Grundlagen der Farbbildverarbeitung: Unterschied zwischen den Versionen

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(Farbanalyse, Zusammenhang mit der Farbwidergabe)
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* Die Subtraktive Farbmischung lässt sich auf die Multiplikation der Transmissionsgrade zurückführen (ein Filter lässt 50% rotes licht durch, wenn man zwei dieser Filter hintereinander legt, dann geht nur noch 25% rotes Licht durch die Anordnung (0.5*0.5 = 0.25) )
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* wenn <math> \tau_0 </math> die Transmission eines Filters für die normierte Dicke 1 und die normiert Dichte 1 ist dann kann man
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** mit dem Lambertschen Absorbtionsgesetzt die Absortption von dickern/düneren Material berechnen <br> <math> \tau = [ \tau_0]^w </math>
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*** w ... Dicke des Materials im Verhältnis zum norm Material
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** mit dem Beerschen Gesetz die Transmission von Meterial mit anderer Dichte berechnen <br><math> \tau = [ \tau_0]^c </math>
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*** c... Das Verhältnis der neuen zur alten Dichte
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** kann man auch kombinieren zu (Lambert-Beersches Gesetz)
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** <math> \tau = [ \tau_0]^{c \cdot w} </math>
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* Da sich die Transmission Multiplikativ zusammensetzt wird auch gerne mit dem logarithmus der Transmission gerechnet (optische Dichte)
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**<math> D = - lg \tau = lg \frac{1}{\tau}</math>
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** Damit vereinfacht sich das Lambert-Beersche gesetz zu: <math> D = c \cdot w \cdot D_0</math>
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* selbstverständlich sind die Transmission <math>\tau</math> und die optische Dichte D von der Wellenlänge abhänig ... zur Übersichtlichkeit wurde das in den Formeln nur weggelassen
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* Bei einem Papierbild kommt zu dem Filter noch die Reflexion an der Farboberfläche und an der Papieroberfläche
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** Beachte das Licht was an der erste Schicht wegreflektiert wird kann icht tiefer eindringen. Nur noch <math> (1-\beta)*S </math> dringt an Licht durch den ersten Filter!
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*** <math> \beta </math> ...  Remmisionsgrad der ersten Farbe
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*** <math> S </math>  ... Spektrale Verteilung der Lichtquelle
  
 
= Farbmetrische Schnittstellen - Farbräume (GF a 49 - 55) =
 
= Farbmetrische Schnittstellen - Farbräume (GF a 49 - 55) =

Version vom 12. März 2009, 18:15 Uhr

Link zum Vip toolkit

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

  • Definition
    • Farbe ist diejenige Gesichtsempfindung eines dem Auge strukturlos erscheinenden Teils eines Gesichtsfeldes durch die sich diser Teil bei einäugiger Betrachtung mit unbewegtem Auge von einem gleichzeitig gesehenen ebenfalls strukturlos angrenzendem Bezirk allein unterscheidet (unbunte Farben: Schwarz, Weiß und Graustufen, bunte Farben: Helligkeit; Buntheit setzt sich aus Buntton und Farbsättigung zusammen)
    • Farbe ist durch Helligkeit, Buntton, Sättigung eindeutig bestimmt → 3D Modell
      • drei linear unabhängige Größen
      • Additive Mischung zur Reproduktion von Farbe (aus Rot, Grün, Blau)
      • drei linearunabhängige Größen spannen immer einen Raum auf → Rot,Grün und Blau werden die Achsen dieses Raumes

Farbvalenz

  • Mit unserem Modell läßt sich jede Farbe als linearkombination unserer drei Basisvektoren aufschreiben
    • ... Farbvalenz
    • ... die drei Basisvektoren die den Raum aufspannen (Rot, Grün und Blau)
    • ... die Farbwerte
    • ... die drei Primärvalenzen
  • Ermittelt werden die Farbwerte mit Hilfe der Vergleichsmethode
    • Eine Person vergleicht ein Target mit einer Farbe die aus den drei Primärvalenzen gemischt wird
    • wenn die Empfindung der beiden Farben gleich ist, dann notieren wir die Werte
  • Innere Farbmischung
    • das Target wird mit weißen Licht beleuchtet und wir drehen nur an dem Farbmischgerät
  • Äußere Farbmischung
    • Wir beleuchten das Target mit farbigen Lichte

