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Dokumentenidentifikation DE10019652B4 23.03.2006
Titel Verfahren zur farbmetrischen Auswertung von Multi- und Hyperspektraldaten abbildenden Fernerkundungssensoren
Anmelder Deutsches Zentrum für Luft- und Raumfahrt e.V., 53175 Bonn, DE
Erfinder Dettling, Martin, 69469 Weinheim, DE;
Lüdeker, Wilhelm, Dipl.-Phys., 86949 Windach, DE;
Schroeder, Manfred, Dipl.-Phys. Dr.-Ing., 86938 Schondorf, DE
Vertreter von Kirschbaum, A., Dipl.-Ing., Pat.-Anw., 82110 Germering
DE-Anmeldedatum 21.04.2000
DE-Aktenzeichen 10019652
Offenlegungstag 06.09.2001
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 23.03.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 23.03.2006
IPC-Hauptklasse G01J 3/40(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse G01J 3/457(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur farbmetrischen Auswertung von durch einen Multispektralsensor gemessenen Multispektral- und Hyperspektraldaten und zur synthetischen Farbdarstellung dieser Daten in einem durch einen Monitor gebildeten Wiedergabesystem unter Verwendung einer Spektralinformationen in einen Farbraum abbildenden Farbzuordnungstransformation nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus DE 41 19 489 ist im wesentlichen ein derartiges Verfahren bekannt, bei welchem ein nach Art eines Farbbildscanners arbeitendes Farbbildreproduktionssystem mit multispektraler analytischer Farbbildaufnahmetechnik mit einer Bildverarbeitung und mit einer Farbbild-Repro-Wiedergabeeinrichtung beschrieben ist. Dieses bekannte System enthält jedoch keinerlei Maßnahmen zum Korrigieren von Detektionslücken bei einem Multispektralsensor und darüber hinaus auch keine Maßnahmen zur Farbumbestimmung einer Bildszene. Ferner ist keinerlei Farbwerttransformation zum Transformieren von Farbvalenzen auf den Farbraum eines Wiedergabegeräts und auch keine Normierung auf den maximalen Helligkeitswert vorgesehen.

Aus DE 43 05 693 C2 ist ein Verfahren zur Farbkalibrierung bei der Umsetzung von Farbwerten eines ersten Freiraums in die Farbwerte eines zweiten Freiraumes bekannt. Bei diesem Verfahren wird die Übertragungsfunktion des Eingabegeräts, welche dessen spektralen und elektrischen Eigenschaften berücksichtigt, ermittelt. Aus Farbwerten des ersten Farbraums werden die funktionsmäßig zugehörigen Farbwerte des zweiten Farbraums anhand der ermittelten Übertragungsfunktion näherungsweise berechnet und gespeichert. Zur Gewinnung von Farbwerten des ersten Farbraums wird eine Testvorlage mit dem Eingabegerät optoelektronisch abgetastet; die durch Abtasten von Testfarben gewonnenen Farbwerte des ersten Farbraumes werden in die Farbwerte des zweiten Farbraums umgerechnet. Anschließend werden die Testfarben der Testvorlage mit einer vorgegebenen Lichtart farbsymmetrisch ausgemessen und die durch Abtasten der Testfarben und Umrechnung der gewonnenen Farbwerte des zweiten Farbraums werden mit den durch Ausmessen der entsprechenden Testfarben gewonnenen Farbwerte des zweiten Farbraums verglichen. Aus den gewonnenen Farbdifferenzwerten werden dann entsprechende Korrekturfarbwerte nach einem Ausgleichs-Verfahren berechnet, mit welchen die Farbwerte des zweiten Farbraums korrigiert werden.

Nach der herkömmlichen bekannten Vorgehensweise wird in der Farbdarstellung von multi-spektralen Daten jeweils ein Spektralkanal 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 mathematische Beschreibung in der Farbmetrik erlaubt beim Verfahren nach der Erfindung eine einfache Verallgemeinerung auf beliebige real existierende Farbräume, wie sie z.B. vom Color-Infrarot-Film (CIR) und den speziell angepaßten Augen einiger 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 allgemeinen Fall standardisierte RGB-Wiedergabe führt. Darüber hinaus wird durch diese mathematische Abbildung der spektralen Information in einen Farbraum die Farbe an sich als Meßgröße zugänglich. Sie erlaubt eine weitergehende Objektklassifikation, welche in wesentlich höherem Maße einer subjektiven Beurteilung, d.h. einer Klassifikation, durch den Sehmechanismus des Menschen verwandt ist, als es mit herkömmlichen Verfahren möglich ist. Die Verallgemeinerung in einen vollkommen abstrakten, künstlichen oder virtuellen Farbraum erlaubt dann bei Anwendung des Verfahrens nach der Erfindung sogar die Generierung von optimierbaren, technisch vergleichsweise 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:

