# Video

# Erzeugung von Farbwertanteilen mit CCD-Wandler

Mit drei CCD-Wandlern (Charge Coupled Devices) erzeugen professionelle Video-kameras ein elektrisches Videosignal bestehend aus einem RGB-Farbauszug, bei dem die Grundfarben RGB mit dem aufgenommenen Bild korrespondierenden. Die Zerlegung des Bildes in die drei Grundfarben RGB geschieht über dichroitische Prismenfilter (Strahlteiler-filter). Spektrale Anteile einer Grundfarbe werden durchgelassen und zu dem jeweiligen für die Grundfarbe zuständigen CCD-Wandler geleitet. Andere, nicht gewünschte spektrale Anteile werden ausgefiltert bzw. reflektiert. Der CCD-Wandler wandelt die Intensität des ein-fallenden farbigen Lichts in korrespondierende Spannungsstufen um. So entstehen für die drei Grundfarben drei verschiedene Spannungssignale, die als RGB-Signal bezeichnet werden.

Die aufgenommenen RGB-Farbwertanteile müssen an die Spektralwertkurven der EBU-Phosphore der Bildwiedergabeseite angepasst werden, um eine originalgetreue Farbwiedergabe zu ermöglichen. Die EBU-Phosphore besitzen jedoch negative Spektralwertanteile (vergleiche Dreifarbentheorie, Seite 43), die mit den aufgenommenen RGB-Farbwertanteilen nicht ohne weiteres erzeugt werden können. Aus diesem Grund werden die RGB-Farbwertanteile bereits in der Kamera mittels virtueller Primärvalenzen über eine Transformation an die Spektralwertanteile der EBU-Phosphore angepasst. Diese Anpassung geschieht in einer elektronischen Schaltung, die auch als Matrix bezeichnet wird. Zusätzlich wird in der Kamera bereits die Gamma-Entzerrung für das Bildwiedergabesystem vorgenommen.

Mit dem RGB-Signal kann die beste Übertragungsqualität für ein Farbfernsehsystem erreicht werden. Da hierbei jeder RGB-Farbwertanteil separat übertragen wird (plus Synchronisationssignal), ergibt sich ein hoher Leitungs- und Bandbreitenbedarf. RGB-Signale werden aus diesem Grund in der Regel nur über kurze Strecken übertragen. Für längere Übertragungswege wird das RGB-Signal z. B. mittels PAL- oder NTSC-System umkodiert, um Leitungs- und Bandbreiteneinsparungen zu erzielen (siehe dazu weiter unten).

# Weißabgleich

Um zu gewährleisten, dass auf der Bildwiedergabeseite eine farbechte Darstellung des aufgenommenen Bildes wiedergegeben wird, müssen die RGB-Farbauszüge über einen Weißabgleich so eingestellt werden, dass bei Vorliegen dreier gleich großer Farbwertanteile die Tageslichtart D65 (Weißpunkt der EBU-Phosphore) erzielt wird. Dies ist besonders wichtig für Aufnahmen, bei denen die Beleuchtung nicht der normalen Tageslichtart D65 entspricht. Nach einem korrekt durchgeführten Weißabgleich sehen weiße Flächen auch unter Beleuchtungen mit verschiedenen Farbtemperaturen immer weiß aus. Ist die Farbtemperatur falsch eingestellt, erscheinen weiße Flächen z. B. mit einen Rot- oder Blaustich. Das Bild sieht unnatürlich und farbunecht aus. Beim Kunstlicht-Weißabgleich muss z. B. das blaue Farbsignal verstärkt und das rote Farbsignal abgeschwächt werden.
Der Weißabgleich kann mit zwei Methoden durchgeführt werden:

• Manuell: das Videosignal wird mit Hilfe einer speziellen Farbwert-Skala eingestellt
• Automatisch: beim Aufnehmen einer weißen Referenzfläche stellt die Kameraelektronik das Videosignal für die entsprechende Farbtemperatur ein.

Wenn bei verschiedenen Farbtemperaturen gefilmt wird, besteht die Möglichkeit, ein eingebautes Farbrad in den Strahlengang zu fahren, mit dem ein großer Kompensationsbereich (3200 K bis 5600 K) erreicht werden kann. Dadurch ist es nicht notwendig, die Kamera durch einen erneuten Weißabgleich einzustellen.

