Farbräume und Farbmodelle

3. März 2017 | Von | Kategorie: Farbe, Farbe sehen, Farbmodus

Abb. 1: Goethes Farbenkreis zur Symbolisierung des menschlichen Geistes- und Seelenlebens (1809) [1]

1. FARBMODELLE

Was ist Farbe? Licht, Farbe und deren Wahrnehmung durch den Menschen stellte Gelehrte und Künstler Jahrhunderte lang vor Rätsel und spaltete die Meinungen aufs Heftigste.
Für den Physiker ist Farbe, oder anders bezeichnet farbiges Licht, einfach eine elektromagnetische Strahlung einer bestimmten Wellenlänge. Für Philosophen und Künstler jedoch ist es eine mystische oder gar göttliche Wirkung:
„Wenn sich Elektrizität und Galvanität in ihrer Allgemeinheit von dem Besondern der magnetischen Erscheinungen abtrennt und erhebt, so kann man sagen, dass die Farbe, obgleich unter eben den Gesetzen stehend, sich doch viel höher erhebe und, indem sie für den edlen Sinn des Auges wirksam ist, auch ihre Natur zu ihrem Vorteile dartue.“ (Goethe, 1810: Entwurf einer Farbenlehre)

Isaak Newtons wissenschaftliches Werk über Farben und Optik (1704: On Color und 1730: Opticks …), die die Farbentstehung korrekterweise  auf ein Farbspektrum von gebrochenem Licht zurückführt, veranlasste einhundert Jahre später den deutschen Dichterfürsten Johann Wolfgang von Goethe in seiner „Farbenlehre“  ein langes „polemisches“ Kapitel  („Enthüllung der Theorie Newtons“) allein der Gegenrede zu Newtons Entdeckungen zu widmen.
Eins der wichtigsten Elemente in der von Goethe geschaffenen Farbtheorie ist sein Farbkreis bestehend aus den Grundfarben Gelb, Blau, Rot und den Mischfarben Grün, Rotgelb (Orange) und Violett. Er versuchte zu zeigen, dass das weiße Licht nicht zusammengesetzt ist und dass sich Farben aus einer Wechselwirkung von Licht und Finsternis ergeben. Goethe betrachtete das farbige Licht aus einer ganzheitlich naturwissenschaftlichen Sicht. Er ordnete den Farben Eigenschaften und „sinnliche und sittliche Wirkung“ zu. Aus heutiger Sicht berührte Goethe mit seinem Werk somit bereits Aspekte der Farbpsychologie.
Wie Goethe versuchten viele Wissenschaftler, Künstler und Philosophen vor und nach ihm eine gewisse Ordnung und Berechenbarkeit in das Phänomen der Farbe zu bringen. Im Laufe der Jahrhunderte wurden so Dutzende von, teilweise recht skurrilen, Farbmodellen entwickelt, die alle ihre Vor- und Nachteile haben.
Mit dem Aufkommen von Reproduktionsverfahren wie Druck und Fotografie mussten für die eindeutige technische Darstellung von Farben optimierte Systeme geschaffen werden. Diese Systeme, Farbmodelle und Farbräume genannt, wurden für spezifische Anwendungen entwickelt. Ein Farbraum (oder auch Farbkörper oder Gamut) einer farbgebenden Methode umfasst alle Farben, die innerhalb eines Farbmodells darstellbar sind.  Beispielsweise unterscheidet sich der Farbraum für Drucker wesentlich von dem der chemischen Fotografie oder der Farbfernsehtechnik. In einem Farbmodell kann jeder Farbe ein eindeutiger Zahlenwert, der Farbort, zugeordnet werden.

Abb. 2: CIE-Farbmodell mit Black Body-Linie [2]

