RGB Farbraum

  • Es kann ganz schön hart sein, einen langen Film nur per Mausklick zu graden. Control Panels bringen hier entscheidende Vorteile.

  • Farbverfahren

    Farbfernsehen

    Farbige analoge Fernsehbilder sind eigentlich farbig überlagerte Schwarzweißbilder

    Auch wenn Fernsehen eine europäische Erfindung ist, die verschiedenen Farbfernsehsysteme Europas (PAL und SECAM) basieren weitgehend auf dem amerikanischen NTSC-Format, welches weltweit 1953 die ersten farbigen Fernsehsendungen ermöglichte. Auch wenn wir inzwischen weitgehend digital und in diversen Codecs Fernsehen anschauen, sind die Ursprünge des Fernsehens noch immer präsent.

     

    Eigentlich wäre es naheliegend gewesen, einfach die Informationen für ROT, GRÜN und BLAU abgekürzt RGB (die Bestandteile der additiven Farbmischung) zu übertragen. Doch die Signale sollten die Kompatibilität mit den älteren Schwarzweißgeräten sicherstellen, deshalb setzt sich das Farbbild aus folgenden Bestandteilen zusammen:

    • Das Helligkeitssignal (Luminanz), also das Schwarzweißbild.
    • Ein Farbdifferenzsignal (Chrominanzsignal) die Differenz von Rot minus Helligkeitssignal.
    • Ein zweites Farbifferenzsignal (Chrominanzsignal) die Differenz Blau minus Helligkeitssignal.

     

    Rechenkünste und Bandbreite

    So wird das Schwarzweiß-Bild von Farbinformationen überlagert, gewissermaßen coloriert. Dieses Verfahren nennt man auch YUV, damit ist gemeint, dass die Helligkeit aus der Summe von Rot, Grün und Blau besteht. Wenn wir also zusätzlich zur Helligkeitsinformation (Y), also dem Schwarzweißbild (Luminanz) noch die Farbinformationen übermitteln wollen, brauchen wir nicht wieder zusätzlich Rot, Grün und Blau zu übertragen. Es genügt, wenn wir zusätzlich die Differenz aus Helligkeit und Rot sowie die Differenz auf Helligkeit und Blau übertragen, daraus kann man den Wert für Grün errechnen. Auf diese Weise spart man Bandbreite beim Fernsehsignal.

     

    Was die Auflösung und Schärfe angeht, so wird diese weitgehend durch das Schwarzweißbild bestimmt, während die Farbinformation mit weit geringerer Auflösung übertragen wird. Das hängt einerseits damit zusammen, dass unser Auge für Farben weniger Empfindlich ist als für Helligkeitsunterschiede, andererseits mit dem Umstand, dass die Signalbandbreite nicht zu groß werden durfte.

     

    Wer früher VHS Kopien von VHS Kopien gezogen hat, konnte die Konsequenzen dieser schmalen Farbinformationen im Ergebnis betrachten - oft hing das Farbbild verschoben neben dem Schwarzweißbild, ein unschöner Bildfehler.

     

    NTSC

    Die Abkürzung NTSC bedeutet "National Television Standards Committee", wegen der entscheidenden Schwachstelle des Systems wird es aber auch gerne ironisch mit "Never The Same Colour" beschrieben. Kommt es nämlich auf dem Übertragunsweg zu Phasenverschiebungen im Signal (Das kann bei Antennenempfang durch zu dicht nebeneinander stehende Antennen, durch Häuserfassaden etc. vorkommen), kommt es zu Farbstichen. Wenn das Fernsehbild zu grün, rosa oder blau ist, kann man an den amerikanischen Fernsehern mit einem eigenen Regler (Hue) diesen Farbstich korrigieren.

    Im übrigen arbeitet das System mit 525 Zeilen, von denen 480 das sichtbare Bild ausmachen und 60 Halbbildern (exakt sind es 59,94 Halbbilder) in der Sekunde. Bei 3,58 MHz wird auf das Luminanzsignal die Farbinformation aufmoduliert. Es ist vor allem in USA, Canada, Taiwan und Japan verbreitet.

     

    PAL

    Testbild

    Testbild

    In Europa begann die Farbfernseh-Ära deutlich später Mitte der 60 er Jahre des letzten Jahrhunderts, dadurch konnten die Entwickler auch daran arbeiten, das Problem mit den Farbverschiebungen bei NTSC zu lösen. Walter Bruch, der Erfinder des PAL Verfahrens (Phase Alternating Line) kam auf die Idee, ähnlich wie es bei der symmetrischen Leitungsführung im Audiobereich geschieht, die Phasendrehung als Mittel der Auslöschung von Störungen zu nutzen.

    Die Farbinformation wird von Zeile zu Zeile jeweils um 180 Grad gedreht. Dieser Phasensprung führt dazu, dass jeweils der Mittelwert zweier Zeilen die Farbinformation bestimmt. Pal arbeitet mit 625 Zeilen und 50 Halbbildern, sichtbar sind davon 576 Zeilen. Bei 4,43 MHz wird auf das Luminanzsignal die Chrominanzinformation aufmoduliert.

