Projektion der Wirklichkeit auf die zweidimensionale Bildebene

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1 Inhalt Digitales Video findet heutzutage über vielfältige Wege zum Endkunden: Internet, Satellitenfernsehen, Mobilfunk oder Firmeninterne Netzwerke übermitteln digitales Video auf die unterschiedlichsten Endgeräte. Was aber unterscheidet Video (analog wie digital) von einer Diashow, ab wann spricht man von digitalem Video, wie werden digitale Videodaten gewonnen, verarbeitet und übertragen? In dieser Vorlesung sollen die Grundlagen der digitalen Videotechnik vermittelt werden. Nach einem Überblick über den großen Bereich des Digitalen Videos werden unter anderem folgende Themen näher behandelt: Projektion der Wirklichkeit auf die zweidimensionale Bildebene Abtastung in örtlicher und zeitlicher Richtung Elementare Bildverarbeitung Luminanz und Helligkeit, Gamma-Korrektur Farbtheorie und Farbkodierung in Video Videostandards bis hin zu HDTV Videosignalverarbeitung (Normwandlung, Spezialeffekte, Zeitlupe, etc.) Kompressions- und Übertragungsstandards (MPEG-2, DVB) 1

2 Das erste Kapitel der Vorlesung behandelt grundlegende Aspekte der Farblehre. Die korrekte Aufzeichnung von Farbe, deren Konvertierung und Speicherung sind gerade im digitalen Bereich der Bildverarbeitung von essentieller Bedeutung. 2

3 Die Digital Image Processing Pipeline repräsentiert alle wesentliche Schritte die notwendig sind ein digitales Bild aus der Realität zu generieren. Fokus- und Belichtungskontrolle bedienen die Optik der Kamera. Zum einen werden Linsenstellungen verändert um eine scharfe Abbildung zu erhalten, zum Anderen werden Blendenöffnung und Belichtungszeit entsprechend dem Motiv angepasst. Das Preprocessing wertet die elektrischen Signale des Sensors aus und berücksichtigt technische Aspekte der verwendeten Technik Algorithmen zum Weißabgleich passen die Farbtemperatur (s.u.) des Lichtes entsprechend der Lichtsituation am Aufnahmeort an. Beim Demosaicking werden aus den Sensordaten vollständige Pixelebenen berechnet. Anschließend werden Farbtransformationen durchgeführt um standardisierte Ausgabe Formate zu erhalten. Im Post-Processing können auf das Bild weitere Filter (z.b. Schärfefilter) angewendet werden. Zum Schluss wird das Ausgabebild angezeigt/gespeichert/komprimiert. 3

4 Licht ist eine elektromagnetische Welle bestimmter Wellenlänge. Elektromagnetische Wellen besitzen einen enormen Frequenz- /Wellenlängenumfang. Prinzipiell kann jede EM-Welle sichtbar gemacht werden. Doch der Mensch besitzt von Natur aus nur die Möglichkeit einen sehr begrenzten Frequenzbereich in Nervensignale umzuwandeln und dadurch wahrzunehmen. Diesen Bereich nennt man sichtbares Licht, er reicht von 400 bis 800 Nanometern. 4

5 Die Intensität ist die technisch messbare Größe die der Mensch umgangssprachlich als Helligkeit wahrnimmt. Helligkeit ist also eine rein subjektive Größe. Innerhalb der Videotechnik wird die Helligkeit oft als Luminanz bezeichnet und beschreibt dabei den Zusammenhang der Intensität von Bildpunkten über eine Empfindlichkeitsfunktion. 5

6 Die Commission Internationale de l Éclairage (CIE) quantifizierte in einer Versuchsreihe mit Testpersonen die Farbempfindlichkeit des menschlichen Auges. Dazu schaute jeder Testbeobachter durch eine Öffnung welches das Sichtfeld auf zwei Grad einschränkte. Gleichzeitig wurde der durch diese Blende betrachtete Leuchtschirm von einer Testlichtquelle beleuchtet, sodass nur der obere und untere Teil des Schirms mit dem spezifischen Spektrum der Testlichtquelle beschienen wurde. Der Test-Beobachter stellte mit einer entsprechende Apparatur drei Primärstrahler so ein, dass das Mischlicht mit der Farbe des Testlichts übereinstimmte. Dies wurde sooft wiederholt bis die Testlichter das vollständige Spektrum von Blau bis Rot abdeckte. 6

