In der Farbreproduktion, einschließlich Computergraphik und Fotografie, ist die Farbskala oder Farbskala / ɡæmət / eine bestimmte vollständige Teilmenge von Farben. Die gebräuchlichste Verwendung bezieht sich auf die Teilmenge von Farben, die unter bestimmten Umständen genau dargestellt werden können, beispielsweise innerhalb eines gegebenen Farbraums oder durch ein bestimmtes Ausgabegerät.

Ein anderer Sinn, der weniger häufig verwendet wird, aber immer noch korrekt ist, bezieht sich auf den vollständigen Satz von Farben, die zu einem bestimmten Zeitpunkt in einem Bild gefunden werden. In diesem Zusammenhang ändert das Digitalisieren eines Fotos, das Umwandeln eines digitalisierten Bildes in einen anderen Farbraum oder das Ausgeben eines Bildes an ein gegebenes Medium unter Verwendung eines bestimmten Ausgabegeräts seinen Farbumfang in dem Sinne, dass einige der Farben im Original verloren gehen verarbeiten.

Einführung
Der Begriff Gamut wurde aus dem Bereich der Musik übernommen, wo er den Satz von Tonhöhen bezeichnet, aus denen musikalische Melodien bestehen; Shakespeares Verwendung des Begriffs in The Taming of the Shrew wird manchmal dem Autor / Musiker Thomas Morley zugeschrieben. In den 1850er Jahren wurde der Begriff auf eine Reihe von Farben oder Farbtönen angewendet, zum Beispiel von Thomas De Quincey, der schrieb: „Porphyr, ich habe gehört, durchläuft eine große Farbpalette wie Marmor.“

In der Farbtheorie ist der Gamut einer Vorrichtung oder eines Prozesses der Teil des Farbraums, der dargestellt oder reproduziert werden kann. Im Allgemeinen wird die Farbskala in der Farbton-Sättigungsebene spezifiziert, da ein System üblicherweise Farben über einen breiten Intensitätsbereich innerhalb seiner Farbskala erzeugen kann; Für ein subtraktives Farbsystem (wie es beim Drucken verwendet wird) ist der in dem System verfügbare Intensitätsbereich zum größten Teil bedeutungslos, ohne systemspezifische Eigenschaften (wie beispielsweise die Beleuchtung der Tinte) zu berücksichtigen.

Wenn bestimmte Farben nicht innerhalb eines bestimmten Farbmodells ausgedrückt werden können, wird gesagt, dass diese Farben außerhalb des Farbumfangs liegen. Während beispielsweise reines Rot im RGB-Farbraum ausgedrückt werden kann, kann es nicht im CMYK-Farbraum ausgedrückt werden. reines Rot ist außerhalb des Gamuts im CMYK-Farbraum.

Ein Gerät, das den gesamten sichtbaren Farbraum reproduzieren kann, ist ein nicht verwirklichtes Ziel bei der Entwicklung von Farbanzeigen und Druckprozessen. Moderne Techniken erlauben zunehmend gute Annäherungen, aber die Komplexität dieser Systeme macht sie oft unpraktisch.

Während der Verarbeitung eines digitalen Bildes ist das RGB-Modell das am besten geeignete Farbmodell. Zum Drucken des Bildes muss das Bild vom ursprünglichen RGB-Farbraum in den CMYK-Farbraum des Druckers umgewandelt werden. Während dieses Prozesses müssen die Farben aus dem RGB, die außerhalb des Farbumfangs liegen, irgendwie in ungefähre Werte innerhalb des CMYK-Raumfarbumfangs umgewandelt werden. Wenn Sie nur die Farben trimmen, die außerhalb des Farbumfangs liegen, und die Farben im Zielraum nicht erreichen, wird das Bild gebrannt. Es gibt mehrere Algorithmen, die diese Transformation annähern, aber keine von ihnen kann wirklich perfekt sein, da diese Farben einfach außerhalb der Möglichkeiten des Zielgeräts liegen. Aus diesem Grund ist es für die Qualität des Endprodukts von entscheidender Bedeutung, dass die Farben in einem Bild, die im Zielfarbraum so schnell wie möglich außerhalb des Gamuts liegen, während der Verarbeitung identifiziert werden.

