Bandbreite

Typisch Kathodenstrahlröhre (CRT) Bande
Die graute Hufeisenform ist die gesamte Auswahl der möglichen Chromatitäten, angezeigt in der CIE 1931 Chromatizitätsdiagramm Format (siehe unten). Das farbige Dreieck ist der Band SRGB Farbraum, der normalerweise in Computermonitoren verwendet wird; Es bedeckt nicht den gesamten Raum. Die Ecken des Dreiecks sind die Grundfarben für diese Bandbreite; im Fall von a CrtSie hängen von den Farben der Phosphoren des Monitors ab. An jedem Punkt zeigt sich die hellstmögliche RGB -Farbe dieser Chromatizität, was zu hellem führt Mach Band Streifen, die den Rändern des RGB -Farbwürfels entsprechen.

In Farbwiedergabe, einschließlich Computergrafik und Fotografie, das Bandbreite, oder Farbumfang /ˈɡæmət/, ist ein gewisses Vollständige Untergruppe von Farben. Die häufigste Verwendung bezieht sich auf die Untergruppe der Farben, die unter bestimmten Umständen genau dargestellt werden können Farbraum oder von einem bestimmten Ausgabegerät.

Ein anderer Sinn, der seltener häufig verwendet, aber immer noch korrekt ist, bezieht sich auf den vollständigen Farbsatz, der zu einem bestimmten Zeitpunkt in einem Bild gefunden wurde. In diesem Zusammenhang digitalisieren ein Foto, das Konvertieren eines digitalisierten Bildes in einen anderen Farbraum oder geben Sie es mit einem bestimmten Ausgangsgerät in ein bestimmtes Medium aus Prozess.

Einführung

Der Begriff Bandbreite wurde aus dem Musikfeld übernommen, wo im mittleren Alter "Gamut" die gesamte Bandbreite von Musiknoten bedeutete, anhand derer musikalischer Melodien komponiert sind; ShakespeareDie Verwendung des Begriffs in Der Widerspenstigen Zähmung wird manchmal dem Autor/Musiker zugeschrieben Thomas Morley.^[1] In den 1850er Jahren wurde der Begriff beispielsweise auf eine Reihe von Farben oder Farbton angewendet Thomas de Quincey, Wer schrieb "PorphyrIch habe gehört, läuft so groß wie Marmor. "^[2]

Im Farben Lehre, die Bandbreite eines Geräts oder eines Prozesses ist der Teil der Farbraum das kann dargestellt oder reproduziert werden. Im Allgemeinen ist der Farbumfang in der angegeben Farbton–Sättigung Ebene als System kann normalerweise Farben über eine breite erzeugen Intensität Reichweite innerhalb seines Farbbetriebs; Für ein Subtraktive Farbe System (wie verwendet in Drucken) Der im System verfügbare Intensitätsbereich ist größtenteils bedeutungslos, ohne systemspezifische Eigenschaften zu berücksichtigen (wie die Erleuchtung der Tinte).

Wenn bestimmte Farben in einem bestimmten Farbmodell nicht ausgedrückt werden können, sollen diese Farben sein aus dem Bandbreite.

Ein Gerät, das den gesamten sichtbaren Farbton reproduzieren kann, ist ein nicht realisiertes Ziel innerhalb der Ingenieurwesen von Farbanzeigen und Druckprozesse. Moderne Techniken ermöglichen zunehmend gute Annäherungen, aber die Komplexität dieser Systeme macht sie oft unpraktisch.

