Farbraum: Unterschied zwischen den Versionen

Aktuelle Version vom 21. März 2012, 15:51 Uhr

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Übersicht

Farbräume dienen der Darstellung von Farben. Üblicherweise werden alle an Monitoren darstellbaren Farben durch 3 Grundtöne codiert. Durch verschieden starke Abstufungen dieser 3 Grundtöne entsteht der Eindruck von verschiedenen Farben.

Grundlegende Bildschirmkalibrierung

Um die dargestellten Farben an Computermonitoren optimal anzuzeigen, muss der Monitor zuerst kalibriert werden. Für unsere Zwecke soll eine einfache Kalibrierung ausreichen: In professionellem Umfeld kommt es nicht nur auf optimale Farbdarstellung an, sondern auch auf Farbechtheit. Um dies zu erreichen ist nicht ganz billiges Equipment notwendig. Wir wollen uns deshalb auf ein paar Hausmittel beschränken. Tatsächlich sind die meisten Computermonitore derart schlecht eingestellt, dass man bei weitem nicht von guter Farbdarstellung reden kann. Bevor wir also weitermachen, wollen wir diesen Umstand ändern. Zuerst muss der Monitor warm, also mindestens eine Stunde in Betrieb sein, bevor er eingestellt wird.

Schwarzpunkt

Macht euer Zimmel dunkel. Alle Beleuchtung muss abgestellt werden. Eventuelle Rolläden werden bitte geschlossen. Stellen wir die Helligkeit des Monitors auf das Minimum und betrachten das untere Bild (wenn Du nach dem dunkelstellen nichts mehr sehen kannst, solltest du den folgenden Teil der Anleitung vorab durchlesen):

Stelle die Helligkeit soweit nach oben, bis das schwarze Bild gerade beginnt heller zu erscheinen. Ist dieser Punkt erreicht, dann stelle die Helligkeit wieder ein kleines Stück zurück, so dass es wieder komplett schwarz ist. Wenn das Bild partout nicht hell werden möchte, dann stelle die Helligkeit auf ein erträgliches Maß ( ein zu heller Monitor ist sehr unangenehm für die Augen. Wenn ihr beim längeren arbeiten Augenschmerzen oder Tränen in den Augen bekommt, dann stellt die Helligkeit unbedingt weiter zurück. Soviel ist der optimale Schwarzpunkt nicht wert. ). Achtung TFT Benutzer: Der Helligkeitsverlauf auf TFT Monitoren ist nicht konstant. Ich empfehle deshalb das Bild mittig zu plazieren.

Kontrast und Gamma

Betrachtet den obigen Farbverlauf von Schwarz nach Weiß. Alle 24 Felder sind gleich groß. Der erste Übergang von Schwarz nach etwas Helligkeit sollte in etwa so stark ausfallen, wie der von Weiß auf die erste Abstufung. Regelt die Kontrasteinstellung eures Monitores solange bis beide Übergänge tatsächlich sichtbar sind und in etwa gleich stark ausfallen. Die anderen Felder sollten sich dann bereits halbwegs angepasst haben: Der Verlauf erscheint linear. Wenns noch nicht ganz passt, könnt ihr am Monitor den Gammawert noch ein wenig korrigieren ( wenn das der Monitor nicht bietet, benutzt die Einstellungsmöglichkeiten eures Grafikkartentreibers ).

Falls ihr gerne noch etwas mehr Zeit investieren wollt, dann schaut doch mal bei Tom Kurpjuweit oder im Wikipedia vorbei. Auf diesen und auf vielen anderen Seiten im Netz wird beschrieben, wie man seinen Monitor einstellen kann - meine Anleitung gehört doch eher zu den primitiven. Falls das Bild des Monitors jetzt eher grau und milchig erscheint, seid ihr wahrscheinlich dem Problem erlegen, dass unsere Augen logarithmische Farbveränderungen bevorzugen und lineare Verläufe eher ungewohnt sind - dann ist es Zeit, sich eine etwas genauere Beschreibung zum Thema Bildschirm-justierung/kalibrierung durchzulesen.

Physikalische und biologische Grundlagen

Physikalisch besteht Licht aus elektromagnetischen Wellen. Diese haben verschiedene Wellenlaengen und je nach Zusammensetzung entsteht der eine oder der andere Farbeindruck.

