Gestaltregeln Eine Wahrnehmungs-Syntax für Diagramme Wahrnehmung von Helligkeit Kontrast Abbildung auf Helligkeiten (auf Grauwerte)

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1 9LVXDOLVLHUXQJ Farbwahrnehmung und Farbsysteme Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker *RHWKH8QLYHUVLWlWÃ)UDQNIXUW *UDSKLVFKHÃ'DWHQYHUDUEHLWXQJ 5 FNEOLFN Gestaltregeln Eine Wahrnehmungs-Syntax für Diagramme Wahrnehmung von Helligkeit Kontrast Abbildung auf Helligkeiten (auf Grauwerte) 2 1

2 hehuvlfkw 1. Elemente der Farbwahrnehmung 2. Die CIE Farbnormalen - Colorimetrie CIE XYZ, xyz, Yxy 3. Weiterentwicklungen (empfindungsmäßig gleichabständig) zu CIE L*a*b*, CIE L*u*v* 4. Das RGB-Modell Nichtlineare Verzerrungen: Gamma 5. Zusammenfassung 6. Glossar 7. Ausblick Nächste Schritte 3 :DVLVW)DUEH" QDFK',1)DUEPHVVXQJ7HLO Farbe ist ein durch das Auge vermittelter Sinneseindruck, also eine Gesichtsempfindung. Die Farbe ist diejenige *HVLFKWVHPSILQGXQJeines dem Auge strukturlos erscheinende Teils des Gesichtsfeldes, durch die sich dieser Teil bei einäugiger Beobachtung mit unbewegtem Auge von einem gleichzeitig gesehenen, ebenfalls strukturlosen angrenzenden Bezirk allein unterscheiden kann. 4 2

3 $XIEDXGHU5HWLQD Photorezeptoren: 2 Grundtypen Nachtsehen: Stäbchen (rods) ca. 120 Millionen Tagsehen: Zapfen (cones) ca. 6 Millionen hauptsächlich in der Fovea Centralis 3 Zapfensubtypen: L rot (R) M grün(g) S blau(b) 5 =DSIHQPRVDLNLQGHU)RYHD&HQWUDOLV 10% S-Rezeptoren B- blau 48% M-Rezeptoren G- grün 42% L-Rezeptoren R- rot 6 3

4 )DUEZDKUQHPXQJ Retinale Prozesse Rezeptoren: drei Zapfenarten Sehnerv (Ganglienzellen) Helligkeit & Gegenfarben: R-Gr,B-Ge Empfindung: Farbton (hue): Farbkreis (rot-gelb-grün-blau) Helligkeit (brightness): hell - dunkel Sättigung (saturation): Grad der Farbigkeit 7 Å)U KH%HUHFKQXQJ YRQ*HJHQIDUEHQNRPSRQHQWHQ Spektrale Empfindlichkeit der Zapfen Einfaches Modell für Gegenfarben: L B /0 Chrominanz (rot-grün) M /0 Luminanz S B 6/0 Chrominanz (blau-gelb) 8 4

5 )DUERUGQXQJVV\VWHPH Basis ist der Farbkreis (Hering): Viele verschiedene Systeme: Ostwald (1931), Munsell (1929), OSA (1974), NCS (1970), Chroma Cosmos 5000 (1979) 9 *UDVVPDQQVFKH *HVHW]H Erstes: =ZLVFKHQMHYLHU)DUEHQEHVWHKWLPPHUHLQH HLQGHXWLJHOLQHDUH%H]LHKXQJ(LQH)DUEHEUDXFKW]X LKUHU%HVFKUHLEXQJGUHLYRQHLQDQGHUXQDEKlQJLJH %HVWLPPXQJVVW FNHGKGLH)DUEHLVWHLQH GUHLGLPHQVLRQDOH*U H Farben können als Vektoren eines dreidimensionalen 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. 10 5

6 )ROJHUXQJ3ULPlUYDOHQ]HQ 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 Mischung der beiden anderen Primärvalenzen darstellbar ist. 11 )ROJHUXQJ)DUEPLVFKXQJ Mit drei Primärvalenzen R, G, B läßt sich also für jede Farbvalenz F eine Farbgleichung aufstellen: F = r R + g G + b B Mit Farbvalenzen kann man also wie mit Vektoren rechnen, insbesondere ist die Umrechnung der Darstellung bezüglich verschiedener Primärvalenztripel (Basiswechsel) möglich 12 6

