Das Grundlagenwissen über die Wiedergabe von Farben

Farbwiedergabe: TM-30-15, CRI und Co.

Farbqualität wird oft mit unterschiedlichen Bezeichnungen angegeben. Hier erklären wir, was sich hinter den Bezeichnungen verbirgt und wie man die Angaben interpretieren kann.

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Um die Qualität eines Scheinwerfers zu beurteilen, werden viele Kriterien herangezogen – z. B. die homogene Ausleuchtung der Lichtfläche, die Randzeichnung, der Farbrand, das Abschattungsverhalten, das Streulicht, die Farbhomogenität oder auch die Lichtfarbe selbst. Während wir bei einem Shootout mit unseren Augen die Lichtqualitäten der Scheinwerfer vergleichen können, ist man beim Vergleich von Datenblättern auf die angegebenen Werte angewiesen. In den letzten Jahren sind technische Daten, wie Lichtverteilungskurven in unserer Branche in den Hintergrund gerückt. Doch in der Bewertung von LEDs und deren unterschiedliche Varianten der Farb- und Weißmischung, sind Kriterien zur Feststellung der Farbqualität gefragter denn je. Die Farbwiedergabe ist in anderen Gewerken schon lange eine elementarere Eigenschaft und so wurde schon sehr früh hierzu eine Normung durchgeführt.

Farbort

 

Die internationalen Beleuchtungskommission CIE (Commission internationale de l’éclairage) hatte schon 1931 Farben in ein zweidimensionales Diagramm gezwungen. Über das Normfarbsystem XYZ kann jede Farbe beschrieben werden. Mit z = 1 – x – y kann man nun mit einer x-Koordinate und y-Koordinate den Farbort genau in einem zweidimensionalen Diagramm angegeben. Der Weißpunkt ist jeweils ein Drittel jeder Farbe bzw. bei x =y=0,333 … Als Weißpunkt kann man auch sagen, dass dies eine völlig ungesättigte Farbe ist. Im Umkehrschluss sind die Farben am Rand des Farbdreiecks zu 100 % gesättigt, also kraftvoll. Gibt man die x- und y-Koordinaten des gemessenen Scheinwerferlichts in das Diagramm ein, so kann man schnell sehen, ob der Farbort des Scheinwerfers oberhalb der Planckschen Kurve liegt. Das Licht erscheint in unserem Auge grünstichig. Liegt der Farbort darunter, erscheint das Licht magenta-stichig. Diese Abweichung wird dann mit Duv angegeben. LED-Scheinwerfer mit vielfarbigen LEDs können mit Mint ihren Farbort ins Grüne oder Magenta verschieben. LED-Scheinwerfer mit Weißlichtarrays dagegen nicht. Gleichzeitig zeigt der Farbort auch an, bei welcher Farbtemperatur des Planckschen Kurvenzugs das gemessene Licht am nächsten ist. Die wird dann mit CCT (Correlated Color Temperature) angegeben, z. B. 6.561K – wobei K für Kelvin steht und ohne Leerzeichen direkt an die Zahl angehängt wird. Correlated deshalb, weil der Kandidat nur in die Nähe (ähnlichste Farbtemperatur) des Kurvenzugs kommt, also grünoder magentastichig ist und nicht genau darauf liegt. Kleine Wertedifferenzen wirken sich im Bereich der niedrigen Farbtemperatur stärker aus, sind also deutlich sichtbarer als im kaltweißen Bereich. Das sollte man bei der Betrachtung der Messwerte berücksichtigen.

Planckscher Kurvenzug

Der Plancksche Kurvenzug stellt die unendliche Aneinanderreihung von Farborten dar, wenn ein schwarzer Körper kontinuierlich erhitzt wird. Je heißer er wird, umso mehr strahlt er auch kurzwellige Strahlung ab. Vereinfacht dargestellt, ein Stück Stahl wird erst rot glühend – wird es noch heißer, wird es weiß glühend. So wird auch unser Wolframfaden in der Halogenlampe mit Strom erhitzt. Deshalb werden alle Frequenzen kontinuierlich abgestrahlt.

