View
4
Download
0
Category
Preview:
Citation preview
1
Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
*RHWKH�8QLYHUVLWlW��)UDQNIXUW
*UDSKLVFKH�'DWHQYHUDUEHLWXQJ
������������ �������� �
Elemente der Farbmetrik undFarbrepräsentationen im Rechner
SS 20042Graphische Datenverarbeitung3. Elemente der Farbmetrik © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Farbwahrnehmung
und Farbordnung Subjektiv
Farberzeugung Hardware
(Details zur Farbmischung)
Farbübertragung System
Farbauswahl User Interface
Farbmessung Reproduktion
���������� ���������
Verschiedene Aufgaben und Ziele verlangen unterschiedliche Farbsysteme und Repräsentationen
Bildwahrnehmung
Graphische Systeme
jetzt
jetzt
jetzt
2
SS 20043Graphische Datenverarbeitung3. Elemente der Farbmetrik © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
��������
1. Die CIE Farbnormalen - ColorimetrieCIE XYZ, xyz, Yxy
2. Weiterentwicklungen (empfindungsmäßiggleichabständig) zu CIE L*a*b*, CIE L*u*v*
3. Das RGB-Modell���������� ���� ���������
4. Farbsysteme in Videosystemen: YIQ, YUV, YCRCB,
5. Farbauswahl und -spezifikation
SS 20044Graphische Datenverarbeitung3. Elemente der Farbmetrik © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
����������������� ��
6. Zusammenfassung 7. Glossar8. Weitere Informationen9. Ausblick – Nächste Schritte
3
SS 20045Graphische Datenverarbeitung3. Elemente der Farbmetrik © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
��� �� ���� ������� ���
� CIE: Commission International de l’EclaireageInternationale Beleuchtungskommission
� Normalbeobachter für Farbmischversuche� 20 Sehfeld CIE 1931
(Ergänzung 100 Sehfeld CIE 1964 � andere Ergebnisse)
� Hellempfindlichkeit Y� 3 reale Lichtquellen (“monochromatisch“)
� 700 nm CIE Rot� 546,1 nm CIE Grün� 435,8 nm CIE Blau(Spektrallinien einer Quecksilberdampflampe)
© Detlef Krömker
SS 20046Graphische Datenverarbeitung3. Elemente der Farbmetrik © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
���� ��� !������"������ #�� ���
4
SS 20047Graphische Datenverarbeitung3. Elemente der Farbmetrik © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
��$�� �������"������
� Achtung: negative Werte� An nur 17 Versuchs-
personen gemessen (Guild 1931, Wright 1928)
� Abhängig von den Primärvalenzen
� Genormt in CIE Publikation 15DIN 5033
%��� ����� ���� ���������� � ����&�� �'�� ����
� Ergebnisse der Versuche:für die CIE Primärvalenzen R, G, B
� Lineare Transformation zu virtuellen Primärvalenzen X,Y,Z so dass:� für reale Farben keine negativen Koeffizienten auftreten� eine Primärvalenz Y genau der Hellempfindung
entspricht
Ergebnis:
© Detlef Krömker
)(),(),( λλλ ���
� � �, ,
5
�(%)$�� �������"������
© Detlef Krömker-0,2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
1
1,2
1,4
1,6
1,8
2
390
400
410
420
430
440
450
460
470
480
490
500
510
520
530
540
550
560
570
580
590
600
610
620
630
640
650
770
380
��
�
�(%*+,
Weitere Transformation: Projektion �Chromaticity Coordinates
© Detlef
Flächeweißeezierendenichtfluorideale:100Y �
����
����
�������
��
��
λλ
λλ
����
����
�����
100
�
� �
��
� �� � �
��
� �
=+ +
=+ +
=+ +
�������������
Beachte: x+y+z=1
P(λ): LichtquellenspektrumR (λ): Reflektionsspektrum
6
$�� '�����'�) ���� ������- ������
© Detlef Krömker
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
380450470
480
500
520
540
560
580
600
620
770
x
y
Spektralfarben auf dem Rand„Monochromatische Farben“
.�� ���� �� ������ �� ��'�
© Detlef Krömker
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
7
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
( ��������� ������� � ������/����� �0� �� �/�'���
© Detlef Krömker
“Farbton” (dominant wavelenght) von F
Weißpunkt
a
b
“Farbsättigung” (purity) von Fp=a/a+b
F
Komplementärfarbezu F
SS 200414Graphische Datenverarbeitung3. Elemente der Farbmetrik © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
$�� '�����'�) ���� ����� �
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
380450470
480
500
520
540
560
580
600
620
770
x
yAlle additiven Mischfarben liegen auf der Geraden zwischenden Ausgangsfarben:
Sie mischen sich linear!
