Rendern Sie noch mit unechten Farben?
Computergrafik ist heute unglaublich realistisch, aber nicht eine einzige Farbe ist wirklich echt.
Wieso ist RGB unecht?
RGB-Farbwerte sind weder produzierbar noch reproduzierbar. Sie entsprechen einfach keinen echten Farben.
Echte digitale Farben
Nur Spektralfarben sind verlustfrei und reagieren auf unterschiedliche Beleuchtungsarten. Sie lassen sich farbrichtig drucken, färben und produzieren.
Willkommen
Wenn Sie sich für 3D-Visualisierung mit echten digitalen Farben interessieren sind Sie hier genau richtig. Ziel ist ein CGI-Workflow, der es ermöglicht, mit einem der Realität entsprechendem Farbraum 3D-Visualisierungen zu erstellen - ohne Farbverlust. CGI-Bilder sollen nicht nur farbrichtig am Monitor dargestellt werden, sondern auch professionell ausgedruckt und unter anderen Lichtbedingungen simuliert werden können. Damit die dargestellten virtuellen Produkte exakt so aussehen, wie in der Realität.
Unechte Farben
„Rendern Sie noch mit unechten Farben?“
Die Computergrafik hat sich in den letzten Jahren rasant entwickelt. Treiber waren und sind die Film- und die Gamesbranche. Daher ist es auch nicht verwunderlich, dass die Tools perfekt für diese Einsatzzwecke maßgeschneidert sind. Durch die zunehmende Standardisierung von Workflows und den relativ günstigen Einstiegspreisen wird die CGI-Technologie mittlerweile auch von etlichen herkömmlichen Industrien genutzt.
Im Gegensatz zum Media- und Entertainmentsektor, deren Produkte rein digital sind, stehen Unternehmen, deren Produkte für die physische Welt bestimmt sind vor einem Problem.
Der in allen CGI-Workflows eingesetzte RGB-Farbraum ist zwar in der Lage, unglaublich realistische und schöne Bilder zu wiederzugeben, jedoch bietet er mit seinem begrenzten Farbumfang keinerlei Rückschlüsse auf Farben in der echten Welt.
Dies deshalb, weil der RGB-Farbraum sich auf den Rot-, Grün- und Blauwert eines bestimmten Ein- und Ausgabegeräts bezieht.
Darum ist die Farbdarstellung eines Monitors trotz identischer RGB-Werte eines Bildes oft völlig unterschiedlich gegenüber der Darstellung auf einem anderen Monitor. Die genaue Zusammenwirkung der gerätespezifischen Rot-, Grün und Blauwerte kann jedoch spezifiziert werden in einem "Profil", das die Farbwiedergabe eines Geräts beschreibt. Man spricht dann zum Beispiel von einem profiliertem Monitor.
Nicht jeder RGB-Farbumfang ist jedoch gleich groß. Möchte man den Farbumfang zweier Geräte per Farbprofil aufeinander abbilden, gelingt dies nur in der deckungsgleichen Schnittmenge der beiden Profile, es gehen also regelmäßig Farben verloren. Zudem ist der Farbumfang, der mit den drei Farbkanälen erzielbar ist, generell sehr viel geringer als der vom Menschen wahrnehmbare Farbumfang.
Vielen ist dieser Sachverhalt gar nicht bewußt. Andere meiden das Thema Farbe und behelfen sich in ihrer Not mit kalibrierten Monitoren.
Fakt ist, dass alle Unternehmen, die heutzutage CGI einsetzen bewußt oder unbewußt mit unechten Farben arbeiten.
Farbverlust
„Wieso ist RGB unecht?“
„Mach ein Foto einer Farbe und schon hast Du die Farbe verloren.“
RGB
SPEKTRAL
Der RGB-Farbraum ist allgegenwärtig: Foto- und Filmkameras, Scanner und Monitore arbeiten alle darin und auch die Computergrafik verwendet RGB. Wenn alle im gleichen Farbraum arbeiten ist es eine gute Sache, oder?
Der unprofilierte RGB Wert bezieht sich jedoch wie erläutert immer nur auf das Zusammenwirken des "individuellen", sprich gerätespezifischen Rot-, Grün- und Blaukanals eines anderen Farbumfangs.
Leider hat aber jedes Gerät bei der Aufnahme oder Wiedergabe farbiger Bilder ein anderes Farbvermögen. So zeigt z.B. ein Foto selbst auf zwei baugleichen Displays unterschiedliche Farben.
Diesem Problem kann man nur mit einer regelmäßigen Farbkalibrierung (Herstellen des Ursprungszustand des Geräts bei der Profilerstellung) und Profilierung begegnen. Bei der Darstellung eines profilierten RGB-Bildes einer Kamera auf einem Monitor wird der Farbumfang des Kameraprofils um die im Monitorprofil nicht darstellbaren Farben beschnitten.
Versucht man nun ein solches Bild farbrichtig zu drucken wird man feststellen, dass der auf dem Monitor dargestellte Farbton bei der Abbildung auf das Druckerprofil unter Umständen nochmals beschnitten wird.