Das sichtbare Licht hat Wellenlängen zwichen 400nm (Violett) bis 750 nm (Rot). Bei kürzeren Wellenlängen unter 400nm kommen dann Ultra Violette, Röntgen und schließlich Gamma Strahlen. Auf der anderen Seite über 750 nm folgen Infrarot, Mikrowellen, Funkempfang (LW, MW, UKW, ...), usw. Auf dem Monitor lassen sich nicht alle Reinfarben darstellen, seht das obige Bild also eher als Eindruck statt als "so siehts aus".

Da unser Auge nur 3 Grundfarben unterscheiden kann ( manche Menschen können vermutlich sogar vier Farben* unterscheiden, wieder andere dagegen nur zwei - man beachte, dass für Menschen die vier Grundfarben unterscheiden können Monitorbilder nicht optimal sind und so ungewöhnliche Farben anzeigen ), kann man verschiedene Farbeindrücke nicht nur durch verschiedene Wellenlängen erzeugen, sondern auch durch Mischen und Verlagern der Intensitäten einer Reihe von Grundfarben. So wird am Monitor bekanntlich (additiv) mit Rot, Grün und Blau, auf Printmedien üblicherweise (subtraktiv) mit Cyan, Gelb, Magenta und Schwarz gemischt. Man kann so zwar nicht jede sichtbare Farbe mischen, aber doch so viele, dass ein guter Farbeindruck entsteht.

1) Siehe Tetrachromatie. Bisher gibt es für deren Existenz keinen abschließenden Beweis, jedoch deuten einige Forschungsergebnisse auf eine solche Mutation hin.

Verschiedene Farbräume

RGB

Der Rot, Grün, Blau Farbraum ist der Standardfarbraum für Computer und viele andere Bildschirmgeräte. Damit Farben aus anderen Farbräumen auf einem solchen Gerät dargestellt werden können, müssen sie immer zuerst auf diesen Farbraum umgerechnet werden. Er ist neben CMY einer der am wenigsten anschaulichen Farbräume. Farben lassen sich darin nur sehr schlecht identifizieren, sinnvolle Farbmanipulationen sind kaum möglich. Der Vorteil ist jedoch, dass die 3 Grundfarben etwa denen entsprechen, die auch auf unserer Netzhaut am besten erkannt werden - die Folge: höchst brilliante Farben, die einen großen Teil aller sichtbaren Farben abdecken. Den Farbraum kann man sich als dreidimensionalen Würfel am Nullpunkt vorstellen:

Ausgehend vom Schwarz kann man nach rechts (Rot), nach oben (Grün) oder nach vorne (Blau) laufen und erhält immer hellere Farben. Schließlich gelangt man zum Weiß. Dazu gibt es auch eine weitere Veranschaulichung:

Das Bild beschreibt was pasiert, wenn man die Grundfarben miteinander mischt. In der weißen Mitte sind alle Farben aufgetragen ausserhalb nur eine oder jeweils zwei.

CMY

Der Cyan, Magenta, Gelb Farbraum ist dem RGB Farbraum sehr ähnlich. Allerdings ist er für Printmedien konzipiert. Ist keine Farbe aufgetragen erhält man den Hintergrund: meist ein weißes Blatt Papier. Je mehr man von einer Farbe aufträgt, desto weniger scheinen die anderen Farben durch - trägt man also alle Farben auf, bleibt vom ursprünglichen Weiß nichts über und man erhält Schwarz. Da jedoch der Hintergrund im Allgemeinen nicht leuchtet, können Farben nie derart hell erscheinen, wie im RGB Farbraum auf Monitoren - man möge dies bei Anwendung beachten:

Zum Umrechnen von RGB in CMY ist nicht viel nötig:

R = 1-C
G = 1-M
B = 1-Y

Und umgekehrt:

C = 1 - R
M = 1 - G
Y = 1 - B

CMYK

Der CMYK Farbraum entspricht im wesentlichen dem CMY Farbraum, mit dem Unterschied, dass zusätzlich Schwarz zum Beimischen zur Verfügung steht. Dies kann beim Drucken von sehr dunklen Tönen hilfreich sein und spart außerdem die teure Farbe. In manchen Fällen ist es sogar unumgänglich mit Schwarz zu drucken, wenn sich durch die anderen Druckfarben kein richtiges Schwarz erzeugen lässt (was häufig der Fall ist, u.a. auch bei den meisten Tintenstrahldruckern).