1 in einem Diagramm die spektrale Abhängigkeit der Empfindlichkeit der drei Zäpfchentypen des menschlichen Auges von der Wellenlänge der aufgenommenen Lichtstrahlung,

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

3 in einer Diagrammdarstellung Spektralwertfunktionen x(&lgr;), y(&lgr;) und z(&lgr;) eines normierten Farbraumes, dem sogenannten Normvalenzsystem,

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

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

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

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

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,

9 den funktionalen Zusammenhang zwischen der Belichtung in den Spektralbereichen aus der 7 und der entsprechenden optischen Dichte der Wiedergabefarben, und

10 eine künstliche Spektralwertfunktion zur Hervorhebung 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, welche die empfangene Strahlung in Abhängigkeit von ihrer Wellenlänge &lgr; nach drei in 1 in einem Diagramm dargestellten spektralen Empfindlichkeitskurven t(&lgr;), d(&lgr;) und p(&lgr;) bewerten.

Monochromatisches Licht einer beliebigen, aber definierten Wellenlänge &lgr; erzeugt in weiten Teilen des sichtbaren Spektrums in allen drei Rezeptorzelltypen einen Sinnesreiz. Ausgenommen hiervon ist im wesentlichen lediglich der ferne Rotbereich, 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 Reizkombinationen seiner drei Detektortypen als Farben interpretiert. Der Begriff "Farbe" ist in der Spektroskopie bisher nicht als physikalische Meßgröße etabliert. Die "Farbe" erlaubt es aber dem Gehirn, auch feinste spektrale Veränderungen wahrzunehmen. Dieses wäre mit einem nur dreikanaligen Spektrometer mit unabhängigen Detektionswellenlängen prinzipiell nicht möglich.

Formal kann man sich die Sinnesreize der drei Rezeptorzelltypen 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 proportionalen Zuwachs aller drei Komponenten abgebildet, so daß sich für eine bestimmte Wellenlänge oder "Spektralfarbe" eine Gerade im Farbraum ergibt, deren Endpunkt bzw. deren Endpunktabstand vom Ursprung die Strahlungsintensität wiedergibt.

Mit dem sich hieraus ergebenden, in der 2 abgebildeten Farbtrichter wird bestimmt, welche Farben durch den menschlichen Sehapparat wahrnehmbar sind. In der 2 ist ein dreidimensionaler Farbraum mit Komponenten T, D und P entsprechend den Rezeptor-Empfindlichkeitskurven t(&lgr;), d(&lgr;) und p(&lgr;) bewiedergegeben. Die angegebenen Zahlen am Rand des geschlossenen Kurvenzuges stellen die zugehörige Spektralfarbe, also die Wellenlänge &lgr; des Spektrums, dar.

Der in 2 dargestellte, geschlossene Kurvenzug repräsentiert die Transformation der sichtbaren Spektralfarben in den vom menschlichen Auge wahrnehmbaren Farbraum. Von entscheidender Bedeutung ist hierbei, daß es sich um die Transformation 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 Kurvenzug abgebildet werden, der auch gleichzeitig die äußerste Grenze zwischen wahrnehmbaren und nichtwahrnehmbaren Farben definiert.

Ist die Sinnesreizung nicht durch eine einzelne Spektralfarbe, sondern durch mehrere Wellenlängen oder gar kontinuierliche Spektren hervorgerufen worden, so wird ohne weiteres verständlich, daß hier eine Mischung der reinen Spektralfarben vorliegt. Über die Addition der einzelnen aus dem Signalbeitrag jedes einzelnen Spektralbereiches errechneten Farbkomponenten 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 Objektcharakterisierung 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 vorgestellten Methoden nach der Erfindung, meßtechnisch ausschließlich auf dem äußeren Rand des Farbtrichters, da die Detektoren bewußt spektral entkoppelt sind.

Eine von einem beliebigen Objekt ausgehende sichtbare Strahlung &PHgr;(&lgr;) wird von den drei Rezeptorzelltypen absorbiert und in einen korrespondierenden Sinnesreiz umgewandelt. Mit den in 1 dargestellten und im folgenden Spektralwertfunktionen genannten Funktionen t(&lgr;), d(&lgr;) und p(&lgr;) für die spektrale Empfindlichkeit der Sehzellen läßt sich ein mathematischer Ausdruck mit den nachstehenden Gleichungen (1) bis (3) formulieren, 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 jeweiligen Farbraumkomponenten. Die Spektralwertfunktionen sind aus empirischen Untersuchungen zur Augenempfindlichkeit abgeleitet und werden zunächst als konstant in der Zeit angenommen, obwohl dies aus physiologischer Sicht nicht gerechtfertigt ist.

Ein Beispiel für die Variabilität der Funktionen ist die Farbumstimmung. Dabei adaptiert sich die menschliche Wahrnehmung an ein sich änderndes Beleuchtungsspektrum. Eine von der Sonne 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 kompensiert wird. Dies geschieht ähnlich wie der Weißlichtabgleich einer Videokamera und ist wahrscheinlich durch die Ermüdung der durch das Beleuchtungsspektrum stärker beanspruchten Farbzelltypen bedingt.

