Grundlagen der Farbbildverarbeitung: Unterschied zwischen den Versionen

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(Farbwahrnehmung beim Menschen)
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== Die Ordnung in der Welt der Farben ==
 
== Die Ordnung in der Welt der Farben ==
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* Newton kannte die Wellenlänge noch nicht → er ordnete die Farben nach dem Regenbogen
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* Goethe verwendete das Gegenfarbenmodell
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* Munsell schlug 1905 ein Farbordnungssystem vor bei dem alle Abstände zwischen den Farben Empfindungsmäßig gleich sind
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** führt zu einem geometrisch nicht regelmäßigen Körper
  
 
== Das Modell der Farbe ==
 
== Das Modell der Farbe ==

Version vom 12. März 2009, 14:39 Uhr

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Einführung (GF_a 8 - 47)

Geschichtliches zur Farbe

Newton

  • 1672: New Theory about Light and Colours
    • Sonnenlicht = Mischung einzelner Farben
    • Spektralfarben sind objektive Eigenschaft des Lichtes

[...]

Goethe

[...]

Begriff der Farbe

  • Farbe im engeren Sinn, stellt eine spezielle menschliche Sinneswahrnehmung dar
  • Leistungsdichte stellt dagegen den Farbreiz dar, der die Farbempfindung hervorruft
  • Vektoren sind je nach Dimension mehr oder minder genaue Approximationen des Farbreizes
  • Orientierung am menschlichen visuellen System und die Betrachtung psychologischer und physiologischer Grundlagen sind von Interesse:
    • zur richtigen Bewertung der Schwierigkeiten und Herausforderungen bei der Schaffung technischer Lösungen
    • zur Anpassung technischer Lösungen der Bildwiedergabe an das visuelle System
    • zur Nutzung optimaler Naturprinzipien für technische Lösungen
    • weil technische Systeme im allgemeinen auf dem inneren Modell des Menschen von der Welt beruhen und dieses Modell in hohem Maße durch den visuellen Kanal des Menschen beeinflusst ist
    • weil optoelektronische Sensoren, Bildverarbeitung und Bildanalyse wichtige Schnittstellen zwischen Mensch und Maschine darstellen
    • weil viele Objekteigenschaften durch visuelle Eindrücke beschrieben werden
  • menschliches Auge kann ca. 100 Graustufen / ca. 300 000 Farben unterscheiden
  • Drei grundsätzliche Anwendungen von Farbinformation:
    • Pseudokolorierung
    • Falschfarbendarstellung
    • Echtfarbdarstellung (True Color) hier Schwerpunkt

Farbtäuschung

  • Zuordnung zwischen Physik und Wahrnehmung nur eindeutig wenn bunte Dinge isoliert betrachtet werden
  • Werden bunte Objekte in bunte Umgebungen eingebettet/bewegt, dann können abweichende Farbwahrnehmungen auftreten, so genannte Farbtäuschungen
  • es existieren unterschiedliche Arten solcher Täuschungen:
    • Farbinduktion oder simultaner Farbkontrast (Farbe wird durch ihre Umgebung modifiziert)
    • Farbkonflikt (es konkurrieren verschiedene Sehinformationen miteinander)
    • Subjektive Farben (es werden bunte Farbtöne wahrgenommen, die nicht vorliegen)

Simultaner Farbkontrast:

  • erstmals 1839 beschrieben
  • wo der Effekt entsteht (Auge, Cortex) ist unklar

Farbinduktion:

  • bei kleinteiligen, sich wiederholenden Strukturen erfolgt Angleichung
  • kann zur Rauschunterdrückung oder zur Unterdrückung von Feintexturen zugunsten der Erkennung größerer Objekte wichtig sein

Farbkonflikt:

Subjektive Farben:

  • durch Bewegung ist es möglich Farben zu erzeugen die ursprünglich nicht vorhanden waren (Drehwurm in Farbe)

Farbwahrnehmung beim Menschen

[...]

