Warum verbrauchen Farbräume nicht das gesamte Farbspektrum?

Schauen Sie sich das CIE 1931-Farbtondiagramm mit dem sRGB-Farbraum an. Warum werden bestimmte Farben absichtlich aus Farbräumen herausgelassen, wie Sie unten sehen? Warum nicht einfach alle Farben einbinden?

sRGB ist ein Farbraum, der 1996 von HP und Microsoft entwickelt wurde. CRT-Monitore waren weit verbreitet und daher basierte sRGB auf den Eigenschaften dieser Monitore. Eine gute Zusammenfassung der Geschichte und der Gründe finden Sie hier .

Die Farbortkoordinaten und verfügbaren Farben wurden anhand dessen ausgewählt, was die in CRTs verwendeten Leuchtstoffe damals produzieren konnten. Bedenken Sie, dass weder Drucke noch TFT- oder CRT-Monitore das gesamte Spektrum des sichtbaren Lichts abbilden können.

Ein Programm auf einem PC oder einer Kamera, das / die einen Monitor steuern möchte, verwendet diskrete Werte. Wenn Sie einen größeren Farbraum verwenden, werden die Schritte zwischen verschiedenen Farben grob, es sei denn, Sie verwenden einen größeren Datentyp (Beispiel: Adobe RGB mit 8 Bit). Während Bildinformationen in einem größeren Farbraum mit einem größeren Datentyp mehr Speicher benötigen und mehr Rechenleistung benötigen (Beispiel: Adobe RGB mit 16 Bit). Dieser digitale Wert wird zu einem bestimmten Zeitpunkt in ein analoges Signal (normalerweise eine Spannung) und dann in etwas Sichtbares umgewandelt (für CRTs: ein phosphoreszierender Bildschirm, der durch beschleunigte Elektronen angeregt wird).

Die Auflösung für die Umwandlung eines digitalen Eingangs in ein analoges Signal ist aufgrund der Kosten, der Größe und der Technologie eine weitere Grenze.

Die Anpassung von sRGB an CRT-Monitore ermöglichte damals eine gute Auflösung zwischen den Farben bei gleichzeitiger Minimierung der Hardwareanforderungen.

Das CIE 1931-Farbtafel zeigt alle Farben, die das durchschnittliche menschliche Auge sehen kann. Nur weil diese Farben vom durchschnittlichen menschlichen Auge wahrgenommen werden können, bedeutet dies nicht, dass alle Technologien alle möglichen Farben erzeugen können , die das durchschnittliche Auge möglicherweise sehen kann. Während kein Tristimulus-Modell die gesamte Bandbreite der menschlichen Farbwahrnehmung abdecken kann, decken die verschiedenen RGB-Farbmodelle einen sehr großen Bereich der menschlichen Farbwahrnehmung ab.

Beachten Sie, dass es sich bei dem Diagramm, das Sie gepostet haben, und bei jedem CIE-Diagramm, das Sie auf einem Computer haben, nur um ein Modell handelt. Die tatsächlichen Farben im Diagramm außerhalb des sRGB-Diagramms werden tatsächlich durch einen RGB-Wert in der Bilddatei dargestellt. Das "reine Grün" am oberen Rand des beschrifteten sRGB-Diagramms ist jedoch nicht das "reine Grün" von sRGB (dh es ist kein [R, G, B] -Wert von [0,0, 1,0, 0,0]). Das Diagramm ist nur ein Modell, das im Rahmen der Technologie zeigt, was in den CIE- und sRGB-Farbräumen enthalten / ausgeschlossen ist.

Insbesondere für sRGB wurde es Mitte der 90er Jahre für CRT-Monitore entwickelt und standardisiert. CRTs erzeugen Farbe durch Emittieren und Kombinieren von Licht aus drei verschiedenen Leuchtstoffkanonen (insbesondere Rot-, Grün- und Blauspektren). Ohne zusätzliche Leuchtstoffkanonen mit unterschiedlichen Wellenlängen können solche CRTs nicht alle Farben ausstrahlen, die Menschen sehen können.

Normalerweise beschreiben wir eine Farbe, indem wir sagen, dass sie orange, kirschrot oder pink ist. Gehen Sie in einen Farbenladen und holen Sie sich Musterstücke. Sie werden Winterweiß und Flammenrot und vielleicht Süßigkeiten-Apfel-Rot sehen. Namen wie diese lassen sich nicht zufriedenstellend einordnen. Eines der frühesten und vielleicht besten Systeme ist das Munsell-System. Von Albert H. Munsell entwickelt, arrangierte er einen dreidimensionalen Körper aller Farben, der durch tatsächliche Proben dargestellt werden kann, die unter Verwendung stabiler Pigmente hergestellt wurden. Ich denke, das ist die beste Methode.