Unabhängig von diesem Sachverhalt wird der resultierende Sinnesreiz im Nervensystem in codierter Form zum Gehirn weitergeleitet und zu einem Farbreiz verarbeitet.

Nach den vorstehenden Ausführungen ist klar, daß eine eindeutige 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 eindeutige Rücktransformation nicht möglich. Für polychromatische Reizung gilt, daß zwei Objekte mit unterschiedlichen spektralen Reflexions-, Transmissions- oder Emissionseigenschaften &rgr;1(&lgr;) und &rgr;2(&lgr;) 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 Komponententripletts (P;D;T) erzeugen lassen, obwohl die spektralen Eigenschaften der Funktionen &PHgr;(&lgr;) sehr unterschiedlich sein können (metameres Licht). Im hier beschriebenen Zusammenhang wird &PHgr; als der von den Sehzellen der Netzhaut empfangene Strahlungsfluß interpretiert; dies ist zulässig, da nicht die lichttechnische Wechselwirkung des Objektes mit seiner Umgebung von Interesse ist, sondern die Farbe als Objektcharakteristikum untersucht werden soll. Man muß folglich eine klare Trennung zwischen dem Spektrum und der Farbeigenschaft 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 wiederzugeben, ohne das ursprüngliche Emissionsspektrum rekonstruieren zu müssen. Hierfür sind genau drei Grundfarben notwendig, welche im mathematischen Sinne im Farbraum linear unabhängig 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 analogen Reizkomponenten in Einheiten dieser Basisvektoren werden als "Primarvalenzen" bezeichnet.

Die in der 1 dargestellten Spektralwertfunktionen repräsentieren einen typischen Verlauf der Augenempfindlichkeit. Es gibt allerdings keinen Grund, an diesen speziellen Funktionen festzuhalten; vielmehr kann ihr Aussehen beinahe willkürlich 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 behandelt. Um international auf eine gemeinsame Basis zur Farbbeurteilung zu gelangen, ist ein normierter Farbraum, das sogenannte Normvalenzsystem, in einer Industrienorm festgelegt worden (DIN 5033). Die hierzu passenden Spektralwertfunktionen x(&lgr;), y(&lgr;) und z(&lgr;) des Normvalenzsystems sind in 3 wiedergegeben.

Die den Sinnesreizungen P, D und T äquivalenten Werte der normierten Farbmetrik in den nachfolgend angegebenen Gleichungen (5) bis (7) werden vollkommen analog zu den Gleichungen (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 werden. Der Koeffizient k in der nachfolgenden Gleichung (8) dient der Normierung auf den Helligkeitswert (=100%) eines weißen Referenzstandards, welcher mit der spektralen Strahldichtecharakteristik &PHgr;(&lgr;) beleuchtet wird.

Die genannte DIN-Norm ist zur vereinheitlichten mathematischen Beschreibung der Farben des sichtbaren Teils des Spektrums eingeführt worden. Der Festlegung liegen im wesentlichen drei Überlegungen zu Grunde:

  • 1. Die drei Basisvektoren, ähnlich denjenigen in der 2, liegen außerhalb des Farbtrichters, d.h. die Primarvalenzen sind selbst nicht sichtbar. Bei Übertragung auf ein Wiedergabesystem würde dies bedeuten, daß die Grundfarben, aus denen ein Bild aufgebaut ist, selbst nicht sichtbar sind. Dies erscheint für einen Nichtsachverständigen zunächst unsinnig, bedeutet aber, da es sich hier um eine rein mathematische Beschreibung handelt, keine Einschränkung der Gültigkeit farbmetrischer Grundsätze. Mit dieser Form der Transformation wird erreicht, daß der vollständige, wahrnehmbare Farbtrichter innerhalb einer dreiseitigen, von den "virtuellen" Primarvalenzen aufgespannten Farbpyramide liegt und somit durch ausschließlich positive Komponenten abgebildet werden kann.
  • 2. Die Spektralwertfunktionen gemäß der nachfolgenden Gleichung (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 energiegleichen Spektrums, aber auch alle Grautöne durch drei gleich große Farbkomponenten (Normvalenzen X, Y und Z) beschrieben werden.
  • 3. Die Spektralwertfunktion y(&lgr;) 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 zusammen. Aus diesem Grunde steht in der Gleichung (8) nur diese eine Spektralwertfunktion zur Bestimmung des Koeffizienten 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 werden. Wie bereits erwähnt wurde, ist für eine natürliche Darstellung 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 Intensitätsinformation zu trennen. Dies geschieht durch Normierung auf die Summe der Farbvalenzen gemäß der nachfolgend angegebenen 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 Färbung vorgenommen werden, unabhängig von der Intensität der Beleuchtung, wenn davon ausgegangen wird, daß die spektrale Zusammensetzung der Beleuchtung unverändert ist. Im Umkehrschluß 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 Schlagschatten.