7 *UD PDQQVFKH *HVHW]H Zweites: *OHLFKDXVVHKHQGH)DUEHQHUJHEHQPLWHLQHU GULWWHQ)DUEHVWHWVJOHLFKDXVVHKHQGH)DUEPLVFKXQJHQ 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. 13 Mischexperimenten zeigen: ganz unterschiedliche Spektren erzeugen dieselben Farbreize. Siehe folgendes Beispiel: 0HWDPHULH 14 7

8 )DUEPLVFKSULQ]LSLHQ $GGLWLYH0LVFKXQJ Addition von Licht: 2 oder mehr Farben werden dem Auge gleichzeitig angeboten Echte Überlagerung Sukzessiv (zeitliche Integration): Farbkreisel Simultan (örtliche Integration): Monitor Grundfarben: Rot Grün Blau Hintergrund: Summenfarbe: Schwarz Weiß unbunt Applet: Additive Farbmischung 15 )DUEPLVFKSULQ]LSLHQ Subtraktive Mischung: Farbige Gläser (Filter) Druckpigmente Grundfarben: Cyan Magenta Gelb CMY Hintergrund: Summenfarbe: Weiß Schwarz unbunt Hilfsfarbe: Schwarz CMYK 16 8

9 5*%ÍÎ &0<. & 0 < = * % 5 * % = & 0 < K := min(cmy) C := C-K M := M-K Y := Y-K Achtung: Weder RGB noch CMY(K) sind kalibrierte Farbangaben 17 )DUEZDKUQHKPXQJLVWQLFKWDEVROXW )DUEZDKUQHKPXQJVHIIHNWH Bezold-Brücke Effekt: Farbtonverschiebung bei Veränderung der Helligkeit Helmholz-Kohlrausch Effekt Farbiges Licht erscheint heller trotz gleicher Luminanz Abney Effekt Addition weißen Lichts erzeugt Farbtonverschiebungen Farbe und Größe Kleine Farbflächen wirken intensiver weißes Rechteck wirkt länger als ein schwarzes gleicher Größe 18 9

10 E E Das kleine E wirkt auf dem dunklen Hintergrund dunkler als das große E. Farbe des großen E wirkt reiner. 10

11 Das linke, weiße Rechteck wirkt länger als das schwarze. (Irradiations-Effekt) 11

12 Auf rotem Grund erscheint der graue Ring grünlich auf grünem Grund dagegen rötlich (Simultankontrast) 12

13 )DUEVWHUHRVNRSLH :RLVWGLHVHU 7H[W" :RLVWGLHVHU 7H[W" 25 (UNOlUXQJ Detlef Krömker 13

14 2UWVDXIO VXQJLQGHQ)DUENDQlOHQ LVR RGHUHTXLOXPLQDWH0XVWHU Lesen Sie weiter, um festzustellen, wie schwierig es ist und ob sie vielleicht Unterschiede erkennen können. Dies ist keineswegs sicher, aber man muss es versuchen, sonst weiß man es eben nie. Auf alles was ich als Poet geleistet habe, bilde ich mir gar nichts ein.... Das ich aber in meinem Jahrhundert der einzige bin, der das Rechte weiß, darauf tue ich mir etwas zugute, und ich habe daher ein Bewusstsein der Superiorität über viele. Dies hat Goethe gesagt, der eine naturgemäße Ordnung der Farben suchte. 27 )ROJHUXQJHQ Reine chromatische Differenzen sind ungeeignet um )RUPHQ 2EMHNWEHZHJXQJ (QWIHUQXQJHQRGHU 'HWDLOLQIRUPDWLRQHQ (wie Text) zu präsentieren. $%(5: Farbe ist ein natürliches Attribut von Objekten Farbe erregt Aufmerksamkeit Î Nahrung (Früchte, Beeren) 28 14

15 1RFKHLQNOHLQHU9HUVXFK Licht aus! 29 15

16 16

17 'LH)DUEH%UDXQ BRAUN ist ein dunkles gelb. Es gibt kein BRAUN in einer dunklen Umgebung BRAUN braucht eine Referenz um wahrgenommen zu werden Î VORSICHT bei farbigen Helligkeitsskalen: BRAUN wird u.u. nicht als dunkles Gelb wahrgenommen. 33 )DUEIHKOVLFKWLJNHLW Farbe wird nicht von allen Menschen gleich empfunden. 7-8% der männlichen und 0,4% der weiblichen Bevölkerung zeigen ein abgeschwächtes Farbunterscheidungvermögen Oft nur bei kleinen Sehwinkeln < 2 0 deutlich Î viele Betroffene wissen nichts von ihrer Sehschwäche 34 17

