Farben am Computer, HDR, Belichtungsreihen

(Aus der Reihe: Alles muss raus. Angefangene Blogbeiträge des Jahrs 2008 aufräumen.)

Wenn man mit der Digitalkamera ein Foto macht und sich das auf dem Bildschirm anschaut oder ausdruckt, dann kann man aus einer Palette von über 16 Millionen Farbtönen auswählen. So viel verschiedene gibt es dabei nämlich. Dabei setzen sich die Farben wie beim Fernseher auch aus unterschiedlichen Anteilen dreier Grundfarben zusammen: Rot, Grün und Blau.
Wir erinnern uns an den Kunstunterricht in der Schule: Bei der subtraktiven Farbmischung mit dem Wasserkasten sind die Grundfarben Rot, Gelb und Blau, und wenn man sie alle mischt, kriegt man, hm, sagen wir mal einfach Schwarz dazu. (Ergänzung, Dank an Reinhard: Eigentlich sind die Farben Cyan, Magenta und Gelb. Und seit zwanzig Jahren gibt es diese Farben auch im Malkasten. Zu meiner Schulzeit allerdings noch nicht. Wenn man Magenta und Gelb mischt, kommt unser Rot heraus.)
Bei der additiven Mischung von Lichtstrahlen sind die Grundfarben Rot, Grün und Blau, wenn man sie alle mischt, kriegt man Weiß.

Für jede Grundfarbe gibt es 256 verschiedene Werte (von 0-255), demnach gibt es 256*256*256 verschiedene Mischungen. Leuchtendes Rot besteht aus 255 Rot (also dem Maximum) und jeweils 0 Grün und Blau. Gelb besteht aus 255 Rot, 255 Grün und 0 Blau.

Auf dem Bild sieht man, dass der ausgewählte pastellige Grünton aus 121 Rot, 237 Grün und 145 Blau besteht:

hdr_paint_farben

Wer HTML schreibt, der kennt das: Dort werden die Farben in genau dieser Form eingegeben, nur dass dazu das Hexadezimalsystem verwendet wird. Statt 121-237-145 schreibt man #79-ED-91. Die Farbe Schwarz ist #000000 (also jeweils null Anteile RGB), die Farbe Weiß ist #FFFFFF (also jeweils #FF RGB, oder 255 in Dezimalschreibweise, das Maximum).

Als Mensch kann man intuitiv nicht viel anfangen mit diesen Mischungen. Deshalb gibt es alternative Beschreibungsmöglichkeiten, HSV und HSL. Damit wird derselbe Farbbereich beschreiben, aber statt dazu die Anteile RGB zu nehmen, wird die Farbe in Form von Hue, Saturation und Value beschrieben. Hue ist der Farbton, also etwa ein bestimmte Art von Grün; Saturation gibt an, wieviel Weiß diesem Farbton beigemischt wird (also wie pastellig er ist); Value gibt an, wieviel Schwarz beigemischt wird.

Auf dem Bild sieht man, dass die Farbe #79ED91 auch beschrieben werden kann als H133, S49 und V93:

hdr_gimp_farben

Für einen Mensch ist es vielleicht einfacher, in Form von HSV zu denken als von RGB. (HSL ist eine weitere Beschreibungsform, bei der Saturation etwas anderes bedeutet und L für lightness steht.)

Worauf ich eigentlich hinauswill: Es gibt zwar 16 Millionen Farbtöne, aber dabei nur 256 verschiedene Helligkeitsstufen. Das sieht man gut am Histogramm eines Bildes. Das Histogramm zeigt übersichtlich, aus wieviel hellen und wieviel dunklen Pixeln ein Bild besteht:

Die horizontalen Achse gibt die Helligkeitswerte von 0 (links) bis 255 (rechts) an. Je höher der Wert auf der vertikalen Achse, desto mehr Pixel mit dieser Helligkeit gibt es im Bild. An diesem Histogramm sieht man, dass es keine Pixel gibt mit Helligkeit 0, der Großteil der Pixel hat Werte zwischen 30 und 150 (geschätzt), und ganz rechts sieht man noch viele Pixel mit sehr hohen Werten, viele davon mit 255. Wenn man Histogramme gewöhnt ist, sieht man gleich: Dieses Bild ist etwas überbelichtet. So sieht es übrigens aus:

Folgendes Histogramm sieht ausgeglichener aus:

Zugegeben, auch hier drängen sich noch etliche Pixel an den linken und rechten Rändern. Eigentlich sollten einige davon noch dunkler und andere noch heller sein, aber das geht nun mal nicht, weil der Helligkeitsumfang nur 256 betragen kann. Einige Stellen des Bildes (nämlich die mit geringem Helligkeitswert) hätten noch etwas mehr Belichtungszeit vertragen, anderen Stellen (nämlich den mit hohem Helligkeitswert) hätte eine kürzere Belichtungszeit gut getan. So sieht das Bild aus:

Die Tatsache, dass es nur 256 Helligkeitswerte (auf Monitor, Drucker und allen dort darstellbaren Bildern) gibt, heißt LDR, low dynamic range. Der Film von analogen Kameras ist empfindlicher, er kann ein breiteres Helligkeitsspektrum abbilden, und das menschliche Auge kann noch weitaus mehr wahrnehmen.

