Farbmessung

Ziel dieses Artikels ist es, die Prinzipien der Farbdigitalisierung, die bei ihrer Messung verwendeten Technologien, die Räume der Darstellung und ihre Extrapolation auf die menschliche Logik und Wahrnehmung darzustellen.

Es ist üblich, die Farbe von Materialien und Produkten im täglichen Leben zu diskutieren und bei vielen Gelegenheiten zahlreiche Kontroversen auszulösen, da es keine Vergleichsquelle gibt.

Kurz gesagt, das liegt daran, dass die gleiche Quelle von Farbinformationen von jedem Menschen unterschiedlich interpretiert werden kann.

 

Darstellung verschiedener Farben in Pantone-Skala

 

Das Ziel dieses Artikels ist es, die Prinzipien der Digitalisierung von Farbe, die bei der Messung verwendeten Technologien, die Räume der Darstellung und ihre Extrapolation auf die menschliche Logik und Wahrnehmung darzustellen.

In industriellen Farbmessanwendungen und -prozessen ist es normal, sich zu fragen, wie in der Wahrnehmung der menschlichen Farbe,

Wo ist die Grenze dieser Farberkennung?

Welche Technologien sind für die einzelnen Farbmessverfahren zu berücksichtigen?

Welcher Zielwert ist für unsere Messung zu berücksichtigen?

 

  1. Farb-Definition

Farbe ist KEINE Eigenschaft des Lichts, sondern eine subjektive menschliche Wahrnehmung seiner physikalischen Prinzipien.

Um diese Aussage verstehen zu können, müssen wir das elektromagnetische Spektrum verstehen, da es subjektiv in die menschliche Wahrnehmung von Farbe übersetzt wird.

 

  1. Das elektromagnetische Spektrum

Das elektromagnetische Spektrum reicht von der kürzesten Wellenlänge (Gammastrahlen und Röntgenstrahlen) über ultraviolettes, sichtbares und infrarotes Licht bis hin zu den langwelligen elektromagnetischen Wellen, wie z.B. Radiowellen.

Über der Frequenz der Infrarotstrahlung liegt das, was man gewöhnlich als “Licht” bezeichnet, eine elektromagnetische Strahlung, die eine Wellenlänge im Bereich von 380 bis 780 nm hat. Das Licht, das wir mit unseren Augen sehen, ist daher nur ein sehr kleiner Teil des elektromagnetischen Spektrums.

 

Elektromagnetisches Spektrum und sichtbares “Licht

 

  1. Menschliche Wahrnehmung

Wenn die Strahlungsquelle eine Frequenz im sichtbaren Bereich des elektromagnetischen Spektrums aufweist und auf ein Objekt trifft, ist dies ein durchgelassener Teil, ein absorbierter Teil, ein reflektierter Teil und der Rest, der von dem Objekt emittiert wird.

Die Strahlung, die auf das menschliche Auge einwirkt, erzeugt die visuelle Wahrnehmung der Szene. Unser Gehirn verarbeitet die Vielzahl von Frequenzen, die sich in verschiedenen Tönen und Nuancen widerspiegeln, und dadurch entsteht die Wahrnehmung des Objekts.

 

Evolución del estímulo del color

 

 

  • Absorción espectral del ojo humano

Zapfen und Stäbchen sind die beiden Arten von Photorezeptoren in der menschlichen Netzhaut und sind für das “Farb”-Sehen verantwortlich.

Auf der Netzhaut sind die Zapfen weniger lichtempfindlich als die Stäbe (die das Sehen bei schwachen Lichtverhältnissen unterstützen). Sie sind auch in der Lage, feine Details und schnelle Veränderungen im Bild wahrzunehmen, da die Reaktion auf Reize schneller ist als die der Bars.

Es gibt drei Arten von Zapfen, die jeweils ein unterschiedliches Pigment aufweisen und jeweils lichtempfindlich sind, was einer kurzen, mittellangen oder langen Länge entspricht.

  • Kegel-L (lang), Maximum bei 560 nm, grünlich-gelb.
  • Kegel-M (mittel), Maximum bei 530 nm, gelb-grün.
  • Kegel-S (kurz), Maximum 420 nm, Blau.

