeobachter CIE 1931 mit den Normspektralwertfunktionen φ(λ) [xquer(λ), yquer(λ), zquer(λ)] bei Kleinfeldbeobachtungen mit einem Gesichtsfeld bis 4 und dem 10 Normalbeobachter CIE 1964 mit den Normspektralwertfunktionen φ 10 (λ) [xquer 10 (λ), yquer 10 (λ), zquer 10 (λ)] bei Großfeldbeobachtungen mit einem Gesichtsfeld > 4 unterschieden. Die Normspektralwerte xquer(λ), yquer(λ), zquer(λ) sowie die prozentualen Normspektralwertanteile x(λ), y(λ), z(λ) sind für das 2 -Normvalenzsystem für den sichtbaren Wellenlängenbereich λ = ( ) nm in DIN 5033:1992, Teil 2 numerisch und grafisch exakt angegeben. Die Kleinfeld-Gesichtfeldgröße entspricht beispielsweise einem Messobjekt von 1,75 cm Durchmesser, das in einem Abstand von 50 cm beobachtet wird [DIN 5033:1992, Teil 2, Pkt. 2.2]. Die Großfeld-Gesichtsfeldgröße entspricht beispielsweise einem Messobjekt von 8,75 cm Durchmesser, das in einem Abstand von 50 cm beobachtet wird [DIN 5033:1992, Teil 2, Pkt. 2.3]. Weil die Normspektralwertfunktionen im Kleinfeldbereich und Großfeldbereich sehr ähnlichen Verlauf haben und weil die häufigsten messtechnisch interessanten Sehaufgaben im Kleinfeldbereich liegen, wird vielfach nur mit den Normspektralwertfunktionen CIE 1931 (Bild 9) gearbeitet. Modellierung von Farbenräumen Die Bewertung eines Farbreizes durch die drei Empfindlichkeitsfunktionen des Auges (Bilder 3, 7 und 9) führt zu einer einheitlichen Wirkung, der Farbvalenz. Die Farbvalenz muss aus physiologischen Gründen jeweils durch drei voneinander unabhängige Zahlenangaben beschrieben werden. Dieses Tripel wird Farbmaßzahlen genannt. Es lassen sich unterschiedliche Modelle für die Gewinnung dieses Tripels zugrunde legen. In jedem Falle geht es um die Darstellung eines Punktes oder eines Ortsvektors im dreidimensionalen Farbenraum (Bild 11). TU Ilmenau, Fakultät MB, FG Qualitätssicherung, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. G. Linß 10

11 Um Farbvalenzen zu kennzeichnen, sind folgende DIN-Farbmodelle in Anwendung: 1. Maßzahlen mit den Normfarbwerten X, Y, Z nach DIN 5033:1992, Teil 2, Pkt. 3 und Pkt.4 2. Helmholtz-Maßzahlen nach DIN 5033:1992, Teil 3, Pkt Maßzahlen auf der Grundlage der Farbenräume CIE 1976 nach DIN 5033:1992, Teil 3, Pkt Maßzahlen im System der DIN-Farbenkarte nach DIN 6164:1981, Teil 1. Welches Farbmaßzahlen-Tripel bevorzugt wird, hängt vom praktischen Anwendungsfall ab. Bei Lichtfarben wird im allgemeinen nur die Farbart beschrieben. Körperfarben werden in der Regel auf den vollkommen mattweißen Körper mit Y = 100 bezogen. CIE-X,Y,Z-Normfarbwerte-Modell Die Farbvalenz wird durch drei Normfarbwerte X, Y, Z beschrieben (Bild 11). Sie bestimmt das Verhalten eines Farbreizes in der additiven Mischung mit anderen Farbreizen. Die Normfarbwerte X, Y, Z einer zusammengesetzten Strahlung mit der Farbreizfunktion φ(λ) ergeben sich aus den Gleichungen [DIN 5033:1992, Teil 4, Pkt 2] X = k Σ φ(λ) xquer(λ) Δλ (10) Y = k Σ φ(λ) yquer(λ) Δλ (11) Z = k Σ φ(λ) zquer(λ) Δλ (12) Die Zahlenwerte der 2 -Normspektralwertfunktionen xquer(λ), yquer(λ), zquer(λ) im 2 - Normvalenzsystem sind für den Spektralbereich von ( ) nm in Schritten von Δλ = 5 nm in DIN 5033:1992, Teil 2, Tabelle 1 angegeben. Zur Berechnung von Normfarbwerten beispielsweise für Körperfarben in Aufsicht wird die Konstante k aus folgender Gleichung bestimmt [DIN 5033:1992, Teil 4, Pkt. 4.1]: k = 100 / (Σ φ(λ) yquer(λ) Δλ) (13) Der vollkommen mattweiße Körper bekommt den Normfarbwert Y = 100. Alle Wellenlängenangeben gelten für trockene Luft bei 15 C sowie Pa Druck und einem Volumenanteil von 0,03% CO 2. Aus den Normfarbwerten X, Y, Z lassen sich zur Kennzeichnung der Farbart auch die Normfarbwertanteile x, y, z ausrechnen [DIN 5033:1992, Teil 3, Pkt ]: x = X / (X + Y + Z) (14) y = Y / (X + Y + Z) (15) z = Z / (X + Y + Z) (16). Wegen x + y + z = 1 (17) werden meistens nur x und y ermittelt. Die Ermittlung von z dient gelegentlich der Kontrolle. Für die Kennzeichnung der Farbart einer Lichtquelle sind die Normfarbwertanteile ausreichend. Der Farbwert enthält zusätzlich Informationen über die Helligkeit. Für die Kennzeichnung einer Farbvalenz wird eine weitere unabhängige Größe genötigt. Bei Körperfarben wird dabei im 2 -Normvalenzsystem der Normfarbwert Y als Hellbezugswert benutzt. Zwischen den 2 -Normfarbwerten und den 10 -Normfarbwerten gibt es aus physiologischen Gründen keine Umrechnungsmöglichkeit im Sinne einer farbmetrischen Vektortransformation. TU Ilmenau, Fakultät MB, FG Qualitätssicherung, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. G. Linß 11

12 Im X;Y;Z-Normfarbwerte-Modell wird dann von Farbempfindungen gesprochen, wenn ein Beobachter eine andere Farbe "sieht", als den entsprechenden Farbvalenzen des Normbeobachters zuzuordnen wäre. Farbempfindungen können sich von den Farbvalenzen unterscheiden, wenn der Beobachter besondere Randbedingungen bezüglich Sichtwinkel, Farbstimmung, Farbflächenumgebung und Lichtstärke (Leuchtdichte) vorfindet. Zwei Farbreize mit unterschiedlichen Farbreizfunktionen heißen "bedingt-gleich" (metamer), wenn sie zu gleichen Farbvalenzen führen, also gleich aussehen. Eine Farbvalenz ist dann gleich, wenn die drei Farbwerte gleich sind. Die Farbwerte sind aber entsprechend Gln. (10) bis (12) Summenwerte. Daher ist es nicht zwingend, dass die Komponenten der Farbreizfunktionen für zwei Körper gleicher Farbe auch gleich sind. Beispielsweise können zwei Körper bei gleicher Beleuchtung und gleichem Aussehen dennoch verschiedene Remissionskurven ß(λ) haben. Die Folge ist, dass bei anderer Beleuchtung beide Körper verschiedene Farben zeigen. Insofern sind solche Farben nur bedingt gleich. Interessant ist diese Thematik für Nachfärbungen, die bei Tageslicht und bei künstlicher Beleuchtung denselben Farbeindruck vermitteln sollen. Zwei Farbreize mit gleicher spektraler Verteilung heißen "unbedingt-gleich". Die Normspektralwertfunktionen xquer(λ), yquer (λ), zquer(λ) im 2 -Normvalenzsystem geben die Farbwerte spektraler Farbreize gleicher Strahlungsleistung für den farbmetrischen Normalbeobachter CIE 1931 an. CIE-Normfarbtafel 1931-Modell Mit Rücksicht auf gute Anschaulichkeit und einfache Darstellung wird der Farbenraum (Bild 11) in eine zweidimensionale Farbtafel (Bild 12) projiziert. Daraus ergibt sich die flächige CIE-Normfarbtafel, die durch die Endpunkte der Primärvalenzen RGB gebildet wird (Bild 13) [ ]. Bild 13 CIE-Normfarbtafel 1931 für das 2 -Normvalenzsystem TU Ilmenau, Fakultät MB, FG Qualitätssicherung, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. G. Linß 12

