Farben verstehen und messen

Was wir als Farben bezeichnen, ist ganz drastisch bezeich­net nichts weiter als ein Hirngespinst. Unsere menschliche Physiologie ist darauf abgestimmt, mit den Augen einen sehr begrenzten Ausschnitt des elektromagnetischen Spek­trums wahrnehmen zu können. Diesen Sinneswahrneh­mungen ordnet unser Gehirn gewisse Wahrnehmungen zu, denen wir dann einen Namen geben, um uns mit den Mit­menschen darüber verständigen zu können.

Wenn wir uns theoretisch mit Farbe beschäftigen, stoßen wir schnell auf zwei grundlegende Arten der Farbmischung, die sich dadurch unterscheiden, ob Licht erzeugt oder gefiltert wird.

Bei der additiven Farbmischung werden Lichtquellen wie im Bild oben kombiniert: Rot, Grün und Blau ergeben zusammen Weiß. Je mehr Licht hinzukommt, desto heller wird das Ergebnis. Dieses Prinzip nutzt alles, was selbst leuchtet, also beispielsweise Monitore, LED-Wände und LED-Licht. Für den Film- und Fernsehbereich ist das die wichtigere Variante.

Doch auch die subtraktive Farbmischung ist für uns von Bedeutung. Sie kommt bei Pigmenten oder Filtern zu Zuge. Hier führt jede zusätzliche Farbe zu weniger Licht: Cyan, Magenta und Gelb ergeben zusammen Schwarz. Dieses Prinzip gilt für Druckfarben, Gels oder Filter, also alles, was Licht absorbiert.

Farbraum CIE 1931

Weil Farbe nicht objektiv existiert, sondern im Gehirn entsteht, brauchen wir definierte Modelle, um Farbe messbar, vergleichbar und anwendbar zu machen. Ohne solche Modelle wäre Farbe in der Bildtechnik nur ein Gefühl, aber keine verlässliche Größe.

In den 1920er Jahren führte daher die Commission Internationale de l’Éclairage (CIE) mit normierten Testpersonen Experimente durch: Man ließ sie Farbmischungen aus roten, grünen und blauen Lichtquellen vornehmen, bis sie eine definierte Ziel-Farbe auf einem Referenzfeld nachmischen konnten. Aus tausenden solcher subjektiven Einschätzungen entstand ein mathematisches Modell, das festhält, wie der Mensch Farben wahrnimmt.

Das Ergebnis war 1931 der erste international genormte Farbraum auf Basis menschlicher Farbwahrnehmung. Er nutzt die Parameter x und y, die aus den ursprünglichen drei Farbvalenzen X, Y, und Z berechnet werden, um jede sichtbare Farbe als Punkt in einem zweidimensionalen Diagramm darzustellen. Die Hufeisenform zeigt das sichtbare Spektrum, also alle Farben, die wir wahrnehmen können. Am Außenrand sind die Spektralfarben zu finden.

Der CIE-1931-Farbraum ist bis heute die Basis für Farbräume wie Rec. 709, DCI-P3 oder Rec. 2020. Diese Farbräume definieren jeweils ein Dreieck innerhalb des CIE-Diagramms.

Rec. 709

Rec. 709 ist der standardisierte Farbraum für HDTV, eingeführt 1990 von der International Telecommunication Union (ITU-R). Der Begriff ist die Kurzform von „ITU-R Recommendation BT. 709“. Rec. 709 definiert nicht nur ein festes Primärfarb-Dreieck im CIE-1931-Diagramm, sondern auch die zugehörige Transferfunktion, die Weißpunktdefinition (D65) und die Matrix zur Umrechnung von RGB in die Komponentensignale YCbCr.

Rec. 709 beschreibt somit den Farbraum aller klassischen HD-Produktionen, seien sie für Fernsehen, Streaming oder Web. Wer für HD-Mastering oder SDR-Fernsehen arbeitet, bewegt sich fast immer innerhalb von Rec. 709.

Vor Rec. 709 gab es keinen einheitlichen digitalen Farbraum, sondern analoge Standards mit eigenen Farbwiedergabe-Eigenschaften. Analoge Farbfernsehformate wie PAL, SECAM oder NTSC arbeiteten mit spezifischen Farbdarstellungen, die je nach Signalweg, Bildschirmtyp und Übertragung durchaus differierten. Ein direkter Vorläufer im digitalen Bereich war Rec. 601, das den Farbraum für SD bei Anwendungen wie DVD oder frühem Digitalfernsehen festlegte.

Rec. 2020

Mit dem Übergang von HD zu UHD wuchs nicht nur die Auflösung, sondern auch die Anforderungen an Farbe, Dynamikumfang und Farbtiefe wurden größer. Das machte es nötig, Rec. 2020 als Nachfolger von Rec. 709 zu definieren und so den aktuellen und zukünftigen Anforderungen des digitalen Bildes gerecht zu werden.

Dementsprechend definiert der 2012 von der ITU-R als Recommendation BT. 2020 veröffentlichte Standard Rec. 2020 einen deutlich erweiterten Farbraum für Ultra High Definition. Im Vergleich zu Rec. 709 umfasst er deutlich weiter gefasste Primärfarben im CIE-Diagramm und deckt dabei rund 76 Prozent des sichtbaren Farbspektrums ab, während Rec. 709 bei etwa 36 Prozent liegt. Rec. 2020 erlaubt statt der 8 Bit bei SDR nun Farbtiefen von 10 oder 12 Bit pro Kanal und ist auf Auflösungen bis 8K sowie Bildfrequenzen bis 120 Hz ausgelegt.

Auch bei der Helligkeitskurve geht Rec. 2020 neue Wege: Statt einer klassischen Gammakurve nutzt der Standard Transferfunktionen wie HLG oder PQ, die dann in Rec. 2100 genauer spezifiziert werden.

Für die Praxis bedeutet das: Wer in Log aufzeichnet, für HDR mastert oder farbgenau arbeiten will, muss wissen, in welchem Farbraum er sich bewegt – sonst bleibt das kreative Potenzial moderner Kameras ungenutzt. [15557]

XYZ vs. RGB: Was ist der Unterschied?

Die Farbvalenzen X, Y und Z wurden 1931 definiert, um die gesamte menschliche Farbwahrnehmung mathematisch abzubilden, inklusive Farben, die mit realem Licht nicht mischbar sind. Es handelt sich daher um theoretische Primärfarben, mit denen sich aber jede sichtbare Farbe beschreiben lässt. Die Y-Komponente steht dabei näherungsweise für die Helligkeit und ist deshalb wichtig für Bildtechnik und Wahrnehmung.

Die Farbvalenzen RGB hingegen basieren auf real existierenden Lichtquellen und bilden insofern nur einen Teil des sichtbaren Farbraums ab. Die Größe und Lage dieses Teilbereichs ist je nach gewähltem Standard wie etwa Rec. 709 oder Rec. 2020 unterschiedlich.

Die Werte für x und y im CIE-Diagramm berechnen sich durch

x = X / (X + Y + Z)
y = Y / (X + Y + Z)

Wenn x und y bekannt sind, ergibt sich z aus

z = 1 – x – y

Deshalb muss z im x-y-Diagramm nicht eigens dargestellt werden, denn der Wert ist durch die Gleichung oben mathematisch bereits enthalten. In der Praxis spielt z nur dann eine Rolle, wenn man zurück in den vollständigen XYZ-Farbraum möchte, etwa zur Umrechnung in andere Farbsysteme.