Graphische Datenverarbeitung
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- Hede Brit Solberg
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1 Graphische Datenverarbeitung Farbrepräsentationen im Rechner und Elemente der Farbmetrik
2 Rückblick Farbwahrnehmung durch den Menschen: 2 B-CG V05 Farbrepräsentationen
3 Eine Definition von Farbe Farbe als Sinnesempfindung ist in der DIN-Norm 5033 folgendermaßen definiert: Farbe ist diejenige Gesichtsempfindung eines dem Auge strukturlos erscheinenden Teiles des Gesichtsfeldes, durch die sich dieser Teil bei einäugiger Beobachtung mit unbewegtem Auge von einem gleichzeitig gesehenen, ebenfalls strukturlosen angrenzenden Bezirk allein unterscheiden kann. (DIN 5033, Blatt 1) 3 B-CG V05 Farbrepräsentationen
4 Ziele Farbe ist ein sehr vielschichtiges Problem: Verschiedene Aufgaben und Ziele verlangen unterschiedliche Farbsysteme, Farbräume und Repräsentationen: Eine Auswahl Farbwahrnehmung Physiologie und Psychologie Farbordnung Kunst... Harmonien... Wirkungen subjektiv Farbrechnen im Computer,... in CG: Farbe als Tripel (3D-Vektor) Farberzeugung Lichtquellen, Körperfarben, Durchlichtfarben Farbmischung Ideal: Additiv, Subtraktiv (Multiplikativ) und Real Farbmessung Reproduktion (objektiv, reproduzierbar, kalibriert nicht vom Individuum abhängig, Spektrum Tripel) Farbübertragung in Kommunikationssystemen, z.b. Fernsehen,... Farbauswahl User Interface 4 B-CG V05 Farbrepräsentationen
5 Übersicht 1. Farbordnungssysteme 2. Graßmann et.al.: Rechnen mit Farben 3. Farberzeugung: Mischprinzipien ideal und real 4. Das RGB-Modell und Nichtlineare Verzerungen: Gamma 5. Farbmessung: Die CIE Farbnormalen - Colorimetrie CIE XYZ, xyz, Yxy 6. Weiterentwicklungen (empfindungsmäßig gleichabständig) zu CIE L*a*b*, CIE L*u*v* 7. Farbsysteme in Videosystemen: YIQ, YUV, YC R C B, 8. Farbauswahl und -spezifikation 5 B-CG V05 Farbrepräsentationen
6 Übersicht (Fortsetzung) 6. Zusammenfassung 7. Glossar 8. Weitere Informationen 9. Ausblick Nächste Schritte 6 B-CG V05 Farbrepräsentationen
7 Farbordnungssysteme Seit der Antike versucht man, die Welt der Farben systematisch zu ordnen - häufig geometrisch (als Kreis, Pyramiden, Kegel, etc.)- über die Zeit entstanden mindestens 100 verschiedene Systeme (Farbatlanten), unter sind 59 dokumentiert. Das Phänomen Farbe ist komplex und ließ viel Freiraum für Interpretationen im jeweiligen Kontext: Physik, Physiologie, Psychologie, Philosophie, den Anwendungsbereichen Malen, Drucken,... Kennzeichnend: Oft wurde über das wahre System intensiv, sehr emotiona, inbrünstig und zum Teil ideologisch gestritten (Goethe vs. Newton), bis heute: siehe z. B., Küppers 7 B-CG V05 Farbrepräsentationen
8 Ordnungsprinzipien drei vs. vier, sechs oder acht Grundfarben (oft auch als reine Farben bezeichnet) Physik (die Wellennatur des Lichtes: das Spektrum) vs. Wahrnehmung (Helligkeit, Farbton, Sättigung und Gegenfarben / Komplementärfarben) subjektiv gleichabständig (was ist ein Farbabstand, die Metrik?) verschiedene Mischprinzipien (additiv, subtraktiv,...) Reproduzierbarkeit mit bestimmten Techniken (Malen, Druck, Lackierung, Fernsehen,...) 8 B-CG V05 Farbrepräsentationen
9 Historisch bedeutsame Beispiele (1) Leonardo da Vinci ca baut auf Ideen von Leon Battista Alberti und Dietrich von Freiberg (1310) Isaac Newton ( ): Spektrale Zerlegung des Lichts 9 B-CG V05 Farbrepräsentationen