 

Gamut: Tageslicht-Referenz

Der Farbraum wird mit Gamut (GAI Gamut Area Index) bezeichnet und als Wert angegeben. Die acht Referenzfarben, die auch im CRI Anwendung finden (s. u.), schlagen ein Oktaeder auf. Dann betrachtet man inwieweit das Licht diesen Farbraum ausfüllt – als Referenzlicht wird das Tageslicht definiert. Ist der Farbraum gleich dem Farbraum durch die Referenzfarben, dann wird der Wert 100 erreicht. Mit den farbigen LEDs ist es möglich, auch eine höhere Sättigung der Farbe als die Referenzquelle zu erreichen. So sind auch Werte oberhalb von 100 möglich, weil dann der Gamut bzw. der Farbraum größer ist als die der Referenz. Man spricht dann auch von Lebendigkeitsindex, z. B. wenn der rote Samt im LED-Licht noch lebendiger erscheint als unter Halogenlicht. Bei Betrachtung aus dem künstlerischen Aspekt kann eine Farb-LED-Lichtquelle viel kräftigere Farben wiedergeben, als bei einer konventionellen Lichtquelle. Somit ist die LED auch als Bereicherung zu sehen. Dennoch werden die Werte nicht gut bzw. hoch ausfallen, denn es geht bei den Messwerten um natürliche Wiedergabe und nicht die bestmögliche „Lebendigkeit“. Man muss am besten den GAI im Zusammenhang mit dem CRI betrachten. Ist der CRI klein und der GAI klein, so hat man weder Farbtreue noch Sättigung, also eine schlechte Lichtqualität. Ist der CRI klein, aber der GAI hoch, erhält man ein buntleuchtendes Bild, jedoch mit den „falschen“ Farben, was vom Betrachter oft eher akzeptiert wird, als bei einem hohen CRI bei kleinem GAI, wo der Betrachter ein fades Bild bescheinigt, obwohl die Farbtreue sehr hoch ist. Erst wenn CRI und GAI hoch sind, kann man von einer naturgetreuen Abbildung mit optimalem Farbton und Sättigung sprechen. Der Farbraum wird auch von dem später behandelten TM-30-15 definiert, jedoch sind dort die Berechnungen und Vorgaben anders gesetzt. So kann z. B. ein Gamut GAI von 93 ein Gamut Rg von 97,5 aufweisen. Bei der GamutAngabe kommt es also darauf an, auf welche Weise der Gamut bestimmt wurde und hier helfen die Indizes bei der Unterscheidung.

 

CRI 1931: nichts für LEDs

Mit dem Farbort können wir zwar sagen, wie „Weiß“ – also Warmweiß, Kaltweiß, 3200K oder 5600K, grün- oder magenta-stichig – die Lichtquelle selbst erscheint, aber nicht wie ein bestrahlter Körper in seinen Farben dargestellt wird. Denn der Körper kann nur die Lichtfrequenzen reflektieren, mit der er auch bestrahlt wird. Und der gleiche Farbort der Lichtquelle kann je nach Leuchtmittel aus unterschiedlichen Farbfrequenzen zusammengemischt sein. Um nun die Farbwiedergabe zu beurteilen, hat man den CRI (Color Rendering Index) Ra eingeführt, bei dem man mit acht Testfarben (R1-8) vergleicht, wie gut diese Testfarben wiedergegeben werden können. Dabei wird noch unterschieden, ob die Referenzlichtquelle als planckscher Strahler angenommen wird – bei Farbtemperaturen unterhalb 5000K oder als Tageslicht oberhalb 5000K. Dann werden die Farbabweichungen gewichtet und die einzelnen Ergebnisse zu einem Gesamtwert gemittelt und als Ra von 0 bis 100 angegeben, wobei dies nicht mit Prozentwerten verwechselt werden darf. Je höher der Wert ist umso besser wird die Farbe getroffen. Dabei wird aufgrund des Zahlenwertes kein Rückschluss möglich, ob dies nun zu gesättigt oder zu blass bzw. wie sehr die Farben verfälscht werden. Ein weiteres Problem beim CRI Ra ist, dass beim über 50 Jahre alten Standard, bei dem noch niemand an LEDs gedacht hatte, sondern für Glühlicht mit hohen Rotanteil entwickelt wurde, als Referenzfarben nur Pastelltöne verwendet werden. Die Wiedergabe gesättigter Farben findet hierbei keinen Einfluss. So ist der CRI nur eine erste Richtmarke, die die Tendenz der Farbwiedergabe wiederspiegelt. Leuchten mit gleichem CRI können demnach unterschiedlich gut oder schlecht andere Farben wie Rot, Gelb oder Grün wiedergeben, da diese Lichtfrequenzen gesättigter Farben weniger Einfluss bei den Pastellfarben haben und die Frequenzzusammensetzung der Leuchte unterschiedlich sein kann, trotz des gleichen CRI. In der Architektur hat man bereits früh angefangen in bestimmten Arbeitsbereichen definierte Lichtqualitäten zu fordern. So wurde von der DIN auch eine Stufeneinteilung definiert, die den Ra-Werten entspricht:

 

Stufe Ra-Bereich
1A Ra > = 90
1B 80 < = Ra < 90
2A 70 < = Ra < 80
2B 60 < = Ra < 70
3 40 < = Ra < 60
4 20 < = Ra < 40

