Repetitorium Farbe 8: Farbräume und Farbprofile

In der letzten Folge haben wir den Begriff des Farbraums angedeutet und dabei von geräteunabhängigen und geräteabhängigen Räumen gesprochen. Das Wissen um diese Farbraum-Arten und deren Unterschiede war solange kein besonderes Thema, als wir uns noch dem beglückenden Tun in der altehrwürdigen Dunkelkammer widmeten. Heute sitzen wir jedoch vor dem Computer und versuchen, die in unseren Digitalkameras gespeicherten Bilder auf dem Bildschirm zu beurteilen und auf möglichst realistische Art aufs Papier zu bringen. Manche Benutzer lassen sich von der Darstellung auf dem Monitor leiten und schrauben mit einem Bildbearbeitungs-Programm so lange am Datensatz herum, bis das Resultat am Bildschirm gefällt. Meistens sind sie dann enttäuscht, wenn das am Drucker ausgegebene Print nicht dem visuellen Eindruck auf dem Monitor entspricht und wir ahnen zumindest, dass die Farbräume des digitalen Bilddatensatzes nicht mit denjenigen des Monitors und des Druckers übereinstimmen.

 

Farbraum-Modell LCH

Leider eignet sich der LAB-Farbraum (siehe Repetitorium Farbe 6) mit seinen ursprünglichen Werten L*a*b* relativ schlecht für das Bearbeiten von Bildern; der Farbraum ist mit diesen Werten (insbesondere weil diese auch negativ sein können) intuitiv kaum nutzbar. Im CIELAB sind die Werte L*, a* und b* in rechtwinkligen Koordinaten dargestellt. Besser nutzbar wird der Farbraum, wenn die Werte für Farbton als Farbtonwinkel h_ab in Winkelgraden, Helligkeit und Farbsättigung als Buntheit C*_ab mittels Polar-Koordinaten dargestellt werden. CIE hat dies getan und dadurch den LCH-Farbraum geschaffen. Faktisch ist LCH nichts anderes als eine andere Kodierung des LAB-Farbraums:

L (Lightness)
Lightness (L) steht mit gleichen Werten wie im LAB-Farbraum für die Helligkeit (L*).

C (Chroma)
Chroma (C) entspricht der Farbsättigung im LAB-Modell (Buntheit C*_ab). Je höher der C-Wert, um so bunter und leuchtender ist die Farbe. Die Skala reicht von 0 bis 100, wobei 0 einem neutralen Grau und 100 der höchstmöglichsten Sättigung entspricht.

H (Hue)
Hue (H) steht für den Farbton als Farbtonwinkel (h_ab in Winkelgraden statt Winkelfunktion dargestellt). Die Skala gibt Winkel von 0° bis 360° auf dem kontinuierlichen Farbkreis an.

 

Farbraum-Modell HSB

Eine geringfügig andere mathematische Definition des LAB-Farbraums ist der HSB-Farbraum, wie er im Bildbearbeitungsprogramm Photoshop für Farbdefinitionen wie auch für die Bildbearbeitung zur Verfügung steht (die Funktion Farbton/Sättigung arbeitet zum Beispiel mit diesem Farbraum).

 

Farbraum-Modell HSB

 

Der Ausdruck HSB steht dabei für:

H (Hue, Farbton)
Der Farbton wird in Form eines Farbtonwinkels auf dem Farbkreis festgelegt und als Winkel zwischen 0° und 360° definiert. Der Startpunkt mit 0° entspricht dem a*-Wert von +100 = hoch-gesättigtes Rot. Die Winkelangabe nimmt im Gegenuhrzeigersinn zu und ergibt bei 360° wieder den Farbton Rot. Im Abstand von jeweils 60° liegen die reinen Primär- und Sekundärfarben Rot, Yellow, Grün, Cyan, Blau und Magenta.

S (Saturation, Sättigung)
Die Skala reicht wie bei LCH von 0 (Neutralgrau) bis 100 (maximale Sättigung).

B (Brightness, Helligkeit)
steht mit gleichen Werten wie im LAB-Farbraum für die Helligkeit (L*).

 

Im Farbwähler von Photoshop können Farben wahlweise im RGB-, CMYK, LAB- und HSB-Modus definiert werden.

