Grundlagen der Farbbildverarbeitung
Version vom 25. Februar 2008, 19:18 Uhr von Sonne (Diskussion | Beiträge) (→Farbmessung (GF 1 - 11))
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:
- Formen und Strukturen konkurrieren mit Farben (White'sche Illusion)
Subjektive Farben:
- durch Bewegung ist es möglich Farben zu erzeugen die ursprünglich nicht vorhanden waren (Drehwurm in Farbe)
Farbwahrnehmung beim Menschen
[...]
Rezeptive Wahrnehmung
[...]
Postrezeptive Wahrnehmung
[...]
Kortikale Kodierung
[...]
Die Ordnung in der Welt der Farben
[...]
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
- 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
- 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.
Dreibereichsverfahren
[...]
Spektralmaskenverfahren
[...]
Klassifikation von Messaufgaben (GF 82 - 86)
- 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
- 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
- absolute Farbmessung
- d.h. Ermittlung der korrekten Farbvalenz unter beliebigen Messbedingungen
- Spektralwertkurven müssen realisiert werden
- 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