Folienpaket 15 - Medientechnik

MedienTechnik
Kapitel 3: Rasterbilder
Medientyp Image
MedienTechnik
media type image
representation
Farbmodelle (CIE, RGB, HSB, CMYK)
Alpha-Kanäle (Transparenzbereiche)
Anzahl der (Farb-) Kanäle
Kanaltiefe (Bits pro Pixel, z.B. 1,2,4,8,10)
Interlacing (pixelweise oder kanalweise)
Farbpaletten
Seitenverhältnis (aspect ratio)
Kompression
methods
Editieren, einzelne Pixel, Masken etc. Paintbrush
Punktweise Operationen (newp := f(p))
Filter ( newp := f(neighbourhood(p))
Zusammenfügen, Überblenden
Geometrische Transformationen (Größe, Spiegeln, Drehen)
Formatumwandlung (Farbseparation, Auflösung u.a.)
Exkurs: Licht
MedienTechnik
nm = 10-9 m
THz = 1012/sec
λ = Wellenlänge (m)
f = Frequenz (sec-1)
v = Geschwindigkeit (m/sec)
US
v =λ* f
λ
1/f
Spektrum des sichtbaren Lichtes
Q Wellenlänge 380 nm-780 nm
8
Q Lichtgeschwindigkeit 3*10 m/s
Q Frequenzbereich 800-400 THz
Wellenlänge
10-1m
UKW / VHF
1-10-1m
UHF
10-4-10-6
Infra-Rot
780-380nm Sichtbares Licht
10-7-10-8m Ultraviolett-Strahlung
10-8-10-9m Röntgen-Strahlung
hart
Exkurs: Licht
MedienTechnik
Energie hängt von
Frequenz ab:
Planck‘sches Wirkungsquantum
Q = h* f
−34
h = 6,62 *10 W sec
2
für 1 Photon
Wellentheorie:
Huygens, Snellius, Fresnel
Maxwell
Teilchentheorie:
Newton (!), Planck, ...
Intensitätsverteilung Sonnenlicht
MedienTechnik
Exkurs: Licht
Photometrie
Physikalische Grundgröße:
Lichtstärke
Formelzeichen I
SI-Einheit:
candela (cd)
Lichtstrom Φ
=Lichtstärke *
(Raum-) Winkel Ω
SI-Einheit
Lichtstrom lumen (lm)
Punktförmige
Lichtquelle mit
Lichtstärke I
MedienTechnik
Exkurs: Licht
Photometrie
Definition
Raumwinkel
Ausgangsidee:
Punktförmiger Strahler mit
Gesamtlichtstrom Φ
Welcher Lichtstrom ΦF wirkt auf Fläche F ?
Ganze Kugeloberfläche =
R
F
4πR 2
Verhältnisgleichung:
Φ : 4π R 2 = Φ F : F
ΦF = Φ *
F
4π R 2
Ω
ΦF = Φ *
4π
Definition Raumwinkel:
Oberflächenstück F / R2
F
Ω = 2 Ω ∈ [0..4π ]
R
Maßeinheit sr Steradiant
Lichtstärke = Lichtstrom / Raumwinkel
lm
1 = 1 cd
sr
MedienTechnik
Exkurs: Licht
Photometrie
Physikalische Grundgröße:
Lichtstärke [cd] Candela
Licht breitet sich in
alle Richtungen gleichmäßig
aus: Isotropie
Ein punktförmiger Strahler
sendet Lichtmenge proportional
zum Raumwinkel
Lichtstrom (Lumen)
1 lm = 1cd * 1 sr
Lichtstärke * Raumwinkel
Gesamter Lichtstrom
des Punktstrahlers (1 cd)
12,5664 lm
MedienTechnik
Exkurs: Licht
Raumwinkel
1 sr =
derjenige Raumwinkel, der
aus einer Kugeloberfläche
(Radius r) eine Kugelkappe mit Fläche r*r
ausschneidet.
Analogie zum Bogenmaß des ebenen Winkels
Quelle: www.intl-light.com/handbook
Alex Ryer: Light Measurement Handbook
MedienTechnik
Exkurs: Licht
Elektromagnetismus
James Clerk Maxwell
1831-1879
Maxwell‘sche Gleichungen
Magnetische+Elektrische Felder
breiten sich mit Lichtgeschwindigkeit
aus. Licht = Elektromagnetische Welle ?