18 )DUEIHKOVLFKWLJNHLW Anomale Trichromasie (gestörtes Dreifarbsehen) Dichromasie (Zweifarbsehen) Monochromasie (Farbblind, 0,003%) Protanomalie (Rotschwäche) ca. 1% Deuteranomalie (Grünschwäche) 5-6% Tritanomalie (Blau-Gelb.Schwäche) 0,004% Testverfahren:,VKLKDUD7HVW oder )DUQVZRUWK0XQVHOO+XH7HVW 35 $XVZLUNXQJHQYRQ)DUEDQRPDOLHQ Original Auswirkung der Protanopie (Rotschwäche) Auswirkung der Deuteranopie (Grünschwäche) Auswirkung der Tritanopie (Blau-Gelb-Schwäche) 36 18

19 1DFKWUDJ (LQLJH)DUEZDKUQHKPXQJVSKlQRPHQH Sprachen und Farbnamen, Studie von Berlin und Kay (1969): Untersuchten mehr als 100 Sprachen mit folgenden Ergebnissen: Sprachen mit 2 Farbbezeichnungen: immer schwarz und weiß Sprachen mit 3 Farbbezeichnungen: es kommt immer rot dazu ZHL VFKZDU] URW JU Q JHOE JHOE JU Q EODX EUDXQ URVD OLOD RUDQJH JUDX Helligkeit Gegenfarben 37 )DUEQDPHQ Studie von Post und Green (1986): 210 mögliche Farben in 2 0 Größe mit schwarzem Hintergrund: Bild zeigt die Gebiete, die mit 75% Sicherheit als solche benannt wurden: %HDFKWH Reines Monitorrot wurde oft als orange bezeichet Nur 8 Farben wurden überhaupt konsistent benannt 38 19

20 0HVVHQYRQ)DUEHQ&RORULPHWULH CIE: Commission International de l Eclaireage Internationale Beleuchtungskommission Normalbeobachter für Farbmischversuche 2 0 Sehfeld CIE 1931 Hellempfindlichkeit Y 3 reale Lichtquellen ( monochromatisch ) 700 nm CIE Rot 546,1 nm CIE Grün 435,8 nm CIE Blau Prof. Detlef Dr.-Ing. Krömker Detlef Krömker 8. Farbwahrnehmung und Farbsysteme 39 (UJHEQLVVHYRQ)DUEPLVFKYHUVXFKHQ XQGHUVWH7UDQVIRUPDWLRQHQ Ergebnisse U, J, E Lineare Transformation zu virtuellen Primärvalenzen X,Y,Z so daß: für reale Farben keine negativen Koeffizienten auftreten eine Primärvalenz Y entspricht der Hellempfindung Ergebnis: [, \, ] Korrekturen von Judd (1951) und Vos (1978) Detlef Krömker 20

21 =XVDPPHQKlQJH0LVFKXQJ 0,9 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 a b Farbton (dominant wavelength) Weißpunkt Farbsättigung (purity) p=a/a+b 0,2 0, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Detlef Krömker 2,8,6 ] &,()DUEPLVFKNRHIIL]LHQWHQ[\],4,2 1,8 \ [,6,4, Detlef Krömker

22 ; = N 35[Gλ < = N 35\Gλ N = = = N 35]Gλ 100 3\Gλ &,(;<= Weitere Transformation: &KURPDWLFLW\&RRUGLQDWHV [ = \ = ] = Detlef < = 100: LGHDOH QLFKWIOXRUH]LHUHQGH ZHL H )OlFKH ; ; + < + = < ; + < + = = ; + < + = <[\ Normfarbwertanteile 1RUPIDUEWDIHO &KURPDWLFLW\ 'LDJUDP 0, , , ,6 0, ,4 0, ,2 0, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Detlef Krömker 22

23 0,9 2ULHQWLHUXQJLQGHU)DUEQRUPWDIHO 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Detlef Krömker 0RQLWRUSKRVSKRUH3ULPlUYDOHQ]HQ 0, , , ,6 0, Weißpunkt: einstellbar aber fest 0,4 0, ,2 0, ,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 Detlef Krömker 23

24 'LVNXVVLRQ&,()DUEQRUPWDIHOZHUWH 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 Komplementärfarben sind einfach zu finden: Gerade durch den Weißpunkt Näherungswerte für Farbton (dominant wavelength) und Sättigung (purity) Detlef Krömker 'LVNXVVLRQ&,()DUEQRUPWDIHOZHUWH Kalibrierung von RGB-Werten durch Angabe der Primärvalenzen + Weißpunkt möglich. ABER entspricht nicht der menschlichen Wahrnehmung: Ähnlichkeit von Farben Farbabstände weitere Transformationen nötig! Detlef Krömker 24