# Weißabgleich mit einer weißen Vorlage

Idealerweise sollte ein Weißabgleich natürlich mit einer reinweißen Vorlage durchgeführt werden. Dabei muss mindestens 70 % des Bildschirms mit der weißen Vorlage ausgefüllt werden. Unter den vorherrschenden Lichtbedingungen wird dann der Weißabgleich durchgeführt.

Als Vorlage für den Weißabgleich sollte kein weißes Briefpapier mit der Bezeichnung „besonders weiß“ oder „High White“ verwendet werden. Meistens sind diese Papiersorten leicht bläulich gefärbt. Diese Färbung beeinflusst das Ergebnis des Weißabgleichs in der Art, dass aufgenommene Oberflächen etwas wärmer (d. h. rötlicher) erscheinen als eigentlich zu vermuten wäre.

# Weißabgleich mit einer farbigen Vorlage

Ein Weißabgleich mit einer farbigen Vorlage resultiert zu einer Einfärbung des aufzunehmenden Bildes in der entsprechenden Gegenfarbe der Vorlage. Um eine Szene etwas wärmer erscheinen zu lassen, wird der Weißabgleich mit einer hellblauen Vorlage durchgeführt. Über den Weißabgleich werden alle blauen Anteile aus dem Bild entfernt, was eine leicht rötliche Färbung zur Folge hat. Das Gleiche gilt für den umgekehrten Fall bei der Verwendung einer pinkfarbenen Vorlage. Das Bild wird leicht bläulich gefärbt, da alle rötlichen Anteile über den Weißabgleich entfernt werden. Ebenso können grüne und gelbe Vorlagen verwendet werden. Das resultierende Bild nimmt eine entsprechende Färbung an, deren Farbe genau entgegengesetzt der Vorlagenfarbe entspricht.

# Schwarzabgleich

Über den Schwarzabgleich (Automatic Black Control, ABC) wird gewährleistet, dass schwarze Bildanteile auch wirklich einem korrespondierenden Null-Signalpegel entsprechen. Dabei werden bei geschlossener Blende die drei Signale der Farbwertkanäle so eingestellt, dass sie gleiche Pegelwerte um 0 % Intensität aufweisen. Sind die drei Farbwertkanäle nach oben verschoben (> 0 %), erscheinen schwarze Flächen in der Wiedergabe als grau.

# YUV-Farbmodell für PAL-Farbfernsehen

Das YUV-Farbmodell wird in dem von der Firma Telefunken 1963 entwickelten PAL-Farbfernsehsystem (Phase Alternation Line) verwendet. Mit dem YUV-Farbmodell werden die bei der Aufnahme entstehenden RGB-Farbauszüge für eine effizientere Übertragung umkodiert und kompatibel zum Schwarzweiß-Fernsehen gemacht. Dabei ist die Y-Komponente die Luminanz eines Farbfernsehsignals (nicht zu verwechseln mit der Farbe Gelb) und wird über Anteile der RGB-Farbauszüge gebildet (Y = 0,299R + 0,587G + 0,114B). Gleichzeitig ist die Y-Komponente die Luminanz für den S/W-Anteil eines Fernsehbildes.

Da die Y-Komponente bereits alle Informationen über die Luminanz enthält, müssen nur noch Informationen über die Farbart übertragen werden. Die Farbinformation (auch als Chrominanz C bezeichnet) kann mit den beiden Farbdifferenzkomponenten Blau (R-Y) und Rot (B-Y) ausreichend beschrieben werden. Die Farbdifferenzkomponenten werden bei grauen oder weißen Vorlagen zu null (R = G = B = Y), es wird also nur eine Luminanzinformation übertragen. Wird nur die Y-Komponente ohne die Farbdifferenzkomponenten übertragen, erscheint ein RGB-Farbbalken als Grautreppe. Der RGB-Farbbalken besteht dabei neben den Farben Rot, Grün und Blau auch aus deren Komplementärfarben Cyan, Magenta und Gelb.

