Grundlagen der Farbbildverarbeitung

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1 Grundlagen der Farbbildverarbeitung

2 Inhalt 1. Grundlagen - Was ist Farbe? - Wie lässt sich Farbe messen? 2. Technik der Farbkameras - Wie kann eine Kamera Farben sehen? - Bauformen 3. Funktion von Farb-BV-Systemen - Volle Farbverarbeitung - Farbbasierte Verarbeitung 4. Weißabgleich - Warum ist ein Weißabgleich nötig? - Lichtquellen im Vergleich 5. Zusammenfassung 6. Kontakt

3 Grundlagen der Farbbildverarbeitung Was ist Farbe? Eine subjektive Empfindung verschiedener Wellenlängen des sichtbaren Lichts.

4 Grundlagen der Farbbildverarbeitung Wie lässt sich Farbe messen? Das Problem: Farbempfindung ist sehr subjektiv Eine gelbe Wellenlänge von 570nm löst im Gehirn das gleiche Empfinden aus wie eine Kombination der Wellenlängen 620nm (rot) und 520nm (grün). +

5 Grundlagen der Farbbildverarbeitung Wie lässt sich Farbe messen? Im Laufe der Zeit entstanden verschiedene Farbmodelle Farbe kann anhand von drei unabhängigen Parametern beschrieben werden Farbton Sättigung Helligkeit

6 Grundlagen der Farbbildverarbeitung Wie lässt sich Farbe messen? Das einfachste Farbmodell: der Farbkreis Komplementärfarben sind gegenüber angeordnet z.b. Purpur ist Weiß, dem Grün fehlt Mischfarben ergeben sich aus den benachbarten Farben z.b. Orange = Gelb und Rot

7 Grundlagen der Farbbildverarbeitung Wie lässt sich Farbe messen? Das einfachste Farbmodell: Der Farbkreis Problem: Der Farbkreis beschreibt nicht alle Eigenschaften der Farbe. So lässt sich z.b. das helle Gelb einer Zitrone nicht von dem satten Gelb einer Banane unterscheiden

8 Grundlagen der Farbbildverarbeitung Wie lässt sich Farbe messen? Farbe besteht aus drei unabhängigen Merkmalen Farbton Sättigung Helligkeit Daraus ergibt sich ein dreidimensionales Modell

9 Grundlagen der Farbbildverarbeitung Wie lässt sich Farbe messen? Das HSI-Farbmodell basiert auf der Definition der Commission Internationale de l Eclairage (CIELAB) beschreibt Farbe anhand Farbton (Hue) Sättigung (Saturation) Helligkeit (Intensity) Farbton Das Modell kann man sich als dreidimensionale Kugel vorstellen Farbton (Umfang) Sättigung (X-Achse) Helligkeit (Y-Achse) Helligkeit Sättigung

11 Technik der Farbkameras Wie kann eine Kamera Farbe sehen? CCD oder CMOS-Elemente sind nur helligkeitsempfindlich, nicht farbempfindlich Lösung Farbfilter in den Grundfarben Rot, Grün, Blau

12 Technik der Farbkameras Bauformen Kameras Heute sind zwei Kameraformen üblich 1-Chip-Farbkamera 3-Chip-Farbkamera Kleine Farbfilter vor den Pixeln filtern das Licht Ein Prisma zerlegt das Licht in die drei Grundfarben und verteilt es auf drei getrennte CCD-Chip

13 Technik der Farbkameras Bauformen Kameras: Unterschied zwischen 1- und 3-Chip-Kameras 1-Chip-Farbkamera: preisgünstig, geringere Auflösung 3-Chip-Farbkamera: teurer, hohe Auflösung RGB-Bild 3-Chip-Kamera simuliertes 1-Chip-Bild Rekonstruiertes RGB-Bild Unterschied Auflösung

15 Funktion von Farb-BV-Systemen Es gibt zwei unterschiedliche Methoden der Verarbeitung von Farbbildern Volle Farbauswertung Farbbewertete Auswertung

16 Funktion von Farb-BV-Systemen Volle Farbauswertung Prinzip Die drei Farbanteile werden einzeln übertragen und ausgewertet Vorteil Hohe Farbgenauigkeit bei der Auswertung Nachteile Sehr rechenintensiv Großer Speicherbedarf Komplexe Algorithmen

17 Funktion von Farb-BV-Systemen Farbbewertete Auswertung Prinzip Das farbige Kamerabild wird in ein farbbewertetes Grauwertbild umgewandelt Die Auswertung findet im Grauwertbereich statt Vorteile Hohe Auswertegeschwindigkeit, da Datenreduktion um Faktor drei Bewährte Umsetzung und erprobte Verfahren Kann auf bewährten Konzept der A-Serie aufsetzen Nachteile Farben können nicht so genau wiedergegeben werden Verschlechterte Messgenauigkeit

18 Farbbildverarbeitung mit AX40 Farbbewertete Auswertung Farbauswahl Farbbewertetes Grauwertbild Originalbild Gelb-Rot Blau

20 Weißabgleich Warum ist ein Weißabgleich nötig? Das menschliche Farbsehen arbeitet subjektiv, die Kamera dagegen objektiv Wir Menschen wissen die Farbe des Objektes und berücksichtigen die Farbverfälschung durch die Beleuchtung Optimale weiße Lampe: Gelbliche Lampe: Lampe Kamerabild weißes Objekt weißes Objekt Weiße Lampe beleuchtet weißes Objekt => Kamera sieht weißes Objekt Mensch sieht weißes Objekt Gelbliche Lampe beleuchtet weißes Objekt => Kamera sieht gelbes Objekt Mensch sieht weißes Objekt

