DE10019652A1 - Verfahren zur farbmetrischen Auswertung von Multi- und Hyperspektraldaten abbildenden Fernerkundungssensoren - Google Patents

Abstract

Zur farbmetrischen Auswertung von Multi- und Hyperspektraldaten abbildenden Fernerkundungssensoren und synthetischen Farbdarstellung dieser Daten in einem Wiedergabesystem wird gemäß der Erfindung bei der Bildverarbeitung eine mathematisch exakt formulierte Farbzuordnungstransformation eingesetzt, die zu einer Umsetzung der reinen Spektralinformation in einen Farbraum führt. Das auszuwertende Spektrum kann dabei bis in den Infrarotbereich hineinreichen. Das Verfahren nach der Erfindung stellt die Verbindung zwischen der spektroskopischen Messung physikalischer Größen, wie Wellenlänge, Reflexion, Strahldichte usw., und der subjektiven Wahrnehmung eines Farbreizes her und läßt sich bei der Synthese von Farbdarstellungen aus multi- und hyperspektralen Aufnahmen abbildender Sensorsysteme anwenden, wobei es unerheblich ist, ob auf Daten von boden-, luft- oder weltraumgestützten Detektoreinheiten zurückgegriffen wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Das Verfahren dient der Synthese von Farbdarstellungen aus multi- und hyperspektralen Aufnahmen abbildender Sensorsy­ steme. Es ist dabei unerheblich, ob auf Daten boden-, luft- oder weltraumgestützter Detektoreinheiten zurückgegriffen wird.

Nach der herkömmlichen bekannten Vorgehensweise wird in der Farbdarstellung von multispektralen Daten jeweils ein Spek­ tralkanal des Aufnahmesystems oder es werden mehrere zu einem Kanal zusammengefaßte Spektralkanäle des Aufnahmesystems auf eine Grundfarbe eines Wiedergabesystems abgebildet. Die Transformation dreier beliebiger Aufnahmekanäle auf die drei Grundfarben des Wiedergabesystems führen dann zu einer "bunten" Farbwiedergabe, deren objektspezifische und zugleich subjektive Farbeindrücke hierbei jedoch entweder überhaupt nicht oder nur zufällig richtig wiedergegeben werden. Darüber hinaus ist es mit der herkömmlichen Darstellungsmethode selbst nach Anpassung der einzelnen Farbkanäle nicht möglich, gleichzeitig für alle abgebildeten Objekte einen korrekten, d. h. natürlich wirkenden Farbreiz zu erzeugen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Verbindung zwischen der spektroskopischen Messung physikalischer Größen, wie Wellenlänge, Reflexion, Strahldichte usw., auf der einen Seite und der subjektiven Wahrnehmung eines Farbreizes auf der anderen Seite herzustellen.

Diese Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Verfahren durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Die zunächst auf das menschliche Farbsehen beschränkte mathe­ matische Beschreibung in der Farbmetrik erlaubt beim Verfah­ ren nach der Erfindung eine einfache Verallgemeinerung auf beliebige real existierende Farbräume, wie sie z. B. vom Co­ lor-Infrarot-Film (CIR) und den speziell angepaßten Augen ei­ niger Tierarten erschlossen werden, oder eine Spezialisierung auf ausgewählte Probleme der Spektroskopie.

Dem Verfahren nach der Erfindung liegt eine Transformation zu Grunde, in welche ein allgemeingültiger Algorithmus für die Bildverarbeitung eingebunden ist, welcher zu einer Umsetzung der reinen Spektralinformation in eine gewohnte, oder im all­ gemeinen Fall standardisierte RGB-Wiedergabe führt. Darüber hinaus wird durch diese mathematische Abbildung der spektra­ len Information in einen Farbraum die Farbe an sich als Meß­ größe zugänglich. Sie erlaubt eine weitergehende Objektklas­ sifikation, welche in wesentlich höherem Maße einer subjekti­ ven Beurteilung, d. h. einer Klassifikation, durch den Sehme­ chanismus des Menschen verwandt ist, als es mit herkömmlichen Verfahren möglich ist. Die Verallgemeinerung in einen voll­ kommen abstrakten, künstlichen oder virtuellen Farbraum er­ laubt dann bei Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung sogar die Generierung von optimierbaren, technisch ver­ gleichsweise einfachen, farbmetrischen Meßgeräten.

Zweckmäßige und vorteilhafte Weiterbildungen des Verfahrens nach der Erfindung sind in den unmittelbar oder mittelbar auf den Anspruch 1 rückbezogenen Unteransprüchen angegeben.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen und Diagrammen im einzelnen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 in einem Diagramm die spektrale Abhängigkeit der Empfindlichkeit der drei Zäpfchentypen des menschlichen Auges von der Wellenlänge der aufge­ nommenen Lichtstrahlung,

Fig. 2 den einen sogenannten Farbtrichter ergebenden dreidimensionalen Farbraum mit den Komponenten T, D und P entsprechend den drei in Fig. 1 darge­ stellten Rezeptor-Empfindlichkeitskurven,

Fig. 3 in einer Diagrammdarstellung Spektralwertfunktio­ nen x(λ), y(λ) und z(λ) eines normierten Farbrau­ mes, dem sogenannten Normvalenzsystem,

Fig. 4 ein typisches Emissionsspektrum eines Computer- Monitors mit drei Kurvenzügen, die blaue, grüne und rote Farbwiedergabekomponenten darstellen,

Fig. 5 am Beispiel der helligkeitsnormierten Farbwerte des x-y-z-Farbraumes die Lage der sich darin er­ gebenden Farborte der Grundfarben eines Computer- Monitors (Rechtecke) bzw. eines Farbdruckers (×),

Fig. 6 die Änderung der Monitor-Emissionsstrahldichte als Funktion der Digitalwerte im Rot-, Grün- und Blaukanal,

Fig. 7 den typischen spektralen Empfindlichkeitsverlauf eines CIR(Color-Infrarot)-Filmes,

Fig. 8 Strahldichtespektren, welche der Bestimmung der CIR-Film-Basisvektoren zu Grunde gelegt sind und als Produkt der Transmission des Diapositivs und der Strahldichte eines gemessenen Sonnenspektrums berechnet sind,

Fig. 9 den funktionalen Zusammenhang zwischen der Be­ lichtung in den Spektralbereichen aus der Fig. 7 und der entsprechenden optischen Dichte der Wie­ dergabefarben, und

Fig. 10 eine künstliche Spektralwertfunktion zur Hervor­ hebung vegetationsbedeckter Landoberflächen.

Das menschliche Auge nimmt die spektrale Information einer Objektoberfläche im Gegensatz zu einem Spektrometer nicht in "vielen" schmalbandigen und unabhängigen Spektralbereichen auf. Es stehen ihm lediglich drei unterschiedliche Typen von Farbrezeptorzellen, sogenannte Zäpfchen, zur Verfügung, wel­ che die empfangene Strahlung in Abhängigkeit von ihrer Wel­ lenlänge λ nach drei in Fig. 1 in einem Diagramm dargestellten spektralen Empfindlichkeitskurven t(λ), d(λ) und p(λ) be­ werten.

Monochromatisches Licht einer beliebigen, aber definierten Wellenlänge λ erzeugt in weiten Teilen des sichtbaren Spek­ trums in allen drei Rezeptorzelltypen einen Sinnesreiz. Aus­ genommen hiervon ist im wesentlichen lediglich der ferne Rot­ bereich, der allerdings mindestens in zwei Rezeptorzelltypen einen Sinnesreiz erzeugt.