 

CIE 1976: Leuchtstofflampen im Kommen

Mit dem Aufkommen der Leuchtstofflampen und deren Farbmischung mit verschiedenen Banden bzw. Phosphormischungen und dementsprechenden entstehenden Farbpeaks, war der Handlungsbedarf gegeben und hatte 1965 die CIE 013.3 zur Folge, die noch 1974 und 1995 nachgearbeitet wurde. Für die weitere Verbesserung zur Beurteilung wurden gesättigte Farben hinzugefügt, um eine bessere Aussage des CRI zu erreichen. Dabei spielt für uns insbesondere die Betrachtung des R9-Werts für ein gesättigtes Rot eine große Rolle. Auf der einen Seite, da Weißlicht-LEDs aus einer blauen LED und Phosphorschicht meist nur einen geringen Rotanteil haben und zum anderen, da unsere Kamerasensoren Rot meist schwächer detektieren. Deshalb werden bei der CRI-Betrachtung gerne die einzelnen Farben in ihrem Einzelwert betrachtet, wie in unserem Beispielbild zu sehen ist. Die CRI-Farben R1-8 werden jedoch unterschiedlich zu den Farben R9-14 berechnet. Meist werden auch die Farben R9-14 gar nicht in der Berechnung berücksichtigt, sondern nur als Diagramm dargestellt. Durch den verwendeten Algorithmus bzw. durch das in Verhältnis setzen der Farben zueinander ist es auch möglich, dass ein Einzelwert negativ werden kann.

Der Farbraum L u’ v’ nach CIE 1976: Gegenüber dem Farbdreieck von 1931 ist die Berechnung für diese zweidimensionale Farb ortbestimmung so gestaltet, dass die Farbunterschiede möglichst gleiche Abstände zueinander haben, was bei der „Schuhsohle“ nicht der Fall ist, wenn man z. B. sich alleine die ausgeprägte Grünfläche bei der „Schuhsohle“ ansieht (Bild: Herbert Bernstädt)

 

TLCI: andere Anforderung beim Film

In der Film- und Fotobranche sind die Schwächen der CRI-Werteermittlung insbesondere bei Betrachtung im Zusammenhang mit aufzeichnungs- und bildgebenden Geräten sowie den Hauttönen von Menschen ebenfalls ein Dorn im Auge. So hat 2012 die European Broadcasting Union (EBU) ebenfalls die Farbpalette nach den eigenen Bedürfnissen im Hinblick auf die Wiedergabe mit einer Kamera zusammengestellt. Dabei verwendet man die Farben der X-Rite Farbtafel, welche auch für das Einstellen der Kamera benutzt wird. Je eine Zeile aus sechs Feldern als Graukeil, zwei Zeilen mit gesättigten Farben und eine Zeile aus natürlichen Farben. Insbesondere damit der Bildingenieur weiß, mit welchen Korrekturmaßnahmen er rechnen muss, hat man die Berechnung auch darauf ausgelegt, wie es von einer Kamera detektiert wird – und nicht, wie das menschliche Auge es wahrnimmt. Während sich nämlich die Empfindlichkeitsspektren von den Zapfenzellen bei Rot und Grün sehr stark überlappen, unterscheidet ein CCD-Sensor die Spektralbereiche sehr gut. Wie beim CRI ist hier die Skala von 1 bis 100 – wobei 100 das Optimum darstellt. Ziel ist es, die Kosten in der Post-Production, die durch aufwändige Korrekturen entstehen, den Kosten durch günstigere Lichtquellen mit geringeren Farbwiedergabequalität gegenrechnen zu können. Darüber hinaus ist über den Index zu sehen, wie aufwändig eine Korrektur der Farben sein wird. Es werden sogar bei bekannten Quellen auch Tabellen mit Korrekturwerten für die einzelnen Parameter mit zur Hand gegeben.

Index Korrektur
85-100 Farben korrigierbar bzw. nicht notwendig
75.85 nach Korrektur noch akzeptabel
50-75 Aufbereitung sehr zeitaufwändig
25-50 nicht mehr zu retten – verbesserbar
0-25 ist und bleibt nicht akzeptierbar

 

Referenzfarben des Television Lighting Consistency Index (TLCI) (Bild: Herbert Bernstädt)

