DE3586650T2 - Verfahren und vorrichtung zur farbmessung. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Bestimmung des spektralen Oberflächen-Reflexionsvermögens eines Objekts und der relativen Spektralenergie des Umgebungslichts.
• Bei der Betrachtung einer Szene zuerst im Tageslicht und dann unter Wolframlicht sieht das menschliche Auge kaum eine Veränderung in den Farben der Objekte, obwohl die spektrale Zusammensetzung des sie beleuchtenden Lichts sich deutlich geändert hat. Die Fähigkeit der menschlichen Wahrnehmung, spektrale Veränderungen in der Beleuchtung außer acht zu lassen, so daß die Farben der Objekte scheinbar erhalten bleiben, nennt man "Farbkontinuität". Der Mechanismus, durch den diese Farbkontinuität erreicht wird, ist immer noch das große ungelöste Problem bei der Analyse der menschlichen Farbwahrnehmung.
• Es wurde schon viel Arbeit darauf verwendet, die menschliche Farbwahrnehmung im Modell darzustellen. Eine Abhandlung von P. Sallstrom mit dem Titel "Colour and Physics Aspects of Human Colour Vision" im Institute of Physics Rep. 73-09 (Universität Stockholm, Stockholm 1973) gibt einen Überblick über die grundlegenden Merkmale der physikalischen Aspekte der menschlichen Farbwahrnehmung.
• In einer Abhandlung von G. Buchsbaum mit dem Titel "A Spatial Processor Model for Object Colour Perception", J. Franklin Inst. Bd. 310, No. 1 (Juli 1980) ist ein Modell für die Wahrnehmung der Farbe eines Objekts beschrieben. In dieser Abhandlung wird ein Modell zur Bestimmung des spektralen Oberflächen-Reflexionsvermögens der Oberfläche eines beleuchteten Objekts dargestellt. Zu diesem Zweck wird eine Schätzung der relativen Spektralenergie des Umgebungslichts vorgenommen. In den Berechnungen für ein trichromatisches System werden das Umgebungslicht und das spektrale Reflexionsvermögen als Basismengen dritter Ordnung dargestellt, in denen das Umgebungslicht und das spektrale Reflexionsvermögen näherungsweise bestimmt werden als die gewichtete Summe dreier fester Basisfunktionen. Von Sensoren kommende Signale liefern eine Reihe von Sensorausgangssignalen, wobei jeder Ort in der Reihe Sensorausgangssignale von drei unabhängigen Arten von Sensoren enthält. Die Sensorausgangssignale an jedem Ort der Reihe werden durch einen Vektor dargestellt, und das spektrale Reflexionsvermögen wird nach einer Gleichung berechnet, die den Vektor der Gewichte des Oberflächen- Reflexionsvermögens und den Vektor der Sensorausgangssignale durch eine Matrix in Beziehung setzt, deren Elemente vom Umgebungslicht abhängen. Die Matrixelemente werden dann berechnet, indem man einen festen internen Standard-Reflexionsvektor annimmt, um die Berechnung des spektralen Oberflächen-Reflexionsvermögens des Objekts zu ermöglichen.
• Diese Erfindung betrifft ein Verfahren nach Anspruch 1 und eine Vorrichtung nach Anspruch 7.
• Bei dem Verfahren und der Vorrichtung der vorliegenden Erfindung wird das Licht, das von einem zu untersuchenden Objekt reflektiert wird, von Sensoren erfaßt und die spektrale Zusammensetzung des Umgebungslichts, von dem das Objekt beleuchtet wird, gesondert berechnet. Das Oberflächen-Reflexionsvermögen des Objekts wird dann aus den Sensorwerten und den berechneten Werten bestimmt.
• Die Fähigkeit, die Wirkung der Umgebungsbeleuchtung von der Wirkung des Oberflächen-Reflexionsvermögens zu trennen, ermöglicht den Bau einer Reihe von Vorrichtungen, die in vielen verschiedenen Gebieten von Nutzen sind, zum Beispiel für Robotertechnik (Bilderfassung mit dem Computer), Fotografie, Farbmessung und -abstimmung, Fernsehen, Videokameras, Videorekorder und Systeme zur Farbbildverarbeitung und -korrektur.
• Beispielsweise müssen optische Systeme in der Robotertechnik, die das spektrale Oberflächen-Reflexionsvermögen (z.B. die Farbe) zum Erkennen und Identifizieren eines Objekts nutzen sollen, fähig sein, jede Veränderung des Umgebungslichts effektiv außer acht zu lassen.
• Wenn z.B. ein Roboter zum Sortieren von Früchten eingesetzt werden soll, muß er in der Lage sein, die Früchte bei hellem Tageslicht, Bewölkung, künstlichem Licht oder einer Kombination dieser Lichtverhältnisse zu prüfen und die Früchte richtig nach den Eigenschaften ihrer Oberfläche, z.B. Farbe oder Glanz, zu sortieren.
• Die vorliegende Erfindung umfaßt ein Verfahren und eine Vorrichtung, die einen Roboter befähigen, das Oberflächen-Reflexionsvermögen von zu untersuchenden Objekten richtig zu bestimmen, auch wenn er nur unvollständige Informationen über das Umgebungslicht hat.
• Ein häufiges Problem bei der Fotografie ist es, daß für das Fotografieren unter verschiedenen Lichtbedingungen verschiedene Arten von Film verwendet werden müssen.
• Die vorliegende Erfindung umfaßt ein Verfahren zur Aufnahme und/oder Bearbeitung von Farbbildern, so daß Bilder, die bei einem bestimmten Umgebungslicht fotografiert wurden, so verändert werden können, als wären sie unter einem anderen Umgebungslicht aufgenommen worden. Dadurch ist es nicht mehr erforderlich, für verschiedene Umgebungslichtverhältnisse verschiedene Filme zu verwenden.