 

YUV, YIQ, YCC

Für die langfristige Bilddatenspeicherung und die Datenübertragung ist man an einem Datenformat interessiert, das möglichst ohne Verluste möglichst hoch komprimierbar ist. Man braucht dazu einerseits einen Farbraum mit maximalem Farbumfang und andrerseits eine Informationsform, die sich für die verlustfreie Datenkompression eignet. Geht man davon aus, dass Bilder von Menschen angesehen werden und unsere Augen bereits auf geringe Luminanzänderungen sensibel reagieren, Farbabweichungen dagegen in deutlich grösserem Masse tolerieren, ist es naheliegend, wenn man die reine Farbinformation mit einem geringeren Datenanteil speichert als die Helligkeitsinformation.

Vorreiter für diese Idee sind Definitionen wie sie für das Fernsehen entstanden sind. Als Grösse für den Luminanzanteil (Helligkeit) wird dort der CIE-Normfarbwert Y verwendet. Die Chrominanz-Koordinaten leiten sich von den RGB-Koordinaten ab und zwar unterschiedlich für das amerikanische und das europäische Fernsehen. Ausgangsgrössen sind die Signale Rot und Blau, von denen das Luminanzsignal subtrahiert wird. Die entstehenden Grössen werden im europäischen Fernsehen mit U und V bezeichnet: U = B – Y und V = R – Y. Man spricht daher vom YUV-Farbraum. Im amerikanischen Fernsehsystem heissen die entsprechenden Chrominanz-Signale I und Q, man spricht dementsprechend vom YIQ-Farbraum. Beide Farbräume sind aus den ursprünglichen RGB-Werten der Videokamera mit 
linearen Gleichungen zu errechnen.

Auch Kodak hatte für ihre Photo-CD (deren geniales Prinzip leider nicht überlebt hat) den Farbraum ganz ähnlich auf der Basis von Luminanz und Farbdifferenz-Signalen definiert. Diese Farbraum-Koordinaten werden als YCC bezeichnet. Kodak hat Ende 1998 diese vorher geschützte Definition für Programmentwickler freigegeben. Bildbearbeitungsprogrammen wäre es daher möglich, diesen grossen (dem LAB-Raum sehr ähnlichen) und geräteunabhängigen Farbraum als Modus zu verwenden. Man könnte dadurch Bilddaten direkt im früher für die Photo-CD reservierten Farbraum sichern. Bisher hat meines Wissens aber noch kein Hersteller von Bildbearbeitungsprgrammen von dieser Lizenzfreigabe Gebrauch gemacht.

 

Farbraumvergleich Links: Dreidimensionale Darstellung des sRGB-Farbraums, in welchem die meisten Bilder von Digitalkameras geliefert werden. Rechts: Dreidimensionale Darstellung des Vierfarben-Druckfarbraums PSO coated v.3 mit hell überlagertem sRGB-Farbraum. Dieser CMYK-Druck-Farbraum ist insgesamt kleiner als der sRGB-Farbraum, überragt ihn jedoch in einzelnen Farbbereichen (in dieser Ansicht im Blaubereich, in gedrehter 3-D-Ansichten auch im Grün- und Gelbbereich). All jene Farben von sRGB, welche ausserhalb des Farbbereichs von PSO coated liegen, sind zwar auf dem Bildschirm sichtbar, können dagegen nicht korrekt gedruckt werden.

 

Farbraum-Transformation

Farbvorlagen, die mit einem Scanner oder mit einer Digitalkamera eingelesen und anschliessend in einem beliebigen Druckverfahren gedruckt werden, müssen irgendwann und irgendwo in den CMYK- oder den CMY-Farbraum transformiert werden. Das muss auch dann geschehen, wenn der Anwender nicht bewusst eine Farbseparation durchführt. Auf viele Tintenstrahldrucker für die Produktion von fotorealistischen Bildern muss der Anwender seine unseparierten RGB-Bilddaten senden. Die Farbraum-Transformation geschieht in diesem Fall direkt im Druckertreiber oder in einem zwischengeschalteten RIP (Raster Image Processor).

