BildtechnologieII

Bildtechnologie II
Bildtechnologie II
Inhaltsverzeichnis
Digitale Fotographie ..................................................................................................................... 3
Warum digitale Kameras ..................................................................................................................... 3
Typen digitaler Kameras ...................................................................................................................... 3
Wie funktionieren digitale Kameras .................................................................................................... 3
Spiegelreflex: ................................................................................................................................... 3
Von der Linse zum Bildsensor.......................................................................................................... 4
Optik .................................................................................................................................................... 4
Definition von Linsen: Brennweite, Gegenstandsweite, Bildweite ................................................. 4
Schärfentiefe ................................................................................................................................... 5
Hyperfokale Distanz ........................................................................................................................ 5
Blende & Verschluss ........................................................................................................................ 6
Brennweiten .................................................................................................................................... 6
Perspektiven .................................................................................................................................... 6
Unterschied Fotografie – Betrachtung von Auge ............................................................................ 6
CCD .............................................................................................................................................. 7
Wie arbeitet der Sensor ...................................................................................................................... 7
Der Photoeffekt ................................................................................................................................... 7
Spektrale Empfindlichkeit................................................................................................................ 8
Wie wird Licht dektektiert? ............................................................................................................. 8
Farbsensoren ................................................................................................................................... 9
Farbwiedergabe................................................................................................................................... 9
Weisspunkt ...................................................................................................................................... 9
Interpolation.................................................................................................................................... 9
Qualitätskriterien von Bildsensoren .................................................................................................. 10
Auflösung....................................................................................................................................... 10
Dynamik ......................................................................................................................................... 10
Rauschen ....................................................................................................................................... 10
Empfindlichkeit .............................................................................................................................. 11
Pixelgrösse & Optik ........................................................................................................................... 11
Huygen-Fresnel.............................................................................................................................. 11
Wirkung einer Blende .................................................................................................................... 11
1
Bildtechnologie II
Farbe I........................................................................................................................................ 12
Farbeigenschaften ............................................................................................................................. 12
Modifizierung des Lichts durch Material ....................................................................................... 12
Spektrale Charakteristiken ............................................................................................................ 13
Goniophotometrie......................................................................................................................... 13
Auge................................................................................................................................................... 14
Visuelles System ............................................................................................................................ 14
3-Farben Theorie ............................................................................................................................... 15
Gegentheorie: Zonen-Theorie ....................................................................................................... 15
Sehfehler ....................................................................................................................................... 15
Farbe II....................................................................................................................................... 16
Empfindungsgemässe Farbeinteilung ............................................................................................... 16
Quantitative Beschreibung der Farbe ............................................................................................... 16
auf physikalischen Farbmustern basierende Farbsysteme ........................................................... 16
auf Wahrnehmung basierende Farbsysteme ................................................................................ 16
CIE-System (Additive Mischung)........................................................................................................ 17
Grassmann’s Gesetzt der additiven Farbmischen (1853).............................................................. 17
Chromazitätsdiagramm ................................................................................................................. 17
Normierung CIE ............................................................................................................................. 18
CIE 1931 („Standart kolorimetrisches System“) ............................................................................ 18
Farbe III...................................................................................................................................... 19
Berechnung von Farbkoordinaten..................................................................................................... 19
Photographie additiver Prozess ........................................................................................................ 19
Farbsysteme: UCS, Uniform Chromaticity Scale, CIE-LAB ................................................................. 20
Empfindungsgemässe Farbsysteme .............................................................................................. 21
Gleichmässige Helligkeitsabstufung .............................................................................................. 21
CIE-LAB .......................................................................................................................................... 21
Farbe IV ..................................................................................................................................... 22
Messen von Farben ........................................................................................................................... 22
Lichtabsorptionsmessung .............................................................................................................. 22
RGB-Berechnungen ........................................................................................................................... 22
Rechenbeispiel: Was ist die Farbe von RGB = 40,140,80 .............................................................. 23
Druck ................................................................................................................................................. 23
Rasterverfahren additiv & subtraktiv ............................................................................................ 23
Neugebauer Modell....................................................................................................................... 23
Farbkonzentration ......................................................................................................................... 23
Appendix: Meilensteile der Fotographie ..................................................................................... 24
2
Bildtechnologie II
Digitale Fotographie
Warum digitale Kameras






Erschwinglichkeit und Bildqualität
Speicher und Duplizieren
Schnelligkeit und Bequemlichkeit
Modifizieren von Farbe und Schärfe
Verbreitung digitaler Bilder
Movie?
Probleme bei analogen Kameras (und Lösungen):
 Falsche Belichtung  Belichtungsmesser
 Ausschnitts-Kontrolle  Spiegelreflex, 2-äugige Reflex
 Schäfre  Entfernungsmesser, Spiegelreflex
 Verwackeln  kurze Verschlusszeiten (hochempfindliche Filme), Bildstabiulisatoren
 Voll-Automatik
Typen digitaler Kameras




ultracompact
compact
„Brigde“
Professional
Wie funktionieren digitale Kameras
Spiegelreflex:
1)
2)
3)
4)
5)
6)
7)
8)
3
Objektiv
Spiegel
Verschluss
Film/Sensor
Mattscheibe
Kondensator / Fresnellinse
Pentaprisma
Okular
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Von der Linse zum Bildsensor
Digital
Die Linsen fokussieren das Abbild auf einem
lichtempfindlichen Computer-Chip (Bildsensor)
Durch eine „microcontroller unit“ wird die ganze
Kamera gesteuert (resp. MUSS gesteuert
werden)
Das „flüchtige“ Bild auf dem Bildsensor muss
permanent auf einem extenrnen Gerät
gespeichert werden. Der Sensor kann wieder
benutzt werden
Silberhalogenid
Die Linsen fokussieren das Abbild auf einem
Lichtempfindlichen Film
Bei modernen Kameras wird die ganze Kamera
durch Elektronik gesteuert (das ist jedoch keine
Notwendigkeit)
Das Bild wird permanent und irreversibel auf
dem Sensor gespeichert (Sensor und Speicher
identisch). Für weitere Aufnahmen muss ein
neuer Sensor benutzt werden (= Film
transportieren)
Die (technische) Bildaqualität wird durch Optik
und Film bestimmt
Die (technische) Bildqualität wird durch Optik
und Sensor bestimmt
Optik
Camera obscura  Licht wird durch dünnes Loch gebündelt
 je dünner das Loch, desto schärfer das Bild
 je dicker das Loch, desto heller das Bild
 Sammellinsen
Definition von Linsen: Brennweite, Gegenstandsweite, Bildweite
Linsengleichung I:
1
𝑓
=
1
𝑔
+
1
𝑏
Linse kann als aus Prismen zusammengesetzt betrachtet werden
4
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Linsengleichung II:
1
𝑓
1
𝑟1
1
𝑟2
= (𝑛 − 1)( − )
(„Linsenmachergleichung“)

