Sehen und gesehen werden: Farbstandards für digitale Bildverarbeitung

Im Rahmen seines Photo-CD-Systems kündigte Kodak einen neuen Weltstandard für die digitale Farbkommunikation an: „Photo YCC“ und das „Color Management System“. Photo YCC ist ein neues Prinzip zur Bestimmung und Beschreibung von Farbräumen. Mit dem vorgestellten Color Management System wird die exakte Reproduzierbarkeit von Farbtönen unabhängig vom Ausgabesystem im Rahmen der physikalischen Grenzen sichergestellt.

Beide Ankündigungen können als Meilensteine für eine neue Generation der elektronischen Bildverarbeitung angesehen werden: Die Desktop-Farbbildverarbeitung erreicht eine neue Dimension. Farbsysteme ermöglichen es, einen subjektiven Farbeindruck als mathematisch exakte Größe (genauer: als Vektor in einem mehrdimensionalen System) zu beschreiben. Viele Jahrzehnte alt sind die Farbsysteme der CIE, bekannt unter den Kürzeln XYZ, LAB und LUV. Die Videotechnik arbeitet mit dem Farbsystem RGB (Rot Grün Blau) und Druckfachleute beschreiben einen Farbton im Vierfarbendruck anhand der vier Grundfarben des CMYK-Systems (Cyan, Magenta, Gelb und Kontrast/Schwarz). Jedes dieser Systeme definiert einen Farbraum, doch finden nicht immer alle möglichen und sichtbaren Farben ihren Platz in jedem der anwendungsspezifischen Farbsysteme. Bisher werden Koordinaten eines Systems in gewissen Grenzen mit Hilfe mathematischer Transformationen in ein anderes System umgerechnet.

Photo-YCC-Daten sind jedoch ein echter Standard, für die Farbbildkommunikation mit Computern etwa das, was der ASCII-Code für die Textverarbeitung ist. Bei einer Photo-CD werden die 24x36 Millimeter des Kleinbildformates in 2048 x 3072 Pixel in den Grundfarben Rot, Grün und Blau aufgelöst. Das 24-Bit-Foto-YCC-Farbcodierungssystem zerlegt dabei jedes Farbpixel nochmals in eine 8-Bit-Luma- (Helligkeit) und zwei 8-Bit-Croma-(Farbe) -Komponente.

Das Color Management System

Mit den Komponenten des Color Management Systems wird eine Systemübergreifende digitale Verarbeitung von Farbsignalen erreicht. Dazu zählt die schnelle Transformation der Farbkoordinaten verschiedener Farbsysteme. Es ergibt sich eine medienübergreifende Kommunikation für Farbbilder, und somit wird sichergestellt, daß die auf einem Computermonitor oder einem Fernsehbildschirm Farbbilder auch der Hardcopy eines Thermotransferdruckers, eines Farblaserdruckers oder des klassischen Offsetdruck entsprechen. Mit diesem Standard für die Farbbildverarbeitung wird erstmals das WYSIWIG-Prinzip (What You See Is What You Get) in der Farbbild Verarbeitung am Computer möglich.

Der Photo-YCC-Farbraum

Die Struktur von Kodak-YCC-Daten erlaubt eine besonders schnelle und effektive Verarbeitung von Farbbilddaten in digitalen Systemen - vom Scannen und der Speicherung über das Retrival bis zur Wiedergabe. Der Photo-YCC-Standard wird bereits von zahlreichen Unternehmen der Computer- und Publishing-Industrie unterstützt. So hat Adobe das YCC-System von Kodak in den Level 2 seiner Seitenbeschreibungssprache PostScript eingebunden und Aldus das System für seine neuesten Software-Produkte übernommen.

Neue Farbräume - neue Probleme?

Daß wir bereit sind, für ein Farbfernsehgerät einige Hunderter mehr zu bezahlen als für ein Schwarzweißfemsehgerät, zeigt wohl, daß wir unseren Farbensinn sehr ernst nehmen. Auch wirkt eine farbige Anzeige wesentlich besser als eine schwarzweiße Anzeige; zumindest kann man sich einen Versandhauskatalog in schwarzweiß wohl kaum als wirksames Verkaufsinstrument vorstellen. Auch die vielen Magazine und die Zunahme der Farbe in den Medien zeigt, daß die Farbe eine bedeutende Rolle in unserem Leben spielt.