Ein Spektrometer mit separaten, also spektral unabhängigen Detektionskanälen würde entweder kein Signal liefern, wenn die Eingangswellenlänge in keinen der Detektionskanäle paßt, oder im anderen Fall "nur" in genau einem Kanal ein Signal aufzeichnen. Vom Standpunkt des Spektroskopikers aus würde man diese Eigenschaft der Erzeugung von Mischsignalen des menschlichen Auges als "sehr schlechte spektrale Auflösung" qualifizieren, da selbst entsprechende einfachste Instrumente die Spektralfarben deutlich besser auflösen können.

Das menschliche Gehirn und natürlich auch das Gehirn vieler anderer Lebewesen hat jedoch im Verlaufe der Evolution "aus der Not eine Tugend" gemacht und die ganz spezifischen Reiz­ kombinationen seiner drei Detektortypen als Farben interpre­ tiert. Der Begriff "Farbe" ist in der Spektroskopie bisher nicht als physikalische Meßgröße etabliert. Die "Farbe" er­ laubt es aber dem Gehirn, auch feinste spektrale Veränderun­ gen wahrzunehmen. Dieses wäre mit einem nur dreikanaligen Spektrometer mit unabhängigen Detektionswellenlängen prinzi­ piell nicht möglich.

Formal kann man sich die Sinnesreize der drei Rezeptorzellty­ pen als drei Komponenten eines dreidimensionalen "Farbraumes" vorstellen, so daß jeder Wellenlänge des sichtbaren Spektrums genau ein Komponententriplett in diesem Farbraum zugeordnet werden kann. Intensitätsunterschiede werden durch proportio­ nalen Zuwachs aller drei Komponenten abgebildet, so daß sich für eine bestimmte Wellenlänge oder "Spektralfarbe" eine Ge­ rade im Farbraum ergibt, deren Endpunkt bzw. deren End­ punktabstand vom Ursprung die Strahlungsintensität wieder­ gibt.

Mit dem sich hieraus ergebenden, in der Fig. 2 abgebildeten Farbtrichter wird bestimmt, welche Farben durch den menschli­ chen Sehapparat wahrnehmbar sind. In der Fig. 2 ist ein drei­ dimensionaler Farbraum mit Komponenten T, D und P entspre­ chend den Rezeptor-Empfindlichkeitskurven t(λ), d(λ) und p(λ) wiedergegeben. Die angegebenen Zahlen am Rand des geschlosse­ nen Kurvenzuges stellen die zugehörige Spektralfarbe, also die Wellenlänge λ des Spektrums, dar.

Der in Fig. 2 dargestellte, geschlossene Kurvenzug repräsen­ tiert die Transformation der sichtbaren Spektralfarben in den vom menschlichen Auge wahrnehmbaren Farbraum. Von entschei­ dender Bedeutung ist hierbei, daß es sich um die Transforma­ tion von monochromem Licht handelt, d. h. das Auge ist während der Farbwahrnehmung nur durch Lichtstrahlung von exakt einer einzelnen Wellenlänge gereizt worden. Dies wiederum bedeutet, daß die "Regenbogenfarben" ausnahmslos exakt auf diesen Kur­ venzug abgebildet werden, der auch gleichzeitig die äußerste Grenze zwischen wahrnehmbaren und nichtwahrnehmbaren Farben definiert.

Ist die Sinnesreizung nicht durch eine einzelne Spektralfar­ be, sondern durch mehrere Wellenlängen oder gar kontinu­ ierliche Spektren hervorgerufen worden, so wird ohne weiteres verständlich, daß hier eine Mischung der reinen Spektralfar­ ben vorliegt. Über die Addition der einzelnen aus dem Signal­ beitrag jedes einzelnen Spektralbereiches errechneten Farb­ komponenten resultiert ein endgültiger "Farbreiz", welcher zwangsläufig innerhalb des Farbtrichters liegt.

Die Natur hat es durch diesen "Trick" fertig gebracht, der menschlichen Sinneswelt einen Meßparameter zur Verfügung zu stellen, welcher es erlaubt, eine spektrale Objektcharakteri­ sierung vorzunehmen, ohne im Vergleich zur Spektroskopie über sehr viele Detektionskanäle zu verfügen. Faktisch werden dem Menschen von seinem Sinnesapparat Farben präsentiert, welche es vom spektroskopischen Standpunkt aus betrachtet eigentlich nicht gibt. Nur die Regenbogenfarben können eindeutig einer Wellenlänge im Spektrum zugeordnet werden.

Die Spektroskopie bewegt sich, ohne die im folgenden vorge­ stellten Methoden nach der Erfindung, meßtechnisch aus­ schließlich auf dem äußeren Rand des Farbtrichters, da die Detektoren bewußt spektral entkoppelt sind.

Eine von einem beliebigen Objekt ausgehende sichtbare Strah­ lung Φ(λ) wird von den drei Rezeptorzelltypen absorbiert und in einen korrespondierenden Sinnesreiz umgewandelt. Mit den in Fig. 1 dargestellten und im folgenden Spektralwertfunktio­ nen genannten Funktionen t(λ), d(λ) und p(λ) für die spektrale Empfindlichkeit der Sehzellen läßt sich ein mathematischer Ausdruck mit den nachstehenden Gleichungen (1) bis (3) formu­ lieren, welcher die Transformation in einen analogen Reiz P, D bzw. T beschreibt:

Die Integration im gesamten sichtbaren Bereich des Spektrums von 380 bis 780 nm erlaubt eine gewichtete Berücksichtigung der vollständigen spektralen Signatur der Emission in den je­ weiligen Farbraumkomponenten. Die Spektralwertfunktionen sind aus empirischen Untersuchungen zur Augenempfindlichkeit abge­ leitet und werden zunächst als konstant in der Zeit angenom­ men, obwohl dies aus physiologischer Sicht nicht gerechtfer­ tigt ist.

Ein Beispiel für die Variabilität der Funktionen ist die Farb­ umstimmung. Dabei adaptiert sich die menschliche Wahrnehmung an ein sich änderndes Beleuchtungsspektrum. Eine von der Son­ ne beleuchtete Fläche wird beispielsweise als weiß empfunden, und zwar auch dann, wenn durch vorübergehende Abschattung der Rayleigh-Anteil (Blauanteil) der Beleuchtung zu einer Farbverschiebung führen müßte, vom Sehapparat aber kom­ pensiert wird. Dies geschieht ähnlich wie der Weißlichtab­ gleich einer Videokamera und ist wahrscheinlich durch die Er­ müdung der durch das Beleuchtungsspektrum stärker beanspruch­ ten Farbzelltypen bedingt.

Unabhängig von diesem Sachverhalt wird der resultierende Sin­ nesreiz im Nervensystem in codierter Form zum Gehirn weiter­ geleitet und zu einem Farbreiz verarbeitet.

