Elemente der Bildwahrnehmung Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker. *RHWKH8QLYHUVLWlWÃ)UDQNIXUW *UDSKLVFKHÃ'DWHQYHUDUEHLWXQJ

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1 *UDSKLVFKH 'DWHQYHUDUEHLWXQJ Elemente der Bildwahrnehmung Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker *RHWKH8QLYHUVLWlWÃ)UDQNIXUW *UDSKLVFKHÃ'DWHQYHUDUEHLWXQJ hehuvlfkw 1. Licht physikalisch betrachtet 2. Das visuelle System Aufbau - Bildentstehung - Sehfeld Visuelle Wahrnehmung 3. Reiz - Erregung Erleben - Empfinden 4. Ortscharaktteristika Helligkeit - Kontrast - Ortsauflösung - CSF 5. Farbwahrnehmung Was ist Farbe? Basisphänomene und Modellbildung 2 1

2 hehuvlfkw)ruwvhw]xqj 6. Textur-, Tiefen- und Raum- sowie Bewegungswahrnehmung 7. Ableitung von Grundanforderungen für die Bildanzeige 8. Glossar 9. Weitere Informationen 10.Ausblick Nächste Schritte 3 (LQI KUXQJ Alle Bilder die wir erzeugen, sollen der Kommunikation (von und) zum Menschen dienen! Wir müssen sein visuelles System kennen, um dies zu ermöglichen oder den Informationstransfer optimal zu gestalten. Das menschliche visuelle System ist ein entscheidendes Glied in der Kette der Bilderzeugung (am Monitorausgang ist nicht das Ende des Informationsflusses). 4 2

3 Vermittlung der wichtigsten psychophysischen Grundlagen, um technische Bilderzeugungssysteme zu gestalten. =LHOH Problembewußtsein: das visuelle System ist stark nichtlinear: Î keine einfachen Interpolationen oder Extrapolationen von Versuchsergebnissen. 5 3K\VLNDOLVFKH*UXQGODJHQ/LFKW Licht ist elektromagnetische Strahlung elektrisches Feld und ein magnetisches Feld Maxwellschen Gleichungen: Richtungen des/der Wellenvektors N elektrischen Feldstärke ( magnetischen Induktion % bilden ein rechtwinkliges Dreibein Eine Lichtwelle, deren (-Vektor immer nur in einer Ebene schwingt, heißt linear polarisiert. ( In diesem Fall nennt man die vom (-Vektor und der Ausbreitungsrichtung N aufgespannte Ebene % Schwingungsebene, die von % und N aufgespannte Ebene Polarisationsebene. 6FKZLQJXQJV( 3RODULVDWLRQV( N 6 3

4 (OHNWURPDJQHWLVFKH6WUDKOXQJ Monochromatisches (einfarbiges) Licht wird beschrieben durch Angabe der Frequenz Q bzw. der Wellenlänge O. Beide Größen sind durch die Beziehung Q O = c (Frequenz mal Wellenlänge=Ausbreitungsgeschwindigkeit) miteinander verknüpft, wobei F PV die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts im Vakuum ist. 7 'DV6SHNWUXPGHU HOHNWURPDJQHWLVFKHQ6WUDKOXQJ m γ-strahlen Röntgen UV Infrarot Mikrowellen Rundfunk 3* * * * * *10 8 Sichtbares Licht 3*10 6 Hz violett blau grün gelb orange rot nm 8 4

5 5DGLRPHWULHXQG3KRWRPHWULH Radiometrie: Physikalische Beschreibung elektromagnetischer Energie, z.b. Betrag der Lichtenergie je Wellenlänge Photometrie: psychophysikalische Messung der visuellen Energie, die vom elektromagnetischen Spektrum erzeugt wird. 9 (LQKHLWHQGHU3KRWRPHWULH Lichtstärke luminous intensity Candela [cd] Leuchtdichte brightness [cd/m 2 ] auch 1Stilb = 1sb = 1cd/cm 2 1Apostilb = 1asb = 0,3183 cd/m 2 1 Lambert = 1L = 10 4 /π cd/m 2 1 foot-lambert = 1fl = 3,426 L auf der Netzhaut (Retina) oft in: 1 troland = 1cd/cm 2 bei 1mm Pupillenöffnung Beleuchtungsstärke illuminance Lux [lx] Lichtstrom luminous flux Lumen [lm] 10 5