Farbreizmetrik

  • Die Farbreizfunktion beschreibt die spektrale Zusammensetzung der Farbempfindungen
    1. Selbstleuchtende Objekte
      • beschreibt die spektrale Verteilung der Quelle
      • Wahrnehmung:
    2. Auflicht Vorlagen
      • beschreibt den spektralen Remisionsgrad der Vorlage
      • Wahrnehmung: Licht reflektiert von der Vorlage
    3. Durchlichtvorlagen
      • spektraler Transmissionsgrad der Vorlage
      • Wahrnehmung von Licht welches die Vorlage durchdrungen hat
  • Damit haben folgende Faktoren Auswirkung auf die Wahrgenommene Farbe
    1. Die Beleuchtung des Objektes (Spektrale Zusammensetzung des Lichtes der Lampe)
    2. Das Remmisionsverhalten der beleuchteten Oberfläche
    3. Die wellenlängenabhängige Empfindlichkeit der drei Zapfen des Auges
  • Es besteht die Möglichkeit die pdt Kurven direkt zur Beschreibung des Farbempfindens zu nutzen
  • Die Farbwerte könnte man dann wie folgt ermitteln:
  • Für die technische Darstellung von Farbe werden allerdings R,G,B werte benötigt
  • Die dafür notwendigen Spektralwertkurven können mit Hilfe der Vergleichsmethode ermittelt werden
  • Man erhält damit folgende Kurven

SpektralwertfunktionenRGB.jpg

  • Mit der gleichen Formel wie bei der pdt Kurve lassen sich nun die R,G,B Werte rechnerisch ermitteln

Farbanalyse, Zusammenhang mit der Farbwidergabe

  • Das Kammera - Monitor System soll die Farbe exakt wiedergeben
  • Der Monitor verwendet EBU Phosphore für die Farbdarstellung
    • haben selbst Spektralwert kurven => keine Monochromatischen Lichter mehr
  • Die notwendigen spektralwertkurven die die Kamera realisieren muss um die Bilder auf dem Monitor exakt darzustellen lassen sich mit Hilfe der pdt Kurven herleiten (Über forderung der Gleicheit der Farben)
  • Sie besitzen stark negative Anteile => Auch die Filter der Kamera müssten negative Transsmissionsgrade besitzen
    • technisch ist das nicht möglich
  • es bleibt also nur die Möglichkeit die notwendigen Parameter zur Ansteuerung des Monitors aus positive one-peak Kurven zu berechnen

Subtraktive Farbmischung

  • Die Subtraktive Farbmischung lässt sich auf die Multiplikation der Transmissionsgrade zurückführen (ein Filter lässt 50% rotes licht durch, wenn man zwei dieser Filter hintereinander legt, dann geht nur noch 25% rotes Licht durch die Anordnung (0.5*0.5 = 0.25) )
  • wenn die Transmission eines Filters für die normierte Dicke 1 und die normiert Dichte 1 ist dann kann man
    • mit dem Lambertschen Absorbtionsgesetzt die Absortption von dickern/düneren Material berechnen
      • w ... Dicke des Materials im Verhältnis zum norm Material
    • mit dem Beerschen Gesetz die Transmission von Meterial mit anderer Dichte berechnen
      • c... Das Verhältnis der neuen zur alten Dichte
    • kann man auch kombinieren zu (Lambert-Beersches Gesetz)
  • Da sich die Transmission Multiplikativ zusammensetzt wird auch gerne mit dem logarithmus der Transmission gerechnet (optische Dichte)
    • Damit vereinfacht sich das Lambert-Beersche gesetz zu:
  • selbstverständlich sind die Transmission und die optische Dichte D von der Wellenlänge abhänig ... zur Übersichtlichkeit wurde das in den Formeln nur weggelassen
  • Bei einem Papierbild kommt zu dem Filter noch die Reflexion an der Farboberfläche und an der Papieroberfläche
    • Beachte das Licht was an der erste Schicht wegreflektiert wird kann icht tiefer eindringen. Nur noch dringt an Licht durch den ersten Filter!
      • ... Remmisionsgrad der ersten Farbe
      • ... Spektrale Verteilung der Lichtquelle

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)