Farbsensoren helfen bei besserer Erkennbarkeit von Displays

Elektronische Displays sind in der Lage, Millionen von Farben darzustellen. Elektronikgerätehersteller haben inzwischen erkannt, wie sich die Umgebungslichtfarbe auf die wahrgenommenen Farben am Display auswirkt und wie sie diese Farben, basierend auf wechselnder Szenenbeleuchtung dynamisch verändern können.

Die Wirkung von Änderungen der Lichtquelle

Der spektrale Gehalt der Lichtquelle „Umgebungslicht“ beeinflusst die Wahrnehmung der Farbe eines betrachteten Objekts durch das menschliche Auge. Objekte, die morgens und mittags bei Tageslicht betrachtet werden, zeigen eine Betonung der Blautöne. Das liegt daran, dass Tageslicht aus einer bestimmten Kombination aus Sonnenlicht und diffuser Himmelsstrahlung besteht. Werden die gleichen Objekte unter künstlicher Beleuchtung im Licht einer Glühbirne betrachtet, so tendieren sie zu einem goldgelben Erscheinungsbild. Das menschliche Auge nimmt diesen Effekt gut wahr, wenn eine Person ein auf Papier gedrucktes Bild unter verschiedenen Lichtverhältnissen betrachtet: Die Farben ändern sich mit der Veränderung der Lichtquelle.

Jedoch funktionieren Displays nicht auf diese Weise. Displaycontroller wussten bisher nicht, welche spektralen Eigenschaften das Umgebungslicht hat, in dem ein Anwender gerade das Display betrachtet. Erst die Integration von Umgebungslichtsensoren in Smartphones und Laptops machte dies möglich. Aus diesem Grund hatten solche Displays eine voreingestellte Weißpunkt-Farbtemperatur von 6500 K für Flüssigkristallanzeigen (LCD) und in jüngster Zeit für organische Leuchtdioden (OLED). 6500 K stuft das der Internationalen Beleuchtungskommission CIE als Normbeleuchtung D65 ein, was dem CCT-Wert vom hellem Mittagslicht entspricht und eine spektrale Leistungsverteilung mit einem starken Blauanteil aufweist.

Dies bedeutet, dass die gleichen Bilder auf dem Bildschirm eines Displays und auf einer gedruckten Seite unter den gleichen Umgebungsbedingungen bei Sonneneinstrahlung am Mittags sehr ähnlich aussehen. Sowohl das Display als auch die gedruckten Bilder zeigen eine Betonung der Blautöne.

Bei wärmeren Lichtverhältnissen erscheinen die gedruckten Bilder jedoch eher gelb-orange, da die Lichtquelle einen größeren Anteil an rot/gelben Teilen des Spektrums und einen schwächeren Blauanteil aufweist.

Bild 1: Erläuterung der CIE-Normfarbtafel Jeff Yurek @ dot-color.com / AMS

Ohne ausreichende Umgebungslichtinformation zum Anpassen des Weißpunkts eines Displays haben Elektronikhersteller einfach eine einzige feste Vorgabe für den D65-Weißpunkt für ihre Displays angeboten. Deshalb sind auf dem Bildschirm dargestellte Bilder mit derselben starken Blaubetonung wie zuvor dargestellt.

Display vs. Print

Inhalte auf bedrucktem Papier kann der Mensch viele Stunden mit minimaler Belastung des Auges lesen. Das Betrachten desselben Inhalts auf digitalen Medien mit einem festen D65-Weißpunkt, die eine beträchtliche Menge an blauem Licht austrahlen, hat nachteilige Auswirkungen, sowohl in Bezug auf die Augenbelastung als auch die Beeinträchtigung des Schlafs.

Smartphone-OEMs, die sich in einem Markt differenzieren wollen, können nun eine neue Funktion anbieten, die sich Paper-like-Darstellung auf einem Displays nennt. Sie entsteht dadurch, das solche Systeme den Weißpunkt des Displays auf eine wärmere Farbtemperatur verschieben. Diese papierähnliche Farbdarstellung ist möglich, da mittlerweile hochpräzise XYZ-Farbsensoren verfügbar sind, die eine optimale Farbtemperaturmessung in der jeweiligen Lichtumgebung ermöglichen. Zudem sich bei ihnen der Weißpunkt eines Displays von einem kühl-blauen D65 auf einen wärmeren Weißpunkt einstellen lässt.