innerhalb gewisser Grenzen sind 𝑟1
und 𝑟2 frei wählbar, wenn f konstant ist
Biconvex: Sammellinse, positive Brennweite
Biconkav: Zerstreuungslinse, negative Brennweite
Schärfentiefe

immer nur eine Ebene scharf
Blende offen
Blende zu
Hyperfokale Distanz
Unschärfetoleranz u
Bei Einstellung auf unendlich (b = f), Blende k und Unschärfetoleranz u liegt der nächste, scharf
abgebildete Gegenstand im Abstand h, d.h. in der hyperfokalen Distanz
5
Bildtechnologie II
eingestellt
h
h/2
h/3
h/4
Schärfebereich
∞ - h/2
h – h/3
h/2 – h/4
h/3 – h/5
Blende & Verschluss



Blende: Blendenzahl k (2, 2.8, 4, 5.6, 8, 11, 16, 22)  Faktor 2, √2-Abstufung
 Lichtintensität
 Schärfentiefe
Verschluss
 Verschlusszeit bestimmt, wie lange belichtet wird  bei Film-Fotografie (mechanischer)
Verschluss essentiell
 digitale Fotografie: elektronischer Verschluss, nur professionelle Kameras haben zusätzlich
einen echten mechanischen Verschluss. Blende dient als Lichtschutz
 kein Verschluss  kein Auslösegeräusch. Daher akustisches / optisches Signal bei Digicams
Bei digitalen Kameras kann Blende & Belichtungszeit nur bei professionellen Kameras manuell
eingestellt werden!
Schärfentiefe bei Format-Wechsel:
albierung des Formates  f / u halb so gross
𝑓2
hyperfokale Distanz ℎ = 𝑢𝑘  ℎ(𝑛𝑒𝑢) =
(0.5𝑓)2
(0.5)𝑢𝑘
=
0.5 𝑓2
𝑢𝑘
= 0.5 ℎ(𝑎𝑙𝑡)  Blende 2 Stufen öffnen!
Brennweiten
 Weitwinkel
grosser Ausschnitt
 Normalbrennweiten
 Tele
kleiner Ausschnitt
 Supertele
Normalbrennweite:
normale Sehschärfe, normaler Betrachtungswinkel  Bilckwinkel entspricht in etwa dem Menschen
 35mm Film  50 mm (analog)
 14mm Chip  16 mm (KAF-1600 Sensor)
Regel: je grösser der Sensor, desto besser und desto teurer
Perspektiven



Augenperspektive
Froschperspektive
Vogelperspektive
Unterschied Fotografie – Betrachtung von Auge
Das Auge ist Mischung aus Tele und WW Abrastern und stereoskopisches Sehen im Nahbereich.
In der Photograpghie muss man Objektive wechseln um ähnliche Reultate zu erzielen.
Auge:
 selektioniert Details ohne das Ganze zu verlieren
Photo:

 Tele isoliert Details, verliert Umgebung
 Weitwinkel erfasst alles, Details gehen verloren
Im Nahbereich Normaloptik (50mm) ungünstig. Man müsste bei einem Portrait 50cm Abstand
haben für ein formatfüllendes Bild
6
Bildtechnologie II
CCD
CCD = charge coupled device
Wie arbeitet der Sensor
Filmemulsion
chemisch
 Lichtempfindliche Silberhalogenid-Kristalle
sind in Gelatine eingebettet. Bei der
Belichtung bilden sich mikroskopische
Silbercluster (Bildkeime, latentes Bild). Der
Entwicklungs-prozess verstärkt diese
Bildkeime („Reduktion“ der belichteten
Silberhalogenidkristalle zu Silber) und es
entsteht ein sichtbares Bild.


Jeder Schritt irreversibel
Film dient als Bildspeicher

schnell
Bildsensor
elektronisch
 Der Sensor besteht aus einer Siliziumschicht,
bedeckt mit einem Gitter quadratischer
Elektroden. Durch Anlegen einer Spannung
an die Elektroden werden bei belichteten
Detektoren die durch das Licht freigesetzten
Elekronen („angeregte Photoelektronen“)
angesammelt, es bildet sich eine Ladung.
Diese wird gemessen & in diskrete Zahlen
umgewandelt
 Jeder Schritt reversibel
 Sensor ist kein Bildspeicher, braucht
externes Medium
 langsam, Gesamtprozess 5-10sq
 Auslöseverzögerung, 1-2s
Digitalisierung
1. Rasterung: Auswahl der MEssfenster
2. Messung der physikalischen Grösse
3. Quanitsierung: Umwandlung der analogen Messung in einen Zeichencode
Der Photoeffekt
Trifft ein Photon auf einen Halbleiter, so wird ein gebundenes Elektron in einen energetisch höheren
Zustand angeregt und wird im Kristallgitter frei beweglich.
 Gebundener Zustand Valenzband
 Angeregter Zustand  Leitungsband
Energie eines Photons ist abhängig von der Wellenlänge des Lichtes:
Rot: lange Wellenlänge = Tiefere Energie
Blau: kurze Wellenlänge = Höhere Energie
Dotierungen:
 n-dotiert (Phosphor)
o bewegliche Ladung: Elektronen (Majoritätsladungsträger)
o Gegenladung: positive Phosphor-Ionen (Minoritätsladungsträger)
 u.a. unter Lichteinfall werden die überschüssigen Elektronen ins Leitungsband gebracht
und liefern so Strom
 p-dotiert (Bor)
o bewegliche Ladung: „Löcher“
o Gegenladung: negative Bor-Ionen
 u.a. unter Lichteinfall verhält sich „Loch“ wie ein freibeweglicher positiver Ladungsträger
(im Valenzband) und liefert so Strom. Dabei springt ein Elektron aus einer Atombindung
heraus, füllt ein Loch und hinterlässt ein neues Loch
7
Bildtechnologie II
Spektrale Empfindlichkeit




