V05-Elemente der Bildwahrnehmung - gdv.informatik.uni ... · V. 11 Prof. Dr. Detlef Krömker Institut für Informatik 31 B-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung Hier wird Wissen

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Hier wird Wissen Wirklichkeit

Graphische Datenverarbeitung

Elemente der Bildwahrnehmung

Prof. Dr. Detlef KrömkerInstitut für Informatik

2 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung

Übersicht

1. Licht – physikalisch betrachtet – kurz betrachtet

2. Das visuelle System‣ Aufbau - Bildentstehung - Sehfeld‣ Visuelle Wahrnehmung

3. Ortscharakteristika des visuellen Systems

4. Helligkeitswahrnehmung - Kontrast

5. Farbwahrnehmung

6. Textur-, Tiefen- und Raum- und Bewegungswahrnehmung

7. Weitere Informationen

8. Ausblick



Motivation

‣ Alle Bilder die wir erzeugen, sollen der Kommunikation von und zum Menschen dienen!

‣ Wir müss(t)en das visuelle System kennen, um den Informationstransfer optimal zu gestalten.

‣ Das menschliche visuelle System ist ein entscheidendes Glied in der Kette der Bilderzeugung (am Monitorausgang ist nicht das Ende des Informationsflusses).

2



Ziele

‣ Vermittlung der wichtigsten psycho-physischen Grundlagen, um

‣ technische Bilderzeugungssysteme zu gestalten und‣ bildliche Inhalte zu gestalten.

‣ Problembewußtsein:

Unsere Wahrnehmung ist nicht objektiv!

Das visuelle System ist stark nichtlinear:

keine einfachen Interpolationen oder Extrapolationen von Versuchsergebnissen.



Reiz – Empfindung - Wahrnehmung

Ein äußerer visueller Reiz (Licht) erzeugt beim Menschen eine visuelle

‣ Empfindung (einfache labormäßige Reize) oder

‣ Wahrnehmung (komplexe Reize)



Der ReizPhysikalische Grundlagen: Licht

Licht ist elektromagnetische Strahlung:‣ elektrisches Feld und magnetisches Feld ‣ Maxwellschen Gleichungen: Richtungen des/der

‣ Wellenvektors (=Ausbreitungsrichtung) k ‣ elektrischen Feldstärke E ‣ magnetischen Induktion B

‣ bilden ein rechtwinkliges Dreibein.B

k

E

Polarisations-E.

Schwingungs-E.

Licht, dessen E-Vektor nur in einer Ebene schwingt, heißt linear polarisiert. In diesem Fall nennt man die vom E-Vektor und der Ausbreitungsrichtung k aufgespannte Ebene Schwingungsebene, die von B und k aufgespannte Ebene Polarisationsebene.

3



Visualisierung einer Welle

Wellenlänge λ in m

Am

plitu

de E

entnommen aus Wikipedia

Ausbreitungsrichtung



Eine Welle in einem Diagramm= Darstellung des Spektrums

Die charakterisierenden Eigenschaften einer sinusförmigen Welle kann man übersichtlich in einem Diagramm darstellen, wenn man die Amplitude über der Wellenlänge aufträgt.

400 50 60 70

Wellenlänge λ / nm

0,2

500 600 700

0,4

0,6

0,8

1,0

0,0

Ampl

itude Eine Elementarwelle ist also ein Punkt,

in diesem Diagramm.

Wird meist aber als Linie gezeichnet!

Man nennt dies Linienspektrum.



Die Welt der elektromagnetischen Strahlen Gamma- Röntgen- UV- sichtbares Infrarot Licht Radio-, Fernsehen-strahlen strahlen Licht Licht Wärmestrahlung wellen

Wellenlänge λ

kurzwellig langwellig

Es gibt sehr viele Ausprägungen elektromagnetischer Wellen

Bei sichtbarem Licht:Zu jeder Wellenlänge gehört genau eineSpektralfarbe.

Wir Menschen sehen die Farben des Regenbogens

aber, das sind nicht alle Farben, die wir kennen!

4



Entstehung weiterer Farben

Mischt man (überlagert man) verschiedene Elementarwellen, so sehen wir weitere Farben,

z.B. auch Weiß!

Wellengemische lassen sich durchein Glasprisma auch wiederin Elementarwellen zerlegen!

Wellengemisch,z.B. weißes Licht



Beispiele für kontinuierliche Spektren

400 50 60 70

W ellenlänge λ / nm

0,2

500 600 700

0 ,4

0 ,6

0 ,8

1 ,0

0 ,0

Weißes Licht ist also einWellengemisch, das sehr viele Elementarwellenenthält!

Ideales Spektrum desweißen Lichts (alle Elementarwellen gleich groß,genauer: gleiche Energie)

Reales Spektrum vonweißem Licht, hier ungefähr das der Sonne



Elektromagnetische Strahlung

Monochromatisches (einfarbiges) Licht wird beschrieben durch Angabe der Frequenz ν oder der Wellenlänge λ. Beide Größen sind durch die Beziehung

ν • λ = c

miteinander verknüpft, wobei

c ≈ 3 • 108 m/s

die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts im Vakuum ist.

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UnterscheidungRadiometrie vs. PhotometrieRadiometrie: Physikalische Messung elektromagnetischer Energie, z.B. Betrag der Lichtenergie je Wellenlänge Eλ

Photometrie: psychophysikalische Messung der durch das menschliche visuelle System wahrgenommen Größen, die vom elektromagnetischen Spektrum erzeugt werden.