DAS CIE- XYZ-FARBMODELL

Für die Darstellung eines Farbraumes können dreidimensionale Körper wie Würfel, Kegel oder Kugeln verwendet werden. Die wohl  übersichtlichste Darstellungsweise bietet jedoch die CIE-Normfarbtafel (oder auch CIE-Normvalenzsystem). Diese Darstellungsweise wurde 1931 von der CIE (Commission internationale de l’éclairage: Internationale Beleuchtungskommission) erstmalig definiert um den Zusammenhang zwischen der menschlichen Farbwahrnehmung und dem auslösenden physikalischen Reiz (Farbvalenz) zu schaffen. Das System umfasst alle für den Menschen sichtbaren Farben. Erstellt wurde das System auf der Basis von in experimentellen Massenuntersuchungen gewonnenen Messwerten. Gemittelt auf einen Normalbetrachter ergibt sich ein hufeisenförmiges Farbfeld innerhalb eines Koordinatensystem. Alle Farben werden durch die Spektralfarblinie umfasst und durch die Purpurlinie abgeschlossen.
Auf die Achsen des Koordinatensystems aufgetragen sind die Anteile der Grundfarben X (Rot) und Y (Grün). Der Z-Anteil (Blau) ist für jeden Punkt im Farbfeld über die Grundbedingung Z=1-X-Y rechnerisch zu ermitteln. Die Sättigung einer Farbe wird in diesem Model nicht berücksichtigt.
Der Punkt, an dem alle Anteile der drei Grundfarben 0,333… betragen, wird als Theoretischer Weißpunkt oder Equivalenzpunkt (E) bezeichnet. Abhängig von der Beleuchtung kann sich der Weißpunkt entlang der Black Body-Kurve verschieben. Diese Kurve stellt die Farben als die Temperatur eines idealen Strahlers dar. Die Farben auf dieser Linie werden in Kelvin angegeben. Auf oder nahe dieser Linie liegen auch die Standardlichtarten. Das Tageslicht (Daylight) des Nordhimmels zur Mittagszeit hat 6504K (Koordinaten x=0.31271, y=0.32902) und ist auf der Black Body-Linie als D65 gekennzeichnet. Dieses Normlicht ist der Weißpunkt für  die Farbräume sRGB, Adobe RGB und PAL/SECAM-TV.
Weitere Normlichter sind hier der Punkt C für den NTSC-Weißpunkt und Punkt A für die Farbtemperatur der Normglühlampe mit Wolframleuchtfaden.

Das CIE-Farbmodell ist nicht das einzige moderne Farbmodell. Durch seine Zweidimensionalität lassen sich aber alle der in der CE verwendeten technischen Farbräume sehr leicht darstellen und miteinander vergleichen.
2. FARBRÄUME DER ADDITIVEN FARBMISCHUNG
2.1. RGB-FARBRÄUME

Abb. 3: RGB-Primärstrahler und Additive Farbmischung

Der RGB-Farbraum kommt der Physiologie des menschlichen Sehens am nächsten. Neben den Stäbchen, die nur Helligkeitsunterschiede, also quasi ein Schwarz-Weißbild unserer Umwelt, aufnehmen, verfügt der menschliche Gesichtssinn über drei Arten von Rezeptoren (“ Zapfen“), die die drei Grundfarben Rot (L-Typ,  long wavelength receptor)), Grün (M-Typ, medium wavelength receptor) und Blau (S-Typ, short wavelength receptor) wahrnehmen.

Alle RGB-Farbräume beruhen auf der sog. Dreifarbentheorie mit einer additiven Farbmischung. Additive Farbmischung setzt selbstleuchtende Strahler mit den exakt definierten Primärfarben Rot, Grün und Blau voraus. Aus den drei Primär- oder Grundfarben lassen sich alle wahrnehmbaren Farben ermischen. Typische RGB-Systeme sind unsere elektronischen Bildwiedergabegeräte wie CRT- (Kathodenstrahlröhren-), LCD oder Plasma-Displays. Diese verwenden die additive Farbmischung auf der Basis von elektronisch gesteuerten Strahlern. Bei Kathodenstrahlröhren und Plasmadisplays entsteht das einfarbige Licht durch Erregung eines Leuchtstoffes (Phosphor) mittels Elektronen bzw. UV-Strahlung. Bei LCD-Displays entsteht das farbige Licht durch Filterung des weißen Lichts der Hintergrundbeleuchtung. Die Valenzen der Strahler ergeben sich aus den Emissionsspektren der Leuchtstoffe. Der Farbumfang, der von einem RGB-System dargestellt werden kann, ist abhängig von den Valenzen der drei Farben. Diese  definieren ein Dreieck, das die vom System darstellbaren Farben umfasst. Welche Valenzen eingesetzt werden, hängt vom Verwendungszweck des RGB-Systems ab. Bei der TV-Bildübertragungskette sind die Valenzen von den verwendeten Leuchtstoffen der Displays abhängig.Abb. 4: Original und die RGB-Separation eines Farbbildes

Abb. 5: Einige RGB-Farbräume [2] Die Farbsättigung des Farbfeldes wurde in dieser Darstellung reduziert um die Umrisse der Farbräume hervorzuheben.