13 Bei der CIE-Normfarbtafel handelt sich um ein rein mathematisches System. Grundfarben sind drei monochromatische Strahlungen mit definierten Wellenlängen. Die Primärvalenzen oder Normvalenzen sind: X Y Z Blau = 435,8 nm Grün = 546,1 nm Rot = 700 nm. In der Normfarbtafel werden die Normvalenzen als Vektoren dargestellt, die Ebenen bilden, auf denen alle Mischfarben der begrenzenden Grundfarben liegen[ ]. Die Normfarbwertanteile aller Spektralfarben bilden in Farbtafeln einen stetig gekrümmten Kurvenzug (Spektralfarbenzug), der nicht geschlossen ist. Die willkürliche Verbindung zwischen den Endpunkten heißt Purpurgerade. In den Normfarbtafeln wird mit rechtwinkligen Koordinaten gleicher Teilung für die Normfarbwertanteile x (Abszisse) und y (Ordinate) gearbeitet. Die umschlossene farbige Fläche in Bild 13 enthält die Farbörter aller reellen Farbarten. Die außerhalb dieser Fläche liegenden Farbörter entsprechen virtuellen Farbarten [DIN 5033:1992, Teil 3, Pkt ]. Die monochromatischen Spektralfarben, die am Rand des Spektralfarbenzuges in höchster Sättigung vorliegen, werden zur Mitte hin heller, sie verweißlichen", bis sie schließlich in ein unbuntes Weiß münden. Die übersichtlichere Darstellung der Farbarten führt aber zum Verlust der Information über den jeweiligen Farbwert, der auch die Helligkeit (Leuchtdichte) enthält. Aus A und B lassen sich nur solche Farben mischen, die auf der Geraden AB liegen. U ist der Unbuntpunkt oder der Farbort E des sogenannten energiegleichen Spektrums. Die CIE-Normfarbtafel 1964 für das 10 -Normvalenzsystem hat einen ähnlichen Verlauf wie Bild 13. Die CIE-Normfarbtafeln 1931 und 1964 sind experimentell ermittelt und lassen sich nicht ineinander umrechnen. Helmholtz-Maßzahlen-Modell Helmholtz-Maßzahlen beschreiben eine Farbvalenz mit Ausnahme der Purpurfarben als additive Mischung aus einer Spektralfarbe und einem Unbunt [DIN 5033:1992, Teil 3, Pkt. 4] CIE 1976-Farbenräume-Modelle Farbenräume CIE 1976 sind Farbenräume, die mit annähernd gleichabständigen Farbmaßzahlen für empfindungsgemäß gleichabständige Farbvalenzen arbeiten [DIN 5033:1992, Teil 3, Pkt. 5]. CIELAB-Farbenraum Im L*a*b*-Farbenraum CIE 1976, kurz CIELAB-Farbenraum, werden die Farbempfindungen über die Farbkoordinaten Helligkeit L*, Buntheit a* (Rot-Grün-Buntheit), Buntheit b* (Gelb-Blau-Buntheit) modelliert. Das System gibt alle sichtbaren Farben wieder, wobei die gesättigten Farben (Spektralund Purpurfarben) auf der Außenlinie der mittleren Ebene zu finden sind (Bild 14) [ ]. Die Farbortbestimmung ist gekennzeichnet durch (siehe Bild 14) Buntton H* (Hue) Richtung vom Unbuntpunkt Sättigung C* (Crominanz) Ebene im Farbenraum (auch S* Saturation) Helligkeit L* (Luminanz) Entfernung vom Unbuntpunkt (auch I* Intensity) TU Ilmenau, Fakultät MB, FG Qualitätssicherung, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. G. Linß 13

14 mit den Achsen: -a * - +a * = Grün - Rot -b * - +b * = Blau - Gelb L * = Helligkeit (0 = Schwarz, 100 = Weiß) Bild 14 CIELAB-Farbenraum Der L*a*b*-Farbenraum hat analog zum CIE Farbenraum 1931 auch eine Farbtafel. In der a*b*- Farbtafel (a*b*-diagramm) werden die geraden Linien aus der CIE-Normfarbtafel im allgemeinen zu gekrümmten Linien. Die additiven Mischfarben haben demnach ihre Farbörter auf gekrümmten Verbindungslinien der Farbörter der Komponenten. Schwerpunkt der Anwendung der a*b*-farbtafel liegt bei der subtraktiven Mischung von Farbmitteln (Pigmenten) [DIN 5033:1992, Teil 3, S. 5]. CIELUV-Farbenraum Im L*u*v*-Farbenraum CIE 1976, kurz CIELUV-Farbenraum, werden die Farbempfindungen über die Farbkoordinaten Helligkeit L*, Buntheit u*, Buntheit v* modelliert. Die rechnerisch bestimmten Farbabstände entsprechen in etwa den empfundenen Farbabständen. Der Farbabstand wird wie im CIELAB-System berechnet. l Für die Berechnung der u*v*-farbtafel wird eine Formel benutzt, durch die Geraden in der CIE- Normfarbtafel 1931 auch Geraden in der u*v*-farbtafel bleiben. Die Lineartransformation von CIELUV aus dem CIE-Normvalenzsystem bewirkt, dass CIELUV gegenüber CIELAB einen verkleinerten Grünund vergrößerten Blaubereich hat. Schwerpunkt der Anwendung der u*v*-farbtafel liegt bei de additiven Mischung von Lichtquellen (Monitoren) [DIN 5033:1992, Teil 3, S. 5]. Die Normfarbwerte X, Y, Z des CIE-Modells lassen sich in die Farbwerte L*, a*, b* des CIELAB- Modells und die Farbwerte L*, u*, v* des CIELUV-Modells umrechnen und umgekehrt. TU Ilmenau, Fakultät MB, FG Qualitätssicherung, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. G. Linß 14