Umrechnen CMYK nach CMY:

CMY.C = C * ( 1 - K ) + K
CMY.M = M * ( 1 - K ) + K
CMY.Y = Y * ( 1 - K ) + K

Umrechnen CMY nach CMYK

CMYK.K = min(C,M,Y);
if ( CMYK.K == 1 ) { 
  CMYK.C = 0;   
  CMYK.M = 0;
  CMYK.Y = 0;
} else {
  CMYK.C = (C-CMYK.K)/(1-CMYK.K);   
  CMYK.M = (M-CMYK.K)/(1-CMYK.K);   
  CMYK.Y = (Y-CMYK.K)/(1-CMYK.K);   
}

HSV

Der Hue, Saturation, Value (Farbton, Sättigung, Helligkeit) ist ein Farbraum, der sehr häufig im Einsatz ist. Da der Farbton als solches an einem Kanal zu identifizieren ist, werden viele Bildoperationen, die mit Farbe zu tun haben, in eben diesem Farbraum berechnet. Eine bildliche Vorstellung dieses Farbraums ist sehr viel einfacher, als die des RGB Farbraums. Wie also kann man sich ihn vorzustellen?

Eine gute Möglichket ist als Zylinder. Die Unterseite ist schwarz. Bewegt man sich von der Mitte der Unterseite auf die gegenüberliegende Seite zu, wird es heller. Inmitten der hellen Seite ist Weiß. Geht man von dort nach außen, erhöht sich die Farbsättigung. Geht man dann auf dem Kreis spazieren, bleibt Helligkeit und Sättigung konstant, während sich die Farbe ändert. Dieses Prinzip wird bei vielen Farbauswahldialogen angewendet (Im Beispiel: Paint.NET) :

Der Kreis stellt die farbige Oberseite des Zylinders dar. Von der Mitte nach außen also die Sättigung, den Umfang entlang die Farbe. Der Balken beschreibt die Helligkeit. Sehr beliebt ist auch die aufgefaltete Variante (MS-Windows Standard Farbauswahl Dialog):

Im quadratischen Feld ist von Links nach Rechts die Farbe, von Unten nach Oben die Sättigung aufgetragen. Der Balken gibt wieder die Helligkeit an.

Es existieren noch viele verschiedene Varianten, die alle mehr oder weniger identisch funktionieren. Wir wollen es bei diesen zwei Beispielen belassen.

Die Farbreihenfolge wird gewöhnlich definiert als Rot, Magenta, Blau, Cyan, Grün, Gelb, Rot. Zwischen den Vollfarben wird linear interpoliert, was zu folgenden Umrechnungen führt:

        // Based on C Code in "Computer Graphics -- Principles and Practice,"
        // Foley et al, 1996, p. 593.
        public static RGB HSVToRGB(double h, double s, double v)
        {
            double f, hTemp, p,q,t;
            int i;
            RGB Result = new RGB();
            if (s == 0) {
                //Achromatic
                Result.R = v;
                Result.G = v;
                Result.B = v;
                return Result;
            }
            if (h < 0)
                h = Math.PI * 2 - h;
       
            if (h > 2 * Math.PI)
                h = h - Math.Truncate(1.0 / (Math.PI * 2) *h)* (Math.PI * 2);
         
            hTemp = h / (2*Math.PI / 6);
            i = (int) Math.Truncate(hTemp);  // largest integer <= h
            f = hTemp - i;                   // fractional part of h
     
            p = v * (1.0 - s);
            q = v * (1.0 - (s * f));
            t = v * (1.0 - (s * (1.0 - f)));
              
            switch (i) {
                case 0: { Result.R = v; Result.G = t; Result.B = p; break; }
                case 1: { Result.R = q; Result.G = v; Result.B = p; break; }
                case 2: { Result.R = p; Result.G = v; Result.B = t; break; }
                case 3: { Result.R = p; Result.G = q; Result.B = v; break; }
                case 4: { Result.R = t; Result.G = p; Result.B = v; break; }
                case 5: { Result.R = v; Result.G = p; Result.B = q; break; }
            }
            return Result;
        }


        // Based on C Code in "Computer Graphics -- Principles and Practice,"
        // Foley et al, 1996, p. 594.
        public static HSV RGBToHSV(double r, double g, double b)
        {
            HSV result = new HSV();
            double delta, min;
    
            min = Math.Min(r, Math.Min(g, b));
            result.v = Math.Max(r, Math.Max(g, b));
            delta = result.v - min;
        