10 Historisch bedeutsame Beispiele (3) Farbenpyramide von Johann Heinrich Lambert (1772) zeigt erstmals eine Anordnung von Farben im Raum Johann Wolfgang Goethe ( ): "Die Farben sind Taten des Lichts, Taten und Leiden." - Zur Farbenlehre "An der Farbe lässt sich die Sinnesweise, an dem Schnitt die Lebensweise des Menschen erkennen." Wilhelm Meisters Wanderjahre II Details zu Goethes Farbenlehre: 10 B-CG V05 Farbrepräsentationen
11 Historisch bedeutsame Beispiele (2) Farbenkugel nach P.O. Runge (1810) 4 Urfarben und Mischfarben (entstehen durch additive Mischung) angeordnet im Farbenkreis nach Ewald Hering (1878): Die Lehre vom Lichtsinne Gegenfarbentheorie (Komplementärfarben) 11 B-CG V05 Farbrepräsentationen
12 Historisch bedeutsame Beispiele (4) Itten ( ) veröffentlicht 1921 und 1961 Harald Küppers (*1928) Jetzt verfügen wir über neue gesicherte Erkenntnisse, die zur der folgenden logischen und beweisbaren Farbenlehre führe. (???) 12 B-CG V05 Farbrepräsentationen
13 Eine Übersicht zu bedeutsamen Entwicklungen lineare Farbordnung der Griechen von hell nach dunkel (600v.Chr.) «De colore» von Robert Grosseteste (ca. 1230) «Della pittura» von Leon Battista Alberti (1435) «colori semplici»von bei Leonardo da Vinci (ca. 1510) älteste bekannte Farbsystem, von Aron Sigfrid Forsius (1611) Farbenkreis nach Isaak Newton (1704) Farbenlehre von J.W. von Goethe (1810) Farbenkugel nach P.O. Runge (1810) Munsell - Farbsystem (1915) Farbenlehre nach W. Ostwald (1916), Itten (1921 und 1961) Farbwürfel nach A. Hickethier (1940) Harald Küppers 13 B-CG V05 Farbrepräsentationen
14 Aktuell bedeutende Farbordnungssysteme (1) Ziel: wahrnehmungsgerechte Ordnung der Farben mit subjektiver Gleichabständigkeit: Munsell (1929), Ostwald (1931), OSA (1974), NCS (1970), Chroma Cosmos 5000 (1979) DIN 6124 (1955,1960, 1980): DIN-Farbton = T (24 Farbtöne) DIN-Sättigungsstufe = S DIN-Dunkelstufe = D. Die Abstände der Farben zueinander wurden so festgelegt, dass sie empfindungsgemäß gleichabständig liegen. Insgesamt ca. 600 matte Farben und 900 glänzende. 14 B-CG V05 Farbrepräsentationen
15 Munsell Albert H. Munsell, The wheel of Colors (veröffentlicht 1898 bis 1905, 1929) vor allem im angloamerikanischen wichtige Referenz für eine subjektive Gleichabständigkeit der Farben 15 B-CG V05 Farbrepräsentationen
16 Aktuell bedeutende Farbreferenzsysteme (1) Ziel: Reproduzierbarkeit bei verschiedenen Techniken RAL Classic (840 HR) steht für "Rationalierungsausschuss für Lieferbedingungen ist die bedeutendste Sammlung registrierter Standardfarben im Lackbereich, z.b. Verkehrsrot, ab 1927 gekennzeichnet durch 4-stellige Nummern, heute 209 Farbkarten Erweiterungen: RAL Design, ab 1993, heute 1688 Farben und RAL digital (digitale Farbregister für verschiedene Programme) 16 B-CG V05 Farbrepräsentationen
17 Aktuell bedeutende Farb(ordnungs)systeme (2) Pantone Quasi-Standard im Produktdesign der Fa. Pantone Inc. Die Rechte erstrecken sich dabei lediglich auf die Benennung der Farben Pantone Matching System: hohe Übereinstimmung zwischen der Sonderfarben und dem Vierfarbdruck (CMYK) siehe HKS beinhaltet 120 so genannte Volltonfarben, insgesamt 3250 Farbtöne für Kunstdruck- und Naturpapiere, Warenzeichen der Druck- bzw. Künstlerfarbenhersteller Hostmann-Steinberg Druckfarben, Kast + Ehinger Druckfarben und H. Schmincke & Co. 17 B-CG V05 Farbrepräsentationen
18 Misch-Farben Erzeugung Zauberwort : Mischung - Idealtypen additive Mischung subtraktive Mischung (multiplikative Mischung) In der Realität häufig Kombinationen davon, z.b. autotypische Mischung im Farbrasterdruck Schichten, etc 18 B-CG V05 Farbrepräsentationen
