Mehr Farben: Farbprofil-Grundlagen
Das Arbeiten mit Farbprofilen besteht aus drei unter Win, Mac und Linux fast gleichen Schritten. Die größte Umstellung: Nur noch profilfähigen Anwendungen nutzen.
Hintergrund: Farbräume
In gewisser Hinsicht existieren in der realen Welt gar keine Farben, sondern unser Gehirn bastelt sich aus einem kleinen Wellenbereich des Lichts einen Eindruck von Farbe, Helligkeit und Sättigung. Den Zusammenhang zwischen der Spektralverteilung des Lichts und der wahrgenommenen Farbe beschreiben die Farbmodelle, auch Farbräume oder Farbvalenzsysteme genannt.
Das Auge nimmt Licht mit drei S, M und L genannten Zapfen wahr. Ihre Arbeitsweise führt zu einigen komplizierenden Effekten: Licht einer Wellenlänge (monochromatisches Licht, die Spektralfarben) reicht nicht aus, um alle wahrgenommenen Farben darzustellen, sondern einige Farbeindrücke wie Braun oder Purpur entstehen erst durch das Mischen verschiedener Wellenlängen.
Zweitens lässt sich eine Farbe durch mehrere verschiedene Spektralverteilungen ausdrücken, die wir nicht voneinander unterscheiden können (Metamerie). Beispielsweise meldet in obigem Bild das L-Zäpfchen für Licht der Wellenlängen A und B das Gleiche. Erst diese Eigenschaft ermöglicht überhaupt Monitoren und Druckern (und Malern und Textilfärbern und und und ...), Mischfarben aus einem Stock von Grundfarben zu erzeugen.
Auch lässt sich kein gleichmäßiger oder harmonisch empfundener Abstand zwischen Farben über die Wellenlänge oder Spektralverteilung modellieren, sondern das erfordert ein dreidimensionales, empfindungsorientiertes Farbmodell. Das erste Modell dieser Art erschuf 1810 Philipp Otto Runge.
Inzwischen existieren mehrere Farbräume, die sich entweder an der Farbwahrnehmung oder Farbreproduktion orientieren. Sie alle beschreiben die Gesamtheit der wahrnehmbaren Farben und lassen sich einigermaßen verlustfrei ineinander umrechnen. Der physiologisch nächstliegende ist der LMS-Farbraum, der die Reizung der drei Zapfen als Bezugswerte nimmt. Ein weiterer physiologischer Farbraum ist L*a*b, der die Zusammenschaltung der Zapfen berücksichtigt und mit den Bezugswerten Helligkeit, Grün+Rot-Wert, Blau+Gelb-Wert arbeitet. Noch näher an der Farbwahrnehmung arbeitet der HSV-Farbraum mit den Bezugswerten Farbton (Hue), Sättigung (Saturation) und Hellwert (Value).
Mit der Reproduktion von Farben durch Mischen von mindestens drei Grundfarben beschäftigen sich die RGB- (additive Mischung aus Rot, Grün und Blau v.a. bei Monitoren) und CMYK-Räume (subtraktive Mischung aus mindestens Cyan, Magenta und Yellow v.a. bei Druckern). Weitere Farbmodelle samt Anwendung sind hier aufgeführt.
CIE-Normvalenzsystem
Für viele Anwendungen, darunter auch die Profilierung von Monitoren, hat sich das CIE-Normvalenzsystem mit seinem charakteristischen Hufeisen- oder Schuhsolendiagramm durchgesetzt. Es ist eine Weiterentwicklung des LMS-Farbraums und beruht auf geglätteten Absorptionskurven der Zapfen. Damit nutzt es zwar nicht existierende, virtuelle Zapfen, aber das ist insofern egal, als dass jedes Farbmodell aus drei (hinreichend geschickt gewählten) Größen in der Lage ist, alle wahrnehmbaren Farben abzubilden.
Der Trick dieses Systems besteht darin, die Gerade mit den Wellenlängen und Spektralfarben so zu krümmen, dass dazwischen die Mischfarben entstehen. Die Form der Krümmung ergibt sich einerseits aus experimentellen Untersuchungen unserer Farbwahrnehmung und andererseits aus der Festlegung der drei idealisierten Absorptionskurven. Man findet im Hufeisen alle wahrnehmbaren Farbtöne, wenn auch nicht in allen Helligkeiten – das ist die dritte, in der Projektion fehlende Dimension.