Bei den meisten Motiven ist das kein Problem. Aber wenn auf einem Bild ein großes Helligkeitsspektrum dargestellt werden soll, wenn sehr dunkle und sehr helle Stellen in einem Bild sind, dann muss man sich entscheiden: Entweder lange Belichtungszeit, so dass die dunklen Stellen detailliert zu sehen sind (und die hellen überbelichtet):

Oder kurze Belichtungszeit, so dass man Details in hellen Stellen erkennen kann, die dunklen aber nicht mehr auszumachen sind:

Oder man erzeugt eine HDR-Aufnahme, high dynamic range. Dabei macht man drei bis fünf Aufnahmen vom gleichen Motiv, mit Stativ, mit jeweils unterschiedlichen Belichtungszeiten. (Digitale Spiegelreflexkameras und manche Sucherkameras haben praktischerweise eine Automatik für diese Belichtungsreihe.) Ein geeignetes Programm erzeugt aus diesen einzelnden LDR-Aufnahmen ein HDR-Bild. Das ist ein Bild, bei dem der Helligkeitsbereich für die Pixel größer als 256 ist.

Diese HDR-Aufnahme kann man aber weder direkt auf dem Monitor anschauen noch ausdrucken, denn beide Ausgabegeräte können nur 256 Helligkeitswerte wiedergeben. In einem zweiten Schritt, dem tone mapping, wird die HDR-Aufnahme wieder umgewandelt in ein RGB-Bild, zum Beispiel jpeg. Allerdings kann man dabei genauer festlegen, welche Art Pixel wie umgewandelt werden soll. Man kann sich das HDR-Bild ein bisschen wie ein Negativ vorstellen, von dem man auf verschiedene Art RGB-Abzüge machen kann. Es ist, als würde man den dunklen Ecken des Bilds eine längere Belichtungszeit zukommen lassen als den helleren.

Heraus kommt dann zum Beispiel das:

toledo5

HDR macht man schon seit einigen Jahren. Ich wollte eigentlich mit einem Blogbeitrag warten, bis ich selber ein gutes HDR-Bild vorzuweisen hatte. Aber ich habe noch immer keines (weil ich so selten in Sonne-Schatten-Kontraste komme, sollte öfter in Kirchen gehen) und das Jahr ist schon fast um. Wenn man HDR wirklich kann, kommt so etwas heraus:

hdr_800px-new_york_city_at_night_hdr

(Quelle: Wikipedia, Creative Commons Attribution ShareAlike 2.0 License, Autor: Paulo Barcellos Jr.)

Hier einige Links, wer sich weiter informieren und Beispiele sehen möchte:


(Fußnote und Berichtigungen: Digitale Kameras können sehr wohl mit mehr als 256 Helligkeitsstufen aufnehmen und tun das auch. Allerdings wird das Bild in der Regel angepasst, auf 256 Helligkeitsstufen pro Farbkanal reduziert, komprimiert, geschärft und sonst noch ein bisschen vorbearbeitet, bevor es als jpg auf der Speicherkarte der Kamera landet. Zumindest digitale Spiegelreflexkameras bieten die Möglichkeit, das Bild auch weitgehend unbearbeitet in einem Raw-Format zu speichern. Das ist die eigentliche Entsprechung zum Film-Negativ. Eine Bild in diesem Rohdatenformat enthält unter anderem mehr Informationen zur Helligkeit und erlaubt laut Wikipedia zwischen 1.024 und 16.384 Stufen. Man kann es sich nur nicht anschauen, jedenfalls nicht ohne es zumindest temporär umzuwandeln in ein normales Bild – der Entsprechung zum Abzug vom Negativ. Für eine schöne HDR-Aufnahme braucht man trotzdem eine Belichtungsreihe, auch wenn man aus einem Raw-Bild schon mehr herausholen kann als aus einem Bild im jpg-Format.)

Toller Link zu Farbtheorie, wer tiefer einsteigen möchte.

3 Gedanken zu “Farben am Computer, HDR, Belichtungsreihen

  1. Im Rohdatenformat hängt die Anzahl der Helligkeitsstufen pro Kanal von der Kamera ab, im Fall meiner Pentax-Spiegelreflex ist das ein 12-Bit-Sensor, also nach Adam Informatiker 2^12 mögliche Abstufungen. Daraus folgt, dass für eine möglichst verlustfreie Bearbeitung eine Software benötigt wird, die mit 16bit Farbtiefe pro Kanal umgehen kann. Da hilft leider der Gimp nicht mehr.
    Ob die Kamera also wirklich 12bit Farbtiefe hat? Sie produziert es zumindest, aber die Farbsensoren liegen nebeneinander, nicht aufeinander. Die Farben müssen also vom RAW-Konverter (oder der Kamera, bei JPEG) erst mal errechnet werden.
    Bei meiner Kamera sind die Fotos von RAW deutlich schärfer als die JPEGs. Bei Kompaktkameras schlägt aufgrund der hohen Megapixel-Anzahl auf zu kleiner Sensorfläche mittlerweile fast immer eine Bildoptimierungsprozessor zu – man sieht dessen Grausamkeit deutlich an den fransigen Kanten, wenn man auf dem Computerbildschirm 100% reinzoomt.
    Ansonsten: Lesenswerter Blog-Post, der einen guten Einstieg ins Thema bildet! Zum Thema Histogram fällt mir noch ein: Da die meisten Kameras auf dem Display nicht so recht erkennen lassen, ob das Bild irgendwo über- oder unterbelichtet ist, kann man auch auf dem Kamera-Display das Histogramm als Indikator benutzen.

  2. Wow, ganz großes Kino! Dieser Beitrag wird meine neue Referenzantwort, wenn jemand nach einem Link zu einer einfachen HDR-Erklärung möchte. :)

    Nebenbei: Guten Rutsch!

  3. Markus on 31.12.2008 at 12:15 sagte:

    HDR. ich musste erst an “Herr der Ringe” denken. Aber danke für den Bericht. Er hat mich dazu animiert, mal nach hdr eine Bildersuche zu starten (bei google). Und jetzt habe ich einen klasse Desktop am PC.

    Guten Rutsch

    Markus

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