6 7\SLVFKH/HXFKWGLFKWHEHUHLFKH Leuchtdichte [cd/m 2 ] Detlef Krömker Stäbchen-Sehen Zapfen-Sehen skotopisch mesopisch photopisch Sonnenoberfläche mittags Unbedeckter Tageshimmel Monitorbild Bequemes Lesen Untere Grenze für das Farbsehen Weißes Papier im Mondlicht Untere Grenze des Sehens } EHVWH6HKVFKlUIH 7\SLVFKH%HOHXFKWXQJVVWlUNHQ>/[@ 70000: Tageslicht Sommer : Tageslicht Winter 150: Präzisionsarbeiten : allgemeine Raumbeleuchtung ,2: Mondlicht auf der Erde 12 6

7 'DVYLVXHOOH6\VWHP Aufbau und Funktion Auge Optischer Weg Retina (Rezeptoren & frühe Verarbeitung) Sehnerv Sehrinde (visual cortex) 13 'DV$XJH Iris: Blendenmechanismus Teil des Adaptionsmechanismus 2-8 mm Öffnung Optisch abbildende Elemente: Hornhaut, Kammerwasser, Linse, Glaskörper Linse: Akkomodation (Scharfeinstellung) fern: f=17mm, nah: f=14mm Retina (Netzhaut) Rezeptoren -- Sehnerv Gelber Fleck (macula lutea); 5 o Durchmesser fovea centralis : Bereich der höchsten Auflösung 1,5 o Durchmesser 14 7

8 $XJHQKLQWHUJUXQG 15 $QDWRPLHGHUYLVXHOOHQ6HKEDKQHQ Linkes und rechtes Auge Sehnerv Nervus Opticus (ca. 1Mio. Ganglienzellen) Kreuzung Chiasma Optica Tractus Opticus Corpus geniculatum laterale Radiatio Optica Primärerer visueller Cortex Striate Cortex 16 8

9 ([NXUV6HKZLQNHO h D s Sehwinkel: α=arctan h/s R 1 6HKZLQNHO = ˆ 0,3PP 1' 6HKZLQNHO = ˆ 5µ P DXI GHU ReWLQD 5 µm entsprechen der Zapfenstärke 17 $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) 18 9

10 =DSIHQPRVDLNLQGHU)RYHD&HQWUDOLV 10% S-Rezeptoren B- blau 48% M-Rezeptoren G- grün 42% L-Rezeptoren R- rot 19 $XIEDXGHU5HWLQD 4 weitere Gruppen von Zellen: Horizontal-Zellen Erzeugung lokaler Nachbarschaften Bipolar-Zellen Summation von Rezeptorimpulsen laterale Hemmung: Reizänderungen, Hochpaß Amacrin Zellen Temporale Antwort Ganglien Zellen Axon (Ausgang) bilden den Sehnerv 20 10

11 *DQJOLHQ]HOOHQ ca. 1 Million: speziellen rezeptive Feldern zugeordnet: Reizänderungen (Helligkeit, Farbe, Bewegung) in der Fovea Centralis: Zapfen:Ganglien=1:1 kreuzen im Chiasma Optica enden (synapsen) im Corpus geniculatum laterale: wichtige Vorverarbeitungsleistungen: 2 Zellhaupttypen: 0JUR 3NOHLQ - nicht wellenlängenselektiv gegenfarbenselektiv - schnell langsamer - hohe Kontrastempfindlichkeit geringere Kontrastempf. -große rezeptive Felder kleinere rezeptive Felder 21 9LVXHOOHU&RUWH[ Brodmann s area 17, area 18, area 19 area 18 zeigt spezielle Gebiete: blobs keine Orientierung Gegenfarben farbempfindlich bei geringen Ortsfrequenzen interblobs orientierungsempfindlich keine Wellenlängenempf. hellempfindlich bei hohen Ortsfrequenzen 22 11

12 Helligkeit 2UWVFKDUDNWHULVWLND GHVYLVXHOOHQ6\VWHPV wichtige Empfindungsgröße fürs Formensehen subjektive Erfahrung Kontrast Erkennung kleiner Details (Ortsauflösung) CSF 23 +HOOLJNHLW Keine absolute Wahrnehmungsgröße: abhängig von: Reizstärke (Leuchtdichte) Leuchtdichte zuvor --> ADAPTION Leuchtdichte in der Umgebung Größe des Reizes 24 12

13 6LPXOWDQNRQWUDVW 25 6LPXOWDQNRQWUDVW

14 'HILQLWLRQ.2175$67 verschiedene Definitionen üblich P = N = O O max max O + O min min (Modulationsgrad). / = / / 5 + / / + + PLW / = /HXFKWGLFKWH GHV Re L]HV 5 / = /HXFKWGLFKWHGHV +LQWHUJUXQGHV 5 = 27 +HOOLJNHLWV8QWHUVFKLHGVVFKZHOOH 6FKZHOOHQNRQWUDVW Bestimmbar z.b. durch MASSON-Scheibe Ring Schwarzanteil % 1 2,38 2 1,19 3 0,79 4 0,60 5 0,48 starke individuelle Unterschiede bei mittleren Leuchtdichten ( cd/m 2 ) ist diese Schwelle konstant: ca. 0,8 %: Weber-Fechnersches Gesetz kleinere Leuchtdichten: de Vries-Rose-Gesetz 28 14