     

    Wer nachrechnet, wird sich natürlich fragen, wie man aus 625 Zeilen jeweils halb so viele gerade wie ungerade Zeilen machen kann. Da haben die Techniker etwas getrickst,- die erste und die 625 te Zeile sind nur halb, stört aber nicht, sie sind ohnehin nicht zu sehen. Moderne PAL Fernseher können maximal 500 Zeilen darstellen, nur Studio-Fernsehmonitore haben einen Underscan-Modus, der mehr Zeilen darstellen kann.

     

    Neben dem in Europa überwiegend verbreiteten Standard PAL gibt es auch noch zwei Varianten, PAL N mit einer geringeren Bandbreite, sowie PAL M für 60 Hz Länder mit 60 Halbbildern in der Sekunde (Brasilien) bei 525 Zeilen.

     

    SECAM

    Dieses in Frankreich entwickelte Farbverfahren löste das Problem der Farbverschiebungen bei NTSC auf andere Weise als PAL. Hier werden zwei Trägerfrequenzen verwendet und die Farbinformation wird jeweils einzeln abwechselnd übertragen. Die zu übertragende Informationsmenge ist größer als bei PAL und wenn keine Farbe im Bild vorkommt, kann es, weil trotzdem die volle Farbamplitude übertragen wird, manchmal zu störenden Bildmustern kommen. Es gibt zwei inkompatible Varianten, das normale SECAM (Frankreich) sowie das Ost-SECAM (Osteuropa) auch MESECAM genannt.

     

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    Das RGB-Abbild dieser Wiese kann nur eine Ahnung davon vermitteln, welche Vielfalt an Grüntönen im realen Motiv vorherrscht.

    Sehen ist für den Menschen lebenswichtig, deshalb haben sich die menschlichen Augen im Laufe der Evolution mehr und mehr optimiert.

     

    Es gibt etwas, da kennen wir uns gut aus, aus Erfahrung, aus Jahrtausenden der menschlichen Evolution: die in der Natur dominierende Farbe Grün. Es bedeutet Nahrung, Wachstum, Schutz, gibt Aufschluss über die Frische, die Jahreszeit oder etwa die Witterung, es war und ist die wichtigste Farbe im Überlebenskampf. So wie die Eskimos viele verschiedene Farbtöne bei Schnee unterscheiden, hat unsere Wahrnehmung vermutlich eine besonders stärkere Differenzierung für Grüntöne entwickelt. Vielleicht ist dieser Zusammenhang der Grund, weshalb das menschliche Auge für Grün besonders sensibilisiert ist, diese Farbe besonders fein nuancieren kann.

     

    Härtetest Grüntöne

    Die Wiedergabe von Grüntönen ist es auch, welche den Technikern stets den Schweiß auf die Stirn treibt. Es gelingt zwar durch manche Algorithmen jede Menge Daten für viele Zuschauer unbemerkt (aber nicht ungefühlt) verschwinden zu lassen, dennoch bemerkt man zumeist an den Grüntönen den verräterischen Unterschied eben zwischen realem Sehen, chemischem Film und Videotechnik. Letztere sieht bei reichen Grüntönen eher plastikartig aus.

     

    Farbsehen

    Grüne Wiese

    Mit dem Grün der Natur kennt sich unser Auge besonders gut aus

     

    Unser Auge wertet physikalische Reize im sichtbaren Bereich, also bei elektromagnetischer Strahlung einer Wellenlänge zwischen 350 nm und ca. 750 nm, aus und übersetzt sie in Licht und Farbe. Die Netzhaut unseres Auges besteht aus mehreren Schichten, in denen Rezeptoren (Stäbchen und Zapfen), bipolare Schaltzellen und Nervenzellen untergebracht sind. Wir besitzen etwa 120 bis 130 Millionen dieser Sehzellen, von denen aber nur 6 Millionen (Zapfen) für das farbige Sehen zuständig sind. Die übrigen sind nur für das Helligkeitssehen geeignet. Dabei sind die Zapfen nicht so lichtempfindlich wie die Stäbchen, weshalb wir in der Dämmerung nur noch wenige Farben sehen können.

     

    Es gibt drei unterschiedliche Zapfentypen, die auf Blau, Grün und Rot reagieren. Ihre Empfindlichkeit reicht dabei jeweils auch in benachbarte Bereiche, dadurch wird Licht von etwa 500 nm, welches originär die grünempfindlichen Zapfen erregt, auch von den anderen zwei Typen teilweise wahrgenommen. Fällt Licht auf die Zapfen, werden diese angeregt und leiten den Farbreiz an den Sehnerv weiter. Auch wenn ein einfarbiges Licht, etwa Grün, verwendet wird, kommt es zu Signalen in mindestens zwei Zapfen.