Die bisherige Beschreibung der Farbtransformation in den Normfarbraum setzt voraus, daß die Funktion &PHgr;(&lgr;) für den sichtbaren Spektralbereich vollständig bekannt ist bzw. gemessen wird. Diese Voraussetzung wird exakt nur von Hyperspektralsensoren erfüllt. Alle Multispektralsensoren weisen spektrale Detektionslücken auf und können somit "nur" Näherungen für eine "korrekte" Farbmetrik liefern (Wiedergabe von natürlich wirkenden Bildern oder sensorunabhängige Farbauswertung). In diesen Fällen ist die Transformation in den Farbraum sensorspezifisch.

Bei der Farbzuordnungstransformation nach der Erfindung für abbildende Spektrometer oder Scanner wird die formale Integration durch eine Summation über die sensorspezifischen Detektionskanäle 1 – N gemäß der nachfolgend angegebenen Gleichung (11) durchgeführt, wobei im Algorithmus der bisher verwendete Strahlungsfluß &PHgr;(&lgr;) in der farbmetrischen Beschreibung von Multispektralaufnahmen durch die Strahldichte L(&lgr;) ersetzt ist.

Hierbei ist Li die vom Sensor gemessene spektrale Strahldichte, xi der mittlere Spektralwert im Kanal "i" mit der Bandbreite &Dgr;&lgr;i. Der Koeffizient k wird analog zur Gleichung (8) berechnet, wobei näherungsweise der hellste Bildpunkt der Gesamtszene zur Normierung herangezogen wird. Für die Normvalenzen 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:

mit.

Hierbei beschreibt Sx die sensorspezifische relative spektrale Bewertungsfunktion (Spektralwertfunktion) für die Primarvalenz "x"; "Sy" und "Sz" werden in analoger Weise berechnet.

Durch das vorstehend angegebene Verfahren nach der Erfindung ist sichergestellt, daß eine zur Gleichung (9) analoge spektrale Bewertung stattfindet, auch wenn die spektralen Eigenschaften des Sensors zu unterschiedlichen Beträgen der Normvalenzen "X", "Y" und "Z" bei der Abbildung des für alle Wellenlängen "energiegleichen" Spektrums führen würden. Es wird so eine allgemeine Farbraumtransformation gewonnen, welche in der Farbwiedergabe einen natürlicheren Farbeindruck ermöglichen wird, da in der Regel die Detektionslücken eines Sensors so gewählt sind, daß nur "redundante" Information nicht aufgezeichnet wird. Objekte mit ganz charakteristischen spektralen Eigenschaften in genau diesen Lücken werden jedoch farbmetrisch ebenso falsch wiedergegeben, wie deren spektrale Eigenschaften unvollständig beschrieben werden.

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

Grundsätzlich kommen als Primärvalenzen in einem Wiedergabesystem 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 Pyramide auf und definieren, welche Farben durch ein Wiedergabesystem mittels additiver Farbmischung darstellbar sind.

Ein beispielhaft in der 4 dargestelltes Emissionsspektrum der meisten Elektronenstrahl-Monitore wird durch drei unterschiedliche Phosphortypen erzeugt, welche über eine Lochmaske selektiv durch den Elektronenstrahl entsprechend der spezifischen Helligkeit zur Emission angeregt werden. In 4 ist ein typisches Emissionsspektrum eines Computer-Monitors wiedergegeben, 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 4 abgebildeten Spektren werden analog zum vorhergehend beschriebenen Verfahren durch Vektoren im X-Y-Z-Farbraum beschrieben. Dieses Vektortriplett dient zur Charakterisierung der Monitorgrundfarben bzw. stellt einen neuen Satz von Primarvalenzen (Basisvektoren) dar, welcher vollkommen analog zur X-Y-Z-Projektion, eine Beschreibung einer beliebigen Farbe in diesem neuen Monitor-Bezugssystem (RW, GW, BW) erlaubt.

Alle positiven Komponenten dieses Farbraumes sind als reale Bildschirmfarbe für den Betrachter darstellbar. Der Digitalwert jeder Komponente (RW, GW, BW) entspricht dem quantitativen Mischungsanteil der jeweiligen Grundfarbe zur Erzeugung des subjektiven Gesamtfarbreizes. Durch negative Komponenten können Farben außerhalb der aufgespannten Farbpyramide mathematisch beschrieben werden; einer reellen Darstellung entziehen sie sich jedoch.

Diese Transformation vom X-Y-Z-Farbraum in den Wiedergabefarbraum RW, GW, BW ist eindeutig und umkehrbar und wird durch eine nachstehend wiedergegebene Matrizenmultiplikation realisiert:

Die Matrixkoeffizienten tjk sind ein Charakteristikum für jeden Farbraum und beschreiben daher die genauen Farbwiedergabeeigenschaften eines Systems.