Das Thema Farbensehen hat eine Reihe großer Denker beschäftigt - darunter Newton und Goethe, und dies in einem Maße, das in keinem Verhältnis zu dessen biologischer Bedeutung steht. Trotzdem ist Farbe noch immer schlecht verstanden -selbst unter Künstlern, Biologen, Physikern und Leuten aus dem farbreproduzierenden und farbdruckenden Gewerbe. Dieses Problem fängt bereits bei der Kindheit an: Wenn ein Kind seinen ersten Malkasten bekommt, erzählt man ihm, daß Gelb, Blau und Rot die Grundfarben sind und zeigt ihm, daß Gelb und Blau zusammen Grün ergeben. Später - beispielsweise im Physik-Unterricht in der Schule ist dann die Überraschung groß, wenn plötzlich ein gelber und ein blauer Lichtfleck aus zwei Lichtquellen teilweise übereinander projiziert im Überlappungsbereich kein Grün, sondern Schneeweiß ergeben, ganz im Gegensatz zu der Erfahrung in der Kindheit.

Die Mischung der Körperfarben nennen wir Subtraktive Farbmischung; die der Lichtfarben Additive Farbmischung. Doch dies allein schafft noch keine Ordnung, wir stehen immer wieder vor vielen „farbigen Problemen“, denn Farbe sieht jeder Mensch etwas anders und interpretiert sie durch das Medium Sprache wiederum anders. Das erlebt ständig derjenige, der zum Beispiel zwischen den Wünschen von Werbeagenturen und Repro- und Druckbetrieben steht. Dort heißt es oft: Bitte machen Sie dies freundlicher, sonniger, frischer, farbiger, luftiger, weicher, toniger, schwerer, kälter, wärmer, dünner, klarer, wuchtiger, satter, heller, dunkler, intensiver usw. Nie fällt hier eine Äußerung etwa wie diese: Diese Farbe oder dieser Ton müßte eine Wellenlänge von 564 nm (Gelbgrün) haben, denn Farbe könnte in ihrer Wellenlänge bestimmt werden. Damit sind auch alle Mißverständnisse ausgeschlossen. Arbeiten wir also mit falschen Farbvorstellungen in falschen Farbräumen?

Um dies besser zu verstehen, mag es sinnvoll sein, zu Beginn einmal zu vergleichen, wie unser Seh- und unser Hörsystem Wellenlängen verarbeitet. Das Hörsystem läßt uns Töne, das Sehsystem Farben wahrnehmen. Doch unterscheiden sich wesentlich voneinander.

Wenn man auf einem Klavier einen Akkord aus fünf Noten anschlägt, so können musikalisch geschulte Menschen ohne weiteres die einzelnen Noten heraushören und wieder Vorsingen. Die Noten werden im Gehirn nicht zusammengefaßt, sondern behalten ihre Eigenständigkeit. Beim Farbsehen wissen wir, daß es unmöglich ist, aus einer Mischung von zwei oder gar mehreren verschiedenfarbigen Lichtstrahlen durch bloße Betrachtung die Komponenten herauszufiltern.

Ein geschultes Ohr kann einen Ton in seiner genauen Wellenlänge bestimmen (z.B. Kammerton „a“). Ein Auge kann nicht so geschult werden, daß es die Wellenlänge eines farbigen Lichtstrahls definieren kann. Schallwellen einer bestimmten Kombination von Tönen regen Tausende von Rezeptoren im Innenohr an, von denen jeder auf eine geringfügig andere Tonhöhe abgestimmt ist als der nächste. Diese Reichhaltigkeit audioristischer Information liegt die Fähigkeit des Gehirns zugrunde, solche Kombinationen zu analysieren.

Beim Sehen ist dies ganz anders. Hier beruht die Informationsverarbeitungskapazität hauptsächlich darauf, daß eine Anordnung von Millionen von Rezeptoren das Bild in jedem Moment einfängt. Wir nehmen eine komplexe Umgebung wortwörtlich in einem Augenblick wahr; Bedeutend schneller als jede bisherige Hochgeschwindigkeitskamera dazu in der Lage ist. Wollen wir nun auch noch die Wellenlängen verarbeiten, so wie das Ohr das tut, müßte die Retina, die Netzhaus des Auges, nicht nur aus einem Arsenal von Rezeptoren bedeckt sein, sondern dazu noch an jedem Punkt mindestens eintausend Rezeptoren besitzen, die jeweils für eine andere Wellenlänge zuständig sind.

