Farbbalance - Color balance

Die linke Hälfte zeigt das Foto, wie es von der Digitalkamera stammt. Die rechte Hälfte zeigt das Foto angepasst, um eine graue Fläche im gleichen Licht neutral zu machen.

In Fotografie und Bildverarbeitung , Farbbalance die globale Anpassung der Intensitäten der Farben (typischerweise rot, grün und blau Grundfarben ). Ein wichtiges Ziel dieser Anpassung ist es, bestimmte Farben – insbesondere neutrale Farben – korrekt wiederzugeben. Daher wird die allgemeine Methode manchmal als Grauabgleich , Neutralabgleich oder Weißabgleich bezeichnet . Die Farbbalance ändert die Gesamtmischung der Farben in einem Bild und wird zur Farbkorrektur verwendet . Verallgemeinerte Versionen der Farbbalance werden verwendet, um andere Farben als neutrale Farben zu korrigieren oder sie gezielt zu ändern.

Von Sensoren – entweder Film- oder elektronische Bildsensoren – erfasste Bilddaten müssen von den erfassten Werten in neue Werte umgewandelt werden, die für die Farbwiedergabe oder -darstellung geeignet sind. Mehrere Aspekte des Aufnahme- und Anzeigeprozesses machen eine solche Farbkorrektur unerlässlich – darunter, dass die Aufnahmesensoren nicht mit den Sensoren im menschlichen Auge übereinstimmen, dass die Eigenschaften des Anzeigemediums berücksichtigt werden müssen und dass die Umgebungsbedingungen der Aufnahme von den Anzeigebedingungen des Displays abweichen.

Die Farbausgleichsoperationen in gängigen Bildbearbeitungsanwendungen arbeiten normalerweise direkt auf den Pixelwerten des Rot-, Grün- und Blaukanals , ohne Rücksicht auf ein Farberfassungs- oder Reproduktionsmodell. In der Filmfotografie wird der Farbausgleich normalerweise durch die Verwendung von Farbkorrekturfiltern über den Lichtern oder auf dem Kameraobjektiv erreicht.

Generalisierte Farbbalance

Beispiel für Farbabgleich

Manchmal wird die Anpassung, um Neutrale neutral zu halten, als Weißabgleich bezeichnet , und der Begriff Farbausgleich bezieht sich auf die Anpassung, die zusätzlich dazu führt, dass andere Farben in einem angezeigten Bild das gleiche allgemeine Erscheinungsbild wie die Farben in einer Originalszene haben. Es ist besonders wichtig, dass neutrale (graue, neutrale, weiße) Farben in einer Szene neutral in der Wiedergabe erscheinen.

Psychologische Farbbalance

Menschen stehen Hauttönen kritischer gegenüber als andere Farben. Bäume, Gras und Himmel können alle unbesorgt ausgeschaltet sein, aber wenn menschliche Hauttöne „aus“ sind, kann das menschliche Subjekt krank oder tot aussehen. Um dieses kritische Problem der Farbbalance anzugehen, sind die dreifarbigen Primärfarben selbst so formuliert, dass sie nicht als echte neutrale Farbe ausgleichen. Der Zweck dieses primären Farbungleichgewichts besteht darin, die Hauttöne über den gesamten Helligkeitsbereich getreuer zu reproduzieren.

Leuchtmittelschätzung und -anpassung

Ein Meerblick-Foto am Clifton Beach , South Arm , Tasmanien , Australien. Der Weißabgleich wurde für einen kreativen Effekt in Richtung der warmen Seite angepasst.

Foto eines ColorCheckers als Referenzaufnahme für die Anpassung der Farbbalance.

Zwei Fotos eines Hochhauses, die innerhalb einer Minute mit einer Einsteiger-Point-and-Shoot-Kamera aufgenommen wurden. Das linke Foto zeigt eine "normale", genauere Farbbalance, während die rechte Seite eine "lebendige" Farbbalance, kamerainterne Effekte und keine Nachbearbeitung außer schwarzem Hintergrund zeigt.

Vergleich der Farbversionen (Roh, Natur, Weißabgleich) des Mount Sharp (Aeolis Mons) auf dem Mars

Ein Weißabgleichbild des Mount Sharp (Aeolis Mons) auf dem Mars

Die meisten Digitalkameras verfügen über eine Möglichkeit, die Farbkorrektur basierend auf der Art der Szenenbeleuchtung auszuwählen, entweder mit manueller Beleuchtungsauswahl, automatischem Weißabgleich oder benutzerdefiniertem Weißabgleich. Die Algorithmen für diese Prozesse führen eine verallgemeinerte chromatische Anpassung durch .