Es folgte das CIE-System (International Commission on Illumination). Experimente zur Abbildung der Farbreaktion des menschlichen Auges begannen in den frühen 1920er Jahren. Die Schüler stimmten mit Farben überein, die Mischungen der drei hellen Grundfarben Rot, Grün und Blau waren. Es wurde herausgefunden, dass die Zellen im menschlichen Auge, die für das Farbsehen verantwortlich sind, eine Triade sind - eine pigmentiert, um rot, eine grün und eine blau zu erhalten. Es wurde festgestellt, dass man diese drei Vorwahlen mischen und alle Farben herstellen konnte, die wir Menschen sehen können.

Die Wissenschaft ist jedoch nicht in der Lage, perfekte Filter oder perfekte Pigmente herzustellen. In jedem Fall verfehlen wir die Marke leicht. Das CIE-System verwendet imaginäre Vorwahlen. Diese können gemischt werden, um alle Farben zu erhalten, die wir sehen. Die Tatsache, dass imaginäre Primärfarben verwendet werden, beeinträchtigt den Wert des Systems nicht. Vielleicht sind Sie derjenige, der perfekte Farbfilter erstellt und die Aufgabe wiederholt.

Das CIE-System spezifiziert Farben in Bezug auf die Menge jeder der drei Primärfarben. Diese Farbmischung ist für einen Standardbeobachter gedacht, da Tausende getestet und die Ergebnisse gemittelt wurden. Ein Diagramm der Ergebnisse ist eine hufeisenförmige Grenze, die die Position der Farben mit der höchsten Sättigung darstellt. Dies sind die Spektralfarben. Die farbigen Bereiche der Grafik sind die mit modernen Druckfarben erreichbaren Sättigungsgrenzen. In der Nähe der Mitte befindet sich der Beleuchtungspunkt für Tageslichtbedingungen.

Beachten Sie, dass Farben, die mit einem Munsell-System wahrgenommen werden, eine dreidimensionale Identifikation aufweisen: Farbton, Helligkeit und Sättigung. Das CIE-System ist zweidimensional. Die gerade Linie unten steht für Magenta und Purpur mit maximaler Sättigung. Diese Farben treten weder im Spektrum noch im Regenbogen auf. ihre Farbtöne werden als Wellenlänge ausgedrückt. Ich kann weitermachen, aber vielleicht sollten wir bei Munsell bleiben.

Jeder auf RGB-Primärfarben basierende Farbraum beschreibt ein Dreieck. Da das CIE-Diagramm nicht perfekt dreieckig ist, ist es unmöglich, alle in ein Dreieck einzubeziehen, ohne imaginäre Farben zu erzeugen, die physikalisch nicht existieren können. Insbesondere müssen die R-, G- und B-Werte, die in einem Sensor oder einer Anzeige verwendet werden, innerhalb der physikalischen Farben liegen. Beachten Sie, dass dies nur für physische Geräte gilt. Es gibt Farbräume, die imaginäre Farben für die RGB-Punkte verwenden, diese jedoch nur für mathematische Manipulationen.

Es gibt auch andere Einschränkungen für die RGB-Punkte. Erstens ist es besser, wenn sie mit kostengünstiger aktueller Technologie erreichbar sind. Die Punkte für sRGB wurden aus Rec. 709 , das den Bereich definiert durch HDTVs im Jahr 1990. Zweitens unterstützt werden auch die Punkte Abstand weit auseinander führt zu Problemen Unterscheidung zwischen ähnlichen Farben , wenn Ihre Darstellung beschränkt ist, zB auf 24 Bit. Es ist besser, gemeinsame Farben gut darzustellen, als Farben darzustellen, die selten zu sehen sind.

Mit mehr als 3 Primärfarben wäre es möglich, einen nicht dreieckigen Farbraum zu definieren, der mehr CIE-Raum einschließt. Sony produzierte einen RGBE-Sensor, der eine "Smaragd" -Primäre zwischen Blau und Grün enthielt, die jedoch nur in einer Kamera verwendet wurde, bevor sie aufgegeben wurde. Ich konnte keine Informationen zu den CIE-Koordinaten der verwendeten Filter finden, aber hier ist eine Vermutung, wie der Farbumfang aussehen könnte:

Sie können sehen, dass es einen viel größeren Bereich als sRGB abdeckt, obwohl ich die 3 sRGB-Vorwahlen als Ausgangspunkt verwendet habe. Es ist schwer zu sagen, warum es sich nie durchgesetzt hat, aber wir können raten. Da die gesamte Welt der Software und des Druckens auf drei Primärfarbräumen basiert, muss der Farbraum in einen dieser Bereiche eingegrenzt werden, und alle Vorteile von RGBE gehen bei der Übersetzung verloren.

