Farbkalibrierung bei Basler Kameras

WHITE PAPER
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Farbkalibrierung bei Basler Kameras
Was ist Farbe?
Wenn man von einer bestimmten Farbe spricht, kommt
es oft vor, dass sie von verschiedenen Menschen
unterschiedlich beschrieben wird. Die Farbwahrnehmung wird durch das Gehirn und das menschliche
Auge erzeugt. Deshalb kommt es zu unterschiedlichen
subjektiven Wahrnehmungen. Durch leistungsfähige
Korrekturverfahren des menschlichen Seh-Sinnes ist
dies sogar bei ein und derselben Person zu beobachten. Rein physikalisch entstehen Farbeindrücke
durch elektromagnetische Wellen mit Wellenlängen
zwischen 380 nm und 780 nm. In unseren Augen regen
diese Wellen Rezeptoren mit drei unterschiedlichen
Farbempfindlichkeiten an. Deren Signale werden in
unserem Gehirn zu einem Farbeindruck verarbeitet.
Dieses White Paper beschreibt detailliert, was Farbe
ist, wie man sie in Zahlen beschreiben kann und wie
eine Farbkalibrierung bei Kameras durchgeführt
werden kann.
Augenempfindlichkeit
2.0
Das Thema Farbe ist für zahlreiche Anwendungen
relevant. Ein Beispiel ist der Bereich der Druckbildkontrolle. Druckbildkontrolle ist heute dank High-Tech
ein automatisierter Prozess. Ausgeklügelte Inspektionssysteme auf Kamerabasis kontrollieren z.B. Label und
Verpackungen. Oftmals kommt noch ein hoher
Anspruch an die Farbwiedergabe hinzu - beispielsweise
bei der Inspektion von Nahrungsmittelverpackungen,
wo die dargestellten Lebensmittel „knackig“ und
„frisch“ erscheinen müssen, um den Kaufanreiz zu
erhöhen. Für die Inspektionssysteme zur Farbkontrolle
ist eine optimierte, standardisierte Farbdarstellung
wichtig, damit verschiedene Geräte und Anlagen bei
gleichen Farbangaben auch das gleiche Ergebnis
liefern. So wird z. B. in der Druckindustrie häufig eine
Druckbildprüfung am Monitor durch das menschliche
Auge durchgeführt. Die Farbe am Monitor muss dazu
so realistisch wie möglich sein, damit es zu keinen
Fehlentscheidungen kommt.
x (λ)
y (λ)
z (λ)
1,5
1.0
0.5
0.0
400
500
λ
600
700
nm
Abbildung 1: Farbempfindlichkeit der drei Rezeptortypen im
menschlichen Auge
Doch wie beschreibt man Farben, um damit in technischen Anwendungen umgehen zu können? Auf diese
Frage wurde im Laufe der Zeit mehr als eine Antwort
gefunden.
Schon 1931 hat die Internationale Beleuchtungskommission (CIE = Commission Internationale de
l‘Éclairage) den Yxy-Farbraum definiert, in dem alle
Farben beschrieben werden, die vom menschlichen
Auge gesehen werden können. Die Kommission ist eine
unabhängige Organisation, die sich die internationale
Kooperation zum Informationsaustausch,
Dies ist nur eines von vielen Anwendungsbeispielen, in
denen es auf hohe Farbgenauigkeit ankommt.
1
beispielsweise in Belangen der Beleuchtung, zum Ziel
gesetzt hat. Grafisch veranschaulicht wird der
Yxy-Farbraum durch die „schuhsohlenförmige“
Normfarbtafel des CIE-Farbsystems. In dieser Farbtafel
wird jede Farbe durch einen Punkt in einer Ebene
repräsentiert. Die Lage des Punktes wird mit den
Variablen x, y und Y beschrieben. Dabei steht x für die
Rot-/Purpurachse und y für die Grünachse. Die Y-Achse
enthält die Angaben zur Helligkeit des jeweiligen
Farbtons und ist in der Normfarbtafel nicht wiedergegeben (letztere ist vielmehr eine Projektion des
gesamten Farbraums auf eine Ebene).
Vorteile des sRGB-Farbraums
Der sRGB (standard RGB)-Farbraum wurde 1996 von
HP und Microsoft eingeführt. Hierbei handelt es sich
um den wichtigsten Standard-Farbraum, der auf fast
jedem Monitor oder Drucker und in jedem Betriebssystem, Browser und jeder Software und Internetseite
angewendet werden kann. Er ist relativ einfach realisierbar und weit verbreitet, allerdings auch bezüglich
des Bereichs der darstellbaren Farben eingeschränkt.
Ein Nachteil, den der Yxy-Farbraum aufweist ist, dass
auch solche Farben gezeigt werden, die das menschliche Auge nicht mehr wahrnimmt. Dadurch wird dieser
Farbraum etwas unhandlich. Andererseits lassen sich in
diesem Farbraum alle wahrnehmbaren Farben
darstellen.