     

    Videokameras ringen um das Grün

    Unsere Farbfernsehsysteme wurden in den 50er Jahren des letzten Jahrhunderts entwickelt und auf die technischen Möglichkeiten der analogen Bildübertragung hin optimiert. Unsere heutigen Systeme arbeiten noch immer mit dem damals festgelegten RGB-Farbraum, obwohl eigentlich deutlich mehr Farbtreue möglich wäre. Auch hier ist es vor allem das Grün, welches die Schwächen des Systems deutlich werden lässt. RGB ergibt tatsächlich nur technisch, nicht aber wahrnehmungsphysiologisch einen Sinn!

     

    Das Dilemma um die mangelnde Grünauflösung zeigt sich besonders deutlich bei Ein-Chip-Kameras. Hier sind von jeweils vier lichtempfindlichen Elementen jeweils eines für Rot, eines für Blau und zwei für Grün sensibilisiert. Wegen der höheren Grünempfindlichkeit des menschlichen Auges werden aus diesem Grunde doppelt so viele Grünfilter wie Rot- oder Blaufilter verwendet.

     

    Toreinfahrt mit grünem Licht

    Bestimmte Farbkombinationen, an denen Grün beteiligt ist, erzeugen besondere Grundstimmungen im Bild

     

    Moderne digitale Videokameras arbeiten mit 8 oder 10 Bit Wortbreite bei der Aufzeichnung, die teureren Geräte zumindest bei der Wandlung (jeder Chip ist analog und das Signal wird dann digitalisiert) mit 12 oder gar 14 Bit Wortbreite. In der professionellen Fotografie und Bildbearbeitung gelten 24 Bit Wortbreite als Stand der Technik - Werte, die wegen der vielen Bildinformationen bei Bewegtbildern (Video) bisher nicht realisierbar sind. Spätestens bei der Übertragung eines Fußballspiels wirkt der grüne Rasen auch bei teuren Fernsehkameras noch immer wie der Kunstrasen auf Nachbars Balkon. Eigentlich kann unser Auge 3 bis 4 Millionen unterschiedliche Farben tatsächlich wahrnehmen; technisch betrachtet können wir aber mit Video trotz theoretisch z. B. über 16 Millionen RGB-Farben nur etwa 1 bis 1,3 Millionen der von unserm Auge erkennbaren Farben reproduzieren.

     

    Die subtraktive Farbmischung mit CMY (Cyan, Magenta, Yellow), wie sie beim chemischen Filmprozess verwendet wird, ist dem RGB-Farbraum der Videosignale noch immer haushoch überlegen. Film liefert nach wie vor natürlichere Farben. Die verbreiteten Vergleichstests zwischen Film- und Videoprojektion vermeiden wohlwissend detailreiche Szenen im Grünen - wer will schon freiwillig den Finger in die digitale Wunde legen?

     

    Zukunftsfarben

    Die Forschung versucht diesen Problemen durch neue Denkweisen und Technologien zu begegnen. Gearbeitet wird an einer gänzlich neuen Farbtechnologie, die mit der sogenannten Multispektraltechnik arbeitet. Diese mögliche Zukunftstechnik löst entscheidende Probleme der bisherigen Farbwiedergabe. Sie arbeitet nicht mehr mit RGB, also drei Farbsignalen in drei Kanälen für "Rot", "Grün" und "Blau", sondern mit 6 bis zu 16 farbselektiven Aufzeichnungs- und Wiedergabekanälen. Man kann sich ausmalen, um wie viel höher der technische Anspruch an die Datenverarbeitung in Kameras aber auch Bildschirmen/Displays ist. Erste Neuentwicklungen aus Japan und den USA arbeiten bereits mit Videosystemen und Displays, die mit 5 oder 6 Farbkanälen arbeiten.

     

    Grüne Zeiten

    Farben können heilen, können uns aber auch krank machen. Sie sind in der Lage, unsere Emotionen zu beeinflussen, können unsere Launen verändern, unser Kaufverhalten beeinflussen. Grün etwa beeinflusst unsere Wahrnehmung, unser vegetatives Nervensystem. Grün, die Mischfarbe aus Gelb und Blau gilt als Farbe der Hoffnung, der Erneuerung, des Wachstums. Sie gibt uns Ruhe und Geborgenheit. Sind wir im Grünen, so wird ein definierter Geräuschpegel weniger laut empfunden, als in einer andersfarbigen Umgebung. Koffein wiederum erhöht z. B. die Grünempfindlichkeit unserer Augen. Und die verschiedenen Variationen von Grün haben zum Teil noch gar nicht erforschten Einfluss auf unsere Empfindungen. Grund genug, von der Technik mehr Sensibilität in diesem Bereich zu erwarten.

     

  • Eine der wichtigsten Voraussetzungen für die Farbkorrektur ist ein kalibrierter, möglichst guter Monitor

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