Upload
others
View
5
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
1
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
Institut für ComputervisualistikAG ComputergraphikProf. Dr. Stefan Müller
Betreuer: Jakob Bärz
2
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
Übersicht
1.Licht2.Das Auge3.Neurologie
i. Retinaii.Visueller Cortex
4.Visuelle Wahrnehmungi. Wahrnehmungsketteii.Optische Täuschungiii.Zeitliche Wahrnehmungiv.Helligkeitswahrnehmung
a)Adaptionb)Retinale Positionc)V(Lambda)d)Zeit und Fläche
v.Kontrast5.Farbe6.Beleuchtungssimulation in der CG7.Fazit
3
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
Wie nehmen wir Licht wahr?
4
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
Was ist Licht?
- elektromagnetische Strahlung
5
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
Das Auge
Aufbau und Funktion des Auges bekanntaus dem Schulunterricht
Spezieller: Aufbau und Funktion von Stäbchen und Zapfen
Stäbchen- lichtempfindlich, ~500nm, Nachtsicht
Zapfen- Farbensehen- S-Zapfen (blau, 420nm)- M-Zapfen (grün, 534nm)- L-Zapfen (rot, 564nm)
6
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
7
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
Neurologie
3 Arten retinaler Ganglienzellen
- Y-Zellen, 40m/s, Bewegungsentdeckung im Blickwinkel- X-Zellen, am häufigsten vorkommend, 20m/s, Mustererkennung- W-Zellen, 10m/s, komplexere Erkennung
8
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
Der visuelle Cortex
- besteht aus ca. 100 Mio. Neuronen
3 Gruppen verschiedener Zellen
Einfache Zellen
9
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
Der visuelle Cortex
Komplexe Zellen Hyperkomplexe Zellen
10
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
Visuelle Wahrnehmung → z.B. Lichtwellen, Farbe, globale Helligkeit, Graustufen, Kanten/Formen, Bewegung
Wahrnehmungskette
In sich geschlossene Kette, jedes Kettenglied beeinflusst seinen Nachfolger. Das 6. wiederrum beeinflusst das 1.
Gilt für jegliche Form der Sinnes-Wahrnehmung, natürlich auch die optische.
11
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
1. Umwelt
Ausgangspunkts jeder Wahrnehmung, Objekte und Energien in Bezug auf die wahrnehmende Person.
2. Medium
●Übertragungsmedium dient das Licht, welches als elektromagnetische Welle in das Auge trifft und dortdann auf die Photorezeptoren●Distaler Reiz●Eine Instanz (z.B. Blinken) eines Mediums (Licht) wirdauch als Signal bezeichnet.
3. RezeptorenVorverarbeitung der empfangenen Reize in den Photorezeptoren des Auges. Zuerst wird durch den Reizes eine chemische, dann elektrische Reaktion ausgelöst (Aktionspotenzial).
4. Weiterleitung der Reize vom Sinnesorgan an das GehirnErstes bloßes Bewusstwerden der Wahrnehmung, aber noch keine Erkenntnisse oder Interpretationen.
12
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
5. sensorische ZentrenBewusste Verarbeitung der Wahrnehmung im Gehirn im Zusammenspiel mit anderen Hirnarealen.Wiedererkennung oder Verständnis des Gesehenen werden z.B. beeinflusst durch:
● Erinnern● Kombinieren● Erkennen● Assoziieren● Urteilen
Ergebnis bildet die Grundlage für die folgende Reaktionund muss keineswegs ein klares Bild sein.Auch Empfindungen wie Hunger, Schmerz oder Angstkönnen Ergebnis der Kognition sein.
6. ReaktionNicht unbedingt direkter Teil der Wahrnehmung, allerdings als Ergebnis dieser kann folgendes Handeln den nächsten Durchlauf der Wahrnehmungskette beeinflussen (z.B. Augenbewegung, Zwinkern, etc.)
13
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
Optische Täuschung
Ist ein Glied der Wahrnehmungskette gestört, komm es zu einem Widerspruch zwischen Reiz und der ausgelösten Wahrnehmung (gestörte Wahrnehmung).
Arbeitet die Wahrnehmungskette störungsfrei, das Ergebnis des Wahrnehmungsprozesses weicht aber trotzdem von der Realität ab, so spricht man von einer Wahrnehmungstäuschung.
Man sieht, was man aufgrund von Erfahrung/Erinnerung/Kombination erwartet!
Wir erkennen Räume und Gebilde, wo keine sind, nehmen Bewegungen, Bilder und Farben wahr, die nicht existieren, oder schätzen die Länge und Größen von Objekten falsch ein.