Nach den vorstehenden Ausführungen ist klar, daß eine eindeu­ tige und umkehrbare Abbildung in den Farbraum ausschließlich für eine Reizung durch monochromatisches Licht zu erzielen ist. Ohne die Vorkenntnis, daß ein entsprechender Farbreiz von einer solchen Lichtquelle erzeugt wurde, ist eine eindeu­ tige Rücktransformation nicht möglich. Für polychromatische Reizung gilt, daß zwei Objekte mit unterschiedlichen spektra­ len Reflexions-, Transmissions- oder Emissionseigenschaften ρ₁(λ) und ρ₂(λ) bei den gleichen Beleuchtungsbedingungen vom Betrachter als Objekte gleicher Farbe gesehen werden, wenn die Objekte im Auge des Betrachters die gleichen Sinnesreize hervorrufen. Für diesen Fall gilt:

Für die Reize D und T lautet der Ausdruck analog und es gilt insbesondere die Verallgemeinerung, daß sich identische Kom­ ponententripletts (P; D; T) erzeugen lassen, obwohl die spek­ tralen Eigenschaften der Funktionen Φ(λ) sehr unterschiedlich sein können (metameres Licht). Im hier beschriebenen Zusam­ menhang wird Φ als der von den Sehzellen der Netzhaut emp­ fangene Strahlungsfluß interpretiert; dies ist zulässig, da nicht die lichttechnische Wechselwirkung des Objektes mit seiner Umgebung von Interesse ist, sondern die Farbe als Ob­ jektcharakteristikum untersucht werden soll. Man muß folglich eine klare Trennung zwischen dem Spektrum und der Farbeigen­ schaft eines Objektes machen. Aus dem Spektrum läßt sich die Farbe einer Fläche berechnen; es kann aber nicht umgekehrt von der Farbe auf das Spektrum geschlossen werden.

Genau diese Eigenschaft der visuellen Wahrnehmung erlauben es, Objekte auf Medien mit den gleichen Farbeindrücken wie­ derzugeben, ohne das ursprüngliche Emissionsspektrum rekon­ struieren zu müssen. Hierfür sind genau drei Grundfarben not­ wendig, welche im mathematischen Sinne im Farbraum linear un­ abhängig sein müssen, um als Basisvektoren die Rekonstruktion beliebiger Farben zu erlauben, z. B. in der Malerei, beim Druck, bei der Fotografie und der Videotechnik, etc. Die ana­ logen Reizkomponenten in Einheiten dieser Basisvektoren wer­ den als "Primarvalenzen" bezeichnet.

Die in der Fig. 1 dargestellten Spektralwertfunktionen reprä­ sentieren einen typischen Verlauf der Augenempfindlichkeit. Es gibt allerdings keinen Grund, an diesen speziellen Funk­ tionen festzuhalten; vielmehr kann ihr Aussehen beinahe will­ kürlich gewählt werden, wenn nicht die Notwendigkeit besteht, ganz bestimmte, insbesondere echte oder natürlich wirkende Farben zu generieren. Die Randbedingungen, unter denen eine Spektralwertfunktion festgelegt wird, sind sehr allgemeiner Natur und werden anwendungsspezifisch nachfolgend noch behan­ delt. Um international auf eine gemeinsame Basis zur Farbbe­ urteilung zu gelangen, ist ein normierter Farbraum, das soge­ nannte Normvalenzsystem, in einer Industrienorm festgelegt worden (DIN 5033). Die hierzu passenden Spektralwertfunktio­ nen x(λ), y(λ) und z(λ) des Normvalenzsystems sind in Fig. 3 wiedergegeben.

Die den Sinnesreizungen P, D und T äquivalenten Werte der normierten Farbmetrik in den nachfolgend angegebenen Glei­ chungen (5) bis (7) werden vollkommen analog zu den Gleichun­ gen (1) bis (3) errechnet und entsprechend mit dem Begriff Normvalenzen bezeichnet:

X, Y und Z können als Komponenten eines dreidimensionalen Vektors in einem orthogonalen Farb-Vektorraum gedeutet wer­ den. Der Koeffizient k in der nachfolgenden Gleichung (8) dient der Normierung auf den Helligkeitswert (= 100%) eines weißen Referenzstandards, welcher mit der spektralen Strahl­ dichtecharakteristik Φ(λ) beleuchtet wird.

Die genannte DIN-Norm ist zur vereinheitlichten mathemati­ schen Beschreibung der Farben des sichtbaren Teils des Spek­ trums eingeführt worden. Der Festlegung liegen im wesentli­ chen drei Überlegungen zu Grunde:

• 1. Die drei Basisvektoren, ähnlich denjenigen in der Fig. 2, liegen außerhalb des Farbtrichters, d. h. die Primarva­ lenzen sind selbst nicht sichtbar. Bei Übertragung auf ein Wiedergabesystem würde dies bedeuten, daß die Grund­ farben, aus denen ein Bild aufgebaut ist, selbst nicht sichtbar sind. Dies erscheint für einen Nichtsachver­ ständigen zunächst unsinnig, bedeutet aber, da es sich hier um eine rein mathematische Beschreibung handelt, keine Einschränkung der Gültigkeit farbmetrischer Grund­ sätze. Mit dieser Form der Transformation wird erreicht, daß der vollständige, wahrnehmbare Farbtrichter inner­ halb einer dreiseitigen, von den "virtuellen" Primarva­ lenzen aufgespannten Farbpyramide liegt und somit durch ausschließlich positive Komponenten abgebildet werden kann.
• 2. Die Spektralwertfunktionen gemäß der nachfolgenden Glei­ chung (9) sind so gewählt, daß die Integrale über die einzelnen Funktionen im gesamten Spektralbereich gleich 100 (%) sind.
  Damit wird erreicht, daß die Farbe "Weiß" eines ener­ giegleichen Spektrums, aber auch alle Grautöne durch drei gleich große Farbkomponenten (Normvalenzen X, Y und Z) beschrieben werden.
• 3. Die Spektralwertfunktion y(λ) beschreibt angenähert das spektrale Helligkeitsempfinden eines menschlichen Auges. Die Gesamtempfindlichkeit setzt sich aus der Summe der drei Einzelempfindlichkeiten der Zäpfchenarten und deren nachgeschalteter neuronaler Bewertung im Gehirn zusam­ men. Aus diesem Grunde steht in der Gleichung (8) nur diese eine Spektralwertfunktion zur Bestimmung des Koef­ fizienten k zur Integralnormierung.

Mit dem vorstehend dargestellten Formalismus ist man in der Lage, den für das menschliche Auge wahrnehmbaren Farbraum vollständig bezüglich der normierten Farbwerte einschließlich der dazugehörigen Helligkeitswerte zu parametrisieren.

Darüber hinaus kann aus diesem Normfarbraum ein einfacher Übergang zu intensitätsnormierten Farbwerten geschaffen wer­ den. Wie bereits erwähnt wurde, ist für eine natürliche Dar­ stellung die Intensitätsinformation von großer Bedeutung. Diese wird bei gleicher "Farbe" auf einer Geraden im Farbraum abgebildet. Für die Interpretation der Farbe an sich ist es aber durchaus hilfreich, die Farbinformation von der Intensi­ tätsinformation zu trennen. Dies geschieht durch Normierung auf die Summe der Farbvalenzen gemäß der nachfolgend angege­ benen Gleichung (10):

Die "y"- und "z"-Werte werden analog berechnet. Mit dieser Intensitätsanpassung werden die im Farbraum dreidimensional verteilten Farborte auf eine Fläche im Raum transformiert. So kann ein direkter Vergleich der Objekte aufgrund ihrer Fär­ bung vorgenommen werden, unabhängig von der Intensität der Beleuchtung, wenn davon ausgegangen wird, daß die spektrale Zusammensetzung der Beleuchtung unverändert ist. Im Umkehr­ schluß kann mit dieser Methode aus veränderten x-, y- und z-Werten bei gleichen Objektparametern auf unterschiedliche spektrale Zusammensetzungen der Beleuchtung zurückgeschlossen werden. Beispielsweise führt direktes Sonnenlicht zu Schlag­ schatten.