 

Normierte Spektralempfindlichkeit der Zapfen des menschlichen Auges

 

 

  1. Grundlagen der Farbmetrik

Die Farbmetrik ist die Wissenschaft und Technologie, die zur Quantifizierung herangezogen wird und die die menschliche Wahrnehmung physikalisch beschreibt. Es reduziert das Spektrum auf die physikalischen Parameter der Farbwahrnehmung. Der CIE 1931 XYZ-Farbraum wird gemeinhin als Standard bezeichnet und kann als Standard bezeichnet werden.

 

CIE 1931 (Commission Internationale de l’Éclairage)

 

Die CIE 1931 hat nur eine große Einschränkung in der Farbmessung…..

Das chromatische Diagramm ergibt sich aus der Berechnung der Verhältnisse der einzelnen Farben.

y = X / (X+Y+Z) für die Rotanteil

y = Y / (X+Y+Z) für die Grüne Komponente und

z = 1 – x – x – y für die Blau-Komponente.

Problem: Der CIE 1931-Farbraum ist nicht äquidistant!

 

Chromatisches Diagramm CIE 1931

 

4.1 Der L*a*b*-Farbraum

Gebaut nach der Theorie der Farbvergleiche. Sein großer Vorteil besteht darin, dass es sich um einen Raum mit äquidistanter Farbe handelt, aus dem er gebaut ist:

Achse a*: Gegenüberstellung von Rot und Grün.

Achse b*: Gegenüberstellung von Blau und Gelb.

L*-Achse (Brightness): Vertikale Richtung der Achsen a* i i b*.

Diagrama cromático L*a*b*

 

Farbabweichung ΔE

Es wird aus folgenden Daten berechnet:

 

Es gibt den Abstand zwischen zwei Farben in einem Raum mit äquidistanter Farbe L*a*b als interpretierbares Ergebnis an:

<1 Abweichung als sehr klein, für das menschliche Auge nicht wahrnehmbar.

1…2 Geringfügige Farbabweichung, die für das “geschulte Auge” wahrnehmbar ist.

2…3,5 Mittlere Farbabweichung, die für das “untrainierte” Auge wahrnehmbar ist.

3.5…5 Deutliche Farbabweichung.

5 Starke Farbabweichung: verschiedene Farben.

Kurz gesagt, eine effiziente Farbmessung findet im L*a*b-Farbraum statt!

 

4.2. Ausleuchtung der Szenerie

Die Szenenausleuchtung ist der Schlüssel zur korrekten Farbmessung. In den Lichtquellen finden wir verschiedene Technologien, von denen einige optimal für die korrekte Farbwiedergabe geeignet sind.

 

Beleuchtungsquellen mit optimaler Farbwiedergabe (markiert mit rotem Umriss).

 

Vergleich der Lichtquellen

 

  1. Farbmessverfahren

Für die Farbmessung kann unterschieden werden zwischen: Äquivalenzverfahren, Spektralmethode und Tristimulusmethode. Die beiden letztgenannten sind die gebräuchlichsten für die automatisierte Farbmessung.

 

5.1. spektrales Verfahren

Die Spektralmethode misst die Leistung der spektralen Verteilung einer Lichtquelle. Seine Funktionsweise besteht darin, das Licht mit Hilfe eines optischen Detektors einzufangen, der es zu einem Monochromator leitet, der es später in verschiedenen Wellenlängenbändern ablesen kann.

Spektralverfahren

Vorteile

  • Hochpräzision.
  • Unabhängig von der Lichtquelle.
  • Die Farbwerte der einzelnen Leuchtmittel sind kalkulierbar.


Nachteile

  • Zykluszeit der Messung.
  • Teure Hardware.
  • In den meisten industriellen Prozessen ist ihre Verwendung nicht mehr durchführbar.

 

5.2. Tri-Stimulus-Verfahren

Das Tri-Stimulus-Verfahren erfasst eine begrenzte Anzahl von spektralen Bandbreiten im sichtbaren Spektralbereich mit Hilfe von Photodetektoren und entsprechenden Filtern.

 

Tri-Stimulus-Methode

Vorteile

  • Hochgeschwindigkeit (z.B. ASTECH CR100 führt Messungen unter 50μs durch).
  • Sehr preisgünstige Komponenten.
  • Kompakte Bauweise.
  • Ideal für industrielle In-Line-Anwendungen.

Nachteile

  • Weniger präzise als die Spektralmethode.
  • Die Farbmesswerte sind abhängig von der verwendeten Lichtquelle.

 

Farbmessgerät ASTECH CR100

 

 

Autor: Jaume Fontanella

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