19 Farbmischprinzipien Additive Mischung (Qualitativ) Addition von Licht: 2 oder mehr Farben werden dem Auge gleichzeitig angeboten Echte Überlagerung z.b. durch Projektion Simultan (örtliche Integration): Monitor Sukzessiv (zeitliche Integration): Farbkreisel Grundfarben: Rot Grün Blau Hintergrund: Summenfarbe: Schwarz Weiß unbunt 19 B-CG V05 Farbrepräsentationen
20 Additive Farbmischung durch echte Überlagerung 20 B-CG V05 Farbrepräsentationen
21 Simultane additive Farbmischung durch Schachbrettmuster 21 B-CG V05 Farbrepräsentationen
22 Additive Mischung durch sukzessiven Reiz 22 B-CG V05 Farbrepräsentationen
23 Farberzeugung auf verrschiedenen Displaytypen simultane additive Farbmischung CRT: Cathode Ray Tube Impulsanregung Delta Maske Trinitron LCD: Liquid Cristal Display Kontinuierliche Anregung 23 B-CG V05 Farbrepräsentationen
24 Farbbalkenerzeugung 24 B-CG V05 Farbrepräsentationen
25 Nichtlineare Verzerungen: Gamma In der CRT wird Intensität durch Strahlstärke bestimmt. Nichtlineare Strahlstrom-Steuerspannungskennlinie! Unter Umständen verschieden für die drei Primärvalenzen ohne Korrektur γ=2.2 mit Korrektur I I G G max = U U G G max 1 γ 25 B-CG V05 Farbrepräsentationen
26 Gammakorrektur Fernsehen: Die Korrektur wird auf der Aufnahmeseite vorgenommen,. d.h. es werden vorverzerrte nichtlineare Signale übertragen (und auch bearbeitet: z.b. R,B,G ) (Da die Helligkeit vom vom menschlichen Sehsystem in etwa logarithmisch erfaßt wird (d.h. eine exponentielle Helligkeitssteigerung wird als linear empfunden), ist durch dieses Vorgehen gewährleistet, daß die Bereiche kleinerer Helligkeit gegen Übertragungsfehler nicht empfindlicher sind, als die Bereiche größerer Helligkeit.) Durchführung der Gamma-Korrektur in der GDV: Berechnungen der Farbwerte erfolgen i.d.r. linear... diese Werte stehen im Bildspeicher Die (unkorrigierten) linearen Werte werden durch eine vorberechnete Tabelle (Color Lookup Table) korrigiert. Die Videohardware im Ausgabezweig hat ein nichtlineares Verhalten: je nach Hersteller verschieden. 26 B-CG V05 Farbrepräsentationen
27 Farbmischprinzipien Subtraktive Mischung (Qualitativ) Ölfarben, Lackfarben (Pigmente) Druckfarben (das Prinzip) Grundfarben: Cyan Magenta Gelb CMY Hintergrund: Summenfarbe: Weiß Schwarz unbunt Hilfsfarbe: Schwarz CMYK Detlef Krömker 27 B-CG V05 Farbrepräsentationen
28 Farbmischprinzipien Multiplikative Mischung (Qualitativ) Farbige Filter hintereinandergelegt im Durchlicht Lasierende Farben (auch im Rasterdruck) ähnlich der subtraktiven Mischung Grundfarben: Cyan Magenta Gelb CMY Hintergrund: Summenfarbe: Weiß Schwarz unbunt Detlef Krömker Hilfsfarbe: Schwarz 28 B-CG V05 Farbrepräsentationen CMYK
29 29 B-CG V05 Farbrepräsentationen RGB CMY(K) C M Y R G B R G B C M Y = = K := min(cmy) C := C-K M := M-K Y := Y-K Achtung: Weder RGB noch CMY(K) sind kalibrierte Farbangaben: Siehe Übung
30 Das Rechnen mit Farben Grassmannsche Gesetze (1853) Erstes Grassmannsche Gesetz : Zwischen je vier Farben besteht immer eine eindeutige lineare Beziehung. Eine Farbe braucht zu ihrer Beschreibung drei voneinander unabhängige Bestimmungsstücke, d.h. die Farbe ist eine dreidimensionale Größe. Farben können als Vektoren eines dreidimensionalen linearen Vektorraumes aufgefasst werden. Die Vektoren dieses Farbraums heißen Farbvalenzen. Die Länge eines Vektors ist ein Maß für die Leuchtdichte und heißt Farbwert, seine Richtung bestimmt die Farbart. Schon 1801 hatte Young (Arzt und Physiker) die Hypothese aufgestellt, dass diese Dreidimensionalität nicht in der Natur des Lichts, sondern im Aufbau des Sehorgans begründet ist. Maxwell (1855) und von Helmholz(1896) bestätigten diese Theorie. 30 B-CG V05 Farbrepräsentationen