• Ein anderes Problem beim Fotografieren ist, daß ein Fotograf verschiedene Filter verwenden muß, um verschiedenen Umgebungslichtverhältnissen gerecht zu werden.
• Die vorliegende Erfindung umfaßt ein Verfahren, das den Bau eines Belichtungsmessers ermöglicht, der die Spektraleigenschaften des Umgebungslichts bestimmen und die Ergebnisse entweder dazu verwenden kann, den Fotografen zu informieren, welche Art Farbfilter für die Kamera eingesetzt werden sollte, um den in der Kamera eingelegten Film entsprechend zu kompensieren, oder automatisch den geeigneten Farbfilter vorzuschalten. Davon ausgehend ist es möglich, in eine Kamera Sensoren einzubauen, so daß Farbbilder für die Fernseh- und Videowiedergabe, Videoaufnahme sowie für andere Ausgabe- oder Bildgeräte richtig erfaßt, aufgezeichnet, entwickelt bzw. bearbeitet, korrigiert und übertragen bzw. gesendet werden.
• Eine andere Schwierigkeit hinsichtlich der Wahrnehmung der Oberflächeneigenschaften eines Materials betrifft die Verwendung von Textilfarben, Autolacken u.ä. Es ist nichts Ungewöhnliches, daß zum Färben von Textilien und zum Lackieren von Gegenständen, wie z.B. Autoteilen, verschiedene Farb- bzw. Lackpartien verwendet werden.
• Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung betrifft eine Methode und eine Vorrichtung zur Analyse des spektralen Reflexionsvermögens verschiedener Partien von Farben und Lacken, um herauszufinden, ob sie unter verschiedenen Umgebungslichtverhältnissen farblich passend erscheinen.
• Diese und andere Anwendungen beruhen auf der Fähigkeit, die Wirkung des Umgebungslichts von der Wirkung der Oberflächenreflexion zu trennen.
• Bei dem im folgenden detailliert beschriebenen Verfahren werden die Daten, die von N+1 Sensorarten erfaßt werden, zur Definition einer endlichen dimensionalen Annäherung an eine Oberflächenreflexionsfunktion an jedem Bildpunkt und einer endlichen dimensionalen Annäherung an das Umgebungslicht verwendet. Mit dem Algorithmus lassen sich die Koeffizienten für diese Annäherungen bestimmen.
• Die physikalischen Basiskomponenten, die bei dem Verfahren zur Bestimmung des Oberflächenreflexionsvermögens eine wichtige Rolle spielen, sind (a) das Umgebungslicht, (b) das Reflexionsvermögen der Oberflächen, (c) die Sensoren und (d) die Sensor-Ausgangssignale.
• Das Umgebungslicht wird hier durch die Energie beschrieben, die bei jeder Wellenlänge vorhanden ist. Diese Funktion wird hier mit E(λ) bezeichnet, wobei λ die Wellenlänge des Lichts darstellt. Es wird vorläufig angenommen, daß das Licht in der gesamten Szene einheitlich ist, aber es wird später gezeigt, wie diese Annahme gelockert werden kann.
• Das Oberflächen-Reflexionsvermögen wird hier durch den Bruchteil des einfallenden Lichts beschrieben, der von der Oberfläche bei jeder Wellenlänge reflektiert wird. Diese Funktion wird hier mit Sx(λ) bezeichnet, wobei λ die Wellenlänge des Lichts darstellt und x sich auf die räumliche Lage bezieht. Es wird angenommen, daß die zu untersuchenden Objekte lichtundurchlässig und vollständig diffundierend (matt) sind.
• Es sind P unabhängige Sensorarten in einer zweidimensionalen Reihe vorhanden. Ein Bild der Szene wird in dieser Reihe gebildet. Der Ort des jeweiligen Lichts, der jeweiligen Oberflächen-Reflexion und des jeweiligen Sensor- Ausgangssignals sei hier durch die Position x in der Sensorreihe bezeichnet, an der die Wirkung jeweils auftritt, und nicht durch ihre tatsächliche Lage in der Szene. In der Sensorreihe ist jede Art in ausreichender Dichte vorhanden, damit man aus den von den Sensoren erfaßten Werten wieder entsprechend das Bild erhält. Die spektrale Empfindlichkeit des Sensors ist hier als der Bruchteil des einfallenden Lichts bei jeder Wellenlänge beschrieben, der von dem Sensor aufgenommen wird. Diese Funktion sei hier mit Rk(λ) für die k-te Sensorart bezeichnet.
• Das Umgebungslicht, das von einer Oberfläche reflektiert wird, bewirkt an dem Ort x ein Ansprechen der k-ten Sensorart nach der Gleichung
• Es sei angenommen, daß es P Sensorarten gibt, und die Ausgangssignale aller Sensoren an dem Ort x seien durch einen Vektor wie folgt dargestellt:
• Px = (Px&sub1; ... PxP)
• Es werden hier die folgenden zwei Näherungsformeln angewendet, wie sie von Buchsbaum verwendet wurden; eine, um die Darstellung des Umgebungslichts zu vereinfachen, und eine zweite, uin die Darstellung des Oberflächen-Reflexionsvermögens zu vereinfachen:
• Diese Näherungsformeln ermöglichen es, das Licht durch den Vektor der Gewichte ε = (ε&sub1; ... εM) und das Oberflächen-Reflexionsvermögen an einem Punkt x in der Sensorreihe durch den folgenden Vektor der Gewichte darzustellen:
• x = ( x&sub1; ... xN)
• Das Verhältnis zwischen der Darstellung des Oberflächen- Reflexionsvermögens, x, und der Sensorausgangssignale, px = (px&sub1; ... pxp), kann durch eine Matrixgleichung der Form