Abb. 5 zeigt die wichtigsten in der Praxis verwendeten RGB-Farbräume.
Der XYZ-Farbraum umfasst alle vom Menschen wahrnehmbaren Farben. Er ist deckungsgleich mit den Umrissen des CIE-Farbmodells.

Der CIE-RGB-Farbraum verwendet als Valenzen gut darstellbare Spektrallinien:
– rot: 700 nm (tiefrote Hg-Linie)
– grün: 546,1 nm (grüne Hg-Linie)
– blau: 435,8 nm (blaue Hg-Linie)
Der CIE-RGB-Farbraum bietet eine recht gute Farbwiedergabe, hat aber deutlich Schwächen bei den Grün- und Türkistönen.

Der NTSC-Farbraum von 1953 ist den zu der Zeit verfügbaren Leuchtstoffe für Bildröhren angepasst worden:
– rot: Europium-dotiertes Yttrium-Vanadat (Eu+ YVO4)
– grün: silberdotiertes Zink-Cadmiumsulfid (Ag+ ZnS/CdS)
– blau: Zinksulfid (ZnS)
Es zeigte sich doch, dass die für die Massenproduktion von Bildröhren verwendbaren Leuchtstoffe bei weitem nicht den vollen spezifizierten Farbumfang darstellen konnte. Daher ist der NTSC-Farbraum später an den in der Praxis erreichbaren Farbumfang angepasst worden.

Der PAL/SECAM-Farbraum orientiert sich ebenfalls an den zur Verfügung stehenden Leuchtstoffen von TV- Bildschirmen. Definiert im Standard EBU3213.

Der 1996 eingeführte sRGB-Farbraum umfasst nahezu den gleichen Farbraum wie PAL/SECAM. sRGB entstammt einer Kooperation von Hewlett-Packard und Microsoft. Die Zielanwendung waren Computer bzw. deren CRT-Anzeigesysteme. Der sRGB-Farbraum wird wegen der zunehmenden Verschmelzung von Informationstechnik und Consumer Elektronik im Farbdruck (CMYK-Tintenstrahl und Laserdrucker) und immer häufiger auch im HDTV-Bereich eingesetzt.

Der Adobe-RGB-Farbraum wurde definiert um möglichst alle Farben, die beim professionellen Druck aus dem CMYK-Farbraum auftreten, darstellen zu können.

Der Wide Gamut RGB-Farbraum ist eine Weiterentwicklung des Adobe-RGB-Farbraums. Der weite Farbraum ermöglicht eine präzise Abdeckung nahezu aller Farbtöne und ermöglicht eine system- und geräteartübergreifende Bearbeitung von grafischen Objekten. So können alle Farbe des CMYK-7-Farbendruck dargestellt werden.
2.2. YUV / YPbPr / YCbCr
2.2.1.YUV
Bei der Schaffung des PAL-Farbfernsehsystems musste aufgrund der geringen zur Verfügung stehenden Bandbreite des Übertragungsweges ein Farbsystemgeschaffen werden, das sparsamer mit den zur Verfügung stehenden Ressourcen umgeht. Die Lösung war ein mathematisches Model, das zudem auch die Physiologie des menschlichen Sehens mit einbezieht, das YUV-Farbmodell. Y steht hier für das Luminanzsignal und UV steht für die Farbinformation, die in den Farbdifferenzsignalen R-Y (V) und B-Y (U) steckt. Die Grün-Information G-Y braucht nicht extra mit übertragen werden, da es sich aus dem YUV-Signal errechnen lässt.

