Methoden des automatischen Weißabgleichs und ihr Bezug zur Farbkonstanz. R. Jahn, K.-H. Franke

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1 Methoden des automatischen Weißabgleichs und ihr Bezug zur Farbkonstanz R. Jahn, K.-H. Franke

2 Inhalt 4 Farbkonstanz, Metamerie 4 Automatischer Weißabgleich (AWB) im Überblick 4 Ausgewählte AWB-Verfahren nach dem Stand der Technik 4 Eigene Ergebnisse 2

3 Farbkonstanz Unter Farbkonstanz versteht man die Fähigkeit, Objekte unabhängig von den Beleuchtungsbedingungen nach ihrer Farbe klassifizieren zu können. Erfahrungen Die wahrgenommene Farbe hängt nur vom spektralen Remissionsgrad des Objekts ab, nicht von der Beleuchtung. Die wahrgenommene Farbe hängt nicht davon ab, ob das Auge auf das Umgebungslicht adaptiert ist. Farbunterschiede sind vor allem an Kanten sichtbar. Remissionsgrad Leuchtdichte x x 3

4 Retinex-Theorie (E. Land u. a. 1971) Farbkonstanz Die Farbempfindung wird von den relativen Helligkeiten in den 3 visuellen Kanälen bestimmt. Die relative Helligkeit ergibt sich aus den Verhältnissen sensorischer Reizantworten entlang zufälliger Pfade. Relative Helligkeit R in einem Punkt B: G 2 G 0 G 1 Pfad k G n 1 G n B G 3 0 : = : 1 = 1 G 4 1 G 52 G G 2 63 G 3G n > = 1 R G 3 0 G 41 G 1 52 G G 2 n 1 < δ < δ 4

5 Retinex-Theorie (E. Land u. a. 1971) Farbkonstanz Die Farbempfindung wird von den relativen Helligkeiten in den 3 visuellen Kanälen bestimmt. Die relative Helligkeit ergibt sich aus den Verhältnissen sensorischer Reizantworten entlang zufälliger Pfade. Relative Helligkeit R in einem Punkt B: Pfad k N 1 log R = rk ( N Pfade) N k = 1 G 1 G n 1 G n B r k Gj δ δ 1 wenn log > γ Gj 1 0 sonst n Gj = log, = G j = 1 j 1 G 2 G 0 Gj Korrektur der Teilsummen rk, m = δ log : G m j = 1 j 1 Wenn ein r > 1 ist, wird r = 1 gesetzt und der k, m k, m Anfang des Pfades verworfen. 5

6 Farbkonstanz Metamerie Farbkonstanz steht im Widerspruch zur Existenz bedingt-gleicher Farben. Bei extremer Beleuchtungsänderung werden kleine Farbabweichungen beobachtet (Land u. a.). Im Alltag ist der Metamerie-Effekt vernachlässigbar. Probenpaar aus dem Munsell-Farbkatalog mit dem größten Metamerie-Effekt: Remissionsgrad 0,6 0,4 0,2 10RP 2.5/4 10RP 3/6 D65 10RP 2.5/4 10RP 3/ Wellenlänge in nm F2 6

7 Automatischer Weißabgleich (AWB) im Überblick Zur Notwendigkeit des Weißabgleichs β(λ) S(λ) β(λ) S(λ) β(λ) S 1 (λ) S(λ) β(λ) S(λ) β(λ) S(λ) β(λ) S 1 (λ) S(λ) β(λ) S(λ) β(λ) Kamera ohne Weißabgleich 7

8 Annahmen und Prinzipien des AWB AWB im Überblick Graue-Welt-Hypothese Die beobachtete Szene erscheint im Mittel unbunt. 8

9 Existenz idealer Reflektoren AWB im Überblick > Annahmen und Prinzipien Die hellsten und am wenigsten gesättigten Bildbereiche verhalten sich wie wellenlängenneutrale Reflektoren. 9

10 AWB im Überblick > Annahmen und Prinzipien Gamut-Mapping - Gamut = Menge aller Körperfarben bei einer bestimmten Beleuchtung (Farbkörper). - Einpassen der aufgenommen Menge von Farbpunkten in den Gamut für die Referenzbeleuchtung (z. B. durch lineare Transformation). konvexe Hülle Gamut Referenzbeleuchtung Gamut unbekannte Beleuchtung 10

11 AWB im Überblick > Annahmen und Prinzipien Physiologische Aspekte Beispiel: Methode nach Pomierski u. a. 1. Lineare Abbildung der RGB-Punktwolke in den physiologischen Farbraum RG-BY-BW. 2. Lineare Abbildung der Punktwolke innerhalb RG-BY-BW, so dass die Richtung der ersten Hauptkomponente nach der Abbildung mit der BW-Achse zusammenfällt. 3. Rücktransformation RG-BY-BW RGB. Hauptachse BW BW Hauptachse = BW-Achse BY BY 11