7 Durch den zuvor beschriebenen Versuch konnten die obenstehenden Empfindlichkeitsverläufe für die einzelnen Farben des menschlichen Auges abgeleitet werden. Da der Versuch mit einer repräsentativen Menge von Personen durchgeführt wurde, kann der Empfindlichkeitsverlauf als Durchschnitt angesehen werden und wird deshalb auch oft als Standardbeobachter bezeichnet. Durch Gewichtung des Standardbeobachters mit einer auf das Auge treffenden spektralen Funktion erhält man die sog. Tristimulus Farbwerte X, Y, Z. 7

8 8

9 Kennzeichnend für einen Farbeindruck ist der zugrunde liegende Weißpunkt. Als Weißpunkt definiert man einen schwarzen Körper (planckschen Strahler) dessen Temperatur dem Weißpunkt in Kelvin entspricht. Legt man nun unterschiedliche Weißpunkte einem Bild zu Grunde entstehen Farbstiche. Obwohl der physikalische Reiz unterschiedlich ist, toleriert bzw. korrigiert das menschliche Auge diesen ganz automatisch, sodass beispielsweise Grundfarben immer als diese wahrgenommen werden können. 9

10 Die automatische Korrektur des Weißpunktes durch den menschlichen Sehapparat wird chromatische Adaption genannt. Gerade diese Adaption ist in technischen Verfahren außerordentlich schwierig, da Kameras bspw. nicht wie der Mensch auf einen Erfahrungsschatz zurückgreifen können. Da der Mensch sowohl den Farbstich automatisch Korrigieren kann, aber eben auch wahrnehmen kann, müssen bei der Aufnahme von digitalen Bildern ausgeklügelte Algorithmen dafür sorgen, dass der Weißpunkt korrekt gesetzt ist. Dazu gibt es eine Reihe von Verfahren, wie z.b. Maximaler RGB-Wert, Gray-World-Ansatz uvm. Beispiel: Beim vollautomatischen Weißabgleich (englisch AWT - Automatic White Balance) sucht die Kamera nach dem hellsten Bereich im Bild; dieser sollte natürlich weiß sein. Die Kamera stellt dann den gemessenen Farbwert auf weiß ein und passt den übrigen Farbraum entsprechend an. Ist die hellste Fläche keine weiße Fläche so wird eine falsche Farbe als weiß eingestellt und das ganze Bild erhält einen unangenehmen Farbstich. In diesem Fall hilft nur ein manueller Weißabgleich weiter. 10

11 Illustrative Darstellung des Weißabgleichs. Die Intensität des Lichtspektrums sollte durch den Weißabgleich in etwa auf das Level von Tageslicht angehoben bzw. abgesenkt werden, da dies für den Menschen am natürlichsten ist. 11

12 Zum Problem des automatischen Setzens des Weißpunkts kommt noch die Schwierigkeit, dass es oft nicht möglich ist zu erkennen, ob ein Körper durch additive oder subtraktive Farbmischung seinen Farbreiz erhält. 12

13 Farbtransformation bedeutet die Umrechnung von Farbwerten in unterschiedliche Wertebereiche und ggf. auch Dimensionen (je nach verwendetem Farbmodell). Eine Farbtransformation ist bspw. notwendig, wenn ein aufgenommenes Bild einem menschlichem Beobachter präsentiert werden soll. Dazu muss das aufgezeichnete Bild in eine Farbdarstellung umgerechnet werden, mit der das Bild mit dem gerade verwendeten Darstellungssystem optimal repräsentiert wird. Optimal bedeutet, dass ca. 200 unterscheidbare Helligkeitsstufen dargestellt werden. Der vom Menschen gesamte wahrnehmbare Bereich ist zwar durch die Adaption des Auges deutlich höher, gleichzeitig sind jedoch nur 200 Abstufungen unterscheidbar. Nützliches zur Farbtransformation (abgerufen am ): 13

14 Zur Berechnung von Tristimulus-Werten aus RGB-709 Werten kann oben gezeigte Matrix verwendet werden. Die inverse Matrix erzeugt aus Tristimulus entsprechende RGB-Werte. 14

15 Für alle standardisierten RGB-Modelle kann eine Transformationsmatrix aufgestellt werden. Anhand der Matrix-Einträge kann auf die jeweils unterschiedliche Gewichtung der Modelle rückgeschlossen werden. 15

16 Verschiedene Modelle vor allem bei unterschiedlichen Dimensionen wird zur Transformation oftmals auch ein komplexerer Algorithmus benötigt. Das häufig in der Druckvorstufe verwendete CMYK (Cyan, Magenta, Yellow und Key) ist ein subtraktives Farbmodell mit 4 Farbwerten pro Pixel. Bildquelle: de.wikipedia.org 16