[ ] λλ λ dEVmcdLnm

nm∫=

740

380

2 )(/

-0,2000

0,0000

0,2000

0,4000

0,6000

0,8000

1,0000

1,2000

350 450 550 650 750 850

CIE V (λ)

Hellempfindungsgrad V(λ)Leuchtdichte LLichtenergie E



Wichtige Einheiten der Photometrie: (mit V (λ) gewichtete Strahlungsmaße)

‣ Lichtstrom luminous flux Lumen [lm]

= Flussgröße (Strahlungsmenge/Zeiteinheit = Energiestrom = Leistungsgröße = Energie/s; in W/s)

‣ Lichtstärke luminance Candela [cd] = lm/sr(luminous intensity)

= Lichtstrom/Raumwinkel: „Gemessene Lichtmenge, die aus einer Richtung (Region) des Raumesabgestrahlt wird.“

‣ Leuchtdichte brightness [cd/m2]= Lichtstärke/Fläche = Lichtstrom / Raumwinkel*Fläche

auch gemessen in 1Stilb = 1sb = 1cd/cm2

1Apostilb = 1asb = 0,3183 cd/m2

1 Lambert = 1L = 104/π cd/m2

1 foot-Lambert = 1fl = 3,426 L

‣ Beleuchtungsstärke illuminance Lux [lx] = lm/m2

1 troland = 1cd / m2 bei 1mm Pupillenöffnung = „Beleuchtungsstärke auf der Netzhaut“

sr = Steradiant ist Einheit des Raumwinkels (4π umfasst alle Richtungen, entspricht der vollen Kugel).

V



Andere Größen und Bezeichnungen

Die Leuchtdichte beschreibt den Reiz (Licht!) aber Helligkeit ist eine Wahrnehmungsgröße

In Farbsystemen wird dies für das (unbunte) Hell-Dunkel-Empfinden (= Weiß – Schwarz) benutzt:

‣ Brightness (= Helligkeit)Entspricht der wahrgenommenen Menge an Licht, das von einer selbstleuchtenden Lichtquelle (z.B. Monitor) ausgeht.

‣ Lightness (= Helligkeit)Entspricht der wahrgenommenen Menge an Licht, das von einer reflektierenden Oberfläche ausgeht.

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Typische Leuchtdichtebereiche

Sonnenoberfläche mittags

UnbedeckterTageshimmel

MonitorbildBequemes Lesen

Untere Grenze für das Farbsehen

Weißes Papier im Mondlicht

Untere Grenze des Sehens

beste Sehschärfe

108

102

1

10-2

106

104

10-4

Leuc

htdi

chte

[cd/

m2 ]

skot

opis

chm

esop

isch

phot

opis

ch

Stä

bche

n-Se

hen

Zapf

en-S

ehen



Typische Beleuchtungsstärken [lx]

104

101

1

10-1

103

102

0,2: Mondlicht auf der Erde

50-100: allgemeine Raumbeleuchtung150: Präzisionsarbeiten

5500: Tageslicht Winter

70000: Tageslicht Sommer



Übersicht

1. Licht – physikalisch betrachtet

2. Das visuelle System


4. Helligkeitswahrnehmung – Kontrast

5. Farbwahrnehmung


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Das visuelle System

Aufbau und Funktion

‣ Auge ‣ Optischer Weg ‣ Retina (Rezeptoren & frühe Verarbeitung)

‣ Sehnerv‣ Sehrinde (visual cortex)



Die Wahrnehmung von Licht

Licht

10% S-RezeptorenB- blaublau

48% M-RezeptorenG- grgrüünn

42% L-RezeptorenR- rotrot

Zapfenmosaik (Farbrezeptoren in der fovea centralis)



Das Auge

Iris: Blendenmechanismus ‣ Teil des Adaptionsmechanismus ‣ 2-8 mm Öffnung

Optisch abbildende Elemente:‣ Hornhaut, Kammerwasser, Linse,

Glaskörper‣ Linse: Akkomodation (Scharfeinstellung)‣ fern: f = 17mm, nah: f = 14mm

Retina (Netzhaut) Rezeptoren -- Sehnerv‣ Gelber Fleck (macula lutea); 2mm ≅ 5o Durchmesser

‣ fovea centralis : Bereich der höchsten Auflösung‣ 0,5mm ≅ 1,5o Durchmesser

Licht

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Aufbau der Retina

Photorezeptoren: 2 Grundtypen‣ Nachtsehen: Stäbchen (rods)

ca. 120 Millionen

‣ Tagsehen: Zapfen (cones) ca. 6 Millionen hauptsächlich in der Fovea Centralis

‣ 3 Zapfensubtypen:‣ L rot (R)‣ M grün(G)‣ S blau(B)






Aufbau der Retina

4 weitere Gruppen von Zellen:

‣ Horizontal-Zellen‣ Erzeugung lokaler

Nachbarschaften

‣ Bipolar-Zellen‣ Summation von Rezeptorimpulsen‣ laterale Hemmung: Reizänderungen, Hochpaß

‣ Amacrin Zellen‣ Temporale Antwort

‣ Ganglien Zellen ‣ Axon (Ausgang) bilden den Sehnerv



Anatomie der visuellen Sehbahnen

‣ Linkes und rechtes Auge

‣ Sehnerven Nervus Opticus(ca. 1Mio. Ganglienzellen)

‣ Kreuzung Chiasma OpticaTractus OpticusCorpus geniculatum lateraleRadiatio Optica

