Farbe. Bildtechnologie II

Transkript

1 Farbe Bildtechnologie II

2 Farb-Ordnung

3 Farb-Ordnung Im einsame Insel - Experiment (Judd 1975) ist der Beobachter von einer grossen Anzahl farbiger Kieselsteine umgeben. Diese können auf diverse Weisen geordnet werden

4 man kann orden nach OHNE und MIT Farbe, d.h. achromatisch (weiss, grau schwarz) und chromatisch (grün, rot, blau etc.)

5 Anordnen nach HELLIGKEiT (Werte, Lightness) von Schwarz nach Weiss Farben sind schwieriger, eine Einteilung sind Farbtöne (Hue)

6 Anordnen nach HELLIGKET (Werte, Lightness) von Schwarz nach Weiss

7 gleiche Helligkeit bei gleichem Farbton ergibt Sättigung oder Chroma

8 Empfindungsmässige Farbeinteilung Lightness (Helligkeit): Vergleich mit empfindungsmässig gleicher Helligkeit zu einer Serie von Grauwerten Hue (Farbton): Ähnlichkeit zu einer der 4 Grundfarben ROT, GELB, GRÜN und BLAU Chroma (Sättigung): Mass für die Abweichung von GRAU

9 Farbkoordinaten Farbe: 3-wertig, 3-dimensional Auf der Netzhaut: L, M und S (RGB) Empfindung: Helligkeit, Farbton, Sättigung

10 Die Farbe des Hintergrundes beeinflusst die Farbdifferenzen der zentralen Farben Simultan-Kontrast

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12 Chromatische Adaption

13 Chromatische Adaption:Aenderungen im visuellen System, die Aenderungen in der spektralen Qualität der Beleuchtung kompensieren Helligkeits Adaption:Aenderungen im visuellen System, die Aenderungen in der Helligkeit der Beleuchtung kompensieren Farbkonstanz: Tendenz einer Farbe eines Objektes konstant (=gleich) zu bleiben, auch wenn Helligkeit und Farbe der Beleuchtung variieren

14 Farbkonstanz

15 Simulation des Effektes: Unterschiedliche Beleuchtungsstärke und visuelle Empfindung

16 3-Farben- Theorie Die Antwort, das Signal der L,M und S Zapfen ist das Resultat des Lichts das von einem Objekt aus in das Auge eintritt. Das kann berechnet werden als Produkt bder spektralen Eigenschaften der Lichtquelle, des Objekts und der 3 Augenempfindlichkeiten mit anschliessender Integration über die Wellenlänge. Gleiches Verhältnis L:M:S = identischer Farbeindruck

17 Beispiel: metameres Grau (OD = 0.3, R=50%) 0.6 R WL

18 Ein Paar verschiedener Farbstoffe mit unterschiedlichen Spektren erscheinen bei der einen Lichtsorte gleich, bei einer andern unterschiedlich: Beleuchtungsmetamerie Hier spricht man von Beobachtermetamerie

19 Metamerie: Druck Links : mit schwarzer Tinte gedruckt Rechts: Mischung aus CMY Bei Tageslicht erscheinen sie gleich: metamer identisch (metameric match), bei FL u.u. unterschiedlich Metameric match : 2 Farbstoffe sind spektral verschieden, erscheinen unter vestimmter Beleuchtung einem bestimmten Beobachter gleich Spectra match : 2 Farbstoffe, die gleiche spektrale Reflexionseigenschaften haben.

20 Relative spektrale Empfindlichkeiten Photographischer Farbfilm color CCD Video-Kamera Beobachter -Metamerie Farbfilm Scanner Auge Auge

21 Quantitative Beschreibung der Farbe

22 Farbmonitor 3 Primär -Farben RGB-Würfel Gamut Wie beschreibt man Farbe? ende von Systemen! Mischen von Farben Farbmisch-Systeme RGB-Würfel rotieren, so dass Schwarz unten und Weiss oben ist, eine Art doppeltes Sechseck wird gebildet. Typische Anwendung in Computergrafik: HLS-Koordinaten, Hue, Lightness, Saturation Ergibt aber keine empfindungsmässige Abstufung!

