Wahrnehmung und Farbräume. Intelligente Mensch-Maschinen Interkation - IMMI SS 2011 Prof. Didier Stricker

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1 Wahrnehmung und Farbräume Intelligente Mensch-Maschinen Interkation - IMMI SS 2011 Prof. Didier Stricker Didier.Stricker@dfki.de

2 Display Charakteristiken

3 Übersicht Licht und Farbe (allgemein) Menschliche Farbwahrnehmung Farbsysteme (RGB)

4 Was ist Farbe? Der Begriff Farbe wird häufig zur Charakterisierung sehr verschiedener Begriffe verwendet Objektoberflächen Licht chemische Substanzen Farbreiz Physikalische Strahlung (aus dem Bereich des sichtbaren Lichts), die den Sinneseindruck auslöst. rays are not coloured (Newton)

5 Physikalische Eigenschaften des Lichtes Wie setzt sich das natürliche Licht zusammen? Newton (1704): Natürliches Licht (Sonnenlicht) besteht aus allen Spektralfarben Leitet man es durch ein Prisma, erhält man ein Farbspektrum

6 Sichtbare Strahlung

7 Definitionen Monochromatisches Licht ist Strahlung einer genau definierten Wellenlänge. Eine Spektralfarbe ist jener Farbeindruck, der durch monochromatisches Licht im sichtbaren Teil des Lichtspektrums entsteht. Sie ist in jedem Farbton die intensivste, mithin reine Farbe. Farbreiz ist die physikalische Strahlung des sichtbaren Lichts, die durch unmittelbare Reizung der Netzhaut des Auges eine Farbempfindung hervorruft.

8 Physikalische Eigenschaften des Lichtes Wovon ist der Farbeindruck abhängig? Spektralverteilung der Beleuchtungsquelle Reflektanz der Gegenstände: bezeichnet den Teil des Lichtes, der vom beleuchteten Gegenstand reflektiert wird. Beispiel: eine rot bemalte Wand erscheint deshalb rot, weil der grüne Anteil des Lichts absorbiert wird. Der Beobachter: Farbwahrnehmung Licht E( ) Beobachter Objekt' s Reflektanz ( )

9 Lichtquellen Monochromatisches ( einfarbiges ) Licht wird durch die Wellenlänge beschrieben Licht ist üblicherweise nicht monochromatisch wird durch Spektralverteilung E( ) beschrieben Relative Spektrale Leistung Spektrum einer Leuchtstoff- Lampe Wellenlänge

10 Spektralverteilung des Lichtes

11 Relative Spektrale Leistung Spektrum eines fluoreszenten Lichtes

12 Entstehung des farbigen Bildes - II Beobachter Licht E( ) Reflektiertes Licht L( ) E( ) ( ) Objekt' s Reflektanz ( )

13 Reflektanz für Vegetation und Erdboden

14 Reflektanz Objekte unterschiedlicher Reflektanz z.b. blaue Pigmentfarbe absorbiert Licht aller Spektralbereiche außer um 450 nm 14

15 Entstehung des farbigen Bildes - III Beobachter Licht E( ) Reflektiertes Licht L( ) E( ) ( ) Objekt' s Reflektanz ( )

16 Farbensignal Reflektiertes Licht L( ) E( ) ( ) Licht E( ) x Objekt' s Reflektanz ( ) = Reflektiertes Licht L( ) E( ) ( )

17 Farbwahrnehmung Licht als Spektralverteilung wird von einem Rezeptor in einem eindimensionalen Wert transformiert?

18 Farbrezeptor Ein Farbrezeptor ist durch seine spektrale Absorptionskurve definiert ( ) Eindimensionaler wert: p Reizantwort (Faltung): p ( ) L( ) d

19 Dimension des Farbraumes Dimension des Farbraumes = Anzahl von verschiedenen Rezeptortypen Beispiele: 1-dimensional: monochromatische Kamera 2-dimensional: Saugtiere 3-dimensional: Menschen und Primaten (Trichromaten - Trichromacy) 4-dimensional: Vögel, Fische, Reptilien