17 Da nicht nur das menschliche Auge eine charakteristische spektrale Empfindlichkeit aufweist, sondern auch alle anderen bildgebenden Geräte eine unterschiedliche spektrale Reproduktion durchführen, muss zwischen jedem in der Bildverarbeitung eingesetzten Gerät eine Farbtransformation durchgeführt werden. Diese gerätespezifische Farbtransformation äußert sich in sogenannten Colour Workspaces, welche durch ICC-Profile (International Color Consortium, ICC) ineinander umgerechnet werden können. 17

18 ICC-Profile sind eine Art Lookup-Tabelle in der auf der einen Seite die Farbwerte des Eingabegeräts stehen und auf der anderen die des Ausgabegeräts. Die Farbtransformation wird also durchgeführt indem in der einen Tabelle der Farbwert gesucht wird und durch dessen Entsprechung aus der anderen ersetzt wird. Dies ermöglicht den Herstellern Profile für ihre Geräte mitzuliefern, sodass eine möglichst farbtreue Wiedergabe möglich ist. 18

19 Die "Commission Internationale de l'eclairage" (CIE) entwickelte 1931 einen colorimetrischen Ansatz eines Farbmodells, der grundsätzlich bis heute gültig ist. Ausgangspunkt war die Messung von Farben (Wellenlängen) durch Vergleich mit einer (additiven) Mischung der drei Elementarfarben (Primärstrahlern) unter standardisierten Bedingungen, die eine strikte Trennung von Helligkeit (Luminanzkomponente) und Buntheit (Chrominanzkomponenten) gestattete. So wurde gemessen, welche Anteile von Rot, Grün oder Blau (Tristimiulus Werte) in Licht einer bestimmten Wellenlänge von einer statistisch relevanten Zahl normalsichtiger Probanden gesehen werden. Grundlage der CIE-Normfarbtafel Yxy (auch Chromatizitätsdiagramm/Chrominanzdiagramm genannt), sind die Tristimulus-Werte X, Y und Z für die verschiedenen Wellenlängen. Um in einem zweidimensionalen Diagramm X, Y und Z darstellen zu können, führte man drei neue Variable, x, y und z dadurch ein, dass jeder gemessene Wert (X, Y, Z) durch die Summe aus X, Y und Z geteilt wurde. Da die Summe der Farbgewichte immer Eins ergibt (x + y + z = 1) sind so nur noch zwei der neuen Größen unabhängig. x und y können somit direkt als Werte für Abszisse und Ordinate in dem zweidimensionalen Diagramm verwendet werden. Die dritte Koordinate ist impliziert und kann durch Farben gekennzeichnet werden. 19

20 20

21 Das parabelförmige Diagramm - ergibt sich, wenn die umgeformten g von 780 nm bis 380 nm eingetragen g g Werte x und y für die Wellenlängen werden. Die linke untere Ecke der CIE-Normfarbtafel entspricht dem kurzwelligen Ende des sichtbaren Spektrums mit 380 nm. Der obere Scheitel stellt die Wellenlänge 520 nm (Grün) dar und die rechte äußere Ecke entspricht dem langwelligen Ende des Spektrums mit 780 nm (Rot). Das Diagramm verdankt seine grundlegende Bedeutung der systematischen Trennung von Farbton, Farbsättigung und Helligkeit. Eine nicht zu unterschätzende Rolle spielt auch der ästhetische Reiz des auch als zungen-, hufeisen- schuhsohlen- oder zuckerhutförmig beschriebenen Diagramms. Der Rand des Diagramms wird Spektralzug genannt und enthält die Spektralfarben, die sich durch eine einzige Wellenlänge spezifizieren lassen. Die Verbindung von Start- und Endpunkt des Spektralzugs wird Purpurgerade (Line of Purple) genannt. auf Ihr liegen die Purpurfarben, die k i d keine dominante i t W Wellenlänge ll lä b besitzen; it fü für sie i d definiert fi i t man eine i komplementäre Wellenlänge, die sich als gegenüber liegenden Schnittpunkt der Geraden mit dem Spektralzug ergibt. Zur Mitte hin nimmt die Sättigung immer weiter ab. Der Weiß-Punkt mit der Farbsättigung (= 0) wird als Unbuntpunkt bezeichnet. Sättigung einer Farbe ist das Verhältnis der Strecke zwischen Farbort und Weisspunkt zur Strecke zwischen Weisspunkt p und Spektralfarbe p der Farbe. 21