31 Folgerungen: Primärvalenzen Wie in jedem dreidimensionalen Vektorraum benötigt man drei voneinander linear unabhängige Basisvektoren (Primärvalenzen), um den Raum aufzuspannen. In diesem Fall bedeutet linear unabhängig, dass eine Primärvalenz nicht durch (additive) Mischung der beiden anderen Primärvalenzen darstellbar ist. 31 B-CG V05 Farbrepräsentationen
32 Folgerung: Farbmischung Mit drei Primärvalenzen R, G, B läßt sich also für jede Farbvalenz F eine Farbgleichung aufstellen: F = r R + g G + b B r, g,b R, häufig [0,1] Der Vektor (r,g,b) [Beispiel (1,1,0)] beschreibt dann eindeutig eine Farbvalenz! Mit Farbvalenzen kann man also wie mit Vektoren rechnen, insbesondere ist die Umrechnung der Darstellung bezüglich verschiedener Primärvalenztripel (Basiswechsel) möglich (siehe Übung). 32 B-CG V05 Farbrepräsentationen
33 Das RGB-Modell Schwarz Weiss Grauwerte Alle darstellbare Farben sind Punkte eines Einheitswürfels. Auf den positiven Halbachsen liegen die Primärfarben : Rot, Grün und Blau. Erste Eigenschaften: Schwarz liegt im Ursprung (0,0,0) Weiß im Punkt (1,1,1) Grauwerte, darstellbar durch gleichgroße Anteile von R, G und B, liegen auf der Hauptdiagonalen des Einheitswürfels 33 B-CG V05 Farbrepräsentationen
34 Graßmannsche Gesetze Zweites: Gleich aussehende Farben ergeben mit einer dritten Farbe stets gleich aussehende Farbmischungen. Das heißt, dass es bei der Beurteilung von Gleichheit zweier Farben nur auf die Farbvalenz, nicht auf ihre spektrale Verteilung ankommt. Die spektrale Verteilung und die Wahl der Primärvalenzen spielen keine Rolle. 34 B-CG V05 Farbrepräsentationen
35 Metamerie Mischexperimenten zeigen: ganz unterschiedliche Spektren erzeugen dieselben Farbreize. 35 B-CG V05 Farbrepräsentationen
36 Wie entstehen Farbreize? Sonnenspektrum NASA-Standard Emmission (Lichtquellen, Selbstleuchtende Farben) irradiance Emmissionsspektren + additive Farbmischung Reflektion (Körperfarben) reflection durch Absorption oder Interferenz Reflektionsspektren + subtraktive Farbmischung Transmission (Durchlichtfarben) transmittance (Filter aus Glas, Gelantine, etc.) durch Absorption oder Interferenz Transmissionsspektren + multiplikative Farbmischung 36 B-CG V05 Farbrepräsentationen
37 Messen von Farben: Colorimetrie CIE: Commission International de l Eclaireage Internationale Beleuchtungskommission Definition des Normalbeobachter für Farbmischversuche 2 0 Sehfeld CIE 1931 (Ergänzung 10 0 Sehfeld CIE 1964 leicht andere Ergebnisse) Hellempfindlichkeit Y 3 reale Lichtquellen ( monochromatisch ) CIE Primärvalenzen 700 nm CIE Rot 546,1 nm CIE Grün 435,8 nm CIE Blau (Spektrallinien einer Quecksilberdampflampe) Detlef Krömker 37 B-CG V05 Farbrepräsentationen
38 Messung von Spektralwertkurven Versuchsprinzip CIE Primärvalenzen 700 nm CIE Rot 546,1 nm CIE Grün 435,8 nm CIE Blau Hilfslicht: verändert Zielspektralfarbe die nicht ermischbar sind + Stellglieder für die Versuchspersonen r ( λ), g( λ), b ( λ) 38 B-CG V05 Farbrepräsentationen