• px = Δεpx
• beschrieben werden, wobei px und x Vektoren sind und Δε eine Matrix ist, deren Elemente nur vom Umgebungslicht abhängen. Der hier verwendete Algorithmus beschreibt eine Methode, mit der die Oberflächen-Reflexionsvektoren, x, und die Beleuchtungsmatrix, Δε, erschlossen werden können, wenn nur die Sensordaten-Information px gegeben ist. Mit "erschließen" ist hier speziell gemeint, daß in jedem Bereich der Szene, in dem das Umgebungslicht annähernd einheitlich ist, der Lichtvektor ε, mit Ausnahme eines unbekannten Multiplikators a, gebildet wird und daß entsprechend Schätzwerte der Oberflächenreflexionsvektoren bis zu dem Kehrwert dieses unbekannten Multiplikators, 1/a x, gebildet werden. Dieses Vorgehen spezifiziert die Verteilung der relativen Spektralenergie des Umgebungslichts, aE(λ), sowie eine entsprechende Gruppe von das Reflexionsvermögen darstellenden Funktionen 1/aSx(λ) auf. Es ist erforderlich, daß wenigstens so viele Sensorarten P wie Freiheitsgrade der Annäherung an das Umgebungslicht (M) vorhanden sind. Es ist weiter erforderlich, daß mehr Sensorarten P als Freiheitsgrade der Annäherung an das Oberflächen-Reflexionsvermögen (N) vorhanden sind.
• Im folgenden wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen an einem Beispiel beschrieben.
• Fig. 1 stellt dabei das Energiespektrum des Lichts dar, das von einer bekannten Lichtquelle ausgestrahlt wird,
• Fig. 2 veranschaulicht das Oberflächen-Reflexionsvermögen eines Materials bei verschiedenen Wellenlängen, und
• Fig. 3 stellt ein Blockschaltbild der Elemente einer möglichen Ausführungsform eines Systems dar, das die vorliegende Erfindung umfaßt.
• Eine Beschreibung der physikalischen Umgebung und deren Zusammenhang mit der Farbwahrnehmung veranschaulicht die Aufgabe und das hier beschriebene neue Verfahren zu ihrer Lösung. Ziel des Verfahrens ist es, zuerst unabhängig das Umgebungslicht in der zu untersuchenden Szene zu bestimmen, und daraufhin die Oberflächen-Reflexion der Objekte.
• Fig. 1 ist eine graphische Darstellung der Verteilung der relativen Spektralenergie im normalen Tageslicht, E(λ).
• Fig. 2 ist eine graphische Darstellung des spektralen Reflexionsvermögens (d.h., die Neigung [S(λ)], Licht in verschiedenen Wellenlängen zu reflektieren) einer bestimmten Substanz, nämlich Gold.
• Das Licht, das das Auge von jedem Objekt der Szene erreicht, ist dann einfach E(λ)Sx(λ), wobei sich der obere Index x auf den Ort in der Sensorreihe bezieht, und die Werte den Graphen der Figuren 1 und 2 entnommen werden.
• Der erste Schritt bei der Farbwahrnehmung ist, daß das Licht von Fotorezeptoren im Auge oder in einem optischen Sensor absorbiert wird. Jede Art von Fotorezeptor oder Sensor weist für jede Wellenlänge des Lichts eine spektrale Empfindlichkeit R auf und verhält sich im wesentlichen als lineares System. Verschiedene Sensoren haben die Neigung, verschiedene Wellenlängen in verschiedenen Teilbereichen des physikalischen Spektrums zu absorbieren. Die Anregung, die von einem Fotorezeptor der k-ten Art registriert wird, ist dann
• Zum Beispiel ist es allgemein anerkannt, daß das menschliche Auge vier verschiedene Photorezeptoren besitzt, von denen drei beim Tagessehen aktiv sind. An jedem Ort x wird dann die Information hinsichtlich der Farbe auf drei Zahlen reduziert, die Anregungswerte oder "Quantenausbeute" der drei Arten von Fotorezeptoren an jedem Ort. Diese drei Zahlen werden sowohl von der spektralen Zusammensetzung des Umgebungslichts E(λ) als auch von dem spektralen Reflexionsvermögen Sx(λ) der Objekte an jedem Ort bestimmt.
• Die Aufgabe der Bestimmung des spektralen Oberflächen- Reflexionsvermögens läßt sich wie folgt darstellen: Das spektrale Reflexionsvermögen an jedem Ort Sx(λ) ist unbekannt. An jedem Ort wird für P die Quantenausbeute Pxk gemessen. Es ist ein Verfahren zu entwickeln, mit dessen Hilfe das Oberflächen-Reflexionsvermögen an jedem Ort x der Sensorreihe bestimmt werden kann, wenn das Umgebungslicht nicht bekannt ist. Wäre das Umgebungslicht E(λ) immer gleich, könnte man die Quantenausbeute an jedem Ort (oder eine Funktion der Quantenausbeute) als Wert verwenden. Bei unterschiedlichem Umgebungslicht kann jedoch die Quantenausbeute aus ein- und derselben Oberfläche sehr unterschiedlich sein.
• Intuitiv läßt sich das Grundprinzip dieses Verfahrens wie folgt verstehen: Nachdem an s Oberflächen Messungen vorgenommen wurden, sind auf der linken Seite der Matrixgleichung sP Werte bekannt. Auf der rechten Seite der Gleichung sind jedoch sN+M Werte unbekannt. Die Anzahl der Unbekannten übersteigt immer die Anzahl der bekannten Größen, wenn P kleiner als oder gleich N ist. Die Unterbestimmtheit kann man lösen, indem man wenigstens P=N+1 linear unabhängige Sensoren verwendet, um das Bild an jedem Ort spektral zu erfassen. In diesem Fall erhält man auf der linken Seite der Gleichung s(N+1) Werte, so daß nach der Messung an M oder mehr unabhängigen Orten die Gleichungen überbestimmt werden und sowohl für ε als auch für x gelöst werden können.