Abb. 6: Original und YUV (4:4:4)-Separation

 
Bei der Aufbereitung des Videosignals im YUV-Farbmodel wendet man das Prinzip der Kolorierung an. Hierbei wird ein Schwarz-Weiß-Bild in voller Auflösung dargestellt und von einer niedrig aufgelösten Farbinformation überlagert. Das funktioniert, weil das menschliche Wahrnehmungsvermögen für Helligkeit etwa zehn mal größer ist als das für Farben. Dieses bedeutet, dass bei einer getrennten Übertragung von Helligkeitssignal ( Luminanz) und Farbsignalen ( Chrominanz) für das letztere nur ein Bruchteil der Bandbreite benötigt wird ohne dass merkliche Qualitätsverluste im Bild auftreten.
Statt drei Kanäle mit voller Bandbreite, wie bei einer Übertragung oder Speicherung eines Signal im RGB-Format, benötigt man nur noch einen, nämlich den für das Luminanzsignal. Die Chrominanzinformation wird in einem Kanal mit geringerer Bandbreite übertragen. Das Leuchtdichtesignal Y und die beiden Farbdifferenzsignale R-Y (V) und B-Y (U) sind somit die Grundlage für jegliches Signalprozessing. Dabei gilt:
Y = 0,299*R + 0,587*G + 0,114*B         Dieser Ausdruck berücksichtigt die unterschiedliche Empfindlichkeit des menschlichen Auges für verschiedene Farben.
U = (B-Y) * 0,493
V = (R-Y) * 0,877
Die im YUV-Signal anscheinend fehlende Grün-Information lässt sich nach der Funktion 0,587*G = Y-0,299*R-0,114*B mittels einer einfachen Matrix im Empfänger zurückgewinnen.

Nach dem gleichen Prinzip sind für andere Anwendungen weitere Farbmodelleentstanden.
2.2.2.YPbPr
Wie das YUV-Farbmodel wird das YPbPr-Farbmodel ebenfalls aus dem RGB-Farbraum abgeleitet. Nur erfolgt die Berechnung des YPbPr-Signals aus dem nicht gammakorrigierten (d.h. aus dem nicht helligkeitslinearisierten) R’G’B‘. Es wird auch nicht die Differenz zum Luminanzsignal dargestellt, sondern die Abweichung von Grau in Richtung Blau (+0,5) und dessen Komplementärfarbe Gelb (-0,5) bzw. die Abweichung zu Rot (+0,5) und dessen Komplementärfarbe Cyan (-0,5). Dabei gilt:
Y’=0,299*R’+ 0,587*G’+0,114* B‘
Pb=-0,168736* R‘ + (-0,331264)*G‘ +0,5*B‘
Pr= 0,5*R’+ (-0,418688)*G‘ + (-0,081312)*B‘

Abb. 7: Original und YPbPr (4:4:4)-Separation

YPbPr ist immer ein analoges Signal. Das entsprechende digitale Signal ist das YCbCr-Signal. Beide Signale können von einander abgleitet werden.
Das YPbPr-Signal (auch Komponentenvideo genannt) dient auch als Schnittstellensignal zwischen zwei Geräten. Es wird auf drei separaten Leitungen übertragen. Die Standardpegel sind für das Luminanzsignal (Y) auf 1Vss und die Chromakomponenten (Pb,Pr) auf 0,7Vss festgelegt.