Diese optischen Täuschungen sind nicht wirklich korrigierbar, die Wahrnehmung kann nur durch erhöhte Aufmerksamkeit oder Konzentration gesteigert werden.
14
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
Optische Täuschungen
15
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
Zeitliche Wahrnehmung
1. Wahrnehmung der zeitlichen Folge- Auflösung im Millisekunden-Bereich
2. Wahrnehmung von Zeitintervallen- Auflösung unterhalb der Zehntelsekunde- Wahrnehmung der Reaktionszeit von 0,3-1,5 Sekunden
3. Wahrnehmung der Gegenwart- Zeit die als Gegenwart empfunden wir dauert ca. 3 Sekunden
Wahrnehmung von Geschehen und Bewegung entspricht (1.) Folgewahrnehmung
Schwellen:● Erkennung als zwei getrennte Ereignisse wenn optische Impressionen 20-30
Millisekunden auseinanderliegen● Erkennung einer Reihenfolge bei etwa 30-40 Millisekunden
16
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
Helligkeitswahrnehmung
- keine physikalische Größe – phänomenaler Eindruck der Lichtintensität
Beispiel:Lichtstrahl des Beamers auf die Leinwand
✔ Betrag an Lichtenergie aus Glühlampebestimmt die STRAHLUNG
✔ auf die Leinwand fallendes Lichtbestimmt die BELEUCHTUNG
✔ von der Leinwand reflektiertes Lichtbestimmt die LICHTSTÄRKE
✔ den Gesamteindruck nennt manHELLIGKEIT
Schwelle für Reizwahrnehmung abhängig von:✔ Fläche, Zeit✔ Retina-Position✔ Wellenlänge✔ Adaption
17
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
Adaption
Helligkeitswahrnehmung abhängig von gegenwärtiger Sensitivität der Rezeptoren
Anpassung des Auges an verschiedene Lichtverhältnisse- durch Größenänderung der Pupille- Adaption
Starke Unterschiede der Umfeldleuchtdichte
Unterscheidung von Dunkel- und Helladaption
Dunkeladaption dauert länger als Helladaption
18
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
Dunkeladaption oder „Bei Nacht sind alle Katzen grau“
Nach 1 Minute: Sofort-Adaption der ZapfenNach 10 Minuten: Dauer-Adaption der Stäbchen
bis zu 40 Minuten: vollständige Anpassung
Hohe Sehkraft im Dunkeln,aber keine Fähigkeit mehr zum Farbensehen
19
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
Chromatische Adaption (Weißabgleich)
● bekannt von der Digitalkamera● automatischer Weißabgleich mit bestimmten Zapfen der Netzhaut● Wechsel der Farbtemperatur der Umgebung wird subjektiv kaum wahrgenommen
Beispiel:Betreten eines Raumes mit rötlicher Farbtemperatur.Die Rotrezeptoren (L-Zapfen) werden ihre Empfindlichkeit gegenüber den anderen Zellen
verringern.
Weißes Papier sieht unter Tages- und Kunstlicht für uns immer weiß aus!
20
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
Retinale Position
Man kann schwach leuchtende Sterne am Nachthimmel aus demAugenwinkel erahnen. Aber sobald man hinschaut, sind sie weg.
Woran liegt das?
- in der Fovea hauptsächlich Zapfen- 20° entfernt fast nur noch Stäbchen- Stäbchen lichtempfindlicher!
21
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
Wellenlänge (V-Lambda)
Hellempfindlichtkeitskurve V(λ)
- blau: für Nachtsehen- rot: für Tagsehen
Farbrezeptoren (Zapfen)beim Menschen reagierenab einer Leuchtdichte von0,1 cd/m²
Die Farbwahrnehmung ist nachts verschoben
22
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
Purkinje-Effekt(Jan Evangelista Purkinje, böhmischer Ordenslehrer, Pathologe und Physiologe, Politiker und Sänger)
Das unterschiedliche Helligkeitsempfinden von Farben bei Tag und Nacht.
Spektrale Empfindlichkeit der Sehzellen bei Tag und Nacht unterschiedlich (s. V(λ)).
Bei Tag erscheint gelb heller als blau.
Bei Dämmerung und Nacht erscheinenblaue Farbtöne heller und rote Farbtöne dunkler
Angewandt bei Notsignal-Lichtern
23
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
Zeit und Fläche
Bloch's Gesetz: C = T * I
Wenn ein weniger intensiver Reiz dargeboten wird,muss er länger präsentiert werden, um genauso entdecktwerden zu können.