Rezeptive Wahrnehmung

  • 1807 stellte Young die Hypothese auf das Farbsehen auf drei Arten von Sinneszellen beruht (rout,grün,blau)
  • erst 1964 konnten dies bewiesen werden, durch die Messung der Absorptionsspektren
  • Pdt-kurven.svg

Postrezeptive Wahrnehmung

  • Mit dem 3 Farbenmodell konnten einige psychologische Erscheinungen nicht erklärt werden
    • Es werden 4 Farben als besonderst "rein" empfunden (Rto, Geln,Grün, Blau)
    • Unbunte Farben werden werden als das fehlen von Farben wahrgenommen
    • Schwarz schein gleichberechtigt zu Weiß
    • keine wahrgenommene Farbe erscheint zugleich rötlich und grün
  • das führte zur Gegenfarbentheorie die anfangs nur Psychologisch begründet war 1958 aber physiologisch Nachgewiesen werden konnte
    • Rot - Grün
    • Gelb - Blau
    • Schwarz - Weiß
  • → CIELab-Farbraum

Kortikale Kodierung

  • Weder die 3 Farbentheorie noch die Gegenfarbentheorie beschreiben die bewusste Wahrnehmung des Menschen
  • Deshalb erweitertes Modell
    • Farbton / Buntton beschreibt die als besonderst rein empfundenen Spektralfarben
    • Sättigung beschreibt wie stark eine Farbe verblasst ist
    • Helligkeit beschreibt, wie hell oder dunkel eine Farbe ist
  • Wo/Wie genau die neuronale Verarbeitung erfolgt, ist noch nicht sicher belegt

Die Ordnung in der Welt der Farben

  • Newton kannte die Wellenlänge noch nicht → er ordnete die Farben nach dem Regenbogen
  • Goethe verwendete das Gegenfarbenmodell
  • Munsell schlug 1905 ein Farbordnungssystem vor bei dem alle Abstände zwischen den Farben Empfindungsmäßig gleich sind
    • führt zu einem geometrisch nicht regelmäßigen Körper

Das Modell der Farbe

[...]

Farbvalenz

[...]

Farbreizmetrik

[...]

Farbanalyse, Zusammenhang mit der Farbwidergabe

[...]

Subtraktive Farbmischung

[...]

Farbmetrische Schnittstellen - Farbräume (GF a 49 - 55)

Unterschiedliche bildgebende Systeme
   z.B. Farbkameras
        Farbscanner
        Spezialkameras

Widerspruch Farbmetrische Schnittstelle

Unterschiedliche Bildwiedergabesysteme
   "True-Color-Darstellung"
   - unterschiedliche Monitore, Beamer, Drucker etc.

Leuchtdichte (Luminanz)

  • Luminanz Y ist die Strahlungsleistung, bewertet mit der spektralen Empfindlichkeitsfunktion des Auges für das Hellempfinden
  • Y ist Leistungsproportional, wenn Lichtzusammensetzung (Leistungsdichte konstant bleibt

\\ Bild

  • Leuchtdichte berechnet sich nach dem Abneyschen Gesetz:
  • Leuchtdichtebeiwert: gibt an wie groß der Beitrag jedes Farbwertes der Farbvalenz zum Helleindruck ist, abhängig vom gewählten Farbwiedergabesystem
  • Leuchtdichte L Intensität I
  • die perzeptuelle Antwort unseres Auges auf die Leuchtdichte wird Helligkeit (Lightness) genannt

\\ Bild mit Kommentar: Eine Quelle die nur 18% der Luminanz einer Referenz hat, erscheint uns immer noch halb so hell wie die Referenz

Gammakorrektur und Luma

Gammakorrektur:

Luma:

Farbsysteme, Farbräume, reduzierte Farbräume

Das Normvalenz- oder XYZ-System (GF a 76 - 86)

Farbmessung (GF 1 - 11)

  • Farbmessung = Ermittlung der drei zu einer Farbvalenz gehörigen Farbmaßzahlen
  • 3 Messmethoden:
    • Vergleichsmethode oder Gleichheitsverfahren
    • Spektralverfahren
    • Dreibereichsverfahren