‣ Primärerer visueller Cortex Striate Cortex

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Ganglienzellen

‣ ca. 1 Million: speziellen rezeptiven Feldern zugeordnet:‣ Reizänderungen (Helligkeit, Farbe, Bewegung)

‣ in der Fovea Centralis: Zapfen:Ganglien=1:1‣ kreuzen im Chiasma Optica und enden mit den Synapsen im

‣ Corpus geniculatum laterale: wichtige Vorverarbeitungsleistungen: 2 Zellhaupttypen:

M (groß) P(klein)- nicht wellenlängenselektiv gegenfarbenselektiv- schnell langsamer- hohe Kontrastempfindlichkeit geringere Kontrastempf.- große rezeptive Felder kleinere rezeptive Felder



Visueller Cortex

‣ Brodmann’s area 17, area 18, area 19

‣ area 18 zeigt spezielle Gebiete:

blobs interblobskeine Orientierung orientierungsempfindlichGegenfarben keine Wellenlängenempf.farbempfindlich bei hellempfindlich beigeringen Ortsfrequenzen hohen Ortsfrequenzen



Übersicht

1. Licht – physikalisch betrachtet

2. Das visuelle System


4. Helligkeitswahrnehmung – Kontrast

5. Farbwahrnehmung


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Sehachse (visual axis)

Axis opticus (visual axis) optische Augenachse (= Sehachse)Gerade, durch die Krümmungsmittelpunkte der Hornhaut u. der Linsenflächen u. als Verbindung des Auges zwischen Blickpunkt u. Bildpunkt (d.h. zwischen Zentrum des Sehfeldes (fixiertes Objekt) und der Fovea centralis (Stelle des schärfsten Sehens); auf ihr liegen die Hauptknoten- u. Brennpunkte des abbildenden Systems.

weicht leicht von der Augapfelachse (Axis bulbi) (anatomische Achse)

Fovea centralis



Sehwinkel (Visual Angle) und Dioptrien

Wenn d und r in Meter angegeben werden, dann wird 1/f in Dioptrien dpt gemessen.

Näherung: Frontkrümmung der Linse ca. 40 dptca 19 dpt von der variablen Linse

Akkomodationsbandbreite D: bei Kindern ca. 12 dptbei 60-jährigen fast 0 dpt

fernnah ffD

fff

LinsenVerbundene

rdf

LinseacheE

d

h

11

111

111inf

22

tan

123

−=

+=

+=

=α

Sehwinkel

h

d

r

V



Tiefenschärfe

unendlich1,5 m3 m6,0 m1,2 m2 m1,5 m75 cm 1m60 cm43 cm50 cm

FernNahAbstand

Bei d=3 mm Pupillenöffnungund 1/3 dpt Tiefenschärfewertgilt folgendes Intervall ⎥⎦

⎤⎢⎣⎡

−−

+ 33,

33

dd

dd

V

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Gesichtsfeld - Blickfeld

Das Gesichtsfeld ist der Bereich den wir mit beiden Augen gleichzeitig überblicken können, ohne die Augen zu bewegen.

Bei Bewegung der Augen (aber nicht des Kopfes) spricht man von Blickfeld



Gesichtsfeld (field of view/vision) FOV

visual field oder auch range of vision

bezeichnet den Raum, der mit einem oder zwei Augen ohne Augenbewegungen überblickt wird.

Bei einem Erwachsenen beträgt

‣ das horizontale Gesichtsfelds beider Augen zusammen etwa 180°,

‣ die vertikale aber nur etwa 110°,

wobei man am Rand (allseits ~10°) nur mehr bewegte Objekte wahrnimmt.



Gesichtsfeld

Ein typischer Monitor reizt nur 5-10% des visuellen Sehfeldes, doch dieses entspricht ca. 50% der visuellen Verarbeitungsleistung.

Monitor in 50 cm Abstand und Bildbreite = 40 cm

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Gesichtsfeld für die einzelnen Farben

‣



Binokulares Gesichtsfeld = GesamtbildIn den Augen entspricht es dem Bereich der auf der ganzen Netzhaut abgebildet werden kann.

Die Netzhaut ist an verschiedenen Stellen unterschiedlich leistungsfähig können wir in den verschiedenen Bereichen des Gesichtsfeldes unterschiedlich gut sehen.

Wenn wir z.B. im Auto sitzen, können wir gut erkennen wer genau vor uns fährt. Kommt ein Auto von der Seite können wir das zwar mitbekommen aber richtig scharf (d.h. was ist das für ein Auto? Wer sitzt darin ?) sehen wir es erst, wenn wir den Kopf wenden und es genau anschauen.

Dieser leistungsfähigste Sehbereich innerhalb des Gesichtsfeldesbeträgt nur etwa 1,50.

Nur die Fovea leistet 100%. Zum Rande der Makula fällt das Sehen schon auf 30% ab und außerhalb ist es noch weniger.

Durch schnelle Augenbewegungen (Sakkaden) entsteht der Eindruck eines größeren scharfen Bereichs Blickfeld.



Augenbewegungen

7 verschiedene Formen:

4 große und 3 kleine

„keine Bewegung“ = Fixation (die fokussierte Stelle im Raum nennt man Fixationspunkt), hier findet die Informationsaufnahme statt.

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Große Augenbewegungen:

‣ Vergenz bezeichnet das Gegeneinanderneigen der Blickachsen um Objekte unterschiedlicher Entfernung zu fixieren; im Volksmund ist eine besonders starke Vergenz besser als "Schielen" bekannt.

