Farbkonstanz Smithson & Zaidi: Colour constancy in context: Roles for local adaptation and levels of reference Forschungsseminar: Wahrnehmung - Michael Brunner 1
Einführung: Farbkonstanz Überbegriff: Konstanzphänomene Verschiedene Objekte werden als unverändert, gleich bleibend, wahrgenommen. Farbkonstanz (Beleuchtung Farbe) Größenkonstanz (Entfernung Größe) Formkonstanz (Perspektiven Form) Weiters: Lichtkonstanz, Distanzkonstanz, Ortkonstanz 2
Farbkonstanz 3
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Farbkonstanz Die spektrale Verteilung des natürlichen Lichts ändert sich in Abhängigkeit von Wetter, Tageszeit und geographischen Umfelds. Bsp.: Sonnenaufgang/-untergang vornehmlich langwelliges (rotes) Licht, zu Mittag überwiegend kurzwelliges (blaues) Licht. 5
Farbkonstanz Farbkonstanz ermöglicht es uns die wahrgenommenen Farben von Objekten konstant unter unterschiedlichen Beleuchtungsbedingungen zu erfahren. Bsp.: Apfel sieht zu Mittag gleich aus wie am Abend. Zur leichteren Objektidentifikation 6
Verweis: Helligkeitskonstanz Helligkeitskonstanz (achromatisch) Farbkonstanz (chromatisch) Bsp.: Schwarzer Aufdruck auf weißen Papier unter verschiedenen Helligkeitsbedingungen Offenbar bezieht das visuelle System das Umfeld in die Berechnung mit ein 7
Verweis: Helligkeitskonstanz 8
Verweis: Helligkeitskonstanz Checker-Shadow-Illusion (Ted Adelson, 1995) 3-dimensionales System Beleuchtungsvektor Visuelle System stellt unterschiedliche Tricks an, um mit der Situation zurecht zu kommen. Lokaler Kontrast: Umgebung von einem einzelnen Feld Relationsbestimmung Ignorieren des Schattenübergangs, um die Farben bestimmen zu können 9
Verweis: Helligkeitskonstanz 10
Farbkonstanz Voraussetzung: Bandbreite an Wellenlängen Zapfen registrieren die Breite der Wellenlängen. Ermittlung der ungefähren Zusammensetzung des Beleuchtungslichts Jene Beleuchtung wird dann abgezogen um zur wahren Farbe des Objekts zu kommen. Die Reflexion bestimmt zum größten Teil die Wahrnehmung der Farbe. 11
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Farbkonstanz Beleuchtung und Reflektanz lassen sich nicht trennen. Trotzdem ist eine Farbkonstanz unter wechselnden Beleuchtungen möglich. 13
Farbkonstanz Mittelwertsfarbe hängt stark von der Beleuchtung ab. Beleuchtungsänderungen geschehen graduell. Reflektanzänderungen geschehen abrupt. Größere Flächen zur Normalisierung rezeptive Felder; Vgl. V4 Relation Zentrums- /Umfeldfarbe erlaubt Farbkonstanz 14
Farbkonstanz: Erklärung & Praxis Das langsame Blau-Gelb-System vergleicht den Eingang und berechnet eine Farbanpassung. Praktische Relevanz der Farbkonstanz: Fotografie: Unterschiede durch Aufnahmen mit Kunstlicht- & Tageslichtfilm Film: Weißabgleich 15
Farbkonstanz bei Robotern Farbkonstanz ist eine gewünschte Funktion in der Farbsicht von Robotern und Computern Retinex Theory Edwin Land, 1971 Retinex = Retina + Cortex Algorithmen empfangen die RGB-Werte von jedem Pixel des Bildes und versuchen die Reflexion des Punktes zu ermitteln. 16
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Literatur Backhaus, W., Kliegl, R. & Werner, J. (Hrsg.): Color Vision. Berlin New York: Walter de Gruyter. 1998 Karnath, H.-O. & Thier, P. (Hrsg.): Neuropsychologie. Berlin Heidelberg: Springer. 2003. Müsseler, J. & Prinz, W. (Hrsg.): Allgemeine Psychologie. Heidelberg Berlin: Spektrum Akademischer Verlag. 2002. Regan, D.: Human Perception of Objects. Sunderland: Sinauer Associates, Inc. 2000. Walsh, V. & Kulikowski, J.: Perceptual constancy. Cambridge: Cambridge University Press. 1998 Wikipedia (http://en.wikipedia.org/wiki/main_page) Color & Vision Research Laboratories (http://cvision.ucsd.edu/) Fraunhofer Institut Integrierte Publikation und Informationssysteme (http://www.ipsi.fraunhofer.de/~crueger/farbe/index.html) 18
Artikel Color constancy in context: Roles for local adaptation and levels of reference Hannah Smithson & Qasim Zaidi Journal of Vision (2004) 4, 693-710 19
Überblick Ziel der Studie: Welche Mechanismen und Prozesse ermöglichen ein Auflösen der Farbzusammenlegung und transformieren die unter der Testbeleuchtung wahrgenommene Farbe hin zur Referenzbeleuchtung? Methoden: Test-Reflektanten vor verschiedenen buntscheckigen Hintergründen; Beleuchtungsänderungen: Sonnenlicht - Himmelslicht Reflektanz: Proportionalitätsfaktor; Zurückgestrahlte Lichtmenge - Intensität 20
Einführung Stimuli unter Beleuchtung durch direktem Sonnenlicht oder Himmelslicht Simple Entscheidung: Rot/Grün Blau/Gelb MacLeod-Boynton Farbigkeitsachsen zur Identifizierung der Farbgrenzen Voruntersuchungen testen alle Vpn bzgl. Farbkoordinaten Stimulusvorgabe:1500 ms 21