Da die Farbdifferenzkomponenten höhere Spannungen aufweisen können als die Y-Komponente, werden sie im Pegel reduziert, um ein Übersteuern der Farben zu vermeiden. Die Farbdifferenzkomponenten werden nach der Reduktion als CR für Rot [CR = 0,713(R-Y)] und CB für Blau [CB = 0,564(B-Y)] bezeichnet, wobei die Reduktionsfaktoren in der EBU-Norm N10 festgelegt sind. Der Vorteil des YCRCB-Komponentensignals (auch als Komponenten-Signal bezeichnet) gegenüber dem RGB-Signal ist die SW-Kompatibilität und die Möglichkeit der Bandbreitenreduktion der Farbdifferenzkomponenten. Das menschliche Auge hat gegenüber feinen Farbdetails (= hohe Bandbreite) ein geringes Auflösungsvermögen.

Aus diesem Grund wird die Bandbreite der Farbdifferenzkomponenten von 1,3 bis 2,5 MHz im Studio auf 2 MHz reduziert. Die Bandbreite der Y-Komponente wird nicht reduziert, da das Auflösungsvermögen des Auges für feine Helligkeitsdetails sehr viel größer ist als für Farbdetails. Das Komponentensignal liefert trotz Bandbreitenreduktion der Farbdifferenzkomponenten ein Signal mit hoher Qualität und ist das Ausgangsformat um ein hochwertiges Digitalsignal zu gewinnen.

Um das Farbfernsehsignal auf nur einer Leitung übertragen zu können, muss das so genannte FBAS-Signal (Farb-, Bild-, Austast-, Synchronsignal) gebildet werden. Das FBAS-Signal wird auch als Composite-Signal bezeichnet und entsteht durch die Zusammenführung der Luminanz- und Farbdifferenzkomponenten, wobei die Farbdifferenzkomponenten über eine komplexe Modulation der Luminanzkomponente überlagert werden. Zu diesem Zweck werden die Farbdifferenzkomponenten U [U = 0,493(B-Y)] und V [V = 0,877(R-Y)] gebildet und in der Bandbreite auf 1,3 MHz begrenzt. Die Buchstaben U und V werden häufig als allgemeine Bezeichnung für die Farbdifferenzkomponenten verwendet, wobei auf die unterschiedliche Reduzierung der Bandbreite bei UV und CRCB zu achten ist.

Bei der Modulation im PAL-Farbfernsehsystem werden die Farbdifferenzkomponenten U und V um 90° verschoben auf eine hochfrequente Trägerschwingung moduliert, die mit der Luminanzkomponente verzahnt wird. Farben unterscheiden sich nach der Modulation durch die Amplitudenhöhe und den Phasenwinkel der Trägerschwingung. Zusätzlich wird die V-Komponente bei der Übertragung zeilenweise invertiert, wodurch eine bessere Störsicherheit erreicht wird.

Durch die Phasenverschiebung können die Farbdifferenzkomponenten U und V als x- und y-Achse in einem rechtwinkligen Koordinatensystem dargestellt werden. Jede der sechs Farben des RGB-Farbbalkens kann als Zeiger mit einer Länge und einem Winkel (ausgehend von der U-Achse) angegeben werden, wobei die Farbzeiger auch als Chrominanzvektoren bezeichnet werden. Die Winkel der Chrominanz-vektoren korrespondieren mit den Chrominanz-informationen aus U und V, die Längen der Chrominanzvektoren entsprechen der Farbsättigung.

Mit Hilfe eines so genannten Vektorskops können die Lagen und Längen der Chrominanzvektoren überprüft werden, um die Qualität eines Übertragungskanals zu ermitteln. Stimmen die Lagen und Längen der Chrominanzvektoren mit vorgegebenen Toleranz-feldern überein, gibt es auf dem Übertragungskanal keine Signalverzerrungen oder Störungen. Störungen des Übertragungssignals resultieren auch in Phasenfehler, die ein Verschieben des Chrominanzvektors verursachen und somit eine Farbveränderung im Bild erzeugen. Durch die zeilenweise Invertierung der V-Komponente werden Phasenfehler jedoch ausgeglichen. Die Farben im Bild bleiben stabil bei einer Verringerung der Farbsättigung. Mit diesem System wird ein durch Störungen im Übertragungskanal hervorgerufener Farbtonfehler in einen Sättigungsfehler umgewandelt, der subjektiv als weniger störend empfunden wird.