Darstellung von Gamuts
Gamuts werden üblicherweise als Bereiche im CIE 1931-Farbartdiagramm dargestellt, wie rechts gezeigt, wobei die gekrümmte Kante die monochromatischen (Einzelwellenlängen-) oder Spektralfarben darstellt.

Der erreichbare Gamut hängt von der Helligkeit ab; ein voller Gamut muss daher im 3D-Raum dargestellt werden, wie unten:

Die Bilder auf der linken Seite zeigen die Farbräume des RGB-Farbraums (oben), z. B. auf Computermonitoren, und reflektierende Farben in der Natur. Der grau gezeichnete Kegel entspricht in etwa dem CIE-Diagramm rechts mit der hinzugefügten Helligkeitsdimension.

Die Achsen in diesen Diagrammen sind die Antworten der kurzwelligen (S), mittleren (M) und langwelligen (L) Kegel im menschlichen Auge. Die anderen Buchstaben zeigen Schwarz (Schwarz), Rot (R), Grün (G), Blau (B), Cyan (C), Magenta (M), Gelb (Y) und Weiß (W) an.

Das Diagramm oben links zeigt, dass die Form des RGB-Farbumfangs ein Dreieck zwischen Rot, Grün und Blau bei niedrigeren Helligkeiten ist; ein Dreieck zwischen Cyan, Magenta und Gelb bei höheren Helligkeiten und ein einzelner Weißpunkt bei maximaler Helligkeit. Die genauen Positionen der Scheitelpunkte hängen von den Emissionsspektren der Leuchtstoffe in dem Computermonitor und von dem Verhältnis zwischen den maximalen Helligkeiten der drei Leuchtstoffe (dh der Farbbalance) ab.

Der Farbraum des CMYK-Farbraums ist im Idealfall ungefähr der gleiche wie der für RGB, mit leicht unterschiedlichen Spitzen, abhängig sowohl von den genauen Eigenschaften der Farbstoffe als auch von der Lichtquelle. In der Praxis sind aufgrund der Art und Weise, wie rasterbedruckte Farben miteinander und mit dem Papier in Wechselwirkung treten, und aufgrund ihrer nicht idealen Absorptionsspektren der Gamut kleiner und weist abgerundete Ecken auf.

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

Einschränkungen der Farbdarstellung

Oberflächen
Zu Beginn des 20. Jahrhunderts führten industrielle Forderungen nach einer steuerbaren Farbbeschreibung und der neuen Möglichkeit zur Messung von Lichtspektren zu einer intensiven Erforschung mathematischer Farbbeschreibungen.

Die Idee der optimalen Farben wurde vom baltischen deutschen Chemiker Wilhelm Ostwald eingeführt. Erwin Schrödinger zeigte in seinem 1919 erschienenen Artikel „Theorie der Pigmente von größerer Leuchtkraft“, dass die am stärksten gesättigten Farben, die bei gegebener Gesamtreflektivität erzeugt werden können, von Flächen mit null oder voller Reflexion bei jeder beliebigen Wellenlänge erzeugt werden und das Reflexionsspektrum darf höchstens zwei Übergänge zwischen Null und Voll haben. Somit sind zwei Arten von „optimalen Farbspektren“ möglich: Entweder geht der Übergang von Null an beiden Enden des Spektrums zu einem in der Mitte, wie in dem Bild rechts gezeigt, oder er geht von einem Ende zu Null in der Mitte. Der erste Typ erzeugt Farben, die den Spektralfarben ähnlich sind und ungefähr dem hufeisenförmigen Teil des CIE-xy-Chromatizitätsdiagramms folgen, aber im Allgemeinen weniger gesättigt sind. Der zweite Typ erzeugt Farben, die den Farben auf der Geraden im CIE-xy-Chromatizitätsdiagramm ähnlich sind (aber im Allgemeinen weniger gesättigt sind), was zu Magenta-ähnlichen Farben führt. Schrödingers Arbeit wurde von David MacAdam und Siegfried Rösch weiterentwickelt. MacAdam war die erste Person, die präzise Koordinaten ausgewählter Punkte an der Grenze des optimalen Farbkörpers im CIE 1931-Farbraum für Helligkeitsstufen von Y = 10 bis 95 in Schritten von 10 Einheiten berechnete. Dies ermöglichte ihm, den optimalen Farbkörper mit akzeptabler Genauigkeit zu zeichnen. Aufgrund seiner Leistung wird die Grenze des optimalen Farbkörpers MacAdam-Grenze genannt. Auf modernen Computern ist es möglich, einen optimalen Farbkörper mit großer Präzision in Sekunden oder Minuten zu berechnen. Die MacAdam-Grenze, auf der sich die gesättigtsten (oder „optimalen“) Farben befinden, zeigt, dass Farben, die nahezu monochromatischen Farben entsprechen, nur bei sehr niedrigen Luminanzwerten erzielt werden können, mit Ausnahme von Gelb, da eine Mischung der Wellenlängen von der langen Geraden besteht Ein Teil des Spektralorts zwischen Grün und Rot wird kombiniert, um eine Farbe zu erhalten, die einem einfarbigen Gelb sehr nahe kommt.