Charakterisiert das Verhalten in den unterschiedlichen Farbbereichen von Film oder Sensor
Voraussetzung für Farbfotografier: Film/Sensor muss im Rot- Grün- und Blaubereich
empfindlich sein
Die Wellenlänge des Lichts bewirkt immer denselben Effekt auf den Sensor  freie
Elektronen erzeugen
Der Wirkungsgrad von diesem Prozess ist abhängig von der Wellenlänge
Wie wird Licht dektektiert?
Aufbau MOS (Metal Oxid Semiconductor):
Gate, Dielektrikum aus SiO2, halbleitendes Substrat aus p-dotiertem Silizium
 Majoritätsladungsträger = Löcher
Gate Positiv  Tiefe Verarmung in Nähe des
Gates (unstabil!), da freie Ladungsträger
(Löcher) vom Gate weggestossen werden.
Sobald es freie Elektronen hat (
Lichteinstrahlung!), sammeln diese sich beim
Gate und können weitertransportiert werden.
Danach sequentielles Auslesen jeder Zelle.
Wichtig: 1 Lichtquant = 1 Elektron-Lochpaar
 Ladung streng proportional zur Lichtmenge
Gibt 2-4-Phasensysteme (2-4 Kondensatoren
pro Pixel). Bei 2-Phasen System braucht es
verschieden dicke Dielektrikum:
CCD-Shift Register muss von Licht abgeschirmt werden! Verschiedene Methoden:
Frame-Transfer
Interline-Transfer
Kombination Frame – Interline
8
Bildtechnologie II
Device
Frame Transfer
Interline
Pro
Hohe horiz. Auflösung
Chip gross (teuer)
Grosse Pixel (Empf)
Kleiner Chip
Frame-Interline
Geringer Smear
Contra
Chip gross (teuer)
Grosse Pixel (Empf)
Smear
Geringe Apertur (Empf)
Smear, Technologie)
Grosse Chips
Geringe Apertur (Empf)
Technologie
Problem Timing
 Das Auslesen von vielen tausenden Pixel braucht viel Zeit
 Während dem Auslesen kann kein neues Bild aufgenommen werden
 Für Videoanwendung zu langsam
Farbsensoren
Normal: additives Raster mit Streifenfilter, z.B.
RGB oder C,G,Y
C = B+G, Y = R+G , G = Überlagerung aus C,Y
R = Y-G, G = G, B = C –G
Vorteil: Grün in allen Kanälen (visuell wichtig
für Schärfe & Kontrast = Luminanz)
Nachteil: Farbwiedergabe schlechter, mehr
Rauschen (Differenzssignale)
Meist Bayer-Matrix:
Selten: 3 CCD Sensoren und Farbteiler (professionelle Videos)
Farbwiedergabe



Sensor wird mit monochromatischem Licht belichtet
Signalstärke wird entsprechend zur Wellenlänge für die Kanäle R, G und B aufgetragen
Sensor wird nicht für eine bestimmte Lichtart konzipiert  Anpassung durch Weisspunkt
Weisspunkt




Ausgangssignal eines Sensors entspricht der Dauer einer Exposition von Licht einer gewissen
Helligkeit
Ausgangssignal = Integral des Messbereichs des Kanals (R, G oder B)
weisses Licht: R = G = B
Weisspunkt muss im Prinzip immer bei einer Änderung der Lichtquelle (Farbtemparatur)
geändert werden
Interpolation
(Grund: Durch 3 Kanäle Auflösungsverlust: 10 MPixel CFA  2.5 MPixel Color (pro Pixel nur 1 Farbe))
Zu gegebenen diskreten Daten soll eine kontiunierliche Funktion gefunden werden, die diese Daten
abbildet
9
Bildtechnologie II
Qualitätskriterien von Bildsensoren




Auflösung = Pixels/Länge [dpi]
Dynamik (Darstellbarer Helligkeitsumfang
Rauschen
Empfindlichkeit
Auflösung
Pixelzahl nicht verwechseln mit Auflösung (dpi)!
Auflösung wird definiert durch Grösse des Sensors und Anzahl der Pixel:
 Anzahl Pixel auf eine Raumdimension bezogen  10‘000 Pixel auf 70mm = 3623 dpi
 Je grösser Sensor, umso besser die Dynamik der Pixel (Elektronen haben mehr Volumen zur
Verfügung)
 Kleine Pixel sind unempfindlicher gegen Moiré
 Kleine Pixel benötigen Spitzenoptiken (Linsenfehler) mit grosser Öffnung (Beugung)
Auflösung steigt mit zunehmendem Durchmesser der Aperturund kürzer werdener Wellenlänge
Dynamik
Unterschied zwischen dem hellsten und dem dunkelsten reproduzierbaren Bildteil (Bildkontrast)





Je grösser die Dynamik einer Kamera, unempfindlicher ist man gegen Fehlbelichtungen
Grössere Pixel können mehr Photonen sammeln, dadurch wird der darstellbare Kontrast
automatisch grösser
Der Dynamikumfang leitet sich aus der Grösse der einzelnen Pixel und dem intrinsischen
Rauschen (statisches Rauschen, thermisches Rauschen)
Eine gute Kamera schafft ca 1:1000
bei kleiner Dynamik wird Sättigung erreicht  völliger Informationsverlust in den Lichtern
Rauschen
messbare Signalwschankung
Alle elektrischen Bauteile besitzen ein
intrinsisches Rauschen, so auch ein Bildsensor.
(im analogen Film kennt man auch eine Art
von Rauschen: Das Bildkorn)
 Weisses Rauschen: Die Leistungsdichte des Rauschspektrums ist in einem grossen Bereich
gleich  ähnlich wie weisses Licht!
 Rosa Rauschen: Die Leistungsdichte des Rauschens nimmt mit zunehmender Frequenz ab
(auch 1/f oder 1/f2 Rauschen)