Ricco's Gesetz: C = A * I
Wenn ein weniger intensiver Reiz dargeboten wird,muss er großflächiger präsentiert werden, um genausoentdeckt werden zu können.
C = kritischer Betrag an Licht-Energie zum Überschreiten der SchwelleT = ReizdauerI = Intensität
Kleiner Lichtreiz für 500ms
C = kritischer Betrag an Licht-Energie zum Überschreiten der SchwelleT = stimulierte Fläche I = Intensität
Großflächiger Lichtreiz für 100ms
24
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
Pulfrich – Effekt(Carl Pulfrich, deutscher Physiker und Optiker)
Dunkle optische Reize benötigen ein wenig mehr Zeit um vom Gehirn wahrgenommen zu werden als helle.
- Seitwärtsbewegung eines Objektes- Ein Auge abgedunkelt (z.B. Sonnenbrillenglas)- Unterschiedliche Wahrnehmung der beiden Augen- Tiefeneindruck entsteht, ist aber nicht real vorhanden
Beispiel: Pendel erscheint auf einer elliptischen Bahn
Idee für 3D-Brillen und Filme.
25
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
Kontrast
Welches Feld ist heller/dunkler? A oder B?
26
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
Kontrast
Die Felder haben absolut identische Farbwerte!
27
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
Kontrast
Simultaner Helligkeitskontrast- ein Bereich wirkt heller, wenn umgebende Bereiche dunkler sind-> stärkerer Kontrast
Grund: Kreuzung der Verbindung von Rezeptoren zu den Ganglien – diese hemmen sich seitlich (Laterale Hemmung)
28
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
Kontrast
Der gleiche Effekt bei Herrmanschen Gittern
29
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
FarbeElektromagnetische Strahlung, die von beleuchtetem Material remittiert wird.
RGB RG
30
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
Wahrnehmung von FarbeFarbreiz: Spektral verteiltes Licht, das von den Zapfen der Netzhaut absorbiert wird.
Farbvalenz: Reizantwort der Zapfen auf einen Farbreiz.
Farbeindruck: Durch das Gehirn bearbeitete (Adaption) Farbvalenz.
31
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
Wahrnehmung von FarbeSichtbares Spektrum im Bereich von ca. 380 bis 780 nm
Trichromatische Theorie: Jeder Farbeindruck lässt sich durch drei Primärfarben (Annahme: drei verschiedene Farbrezeptoren) mischen, führt zur Repräsentation von Spektren durch dreidimensionale Farbsysteme (XYZ, RGB,..)
Infrarot .... UV
32
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
CIE XYZ
x y z
gesuchte Farbe
NormspektralkurvenMetamer
33
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
CIE XYZNormierte Farbe
Basisfunktionen
Eigenschaften:● positiv● y-Kurve entspricht dem spektralen Hellempfindlichkeitsgrad.● Die Flächen sind gleich.
34
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
35
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
RGBZiel: RGB-Wert, um abhängig vom Ausgabegerät das gewünschte Spektrum zu rekonstruieren, damit der identische Farbeindruck entsteht.
Voraussetzung: Linearer Zuwachs in RGB-Werten resultiert in linearem Zuwachs der Leuchtdichte (Exponentieller Zuwachs: Gamma-Korrektur)
Unterschiedliche Ausgabegeräte = Unterschiedliche Farben und Leuchtdichten
36
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
LichtsimulationSpektrale Größe -> XYZ (mit Normspektralkurven)-> RGB (mit ausgemessener Leuchtdichte-Farbmatrix)-> Lichtsimulation im RGB Farbraum
37
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
Lokales Beleuchtungsmodell
Auswerten eines Strahls durch jeden Eckpunkt eines Polygons.
Ia: konstantes, ambientes Licht.
● schnell, Hardware● keine Halbschatten, keine indirekte Beleuchtung
38
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
Rendering Equation (Kajiya, 1986)
Globale Beleuchtung durch Simulation der Verteilung von Licht in einer Szene.
Ausgestrahltes Licht = emittiertes Licht (Lichtquelle) + (integriertes Licht gewichtet mit Material)
Problem: Integralgleichungssystem mit vielen Parametern
39
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
Globale BeleuchtungsmodelleRadiosity
Szene wird in diskrete Patches unterteilt, die Licht empfangen und aussenden.
