Farbdarstellungsmodell

Ein Farbdarstellungsmodell (abgekürzt: CAM ) ist ein mathematisches Modell, das versucht, die Wahrnehmungsaspekte des menschlichen Farbsehens zu beschreiben, dh Betrachtungsbedingungen, unter denen das Auftreten einer Farbe nicht mit der entsprechenden physikalischen Messung der Reizquelle übereinstimmt. (Im Gegensatz dazu definiert ein Farbmodell einen Koordinatenraum zur Beschreibung von Farben, z. B. die RGB- und CMYK-Farbmodelle.)

Farbe Aussehen
Farbe entsteht im Kopf des Betrachters; “Objektiv” gibt es nur die spektrale Kraftverteilung des Lichts, die auf das Auge trifft. In diesem Sinne ist jede Farbwahrnehmung subjektiv. Es wurden jedoch erfolgreiche Versuche unternommen, die spektrale Energieverteilung von Licht auf die menschliche sensorische Reaktion quantifizierbar abzubilden. Im Jahr 1931 schuf die Internationale Beleuchtungskommission (CIE) mit psychophysischen Messungen den XYZ-Farbraum, der das menschliche Farbsehen auf dieser sensorischen Grundstufe erfolgreich modelliert.

Das XYZ-Farbmodell setzt jedoch bestimmte Betrachtungsbedingungen voraus (wie zum Beispiel den Retinalort der Stimulation, den Leuchtdichtepegel des auftreffenden Lichts, den Hintergrund hinter dem beobachteten Objekt und den Leuchtdichtepegel des Umgebungslichts). Nur wenn alle diese Bedingungen konstant bleiben, erzeugen zwei identische Reize mit dadurch identischen XYZ-Farbwerten für einen menschlichen Beobachter eine identische Farbdarstellung. Wenn sich in einem Fall einige Bedingungen ändern, erzeugen zwei identische Stimuli mit dadurch identischen XYZ-Farbwerten unterschiedliche Farbeindrücke (und umgekehrt: zwei unterschiedliche Stimuli mit dadurch unterschiedlichen XYZ-Farbwerten können eine identische Farbdarstellung erzeugen).

Wenn sich die Betrachtungsbedingungen ändern, ist das XYZ-Farbmodell daher nicht ausreichend und ein Farbdarstellungsmodell ist erforderlich, um die menschliche Farbwahrnehmung zu modellieren.

Farbe Aussehen Parameter
Die grundlegende Herausforderung für jedes Farbausdrucksmodell besteht darin, dass die menschliche Farbwahrnehmung nicht in Bezug auf die XYZ-Farbwerte funktioniert, sondern in Bezug auf die Aussehensparameter (Farbton, Helligkeit, Helligkeit, Chroma, Farbigkeit und Sättigung). Daher muss jedes Farbdarstellungsmodell Transformationen (die Betrachtungsbedingungen berücksichtigen) von den XYZ-Farbwertwerten zu diesen Erscheinungsbildparametern (zumindest Farbton, Helligkeit und Farbsättigung) bereitstellen.

Phänomene der Farbdarstellung
In diesem Abschnitt werden einige Phänomene des Erscheinungsbildes der Farben beschrieben, mit denen die Modelle für die Farbdarstellung umgehen sollen.

Chromatische Anpassung
Chromatische Anpassung beschreibt die Fähigkeit der menschlichen Farbwahrnehmung, von dem Weißpunkt (oder der Farbtemperatur) der Beleuchtungslichtquelle zu abstrahieren, wenn ein reflektierendes Objekt beobachtet wird. Für das menschliche Auge sieht ein Stück weißes Papier weiß aus, egal ob die Beleuchtung bläulich oder gelblich ist. Dies ist das grundlegendste und wichtigste Phänomen bei der Farbdarstellung, und daher ist eine chromatische Anpassungstransformation (CAT), die versucht, dieses Verhalten zu emulieren, eine zentrale Komponente jedes Farbaussehensmodells.

Dies ermöglicht eine einfache Unterscheidung zwischen einfachen tristimulus-basierten Farbmodellen und Farbdarstellungsmodellen. Ein einfaches Farbmodell auf Tristimulus-Basis ignoriert den Weißpunkt des Leuchtmittels, wenn es die Oberflächenfarbe eines beleuchteten Objekts beschreibt. wenn sich der Weißpunkt des Leuchtmittels ändert, ändert sich auch die Farbe der Oberfläche, wie sie durch das einfache Farbmodell auf Tristimulus-Basis dargestellt wird. Im Gegensatz dazu berücksichtigt ein Farberscheinungsmodell den Weißpunkt des Leuchtmittels (weshalb ein Farbaussehensmodell diesen Wert für seine Berechnungen benötigt); Wenn sich der Weißpunkt des Leuchtmittels ändert, bleibt die Farbe der Oberfläche, wie sie vom Farbaussehensmodell berichtet wird, gleich.