• Mit N+1 Sensorarten kann man daher sowohl die Beleuchtungsparameter ε als auch die Oberflächen-Reflexionsparameter x für jeden Ort erschließen.
• Der zur Lösung führende Algorithmus kann wie folgt durchgeführt werden:
• Schritt 1: Eingabe der Sensordaten PX von N+1 oder mehr Sensoren an jedem räumlichen Ort. Die mögliche Menge der Datenwerte wird von diesen P-dimensionalen Vektoren vollständig beschrieben.
• Schritt 2: Wenn die endlich-dimensionalen Näherungsformeln exakt richtig sind, fallen die gemessenen Daten in einen N-dimensionalen Unterraum des P-dimensionalen Sensorraums. Ein Beispiel für einen Unterraum wird im folgenden beschrieben: Angenommen, es werden P=3 Sensoren und N=2 Terme verwendet, um die Oberflächen-Reflexionsfunktion zu beschreiben, so häufen sich die Sensordaten um eine Ebene, die in dem dreidimensionalen Raum durch den Ursprung geht. Der N-dimensionale Unterraum, der am vorteilhaftesten alle gemessenen Daten enthält, wird berechnet. Es gibt viele Möglichkeiten, den am besten geeigneten N-dimensionalen Unterraum zu bestimmen. Hier wird eine Variante der Aufspaltung der Sensordaten in ihre Hauptkomponenten verwendet. Die ersten Hauptkomponenten für N bestimmen den gewünschten Unterraum.
• Schritt 3: Sind die Achsen, die den Unterraum definieren, bekannt, läßt sich dadurch ein System von linearen Gleichungen definieren, mit dessen Hilfe es möglich ist, den Vektor ε zu berechnen, der das Licht beschreibt, welches Daten erzeugen würde, die auf den am besten passenden Unterraum beschränkt sind, auf der Basis der Näherungsgleichung
• Schritt 4: Der berechnete Umgebungslichtvektor wird dazu verwendet, die Werte der Matrix Δε zu errechnen, die die Vektordarstellung der Oberflächen ( x) als Sensordaten (px) erfaßt, wobei folgende Näherungsgleichung verwendet wird:
• Schritt 5: Mit den vorgegebenen Werten der Matrix Δε werden die linearen Gleichungen aus Schritt 4 gelöst, um das Oberflächen-Reflexionsvermögen x aus den Sensordaten px an jedem Ort zu errechnen, d.h.,
• px = Δε x
• Ein spezielles Softwareprogramm zur Durchführung dieser Erfindung befindet sich im Anhang als Appendix A. Das Programm wurde für das Softwaresystem S geschrieben. S ist ein Softwaresystem, das auf dem Betriebsystem UNIX der Bell Laboratories auf einer Vielzahl von Hardwarekonfigurationen läuft. S läuft in der Hauptsache auf VAX- Computern der Digital Equipment Corporation; der Code im Anhang Appendix A ist für so einen Computer geschrieben, speziell für einen DEC VAX/780 mit einem 4.2BSD UNIX Betriebssystem. S ist erhältlich über AT & T Technology.
• Die Anzahl der Parameter, die erforderlich sind, um die Umgebungsbeleuchtung und die Oberflächen angemessen im Modell darzustellen, kann oft relativ klein sein. Die zur Verfügung stehenden Daten betreffend das spektrale Reflexionsvermögen deuten darauf hin, daß nur eine kleine Anzahl Parameter notwendig ist, um die meisten natürlich vorkommenden spektralen Reflexionen im Modell darzustellen. Wie schon oben erwähnt, beträgt die Anzahl der Sensoren, die notwendig sind, um N Reflexionskomponenten zu erfassen, wenigstens N+1. Die Tatsache, daß biologische Systeme sich mit einer relativ geringen Anzahl an Sensoren entwickelt haben, wird als Hinweis darauf betrachtet, daß die Anzahl der Freiheitsgrade, die erforderlich sind, um Funktionen des spektralen Reflexionsvermögens angemessen darzustellen, ebenfalls relativ gering sein kann.
• Bei vielen natürlichen Bildern ändert sich die spektrale Zusammensetzung der Beleuchtung mit dem räumlichen Ort. Die obige Rechnung läßt sich auf einfache Weise ausdehnen auf die Aufgabe, ein Umgebungslicht zu berechnen und abzuziehen, das sich langsam ändert (räumliches Tiefpaß- Umgebungslicht). Bei solchen Bildern ist in jedem lokalen Bereich das Umgebungslicht annähernd konstant. Der Algorithmus läßt sich daher auf jeden solchen lokalen Bereich des Bildes anwenden.
• Der neue Ansatz erläutert auch, wie automatische Sensor- Systeme gebaut werden können, die in der Lage sind, spektrale Fluktuationen des Umgebungslichts außer acht zu lassen. Unter Verwendung der hier gezeigten Analyse kann die Ausführung solcher Systeme speziell auf Arbeitsumgebungen abgestimmt werden, wo der Bereich der Oberflächen und Beleuchtungen gemessen werden kann, bevor sie von den Sensoren erfaßt werden.