Abbildung 3: Vergleich unterschiedlicher Farbsysteme in der
Normfarbtafel des CIE-Farbsystems
Möchte man dagegen den wesentlich größeren
Farbraum Wide Gamut RGB (z.B. Adobe RGB)
verwenden, wird die Kalibration aller technischen
Aufnahme- und Wiedergabegeräte deutlich komplexer
und fehleranfälliger.
0.9
520
0,8
540
Abbildung 2: Normfarbtafel des CIE-Farbsystems
Wide Gamut RGB
0,7
Adobe RGB
Verschiedene Farbräume
NTSC
500
Für unterschiedliche technische Anwendungen gibt es
jeweils typische alternative Farbbeschreibungen und
Verfahren, deren Darstellungsvermögen durch
verschiedene Teilbereiche im Yxy-Farbraum veranschaulicht werden können, z.B. für Fernseh-Farbverfahren wie NTSC, PAL oder SECAM, für das subtraktive Farbmodell CMYK (Cyan, Magenta, Yellow, Key) aus
dem Bereich des Farbdrucks, für Wide Gamut RGB und
Adobe RGB für professionelle Farbreproduktion oder
sRGB (standard RGB) für CRT-Monitore und das
Internet. Die darstellbaren Farbräume all dieser
genannten Verfahren können im Yxy-Farbraum als
Teilbereiche eingezeichnet und verglichen werden.
2
560
PAL/SECAN
0,6
sRGB
Euroscale Coated CMYK
0,5
580
3000 K
0,4
D50
D55
D65
D75
D9300
0,3
A
4000 K
2000 K
C
10000 K
15000 K
600
1500 K
B
1000 K
E
620
640
700
Unendlich
0,2
480
0,1
0,1
460
380
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
0,7
0,8
Abbildung 4: Lage und Größe des sRGB-Farbraums (Dreieck) in
der Normfarbtafel des CIE-Farbsystems
Vorteile einer kalibrierten Kamera
Mit einer kalibrierten Kamera entsprechen die Farben
auf dem sRGB-Monitor weitgehend den Farben, wie sie
in der Wirklichkeit erscheinen. Mit einer kalibrierten
Kamera können Sie Farben messen und normierte
Farbwerte weitergeben. Dies ist besonders für die
Druckindustrie sehr wichtig. Bei einer kalibrierten
Kamera sind die Farben der Aufnahme mit Sollwerten
vergleichbar. Das ist die Voraussetzung zur Erreichung
einer originalgetreuen Farbaufnahme.
Abbildung 6: Chrominanz-Anteil des YUV-Systems
Abbildung 5: Darstellung des RGB-Farbraumes
mit R-, G- und B-Achse
Abbildung 7: Darstellung des HSV-Systems
Verschiedene Farbsysteme
Bei einem Farbsystem handelt es sich um eine
bestimmte Darstellungsweise jeder Farbe innerhalb des
Farbraumes. Trotz der Vielzahl unterschiedlicher
Farbsysteme gibt es unter allen eine Gemeinsamkeit: In
jedem Farbsystem benötigt man mindestens drei Werte
zur Beschreibung einer bestimmten Farbe, z. B. die
Werte R (Rot), G (Grün) und B (Blau) im sRGB-System,
oder die Werte Y (Yellow), M (Magenta) und C (Cyan)
im YMC-System. In anderen Systemen wird die Farbe
durch zwei Werte und die Helligkeit mit dem dritten
Wert beschrieben, z. B. im YUV (Luminanz Y und
Chrominanz U und V), im schon genannten Yxy-System
oder auch im HSV (Hue, Saturation, Value oder
Farbton, Sättigung, Dunkelstufe)-System.
Warum gibt es verschiedene Systeme? Der Grund dafür
ist, dass die unterschiedlichen Systeme für unterschiedliche Aspekte des farbigen Bildes optimiert sind. Die
Darstellung des RGB-Farbraums (Abb. 5) eignet sich
beispielsweise gut zur Darstellung der RGB-Werte
gängiger Aufnahme- und Anzeigegeräte. Die
Darstellung des HSV-Systems (Abb. 7) ist dagegen
aussagekräftig, wenn man die drei Parameter Helligkeit,
Sättigung und Farbkontrast getrennt betrachten
möchte. Das YUV-Modell (Abb. 6) ist in der
3
Fernsehtechnik verbreitet und bietet Vorteile hinsichtlich der Übertragung von Bildern und der
Kompatibilität mit älteren Schwarz-WeißEmpfangsgeräten.
Vier Schritte der Farbkalibrierung bei Basler
Eine Farbkamera verwendet mehrere Pixel mit jeweils
unterschiedlichen Farbfiltern, um den Farbeindruck der
realen Situation für jeden Ort im Bild durch drei
Farbwerte zu reproduzieren. Da diese Farbwerte
unkorrigiert nicht nur von den technischen Details der
Kamera, sondern auch von der Beleuchtung und
anderen Faktoren abhängen können, muss man etwas
Aufwand betreiben, bevor man mit den Farbwerten der
Kamera zuverlässig arbeiten kann. Um Farben mit einer
Kamera realistisch erfassen zu können, benötigt man
nämlich eine Farbkalibrierung.