Es gibt viele Methoden für den Farbausgleich. Durch das Setzen einer Taste an einer Kamera kann der Benutzer dem Prozessor die Art der Szenenbeleuchtung anzeigen. Eine weitere Option bei einigen Kameras ist eine Taste, die gedrückt werden kann, wenn die Kamera auf eine Graukarte oder ein anderes neutralfarbiges Objekt gerichtet ist. Dadurch wird ein Bild des Umgebungslichts aufgenommen, das es einer Digitalkamera ermöglicht, die richtige Farbbalance für dieses Licht einzustellen.

Es gibt eine große Literatur darüber, wie man die Umgebungsbeleuchtung aus den Kameradaten abschätzen und dann diese Informationen verwenden könnte, um die Bilddaten zu transformieren. Es wurde eine Vielzahl von Algorithmen vorgeschlagen, und deren Qualität wurde diskutiert. Einige Beispiele und die Untersuchung der darin enthaltenen Verweise werden den Leser zu vielen anderen führen. Beispiele sind Retinex , ein künstliches neuronales Netz oder ein Bayes-Verfahren .

Chromatische Farben

Der Farbausgleich eines Bildes wirkt sich nicht nur auf die Neutraltöne aus, sondern auch auf andere Farben. Ein nicht farbausgeglichenes Bild hat einen Farbstich, da alles im Bild in Richtung einer Farbe verschoben zu sein scheint. Der Farbausgleich kann in Bezug auf das Entfernen dieses Farbstichs betrachtet werden.

Die Farbbalance hängt auch mit der Farbkonstanz zusammen . Auch für den Farbausgleich werden häufig Algorithmen und Techniken zur Erzielung von Farbkonstanz verwendet. Die Farbkonstanz wiederum hängt mit der Farbanpassung zusammen . Der Farbausgleich besteht konzeptionell aus zwei Schritten: Erstens, Bestimmen der Lichtart, unter der ein Bild aufgenommen wurde; und zweitens, Skalieren der Komponenten (z. B. R, G und B) des Bildes oder anderweitiges Transformieren der Komponenten, so dass sie dem Betrachtungslichtmittel entsprechen.

Viggiano stellte fest, dass der Weißabgleich im nativen RGB-Farbmodell der Kamera bei über 4000 hypothetischen Kameraempfindlichkeitssätzen dazu neigt, weniger Farbunbeständigkeit (dh weniger Verzerrung der Farben) zu erzeugen als im Monitor-RGB. Dieser Unterschied betrug typischerweise einen Faktor von mehr als zwei zugunsten von Kamera-RGB. Dies bedeutet, dass es von Vorteil ist, die Farbbalance direkt bei der Aufnahme eines Bildes zu erzielen, anstatt später auf einem Monitor zu bearbeiten. Wenn später ein Farbausgleich erforderlich ist, führt das Abgleichen der Rohbilddaten tendenziell zu weniger Verzerrungen der chromatischen Farben als das Abgleichen in Monitor-RGB.

Mathematik der Farbbalance

Farbausgleich wird manchmal an einem Dreikomponentenbild (zB RGB ) unter Verwendung einer 3x3- Matrix durchgeführt . Diese Art der Transformation ist geeignet, wenn das Bild mit der falschen Weißabgleicheinstellung einer Digitalkamera oder durch einen Farbfilter aufgenommen wurde.

Skalierung von Monitor R, G und B

Im Prinzip möchte man alle relativen Leuchtdichten in einem Bild so skalieren, dass vermeintlich neutrale Objekte so erscheinen. Wenn, sagen wir, mit einer Oberfläche angenommen wurde ein weißes Objekt sein, und wenn 255 ist die Zählung das entspricht weiß, könnte man multiplizieren alle roten Werte von 255/240. Ein analoges Vorgehen für Grün und Blau würde zumindest theoretisch zu einem farbausgeglichenen Bild führen. Bei dieser Art der Transformation ist die 3x3-Matrix eine Diagonalmatrix . ${\displaystyle R=240}$