• Zur Veranschaulichung ist in Fig. 3 ein Blockschaltbild eines Systems gezeigt, das die vorliegende Erfindung umfaßt. Eine Reihe von Sensoren 10 ist gegenüber den zu untersuchenden Oberflächen des Objekts/der Objekte angeordnet. Es muß wenigstens eine Sensorart mehr vorgesehen sein als in den zu untersuchenden Oberflächen-Reflexionselementen Freiheitsgrade vorhanden sind. Wie oben erwähnt, kann zu den Sensoren eine Kamera mit N+1 Sensoren gehören, welche auf jeden relevanten Punkt des Objekts ansprechen, N+1 Emulsionen auf einem Film, oder andere Arten von Sensorreihen mit N+1 Sensoren. Die erfaßten Daten (Px) werden verarbeitet, 12, um die Werte von x (Oberflächen-Reflexionsvermögen) und εx (Umgebungslicht) zu erschließen, die benötigt werden, um jeden Punkt der Oberfläche hinsichtlich sowohl des spektralen Oberflächen-Reflexionsvermögens als auch des Umgebungslichts an jedem Punkt der Oberfläche des Objekts zu definieren. Unter Verwendung der herkömmlichen Techniken der Farbwissenschaft kann man dann mit diesen Informationen an jedem Ort die Dreibereichs-Farbkoordinaten nach CIE (Committee Internationale d'Eclairage) berechnen, 14, die auf dem Sichtanzeigegerät 16 angezeigt werden sollten. Ausgehend von der Kenntnis dieser Werte läßt sich genau berechnen, was auf einer großen Vielfalt von Farbanzeigemedien oder Druckgeräten oder Systemen angezeigt werden sollte. Das Verfahren zur Umwandlung der hier errechneten Parameter in angezeigte Koordinaten umfaßt zwei Schritte: Zuerst wird hier beschrieben, wie man die Standardfarbkoordinaten nach CIE berechnet. Dann wird die Beziehung zwischen diesen Koordinaten und verschiedenen gebräuchlichen Anzeigegeräten erläutert.
• Die Werte des Oberflächen-Reflexionsvektors x ermöglichen es, das spektrale Oberflächen-Reflexionsvermögen an einem Punkt x der Reihe folgendermaßen zu berechnen:
• Ähnlich wird durch den Vektor ε das Umgebungslicht berechnet:
• Um den Wert von X in dem Dreibereichs-Farbkoordinatensystem nach CIE, oft X, Y, Z-System genannt, zu berechnen, ist es lediglich erforderlich, die folgende numerische Integration vorzunehmen:
• Eine genau entsprechende Rechnung, in der y(λ) bzw. z(λ) eingesetzt werden, ist vorzunehmen, um Y und Z zu berechnen. Die Funktionen E und S werden durch das hier beschriebene Verfahren berechnet. Die Funktionen x(λ), y(λ) und z(λ) sind CIE-definiert, und ihre Werte sind allgemein zugänglich. Die Tabelle 3.2 aus "Color Science" von Wyszecki und Stiles, 1967, Verlag John Wiley & Sons, die hier als Referenzmaterial aufgenommen ist, enthält die Werte dieser Funktionen.
• Die Werte X, Y und Z bestimmen genau den gewünschten Ausgabewert der Farbe jeweils für ein bestimmtes Gerät nach einem vereinbarten internationalen Farbstandard, der vom CIE erstellt wurde. Um die genauen Werte für ein bestimmtes Bildgerät festzusetzen, müssen lediglich die CIE-Farbkoordinaten in gerätabhängige Koordinaten umgewandelt werden. Zum Beispiel wird das von dem United States National Television Standards Committee (NTSC) definierte Farbkoordinatensystem das Y, I, Q-System genannt. Für die Steuerung eines Farbfernsehmonitors 16 kann ein einfaches System linearer Formeln entsprechend einer Matrixmultiplikation verwendet werden, mit dem X, Y, Z in Y, I, Q umgerechnet werden kann: es ist bekannter Stand der Technik, mit diesen Werten die nötigen Umrechnungen 14 vorzunehmen, um das Elektronenstrahlsystem so zu steuern, daß jeder Punkt x auf dem Fernsehschirm 16 abgebildet wird. Die Beziehung zwischen den Werten von Y, I, Q und X, Y, Z wird durch folgende Matrixgleichung beschrieben:
• Y = 0,0X + 1,0Y + 0,0Z
• I = 1,407X - 0,842Y - 0,451Z
• Q = 0,932X + 1,189Y + 0,233Z
• Eine Tabelle für Umrechnungen, die zwischen verschiedenen Farbdarstellungen häufig vorkommen, darunter die Werte zur Umrechnung vom X, Y, Z-Koordinatensystem zu Y, I, Q, wie oben beschrieben, aus Pratts verbreitetem Buch mit dem Titel "Digital Image Processing" (John Wiley & Sons, 1978) ist hier als Referenzmaterial aufgenommen. Es gibt bereits Verfahren, mit denen sich X, Y, Z-Daten für jede herkömmliche Vorrichtung oder Einrichtung umrechnen lassen, die in der Farbbildtechnologie verwendet wird, wie z.B. Filme, Videorecorder, etc.
• Da mit dem hier erläuterten Algorithmus sowohl das spektrale Oberflächen-Reflexionsvermögen als auch das Umgebungslicht berechnet werden kann, wird dem Anwender in jedem dieser Medien eine große Flexibilität bei der Bilddarstellung ermöglicht. Der Anwender kann die Ergebnisse wirklichkeitsgetreu darstellen, indem er lediglich die tatsächlich berechneten Werte verwendet, um die tatsächlichen Bildanzeigewerte zu bestimmen. Alternativ kann es erwünscht sein, daß die Ergebnisse so im Bild dargestellt werden, als seien sie unter Bedingungen gemessen worden, die zu der Zeit der Bilderfassung nicht vorhanden waren. Zu diesem Zweck kann der Anwender die Farben unter Verwendung eines Lichts E(λ) darstellen, das sich von dem tatsächlich errechneten Wert für ε unterscheidet. Das so erstellte Bild sieht aus, als sei es unter den angenommenen Umgebungslichtverhältnissen entstanden, die sich von den Bedingungen, unter denen das Bild tatsächlich entstanden ist, erheblich unterscheiden können.
• Wenn das Bild z.B. unter diffusem Wolframlicht entstanden ist, ermöglicht das Verfahren eine Rekonstruktion des Bildes, als sei es unter diffusem fluoreszierendem Licht, Sonnenlicht, oder einem beliebigen gewünschten Umgebungslicht entstanden.

