230201 1L2L0X0B_(I), http://farbe.li.tu-berlin.de/BGRI.HTM oder
http://color.li.tu-berlin.de/BGRI.HTM
Für diese Hauptseite mit Text und besonderen Bildern
der zugehörigen Bildseite mit 10 Farbserien, siehe
BERI in englisch,
BGRI in deutsch.
Für die vorherige Hauptseite, siehe
BEQI in englisch,
BGQI in deutsch.
Für die nächste Hauptseite, siehe
BESI in englisch,
BGSI in deutsch.
Für Links zum Kapitel B
Farbensehen und Farbmetrik (2020), siehe
Inhaltsliste von Kapitel B:
BEA_I in englisch oder
BGA_I in deutsch.
Zusammenfassung von Kapitel B:
BEA_S in englisch oder
BGA_S in deutsch.
Beispielbildteil von 26 Teilen BGAS bis BGZS:
BEAS in englisch oder
BGAS in deutsch.
Kapitel B: Farbensehen und Farbmetrik (2020),
Hauptteil BGRI
1. Einführung und Ziele
Die Ostwald-Farben haben die maximalsten Buntwerte CAB2 von
allen Körperfarben. Die Wellenlängenbereiche der
Ostwald-Farben werden durch kompensative Wellenlängen begrenzt.
Sie bilden daher ein "Farbenhalb". Die Wellenlängengrenzen
ändern sich etwas mit der Lichtart.
Bild 1 zeigt die Ostwald-Optimalfarben in der Normfarbtafel
(x, y) für die Farbpaare R-C, Y-B und G-M.
Zum Herunterladen dieses Bildes in dem VG-PDF-Format, siehe
BGS11-6N.PDF.
Das Farbpaar G-M hat die Wellenlängengrenzen 493 nm und 567 nm.
Die Farben G und M sind Optimalfarben, aber keine
Ostwald-Optimalfarben.
Jedoch das Farbenhalbpaar G2-M2 ist eine Ostwald-Optimalfarbe.
Die Farben G2 und M2 haben in Bild 1 die Wellenlängengrenzen
471 nm und 572 nm. Die beiden zugehörigen Farbenhalbs
mit diesen Wellenlängengrenzen sind durch eine Gerade
in den Farben Grün und Magenta definiert.
2. Gerade erkennbare Farbunterchiede (JNDs) von
Ostwald-Farben
Die Ostwald-Farben entstehen durch spektrale Farbmischung mit einem
Farbintegrator. Durch Masken werden nur bestimmte weiße Bereiche in
Bild 2 gemischt.
Bild 2: Spektrale Mischung der Ostwald-Optimalfarben mit
Masken zu einer homogenen Farbe mit einem spektralen Farbintegrator
Zum Herunterladen dieses Bildes in dem VG-PDF-Format, siehe
BGR10-7N.PDF.
Ein Zweistrahl-Farbintegrator erlaubte die Farberzeugung von zwei gleichen
Ostwald-Optimalfarben in zwei kreisförmigen Halbfelden.
Eine der beiden Masken wurde so lange verschoben, bis zu 50%
ein gerade erkennbarer Unterschied (JND) erkennbar war.
Das Experiment wurde anschliessend mit der negativen Maske wiederholt.
Zu den beiden Masken gehörten immer komplementäre Optimalfarben.
Die Verschiebung der beiden Masken war für diese beiden
komplementären Optimalfarben immer annähernt gleich. Dies wird durch
gleiche Verschiebung der Masken nach rechts und links gezeigt.
Die Verschiebung ist für beide Farben G2 und M2 gleich.
3. Gleiche JNDs für alle antagonistischen (komplementären)
Optimalfarben nach Holtsmark und Valberg
Das experimentelle Ergebnis hat besondere Bedeutung
für die Farbmetrik:
a. Das Experiment benutzt zwei aneinandergrenzende Farben
im weißen Umfeld und im Dunkelraum.