Jedes Pixel in einer Monitoranzeige hat eine horizontale und vertikale Position auf dem Bildschirm. Innerhalb dieser Position befinden sich drei "Farben" in einem Farbmonitor, die von 0% bis 100% Intensität variiert werden.

Wenn Sie auf den äußeren Rand des Bereichs der Figur schauen, sehen Sie die Farben, die mit allen Leuchtstoffen gebildet werden könnten, die bei gleicher Wahrnehmung der visuellen Intensität Licht mit reinen Wellenlängen emittierten. Innerhalb der Region gibt es Darstellungen der "100%" -Intensität des Lichts, das von den (roten, blauen und grünen Chromophoren) des menschlichen Auges bei derselben visuellen Intensitätsstufe wahrgenommen wird. Stellen Sie sich vor, Sie ziehen eine Linie zwischen zwei beliebigen reinen Wellenlängen und einer variierenden Intensität von 0-100% der ersten Farbe und 100% -0% für die zweite.

Menschen mit gutem Farbsehen haben 3 verschiedene "Farb" -Rezeptoren. Man kann sich also denken, dass Mischungen von drei "reinen" Wellenlängen viele verschiedene "Farben" bilden. In einem solchen Fall würde die Intensität des Lichts für jede der drei Farben zwischen 0 und 100% variieren.

Das innere Dreieck hat nun drei Punkte, die die "effektive Farbe" (Farbmischung) des für den Monitor ausgewählten Leuchtstoffs markieren. (Die Leuchtstoffe emittieren keine reine Lichtwellenlänge, sondern eine Mischung von Farben). Der gewählte rote Leuchtstoff begrenzt also, wie "rot" die "reine rote Farbe" auf dem Monitor sein kann. So weiter für Grün und Blau. Sie können sich einen Eindruck von den Farbmischungen verschaffen, die mit Hilfe von trilinearen Koordinaten mit 100% iger Kraft erhalten werden können.

Um trilineare Koordinaten zu erhalten, zeichnen Sie zunächst einen Strich zwischen den drei ausgewählten Leuchtstoffen. Zeichnen Sie dann eine senkrechte Linie von jedem Scheitelpunkt des inneren Dreiecks zur gegenüberliegenden Seite. Die Spitze des Dreiecks hat eine Intensität von 100%, und der Schnittpunkt der Linie mit der Basis bildet eine Intensität von 0%. Wenn Sie dies für alle drei Scheitelpunkte tun, treffen sich drei Linien an allen inneren Punkten innerhalb des Dreiecks. Wenn jede Linie 100 Unterteilungen hat, enthält das Raster 10.000 Punkte. Darüber hinaus summieren sich die Rot / Grün / Blau-Intensitäten an jedem Punkt zu 100%.

Beachten Sie, dass sich die Ecken des Dreiecks der "reinen" Farbe der Spitze nähern. Entlang der Seiten der Dreiecke gibt es einen deutlichen Übergang beim Übergang von außen nach innen. aufgrund der unterschiedlichen Farbmischung.

mattdm hat darauf hingewiesen, dass Sie auch die gesamte "Leistung" für das Pixel berücksichtigen müssen. Wenn alle drei Leuchtstoffe eine Intensität von 0% haben, ist die Farbe schwarz. Wenn alle drei Farbintensitäten 100% betragen, sollte die Farbe fast weiß sein. Um weiß zu werden, müssen die drei Leuchtstoffe natürlich mit Bedacht ausgewählt werden.

Es gibt Geräte- und geräteunabhängige Farbräume. sRGB ist ein geräteunabhängiger Farbraum, der von einer HP-Mitarbeiterin erstellt wurde, um CRTs früher zu standardisieren. Chris Cox von Adobe erstellte Adobe 1998. Kevin Spaulding von Eastman Kodak erstellte RIMM- und ROMM-Farbräume, von denen RIMM als ProPhoto RGB verwendet wird. Dieser Bereich deckt zwar das XYZ-Diagramm ab, ist jedoch für uns Fotographen nur dann von Vorteil, wenn der Umfang unseres Druckerbereichs sehr gering ist. (Die meisten High-End-Epson-Modelle mit gutem Glanzpapier kommen Pro Photo RGB sehr nahe.)