23 Viele Farbsysteme beruhen auf physikalischen Farbmustern Problem: die Beziehung zwischen gleichmässiger empfindungsmässiger Abstufung und gleichmässiger Mischung (Farbstoffe, RGB im Computer ) ist nicht-linear! Pantone Druck Primärfarben CMY!

24 Farbsysteme, die auf der Farbwahrnehmung basieren. Farben so abstufen, dass eine gleichmässige Farbverteilung entsteht, der Farbraum ist harmonisch (gleichmässig) geordnet! Munsell, Hue R,YR,Y,GY,G,BG,B,PB,P,RP 10 Values Chroma

25 Problem: werden die Farbmuster nicht sorgfältig ausgewählt, gibt es Farbinkonsistenzen unter verschiedenen Beleuchtungen! Farbsysteme, die auf Farbmuster beruhen: funktionieren nur bei einer einzigen Lichtsorte korrekt!

26 NCS, Natural Color Sysytem (Johansson 1937, Schweden) Zonentheorie: 2 Farbpaare R-G und Y-B

27 In der Architektur weit verbreitet NCS-System

28 Farbmischungen beruhend auf der Ueberlagerung (Addition) von farbigen Lichtquellen: Additive Mischung (Newton 1730: gelbes und blaues Licht ergeben zusammen Weiss!) CIE-SYSTEM Commission Internationale d Eclairage Farbspezifizierung kann auf das Farbabgleich-Problem (color match) reduziert werden: Sehen die beiden Farbfelder gleich aus?

29 Kolorimetrie ist die Wissenschaft von Farbmessungen 3 Lichtquellen ( Primär -farben) werden so eingestellt, bis der Color match eintritt

30 Der Ideal Standard -Beobachter Bei einem idealen Beobachter wären die spektralen Empfindlichkeiten gleichmässig, die optimalen Primaries wären wie im Bild (monochromatisch)! Jede Primärfarbe reizt nur 1 Farbzelle! So könnten alle Farben gemischt, d.h. nachgemacht werden.

31 Zur Erinnerung:

32 Der reale -Beobachter Bei den menschlichen Spektralempfindlichkeiten der Zapfen ist die Ueberlagerung so gross, dass es keine 3 Primärfarben gibt, die jede Zelle unabhängig von der anderen reizt. Das beste, was man erreichen kann wären 3 monochromatische Lichter bei 400, 520 und 700 nm. Man wird also NIE 3 Primär-Farben finden, mit denen man ALLE möglichen Farben nachmachen kann!!!

33 Grassmann s Gesetze (1853) der additiven Farbmischung

34 Grassmann s Gesetz: auch wenn die Farberscheinung ändert, der Color-Match der beiden Felder ist unverändert

35 Erste Versuche Maxwell: Farbdreieck

36 Additive Farbmischung: 3 Primärfarben = 3 VEKTOREN Es gelten die Gesetze der linearen Vektoralgebra!

37 Vielfach ist die Helligkeit nicht so wichtig. Angabe: Durchstosspunkt durch die Einheitsebene

38 S(R,G,B) = RR + GG + BB Reduktion auf 2 Dimensionen. Darstellung der "Farbkoordinaten" im Chromazitätsdiagramm und wie man das rechnerisch ausdrückt.

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40 's Koordinaten unpraktisch, zum Rechnen sind kartesische Koordinaten besser: Kartesische Koordinaten = Chromazitätsdiagramm Darstellung Übergang in Chromazität

41 Problem: Was macht man mit Farben, die man mit den Primärfarben nicht nachmachen kann? S(R,G,B) RR + GG + BB

42 einzige Möglichkeit: das Blaugrün mit dem "Rot " zu entmischen! Nicht RR + GG + BB S(R,G,B) sondern GG + BB = RR + S(R,G,B) und somit GG + BB RR = S(R,G,B)

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45 Schlussfolgerung: 3 Primärfarben genügen (immer), um alle anderen Farben nachzumachen, jedoch nur in mathematischem Sinne, z.t. mit negativem Vorzeichen. Physisch kann man mit 3 Primärfarben (immer) nur diejenigen Farben nachmachen, die innerhalb des Farbdreiecks ( Gamut ) liegen.