12 Praktische Durchführung des AWB AWB im Überblick Digitale Verarbeitung des Rohdatenbildes R0 R0 Farbvalenz des Rohdatenbildes: F0 = ( G ' 0+ G '' 0)/ 2 = G 0 B 0 B 0 Farbvalenz des Zielbildes: F R1 = G B Lineare Transformation: F = M F 1 0 Üblich ist reine Skalierung: M Rgain 0 0 = B gain R B gain gain = = Rotverstärkung Blauverstärkung 12

13 AWB im Überblick Quellen zur Bestimmung der Abgleichfaktoren R gain, B gain Umgebungslichtfarbe Blitzlicht - Farbtemperatur - Dauer Automatischer Weißabgleich Rohdatenbild Objektabstand 13

14 Definition der Rot- und Blauverstärkung für beliebige Farbvalenzen 3,0 AWB im Überblick R gain G G = = R 0 0 Bgain 0 B0 2,5 Verstärkungswerte-Ebene 2,0 1 2 Berechnet für Kodak-Sensor KAF-10010CE P Ortskurve der Schwarzen Strahler für K Bgain 1,5 P 1 Glühlampe 2 Leuchtstofflampe 3 Tageslicht bei Sonnenschein 1,0 3 0,5 0,5 1,0 R gain 14

15 Cluster-Verfahren (US ) Ausgewählte AWB-Verfahren 1. Unterteilung des Rohdatenbildes in Blöcke (z. B. 16x16). 2. Mittlere Verstärkungswerte der Blöcke als Punkte im (1/R gain,1/b gain )-Diagramm auffassen. 1/B gain 3. Abstand der Punkte paarweise berechnen. 4. Punkte, deren Abstand kleiner als ein Schwellwert ist, werden zu Clustern zusammengefasst. Cluster mit wenigen Elementen werden verworfen. 1,0 Cluster 1 Cluster 2 5. Mittelpunkte der verbliebenen Cluster bestimmen. 0 1,0 1/R gain 6. Gewichtetes Mittel der Mittelpunkte definiert Skalierungsfaktoren für AWB. 15

16 Ausgewählte AWB-Verfahren Bewertung nach mehreren Lichtquellen (EP ) Bild wird in Blöcke unterteilt, 3 Blockmengen werden getrennt behandelt: Menge der hellsten Blöcke Menge aller Blöcke, die dem Farbton von Leuchtstoffröhren entsprechen Menge aller Blöcke, die dem Farbton von Temperaturstrahlern entsprechen Luminanz-Eingang Video- Eingang Blockklassifikation Leuchtstofflampen-Block- Mittelwertbestimmung Temperaturstrahler-Block- Mittelwertbestimmung Leuchtstofflampen-Block- Wichtungseinheit Temperaturstrahler-Block- Wichtungseinheit Ermittlung der hellsten Blöcke Hellster-Block- Mittelwertbestimmung Hellster-Block- Wichtungseinheit Weißabgleich- Berechnungseinheit Weißabgleich Video- Ausgang 16

17 Aufnahme des Umgebungslichts (DE ) Ausgewählte AWB-Verfahren Auf einen kleinen Teil des Sensors (Ecke oder Kante) wird diffuses Umgebungslicht mittels Lichtleiter gelenkt. Dieser Teil wird nicht zur Abbildung benutzt. Lichtquelle Einzelheit A Kollektor Objekt A Kameragehäuse Pin Lichtleiter Objektiv Sensor Glasplatte Sensor 17

18 Interpolation zwischen Blitz- und Umgebungslicht (US ) Ausgewählte AWB-Verfahren Blitzlichtanteil folgt aus der Luminanz des Bildes vor dem Blitzen und einer Erfahrungs-LUT. Interpolation bezüglich Differenzen zur Ortskurve der Schwarzen Strahler. 4 Umgebung Temperaturstrahler 3 Interpolation B gain K Resultierende Lichtquelle K 5000 K 7000 K Blitz K 0 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 R gain 18

19 Eigene Ergebnisse 4 Ein kombiniertes Verfahren für hochwertige Digitalkameras wurde am ZBS entwickelt. 4 Der Kern-Algorithmus basiert auf der Graue-Welt-Hypothese. 4 Keine Verwendung von Zusatzinformationen. 4 Heuristische Behandlung von Pflanzenfarben ( Grün-Abgleich ). 19

20 Bildmotiv Putzwagen Eigene Ergebnisse 20

21 Bildmotiv Testbox Eigene Ergebnisse 21