15 Webersches Gesetz :HEHU)HFKQHUVFKHV 6WHYHQVFKHV *HVHW] / / 5 = = FRQVW. 5 Fechnersches Gesetz Stevensches Gesetz ( = N log 5 ( = F 5 N k=2,13(schmerz); =0,96 (Wärme); = 0,32 (Schall); =0,21 (Licht) 29 (UNHQQXQJNOHLQHU'HWDLOV Begrenzt durch optische Eigenschaften des Auges, insbesondere Beugungserscheinungen Abtastung durch Rezeptoren (hier insbesondere die Zapfengröße) nervöse Verarbeitung Maß: Kontrastempfindlichkeit (contrast sensitivity) Schwellenkontrast z.b. als Funktion der Ortsfrequenz CSF Detlef Krömker 30 15

16 &6) &RQWUDVW 6HQVLWLYLW\ )XQFWLRQ 31 'LH &6) FRQWUDVW VHQVLWLYLW\ IXQFWLRQ ist die MTF des Visuellen Systems MTF: Modulationstransferfunktion (siehe -E) Beispiele Übliche Approximation (normalisiert): ρ ρ0 β ρ + (X, Y ) = + S ( ρ ) = $ α + H ρ0 PLW $ = 2,6; α = 0,0192; ρ0 = 8,772; β = 1,1 Detlef Krömker 32 16

17 )DUEH (WZDV+LVWRULVFKHV Seit Jahrhunderten beschäftigen sich Physiker, Physiologen, Psychologen, Philosophen mit dem Phänomen Farbe Jedoch: Bis heute ist dieses Wahrnehmungsphänomen nicht vollständig verstanden und durchdrungen. 33 0HLOHQVWHLQHGHU(QWZLFNOXQJ Newton ( ): Dispersion (Farbzerstreuung des Lichtes); additive Mischung Goethe: naturgemäße Ordnung der Farben ³$XIDOOHVZDVLFKDOV3RHWJHOHLVWHWKDEHELOGHLFKPLUJDUQLFKWV HLQ 'D LFKDEHULQPHLQHP-DKUKXQGHUWGHUHLQ]LJHELQGHU 5HFKWHZHL GDUDXIWXHLFKPLUHWZDV]XJXWHXQGLFKKDEHGDKHU HLQ%HZX WVHLQ GHU6XSHULRULWlW EHUYLHOH Maxwell, Young, Helmholz: Farbenmischapparate Grassmann (1853): Grassmannsche Gesetze Detlef Krömker 34 17

18 )DUEZDKUQHKPXQJ 5HL]YV(PSILQGXQJ Reiz: elektromagnetische Strahlung violett blau grün gelb orange rot Empfindung: (Helligkeit -- Farbton (hue) -- Sättigung saturation) Prof. Detlef Dr.-Ing. Krömker Detlef Krömker 35 /LFKWTXHOOHQ Normallichtquellen: A, B, D 65 Objektfarben entstehen durch Reflektion (diffus und spiegelnd) oder Transmission (Filterung) Detlef Krömker 36 18

19 )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 Prof. Detlef Dr.-Ing. Krömker Detlef Krömker 37 =DSIHQPRVDLNLQGHU )RYHD&HQWUDOLV 10% S-Rezeptoren B- blau 48% M-Rezeptoren G- grün 42% L-Rezeptoren R- rot Detlef Krömker 38 19

20 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) 39 )DUERUGQXQJVV\VWHPH Basis ist der Farbkreis (Hering): Viele verschiedene Systeme: Ostwald (1931), Munsell (1929), OSA (1974), NCS (1970), Chroma Cosmos 5000 (1979) 40 20

21 *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. 41 )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

22 )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 43 *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

23 Mischexperimenten zeigen: ganz unterschiedliche Spektren erzeugen dieselben Farbreize. 0HWDPHULH 45 )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 46 23

24 )DUEPLVFKSULQ]LSLHQ Subtraktive Mischung: Farbige Gläser (Filter) Druckpigmente Grundfarben: Cyan Magenta Gelb Hintergrund: Weiß unbunt Summenfarbe: Schwarz CMY Hilfsfarbe: Schwarz CMYK Detlef Krömker 47 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: Siehe Übung 48 24

25 :LFKWLJH)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 Farbstereoskopie... Prof. Detlef Dr.-Ing. Krömker Detlef Krömker 49 E 25