39 Ergebnis: Die Normspektralwertkurven (color matching functions) Achtung: negative Werte, d.h. nicht alle Spektralfarben sind durch drei Primärvalenzen additiv ermischbar negative Werte! An nur 17 Versuchspersonen gemessen (Guild 1931, Wright 1928) Abhängig von den Primärvalenzen Genormt in CIE Publikation 15 DIN 5033 später erfolgten verschiedene Korrekturen: Judd 1951, Voss 1978 aber die CIE 1931 Normale bleiben im Gebrauch: siehe 39 B-CG V05 Farbrepräsentationen
40 Ergebnisse der Farbmischversuche und erste Transformationen r( λ), g( λ), b( λ) Ergebnisse der Versuche: für die CIE Primärvalenzen (R, G, B) Lineare Transformation (Basiswechsel) zu virtuellen Primärvalenzen ( X, Y, Z so dass: für reale Farben keine negativen Koeffizienten auftreten eine Primärvalenz Y genau der Hellempfindung entspricht Ergebnis: x, y, z ) Detlef Krömker 40 B-CG V05 Farbrepräsentationen
41 CIE-Normspektralwertkurven 2 1,8 1,6 1,4 z 1,2 y 1 0,8 x 0,6 0,4 0, ,2 Detlef Krömker 41 B-CG V05 Farbrepräsentationen
42 CIE XYZ jedes Spektrum: P(λ) R (λ) kann durch ein Wertetripel (X,Y,Z) farbmetrisch repräsentiert werden: Gewichtete Integration X Y Z = = = k k k P R x dλ P R y dλ P R z dλ k = 100 P(λ): Lichtquellenspektrum R (λ): Reflektionsspektrum P y dλ Y = 100:ideale nichtfluorezierende weiße Fläche Detlef 42 B-CG V05 Farbrepräsentationen
43 CIE x,y,z Normfarbwertanteile Chromaticity Coordinates Weitere Transformation: Projektion Chromaticity Coordinates x y z = = = X X X X Y Y Y Z Y Z Z Z Beachte: x+y+z=1 Yxy um eine Farbvalenz zu kennzeichnen Detlef 43 B-CG V05 Farbrepräsentationen
44 Normfarbtafel - Chromaticity Diagram y 0, , , ,6 0,5 0,4 0, Spektralfarben auf dem Rand Monochromatische Farben 0,2 0,1 480 Detlef Krömker ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 44 B-CG V05 Farbrepräsentationen x
45 Orientierung in der Farbnormtafel zeigt (repräsentiert) alle wahrnehmbaren Farben bei konstanten Helligkeit Y (=100), also alle Farbtöne (hues) und Sättigungen (saturations) 0,9 0,9 0,8 0,8 0,7 0,7 0,6 0,6 0,5 0,5 0,4 0,4 0,3 0,3 0,2 0,2 0,1 0, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Was ist eigentlich falsch an dieser Darstellung? 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Detlef Krömker 45 B-CG V05 Farbrepräsentationen
46 Interpretationen: Farbton, Farbsättigung, Komplementärfarbe 0,9 0,8 0,7 Farbton (dominant wavelenght) von F 0,6 0,5 0,4 0,3 a b F Weißpunkt Farbsättigung (purity) von F p=a/a+b 0,2 0,1 Komplementärfarbe zu F 0 0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Detlef Krömker 46 B-CG V05 Farbrepräsentationen
47 y 1, , ,4 1, Normfarbtafel - Farbmischung Alle additiven Mischfarben liegen auf der Geraden zwischen den Ausgangsfarben: 0,8 0,6 0, Sie mischen sich linear! Berechne die Koordinaten der Mischfarbe: Siehe ggf. Übung! 0, ,2 0,4 0,6 0,8 1 1,2 x 47 B-CG V05 Farbrepräsentationen
48 Monitorphosphore: 3 Primärvalenzen 0, , , ,6 0, Weißpunkt: einstellbar aber fest 0,4 0, Alle Mischfarben mit positiven Anteilen liegen im inneren des Dreiecks: 0,2 0, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 baryzentrische Koordinaten Verwenden, siehe Übung Detlef Krömker 48 B-CG V05 Farbrepräsentationen
49 Rückblick und Diskussion CIE Primärvalenzen 3 reale Lichtquellen ( monochromatisch ) CIE Primärvalenzen 700 nm CIE Rot 546,1 nm CIE Grün 435,8 nm CIE Blau (Spektrallinien einer Quecksilberdampflampe) 0,9 0,8 0,7 0,6 negative Koeffizienten 0,5 0,4 0,3 positive Koeffizienten 0,2 0, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 49 B-CG V05 Farbrepräsentationen