Claims (13)

1. Verfahren zum Verarbeiten des Bildes eines beleuchteten Gegenstandes mittels eines Computers, bei dem Signale von einer Anzahl P unabhängiger Arten von Sensoren empfangen und eine Reihe von Sensor-Ausgangssignalen bereitgestellt wird, wobei jeder Ort x in der Reihe Sensor-Ausgangssignale von der Anzahl P unabhängiger Arten von Sensoren enthält, wobei alle Sensor- Ausgangssignale an einem Ort x der Reihe durch einen Vektor Px dargestellt werden; bei dem das spektrale Oberflächen-Reflexionsvermögen S(λ) der Oberfläche des Gegenstands und die relative Spektralenergie E (λ) des Umgebungslichts durch Gewichtsvektoren x, ε mit Komponenten N bzw. M, die Freiheitsgrade der jeweiligen Annäherungen bezeichnen, angenähert werden, und bei dem das an jedem Ort x der Reihe gemessene Oberflächen-Reflexionsvermögen Sx(λ) nach einer Gleichung berechnet wird, die den Vektor x der Gewichte des Oberflächen-Reflexionsvermögens für jeden Ort x der Reihe und den Vektor Px der Sensor-Ausgangssignale für jeden Ort x der Reihe durch eine Matrix Δε in Beziehung setzt, deren Elemente vom Umgebungslicht abhängen, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihe Ausgangssignale von wenigstens M und wenigstens N+1 unabhängigen Arten von Sensoren enthält, so daß die Gleichung überbestimmt wird und eine Bestimmung der Matrix- Elemente ermöglicht wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das spektrale Oberflächen-Reflexionsvermögen Sx(λ) an einem Ort x der Reihe aus den Sensor-Ausgangssignalen durch folgende Gleichung berechnet wird:

