Medien- Technik. Kapitel 3: Rasterbilder

Transkript

1 Kapitel 3: Rasterbilder

2 Medientyp Image Medien- media type image representation Farbmodelle (CIE, RGB, HSB, CMYK) Alpha-Kanäle (Transparenzbereiche) Anzahl der (Farb-) Kanäle Kanaltiefe (Bits pro Pixel, z.b. 1,2,4,8,10) Interlacing (pixelweise oder kanalweise) Farbpaletten Seitenverhältnis (aspect ratio) Kompression methods Editieren, einzelne Pixel, Masken etc. Paintbrush Punktweise Operationen (newp := f(p)) Filter ( newp := f(neighbourhood(p)) Zusammenfügen, Überblenden Geometrische Transformationen (Größe, Spiegeln, Drehen) Formatumwandlung (Farbseparation, Auflösung u.a.)

3 Medien- nm = 10-9 m THz = /sec λ = Wellenlänge (m) f = Frequenz (sec -1 ) v = Geschwindigkeit (m/sec) Spektrum des sichtbaren Lichtes Wellenlänge 380 nm-780 nm Lichtgeschwindigkeit 3*10 8 m/s Frequenzbereich THz U S v = λ * f Wellenlänge 10-1m UKW / VHF m UHF Infra-Rot λ 1/f nm Sichtbares Licht m Ultraviolett-Strahlung m Röntgen-Strahlung hart

4 Medien- Energie hängt von Frequenz ab: Planck sches Wirkungsquantum Q = h* f h = 6,62*10 34 W sec 2 für 1 Photon Wellentheorie: Huygens, Snellius, Fresnel Maxwell Teilchentheorie: Newton (!), Planck,... Intensitätsverteilung Sonnenlicht

5 Photometrie Physikalische Grundgröße: Lichtstärke Formelzeichen I SI-Einheit: candela (cd) Lichtstrom Φ =Lichtstärke * (Raum-) Winkel Ω SI-Einheit Lichtstrom lumen (lm) Punktförmige Lichtquelle mit Lichtstärke I

6 Photometrie Ausgangsidee: Punktförmiger Strahler mit Gesamtlichtstrom Φ Welcher Lichtstrom Φ F wirkt auf Fläche F? Ganze Kugeloberfläche = Verhältnisgleichung: Φ =Φ 2 :4 π R F : F 2 4πR R F Definition Raumwinkel: F Φ F =Φ* Oberflächenstück F / R π R F Ω = 2 Ω [ 0..4π ] R Φ F =Φ* Ω Maßeinheit sr Steradiant 4 π lm 1 1 cd sr = Lichtstärke = Lichtstrom / Raumwinkel

7 Photometrie Physikalische Grundgröße: Lichtstärke [cd] Candela Licht breitet sich in alle Richtungen gleichmäßig aus: Isotropie Ein punktförmiger Strahler sendet Lichtmenge proportional zum Raumwinkel Lichtstrom (Lumen) 1 lm = 1cd * 1 sr Lichtstärke * Raumwinkel Gesamter Lichtstrom des Punktstrahlers (1 cd) 12,5664 lm

8 Raumwinkel 1 sr = derjenige Raumwinkel, der aus einer Kugeloberfläche (Radius r) eine Kugelkappe mit Fläche r*r ausschneidet. Analogie zum Bogenmaß des ebenen Winkels Quelle: Alex Ryer: Light Measurement Handbook

9 Elektromagnetismus James Clerk Maxwell Maxwell sche Gleichungen Magnetische+Elektrische Felder breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit aus. Licht = Elektromagnetische Welle? Quelle: Forschungsverbund Medientechnik Südwest,

10 Photometrie Physikalische Definition Candela Normlichtquelle mit 1 cd: 1/60 cm 2 Schwarzkörper bei 1770 C (erstarrendes Platin) Zusammenhang mit radiometrischen Einheiten: 1 Watt = 683,0 lm bei 555 nm Wellenlänge Lichtäquivalent Der Kehrwert 683 lm / Watt ist die max. Lichtausbeute für Lampen (theoretisch!)