‣ Vestibuläre Augenbewegungen dienen dazu, einen Fixationspunkt zu halten, obwohl sich der Kopf oder auch der ganze Körper davon wegdrehen.

‣ Als Sakkade oder auch Sakkadensprung bezeichnet man die schnelle und ruckhafte Bewegung, mit der ein Auge bewusst von einem Fixationspunkt zum nächsten bewegt wird.

‣ Eine ganze Kette von Fixationen und Saccaden bildet die als Verfolgung bezeichnete Bewegung. Bei dieser folgt der Blick einem beweglichen Objekt, indem sich Fixationen und Saccaden abwechseln. Diese Verfolgungsbewegungen bestimmen das menschliche Sehverhalten sehr stark.



Sakkadische Augenbewegung

‣ Diese haben das Ziel möglichst weite Teile des Blickfeldesauf die Fovea abzubilden.

‣ Die Größe der Sakkadenschwankt zwischen 4’ und 15°bei ca. 2 Sakkaden pro Sekunde und erreichenWinkelgeschwindigkeiten von mehreren hundert Grad/sec.,und

‣ sind damit die schnellsten Bewegungen, die unserKörper machen kann.



Fixationspunkte und Sakkaden

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Kleine Augenbewegungen

Während der Fixationsphasen (vermeintlichen Ruhephasen) treten drei sogenannte kleine oder auch unbewusste Augenbewegungen auf:

Der Nystagmus ist eine beständige leichte Zitterbewegung ("Tremor") des gesamten Auges. Er dient dazu, die Funktion der visuellen Rezeptoren der Netzhaut aufrecht zu erhalten, da er das einfallende Bild ständig leicht variiert.

Durch ungenügende Kontrolle des Okulomotors, des aus Muskeln bestehenden Bewegungsapparates des Auges, kommt es gelegentlich zur Drift, d.h. das Auge verliert ungewollt seinen Fixationspunkt.

Diese Drift wird durch Mikrosakkaden wieder ausgeglichen: sobald das Abdriften bemerkt wird, wird das Auge durch eine kurze, ruckhafte Bewegung wieder auf den Fixationspunkt eingestellt.



Blickfeld << GesichtsfeldAls Blickfeld oder Fixierfeld bezeichnet man den Sehbereich, der alle nur mit

Augenbewegungen bei ruhendem Kopf nacheinander fixierbaren Sehobjekte (bspw. Punkte) enthält. Das Blickfeld wird klassifiziert nach

‣ Richtung (horizontal, vertikal), ‣ Augenanzahl (monokular, binokular und multiokular bei einigen Tieren und

Maschinen), ‣ ergonomischer Qualität (optimal = minimal belastent, maximal).

Das in Versuchen mit fixiertem Kopf ermittelte Blickfeld deckt sich nicht mit dem in der Praxis auftretenden, da dort frühzeitig (unbewusste) Kopfbewegungen einsetzen.

Binokulares menschliches Blickfeldhorizontal vertikal

optimal ±9° – ±10° +25°, −35°maximal ±30°+30°, −45° (−70° geschielt)

(Vertikal positiv ist oben, negativ unten.)



Blickfeld (Fixierfeld, Cone of fixations)beim binokulare Sehen

± 100 optimal

± 300 maximal

+ 250 optimal

- 350 optimal

- 450 maximal

+ 350 maximal

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Eigenschaften eines „optimalen Displays“‣ In der fovea centralis: Zapfendichte von ca. 180/Grad = 3/Winkelminute.

‣ Anpassung hieran bedeutete: 420*180/Grad 7500*7500 Pixel (ohne Beachtung des Noniussehens)

‣ Bei Monitoren liegen wir deutlich darunter keine optimal aufgelöste Bilddarstellung möglichum Treppenstufen weniger deutlich zu machen: Antialiasing nötig

‣ Zum Vergleich:Bei Laserprintern auf Papier: Betrachtungsabstand 25 cm 1200 dots /inch = 460 dots/cm heute üblich, d.h. 460 dots/2,5 Grad = 200/Grad ist optimal angepasst



Eigenschaften des Monitorbildes

‣ Typisches CRT oder auch LCD-Display nur ca. 72 dpi ... 96 dpi:‣ Probleme mit feineren Strukturen Aliasing‣ Pixel Struktur oder Phosphor-Muster + Lochmaske können

zusätzliche Effekte erzeugen

‣ Für 3D-Szenen fehlt die Notwendigkeit zur Fokussierung Fehleinschätzungen der Raumtiefe

‣ Zeitliche Anforderungen besprechen wir später



Helligkeit‣ Helligkeit brightness

Entspricht der wahrgenommenen Menge an Licht, das von einer selbstleuchtenden Lichtquelle (z.B. Monitor) ausgeht.

‣ Helligkeit lightnessEntspricht der wahrgenommenen Menge an Licht, das von einer reflektierenden Oberfläche ausgeht.

‣ ist keine absolute Wahrnehmungsgröße:‣ abhängig von:

‣ Reizstärke (Leuchtdichte)‣ Leuchtdichte zuvor --> ADAPTION‣ Leuchtdichte in der Umgebung‣ Größe (Fläche) des Reizes

ist eine (stark) subjektive Größe

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Wahrnehmungscharakteristika von Helligkeit

‣ Helligkeit‣ sehr wichtige Empfindungsgröße fürs Formensehen, Objektsehen,

...‣ Kontrast = Hell-Dunkel-Unterschied muss groß genug sein, um

wahrgenommen zu werden; minimal ca. 0,8% (Weber) ‣ für kleine Details mindestens 3:1

(besser 10:1 nach ISO 9241, part 3 fürs Text lesen)‣ hängt von der Größe, der Form der Objekte, der Farbe und der

Umgebungshelligkeit ab!‣ Viele Effekte!