Berechne die Koordinaten derMischfarbe:Siehe ggf. Übung!
8
�� �������������1#�� /���� �
© Detlef Krömker
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
0,9
0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8
380450470
480
500
520
540
560
580
600
620
770
Weißpunkt:einstellbar aber fest
Alle Mischfarben mitpositiven Anteilenliegen im inneren desDreiecks:
„baryzentrischeKoordinaten“ Verwenden, siehe Übung
��������� �(%2312���� �� ��'�4)"��
� 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
� Komplementätfarben sind einfach zu finden: Gerade durch den Weißpunkt
� Näherungswerte für Farbton (dominant wavelenght) und Sättigung (purity)
© Detlef Krömker
9
��������� �(%2312���� �� ��'�4)"��
� 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
SS 200418Graphische Datenverarbeitung3. Elemente der Farbmetrik © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
%��� ����� ��5�� �&�� �'�� �� ����6�6
10
SS 200419Graphische Datenverarbeitung3. Elemente der Farbmetrik © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
�(%78923:;
�
� ��
� � �
���
� � � � � �
� � � �� � � �
� � � �
� � � �
� � � �
Q
Q
Q
Q
Q
X Y
’ ’
* / ,
* , ( / )
* * ( ’ ’)
* * ( ’ ’)
* ( * ) ( * ) ( * )
/
=+ +
=+ +
=
− >
== −= −
= + +
41 5 3
91 5 3
1 1 6 1 6 0 0 0 8 8 5 6
9 0 3 3
1 3
1 3
1 3
2 2 2∆ ∆ ∆ ∆
Ziel: McAdams Ellipsen zu gleichgroßen Kreisenverzerren!
und weiter: Y auf Yn beziehen und gemäß der Empfindung verzerren!
gleiches für u‘ und v‘
SS 200420Graphische Datenverarbeitung3. Elemente der Farbmetrik © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
5��� ������(%75<23:;
( )( )
���
�
��
���
��
�������
Q
Q Q Q Q
<
<Q
< <Q
ZHQQ < <Q
;
;Q
; ;Q
ZHQQ ; ;Q
*
* *
/
/ / / /
/
, ( / ) / / ,
/, ( / ) / / ,
=
−
=
−
=
−
= + ≤
= + ≤
116 16
500 200
1 3
1 3 1 3 1 3 1 3
1 3
7 787 16 116 0 008856
1 37 787 16 116 0
( )008856
1 37 787 16 116 0 008856
2 2 2
=
=Q
= =Q
ZHQQ = =Q
XY� � � �
/, ( / ) / / ,
* ( *) ( *) ( *)
= + ≤
= + +∆ ∆ ∆ ∆
11
�(%789=�(%75<)���������
� Metriken zur Farbabstandsmessungfür 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� Leider viele Mißverständnisse zum Gebrauch LUV/LAB
© Detlef Krömker
��!�������� � ���� �>?�>
© Detlef Krömker
-200
-150
-100
-50
0
50
100
150
200
-300 -200 -100 0 100 200 300 400
u*
v*
rotgrün
gelb
blau
grau
12
0������(%75<=�(%789
� große Farbabstände werden unkorrekt bestimmt
� Farbabstände für kleine Objekte (< 20) werden fehlerhaft bestimmt
© Detlef Krömker
640
800
1024
1280
1600
2048
640
800
1024
1280
1600
2048
�
���
�
���
�
���
�
��� ���� ���� ����
10
12
14
17
19
,��� �� ��!�"� ��) #�@���� � )<�������� ��AB
© Detlef Krömker
Seh
win
kel /
Min
uten
Pixelanzahl hor.
Bildschirm-größe / Zoll
� die Farbdifferenzen kleiner Flächenwerden falsch bestimmt!
13
! ���)���� &���� ����
© Detlef Krömker
.
.