${\displaystyle \left[{\begin{array}{c}R\\G\\B\end{array}}\right]=\left[{\begin{array}{ccc}255/R'_{ w}&0&0\\0&255/G'_{w}&0\\0&0&255/B'_{w}\end{array}}\right]\left[{\begin{array}{c}R'\\G '\\B'\end{array}}\right]}$

wobei , , und die farbabgeglichenen Rot-, Grün- und Blaukomponenten eines Pixels im Bild sind; , , und sind die roten, grünen und blauen Komponenten des Bildes vor dem Farbausgleich, und , , und sind die roten, grünen und blauen Komponenten eines Pixels, von dem angenommen wird, dass es eine weiße Fläche im Bild vor dem Farbausgleich ist. Dies ist eine einfache Skalierung der Rot-, Grün- und Blaukanäle. Aus diesem Grund verfügen die Farbausgleichswerkzeuge in Photoshop und GIMP über ein weißes Pipettenwerkzeug. Es hat sich gezeigt, dass die Durchführung des Weißabgleichs in dem von sRGB angenommenen Phosphorsatz zu großen Fehlern in den chromatischen Farben führt, obwohl die neutralen Oberflächen dadurch perfekt neutral gemacht werden können. ${\displaystyle R}$${\displaystyle G}$${\displaystyle B}$${\displaystyle R'}$${\displaystyle G'}$${\displaystyle B'}$${\displaystyle R'_{w}}$${\displaystyle G'_{w}}$${\displaystyle B'_{w}}$

Skalierung X, Y, Z

Wenn das Bild in CIE-XYZ-Tristimulus-Werte umgewandelt werden kann , kann der Farbabgleich dort durchgeführt werden. Dies wurde als „falsche von Kries“-Transformation bezeichnet. Obwohl es nachweislich in der Regel schlechtere Ergebnisse liefert als der Abgleich in Monitor-RGB, wird es hier als Brücke zu anderen Dingen erwähnt. Mathematisch berechnet man:

${\displaystyle \left[{\begin{array}{c}X\\Y\\Z\end{array}}\right]=\left[{\begin{array}{ccc}X_{w}/X '_{w}&0&0\\0&Y_{w}/Y'_{w}&0\\0&0&Z_{w}/Z'_{w}\end{array}}\right]\left[{\begin{array }{c}X'\\Y'\\Z'\end{array}}\right]}$

wobei , , und die farbausgeglichenen Tristimuluswerte sind; , , und sind die Tristimulus-Werte des Betrachtungslichtes (der Weißpunkt, zu dem das Bild transformiert wird, um ihm zu entsprechen); , , und sind die Tristimuluswerte eines Objekts, von dem angenommen wird, dass es in dem nicht farbausgeglichenen Bild weiß ist, und , , und sind die Tristimuluswerte eines Pixels in dem nicht farbausgeglichenen Bild. Wenn die Tristimulus-Werte der Monitor-Primärwerte in einer Matrix vorliegen, so dass: ${\displaystyle X}$${\displaystyle Y}$${\displaystyle Z}$${\displaystyle X_{w}}$${\displaystyle Y_{w}}$${\displaystyle Z_{w}}$${\displaystyle X'_{w}}$${\displaystyle Y'_{w}}$${\displaystyle Z'_{w}}$${\displaystyle X'}$${\displaystyle Y'}$${\displaystyle Z'}$${\displaystyle\mathbf{P}}$

${\displaystyle \left[{\begin{array}{c}X\\Y\\Z\end{array}}\right]=\mathbf {P} \left[{\begin{array}{c}L_ {R}\\L_{G}\\L_{B}\end{array}}\right]}$

wobei , , und das un- gamma-korrigierte Monitor-RGB sind, kann man verwenden: ${\displaystyle L_{R}}$${\displaystyle L_{G}}$${\displaystyle L_{B}}$

${\displaystyle \left[{\begin{array}{c}L_{R}\\L_{G}\\L_{B}\end{array}}\right]=\mathbf {P^{-1} } \left[{\begin{array}{ccc}X_{w}/X'_{w}&0&0\\0&Y_{w}/Y'_{w}&0\\0&0&Z_{w}/Z'_{ w}\end{array}}\right]\mathbf {P} \left[{\begin{array}{c}L_{R'}\\L_{G'}\\L_{B'}\end{ Array}}\right]}$

Von Kries Methode

Johannes von Kries , dessen Theorie von Stäbchen und drei farbempfindlichen Zapfentypen in der Netzhaut seit über 100 Jahren als dominierende Erklärung des Farbempfindens überlebt hat, motivierte die Methode der Farbkonvertierung in den LMS-Farbraum , der die wirksamen Reize für Lang-, mittel- und kurzwellige Kegeltypen, die als unabhängig adaptierend modelliert werden. Eine 3x3-Matrix wandelt RGB oder XYZ in LMS um, und dann werden die drei LMS-Primärwerte skaliert, um den Neutralwert auszugleichen; die Farbe kann dann wieder in den gewünschten endgültigen Farbraum konvertiert werden :