Statisches Rauschen: Die durch eintreffende Photonen erzeugte Spannung in einem Pixel
streut um den Wurzelwert der Anzahl eintreffender Photonen  man kann nichts dagegen
machen (ausser richtig damit umgehen)
o SNR (Signal to Noise Ratio) = 𝐶⁄
√𝐶
 definiert die Qualität eines Nutzsignals, das von einem Rauschsignal überlagert ist
Thermisches Rauschen (Dunkelstrom): Anregung der Elektronen durch Wärmebewegung.
Kühlen von Sensoren hilft, TR zu reduzieren. TR ist immer dem Bild überlagert und nimmt
mit Belichtungszeit zu. TR kann gemessen & abgezogen werden
10
Bildtechnologie II
Empfindlichkeit
Bei einem Sensor wird die Empfindlichkeit durch elektrisches Verstärken gesteigert  Rauschen wird
zwangsläufig auch verstärkt.
Bsp: Empfindlichkeitssteigerung um zwei Blenden  von 100 ASA auf 400 ASA (pro ganze ASA Stufe
halbiert sich die notwendige Lichtmenge um ein bestimmtes Signal zu erreichen)
 Signal & Rauschen um Faktor 4 verstärkt
 Problem: Sättigung wird früher erreicht!
Empfindlichkeit des Sensors wird durch die Apertur des Pixels bestimmt  wie viel Licht gelangt
auf den photoelektrisch aktiven Bereich
 grosse Pixel sind hier naturgemäss empfindlicher
 Mikrolinsen erhöhen die Lichtausbeute
Mikrolinsen:
Mikrolinsen sammeln das Licht und lenken es
auf die lichtempfindliche Stelle des Sensors (es
gibt viele Bereiche auf dem Sensor, die nicht
empfindlich sind: Datenleitungen,
Spannungsversorgung)
Folgen der Verstärkung
 Immer mehr Rauschen als ohne zusätzliche Verstärkung
 Schnelles Ausfressen in kontrastreichen Aufnahmesituationen
Night Shot
Infrarot wird abgeblockt, da es schlecht für Farbwiedergabe ist. Zur Steigerung der
Empfindlichkeit kann der IR-Filter weggelassen werden  Sony Night-Shot
Pixelgrösse & Optik
Warum keine grossen Chips?
Grosse Sensoren sind teuer, Halbleiterherstellung ist immer mit gewissen Fehlern verbunden
Huygen-Fresnel
Jeder Punkt einer Wellenfront kann als Ausgangspunkt einer neuen Welle, der
sogenannten Elementarwelle, betrachtet werden. Die neue Lage der Wellenfront ergibt
sich durch Superposition sämtlicher Elementarwellen (in 3 Dimensionen sind
Elementarwellen kugelförmig, in 2 kreisförmig)
 Ein Punkt wird als kleine Scheibe abgebildet. Scheibengrösse hängt unmittelbar mit der
Öffnung der Apertur zusammen  Unschärfe
(Apertur: Öffnung eines technischen Gerätes für Lichtstrahlen, die entweder durch Linsen oder
Spiegel weitergeleitet werden)
Wirkung einer Blende
Bei Beugungserscheinungen kann sich die Welle im geometrischen Schattenraum des Hindernisses
(Spalt, Gitter, Fangspiegel usw.) ausbreiten. Zur Beugung kommt es durch Entstehung neuer Wellen
entlang einer Wellenfront gemäss dem Huygenschhen Prinzip, Dies können durch Überlagerungen zu
Interferenzerscheinungen führen.
11
Bildtechnologie II
Farbe I
Farbeigenschaften
Farbe resultiert aus der Interaktion einer Lichtquelle, einem Objekt und dem Auge und Gehirn,
unserem visuellen System
Verursacher von Farbe
 Brennvorgänge
 Gasanregung
 „Vibration und Rotation“
 Übergangsmetallverbindungen
 Übergangsmetalle und
Verunreinigungen
 Organische Verbindungen
 Metalle







Halbleiter (rein und dotiert)
Ladungstransfer
Farbzentren
Dispersive Brechung
Streuung
Interferenz
Beugung
Farbeindruck wird durch Umgebung beinflusst  „weiss“
Schwarze Strahler  strahlt elektromagnetische Strahlung aus, die nur von Temperatur abhängt
(nicht vom Material).
Bsp: Glühlampen, Halogenlampen (allerdings T(Metall)≠T(Farbtemperatur)
Farbtemperatur  Temperatur eines Schwarzen Strahlers in Kelvin
Farbwiedergabe  Effekt einer Lichtquelle auf die Farberscheinung eines Objekts, wird bewusst
oder unbewusst mit der „Farbe“ unter einer Referenzlichtquelle (meist Sonnenlicht) verglichen
Korrelierte Farbtemperatur  Temperatur eines schwarzen Strahlers der am ähnlichsten der Farbe
einer beliebigen Lichtquelle gleicht (Fluoreszenzlampen)
(Beleuchtungs-)Metamerie  Effekt, dass Paare von Farbproben unter einer Lichtart den gleichen
Farbreiz besitzen, unter einer anderen Lichtart aber unterscheiden werden können
Standartlichtquellen & Standard-Beleuchtung
 Standartlichtquelle A: Glühlampe mit 2856K
 Standartlichtquelle C: Glühlampe mit Flüssig-Filtern um Tageslicht zu erzeugen
 D50, D65 (5000K, 6500K) sind numerische Standart-Beleuchtungen
Modifizierung des Lichts durch Material


