Grundlagen der Videotechnik II

Farbraum, Gammakorrektur, digitale Video-Signale

Die Empfindlichkeit des menschlichen Auges ist nicht linear und frequenzabhängig. Mit der Anpassung der Farbfernsehtechnik an die speziellen Eigenschaften und Unzulänglichkeiten des Auges lässt sich die Bandbreite optimal nutzen.

Es gibt viele verschiedene Möglichkeiten zur Darstellung von Farbe, wobei sich jedes Farbsystem für unterschiedliche Zwecke eignet. Die Basis-Darstellung ist der RGB-Farbraum. RGB steht für "Rot-Grün-Blau" als ein Farbsystem, das üblicherweise in Bildsensoren und Displays genutzt wird. Aus den Hauptfarben RGB ergibt sich bei entsprechender Mischung weißes Licht. Mit RGB in unterschiedlichen Mischungen lassen sich praktisch alle Farben im sichtbaren Spektrum erzeugen. RGB ist die Basis für alle anderen Farbräume sowie die Auswahl von Farbraum für Computergrafik.

Gammakorrektur

Der Ausdruck "Gamma" beschreibt den nichtlinearen Zusammenhang von Helligkeits-Wahrnehmung und -Darstellung. Dabei ist zu beachten, dass dies sogar doppelt gilt. Das menschliche Auge erkennt Helligkeit auf eine nichtlineare Weise. Physikalische Ausgabegeräte wie Bildröhren und LCDs stellen Helligkeit zwar ebenfalls nichtlinear dar, zufälligerweise entspricht die menschliche Helligkeitswahrnehmung aber fast genau dem umgekehrten Ausgangsverhalten von Bildröhren.

Analog Devices 

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Bild 1. Die Gammakorrektur in der Kamera gleicht das nichtlineare Verhalten des Bildschirmes aus.

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Bild 1. Die Gammakorrektur in der Kamera gleicht das nichtlineare Verhalten des Bildschirmes aus.

Mit anderen Worten ausgedrückt: Die Helligkeit eines Bildschirmes ist etwa proportional zur analogen Signalspannung am Eingang, potenziert mit Gamma. Bei einer Bildröhre oder einem LC-Display liegt dieser Wert normalerweise zwischen 2,2 und 2,5. In der Kamera erfolgt eine Vorkompensation der RGB-Werte mit einem Faktor 1/Gamma.

Video-Kameras und Computergrafikroutinen vorverzerren das RGB-Signal in einem Schritt, der als "Gammakorrektur" bezeichnet wird, um die Nichtlinearität des wiedergebenden Bildschirmes zu kompensieren und um ein realistisches Signal zu erzeugen, das dem Empfinden des menschlichen Auges entspricht. Bild 1 illustriert diesen Prozess.

Gammakorrigierte RGB-Signale werden als R'G'B'-Raum bezeichnet. Das Helligkeitssignal Y' erhält man aus diesen Werten. Streng genommen sollte sich der Ausdruck "Helligkeit" lediglich auf dieses gammakorrigierte Helligkeitssignal beziehen, wobei die echte "Helligkeit" Y ein Ausdruck aus der Farblehre ist und aus der gewichteten Summe von R, G und B gebildet wird - ohne Gammakorrektur.

Wenn es im Folgenden um YCbCr- und RGB-Farbräume geht, sind damit oft gammakorrigierte Signale gemeint – mit anderen Worten Y'CbCr oder R', G' und B'. Da diese Bezeichnung jedoch verwirrend sein kann und nicht den Kern der hier beschriebenen Sachverhalte berührt, wird die Bezeichnung YCbCr/RGB auch in Fällen verwendet, in denen eine Gammakorrektur durchgeführt wurde. Die Gammakorrektur findet auch außerhalb der eigentlichen Video-Signalverarbeitung an den Schnittstellen des Signalprozessors zum Bildsensor bzw. Display statt. Nur in den Gleichungen zum Wechseln von einem Farbraum in den anderen wird auf eine eindeutige Unterscheidung geachtet.

Das RGB-Format ist ein natürliches Konzept zur Darstellung von Farben aus der realen Welt. Jeder der drei Kanäle korreliert sehr stark mit den beiden anderen. Wenn man die R-, G- und B-Kanäle eines bestimmten Bildes unabhängig voneinander betrachtet, dann kann man in jedem Farbkanal das gesamte Bild erkennen. Das RGB-Format ist auch keine vorteilhafte Wahl für die Bildverarbeitung, da Änderungen in einem Kanal auch in den beiden anderen Kanälen durchgeführt werden müssen und alle drei Kanäle die gleiche Bandbreite haben.

Zur Reduzierung der erforderlichen Übertragungsbandbreite und zur Steigerung der Video-Komprimierungsrate wurden andere Farbräume entwickelt, die extrem unkorreliert sind und somit ein besseres Komprimierungsverhalten aufweisen als RGB. Die gängigsten Farbräume sind YPbPr, YCbCr und YUV, wobei alle drei eine Helligkeitskomponente von zwei Farbkomponenten separieren. Diese Separation erfolgt über gewichtete Farbdifferenzsignale (B' - Y') und (R' - Y'). Der Ausdruck Pb/Cb/U korrespondiert mit (B' - Y'). Der Ausdruck Pr/Cr/V korrespondiert mit dem Parameter (R' - Y'). YPbPr wird im Bereich der analogen Videotechnik verwendet, YUV in der Farbfernsehtechnik (NTSC, PAL, SECAM) und YCbCr in der digitalen Videotechnik.

Die Separation in Helligkeits- und Farbinformation senkt die Bandbreite für die Bildverarbeitung. Auch lässt sich, wie weiter unten erklärt wird, mit Hilfe von Subsampling die Farbsignalbandbreite beachtlich reduzieren, ohne dass dabei große Verluste bei der visuellen Wahrnehmung entstehen.

Die folgenden Gleichungen zeigen, wie sich zwischen den 8-bit-Darstellungen von Y'CbCr und R'G'B' umrechnen lässt, wobei Y', R', G' und B' normalerweise Werte von 16 bis 235 und Cr und Cb von 16 bis 240 einnehmen können.

Y' = (0,299) * R' + (0,587) * G' + (0,114) * B'

Cb = -(0,168) * R' - (0,330 )* G' + (0,498) * B' + 128

Cr = (0,498) * R' - (0,417) * G' - (0,081) * B' + 128

R' = Y' + 1,397 * (Cr - 128)

G' = Y' - 0,711 * (Cr - 128) - 0,343 * (Cb - 128)

B' = Y' + 1,765 * (Cb - 128)

1. Teil: Farbraum, Gammakorrektur, digitale Video-Signale
2. Teil: Datenreduktion beim Farbsignal
3. Teil: Digitales Fernsehen
4. Teil: Literatur und Autoren

Weiterführende Links:

• Grundlagen der Videotechnik III: Analoge/digitale Signalquellen und Bildschirme
• Grundlagen der Videotechnik I: Menschliches Sehen, Videosignale, Auflösung und Fernsehtechnik