Während der Verarbeitung eines digitalen Bildes ist das bequemste Farbmodell das RGB -Modell. Das Drucken des Bildes erfordert die Umwandlung des Bildes aus dem ursprünglichen RGB -Farbton in den CMYK -Farbraum des Druckers. Während dieses Prozesses müssen die Farben der RGB, die nicht aus der Luft sind, irgendwie konvertiert werden, um Werte innerhalb des CMYK -Space -Space -Space -Space -Space -Space -Bandes zu bewerten. Schneiden Sie einfach nur die Farben, die nicht in den nächsten Farben im Zielbereich sind brennen das Bild. Es gibt mehrere Algorithmen, die sich dieser Transformation nähern, aber keiner von ihnen kann wirklich perfekt sein, da diese Farben einfach aus den Funktionen des Zielgeräts liegen. Aus diesem Grund ist die Identifizierung der Farben in einem Bild, das so bald wie möglich während der Verarbeitung im Zielfarben aus dem Ziel ist, für die Qualität des Endprodukts von entscheidender Bedeutung.

Repräsentation von Spielen

Das CIE 1931 -Farbraumchromatizitätsdiagramm, das den sichtbaren Bandbreite vergleicht SRGB's und Farbtemperatur	Viele werden üblicherweise als Bereiche in der dargestellt CIE 1931 Chromatizitätsdiagramm, mit der gekrümmten Kante, die die darstellt monochromatisch (Einzelwellenlänge) oder Spektralfarben.
Der SRGB -Bande projizierte in den Ciexyy -Farbraum. x und y sind die horizontalen Achsen und repräsentieren Chromatizität. Y ist die vertikale Achse und repräsentieren Luminanz.	Der zugängliche Bandbreite hängt von der Helligkeit ab. Eine vollständige Bandbreite muss daher im 3D -Raum dargestellt werden.
RGB -Bandbreite Bandbreite natürlicher Farben	Die Bilder zeigen die Bandbreite des RGB -Farbraums (links), wie z. B. auf Computermonitoren und von reflektierenden Farben in der Natur (rechts). Der grau gezeichnete Kegel entspricht ungefähr dem CIE -Chromatizitätsdiagramm mit der zusätzlichen Dimension der Helligkeit. Die Achsen in diesen Diagrammen sind die Antworten der Kurzwellenlänge (S), mittlere Wellenlänge (M) und langwellig (L) Kegel in der menschliches Auge. Die anderen Buchstaben zeigen schwarz an (Blk), rot (R), grün (G), blau (B), Cyan (C), Magenta (M), gelb (Y) und weiße Farben (W). (Hinweis: Diese Bilder sind nicht genau skaliert.) Das rechte Diagramm zeigt, dass die Form des RGB -Bandes ein Dreieck zwischen Rot, Grün und Blau bei niedrigeren Leuchten ist. Ein Dreieck zwischen Cyan, Magenta und Gelb bei höheren Leuchten und ein einzelner weißer Punkt bei maximaler Leuchtkraft. Die genauen Positionen der Apexes hängen von den Emissionsspektren der Phosphoren im Computermonitor und im Verhältnis zwischen den maximalen Luminsitäten der drei Phosphoren (d. H. Der Farbbalance). Die Bandbreite des CMYK -Farbraums ist idealerweise ungefähr dem für RGB mit leicht unterschiedlichen Apexen, abhängig von den genauen Eigenschaften der Farbstoffe und der Lichtquelle. In der Praxis ist die Bandbreite aufgrund der Art und Weise, wie rastergedruckte Farben miteinander und des Papiers interagieren, kleiner und verfügt über abgerundete Ecken.

Die Bandbreite reflektierender Farben in der Natur hat eine ähnliche, wenn auch rundere Form. Ein Objekt, das nur ein schmales Wellenlängenband widerspiegelt, hat eine Farbe nahe am Rand des CIE -Diagramms, aber gleichzeitig eine sehr niedrige Leuchtkraft. Bei höheren Luminsitäten wird die zugängliche Fläche im CIE -Diagramm immer kleiner, bis zu einem einzigen weißen Punkt, an dem alle Wellenlängen genau 100 Prozent reflektiert werden. Die genauen Koordinaten von Weiß werden durch die Farbe der Lichtquelle bestimmt.