wobei die Ausgangssignale aller Sensoren (P = 1 bis N+1) durch den Vektor px dargestellt wird, worin

px = (px&sub1; ... pxp)

E(λ) die Energie bei jeder den Gegenstand beleuchtenden Wellenlänge λ,

Sx(λ) das spektrale Oberflächen-ReflexionsVermögen bei jeder Wellenlänge λ für einen räumlichen Ort x in der Sensorreihe,

Rk(λ) die spektrale Empfindlichkeit jeder der Sensorarten k als Anteil des auf den Sensor fallenden Lichts, das vorn Sensor bei jeder Wellenlänge λ absorbiert wird und

pxk das Ausgangssignal der Sensorart k an einem Ort x der Reihe bedeutet.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei die Energie des Umgebungslichts E(λ) als gewichtete Summe fester sbeleuchtungen Ei(λ) ausgedrückt wird, wobei

4. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei das Oberflächen-Reflexionsvermögen Sx(λ) des Gegenstandes eines Orts x der Reihe als gewicbtete Summe der Basisfunktionen Si(λ) des spektralen Reflexionsvermögens

ausgedrückt wird.

5. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei ein N-dimensionaler Unterraum eines P-dimensionalen Sensorraumes berechnet wird, der am besten zu den beobachteten Daten px paßt, und wobei ein Vektor t von Gewichten des Umgebungslichts E(λ) unter Verwendung der Koordinaten der Achsen des N-dimensionalen Unterraums berechnet wird.

