Graphische Datenverarbeitung Dr. Markus Heitz

Hinweise Email: mheitz@ba-stuttgart.de Informationsmaterial, Powerpoint-Präsentation: www.ba-stuttgart.de/~mheitz Vorlesungsskript von Prof. Dr. Rudolf Messer: http://www.ba-stuttgart.de/studienangebot/technik/it/ba-intern/vorlesung/gdv/vorles_GDV.htm

Der Graphische Prozess

Übersicht Farbmodelle und Farbmanagementsysteme Graphische Geräte Kurven- und Flächendarstellung Koordinatensysteme und Transformationen Visualisierungsverfahren Graphische Bibliotheken und graphische Entwicklunssysteme z.B.: OpenGL

Geschichte der GDV 1965 Erste CAD-Systeme werden entwickelt 1975 3D-CAD-Systeme, Draht- und Flächenmodelle 1982 Volumen-Modelle 1992 Volumen-Modelle können in schattierter Darstellung am Bildschirm gedreht und bearbeitet werden; Virtual Reality in ersten Ansätzen 1993 Umfangreicher Einsatz von Computergraphik in Spielfilmen (erster langer Spielfilm ohne reale Kulisse aber mit echten Schauspielern, Computeranimationen stellen einen wesentlichen Teil eines Films dar) 1994 Simulation von Bearbeitungsvorgängen und Roboterbewegungen in Echtzeit auf einer normalen Workstation 1997 Fast photorealistische Spiele auf einem Home-PC 1998 Virtual Manufactoring: Digital Mock-Up

Epochen der Computergraphik

Heutige Anwendungen von Computergraphik Darstellung von Statistiken und funktionellen Zusammenhängen (Scientific Visualisation) CAD (Konstruktion und Fertigung im Maschinenbau, Schaltplan- und IC-Design, ...) Unterhaltung (Computerspiele, Filme, Werbung) Simulation (Flugsimulation, Roboterbewegungen, Maschinen, Fertigungseinrichtungen, chemische und biologische Reaktionen z.B. in der Gen-Technik, physikalische Ordnungsvorgänge, ...) Leitstandtechnik (Prozeßüberwachung, ...) Kartographie (Stadt- und Landkarten, Pläne von Versorgungs- und Entsorgungsleitungen, .) Informationssysteme (Ausbildung, Museums-Führer, ...) Medizinische Bildverarbeitung (Volumenbilder bei CT, NMR, Ultraschall, Rendering)

Farbwahrnehmung des menschlichen Auges Licht: elektromagnetische Strahlung im Wellenlängenbereich 380nm - 780nm Lichtwahrnehmung zunächst mit Hilfe von Rezeptoren auf der Retina: Stäbchen: Schwarz-Weiß, auch bei geringer Helligkeit Zäpfchen: Farbe, niedrigere Empfindlichkeit 3 Typen farbsensitiver Zäpfchen mit maximaler Sensitivität in unterschiedlichen Wellenlängenbereichen: blau-sensitive (4% der Zäpfchen bei 430 nm) grün-sensitive (32% der Zäpfchen bei 530 nm) rot-sensitive (64% der Zäpfchen bei 560 nm (fast gelb))

Verarbeitung im Sehzentrum des Hirns Über den Sehnerv (Nervenbündel) gelangt die Farb- und Helligkeitsinformation in den lateralen genikutalen Körper, eine Farbverarbeitungseinheit, die die RGB-Signale in drei neue Signale wandelt: R-G: Rot-Grün-Gegensatz R+G: Helligkeits- und Gelbwahrnehmung B-(R+G): Gelb-Blau-Gegensatz Der Blauanteil spielt keine Rolle bei der Helligkeitsempfindung. Farben wie “rötlich-grün” und “bläulich-gelb” sind physiologisch unmöglich.

Empfindlicheitsspektren der Zäpfchen

RGB Farbsystem Alle Farben lassen sich durch ihre RGB-Werte beschreiben: 3-dimensionales System Verschiedene spektrale Zusammensetzungen werden vom Menschen als die gleiche Farbe wahrgenommen: Metamerie

Additive Farbmischung Rot Grün Blau Gelb Cyan Magenta Grün + Rot = Gelb #00ff00 + #ff0000 = #ffff00 Blau + Rot = Magenta #0000ff + #ff0000 = #ff00ff Grün + Blau = Cyan #00ff00 + #0000ff = #00ffff

