Andreas Kraushaar Die HIFI-Anlage in der Abmusterung? Die Bewertung der Farbwiedergabe hat sich seit der kürzlichen Revision der ISO 3664 als sehr erfolgreich und praxistauglich erwiesen. Dies zeigt die rasche Umstellung von Lampen (Leuchtmitteln) bzw. ganzen Abmusterkabinen, von den ISO 3664:2000 zu den schärferen ISO 3664:2009-Kriterien, in der Praxis. Vor dem Hintergrund moderner LED-Beleuchtungen (in Ergänzung zu den bisher etablier Leuchtstofflampen) wird die bisherige Bewertung der Farbwiedergabe zunehmend in Frage gestellt. Der folgende Artikel gibt eine Übersicht über die aktuelle Situation und erläutert dabei die verschiedenen, teils kontroversen Aspekte und Herangehensweisen an die Bewertung der Farbwiedergabe. Basierend auf dem aktuellen Forschungsthema Normlicht (Fogra-Nr. 10.055) wird letztlich ein Ausblick gegeben, in wie weit moderne Methoden der Farbwiedergabebewertung Einfluss auf die Druck- und Medienindustrie haben können. 1. Wo ist das Problem? Der Duden der Lichttechnik, das internationale Wörterbuch der CIE (internationalen Beleuchtungskommission), definiert die Farbwiedergabe als: Auswirkung einer Lichtart auf den Farbeindruck von Objekten, die mit ihr beleuchtet werden, im bewussten oder unbewussten Vergleich zum Farbeindruck der gleichen Objekte unter einer Bezugslichtart. In der Druckindustrie ist man dieser Definition durch die Anwendung des in der ISO 3664 verwendeten Farbwiedergabeindex aus dem Jahre 1974 (engl.: CRI Colour rendering index) gefolgt. Die Bezugslichtart ist standardmäßig D50 und die vorgegebenen Objekte sind in Form von 14 tabellierten Reflexionsfaktoren hinterlegt. Die srgb-reproduktion der 14 Testfarben ist in Abb. 1 dargestellt. Abb. 1: srgb-darstellung der 14 Testfarben für die Berechnung des Farbwiedergabeindex (CIE 13.3:1995). Berechnung des Farbwiedergabeindex Für die zu bewertenden Lichtart (mit einer ähnlichen Farbtemperatur nahe 5000 Kelvin), z. B. der neuen Abmusterkabine, werden ähnlich CIELAB die CIE UVW-Farbwerte berechnet. Diese werden nun mit den CIE UVW-Farbwerten der Bezuglichtart (hier D50) verglichen. Je kleiner der Farbunterschied zwischen diesen beiden Sätzen an Farbwerten, desto besser ist die Farbwiedergabe. Für die Berechnung des allgemeinen Farbwiedergabeindex, Ra wird der Mittelwert der Farbabstände der ersten acht Testfarben (obere Reihe in Abb. 1) gebildet. Dieser Mittelwert wird mit 4.6 multipliziert und von 100 abgezogen: CRI = R a =100 4.6 * 8 i=1 E UVWi 8
Die Bewertung des allgemeinen Farbwiedergabeindex hängt stark von der jeweiligen Branche bzw. Anwendung ab. Während die Beleuchtungsindustrie im Allgemeinen einen CRI>60 als gut und einen CRI > 80 als sehr gut bezeichnet [1] bezeichnet ist die Anforderung in der bzgl. Der kritischen Abmusterung in der Druckindustrie höher. Die ISO 3664:2009 fordert beispielsweise eine CRI 90, wobei kein spezieller Index (der Farben 1 bis 8) kleiner als 80 sein darf. Lampenhersteller im Medizinbereich verwenden zusätzlich noch den R9, d. h. den speziellen Farbwiedergabeindex für das gesättigte Rot (siehe auch Abbildung1). Kennzeichnung der Lampen (Leuchtmittel) in der Praxis Eine Leuchtstofflampe ( Röhre ) mit einer ähnlichen Farbtemperatur [engl.: CCT correlated colour temperature] von beispielsweise 5000 K und einem allgemeinen Farbwiedergabeindex von Ra=92 wird von den Leuchtenherstellern mit 950 beschriftet. Diese Praxis ist zum einen wichtig für das Verständnis der späteren Kritikpunkte aus der Sicht der Lampenhersteller. Zum anderen soll darauf hingewiesen werden, dass mit dieser Bezeichnung eine sehr große Qualitätsspanne abgedeckt wird, sodass