46 Der reale Standard -Beobachter Bei den menschlichen Spektralempfinlichkeiten der Zapfen ist die Ueberlagerung so gross, dass es keine 3 Primärfarben gibt, die jede Zelle unabhängig von der anderen reizt. Das beste was man erreichen kann wären 3 monochromatische Lichter bei 400, 520 und 700 nm. Man wird also NIE 3 Primär-Farben finden, mit denen man ALLE möglichen Farben nachmachen kann!!!

47 Additive Farben = Vektoren Man kann sich ein gleichmässiges Spektrum als eine additive Mischung aus monochromatischen 1nm Lichter vorstellen

48 Der 1924 CIE photopische * Normalbeobachter Helligkeitsabgleich zwischen 2 monochromatischen Lichtern, d.h. die beiden Farben sollen empfindungsmässig gleich hell erscheinen. Normiert bei 555nm. Es braucht z.b. beim Blau ( 450nm) wesentlich mehr Strahlungsleistung (in Watt) als bei 555 nm erscheint. Helligkeitsempfindungs-Kurve Y. *) Tagessehen mit den Zapfen, im Gegensatz zum Nachtsehen (scotopisch) mit den Stäbchen

49 Photometrie Photometrische Einheiten werden hergeleitet, indem bei jeder Wellenlänge l der Stimulus F l mit dem photopischen Normalbeobachter V l multipliziert wird, das ergibt die Kurve (VF) l. Die Fläche (Integral) unter dieser Kurve, entsprechend normalisiert, ist eine photometrische Einheit.

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51 Normierung CIE Additiver Color Match des sichtbaren Spektrums Versuch: alle anderen (energiegleich) Spektralfarben nachzumachen

52 Normierung CIE Frage: welche Primärfarben sollen gewählt werden? 1. Wellenlängen so wählen, dass grösstmögliche Unabhängigkeit entsteht 2. Lichtquellen und - wellenlänge wählen, die technisch einfach und reproduzierbar herzustellen sind Als "Primärfarben": 3 monochromatische Linien: Blau: nm, Grün: nm (=Hg-Linien, Quecksilberdampflampen), Rot: 700 nm Verhältnis der Strahlungsleistung: 1.0 : 1.14 : 72.1 (B:G:R) (( )) ( )

53 Hg-Spektrum Quecksilberdampflampe Hochdruck Intensiät

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57 Es ist nicht so, dass diese Kurve eindeutig bestimmt wurde, sondern statistisch ermittelt, hier 49 Beobachter (aus späterer Neumessung, 1959)

58 S(R,G,B) = RR + GG + BB Reduktion auf 2 Dimensionen. Darstellung der "Farbkoordinaten" im Chromazitätsdiagramm und wie man das rechnerisch ausdrückt.

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60 Chromazitätsdiagramm => In der Ebene ist jede Farbe bestimmt. Farben die möglich sind, sind von "Schuh-Sohle" umschlossen

61 Helmholtz: Aussage: Es gibt physisch keine 3 Farben, mit denen alle Farben nachgemacht werden können, ausser: imaginäre Farben, die theoretisch (resp. praktisch beim numerischen Rechnen) von Interesse sind.

62 CIE 1931 Aus den realen R, G, B Stimuli eine Koordinatentransformtion derart zu finden, dass die Chromazitätskoordinaten r,g,b(l) keine negativen Anteile mehr enthalten, neues System mit den neuen imaginären primären Stimuli X,Y,Z. Mit X,Y,Z kann man (wenigstens rechnerisch!) alle Farben, auch Spektralfarben positiv mischen!

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