6. Verfahren nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Koordinaten X, Y und Z eines gewünschten dreifarbigen Bildes aus dem berechneten spektralen Oberflächen-Reflexionsvermögen nach der Gleichung

erzeugt werden, wobei die Y- und die Z-Koordinaten ähnlich durch Substitution von x(λ) durch y(λ) bzw. z(λ) berechnet und die Funktionen x(λ), y(λ) und z(λ) nach CIE definiert werden.

7. Vorrichtung zum Verarbeiten des Bildes eines beleuchteten Gegenstandes mittels eines Computers, mit einer Einrichtung zur Annäherung an das spektrale Oberflächen-Reflexionsvermögen S(λ) des Gegenstandes und die relative Spektralenergie E(λ) des Umgebungslichts mittels der Gewichtsvektoren x, ε mit den Komponenten N bzw. M, die die Freiheitsgrade der jeweiligen Annäherung bezeichnen; eine Anzahl P unabhängiger Arten von Sensoren, die eine Reihe von Signalen bereitstellen, wobei jeder Ort x in der Reihe Signale aus der Anzahl P unabhängiger Arten von Sensoren enthält, wobei alle Signale an einem Ort der Reihe durch einen Vektor px dargestellt werden; und mit einer Einrichtung für die Berechnung des an jedem Ort x der Reihe gemessene Oberflächen-Reflexionsvermögens Sx(λ) nach einer Gleichung, die den Vektor x der Gewichte des Oberflächen-Reflexionsvermögens für jeden Ort x der Reihe und den Vektor Px der Sensor-Ausgangssignale für jeden Ort x der Reihe durch eine Matrix Δε in Beziehung setzt, deren Elemente vom Umgebungslicht abhängen; dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens M und wenigstens N+1 unabhängige Arten von Sensoren Signale für jeden Ort x der Reihe bereitstellen; und mit einer Einrichtung zur Bestimmung der Matrix-Elemente mittels der Signale der Reihe.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die Anzahl P unabhängiger Arten von Sensoren an jedem Ort in einer Sensorreihe angeordnet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7 oder 8, bei der die Einrichtung zur Berechnung eine Einrichtung für die Analyse des Sensorausgangssignals an einem Ort x nach der Gleichung

aufweist, wobei die Ausgangssignale aller dieser Sensoren (P = 1 bis N+1) mittels des Vektors Px dargestellt werden, worin

px = (px&sub1; ... pxp)

E(λ) die Energie bei jeder den Gegenstand beleuchtenden Wellenlänge λ,

Sx(λ) das spektrale Oberflächen-Reflexionsvermögen bei jeder Wellenlänge λ für einen räumlichen Ort x in der Sensorreihe,

Rk(λ) die spektrale Empfindlichkeit jeder der Sensorarten k als Anteil des auf den Sensor fallenden Lichts, das vom Sensor bei jeder Wellenlänge λ absorbiert wird und

P das Ausgangssignal der Sensorart k an einem Ort x der Reihe bedeutet.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, wobei die Einrichtung zur Annäherung an die Energie des Umgebungslichts E(λ) als gewichtete Summe fester Basis funktionen das Umgebungslicht E(λ) näherungsweise mittels folgender Gleichung bestimmt:

worin ε = (ε&sub1; ... εM)

Ei(λ) die feste Basisbeleuchtungsstärke und εi die Gewichtungsfunktion bedeutet.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, wobei die Einrichtung für die Annäherung an das Oberflächen-Reflexionsvermögen des Gegenstands an einem Ort x der Reihe als gewichtete Summe fester Basisfunktionen das spektrale Reflexionsvermögen Sx(λ) an einem Ort x der Reihe näherungsweise mittels folgender Gleichung bestimmt:

S (λ) die Basisfunktion des spektralen Reflexions- Vermögens und die Gewichtungsfunktion darstellt.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, wobei die Einrichtung zur Bestimmung der Matrix-Elemente einen N-dimensionalen Unterraun eines P-dimensionalen Sensorraums, der am besten zu den beobachteten Daten px paßt, und einen Vektor ε von Gewichten des Umgebungslichts unter Verwendung der Koordinaten der Achsen des N-dimensionalen Unterraums berechnet.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 bis 12 mit einer Einrichtung, die mittels des berechneten spektralen Oberflächen-Reflexionsvermögens und des bestimmten Umgebungslichts die Koordinaten X, Y und Z eines gewünschten drei farbigen Bildes zur Ausgabe an ein Anzeigegerät nach der Relation

erzeugt. Die Y- und Z-Koordinaten werden nach derselben Relation durch Substitution von x(λ) durch y(λ) bzw. z(λ) berechnet und die Funktionen x(λ), y(λ) und z(λ) werden nach CIE definiert.