Die Farbräume RGB und CMYK sind nicht standardisiert; Umrechnungsprogramme können daher nicht unabhängig für beliebige Anwendungsbereiche eingesetzt werden. Um eine möglichst exakte Umrechnung vornehmen zu können, muss das Umrechnungsprogramm explizit auf die Farborte des betreffenden Farbraums geeicht sein. Mit Hilfe von einfachen, linearen Gleichungen ist es möglich, RGB-Werte von Monitor- und Arbeitsfarbraum (dreieckförmiger Farbraum bei zweidimensionaler Darstellung) korrekt in XYZ-Werte umzurechnen. Dieser Algorithmus ist relativ schnell und sehr genau. Selbst nach mehrmaliger Transformation von RGB zu XYZ und zurück wird immer das gleiche Ergebnis geliefert.

Ganz anders sieht dies aber mit den sogenannten Scanner-RGB-Werten aus, das heisst mit den vom Scanner oder von der Digitalkamera gelieferten RGB-Daten. Sollen diese nach XYZ oder nach CMYK oder sogar nach 9- oder 11-Farben-Modi transferiert werden, genügt der einfache Algorithmus nicht mehr. Das gleiche gilt auch für die Umrechnung von XYZ nach CMYK. Eine einigermassen befriedigende Genauigkeit lässt sich nur mit komplexen, nichtlinearen Gleichungen erreichen, die jedoch eine hohe Rechnerleistung verlangen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, Farbtabellen zu benützen, die für eine repräsentative Anzahl Punkte im Farbraum die zusammengehörenden XYZ- und CMYK-Werte enthalten. Solche Farbtabellen werden erstellt, indem man Farbfelder (als CMYK Flächendeckungswerte definiert) im betreffenden Druckverfahren druckt und die entstehenden XYZ-Werte ausmisst und speichert. Bei der Farbraum-Transformation nach CMYK sucht das Programm für vorgegebene XYZ-Werte die nächstgelegenen Werte in der Farbtabelle und berechnet die gesuchten Werte durch Interpolation. Solche gespeicherten Tabellen bezeichnet man als Look-up Tables (LUT; CLUT).

Universeller erfolgt die Definition des Farbraums mit sogenannten ICC-Profilen. Bei diesen Profilen handelt es sich um Abweichungsbeschreibungen von einem standardisierten Farbraum. ICC-Profile (letztlich ebenfalls Look-up Tables) lassen sich nicht nur vom Bildbearbeitungsprogramm, sondern von sämtlichen Produktionsprogrammen benutzen.

 

Geräteabhängige und geräteneutrale Farbräume

Jedes in der digitalen Bildverarbeitung eingesetzte Ein- und Ausgabesystem (Digitalkamera, Scanner, Monitor und Drucker bzw. Drucksystem) hat einen eigenen, geräteabhängigen Farbraum. Geräteabhängig bedeutet, dass die zahlenmässige Beschreibung einer Farbe noch keine Auskunft darüber gibt, wie diese Farbe auf einem Ausgabesystem wirklich aussieht. Im CMYK-Farbraum beispielsweise werden lediglich die prozentualen Anteile von Cyan, Magenta, Yellow und Schwarz definiert. Die zusätzlichen Einflussgrössen auf die Farbbildung im Druck wie die spektrale Eigenschaft und die Sättigung der Druckfarben, die Färbung des zu bedruckenden Stoffs und die Tonwertabweichungen beim Druckprozess sind nicht definiert. Dies bedeutet, dass bei absolut gleichen CMYK-Werten – je nach Drucksystem – sehr unterschiedliche Farben entstehen.

Geräteabhängige Farbräume Typische geräteabhängige Farbräume sind beispielsweise der dreifarbige CMY-Farbraum bei fotografischen Farbvorlagen, der RGB-Farbraum bei Digitalkameras, Scanner und Monitor, sowie der CMYK-Farbraum beim Vierfarbendruck.

In der von einem Gerät erfassten oder ausgegebenen Farbe ist daher immer der eigentliche (prozentuale) Farbanteil zusammen mit den von Gerät zu Gerät und von System zu System unterschiedlichen, gerätespezifischen Eigenschaften enthalten. Ohne eine klare und konsequente Standardisierung ist es daher nicht möglich, das Phänomen Farbe auch nur annähernd in den Griff zu bekommen. Nur durch überlegten Einsatz eines genormten Colormanagements (CM) lassen sich die individuellen Farbsysteme und die spezifischen Eigenheiten unterschiedlicher Ein- und Ausgabegeräte einander anpassen. Das Ziel ist eine weitgehend automatisierte Reproduktion und vor allem die medienneutrale Datenspeicherung.