Erste Demonstration: Simultankontrast



Simultankontrast 2

128 192

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Definition KONTRASTReiz-Verhältnis

‣ verschiedene Definitionen üblich

‣ (auch Modulationsgrad m)

minmax

minmax

RRRRkm

+−

==

desHintergrun des teLeuchtdichnd-)Reizes(Vordergru des teLeuchtdich

==

Δ=

−=

H

R

HH

HR

RRmit

RR

RRRK

R: Leuchtdichte, z.B. in cd/m2



Helligkeits-UnterschiedsschwelleSchwellenkontrast

‣ Bestimmbar z.B. durch MASSON-ScheibeRing Schwarzanteil %

von außen1 0,48 unsichtbar2 0,60 3 0,79 Schwelle4 1,195 2,38 deutlich sichtbar

‣ bei mittleren Leuchtdichten (10-1000 cd/m2) ist diese Schwelle konstant: ca. 0,8 % (Webersches Gesetz)

JND just noticable differencewir können maximal 1/0,008 = 125 verschiedene Grauwerte gleichzeitig wahrnehmen; tatsächlich noch etwas weniger, ca. 60-80aber, wir finden starke individuelle Unterschiedekleinere Leuchtdichten: de Vries-Rose-Gesetz



Weber-Fechnersches GesetzStevensches Gesetz

R: ReizintensitätL: Hellempfindungsstärke‣ Webersches Gesetz, 1834

(Schwelle)

‣ Fechnersches Gesetz

‣ Stevensches Gesetz,1975(State-of-the-Art)

.constRRL =

Δ=Δ

RcL log1 ⋅=

Reize visuelle für L E

(Licht) 31

32

2

Rc

kRcE k

⋅==

=⋅=

Gilt, wie das Fechnersche Gesetz, auch für andere Sinnesmodalitätenk=2,13(Schmerz); =0,96 (Wärme); = 0,4 (Schall); usw.

RcRcLR

dRcdLconstRRLBeachte logln.: 1=⋅=⇒=⇒=

Δ=Δ

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Helligkeit

Gar nicht so einfache Fragen:‣ Was ist weiß?‣ Was ist schwarz?‣ Was ist ein mittleres Grau?

Einige Effekte:‣ Simultankontrast‣ Hermann Grid Illusion‣ Mach-Bänder‣ Chevreul Illusion



Simultankontrast 3

(128,128,128)

(185,185,185)

Reiz

Empfindung



Mach Bänder

Ergebnis einer bi-linearen Interpolation (Mitte weiß – Rand schwarz)(z.B. nach Gouraud … wird uns noch Probleme bereiten)Helle Bänder erscheinen dort, wo die 1. Ableitung eine unstetige Änderung aufweißt.

Profil

Reiz

Empfindung

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Chevreul Illusion

Die Streifen sind jeweils gleich hell;sie erscheinen jeweils am linken Rand dunkler als am rechten Rand.



Analyse:Simultankontrast - Hermann Grid Illusion Mach-Bänder - Chevreul Illusion

‣ Effekte des „frühen Sehens“ (Retina, erste verarbeitende Nervenzellen)‣ Antwort eines Rezeptiven Feldes:

DOG (Difference of Gaussians) Modell‣ Basis für die Kanten- und Konturerkennung



Ein weiterer EffektKontrastverstärkung

Differenzen werden umso stärker wahrgenommen, je näher sie an der Hintergrundhelligkeit liegen.

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Größeneinschätzung hängt von der Helligkeit ab!Das weiße Rechteck wirkt gegenüber dem schwarzen länger.



Achtung: Visueller Stress

Großflächige sich wiederholende Blitze oder Streifenmuster mit z.B. 3 Zyklen / Grad und Flickerraten von 20 Hz lösen bei fast allen Betrachtern visuellen Stress aus, bis hin zu krampfartigen Anfällen

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Übersicht

1. Licht – physikalisch betrachtet2. Das visuelle System3. Helligkeitswahrnehmung - Kontrast4. Ortscharakteristikades visuellen Systems5. Farbwahrnehmung6. Textur-, Tiefen- und Raum- und Bewegungswahrnehmung



Erkennung kleiner Details‣ Begrenzt durch

‣ optische Eigenschaften des Auges, insbesondere Beugungserscheinungen‣ Abtastung durch Rezeptoren

(hier insbesondere die Zapfengröße)‣ nervöse Verarbeitung, u.a. Zahl der Nervenfasern

‣ Maß: Kontrastempfindlichkeit = 1/k (1/K) (contrast sensitivity)Kehrwert eines Schwellenkontrastes Schwellenkontrast z.B. als Funktion der Ortsfrequenz

Contrast Sensitivity Function

© Detlef Krömker

CSF



CSFContrast Sensitivity Function - Schwellenkontrast

Bedeutung: Kurve ist Wahrnehmungsgrenze (Schwellenkontrast): Raumfrequenzen unter der Kurve sind wahrnehmbar!

Beschreiben das räumliche Auflösungsvermögen des menschlichen Auges!

Reizmuster unterhalb der Kurve sind erkennbar!