15 Farbensystem DIN 6164 Farbmaßzahlen nach dem Farbensystem DIN 6164 beschreiben die Farbvalenz von Körperfarben bei Beleuchtung mittels Normlichtart D 65 durch Angabe des Bunttons T, der Sättigungsstufe S und der Dunkelstufe D in Übereinstimmung mit dem angestrebt empfindungsgemäß gleichabständigen Ordnungssystem der DIN-Farbenkarte DIN 6164, Teil 1. Diese Farbmaßzahlen werden üblicherweise in Form des Farbzeichens T:S:D mitgeteilt [DIN 5033:1992, Teil 3, Pkt. 6]. Die DIN-Farbentafeln (Bild 15) [ w5.cs.uni-sb.de/~butz/teaching/sg-ss00/sg-ss00-04/sld034.htm ] umfassen etwa 600 Farbtöne. Das Deutsche Institut für Normung e.v. bietet seit 1986 keine Farbmuster des DIN-Systems mehr an. Farbkartenherstellern blieb es jedoch freigestellt, Musterkarten nach DIN 6164 zu produzieren. Deshalb ist das Farbensystem DIN 6164 bei einigen Farbmusterherstellern noch erhältlich [ ] Bild 15 DIN-Farbenkarte 6164 Für weitere Einzelheiten wird auf die einschlägigen Normen verwiesen: ISO/CIE ISO/CIE DIN 5033 Teil 1 bis 9 DIN 6164 Teil 1 bis 3 DIN 6169 Teil 1 bis 8 CIE standard colorimetric illuminants CIE standard colorimetric observers Farbmessung DIN-Farbkarten Farbwiedergabe Lichtarten Lichtart ist die Benennung für eine Strahlung definierter relativer spektraler Verteilung in dem Spektralbereich, der einen Einfluss auf die Farbe von Messobjekten hat. Gleiche Lichtarten haben auch gleiche Farbarten. Die relative spektrale Strahlungsverteilung S(λ) wird Strahlungsfunktion genannt. Bei den Betrachtungen von Selbstleuchtern (Lichtquellen) im direkten Licht sind die Farbreizfunktionen φ(λ) gleich deren physikalischen Strahlungsfunktionen S(λ) d.h. φ(λ) = S(λ). (18) TU Ilmenau, Fakultät MB, FG Qualitätssicherung, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. G. Linß 15

16 Bei der Betrachtung von Nichtselbstleuchtern im reflektierten Licht entsteht die Farbreizfunktion durch die Multiplikation der Strahlungsfunktion des beleuchtenden Lichtes mit dem spektralen Remissionsgrad ß(λ) der beobachteten Probe bei allen Wellenlängen im sichtbaren Spektralbereich, d.h. φ(λ) = S(λ) ß(λ). (19) Bei optischen Vorgängen ist zu unterscheiden zwischen [ ] Reflexionsgrad Transmissionsgrad Remissionsgrad Der Reflexionsgrad ρ v ist definiert als das Verhältnis vom zurückgeworfenen Lichtstrom Φ r zum auffallenden Lichtstrom Φ o ρ v = Φ r / Φ o (20) Der Transmissionsgrad τ v ist definiert als das Verhältnis des an der Austrittsfläche ankommenden spektralen Strahlungsflusses S a zu dem in das Filter eingedrungenen Strahlungsflusses S e τ v = S a / S e (21) Der Remissionsgrad ß v ist definiert als das Verhältnis der Leuchtdichte L der betrachteten Fläche zur Leuchtdichte L W von genauso beleuchtetem idealen Weiss ß v = L / L W. (22) Der Remissionsgrad ist richtungsabhängig. Wenn nicht anders beschrieben, wird die Probe unter 45 beleuchtet und senkrecht zu ihrer Oberfläche betrachtet. Unter Remissions-Indikatrix wird die richtungsabhängige räumliche Verteilung des Remissionsgrades ß v bei allen Betrachtungswinkeln im Halkreis oder in der Halbkugel verstanden. Der Index v (visuell) soll darauf hinweisen, dass es sich um mit dem Auge, also mit V(λ) bewertete Größen handelt (siehe Bild 8). Farbarten Farbvalenzen, die sich nur durch ihre Leuchtdichte oder ihren Hellbezugswert voneinander unterscheiden, haben die gleiche Farbart. Lichtfarben Lichtfarbe ist die Farbart einer Lichtart. Sie ist die Farbe eines Selbstleuchters (Lichtquelle). Für die Farbreizfunktion gilt Gl.(18). Körperfarben Körperfarbe ist die Farbe eines Nicht-Selbstleuchters (Körpers), der zur Sichtbarkeit von Farben mit einer Lichtstrahlung beleuchtet werden muss. Körperfarben entstehen durch Reflexion bzw. Absorption bestimmter Wellenlängenanteile aus der beleuchtenden Lichtstrahlung. Die auftreffende Lichtstrahlung wird in ihrer Zusammensetzung geändert (Bild 16) [ ]. Die Farbvalenz TU Ilmenau, Fakultät MB, FG Qualitätssicherung, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. G. Linß 16

17 einer Körperfarbe ist also nur in Verbindung mit der Strahlungsfunktion S(λ) der sie beleuchtenden Lichtart definiert. Zur einheitlichen Beschreibung von Körperfarben wurde der Remissionsfaktor R(λ) eingeführt, der die Farbreizfunktion für eine Strahlung S(λ) beschreibt, bei der die Intensität des einfallenden Lichtes in allen Wellenlängen gleich groß und konstant ist. Der Remissionsfaktor R(λ) ist deshalb unabhängig von der Leuchtquelle und nur körperspezifisch. Φ(λ) = S(λ) R(λ) (23) Bild 16 Entstehung von Körperfarben Farbtemperatur Die Farbtemperatur eines Strahlers ist diejenige Temperatur des Planckschen Schwarzen Strahlers, bei der dieser die gleiche Farbart hat wie ein entsprechender Lichtstrahler. Äquivalente technische Strahler haben eine höhere Temperatur. Farbstimmung Farbstimmung ist der Zustand des Auges, bei dem es sich an die im Gesichtsfeld herrschende Farbe angepasst hat. Die Farbstimmung wird durch diejenige Farbart beschrieben, die jeweils als unbunt empfunden wird. Bunt und unbunt Bunte Farben zeigen drei voneinander unabhängige Empfindungsqualitäten und zwar Buntton (Farbton) Sättigung bzw. Buntheit Helligkeit. Unbunte Farben haben keine Buntheitseigenschaften (Buntton und Sättigung bzw. Buntheit). Sie zeigen nur Helligkeit. Unbuntfarben sind Schwarz und Weiss. Mischfarben aus den Unbuntfarben TU Ilmenau, Fakultät MB, FG Qualitätssicherung, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. G. Linß 17

18 Schwarz und Weiss sind Grau. Farbwert der Unbuntfarben ist die Helligkeit. Die Schwarz/Weiss- Information (Helligkeit) wird auch als Luminanz bezeichnet. Die Unbuntfarbe Weiß setzt sich aus allen Wellenlängen des sichtbaren Spektrums zusammen. Sind alle Wellenlängen mit gleicher Strahlungsenergie vorhanden, ergibt sich das sogenannte Gleichenergieweiß. Für das menschliche Auge genügen dafür nur die Wellenlängen des sichtbaren Bereichs. Die Helligkeit gibt die Lichtempfindung (Leuchtempfindung, hell, dunkel) an. Die in der Optik gebräuchliche Bezeichnung für die Lichtempfindung ist Leuchtdichte. Sie hat die metrologische Einheit cd/m2. Das menschliche Auge ist bei einer Leuchtdichte ab etwa 30 cd/m2 helladaptiert. Unter diesen Bedingungen findet Zäpfchensehen statt, das für die Farbwahrnehmung entscheidend ist [1, Seite ]. Eine Lichtfarbe ist in der Farbmetrik unbunt, wenn sie die gleiche Farbart wie das energiegleiche Spektrum der Sonne hat. Eine Körperfarbe ist in der Farbmetrik unbunt, wenn sie die gleiche Farbart wie die beleuchtende, als unbunt empfundene Lichtart hat und mit einem auf diese Lichtart eingestimmten Auge betrachtet wird. Je nach Hellbezugswert werden diese Körperfarben weiß, grau oder schwarz genannt. Buntton (Farbton) Der Buntton (früher Farbton) beschreibt die Art der Buntheit einer Farbe. Er wird im täglichen Leben mit Wörten wie rot, grün, blau usw. belegt. In der Theorie wird davon ausgegangen, dass sich der Buntton einer Farbe nicht verändert, wenn eine Unbuntfarbe hinzugemischt wird. In der Praxis tritt das dennoch auf. Buntheit und Sättigung Die Buntheit beschreibt die Verschiedenheit einer Farbe vom gleichhellen Unbunt. Die Sättigung beschreibt das Verhältnis der Buntheit zur Helligkeit. Sättigung ist die Intensität, mit der das Merkmal Buntton wahrgenommen wird (Bild 17). stark gesättigtes Grün schwach gesättigtes Grün Gleichenergieweiß [nm] Bild 17 Farbreiz bei unterschiedlichen Sättigungsgraden TU Ilmenau, Fakultät MB, FG Qualitätssicherung, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. G. Linß 18