XYZ-Farbwissenschaft für papierähnliche Darstellung

Mit heutigen optischen Filtertechniken ist es nun möglich, Farbfilter einzusetzen, die die Genauigkeit des menschlichen Auges zu einem Kostenpunkt erreichen, der für Anwendungen in der Unterhaltungselektronik geeignet ist. Elektronikhersteller können jetzt XYZ-Farbfilter einsetzen, die eine papierähnliche Display-Technik in hohen Stückzahlen ermöglichen. Diese optischen Filter sind direkt auf den Chip der optischen Sensorprodukte angebracht. Im Gegensatz zu herkömmlichen RGB-Farbsensoren mit einer Genauigkeit von ±10 % bieten CIE XYZ-Farbfilter einen Genauigkeitsvorteil von ±1 % – 5 %.

Ein Farbdisplay mit neutralem oder kaltem Weißpunkt, das in einer Umgebung mit warmem Licht betrachtet wird, erscheint bläulicher als in einer Umgebung mit kaltem Umgebungslicht. Durch Anpassen des Weißpunkts des Displays an die Umgebungsbeleuchtung wird dieser Effekt minimiert, wenn nicht gar eliminiert.

Lux ist ein Maß für die Menge des sichtbaren Lichts, das einen Punkt auf einer Oberfläche aus allen „Richtungen“ über der Oberfläche beleuchtet, und ist die Maßeinheit für die Helligkeit.

Die XYZ Tristimulus-Reaktion des menschlichen Auges (wie in Abbildung 5 dargestellt) wurde definiert und ist als CIE1931 „2° Normalbeobachter“ bekannt. Sie stellt eine Verknüpfung zwischen den Wellenlängen des sichtbaren Spektrums und den physiologisch wahrgenommenen Farben für das Farbsehen her.

Farbe kann in Helligkeit (oder Leuchtdichte, gemessen in Lux) und Farbart (gemessen in xy-Farbwerten) unterteilt werden. Die Normfarbtafel in Abbildung 2 gibt an, wie das menschliche Auge Licht mit einem bestimmten Spektrum wahrnimmt. Es werden keine Farben von Objekten angegeben, da der Farbwert, der beim Betrachten eines Objekts beobachtet wird, von der umgebenden Beleuchtung abhängig ist.

Menschliches Sehsystem

Das menschliche Sehsystem ist sehr komplex und eng mit der Informationsverarbeitung in unserem Gehirn gekoppelt. Das menschliche Gehirn kann die Farbe eines Objekts auch bei Änderungen der Lichtverhältnisse erkennen. Die Art, wie Menschen Farben sehen, ist nicht festgelegt. Es handelt sich vielmehr um eine relative Wahrnehmung. Wenn die Lichtquelle wechselt, ändert der Mensch seine „Wahrnehmung“ der betrachteten Farben, da eine dynamische Beziehung zwischen der Oberfläche eines Objekts, der Art der Lichtquelle und unseren Augen besteht.

Bild 2: Die XYZ-Spektralleistungsverteilung des TCS3430. Commons License, Wikipedia, User Acdx, CC BY-SA 4.0

Ein XYZ-Farbsensor mit seiner spektralen Leistungsverteilung (SPD) ist in Abbildung 7 dargestellt. Die XYZ-Spektralempfindlichkeit basiert auf dem menschlichen Auge und liefert somit genauere Informationen darüber, wie Menschen eine Farbe wahrnehmen. Obwohl es Methoden gibt, RGB-Werte in XYZ umzuwandeln, bilden die RGB-Primärfarben keine exakte Farbadaptionsfunktion, sodass die resultierenden Werte aus der Konvertierung nicht mit der Wahrnehmung von Farbe durch das menschliche Auge übereinstimmen. Durch enge Abstimmung mit der Farbreaktion des menschlichen Auges können die Daten eines XYZ-Sensors Farbunterschiede ähnlich wie bei der menschlichen Wahrnehmung erkennen. Die Verwendung eines hochpräzisen XYZ-Farbsensors, der eine Messgröße für die CIE XYZ-Tristimuluswerte des einfallenden Lichts ausgibt, liefert die besten Ergebnisse bei der Messung der Umgebungslichtverhältnisse.

Bild 3: Die Normfarbtafel des CIE1931-Farbraums – zur Veranschaulichung des Planckschen Kurvenzugs. Creative Commons License, Wikipedia, User Paulschou, CC BY-SA 3.0

Die durchgezogene Kurve in der Mitte der Abbildung (WELCHE ABBILDUNG) wird als Planckscher Kurvenzug bezeichnet. Jeder Punkt auf dem Kurvenzug entspricht den Schwarzkörper-Farbtemperaturen, die den CCT-Werten entsprechen. Die Anpassung des Weißpunktes des Displays an die Umgebungstemperatur setzt voraus, dass das Display die Farbtemperatur des Umgebungslichts tatsächlich kennt. Da sowohl Leuchtstofflampen als auch LED-Lichtquellen nicht immer senkrecht auf diesen Planckschen Kurvenzug strahlen, ist es besser, den Weißpunkt auf die tatsächlichen Farbkoordinatenwerte der Umgebungsbeleuchtung zu bringen, als die entsprechende Farbtemperatur auf dem Planckschen Kurvenzug zu verwenden.