Die Kurve repräsentiert den Schwellenkontrast! Oft gemessen mit Sinusförmigen Gittern, aber auch

Recheck, etc. nur geringe Unterschiedefeststellbar

Beachte: logarithmisch skalierte Ordinate und Abszisse Ordinate invertiert (unten hohe Modulation =1)In hellen Umgebungen:

Maximum bei 5-8 Linienpaaren/Grad

für räumliche Gitter verschiedenerOrtsfrequenzenParameter: Beleuchtungsstärke in Troland

= Leuchtdichte in cd/m2 bei 1 mmPupillenöffnung

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CSF für farbige Gitter

Achtung: Bilder in den Folien sind natürlich nicht kalibriert.Aus: Heinwig Lang: Farbwiedergabe in den Medien

Auch absolut gibt es Unterschiede, grob:s-w: 3 r-g: 1,5 b-g: 1Bedeutend für technische Farbreproduktionen:Druck, Fernsehen, Kompression undBild/Video-kompression



Die CSF (contrast sensitivity function)

‣ ist die MTF des Visuellen SystemsMTF: Modulationstransferfunktion

‣ Übliche Approximation (normalisiert):

© Detlef Krömker

H u v H A e

mit A

p( , ) ( )

, ; , ; , ; ,

= = +⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

⎡

⎣⎢

⎤

⎦⎥ ⋅

= = = =

−⎛⎝⎜

⎞⎠⎟

ρ α ρρ

α ρ β

ρρ

β

0

0

0

2 6 0 0192 8 772 11



Bildschärfenbestimmung in der Praxis

Von links nach rechts: Daumenregel:‣ Punktsehschärfe ca. 1‘ 1cm Objekt in‣ Rastersehschärfe ca. 1‘-2‘ vgl. CSF 57 cm Abstand = 10

‣ Liniensehschärfe ca. 30‘‘‣ Doppellinien ca. 30‘‘‣ Vernier Sehschärfe

Nonius Sehschärfe 5‘‘-7‘‘‣ Snellen-Optotypen 30‘‘ (5‘ Buchstabengröße)‣ Landolt-Ringe 30‘‘

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Übersicht

1. Licht – physikalisch betrachtet2. Das visuelle System3. Reiz, Erregung – Empfindung, Wahrnehmung4. Helligkeitswahrnehmung - Kontrast5. Ortscharakteristika des visuellen Systems6. Farbwahrnehmung7. Textur-, Tiefen- und Raum- und Bewegungswahrnehmung



FarbeEtwas Historisches

Seit Jahrhunderten beschäftigen sich Physiker, Physiologen, Psychologen, Philosophen mit dem

Phänomen “Farbe”

Jedoch:Bis heute ist dieses Wahrnehmungsphänomen nicht vollständig

verstanden und durchdrungen.



Meilensteine der Entwicklung‣ Newton (1666-1672): Dispersion (Farbzerstreuung des Lichtes); additive Mischung‣ Goethe: “naturgemäße Ordnung” der Farben

“Auf alles was ich als Poet geleistet habe, bilde ich mir garnichts ein. ... Daßich aber in meinem Jahrhundert der einzige bin, der das Rechte weiß, darauf tue ich mir etwas zugute, und ich habe daher ein Bewußtsein der Superiorität über viele.”

‣ Young, Maxwell, Helmholz: FarbenmischapparateHypothese der Dreidimensionalität der Farbe

‣ Grassmann (1853): Grassmannsche Gesetze

© Detlef Krömker

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Farbwahrnehmung: Reiz vs. Empfindung

‣ Reiz: elektromagnetische Strahlung

‣ Empfindung / Wahrnehmung(Helligkeit -- Farbton (hue) -- Sättigung saturation)

Spektralfarben verschieden verschieden voll gesättigtsind hell: V(λ) siehe oben

10-12 10-10 10-8 10-6 10-4 10-2 1 102

400 500 600 700violett blau grün gelb orange rot

λ [nm]



Wie entstehen Farbreize?Wie werden sie beschrieben?‣ Emmission (Lichtquellen)

irradianceEmmissionsspektren+ additive Farbmischung

‣ Reflektion (Körperfarben)reflectiondurch Absorption oder Interferenz

Reflektionsspektren + subtraktive Farbmischung

‣ Transmission (Filter aus Glas, Gelantine, etc.)transmittancedurch Absorption oder Interferenz

Transmissionsspektren + multiplikative Farbmischung

SonnenspektrumNASA-Standard



Farbwahrnehmung

‣ Retinale Prozesse‣ Rezeptoren: drei Zapfenarten

‣ Sehnerv (Ganglienzellen)‣ Helligkeit & Gegenfarben: (Rot-Grün),(Blau-Gelb)

‣ Empfindung / Wahrnehmung‣ Farbton (hue): Farbkreis (rot-gelb-grün-blau)‣ Helligkeit (brightness): hell - dunkel‣ Sättigung (saturation): Grad der “Farbigkeit”

© Detlef Krömker

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Zapfenmosaik in der Fovea Centralis






Grundspektralwertkurven des trichromatischenMenschen

Drei Zapfenarten: hier mit T, D, P bezeichnet … auch üblich S, M, L

Abgeleitet aus z.B. Absortionsmessungen operativ entfernter NetzhäuteUntersuchungen der Farbfehl-sichtigkeiten (Ausfall eines

oder mehrerer Rezeptoren)Aber: viele Unsicherheiten in den Messungen

hier zusätzlich gestrichelt die V(λ)-Kurve eingezeichnet



Fähigkeit zum FarbensehenDie Fähigkeit der Unterscheidung von Farben beruht darauf, dass die Photorezeptoren (Zapfen) Pigmente mit

unterschiedlichen Absorptionseigenschaften enthalten. Sowohl Linsen- als auch Komplexaugen enthalten Photorezeptoren, deren Pigmente (Rhodopsin) diskrete Absorptionmaxima aufweisen. Die Fähigkeit der Farbenwahrnehmung wird meist durch Dressurversuche untersucht.

verschiedene KäferFliegenKrebse

StabheuschreckenAmphibienSepia

KaninchenReptilienFische

HundeHuftiereVögel

Bienen, Schmetterlinge

HalbaffenMäuseSchimpansen, Rhesusaffen, Paviane,...

