Computergraphik Grundlagen II. Licht und Farbe Prof. Stefan Schlechtweg-Dorendorf Hochschule Anhalt Fachbereich Informatik
Computergraphik Grundlagen
II. Licht und Farbe
Prof. Stefan Schlechtweg-Dorendorf Hochschule Anhalt
Fachbereich Informatik
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Inhalt Lernziele
1. Physikalische Grundlagen Was ist Licht?
Photometrie
Spektrale Leistungsverteilung
2. Farbwahrnehmung des Menschen Tristimulus-Theorie
Metamere
Zusammenfassung
3. Farbspezifikation und Farbräume Farbmodelle
Colorimetrie
CIE-Farbspezifikation
Farbtemperatur
RGB-Modell
CMY-Modell
YIQ-Modell
HSV-Modell
HLS-Modell
Andere Farbmodelle
Interaktive Farbspezifikation
4. Effekte bei der Farbwahrnehmung
5. Zusammenfassung
grundlegenden physikalischen Eigenschaften des Lichts kennen
Grundgrößen und Zusammenhänge der Photometrie kennen
Aufbau und Funktion des menschlichen Auges erklären können
Ablauf der visuellen Wahrnehmung verstehen
wissen, was Farben sind
Farbmodelle kennen und anwenden können
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1. Physikalische Grundlagen 1.1. Was ist Licht?
Was ist Licht? Licht breitet sich sehr schnell in alle Richtungen aus. Es wird an Oberflächen reflektiert und teilweise gebrochen bzw. von strahlenden Oberflächen emittiert.
sichtbarer Teil des elektromagnetischen Spektrums
Wellenlängenbereich des sichtbaren Lichts von 380 bis 780 nm
Frequenz des sichtbaren Lichtes entsprechend: um 1015 Hz
Lichtgeschwindigkeit ca. 300.000 km/s
sichtbares Licht besteht aus Wellen unterschiedlicher Längen unterschiedliche Farben
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1. Physikalische Grundlagen 1.2. Photometrie
vergleichende Messung der sichtbaren Strahlung
Teilgebiet der Radiometrie
teilweise gleiche Größen aber anders bezeichnet
Grundgrößen der Photometrie: Lichtstrom (Strahlungsleistung, Strahlungsfluß)
Lichtmenge/Lichtarbeit (Strahlungsenergie, Strahlungsarbeit)
Lichtstärke
Leuchtdichte
Beleuchtungsstärke (Bestrahlungsstärke)
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1. Physikalische Grundlagen 1.2. Photometrie
Lichtstrom von einer Lichtquelle in den Raum frei ausgestrahlte Lichtmenge
Maßeinheit: Lumen lm
Strahlungsleistung einer Lichtquelle, die nach der spektralen Empfindlichkeit des menschlichen Auges bewertet wurde fotometrische Entsprechung zur Strahlungsleistung (auch: Strahlungsfluss, Einheit: Watt) der Radiometrie
Lichtmenge (Lichtarbeit) Q Höhe des Lichtstromes über einen bestimmten Zeitraum
Maßeinheit: Lumensekunde lms äquivalent zur Strahlungsenergie bzw. Strahlungsarbeit in der Radiometrie
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1. Physikalische Grundlagen 1.2. Photometrie
Lichtstärke Iv
Maß für die Lichtausstrahlung in eine bestimmte Richtung
Maßeinheit: Candela cd
Eine monochromatische Lichtquelle der Frequenz 540 · 1012 Hz (grüngelbes Licht), die mit einer Leistung von 1/683 W pro Raumwinkel strahlt, hat die Lichtstärke von 1 cd.
Leuchtdichte L die von einer Flächeneinheit abgegebene Lichtstärke
Maßeinheit: cd/m2
unabhängig von Entfernung des Beobachters
wird als Helligkeit wahrgenommen Quelle: Osram
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1. Physikalische Grundlagen 1.2. Photometrie
Beleuchtungsstärke E beschreibt Helligkeit einer Fläche
Maß für das auf ein Flächenstück auftreffende Licht
Maßeinheit: Lux lx
Ein Lux wird erreicht, wenn eine Fläche von 1m2 mit dem Lichtstrom von 1 lm bestrahlt wird.