Das eigentliche Problem ist die Endnutzung des Bildes. Die obigen Farbraumprofile sind mathematische Modelle für Geräte und nicht für tatsächliche Geräte. Die Vorteile für diese sind, dass sie äquidistante Primärfarben haben und Transformationen auf Bildern, die in diesen Räumen enthalten sind, sich relativ gut verhalten.

Farbräume haben, die keine Geräte-Räume sind und nicht das Rauschen enthalten, das Geräte-Gamuts haben. Dies ermöglicht Transformationen in den tatsächlichen Gerätebereich, z. B. den Monitor Ihres Computers oder Druckers, die von Gerät zu Gerät vorhersehbar und genauer sind. Containerplätze sind also der richtige Weg für Qualität.

Beantworten Sie nun Ihre Frage "Warum nicht einfach alle Farben einbeziehen?" Wenn wir ProPhoto RGB verwenden, können wir das. Was wir dann haben, sind RGB-Werte (0-255), die Lab-Werten zugeordnet sind, die viel größer als sRGB (der Farbraum des Internets) sind, sodass das Bild nicht richtig aussieht, wenn Sie veröffentlichen ProPhoto RGB-Dateien im Internet. Also müssen Bilder, die tatsächlich so aussehen sollen, wie wir sie haben wollen, in einen ausgegebenen, referenzierten Raum konvertiert werden. Im Internet passiert das in Ihrem Browser. Wenn Sie einen High-End-Monitor haben, geschieht dies, weil Ihr Computer über ein bekanntes Monitorprofil verfügt, um die Farben in den neuen Lab-Bereich zu rendern.

Dies hängt zum Teil mit der Effizienz der Datencodierung zusammen (keine Verschwendung von Bits / Genauigkeit), zum Teil mit historischen Gründen und einigen praktischen Überlegungen.

Es gibt einige Farbräume, die alle "sichtbaren" Farben abdecken, aber wir würden sie normalerweise nicht für Bilder / Videos verwenden. Das Diagramm in Ihrer Frage zeigt beispielsweise Farben im CIE 1931 XYZ-Raum. Hierbei handelt es sich um einen Farbraum, der alle für den Menschen sichtbaren Farben (gemäß seinem psychologischen Modell) abdeckt.

CIE XYZ ist jedoch kein Farbraum, der normalerweise zur Darstellung von Farbdaten verwendet wird , z. B. in einem Bild oder Video. Die Rückkonvertierung in einen RGB-Raum ist relativ komplex. Sie würde viel Präzision in Bezug auf den Raum verschwenden, der außerhalb des Farbbereichs liegt, den die meisten Monitore oder Sensoren erzeugen können, selbst Farben außerhalb des vom Menschen sichtbaren Raums. Mathematische Operationen, die in einem RGB-Raum einfach zu berechnen sind, wären in so etwas wie CIE XYZ sehr komplex und erfordern in allen praktischen Fällen ohnehin eine Zwischenumsetzung.

Ein RGB-Farbraum erleichtert bestimmte Vorgänge erheblich. Monitore und Bildschirme verwenden standardmäßig RGB-Farbräume. Wenn Sie einen RGB-Farbraum verwenden, weil Ihr Ausgabemedium von Natur aus RGB-basiert ist, ist es zunächst sinnvoll, einen Farbraum zu verwenden, der den roten, grünen und blauen Primärfarben Ihres Ausgabemediums entspricht oder diesen nahe kommt. In der Vergangenheit verwendeten Farbmonitore Leuchtstoffe, die ähnliche rote, grüne und blaue Primärfarben erzeugten, so dass der RGB-Raum nur dem "Standard" -Farbraum entsprach. Monitore sind nicht alle gleich, und daher ist es eine gute Idee, einen geräteunabhängigen Farbraum zu erfinden: sRGB ist der am häufigsten verwendete geräteunabhängige Raum und entspricht weitgehend den typischen roten, grünen und blauen Primärfarben aus der Zeit der CRT-Monitore. sRGB ist ein De-facto-Standard für Monitore, Fernsehgeräte geworden (Rec. 601 und Rec. 709,