Das logarithmische Mittel der Hellbezugswerte von Weiß und Schwarz
kann ein mittelgraues Gesichtsfeld mit Yu definieren.
b. Nach CIE 230:2019 gilt hier weitgehend das Gesetz von Weber-Fechner
in der folgenden Form:
L* = k log[Rn] (k = 1 oder 0,86, Rn=R/0,20
normierte Reflexion) [1]
dann gilt für die Ableitung
d(L*) = k d(Rn)/Rn [2]
Für gleiche visuelle Unterschiede d(L*)=1 gilt:
Rn / d(Rn) = k [3]
Anstelle der normierten Reflexion Rn wird in der Farbmetrik auch der
normierte Hellbezugswert Yn = Y/Yu oder die
normierte Leuchtdichte Ln=L/Lu benutzt.
Für das graue Umfeld ist Yu der Hellbezugswert
und Lu die Leuchtdichte. Der Quotient nach Gleichung
[3] ist unabhängig von der Normierung.
In der Regel gilt für den Hellbezugswert des grauen Umfeldes
log Yu = 0,5 (log[YN] + log [YW]) [4]
Bei Körperfarben ist im Idealfall YW=100 für Weiß W
und YN=4 für Schwarz N. Der Wert YN=4 gilt
angenähert für alle matten schwarzen Köperfarben.
Dann ist der Hellbezugswert nach Gleichung [4]:
Yu = 20 [5]
Der Wert nach Gleichung [5] wird zum Beispiel in den Farberscheinungsmodellen
CIECAM02 und CIECAM16 (2021 in CIE-Abstimmung) benutzt.
Es ist von besonderer Bedeutung, dass Gleichung [1] für verschiedene
Konstanten k mit der folgenden Form äquivalent ist:
L* = c log [Rn^m] [6]
Die Variable L* wird nach Stiles als das Linienelement zur
Variablendifferenz dL* bezeichnet.
Für gerade erkennbare Unterschiede (JNDs) auf grauer Umgebung
gilt für
- aneinandergrenzende Farben: m=1 (oder 0,86)
- separate Farben: m=0,5 (oder 0,43=0,86/2=1/2,4).
Der Wert 2,4 wird als Gammawert in der Informationstechnik angewendet.
Im sRGB-Farbenraum nach IEC 61966-2-1 approximiert der Gammawert die
CIELAB-Helligkeit. Es gilt angenähert
L*CIELAB = L*IECsRGB mit
L*CIELAB = 116 (Y/100)^(1/3) - 16 [7]
und
L*IECsRGB = 100 (Y/100)^(1/2,4) [8]
Zusammenfassung:
Zum Beispiel zur Beschreibung der Farbunterschiede von
aneinandergrenzenden und separaten Farben auf
grauer Umgebung, kann daher das Linienelement in Gleichung [1] oder das
Weber-Fechner-Verhältnis [2]
mit verschiedenen Konstanten m angewendet werden.
Die S-förmige Signalfunktion der Farbphysiologie wird durch eine
antagonistische logarithmische Funktion um das graue Umfeld
(Ru=0,2 oder Yu=20)
erreicht. Diese Funktion hat den Wert 0 für das graue Umfeld.
4. Bunttonkreise und Bunttonebenen von Ostwald-Farben
für 8 CIE-Lichtarten und 2 Kontraste C>288:1 und 2:1
Anstelle der normierten Reflexion Rn oder dem normierten Hellbezugswert
Yn werden für bunte Farben auch die linearen Buntwerte
CAB2 betrachtet. Für ihre Berechnung siehe die Gleichungen
und Tabellen in den Bildern.
Bild 3: Ostwald-Optimalfarben im Buntdiagramm
(A2, B2) für die drei Farbpaare R-C, Y-B und G-M
Zum Herunterladen dieses Bildes in dem VG-PDF-Format, siehe
BGR31-7N.PDF.
Parameter sind der Helbezugswert Y mit Farbname, zum Beispiel 94Yd
oder 6Bd für das Farbpaar Y-B. Die Hellbezugswerte betragen
Y=94 für Gelb Yd und Y=6 für Blau Bd.
Die Hellbezugswerte unterscheiden sich daher um einen Faktor 15.
Die Buntwerte CAB2 sind für alle Farbpaare und die 8 Lichtarten
innenhalb von 10 Prozent gleich. Die Lichtarten enthalten die
CIE Normlichtarten D65 und A.