nimmt mit Entfernung der Lichtquelle quadratisch ab
Die Beleuchtungsstärke ist eine reine Empfängergröße
Quelle: http://www.hbernstaedt.de/KnowHow/Licht/Formel.htm
Quelle: Osram
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1. Physikalische Grundlagen 1.2. Photometrie
Lichtquelle Beleuchtungsstärke in lx Direktes Sonnenlicht 25.000 bis 110.000 Tageslicht 2.000 bis 27.000 Schatten (an sonnigem Tag) 10.000 Dämmerung 1 bis 10 Bürobeleuchtung 400 bis 600 Wohnräume 40 bis 80 Mondlicht 0,01 bis 0,1 Sternenhimmel 0,0001 bis 0,001
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1. Physikalische Grundlagen 1.3. Spektrale Leistungsverteilung
Beschreiben sichtbares Licht als Funktion:
Energie in Abhängigkeit von der Wellenlänge
Spectral Power Distribution (spektrale Strahlungsverteilung
Im Prinzip: Mix aus Licht in verschiedenen Wellenlängen Zusammensetzung wird als Farbe erkannt
Quelle: Stone A Field Guide to Digital Color
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Leistungsverteilung gibt Energie an Je höher, um so heller das Licht Abbildung: gleiche Farbe in unterschiedlicher Helligkeit
Fläche unter der Kurve ist ein Maß für die Helligkeit: Intensität
Quelle: Stone A Field Guide to Digital Color
1. Physikalische Grundlagen 1.2. Spektrale Leistungsverteilung
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Spektrale Leistungsverteilungen mit nur einer einzigen Wellenlänge: intensives einfarbiges Licht (Laser)
Spektrale Leistungsverteilungen mit allen Farben in gleicher Energie: weiß (kommt in der Natur kaum vor, wird aber in der CG oft genutzt)
Quelle: Stone A Field Guide to Digital Color Quelle: Stone A Field Guide to Digital Color
1. Physikalische Grundlagen 1.2. Spektrale Leistungsverteilung
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Farbe eines Objektes wird durch zwei Spektren bestimmt: die Reflexionscharakteristik der Oberfläche des Objektes
das einfallende Licht
Das heißt: Objekte sehen bei unterschiedlicher Beleuchtung unterschiedlich aus
Quelle: Stone A Field Guide to Digital Color
1. Physikalische Grundlagen 1.2. Spektrale Leistungsverteilung
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2. Farbwahrnehmung des Menschen
Das menschliche Auge besitzt lichtsensitive Zellen in der Retina: Stäbchen und Zapfen:
Stäbchen als Sensoren für Helligkeit,
Zapfen als Sensoren für Farbe. Höchste Dichte in der Fovea centralis (Durchmesser: 4 )
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2. Farbwahrnehmung des Menschen 2.1. Tristimulus Theorie
Photorezeptorzellen wandeln Lichtimpulse in elektrische Impulse um
Stäbchenzellen: Hell-Dunkel
498 nm
Zapfenzellen Farbe
3 Empfindlichkeiten
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Perzeptionsorientierte Farbmodelle: Gleiche Abstände im Farbraum korrespondieren zu (etwa) gleichen Abständen in der Farbwahrnehmung. Nutzung von physiologischen Größen: Farbton, -sättigung, -helligkeit Beispiele: HLS- und HSV-Modell
Hardwareorientierte Modelle sind unerlässlich; perzeptionsorientierte für die Farbeingabe wünschenswert Transformation notwendig.
3. Farbspezifikation und Farbräume 3.1. Farbräume und Farbmodelle
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2. Farbwahrnehmung des Menschen 2.1. Tristimulus Theorie
Zapfen haben unterschiedliche Sensitivitäten für Rot, Grün und Blau.