Die bisherige Beschreibung der Farbtransformation in den Normfarbraum setzt voraus, daß die Funktion Φ(λ) für den sichtbaren Spektralbereich vollständig bekannt ist bzw. ge­ messen wird. Diese Voraussetzung wird exakt nur von Hyper­ spektralsensoren erfüllt. Älle Multispektralsensoren weisen spektrale Detektionslücken auf und können somit "nur" Nähe­ rungen für eine "korrekte" Farbmetrik liefern (Wiedergabe von natürlich wirkenden Bildern oder sensorunabhängige Farbaus­ wertung). In diesen Fällen ist die Transformation in den Far­ braum sensorspezifisch.

Bei der Farbzuordnungstransformation nach der Erfindung für abbildende Spektrometer oder Scanner wird die formale Inte­ gration durch eine Summation über die sensorspezifischen De­ tektionskanäle 1 - N gemäß der nachfolgend angegebenen Glei­ chung (11) durchgeführt, wobei im Algorithmus der bisher ver­ wendete Strahlungsfluß Φ(λ) in der farbmetrischen Beschrei­ bung von Multispektralaufnahmen durch die Strahldichte L(λ) ersetzt ist.

Hierbei ist L_i1 die vom Sensor gemessene spektrale Strahl­ dichte, x_i der mittlere Spektralwert im Kanal "i" mit der Bandbreite Δλ_i. Der Koeffizient k wird analog zur Gleichung (8) berechnet, wobei näherungsweise der hellste Bildpunkt der Gesamtszene zur Normierung herangezogen wird. Für die Normva­ lenzen Y und Z gelten analoge Ausdrücke.

Bestehen bei einem Multispektralsensor Detektionslücken, so können diese näherungsweise gemäß der nachfolgend angegebenen Gleichung (12) durch folgenden Ansatz korrigiert werden:

X = S_x ^-1 * k * ΣL_i * x_i * Δλ_i (12)

mit:

Hierbei beschreibt S_x die sensorspezifische relative spek­ trale Bewertungsfunktion (Spektralwertfunktion) für die Pri­ marvalenz "x"; "S_y" und "S_z" werden in analoger Weise berech­ net.

Durch das vorstehend angegebene Verfahren nach der Erfindung ist sichergestellt, daß eine zur Gleichung (9) analoge spek­ trale Bewertung stattfindet, auch wenn die spektralen Eigen­ schaften des Sensors zu unterschiedlichen Beträgen der Norm­ valenzen "X", "Y" und "Z" bei der Abbildung des für alle Wel­ lenlängen "energiegleichen" Spektrums führen würden. Es wird so eine allgemeine Farbraumtransformation gewonnen, welche in der Farbwiedergabe einen natürlicheren Farbeindruck ermögli­ chen wird, da in der Regel die Detektionslücken eines Sensors so gewählt sind, daß nur "redundante" Information nicht auf­ gezeichnet wird. Objekte mit ganz charakteristischen spektra­ len Eigenschaften in genau diesen Lücken werden jedoch farb­ metrisch ebenso falsch wiedergegeben, wie deren spektrale Ei­ genschaften unvollständig beschrieben werden.

Die vorstehende Beschreibung der Farbeigenschaften im "XYZ-Raum" dient der vereinheitlichten, vollständigen mathe­ matischen Erfassung aller für den Menschen sichtbaren Objekt­ farben. Für die Wiedergabe sind die darin enthaltenen Primar­ valenzen (Basisvektoren) jedoch ungeeignet, da sie sich nicht in einem Wiedergabesystem realisieren lassen.

Grundsätzlich kommen als Primarvalenzen in einem Wiedergabe­ system nur solche Grundfarben in Betracht, welche selber im allgemeinen innerhalb des Spektralfarbzuges, im Idealfall auf dem Spektralfarbzug, im dreidimensionalen Farbraum liegen. Diese drei Farbeinheitsvektoren spannen eine dreiseitige Py­ ramide auf und definieren, welche Farben durch ein Wiederga­ besystem mittels additiver Farbmischung darstellbar sind.

Ein beispielhaft in der Fig. 4 dargestelltes Emissionsspektrum der meisten Elektronenstrahl-Monitore wird durch drei unter­ schiedliche Phosphortypen erzeugt, welche über eine Lochmaske selektiv durch den Elektronenstrahl entsprechend der spezifi­ schen Helligkeit zur Emission angeregt werden. In Fig. 4 ist ein typisches Emissionsspektrum eines Computer-Monitors wie­ dergegeben, wobei auf der Abszisse die Wellenlänge in nm und auf der Ordinate die Monitor-Emission (r. E.) aufgetragen sind. Die drei Kurvenzüge stellen die blauen (B), die grünen (G) und die roten (R) Farbwiedergabekomponenten dar.

Die in Fig. 4 abgebildeten Spektren werden analog zum vorher­ gehend beschriebenen Verfahren durch Vektoren im X-Y-Z-Farb­ raum beschrieben. Dieses Vektortriplett dient zur Charakteri­ sierung der Monitorgrundfarben bzw. stellt einen neuen Satz von Primarvalenzen (Basisvektoren) dar, welcher vollkommen analog zur X-Y-Z-Projektion, eine Beschreibung einer beliebi­ gen Farbe in diesem neuen Monitor-Bezugssystem (R_W, G_W, B_W) erlaubt.

Alle positiven Komponenten dieses Farbraumes sind als reale Bildschirmfarbe für den Betrachter darstellbar. Der Digital­ wert jeder Komponente (R_W, G_W, B_W) entspricht dem quantitati­ ven Mischungsanteil der jeweiligen Grundfarbe zur Erzeugung des subjektiven Gesamtfarbreizes. Durch negative Komponenten können Farben außerhalb der aufgespannten Farbpyramide mathe­ matisch beschrieben werden; einer reellen Darstellung entzie­ hen sie sich jedoch.

Diese Transformation vom X-Y-Z-Farbraum in den Wiedergabe­ farbraum R_W, G_W, B_W ist eindeutig und umkehrbar und wird durch eine nachstehend wiedergegebene Matrizenmultiplikation realisiert:

Die Matrixkoeffizienten t_jk sind ein Charakteristikum für je­ den Farbraum und beschreiben daher die genauen Farbwiederga­ beeigenschaften eines Systems.

Fig. 5 zeigt anhand einer x-y-Darstellung des Normfarbraumes am Beispiel der helligkeitsnormierten Farbwerte des x-y-z- Farbraumes (siehe Gleichung (10)) die Lage der sich darin er­ gebenden Farborte der Grundfarben eines Computer-Monitors (Rechtecke) bzw. eines Farbdruckers (x-Zeichen).

Das in der Fig. 5 eingezeichnete kleine Dreieck symbolisiert im x-y-z-Raum den Farbwert des "energiegleichen" Spektrums, während das Kreuz (+) den sogenannten "Unbuntpunkt" des Com­ puter-Monitors markiert. An diesem Punkt im Farbraum werden vom Bildschirm alle Grauwerte abgebildet.