Dies ist physikalisch jedoch einfach unmöglich. Statt dessen geht die Netzhaut einen Kompromiß ein: Sie besitzt an sehr vielen Stellen drei Rezeptoren. Mit einem kleinen Verlust an Auflösung wird dadurch über die ganze Retina eine rudimentäre Fähigkeit zur Wellenlängenanalyse erreicht. Dadurch nehmen wir nur sieben verschiedene Farben wahr, und nicht achtundachzig, aber dafür ist jedem der vielen tausend Punkte eines Bildes eine Farbe zugeordnet. Damit ist die Kapazität der Retina erschöpft.

Das menschliche Auge besitzt drei Typen von Rezeptoren mit unterschiedlichen spektralen Empfindlichkeiten. Trotz dieser nur drei Meßzellen ist der Mensch in der Lage verschiedenste Farben wahrzunehmen. (Bei Farbenblinden funktionieren meist nur zwei Rezeptoren, so daß sie nicht tatsächlich „farbenblind“ sind, sondern nur einen Wellenlängenbereich nicht von Weiß und im Zusammenspiel mit den anderen Farben unterscheiden können.) Dieses Farbsehen entsteht durch eine neuronale Verschachtelung der drei Rezeptoren, indem sie ihre Informationen miteinander vergleichen und aus weiten. Wenn die genauen Vorgänge auch noch im einzelnen nicht klar sind, kann man schon sagen, daß an das Gehirn zwei Färb- und eine Helligkeitsinformation weitergeleitet werden.

Das Sehen von Farben ist eine sehr subjektive Sache und hängt von vielen Faktoren ab. Die bedeutendsten sind: die das Objekt beleuchtende Lichtquelle, Oberflächenflächeneffekte des Objekts. Betrachtungsgeometrie und nicht zuletzt der Mensch selbst. Damit kommt man unweigerlich zu dem Schluß, daß Farbsehen ein im Vergleich zur Wahrnehmung von Tönen verarmterSinn sein muß. Es ist also technisch sehr schwierig oder gar unmöglich den Farbeindruck richtig zu handhaben.

Jedoch, beispielsweise wenn wir farbige Drucksachen erstellen, arbeiten wir mit einem Farbraum. Er trägt die Bezeichnung CMYK und steht mit seinen Anfangsbuchstaben für die Druckgrundfarben Cyan, Magenta, Gelb und Schwarz.

Das Dreifarbensehen des Auges

Grenzen und Probleme des CMYK-Farbraumes

Mit diesem Farbraum sind alle Angehörigen des grafischen Gewerbes, Grafiker und auch viele Fotografen bestens vertraut. Doch des öfteren wird gefragt, was der Buchstabe „K“ für die schwarze Farbe bedeutet. Der Grund liegt darin, daß die Abkürzung aus dem Englischen kommt, und dort der Buchstabe „B“ bereits für die Farbe Blau (blue) reserviert ist. So kam es zum „K“ für Schwarz. Das „K“ steht hier für das englische Wort „key“ (Schlüssel), und somit für das „Skelettschwarz“.

Den größten Nachteil des CMYK-Farbraumes stellt man in der täglichen Praxis fest. Die Grundfarben, das Papier und die Druckbedingungen sind oftmals verschieden. Demnach gibt es mindestens so viele CMYK-Farbräume, wie man daraus Kombinationen schaffen kann. Im Bereich der Grundfarben gibt es in Europa die Euroskala als farbmetrischen Standard. Darauf basierend können, bezogen auf den Bedruckstoff und die Farbführung, weitere farbmetrische Eckwerte geschaffen werden, also weitere Skalen. Damit müssen wir einen CMYK-Farbraum als anwendungsabhängigen Farbraum sehen, welcher entsprechend definiert werden muß. Grundsätzlich muß auch hier erkannt werden, daß Schwarz nur eine Hilfsfarbe ist, welche die Sättigungsmängel der anderen drei Farben ausgleicht, da die Farbpigmente von CMY nicht die nötige Deckung und damit auch Bildzeichnung ergeben.

Ein weiteres Problem ergibt sich bei der elektronischen Bildverarbeitung mit diesem System. In der klassischen EBV werden die Daten des Scanners mit den Filtern Rot, Grün und Blau abgetastet. Daraus resultiert oftmals die Meinung, daß ein Scanner RGB-Werte liest. Diese Werte haben aber mit dem RGB-Signal eines Monitors nichts zu tun und werden fälschlicherweise als RGB-Werte bezeichnet. Die Grundfarben der Farbauszüge in der Fotografie sind CMY und werden mit den besagten Filtern erstellt. Der Scanner liest also, genauer gesagt, unkorrigierte CMY-Farbauszüge, welche dann durch den Farbrechner gewisse Korrekturen erfahren können, im CMYK-Farbraum berechnet und als solche belichtet oder als digitale Daten auf einem Speichermedium abgelegt werden.