der alleinige Aufdruck 950 auf einer Röhre nicht notwendigerweise die für die Druckabmusterung geforderte Qualität erbringt. Aus diesem Grund verwendet die ISO 3664 neben dem Farbwiedergabeindex noch weitere Metriken, wie beispielsweise den Metamerieindex. Mit der LED-Technik kamen die Probleme Mit dem Einzug der LED-Technologie in die Beleuchtungstechnik und der damit verbundenen Vielfalt an möglichen spektralen Strahlungsverteilungen (Lichtarten) hat sich das Bild drastisch verändert. Dies drückt sich vor allem dadurch aus, dass die Anwendung des zuvor beschriebenen Farbwiedergabeindex den visuellen Eindruck schlecht widerspiegelt. Insbesondere LED-Leuchten die auf Basis einer roten, einer grünen und einer blauen LED bestehen führen zu visuellen Wahrnehmungen natürlicher Objekte, die als sehr unnatürlich zu bezeichnen sind. Dies liegt vor allem an den Lücken im Spektrum. Typische Spektralverteilungen sind in Abb. 2 dargestellt, wobei anzumerken ist, dass viele LED-Leuchten die einzelnen Farben mit einer so genannten weißen Konversions-LED ergänzen. Hierbei strahlt die LED im blauen Spektralbereich, wobei ein Phosphor für die Umwandlung der Strahlung in den sichtbaren Bereich verantwortlich ist, siehe das Spektrum Weiß in Abb. 2. Durch diese Auffüllung können die Lücken sukzessive geschlossen werden, wobei sich eine Vielfalt an möglichen Kombinationen der Einzelfarben mit oder ohne der weißen LED realisieren lässt. 1 R. Spieser, Handbuch für Beleuchtung, Cornelsen Verlag GmbH + C; Auflage: 4, 1994
Abb. 2: Darstellung typischer LED-Einzelfarben (Cyan, Grün, Amber und Rot) sowie der Konversions- LED ( Weiß ). Zwei exemplarisch ausgesuchte Lichtarten verdeutlichen die Veränderung der Farbwiedergabe in einer pointierten Darstellung in Abb. 3. Abb. 3: Schematische Darstellung der Farbwiedergabeveränderung zwischen einem energiegleichen Spektrum (links) und einer weißen LED-Beleuchtung gleicher Farbtemperatur (CCT 5500K) aus [2]. 2 W. Davies, Improving Color Rendering Assessment of Sources: International Standardization Work, In: http://www.cormusa.org/uploads/improving_color_rendering_assessment_of_sources_internati onal_standardization_work.pdf
2. Was heißt nun gute Farbwiedergabe? Vor dem Hintergrund einer Neubewertung der Farbwiedergabe von LED-Leuchten hat die internationale Beleuchtungskommission (CIE) die Arbeitsgruppe TC 1-69 Colour Rendition by White Light Sources gegründet. In dieser Arbeitsgruppe geht es zum einen um die Verbesserung des bisherigen Farbwiedergabeverfahrens und zum anderen um die Integration vollkommen neuer Aspekte. Zur ersten Kategorie gehört die Weiterentwicklung der folgenden Einflussparameter: Auswahl der Referenzlichtart Auswahl und Anzahl der Testobjekte Methode der Farbumstimmung Farbenraum zur Durchführung der Farbabstandsberechnung. Als Nebenbedingungen sind folgende Aspekte für eine praktische Anwendung wünschenswert: Vermeidung negativer CRI-Werte Skalierung der resultierenden Ergebnisse (Vergleichbarkeit mit altem Verfahren). Zur zweiten Gruppe der vollkommen neuartigen Bewertungsansätze gehören: Berücksichtigung einer Farbumfangsvergrößerung als positives Kriterium [z. B. 3] Berücksichtigung der Buntheitserhöhung als positives Kriterium [z. B. 4] Berücksichtigung der Unterscheidbarkeit von Objekten [z. B. 5] Berücksichtigung von Erinnerungs- und Vorzugsfarben [z. B. 6] Weiterer wahrnehmungsorientierter Aspekte wie der so genannte Schmeichelindex [z. B. 7] oder die Farbharmonie. Die Analyse dieser Aspekte führte zur Diskussion grundlegender Begrifflichkeiten mit der Frage, wie nun eine gute Farbwiedergabe zu