20 Das Auge Schematischer Schnitt durch das rechte Auge Foto der Retina

21 Die Netzhaut

22 Photo-sensitive Zellen der Retina Reagieren verschieden auf unterschiedliche Amplituden und Frequenzen Stäbchen (Rods) Millionen Nur außerhalb der Fovea (konzentriert in der Peripherie der Retina) Eingelagerter Sehfarbstoff Rhodopsin (Sehpurpur) Maximale Empfindlichkeit bei ca. 498 nm (grün) Kantenlesen Helligkeit (hell-dunkel) Rezeptortypen

23 Rezeptortypen Zapfen (Cones) 7-8 Millionen Primär in der Fovea (konzentriert im Zentrum der Retina) 3 verschiedene Typen mit unterschiedlich photosensitiven Segmenten (3 Typen des Photopigment Iodopsin) Maximale Empfindlichkeiten bei ca. 420 nm, 534 nm, 564 nm Farberkennung

24 Retina (Netzhaut) Gesehene Umwelt wird auf Retina abgebildet Zapfen (cones) befinden sich hauptsächlich in der Mitte der Netzhaut (Fovea) Stäbchen (Rods) befinden sich an der Peripherie Ausgang zum Sehnerv (Blinder Fleck) besitzt weder Zapfen noch Stäbchen ( Blind spot )

25 Zapfen und Stäbchen Fovea besitzt hauptsächlich Zapfen (cones) erlaubt Erkennen von Details Unterscheidung von ca. 30 Perioden pro Sehwinkel erlaubt Farbwahrnehmung Peripherie besitzt hauptsächlich Stäbchen ermögicht die Wahrnehmung geringerer Intensitäten ermöglicht Wahrnehmung von Veränderungen Zeit in Dunkelheit in Min

26 Hellempfindlichkeit Zäpfchen- Aktivität Photopishces Sehen Sonne zur Mittagszeit Klarer Himmel am Tag Bildschirm Bereich des schärfsten Sehens Tagessehen Mespoisches Sehen Bequemes Lesen Unter Grenze der Farbwahrnehmung Dämmerungssehen Stäbchen- Aktivität Skotopisches Sehen Weißes Papier im Mondlicht Untere Grenze des Nachtsehens Nachtsehen Nacht sind alle Katzen grau

27 Auge versus Kamera Auge und Kamera bündeln das Licht Netzhaut entspricht Film Kamera: Fokussierung durch Bewegung der Linse Auge: Fokussierung durch Veränderung der Brechungseigenschaften (Form) der Linse: Akkomodation

28 Zum Vergleich: CCD Empfindlichkeit der Zapfen für Farben

29 Spektrale Absorptionskurven Zapfen (Cones)

30 Zapfen (Cone Response) Ein Spektrum ist in 3 Werte kodiert Long, medium and short (LMS) From A Field Guide to Digital Color, A.K. Peters, 2003

31 Effects of Retinal Encoding Alle Spektren, die die selben Zapfen stimulieren, sind nicht zu unterscheiden. Metameric match Wahrgenommene Farbe (Farbreiz) für S1 und S2 Spektralverteilung 1 (S1) Spektralverteilung 2 (S2)

32 Metamere Die Farbwahrnehmung ist eine Projektion aus dem unendlich-dimensionalen Raum aller unterschiedlichen Spektralkurven in einen dreidimensionalen Farbraum Zwei Farbreize sind gleich, falls die Erregungszustände der Farbzapfen gleich sind Unterschiedliche Spektren können dieselben Farbreize erzeugen Metamere: verschiedene Lichtkombinationen die den selben Sinneseindruck erzeugen Abhängig von der Lichtquelle

33 Metamere sind nützlich Wenn die Dimension des Farbraumes n ist, dann reichen n Lichtquellen (Primärvalenzen) aus, um durch Farbmischung alle mögliche Farben darzustellen Additive Farbmischung Primärvalenzen müssen nicht monochromatisch sein Anwendung: Monitore, Displays Monochromatisches Licht ist Strahlung einer genau definierten Wellenlänge.