Gleichheitsverfahren

  • Vergleiche:
    • Vorlage mit additivem Gemisch
    • Vorlage mit Farbmusterkarten (DIN-Karten)
  • unverzichtbar bei physiologischen Untersuchungen
  • aufwendig und bei kleinen Probandengruppen ungenau
  • d.h. für technische Messungen ohne Bedeutung

Messbedingungen nach DIN:

  • helladaptiertes und blendfreies Sehen
  • unbunter Messraum
  • neutrale Gesichtsfeldumgebung mit gleicher oder etwas kleinerer Leuchtdichte als im Messfeld
  • gut ausgeruhtes und neutral gestimmtes Auge
  • farbnormalsichtiger Beobachter

Spektralverfahren

  • zu messende Farbvalenz = Summe spektraler Farbvalenzen
  • greift auf gemessene Normspektralwertkurven zurück
  1. spektrale Messung zur Ermittlung der Farbreizfunktion
    • Selbststrahler: direkte Messung der Strahlungsfunktion
    • remittierende Vorlage: Remissionsfunktion der Vorlage messen, d.h. Strahlungsfunktion S ist vorher zu bestimmen und aus heraus zu rechnen
  2. farbvalenzmetrische Auswertung
    • wenn ermittelt wurde, kann jede beliebige (tabellierte) Lichtquelle eingesetzt werden
    • Normierungskonstante k:
      • Selbststrahler: nur Farbwertanteile gefragt, d.h. k ist beliebig
      • Körperfarben: Y für mattweißen Körper = 100, d.h.

Messgeometrien:

\\ Bildergalerie (45°,8°,Transmission)

  • 45°-Geometrie: Beleuchtung unter 45° schließt Glanzeinfluss aus Sensor blickt senkrecht auf Probe
  • 8°-Geometrie: Beleuchtung diffus über Ulbricht-Kugel Sensor blickt unter 8° auf Probe; Messung mit/ohne Glanz möglich
  • Transmissionsgeometrie: Probe wird durchleuchtet

Dreibereichsverfahren

[...]

Spektralmaskenverfahren

[...]

Klassifikation von Messaufgaben (GF 82 - 86)

  1. Messung von objektiven Eigenschaften, die sich in der Veränderung spektraler Charakteristika niederschlagen
    • vordergründig ist Zusammenhang zwischen Veränderungen in den physikalischen Eigenschaften von Interesse (z.B. Waferinspektion)
    • Zusammenhang sollte eindeutig und von hinreichender Empfindlichkeit sein
    • Wahrnehmung unterschiedlicher Farben eher Nebeneffekt
  2. Überwachung der Stabilität von farblichen Erscheinungen
    • ist bei einer oder mehreren Beleuchtungen zu überwachen
    • absolute Farbmessung nicht nötig; "Anlernen" auf Farben genügt
    • Abstände im Farbempfinden müssen sich in gleicher Weise in Veränderungen der Sensorsignale wiederspiegeln
  3. absolute Farbmessung
    • d.h. Ermittlung der korrekten Farbvalenz unter beliebigen Messbedingungen
    • Spektralwertkurven müssen realisiert werden
  4. Messung des spektralen Remissions- und/oder Transmissionsverhaltens von Materialien
    • ausschließlich spektrale Messverfahren
    • Messung der Strahlungsfunktion und der remittierten Leistungsdichte
    • Berechnung der Farbvalenz bei beliebiger Beleuchtung und des Metamerie-Index

steigende Ansprüche mit steigender Nummerierung

Einfache Farbkalibrierung (GF 16 - 41)

Color Management (F CM 1 - 20)

Kameras (GF_Ka 1 - 12)

Einsatzfelder:

  • ortsaufgelöste Messung von Farbe
  • Aufnahme und Wiedergabe von True-Color Bildern
  • Aufnahme farbiger oder mehrkanaliger Bilder für die Verarbeitung/Analyse (Qualitätssicherung)
  • Photogrammetrische Anwendungen (Lösung des Korrespondenzproblems)
  • Radiometrische Anwendungen (Messen im Spektralbereich)

Dreibereichsmessung:

  • setzt die Trennung von drei sich überlappenden Spektralbereichen voraus, die dann wellenlängenabhängig zu bewerten und zu integrieren sind

Dreichip-Kameras

\\ Bild

  • optische Kanaltrennung und Bewertung
  • beste Bildqualität, da hohe Auflösung in allen drei Kanälen
  • keinen örtlichen Versatz der Pixel in den drei Farbauszügen
  • Filter einfacher und präziser zu realisieren
  • befinden sich z.B. als dichroitische Spiegel auf den Strahteilerprismen

\\ Hot-Mirror-, Cold-Mirror-Korrektur????