Papierähnliche Betrachtungsdarstellung

Abbildung 9 veranschaulicht, wie diese adaptive Display-Technik funktioniert. In den unten abgebildeten Lichtkästen sind zwei Smartphones in zwei identische Bilder eingepasst. Die papierähnliche Display-Technik wird durch den Wechsel der Lichtquelle demonstriert. Dadurch verändert sich auch unsere Wahrnehmung der reflektierten Farben.

In der Abbildung fehlt dem Display auf der rechten Seite ein XYZ-Farbsensor, sodass kontinuierlich D65-Licht ausgestrahlt wird. Das linke Display besitzt den Farbsensor TCS3430, der jegliche Änderungen der Umgebungslichtverhältnisse genau erfasst, und einen Display-Algorithmus (siehe Abbildung 10), um eine druckähnliche Lesbarkeit des Displays zu ermöglichen.

Bild 9: Papierähnliche Veranschaulichung, die zeigt, wie ausgeprägt blaues Licht in wärmeren Lichtumgebungen erscheint. ams

Das Display hat einen 8-Bit-RGB-Multiplikatorwert, sodass die Werte auf der y-Achse zwischen 0 und 256 liegen, während die Werte auf der x-Achse die gemessenen Farbtemperaturwerte des XYZ-Farbsensors angeben. Aus Abbildung 10 geht hervor, dass für eine gemessene Farbtemperatur von 6500 K die empfohlenen RGB-Primärfarbwerte bei 256 für Rot, 256 für Grün und 256 für Blau liegen, was das Display auf einen D65-Weißpunkt bringt. Erfasst das Display dagegen beispielsweise eine niedrigere Farbtemperatur von einer 2700K-Glühlampe, sollten die Werte 256 Rot, 195 Grün und 130 Blau angezeigt werden.

Wenn die 6500K-Glühbirne leuchtet, misst das linke Display das Umgebungslicht, wendet die von den Algorithmen empfohlenen RGB-Werte von 256, 256, 256 an, um das Display auf den exakt gleichen Weißpunkt des rechten Displays zu steuern. Das Ergebnis ist, dass beide Displays gleich aussehen. Die gedruckte Hintergrundfarbe geht bei beiden Displays nahtlos in die Display-Darstellung über.

Wenn die 6500K-Glühlampe ausgeschaltet und eine wärmere 3000K-Leuchtstofflampe eingeschaltet wird, wird die Umgebungsbeleuchtung wärmer. Das linke Display stellt sich automatisch auf einen wärmeren Weißpunkt ein, der dem neuen 3000K-Umgebungslicht entspricht. Die gedruckten Bilder erscheinen aufgrund der Verringerung der blauen Lichtkomponente stärker gelb-orange. Die wahrgenommenen Farben im gedruckten Bild sind leicht verändert. Das Display ohne Farbsensor arbeitet kontinuierlich mit dem gleichen blaustichigen D65-Weißpunkt und sticht in der wärmeren 3000-K-Umgebung deutlich heraus. In diesem Fall ist klar, wie viel blauer das rechte Display aussieht, während das linke Display automatisch seinen Weißpunkt auf die 3000-K-Lichtumgebung anpasst, um eine druckähnliche Lesbarkeit des Displays zu gewährleisten.

Das Ausschalten der 3000K-Glühbirne und das Einschalten einer noch wärmeren 2700K-Glühbirne führt dazu, dass das Umgebungslicht aufgrund des geringeren Blaulichtanteils noch wärmer wird und mehr zu gelb-orange tendiert. Außerdem erfahren das linke Display und die wahrgenommenen Farben des gedruckten Bilds eine weitere Veränderung. Das linke Display passt seinen Weißpunkt automatisch an einen Weißpunkt an, der für die Umgebungslichtumgebung von 2700 K geeignet ist, wogegen das rechte D65-Weißpunkt-Display den gleichen hohen Blaulichtanteil ausstrahlt.

Zusammenfassung

Bislang haben Smartphone-, Computer- und TV-Hersteller feste Weißpunkte für ihre Displays angeboten und dies durch einen manuell eingestellten oder an die Tageszeit angepassten, voreingestellten Weißpunkt kompensiert – mit begrenzter Wirksamkeit, da unterschiedliche Lichtverhältnisse nicht berücksichtigt werden konnten. Durch die Weiterentwicklung der optischen Filtertechniken, welche die Genauigkeit des menschlichen Auges zu einem Preis abbilden, der für den Massenkonsummarkt der Unterhaltungselektronik geeignet ist, steht nun ein geeignetes Mittel zur automatischen Messung der Umgebungslichtverhältnisse zur Verfügung.

(prm)