Einschränkungen der Farbdarstellung

Oberflächen

Spektrum eines farboptimalen reflektierenden Materials.

Macadam -Grenzen für Beleuchtung CIE FL4 In Cie Xyy.

Zu Beginn des 20. Jahrhunderts wurden die industriellen Anforderungen nach einer kontrollierbaren Möglichkeit zur Beschreibung der Farben und der neuen Möglichkeit zur Messung von Lichtspektren intensive Forschungen zu mathematischen Beschreibungen von Farben eingeleitet.

Die Idee optimaler Farben wurde vom baltisch deutschen Chemiker eingeführt Wilhelm Ostwald. Erwin Schrödinger zeigte in seinem Artikel von 1919 Theorie der Pigmente von größter Leuchtkraft (Theorie der Pigmente mit höchster Leuchtkraft)^[3] Dass die meistgesättigten Farben, die mit einem gegebenen Gesamtreflexionsvermögen erzeugt werden können, durch Oberflächen mit entweder Null oder vollständigem Reflexionsvermögen bei einer bestimmten Wellenlänge erzeugt werden, und das Reflexionsspektrum muss höchstens zwei Übergänge zwischen Null und voll haben.

Somit sind zwei Arten von "optimalen Farben" -Spektren möglich: Entweder geht der Übergang von Null an beiden Enden des Spektrums zu einem in der Mitte, wie im Bild rechts gezeigt, oder es geht von einem an den Enden zu Null in der Mitte. Der erste Typ erzeugt Farben, die den spektralen Farben ähnlich sind und ungefähr dem hufeisenförmigen Teil der verfolgen CIE XY -Chromatizitätsdiagramm, sind aber im Allgemeinen weniger gesättigt. Der zweite Typ erzeugt Farben, die dem CIE XY-Chromatizitätsdiagramm ähnlich sind (aber im Allgemeinen weniger gesättigt als).

Schrödingers Arbeit wurde weiterentwickelt von David Macadam und Siegfried Rösch.^[4] MacAdam war die erste Person, die präzise Koordinaten ausgewählter Punkte an der Grenze des optimalen Farbfarbs im CIE 1931 -Farbraum für Leichtigkeitsniveaus von y = 10 bis 95 in Schritten von 10 Einheiten berechnet. Dies ermöglichte es ihm, die optimale Farbe fest mit akzeptablen Präzision zu zeichnen. Aufgrund seiner Leistung wird die Grenze des optimalen Farbkörpers als die genannt Macadam -Grenze.

Auf modernen Computern ist es möglich, einen optimalen Farbkörper mit großer Präzision in Sekunden oder Minuten zu berechnen. Die Macadam -Grenze, an der sich die gesättigten (oder "optimalen) Farben befinden, zeigt, dass Farben, die nahezu monochromatische Farben sind -Der Teil des spektralen Ortes zwischen Grün und Rot verbindet eine Farbe sehr nahe an einem monochromatischen Gelb.

Lichtquellen

Lichtquellen, die als Vorwahlen in einem additiven Farbwiedergabesystem verwendet werden, müssen hell sein, sodass sie im Allgemeinen nicht nahe am monochromatischen sind. Das heißt, der Farbumfang der am meisten variablen Farben leichten Quellen kann als Folge von Schwierigkeiten verstanden werden, die rein produzieren monochromatisch (Single Wellenlänge) hell. Die beste technologische Quelle für monochromatisches Licht ist die Laser-, was für viele Systeme ziemlich teuer und unpraktisch sein kann. Allerdings da optoelektronisch Technologie reift, ein Longitudinal-Mode-Diodenlaser werden günstiger, und viele Anwendungen können bereits davon profitieren. wie Raman-Spektroskopie, Holographie, biomedizinische Forschung, Fluoreszenz, Refographien, Interferometrie, Halbleiterinspektion, Fernerkennung, optische Datenspeicherung, Bildaufzeichnung, Spektralanalyse, Druck, Punkt-zu-Punkt-Freiraum-Kommunikation und Faseroptikkommunikationen.^[5][6][7][8]

Systeme, die additive Farbprozesse verwenden, haben normalerweise einen Farbumfang, der ungefähr a ist konvexes Polygon in der Farbtonsättigungsebene. Die Scheitelpunkte des Polygons sind die am meisten gesättigten Farben, die das System erzeugen kann. In subtraktiven Farbsystemen ist der Farbumfang häufiger eine unregelmäßige Region.

