Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe …cg/ss08/seminarER/... · 2008. 5....

Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe Hagen MetzlerThorsten Habelitz

Institut für ComputervisualistikAG ComputergraphikProf. Dr. Stefan Müller

Betreuer: Jakob Bärz

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

Wie nehmen wir Licht wahr?

Was ist Licht?

- elektromagnetische Strahlung

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)

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

Der visuelle Cortex

- besteht aus ca. 100 Mio. Neuronen

3 Gruppen verschiedener Zellen

Einfache Zellen

Der visuelle Cortex

Komplexe Zellen Hyperkomplexe Zellen

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.

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.

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.)

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.

Optische Täuschungen

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

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

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

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

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!

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!

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

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

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

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.

Kontrast

Welches Feld ist heller/dunkler? A oder B?

Kontrast

Die Felder haben absolut identische Farbwerte!

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)

Kontrast

Der gleiche Effekt bei Herrmanschen Gittern

FarbeElektromagnetische Strahlung, die von beleuchtetem Material remittiert wird.

RGB RG

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.

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

CIE XYZ

gesuchte Farbe

NormspektralkurvenMetamer

CIE XYZNormierte Farbe

Basisfunktionen

Eigenschaften:● positiv● y-Kurve entspricht dem spektralen Hellempfindlichkeitsgrad.● Die Flächen sind gleich.

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

LichtsimulationSpektrale Größe -> XYZ (mit Normspektralkurven)-> RGB (mit ausgemessener Leuchtdichte-Farbmatrix)-> Lichtsimulation im RGB Farbraum

Lokales Beleuchtungsmodell

Auswerten eines Strahls durch jeden Eckpunkt eines Polygons.

Ia: konstantes, ambientes Licht.

● schnell, Hardware● keine Halbschatten, keine indirekte Beleuchtung

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

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)

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.

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.

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.

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.

Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!

Fragen?Diskussion!

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

Seminar Echtzeit-Rendering Wahrnehmung von Licht und Farbe …cg/ss08/seminarER/... · 2008. 5....

Documents

Volume Modelling And Rendering Based On 3D Voxel Gridscg/Diplomarbeiten/VirtualSculpture.pdf · technique for real time volume rendering. Furthermore a ray tracing system is imple-

Neue Typografie im Web – über Hinting, Rendering, Techniken & Services

Prof. Stefan Schlechtweg-Dorendorf · Rendering-Pipeline Beleuchtungsmodelle und -berechnungen Texturen Computergraphik-Hardware Animation ... Rendering-System REYES (" Rendering

§ 5 Echtzeit-Betriebssysteme · 1 © 2003, IAS Universität Stuttgart 331 PA1 § 5 Echtzeit-Betriebssysteme 5.1 Begriffsbestimmung 5.2 Organisationsaufgaben eines Echtzeit-Betriebssystems

ePerformance DWNHLL eNDURO ALLMTN - dein-ebike.de · 4 Vorschau-Rendering / Original kann abweichen! Preview rendering / original product may vary! Vorschau-Rendering / Original kann

Echtzeit-Ethernet - eine Potentialanalyse -

Echtzeit Klub - Apps: Mobile Bits

Echtzeit Klub

Lighting & Rendering Ausgabe III

Marketing Innovation Day – Markenerlebnisse in Echtzeit · 54 Marketing Verband 6 2016 DMV Szene Marketing Innovation Day – Markenerlebnisse in Echtzeit „Marketing in Echtzeit

Augmented Reality und Non-Photorealistic Rendering · Non-Photorealistic Rendering wird vor allem eingesetzt um die Kom-munikation mit Bildern zu vereinfachen. Photorealistische Darstellungen

Rendering Portfolio Johann Göhler

§ 4 Echtzeit-Programmierung · 1 © 2003 IAS, Universität Stuttgart 241 PA1 § 4 Echtzeit-Programmierung 4.1 Problemstellung 4.2 Echtzeit-Programmierverfahren 4.3 Rechenprozesse

§4 Rendering und Visibilität 4.7 Globale Beleuchtungsmodelledannen/HTW_Vorlesung/Kapitel04_4.pdf · §4-92 §4 Rendering und Visibilität Computergrafik - SS 2004 4.7 Globale Beleuchtungsmodelle

Echtzeit Gerätedaten Nachrichtenübermittlung als Grundlage

Echtzeit Agenturbroschüre

Homomorphic-Encrypted Volume Rendering

Infrarotspektroskopie zur Echtzeit- Untersuchung von ... · Infrarotspektroskopie zur Echtzeit-Untersuchung von Zylinderschmieröl TUHH Schwankender Schwefelgehalt im Brennstoff,

Designing a Modern Rendering Engine - TU Wien · Diplomarbeit Designing a Modern Rendering Engine ausgefuhrt am¨ Institut fur Computergraphik und Algorithmen¨ der Technischen Universit¨at

BACHELORARBEIT - monami.hs-mittweida.de · Anwendungen der Photogrammetrie in der Entwicklung von Echtzeit-Rendering An- wendungen Applications of photogrammetry in the development