2.2.3. YCrCb
Ursprünglich für das Digitalfernsehen (DVB) entwickelt, wird das YCbCr-Farbmodell auch für digitale Einzelbild- (JPEG) und Videoaufzeichnung in den MPEG-Verfahren (DVD, Camcorder, usw.) verwendet. Es ist immer ein digitales Signal und kann auf einer einzelnen Leitung (z.B. Firewire/IEEE1394) im Multiplexverfahren übertragen werden. Die Bezeichnung der YPbPr-Anschlüsse an Videogeräten und in deren Bedienungsanleitungen mit YCbCr ist daher nicht korrekt!
Die Erzeugung eines YCbCr-Signals aus einem RGB-Signal setzt die vorherige Umsetzung in YPbPr-Werte voraus, da diese im Wertebereich (0 … 1 für das Luminanzsignal Y und -0,5 … +0,5 für die Farbkomponenten PbPr) begrenzt sind. Bei der Umwandlung in ein digitales Signal kann der Wertebereich der analogen Signale ohne Beschränkung mit 8 Bit (Werte 0 … 255), 10 Bit (Werte 0 … 1023) oder mit noch höherer Auflösung übertragen werden. Da die Erzeugung des Zwischenschritts YPbPr das nicht gammakorrigierte R’G’B‘ verwendet und die Gammakorrektur letztlich nur das Luminanzsignal betrifft, ist die korrekte Schreibweise eigentlich Y’CbCr.
Der volle digitale Wertebereich von 0 … 255 bzw. 0 … 1024 wird normalerweise nur im kontrollierten Studiobereich verwendet. Da es im praktischen Umgang mit analogen Videosignalen jedoch immer zu Überschwingern im Signal kommen kann und auch gewisse Pegelreserven für die Synchronsignale eingehalten werden müssen, werden bei der Überführung der analogen Videoinformation in die digitalen YCbCr-Werte bestimmte Wertebereiche am oberen und unteren Ende der Werteskala reserviert. So nimmt die digitale Luminanzinformation nur den  eingeschränkten Wertebereich 16 … 235 ein. Der Bereich 236 … 255 ist für die Synchronsignale reserviert. Die Farbkomponenten haben bei einer 8 Bit-Auflösung den Wertebereich 16 … 240. Diese Einschränkung bedeutet  natürlich auch einen Verlust am Umfang der Grautöne und eine Verkleinerung des Farbtonumfanges: sehr dunkelgraue Töne werden zu Schwarz, sehr hellgraue Töne werden zu Weiß. Ebenso werden stark gesättigte Farben vollgesättigt und schwachgesättigte Farben unbunt.
2.2.4. YCC
YCC ist das von Kodak für die Photo-CD entwickelte Farbmodel. Der darstellbare Farb-Umfang (Farbraum) entspricht dem von sRGB. Es lehnt sich stark an das YCbCr-Farbmodell. YCC verwendet verwendet eine 3 x 8 Bit Auflösung mit vollem Werteumfang (0 … 255). Die Skalierung ist allerdings auf die von Fotopapier, das den CMYK-Farbraum umfasst, abgestimmt.
2.2.5. x.v.Color (xvYCC)
Bei einer rein digitalen Videoübertragungskette, wie sie immer häufiger anzutreffen ist, ist eine Reservierung von Wertebereichen im digitalen Videosignal für eventuell auftretende Überschwinger im analogen Videosignal nicht mehr notwendig.  Sony, als Hersteller von Komponenten für alle Bereiche der Übertragungskette, entwickelte daher auf der Basis von Kodaks YCC einen erweiterten Farbraum, das diesem Umstand Rechnung trägt.

x.v.YCC benutzt bei einer 8 Bit Kodierung den vollen Wertebereich (0 … 255) für alle drei Kanäle. Allerdings können x.v.Color kodierte Signale bei der Übertragung in den sRGB-Farbraum, den Standard LCD- und Plasmabildschirme verwenden, zu Farbwerten führen, die nicht reproduzierbar sind. Daher muss zuvor eine Konvertierung in einen vom Gerät darstellbaren Farbraum stattfinden.
Aber selbst dann ist eine wesentliche Verbesserung der Farbqualität in kritischen Bildsituationen nicht festzustellen, da der Gesamtumfang der Farben auf 24 Bit, also 16,7 Millionen Farben, begrenzt bleibt. Eine echte Verbesserung der Bildqualität ist somit nur bei mit einer gleichzeitigen Erhöhung der Auflösung auf 10 oder 12 Bit pro Kanal zu erwarten. Der nachstehende Vergleich mag diesen Umstand verdeutlichen.

 

Abb. 8: Bänderung der Farben im Spektrum

 

 

 

Abb. 8 und 9: Simulierte Beispiele für Farbübergänge mit einer begrenzten Farbpalette

Die Standardauflösungist 8 Bit für jeden Farbkanal. Damit lassen sich 256 Farbstufendarstellen. Mit den drei Primärfarben R, G und B und 24 Bit Farbauflösung lassen sich somit lediglich ca. 16,7 Millionen Farben darstellen. Kombiniert mit dem eingeschränkten Farbspektrum, das eine Bildröhre, LCD-Display o.ä. erzeugen kann, führt die Begrenzung in bestimmten Wiedergabesituationen zu sichtbaren Artefakten in Form von Farbbänderungen. Die Anzeige kann hierbei nicht alle feinen Farbtonunterschiede darstellen und es werden ähnliche Bereiche des Bildes zu einem Farbton zusammengefasst.

Abb. 10: Kontinuierlicher Farbverlauf

 

Abb. 10 und 11: Simulierte Beispiele für Farbübergänge mit einer erweiterten Farbpalette

Erweiterte Farbräume, wie x.v.Color sie ermöglicht, kodieren Farben mit 10, 12 oder 16 Bit pro Farbkanal. So lassen sich Milliarden von Farbtönen darstellen. Die Bildqualität steigt, da das Bild schärfer, detailreicher wird und das Kontrastverhältnis steigt. In modernen (hochpreisigen) Anzeigegeräten sind die Signalwege und die Signalverarbeitung bereits auf diese hohe Auflösung ausgelegt  und auch die Bildschirme verfügen über Leuchtstoffe mit einem erweiterten Gamut, damit sie diese Vielfalt von Farben darstellen können.