            // Calculate saturation: saturation is 0 if r, g and b are all 0
            if (result.v == 0.0)
                result.s = 0;
            else
                result.s = delta / result.v;
   
            if (result.s == 0)
                result.h = 0; //Achromatic
            else
            {
                if (r == result.v)
                {   //winkel zw. gelb/magenta
                    result.h = (g - b) / delta * (2 * Math.PI / 6.0);
                }
                else if (g == result.v)
                {    //zwischen cyan und gelb
                    result.h = (2 + (b - r) / delta) * (2 * Math.PI / 6.0);
                }
                else if (b == result.v)
                {// ...
                    result.h = (4 + (r - g) / delta) * (2 * Math.PI / 6.0);
                }
                if (result.h < 0)
                    result.h = result.h + 2 * Math.PI;
            }
            return result;
        }

HSL

Der Hue Saturation Lightness Farbraum ist dem HSV Farbraum sehr ähnlich. Die Definition des Farbtons (Hue) ist identisch, lässt sich also auf die gleiche Weise berechnen. Die anderen Werte berechnen sich aus den RGB Werten wie folgt:

MAX = max (R,G,B);
MIN = min (R,G,B);

L = (1.0/2.0) * (MAX + MIN);
if (MIN == MAX) 
{
  S = 0
} else if (L <= 1.0/2.0) {
  S = (MAX - MIN) / (2.0*L) 
} else {
  // entspr. Fall: L > 1.0/2.0
  S = (MAX - MIN) / (2.0-2.0*L)  
}

Man stellt sich den HSV Farbraum gerne als Doppelkonus vor. Die obere Spitze ist weiß, die untere schwarz. Am Rand des Bauches befinden sich die Vollfarben, die zur Mitte hin an Sättigung verlieren (Bild: Wikipedia [EN] von Alexandre Van de Sande. ):

LAB

Der LAB Farbraum ist einer an das menschliche Sehen angepasster Farbraum. Er umfasst alle vom Auge unterscheidbaren Farben und ein bisschen mehr. Er dient dazu Farbechtheit zu garantieren, was wichtig ist, wenn man z.B. am Bildschirm Bilder bearbeitet und diese am Ende drucken oder auf Fotopapier auslasern lassen möchte, so dass die Vorlage am Monitor dem entspricht, was auf dem Papier landen wird. Er dient dabei nur als Umrechnungsfarbraum, wobei auf die spezifischen Eigenschaften des jeweilig genutzen Gerätes geachtet werden muss.

Farbraumspaß

Wir wollen uns hier ein wenig mit den Möglichkeiten des HSV Farbraumes vertraut machen und einige Spielereien ausprobieren.

Vergrauen

Im HSV Farbraum kann man ein Bild sehr einfach in ein Graustufenbild umwandeln, indem man die Sättigung auf 0 stellt:

Wenn einem reines S/W zu langweilig ist, kann man auch ein feste Sättigung und Farbe vorgeben, so dass das Bild eingefärbt wird ( S/W-Foto-Material verändert häufig mit dem Alter ein wenig seine Farbe oder ist von vornherein leicht farbig ). Wer Spaß an dieser Art der Bildbearbeitung findet, kann auch noch die Helligkeit anpassen - Schwarzweißfilme sind nach Wellenlängen unterschiedlich empfindlich. Blau wird auf dem positiv häufig heller wiedergegeben als grün, welches wiederum heller als rot erscheint. Viel Spaß beim ausprobieren (als kleiner Tipp: Schaut doch noch mal nach oben den Farbkreis von Paint.Net an und vergleicht ihn mit dem Bild der Wellenlängen - klar wie man das am einfachsten macht?).

Farbkurven

Wer sich einmal mit einem Bildbearbeitungsprogramm auseinandergesetzt hat, wird sie kennen, die Dialoge zum Verändern der Farbkurven. Die Kurven stellen eine Verschiebungsfunktion dar: Hat man z.B. ein Farbkurve für den roten Farbkanal festgelegt, so beschreibt die Farbkurve f an einer Stelle i den Wert, den ein Punkte im roten Farbkanal hat, wenn er vorher den Wert i hatte, also:

Punkt.rot = f(Punkt.rot);

im Bild: GIMP:

Diese Idee wollen wir uns zu Eigen machen - so ist es im HSV Farbraum nur zu konsequent, nicht Rot/Grün/Blau, bzw. Cyan/Magenta/Gelb sondern die Hue, Saturation und Value Werte zu manipulieren. Und die Sache ein wenig auf die Spitze zu treiben, wollen wir uns nicht nur mit Hue/Hue und den 2 anderen Kurven beschäftigen, sondern auch mit gemischten, bei denen sich anhand der Farbe die Helligkeit oder Sättigung ändert. Vieles ist hier denkbar.