Vergleich verschiedener Systeme

Vergleich einiger RGB- und CMYK -Farbumfang eines CIE 1931 XY -Chromatizitätsdiagramms

Im Folgenden finden Sie eine Liste repräsentativer Farbsysteme, die von großer bis kleiner Farbumfang bestellt wurden:

• A Laser -Videoprojektor Verwendet drei Laser, um den größten in praktischen Ausstellungsgeräten erhältlichen Bandbreite zu produzieren, das aus der Tatsache abgeleitet ist, dass Laser wirklich monochromatische Vorwahlen produzieren. Die Systeme funktionieren entweder, indem sie das gesamte Bild jeweils einen Punkt scannen und den Laser direkt mit hoher Frequenz modulieren, ähnlich wie die Elektronenstrahlen in einem Crtoder durch optisch verbreitete und dann modulierende Laser und scannen jeweils eine Linie, wobei die Linie selbst in ähnlicher Weise wie in einem moduliert wird DLP Beamer. Laser können auch als Lichtquelle für einen DLP -Projektor verwendet werden. Mehr als drei Laser können kombiniert werden, um die Vielfalt zu erhöhen, eine Technik, die manchmal in verwendet wird Holographie.^[9]
• Digitale Lichtverarbeitung oder DLP -Technologie ist eine markenartige Technologie von Texas Instruments. Der DLP-Chip enthält eine rechteckige Array von bis zu 2 Millionen an Scharnier montierten mikroskopischen Spiegeln. Jedes der Mikromirrors misst weniger als ein Fünftel der Breite eines menschlichen Haares. Der Mikrokromirrror eines DLP -Chips neigt sich entweder in Richtung Lichtquelle in einem DLP -Projektionssystem (Ein) oder weg von ihm (aus). Dies erzeugt ein helles oder dunkles Pixel auf der Projektionsfläche.^[10] Aktuelle DLP -Projektoren verwenden ein schnell rotierendes Rad mit transparenten "Kuchenscheiben", um jeden Farbrahmen nacheinander zu präsentieren. Eine Rotation zeigt das vollständige Bild.
• Fotografischen Film kann einen größeren Farbumfang reproduzieren als typischer Fernseher, Computer oder Heimvideo Systeme.^[11]
• Crt und ähnliche Video -Displays haben einen ungefähr dreieckigen Farbumfang, der einen erheblichen Teil des sichtbaren Farbtonraums abdeckt. In CRTs sind die Einschränkungen auf die Phosphoren im Bildschirm zurückzuführen, die rot, grün und blaues Licht erzeugen.
• Flüssigkristallanzeige (LCD) Bildschirme filtern das von a emittierte Licht Hintergrundbeleuchtung. Die Bandbreite eines LCD -Bildschirms ist daher auf das emittierte Spektrum der Hintergrundbeleuchtung beschränkt. Typische LCD-Bildschirme verwenden Kaltkathode-Fluoreszenzbirnen (CCFLs) für Hintergrundbeleuchtung. LCD -Bildschirme mit bestimmten LED Oder CCFL-Hintergrundbeleuchtung mit breitem Gamut liefern eine umfassendere Bandbreite als CRTs. Einige LCD -Technologien variieren jedoch die durch Betrachtungswinkel dargestellte Farbe. In Plane Switching oder Musterte vertikale Ausrichtung Bildschirme haben eine größere Farbenspanne als Nematisch verdreht.
• Fernsehen Normalerweise verwendet CRT, LCD, LED oder Plasmaanzeige, aber aufgrund der Einschränkungen von seinen Farbdisplayeigenschaften nicht voll ausnutzt Rundfunk-. Das gemeinsame Farbprofil für TV basiert auf ITU Standard Rec. 601. HDTV ist weniger restriktiv und verwendet ein leicht verbessertes Farbprofil basierend auf ITU -Standard Rec. 709. Immer noch etwas weniger als beispielsweise Computeranzeigen mit derselben Anzeigetechnologie. Dies ist auf die Verwendung einer begrenzten Teilmenge von RGB in der Rundfunk (Werte von 16-235) im Vergleich zu Full RGB in Computer-Displays zurückzuführen, wobei alle Bits von 0 bis 255 verwendet werden.
• Farbe Mischen, sowohl künstlerisch als auch für kommerzielle Anwendungen, erreicht einen einigermaßen großen Farbumfang, indem er mit einer größeren Palette als Rot, Grün und Blau von CRTs oder Cyan, Magenta und Gelb des Drucks beginnt. Farbe kann einige hoch gesättigte Farben reproduzieren, die von CRTs (insbesondere violett) nicht gut reproduziert werden können, aber insgesamt ist der Farbumfang kleiner.
• Drucken verwendet normalerweise die CMYK Farbraum (Cyan, Magenta, Gelb und Schwarz). Nur sehr wenige Druckprozesse enthalten keine Schwarz; Diese Prozesse (mit Ausnahme von Farbstoff-Sublimation-Drucker) sind schlecht bei der daraus renovierten Sättigung, Farben mit geringer Intensität. Es wurden Anstrengungen unternommen, um den Druck des Druckprozesses zu erweitern, indem nicht primäre Farben hinzugefügt wurden. Diese sind normalerweise orange und grün (siehe Hexachrom) oder leichte Cyan und leichte Magenta (siehe CCMMYK -Farbmodell). Spotfarbe Manchmal werden auch Tinten einer sehr spezifischen Farbe verwendet.
• A einfarbig Die Farbdarbe des Displays ist eine eindimensionale Kurve im Farbraum.^[12]