34 Farbmodellen RGB: Red, Green, Blue HSV: Hue, Saturation, Value CMYK: Cyan, Magenta, Yellow, Black CIE model

35 Tristimulus System Klassische Theorie der Farbwahrnehmung: Die Dreidimensionalität der Farbe ist durch die drei verschiedene Arten von Farbrezeptoren (Zapfen) des menschlichen Auges motiviert Hermann von Helmholtz ( ) Helmholtz sche Dreifarbentheorie Durch Mischung der drei Primärfarben ergibt sich jede beliebige Farbe Hermann Günther Graßmann ( ) Grassmannsche Gesetze Vektorielle Eigenschaften des Farbraumes (Linearität, Additivität )

36 Tristimulus System Erstes Graßmannsches 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.

37 Tristimulus System Farben können als Vektoren eines 3D Vektorraumes aufgefasst werden Die Vektoren dieses 'Farbraums' heißen Farbvalenzen Die Länge eines Vektors ist ein Maß für die Leuchtdichte und heißt Farbwert Die Richtung bestimmt die Farbart Die drei voneinander linear unabhängige Basisvektoren heißen Primärvalenzen Linear unabhängig bedeutet, dass eine Primärvalenz nicht durch Mischung der beiden anderen Primärvalenzen darstellbar ist

38 Tristimulus System (RGB System) - Experimente Drei Primärvalenzen (Grundfarbe) werden ausgewählt: R, G und B (z.b. mit R = 700nm, G = 546.1nm, B = 435.8nm) Farbgleichung auf der Basis der Primärvalenzen R, G, B F = rr + gg + bb r, g und b heißen Farbwerte und müssen durch ein Experiment gewonnen werden Die Farbwerte der Primärvalenzen werden verändert, bis dergleiche Farbton getroffen wird Innere Farbmischung

39 Tristimulus System (RGB System) - Experimente Es gibt Farbvalenzen, die sich nicht durch additives Mischen erzeugen lassen Farbgleichheit lässt sich herstellen, wenn man zu der gegebenen Farbvalenz Primärvalenzen hinzumischt Äußere Farbmischung F + rr = gg + bb F = - rr + gg + bb F

40 Barizentrische Darstellung C G Begriffe innere und äußere Farbmischung haben geometrische Bedeutung Das Innere des Dreiecks: innere Farbmischung B R rcr gcg bcb 0 r, g, b 0

41 Barizentrische Darstellung C G Begriffe innere und äußere Farbmischung haben geometrische Bedeutung Das Innere des Dreiecks: innere Farbmischung Ausserhalb äußere Farbmischungen B R rcr gcg bcb 0 r 0 g, b 0

42 Spektralwerte Die Farbwerte (r,g,b) der Spektralfarben (monochromatisches Licht) bzgl. vorgegebener Primärvalenzen heißen Spektralwerte Wie muss man seine Primärvalenzen (Grundfarben) mischen, um das Farbempfinden einer bestimmten spektralen Verteilung zu erreichen?

43 Reminder Praktische Umsetzung: Farbmisch-Experiment

44 Spektralwerte Betrachte den Farbreiz eines engen Spektralbands ( monchromatisches Licht) Breite des Bandes 5 bis 10 nm, da das Auge ohnehin keine höhere spektrale Auflösung hat. Für die zu diesem Farbreiz gehörende Farbvalenz f ( ) kann man wiederum eine Farbgleichung aufstellen f ( ) r( ) R g( ) G b( ) B Die Farbkoeffizienten r( ), g( ) und b( ) heißen Spektralwerte bzgl. der Primärvalenzen R,G,B. Die Spektralwerte können nur mittels Mischexperimenten gewonnen werden (David Wright (Wright 1928) and John Guild (1931))

45 Spektralwertkurven Das Ergebnis für alle Bänder ergibt die sogenannten Spektralwertkurven Erzeugung aller reinen Spektalfarben F (λ) aus den Primärvalenzen ( R = 700nm, G = 546.1nm, B = 435.8nm)

46 Bestimmung der Farbwerte einer Spektralverteilung Hat man die Spektralwertkurven für ein Primärvalenztripel bestimmt, so kann man daraus die Farbwerte r, g und b für jede beliebige Spektralverteilung L( ) berechnen: Die Spektralverteilung L( ) ist die Summation von lückenlos aneinander liegenden Spektralbändern der Breite d wobei L( ) die relative spektrale Leuchtdichte der Wellenlänge ist. Die Koeffizienten der zugehörigen Farbvalenz erhält man durch Aufsummieren der mit den spektralen Leuchtdichten gewichteten Spektralwerte.