Die zusätzlich benötigten Daten zur Definition des jeweils verwendeten Farbraums werden in Metadaten parallel zum Nutzdatenstrom zum Anzeigegerät übertragen. Eine solche Kommunikation ist zur Zeit nur über HDMI-Verbindungen möglich. Als x.v.Color-fähige Videoquellen stehen bereits etliche digitale Camcorder, Spielkonsolen und Blu-ray-Player zur Verfügung. Spezielle DVDs oder Blu-ray Disks mit Filmen in erweiterten Farbräumen werden z.Zt. (Ende 2009) noch nicht angeboten.
2.3. ABTASTVARIANTEN DER YUV-FARBMODELLE (CHROMA SUBSAMPLING)
Das YUV-Farbmodell und seine Varianten bieten die Möglichkeit durch unterschiedliche Abtastvarianten die entstehende Datenmenge zu steuern. In die Praxis umgesetzt, steht für jeden der drei Eingangsparameter ein separater A/D-Wandler zur Verfügung. Da jedoch den Farbsignalen gegenüber dem Leuchtdichtesignal nur eine geringere Bandbreite zugeordnet werden soll, verwendet man unterschiedliche Taktfrequenzen um das Eingangssignal zu samplen.

Abb. 12: Verringerung der Datenmenge durch YUV 4:2:2 Abtastung (Chroma Subsampling)

Entsprechend dem Abtasttheorem nach Shannon muss die Abtastfrequenz mindestens doppelt so hoch sein wie die höchste Signalfrequenz. Bei fA,Y = 13,5 MHz entspricht das 720 Abtastwerten für das Leuchtdichtesignal und für die Farbdifferenzsignale bei fA,B-Y = fA,R-Y = 6,75 MHz sind es 360 Abtastwerte pro Zeile.
Die Codierung der Abtastwerte erfolgt bei gleichmäßiger Quantisierung mit 8 oder 10 Bit pro Abtastwert. Beide Standards sind zulässig. Jedoch zeigt sich bei kritischen Bildvorlagen mit 8-Bit-Codierung schon ein sichtbares Quantisierungsrauschen.
Die digitalisierten Signale werden dann auf jeweils 8 oder 10 parallelen Leitungen dem nachfolgenden Multiplexer zugeführt. Dieser hat die Aufgabe, die Eingangssignale in CB – Y – CR – Y ablaufende Codeworte zusammen zufassen. Er wird mit der Summe aller Abtastraten der A/D-Wandlung getaktet, das heißt mit 13MHz+6,75MHz+6,75MHz=27MHz.
Die Ausgangssignale des Multiplexers werden nun auf wiederum 8 oder 10 parallelen Leitungen dem Parallel-Seriell-Wandler zugeführt. Seine erforderliche Taktfrequenz errechnet sich aus dem Produkt der Abtastrate des Multiplexers und der Anzahl der parallelen Leitungen (Bitbreite) zusammen.
Somit ergibt sich bei einem Signalprozessing mit 10 Bit eine Bitrate von 270 Mbit/s.
Abtastverhältnis 4:4:4

Abb. 6: Original und YUV (4:4:4)-Separation

Um das Abtastverhältnis zwischen dem Leuchtdichtesignal und den beiden Farbdifferenzsignalen zu erläutern, wird zunächst von einem Abtastverhältnis 4:4:4 ausgegangen. Hierbei wird jeder Bildpunkt sowohl vom Y-Signalzweig als auch vom Chromasignalzweig analysiert und weiterverarbeitet. Dieses käme einer Verarbeitung im RGB-Farbraum mit drei identischen Kanälen gleich. Es würde schon bei einer 8-Bit Signalverarbeitung ein Datenfluss von 324 MBit/s entstehen. Auf Grund der Datenmenge wird diese Variante bei der Übertragung von Fernsehsignalen außerhalb von Studios nicht verwendet.
Abtastverhältnis 4:2:2

Abb. 14: Abtastschema YUV 4:2:2 progressiv

Wird die Abtastrate bei dem Chromasignal um die Hälfte reduziert (= Chroma Subsampling), spricht man von dem Abtastverhältnis 4:2:2. Hierbei wird jeder Bildpunkt für das Leuchtdichtesignal, aber nur jeder zweite für das Chromasignal abgetastet. Die nicht abgetasteten „Chroma-Punkte“ müssen somit decoderseitig durch die Werte der unmittelbar benachbarten Chroma-Punkte ergänzt werden.
Man erreicht hierdurch schon eine deutliche Reduzierung der Bitrate von 324 auf 216 Mbit/s, bezogen auf eine 8-Bit Signalverarbeitung.
Das 4:2:2 Abtastverfahren ist der Standard für das analoge PAL-System und für digitale Videosignale nach ITU-R BT 601.