21 Weißabgleich Warum ist ein Weißabgleich nötig? Um reproduzierbare Farbvergleiche bei unterschiedlichen Beleuchtungen zu ermöglichen, müssen alle Farben auf ein Referenz-Weiß bezogen werden Gelbliche Lampe: weißes Objekt Gelbliche Lampe beleuchtet weißes Objekt => Kamera sieht gelbes Objekt

22 Weißabgleich Warum ist ein Weißabgleich nötig? Nach dem Weißabgleich kennt die Kamera den Anteil der Farbverfälschung durch die Beleuchtung und korrigiert sie automatisch Das weiße Objekt erscheint der Kamera wieder weiß Gelbliche Lampe: Gelbliche Lampe nach Weißabgleich: weißes Objekt Weißabgleich weißes Objekt Gelbliche Lampe beleuchtet weißes Objekt => Kamera sieht gelbes Objekt Gelbliche Lampe beleuchtet weißes Objekt => Kamera sieht weißes Objekt

23 Weißabgleich Lichtquellen im Vergleich Der Farbeinfluss der Beleuchtung wird meist in der Einheit Kelvin ( O K) gemessen. Je höher der Wert ist, um so bläulich-weißer ist das Licht. Einige Werte zum Vergleich Haushalts-Glühlampen: Halogen-Birnen: Leuchtstoff-Lampen: Tageslicht: HQI-Leuchten: 2900 O K 3200 O K ca O K (Normalweiß) 6000 O K ca O K und höher

24 Weißabgleich Lichtquellen im Vergleich Leuchtstofflampen und LED-Leuchten haben ein diskontinuierliches Spektrum, das uns in der Summe aber als weiß erscheint Beispiel: weiße LED Beispiel: Leuchtstoffringlicht

25 Weißabgleich Lichtquellen im Vergleich Leuchtstofflampen Pro Kostengünstig Contra Änderung der Lichtfarbe in Aufwärmphase Änderung der Lichtfarbe über die gesamte Lebensdauer LED-Leuchten Pro Lange Lebensdauer Kaum Änderung der Lichtfarbe im Betrieb Keine Aufwärmphase Contra Höhere Anschaffungskosten

26 Weißabgleich Lebensdauer verschiedener Lichtquellen in Stunden Infrarot-LEDs Hochdruck-Quecksilber-Xenon-Dampflampen Hochdruck-Metall-Halogen-Dampflampen Leuchtstofflampen Halogenlampen Glühlampen < < < < < < Lichtausbeute verschiedener Lampen in lm/w Niederdruck-Natrium-Dampflampen Hochdruck-Quecksilber-Xenon-Dampflampen Leuchtstofflampen Glühlampen ~ 180 < 70 < 60 < 20

27 Weißabgleich Lichtquellen im Überblick Lichtcharakteristik Eignung Vorteile Nachteile Glühlampen kommt Sonnenlicht am nächsten Halogenlampen unverfälschte Lichtcharakteristik Leuchtstofflampen abhängig von der Zusammensetzung der Leuchtschicht Hochdruck-Metall-Halogen-Dampflampen je nach Ausführung entsprechend Glühlampen (abhängig von Gasgemisch und Beschichtung der äußeren Glasoberfläche) Farbkameras SW/Kameras Infrarot Farbkameras SW/Kameras Infrarot je nach Ausführung: Farbkameras SW/Kameras Infrarot je nach Ausführung: Farbkameras SW/Kameras Infrarot Hochdruck-Quecksilber-Xenon-Dampflampen hohe Anteile im UV- und im IR-Bereich SW/Kameras außerdem blau, grün, gelb, anteilig orange Infrarot weitere Farben nur schwach vertreten gleichermaßen für Farb- und S/W- Kameras geeignet Lebensdauer: 750 bis Std. Lichtausbeute: 9 bis 20 lm/w ohne Einschränkungen für Farb- und S/W-Lebensdauer: etwa Std. Kameras geeignet Lebensdauer: bis Std. Lichtausbeute: ca. 180 lm/w Lebensdauer: bis Std. mit entsprechenden Sperrfiltern besonders für IR-Anwendungen geeignet Lebensdauer: bis Std. Infrarot-LEDs optimale Lichtcharaktristik Infrarot Strahlungsleistung exakt definierbar Lebensdauer: bis Std. Hoher Wirkungsgrad, geringer Stromverbrauch Lichtausbeute: 30 bis 70 lm/w Aufwärmphase vom Einschalten bis Erreichen der vollen Helligkeit: 2 bis 3 Min. Nach kurzzeitigem Ausschalten muss Lampe vollständig abkühlen, anschließend erneute Aufwärmphase Lichtausbeute: 50 bis 60 lm/w Aufwärmphase: 4 bis 6 Min. Wartezeit nach kurzzeitigem Ausschalten: ca. 2 bis 4 Min. nur für IR-Anwendungen geeignet

29 Weißabgleich Zusammenfassung Kameras sehen Farben im Vergleich zum Menschen stets objektiv, während der Mensch den Einfluss des Umgebungslicht automatisch berücksichtigt Für einen reproduzierbaren Farbvergleich ist daher ein Referenz-Weiß erforderlich Der Weißabgleich korrigiert Farbverfälschungen aufgrund unterschiedliche Beleuchtungsverhältnisse

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