Die leistungsfähige Farbkalibrierung bei Basler ist ein
durchdachter und standardisierter Prozess, der aus vier
Schritten besteht: dem Weißabgleich, der Gammakorrektur, einer Matrix-Korrektur und der Korrektur mit
einem Sechs-Achsen-Operator. Auf diese vier Schritte
wird im Folgenden näher eingegangen.
2. Schritt Gammakorrektur
Die Farbkalibrierung erfolgt, indem man alle 24 Felder
(18 farbige und 6 graue) des Greta Macbeth
ColorChecker®, einem Standard-Tool für die
Farbkalibrierung, möglichst unverfälscht erfasst.
Nachdem die grauen Felder durch den Weißabgleich
nun tatsächlich grau sind und keinen Farbstich mehr
haben, wird über die Gammakorrektur die Helligkeit
der Felder an die Wahrnehmung des menschlichen
Auges anpasst. Im Gegensatz zu einem Kamerasensor nimmt der Mensch Helligkeitsunterschiede
nicht linear wahr. Stattdessen werden Helligkeitsunterschiede in dunklen Bereichen verstärkt wahrgenommen, während sie im Hellen abgeschwächt
erscheinen. Das beeinflusst auch die Farbwahrnehmung massiv. Ohne eine korrekte Gammakorrektur
ist eine Farbdarstellung nicht möglich, weil die
Farbsättigung sonst abhängig von der Helligkeit
wäre.
Farbkalibrierung
Abbildung 8: Greta Macbeth
ColorChecker®, aufgenommen
mit unkalibrierter Kamera
(oben) und dargestellt mit den
theoretischen Zielwerten
(unten)
3.Matrix-Korrektur
Ziel ist, dass die Kamera die Farben möglichst genau so
erfasst wie das menschliche Auge.
1.Schritt - Weißabgleich
Die Kalibrierung konzentriert sich im ersten Schritt,
dem Weißabgleich, auf die grauen Quadrate in der
unteren Zeile des Greta Macbeth ColorChecker®. Der
Weißabgleich passt die drei Farbkanäle so an die
Beleuchtung an, dass ein Grauton entsteht - in
gleicher Weise wie es auch das menschliche Auge
macht.
Der Name der Korrektur nimmt Bezug auf die
rechnerische Umsetzung der Operation, in der die
Eingangswerte durch eine sogenannte MatrixMultiplikation in die korrigierten Werte überführt
werden. Die Matrix-Korrektur versucht die spektrale
Empfindlichkeit der Farbpixel im Sensor (Farbfilter
des Sensors) an die spektrale Empfindlichkeit der
Rezeptoren des Auges anzupassen. Dieser Korrekturschritt arbeitet mit nur sechs freien Parametern.
Daher ist das Ergebnis in der Regel noch nicht
optimal. Diese Lücke schließt der nächste
Korrekturschritt.
4. Korrektur mit dem Sechs-Achsen-Operator
Start
1. Schritt
2. Schritt
Weißabgleich
Gammakorrektur
Der Sechs-Achsen-Operator dient zur Feinkorrektur
der Farbdarstellung. Im Gegensatz zur MatrixKorrektur erfolgt seine Einstellung
intuitiv. Der Benutzer kann diesen
Korrekturschritt also außerdem
dazu nutzen, die Darstellung an
sein persönliches Farbempfinden
anzupassen.
3. Schritt
Ziel
MatrixKorrektur
4. Schritt
Fast
perfekt
Sechs-Achsen
Operator
Abbildung 9: Veranschaulichung der vier Schritte zu einer guten Farbkalibrierung: Weißabgleich,
Gammakorrektur, Matrix-Korrektur und Korrektur mit Sechs-Achsen-Operator
4
Bei Basler Kameras kann mithilfe
der pylon Software in wenigen
Schritten eine Farbkalibrierung
durchgeführt werden.
1,0
In
Gammakorrektur
1
2,2
0,5
0,5
0,218
0,5
0,218
CRT
gamma
2,2
0
Out
0
0,5
1,0
Abbildung 10: Helligkeitswahrnehmung des menschlichen Auges
bzw der Kamera (obere Kurve mit Gamma 1 / 2,2) und GammaKorrektur der Ausgabegeräte (untere Kurve mit Gamma 2,2)
Abbildung 11: Farbkalibrierung bei Basler Kameras über die pylon GUI
3. Schritt
Matrixkorrektur
Abbildung 12: ∆ E vor (links) und nach der Farbkalibrierung (rechts)
Fazit
mit ∆E > 5 wird als eine andere Farbe wahrgenommen.
Industriekameras ohne Farbkorrektur liegen bei einem
∆E von 10 bis 20.
Wie gut die Farbdarstellung einer Kamera ist, kann
über den Farbfehler(∆E) beurteilt werden.
Durch die Farbkalibrierung erreichen Basler Kameras
ein∆E von 3-4, was den hohen Standards der
Druckindustrie entspricht.
∆E ist ein Maß für den vom Menschen wahrgenommenen Farbunterschied zweier Farben. Ein Farbunterschied von ∆E < 1 ist kaum wahrnehmbar, eine Farbe
06/2012
Basler AG
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