11 Empfindlichkeit des menschlichen Auges 1 Watt=683 lm Unterschiede zwischen helladaptiertem und dunkeladaptiertem Auge Lumen berücksichtigt die Empfindlichkeit des menschlichen Auges Quelle:

12 Photometrie Physiolog. Helligkeitsempfindung Physiolog. Helligkeitsempfindung grün grün-gelb Tag-Sehen Nacht-Sehen

13 Photometrie Fotometrisches Strahlungsäquivalent K λ = K V ( ) ( ) max λ Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V(λ) (Tagessehen) K = max 683 lm/w 1,2 1 Violett Blau Grün Gelb Orange Rot V(λ) 0,8 0,6 0,4 Reihe1 0, Wellenlänge λ (nm) Blaugrün Grüngelb Orangerot

14 Photometrie Gesamtlichtstrom technischer Leuchten Allgebrauchslampe, klar, Doppelwendel, Sockel E27, 60 W Lichtstrom 730 lm, Ausbeute 12,17 lm/w Leuchtstofflampe, 38mm, Warmton 30, 65 W Lichtstrom: 4600 lm, Ausbeute 59 lm/w Quecksilberdampflampe, Klarglas, Leuchtstoff HQL, 80/90 W Lichtstrom 3100 lm, Ausbeute 34,4 lm/w Kerze 5-15 lm Elektronenblitz Bis 40 Mlm (Megalumen)

15 Beleuchtungsstärke = Lichtstrom / Fläche Formelzeichen E Definition: 1 Lux = 1 lm / m 2 etwa 11 lux Sonnenstrahlung: 1,35 kw / m Lux Belichtungsmesser

16 Beleuchtungsstärke = Lichtstrom / Fläche Definition: 1 lx = 1 lm / m 2 Natürliche Beleuchtungsstärken Sonnenlicht im Sommer lx Sonnenlicht im Winter lx Bedeckter Himmel, Sommer lx Vollmondnacht 0,2 lx Grenze der Farbwahrnehmung: 3 lx Normalbeleuchtungsstärken Wohnräume lx Arbeitsräume lx allgemein Arbeitsplätze lx

17 Beleuchtungsstärke = Lichtstrom / Fläche Definition: 1 lx = 1 lm / m 2 Beispiel: 65 W Leuchtstofflampe über Schreibtisch 2*1m Lichtstrom gesamt: 4600 lm Auf den Schreibtisch treffen 50 % =2300 lm Beleuchtungsstärke lx Arbeitsrechtliche Vorschriften beachten!

18 Belichtung = Beleuchtungsstärke * Zeit Formelzeichen H SI-Einheit: 1 lx s = Luxsekunde Φ H = Et = t = A Q A A Fläche Q Lichtmenge = Lichtstrom * Zeit

19 Leuchtstärke oder Leuchdichte = Lichtstärke / Fläche Formelzeichen L asb = apostilb stilb = cd/m2 1 lm/m 2 /sr (lumen pro Quadratmeter pro Steradian) = 1 candela/m 2 (cd/m 2 ) = π apostilbs (asb)

20 Photometrie Leuchtdichte L = Lichtstärke / Leuchtfläche [cd/m 2 ] I 0 *cosα Leuchtfläche = scheinbare Fläche senkrecht zur Betrachtungsrichtung 0 Betrachtungsrichtung Leuchtende Fläche Scheinbare Fläche Lambert scher Strahler Ebene Fläche gleichmäßiger Lichtstärke I

21 Photometrie Leuchtdichte L = Lichtstärke / Leuchtfläche [cd/m 2 ] Ausgewählte Leuchtdichten Fluoreszenz Nachthimmel Grauer Himmel Blauer Himmel Mond Sonne am Horizont Mittagssonne Leuchtstofflampe Kerze Wolfram-Glühlampe matt Kohlelichtbogen Quecksilber-Höchstdrucklampe Xenon-Höchstdrucklampe cd/cm 2! < 0, < 0,3 < 1 0, < ,2-0,4 < < Blendung ab 0,75 cd/cm 2

