Farbanpassungsfunktion: Spektrale Empfindlichkeit in Computer Vision verstehen

Von Fouad Sabry

Was ist die Farbanpassungsfunktion?

Die 1931 von der CIE festgelegten Farbräume sind die ersten quantitativen Beziehungen, die zwischen der Verteilung der Wellenlängen im elektromagnetischen sichtbaren Spektrum und den Farben beschrieben wurden, die der Mensch physiologisch in seinem Farbsehen wahrnimmt. Wenn es um das Farbmanagement geht, sind die mathematischen Beziehungen, die diese Farbräume definieren, wichtige Werkzeuge. Dies gilt insbesondere beim Arbeiten mit Farbtinten, beleuchteten Displays und Aufnahmegeräten wie Digitalkameras. Im Jahr 1931 war die „Commission Internationale de l'éclairage“, was ins Englische übersetzt „International Commission on Illumination“ heißt, die Organisation, die für den Entwurf des Systems verantwortlich war.

Wie Sie davon profitieren

(I) Erkenntnisse und Validierungen zu den folgenden Themen:

Kapitel 1: CIE 1931-Farbraum

Kapitel 2: Lichtausbeutefunktion

Kapitel 3: Farbbalance

Kapitel 4: Planckscher Ort

Kapitel 5: Standardreferenzmethode

Kapitel 6: Relative Leuchtdichte

Kapitel 7: CIECAM02

Kapitel 8: Standardlichtart

Kapitel 9: CIE 1960-Farbraum

Kapitel 10: OSA-UCS

(II) Beantwortung der häufigsten öffentlichen Fragen zur Farbanpassungsfunktion.

(III) Beispiele aus der Praxis für die Verwendung der Farbanpassungsfunktion in vielen Bereichen.

Für wen dieses Buch ist

Fachleute, Studenten und Doktoranden, Enthusiasten, Bastler und diejenigen, die über grundlegende Kenntnisse oder Informationen für jede Art von Farbanpassungsfunktion hinausgehen möchten.

• Sprache: Deutsch
• Herausgeber: Eine Milliarde Sachkundig [German]
• Erscheinungsdatum: 30. Apr. 2024

Buchvorschau

Kapitel 1: CIE 1931 Farbraum

Die CIE 1931-Farbräume liefern erstmals quantifizierbare Verbindungen zwischen den verschiedenen Wellenlängenverteilungen im sichtbaren elektromagnetischen Spektrum, Farben, wie sie bei der menschlichen Farbwahrnehmung biologisch verarbeitet werden.

Das Farbmanagement hängt stark von den mathematischen Beziehungen ab, die diese Farbräume definieren, farbige Tinten sind für den Umgang mit beleuchteten Displays und Videoaufnahmewerkzeugen wie Digitalkameras von entscheidender Bedeutung.

Das System wurde 1931 von der Commission Internationale de l'éclairage entworfen, der Internationalen Kommission für Illumination, wie sie im Englischen allgemein genannt wird.

Sowohl der CIE 1931 RGB-Farbraum als auch der CIE 1931 XYZ-Farbraum wurden 1931 von der CIE entwickelt. Der CIE-XYZ-Farbraum wurde aus dem CIE-RGB-Farbraum entwickelt, der anhand einer Kombination von experimentellen Daten spezifiziert wurde.

Sowohl die Farbräume CIE 1931 als auch CIELUV 1976 werden immer noch häufig verwendet.

In einem gesunden menschlichen Auge gibt es drei Arten von lichtempfindlichen Zapfenzellen, die jeweils eine unterschiedliche spektrale Spitzenempfindlichkeit aufweisen: kurz (S), Mitte (M) und lang (L) (560 nm - 580 nm). Zapfenzellen sind für die menschliche Farbwahrnehmung bei starkem Licht verantwortlich; Bei schlechten Lichtverhältnissen werden die monochromatischen Nachtsicht-Rezeptoren mit geringer Helligkeit aktiviert, die als Stäbchenzellen bekannt sind. So kann die gesamte menschliche Farbwahrnehmung im Prinzip durch eine Reihe von drei Parametern beschrieben werden, die den Reizniveaus der drei Arten von Zapfenzellen entsprechen. Eine Tristimulus-Spezifikation der objektiven Farbe des Lichtspektrums wird gebildet, indem ein Gesamtlichtleistungsspektrum durch die unterschiedlichen spektralen Empfindlichkeiten der drei Arten von Zapfenzellen gewichtet wird, wodurch drei effektive Stimuluswerte erhalten werden. Der LMS-Farbraum ist eine dreidimensionale Darstellung der drei Parameter S, M und L und ist nur einer von vielen Farbräumen, die zur Quantifizierung der menschlichen Farbwahrnehmung entwickelt wurden.