19 Für Farben gleicher Helligkeit ist bei gleicher Buntheit auch die Sättigung gleich. Farben gleichen Bunttons und gleicher Sättigung haben unabhängig von ihrer Helligkeit annähernd die gleiche Farbart. Gesättigte Farben sind die Spektralfarben, wie sie bei der Zerlegung von weißen Sonnenlicht durch ein Prisma entstehen (Bild 18) [ ]. Sättigung ist ein Maß für die spektrale Reinheit einer Farbe. Bild 18 Zerlegung des Sonnenlichtes durch ein Prisma Ungesättigte Farben entstehen, wenn verschiedene Farben gemischt werden. So kann aus gesättigtem Rot durch Hinzumischen von grünem und blauem Licht als ungesättigte Farbe Rosa erzeugt werden. Helligkeit und Hellbezugswert Die Stärke einer Lichtempfindung bei Farbempfindungen wird Helligkeit genannt. Bei Selbstleuchtern (Lichtfarben) und in lichtloser Umgebung dient die Helligkeit oder Leuchtdichte L als Helligkeitsmaß. Bei Nicht-Selbstleuchtern (Körperfarben) dient der Hellbezugswert als Helligkeitsmaß. Die Helligkeit einer Farbe verändert den Charakter einer Farbe nicht. Deshalb wird in technischen Systemen vielfach mit den Charakteristika Farbart und Helligkeit gearbeitet. Farben, welche sich nur durch die Helligkeit unterscheiden, werden Farben gleicher Farbart genannt (Bild 19) [NAiS-Matsushita 2001 CD-ROM]. Bild 19 Farbart und Helligkeit TU Ilmenau, Fakultät MB, FG Qualitätssicherung, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. G. Linß 19

20 Mitunter muss auch die Helligkeit herangezogen werden, weil ein wahrgenommenes Braun bei zunehmender Helligkeit in ein Orange übergeht. Orange und Braun können dennoch nicht als eine Farbe bezeichnet werden. Der Farbort des Farbvektors Orange liegt in der gleichen Richtung wie der Farbort des Farbvektors Braun [1]. Optimalfarben Optimalfarben sind ideale Körperfarben, deren spektraler Reflexionsfaktor oder Transmissionsfaktor entweder 0 oder 1 beträgt. Farbabstand Die Größe des empfindungsgemäßen Unterschiedes zwischen zwei Farben heißt Farbabstand ΔE. DIN 6174 empfiehlt eine Farbabstandsformel. Bisher ist jedoch keine Formel bekannt, die Farbabstände exakt empfindungsgemäß bewertet [DIN 5033:1979. Teil 1, Pkt. 18, S. 4]. Primär-, Sekundär- und Tertiär-Farben Die Grundfarben des RGB- und des CMY-Modells werden Primärfarben genannt. Werden zwei Primärfarben gemischt, so entstehen Sekundärfarben. Orange z.b. ist eine Sekundärfarbe, weil sie aus Rot und Gelb gemischt ist. Ein Farbgemisch von Komponenten aller drei Primärfarben erzeugt Tertiärfarben. Die nachstehenden Farbbänder (Bild 20) [ ] veranschaulichen die Fülle möglicher Sekundärfarben. Anfang und Ende der Bänder sind die Grundfarben des RGB-Modells: Rot, Grün und Blau - die Mittelpunkte sind die Mischfarben Gelb, Cyan und Magenta im RGB-Modell und zugleich die Grundfarben des CMY-Modells. Alle Farben, die sich zwischen dem Mittelpunkt und einem der beiden Eckpunkte befinden, sind Sekundärfarben: von Rot über Gelb nach Grün von Grün über Cyan nach Blau von Blau über Magenta nach Rot Bild 20 Darstellung von Grund-, Misch-, Primär- und Sekundärfarben TU Ilmenau, Fakultät MB, FG Qualitätssicherung, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. G. Linß 20

21 Lichtquellen Je nach Art der Beleuchtung haben Körperfarben verschiedene Farbvalenzen. Um diese Vielfalt zu beschränken, wurden international einige Normlichtarten vereinbart: Normlichtart A: Glühlampenlicht der Farbtemperatur 2856 K; Normlichtart C: Glühlampenlicht der Farbtemperatur 6500 K; Normlichtart D 65: mittlere Tageslichtphase mit der ähnlichsten Farbtemperatur 6500 K. Leuchtdioden LED (light emitting diode) leuchten nur in einem bestimmten, genau abgegrenzten Spektralbereich. Sie sind monochromatisch. Weisses Licht kann mit diesem Leuchtmittel durch den Einsatz verschiedenfarbiger LED erzeugt werden. Die additive Farbmischung von Rot, Grün und Blau (RGB) wie beim Farbfernseher oder auch z.b. nur von Cyan und Gelb kann neben allen anderen Mischfarben auch weisses Licht erzeugen. In Multi-LED (Bild 21) werden drei verschiedene LED-Chips in einer LED kombiniert. Diese LED können also mit einer entsprechenden Ansteuerung in allen entsprechenden Grund- und Mischfarben, also auch weiss, leuchten (Bild 22) [ led-info.de/grundlagen/l_multi.htm ] Bild 21 Multi LED Bild 22 Multi-LED mit Ansteuerung unterschiedlicher Strahlung TU Ilmenau, Fakultät MB, FG Qualitätssicherung, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. G. Linß 21

22 Additive Farbmischung Wenn zwei Lichtquellen auf ein und dieselbe Fläche gehalten werden, so wird diese Fläche heller beleuchtet, als wenn nur eine einzige Lichtquelle diese Fläche anstrahlen würde. Die Lichtintensität addiert sich und die Fläche strahlt heller. Weil sich die Intensitäten der Lichtfarben addieren, heißt dieser Vorgang additive Farbmischung (Bild 23) [ ]. Additive Farbmischung entsteht immer, wenn die Farben mehrerer farbiger Lichtquellen überlagernd auf eine beliebige Unterlage projiziert werden. Additive Primärfarben sind Rot, Grün, Blau (RGB). Bild 23 Additive Farbmischung auf dunklem Grund In der Grafik (Bild 24) [ ] sind drei Scheinwerfer mit jeweils rotem, blauem und grünem Licht in einem abgedunkelten Raum auf eine helle Fläche gerichtet. Bild 24 Additive Farbmischung auf dunklem Grund Die additive Farbmischung gehorcht den Regeln der Vektoraddition. Jede Farbart wird durch einen vom Nullpunkt (Schwarzpunkt) ausgehenden Ortsvektor bestimmt. Die Länge des Ortsvektors gibt den Farbwert an. Der Farbwert ist ein Maß für die Helligkeit einer Farbe. Farben, die sich nur durch ihre Helligkeit unterscheiden, werden Farben gleicher Farbart genannt. Bildschirmfarben entstehen durch additive Farbmischung. Die Qualität der Farbdarstellung ist von zahlreichen technischen Parametern des Bildschirms abhängig, so dass Illustrationen nicht auf allen Bildschirmen denselben Farbeindruck vermitteln müssen. TU Ilmenau, Fakultät MB, FG Qualitätssicherung, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. G. Linß 22