SS 200426Graphische Datenverarbeitung3. Elemente der Farbmetrik © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
0�� '��)0�������
nach Silverstein und Merrifield (1985)
Sehwinkel/ ‘ KL Ku Kv
32 0,850 0,270 0,133
16 0,575 0,160 0,0438 0,285 0,072 0,003
4 0,105 0,020 0,000
2 0,032 0,003 0,000
© Detlef Krömker
� � 2/1222 *)(*)(*)(* �������YX/VIXY∆∆∆∆ ���
�
Small-Field Tritanopia
14
SS 200427Graphische Datenverarbeitung3. Elemente der Farbmetrik © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
�����<)�����
Alle darstellbare Farben sind Punkte eines Einheitswürfels. Auf den positiven Halbachsen liegen die Primärfarben :��, �����und � ��. Erste Eigenschaften:
Schwarz liegt im Ursprung (0,0,0)
Weiß im Punkt (1,1,1)
Grauwerte, darstellbar durch
gleichgroße Anteile von R, G und B,
liegen auf der Hauptdiagonalen des
Einheitswürfels
Schwarz
Weiss
Grauwerte
Applet: RGB
SS 200428Graphische Datenverarbeitung3. Elemente der Farbmetrik © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
��������� ���'������� ������-�-�
Impulsanregung
Kontinuierliche AnregungLCD: Liquid Cristal Display
CRT: Cathode Ray Tube
Delta Maske Trinitron
15
SS 200429Graphische Datenverarbeitung3. Elemente der Farbmetrik © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
�������� ����� �
SS 200430Graphische Datenverarbeitung3. Elemente der Farbmetrik © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
����� ������� ���������� � �� ��������� ����������
���������� �������� ��� ��!�� ������������"�
#��� #�������� $��������� %& ������� '���$������
���������� ���� �������
γ=2.2
ohneKorrektur
mitKorrektur
γ1
maxmax
=
*
*
*
*
��
��
16
SS 200431Graphische Datenverarbeitung3. Elemente der Farbmetrik © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
(�������� Die Korrektur wird auf der Aufnahmeseitevorgenommen,
. d.h. es werden vorverzerrte nichtlineare Signale übertragen(und auch bearbeitet: z.B. R’,B’,G’)
(Da die Helligkeit vom 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.)
) ��%&� ��������� *���� ��������)��•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.
��������
SS 200432Graphische Datenverarbeitung3. Elemente der Farbmetrik © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
����� ��������� <"�������-�� ��� ��
� RGB zur Farbabtastung und Wiedergabe� Gamma Vorverzerrung: R‘G‘B‘: 1 / 2,2 = 0,45� Kompatibilität zu S/W Fernsehen war
unabdingbar:� Y‘: Helligkeit und 2 weitere Komponenten:
sog. (���%%����������Prinzip: R‘-Y‘, B‘-Y‘
� Ausnutzung der Farbsehschwäche für kleine Details ---> kleinere Bandgrenzen
Unterabtastung
© Detlef Krömker
17
9�������� ���!�� ��������������� ��γ
Für CRTs gilt:Die abgestrahlte Lichtintensität I ist nichtlinear zur
anregenden Eingangsspannung U. Es gilt:
Entsprechend führt man Vorverzerrungen aus:
häufig: mit 1/γ = 1/2,2 = 0,45 (Video)� R‘G‘B‘Achtung: Mac: 1/1,8 und QuickDraws 1/1,45 CLUT
© Detlef Krömker
55,2...35,2≈⋅= γγ ������
$&!��23C1�0� ��������� �
� Weißpunkt: Illuminant C� Primärvalenzen : x y
(entsprechen nicht mehr Rot 0,67 0,33den heutigen Phosphoren) Grün 0,21 0,71
Blau 0,14 0,08
� Luminanzfunktion:Y‘= 0,299 R’ + 0,587 G’ + 0,114 B’
� Chrominanzfunktionen:I = -0,27 (B’-Y’) + 0,74(R’-Y’)Q = 0,41 (B’-Y’) + 0,48 (R’-Y’)
Drehung der „einfachen“ Differenzsignale um die Q-Achse in Richtung der Längsachsen der McAdams Ellipsen auszurichten: geringste Farbdifferenzempfindung- Weitere Gewichtungen nötig, um Amplitude des ���!����� ������ zu beschränken !!
© Detlef Krömker
18
#57�23;C�� Weißpunkt: D65
� Primärvalenzen : x yRot 0,64 0,33Grün 0,29 0,60
Blau 0,15 0,06
� Luminanzfunktion:Y‘= 0,299 R’ + 0,587 G’ + 0,114 B’
Achtung: wie bei NTSC, trotz anderer Primärvalenzen (kalkulierter Fehler !!?)