Lichtquellen
Lichtquellen, die als Primärfarben in einem additiven Farbwiedergabesystem verwendet werden, müssen hell sein, so dass sie im Allgemeinen nicht in der Nähe von Monochromen sind. Das heißt, die Farbskala der meisten Lichtquellen mit variabler Farbe kann als ein Ergebnis von Schwierigkeiten verstanden werden, die reines monochromatisches Licht (einzelne Wellenlänge) erzeugen. Die beste technologische Quelle für monochromatisches Licht ist der Laser, der für viele Systeme ziemlich teuer und unpraktisch sein kann. Mit zunehmender Reife der optoelektronischen Technologie werden Single-Longitudinal-Mode-Diodenlaser jedoch weniger teuer, und viele Anwendungen können bereits davon profitieren; B. Raman-Spektroskopie, Holographie, biomedizinische Forschung, Fluoreszenz, Reprographie, Interferometrie, Halbleiterinspektion, Ferndetektion, optische Datenspeicherung, Bildaufzeichnung, Spektralanalyse, Drucken, Punkt-zu-Punkt-Freiraumkommunikation und Glasfaserkommunikation.

Systeme, die additive Farbprozesse verwenden, haben üblicherweise eine Farbskala, die in der Farbsättigungsebene in etwa ein konvexes Polygon ist. Die Scheitelpunkte des Polygons sind die am stärksten gesättigten Farben, die das System erzeugen kann. In subtraktiven Farbsystemen ist die Farbskala häufiger eine unregelmäßige Region.

Vergleich verschiedener Systeme
Es folgt eine Liste von repräsentativen Farbsystemen, die mehr oder weniger geordnet sind von einem großen zu einem kleinen Farbumfang:

Laser-Videoprojektor verwendet 3 Laser, um den breitesten Tonumfang zu erzeugen, der heute in der praktischen Displayausrüstung verfügbar ist, abgeleitet von der Tatsache, dass Laser wirklich monochromatische Primärfarben erzeugen. Die Systeme arbeiten entweder, indem sie das gesamte Bild Punkt für Punkt abtasten und den Laser direkt mit hoher Frequenz modulieren, ähnlich wie die Elektronenstrahlen in einer Kathodenstrahlröhre oder durch optisches Spreizen und dann Modulieren des Lasers und Abtasten einer Zeile nach der anderen Die Linie selbst wird ähnlich wie bei einem DLP-Projektor moduliert. Laser können auch als Lichtquelle für einen DLP-Projektor verwendet werden. Mehr als 3 Laser können kombiniert werden, um den Gamut-Bereich zu erweitern, eine Technik, die manchmal in der Holographie verwendet wird.
Digital Light Processing oder DLP-Technologie ist eine geschützte Technologie von Texas Instruments. Der DLP-Chip enthält eine rechteckige Anordnung von bis zu 2 Millionen gelenkig angebrachten mikroskopischen Spiegeln. Jeder der Mikrospiegel misst weniger als ein Fünftel der Breite eines menschlichen Haares. Der Mikrospiegel eines DLP-Chips neigt sich entweder zur Lichtquelle in einem DLP-Projektionssystem (ON) oder von diesem weg (OFF). Dies erzeugt ein helles oder dunkles Pixel auf der Projektionsfläche. Aktuelle DLP-Projektoren verwenden ein sich schnell drehendes Rad mit transparenten farbigen „Kuchenscheiben“, um jeden Farbrahmen nacheinander darzustellen. Eine Drehung zeigt das komplette Bild.
Fotografische Filme können eine größere Farbskala wiedergeben als typische Fernseh-, Computer- oder Heimvideosysteme.
CRT und ähnliche Videoanzeigen haben eine grob dreieckige Farbskala, die einen signifikanten Teil des sichtbaren Farbraums abdeckt. In CRTs sind die Beschränkungen auf die Leuchtstoffe im Bildschirm zurückzuführen, die rotes, grünes und blaues Licht erzeugen.
Bildschirme mit Flüssigkristallanzeige (LCD) filtern das von einer Hintergrundbeleuchtung emittierte Licht. Die Farbskala eines LCD-Bildschirms ist daher auf das emittierte Spektrum der Hintergrundbeleuchtung beschränkt. Typische LCD-Bildschirme verwenden Kaltkathoden-Fluoreszenzlampen (CCFLs) für Hintergrundbeleuchtungen. LCD-Bildschirme mit bestimmten LED- oder Wide-Gamut-CCFL-Hintergrundbeleuchtungen bieten eine umfassendere Farbskala als CRTs. Einige LCD-Technologien variieren jedoch die Farbe, die durch den Betrachtungswinkel dargestellt wird. In Plane Switching oder Gemusterten vertikalen Ausrichtungsschirmen haben sie eine größere Farbspanne als Twisted Nematic.
Der Fernseher verwendet normalerweise ein CRT-, LCD- oder Plasma-Display, nutzt jedoch aufgrund der Beschränkungen des Rundfunks nicht die vollen Farbwiedergabeeigenschaften. HDTV ist weniger restriktiv, aber immer noch etwas weniger als beispielsweise Computeranzeigen, die dieselbe Anzeigetechnologie verwenden.
Die Farbmischung, sowohl für künstlerische als auch für kommerzielle Anwendungen, erreicht einen vernünftig großen Farbumfang, indem mit einer größeren Palette begonnen wird als die Rot-, Grün- und Blaufarben der CRTs oder Cyan, Magenta und Gelb des Druckens. Farbe kann einige hoch gesättigte Farben reproduzieren, die von CRTs (insbesondere Violett) nicht gut reproduziert werden können, aber insgesamt ist der Farbumfang kleiner.
Beim Drucken wird normalerweise der CMYK-Farbraum (Cyan, Magenta, Gelb und Schwarz) verwendet. Sehr wenige Druckverfahren enthalten kein Schwarz; Diese Verfahren (mit Ausnahme von Farbsublimationsdruckern) sind jedoch schlecht bei der Darstellung von Farben mit niedriger Sättigung und geringer Intensität. Es wurden Anstrengungen unternommen, die Farbskala des Druckprozesses durch Hinzufügen von Farben von Nicht-Primärfarben zu erweitern; diese sind typischerweise orange und grün (siehe Hexachrome) oder hell cyan und hell magenta (siehe CcMmYK-Farbmodell). Manchmal werden auch Sonderfarben einer ganz bestimmten Farbe verwendet.
Die Farbskala einer monochromen Anzeige ist eine eindimensionale Kurve im Farbraum.

Große Farbskala
Das Ultra HD-Forum definiert den Farbraum (Wide Color Gamut, WCG) als einen Farbbereich, der breiter als der Rec ist. 709. WCG würde DCI-P3 und Rec enthalten. 2020.