Quelle: Forschungsverbund Medientechnik Südwest, http://www.foyer.de/fms/
MedienTechnik
Exkurs: Licht
Photometrie
Physikalische Definition Candela
Normlichtquelle mit 1 cd:
1/60 cm2 „Schwarzkörper“ bei 1770°C
(erstarrendes Platin)
Zusammenhang mit radiometrischen
Einheiten:
1 Watt = 683,0 lm
bei 555 nm Wellenlänge
Lichtäquivalent
Der Kehrwert 683 lm / Watt
ist die max. Lichtausbeute
für Lampen (theoretisch!)
MedienTechnik
Exkurs: Licht
Empfindlichkeit des menschlichen Auges
Unterschiede zwischen
helladaptiertem
und
dunkeladaptiertem
Auge
Luminanz berücksichtigt
die Empfindlichkeit
des menschlichen Auges
Quelle: www.intl-light.com/handbook
1 Watt=683 lm
MedienTechnik
Exkurs: Licht
Photometrie
Physiolog.
Helligkeitsempfindung
Physiolog.
Helligkeitsempfindung
grün
grün-gelb
Tag-Sehen
Nacht-Sehen
MedienTechnik
Exkurs: Licht
Photometrie
Fotometrisches
Strahlungsäquivalent
K ( λ ) = K maxV ( λ )
Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad V(λ) (Tagessehen)
1,2
K max = 683 lm/W
1
0,8
V(λ)
Violett 390-435
Blau 435-495
Grün 495-570
Gelb 570-590
Orange 590-630
Rot
630-770
0,6
Reihe1
0,4
0,2
0
300
350
400
450
500
550
600
650
Wellenlänge λ (nm)
Blaugrün
Grüngelb
Orangerot
700
750
800
MedienTechnik
Exkurs: Licht
Photometrie
Gesamtlichtstrom technischer Leuchten
Allgebrauchslampe, klar, Doppelwendel, Sockel E27, 60 W
Lichtstrom 730 lm, Ausbeute 12,17 lm/W
Leuchtstofflampe, 38mm, Warmton 30, 65 W
Lichtstrom: 4600 lm, Ausbeute 59 lm/W
Quecksilberdampflampe, Klarglas, Leuchtstoff HQL, 80/90 W
Lichtstrom 3100 lm, Ausbeute 34,4 lm/W
Kerze
5-15 lm
Elektronenblitz
Bis 40 Mlm (Megalumen)
MedienTechnik
Exkurs: Licht
Beleuchtungsstärke =
Lichtstrom / Fläche
Formelzeichen E
Definition:
1 Lux = 1 lm / m2
etwa
11 lux
Sonnenstrahlung: 1,35 kW / m2
922.000 Lux
Belichtungsmesser
MedienTechnik
Exkurs: Licht
Beleuchtungsstärke =
Lichtstrom / Fläche
Definition:
1 lx = 1 lm / m2
Natürliche Beleuchtungsstärken
Q Sonnenlicht im Sommer 100.000 lx
Q Sonnenlicht im Winter 10.000 lx
Q Bedeckter Himmel, Sommer 5.000-20.000 lx
Q Vollmondnacht 0,2 lx
Q Grenze der Farbwahrnehmung: 3 lx
Normalbeleuchtungsstärken
Q Wohnräume 40-150 lx
Q Arbeitsräume 40-300 lx allgemein
Q Arbeitsplätze 100-5000 lx
MedienTechnik
Exkurs: Licht
Beleuchtungsstärke =
Lichtstrom / Fläche
Definition:
1 lx = 1 lm / m2
Beispiel:
65 W Leuchtstofflampe über Schreibtisch 2*1m
Lichtstrom gesamt: 4600 lm
Q Auf den Schreibtisch treffen 50 % =2300 lm
Q Beleuchtungsstärke 1.150 lx
Q
Arbeitsrechtliche Vorschriften beachten !
MedienTechnik
Exkurs: Licht
Belichtung =
Beleuchtungsstärke * Zeit
Formelzeichen H
SI-Einheit:
1 lx s = Luxsekunde
Φ
Q
H = Et = t =
A
A
A Fläche
Q Lichtmenge = Lichtstrom * Zeit
MedienTechnik
Exkurs: Licht
Leuchtstärke oder Leuchdichte =
Lichtstärke / Fläche
Formelzeichen L
asb = apostilb
stilb = cd/m2
1 lm/m2/sr (lumen pro Quadratmeter pro Steradian)
= 1 candela/m2 (cd/m2 )
= π apostilbs (asb)
MedienTechnik
Exkurs: Licht
Beispiel: LCD-Projektor
ANSI Lumen???