Transmission / Absorption
o Transmission T = I/I0
o Optische Dichte OD = -log T
T
100%
50%
10%
1%
OD
0
0.3
1
2
o trüb, opak, durchscheinend, lichtdurchlässig, streuend, diffus
o Streuung  unterschiedliche
Brechungsindizes
Brechungsindex n
o Verhältnis der Lichtgeschwindigkeit c im
Vakuum dividiert durch die Geschwindigkeit
des Lichts im Material.
o An jeder Grenze, wo eine Änderung des
Brechungsindex auftritt, wird ein Teil des
Lichts reflektiert, der andere Teil wird
gebrochen
12
Bildtechnologie II


Reflexion
Fluoreszenz
o  Stoffe, die Licht absorbieren und dabei einen Teil als längerwelliges Licht
emmitieren (Opt. Aufheller, InkJet Tinten, FL-Lampen)
Spektrale Charakteristiken



Transmission: Verhältnis von durchgelassenem zu auffallendem Licht unter definierter
Geometrie
Reflexion: Verhältnis von reflektiertem zu auffallendem Licht unter definierter Geometrie
Reflexions-Faktor: Verhältnis von reflektiertem Licht eines Objekts im Vergleich zum
reflektierten Licht eines ideal diffus Reflektor unter definierter Geometrie
Glatte, spiegelnde Oberfläche
Matte Oberfläche
Kombination diffuse /
gerichteter Reflexion
Goniophotometrie
Material ändert nicht nur die spektralen Eigenschaften des Lichts, Material kann auch die
gemoetrischen oder goniophotometrischen Eigenschaften von Licht ändern
Glatte Oberflächen erzeugen Glanz
Materialien, deren Farbe mit dem Winkel ändern nennt man goniochromatisch (iridisierend)
13
Bildtechnologie II
Auge
Visuelles System






Das Sehsystem ist der leistungsfähigkste Fernsinn des menschlichen Organismus. Es liefert
mehr Informationen an das Gehirn als alle anderen Sinnessysteme zusammen
Der adäquate Reiz ist ein schmales Band elektromagnetischer Wellen, mit Wellenlängen
zwischen 400 und 750 nm
Die Photonen werden von Photopigmenten der spezifischen Rezeptoren an der Retina
absorbiert
Diese Photorezeptoren sind der Beginn eines neuronalen Systems, welches über getrennte
Kanäle Informationen über Form, Farbe, räumliche Tiefe und Bewegung von „Sehdingen“
zum visuellen Kortex und damit zur bewussten Wahrnehmung dieser Sinneseindrücke bringt.
Diese so genannte Sehbahn umfasst eine Kette von „4 Neuronen“ und führt von der Retina
über den Thalamus zur Area striata (BA 17).
Neben dem „Teilsystem“ für die bewusste Wahrnehmung visueller Information, gibt es 4
weitere „Teilsysteme“, die mit Hilfe retinaler Information bestimmte Reflexe regulieren.
5 Teil-Systeme:
 retino-genikulo-kortikales System (bewusste Wahrnehmung von visuellen Stimuli)
 retino-praetektales System (Regulation Pupillomotorik & Akkommodation)
 retino-tektales System (Koordination von Augen- mit Kopf- und Rumpfbewegungen)
 akzessorisches optisches System (Okulomotorik)
 retino-hypothalamistisches System (weitergabe von Hell-/Dunkelinformation an
Regulationszentren des zirkadianen Systems)
Lichtempfindliche Zellen (Photorezeptoren) : Zapfen und Stäbchen
Phototransduktionsprozess
1. Absorption eines Photons: Aktivierung von Rhodopsin, Transducin & Phosphodiesterase. Der
cGMP-Spiegel sinkt.
2. Umwandlung von Lichtenergie in elektrische Energie: Verschluss von Natriumkanälen führt
zur Hyperpolarisation
3. Umwandlung von elektrischer Energie in ein chemisches Signal: verminderte Freisetzung von
Glutamat
Vitamin-A Mangel kann zu Nachtblindheit führen, da Stäbchen (benötigen Vitamin A) für das
skotopische Sehen verantwortlich sind
14
Bildtechnologie II
3-Farben Theorie
Spektrale Empfindlichkeiten der L,M und S
Zellen (Zapfen, cones)
Integration der 3 Kurven (Augenempfindlichkeiten) über die Wellenlänge:
Gleiches Verhältnis L:M:S = identischer
Farbeindruck
 „Mischverhältnisse“ der Anregung
bestimmt Farbempfindung
Gegentheorie: Zonen-Theorie
Sehfehler




Linsentrübung
grauer Star
Katarakt
Dichromatie  „farbenblind“
o 0.6% Frauen, 8% Männer
o Isihara-Test
1)
2)
3)
4)
15
Original
missing S cones
missing L cones
missing M cones
Bildtechnologie II
Farbe II
Empfindungsgemässe Farbeinteilung

Lightness (Helligkeit): Vergleich mit empfindungsmässig gleicher
Helligkeit zu einer Serie von Grauwerten
 Hue (Farbton): Ähnlichkeit zu einer der 4 Grundfarben: ROT, GELB,
GRÜN, BLAU
 Chroma (Sättigung): Mass für die Abweichung von GRAU
 Farbe ist 3-wertig, 3-dimensional (Netzhaut: L,M,S (RGB); Empfindung:
Lightness, Hue, Chroma)
Chromatische Adaption: Änderungen im visuellen System, die Änderungen in der spektralen Qualität
der Beleuchtung kompensieren
Helligkeits-Adaption: Änderungen im visuellen System, die Änderungen in der Helligkeit der
Beleuchtung kompensieren
Farbkonstanz: Tendenz einer Farbe eines Objekts konstant zu bleiben, auch wenn Helligkeit und
Farbe der Beleuchtung variieren
Beobachter-Metamerie: Unterschiedliche Beobachter sehen Unterschiedliches
 Farbfilm ≠ Scanner ≠ Auge
Quantitative Beschreibung der Farbe
auf physikalischen Farbmustern basierende Farbsysteme
 Farbmisch-Systeme
 3 „Primär“-Farben (bei Farbmonitor)
o Farbmonitor: RGB
o Druck: CMY
 RGB-Würfel „Gamut
 RGB-Würfel-Rotation  doppeltes Sechseck
 Pantone
 HLS-Koordinaten  Hue, Lightness, Saturation(Computergrafik)