Das Problem, das sich hierbei nun ergibt, ist die Darstellung der 4 Farben auf einem Monitor im RGB-Farbraum. Diese Umrechnung ist nicht exakt möglich, da der Monitor nur drei Farben darstellen kann, also ohne Schwarz. Dadurch ergibt sich das EBV-Anwendern bekannte Problem, daß der Dreiviertelton und die Tiefen eine unbefriedigende Darstellung ergeben. Besonders dunkle Farben sind sehr schwer vom Schwarz trennbar. Der mathematische Aufwand für solch eine Berechnung ist relativ hoch und damit schnell unwirtschaftlich. Man muß Kompromisse eingehen.

Aber dieses System hat auch einen Vorteil; druckspezifische Bedingungen können recht früh mit einbezogen und so besonderen Kundenwünschen angepaßt werden. Aber dies setzt bereits bei der ersten Komponente dieses Systems das Wissen um diese Bedingungen der letzten Komponente Druck voraus. Damit ist dieses System nur in sich geschlossen sinnvoll einzusetzen. Aber welche Möglichkeiten haben wir die Sache zu erleichtern?

Weitere Farbräume

Gehen wir nun nochmals auf unsere drei Rezeptorengruppen im Auge zurück. Man könnte das Auge in dieser Hinsicht mit einer Fernsehkamera vergleichen, die je ein rot-, grün- und blauempfindliches Aufnahmelement besitzt. Die Rezeptoren reagieren ähnlich, aber deren Signale werden nicht mit RGB wie die der Fernsehkamera bezeichnet, sondern mit XYZ. Der große Unterschied liegt nun darin, daß die Sinnesempfindungen des Auges nicht nach Rot-, Grün- und Blauanteilen klassifiziert wird, sondern nach den Größen: Farbton, Helligkeit und Sättigung. Dies hat im Jahre 1905 bereits Albert Munsell erkannt und ein Farbordnungssystem geschaffen, das eine möglichst gute Gleichabständigkeit anstrebt und dem menschlichen Empfinden möglichst nahe kommt. Dieser „Munsell-Baum‘‘ ist heute noch vielfach in der Farbenlehre im Einsatz.

Aber wie schon einmal erwähnt, sieht jeder Mensch Farben etwas anders. Deshalb hat man im Jahre 1931 Standardempfindlichkeitskurven definiert. Diese Normierung setzt voraus, daß der Mensch eine normierte Augenempfindlichkeit hätte, und diesen sehnormierten Menschen nennt man CIE-Normalbeobachter. Dieses System hat aber einige erhebliche Nachteile in der Anwendung, denn es ist sehr schwierig zu lesen und dessen Werte zu beschreiben, so daß die XYZ-Werte des menschlichen Sehens in ein wesentlich anschaulicheres Diagramm übertragen wurde: die XY-Farbtafel.

Diese Farbtafel stellt einen zweidimensionalen Farbraum dar. Die xy-Werte ergeben zusammen die Information über den Farbton und dessen Sättigung. Sie geben uns keinen Aufschluß über deren Helligkeit. Deshalb liegen alle Grauwerte, also alles zwischen Schwarz und Weiß, auf nur einem einzigen Punkt. Ein weiterer Nachteil dieser Tafel besteht darin, daß Farben, welche man gleich unterschiedlich empfindet, diesem Diagramm nicht die gleichen Abstände besitzen. Aus diesem Grund wurde die uv-Farbtafel geschaffen.

Das CIELUV- und CIELAB-System

Die uv-Tafel ist Bestandteil des CIELUV-und CIELAB-Systems. Das CIELAB-System wird heute bei den meisten Farbmeßgeräten zur Bestimmung von Farbunterschieden eingesetzt. Es bietet eine gute Umrechnung der Werte aus dem XYZ-System, wobei die Gleichabständigkeit der Farben etwas leidet. Das L steht hierbei für die Helligkeitsachse, und die Koordinaten ab bilden den Farbkreis. Da dieses System so weit verbreitet ist, werden Spezifikationen über Farben meist auf Basis der CIELAB-Werte beschrieben. Mit dieser Möglichkeit der Farbmessung und Bestimmung hat der Anwender ein geräteunabhängiges Tool, das viele Vorteile bietet:

Kodak nutzt diesen Farbraum, um die Farbverarbeitung im DTP/DTR-(DTR = Desk-TopRepro)Bereich zu standardisieren und für den Anwender zu vereinfachen. Als Voraussetzung benötigt man einen Monitor, der auf Tageslicht kalibrierbar ist. Kodak hat dazu Entwicklungsarbeit geleistet und in der Sun Sparc IV/300, dem Rechner der Prophecy Color Workstation, Rechnerkalten installiert, welche die Kalibration und Farbraumsteuerung sicherstellen.