${\displaystyle \left[{\begin{array}{c}L\\M\\S\end{array}}\right]=\left[{\begin{array}{ccc}1/L'_{ w}&0&0\\0&1/M'_{w}&0\\0&0&1/S'_{w}\end{array}}\right]\left[{\begin{array}{c}L'\\M '\\S'\end{array}}\right]}$

wobei , , und die farbausgeglichenen LMS-Kegel-Tristimuluswerte sind; , , und sind die Tristimuluswerte eines Objekts, von dem angenommen wird, dass es in dem nicht farbausgeglichenen Bild weiß ist, und , , und sind die Tristimuluswerte eines Pixels in dem nicht farbausgeglichenen Bild. ${\displaystyle L}$${\displaystyle M}$${\displaystyle S}$${\displaystyle L'_{w}}$${\displaystyle M'_{w}}$${\displaystyle S'_{w}}$${\displaystyle L'}$${\displaystyle M'}$${\displaystyle S'}$

In den LMS-Raum zu konvertierende Matrizen wurden von Kries nicht spezifiziert, können aber von CIE-Farbanpassungsfunktionen und LMS-Farbanpassungsfunktionen abgeleitet werden, wenn letztere spezifiziert sind; Matrizen sind auch in Fachbüchern zu finden.

Skalierung der Kamera RGB

Nach Viggianos Maß und unter Verwendung seines Modells der spektralen Empfindlichkeiten von Gaußschen Kameras schnitten die meisten Kamera-RGB-Räume besser ab als Monitor-RGB oder XYZ. Wenn die RGB-Rohwerte der Kamera bekannt sind, kann man die 3x3-Diagonalmatrix verwenden:

${\displaystyle \left[{\begin{array}{c}R\\G\\B\end{array}}\right]=\left[{\begin{array}{ccc}255/R'_{ w}&0&0\\0&255/G'_{w}&0\\0&0&255/B'_{w}\end{array}}\right]\left[{\begin{array}{c}R'\\G '\\B'\end{array}}\right]}$

und dann nach dem Abgleich in einen funktionierenden RGB-Raum wie sRGB oder Adobe RGB konvertieren .

Bevorzugte chromatische Anpassungsräume

Vergleiche von Bildern, die durch diagonale Transformationen in einer Reihe verschiedener RGB-Räume ausgeglichen wurden, haben mehrere solcher Räume identifiziert, die besser funktionieren als andere und besser als Kamera- oder Monitorräume für die chromatische Anpassung, wie durch mehrere Farberscheinungsmodelle gemessen ; die Systeme, die bei der Mehrzahl der verwendeten Bildtestsätze sowohl statistisch als auch am besten funktionierten, waren die Räume "Sharp", "Bradford", "CMCCAT" und "ROMM".

Allgemeine Leuchtmittelanpassung

Die beste Farbmatrix zur Anpassung an eine Lichtartänderung ist nicht unbedingt eine Diagonalmatrix in einem festen Farbraum. Es ist seit langem bekannt, dass, wenn der Raum von Leuchtmitteln als ein lineares Modell mit N Basistermen beschrieben werden kann, die richtige Farbtransformation die gewichtete Summe von N festen linearen Transformationen ist, die nicht unbedingt konsistent diagonalisierbar ist.

Beispiele

Neutrales Licht

Warmes Licht

Kaltes Licht

Vergleich der von der Digitalkamera aufgenommenen resultierenden Farben für verschiedene Lichtqualitäten (Farbtemperatur): Neutral, Warm und Cold.

Einstellung: Wie erschossen

Einstellung: Bewölkt

Einstellung: Wolfram

Beispiel für verschiedene Weißabgleicheinstellungen einer Digitalkamera für neutrales Licht.

Siehe auch

• Farbstich
• Farbtemperatur
• Gamma-Korrektur
• Weißpunkt

Verweise

Externe Links

• Weißabgleich - Einführung bei nikondigital.org
• photoskop: Interaktiver Fotounterricht - Interaktiver Weißabgleich
• Weißabgleich verstehen - Tutorial
• Affine Farbbalance mit Sättigung, mit Code und Online-Demonstration
• Den Weißabgleich für neutrale Farben richtig einstellen - Fotografie-Tutorial