Abb. 15: Abtastschema YUV 4:2:2 interlaced

 

 

 

 

 

Abtastverhältnis 4:2:0
Bei der Abtastvariante 4:2:0 wird die Abtastrate für das Chromasignal noch mal um die Hälfte reduziert. Hierbei kann sinnbildlich nur noch jeder zweite Bildpunkt einer Zeile n von der Chromasignalverarbeitung erfasst werden, die Zeile n+1 wird nachfolgend überhaupt nicht erfasst. Erst in Zeile n+2 erfolgt wieder eine Chromaabtastung bei jedem zweiten Bildpunkt. Auch hier müssen decoderseitig für alle Bildpunkte, die nicht über separate Chromainformationen verfügen, Werte von den entsprechenden benachbarten Bildpunkten eingefügt werden.
Gemessen bei einer 8-bit Signalverarbeitung erreicht man noch mal eine deutliche Reduzierung der Datenübertragungsrate auf 162 Mbit/s.
Die 4:2:0-Abtastung wird in Verbindung mit dem YCbCr-Farbmodell in den MPEG-Standards (DVB-T, DVD, digitale Camcorder usw.) eingesetzt.

Abb. 16: Abtastschema YUV 4:2:0 interlaced

 

 

 
3. FARBRÄUME DER SUBTRAKTIVEN FARBMISCHUNG

Abb. 17: Subtraktive Farbmischung durch Reflektion und Transmission

Die Subtraktive Farbmischung beschreibt Körperfarben. Die Farbe, die ein Körper zeigt, entsteht entweder durch Reflektion von Teilen eines neutralweißem Licht (Remission) oder durch Filterung (Transmission bei transparenten Körpern). Bei der Reflektion oder Transmission ändern sich die Lichtmenge und die Lichtfarbe. Die Lichtmenge wird immer reduziert, da die nicht reflektierten/durchgelassenen Lichtwellen von den farbgebenden Stoffen des Körpers absorbiert werden. Die Körperfarbe ergibt sich also durch Subtraktion von bestimmten Wellenlängen aus dem weißen Licht. Unsere gesamte sichtbare gegenständliche Umwelt erhält seine Färbung durch das Prinzip der subtraktiven Farbmischung.
Praktische Anwendung in der Technik findet die subtraktive Farbmischung in der Drucktechnik und in der Fotografie. Meist finden hier der CMY-Farbraum und das CMYK-Farbmodell Anwendung.
3.1 DER CMY-FARBRAUM UND DAS CMYK-FARBMODELL