charakterisieren ist. Dass die Beantwortung dieser Frage von den konkreten Umständen abhängt, ist bereits seit längerem bekannt. Das Wort «gut» (bzw. besser) hat mehrere Bedeutungen. Wenn beispielsweise ein Mann seine Großmutter auf ca. 500 m erschießt, kann ich ihn einen guten Schützen nennen, aber nicht notwendigerweise einen guten Mann. G. K. Chesterton (1874-1936) High Fidelity farbmetrisch oder wahrnehmungsbezogen? Inhaltlich hat man sich auf die Trennung in die zuvor genannten zwei Gruppen von Bewertungsansätzen verständigt. Dies ist zum einen die farbmetrische Genauigkeit (engl.: colorimetric fidelity), d. h. eine rein auf farbmetrisch basierten Verfahren beruhende Metrik und zum anderen die wahrnehmungsbezogene Genauigkeit (engl.: perceptual colour fidelity). Vor dem Hintergrund einer einvernehmlichen Verabschiedung eines einzigen Index, der wenn möglich auch noch ähnliche Werte für die existierenden Lampen hervorbringt, ist der weitere Verlauf der Diskussionen nicht absehbar. Die grafische Industrie ist allerdings nicht primär von 3 Davis W, Ohno Y (2006) Development of a color qulity scale (CQS) Proc. Sixth International Lighting Research Symposium on Light and Color, Orlando 4 H. Xu, Colour rendering capacity and luminous efficiency of a spectrum, Lighting Research and Technology, 25 (3), 1993 5 Sándor N, Schanda J (2006) Visual colour rendering based on colour difference evaluations. Lighting Res. & Technol. 38/3 225-239. 6 Thornton, 1974, A validation of the Color Preference Index, J. Illum. Eng. Soc.4, 48 52 (Oct. 1974) 7 Judd DB, A flattery index for artificial illuminants, Illum. Engng. 42/10 593-598, 1967
diesen Entscheidungen betroffen. Zum einen basieren die bisher für den grafischen Einsatz entwickelten LED-Abmusterkabinen auf der Verwendung von mehr als 3 bzw. 4 LED s, sodass die spektrale Verteilung sehr gut an verschiedene Normlichtarten angepasst werden können. Zum anderen gibt die voraussichtlich langfristige Verwendung von (ISO 3664-konformen) Leuchtstofflampen im Zusammenhang mit der ISO 3664-Neufassung von 2009 keinen Anlass für rasche Änderungen. Die aktuellen Anforderungen an die Farbwiedergabe von Normlichtkabinen liegen im Bereich der besseren Diagnose sowie der Minimierung vorhandener Unterschiede - insbesondere vor dem Hintergrund der zunehmenden Remote-Softproof Anwendungen. Im aktuellen Forschungsthema Untersuchung von Normlichtkabinen im Hinblick auf die hochqualitative Remote-Softproof- Abmusterung werden daher die in der CIE-Arbeitsgruppe diskutierten Bewertungsansätze daraufhin genauer untersucht. Interessante Ansätze für die Anwendung in der grafischen Industrie Ein interessanter Ansatz ist die Berechnung der Farbabstände für einen Satz repräsentativ verteilter Testfarben (hier 218) und der anschließenden bunttonabhängigen Darstellung der Buntton- und Buntheitsfehler. Die Auswertung gemäß der so genannte CRV-Methode (engl.: Color Rendering Vector) ist für zwei Leuchtstofflampen in den Abbildungen 4 und 5 visualisiert. Die bildhafte Verwendung der Farbartebene (z. B. der CIEa*b*-Ebene) zur Visualisierung der Farbwiedergabe von Lichtquellen wird auch von dem sogenannten Colour Rendering Icon verwendet. Hier wird eine hohe Anzahl repräsentativ verteilter Testfarben (hier 55000) verwendet um den Farbabstand zwischen der Test- und der Referenzlichtart farbwinkelabhängig zu bewerten. Während die Abb. 6 eine beispielhafte Darstellung für die Größe des bunttonabhängigen Farbabstands zeigt, ist in Abb. 7 die relative Veränderung der Sättigung dargestellt. Abb. 4: Darstellung der Farbdifferenz zur Referenzlichtart einer Leuchtstofflampe (CRI=65) als Vektoren gemäß CRV-Methode [8]. Abb. 5: Darstellung der Farbdifferenz zur Referenzlichtart einer Leuchtstofflampe (CRI=96) als Vektoren gemäß CRV-Methode. 8 P.J.M. van der Burgt, Communication of colour rendering properties of light sources, Philips Lighting, Eindhoven