50 Diskussion CIE 1931 Farbnormtafel + -werte Normiert und akzeptiert XYZ, Yxy Einfache lineare Mischoperationen: Mischfarben von zwei Primärvalenzen liegen auf der Verbindungsgeraden; Anteile mischen sich linear Mischfarben von drei Primärvalenzen liegen innerhalb des aufgespannten Dreiecks Komplementätfarben sind einfach zu finden: Gerade durch den Weißpunkt Näherungswerte für Farbton (dominant wavelenght) und Sättigung (purity) 50 B-CG V05 Farbrepräsentationen
51 Diskussion CIE 1931 Farbnormtafel + -werte Kalibrierung von RGB-Werten durch Angabe der Primärvalenzen + Weißpunkt möglich. ABER entspricht nicht der menschlichen Wahrnehmung bezüglich der Ähnlichkeit von Farben der Farbabstände weitere Transformationen nötig! 51 B-CG V05 Farbrepräsentationen
52 Ergebnisse von McAdams: Ellipsen Kreise Transformieren nach u v 52 B-CG V05 Farbrepräsentationen
53 CIELUV 1976 Ziel: McAdams Ellipsen zu etwa gleichgroßen Kreisen verzerren! 4 X 9 Y u ' = v ' = X + 15Y + 3Z X + 15Y + 3Z und weiter: Y auf Y n beziehen und gemäß der Hellempfindung verzerren! 1/ 3 Y L * = wenn Y / Yn > 0, Y n gleiches für u und v L* = 903, 3( Y / Y ) sonst u* = 13L * ( u ' u ') v* = 13L * ( v ' v ') n n n Δ E * = ( Δ L*) + ( Δ u*) + ( Δ v*) uv Farbabstand 53 B-CG V05 Farbrepräsentationen
54 Farbnormtafel u v für CIELUV 0,7 0,6 0,5 alle Operationen wie im x,y Diagramm möglich 0,4 0,3 0,2 0, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 54 B-CG V05 Farbrepräsentationen
55 Der Spektrallinienzug im u*,v* v* gelb u* grün -50 rot blau -200 Ursprung: unbunt = weiß grau schwarz 55 B-CG V05 Farbrepräsentationen
56 Alternativ: CIELAB 1976 Y L * = Y n X Y a * = b * X 500 = 200 Y ersetze Y ( ) X ( ) Z ( ) 1 / 3 1 / 3 1 / 3 1 / 3 1 / 3 1 / 3 Y Y Z Z n n n n = 7, 787( Y / Y Y n ) + 16 / 116 wenn Y / Y n 0, n 1 / 3 = 7, 787 ( X / X X n ) + 16/ 116 wenn X / X n 0, n 1 / 3 = 7, 787 ( Z / Z Z n ) + / wenn Z / Z n, n Δ E * = ( Δ L * ) + ( Δ u * ) + ( Δ v * ) uv B-CG V05 Farbrepräsentationen
57 CIELUV/CIELAB-Diskussion beides sind Metriken zur Farbabstandsmessung für Objekte gleicher Größe und Form auf mittelgrauem Grund CIELAB hat keine zugehörige Farbnormtafel lineare additive Mischungsrechnung nicht so einfach möglich! gerade Linien in x,y oder u*v* sind allgemein nichtgerade in a*b* CIELUV wird gegenüber CIELAB bei additiver Farbmischung (Monitoranwendungen) bevorzugt: gerade Linien bleiben gerade (additive Farbmischung) Farbnormtafel u v für CIELUV im Druckbereich (subtraktive/autotypische Mischung hat das eine geringe Bedeutung häufig CIELAB genutzt Leider viele Mißverständnisse zum Gebrauch LUV/LAB, denn exakt (Ellipsen werden zu gleich großen Kreisen) sind beide nicht Detlef Krömker 57 B-CG V05 Farbrepräsentationen
58 Kritik CIELAB / CIELUV insbesondere große Farbabstände werden unkorrekt bestimmt Farbabstände für kleine Objekte (< 2 0 ) werden fehlerhaft bestimmt Detlef Krömker 58 B-CG V05 Farbrepräsentationen
59 Sehwinkel / Minuten Zusammenhang: Sehwinkel - Pixelzahl - Bildschirmgröße , , , Bildschirmgröße / Zoll Detlef Krömker Pixelanzahl hor. die Farbdifferenzen weniger Pixel großer Flächen werden falsch bestimmt! 59 B-CG V05 Farbrepräsentationen
60 Small-Field Tritanopia (Farbsehschwäche für kleine Flächen) Detlef Krömker 60 B-CG V05 Farbrepräsentationen
61 Kleinfeld-Korrekturen zur Farbabstandsbestimmung Beachte: auf einem 19 -Monitor 1Pixel 1,5 nach Silverstein und Merrifield (1985) [ ] ( K ΔL*) + ( K Δu*) ( K Δ *) 1/ 2 Δ E* = + v uv sf L u v Sehwinkel/ K L K u K v 32 0,850 0,270 0, ,575 0,160 0, ,285 0,072 0, ,105 0,020 0, ,032 0,003 0,000 Detlef Krömker 61 B-CG V05 Farbrepräsentationen Small-Field Tritanopia