Achtung aber: Kein Monitor und kein Drucker (und damit kein Buch) ist in der Lage, alle wahrnehmbaren Farben tatsächlich darzustellen. Das obige Bild zeigt daher nur ungefähr innerhalb des eingezeichneten Dreiecks die korrekten Farben, das weitere Ansteigen der Sättigung bis zum Hufeisenrand muss man sich dazu denken. Oftmals fehlt die Farbfüllung daher bei diesen Diagrammen ganz, damit gar nicht erst falsche Vorstellungen entstehen.
Die Krümmung ist ein rein mathematisches Konstrukt. Die Fläche unterhalb der Geraden (Purpurgerade genannt) enthält in gewisser Hinsicht vom Menschen nicht wahrnehmbare Spektralverteilungen, doch die Fläche außerhalb der Kurve hat keine physikalische Entsprechung. Farbtöne sind Punkte mit zwei Koordinaten von 0 bis 1, beispielsweise ist 0,7/0,28 ein starkes Rot. Rein rechnerisch sind auch Farben außerhalb des Hufeisens möglich, und tatsächlich benutzt man diese sozusagen imaginären Farben für einige Zwecke.
Farbräume vorstellbar
Ein Vorteil der CIE-Darstellung ist, dass man sich die Farbräume von Monitoren als Dreieck vorstellen kann, das aus dem stärksten darstellbaren Rot, Grün und Blau aufgespannt wird. Druckerfarbräume sind Vielecke mit unter anderem den Druckfarben als Ecken. Weil die Helligkeit dabei keine Beachtung findet, stimmt diese Vereinfachung nicht so ganz, reicht aber für ein Verständnis von Farbräumen.
Oben sind einige Farbräume als Dreieck eingezeichnet. Das schwarze ist sRGB – recht klein. Herkömmliche Monitore (blau) zeigen besonders im Grün etwas weniger Farben an, normale Notebooks (grün) sind in allen Grundfarben deutlich eingeschränkt.
Viel kräftiger sind die neuen Wide-Gamut- (orange) und RGB-Backlight-Panels (rot). Sie zeigen weit mehr Farben, als man mit sRGB darstellen könnte, sodass man einen größeren Farbraum benötigt, beispielsweise AdobeRGB (grau). Nicht eingezeichnet: Moderne Drucker können auch mehr als sRGB, vor allem im Cyan und Gelb. AdobeRGB deckt diese Farben ab, die farbstarken Monitore können sie fast komplett darstellen. Eine Beschreibung einiger Arbeitsräume gibt es hier, etwa ausführlicher mit Diagrammen und Listen der Eckkoordinaten hier.
Wer mag: noch mehr Details
Die Zapfen sind nicht gleichmäßig auf der Netzhaut verteilt, sondern nehmen zum Rand ab. Die CIE-Kurve gilt daher streng genommen nur für einen bestimmten Blickwinkel, und zwar 2°. Schon die 10°-Kurve würde deutlich abweichen. Die Untersuchungen stammen aus den Jahren 1928 und 1931 und gelten daher als recht fehlerbehaftet, was aber für die Praxis keine Rolle spielt. Neben den Zapfen haben wir auch Stäbchen auf der Netzhaut, die für das Sehen im Dunkeln (unter 0,1 cd/m²) zuständig sind. Da alle Stäbchen den gleichen Absorptionsbereich (etwa bei blaugrün) haben, können wir damit keine Farben erkennen.
Es gibt verschiedene Farbfehlsichtigkeiten, die auf Defekte der Zapfen zurückzuführen sind, darunter die Rot-Grün-Sehschwäche (hier eine Simulation), bei der L- und M-Zapfen den gleichen Reiz weitergeben oder eine Art ganz fehlt. Umgangssprachlich nennt man das Farbblindheit, obwohl es auch den sehr seltenen Fall gibt, dass wirklich alle drei Zapfentypen fehlen. Es gibt Hinweise, dass einige wenige Menschen vier Zapfentypen haben und dadurch mehr Farben unterscheiden können.