Alle anderen sichtbaren Farben können aus diesen drei Grundfarben gemischt werden
Gesehene Farbe: Produkt des Eingangssignals mit der Antwortfunktion der Sehzellen, nicht das Spektrum alleine
Quelle: Stone A Field Guide to Digital Color
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2. Farbwahrnehmung des Menschen 2.2. Metamere
Gesehene Farbe: Produkt des Eingangssignals mit der Antwortfunktion der Sehzellen, nicht das Spektrum alleine
Eingangssignals durch die Sehzellen statt: Das Signal wird durch die gewichtete Summe der drei Antwortkurven kodiert.
unterschiedliche spektrale Zusammensetzungen des Lichts können den gleichen Farbeindruck hervorrufen: metamere Farbgleichheit.
erzeugt also unterschiedliche Farbe Grundlage der Colorimetrie oder
Farbmessung
Quelle: Stone A Field Guide to Digital Color
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2. Farbwahrnehmung des Menschen 2.3. Zusammenfassung
Ausgangspunkt: Wellentheorie des Lichtes Farbwahrnehmung elektromagnetischer Strahlung Lichtwahrnehmung in zwei Schritten: 1. Reizaufnahme durch Rezeptoren auf der Retina
Stäbchen: für Schwarz-Weiß-Sehen auch bei geringer 120 Millionen) Zapfen:
2. Verarbeitung der Reize in mehreren Stufen (Kontrastverstärkung am Ausgang der Retina, mentale Integration der Impulse beider Augen, Interpretation im visuellen Kortex des Gehirns)
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Farbraum:
mathematischen Konstruktion
In einem Farbsystem werden die Menge der jeweils betrachteten Farben erfaßt
Farbmodell: Beziehung des mathematisch gefassten Farbraumes zur Realität
Farbmodell beschreibt daher den Farbraum, der von einem Eingabegerät (Sehsinn, Fotoapparat, Scanner) oder einem Ausgabegerät ( Bildschirm, Fotografie, Drucker) unter spezifischen Bedingungen erkannt bzw. dargestellt werden kann
3. Farbspezifikation und Farbräume 3.1. Farbräume und Farbmodelle
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Hardwareorientierte Farbmodelle Motiviert durch die Charakteristika von Ausgabegeräten.
Beispiele: (additiv) RGB- und (subtraktiv) CMY-Modell
RGB: Additives Farbmodell, bei dem Farben als Linearkombination ihres Rot, Grün, Blau-Anteils beschrieben werden. Genutzt für Ansteuerung von Monitoren. CMY: Subtraktives Farbmodell, bei dem Farben als Linearkombination ihres Cyan, Magenta, Yellow-Anteils beschrieben werden. Genutzt für Ansteuerung von Druckern.
Beim Druck: Hinzunahme von reinem Schwarz.
3. Farbspezifikation und Farbräume 3.1. Farbräume und Farbmodelle
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3. Farbspezifikation und Farbräume 3.2. Colorimerie
versucht, das visuelle Ergebnis der Farbbetrachtung oder eines Farbvergleichs zahlenmäßig darzustellen = Farbmessung
Ergebnisse werden verwendet, um Basisfunktionen zu bestimmen, mit denen dann jedes Spektrum ähnlich der Antwortfunktionen des Auges kodiert werden kann
Basis: Farbvergleiche drei Grundfarben auswählen
Kombination der Grundfarben (Variation der Intensitäten) bis der gleiche Farbeindruck erzeugt wird, der von einer Referenzfarbe (Primärfarben, etc.) erzeugt wird
Beschreibung der Referenzfarbe durch die drei Grundfarben als
Jede Farbe kann durch drei Grundfarben beschrieben werden
Probleme dabei:
Beschreibung
Beschreibung gilt nur unter den Licht- und Reflexionsbedingungen, unter denen das Experiment durchgeführt wurde
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3. Farbspezifikation und Farbräume 3.3. CIE-Farbspezifikation
1931: CIE (Commission Internationale de l'Eclairage)
Festlegung standardisierter Grundfarben X, Y und Z keine realen Farben
Alle realen Farben können als positive Kombination dieser drei Grundfarben dargestellt werden.