Problem: Beziehung zwischen gleichmässiger empfindungsmässiger Abstufung und gleichmässiger
„Mischung“ (Farbstoffe, „RGB“ im Computer) ist nicht-linear!
auf Wahrnehmung basierende Farbsysteme
Farben werden so abgestuft, dass eine gleichmässige Fabverteilung
entsteht, der „Farbraum“ ist harmonisch (gleichmässig) geordnet!
 Munsell (1905)
o 10 Hue: R, YR, Y, GY, G, BG, B PB, P RP
o 10 Values
o Chroma
 NCS, Natural Color System (in Achritektur weit verbreitet)
o Zonentheorie: 2 Farbpaare R-G und Y-B
Problem: funktionieren nur bei einer einzigen Lichtsorte korrekt
16
Bildtechnologie II
CIE-System (Additive Mischung)
Farbmischungen beruhend auf der Überlagerung (Addition) von farbigen Lichtquellen
(relative power  hängt von Lichtart ab; reflectance factor  hängt vom Farbstoff ab)
Es gibt keine 3 Primärfarben, die jede Zelle unabhängig von der anderen „reizt“  man kann mit 3
Primärfarben nie alle möglichen Farben nachmachen.
Grassmann’s Gesetzt der additiven Farbmischen (1853)
1. Auf das Ergebnis einer additiven Farbmischung hat nur das Aussehen
der Farbreize Einfluss, nicht deren Zusammensetzung
2. Zur Kennzeichnung eines Farbreizes sind drei voneinander
unabhängige Grössen notwendig und hinreichend
3. Alle Farbmischungen sind stetig
 Color-Match Test: auch wenn die Farberscheinung ändert, der „ColorMatch“ der beiden Felder ist unverändert
3 Primär-Farben = 3 Vektoren  lineare Vektoralgebra
Vielfach ist die Helligkeit nicht so wichtig
 Angabe: Durchstosspunkt durch die Einheitsebene
Chromazitätsdiagramm
𝑟=
𝑅
𝑅+𝐺+𝐵
𝑔=
𝐺
𝑅+𝐺+𝐵
𝑏=
𝐵
𝑅+𝐺+𝐵
𝑟+𝑔+𝑏 =1
Problem: Farben, die man mit Primärfarben nicht nachmachen kann
Bsp: Blaugrün
𝑆(𝑅, 𝐺, 𝐵) ≠ 𝑅𝑹 + 𝐺𝑮 + 𝐵𝑩
 Blaugrün mit Rot entmischen:
𝐺𝑮 + 𝐵𝑩 − 𝑅𝑹 = 𝑆(𝑅, 𝐺, 𝐵)
 3 Primärfarben genügen (immer), um alle anderen Farben nachzumachen, jedoch nur im
mathematischen Sinne, z.T. mit negativen Vorzeichen.
Physisch kann man mit 3 Primärfarben (immer) nur diejenigen Farben nachmachen, die innerhalb
des Farbdreiecks („Gamut“) liegen.
17
Bildtechnologie II
In der Ebene ist jede Farbe bestimmt. Farben die möglich sind, sind von „Schuh-Sohle“ umschlossen
Helligkeitsabgleich zwischen 2 monochromatischen Lichtern:
 normiert bei 555nm
 Braucht z.B. bei Blau (≈450nm) wehsentlich mehr
Strahlungsleistung (in Watt) als bei 555nm
Photometrie
photometrische Einheit: Integral von Stimulus * photopischer
Normalbeobachter
Normierung CIE
 Welche „Primärfarben sollen gewählt werden?
1. Wellenlängen so wählen, dass grösstmögliche Unabhängigkeit
entsteht
2. Lichtquellen und –wellenlänge wählen, die technisch einfach
und reproduzierbar herzustellen sind
 Blau: 435.8 nm, Grün: 546.1 nm, Rot: 700nm
Verhältnis der Strahlungsleistung: 1.0 : 1.14 : 72.1 (B:G:R)
 Kurve nicht eindeutig bestimmt, sonder statistisch ermittelt
CIE 1931 („Standart kolorimetrisches System“)
Aus den realen R,G,B Stimuli wird eine Koordinatentransformation
gefunden, dass die Chromazitätskoordinaten keine negativen Anteile mehr
enthalten
 wenigstens rechnerisch alle Farben (auch Spektralfarben) positiv
mischbar
Red(X) :
r = 1.28
g = -0.28
Green(Y):
r = -1.74
g = 2.77
Blue(Z):
r = -0.74
g = 0.14
 nicht spektrale Augenempfindlichkeiten!
b = 0.0
b = -0.3
b = 1.6
18
Bildtechnologie II
Farbe III
Helmholtz: Es gibt physisch keine 3 Farben, mit denen alle Farben nachgemacht werden können,
ausser imaginäre Farben, die theoretisch (resp. praktisch beim numerischen Rechnen) von Interesse
sind
Berechnung von Farbkoordinaten
𝑋 = 𝑘 ∫𝜆 𝑅(𝜆)𝑆(𝜆)𝑥̅ (𝜆)𝑑𝜆
𝑋 = 𝑘 ∫ 𝑅(𝜆)𝑆(𝜆)y̅(𝜆)𝑑𝜆
𝜆
𝑋 = 𝑘 ∫ 𝑅(𝜆)𝑆(𝜆)z̅(𝜆)𝑑𝜆
𝜆
100
∫𝜆 𝑆(𝜆)𝑦̅(𝜆)𝑑𝜆
R(λ) = Objektspektrum
S(λ) = Lichtspektrum