Ob und wie Tiere Farben wahrnehmen, liegt außerhalb unserer Vorstellungskraft. Bekannt ist nur, wie viele Zapfentypen mit welchen Absorptionsbereichen sie haben, und es gibt viele Experimente dazu, wie sie auf verschiedene Farben reagieren. Einige Tiere zeigen dabei durchaus ein Verhalten, dass sich durch eine Farbwahrnehmung erklären lässt. Vögel und fast alle Fische haben vier Zapfentypen, die sowohl einen größeren Wellenlängenbereich als unsere abdecken, als auch die Unterscheidung von mehr Farben erlauben. Zu den Rekordhaltern gehören wohl die Fangschreckenkrebse mit bis zu 12 Zapfentypen, und auf der anderen Seite einige Fischarten ganz ohne Zapfen, die per Stäbchen nur Helligkeitsstufen erkennen können. Hunde haben übrigens wie Mäuse zwei Zapfentypen für Blau und Grün, dürften also eine ähnliche Farbvielfalt wie Rot-Grün-Blinde auseinander halten können.
Die vielleicht wichtigste Einsicht zum Verständnis der Farbprofile: Der RGB-Farbcode, in dem die meisten Digitalfotos abgespeichert sind und der Farben als Tripel aus Rot-, Grün- und Blauanteil darstellt, beschreibt keine absoluten Farben. Viele Anwender glauben, dass beispielsweise ein Rot, codiert als 255/0/0, ein bestimmtes Rot sei, das überall gleich aussehen müsse. Doch das ist falsch. Wenn man 255/0/0 an einen Monitor schickt, bekommt man dessen stärkstes Rot, und das ist kein bisschen genormt, sondern mal kräftiger oder blasser, mal leicht Richtung Orange oder Violett verschoben. Diese Annahme würde nur funktionieren, wenn alle Monitore die gleichen Farben anzeigen würde – und das tun schon bisherige Monitore nicht. Weil die Abweichungen aber in meist vertretbaren Rahmen liegen, kommen Farbprofile nur dann zum Einsatz, wenn höchste Farbtreue notwendig ist.
Nun jedoch erscheinen mehr und mehr Monitore und Notebooks mit größerem Farbraum für vergleichsweise wenig Geld, auf denen Fotos, obwohl sie viel kräftigere Farben präsentieren, deutlich schlechter aussehen als auf normalen Monitoren, nämlich unnatürlich überstrahlt und übersättigt. Wide-Color-Gamut (WCG) oder RGB-LED-Backlight heißen diese Techniken, oftmals findet man auch Angaben wie über 100% des NTSC-Farbraums oder nahezu 100% des AdobeRGB-Farbraums. Damit die intensiveren Farben tatsächlich zu schöneren Fotos führen, muss sich der Besitzer mit Farbprofilen und dem Kalibrieren des Monitors auseinandersetzen.
Der Aufwand lohnt sich auch für Anwender mit normalen Monitoren, denn die etwas besseren stellen auch schon kräftigere Farben als die Billigklasse dar. Ein Schritt lohnt sich auf jeden Fall auch auf unprofilierten Systemen: Der Umstieg auf Software, die mit eingebetteten Profilen umgehen kann, beispielsweise auf die Browser Safari oder Firefox.
Grundlagen-Crashkurs
Beim Arbeiten mit Farbprofilen schickt der Rechner den RGB-Wert nicht mehr direkt an den Monitor, sondern rechnet ihn um: zuerst unter Berücksichtigung des Ausgangsprofils in einen absoluten Farbwert, dann unter Berücksichtigung des Monitorprofils wieder in einen RGB-Wert, den der Rechner dann an den Monitor ausgibt. Wie dieser absolute Farbwert aussieht und was es mit Farbräumen auf sich hat, beschreibt rechts der Text.
Der Rechner muss zwei Profile kennen, nämlich das des Fotos und das des Bildschirms. Die Profile werden in ICC-Dateien gespeichert, die zwischen den Betriebssystemen austauschbar sind. Sie enthalten eine Beschreibung des Farbraums, den das Gerät darstellen kann oder das Foto nutzt. Die meisten Monitor- und Arbeitsfarbräume sind vereinfacht gesprochen Dreiecke aus dem stärksten darstellbaren Rot, Grün und Blau (siehe rechts "Farbräume vorstellbar").
Das Bildschirmprofil bekommt man entweder vom Hersteller oder erstellt es sich mit einem Messgerät (sogenannte Colorimeter) selbst. Mit dem Auge lässt sich das Bildschirmprofil nicht erzeugen, auch Tools wie Adobe Gamma oder das Kalibrierungs-Tool von Windows 7 eignen sich dafür nicht.