Im ersten Schritt benutzt man ein Thoma Monitormeßgerät, um den Monitor auf 6500 Grad Kelvin (Tageslicht) in der Graubalance manuell zu justieren. Anschließend startet man mit Prophecy ein Programm, das eine Reihe von Grautönen auf den Monitor spielt und es mit den Meßwerten des Thoma Meßgerätes vergleicht. Damit wird der Monitor in seiner Gradation geeicht, um alle Stufen und besonders die Licht- und Tiefenzeichnung optimal wiederzugeben. In der Folge spielt dann das Programm viele Grund- und Mischfarben ein, um sie auf die richtige Wellenlänge zu justieren. Damit erreicht man eine optimale Wiedergabe von Graustufen und den Farbwerten, wie sie das menschliche Auge nach CIE-Normalbeobachter sehen würde.

Diese Referenz des Monitors zur CIE-Norm und deren Umrechnung in Druckwerte, wenn ein Bild zur Ausgabe kommt, erleichtern Retuschearbeiten am Monitor erheblich. Wie an einem Scanner, wenn ein Dia eingestellt wird, kann man die Ausgabeprozente abfragen, ohne daß die Daten erstellt wurden. (Ein Digital-Scanner errechnet nach der Bildeinstellung seine Look-Up-Tables/den korrigierten Farbraum in ca. 1 Minute, bevor er belichtet). Gleiches kann man an der Kodak-Workstation machen, wenn man nicht nur unter Sicht arbeiten will; die Druckwerte abfragen, egal ob mit UCR oder Unbunt, alles wird genau angezeigt.

Der nächste Schritt ist die Kalibration des Scanners, denn jeder Scanner (Fotomultiplayer oder CCD) arbeitet unterschiedlich, und auch verschiedene Scan-Software kommt zu verschiedenen Ergebnissen. Dazu hat Kodak das Input-Calibration-Kit und weitere Software für den Apple Macintosh entwickelt. Was nun noch fehlt, ist eine gute Proof-Monitor-Referenz, so daß die meisten Vorlagen tatsächlich auf Sicht korrigiert werden können; denn ein weißer Rand am Monitor gibt zusätzliche Referenz, ob Weißteile schon ausbrechen oder noch einen Punkt haben.

Soweit ein kleiner Einblick in die Welt der Farbstandards. Für tiefergreifende Informationen sollte auf die entsprechende Fachliteratur zurückgegriffen werden.

JH

Info-CD

Ein Teil der in diesem Bericht abgedruckten Informationen stammt aus der Textdatenbank, die beim Fachverlag Peter Walz erhältlich ist.

Mit dem Photo-CD-Info-Dienst bietet der Fachverlag Peter Walz einen neuartigen Informations-Service zum Kodak-Photo-CD-System an. Das Ziel dieser Initiative ist es, einen umfassenden und individuellen Service für den praktischen Einsatz dieses neuen Speicher-, Reproduktions- und Informations-Mediums zu bieten.

In einem Service-Paket gibt es dazu unter anderem einen regelmäßig erscheinenden Newsletter für das Photo-CD-System mit aktuellen Berichten aus der täglichen Praxis mit dem neuen System, ein Fachbuch zur Einführung, eine Disketten-Textdatenbank mit Hintergrundwissen, technischen Daten, Tabellen, Tricks und Tips sowie eine Service-FAX Hotline als Hilfestellung bei Fragen und Problemen.

Für die Zukunft sind Workshops zum Photo-CD-System, Anwendertreffs, Muster-Photo-CDs, Software-Proben und weitere Unterstützung für die tägliche Arbeit mit der goldenen Scheibe in Vorbereitung.

Die Teilnahmebedingungen für den Photo-CD-Info-Dienst kann man beim Fachverlag Peter Walz anfordern.

Fachverlag Peter Walz, Postfach 110669, 10836 Berlin

Literaturempfehlungen:

„Die Farbenlehre der Fernseh-, Foto- und Drucktechnik“; Harald Küppers;
DuMont-Buchverlag Köln;
ISBN 3-7701-17269-3

„Colour Proof Correction - Question an Answerbook“;
David Bann & John Gargan;
Phaidon Press Ltd.; ISBN 0-7148-2663-4



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