Ratten Katzen Menschen

Farbenblind scheinen zu seinFarbensehen ist auf ein en-geres Spektrum beschränkt

Gutes Farbensehen

aus http://www.farbe.com/

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Farbrezeption beim MenschenDas Auge des Menschen verfügt über drei Arten von Zapfen-Photorezeptoren mit jeweils einem charakteristischen Absorptionsmaximum: Blaurezeptoren (max. 419 nm), Grünrezeptoren (max. 531 nm) und Rotrezeptoren (max. 559 nm). Wenn alle drei Zapfentypen gleich stark stimuliert werden, wird das Licht als unbunt (weiß) empfunden Farbwahrnehmung entsteht bei ungleicher Lichtabsorption durch die drei Zapfenarten.Das Absorptionsspektrum der hochempfindlichen, aber nicht am Farbensehen beteiligten Stäbchen ist gestrichelt dargestellt (max. 496 nm).




Farbrezeption bei der Biene

Die Absorptionsspektren der drei Typen von Photorezeptoren der Biene sind gegenüber dem Menschen zum kurzwelligen Licht hin verschoben: UV- Rezeptoren (max. 340 nm), Blaurezeptoren (440 nm) und Grünrezeptoren (540 nm). Die Biene ist also in der Lage, UV-Licht wahrzunehmen, zeigt aber nur eine geringe Empfindlichkeit für rotes Licht. Aus den drei Spektren kann man einen Eindruck derFarbwahrnehmung der Biene gewinnen. Die UV-Wahrnehmung bei Insekten ist auch die Voraussetzung für das Polarisationssehen.




Farbrezeption bei FischenViele Fische besitzen vier Photorezeptortypen, die einen weiten Wellenlängenbereich überspannen. Hier gezeigt sind die Absorptionsspektren der Plötze (Rutilus rutilus):UV-Rezeptoren (max. 360 nm), Blaurezeptoren (max. 450 nm), Grünrezeptoren (max. 530 nm) und Rotrezeptoren (max. 620 nm). Farbwahrnehmung mit vier Rezeptortypen (tetrachromatisches Sehen) ist auch bei vielen Tagvögeln nachgewiesen.


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Evolutionshypothesen

‣ Auf der Basis des Stammbaums des Menschen:‣ Ältester Unterschied: Stäbchen und Zapfen

‣ Stäbchen: Nachtsehen‣ Zapfen: Tagsehen ‣ „Urzapfen“: Empfindlichkeit wie Sonnenspektrum (M-Typ)

‣ Spätere Entwicklungsstufe: Zweite Zapfenart (S-Typ)Dichromat

‣ weiterer Schritt: M-Typ spaltet sich in M-Typ und L-TypTrichromat

Ende der Evolution? Es gibt Hinweise durch Farbanomalien, dass bei manchen Frauen 4 Zapfentypen vorliegen!



„Frühe Berechnung“von GegenfarbenkomponentenEin einfaches Modell

‣ Spektrale Empfindlichkeit der Zapfen‣ Einfaches Modell für Gegenfarben:

‣ Folgerung: physiologisch sind Farbmodelle mit drei Dimensionen (Grundfarben) zu rechtfertigen, aber auch Gegenfarbmodelle mit den Komponenten:

Helligkeit, Rot-Grün, Blau-Gelb Dimensionen … aber immer drei Dimensionen.

L

M

S

+

_

_

L-M

L+M

S-(L+M)

Luminanz

Chrominanz (rot-grün)

Chrominanz (blau-gelb)



Signalverarbeitung in den Photorezeptoren Eine Darstellung der Biochemie der Photorezeptoren von Stephan Frings und Dieter Grammig finden Sie unter:

http://www.zoologie-skript.de/photor/phorein.htm

oder eine Kopie lokal auf diesem Serverhttp://www.cg.uni-frankfurt.de/ ...ERGÄNZEN.index.htm

V

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Wichtige Farbwahrnehmungseffekte

‣ Bezold-Brücke Effekt:Farbtonverschiebung bei Veränderung der Helligkeit

‣ Helmholz-Kohlrausch EffektFarbiges Licht erscheint “heller” trotz gleicher Luminanz

‣ Abney EffektAddition weißen Lichts erzeugt Farbtonverschiebungen

‣ Farbstereoskopie ...

© Detlef Krömker

E

E

E

EDas kleine E wirkt auf dem dunklen Hintergrund dunkler als das große E. Farbe des großen E wirkt „reiner“.

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Auf rotem Grund erscheint der graue Ring grünlich – auf grünem Grund dagegen rötlich (Simultankontrast)



FarbstereoskopieWo ist dieser

Text?Wo ist dieser

Text?