Die chromatische Adaption ist ein Paradebeispiel für den Fall, dass zwei unterschiedliche Reize mit unterschiedlichen XYZ-Farbwerten eine identische Farbdarstellung erzeugen. Wenn sich die Farbtemperatur der beleuchtenden Lichtquelle ändert, ändert sich auch die spektrale Leistungsverteilung und damit die XYZ-Farbwerte des vom weißen Papier reflektierten Lichts; das Aussehen der Farbe bleibt jedoch gleich (weiß).

Farbton Aussehen
Mehrere Effekte verändern die Wahrnehmung des Farbtons durch einen menschlichen Beobachter:

Bezold-Brücke Farbtonverschiebung: Der Farbton von monochromatischem Licht ändert sich mit der Leuchtdichte.
Abye-Effekt: Der Farbton von monochromatischem Licht ändert sich mit der Zugabe von weißem Licht (was farbneutral zu erwarten wäre).

Kontrast Aussehen
Mehrere Effekte verändern die Wahrnehmung des Kontrastes durch einen menschlichen Beobachter:

Stevens Effekt: Kontrast erhöht sich mit Luminanz.
Bartleson-Breneman-Effekt: Der Bildkontrast (von emissiven Bildern wie Bildern auf einem LCD-Display) steigt mit der Helligkeit der Umgebungsbeleuchtung.

Buntes Aussehen
Es gibt einen Effekt, der die Wahrnehmung von Farbigkeit durch einen menschlichen Beobachter verändert:

Hunt-Effekt: Buntheit nimmt mit der Leuchtdichte zu.

Helligkeit Aussehen
Es gibt einen Effekt, der die Wahrnehmung der Helligkeit durch einen menschlichen Beobachter verändert:

Helmholtz-Kohlrausch-Effekt: Helligkeit steigt mit Sättigung.

Räumliche Phänomene
Räumliche Phänomene betreffen nur Farben an einer bestimmten Stelle eines Bildes, weil das menschliche Gehirn diesen Ort auf eine bestimmte kontextuelle Weise interpretiert (z. B. als Schatten statt als graue Farbe). Diese Phänomene werden auch als optische Täuschungen bezeichnet. Aufgrund ihrer Kontextualität sind sie besonders schwer zu modellieren; Farbdarstellungmodelle, die dies versuchen, werden als Bildfarbenerscheinungsmodelle (iCAM) bezeichnet.

Farbdarstellung Modelle
Da die Farberscheinungsparameter und Phänomene der Farberscheinung zahlreich sind und die Aufgabe komplex ist, gibt es kein einziges Farberscheinungsmodell, das universell angewendet wird; stattdessen werden verschiedene Modelle verwendet.

In diesem Abschnitt werden einige der verwendeten Farbdarstellungsmodelle aufgeführt. Die chromatischen Anpassungstransformationen für einige dieser Modelle sind im LMS-Farbraum aufgelistet.

CIELAB
Im Jahr 1976 begann die CIE, die vielen vorhandenen, inkompatiblen Farbdifferenzmodelle durch ein neues, universelles Modell für Farbunterschiede zu ersetzen. Sie versuchten, dieses Ziel zu erreichen, indem sie einen wahrnehmungsmäßig gleichförmigen Farbraum erzeugten, dh einen Farbraum, in dem der identische räumliche Abstand zwischen zwei Farben dem gleichen Betrag der wahrgenommenen Farbdifferenz entspricht. Obwohl sie nur teilweise erfolgreich waren, schufen sie dadurch den CIELAB (“L * a * b *”) Farbraum, der alle notwendigen Merkmale aufwies, um das erste Farbaussehensmodell zu werden. Obwohl CIELAB ein sehr rudimentäres Farbdarstellungsmodell ist, ist es eines der am weitesten verbreiteten, da es zu einem der Bausteine ​​des Farbmanagements mit ICC-Profilen geworden ist. Daher ist es in der digitalen Bildgebung grundsätzlich allgegenwärtig.