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 ergebenden Farborte der Grundfarben eines Computer-Monitors (Rechtecke) bzw. eines Farbdruckers (x-Zeichen).

Das in der 5 eingezeichnete kleine Dreieck symbolisiert im x-y-z-Raum den Farbwert des "energiegleichen" Spektrums, während das Kreuz (+) den sogenannten "Unbuntpunkt" des Computer-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 Transformationsmatrix 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 Darstellung derartiger Bilder entscheidende Vorteile für deren Visualisierung bzw. deren subjektive Interpretation.

Bei den herkömmlichen bekannten Verfahren in Bildverarbeitungssystemen wird in der Regel eine Zuordnung von einem Detektionskanal oder zwei zusammengefaßten Kanälen auf eine Grundfarbe des Wiedergabesystems vorgenommen. Durch diese Zuordnung 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 Farbzuordnungen erreicht. Ein Vergleich mit einem aus allen Aufnahmekanälen gemäß dem Transformationsverfahren nach der Erfindung errechneten Echtfarbenbild macht jedoch deutlich, wie weit das "Pseudo-Farbenbild" der herkömmlichen Herstellungsweise von der Realität abweicht. Das gemäß dem Verfahren nach der Erfindung errechnete Echtfarbenbild gibt alle Farb- und Helligkeitsvariationen in den natürlichen Eindrücken wieder.

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

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

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

Im Zusammenhang mit der nichtlinearen Helligkeitsänderung wird auf 6 Bezug genommen. In 6 ist die Änderung der Monitor-Emissionsstrahldichte (r.E.) als Funktion der Digitalwerte im Rot- (Kreuze), im Grün- (Rauten) und im Blaukanal (Kreise) dargestellt. Hierbei ist dem digitalen Grauwert 0 "Schwarz" zugeordnet und dem digitalen Grauwert 255 "Weiß". Wie 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 Digitalwertverteilung des Echtfarbenbildes eingerechnet, daß für die Visualisierung am Bildschirm wieder exakt die natürlichen Kontrastvariationen auftreten.

Da für eine Luftbildinterpretation die relativen Helligkeitsunterschiede von Bedeutung sind, ist es hinreichend, deren Verteilung am Bildschirm entsprechend der in der 6 eingezeichneten Ausgleichsgeraden vorzunehmen. Diese Vorgehensweise wird individuell für jeden der drei Farbkanäle des Monitors durchgeführt.

Die zweite monitorspezifische Darstellungsproblematik der sogenannten Farbumstimmung beruht auf folgendem Sachverhalt: Ein von einem Multispektralscanner aufgenommener Bildpunkt der Farbe "Weiß" wird im X-, Y- und Z-Farbraum durch das Digitalwerttriplett 100, 100, 100 (vergl. dazu die Gleichung (8)) dargestellt.

Am Monitor wird die Farbe "Weiß" im allgemeinen so eingestellt, daß mit der Einstellung des Wertes der drei Basisfarbkanäle Rot, Grün und Blau auf einen Digitalwert von jeweils 255 der Farbeindruck „Weiß" erzeugt wird. Die anschließende ßende 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 Betrachters zwischen den beiden Betrachtungssituationen geändert haben. Dieser Prozeß wird mit Farbumstimmung bezeichnet und ist ursächlich auf eine Veränderung des wahrnehmbaren Farbraumes zurückzuführen. Durch die Farbumstimmungsfähigkeit sind Betrachter auch unter geänderten Lichtverhältnissen in der Lage, einen "Weißabgleich" vorzunehmen, d.h. Farben relativ zu einem Standardweiß zu beurteilen. Für das Problem der Farbwiedergabe 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 angegebenen Gleichungen (15) und (16) als Verzerrung des Normfarbraumes aufgefaßt werden: XMonitor = u·XNormvalenz

YMonitor = v·YNormvalenz

ZMonitor = w·ZNormvalenz,(15)
wobei sich die Koeffizienten u, v und w folgendermaßen bestimmen lassen:

Die Koeffizienten v und w werden analog berechnet.

Die Farbumstimmung führt gewöhnlich in einem erheblichen Maße zu einer Rotverschiebung im Gesamteindruck des Bildes, während eine unter Anwendung des Transformationsverfahrens nach der Erfindung durchgeführte Korrektur einen deutlich natürlicheren 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 Abbildung der "Realität" vor.

Darüber hinaus ist im Gegensatz zu den üblichen analogen Verfahren (z.B. Fotografie, Videotechnik, usw.) durch die durch die Erfindung gegebene Kombination von multispektraler Bildanalyse und mathematischer Echtfarbenerzeugung ein objektives Farbinterpretationsverfahren entstanden. Probleme der üblichen Fototechnik, wie beispielsweise schwankende Entwicklungsparameter und alterungsbedingte Veränderungen des Filmmaterials, treten prinzipiell nicht auf.