Breites Farbumfang

Das Ultra HD Forum Definiert einen breiten Farbband (WCG) als Farbdarmsummenge, der breiter ist als die von BT.709 (Rec. 709).^[13] Farbräume Zu WCGs gehören:

• Rec. 2020 -ITU-R-Empfehlung für Uhdtv^[14]
• Rec. 2100 -ITU-R-Empfehlung für HDR-Tv (gleich Chromatizität von Farbvorwahlen und Weißer Punkt wie Rec. 2020) ^[15]
• DCI-P3
• Adobe RGB Farbraum

Drucken erweiterten Gamut

Der Druckbebkleider, der durch die Verwendung von Cyan, Magenta, Gelb und schwarzen Tinten erreicht wird, ist manchmal eine Einschränkung, beispielsweise beim Drucken von Farben von Unternehmenslogos. Daher verwenden einige Methoden des Farbdrucks zusätzliche Tintenfarben, um einen größeren Bandbreite zu erzielen. Zum Beispiel verwenden einige grüne, orange und violettes Tinten, um die erreichbare Sättigung von Farbtönen in der Nähe dieser zu erhöhen. Diese Methode wird unterschiedlich als Heptaton-Farbdruck, erweitertem Gamut-Druck und 7-Farben-Druck usw. bezeichnet.^[16][17]

Verweise

Externe Links

• Verwenden des Chromatizitätsdiagramms zur Farbdannungsbewertung von Bruce Lindbloom.
• Farbspielmapping Buch von Jan Morovic.
• Farbdarmanierung quantifizieren von William D. Kappele
• Stanford University CS 178 Interaktive Flash -Demo Erläuterung von Farbspielmaschinen.