Auch an diesen Beispielen ist ohne weiteres ersichtlich, daß sich für jeden beliebigen Farbraum eine entsprechende Trans­ formationsmatrix gewinnen läßt. Somit kann eine Reproduktion innerhalb der Grenzen des vom Wiedergabemedium definierten, "additiven" Farbraumes vorgenommen werden.

Die Erzeugung von Echtfarbenbildern aus digitalen abbildenden Scanneraufnahmen bringt gegenüber der herkömmlichen Darstel­ lung derartiger Bilder entscheidende Vorteile für deren Visua­ lisierung bzw. deren subjektive Interpretation.

Bei den herkömmlichen bekannten Verfahren in Bildverarbei­ tungssystemen wird in der Regel eine Zuordnung von einem De­ tektionskanal oder zwei zusammengefaßten Kanälen auf eine Grundfarbe des Wiedergabesystems vorgenommen. Durch diese Zu­ ordnung der einzelnen Wiedergabegrundfarben mit bezüglich des Spektrums "möglichst" ähnlichen Aufnahmekanälen wird in der Regel ein nicht genauer zu qualifizierender Farbeindruck mit zumindest ansatzweise vernünftig erscheinenden Farbzuordnun­ gen erreicht. Ein Vergleich mit einem aus allen Aufnahmekanä­ len gemäß dem Transformationsverfahren nach der Erfindung er­ rechneten Echtfarbenbild macht jedoch deutlich, wie weit das "Pseudo-Farbenbild" der herkömmlichen Herstellungsweise von der Realität abweicht. Das gemäß dem Verfahren nach der Er­ findung errechnete Echtfarbenbild gibt alle Farb- und Hellig­ keitsvariationen in den natürlichen Eindrücken wieder.

Ursache für die Fehler in der Farbwiedergabe z. B. einer ein­ fachen herkömmlichen Dreikanaldarstellung ist nicht nur die fehlende Berücksichtigung von Detektionskanälen. Es stimmen nämlich darüber hinaus auch Lage und Form der spektralen De­ tektionsbänder im allgemeinen nicht mit denen des Wiedergabe­ systems überein. Die Verwendung der benutzten Kanäle führen nur zu einer vergleichsweise willkürlichen Farbdarstellung, auch dann, wenn die Kontrast- und Helligkeitswerte der Farb­ wiedergabe individuell nachjustiert werden, wie dies norma­ lerweise notwendig ist.

Der beim Transformationsverfahren verwendete Farbzuordnungs­ algorithmus zur Erzeugung der Echtfarbenbilder berücksichtigt über die zuvor beschriebene farbmetrische Auswertung der ab­ gebildeten Spektrometerdaten hinaus in vorteilhafter Weise zusätzlich zwei speziell für die Darstellung am Bildschirm, wichtige Eigenschaften des Wiedergabesystems:

• - Die nichtlineare Helligkeitsänderung, also die Strahldich­ teänderung am Monitor bei linear steigenden Digitalwerten der individuellen Farbkanäle und
• - die Farbumstimmung der Szene durch unterschiedliche Farb­ mischungsverhältnisse zum Zeitpunkt der Aufnahme (Sonnenlicht) und am Monitor.

Im Zusammenhang mit der nichtlinearen Helligkeitsänderung wird auf Fig. 6 Bezug genommen. In Fig. 6 ist die Änderung der Monitor-Emissionsstrahldichte (r. E.) als Funktion der Di­ gitalwerte im Rot- (Kreuze), im Grün- (Rauten) und im Blauka­ nal (Kreise) dargestellt. Hierbei ist dem digitalen Grau­ wert 0 "Schwarz" zugeordnet und dem digitalen Grauwert 255 "Weiß". Wie Fig. 6 zeigt, führt die Nichtlinearität dazu, daß die mit dem Spektrometer gemessenen Digitalwertverteilungen vom Monitor entsprechend der Abbildung auf dem Bildschirm wiedergegeben werden. Diese Strahldichte-Digitalwertfunktion wird für jeden Monitor individuell vermessen und über eine Korrekturrechnung in vorteilhafter Weise so in die Digital­ wertverteilung des Echtfarbenbildes eingerechnet, daß für die Visualisierung am Bildschirm wieder exakt die natürlichen Kontrastvariationen auftreten.

Da für eine Luftbildinterpretation die relativen Helligkeits­ unterschiede von Bedeutung sind, ist es hinreichend, deren Verteilung am Bildschirm entsprechend der in der Fig. 6 ein­ gezeichneten Ausgleichsgeraden vorzunehmen. Diese Vorgehens­ weise wird individuell für jeden der drei Farbkanäle des Mo­ nitors durchgeführt.

Die zweite monitorspezifische Darstellungsproblematik der so­ genannten Farbumstimmung beruht auf folgendem Sachverhalt:

Ein von einem Multispektralscanner aufgenommener Bildpunkt der Farbe "Weiß" wird im X-, Y- und Z-Farbraum durch das Di­ gitalwerttriplett 100, 100, 100 (vergl. dazu die Gleichung (8)) dargestellt.

Am Monitor wird die Farbe "Weiß" im allgemeinen so einge­ stellt, daß mit der Einstellung des Wertes der drei Basisfarb­ kanäle Rot, Grün und Blau auf einen Digitalwert von jeweils 255 der Farbeindruck "Weiß" erzeugt wird. Die anschließende spektroskopische Untersuchung dieses "Monitorweiß" führt zu dem Ergebnis, daß hierfür im allgemeinen im X-, Y- und Z-Farbraum kein identisches X-, Y-, Z-Triplett entsteht.

Folglich muß sich die Wahrnehmungscharakteristik des Betrach­ ters zwischen den beiden Betrachtungssituationen geändert ha­ ben. Dieser Prozeß wird mit Farbumstimmung bezeichnet und ist ursächlich auf eine Veränderung des wahrnehmbaren Farbraumes zurückzuführen. Durch die Farbumstimmungsfähigkeit sind Be­ trachter auch unter geänderten Lichtverhältnissen in der La­ ge, einen "Weißabgleich" vorzunehmen, d. h. Farben relativ zu einem Standardweiß zu beurteilen. Für das Problem der Farb­ wiedergabe bedeutet dies, daß formal mit der Transformation in den Normvalenzraum ein Farbsystem zu Grunde gelegt wird, welches die Farbeigenschaften des Objektes auf dem Monitor fehlerhaft wiedergibt.

Näherungsweise kann dieser Fehler gemäß den nachfolgend ange­ gebenen Gleichungen (15) und (16) als Verzerrung des Normfar­ braumes aufgefaßt werden:

X_Monitor = u*X_Normvalenz
Y_Monitor = v*Y_Normvalenz
Z_Monitor = w*Z_Normvalenz, (15)

wobei sich die Koeffizienten u, v und w folgendermaßen be­ stimmen lassen:

Die Koeffizienten v und w werden analog berechnet.

Die Farbumstimmung führt gewöhnlich in einem erheblichen Maße zu einer Rotverschiebung im Gesamteindruck des Bildes, wäh­ rend eine unter Anwendung des Transformationsverfahrens nach der Erfindung durchgeführte Korrektur einen deutlich natürli­ cheren Farbeindruck am Bildschirm vermittelt.

Die Durchführung der beschriebenen Prozessierungsschritte macht eine Anpassung der Helligkeits-Kontrastwerte sowie eine Abmischung der Monitorfarben unnötig und der Interpret der Scannerszenen findet ohne weiteres eine ihm vertraute Abbil­ dung der "Realität" vor.