62 Zusammenfassung CIE Farbmetriken Wir haben Normale (Grundlage einer jeden Messung) entwickelt und etabliert: CIE 1931 CIE Primärvalenzen sind willkürlich gewählt, aber zweckmäßig Für bestimmte Anwendungen (z.b: Farbabstände) gibt es diverse Korrekturen und Ergänzungen Wir können Mischfarben bei der additiven Farbmischung durch Vektoraddition (3D), z.b. XYZ, Yxy, L*u*v* bestimmen und in 2D visualisieren (in der Farbnormtafel) Zur Farbabstandsbestimmung CIELUV oder CIELAB, ggf. korrigiert! nicht mehr auf Farbproben (z.b: Fächer, wie bei Munsell) angewiesen prinzipielle Unabhängigkeit von der Reproduktionstechnik Wir können z.b. gleichabständige Farbskalen errechnen! 62 B-CG V05 Farbrepräsentationen
63 Kalibrierung von RGB-systemen CIE RGB, XYZ, Yxy ist kalibriert (durch Kenntnis der Spektrallinien) man kann jedes Primärvalenzsystem kalibrieren (R,G,B) indem man sich auf das CIE RGB-System bezieht (Basistransformation) und in ein anderes transformieren (Basiswechsel Matrixmultiplikation) nötig dazu: Koordinaten der Primärvalenzen in x,y Helligkeitsreferenz durch Weißpunkt (maximale Helligkeit) und Farbe Merke: Weiß Weiß, also auch x,y Koordinaten Man kann jeden (RGB)-Wert auch in Helligkeit (Luminanz) + Farbart umrechnen eine Luminanzfunktion + zwei Farbartfunktionen (= Farbdifferenzfunktioen), also 3x3-Matrix 63 B-CG V05 Farbrepräsentationen
64 Farbe in klassischen Bewegtbildsystemen: Fernsehen RGB zur Farbabtastung und Wiedergabe Gamma Vorverzerrung: R G B : 1 / 2,2 = 0,45 z.b. R =R 0,45 Kompatibilität zu S/W Fernsehen war unabdingbar: Y : Helligkeit und 2 weitere Komponenten: sog. Farbdifferenzsignale Prinzip: R -Y, B -Y Ausnutzung der Farbsehschwäche für kleine Details ---> kleinere Bandgrenzen Unterabtastung der Farbdifferenzsignale, z.b. 1:2 möglich Detlef Krömker 64 B-CG V05 Farbrepräsentationen
65 Vorverzerrung Gammakorrektur der Signale vor der Übertragung Für CRTs gilt: Die abgestrahlte Lichtintensität I ist nichtlinear zur anregenden Eingangsspannung U. Es gilt: I = K U γ mit γ 2, ,55 Entsprechend führt man Vorverzerrungen aus: häufig: mit 1/g = 1/2,2 = 0,45 (Video) R G B Achtung: Mac: 1/1,8 und QuickDraws 1/1,45 CLUT Detlef Krömker 65 B-CG V05 Farbrepräsentationen
66 NTSC (1953) US Farbfernsehen Weißpunkt: Illuminant C Primärvalenzen : x y (entsprechen nicht mehr Rot 0,67 0,33 den heutigen Phosphoren) Grün 0,21 0,71 Blau 0,14 0,08 Luminanzfunktion: Y = 0,299 R + 0,587 G + 0,114 B Chrominanzfunktionen: I = -0,27 (B -Y ) + 0,74(R -Y ) Q = 0,41 (B -Y ) + 0,48 (R -Y ) Achtung: mit gekennzeichnete Größen sind Gammakorrigiert (vorverzerrt) Drehung der einfachen Differenzsignale um die Q-Achse in Richtung der Längsachsen der McAdams Ellipsen auszurichten: geringste Farbdifferenzempfindung - Weitere Gewichtungen nötig, um Amplitude des Composite Signals zu beschränken!! 66 B-CG V05 Farbrepräsentationen
67 PAL (1965) Weißpunkt: D65 Primärvalenzen : x y Rot 0,64 0,33 Grün 0,29 0,60 Blau 0,15 0,06 Luminanzfunktion: Y = 0,299 R + 0,587 G + 0,114 B Achtung: wie bei NTSC, trotz anderer Primärvalenzen (kalkulierter Fehler!!?) Chrominanzfunktionen: U = 0,493 (B -Y ) V = 0,877 (R -Y ) Detlef Krömker 67 B-CG V05 Farbrepräsentationen
68 ITU-R (CCIR) 601 Weißpunkt: D65 Primärvalenzen : x y Rot 0,64 0,33 Grün 0,29 0,60 Blau 0,15 0,06 Luminanzfunktion: Y= 0,299 R + 0,587 G + 0,114 B Chrominanzfunktionen: C R = 0,564 (R -Y ) C B = 0,713 (B -Y ) Detlef Krömker 68 B-CG V05 Farbrepräsentationen
