22.03.2016 Licht Farbwahrnehmung Farbmodelle Farben bei der Bildgenerierung Licht fällt ins Auge Thomas Jung [email protected] Farbwahrnehmung ist subjektiv Unterschiedliche Farbmodelle nach Anwendungsbereich Farbe ist grundlegend für die gesamte Computergrafik direkt von einem selbst leuchtenden Objekt (Lichtquelle, Monitor) reflektiert von einer Oberfläche (Materialeigenschaften, Papierausdruck) gebrochen durch eine transparente Oberfläche (Materialeigenschaften, Folie) Farbeindruck Sonnenlicht besteht aus Bündel des Farbspektrums durch Stimulation von Rezeptoren auf der Retina und komplizierte neuronale Weiterverarbeitung Isaac Newton 1643 - 1727 Farbeindruck beim Menschen (Bildquellen Goldstein: Wahrnehmungspsychologie, Wikipedia ) (Bildquellen Goldstein: Wahrnehmungspsychologie, Wikipedia ) 1 22.03.2016 Abbildung der Umwelt Rezeptoren Zapfen in der “Mitte” (Fovea) Stäbchen an der Peripherie “Blinder Fleck” am Ausgang zum Sehnerv Auge Gehirn (Bildquellen: Goldstein, Wahrnehmungspsychologie, Spektrum Akademischer Verlag) (Bildquellen: Goldstein, Wahrnehmungspsychologie, Spektrum Akademischer Verlag) Dunkeladaption Zapfen Erkennen von Details Lesen ! Unterscheidung von ca. 30 Perioden pro Sehwinkel Farbwahrnehmung 3 unterschiedliche Typen Stäbchen Probanden können aus drei Grundfarben vorgegebene Farbe im Spektrum mischen Wahrnehmung geringerer Intensitäten Wahrnehmung von Veränderungen Hermann von Helmholtz, 1797 - 1854 Nicht jedoch aus zwei Grundfarben Schlussfolgerung: Mensch muss drei verschiedene Rezeptortypen besitzen Rezeptortypen werden vom farbigen Licht in unterschiedlichem Maß aktiviert aber welche ? (Bildquelle: Wikipedia) (Bildquellen: Goldstein, Wahrnehmungspsychologie, Spektrum Akademischer Verlag) K: für kurze M: für mittlere L: für lange „Schwarzlicht“ Wellenlängen 200 – 380nm Jede Farbe im Spektrum erzeugt ein Absorptionsmuster (K, M, L) wird vom Gehirn erkannt Unterschiedliche Farbverteilungen können gleichen Farbeindruck verursachen (Metamere) Gelb (580nm) „absorbiert L viel stärker als M“ wirkt wie Mischlicht von Grün (550nm) „absorbiert L stärker als M“ und Rot (610nm) „absorbiert L“ (Bildquellen Goldstein: Wahrnehmungspsychologie, Wikipedia ) 2 22.03.2016 Farbtafel Gleicher Farbeindruck (Absorptionsmuster) nur bei einer Beleuchtungssituation ! Rot/grün und Blau/Gelb sind perzeptuell zu Gegensatzpaar verbunden Nachbilder auf weißem Papier in der Gegenfarbe nach Betrachten einer Farbfläche Mischtöne aus Gegenfarben schwer vorstellbar (Bildquellen: http://www.hubergroup.info/lang/deu/tipdf/19107D.PDF ) Ewald Hering 1834 - 1918 (Bildquellen: vlp.mpiwg-berlin.mpg.de, wikipedia.de ) Mindestens 30 Sekunden konzentriert anschauen, dann Augen 10 Sekunden schlie Künstler: Dimitri Parant Probanden stellen Anteil der vier Grundfarben für per Farbtafel vorgegebene Farbe ein CIEXYZ-Farbmodell Komplementärfarben werden nicht zusammen gemischt !!! (Bildquellen Goldstein: Wahrnehmungspsychologie, Wikipedia ) Elektrischer Impuls entlädt sich im Neuron Nervenfasern leitet bis zur Synapse Chemische Substanz (Neurotransmitter) überwindet synaptischen Spalt Neurotransmitter dockt an passendem Rezeptor an und ändert Spannung Zielneuron wird bzgl. Entladung gehemmt oder erregt (Bildquellen: Goldstein, Wahrnehmungspsychologie, Spektrum Akademischer Verlag) 3 22.03.2016 Neuronaler Schaltkreis zur Farbbestimmung Sonnenlicht bündelt Farbspektrum Auge besitzt 3 Rezeptortypen zur Farbwahrnehmung in der Retina Farben als Absorptionsmuster Metamere erzeugen gleiche Muster Gegenfarben durch besondere neuronale Schaltkreise stimu-liert stimuliert stimu-liert stimuhemmt stimuliert stimu-liert hemmt liertstimuliert stimuliert hemmt hemmt Blau bei K > M + L Rot bei L > M Gelb bei K < M + L Grün bei L < M (Bildquelle Goldstein: Wahrnehmungspsychologie ) CIEXYZ-Modell basierend auf menschlicher Wahrnehmung Computergrafik RGB-Modell HSL-Modell CMYK-Modell für den Druck YUV-Modell für Farbfernsehen CIE: „Internationale Beleuchtungskommission“ Farben gemäß menschlichem Farbwahrnehmungsapparat