Eine der Einschränkungen von CIELAB besteht darin, dass es keine vollwertige chromatische Anpassung bietet, indem es die von-Kries-Transformationsmethode direkt im XYZ-Farbraum (oft als “falsche von Kries-Transformation” bezeichnet) ausführt, anstatt in der LMS-Farbraum vorher für genauere Ergebnisse. ICC – Profile umgehen diesen Mangel mit dem Bradford Transformationsmatrix in den LMS-Farbraum (der zuerst im LLAB-Farberscheinungsmodell erschienen ist) in Verbindung mit CIELAB.

Nayataniet al. Modell-
Die Nayatani et al. Color Appearance Model konzentriert sich auf Beleuchtungstechnik und die Farbwiedergabeeigenschaften von Lichtquellen.

Jagdmodell
Das Hunt-Farberscheinungsmodell konzentriert sich auf die Farbbildreproduktion (sein Schöpfer arbeitete in den Kodak Research Laboratories). Die Entwicklung begann bereits in den 1980er Jahren, und bis 1995 wurde das Modell sehr komplex (einschließlich Eigenschaften, die kein anderes Farbanschauungsmodell bietet, wie das Einbeziehen von Stäbchenzellenantworten) und erlaubt, eine breite Palette von visuellen Phänomenen vorherzusagen. Es hatte einen sehr signifikanten Einfluss auf CIECAM02, aber wegen seiner Komplexität ist das Hunt-Modell selbst schwierig zu verwenden.

RLAB
RLAB versucht, die signifikanten Einschränkungen von CIELAB mit Fokus auf die Bildwiedergabe zu verbessern. Es funktioniert gut für diese Aufgabe und ist einfach zu bedienen, aber nicht umfassend genug für andere Anwendungen.

LLAB
LLAB ist ähnlich wie RLAB, versucht auch einfach zu bleiben, versucht aber zusätzlich, umfassender zu sein als RLAB. Am Ende handelte es sich um Einfachheit, um umfassend zu sein, war aber immer noch nicht vollständig umfassend. Da CIECAM97s bald darauf veröffentlicht wurde, hat LLAB nie eine weite Verbreitung gefunden.

CIECAM97s
Nachdem die CIE 1997 mit CIELAB die Entwicklung von Modellen für den Farbeindruck begonnen hatte, wollte sie sich selbst mit einem umfassenden Farbanschauungsmodell weiterverfolgen. Das Ergebnis war CIECAM97s, das umfassend, aber auch komplex und teilweise schwierig zu verwenden war. Es erlangte breite Akzeptanz als Standardmodell für den Farbeindruck, bis CIECAM02 veröffentlicht wurde.

IPT
Ebner und Fairchild haben das Problem der nicht konstanten Farbtonlinien in ihrem Farbraum IPT angesprochen. Der IPT-Farbraum konvertiert D65-adaptierte XYZ-Daten (XD65, YD65, ZD65) in Lang-Mittel-Kurz-Kegelantwortdaten (LMS) unter Verwendung einer angepassten Form der Hunt-Pointer-Estevez-Matrix (MHPE (D65)).

Das IPT-Farberscheinungsmodell zeichnet sich durch eine Farbtonrezeptur aus, bei der ein konstanter Farbtonwert gleich einem konstanten wahrgenommenen Farbton ist, unabhängig von den Helligkeits- und Chrominanzwerten (was das allgemeine Ideal für jedes Farbaussehen ist, aber schwer zu erreichen ist). Es ist daher gut für Gamut-Mapping-Implementierungen geeignet.

ICtCp
ITU-R BT.2100 enthält einen Farbraum namens ICtCp, der die ursprüngliche IPT verbessert, indem er einen höheren Dynamikbereich und größere Farbskalen untersucht.

CIECAM02
Nach dem Erfolg der CIECAM97 hat die CIE CIECAM02 als Nachfolger entwickelt und im Jahr 2002 veröffentlicht. Sie schneidet besser ab und ist gleichzeitig einfacher. Neben dem rudimentären CIELAB-Modell kommt CIECAM02 einem international vereinbarten “Standard” für ein (umfassendes) Farbaussehensmodell am nächsten.

iCAM06
iCAM06 ist ein Bildfarben-Darstellungsmodell. Als solches behandelt es nicht jeden Pixel eines Bildes unabhängig, sondern im Kontext des vollständigen Bildes. Dies ermöglicht es, räumliche Farberscheinungsparameter wie Kontrast zu integrieren, was es für HDR-Bilder geeignet macht. Es ist auch ein erster Schritt, sich mit Phänomenen des räumlichen Auftretens zu befassen.