Festlegung dazugehöriger Color Matching-Funktionen x, y und z, so daß es für jede monochromatische Farbe c möglich ist, eine Beziehung der Form c( ) = x( )X + y( )Y + z( )Z
aufzustellen Werte von x, y und z sind immer positiv
y wurde so gewählt, daß es der Intensi- tät des Lichtes ent- spricht
Quelle: Wikipedia
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3. Farbspezifikation und Farbräume 3.3. CIE-Farbspezifikation
Üblicherweise wird mit normalisierten Werten gearbeitet, also:
weiterhin ist damit
übliche Darstellung im CIE Chromaticity Diagram:
)()()()()(
zyxxx
)()()()()(
zyxyy
)()()()()(
zyxzz
1)()()( zyx
))(),(()( yxsQuelle: Wikipedia
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3. Farbspezifikation und Farbräume 3.3. CIE-Farbspezifikation
Innerhalb der Hufeisenkuve: alle sichtbaren Farben
Außerhalb: kein sichtbares Licht
Punkt im Diagramm entspricht einer Farbe unabhängig von ihrer Helligkeit
Metamere fallen auf den gleichen Punkt
monochromatische Farben liegen am Rand
Mischfarben zwischen zwei monochromatischen Farben liegen auf der Verbindungslinie (Farbe ist additiv)
Je näher ein Punkt am Rand, um so gesättigter ist die Farbe
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3. Farbspezifikation und Farbräume 3.3. CIE-Farbspezifikation
Auf einer Linie von eine Referenz-Weißpunkt in der Mitte nach außen liegen Farben mit gleichem Farbton
Black body curve: Farben, die durch Erhitzen eines schwarzen Körpers bei unterschiedlicher Temperatur erzeugt werden
Farbgammut: Alle Farben, die z.B. ein Monitor erzeugen kann alle Farben im Inneren eines
Dreiecks mit den drei Grundfarben des Monitors als Ecken
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3. Farbspezifikation und Farbräume 3.3. CIE-Farbspezifikation
Farbräume lassen sich wie Gammuts bestimmen und umfassen jeweils einen Teil der insgesamt darstellbaren Farben
Farbmodell (andere Definition): Spezifikation eines 3D-Koordinaten-systems und einer Unter-menge davon, in der alle sichtbaren Farben eines bestimmten Farbbereiches (Gammut) liegen.
Quelle: Wikipedia
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3. Farbspezifikation und Farbräume 3.4. Farbtemperatur
Maß für den Farbeindruck einer Lichtquelle
Temperatur, auf die man einen Schwarzen Körper aufheizen müsste, damit er Licht der gleichen Farbe abgibt
dessen spektrale Zusammensetzung eine Funktion der Temperatur ist und stellen eine ideale thermische Strahlungsquelle dar
internationale Norm für mittleres Sonnenlicht (vor- beziehungsweise nachmittags): 5.500 Kelvin
Aufnahmegeräte müssen auf Farbtemperatur des aufzunehmenden Motivs eingestellt werden: Weißabgleich
Das menschliche Gehirn kann unterschiedliche Farbtemperaturen ohne eine zweite Lichtquelle zum Vergleich nicht objektiv beurteilen, da es den Weißabgleich in Form der chromatischen Adaption von allein durchführt.
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3. Farbspezifikation und Farbräume 3.4. Farbtemperatur
Beschreibung der Farbe durch die Temperatur 1200 K: Kerzenlicht 2800 K: Tungsten-Lampe (Glühlampe), Sonnenauf-/-untergang 3000 K: Studio- und Photolampen 5000 K: Blitzlicht, Tageslich. Standard für Photographie 6000 K: helle Mittagssonne 7000 K: leicht bedeckter Himmel 8000 K: dunstig 10000 K: wolkenverhangener Himmel
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3. Farbspezifikation und Farbräume 3.5. RGB-Modell
Beschreibt die Mischung verschiedener Wellenlängen des Lichts, um Farberscheinungen hervorzurufen
Drei Grundfarben: Rot R, Grün G und Blau B
Additive Mischung
Mischen (RGB ) um andere Farben zu erzeugen
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3. Farbspezifikation und Farbräume 3.5. RGB-Modell
Farbphotographie mit S/W-Film Drei Bilder des gleichen Subjekts jeweils mit Farbfilter aufgenommen Projektion der Bilder auf eine Leinwand mit drei Projektoren, jeder mit dem gleichen Farbfilter, mit dem das entsprechende Bild aufgenommen wurde
James Clerk Maxwell (1831-1879)
Quelle: http://en.wikipedia.org/wiki/Additive_color
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3. Farbspezifikation und Farbräume 3.6. CMY-Modell
Gegenteil der additiven Farbmischung
Erklärt die Farbmischung mit Tinten bzw.