NEC VT47 LCD Projektor,
1500 ANSI Lumen, 130W,
SVGA, 400:1, 28dB
!30 W Stromverbrauch
SVGA = 800*600 Bildpunkte
400:1 Kontrast
28dB Lüftergeräusch
MedienTechnik
Exkurs: Licht
Beispiel: LCD-Projektor
ANSI Lumen???
NEC VT47 LCD Projektor,
1500 ANSI Lumen, 130W,
SVGA, 400:1, 28dB
!30 W Stromverbrauch
SVGA = 800*600 Bildpunkte
400:1 Kontrast
28dB Lüftergeräusch
Bei Ansi-Lumen wird die 1 Gain Leinwand in neun
gleich große Felder eingeteilt. Jedes einzelne Feld wird
in der Mitte mit einem Lux Messgerät gemessen. Aus
den neun gemessenen Werten wird ein Mittelmaß
errechnet, was dann durch die Fläche der Leinwand in
Quadratmetern multipliziert wird. Der Kontrastwert
sollte vorher natürlich mittels einem Testbild ideal
eingestellt sein.
Die Röhre wird in Richtung Ansi-Lumen sehr
benachteiligt. Sie hat Probleme ein gutes
Flächendeckendes weiß zu projizieren was für eine
Ansi-Lumen Messung ja erforderlich ist.
Bei einem Videobild was im Durchschnitt maximal aus
35% weiß besteht, projiziert die Röhre aber ein
besseres weiß als bei der Ansi-Lumen Messung.
Deswegen kann der Ansi-Lumenwert bei
Röhrenprojektoren getrost mal zwei, ja manchmal
sogar mal drei genommen
werden. www.hcinema.de
MedienTechnik
Exkurs: Licht
Beispiel: LCD-Projektor
ANSI Lumen???
NEC VT47 LCD Projektor,
1500 ANSI Lumen, 130W,
SVGA, 400:1, 28dB
!30 W Stromverbrauch
SVGA = 800*600 Bildpunkte
400:1 Kontrast
28dB Lüftergeräusch
ANSI-Lumen
American National Standards Institute =
Standard zur Messung der Helligkeit von
Projektoren. Zunächst werden die
Projektoren mit Hilfe von Testbildern in
Bezug auf Kontrast und Helligkeit genormt.
Bei einer Projektion auf eine Leinwand mit
102 cm Diagonale wird in neun Feldern die
Helligkeit gemessen. Der ermittelte
Durchschnittswert wird als der ANSILumen
Wert dieses Projektors bezeichnet.
www.de.nec.de
MedienTechnik
Exkurs: Licht
Beispiel: LCD-Projektor
ANSI Lumen???
NEC VT47 LCD Projektor,
1500 ANSI Lumen, 130W,
SVGA, 400:1, 28dB
!30 W Stromverbrauch
SVGA = 800*600 Bildpunkte
400:1 Kontrast
28dB Lüftergeräusch
ANSI-Lumen
Mit ANSI-Lumen bzw. „Lumen (lm)“ als Einheit des
Lichtstromes (bzw. Lichtleistung = Lichtenergie pro
Sekunde) bezeichnet man vereinfacht formuliert, die
"Helligkeit" eines Projektors (LCD, DLP, Röhre).
Der Ausdruck ANSI kommt aus dem Amerikanischen
und steht für "AMERICAN-NATIONALSTANDARDINSTITUTE", vergleichbar mit unserem deutschen DIN
"DEUTSCHES INSTITUT für NORMUNG".
Entsprechend bedeutet ANSI-Lumen, daß es sich um
ein offizielles standardisiertes
Meßverfahren des Lichtstromes (bzw. Lichtleistung)
handelt, das es erlaubt, verschiedene
Projektortechniken miteinander vergleichbar zu
machen. Richtig heißen müßte es eigentlich z. B. „600
Lumen gemessen nach ANSI“.
www.heimkinomarkt.de
MedienTechnik
Exkurs: Licht
Beispiel: LCD-Projektor
ANSI Lumen???