Subtraktive Farbmischung Magenta Farbmischung durch Subtraktion von Weiß (z.B. Papier) Cyan + Magenta = Blau #00ffff + #ff00ff = #0000ff Cyan + Gelb = Grün #00ffff + #ffff00 = #00ff00 Magenta + Gelb = Rot #ff00ff + #ffff00 = #ff0000 Drucker verwenden CMYK zur besseren Darstellung von Schwarz (K = blacK) Cyan Blau Rot Grün Gelb

Wahrnehmung von Farbe I Chromatisch Adaption: die Farbe von Gegenständen wird unabhängig von der Farbtemperatur des Umgebungslichts wahrgenommen Simultankontrast: Farbwahrnehmung hängt von der Farbe der unmittelbar benachbarten Farben ab

Wahrnehmung von Farbe II Sukzessiver Kontrast: Die Anpassung des Auges an eine wahrgenommene Farbe beeinflußt die Farbwahrnehmung der unmittelbar danach betrachteten Farbe Farbgedächtnis: der Farbeindruck bekannter Objekte wird wiederhergestellt: grünes Gras, blauer Himmel

Farbtemperatur Ein schwarzer Strahler (black body radiator) strahlt nach Planck Licht aus, dessen Spektrum nur eine Funktion seiner Temperatur ist. Analog kann die Farbtemperatur selbstleuchtender Objekte in Kelvin angegeben werden: 60 Watt-Glühbirne: ca. 2800 K Weiße Neonlampe: ca. 4400 K Sonnenlicht um 12:00 im Sommer: ca. 5500 K Blauer Phosphor in CRT: ca. 9300 K Unser Auge ist sehr tolerant gegen Fehler im weißen Bereich: In einem abgedunkelten Raum kann hellgelb oder hellblau auf einem Dia als weiß empfunden werden.

Helligkeit, Luminanz Helligkeit: (Physiologischer Begriff): Eigenschaft einer visuellen Empfindung: “Ein Fläche strahlt mehr oder weniger Licht ab.” Intensität: (Physikalischer Begriff) Intensität ist ein Maß für den Energiefluß, der von einer Fläche abgestrahlt wird oder auf eine Fläche auftrifft. (Energie/Fläche) Luminanz: Intensität gewichtet mit der spektralen Lichtempfindlichkeit des menschlichen Auges. Einheit: Candela/m2 Häufig wird Luminanz relativ zu einer Weißreferenz (z.B. Scheinwerfer) angegeben (0-100)

Helligkeitsempfinden Das menschliche Sehen spricht nicht linear auf die Luminanz an: Eine Lichtquelle mit nur 18% der Luminanz einer Referenzlichtquelle wird als halb so hell empfunden Dh. Die Helligkeitswahrnehmung ist ungefähr logarithmisch Helligkeitsunterschiede können bis zu etwa 1% Unterschied wahrgenommen werden Für eine effiziente Kodierung von Helligkeit in z.B. 256 Stufen muß diese Nichtlinearität berücksichtigt werden

Gamma Bei Kathodenstrahlröhren steuern die angelegten Spannungen U die Intensitäten der einzelnen Farbkomponenten; die Beziehung zwischen Spannung und Intensität ist nicht-linear! Die Luminanz L ist proportional zu: mit einem Gamma von ca. 2,5 Da auch die menschliche Wahrnehmung nichtlinear ist heben sich die beiden Effekte ungefähr auf

Luminanzkurve eines Monitors

Gammabestimmung mit Testbild

Farbmodelle: CIE Die Commission Internationale d´Eclairage hat im Jahre 1931 die Aufgabe gelöst, Farbe meßbar zu machen. - nicht Farbpigmente in der Malfarbe oder Leuchtstoffe, sondern die menschliche Wahrnehmung selbst. Farbvergleich Testfarbe - Referenzfarbe aus den drei Komponenten Rot, Grün und Blau Genau definierte Umgebungsbedingungen (Beleuchtung, Farbtemperatur). Neue Farbkoordinaten X, Y, Z von den Referenzlampen unabhängig Y: Helligkeit Grau: X = Y = Z Alle vorkommenden Farben haben positive X, Y, Z

Farbmessung I

Farbmessung II Gesättigte Testfarben sind mit den den RGB-Lampen nicht darstellbar: Überlagerung der Testfarben mit zusätzlichem Licht Beispiel: Kräftiges Rot wird mit 30% Grün und 40% Blau überlagert: R = 90% G = 20% - 30% = -10% B = 35% - 40% = -5%

CIEXYZ

CIELAB CIEXYZ: Farben sind additiv aber nicht empfindungsmäßig gleichabständig CIELAB: Abbildung von CIEXYZ auf ein empfindungsmäßig gleichabständiges System. Keine Additivität

CIELAB L* = Y a* = Balance zwischen Grün und Rot b* = Balance zwischen Blau und Gelb.