Um professionell mit CM-Systemen arbeiten zu können, wird ein international gültiger Standard verlangt, der ein einheitliches Datenformat der Farbprofile in allen Computerwelten garantiert. Zur Normierung ist auf Initiative der FOGRA 1992 das International Color Consortium (ICC) entstanden, bei dem die wichtigsten Hard- und Softwarehersteller mitmachen. Der ICC-Standard legt die Farbprofilstruktur fest, spezifiziert die Funktionen des Farbrechners im Betriebssystem und hofft, dass sich alle daran Beteiligten strikt an die Spielregeln halten.

Grundsätzlich versucht man mittels Colormanagement sämtliche geräteabhängigen und materialspezifischen Einflüsse zu eliminieren. Mögliche Einflüsse der Vorlage sind Art der Farben, Sättigung, Trägermaterial und Oberflächenstruktur. Einflüsse des Bilderfassungsvorgangs sind Beleuchtung, Farbfilter, Lichtsensoren und optisches System. Die Einflussfaktoren bei der Monitorausgabe sind die Technik der Bilddarstellung, die darstellbare Farbtiefe, der Kontrast, die Helligkeit, das Zielgamma und insbesondere auch das Umgebungslicht. Und schliesslich beeinflussen die verschiedenen Druckverfahren und die Art der Farbseparation das endgültige Ausgaberesultat.

Geräteneutrale Farbräume Das gewünschte Ziel ist nur zu erreichen, wenn als Referenz ein geräteneutraler Farbraum vorhanden ist, der alle wahrnehmbaren Farben enthält. Einen solchen Farbraum stellt bekanntlich das CIELAB- oder (CIE-XYZ-) Farbraumsystem dar. Colormanagemant funktioniert, wenn für alle Ein- und Ausgabegeräte deren Abweichungen von diesem idealen und geräteunabhängigen Referenzfarbraum ermittelt und in einem sogenannten Farbprofil festgehalten werden. Die für jedes Gerät mitgelieferten oder individuell erstellten Farbprofile werden an den Farbrechner abgegeben, welcher die jeweilige Transformation (Color Matching Method CMM) geräteneutral auf Betriebssystemebene ausführt.

 

Arbeitsfarbraum

Eigentlich müsste der geräteneutrale Farbraum, in dem wir unsere Bilder bearbeiten oder archivieren – wir nennen ihn deshalb Arbeitsfarbraum –  identisch mit CIELAB sein. In diesem Farbraum ist die Bildbearbeitung jedoch nicht komfortabel und in Photoshop gar nicht möglich. Aus praktischen Gründen wird daher ein RGB-Farbraum gewählt, dessen Farbumfang gross genug ist, dass darin alle Farben der späteren Ausgabemedien (Bildschirme und Druckmedien) Platz haben.

Alle Digitalkameras liefern ihre Bilder im sRGB-Farbraum. Dieser Farbraum ist für alle weiterverarbeitenden Schritte nicht übereinstimmend oder zu klein und eignet sich als Arbeitsfarbraum nur dann, wenn die Bilder ausschliesslich für die Produktion auf dem Bildschirm (Internet) vorgesehen sind. Professionellere Kameras lassen es hoffentlich zu, den Arbeitsfarbraum zwischen sRGB und Adobe RGB zu umzuschalten. Wechseln Sie unbedingt nach Adobe RGB. Dieser Farbraum liegt nahe an dem von CIE empfohlenen ECI-RGB-Farbraum. Dieser Farbraum umfasst in allen Luminanzwerten die darstellbaren Farben der Monitore und der allermeisten Drucksysteme (ohne dabei unnötig viel zu gross zu sein).

Vielleicht denkt man, ein möglichst grosser RGB-Farbraum wäre wünschenswert, weil ein solcher alle möglichen anderen Farbräume abdecken würde. Das ist jedoch eine Fehlüberlegung, weil bei der rechnerischen Transformation in deutlich kleinere Farbräume viele Farbwerte abgeschnitten oder interpretiert werden müssen und sich dadurch wieder Unsicherheiten einschleichen.