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

In diesem Zusammenhang ist eine Möglichkeit zur Interpretation der helligkeitsnormierten x-, y-, z-Farbwerte als völlig neuartig anzusehen. Beispielsweise treten in der helligkeitsnormierten Farbdarstellung von Landoberflächen charakteristisch blau eingefärbte Bereiche auf, bei denen es sich nahezu ausschließlich um Bildbereiche handelt, in denen durch Objekte im Gelände ein Schlagschatten erzeugt wurde. Diese erscheinen in dieser Darstellungsart blau, da sie im Gegensatz zu den direkt beleuchteten Stellen vorwiegend durch Streulicht (bei Wolkenfreiheit durch das Blau des Himmels) beleuchtet werden und daher der Einfluß der Beleuchtung gegenüber 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 Darstellung ist ein hervorragendes Mittel zur automatisierbaren Erzeugung von Masken zur Isolation von Schattenpixeln in einer Szene. Derartige Masken bedeuten für die "überwachte Klassifikation" von Flugzeugscannerdaten über Land einen deutlichen Fortschritt, da beispielsweise in der Trainingsphase eine beleuchtungsabhängige Klassifikation in sonst homogenen Beständen vorgenommen werden kann (beispielsweise Nadelwald).

Durch die erfindungsgemäße Kopplung von Spektroskopie und Farbmetrik wird die Palette der möglichen Werkzeuge zur Nachbearbeitung 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 Vegetationsbeständen geeignet, da Pflanzen im nahen Infrarot (NIR) im Gegensatz zum visuellen Bereich (VIS)) einen sehr hohen Reflexionsgrad besitzen.

In dieser Anwendung hat sich über einen langen Zeitraum ein von der Firma KODAK auf den Markt gebrachter CIR-Film durchgesetzt. Dieses Filmmaterial zeichnet sich vor allem durch seine typisch rote bis violette Abbildung der vegetationsbedeckten 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 Zusammenhang 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 zurückgehenden Formalismus läßt sich eine Farbmetrik für den CIR-Farbraum aufbauen. Die Vektoren XCIR, YCIR und ZCIR lassen sich aus Spektralwertfunktionen gewinnen, welche den Empfindlichkeitskurven des CIR-Filmes entsprechend gewählt werden. 7 zeigt in diesem Zusammenhang die typische spektrale Empfindlichkeit eines CIR-Filmes. Der Spektralbereich unterhalb 540 nm ist aus photochemischen Gründen ausgeblendet. Die Farben "Blau" B, "Grün" G und "Rot" R repräsentieren die spätere 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 unter Berücksichtigung der geänderten Spektralbereiche unverändert übertragen. Im Unterschied zur Echtfarbenerzeugung kann im CIR-Farbraum die Normierung nicht nach dem Y-Kanal erfolgen wie in der Gleichung (8), da die Gleichung (9) für den CIR-Raum nicht erfüllt ist. Auf der Basis der in 7 dargestellten Spektren ergibt sich ein Verhältnis von 1,0 : 2,9 : 1,8 für die Integralwerte der Spektralwertfunktionen.

Ein mit der Echtfarbenerzeugung vergleichbarer Verfahrensschritt müßte dieses Ungleichgewicht der Filmempfindlichkeit berücksichtigen. Im CIR-Entwicklungsprozeß werden jedoch den einzelnen Filmschichten (mit den spektralen Empfindlichkeiten aus 7) spezifische Farbpigmente zugewiesen. Ein resultierendes Transmissionsspektrum in 8 gibt die Strahldichtespektren wieder, welche der Bestimmung der CIR-Filmbasisvektoren zu Grunde gelegt werden und welche als Produkt der Transmission r(&lgr;) des Diapositivs und der Strahldichte eines gemessenen Sonnenspektrums berechnet wurden. Diese sind darüber hinaus durch die in 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 9). KODAK hat für den CIR-Film die Filmempfindlichkeiten aus 7 so gewählt, daß nach dem Filmentwicklungsprozeß das Verhältnis der drei Wiedergabefarben für abgebildete Vegetation ausgewogen ist und somit eine hohe Farbvarianz erreicht wird. Gleiche Schwärzungskurven für die drei Filmschichten würden für grüne Vegetation praktisch immer zu einer 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 Multispektralaufnahmen die Valenzen XCIR, YCIR und ZCIR auf identische Beträge normiert werden können, wie sie sich im Normfarbraum automatisch ergeben, wenn die Detektion eines energiegleichen Spektrums zu Grunde gelegt wird.

Da in der CIR-„Farbmetrik" die Detektorcharakteristiken ebenso berücksichtigt werden müssen wie im Normfarbraum, lassen sich die zuvor begründete Normierung und die Sensorsystemkorrektur auch im CIR-Raum mit den identischen Gleichungen (12) und (13) durchführen.