25 &,(/89 4 ; X = Y = ; + 15< + 3= 9< ; + 15< + 3= < /* = 116 < 16 ZHQQ < / < Q > 0, /* = 903, 3( < / < ) VRQVW X * = 13/ *( X X ) Y * = 13/ *( Y Y ) Q 1/ 3 Q Q Q ( * = ( / *) + ( X*) + ( Y*) XY < /* = < < ( ) ; ( ) = ( ) Q 13 / &,(/$% ; < < = D* = E* ; = < < = Q Q Q Q HUVHW]H 13 / 13 / 13 / 13 / 13 / = 7, 787( / ) + 16 / 116 / 0, < Q < < Q ZHQQ < < Q 13 / = 7, 787( / ) + 16/ 116 / 0, ; Q ; ; Q ZHQQ ; ; Q 13 / = 7, 787( / ) + 16/ 116 / 0, = Q = = Q ZHQQ = = Q ( * = ( / *) + ( X*) + ( Y*) XY

26 &,(/89&,(/$%'LVNXVVLRQ Metriken zur Farbabstandsmessung für Objekte gleicher Größe und Form auf mittelgrauem Grund CIELAB hat keine zugehörige Farbnormtafel gerade Linien in x,y oder u*v* sind allgemein nichtgerade in a*b* CIELUV wird gegenüber CIELAB bei Monitoranwendungen bevorzugt: gerade Linien bleiben gerade (additive Farbmischung) Farbnormtafel u v für CIELUV Mißverständnisse Detlef Krömker 'HU6SHNWUDOOLQLHQ]XJLPXY'LDJUDPP v* 200 gelb grün rot u* blau Detlef Krömker 26

27 .ULWLN&,(/$%&,(/89 große Farbabstände werden unkorrekt bestimmt Farbabstände für kleine Objekte (< 2 0 ) werden fehlerhaft bestimmt Detlef Krömker 6PDOO)LHOG7ULWDQRSLD Detlef Krömker 27

28 .OHLQIHOG.RUUHNWXUHQ nach Silverstein und Merrifield (1985) [ ] / ( *. /. X.Y Y XY = ( *) + ( *) + ( *) VI / X 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 Prof. Detlef Dr.-Ing. Krömker Detlef Krömker 8. Farbwahrnehmung und Farbsysteme 55 'DV5*%0RGHOO Alle darstellbare Farben sind Punkte eines Einheitswürfels. Auf den positiven Halbachsen liegen die Primärfarben : 5RW, *U Qund %ODX. Erste Eigenschaften: Schwarz liegt im Ursprung (0,0,0) Weiß Weiss im Punkt (1,1,1) Grauwerte, darstellbar durch gleichgroße Anteile von R, G und B, liegen auf der Hauptdiagonalen des Einheitswürfels Applet: RGB 56 28

29 1LFKWOLQHDUH9HU]HUXQJHQ *DPPD,QGHU&57ZLUG,QWHQVLWlWGXUFK6WUDKOVWlUNHEHVWLPPW 1LFKWOLQHDUH6WUDKOVWURP6WHXHUVSDQQXQJVNHQQOLQLH 8QWHU8PVWlQGHQYHUVFKLHGHQI UGLHGUHL3ULPlUYDOHQ]HQ γ=2.2 ohne Korrektur mit Korrektur,,* * max 8 = 8* * max 1 γ 57 *DPPDNRUUHNWXU )HUQVHKHQ 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 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.) 'XUFKI KUXQJGHU*DPPD.RUUHNWXULQGHU*'9 Die Helligkeitswerte werden gleich bei der Berechnung korrigiert. 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

30 )DUEDXVZDKOXQGVSH]LILNDWLRQ Die technisch-physikalischen Farbmodelle (RGB, CMY) 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 - Farbsättigung. Farbart 59 +/60RGHOO 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 (+) 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

31 +/60RGHOO Die Helligkeit (/) wird als Wert zwischen 0 und 1 angegeben, wobei 0 Schwarz und 1 Weiß entspricht. Die Sättigung (6) 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. 61 )DUE\VWHPH DP8VHU,QWHUIDFH HSV: hue, saturation, value sechseckige Pyramide HLS: hue, lightness, saturation sechseckige Doppelpyramide Detlef Krömker Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker 8. Farbwahrnehmung und Farbsysteme 62 31

32 =XVDPPHQIDVVXQJ Farbwahrnehmung Farbmetrik 63 *ORVVDU 64 32

33 :HLWHUH,QIRUPDWLRQHQ 65 Abbildung auf Farbe $XVEOLFN² 1lFKVWH6FKULWWH Nächstes Kapitel 66 33