Abb. 6: Darstellung der Größe des bunttonabhängigen Farbfehler, engl.: Fidelity Icon [8]. Abb. 7: Darstellung der relativen Sättigungsänderung in Abhängigkeit des Bunttons, engl.: Saturation Icon. Nicht zuletzt soll der von der amerikanischen Metrologiebehörde (NIST) entwickelte und favorisierte CQS-Index erwähnt werden. Dieses als Color-Quality-Scale bezeichnete Verfahren überwindet viele der zuvor angedeuteten Kritikpunkt des CRI-Index. Dies geschieht beispielsweise durch die Verwendung moderner Farbumstimmungstransformationen (CMCCAT2000), einer Skalierung von 0 bis 100 ohne die Möglichkeit negativer Werte sowie einer Indextransformation, welche eine möglichst große Ähnlichkeit mit bisherigen CRI- Bewertungen handelsüblicher Leuchtstofflampen aufweist. Diese Eigenschaften sind alle der ersten Gruppe, der so genannten farbmetrischen Genauigkeit zuzuordnen. Der CQS-Index bestraft allerdings Buntheitserhöhungen nicht im Sinne einer größeren Farbabweichung. Vielmehr führt sie zu einer Verbesserung des finalen Wertes. Diese Eigenschaft ist klar der zweiten Gruppe, der wahrnehmungsorientierten Methoden zuzurechnen. Eine exemplarische Auswertung einer LED-Leuchte ist in Abb. 8 dargestellt. Abb. 8: Auswertung einer LED-Lichtart gemäß CQS-Index. Weitere lichttechnische Kennzahlen sowie die srgb-repräsentation sind auf der unteren linken bzw. rechten Seite zu sehen. Quelle: [9] Letztlich soll ein in der Fogra ins Auge gefasster Ansatz vorgestellt werden. Hierbei handelt es sich um die Bewertung des empfindungsgemäßen Abstandes einer Testfarbe zwischen einem 9 Yoshi Ohno, Visual Evaluation Experiment on Chroma Saturation Effects (Preliminary), In: Report for TC1-69, June 1, 2009, Budapest
Referenzpaar. Hintergrund dieses Experimentes ist der Untersuchung der unterschiedlichen Normlichtkabinen nach ihrer Fähigkeit im Bild enthaltende Nachbarschaftsbeziehung beizubehalten. Diese Eigenschaft ist freilich nur als Ergänzung zu einer farbmetrisch motivierten Bewertung der Farbwiedergabe sinnvoll. 3. Zusammenfassung Leuchtstofflampen stellen nach wie vor das Gros der Leuchtmittel in der grafischen Industrie dar. Sie ermöglichen wirtschaftliche Lösungen sowie eine hohen Farbwiedergabe, wobei das Ende der Fahnenstange noch nicht erreicht ist. Neue Entwicklungen in der LED-Technologie ermöglichen, nicht nur in der grafischen Industrie, neuartige Produkte und Lösungen für lichttechnische Anwendungen. Erste Lösungen in Form kleiner Abmusterkabinen sind bereits als Produkte im Markt erhältlich. Während die Suche nach einer einzigen, vollumfänglichen Metrik für die Bewertung der Farbwiedergabe einer Lampe aus Sicht der Beleuchtungsindustrie nachvollziehbar ist, besteht aus Sicht der grafischen Industrie kein Anlass zur Beunruhigung. Zum einen können die dort entwickelten Verfahren für die Belange der Druckindustrie untersucht und ggf. verfeinert werden und zum anderen ist eine Prüfung der Lampe nicht an einen einzigen Parameter gebunden. Letzteres beweist die revidierte ISO 3664 (2009), die den aktuellen Stand der Technik sehr gut abbildet. Interessierte sind wie immer herzlich eingeladen aktiv an dem laufenden Forschungsprojekt mitzuarbeiten bzw. sich auf der Themen-Webseite über den aktuellen Projektfortschritt zu informieren. Klicken Sie uns an: http://forschung.fogra.org/index.php?menuid=187.