Um es realisieren zu können, benötigt man zuerst einmal eine eigene Dialogbox, die das Bearbeiten von (Farb-)Kurven zulässt. Im wesentlichen dürfte das niemanden hier überfordern - ich empfehle folgende Szenerie: Die Kurve wird mithilfe von Spline-Interpolation erzeugt. Die Menge der Stützstellen ist im wesentlichen beliebig, für einige Kurven ist es jedoch wichtig, nicht nur natürliche, sondern auch periodische Kurven erzeugen zu können. Genauere Informationen hierzu finden sich in den Literaturangaben.

Die einfachste Art der Kurven ist wie gesagt die, die sich selber beeinflussen. So lassen sich leicht Farben durch andere Farben tauschen, ohne den Rest der Farben zu beeinflussen. Man kann natürlich auch bestimmte Sättigungen hervorheben (also Sättigung/Sättigung statt bei Farben Hue/Hue) oder ähnliches. Als Beispiel wird der Hue-Bereich von Gelb in den von Rot verschoben. Durch feine Abstimmung lässt sich erreichen, dass andere Farben sich dabei nicht verändern (Diesen Effekt kann man noch leicht in Photoshop erreichen, man muss jedoch für jede Farbe getrennt vorgehen, falls man verschiedene Farben verändern möchte: Image/Adjustmennts/Hue-Saturations . Wir können dagegen leicht mehrere Farben auf einmal austauschen.).

Als Alternative noch eine Sättigung/Sättigung Variante des obigen Bildes. Links wurde die 20. Wurzel aus der Sättigung gezogen, rechts wurde die Sättigung zur 4. Potenz erhoben (dies entspricht einer Erniedrigung bzw. Erhöhung des Sättigungkontrastes). Die einstellbaren Kurven lassen sich dazu natürlich genauso benutzen, aber so sparen wir uns ein paar Bilder ;-)

Nun wollen wir einmal eine Value/Hue Variante betrachten. Ziel ist es, ein Pixel anhand seines Value den Hue weiterzudrehen. Man trägt im Kurvendialog wie folgt an: In Y-Richtung variiert die Hue, in X-Richtung ist Value von 0 bis 1 angetragen. Zu einer bestimmten Value soll also der Hue um einen bestimmten Winkel weitergedreht werden - vorwärts und rückwärtsdrehen sollte möglich sein. Rechnen könnte man dann:

Pixel.Hue = Pixel.Hue + Kurve(Pixel.Value);

Da Pixel.Hue dadurch auch negative oder zu große Werte annehmen kann, sollte man sie wieder auf den Berech 0 bis 2*Pi zurückrechnen.

Im obigen Bild ist die zugrundeliegende Kurve die Gaussche Glockenkurve mit sigma = 0.29, mu = 0.9, d.h. also, dass bei niedrigen value Werten im wesentlichen keine Veränderung des Hue passiert. Je heller die Szene jedoch wird, desto stärker verschiebt sich der Farbton. Da die Lichtquelle im Hintergrund des Fotos ist, verändern sich die Farben stärker, je weiter hinten sich die Luftballons befinden.

Es lassen sich noch einige weitere Varianten vorstellen, als die, die hier gezeigt wurden. So könnte man anhand einer Hue/Sat Kurve bestimmte Farben vergrauen lassen und andere hervorheben - der Effekt ist sicherlich nicht gänzlich unbekannt. In der Fotografie wird gerne entsprechend manipuliert: Man stelle sich ein Mädchen vor, das eine rote Rose hält. Alle Farben sind grau, nur die Blüte der Rose ist rot - mit Hue/Sat Kurven ist das wirklich sehr leicht zu erreichen.

Literatur

• Earl F. Glynn II: efg's Palettes and Colors Lab
• Earl F. Glynn II: efg's Color Reference Library
• Dan Bruton: Color Science
• Englische Wikipedia: Color Models. Viele informationen, Veranschaulichungen, Umrechnungsformeln
• Darrin Cardani: Adventures in HSV Space (als PDF)
• Wikipedia: Spline interpolation
• Bronstein, Semendjajew, Musiol, Mühlig: Taschenbuch der Mathematik. 5 Auflage. S.955: 19.7.1 Kubische Splines
• Arndt Brünner: Kubische Splines