Darüber hinaus ist im Gegensatz zu den üblichen analogen Ver­ fahren (z. B. Fotografie, Videotechnik, usw.) durch die durch die Erfindung gegebene Kombination von multispektraler Bild­ analyse und mathematischer Echtfarbenerzeugung ein objektives Farbinterpretationsverfahren entstanden. Probleme der übli­ chen Fototechnik, wie beispielsweise schwankende Entwick­ lungsparameter und alterungsbedingte Veränderungen des Film­ materials, treten prinzipiell nicht auf.

Der bisher in der wissenschaftlichen Bildverarbeitung allein üblichen Interpretation der spektralen Information einer Sze­ ne kann nun die Klassifikation in einem "objektivierten" X-, Y-, Z-Farbraum zur Seite gestellt werden.

In diesem Zusammenhang ist eine Möglichkeit zur Interpreta­ tion der helligkeitsnormierten x-, y-, z-Farbwerte als völlig neuartig anzusehen. Beispielsweise treten in der helligkeits­ normierten Farbdarstellung von Landoberflächen charakteri­ stisch blau eingefärbte Bereiche auf, bei denen es sich nahe­ zu ausschließlich um Bildbereiche handelt, in denen durch Ob­ jekte im Gelände ein Schlagschatten erzeugt wurde. Diese er­ scheinen in dieser Darstellungsart blau, da sie im Gegensatz zu den direkt beleuchteten Stellen vorwiegend durch Streu­ licht (bei Wolkenfreiheit durch das Blau des Himmels) be­ leuchtet werden und daher der Einfluß der Beleuchtung gegen­ über der eigentlichen Körperfarbe überwiegt. In der normalen (nicht normierten) Echtfarbendarstellung wird dieser Effekt vollkommen durch die hohen Kontraste zwischen Licht- und Schattenpixeln überdeckt und ist einer Interpretation nicht zugänglich. Diese Eigenschaft der helligkeitsnormierten Dar­ stellung ist ein hervorragendes Mittel zur automatisierbaren Erzeugung von Masken zur Isolation von Schattenpixeln in ei­ ner Szene. Derartige Masken bedeuten für die "überwachte Klassifikation" von Flugzeugscannerdaten über Land einen deutlichen Fortschritt, da beispielsweise in der Trainings­ phase eine beleuchtungsabhängige Klassifikation in sonst ho­ mogenen Beständen vorgenommen werden kann (beispielsweise Na­ delwald).

Durch die erfindungsgemäße Kopplung von Spektroskopie und Farbmetrik wird die Palette der möglichen Werkzeuge zur Nach­ bearbeitung von Farbbildern um viele Hilfsmittel aus der spektroskopischen Fernerkundung erweitert. Die Bereinigung von störenden atmosphärischen Einflüssen ist auf der Basis des spektral auflösenden Datenmaterials wesentlich einfacher als diese beispielsweise bei einer Fotografie möglich ist.

Im Folgenden wird auf die Color-Infrarotfilm-Darstellung (CIR) und auf die Verwendungsmöglichkeiten des Verfahrens nach der Erfindung auf diesem Gebiet eingegangen. Für die Luftbildinterpretation sind seit Jahrzehnten CIR-Fotos im Einsatz. Ihr erweiterter Empfindlichkeitsbereich bis ca. 900 nm ist für die visuelle Interpretation von Vegetationsbe­ ständen geeignet, da Pflanzen im nahen Infrarot (NIR) im Ge­ gensatz zum visuellen Bereich (VIS)) einen sehr hohen Refle­ xionsgrad besitzen.

In dieser Anwendung hat sich über einen langen Zeitraum ein von der Firma KODAK auf den Markt gebrachter CIR-Film durch­ gesetzt. Dieses Filmmaterial zeichnet sich vor allem durch seine typisch rote bis violette Abbildung der vegetationsbe­ deckten Bildbereiche aus.

Eine "farbmetrische" Auswertung des Spektralbereiches bis 900 nm ist mathematisch ebenso möglich, wie dieses für den sichtbaren Bereich möglich ist, auch wenn in diesem Zusammen­ hang der Begriff "Farbe" im eigentlichen Sinne nicht genau das bezeichnet, was als Farbreiz wahrnehmbar ist.

Die Erweiterung des Detektionsbereiches in das NIR bedeutet, daß ein künstlicher Farbraum erzeugt wird und dieser über Pigment-Austauschprozesse während des Entwicklungsprozesses in einen für den Menschen wahrnehmbaren Spektralbereich transformiert wird.

Mit dem gleichen, auf das Verfahren nach der Erfindung zu­ rückgehenden Formalismus läßt sich eine Farbmetrik für den CIR-Farbraum aufbauen. Die Vektoren X_CIR, Y_CIR und Z_CIR lassen sich aus Spektralwertfunktionen gewinnen, welche den Empfind­ lichkeitskurven des CIR-Filmes entsprechend gewählt werden.

Fig. 7 zeigt in diesem Zusammenhang die typische spektrale Empfindlichkeit eines CIR-Filmes. Der Spektralbereich unter­ halb 540 nm ist aus photochemischen Gründen ausgeblendet. Die Farben "Blau" B, "Grün" G und "Rot" R repräsentieren die spä­ tere Wiedergabefarbe des Positivs.

Diesem CIR-Farbraum liegt keine DIN-Norm zugrunde, so daß hier nicht von einem standardisierten Verfahren gesprochen werden kann. Die Gleichungen (5), (6) und (7) lassen sich un­ ter Berücksichtigung der geänderten Spektralbereiche unverän­ dert übertragen. Im Unterschied zur Echtfarbenerzeugung kann im CIR-Farbraum die Normierung nicht nach dem Y-Kanal erfol­ gen wie in der Gleichung (8), da die Gleichung (9) für den CIR-Raum nicht erfüllt ist. Auf der Basis der in Fig. 7 dar­ gestellten Spektren ergibt sich ein Verhältnis von 1,0 : 2,9 : 1,8 für die Integralwerte der Spektralwertfunktio­ nen.

Ein mit der Echtfarbenerzeugung vergleichbarer Verfahrens­ schritt müßte dieses Ungleichgewicht der Filmempfindlichkeit berücksichtigen. Im CIR-Entwicklungsprozeß werden jedoch den einzelnen Filmschichten (mit den spektralen Empfindlichkeiten aus Fig. 7) spezifische Farbpigmente zugewiesen. Ein resul­ tierendes Transmissionsspektrum in Fig. 8 gibt die Strahl­ dichtespektren wieder, welche der Bestimmung der CIR-Filmba­ sisvektoren zu Grunde gelegt werden und welche als Produkt der Transmission τ(λ) des Diapositivs und der Strahldichte eines gemessenen Sonnenspektrums berechnet wurden. Diese sind darüber hinaus durch die in Fig. 9 dargestellten Dichtekurven in individuell angepaßte Helligkeitswerte transformiert, so daß sich in der Wiedergabe gleiche Schwärzungskurven für alle Filmschichten ergeben bzw. ergeben sollten (vergleiche dazu Fig. 9). KODAK hat für den CIR-Film die Filmempfindlichkeiten aus Fig. 7 so gewählt, daß nach dem Filmentwicklungsprozeß das Verhältnis der drei Wiedergabefarben für abgebildete Ve­ getation ausgewogen ist und somit eine hohe Farbvarianz er­ reicht wird. Gleiche Schwärzungskurven für die drei Film­ schichten würden für grüne Vegetation praktisch immer zu ei­ ner Sättigung (Überbelichtung durch das Infrarotplateau) der infrarotempfindlichen Filmschicht führen, während die Blau- und Grünwiedergabe deutlich schwächer ausgesteuert wären (Unterbelichtung). Dieses Verfahren rechtfertigt, daß auch in den farbmetrischen Interpretationen der Multispektralaufnah­ men die Valenzen X_CIR, Y_CIR und Z_CIR auf identische Beträge normiert werden können, wie sie sich im Normfarbraum automa­ tisch ergeben, wenn die Detektion eines energiegleichen Spek­ trums zu Grunde gelegt wird.