darstellen Probanden sehen farbig beleuchtete Tafel CIE 1931: Blickfeld 2° CIE 1964: Blickfeld 10° bestimmen Mischverhältnis der drei Primärfarben Rot 700nm; Grün 546,1nm und Blau 453,8nm (regelbare Lichtquellen). Werte werden gemittelt („Normalbeobachter“), Kurven geglättet und normiert (Bildquellen Goldstein: Wahrnehmungspsychologie, Wikipedia ) Keine Primärfarbe erreicht 100% (Bildquellen Wikipedia ) Farbe als Mischung aus X * Rot + Y * Grün + Z * Blau Reine Spektralfarben Da X + Y + Z = 1 gilt, kann Z-Richtung („Helligkeit“) weggelassen werden Nur Farben innerhalb eines Dreiecksausschnitts sind auf dem Bildschirm darstellbar! Auf Linien ausgehend von W gleiche Farbtöne und Komplementärfarben Purpurttöne sind keine Spektralfarben (Bildquellen Wikipedia ) 4 22.03.2016 Delta-Röhre Monitor leuchtet selbst Farbdruck auf Papier: Beleuchtung drei Grundfarben pro Bildpunkt Dreieck meist vier Farbpigmente pro Bildpunkt Reflexion von Licht an Papieroberfläche Farbfolie, Film: Durchleuchtung Raster von Bildpunkten (Rastergrafik) Bildpunkt besteht aus drei nebeneinander liegenden Leuchtpunkten Im Gegensatz zum Papier Durchscheinen des Lichts durch Farbpigmente (Lichtbrechung) z. B. mit den Frequenzen 700nm, 546,1nm und 435,8nm ( Bildquelle: Watt, 3D-Computergrafik ) (Bildquelle: wikipedia.de ) Additive Farbmischung von Rot, Grün und Blau Farbanteil von 0 bis 1 Truecolor: 256 Abstufungen (8 Bit) pro Farbkanal RGB-Tripel sind nicht intuitiv Farbeindruck einer RGB-Farbe hängt ab von Primärvalenzen (Modellvariante) Gerät (Leuchtsubstanzen) Umgebungslicht Weißabgleich Betrachter (Subjektivität) (Bildquelle: wikipedia.de ) LCD-Monitore angepasst [0.3000, 0.6000] [0.3127, 0.3290] Von HP und Microsoft Primärvalenzen Angelehnt an CRTMonitore von 1996 Gestützt durch PNG, GIMP, W3C, Intel … Größere Ausschnitte bei Adobe-RGB oder ECI-RGB [0.6400, 0.3300] bei gleichen RGB-Tripeln unterschiedliche Farben Leuchtpunkte liegen nebeneinander Relativ kleiner Ausschnitt Monitore verwenden unterschiedliche Leuchtsubstanzen gesättigte Farben mit reduzierter Intensität Zusammenhang von RGB-Wert und Lichtintensität ist nichtlinear Imonitor = K * Iγ Gamma-Korrektur: Gamma möglichst 1/Y I´ = I 1/γ Imonitor = K * (I 1/γ) Y Gamma von TV: 1,6 über Mac: 1,8 bis PC: 2,2 [0.1500, 0.0600] (Bildquelle: wikipedia.de ) 5 22.03.2016 Hue (Farbwert), Saturation (Sättigung), Value (Grauwert) Perzeptuelles Farbmodell Äquivalent zum RGB-Modell Ähnliche Modelle HLS, HSB und HSI Geeignet für Fernsehen Y entspricht Luminanz des SWFernsehens Ähnlich zu YIQ-Modell U und V (Chrominanz) können mit geringerer Genauigkeit repräsentiert werden Bildkompression Y = 0,299 * R + 0,587 * G + 0,114 * B U = (B – Y) * 0,493 V = (R – Y) * 0,877 (Bildquelle: wikipedia.de ) (Bildquelle: wikipedia.de ) Cyan Key Yellow Magenta Subtraktive Farbmischung Geeignet für den Druck Theoretisch ist K (Schwarz) auch durch Mischung von C, M und Y möglich, praktisch nicht Mit Helligkeiten und Sättigungen kann man bis zu 20.000 Farben (z. B. auf Monitor oder Foto) unterscheiden TrueColor ist ausreichend Das Auge kann jedoch Kontraste in einem Verhältnis von 1 zu 10.000 erfassen Durch Hell-/Dunkeladaption insgesamt 1 zu 1 Milliarde HDR-Farben haben mehr als 256 Abstufungen pro Farbkanal mindestens aber beim Intensitätswert HDR-Kameras und HDR-Displays sind in Entwicklung CMYK Licht als Spektrum Reflexion ebenso Reflektiertes Spektrum u. a. anhand Einfallswinkel In der Computergrafik in der Regel Repräsentation durch drei Abtastpunkte für R G B Unterabtastung ( Bildquellen: Wikipedia ) Mensch kann ca. nur 200 Farbtöne (aus dem Farbspektrum) unterscheiden CIE-Normvalenzsystem (Farbtafel) entspricht menschlicher Wahrnehmung RGB-Modell u. a. für Bildschirme HSV-Modell zur intuitiven Farbeinstellung YUV-Modell fürs Fernsehen CMYK-Modell für den Vierfarbdruck Beleuchtung in der Computergrafik mit RGBModell Reflexionsspektren in Prozenten von Referenzweiß für ausgewählte Gelbpigmente, nach Abney, 1891 6
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