Im Gegensatz zum LMS-Farbraum, der durch die Spektralempfindlichkeiten der Zapfenzellen entsteht, bildet ein Farbraum eine Vielzahl physikalisch erzeugter Farben aus Mischlicht, Pigmenten usw. auf eine objektive Beschreibung der im menschlichen Auge registrierten Farbempfindungen ab. In einem trichromatischen, additiven Farbmodell können die Tristimuluswerte eines Farbraums als Proportionen der drei Primärfarbtöne betrachtet werden. Einige Farbräume, wie LMS und XYZ, verwenden Primärfarben, die keine echten Farben sind, da sie nicht mit einem bestimmten Satz von Wellenlängen des Lichts erzeugt werden können.

Alle Farbwahrnehmungen, die dem normalen menschlichen Auge zugänglich sind, sind im CIE XYZ-Farbraum enthalten. Aus diesem Grund funktioniert der CIE XYZ-Farbraum (Tristimulus-Werte) plattformübergreifend. Viele weitere Farbräume sind in Bezug darauf als Standard definiert. Physikalisch erzeugte Lichtspektren werden mit einer Reihe von Farbanpassungsfunktionen an bestimmte Tristimuluswerte angepasst, die den spektralen Empfindlichkeitskurven des LMS-Farbraums ähneln, aber nicht auf nicht-negative Empfindlichkeiten beschränkt sind.

Zunächst werfen wir einen Blick auf zwei Lichtquellen, die beide Licht emittieren, aber jeweils eine einzigartige Kombination von Wellenlängen emittieren. Das Phänomen, bei dem verschiedenfarbige Lichter den gleichen Farbton zu haben scheinen, wird als Metamerie bezeichnet. Unabhängig von ihrer spektralen Leistungsverteilung erscheinen Lichtquellen, die die gleichen Tristimuluswerte erzeugen, dem Betrachter als die gleiche Farbe.

Alle drei Arten von Zapfenzellen werden durch die meisten Wellenlängen stimuliert, da sich ihre spektralen Empfindlichkeitskurven überlappen. Daher gibt es einige Tristimulus-Werte, die in der Natur niemals auftreten können, wie z. B. LMS-Tristimulus-Werte, bei denen die M-Komponente ungleich Null ist, aber die L- und S-Komponenten beide Null sind. Die Farbigkeit reiner Spektralfarben liegt außerhalb des Farbdreiecks, das durch die Grundfarben definiert ist, so dass dies in jedem herkömmlichen trichromatischen additiven Farbraum, wie z. B. den RGB-Farbräumen, negative Werte für mindestens einen der drei Primärfarben anzeigen würde. Imaginäre Primärfarben und Farbanpassungsfunktionen wurden entwickelt, um die Notwendigkeit negativer RGB-Werte loszuwerden und eine einzige Komponente die wahrgenommene Helligkeit erklären zu lassen. Die resultierenden Tristimuluswerte werden durch die Buchstaben X, Y und Z in dem von der CIE 1931 definierten Farbraum symbolisiert. Alle nicht negativen X-, Y- und Z-Koordinatenkombinationen sind sinnvoll. Viele der primären Positionen, wie z. B. [1, 0, 0], [0, 1, 0] und [0, 0, 1], entsprechen jedoch imaginären Farben außerhalb des Raums möglicher LMS-Koordinaten. Farben, die sich nicht auf eine spektrale Verteilung von Wellenlängen abbilden, sind nicht real.

Nach der Norm CIE 1931  ist die Luminanz, die mit Y bezeichnet wird, ähnlich wie Blau der Buchstabe Z. (von CIE RGB), und X ist eine Mischung aus den drei CIE RGB-Kurven, die als nichtnegativ ausgewählt wurden (siehe § Definition des CIE XYZ-Farbraums).

Der praktische Effekt der Benennung von Y als Helligkeit besteht darin, dass für jeden beliebigen Wert von Y alle Farbtöne, die auf dieser Lichtebene erreicht werden können, auf der XZ-Ebene dargestellt werden.

Es ist üblich, die maximale Weißintensität eines Farbdisplays nach dem Zufallsprinzip auf Y = 1 oder Y = 100 festzulegen,