47 Baryzentrische Darstellung Orte der Spektralfarben

48 Spektralvalenzkurve Die spektralen Valenzen bilden eine stetige Kurve Die Kurve hat ein langwelliges und ein kurzwelliges Ende Alle real darstellbaren Farben liegen innerhalb der Kurve Jede reale Farbe entspricht einem Wellenlängenspektrum Die einzelnen Wellenlängen des Spektrums können nur positive Beiträge liefern

49 Problem bei RGB System Spektralkurven können negative Werte beinhalten

50 CIE XYZ Farbsystem (1931) 1931 von der Commission Internationale de l Eclairage vorgeschlagen normativ-technischer Aspekt von Farbe Grundlage technischer Farbmodelle Ziel: Normierung & Vergleichbarkeit 3 künstliche Grundfarben X, Y, Z: Normfarbwerte (auch: Primärfarben) Normfarbtafel Die CIE-Primärvalenzen liegen außerhalb der Spektralvalenzkurve Sie sind nicht darstellbar Solche Farbvalenzen heißen virtuell

51 CIE XYZ Farbsystem (1931) ->Definiert alle wahrnehmbaren Farbwerte

52 CIE XYZ Farbsystem (1931) Positive Spektralkurven Y korrespondiert zur Helligkeitsempfindlichkeitskurve des menschlichen Auges X korrespondiert grob zum Rot-Grün Anteil keine Luminanzinformation Z korrespondiert grob zum Blau- Gelb Anteil keine Luminanzinformation

53 Vermessen vs. CIE Color Spaces measured basis monochromatic lights physical observations negative lobes transformed basis imaginary lights all positive, unit area Y is luminance

54 Z Y X X x CIE XYZ Farbsystem (1931) - xyz Andere Darstellung als Normfarbwertanteile: Z Y X Y y Z Y X Z z 1 z y x x, y, und z enthalten keine Helligkeitsinformation Übliche Farbspezifikation CIE(x,y,Y) X Y Z 1 Z Y X

55 CIE (x,y) David A. Forsyth and Jean Ponce, Computer Vision: A Modern Approach Chap 6

56 Die Normfarbtafel - CIE Chromaticity Diagram Stellt eine 2D Projektion vom CIE (X,Y,Z) einfacher!!! Spektralfarblinie Purpurlinie Weisspunkt Black-Body- Kurve

57 Farbmodelle Die Definition des RGB-Farbsystems orientiert sich am Monitor Additive Farbmischung Physikalisch-technisches Modell Weitere Farbmodelle sind notwendig physikalisch-technische Modelle für andere Geräte wahrnehmungs-orientierte Farbsysteme zur Beschreibung von Farben

58 Numerisch-Symbolische Beschreibung Technisch-physikalischen Farbmodelle Orientieren sich an den Geräten Sind für den Menschen nicht intuitiv Wahrnehmungsorientierte Farbmodelle Unterschieden nach Helligkeit, Farbton und Farbsättigung

59 Technische Farbmodelle: RGB Addition von Licht: 2 oder mehr Farben werden dem Auge gleichzeitig angeboten Echte Überlagerung z.b. durch Projektion Sukzessiv (zeitliche Integration): Farbkreisel Simultan (örtliche Integration): Monitor Grundfarben: Hintergrund: Summenfarbe: Rot Grün Blau Schwarz Weiß

60 Technische Farbmodelle: RGB Das RGB-Modell stellt einen Einheitswürfels im Ursprung des kartesischen Koordinatensystems dar Die Hauptachse enthalten die Primärfarben Rot, Grün und Blau Grauwerte gleiche Anteile von R, G und B liegen auf der Hauptdiagonalen des Einheitswürfels Schwarz im Ursprung (0,0,0) Weiß im Punkt (1,1,1)

61 Technische Farbmodelle: RGB Farbe wird durch Anteile von R, G und B beschrieben, die zu Schwarz addiert werden müssen Alle anderen Farbbeschreibungen müssen vor der Farbausgabe auf einem Monitor in den äquivalenten Punkt des RGB-Würfels umgerechnet werden.