26 E Das kleine E wirkt auf dem dunklen Hintergrund dunkler als das große E. Farbe des großen E wirkt reiner. 26

27 Das weiße Rechteck wirkt gegenüber dem schwarzen länger. )DUEVWHUHRVNRSLH :RLVWGLHVHU 7H[W" Wo ist dieser Text? 54 27

28 (UNOlUXQJ Detlef Krömker $QGHUH:DKUQHKPXQJVSULPLWLYH Texturwahrnehmung Tiefen- und Raumwahrnehmung Bewegungswahrnehmung 56 28

29 7H[WXUZDKUQHKPXQJ Textur wird visuell spontan als strukturiertes, jedoch noch einheitliches Gebiet wahrgenommen Beispiele 57 7H[WXUHQ Ähnlichkeitsklassifikation von Texturen nach: Gröbe (coarsness) Kontrast (contrast) Rauhigkeit (roughness) Gerichtetheit (directionnality) Linienartigkeit (line-likeness) Regelmäßigkeit (regularity) Komplexität Orientierung 58 29

30 7LHIHQ XQG5DXPZDKUQHKPXQJ hehuvlfkwghu(lq]hoidnwruhq Binokulare Faktoren Monokulare Faktoren Konvergenz Binokulare Bewegungs- Bildliche Disparität faktoren Faktoren Bewegungsparalaxe Kinetische Faktoren Relative Größe Schattenwurf Orientierung Texturgradient Verdeckung Schattierung Elevation Athmosphärische Perspektive Farbe Lineare Perspektive 59 =HLWDVSHNWH Zwei Grundsätzlich verschiedene Effekte unterscheiden: Flimmern ImpulsanregungÎCFF (Critical Fusion Frequency) siehe Displays (später) Bewegungskontinuität Stark unterschiedliche Schwellwerte Unter Normalbedingungen: Flimmern > 50 Hz Hz (Helligkeit) Bewegungskontinuität > Hz 60 30

31 %HZHJXQJVZDKUQHKPXQJ Im Gegensatz zur Flimmerwahrnehmung (CFF) ist die Bewegungswahrnehmung eine höhere (zentrale) Eigenschaft (Wertheimer, 1912): basiert auf Erfahrung und Konsistenz der Einzelereignisse: best fit. Minimal notwendige Bildfrequenz (Updatefrequenz) zur Wahrnehmung kontinuierlicher Veränderungen (ohne Artifakte: ruckeln, zappeln) ist situations- und bildabhängig: 8... >50 Hz Bewegung ist eine eigenständige Wahrnehmungsqualität =XVDPPHQIDVVXQJ Eine ganze Reihe von Faktoren beeinflussen die Bildwahrnehmung Bei einer optimalen (menschorientierten) Auslegung Graphischer Systeme müssen diese immer wieder beachtet werden. Wir kommen noch häufiger darauf zurück

32 *ORVVDU Licht (polarisiertes -, monochromatisches -) Spektrum des Lichtes Radiometrie Photometrie Lichtstärke Beleuchtungsstärke Visuelles System Auge Sehnerv Auge Iris Glaskörper Fovea Centralis Leuchtdichte Lichtstrom Visueller Cortex Linse Retina Gelber Fleck 63 Sehwinkel Rezeptoren (Zapfen, Stäbchen) Zapfenmosaik Helligkeit Kontrast Schwellenkontrast Ortsauflösung Contrast Sensitivity Function (CSF) Weber-Fechnersches Gesetz Stevensches Gesetz *ORVVDU 64 32

33 *ORVVDU Reiz Empfindung Farbton, Helligkeit, Farbsättigung Gegenfarben Farbordnungssysteme Grassmannsche Gesetze Primärvalenzen Metamerie 65 *ORVVDU Farbmischung (additive -, subtraktive) Farbwahrnehmungseffekte Texturwahrnehmung Tiefen- und Raumwahrnehmung Bewegungswahrnehmung Flimmern Critical Fusion Frequency (CFF) Bewegungskontinuität 66 33

34 :HLWHUH,QIRUPDWLRQHQ Heidrun Schuhmann, Wolfgang Müller: Visualisierung, Springer Stellen auf ca. 60 Seiten die wichtigsten Grundlagen der visuellen Wahrnehmung vor. Erlanger Reihe $XVEOLFN² 1lFKVWH6FKULWWH Messen von Farben (Farbmetrik, Colorimetrie) CIE XYZ, Yxy,... Weiterentwicklungen (empfindungsmäßig gleichabständig): L*a*b*, L*u*v*,... Farbrepräsentationen im Rechner und in Videosystemen: RGB, CMYK, HLS,... ; RGB,YUV,YIQ,YC R C B,... Farbkalibrierung von Monitordarstellungen Elemente der Colorimetrie und Farbrepräsentation im Rechner 68 34