Das Farbprofil des Fotos muss im Foto gespeichert sein, die Möglichkeit dazu bieten fast alle Formate wie JPG, PNG oder TIFF. Entweder speichern sie nur den Name des Profils in den EXIF-Daten oder enthalten sogar ein komplettes ICC-Profil. Vielen Fotos fehlt allerdings die Profilangabe, und GIFs ist sie gar nicht möglich. Der Rechner hat dann zwei Möglichkeiten, entweder verzichtet er auf das Umrechnen und schickt die RGB-Werte unverändert an den Monitor, oder er nimmt ein Standard-Profil an – meist sRGB, was halt ungefähr dem Farbraum bisheriger Monitore entspricht.
Das große Problem bei diesem Umrechnen: Das Betriebssystem kann es nicht von sich aus durchführen, weil es nicht weiß, welche Teile der Anwendungen mit welchem Ausgangsprofil oder überhaupt profiliert darzustellen sind. Daher muss jede Anwendung für sich selbst sorgen und dem Betriebssystem sagen, welche Teile mit welchem Profil darzustellen sind.
Es gibt also profilfähige Anwendungen und solche, die es nicht sind, die also auch bei korrekt installiertem Bildschirmprofil falsche Farben anzeigen – und das gilt für Windows, Mac OS und Linux. Zudem unterscheiden sich die Anwendungen darin, wie sie Fotos ohne Profil behandeln und leider auch darin, wie sie sich auf Systemen mit zwei unterschiedlichen Monitoren verhalten. Bei Bildbearbeitungen und -verwaltungen kommt zusätzlich die Eigenschaft hinzu, ob und wie sie das Umrechnen in andere Farbräume unterstützen, vor allem beim Druck.
Alle halbwegs modernen Bildbearbeitungen und -verwaltungen kommen mit Farbprofilen zurecht, aber nur wenige Bildbetrachter. Unter den Browsern sind es wie gesagt nur Firefox und Safari (obwohl sich die Chrome-Entwickler der Problematik durchaus bewusst sind, siehe hier und hier). Einige PDF-Viewer machen es richtig, darunter der Adobe Reader. Profilfähige Textverarbeitungen haben wir nicht gefunden.
Die drei Schritte
So kompliziert das auch anfangs klingt, besteht das profilierte Arbeiten im Wesentlichen aus drei dann doch recht einfachen Schritten:
- Ihr besorgt euch das richtige Monitorprofil oder erstellt es mit einem Colorimeter selbst. Dann bindet ihr es ins Betriebssystem ein.
- Ihr nutzt für alle Arbeiten mit Fotos nur noch Anwendungen, die mit Farbprofilen korrekt umgehen können.
- Falls ihr Fotos weitergebt oder im Internet veröffentlicht, macht ihr euch Gedanken über den Farbraum.
Leider muss man zusätzlich ständig ein Auge auf die ganze Geschichte werfen, weil ein paar fiese Fallstricke lauern. Mehr dazu in den nächsten Kapiteln, die ich voraussichtlich im Lauf des Januars 2010 fertig habe.
Weiterführende Informationen:
- Einen ausführlicheren Artikel dazu haben Kollege Stefan Porteck und ich in c't 23/09 veröffentlicht. Ein Auszug davon steht hier online. In dem Heft findet ihr auch eine Übersicht von farbstarken Monitoren und Notebooks.
- Etwas Praxis gab es schon in c't 9/09, auch wieder mit Online-Auszug. Die Colorimeter hatte Stefan Porteck in c't 12/09 getestet.
- Die Wikipedia zu Farbmanagement, interessant auch die Links dort am Artikelende.
- Die Anwendungen müssen die Umrechnung der Fotos nicht selbst durchführen, sondern können auf Werkzeuge des Betriebssystems zurückgreifen. Einige wenige Anwendungen verlassen sich darauf nicht, sondern bringen ihr eigenes Farbwerkzeug (CMM, Color Management Module) mit. Unter Windows kümmert sich das Windows Color System (WCS) um die Farben, bei Mac OS ist es ColorSync. Unter Linux gehört meines Wissens nach kein CMM zum Standardlieferumfang der Distributionen, laut Wikipedia gibt es aber zwei.
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