Da in der CIR-"Farbmetrik" die Detektorcharakteristiken eben­ so berücksichtigt werden müssen wie im Normfarbraum, lassen sich die zuvor begründete Normierung und die Sensorsy­ stemkorrektur auch im CIR-Raum mit den identischen Gleichun­ gen (12) und (13) durchführen.

Zur Bestimmung des Faktors "k" (siehe Gleichung (8); Hellig­ keitsanpassung der Szenen) wird im Unterschied zur Echtfar­ benerzeugung aus allen drei Farbkanälen (X_CIR, Y_CIR und Z_CIR) nach erfolgter Normierung das hellste Pixel (größter digita­ ler Wert) ermittelt, da keinem der Kanäle eine irgendwie ge­ artete Helligkeitskurve zugeordnet werden kann.

Zur Visualisierung werden die Komponenten X_CIR, Y_CIR und Z_CIR analog zum Filmentwicklungsprozeß drei zu bestimmenden (Echt-)Farbvektoren des CIR-Bildes zugeordnet.

Mittels spektroskopischer Vermessungen des entwickelten CIR- Filmmaterials werden die drei "Wiedergabekomponenten" im X-, Y-, Z-Normfarbraum ermittelt (Fig. 8), wobei in diesem Fall der Farbermittlung ein Sonnenspektrum als Beleuchtung zu Grunde gelegt wurde. Darüber hinaus wird der typische, nicht- lineare Verlauf der Schwärzungskurven während der Belichtung des Filmmaterials in der Transformation berücksichtigt (Fig. 9). Dies ist notwendig, da durch unterschiedliche Stei­ gungen für jede einzelne Farbkomponente Farbänderungen für gleiche Objekte auftreten, wenn diese mit unterschiedlichen Helligkeiten aufgenommen werden. Dieses Verhalten ist ein Charakteristikum des CIR-Filmes, welches beispielsweise in der normalen Farbfotografie nahezu vollständig eliminiert ist.

Im letzten Prozessierungsschritt werden die dem CIR-Film ana­ logen X-, Y-, Z-Normvalenzen aus den Daten der abbildenden Spektrometer nach der Gleichung (14) mit denselben Koeffizi­ enten in das bereits bekannte Bildschirmsystem transformiert.

Für die CIR-Darstellung gelten bei Anwendung des Transforma­ tionsverfahrens nach der Erfindung prinzipiell die gleichen Vorteile, wie sie bereits für die Echtfarbendarstellung fest­ gestellt wurden:

• - Ein Betrachter befindet sich bezüglich der Visualisierung in einer ihm vertrauten "farbigen Umgebung".
• - Er muß keine wie auch immer geartete Anpassungen der ein­ zelnen Wiedergabefarben vornehmen, um zu einer vergleichbar interpretierbaren Darstellung zu gelangen.
• - Die Visualisierung der berechneten CIR-Bilder ist zu jeder Zeit gleich. Insbesondere Herstellungs-, Alterungs- und Entwicklungsprozesse des CIR-Filmmaterials führen häufig zu sehr unterschiedlichen Farbwiedergaben.
• - Erstmalig besteht die Möglichkeit, aus identischem Datenma­ terial ein Echtfarbenbild und das dazu passende CIR-Bild zu generieren. Bisher waren hierfür entweder zwei Kameras oder zwei Überflüge notwendig, wobei die entsprechenden Aufnah­ meparameter aber niemals identisch sein können (Bildausschnitt, Beobachtungsrichtung, Sonnenstände usw.).
• - Die Transformation des erweiterten Spektralbereiches in das feste Farbbezugssystem X_CIR, Y_CIR und Z_CIR ist ebenso zur In­ terpretation oder Klassifikation in einem Bildverarbei­ tungssystem geeignet, wie diese für die sichtbaren Farben möglich ist.
• - In der Erzeugung von CIR-Bildern werden die Hilfsmittel der multispektralen Bildkorrektur verfügbar (beispielsweise At­ mosphärenkorrektur).

Mit der Ausdehnung des darstellbaren Wellenlängenbereichs bis ca. 900 nm ist bereits ein künstlicher Farbraum erzeugt wor­ den. Der CIR-Bereich stellt nur insofern eine Besonderheit dar, als es für ihn eine vergleichbare herkömmliche Technik gibt, welche als Vorlage für die Visualisierung zu Grunde ge­ legt wird.

Mit der Technik des beschriebenen Transformationsverfahrens nach der Erfindung lassen sich ganz allgemein beliebige "Farb"-Metriken konstruieren, welche in vollkommen frei wähl­ bare Wellenlängenbereiche ausgedehnt oder verschoben werden können. Objektspezifische Besonderheiten in diesen Spektral­ bereichen werden der vollständigen Methodik farbmetrischer Interpretation auf diese Weise in vorteilhafter Weise zugäng­ lich gemacht.

Die sich daraus ergebenden Möglichkeiten sollen an einem Bei­ spiel erläutert werden.

Fig. 10 zeigt eine Abwandlung der in Fig. 8 dargestellten CIR- Spektralwertfunktion, die so gewählt wurde, daß der gesamte Spektralbereich des Infrarotplateaus, also der Reflexion na­ türlicher Vegetation, in den roten Wiedergabekanal des Bild­ schirmes abgebildet wird. Der sichtbare Spektralbereich wird durch den blauen bzw. grünen Kanal abgedeckt. Das Ergebnis ist eine Darstellung, bei der die Vegetation leuchtend rot und offener Boden wegen der deutlich geringeren Absorption im Sichtbaren als grau-grün bis weiß abgebildet wird. Sehr viel deutlicher als im Echtfarben- oder CIR-Bild kommen die Varia­ tionen im Bewuchs insbesondere innerhalb von Bewäs­ serungszonen zum Vorschein. Graurote Flächen machen dann deutlich, an welchen Orten in einem Bewässerungssystem die Vegetation bis zum Aufnahmezeitpunkt keine geschlossene Bo­ denbedeckung hervorbringen konnte.

Da der sensitive Spektralbereich für bestimmte abbildende Sensoren durchaus bis in den Bereich des Thermischen Infra­ rots (TIR) reicht, können hierfür selbstverständlich auch entsprechende Farbräume generiert werden. In erster Linie ist in diesem Zusammenhang an die Einbeziehung des "Short Wave Infrared"(SWIR)-Bereichs und des Bereiches des Thermischen Infrarots (TIR) gedacht. Der thermische Bereich (aktive Kör­ peremission) sollte soweit wie möglich in einer farbmetri­ schen Auswertung vom kurzwelligen Teil des Spektrums (passiv; Reflexion) entkoppelt werden.