Abb. 18: Subtraktive Farbmischung im CMY-Farbraum

Der CMY-Farbraum und das CMYK-Farbmodellbilden die Grundlage für den modernen Vierfarbendruck. Die Bezeichnung ist von den drei bzw. vier Farben Cyan (C), Magenta (M), Yellow=Gelb (Y) und Key Plate=Schwarz (K), die zum Druck verwendet werden, abgeleitet. Die Farbtöne sind durch die ISO 2846 genormt (Prozesscyan, Prozessmagenta, Prozessgelbund Prozessschwarz) um einheitliche Druckergebnisse zu erzielen.
Das Grundprinzip ist es, die Farbtöne durch ein Mischen von Farbträgern (Pigmenten) aus den drei Prozessfarben zu erzeugen. So ergibt z.B. die Mischung von magenta und gelben Pigmenten eine rote Farbe (Abb. 18). Beim Farbdruck kann aber nicht gesteuert werden, wieviel von jeder Farbe auf einen Bildpunkt gedruckt werden soll. Es kann immer nur mit voller Sättigung gedruckt werden. Bei voller Farbsättigung lassen sich aber nur sieben Farben erzeugen: die drei Primärfarben Cyan, Magenta, Gelb plus den subtraktiven Komplementärfarben Rot, Grün, Blau plus der Mischfarbe aus allen drei Prozessfarben, welche idealerweise Schwarz ergeben sollte.  Um den Farbton, die Farbsättigung und die Helligkeit eines Punktes bestimmen zu können, wird daher mittels einer Rasterung des Bildes (sog. Halbtonverfahren) die Farbmenge pro Flächeneinheit (sog. Halbtonpixel) gesteuert. Ein Halbtonpixel kann, je nach Druckverfahren, aus 16 bis 100 einzelnen Druckpunkten bestehen. Das menschliche Auge integriert die Einzelpunkte zu einem farbigen Punkt. Die optische Auflösung des Bildes wird durch dieses Verfahren jedoch stark herabgesetzt.
Ein weiteres Problem beim Druck mit CMY ist die Bildung von Schwarz. Werden alle drei Prozessfarben gemischt, sollte sich theoretisch Schwarz ergeben, weil alle Wellenlängen des Licht absorbiert werden. In der Praxis ergibt sich aber ein dunkles Braun, was zu einem „flauen“ Bildeindruck führt (Abb. 19, CMY).  Daher wird, um eine höhere Absorption zu erzielen, an Zeichnungen und in dunklen Teilen des Bildes zusätzlich Schwarz (Abb. 19, K) als zusätzliche separate Druckfarbe hinzugefügt, was den Kontrasteindruck im Bild wesentlich verbessert (Abb.19, CMYK).

Abb. 19: CMYK-Separation und Druckresultate

4. FARBMANAGEMENT
Spätestens wenn ein Digital-Fotograf seine selbst geschossenen Fotos auf seinem Computer zuhause nachbearbeiten möchte, um z.B. rote Augen zu entfernen, kommt er nicht an dem Thema „Farbmanagement“ vorbei. Wie zuvor in diesem Artikel festgestellt wurde, interpretiert jedes Gerät in der Bearbeitungskette Farbe anders (Abb. 21). Aus konstruktiven Gründen, aber auch durch die begrenzte Quantisierung mit acht oder zehn Bit pro Farbkanal, sieht eine Szene in der Natur, als Bild auf dem Monitor und als gedrucktes Bild immer anders aus. Hier kommt das Farbmanagement ins Spiel. Ein durchgehendes Farbmanagement soll die Farbunterschiede zwischen den einzelnen Geräten minimieren.

Abb. 20: CMYK und RGB-Farbräume [2]


Ein einfaches Farbmanagement umfasst zwei Komponenten:

  • Die Farbprofile aller Ein- und Ausgabegeräte
    Mittels eines Farbprofils werden die Unterschiede des Gerätefarbraums zum Standard- (CIELab-) Farbraums beschrieben. Das Gerätefarbprofil liefert dem Farbprozessor mittels Tabellen Hinweise darüber, wie die an das oder von dem Gerät gelieferten Farbinformation zu interpretieren sind. Meistens kommen die genormten ICC-Farbprofile zur Anwendung.
  • Der Farbprozessor (CMM = Color Management Module) ist eine im Hintergrund laufende Anwendung, die das Bild Pixel für Pixel entsprechend der durch das Farbprofil des Eingabegerätes gelieferten Farbinformationen in den neutralen CIELab-Farbraum überträgt, gegebenenfalls anpasst und von dort aus dann in den Farbraum des Ausgabegeräts konvertiert.
    So können mehrere Geräte kombiniert werden und trotzdem (den Möglichkeiten entsprechende) optimale Ergebnisse erzielt werden.

Abb 21: Prinzip eines Farbmanagement-Systems

 

REFERENZEN
Abbildungen:

[1] Goethes Farbkreis: Lizenz: Public Domain, Quelle: http://upload.wikimedia.org/wikipedia/commons/2/23/Goethe%2C_Farbenkreis_zur_Symbolisierung_des_menschlichen_Geistes-_und_Seelenlebens%2C_1809.jpg

[2] Farbfläche: Lizenz: Public Domain, Quelle: „CIE1931xy blank“ by BenRG
http://commons.wikimedia.org/wiki/File:CIE1931xy_blank.svg#mediaviewer/File:CIE1931xy_blank.svg

[3] Das x.v.Color Logo ist ein geschütztes Warenzeichen der HDMI Licensing, LLC Quelle:hdmi.org:
http://www.hdmi.org/images/marketing_materials/xvColour_Final.jpg

Quelle: https://kompendium.infotip.de/farbraeume-und-farbmodelle.html#a31

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