30

Erklärung

© Detlef Krömker



Farbfehlsichtigkeit

‣ Farbe wird nicht von allen Menschen gleich empfunden.‣ 7-8% der männlichen und 0,4% der weiblichen Bevölkerung haben

abgeschwächte Farbunterscheidung‣ Oft nur bei kleinen Sehwinkeln < 20 deutlich viele Betroffene wissen

nichts von ihrer Sehschwäche



Farbfehlsichtigkeit

Testverfahren: Ishihara-Test oderFarnsworth Munsell 100 Hue Test

Anomale Trichromasie(gestörtes Dreifarbsehen)

Dichromasie(Zweifarbsehen)

Monochromasie(Farbblind, 0,003%)

Protanomalie(Rotschwäche)

ca. 1%

Deuteranomalie(Grünschwäche)

5-6%

Tritanomalie(Blau-Gelb.Schwäche)

0,004%

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Auswirkungen von Farbanomalien

Original

Auswirkung derProtanopie

(Rotschwäche)

Auswirkung derDeuteranopie(Grünschwäche)

Auswirkung derTritanopie

(Blau-Gelb-Schwäche)



Übersicht

1. Licht – physikalisch betrachtet2. Das visuelle System3. Reiz, Erregung – Empfindung, Wahrnehmung4. Helligkeitswahrnehmung - Kontrast5. Ortscharakteristikades visuellen Systems6. Farbwahrnehmung7. Textur-, Tiefen- und Raum- und Bewegungswahrnehmung



Andere Wahrnehmungsprimitive

Texturwahrnehmung

Tiefen- und Raumwahrnehmung

Bewegungswahrnehmung

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Texturwahrnehmung

‣ Textur wird visuell spontan als strukturiertes, jedoch noch einheitliches Gebiet wahrgenommen

‣ Beispiele: Baumrinde, Furnier, Haut, Rauhfasertapete...

V



Texturen

Ähnlichkeitsklassifikation von Texturen nach:‣ Gröbe (coarsness) ‣ Kontrast (contrast)‣ Rauhigkeit (roughness)‣ Gerichtetheit (directionnality)‣ Linienartigkeit (line-likeness)‣ Regelmäßigkeit (regularity)

Orientierung

Komplexität

V



Tiefen- und RaumwahrnehmungÜbersicht der Einzelfaktoren

Binokulare Faktoren Monokulare Faktoren

Konvergenz Binokulare Bewegungs- Bildliche Disparität faktoren Faktoren

Bewegungs- Kinetischeparalaxe Faktoren

Relative Größe Schattenwurf Orientierung TexturgradientVerdeckung Schattierung Elevation

Athmosphärische Perspektive Farbe Lineare Perspektive

V

33



Zeitaspekte

Zwei Grundsätzlich verschiedene Effekte unterscheiden:‣ Flimmern

Impulsanregung CFF (Critical Fusion Frequency)siehe Displays (später)

‣ BewegungskontinuitätStark unterschiedliche SchwellwerteUnter Normalbedingungen:Flimmern > 50 Hz ... 80 Hz (Helligkeit)Bewegungskontinuität > 8 ... 50 Hz

Bewegungswahrnehmung

‣ Im Gegensatz zur Flimmerwahrnehmung (CFF) ist die Bewegungswahrnehmung eine “höhere” (zentrale) Eigenschaft (Wertheimer, 1912): basiert auf Erfahrung und Konsistenz der Einzelereignisse: “best fit”.

‣ Minimal notwendige Bildfrequenz (Update-frequenz) zur Wahrnehmung kontinuierlicher Veränderungen (ohne Artifakte: ruckeln, zappeln) ist situations-und bildabhängig: 8 ... >50 Hz

Bewegung ist eine eigenständige Wahrnehmungsqualität



Zusammenfassung

‣ Eine ganze Reihe von Faktoren beeinflussen die Bildwahrnehmung‣ Bei einer optimalen (menschorientierten) Auslegung Graphischer

Systeme müssen diese immer wieder beachtet werden.‣ Wir kommen noch häufiger darauf zurück.

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Weitere Informationen‣ Heidrun Schuhmann, Wolfgang Müller: Visualisierung, Springer 2000.

Stellen auf ca. 60 Seiten die wichtigsten Grundlagen der visuellen Wahrnehmung vor. ‣ Heinwieg Lang: Farbwiedergabe in den Medien, Muster-Schmidt Verlag, Göttingen, Zürich 1995

‣ als Handbuch Wiszecki, Stiles: Color Science - Concepts and Methods, Quantitative Data and Formulae -

John Wiley and Sons, second Edition 1982 (2000)‣ Yvonne Tritschler: Skript: Allgemeine Psychologie, insbesondere Teil C: Wahrnehmung als Download auf

diesem Server:http://www.gdv.cs.uni-frankfurt.de/... ERGÄNZEN



Ausblick – Nächste Schritte

‣ Repräsentationen von Farbe im Rechner‣ Farbmischprinzipien‣ Messen von Farben (Farbmetrik, Colorimetrie)

‣ CIE XYZ, Yxy, ... Weiterentwicklungen (empfindungsmäßig gleichabständig):L*a*b*, L*u*v*, ... Farbrepräsentationen im Rechner und in Videosystemen:

RGB, CMYK, HLS, ... ; RGB,YUV,YIQ,YCRCB, ...‣ Farbkalibrierung von Monitordarstellungen



Anhang:Spektrum des Sonnenlichtes

zu verschiedenen TageszeitenParameter: Farbtemperatur (später)

mit höherer spektraler Auflösung:Fraunhofer Linien werden sichtbar

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Weitere Beispiele von Emmissionsspektren

Halogenlampe

Leuchtstofflampen1: Warmton, 2: weiß, 3: kalt-weiß, 4:

Tageslicht

LeuchtdiodeWelche Farbe?



Reflektionskurven



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