Farbmanagementsysteme

Farbmanagement: ICM Ab Windows 98: ICM 2.0 (MacOS: Colorsync seit 1995) Für jedes Gerät (Scanner, Drucker, Monitor) wird ein Farbprofil erstellt (ICC-Profil, Endung: .icm) CIELAB als Basisfarbraum Modellspezifische “Generic Profiles” können durch selbsterstellte Profile ergänzt werden

Farbprofil Scanner Einscannen einer genau definierten Vorlage (Target) mit bekannten Farbwerten Ausmessen der gescannten Farbwerte des Targets Bestimmung einer Kennlinie zur Umrechnung jeder Farbe (z.B. 32 Stützstellen) oder einer Umrechnungstabelle (LUT) Zwischenwerte werden interpoliert

Farbprofil Drucker Separates Farbprofil für jede Papiersorte Ausdruck eines Targets und Scannen mit kalibriertem Scanner Ausmessen des Targets und Vergleich mit dem Original Alternative: Farbmeßgerät mißt Farben des Ausdrucks direkt.

Farbprofil Monitor Farbtemperatur, Helligkeit und Kontrast einstellen Bestimmung von Gamma Die Farbwerte der Phosphorpartikel sind relativ gut bekannt und zeitlich stabil, evtl. ICM-Profil des Hersteller verwenden Alternative: Spezielles Farbmeßgerät für Monitore, Messen an mehreren Stellen um lokale Farbabweichungen zu eliminieren

Gamut Gamut: der Teil des Farbraums der von einem Gerät abgedeckt werden kann Drucker haben eine kleineres Gamut als Monitore und Scanner, daher sind Monitorfarben nicht vollständig auf den Drucker darstellbar

Color Management Module

Umrechnung der Farben Beteiligten Profile werden an die ICM‑Engine (icm32.dll) geschickt. Aus den Profilen wird eine Transmissions-Funktion errechnet Mit der Transmissions-Funktion werden Zieldaten errechnet (Matrix-Operation) Unterschiede im Gamut des Quellgeräts und Zielgeräts müssen ausgeglichen werden (Wiedergabepriorität)

Modi der Farbanpassung Der Rendering Intent bestimmt die Abbildung des Quellgamuts auf den Zielgamut (bei Druckern kleiner als Monitor, Scanner) Sättigung: Kräftige Farben, für die Ausgabe von Charts und Diagrammen. Die farbliche Distanz bleibt erhalten, im Zielfarbraum fehlende Farben werden durch Variation der Helligkeit ersetzt. Relative Farbmetrik: Farben sollen genau erhalten bleiben. Im Zielfarbraum fehlende Farben werden durch vorhandene Farben ersetzt. Der Weißpunkt des Quellfarbraums wird auf den Zielfarbraum verschoben. Für Logos geeignet. Absolute Farbmetrik: Umsetzung auf einen geräteunabhängigen Farbraum. Weißpunkt des Quellfarbraums wird simuliert. Für digitalen Proof Photographisch: Der Quellfarbraum wird komprimiert. Alle Farben werden so umgesetzt, daß die die farbliche Distanz erhalten bleibt aber Farbsättigung geringer. Für die Fotoausgabe geeignet.

Software mit ICM Adobe Photoshop Quark Xpress Postscript Level II

Farbpaletten Im GIF-Format können pro GIF-Datei aus den 16,7 Mio. möglichen Farben des RGB-Farbmodells maximal 256 Farben "ausgesucht" werden. Bei einer solchen Farbauswahl spricht man von einer Farbpalette. Browser Safe Palette: Standardisierte Farbpalette für das Internet. Es sind nur die Werte 00, 33, 66, 99, CC, FF für rot, grün und blau erlaubt. Das ergibt 6x6x6 = 216 Farben. Die restlichen 40 Farben sind für das Betriebssystem reserviert (Fensterfarben). Darstellung ohne Dithering auf 256-Farb-Computern möglich.

Literaturhinweise c`t 2001, Heft 19, S.24 “Zum Anbeißen” Praktische Anwendung des Farbmanagements www.color.org: ICC, International Color Consortium Collour FAQ und Gamma FAQ: http://www.inforamp.net/~poynton/notes/colour_and_gamma/ www.coloraid.de: Programm zur Monitorkalibrierung Rudolph E. Burger: Corlomanagement Springer 1993