23 Subtraktive Farbmischung Im Unterschied zur additiven Farbmischung mit farbigen Lichtquellen erfolgt die subtraktive Farbmischung mit farbigen Stoffen, die auch als Pigmente, Farbmittel oder Farben benannt werden (Bild 25) [ ]. Bild 25 Subtraktive Farbmischung mit Pigmenten Je mehr farbige Stoffe mit unterschiedlichen Farben gemischt werden, umso mehr Licht wird in den Stoffen absorbiert. Die Lichtintensität der vom Grund reflektierten Farbstrahlen nimmt ab (Bild 26) [ ]. Die Mischung der subtraktiven Primärfarben Cyan, Magenta, Gelb (CMY) ergibt Schwarz K. Das K kommt von Black. Bild 26 Subtraktive Farbmischung beim Pinseln Druckerfarben entstehen durch subtraktive Farbmischung. Da tiefes Schwarz eine sehr präzise Dosierung der Komponenten Cyan, Magenta und Gelb erfordern würde, sind Druckerpatronen zusätzlich mit tiefem Schwarz ausgerüstet. Die Qualität der Farbdarstellung ist von zahlreichen technischen Parametern des Druckers und Papiers abhängig, so dass Illustrationen nicht mit allen Druckern denselben Farbeindruck vermitteln müssen. TU Ilmenau, Fakultät MB, FG Qualitätssicherung, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. G. Linß 23

24 Subtraktive Farbmischungen können auch mit Lichtquellen erzeugt werden, denen farbige Absorptionsfilter vorgeschaltet sind. Mit Zuschalten jedes weiteren Filters nimmt die Lichtintensität ab, sie ist subtraktiv. Bei mehreren hintereinander geschalteten Farbfiltern verschiedener Art können unterschiedlich viele Grenzflächen mit Reflexionsanteilen entstehen. Um die Ergebnisse verschiedener Farbfilter bzw. Farbfilteranordnungen vergleichbar zu machen, wird mit dem Rein-Transmissionsgrad gerechnet. Der Rein-Transmissisonsgrad Gl. (21) ist definiert als Quotient der Strahlungsintensität an der Filteraustrittsfläche zur Strahlungsintensität an der Filtereintrittsfläche. Reflexionen an Grenzschichten werden dabei berücksichtigt. Wird durch ein Farbfilter beispielsweise ein Drittel des Spektrums aus dem weißen Licht absorbiert, so entsteht der Farbeindruck der Komplementärfarbe. Wird also der Blauanteil herausgefiltert, dann entsteht ein gelber Farbeindruck. Weil beispielsweise ein Gelbfilter den kurzwelligen Blauanteil absorbiert und ein Blaufilter den langwelligen Rotanteil absorbiert, ergibt die Beleuchtung mit weißer Lichtquelle durch die beiden Farbfilter einen grünen Farbeindruck (Bild 27) [1]. Transmission T( ) Gelbfilter Cyanfilter Kombination beider Filter 0,4 0, [nm] Bild 27 Subtraktive Farbmischung mit Filterlampen Werden für die subtraktive Farbmischung drei Filter verwendet, die jeweils 1/3 des Spektrums herausfiltern, dann ergibt die Serienschaltung der drei Filter die Unbuntfarbe Schwarz. Die bekannteste technische Anwendung der subtraktiven Farbmischung ist die Farbfotografie mit Farbfilmen. In den Farbumkehrfilmen gibt es drei übereinander liegende Farbfilterschichten Cyan C, Magenta M und Gelb Y. Die Transmissionseigenschaften der jeweiligen Schichten werden durch die farbige Belichtung und den anschließenden Entwicklungsprozess des Films gesteuert [2, Seite 58]. YUV-Farbraum-Modell beim Farbfernsehen Beim Farbfernseher entsteht die Farbe durch additive Farbmischung. Jeder Rasterpunkt besteht aus drei Bildpunkten. Die beschränkte Ortsauflösung des Auges führt zur Wahrnehmung als ein Farbreiz. Die Bilderzeugung durch CCD-Chips in der Kamera folgt den Prinzipien der additiven Farbmischung nach dem RGB-Standard [3]. Die Bildaufzeichnung erfolgt jedoch in der Regel nach dem YUV-Standard. TU Ilmenau, Fakultät MB, FG Qualitätssicherung, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. G. Linß 24

25 Y steht hierbei für das Luminanzsignal, U und V sind Farbdifferenzsignale. Sie enthalten keine Helligkeitsinformation, sondern definieren lediglich Buntton und Sättigung. Das Komponentensignal wird nach folgender Formel aus einem RGB-Signal gewonnen [home.germany.net/ /digvid.htm]: Y = 0,3 R + 0,59 G + 0,11 B U = R - Y V = B Y. Technisch wird dieser Vorgang als Matrixierung bezeichnet. Die Digitalisierung von YUV-Signalen bringt große Vorteile gegenüber der Digitalisierung von RGB- Signalen. Weil das menschliche Auge auf Helligkeitsdifferenzen erheblich empfindlicher reagiert als auf Farbunterschiede, können die Farbdifferenzsignale mit kleinerer Abtastfrequenz digitalisiert werden als die Helligkeitsdifferenzsignale. Dies reduziert die zu verwaltende Datenmenge erheblich, ohne dass sichtbare Qualitätsverluste auftreten. Die Abtastfrequenzen für die einzelnen Signalkomponenten unterscheiden sich je nach Videosystem. In den technischen Unterlagen werden seltener die genauen Abtastfrequenzen, sondern eher das Verhältnis der Frequenzen untereinander angegeben (Bild 28). Die erste Ziffer steht für die Luminanz (Y), die zweite und dritte Ziffer für die Farbdifferenzsignale U und V. In seltenen Fällen wird noch ein vierter Wert angegeben. Dieser steht dann für einen zusätzlich digitalisierten Alpha- oder Key- Kanal. Format Abtastfrequenzen (Sampling-Verhältnisse) Verhältnis Betacam SX 4:2:2 Digital Betacam 4:2:2 D-1 4:2:2 D-5 4:2:2 DCT 4:2:2 DV (PAL) 4:2:0 DV (NTSC) 4:2:1 DVC Pro 25 4:1:1 DVC Pro 50 4:2:2 DV Cam 4:2:0 Digital-S 4:2:2 Bild 28 Abtastfrequenzen beim Farbfernsehen. D-2 und D-3 zeichnen keine Komponentensignale auf Ausgehend von der Basisfrequenz von 3,375 MHz lassen sich die tatsächlichen Abtastfrequenzen folgendermaßen ermitteln: 4:2:2 Das Luminanzsignal wird mit 13,5 MHz (4 3,375 MHz) abgetastet, die beiden Farbdifferenzsignale jeweils mit 6,75 MHz (2 3,375 MHz). Dieses Abtastverhältnis entspricht der Norm CCIR-601. Vereinfacht sieht die Angelegenheit so aus: TU Ilmenau, Fakultät MB, FG Qualitätssicherung, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. G. Linß 25