� Chrominanzfunktionen:U = 0,493 (B’-Y’)V = 0,877 (R’-Y’)
© Detlef Krömker
(&8)����(��;D2
� Weißpunkt: D65
� Primärvalenzen : x yRot 0,64 0,33Grün 0,29 0,60Blau 0,15 0,06
� Luminanzfunktion:Y= 0,299 R’ + 0,587 G’ + 0,114 B’
� Chrominanzfunktionen:CR = 0,564 (R’-Y’)CB = 0,713 (B’-Y’)
© Detlef Krömker
19
(&8)����(��:D3
� Weißpunkt: x= 0,3127, y=0,3290� Primärvalenzen : x y
Rot 0,640 0,330Grün 0,300 0,600Blau 0,150 0,060
� Luminanzfunktion:Y= 0,2125 R + 0,7154 G + 0,0721 B
(Achtung: linear RGB)
� Chrominanzfunktionen:CR = (B’-Y’)CB = (B’-Y’)
© Detlef Krömker
SS 200438Graphische Datenverarbeitung3. Elemente der Farbmetrik © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
Farbwahrnehmung und Farbordnung Subjektiv
Farberzeugung Hardware
(Mischung)
Farbübertragung System
Farbauswahl User Interface
Farbmessung Reproduktion
���������� ���������
Verschiedene Aufgaben und Ziele verlangen unterschiedliche Farbsysteme und Repräsentationenen
�
GDV - 4. Graph. Systeme
�
jetzt
�
20
SS 200439Graphische Datenverarbeitung3. Elemente der Farbmetrik © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
�������"���� �)����'������
Die technisch-physikalischen Farbmodelle (RGB, CNY) 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 und Farbsättigung.
SS 200440Graphische Datenverarbeitung3. Elemente der Farbmetrik © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
E7!)�����
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 (sieheApplet). 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.
21
SS 200441Graphische Datenverarbeitung3. Elemente der Farbmetrik © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
E7!)�����
Die Helligkeit (�) wird als Wert zwischen 0 und 1 angegeben, wobei 0 Schwarz und 1 Weiß entspricht. Die Sättigung () 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 derHelligkeit 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 relativzur maximal bei einer bestimmten Helligkeit erreichbaren Sättigung angegeben wird, verwendet man deshalb das Doppelkegelmodell oderdas Zylindermodell.
SS 200442Graphische Datenverarbeitung3. Elemente der Farbmetrik © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
( ��������� �� ����
Achtung:
Durch die unterschiedlichen Farbräume liefert die linearen Interpolation zwischen zwei identischen, aber in unterschiedlichen Farbräumen definerten Farben völlig unterschiedliche Ergebnisse (siehe Applet).
22
SS 200443Graphische Datenverarbeitung3. Elemente der Farbmetrik © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
����-�� � 8��)( ��'��
� HSV: hue, saturation, valuesechseckige Pyramide
� HLS: hue, lightness, saturationsechseckige Doppelpyramide
© Detlef Krömker
SS 200444Graphische Datenverarbeitung3. Elemente der Farbmetrik © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
,��� '���� �
Farbwahrnehmung und Farbordnung Subjektiv
Farberzeugung Hardware
(Mischung)
Farbübertragung System
Farbauswahl User Interface
Farbmessung Reproduktion
23
SS 200445Graphische Datenverarbeitung3. Elemente der Farbmetrik © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
�������
CIE FarbnormalenColorimetrieNormalbeobachterCIE RGBCIE XYZVirtuelle PrimärvalenzenCIE xyzNormfarbwertanteile (Chromaticity Coordinates)Normfarbtafel (Chromaticity Diagram)Dominant Wavelenght
SS 200446Graphische Datenverarbeitung3. Elemente der Farbmetrik © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
��������F�
PurityCIE YxyCIE L*a*b*CIE L*u*v*Small-Field TritanopiaRGB-ModellNichtlineare VerzerungenGammaGamma KorrekturGamma Vorverzerrung
24
SS 200447Graphische Datenverarbeitung3. Elemente der Farbmetrik © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
��������1�
YIQYUVYCRCB
FarbdifferenzsignaleNTSCPALComposite Signale
ITU-R (CCIR) 601ITU-R (CCIR) 709HLSH‘L‘S‘HSV
SS 200448Graphische Datenverarbeitung3. Elemente der Farbmetrik © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
G���( '�� ����
� Charles Poyntons FAQs:� Color FAQ:
http://www.inforamp.net/~poynton/ColorFAQ.html
� Gamma FAQ:http://www.inforamp.net/~poynton/GammaFAQ.html
� Umfassendes Lehrbuch:+������ ,��: Farbwiedergabe in den Medien –
Fernsehen Film Druck, Muster-Schmidt Verlag, 1995ISBN 3 – 7881 – 4052 -6
25
SS 200449Graphische Datenverarbeitung3. Elemente der Farbmetrik © Prof. Dr.-Ing. Detlef Krömker
5�������H $/����!������
� CG-Systeme
� Rendering: ...
Nächstes Kapitel
Recommended