Der gleiche Buntwert CAB2 ist ein besonderer Vorteil für
viele Anwendungen.
Bild 4: Ostwald-Optimalfarben in der Bunttonebene Y-B
Zum Herunterladen dieses Bildes in dem VG-PDF-Format, siehe
BGR90-1A.PDF.
Die Hellbezugswerte von Gelb und Blau sind um den Faktor 15 verschieden.
Die Buntwerte CAB2 sind nahezu gleich groß. Als Ordinate
dient die lineare Hellbezugswertdifferenz Y-50.
In späteren Bildern ist die Ordinate das empfindungsgemäße
Farbmerkmal L*, vergleiche Gleichung [6] mit den normierten
Werten Yn = Y/20.
L* = log [Yn^k]
Für graue Umgebung ist der Exponent k für separate Farben oft
nur halb so groß wie für aneinandergrenzende Farben.
Bild 5: Ostwald-Optimalfarben in der Bunttonebene
R-C.
Zum Herunterladen dieses Bildes in dem VG-PDF-Format, siehe
BGR91-1A.PDF.
Die Hellbezugswerte Y von Rot und Cyan betragen 81 und 69.
Die Buntwerte CAB2 sind nahezu gleich groß. Als Ordinate
dient die lineare Hellbezugswertdifferenz Y-50.
Die grünen Kurven in Bild 4 und 5 gelten für den Kontrast
C=2:1. Die schwarzen Kurven gelten für den theoretischen
Szenenkontrast C>=288:1. Der visuelle Kontrast
Cvis = Y / dY ist oft nur C=25:1 für
aneinandergrenzende Farbfelder mit Y nahe dem Umfeld.
5. Zusammenhang der Holtsmark-Ergebnisse mit farbmetrischen
Linienelementen von Schroedinger und Stiles
Nach Holtsmark und Valberg haben alle komplementären
Optimalfarben angenähert gleiche JNDs.
Für komplementäre Optimalfarben sind die Farbreizdifferenzen
deltaX, deltaY und detaZ zur Erzeugung einer gerade
erkennbaren Differenz (JND) gleich. Dies gilt auch für alle linearen
Transformationen, zum Beispiel die Buntwerte deltaA2, deltaA3
und den Hellbezugswert deltaY.
Daher kann das folgende Farblinienelement von E. Schroedinger, das von
W.S Stiles beschrieben und interpretiert wurde, fortentwickelt
werden:
ds^2 = 1/(lr R + lg G + lb B) [dR^2/R +
dG^2/G +
dB^2/B] [9]
In dieser Gleichung sind die Konstanten lr, lg und lb die Leuchtdichtebeiwerte.
Die Unterscheidung in Helligkeitsrichtung ist die gleiche für
alle Farben. Es gibt keine Kreuzterme, zum Beispiel zwischen
R und G. Kreuzterme sind zur Erzeugung der Eigenschaft
Additivität der kleinstufigen Helligkeit nicht erlaubt.
Die Additivitätseigenschaft scheint auch im sRGB-Farbenraum
nach IEC 61966-2-1 enthalten zu sein. Die Farbwerte rgb* sind
proportional zu den Gerätefarbwerten RGBd (d=device) gestuft.
In Helligkeitsrichtung sind alle drei Farbwerte rgb* proportional zu
L*CIELAB zur Codierung und Übertragung
gestuft. Die sRGB-Farbwerte rgb* sind deshalb mit einem Stern (*)
gekennzeichnet.
Werden die drei Richtungen RGB im Linienelement von Schroedinger
durch die drei antagonistischen Paare R-C, Y-B, und G-M ersetzt, so
bleibt der Farbenraum weiterhin dreidimensional. Zum Beispiel vom dem
Farbpaar R-C ist jeweils eine Komponente größer und diese
bestimmt die Bunttonebene.
Schroedinger hat das Eigenlicht Ro, eine Konstante
R + Ro, anstelle von nur R, in seiner obigen Gleichung
vernachlässigt, da er viele experimentelle Ergebnisse nicht
besser mit Ro bschreiben konnte.