26 Die YUV-Signale werden für jede Bildzeile erfasst. Auf horizontaler Ebene wird für je zwei nebeneinanderliegende Pixel der gleiche Farbwert verwendet. 4:1:1 Das Luminanzsignal wird mit 13,5 MHz abgetastet, die beiden Farbdifferenzsignale jeweils mit 3,375 MHz ( 1 3,375 MHz). Die YUV-Signale werden für jede Bildzeile erfasst. Auf horizontaler Ebene wird für je vier nebeneinander liegende Pixel der gleiche Farbwert verwendet. 4:2:0 Das Luminanzsignal wird mit 13,5 MHz abgetastet. Bei der Abtastung der Farbdifferenzsignale wird ausgenutzt, dass das menschliche Auge in vertikaler Richtung ein erheblich geringeres Auflösungsvermögen hat als in horizontaler Richtung. Abwechselnd werden eine Bildzeile im Verhältnis 4:2:2 und die darauf folgende Bildzeile im Verhältnis 4:0:0 digitalisiert. Bildzeilen, für die keine Farbinformation aufgezeichnet wurde, übernehmen das Farbsignal der darüber liegenden Bildzeile. Im digitalisierten Videobereich wird bei der Bildaufzeichnung mit Quantisierungsraten von 8 bit gearbeitet (Bild 29) [ home.germany.net/ /digvid.htm ]. Das entspricht einer Abtastgenauigkeit von 256 Helligkeitsstufen (2 8 ). Beispiele hierfür sind D-1, D-2 und DVC Pro. Digital Betacam und D-5 arbeiten dagegen mit einer Quantisierungsrate von 10 bit. Dies entspricht einer Auflösung von 1024 Helligkeitsstufen (2 10 ). Im digitalisierten Audiobereich wird bei der Tonaufzeichnung mit Quantisierungsraten von 16 bit gearbeitet. Beispiele hierfür sind DVC-Pro und Betacam SX. Digital Betacam und DCT arbeiten dagegen mit einer Quantisierungsrate von 20 bit. Dies entspricht einer Auflösung von Tonstufen (2 20 ). Quantisierungsraten Format Video Audio Betacam SX 8 bit 16 bit Digital Betacam 10 bit 20 bit D-1 8 bit 16 bit D-2 8 bit 16 bit D-3 8 bit 16 bit D-5 10 bit 16 bit DCT 8 bit 16 bit DV 8 bit 12/16 bit DVC Pro 25 8 bit 16 bit DVC Pro 50 8 bit 16 bit DV Cam 8 bit 12/16 bit Bild 29 Quantisierungsraten bei Video und Audio TU Ilmenau, Fakultät MB, FG Qualitätssicherung, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. G. Linß 26

27 Datenströme Unter Datenstrom (gemessen in Megabit pro Sekunde) wird die Datenmenge verstanden, die bei der Digitalisierung eines Videobildes innerhalb einer bestimmten Zeit entsteht und damit vom System verarbeitet werden muss. Der Gesamtdatenstrom einer Komponentenaufzeichnung setzt sich zusammen aus den Einzeldatenströmen für das Luminanzsignal und die beiden Farbdifferenzsignale. Diese Einzeldatenströme wiederum sind in ihrem Volumen abhängig von der Abtastfrequenz und der Quantisierungsrate. In den meisten Fällen erfolgt vor der Aufzeichnung auf Videoband eine Komprimierung oder Datenreduktion. Diese ist abhängig von der Art des zum Einsatz kommenden Aufzeichnungsstandards. Die Datenströme für ein nach CCIR-601 Norm (4:2:2) digitalisiertes Video betragen: Datenstrom Y: 13,5 MHz 8 bit = 108 Mbit/s Datenstrom U: 6,75 MHz 8 bit = 54 Mbit/s Datenstrom V: 6,75 MHz 8 bit = 54 Mbit/s Gesamtdatenstrom = 108 Mbit/s + 54 Mbit/s + 54 Mbit/s = 216 Mbit/s. Unter Umständen sind in der Literatur, trotz identischer Werte für Abtastfrequenz, Abtastverhältnis und Quantisierungsrate, unterschiedlich hohe Gesamtdatenströme angegeben. Dies resultiert aus Ungenauigkeiten bei der Rundung oder aus Abweichungen in der Gesamtpixelzahl des zugrunde liegenden Bildes. Farbmessgeräte Für Farbmessgeräte (Spektralphotometer) gibt es unterschiedliche technische Lösungen. Da das menschliche Auge beim Farbsehen das Farbempfinden aus Farbanteilen der drei Grundfarben Rot, Grün und Blau generiert, werden diese drei Grundfarbanteile auch für die Messung und Darstellung von Farbe verwendet. Das auf dieser Grundlage basierende Messverfahren wird als Dreibereichsverfahren (Tristimulusverfahren) (Bild 30) bezeichnet [ ] Bild 30 Dreibereichsverfahren zur Farbmessung Für Produktberichte zu anderen Geräten sind aktuelle Quellen, insbesondere im Internet, zu empfehlen, beispielsweise [ ]: TU Ilmenau, Fakultät MB, FG Qualitätssicherung, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. G. Linß 27

28 In-Sight 1000C Farb-Vision Sensor Der kompakte In-Sight 1000C Farb-Vision Sensor kann schnell und einfach als selbständige Einheit an der Fertigungslinie integriert werden und vereint die Vorteile intelligenter Kameras mit denen komplexer Bildverarbeitungssysteme. mehr Software Formulation Master 2001 und Monitor Optimizer Mit dem integrierten und Windows-kompatiblen Programm-Paket Formulation Master 2001 und dem Monitor Optimizer ist der Anwender in der Lage, direkt am Bildschirm seine Farben zu vergleichen. mehr Spektrophotometer CM-2600d Das portable Spektrophotometer CM-2600d von Minolta für die Farbmesstechnik in der Produktionskontrolle beschränkt sich auf zwei Bedienungsknöpfe. mehr Farbmesssystem Mercury Das mobile, batteriebetriebene Farbmesssystem Mercury von Datacolor nutzt aktuelle Sensortechnik mit doppelt so hoher Auflösung wie diejenige von Laborgeräten. mehr Farbmessgerät Color-EyeXTH Das tragbare Farbmessgerät Color-EyeXTH erlaubt die Farbmessung an nahezu jeder Oberfläche, unabhängig von der Probengeometrie. mehr TU Ilmenau, Fakultät MB, FG Qualitätssicherung, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. G. Linß 28