Einführung Zur Identifizierung der neuronalen Transformation muss die Farbzusammenlegung unter verschiedenen Beleuchtungen untersucht werden. Zapfen-Koordinaten Multiplikativer Faktor für jedes Objekt (bei den Zapfen) Ives-Transformation 22
Einführung Klassifikationsgrenzen Teilen den Farbraum in Rot/Grün und Blau/Geld Rote Linen (Sonnenlicht), Blaue Linien (Himmelslicht) Konstanzindices Relation der Veränderungen hinsichtlich Beleuchtung und dem achromatischen Setting 23
Hypothesen zur Beleuchtungsschätzung Mittlere Oberflächenreflektanz Korrelation zwischen Helligkeit und Farbigkeit Hellste Objekt zur Beleuchungsbestimmung Anpassung & Adjustierung aufgrund früherer Beleuchtungen Level of Reference ( Ankern ) In dieser Studie nun soll zwischen unterschiedlichen neuronalen Mechanismen zur Beleuchtungsschätzung differenziert werden. 24
Experiment 1 Untersucht wird das Ausmaß der bildhaften Farbkonstanz unter globalen Beleuchtungswechsel 2 Beleuchtungsbedingungen (Sonnenlicht & Himmelslicht) Hintergrundmuster sind koloriert mit 40 Reflektanz-Spektren, die eine mittlere Reflektanz haben (Vgl. Fig. 1, + -Symbole) 25
Experiment 1 26
Experiment 1 Die mittlere Farbigkeit einer Szene erlaubt eine gute Schätzung der Zapfenkoordinaten der Beleuchtung. Guter Prädiktor für Farbkonstanz (Räumlich erweiterte Adaptation oder höhere Mechanismen, die aus dem Mittel die Beleuchtung ableiten) Realistischere Situationen könnten aber Farbfehler enthalten. Experiment 2 27
Experiment 2 Untersucht werden die Klassifikationsgrenzen unter vier ergänzenden Bedingungen: 2 Beleuchtungen (Sonnenlicht & Himmelslicht) 2 mit Farbfehlern versehene Sets von Reflektanzen als Hintergrund (Fehler hinsichtlich rot/grün & blau/gelb) 28
Experiment 2 29
Experiment 2 Leistung aus Experiment 2 kann nicht mittels eines Mechanismus der Farbmittelung erklärt werden. Sehr gute Farbkonstanzleistung Aber andere globale (räumlich ausgeweitete) Beleuchtungsschätzungen könnten herangezogen werden: Korrelation zwischen Rötlichkeit & Helligkeit im Bild Hellste Objekt zur Beleuchtungsbestimmung Experiment 3 30
Experiment 3 Kritische Manipulation: Eine Beleuchtung für den Teststreifen und die andere für den Hintergrund Räumliche Kontext liefert daher nur mehr Information über die Hintergrundbeleuchtung Jeder globale Mechanismus würde die falsche Beleuchtung annehmen (Niedrige Farbkonstanz) Information über die Teststreifenbeleuchtung kann nur über Zuordnung durch nacheinander folgende Durchläufe gewonnen werden. 31
Experiment 3 32
Experiment 3 Noch immer recht gute Farbkonstanz Temporaler Zuordnungsprozess (peripher oder zentral) Temporaler Anpassungsprozess mit langen Zeitkonstanten (wenige Sekunden) würden sich der mittleren Farbigkeit des Teststreifens annähern (Test-Material war ja chromatisch ausbalanciert.). 33
Experiment 4 Wie in Experiment 3 wurden widersprechende Beleuchtungen für den Teststreifen und den Hintergrund gewählt. Die Teststreifen wurden aber nun nur mehr für 200 ms gezeigt (Hintergrund: 1500 ms). Jeder automatische Adaptationsprozess muss die Information willkürlich aus dem Teststreifen und Hintergrund zuordnen. Würde hier hohe Farbkonstanz erreicht, dann muss es einen selektiven Mechanismus geben der nur die Teststreifen einer Beleuchtung zuordnet. 34
Experiment 4 35
Experiment 4 Die gemischte Leistung in Experiment 4 kann nicht gänzlich durch automatische neuronale Prozesse, die von einkommenden farblichen Signalen die Beleuchtung abzieht, erklärt werden. Widersprüchliche Ergebnisse Um die Eigenschaften der Teststreifensbeleuchtung separat von der Hintergrundbeleuchtung zuzuordnen ist ein Prozess notwendig, der das farbliche Mittel der Testquadrate bestimmt. Solch ein Mechanismus könnte jener des Level of Reference oder Anchoring ( Ankern ) sein, welcher Teststreifen und Hintergrund trennt. 36
Zusammenfassung der Ergebnisse Unter anhaltender Anpassung zu jeder Beleuchtung ergibt sich ein hoher Grad an Farbkonstanz. Selbst unterschiedliche Beleuchtung von Test- Reflektanten und Hintergründen führt zu halbwegs guter Farbkonstanz. Auch bei kürzerer Darbietung der Test- Reflektanten bei widersprüchlicher Hintergrundbeleuchtung gibt es Farbkonstanz. Informationsaufbewahrende Prozesse über die Testpräsentationen hinweg sind offenbar wesentlich beteiligt. Räumlich- lokale Anpassung über wenige Sekunden & Adjustierung der Wahrnehmung auf ein Referenzlevel. 37