TM-30-15: die LED ist da

Spätestens mit den heutigen LED-Lichtquellen und deren Spektren ist ein besseres Verfahren zur Beurteilung der Farbwiedergabe notwendig. Die Illumination Engineering Society of America (IES) hat dazu 2015 die TM-30-15 entwickelt. Die greift nun auf 99 Referenzfarben (CES Color Evaluation Samples) zurück, die auf realen Objekten wie roten Zwiebeln, Orangen usw. basieren. Leider wurden wieder rein gesättigte Farben nicht einbezogen. Die Bewertung folgt nach einem ähnlichen Prinzip wie beim Ra –allerdings mit einer anderen Bewertung und eben mit mehr und besseren Farben. Im direkten Vergleich fallen Ra und Fidelity-Index Rf vom Wert her unterschiedlich aus, wobei meist nun der Rf kleiner ist. Der Farbraum ist nach CIE-CAM02-UCS zugrunde gelegt, der den dreidimensionalen Farbraum berücksichtigt. Auch hier wird wie bei CRI von 0–100 jede Einzelfarbe bewertet. Man nennt den Referenz-Spektrums Ähnlichkeits-Index nun Fidelity-Index – abgekürzt Rf. Dabei wird auch die Art der Referenzlichtquelle unterschieden zwischen Tageslicht und Glühlicht, wobei die Trennung bei 5.000K erfolgt. Dies jedoch mit dem Unterschied zum Ra, dass hier zwischen 4.500K und 5.500K ein weicher Übergang erfolgt. Dann wird der verfügbare Farbumfang (Gamut-Index Rg) berücksichtigt, der einen Wert von ca. 60 bis 140 annehmen kann. Beim TM-30-15 besteht der Referenz-Gamut aus 16 Farben, der aber ansonsten analog zum GAI ist. Zur Veranschaulichung der Farbqualität wird daraus ein Vektordiagramm erstellt, aus dem hervorragend die Farbverschiebung dargestellt wird. Man sieht schnell den Einfluss der Lichtquelle auf die Farben, denn von den 16 Referenzfarben werden mit Vektoren die Farbverschiebungen zur gemessenen Lichtquelle angezeigt. Damit kann man sehr schnell ersehen, welche Farbveränderung zu erwarten sind. Mit dem Diagramm werden Unterschiede ersichtlich, welche gleiche Indexwerte trotz unterschiedlichen Lichtquellenarten nicht vermuten lassen. Für die Gegenüberstellung von Fidelity- und Gamut-Index hat man sich für das im Bild gezeigte Koordinatensystem entschieden. Eine Glühlampe mit Rf=100, Rg=100 wird rechts an der Spitze als Optimum dargestellt. Den hellgrauen Bereich a) in dem Diagramm kann keine Lichtquelle die auf dem Plankschen Kurvenzug liegt, erreichen, während der dunkelgraue Bereich b) durch kein reales Leuchtmittel erreicht wird.

 

99 Testfarben für TM-30-15 und ein etwas anderer Algorithmus für die Farbabweichung (Bild: Herbert Bernstädt)

Fazit

Auch eine TM-30-15-Angabe kann keine Bemusterung durch unser Auge ersetzen, jedoch ist mit TM-30-15 eine wesentlich bessere Beurteilung der Farbqualität und des Farbumfangs möglich als mit CIE 13.3 oder dem für Kameras spezialisierten TLCI möglich. Es wäre wünschenswert, wenn Hersteller in Zukunft Daten nach TM-30-15 zu ihren Geräten veröffentlichen würden.

Kommentare zu diesem Artikel

  1. Hallo Herr Bernstädt,
    vielen Dank für den tollen Artikel. Ich hab diesen aufmerksam gelesen und hätte noch ein paar Anmerkungen.
    Preisfrage: Wenn CCT die Farbtemperatur ist, welche entweder oberhalb oder unterhalb der Blackbodyline ist, wie nennt sich dann die Farbtemperatur, welche direkt drauf liegt?
    Ich hab vor Jahren eine ähnlichen Artikel ins Netz gestellt.
    Vielleicht gefällt der Ihnen auch.
    https://www.ledclusive.de/blog/ies-tm-30-15-farbwiedergabeindex-rf-rg/
    Würde mich über eine Kontaktaufnahme freuen.

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    1. Hallo Herr Reichelt,
      es freut mich das Ihnen der Artikel gefallen hat.
      Zur Preisfrage, wie Sie richtig bemerkt haben steht CCT für correlated color temperature frei übersetzt: entsprechende bzw. zugeordnete Farbtemperatur, wenn die Farbe ober oder unterhalb der Plankschen Kurve liegt. Folglich braucht der Farbort der auf der Plankschen Kurve liegt keine Zuordnung und wir einfach mit CT (color temperature) bezeichnet.
      Beim CCT wird dann der Abstand von der plankschen Kurve intressant. So werden z.B. in großen Fernsehstudios Scheinwerfer die ein Duv von 0,005 nicht mehr akzeptiert.
      Ja auch Ihr Artikel ist sehr gut und leicht verständlich. Meine Hochachtung. Mit kollegialen Grüßen – Herbert Bernstädt.

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