Durch die Modulation der Farbdifferenzkomponenten auf eine Trägerschwingung entstehen zwischen den sechs Farben des RGB-Farbbalkens Amplituden- und Phasensprünge. Dies kann dazu führen, dass bei einem schnellen Wechsel zwischen hochgesättigten Farben kurzzeitig Einschwingvorgänge auftreten, die sich als unscharfe Trennung zwischen den farbigen Bereichen bemerkbar macht. So erscheint zum Beispiel die Kontur einer roten Fläche vor einem grünen Hintergrund als unscharf.

Das Verzahnen des Chrominanzsignals mit dem Luminanzsignal hat beim Empfänger den Nachteil, dass die beiden Signale nicht vollständig voneinander separierbar sind. So kommt es zwischen dem Chrominanzsignal und dem Luminanzsignal zu einem Übersprechen, d. h. zu gegenseitigen Signalbeeinflussungen.

Das Übersprechen des Chrominanzsignals in das Luminanzsignal wird als Cross Luminanz bezeichnet, bei dem Farbsignale als Helligkeitssignale interpretiert werden. Durch die hohe Frequenz des Chrominanzsignals (wegen der hochfrequenten Trägerschwingung) erscheinen diese Störungen als feine Muster, die besonders bei computergenerierten Videosignalen hervortreten. Das Übersprechen des Luminanzsignals in das Chrominanzsignal wird als Cross Color bezeichnet. Feine Strukturen im Luminanzsignal bewirken im Chrominanzsignal ein Farbveränderung. Dieser Effekt zeigt sich sehr deutlich bei der Wiedergabe feiner unbunter Streifenmuster (wie z. B. Nadelstreifenanzüge). Diese Muster sind von Farbschleiern umgeben, deren Farben sich bei einer Bewegung des Musters ständig ändern.

# YIQ-Farbmodell für NTSC-Farbfernsehen

Das YIQ-Farbmodell wird in dem von der NTSC (National Television System Committee) entwickelten Farbfernsehsystem der USA verwendet. Das NTSC-Farbfernsehverfahren wurde bereits 1953 standardisiert und war das erst Farbfernsehsystem für den Massenmarkt.

Als Grundlage der Chrominanzcodierung dient im NTSC-Farbfernsehsystem das IQ-Koordinatensystem der CIE-Normfarbtafel. Das IQ-Koordinatensystem orientiert sich an den MacAdam-Ellipsen, die das Farbunterscheidungsvermögen der Augen zwischen einzelnen Farben angeben. Die längeren Halbachsen der MacAdam-Ellipsen verlaufen vorzugsweise in einer Achse von Blau nach Gelb-Grün, wobei Farbunterschiede innerhalb der Ellipsen in dieser Richtung vom Auge schlechter erkannt werden. Die kürzeren Halbachsen der MacAdam-Ellipsen verlaufen vorzugsweise in einer Achse von Cyan nach Orange und bilden die Achsen des größten Farbunterscheidungsvermögens der Augen. Zusätzlich werden Farben im Grünbereich schlechter voneinander differenziert als Farben im Rot-Blaubereich.

Für die Codierung der Chrominanzinformationen bedeutet diese physiologische Besonderheit, dass die Übertragungsbandbreite der Chrominanzinformationen in der Richtung des minimalen Farbunterscheidungsvermögens etwa um den Faktor 3 kleiner sein kann als in Richtung der maximalen Empfindlichkeit. Die Achse des maximalen Farbunterscheidungsvermögens wird als I-Achse (Inphase), die Achse des minimalen Farbunterscheidungsvermögens wird als Q-Achse (Quadratur) bezeichnet. Aufgrund dieser Eigenart der Augen werden die IQ-Achsen anstelle der UV-Achsen für die Modulation der Farb-differenzkomponenten verwendet. Die Achsen der IQ-Signale sind dabei um einen Winkel von 33° von den UV-Achsen gedreht.

Die Luminanzkomponente Y wird über die gleiche Formel gebildet wie beim PAL-Farbfernsehsystem (Y = 0,299B + 0,587G + 0,114B). Die IQ-Farbdifferenzkomponenten werden über die Formel I = 0,6R - 0,28G - 0,32B und Q = 0,21R - 0,52G + 0,31B gebildet, können aber ebenfalls auch aus den UV-Farbdifferenzkomponenten gewonnen werden. Das Q-Farbdifferenzsignal wird auf 0,5 MHz, das I-Farbdifferenzsignal auf 1,5 MHz bandbegrenzt.