absorbieren und andere reflektieren
Drei Grundfarben: Cyan C, Magenta M, and Yellow Y
Mischen CMY um andere Farben zu erzeugen
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Subtraktive Farben: Farben werden dadurch spezifiziert, wieviel von weiß subtrahiert wird, nicht dadurch, wieviel zu schwarz hinzugefügt wird
-G -B
-R -R -B
G
-R -G -B
3. Farbspezifikation und Farbräume 3.6. CMY-Modell
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3. Farbspezifikation und Farbräume 3.6. CMY-Modell
Farbauszüge cyan (C), magenta (M), yellow (Y)
black (K), cyan + magenta (CM), cyan+magenta+yellow (CMY)
CMYK
Quelle: Wikipedia
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Konvertierung: RGB CMY
Magenta
Red
Yellow Green
Cyan
Blue
Black
(minus green)
(minus blue)
(minus red)
echtes (schwarz) black
C M Y K
Vierfarbdruck
3. Farbspezifikation und Farbräume 3.6. CMY-Modell
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3. Farbspezifikation und Farbräume 3.7. YIQ-Modell
Grundlage des amerikanischen Farbfernsehens (NTSC)
Trennung von Helligkeits- und Farbsignal: Y für Luminanz (Helligkeit)
I und Q für Chrominanz (Farbe)
Konvertierung von und zu RGB
aus erster Gleichung folgt, daß Y = 0.299R + 0.587G + 0.114B und da Y die Luminanz ist, ergibt dies eine Technik zur Umwandlung eines Farbbildes in ein Grauwertbild
sonst YIQ nur noch von historischem Interesse
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Hue / Saturation / Value
Hue Farbton als Farbwinkel auf dem Farbkreis (0° = Rot, 120° = Grün, 240° = Blau)
Saturation Sättigung in Prozent (0% = Neutralgrau, 50% = wenig gesättigte Farbe, 100% = gesättigte, reine Farbe)
Value Helligkeit (Dunkelstufe) als Prozentwert (0% = keine Helligkeit, 100% = volle Helligkeit)
Beispiel: gesättigtes dunkelblau:
H = 240, S = 1, V = 0.3.
3. Farbspezifikation und Farbräume 3.8. HSV-Modell
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Konvertierung: RGB HSV
http://en.wikipedia.org/wiki/HSV_color_space
3. Farbspezifikation und Farbräume 3.8. HSV-Modell
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Konvertierung: HSV RGB
http://en.wikipedia.org/wiki/HSV_color_space
3. Farbspezifikation und Farbräume 3.8. HSV-Modell
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Hue/ Lightness /Saturation
abgeleitet vom HSV-Modell
Strategie von Malern: nimm reines Pigment (H), Weiß dazu (S), Schwarz dazu (1-L)
Komponenten nicht unabhängig voneinander
Graustufen: S = 0 wie beil HSV
Voll gesättigte Farben:
L = 0.5, S = 1
3. Farbspezifikation und Farbräume 3.9. HLS-Modell
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Konvertierung: RGB HLS
3. Farbspezifikation und Farbräume 3.9. HLS-Modell
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Konvertierung: HLS RGB
3. Farbspezifikation und Farbräume 3.9. HLS-Modell
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3. Farbspezifikation und Farbräume 3.10. Andere Farbmodelle
basierend auf direktem visuellen Vergleich einer Farbe mit Referenzfarben häufig eingesetzt in der Drucktechnik (Farbmusterbücher, -tabellen) verschiedene Systeme
PANTONE Munsell DuPont
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3. Farbspezifikation und Farbräume 3.11. Interaktive Farbspezifikation
Auswahl aus einem Menü (Palette) nur sinnvoll bei geringer Farbanzahl
Farben auf kleinen Flächen schwer zu erkennen
-
mehrdeutig und subjektiv
Abhilfe: Color Naming Scheme (CNS, international standardisiert).
Koordinatenangaben in einem Farbraum
textuell, Slider
Interaktion mit graphischer Darstellung des Farbmodells
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Die blaue und rote Farbe in beiden Bildern ist exakt identisch!
4. Effekte bei der Farbwahrnehmung
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5. Zusammenfassung
Perzeptionsorientierte Farbmodelle für Benutzereingaben und Gestaltung von Farbskalen
Hardwareorientierte Farbmodelle für die Ansteuerung von Ausgabegeräten
Farbwahrnehmung Empfindlichkeit für Farbunterschiede in den Bereichen Gelb, Rot und Grün