In Praxis Summenbildung:
Δ λ alle 5, 10 oder 20nm
(380-730 nm)
𝑘=
𝑥=
𝑋
(𝑋 + 𝑌 + 𝑍)
𝑦=
𝑌
(𝑋 + 𝑌 + 𝑍)
𝑧=
𝑍
(𝑋 + 𝑌 + 𝑍)
𝑋=
𝑥
z
𝑌, 𝑍 = Y
𝑦
y
Konvention:
 Kleinschrift: Chromazitäts-Koordinaten (chromaticity) (x,y,z)
 Grosschrift: Tristimulus-Werte (X,Y,Z)
 Tristimulus-Werte der Spektralfarben, die den Standart definieren, werden mit 𝑥̅ , y̅, z̅
bezeichnet
Eigenschaften von X Y Z
 weisses Licht, das energiegleich ist (ähnlich Tageslicht) hat x = y = z = 1/3
 X, Y (etwa „Rot“, „Grün“) so definiert, dass die Linie entlang der „Rot-Gelb“-Achse geht
 Y entspricht Helligkeitsempfindungskurve
Photographie additiver Prozess
Farben in der Photographie
1802
Thomas Young: Theorie des Farbseens
1852
Hermann Helmholtz: erweiterte Theorie des Farbsehens
1861
James Clerk Maxwell: additive Farbenphotographie mit
Dreifarbenprojektion
19
Bildtechnologie II
Farbraster-Verfahren
1875
Du Hauron: Rasterverfahren
1895
John Joly: Linienraster
1904
Auguste und Louis Lumière: Kornraster, AutochromePlatte
1910
L. Dufay: Linienrasterfilm Dufaycolor
1916
Agfa: Agfa Kornrasterplatte, ab 1932 AgfacolorRasterfilm
1925
Kodak: Kodacolor Linsenrasterschmalfilm
Fernsehen und Fernsehkamera
Wie muss die spektrale Sensibilisierung sein, damit Farbwiedergabe auf dem Monitor optimal wird?
Für optimale Farbwidergabe Farben möglichst am Rand des CIE-Diagramms wählen, das sind jedoch
Spektralfarben  technisch schwierig zu machen
Versuch Farbmischung mit vorigen Primärfarben: ergeben überall negative Tristimulus-Werte
 Kamera bräuchte 6 Röhren, je 2 pro Kanal. Gute Kameras stimulieren negative Empfindlichkeiten
mit Matrix (nicht ganz korrekt, da der negative Teil aus den Signalen der beiden anderen gemacht
wird, das ergibt im Spektralverlauf kleine Änderungen).
Farbwiedergabe-Fehler bei Verwendung von Röhren mit/ohne Matrixierung, ohne Negativ-Korrektur:
alle Farbe gehen nach „unbunt“.
Farbsysteme: UCS, Uniform Chromaticity Scale, CIE-LAB
MacAdam-Ellipsen
Wie gross ist die gerade noch wahrnehmbare Farbdifferenz?
Grün = überbetont
 CIE-Diagramm ist nicht linear mit Farbempfindung
 lineare Transformation des CIE X,Y,Z-Raumes
CIE 1976 Chromazitätskoordinaten u‘, v‘
𝑢′ =
4𝑋
4𝑥
=
𝑋 + 15𝑌 + 3𝑍
−2𝑥 + 12𝑦 + 3
𝑣′ =
9𝑌
9𝑦
=
𝑋 + 15𝑌 + 3𝑍
−2𝑥 + 12𝑦 + 3
inverse Funktion:
𝑥=
𝑦=
6𝑢′
9𝑢′
− 16𝑣 ′ + 12
6𝑢′
4𝑣′
− 16𝑣 ′ + 12
20
Bildtechnologie II
Empfindungsgemässe Farbsysteme
Munsell-System ist für praktische Anwendungen sehr gut geeignet, da es empfindungsmässig stimmt.
 kann man CIE-XYZ so umtransformieren dass es empfindungsmässig korrekt(er) wird?
u/v-Koordinaten nicht so gut geeignet, da lineare Transformation von CIE-XYZ
 Gleichförmigkeit der MacAdam-Ellipsen wird durch nicht-lineare Transformation erreicht
Gleichmässige Helligkeitsabstufung
 „achromatische Eigenschaften (Helligkeit, Weissgard)
Problem: Eine Grauabstufung wird durch den Hintergrund beeinflusst!
 viele mathematische Formeln:
1920 (Priest)
Quadratwurzel
𝑉 = 10√𝑌 (0 < 𝑌 < 1)
1943 (Newhall)
Polynom 5ter Ordnung
Y =1.1913V -0.22532V2 + 0.2351V3- 0.020483V4 + 0.00081935V5
CIE kubische Wurzel  stimmt relativ genau mit Munsell überein
1
𝑊 ∗ = 25𝑌 3 − 17 (1 ≤ 𝑌 ≤ 100)
1
∗
𝐿 =
𝐿∗ =
𝑌 3
𝑌
116 ( ) − 16, > 0.008856
𝑌𝑛
𝑌𝑛
𝑌
𝑌
903.29 (𝑌 ) , 𝑌 ≤ 0,008856
𝑛
𝑛
Yn ist das Y des Referenz-Lichtes
CIE-LAB
Ein Farbsystem, dass auf dem Zonensystem beruht
3 Variablen:
L
Helligkeit
a
rot-grün
b
gelb-blau
1
∗
𝐿 = 116
𝑌 3
( )
𝑌𝑛
− 16
1
(Lightness)
1
1
𝑋 3
𝑌 3
𝑎 = 500 [ ( ) − ( ) ]
𝑋𝑛
𝑌𝑛
1
𝑋 3
𝑍 3
𝑏 = 200 [ ( ) − ( ) ]
𝑋𝑛
𝑍𝑛
∗
Xn, Yn, Zn sind die Tristimuluswerte des Referenzweiss
1⁄
2
𝐶𝑎∗ 𝑏 = (𝑎∗2 + 𝑏 ∗ 2 )
(Chroma)
ℎ𝑎 𝑏 = tan−1 (𝑎∗ )
(hue)
𝑏∗