29 5. Praktisches Demonstrationsbeispiel Bild 31 Praktikumsplatz mit 3 Chip CCD- Farbkamera PC mit Pentium Prozessor und ICP Bildverarbeitungskarte mit Color- Modul verstellbares Reprostativ mit zwei Leuchtstofflampen und Kamerahalterung Netzteil für Kamera Halterung für Meßobjekt Bildverarbeitungssoftware OPTIMAS 6.2 Die vollständige Softwaredokumentation für das Analyseprogramm OPTIMAS und die Analytical Language for Image (ALI) sind am Praktikumsplatz einzusehen. Kennenlernen der Eigenschaften von OPTIMAS Mit Optimas können interaktiv eine Vielzahl von Bildverarbeitungsgrundfunktionen wie Bildaufnahme, Vorverarbeitung, Bildverbesserung, Farbbearbeitung, Objektklassifizierung und Objekterkennung durchgeführt werden [4], [5], [6]. Zur Automatisierung erarbeiteter Prüf- bzw. Messstrategien können diese interaktiven Aufrufe über einen Makrorecorder in einer Makrodatei gespeichert werden (Bild 32). Das nachträgliche Ändern von Funktionen erfolgt über einen Editor. Die Abarbeitung ist auch im Schrittbetrieb möglich. Bild 32 Beispielmakro zur Kantendetektion mit Hilfe von Markerflags TU Ilmenau, Fakultät MB, FG Qualitätssicherung, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. G. Linß 29

30 Die Makrosprache basiert auf den Analytical Language for Images (ALI), einer vektororientierten C- ähnlichen Programmiersprache [6, Chapter 12 ]. Diese ist erforderlich, um die Parameterübergabe zwischen den Funktionen während des Makroablaufes zur realisieren. Für die Erstellung der Makros sind Grundkenntnisse über die Parameterübergabe der ALI erforderlich. Die Funktionsargumente und Resultate sind generell Vektoren (Strings), die eine beliebige Anzahl von Parametern durch Kommata getrennt bis zum Stringende enthalten können. Die vollständige Syntax zur Parameterübergabe ist in der ALI-Dokumentation [6, Chapter 17] und für ausgewählte Befehle im Punkt 5.3. beschrieben. Im Unterschied zur Programmiersprache C werden Vektoren bzw. Matrizen von Datenelementen mit Hilfe folgender Operatoren erzeugt: : Spaltentrenner (z.b 1 : 2 : 3 : 4 ->Vektor von INT-Daten mit 4 Einträgen) :: Zeilentrenner (z.b. 1 : 2 : 3 :: 4 : 5 : 6 -> 2 x 3 Matrix).. Fülloperator (z.b >Vektor mit Daten: 0 :1 : 2 : 3) Über das On-line-Hilfesystem können mit <Strg> + <F1> weitere Informationen über die Funktionen und deren erforderliche Parameter abgefragt werden. Im Makroprogramm können Variablen mit beliebigen Namen für die Grunddatentypen deklariert werden. Typische Datentypen sind: INTEGER 16 bit signed BOOLEAN derived from INTEGER, (-1 is FALSE, 0 is TRUE) LONG 32 bit signed CHAR 8 bits, unsigned character data BYTE 8 bits, unsigned REAL 64 bits, IEEE double precision Mit der Zuweisung eines Funktionsresultates zu einer nicht deklarierten Variablen übernimmt diese auch den Ergebnisdatentyp der Funktion. OPTIMAS ist in erster Linie eine Analysesoftware, so dass Detektionsroutinen beispielsweise zur Lagebestimmung von Konturen nicht direkt vorhanden sind. Dennoch können Linien-ScreenObjekte aus dem DataCollection-Tool als Suchlinien bzw. Messlinien verwendet werden, von denen interessierende Daten wie beispielsweise Grauwertverläufe und Abstände von Markierungen extrahiert werden können. Zur Detektion von Kantenübergängen können über das Menü Data, Marker sogenannte Marker Flags gesetzt werden. Dies sind charakteristische Kantenübergänge nach denen automatisch entlang der Linien-Screen Objekte gesucht wird, wenn die Funktion Extract() aufgerufen wird. Für die Detektion ist eine Referenzlinie zu zeichnen, an welcher die Marker bei vorhandenem Kantenübergang angezeigt werden (Bilder 33 bis 35). Bild 33 Bedienoberfläche OPTIMAS 6.2 und Messobjekt TU Ilmenau, Fakultät MB, FG Qualitätssicherung, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. G. Linß 30

31 Bild 34 Messungen mit Marker 1, Bezeichnung A, dazu das Initialisierungsfenster rechts oben, darunter das Data Collection-Tool im Measurment Explorer und ganz unten die extrahierten Daten in der View Box Bild 35 Farbdetektion durch Schwellwerte, welche im obigen, rechten Fenster verändert werden können Es können außerdem Screen-Objekte automatisch erzeugt werden, indem Bereiche, die aufgrund eines Schwellwertkriteriums erkannt wurden, auf Punkte, Linien reduziert (erodiert) werden oder die Hüllfläche erzeugt wird. Diese Betriebsart ist in Zusammenhang mit den multiplen Thresholds (spezielle Schwellwerte) gut anzuwenden, um Regionen mit spezieller Farbcharakteristik zu detektieren (Bild 35). TU Ilmenau, Fakultät MB, FG Qualitätssicherung, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. G. Linß 31

32 Kennenlernen ausgewählter Befehle der ALI [6] Befehl Acquire() Schaltet die Livebildaufnahme ein. Argument: True der Benutzer muß eine Bedingung eingeben (es erscheint ein Button, nach Entscheidung entsprechender Rückgabewert). False oder Null keine Bedingung Rückgabe: False (z.b. bei Abbruch), sonst True Befehl Create Line() Zeichnet eine Linie (line screen objekt) Argument: Arg0: NULL Linie muß manuell gezeichnet werden Mindestens ein vier Punkte REAL Vektor mit Zeilen und Spaltentrenner, Koordinaten x,y (Anfang und Ende der Linie). Kann mehrere Punkte bei gekrümmten Linie enthalten. Arg1: TRUE zeichnet eine Referenzlinie NULL oder FALSE zeichnet eine durch Arg0 vorgegebene Linie Arg2 und Arg3 sind spezielle Optionen und können NULL bleiben. Befehl Create Area() Zeichnet eine Fläche (area screen objekt) Argument: Arg0: NULL zeichnet ein neues Flächenobjekt durch Eingabe einer Bedingung durch den Benutzer Arg1: NULL zeichnet ein gewöhnliches Flächenobjekt, kein Referenzobjekt Arg2: TRUE zeichnet das Objekt automatisch weitere Argumente und andere Werte für Arg0 bis Arg2 siehe User Guide Befehl DataCollectionType Auswahl der Screen Object s Werte: 0 für Punkt, 1 für Linien, 2 für Gebiete Beispiel: DataCollectionType=1; Befehl DataCollection() öffnet Measurement Explorer oder Data Collection Argument: Arg0: Integer bei Null oder negativen Werten wird der Measurement Explorer geöffnet, bei 1 das Data Collection Tool NULL Measurement Explorer wird abgeschlossen Rückgabe: TRUE Befehl Freeze() Speichert ein Bild ab. Befehl MultipleMode Steuert die Datenbereitstellung Wert: TRUE Daten werden in Vektoren und Dateien oder DDE extrahiert FALSE Daten werden nur in Dateien oder DDE (Dynamischer Datenaustausch) extrahiert Beispiel: MultipleMode=TRUE; Befehl MultipleExtrakt() Datenextraktion der ausgewählten Datenobjekte des oder der Screen Object s. Datenobjekte sind bestimmte Größen, wie Länge einer Linie, Flächeninhalt eines Gebietes usw. Argument: Arg0: TRUE extrahiert alle Daten welche angegeben wurden (im Measurement TU Ilmenau, Fakultät MB, FG Qualitätssicherung, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. G. Linß 32