Mit den IQ-Farbdifferenzkomponenten wird das Chrominanzsignal gebildet. Die Farbsättigung wird dabei in der Amplitude, der Farbton in der Phasenlage des Chrominanzsignals codiert. Wie beim PAL-Farbfernsehsystem wird das Chrominanzsignal auf eine hochfrequente Trägerfrequenz moduliert, wobei jedoch der Träger bei der Übertragung unterdrückt wird. Auf der Empfangsseite muss für eine Demodulation des Chrominanzsignals die Trägerfrequenz phasen- und frequenzrichtig zugesetzt werden. Diese Synchronisierung erfolgt über eine Schwingschaltung im Empfänger, in der die Trägerfrequenz simuliert wird.

Der Farbton wird aus der Relation zwischen der Chrominanzphase und der (simulierten) Trägerfrequenzphase ermittelt. Bei der Signalübertragung kann diese Phasenrelation jedoch beeinflusst werden, was zu einer Farbtonverschiebung im Empfänger führt. Die Phasenrelation kann bei NTSC über einen Phasenlagensteller willkürlich verändert werden, um permanente Phasenrelationsfehler auszugleichen. Kurzfristig veränderliche Phasenlagen (differentielle Phasenfehler) sind dadurch nicht kompensierbar, es ergibt sich ein Bild mit schwankenden Farbtönen. Aufgrund dieses Farbproblems wird NTSC vielfach auch als „Never the same color“ bezeichnet.

# sRGB (standardisierter RGB-Farbraum)

Der weltweit wachsende Gebrauch von Monitoren und anderen RGB-Geräten zur visuellen Wiedergabe von elektronischen Daten führte zu der Forderung nach einem einheitlichen RGB-Standards. Bilder sollen auf einem entsprechend kalibrierten Monitor in der gleichen Farbdarstellung wie das Original wiedergeben werden können. Bisher hatte jede Firma eine eigene Herangehensweise an das Farbmanagement von Grafikinhalten mit unterschiedlichen Bezeichnungen und Standards für Farbinformationen. Mit der Popularisierung des Internets wird ein einheitlicher Standard zur Farbdarstellung immer wichtiger, um eine weltweit gleichmäßige Präsentation von Grafikinhalten zu ermöglichen und Farbinformationen einfach und akkurat auszutauschen.

Der bisherige RGB-Standard reicht für diese Forderung jedoch nicht aus, da es mittlerweile eine große Menge von verwirrenden und oft inkompatiblen RGB-Anwendungen und Festlegungen gibt. Selbst die exakten Farben des RGB-Standards sind nicht sehr genau definiert. Die meisten der heute verwendeten Monitorphosphore sind sich sehr ähnlich, mit Ausnahme der NTSC-Phosphore, die als veraltet gelten.

Selbst die Farbwiedergabe verschiedener Betriebssysteme unterscheidet sich, wenn auch nur gering. Ebenso unterscheiden sich innerhalb der verschiedensten Branchen die Betrachtungsverhältnisse und Umgebungsbeleuchtungsstärken bei der Präsentation von Grafikinhalten auf Monitoren.

Aus diesem Grund wurde der sRGB-Standard definiert, der einen weltweit einheitlichen Standard für den Austausch von Farbinformationen bilden soll. Der größte Anwender für RGB-basierte Systeme ist und bleibt das Farbfernsehen. In diesem Bereich gibt es bereits unzählige Standards und Vereinheitlichungen, die vielfach auch in Anwendungen und Produkten anderer Medienbereiche verwenden werden. Insbesondere der bereits existierende HDTV-Standard (ITU-R BT.709) erscheint als eine zukunftweisende Variante für RGB-basierte Systeme und dient deswegen als Grundlage für den sRGB-Standard.

Grundsätzlich werden folgende Festlegungen im sRGB-Standard getroffen, wobei von einem CIE-Normalbeobachter ausgegangen wird:

Die XYZ-Normfarben der nach ITU-R BT.709/2 festgelegten Monitorphosphore werden über eine festgelegte Transformation in die sRGB-Werte umgewandelt und anschließend mit jeweils 8 Bit codiert. Der sRGB-Standard wurde 1999 von der International Electrotechnical Commission (IEC) als Norm verabschiedet (IEC 61966-2-1).