∗
1 Einheit Unterschied Δ𝐸𝑎𝑏
von Auge gerade noch wahrnehmbar
„Weiss“ ist L= 100, a,b= 0 unabhängig von der Lichtart
21
Bildtechnologie II
Farbe IV
Messen von Farben


Farbmessung (Color): Eine Messung, die sich auf das bezieht, was der Beobachter sieht
Farbstofmessung (Colorant): Eine Messung, die sich auf die Farbstoffe bezieht, die in einem
farbigen Material gebraucht werden. Oft hat das wenig mit dem zu tun was ein Beobachter
sieht
Messung:
 Farberscheinung: Farbe allein
 Farbdifferenzen: Muster mit Standart vergleichen
 Materialfärbung: spektrale Eigenschaften ermittelt
Messgeräte
 Kolimeter: Messen von CIE Tristimuluswerten
 Spektrophotometer: für Reflexion
 Spektroradiometer: spektrale Strahlungsmessung
Lichtabsorptionsmessung
Transmission 𝑻 =
𝐼𝑡
𝐼0
=
durchgelassenes Licht
Total auffallendes Licht
Bei Papieren ähnlich: Reflexion R. Das Konzept der Reflexion ist jedoch wesentlich komplizierter, da
𝑅 = ∫(Einfallswinkel, Materialeigenschaften)
In der photographischen Praxis (Filme, Filter…) wird anstatt des Transmissionswertes die optische
Dichte OD verwendet. Dies ist der Logarithmus (Basis 10) der inversen Transmission (oder Reflexion)
𝐼0
𝐷 = log ( ) = − log(𝑇)
𝐼𝑡
Logarithmus unerlässlich, da:
1. Absorption von Licht ist eine Funktion der Dicke d der absorbierenden Schicht:
OD = k*d (giltnur bei einer einzigen Wellenlänge)
Wenn die Konzentration c des absorbierenden Mediums geändert wird, dann ändert sich
auch die optische Dichte:
OD = k‘ *c * d (Beer-Lambertsches Gesetz)
2. Der Gebrauch von logarithmischen Einheiten hängt mit den Eigenschaften des menschlichen
Sehvorgangs zusammen
RGB-Berechnungen
𝑑
𝑟,𝑔,𝑏
R, G oder B = (1.02 ( 255
) − 0.02)2.4
22
Bildtechnologie II
Rechenbeispiel: Was ist die Farbe von RGB = 40,140,80
X(mix) = R · X(r,max) + G · X(g,max) + B · X(b,max) = (0.009 x 33.17)+(0.228 x 30.22)+( 0.056 x 11.71)
= 7.84
Y(mix) = R · Y(r,max) + G · Y(g,max) + B · Y(b,max) = (0.009 x 17.46)+(0.228 x 57.38)+(0.056 x 5.16)
= 13.53
Z(mix) = R · Z(r,max) + G · Z(g,max) + B · Z(b,max) = (0.009 x 1.69)+(0.228 x 10.02)+(0.056 x 60.79)
= 5.70
L*
= [ 116 (Y / Yw)1/3 - 16]
= [ 116 (13.53 / 80.0)1/3 - 16]
= 48.2
= 500 [ (X / Xw)1/3 - (Y / Yw)1/3 ]
= 500 [ (7.84 / 75.1)1/3 - (13.53 / 80.0)1/3 ]
= -41.0
= 200 [ (Y / Yw)1/3 - (Z / Zw)1/3 ]
= 200 [ (13.53 / 80.0)1/3 - (5.70 / 72.5)1/3 ]
= 24.9
a*
b*
Druck
Fast immer 4 Farben: Gelb (Y), Magenta (M), Cyan (C) und Schwarz (K). Mit dem Schwarz kann ein
grösserer Farbraum (Gamut) erzielt werden
„Alte“ Farbseparation RGB wird in CMY geteilt (wie bei Farbphotographie), Schwarz wird als
Kontrastmaske für die dunkelsten Bildteile eingesetzt
Rasterverfahren additiv & subtraktiv
Druckraster gleich viel cyan & magenta und trotzdem sieht es anders aus: das
Muster ist verschieden
Neugebauer Modell
Man nehme an Gelb und Magenta würde in Streifen im rechten Winkel zueinander gedruckt, jeder
Streifen bedecke a = 20% der gesamten Fläche. Bei der Überlappungsstelle wird subtraktives Rot
produziert. Das ergibt additive Mischung aus 5 Farben (Rot, Magenta, Gelb, Weiss)
Farbkonzentration
Continous tone, Konzentration ändert sich
halftoning, Konzentration gleich, aber
prozentualer Deckgrad ändert sich

Die resultierende Farbe der mittleren Helligkeiten ist verschieden
Magenta 50% (halbe Konzentration) ≠50% Vollton-Magenta + 50% Weiss
 gerasterte Farbtöne haben weniger Sättigung
GCR (Gray Color Removal) und UCR (Under Color Removal)
Die Farbe wird rechnerisch in den achromatischen Teil (=Schwarz ) und den chromatischen Teil
(C,M,Y) unterteilt
23
Bildtechnologie II
Appendix: Meilensteile der Fotographie
Jahr
1827
1839
1851
1880
1890
1900
1930
1940
1950
1980
1990
2000
Ereignis



Erfindung der Fotografie
(Nièpce – Daguerre - Archer)

Die Fotographie wird ein industrielles,
popularisiertes Massenprodukt
(Eastman Kodak)

Farbfotografie (chromogenes
Verfahren) als Massenprodukt (Agfa,
Kodak)
Aufkommen der Elektronik
Computer und elektronische Sensoren,
Digital-Fotografie
industrieller Rückgang der AgXFotografie



24



Technische Erfindung und weitere
Entwicklungen von visuellen Medien
Fixieren der Fotoschicht
Steigerung der Lichtempfindlichkeit durch
Entwicklung und lichtempfindliche
Silbersalze
Gelatine-Trockenplatte
biegsamer Träger Zelluloid
in diese Zeit fällt auch das Entstehen des
Kinofilm und Cinema


Diffusionsfeste Farbstoffe
in diese Zeit fällt auch das Entstehen des
Fernsehens


Halbleitertechnologie
Internet