22 Medien- Photometrie Zusammenfassung Lichtstärke I cd Grundgröße Leuchtdichte L cd/m 2 Lichtstrom Lichtmenge Φ Q lm = cd*sr lm*s Beleuchtungsstärke E lx = lm/m 2 Belichtung H lx * s Raumwinkel Ω sr

23 Physiologie des Sehens Video, ergo sum!

24 Physiologie des Sehens Hornhaut: durchsichtig, 5-schichtig vordere Kammer mit Kammerwasser Linse mit ringförmigem Ciliarmuskel dazwischen: Regenbogenhaut (Iris) dahinter: Glaskörper, Augenfüllung dahinter: Netzhaut, Stäbchen (Farbe) und Zapfen (Helligkeit) Zapfen sind in der Mitte (Gelber Fleck, Fovea Centralis) konzentrierter als außen (bestes Sehen) Blinder Fleck: Eintritt des Sehnervs, ohne Sensoren Akkommodation: Ziliarmuskel zieht sich zusammen und verdickt die Linse Jeder Zapfen ist mit einer Nervenzelle verbunden, mehre Stäbchen mit einer! Aussen ist das Auge besonders empfindlich. Koordination: Synchronisation beider Augen (räumliches Sehen)

25 Physiologie des Sehens Zum Vergleich: CCD 120 Mio. Stäbchen (Farbsehen) 6 Mio. Zapfen (Helligkeit) Empfindlichkeit der Zapfen für Farben: Zapfen sind empfindlicher: Nachts sind alle Katzen grau!

26 Trichromatizität des Auges (Thomas Young 1809) Medien- Farbreiz Strahlung Auge R,G,B Farbvalenz Farbvalenz (Signal an das Gehirn) R-G G-B B-R R+G+B Rot-Grün- Anteil Blau-Gelb Anteil Farbton, Sättigung Helligkeit Farbempfindung Farbempfindung Gehirn Farbverarbeitung nach George Wald

27 f = Frequenz c λ f Frequenz c Lichtgeschwindigkeit l Wellenlänge 1809: Thomas Young RGB (nach RYB) Young sche Nervenelementreihe 1861: James Clerk Maxwell Drei-Farben-Projektion mit RGB-Diapositiven 1961 (?): George Wald Nobelpreis für Nachweis 3 verschiedener Zapfentypen (Biochemie) Neuere Forschung: Jerry Nathans Gene der Zapfen entschlüsseln Gibt es Tetrachromatizität bei Frauen? RRGB Ultraviolett Blau: nm kurzwellig hochfrequent Grün: nm Rot: nm langwellig niederfrequent Infrarot Wellenlänge

28 Simultankontrast Physiologie des Sehens Optische Täuschungen Metamerie Je nach Beleuchtung sehen unterschiedliche Farben gleich aus Sukzessiver Kontrast (Nachbild in Komplementärfarbe) Farbgedächtnis (Baum, Himmel, Haut) Chromatische Adaption (Weißabgleich) Farbwahrnehmung wird von Nachbarfarben beinflusst

29 Vorlesung Medientechnik WS 2000/2001 Dr. Manfred Jackel Studiengang Computervisualistik Institut für Informatik Universität Koblenz-Landau Rheinau Koblenz Manfred Jackel jkl@uni-koblenz.de WWW: mtech.uni-koblenz.de Literatur zu diesem Kapitel: Marchesi: Handbuch der Fotografie 1-3 Alex Ryer: Light Measurement Handbook Fischer, Karl Friedrich u.a.: Taschenbuch der technischen Formeln Kuchling, Horst: Taschenbuch der Physik Hyperlinks zu diesem Kapitel Grafik-Quellen