69 ITU-R (CCIR) 709 Weißpunkt: x= 0,3127, y=0,3290 Primärvalenzen : x y Rot 0,640 0,330 Grün 0,300 0,600 Blau 0,150 0,060 Luminanzfunktion: Y= 0,2125 R + 0,7154 G + 0,0721 B (Achtung: linear RGB) Chrominanzfunktionen: CR = (B -Y ) CB = (B -Y ) Detlef Krömker 69 B-CG V05 Farbrepräsentationen
70 Farbauswahl und -spezifikation Die technisch-physikalischen Farbmodelle (RGB, CNY) entsprechen den technischen Gegebenheiten, sind aber zur direkten Farbdefinition durch den Benutzer ungeeignet. Deshalb wurden Farbmodelle entwickelt, die näherungsweise (sehr grob) den Größen der menschlichen Wahrnehmung entsprechen, nämlich Helligkeit, Farbton und Farbsättigung. 70 B-CG V01 Das Digitale Bild
71 HLS-System Das HLS-System (H=Hue (Farbton), L=Lightness (Helligkeit), S=Saturation (Sättigung). Die Farbanordnung entspricht der senkrechten Projektion des RGB-Würfels von Weiß nach Schwarz entlang der Hauptdiagonalen (siehe Applet). Das entstehende regelmäßige Sechseck wird meist durch einen Kreis ersetzt, so daß der Farbton (H) als Winkel zwischen und anzugeben ist. Das H'L'S'-System entsteht durch Verschieben von Grün in Richtung Blau. Dadurch liegen Rot, Gelb und Blau gleich weit voneinander entfernt, was der Farbempfindung besser entspricht. 71 B-CG V05 Farbrepräsentationen
72 HLS-Modell Die Helligkeit (L) wird als Wert zwischen 0 und 1 angegeben, wobei 0 Schwarz und 1 Weiß entspricht. Die Sättigung (S) wird als Abstand einer Farbe vom Mittelpunkt des Farbkreises angegeben. Sie beträgt 0 für achromatische Farben und kann als höchsten Wert 1 für die gesättigten Farben auf dem Rand des Farbkreises annehmen. Bei Farben mit der Helligkeit 0.5 ist die volle Sättigung 1 möglich. Mit zunehmender oder abnehmender Helligkeit nimmt die maximal mögliche Sättigung ab. Je nachdem, ob die Sättigung absolut oder relativ zur maximal bei einer bestimmten Helligkeit erreichbaren Sättigung angegeben wird, verwendet man deshalb das Doppelkegelmodell oderdas Zylindermodell. 72 B-CG V05 Farbrepräsentationen
73 Zusammenfassung Farbe: ein nicht ganz einfaches aber faszinierendes Problem In der CG arbeitet man fast nur mit dem RGB-System, aber die vielen anderen Systeme muss man trotzdem kennen z.b. für so ein einfaches Problem wie eine gleichabständige Farbskala zu erzeugen:... Eine meiner Lieblingsfragen! um RGB-Werte zu kalibrieren... Für spezielle Aufgaben und Anwendungsprobleme! 73 B-CG V05 Farbrepräsentationen
74 Glossar CIE Farbnormalen Colorimetrie Normalbeobachter CIE RGB CIE XYZ Virtuelle Primärvalenzen CIE xyz Normfarbwertanteile (Chromaticity Coordinates) Normfarbtafel (Chromaticity Diagram) Dominant Wavelenght 74 B-CG V05 Farbrepräsentationen
75 Glossar(2) Purity CIE Yxy CIE L*a*b* CIE L*u*v* Small-Field Tritanopia RGB-Modell Nichtlineare Verzerungen Gamma Gamma Korrektur Gamma Vorverzerrung 75 B-CG V05 Farbrepräsentationen
76 Glossar(3) YIQ YUV YC R C B Farbdifferenzsignale NTSC PAL Composite Signale ITU-R (CCIR) 601 ITU-R (CCIR) 709 HLS H L S HSV 76 B-CG V05 Farbrepräsentationen
77 Weitere Informationen Charles Poyntons FAQs: Color FAQ: Gamma FAQ: Umfassendes Lehrbuch: Heinwig Lang: Farbwiedergabe in den Medien Fernsehen Film Druck, Muster-Schmidt Verlag, 1995 ISBN B-CG V05 Farbrepräsentationen
78 Ausblick Nächste Schritte Rendering: B-CG V05 Farbrepräsentationen
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