62 Technische Farbmodelle: CMY(K) Subtraktive Mischung: (Farbige Gläser (Filter)) Ölfarben (Pigmente) Grundfarben: Cyan Magenta Gelb Hintergrund: Summenfarbe: Weiß Schwarz

63 Technische Farbmodelle: CMY(K) Druckausgabe Subtraktive Farbmischung Zum RGB-Würfel komplementäres Modell Die Koordinatenachsen enthalten die Primärfarben Cyan, Magenta und Gelb Cyan, Magenta und Gelb sind subtraktive Primärfarben Umrechnung zwischen den Modellen Von RGB nach CMY: (C,M,Y)=(1,1,1)-(R,G,B) von CMY nach RGB: (R,G,B)=(1,1,1)-(C,M,Y) In der Realität ist Schwarz häufig zusätzlich notwendig

64 Wahrnehmungsorientierte Modelle - HLS H=Hue (Farbton), L=Lightness (Helligkeit), S=Saturation (Sättigung) Orthographische Projektion des RGB-Würfels von Weiß nach Schwarz entlang der Hauptdiagonalen

65 Wahrnehmungsorientierte Modelle - HLS Das Sechseck wird meist durch einen Kreis ersetzt Der Farbton (H) wird als Winkel angegeben H'L'S'-System entsteht durch Verschieben von Grün in Richtung Blau Rot, Gelb und Blau liegen gleich weit voneinander entfernt, was der Farbempfindung besser entspricht

66 HLS Farbraum Beispiel: Bildverarbeitung (z.b. Photoshop ) H=Hue (Farbton) L=Lightness (Helligkeit) Saturation S=Saturation (Sättigung) Value L Hue

67 Wahrnehmungsorientierte Modelle - HLS Die Helligkeit (L) wird als Wert zwischen 0 und 1 angegeben 0 ist Schwarz und 1 ist Weiß Die Sättigung (S) ist der Abstand einer Farbe vom Mittelpunkt des Farbkreises 0 sind achromatische Farben Maximalwert für die gesättigten Farben Relative Sättigung Zylinder Absolute Sättigung Doppelkegel

68 Gamut Unterschiedliche Geräte können i.a. nicht die gleichen Farben darstellen. Sie haben einen unterschiedlichen Gamut Monitor Drucker Der Gamut ist die Menge aller Farben, die ein Gerät (Monitor, Drucker, Scanner, Film, ) darstellen, wiedergeben bzw. aufzeichnen kann. = Körper im Farbraum, der mit dem Gerät durch innere Farbmischung nachgestellt werden kann.

69 Gamut eines Druckers und Monitors

70 Additive Displays Der Gamut eines additiven Displays ist ein Parallelepiped (3D-Parallelogramm) Kann durch vier 3D-Punkte völlig beschrieben werden R, G und B K (Schwarz) Diese Punkte können gemessen werden (Farbmessgerät: Spektralphotometer )

71 Gamut-Mapping Gamut-Mapping die Gamuts verschiedener Geräte so aufeinander abzubilden, dass möglichst wenig störende Farbverschiebungen und Abrisse entstehen Die nicht darstellbaren Farben müssen so ersetzt werden, dass die Farberscheinung jeweils erhalten bleibt. Wahrnehmung spielt eine zentrale Rolle: Perceptual Gamut-Mapping Gamut-Mapping stellt die große Herausforderung des Farbmanagments dar

72 Farbkonstanz (Colour constancy) Fähigkeit des Menschen, Farbe zu abstrahieren. Die Farbe eines Objekts scheint unter verschiedenen Lichtverhältnissen konstant zu bleiben.

73 Farbkonstanz

74 Farbkonstanz Das Farbensehen läßt sich am besten mit Spektralfarben analysieren. Das von Objekten reflektierte Licht hängt nicht nur von der spektralen Absorption ihrer Oberfläche, sondern auch von der spektralen Zusammensetzung der Beleuchtung ab. Da sich aber die spektralen Eigenschaften des natürlichen Himmelslichtes je nach Tageszeit, Bewölkung und Himmelsausschnitt ändert, ändert sich auch die spektrale Zusammensetzung des reflektierten Lichtes. Ohne Farbkonstanz, d.h. einen Korrekturmechanismus, der die Änderungen der Beleuchtungsfarbe kompensiert, könnten Objekte aufgrund des Farbtons nicht wiedererkannt werden - ein effektives Farbensehen wäre nicht möglich.

75 Farbkonstanz

76 Danke!!!! Nächste Woche: 3D-Wahrnehmung / Kameramodel / AR