● Radiosity (spezifische Ausstrahlung) ist für ein Patch konstant (constant radiosity assumption)
● Endliche Anzahl von Patches ermöglicht Summe statt Integral (finite element method)
40
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
Globale Beleuchtungsmodelle(Backward) Raytracing
41
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
Globale Beleuchtungsmodelle(Backward) Raytracing
Das Auge sendet für jeden Pixel der Bildebene Lichtstrahlen aus, die rückwärts durch die Szene verfolgt werden. Berechnung der Strahldichte am ersten Schnittpunkt von Objekt und Lichtstrahl.
42
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
Globale BeleuchtungsmodelleRekursives RaytracingZusätzliche rekursive Sekundärstrahlen bei spiegelenden Reflexionen und Transmissionen.
Path TracingSekundärstrahlen in zufällige Richtung auch bei diffusen Oberflächen. Alle Lichteffekte möglich (Kaustiken..). Problem: Viele Strahlen, Rauschen.
43
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
Globale BeleuchtungsmodellePhoton Mapping
First pass: Emission von Photonen durch Lichtquelle und rekursive Weiterverfolgung. Eintrag in Photon Map, wenn ein Photon auf eine diffuse Fläche trifft.
Second Pass: Auswertung durch Backward Raytracing Algorithmus. Abschätzung der Dichte der Photonen in der Map um Bestrahlungsstärke zu bestimmen. Schneller als Path-Tracing.
44
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
45
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
Fazit:
Beleuchtung ist für unsere Wahrnehmung in der Computergrafik nicht nur schön, sondern auch wichtig!●Unser visuelles Feld wird in erster Instanz in Formen aufgeteilt.●Diese sind durch Konturen voreinander getrennt. Konturen entstehen durch Kontrastunterschiede, Farbdifferenzen, Schatten und Kanten.●Ein visuelles Feld ohne jegliche Konturen heißt Glanzfeld. ●Starrt man längere Zeit auf ein Glanzfeld, so bleichen die entsprechenden Rezeptoren aus (z.b. Schnee-Blindheit).
Ein weiterer Aspekt unseres visuellen Feldes ist eine Lichtquelle, das Bild auf der Netzhaut hängt von der Stärke der Lichtquelle ab.
● Die Reflexion einer Lichtquelle auf einer Oberfläche verrät uns viel über deren Beschaffenheit (z.B. matt oder glänzend) und die Farbe.
● Brechung läßt auf Material oder Flüssigkeiten schließen.
● Je nachdem wie eine Fläche zwischen Lichtquelle und Beobachter steht, können wir uns an deren Ausrichtung orientieren.
● Der Blickwinkel auf eine Szene bestimmt wie und wo man zur Szene steht.
Diese Aspekte machen die Beleuchtung für die Computergrafik so enorm wichtig, damit sie unserer realen Wahrnehmung entsprechen.
46
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!
Fragen?Diskussion!
47
Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz
Quellen:Artikel CIE-Normvalenzsystem. In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Bearbeitungsstand: 10. April 2008, 09:57 UTC. URL:http://de.wikipedia.org/w/index.php?title=CIE-Normvalenzsystem&oldid=44734636 (Abgerufen: 15. April 2008, 16:08 UTC)
CIE 1931 color space. (2008, April 10). In Wikipedia, The Free Encyclopedia. Retrieved 16:10, April 15, 2008, fromhttp://en.wikipedia.org/w/index.php?title=CIE_1931_color_space&oldid=204805320
James T. Kajiya. The rendering equation. In SIGGRAPH ’86: Proceedings of the 13th annual conference on Computer graphics and interactive techniques,pages 143–150, New York, NY, USA, 1986. ACM Press.
Brian A. Wandell Foundations of Vision science
Optische Täuschunghttp://blog.ziel-orientiert.de/truegerische-wahrnehmung-oder-unterschiedlich-kann-so-gleich-sein.htm
Wahrnehmunghttp://www.psychologie.uni-heidelberg.de/ae/allg/lehre/wct/w/index.htm
Visuelle Wahrnehmung. In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie Stand. 25. März 2008 18:59http://de.wikipedia.org/wiki/Visuelle_Wahrnehmung
Wahrnehmung. In Wikipedia, Die freie Enzyklopädie. Stand 05. April 2008 03:41http://de.wikipedia.org/wiki/Wahrnehmung
Wahrnehmung von Licht durch das Augehttp://www.teialehrbuch.de/Kostenlose-Kurse/Markup-Sprachen/16369-Die-Wahrnehmung-von-Licht-durch-das-Auge.html
V(Lambda). In: Wikipedia, Die freie Enzyklopädie Stand: 18. Oktober 2007 08:38http://de.wikipedia.org/wiki/V-Lambda-Kurve