NEC VT47 LCD Projektor,
1500 ANSI Lumen, 130W,
SVGA, 400:1, 28dB
!30 W Stromverbrauch
SVGA = 800*600 Bildpunkte
400:1 Kontrast
28dB Lüftergeräusch
ANSI-Lumen (Forts.☺
Anmerkung:
Gemessen wird dabei das Licht, das direkt vom
Projektor selbst kommt (d. h. die Meßsonden sitzen auf
bzw. hinter der Leinwand) und nicht das Licht, das von
der Leinwand reflektiert wird. Hieraus erhält man den
„Lumen“-Wert als Einheit des „Lichtstromes“. Den bei
der Messung auf eine bestimmte Fläche bezogenen
„Lumen“-Wert nennt man „Beleuchtungsstärke“ mit der
Einheit „Lux“, also „Lumen pro quadratmeter“. (siehe
Bild 1)
Somit wird auch klar, je größer die Leinwandfläche
gewählt wird, desto kleiner wird der „Lux“-Wert, also die
Helligkeit des projizierten Bildes, bei gleichem
Lichtstroms (“Lumen“-Wert) des Projektors.
www.heimkinomarkt.de
Wissenswertes aus dem Bereich Heimkino.url
MedienTechnik
Exkurs: Licht
Beispiel: LCD-Projektor
ANSI Lumen???
NEC VT47 LCD Projektor,
1500 ANSI Lumen, 130W,
SVGA, 400:1, 28dB
!30 W
9 Stromverbrauch
SVGA =
Bildpunkte
E800*600
lx
i 9 = 1600
400:1
i =1 Kontrast
28dB Lüftergeräusch
∑
ANSI-Lumen (siehe Bild 2)
Hierzu hat man z. B. eine 1 qm (Quadratmeter) große
Leinwandfläche in 9 gleich große Felder unterteilt und
mißt die jeweilige Lichtleistung (bzw. Lichtstrom) in der
Mitte jedes dieser 9 Felder. Genauer gesagt erhält man
die gewünschten „Lumen“-(Lichtleistung, bzw.
Lichtstrom)Werte aus den wie oben beschriebenen und
gemessenen Lux-Werten, die den Lichtstrom auf eine
bestimmte Fläche beziehen. Nach der Messung werden
alle Helligkeitswerte der jeweiligen 9 Felder
zusammengezählt und anschließend durch 9 geteilt.
Über die dazugehörige Fläche der Meßanordnung läßt
sich dann der „Lumen“(„ANSI-Lumen“)-Wert ermitteln.
Hieraus erhält man dann einen Mittelwert, der die
unterschiedlichen Eigenschaften der verschiedenen
Projektortechniken (gleichmäßige Bildausleuchtung
usw.) berücksichtigt und vergleichbar macht.
Wissenswertes aus dem Bereich Heimkino.url
www.heimkinomarkt.de
Exkurs: Licht
Photometrie
MedienTechnik
Leuchtdichte L = Lichtstärke / Leuchtfläche [cd/m2]
Leuchtfläche = scheinbare Fläche
senkrecht zur Betrachtungsrichtung
I0*cosα
α
I0
Betrachtungsrichtung
Leuchtende
Fläche
Lambert‘scher Strahler
Ebene Fläche gleichmäßiger
Lichtstärke I
erscheint aus allen Richtungen
gleich hell
Scheinbare
Fläche
MedienTechnik
Exkurs: Licht
Photometrie
Leuchtdichte L = Lichtstärke / Leuchtfläche [cd/m2]
Ausgewählte Leuchtdichten
Fluoreszenz
Nachthimmel
Grauer Himmel
Blauer Himmel
Mond
Sonne am Horizont
Mittagssonne
Leuchtstofflampe
Kerze
Wolfram-Glühlampe matt
Kohlelichtbogen
Quecksilber-Höchstdrucklampe
Xenon-Höchstdrucklampe
cd/cm2
!
< 0,01
10-7
< 0,3
<1
0,25
600
< 150.000
0,2-0,4
<1
5-40
< 18.000
25.000-150.000
50.000-1.000.000
Blendung
ab
0,75 cd/cm2
MedienTechnik
Exkurs: Licht
Photometrie
Zusammenfassung
Lichtstärke
I
cd
Leuchtdichte
L
cd/m2
Lichtstrom
Φ
lm = cd*sr
Lichtmenge
Q
lm*s
Beleuchtungsstärke
E
lx = lm/m2
Belichtung
H
lx * s
Raumwinkel
Ω
sr
Grundgröße
MedienTechnik
Exkurs: Licht
Physiologie des Sehens
Video,
ergo sum !