Mit der gleichen Methode lassen sich ebenso Objekteigenschaf­ ten untersuchen, welche nur in einem sehr engen Bereich des Spektrums Auswirkungen zeigen. Als Beispiel hierfür können die Untersuchung der sogenannten "Roten Kante" der Vegetation (650-750 nm) oder Messungen im Bereich der Sauerstoffab­ sorptionsbande (745-770 nm) genannt werden.

Claims (9)

1. Verfahren zur farbmetrischen Auswertung von Multi- und Hy­ perspektraldaten abbildendert Fernerkundungsgssensoren und zur synthetischen Farbdarstellung dieser Daten in einem Wiederga­ besystem unter Verwendung einer Farbzuordnungstransformation, dadurch gekennzeichnet, daß bei der spektrale Informationen in einen Farbraum abbildenden Farbzuordnungstransformation eine Integration über den zu erfassenden Spektralbereich in Form einer Summation über sensorspezifische Detektionskanäle 1 - N für jede eine Normvalenz darstellende Komponente X, Y und Z eines dreidimensionalen Vektors in einem orthogonalen Farb-Vektorraum entsprechend dem Gleichungssatz
ausgeführt wird, wobei L_i die vom Sensor gemessene spektrale Strahldichte ist, x_i bzw. y_i bzw. z_i der mittlere Spektral­ wert im Kanal i mit der Bandbreite Δλ_i ist, k ein Koeffizient
ist, welcher der Normierung auf den Helligkeitswert (= 100%) eines weißen, mit der spektralen Strahldichte L(λ) beleuchte­ ten Referenzstandards dient, wobei die Spektralwertfunktionen x, y und z entsprechend
gewählt ist, die Spektralwertfunktion y(λ) zumindest angenä­ hert das spektrale Helligkeitsempfinden eines menschlichen Auges beschreibt und zumindest näherungsweise der hellste Bildpunkt der Gesamtszene zur Normierung herangezogen wird, und daß eine Transformation vom X-Y-Z-Farbraum in den drei reale Grundfarben in Form von orthogonalen Farbeinheitsvekto­ ren enthaltenden Wiedergabesystem-Farbraum durchgeführt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß De­ tektionslücken bei einem Multispektralsensor durch folgenden Ansatz korrigiert werden:
X = S_x ^-1 * k * ΣL_i * x_i * Δλ_i,
Y = S_y ^-1 * k * ΣL_i * y_i * Δλ_i und
Z = S_z ^-1 * k * ΣL_i * z_i * Δλ_i
mit
wobei S_x, S_y und S_z die sensorspezifischen, relativen spek­ tralen Bewertungsfunktionen für die Primarvalenz x bzw. y bzw. z beschreiben.

3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 oder 2 unter Anwendung eines Bildschirm-Monitors als Wiedergabesystem, dadurch gekennzeichnet, daß die Farbumstimmung der Szene durch unterschiedliche Farbmischungsverhältnisse zum Zeitpunkt der Aufnahme (Sonnenlicht) und am Monitor berücksichtigt wird, indem der Fehler korrigiert wird, der dadurch entsteht, daß formal mit der Transformation in den Normvalenzraum ein die Farbeigenschaften des Objektes auf dem Monitor fehlerhaft wiedergebendes Farbsystem zu Grunde gelegt wird, und der sich näherungsweise gemäß den Gleichungen
X_Monitor = u*X_Normvalenz
Y_Monitor = v*Y_Normvalenz
Z_Monitor = w*Z_Normvalenz
als Verzerrung des Normfarbraumes auffassen läßt, wobei sich die Koeffizienten u, v und w folgendermaßen bestimmen lassen:

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekenn­ zeichnet durch eine Erweiterung des Detektionsbereiches in den nahen Infrarotbereich (NIR) bis ca. 900 nm, wobei in CIR(Color-Infrarot)-Farbfotobildern ein künstlicher Farbraum erzeugt wird und dieser entsprechend aus der Falschfarbenfo­ tographie verwendeten Verfahren über Pigment-Austauschpro­ zesse während des Entwicklungsprozesses in einen mit dem Auge wahrnehmbaren Spektralbereich transformiert wird, daß mit ei­ nem zur Echtiarbenerzeugung beim sichtbaren Licht analogen Formalismus eine Farbmetrik für den nahen Infrarotbereich aufgebaut wird, wobei Vektoren X_CIR, Y_CIR und Z_CIR aus Spek­ tralwertfunktionen gewonnen werden, welche entsprechend den Empfindlichkeitskurven des CIR-Filmes gewählt sind, und daß im Unterschied zur Echtfarbenerzeugung bei der Bestimmung des der Helligkeitsanpassung dienenden Koeffizienten k aus allen drei Farbkanälen X_CIR, Y_CIR und Z_CIR nach erfolgter Normierung das hellste Pixel, d. h. der größte digitale Wert, ermittelt wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß
zur Visualisierung die Komponenten X_CIR, Y_CIR und Z_CIR analog zum Filmentwicklungsprozeß drei zu bestimmenden Echt- Farbvektoren des CIR-Bildes zugeordnet werden,
mittels spektroskopischer Vermessungen des entwickelten CIR- Filmmaterials die drei Wiedergabekomponenten im X-, Y- und Z-Normfarbraum ermittelt werden, wobei der Farbermittlung ein festgelegtes Spektrum, beispielsweise das Sonnenspektrum, als Beleuchtung zu Grunde gelegt wird,
darüber hinaus der typische, nichtlineare Verlauf der Schwär­ zungskurven während der Belichtung des Filmmaterials in der Transformation berücksichtigt wird, und
in einem letzten Prozessierungsschritt die dem CIR-Film analogen X-, Y- und Z-Normvalenzen aus den Daten der abbil­ denden Spektrometer in ein Wiedergabesystem transformiert werden.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Konstruktion beliebiger Farbmetriken, welche in völlig frei wählbare Wellenlängenbereiche ausdehnbar oder verschiebbar sind, wobei mit einem zur Echtfarbenerzeugung beim sichtbaren Licht analogen Formalismus eine Farbmetrik für den außerhalb des Sichtbaren liegenden Spektrumsbereich aufgebaut wird und Vektoren aus Spektralwertfunktionen gewon­ nen werden, welche entsprechend bestimmten Empfindlichkeits­ kurven gewählt sind, und wobei im Unterschied zur Echtfar­ benerzeugung bei der Bestimmung des der Helligkeitsanpassung dienenden Koeffizienten k aus allen drei Farbkanälen nach er­ folgter Normierung das hellste Pixel, d. h. der größte digi­ tale Wert, ermittelt wird.

7. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Ausdehnung des sensitiven Spektralbereiches für bestimmte ab­ bildende Sensoren bis in den Bereich des Thermischen Infra­ rots (TIR) möglicherweise unter Einbeziehung des "Short Wave"-Infrarot-Bereiches (SWIR), für die entsprechende Farb­ räume generiert werden.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der thermische Bereich, d. h. der Bereich der aktiven Körper­ emission, so gut wie möglich in einer farbmetrischen Auswer­ tung vom kurzwelligen Teil des Spektrums, also dem Bereich mit passiven Reflexionen, entkoppelt wird.

9. Verfahren nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch eine Einengung des sensitiven Spektralbereiches, so daß sich Ob­ jekteigenschaften untersuchen lassen, welche nur in einem sehr engen Bereich des Spektrums Auswirkungen zeigen.