Einchip-Kameras

\\ Bild mit Kommentar: doppelte Anzahl grüner Pixel wegen Schärfe, MTF des Auges

  • örtliche Kanaltrennung und Bewertung
  • Streifen- oder Mosaikfilterstrukturen auf den einzelnen Pixeln zur örtlichen Signaltrennung
  • 3 oder 4 unterschiedliche spektrale Auszuüge zur Erzeugung der Farbinformation
  • Matrix selbst kann Interline- oder Frame-Transfer-Matrix sein
  • kostengünstiger und kleiner als Dreichip-Kameras
  • Probleme:
    • Farbvalenzen aus örtlich versetzten Auszügen (z.B. Farbsäume an Kanten)
    • nicht korrigierbare Fehler aus Nichtlinearitäten und Dunkelsignalen bei der Bildung von Mischsignalen

generelle Anforderungen an die Signalverarbeitung:

  • primäre Kamerasignale stellen keine farbmetrische Schnittstelle zur Verfügung, d.h. alle Bewertungsfunktionen sind nicht-negativ (Spektralwertkurven fordern aber negative Wichtungen)
  • je nach realisierten Filtern und Genauigkeitsansprüchen lineare Matrizierung (meist Kameraintern) oder komplexere Approximation
  • bei hohen Genauigkeitsansprüchen Umgehung der Kamerainternen Matrizierung, weil Verstärkungsfaktoren, Toleranzen, Temperaturdrift, Langzeitstabilität etc. nicht bekannt sind
  • insgesamt geringe Nichtlinearitäten der CCD's können in den Ansteuerbereichen der einzelnen Kanäle zu wesentlichen Fehlern führen:
    • Farbvalenz ändert sich kontinuirlich mit der Shutterzeit
    • Pixelweise DSNU- (Dunkelsignalungleichförmigkeit) und PRNU- (Hellsignalungleichförmigkeit) Korrektur vor Erzeugung der Farbvalenz erforderlich, da sich Festmusterrauschen nicht nur auf Intensität sondern auch auf Farbart auswirkt
    • Dunkelsignal verdoppelt sich alle 7K, Gleichanteil wird aber geklemmt
    • Lichtquellentyp und Langzeitverhalten wirken sich nicht nur Intensität sondern auch auf Farbtemperatur aus

4 spektrale Bereiche:

\\ Bild

  • vorteilhaft zur Erzeugung von Farbdifferenzsignalen für die TV-Kompatibilität
  • im Field-Integration-Mode werden Mischsignale gebildet, die die erforderliche Signalkorrektur für hohe Ansprüche behindern
  • Nichtlinearität der Ausgangsverstärker wirkt sich auf Korrektur der primären Mischsignale aus

Sequentielle Einchip-Kamera

\\ Bild

  • zeitliche Kanaltrennung und Bewertung
  • relativ genaue Approximation der Spektralwertkurven möglich

Elektrisch steuerbare Filter

  • über die Wellenlängenabhängigkeit der Eindringtiefe der Photonen und die Steuerbarkeit der Tiefe der Potentialmulden der sensoren lassen sich steuerbare spektrale Empfindlichkeiten erzeugen

Verarbeitung von Farbbildern (1 - 31)

Referenzfreie Farbadaption auf Basis des 3D-Histogramms (HuS 32 - 39 )

Histogrammbasiertes Farbmatching(1 - 15)

Störunterdrückung (SU 1 - 16)

Kantendetektion in Farbbildern (1 - 21)

Farbpixelklassifikation (Farbpixelklassifikation 1 - 21)

Clusterverfahren (Farbpixelklassifikation 19 - 45)

Segmentierung (Seg 1 - 8)