22 Erlaubt die Bestimmung der dominanten Wellenlänge und die Reinheit beliebiger Farben: A ist eine Mischung aus Weiß (C) und der puren Farbe B. B stellt die dominante Wellenlänge dar. Das Verhältnis der Länge AC zu BC ist ein Maß für die Reinheit von A. Manche Farben, wie z.b. F sind nicht durch eine dominante Wellenlänge lä bestimmt. Man spricht von nicht spektralen Farben. (Erinnerung: Das CIE-Diagramm wird von der Purpurgeraden begrenzt, welche selbst wiederum nur Mischfarben enthält.) Auch für diese Farben definieren das Längenverhältnis (hier CF zu CG) die Reinheit. Die Mischung von komplementär Farben, z.b. (D, E) ergibt Weiß. 22

23 Der Gamut ist die Menge aller Farben, die ein Gerät durch seine interne Farbmischung darstellen kann. Er wird durch einen Körper im Chrominanzdiagramm repräsentiert. Alle darstellbaren Farben werden durch die Linearkombination von (drei) Grundfarben (Primärvalenzen -> Sterne) gebildet. z.b. bei RGB sind so Tristimulus Werte notwendig, um eine Farbe als Linearkombination zu beschreiben. In einem RGB System sind nicht alle Farbwerte darstellbar Farbwerte außerhalb des Dreiecks (oder negative Werte oder Werte größer 1) Glücklicherweise liegen die meisten natürlichen Farben in der Mitte des Farbdiagramms Weißpunkt: Wert im Chrominanzdiagramm, der die Farbe Weiß bezeichnet eichnet (x=y=z=0,3333) 23

24 RGB Primaries sind die Tristimulus-Werte, welche die entsprechenden Grundfarben auf einem Gerät erzeugen. Sie werden durch die im Gerät verwendeten Leuchtmaterialien festgelegt. 24

25 Als Farbtemperatur bezeichnet man diejenige Temperatur, die ein schwarzer Körper (Planckscher Strahler, absorbiert alle einfallende Strahlung unabhängig von deren Wellenlänge, reflektiert also keine Strahlung) haben müsste, damit dessen abgestrahltes Lichtspektrum (Schwarzkörperstrahlung) dieselbe Lichtsituation aus dem Alltag, z.b. Mittagslicht, Abendlicht oder Kunstlicht erweckt. Zu jeder Farbtemperatur gibt es ein fest definiertes Strahlungsspektrum, welches die Farbe Weiß beschreibt. Keine physikalische Definition von Weiß Weiß bei Tageslicht nach CIE D65: Mittleres Tageslicht entspricht einem Mittagshimmel am Nordfenster. Das Spektrum ist ähnlich einem Planckschen Strahler bei 6504 Kelvin. Genutzt wird dieses Normlicht als Weißpunkt für srgb, Adobe-RGB und die PAL/SECAM-TV-Norm. Der Bereich der Farbtemperatur von 3000 K bis ca K beschreibt Farbeindrücke von rot über orange, gelb, weiß, hellblau, blau bis violett. ((-> Black Black-Body Body Kurve) 25

26 Wichtig ist der Unterschied im Sprachgebrauch. Dort verwendet man oft fälschlicherweise Helligkeit anstatt Luminanz. Helligkeit Luminanz subjektiv/ Wahrnehmung objektiv/ physikalisch 26

27 Merke: Chrominanz + Luminanz = Farbeindruck 27

28 Eine Farbe in RGB-Darstellung enthält alle notwendigen Informationen zur Darstellung auf einem bildgebenden Gerät. Es ist jedoch auch möglich aus der RGB-Darstellung eine korrespondierende Chrominanz/Luminanz- Darstellung zu berechnen. Die Chrominanz wird dabei durch zwei Werte repräsentiert und die Helligkeitsinformation durch einen Luminanzwert. Aus obigen Formeln lässt sich auch eine entsprechende Matrix- Schreibweise ableiten. 28

29 Merke: Helligkeit nicht linear spezifische Rlti Relation Luminanz linear 29

30 Der nicht lineare Zusammenhang zwischen Luminanz und Helligkeit kann durch eine entsprechende Relation mathematisch dargestellt werden. Die Relation wird durch gerätespezifische Parameter bestimmt. Heute wird meist durch das jeweilige Gerät eine entsprechende Anpassung selbstständig vorgenommen, sodass der Input der Geräte oft normiert bzw. linear sind (-> Gamma). 30

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