Zur Bestimmung des Faktors "k" (siehe Gleichung (8) ; Helligkeitsanpassung der Szenen) wird im Unterschied zur Echtfarbenerzeugung aus allen drei Farbkanälen (XCIR, YCIR und ZCIR) nach erfolgter Normierung das hellste Pixel (größter digitaler Wert) ermittelt, da keinem der Kanäle eine irgendwie geartete Helligkeitskurve zugeordnet werden kann.

Zur Visualisierung werden die Komponenten XCIR, YCIR und ZCIR 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 (8), wobei in diesem Fall der Farbermittlung ein Sonnenspektrum als Beleuchtung zu Grunde gelegt wurde. Darüber hinaus wird der typische, nichtlineare Verlauf der Schwärzungskurven während der Belichtung des Filmmaterials in der Transformation berücksichtigt (9). Dies ist notwendig, da durch unterschiedliche Steigungen 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 analogen X-, Y-, Z-Normvalenzen aus den Daten der abbildenden Spektrometer nach der Gleichung (14) mit denselben Koeffizienten in das bereits bekannte Bildschirmsystem transformiert.

Für die CIR-Darstellung gelten bei Anwendung des Transformationsverfahrens nach der Erfindung prinzipiell die gleichen Vorteile, wie sie bereits für die Echtfarbendarstellung festgestellt wurden:

  • • Ein Betrachter befindet sich bezüglich der Visualisierung in einer ihm vertrauten "farbigen Umgebung".
  • • Er muß keine wie auch immer geartete Anpassungen der einzelnen 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 Datenmaterial ein Echtfarbenbild und das dazu passende CIR-Bild zu generieren. Bisher waren hierfür entweder zwei Kameras oder zwei Überflüge notwendig, wobei die entsprechenden Aufnahmeparameter aber niemals identisch sein können (Bildausschnitt, Beobachtungsrichtung, Sonnenstände usw.).
  • • Die Transformation des erweiterten Spektralbereiches in das feste Farbbezugssystem XCIR, YCIR und ZCIR ist ebenso zur Interpretation oder Klassifikation in einem Bildverarbeitungssystem geeignet, wie diese für die sichtbaren Farben möglich ist.
  • • In der Erzeugung von CIR-Bildern werden die Hilfsmittel der multispektralen Bildkorrektur verfügbar (beispielsweise Atmosphärenkorrektur).

Mit der Ausdehnung des darstellbaren Wellenlängenbereichs bis ca. 900 nm ist bereits ein künstlicher Farbraum erzeugt worden. 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 gelegt wird.

Mit der Technik des beschriebenen Transformationsverfahren nach der Erfindung lassen sich ganz allgemein beliebige "Farb"-Metriken konstruieren, welche in vollkommen frei wählbare Wellenlängenbereiche ausgedehnt oder verschoben werden können. Objektspezifische Besonderheiten in diesen Spektralbereichen werden der vollständigen Methodik farbmetrischer Interpretation auf diese Weise in vorteilhafter Weise zugänglich gemacht.

Die sich daraus ergebenden Möglichkeiten sollen an einem Beispiel erläutert werden.

10 zeigt eine Abwandlung der in 8 dargestellten CIR-Spektralwertfunktion, die so gewählt wurde, daß der gesamte Spektralbereich des Infrarotplateaus, also der Reflexion natürlicher Vegetation, in den roten Wiedergabekanal des Bildschirmes 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 Variationen im Bewuchs insbesondere innerhalb von Bewässerungszonen zum Vorschein. Grau-rote Flächen machen dann deutlich, an welchen Orten in einem Bewässerungssystem die Vegetation bis zum Aufnahmezeitpunkt keine geschlossene Bodenbedeckung hervorbringen konnte.

Da der sensitive Spektralbereich für bestimmte abbildende Sensoren durchaus bis in den Bereich des Thermischen Infrarots (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 Körperemission) sollte soweit wie möglich in einer farbmetrischen Auswertung vom kurzwelligen Teil des Spektrums (passiv; Reflexion) entkoppelt werden.

Mit der gleichen Methode lassen sich ebenso Objekteigenschaften 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 Sauerstoffabsorptionsbande (745 – 770 nm) genannt werden.


