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Farbmesssysteme im Überblick - Dreibereichsverfahren, Spektralphotometrie und Multispektraltechniken

von Privatdozent Dr.-Ing. habil. K.-H. Franke, Zentrum für Bild- und Signalverarbeitung e.V.

Die Farbe eines Objektes ist die Sinnesempfindung eines Betrachters, die durch keine physikalisch messbare Objekteigenschaft allein repräsentiert werden kann. Ein Farbeindruck erfordert die unbedingte Anwesenheit von Objekt, Licht und Betrachtung. Nur bei Angabe dieser Komponenten ist ein Farbeindruck vollständig charakterisiert. Daneben wirken zahlreiche subjektive und objektive Faktoren des Betrachters und der Beobachtung farbbeeinflussend.

Das tiefe Verständnis dieser Zusammenhänge ist erforderlich, wenn Farben gemessen oder schnell, objektiv und in zeitlich gleichbleibender Güte überwacht werden müssen. Die Liste entsprechender Anwendungen reicht von der industriellen Qualitätssicherung für hochwertige Güter, über die Überwachung im Bereich Farbreproduktion (Druck, Color-Management), die Lebensmittelindustrie bis in den medizinischen Bereich.

Zur metrischen Beschreibung von Farbwahrnehmungen sind geeignete Modelle erforderlich. Je nach Aspekt und geforderten Eigenschaften, wie z.B. Gleichabständigkeit und Invarianzen, leiten sich standardisierte oder geräteabhängige Farbräume mit unterschiedlichen Eigenschaften ab.

Die Anforderungen einer konkreten Applikation entscheiden über die Eignung eines Farbmesssystems, wobei gerade im industriellen Bereich Lösungen gefordert sind, die kompakt, robust, preisgünstig und verlässlich sind. Die bekannten technischen Ansätze zur Farbmessung können bislang zwei Gruppen zuordnen werden, den Dreibereichsverfahren und der Spektralphotometrie mit anschließender colorimetrischer Auswertung.

DreibereichsmessverfahrenMesssysteme nach dem Dreibereichsverfahren orientieren sich am menschlichen Vorbild des dreikanaligen Farbsehens. Dort eingesetzte Sensoren versuchen die Augenempfindlichkeitskurven eines ermittelten Normalbeobachters (CIE-1931) zu realisieren, so dass aus Sicht dieses Beobachters standardisierte Farbaussagen direkt ableitbar sind. Da in den zumeist sehr kompakten Messsystemen Lichtquellen zum Einsatz kommen, die gegenüber den üblicherweise zum Farbvergleich heran gezogenen standardisierten Lichtquellen erhebliche spektrale Abweichungen aufweisen, realisiert jedes Messsystem dieser Art Messergebnisse in einem eigenen gerätespezifischen Farbraum. Eine Messung ist daher erst durch nachträgliche Korrektur entsprechend dem der Messaufgabe zugrunde gelegten colorimetrischen Vergleichsmaßstab (Beobachter, Lichtart) im Sinne der Farbmessung verwendbar. Diese Korrektur, die sogenannte colorimetrische Kalibrierung (auch Color Management zwischen Quelle und Profile Connection Space), ist in den meisten Fällen näherungsweise möglich. Komplexere Fragestellungen, wie z.B. das Metamerieproblem durch Lichtart- oder Beobachterwechsel, sind hingegen nicht lösbar.

SpektralphotometrieBei der Spektralphotometrie wird der spektrale Farbreiz direkt in schmalen Wellenlängenintervallen absolut gemessen. Nach Kompensation des Geräteeinflusses (u.a. Beseitigung des Einflusses der gerätespezifischen spektralen Charakteristik der Lichtquelle) sind die Farbstoffeigenschaften (Colorant) der Objektoberfläche als geräteunabhängiges (absolutes) Messergebnis bestimmt. Es bildet die Grundlage für nachträgliche colorimetrische Analysen mit beliebigen Lichtquellen incl. Metamerie auf rein rechnerischem Wege.

MultispektraltechnikIn den letzten Jahren haben Mehrbereichsansätze (multispektral, oft auch als hyperspektrale Techniken bezeichnet) sowohl im sensorischen Bereich als auch bei der Farbwiedergabe an Bedeutung gewonnen. Ein Farbmesssystem nach einem Mehrbereichsansatz verbindet die Vorzüge beider Richtungen, d.h. Kompaktheit, Robustheit, Schnelligkeit und den Preis des Dreibereichsverfahrens mit der hohen Ergebnisgüte und -verwertbarkeit der spektralen Messung. Dieses Systemkonzept ermöglicht, zusammen mit geeigneten Interpolatoren, spektralnahe, absolute Messungen überall dort, wo bislang die Defizite einfacher Farbsensoren in Kauf genommen werden mussten und spektrale Systeme zu kostspielig waren.

Beim Dreibereichsansatz besteht das Problem, dass die primären Sensordaten einen gerätespezifischen Farbraum realisieren, der allgemein keiner standardisierten valenzmetrischen Schnittstelle entspricht.

Ein standardisierter Farbraum nimmt über seine spektralen Wichtungsfunktionen nur Bezug auf einen Normbeobachter und dessen physiologische Sensitivität für Farbreize. An vorderster Stelle ist hierbei die Farbrepräsentation im CIE-Normvalenzsystem XYZ zu nennen. Dieses bildet das Basissystem für jede weitere colorimetrische Analyse (wie z.B. die empfindungsgerechte Bewertung des metrischen Farbunterschiedes zu einer gegebenen Farbreferenz) oder für die weitere Verwertung als Profile Connection Space beim Color Management zur Farbreproduktion.

NormenvalenzsystemFür Farbsensoren bedeutet dies eine geräte- und target- bzw. farbreizspezifische Korrektur durch Herstellen einer Beziehung zwischen dem geräteabhängigen Raum des Messsystems und einer applikativ gewünschten Farbrepräsentation in einem standardisierten Farbraum. Je nach Geräteeigenschaften (Realisierung der Luther-Bedingungen, Nichtlinearitäten der Übertragungskennlinien, spektrale Fertigungstoleranzen) und applikativen Ansprüchen sind geeignete Korrektur- und Kalibrierverfahren zu wählen (global oder lokal, linear oder nichtlinear, unterschiedliche Optimierungsansätze) und zu parametrieren.

Schließlich sind für die Auswertung von Farbbildern viele spezielle Aspekte zu beachten, die mit dem vektoriellen Charakter der Bildpunktattribute verbunden sind. Das betrifft die Vorverarbeitung der Bilddaten in gleicher Weise wie Aspekte der Segmentierung, Merkmalextraktion und Klassifikation.


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