 

Farbprofile – eine Art Wäschetikette

Farbprofile enthalten Informationen über Abweichungen zum idealen und geräteunabhängigen Referenzfarbraum. Sie haben daher eine ähnliche Aufgabe wie eine Wäsche-Etikette an einem Kleidungsstück. Die Wäsche-Etikette sagt, aus welchem Material das Kleidungsstück ist, wie es zu waschen oder zu reinigen und zu bügeln ist usw. Das Arbeitsfarbraum-Profil, das einem Bilddatensatz angegliedert ist, weist das Bildbearbeitungsprogramm und das Betriebssystem an, wie das Bild auf dem Monitor – dem ebenfalls ein Farbprofil zugeordnet ist – darzustellen ist und wie es von einem ebenfalls profilierten Drucker ausgegeben werden soll. Digitale Bilddaten aus einer Zeit vor und kurz nach der Jahrtausendwende, als es noch keine verbindlichen Farbprofile gab oder ein dominierendes Betriebssystem (Microsoft) noch keine normierten Farbrechner verwendete, sind heute farbmetrisch nahezu wertlos. Es ist nicht möglich solche Daten absolut farbrichtig darzustellen. Erhält man trotzdem noch derartige Bilddaten, muss man sie rein visuell aufbereiten ohne zu wissen, wie der Fotograf die Farben bei der Aufnahme gesehen hat.

In den ersten Versionen von Photoshop wurden RGB-Bilder direkt im Monitorfarbraum bearbeitet. Mindestens seit Version 3 führte grundsätzlich jeder Moduswechsel intern über den Farbmodus LAB. Anders gesagt: Wechselte man von den ursprünglichen RGB-Daten mittels Separation in den Vierfarbenmodus CMYK, wurde den RGB-Werten intern zunächst LAB-Werte zugeordnet und diese anschliessend über Separationtabellen zu CMYK umgerechnet. Gegen dieses Vorgehen wäre nichts einzuwenden, wenn der verwendete RGB-Farbraum genau definiert und somit die Umrechnung zu LAB präzis gewesen wäre. Leider handelte es sich damals beim RGB-Farbraum aber um den Monitor-Farbraum, dessen Definition für jeden Bildschirm unterschiedlich ist. Das Resultat dieser Unzugänglichkeit liegt auf der Hand: Das gleiche RGB-Bild wurde auf jedem Rechner unterschiedlich separiert, selbst dann, wenn die Separationseinstellung dieselben waren.

Die grundlegende Umstellung der farbtechnischen Architektur der Photoshop-Version 5 war der erste Schritt in Richtung ICC-Kompatibilität und brachte natürlich eine sehr grosse Verwirrung und eine Menge sich widersprechender Empfehlungen. Aus der Überlegung heraus, dass Farbmonitore vermutlich bis in alle Ewigkeit im RGB-Farbraum arbeiten und digitale Erfassungsgeräte ebenfalls RGB-Daten und nicht LAB-Werte liefern – LAB sich jedoch als interner und geräteneutraler Farbraum als Zwischenstation für Umrechnungen nach wie vor eignet – trennte Adobe den RGB-Farbraum vom Monitorfarbraum und schuf den neuen RGB-Arbeitsfarbraum.

Der RGB-Arbeitsfarbraum, in dem die Bilddaten bearbeitet werden, beschreibt dadurch nicht mehr den Monitor, sondern einen – je nach Aufgabe – geräteunabhängigen Farbraum. Weil dieser Farbraum unabhängig vom Monitor genau und immer gleichbleibend definierbar ist, lassen sich ihm für die Umrechnung absolut exakte LAB-Werte zuordnen. Bei gleicher Separationseinstellung entsteht somit – unabhängig vom Monitor und dessen Profil – absolut identisch separierte CMYK-Daten.

Da den Eigenheiten des Monitors ein CIE-Profil zugeordnet ist, erscheinen RGB-Bilder auf jedem Rechner genau gleich (sofern für die jeweilig unterschiedlichen Monitore entsprechende CIE-Profile vorhanden sind). Durch die konsequent getrennte Unterscheidung zwischen Monitorfarbraum und Arbeitsfarbraum ist echtes Farbmanagement mit Photoshop seit Version 5 möglich geworden.

Text © by Jost J. Marchesi
Abbildungen: Archiv Jost J. Marchesi

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Am nächsten Freitag in der 9. und letzten Folge: «Farbe in der digitalen Fotografie»