Ein Teil der Popularität von sRGB ist die Verankerung in all diesen Bereichen. In Bezug auf Farbräume und sogar in Bezug auf RGB-Räume sind die Möglichkeiten sehr begrenzt. Daher erhalten Sie Adobe RGB, ProPhoto und die anderen RGB-Räume mit erweitertem Farbumfang. Das Kodieren in ihnen wird etwas weniger effizient und erfordert in einigen Fällen die Verwendung von mehr als 8 Bit pro Kanal. Sie decken jedoch einen breiteren Bereich ab, den neue Monitore und Anzeigetechnologien erfüllen können, und erfüllen den Bedarf nach einem "Arbeitsfarbraum". , wobei Ihr Eingabe- und Ausgabefarbraum je nach Gerät variieren kann, sodass Sie auch einen Zwischenraum mit einem wirklich breiten Farbraum verwenden können, damit er mit minimalem Verlust zwischen ihnen konvertiert. ProPhoto RGB, oft als "funktionierender" Farbraum verwendet, weil es "breit genug" ist Um nahezu jeden vorstellbaren Gerätefarbraum zu überschreiten, können fast alle sichtbaren Farben (gemäß CIE 1931) abgedeckt werden, mit Ausnahme einiger extrem dunkler Grün- und Violetttöne (auch hier liegen diese weit außerhalb der Möglichkeiten von Monitoren oder anderen Geräten) Daraufhin ist die Codierung ziemlich ineffizient, da viele Koordinaten einfach nicht verwendet werden, weil sie außerhalb des Bereichs der sichtbaren Farben liegen. Interessanterweise sind die Primärfarben (dh Rot, Grün und Blau) "imaginär" - es ist unmöglich, mit den Primärfarben von ProPhoto RGB einen Emitter oder Sensor zu erzeugen, da es sich bei den Primärfarben um unmögliche Farben handelt - sie existieren nur mathematisch, um Farben zu übertragen zu oder von anderen Räumen. kann fast alle sichtbaren Farben abdecken (gemäß CIE 1931), mit Ausnahme einiger extrem dunkler Grün- und Violetttöne (diese liegen wiederum weit außerhalb der Möglichkeiten, die Monitore oder andere Geräte darstellen können). Viele Koordinaten werden einfach nicht verwendet, da sie außerhalb des Bereichs der sichtbaren Farben liegen. Interessanterweise sind die Primärfarben (dh Rot, Grün und Blau) "imaginär" - es ist unmöglich, mit den Primärfarben von ProPhoto RGB einen Emitter oder Sensor zu erzeugen, da es sich bei den Primärfarben um unmögliche Farben handelt - sie existieren nur mathematisch, um Farben zu übertragen zu oder von anderen Räumen. kann fast alle sichtbaren Farben abdecken (gemäß CIE 1931), mit Ausnahme einiger extrem dunkler Grün- und Violetttöne (diese liegen wiederum weit außerhalb der Möglichkeiten, die Monitore oder andere Geräte darstellen können). Viele Koordinaten werden einfach nicht verwendet, da sie außerhalb des Bereichs der sichtbaren Farben liegen. Interessanterweise sind die Primärfarben (dh Rot, Grün und Blau) "imaginär" - es ist unmöglich, mit den Primärfarben von ProPhoto RGB einen Emitter oder Sensor zu erzeugen, da es sich bei den Primärfarben um unmögliche Farben handelt - sie existieren nur mathematisch, um Farben zu übertragen zu oder von anderen Räumen. Viele Koordinaten werden einfach nicht verwendet, da sie außerhalb des Bereichs der sichtbaren Farben liegen. Interessanterweise sind die Primärfarben (dh Rot, Grün und Blau) "imaginär" - es ist unmöglich, mit den Primärfarben von ProPhoto RGB einen Emitter oder Sensor zu erzeugen, da es sich bei den Primärfarben um unmögliche Farben handelt - sie existieren nur mathematisch, um Farben zu übertragen zu oder von anderen Räumen. Viele Koordinaten werden einfach nicht verwendet, da sie außerhalb des Bereichs der sichtbaren Farben liegen. Interessanterweise sind die Primärfarben (dh Rot, Grün und Blau) "imaginär" - es ist unmöglich, mit den Primärfarben von ProPhoto RGB einen Emitter oder Sensor zu erzeugen, da es sich bei den Primärfarben um unmögliche Farben handelt - sie existieren nur mathematisch, um Farben zu übertragen zu oder von anderen Räumen.

Kleinere Farbräume sind für:

• eingeschränkte Bildübertragung. Die Verwendung eines kleineren Farbraums verbessert die Farbgenauigkeit im Vergleich zu einem riesigen vollständigen Farbraum bei gleicher Farbtiefe für beide
• Vorgerenderte Bilder, die auf der Zielhardware angezeigt werden können und vor der Übertragung keine Konvertierungen vornehmen