33 Arg1: Explorer) Integer Vektor der Screen Object Handles des freigegebenen Datentyps Befehl Select ROI() Selektiert und zeichnet ein Fenster in welchem die weiteren Operationen ausgeführt werden (Region of interest) Argument: Ein vier Punkte REAL Vektor mit Zeilen und Spaltentrenner, Koordinaten x,y links unten und rechts oben Rückgabe: der vier dimensionale Vektor, Datentyp REAL Befehl SetExport() aktiviert oder deaktiviert ein Datenobjekt (siehe Befehl MultipleExtrakt()). Argument: Arg0: Any Datenobjekt, welches aktiviert werden soll (im Measurement Explorer kann die Syntax eingesehen werden) Arg1: INTEGER 0 exportiert in Datei, 1 über DDE (wird im Praktikum gebraucht) Arg2: Logical TRUE gibt Objekt für den Export frei Rückgabe: Siehe User Guide Befehl Treshold() öffnet die Treshold dialog box, wenn kein Argument angegeben wird. Die Schwellwerte sind vom Nutzer einzugeben. Es ist aber auch eine Vorgabe möglich. Alle Pixel, welche im Bereich kleinerer Schwellwert < Pixel < höherer Schwellwert liegen, werden dem Vordergrund zugerechnet. Argument: Arg0: REAL Vektor mit Low :High Wert bei Schwarz-Weiß Verarbeitung REAL Vektor mit N mal zweier Vektor (Low :High), wobei N bei RGB gleich 3 ist. Arg1: BOOLEAN TRUE schaltet monochrom Schwellwerteinstellung, sonst wird der Dialog in Abhängigkeit vom eingestellten Kameramode aufgerufen (color oder monochrome) TU Ilmenau, Fakultät MB, FG Qualitätssicherung, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. G. Linß 33

34 6. Versuchsvorbereitung Hardware: Messobjekt: Lichtschrankengehäuse (Bild 33). Messsystem: PC-Messplatz mit CCD-Kamera (Bild 31) Software: Betriebssystem: Microsoft Windows NT Anwendungsprogramm: OPTIMAS 6. Brainware: Kenntnisse: Bedienung von PC und Betriebssystem MS-Windows [7] Grundkenntnisse: Farbmetrik, Farbsignalaufbau [2, Seite ], Kantenortfindung [5, Seite ], Bildfilterung [4, Seite ] Testfragen zur Versuchsvorbereitung 1. Durch welches Merkmal können sich Farben der gleichen Farbart unterscheiden? 2. Welche Merkmale verändern die Farbart? 3. Durch welches Merkmal lassen sich unbunte Farben detektieren? 4. Was für einen Ausschnitt aus den Farbenraum stellt die Farbtafel dar? 5. Wie ist die Farbinformation bei einem Fernsehsignal (FBAS-Signal) verschlüsselt? 7. Versuchsdurchführung 1. Der PC ist in Betrieb zu nehmen, und die Farbkamera ist einzuschalten. 2. Das Programm OPTIMAS ist unter MS-Windows zu starten 3. Livebild einschalten (Aquire() oder <F9>), um Beleuchtung, Arbeitsabstand und Bildschärfe einzustellen. 4. Das Messobjekt "Lichtschrankengehäuse" ist so einzustellen, dass die beiden roten Außenkanten und die schwarze Rechteckfäche formatfüllend im Bild erscheinen (Bilder 33 und 36). 5. Einzelne Grundfunktionen wie Aquire, Freeze, SetROI, Filter sind über das Menü aufzurufen, um deren Wirkungsweise zu erproben. 6. Interessierende Kantenübergänge mit den Marker Flags markieren. 7. In einem ausgewählten Messbereich AOI Linien-ScreenObjekte setzen, indem mit dem Kommando CreateLine() im Macrorecorder verschiedene Linien erzeugt werden. Alternativ kann zur Überprüfung der korrekten Kantendetektion eine Zeichenfunktion aufgerufen werden. 8. Über das Pop-Up-Menü ist der Measurement Explorer aufzurufen, um Daten für die Markierungspunkte (Marker Flags) zu erhalten. 9. Grauwertverlauf entlang der Suchline anzeigen, indem im DataCollection-Fenster die DDE-Spalte vor der Datenart LnLuminance aktiviert und auf die ViewBox geklickt wird. 10. Nach wiederholter Bildaufnahme sind verschiedene Filter zur Kantenhervorhebung aufzurufen und deren Wirkung anhand des Grauwerteverlaufs entlang einer Suchlinie zu bewerten. 11. Die Funktionsweise der Kantendetektion prüfen, indem ein Linien-ScreenObjekt erzeugt und das Extrahieren veranlasst wird. 12. Durch Defokussieren des Bildes ist zu beurteilen, wie robust die markerbezogene Detektion ist. 13. Für die grüne LED ist ein spezieller Farbschwellwert (multiple Threshold) einzulernen und zu aktivieren. 14. Durch erzeugen eines Flächen-ScreenObjectes wird automatisch der spezielle Schwellwert zugrunde gelegt, so dass die grüne LED erkannt wird, wenn sie vorhanden ist. 15. Durch ändern der Bildhelligkeit ist zu beurteilen, wie robust die schwellbertbezogene Detektion ist. TU Ilmenau, Fakultät MB, FG Qualitätssicherung, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. G. Linß 34

35 16. Es ist ein Makroprogramm zu erstellen, das automatisch den Abstand zwischen der linken roten Außenkante des Lichtschrankengehäuses, dem schwarzen Kunststoffeinsatz und der Grünen LED in Bildschirmkoordinaten bestimmt. Bild 36 Messobjekt 8. Versuchsauswertung 1. Beurteilung der Eigenschaften der schwellwertbasierten Konturantastung. Welche Möglichkeiten der multiplen Threshold s sollten genutzt werden, um eine sichere Erkennung auch bei unterschiedlichen Beleuchtungsverhältnissen zu gewährleisten? 2. Bewertung der Robustheit des korrelierenden Verfahrens der Konturantastung mit den Markerflags. Welche Filteroperationen erhöhen die Sicherheit der Konturantastung bei Defokussierung? 9. Literatur [1] Richter, Manfred.: Einführung in die Farbmetrik. 2. Auflage. Berlin, New York: Walter de Gruy ter & Co (Signatur: 54, 77 = PHY 82A20602) [2] Richter, Klaus: Computergrafik und Farbmetrik. Technische Akademie Wuppertal. Berlin, Of fenbach: VDE-Verlag 1996 (Signatur: 99/11661 FH Jena) [3] Mäusl, Rudolf.: Fernsehtechnik. München: Richard Pflaum Verlag KG München 1981 (Signa tur: Mag = 82A1051) [4] Ernst, Hartmut.: Einführung in die digitale Bildverarbeitung. München: Franzis-Verlag GmbH 1991 (Signatur: 52, 53 = INF 91A2118) [5] Funk, Werner.; Kühn, Olaf.; Linß, Gerhard: Meßunsicherheiten bildverarbeitender Verfahren für Mikrotechnologien. 43. Internationales Wissenschaftliches Kolloquium, Tagungsband 1. TU Ilmenau 1998, S (Signatur: 65 = TEC A1140IWK ) [6] Optimas Corporation.: Technical Documentation. Eighth Edition. Washington: 1996 (Standort: IPtA Suhl, Raum 419) [7] Hamann, Kai; Wirth, Wolfgang.: Microsoft Windows 98 auf einem Blick. Unterschleissheim: Microsoft Press 1998 (Signatur: 53 = INF 98A13706) TU Ilmenau, Fakultät MB, FG Qualitätssicherung, Univ.-Prof. Dr.-Ing. habil. G. Linß 35