Die antagonistische logarithmische Funktion um Mittelgrau erzeugt gleiche
Kontraste (gleiche Weber-Fechner-Verhältnisse) nahe Schwarz
und Weiß und alle Graustufen. Durch diese Eigenschaft wird die
Farbunterscheidung komplementärer Optimalfarben gleich. Die Buntheit
CAB2 ist für alle komplementären Optimalfarben gleich
und nicht nur für dir komplementären
Ostwald-Optimalfarben.
Zum Beispiel die Unterscheidung in Helligkeitsrichtung wird
durch den Quotienten dR/R bestimmt. Er ist für alle
grauen Farben zwischen Schwarz N und Weiß W gleich.
Zusätzlich ist er aber auch für alle Farben der Reihe zwischen
Schwarz und den Ostwald-Optimalfarben und weiter
bis Weiß gleich.
Betrachtet man die Normfarbwertdifferenzen deltaY für die
Farbschwelle (JND) so nehmen diese von Schwarz nach Weiß stetig zu.
Falls die Helligkeitsstufung durch die quadratische Reihe
L* = 100 (Y/100)^(1/2)
beschrieben wird, so haben 10 Helligkeitsstufen die Werte 1, 2, bis 10.
Die zugehörigen Hellbezugswerte sind
Y=1, 4, 9, ..., 81, 100.
Nahe Schwarz ist die Hellbezugswertdifferenz deltaY=3
und nahe Weiß deltaY=19. Diese Berechnung gilt
für separate Farbmuster auf weißer Umgebung.
Für aneinandergrenzende Farben gilt nach Weber-Fechner:
dY/Y = constant
Anmerkungen: Die Torger Holtsmark-Experimente wurden 1969/70 am
Institut für Farbenmetrik im Physikalischen Institut
der Universität Basel durchgeführt.
Unter der Leitung von Karl Miescher waren die beiden Wissenschaftler
Arne Valberg und Klaus Richter für Aufbau und Betrieb
des Spektralen Farbintegrators mit verantwortlich.
Klaus Richter war nach seiner Doktorarbeit in 1969, siehe
_DISS_1969_7397_Richter.pdf
einer der Versuchspersonen der Holtsmark-Experimente.
Bild 6: Spezielle metamere Farbe zur CIE-Testfarbe Nr. 11
nach CIE 13.3
Zum Herunterladen dieses Bildes in dem VG-PDF-Format, siehe
MG010-7N.PDF.
Die spezielle metamere Farbe ist aus einer Ostwald-Optimalfarbe
und Weiß und Schwarz gemischt.
Eine Arbeit von K. Richter (1965) beschreibt die Berechnungen
der vielen Optimalfarben und der besonderen metameren Farben
zu vielen Körperfarben mit dem Farbintegrator.
Das Bild zeigt für eine spezielle grüne metamere Farbe
den Schwarz- (n), Weiß- (w) und Buntwert (c).
Der Buntwert ist definiert durch eine bunttongleiche
Ostwald-Optimalfarbe mit den kompensativen
Wellenlängengrenzen des Ostwald-Farbenhalbs.
Literatur:
Holtsmark, T., Valberg. A. (1969), Colour discrimination and hue,
Nature 224, 366-367.
Richter, K. (1965), Programmierung farbmetrischer Berechnungen,
Die Farbe 14, 275-286.
Valberg. A., Holtsmark, T., Similarity between JND-curves for complementary
optimal colours (1972), in colour metrics, Institute for perception TNO,
Soesterberg, 58-68.
Stiles, W. S., (1972), The line element in colour theory: A historical review,
in colour metrics, Institue for perception TNO, Soesterberg, 1-25.
Richter, K. (2006), Relation of Weber law and Stevens law
at achromatic threshold, see the URL (11 Seiten, 200 kB)
A/BAMAT.PDF.
-------
Für Archiv-Information (2000-2009) des BAM servers "www.ps.bam.de"
(2000-2018)
über Prüfvorlagen,
farbmetrische Berechnungen, Normen und Veröffentlichungen, siehe
indexAE.html in englisch,
indexAG.html in deutsch.
Zurück zur TUB-Hauptseite (NICHT Archiv), siehe
index.html in englisch,
indexDE.html. in deutsch.