Anspruch[de]
  1. Verfahren zur farbmetrischen Auswertung von durch einen Multispektralsensor gemessenen Multispektral- und Hyperspektraldaten und zur synthetischen Farbdarstellung dieser Daten in einem durch einen Monitor gebildeten Wiedergabesystem unter Verwendung einer spektrale Informationen in einen Farbraum abbildenden Farbzuordnungstransformation, bei der im Rahmen einer Bildverarbeitung 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 Li die vom Sensor gemessene spektrale Strahldichte ist, xi bzw. yi bzw. zi der mittlere Spektralwert im Kanal i mit der Bandbreite &Dgr;&lgr;i ist, k ein Koeffizient
    ist, welcher der Normierung auf den Helligkeitswert (= 100%) eines weißen, mit der spektralen Strahldichte L(&lgr;) beleuchteten Referenzstandards dient, wobei die Spektralwertfunktionen x, y und z entsprechend
    gewählt ist und die Spektralwertfunktion y(&lgr;) zumindest angenähert das spektrale Helligkeitsempfinden eines menschlichen Auges beschreibt, dadurch gekennzeichnet, daß die farbmetrisch auszuwertenden Multispektral- und Hyperspektraldaten in einem für eine Fernerkundung vorgesehenen Multispektralsensor gemessen werden, daß zumindest näherungsweise der hellste Bildpunkt der Gesamtszene zur Normierung herangezogen wird, daß eine Transformation vom X-Y-Z-Farbraum in den drei reale Grundfarben in Form von orthogonalen Farbeinheitsvektoren enthaltenden Wiedergabesystem-Farbraum durchgeführt wird, daß Detektionslücken beim Multispektralsensor durch folgenden Ansatz korrigiert werden:
    mit
    wobei Sx, Sy und Sz die sensorspezifischen, relativen spektralen Bewertungsfunktionen für die Primarvalenz x bzw. y bzw. z beschreiben, und daß die Farbumstimmung der Bildszene 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 XMonitor = u·XNormvalenz

    YMonitor = v·YNormvalenz

    ZMonitor = w·ZNormvalenz
    als Verzerrung des Normfarbraumes auffassen läßt, wobei sich die Koeffizienten u, v und w folgendermaßen bestimmen lassen:
  2. Verfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet 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 Falschfarbenfotographie verwendeten Verfahren über Pigment-Austauschprozesse während des Entwicklungsprozesses in einen mit dem Auge wahrnehmbaren Spektralbereich transformiert wird, daß mit einem zur Echtfarbenerzeugung beim sichtbaren Licht analogen Formalismus eine Farbmetrik für den nahen Infrarotbereich aufgebaut wird, wobei Vektoren XCIR, YCIR und ZCIR aus Spektralwertfunktionen 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 XCIR, YCIR und ZCIR nach erfolgter Normierung das hellste Pixel, d.h. der größte digitale Wert, ermittelt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Visualisierung die Komponenten XCIR, YCIR und ZCIR analog zum Filmentwicklungsprozeß drei zu bestimmenden Echt-Farbvektoren des CIR-Bildes zugeordnet werden, wozu mittels spektroskopischer Vermessungen des entwickelten CIR-Filmmaterials die drei Wiedergabekomponenten RW, GW, BW im X-, Y- und Z-Normfarbraum ermittelt werden, wobei der Farbermittlung ein festgelegtes Spektrum, beispielsweise das Sonnenspektrum, als Beleuchtung zu Grunde gelegt und darüber hinaus der typische, nichtlineare Verlauf der Schwärzungskurven während der Belichtung des Filmmaterials in der Transformation berücksichtigt wird, und daß in einem letzten Prozessierungsschritt die dem CIR-Film analogen X-, Y- und Z-Normvalenzen aus den Daten des abbildenden Multispektralsensors entsprechend der nachstehend wiedergegebenen Matrizenmultiplikation
    in den RW,GW,BW-Farbraum des Monitor-Wiedergabesystems transformiert werden, wobei die Matrixkoeffizienten tjk ein Charakteristikum für jeden Farbraum sind und daher die genauen Farbwiedergabeeigenschaften eines Systems beschreiben.
  4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Transformation des Spektralbereiches in das Farbbezugssystem X, Y und Z bzw. XCIR, YCIR und ZCIR zur Interpretation oder Klassifikation von Objekten in einem Bildverarbeitungssystem herangezogen wird, so daß ein direkter Vergleich der Objekte aufgrund ihrer Färbung vorgenommen werden kann, unabhängig von der Intensität der Beleuchtung, wenn davon ausgegangen wird, daß die spektrale Zusammensetzung der Beleuchtung unverändert ist.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß aus veränderten x-, y- und z-Werten bei gleichen Objektparametern auf unterschiedliche spektrale Zusammensetzungen der Beleuchtung zurückgeschlossen wird, indem die helligkeitsnormierten x-, y-, z-Farbwerte interpretiert werden.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei der helligkeitsnormierten Farbdarstellung von von oben abgetasteten Landoberflächen aus blauen Bereichen, bei denen es sich nahezu ausschließlich um Bildbereiche handelt, in denen durch Objekte im Gelände ein Schlagschatten erzeugt wird, automatisiert Masken zur Isolation von Schattenpixeln in einer Szene erzeugt werden, und daß mittels derartiger Masken eine beleuchtungsabhängige Klassifikation vorgenommen wird.
Es folgen 5 Blatt Zeichnungen






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