MedienTechnik
Exkurs: Licht
Physiologie des Sehens
Hornhaut: durchsichtig, 5-schichtig
vordere Kammer mit Kammerwasser
Linse mit ringförmigem Ciliarmuskel
dazwischen: Regenbogenhaut (Iris)
dahinter: Glaskörper, Augenfüllung
dahinter: Netzhaut, Stäbchen (Farbe) und Zapfen (Helligkeit)
Zapfen sind in der Mitte (Gelber Fleck, Fovea Centralis)
konzentrierter als außen (bestes Sehen)
Blinder Fleck: Eintritt des Sehnervs, ohne Sensoren
Akkommodation: Ziliarmuskel zieht sich zusammen und verdickt die Linse
Jeder Zapfen ist mit einer Nervenzelle verbunden, mehre Stäbchen mit einer !
Aussen ist das Auge besonders empfindlich.
Koordination: Synchronisation beider Augen (räumliches Sehen)
MedienTechnik
Exkurs: Licht
Physiologie des Sehens
MedienTechnik
1. Netzhaut = Retina
2. Aderhaut =
Choroidea
3. Lederhaut = Sklera
4. Hornhaut = Cornea
5. Bindehaut = Tunica
Conjunctiva
6. Regenbogenhaut = Iris
7. Strahlenkörper = Corpus c
9. Vordere Augenkammer =
bulbi
10. Hintere Augenkammer =
11. Sehloch oder Pupille = P
13. Gelber Fleck (Stelle des
Sehens) = Macula, Fovea ce
14. Blinder Fleck
(Durchtritt des Sehnervs durc
Wand des Augapfels
MedienTechnik
Hyperopie: Weitsichtigkeit
MedienTechnik
MedienTechnik
Stäbchen, "rods"
Zäpfchen, "cones"
MedienTechnik
MedienTechnik
Exkurs: Licht
Physiologie des Sehens
Zum Vergleich: CCD
120 Mio. Stäbchen (Farbsehen)
6 Mio. Zapfen (Helligkeit)
Empfindlichkeit der Zapfen für
Farben:
Zapfen sind empfindlicher: Nachts sind alle Katzen grau!
Trichromatizität des Auges (Thomas Young 1809)
MedienTechnik
Strahlung
Auge
Farbreiz
R,G,B
R-G
G-B
Farbvalenz
B-R
R+G+B
Farbvalenz
(Signal an das
Gehirn)
Rot-GrünAnteil
Blau-Gelb
Anteil
Farbton,
Sättigung
Farbempfindung
Farbempfindung
Helligkeit
Gehirn
Farbverarbeitung nach George Wald
MedienTechnik
f =
c
λ
f Frequenz
c Lichtgeschwindigkeit
l Wellenlänge
Frequenz
1809: Thomas Young RGB (nach RYB)
Young‘sche Nervenelementreihe
1861: James Clerk Maxwell
Drei-Farben-Projektion mit RGB-Diapositiven
1961 (?): George Wald
Nobelpreis für Nachweis 3 verschiedener
Zapfentypen (Biochemie)
Neuere Forschung: Jerry Nathans
Gene der Zapfen entschlüsseln
Gibt es Tetrachromatizität bei Frauen ?
RRGB
Ultraviolett
Blau: 400-500 nm
kurzwellig
hochfrequent
Grün: 500-600 nm
Rot: 600-700 nm
langwellig
niederfrequent
Infrarot
Wellenlänge
MedienTechnik
Exkurs: Licht
Physiologie des Sehens
Simultankontrast
Farbwahrnehmung wird von
Nachbarfarben beinflusst
Optische Täuschungen
Metamerie
Je nach Beleuchtung sehen
unterschiedliche Farben
gleich aus
Sukzessiver Kontrast
(Nachbild in
Komplementärfarbe)
Farbgedächtnis
(Baum, Himmel, Haut)
Chromatische Adaption
(Weißabgleich)
MedienTechnik
Vorlesung „Medientechnik SS 2005“
Dr. Manfred Jackel
Studiengang Computervisualistik
Universität Koblenz-Landau
Campus Koblenz
Postfach 201602
56016 Koblenz
Literatur zu diesem Kapitel:
Marchesi: Handbuch der
Fotografie 1-3
Alex Ryer: Light Measurement
Handbook
Fischer, Karl Friedrich u.a.:
Taschenbuch der technischen
Formeln
Kuchling, Horst:
Taschenbuch der Physik
Hyperlinks zu diesem Kapitel
www.int-light.com/handbook
www.heimkinomarkt.de
de.wikipedia.org/wiki/Farbensehen
© Manfred Jackel
E-Mail: [email protected]
WWW: www.uni-koblenz.de/~jkl
mtech.uni-koblenz.de
Grafik-Quellen