Gegen diese Farbverluste bei der geräteübergreifenden Verwendung von Bildern hilft auch kein professionelles Colormanagement mehr, denn die Beschreibung eines Farbverhaltens per RGB-Farbraum enthält nur Farbinformationen, welche Farben das Gerät wiedergeben kann, nicht aber, welches die ursprüngliche, physikalisch richtige Farbe war. Diese wird mit Spektralwerten beschrieben. Ein Spektralwert beziffert die Energie von Wellenlängen des sichtbaren Lichts, die von einer Oberfläche reflektiert werden. Damit kann der gesamte, vom Menschen wahrnehmbare Farbraum beschrieben werden. Ein spektraler Wert kann entsprechend der jeweiligen Beleuchtung zu einem dafür korrekten Farbwert berechnet werden. Dies ist mit RGB-Werten nicht möglich, da diese sich ja nicht auf physikalische Reflektionseigenschaften, sondern nur auf die "individuellen" Rot-, Grün- und Blauwerte eines bestimmten Geräts beziehen. Da die Szenen eines virtuellen Bildes jedoch in den heute verfügbaren Renderern und Shadern nur mit RGB-Werten für Oberflächen und Lichtquellen berechnet werden, ist derzeit keine farbverbindliche Berechnung eines virtuellen Bildes möglich.
Durch das Digitalfoto wurde die Farbe der echten Welt auf den RGB-Farbraum der jeweiligen Kamera oder deren farbgemanagten Beschreibung reduziert. Der Farbverlust ist so final, da die tatsächliche Farbinformation wie zuvor beschrieben, durch die Aufnahme im RGB-Farbraum gar nicht mehr enthalten ist. Die bunten Bilder auf den Monitoren spielen uns eine heile Welt vor – Probleme treten erst auf, wenn die korrekte Farbwiedergabe eines Produkts in einem virtuellen Bild erwartet wird.
Der Fehler liegt nicht an mangelnder Farbkalibration, sondern am Anfang der Kette - der Farbdigitalisierung.
RGB-Farben enthalten einfach nicht die nötigen Informationen über das Verhalten einer Farbe, um zum Beispiel in einer virtuellen Szene mit virtuell eingesetzten Lichtquellen die korrekten Farbwerte eines Objekts wiederzugeben.
Verlustfrei
„Echte digitale Farben“
Mit einem im RGB-Farbraum arbeitenden Gerät wie Scanner oder Foto geht Farbdigitalisierung schief, weil wichtige Farbinformationen unwiederbringlich verloren gehen. Verlustfreie Farbdigitalisierung geht über spektrale Daten.
Das Sonnenlicht wird an einer Glaskante gebrochen und fächert sich in seine spektralen Bestandteile bzw. Wellenlängen auf. Die Addition der Energie der einzelnen reflektierten Lichtwellen ergibt dann die vom Menschen wahrgenommene "Farbe". Deshalb spricht man auch vom "additiven Farbraum" bei allen Geräten, die Farbe durch Überlagern von Lichtquellen erzeugen (z.B. Projektoren, Monitore).
Um eine Farbe verlustfrei zu digitalisieren muss der vom Mensch wahrgenommene Bereich von 400 Nanometer bis 700 Nanometer der Wellenlängen erfasst werden. Für eine realistische Simulation von Farbe in der Computergrafik braucht es neben Spektralfarbwerten auch spektrale Lichtquellen.
Nur ein Spektralwert ist eine vollständige Farbdefinition, also eine korrekte digitale Beschreibung des Farbverhaltens eines Objekts.
Render Pipeline
„Rendern mit echten digitalen Farben“
In der Computergrafik gibt es zwei Komponenten, die für eine farbrichtige Darstellung entscheidend sind:
Materialien und Beleuchtung
Im Idealfall hätte man einen Spektralrenderer, der direkt mit der Farbinformation in Form von Spektren arbeitet. Statt falscher RGB-Farbwerte würde man die Materialien und Oberflächen direkt mit deren Reflektionsverhalten, also spektralen Werten versehen. Ist nun die Energie der verwendeten Lichtquellen in einer Szene ebenfalls spektral beschrieben, wird damit eine farbrichtige Darstellung der gerenderten Szene erreicht. Eine erfreuliche Ausnahme ist der Renderer VRED von Autodesk, der sich im Spektralmodus betreiben läßt, leider jedoch aus verschiedenen Gründen derzeit für verlustfreie Farbrenderings nicht verwendbar ist.
Da alle anderen Renderer im RGB-Farbraum arbeiten scheint das Thema nach dem Stand der heutigen Technik immer noch nicht umsetzbar zu sein, obwohl die nachträglich zu korrigierende Farbdarstellung in der Industrie immense Summen verschlingt.
Statt mit nur 3 Kanälen (RGB) könnten die Renderings auch mit 16 Kanälen umgesetzt werden. Diese auf heutigen Systemen zu rendern stellt kein ernstzunehmendes Problem mehr dar. Neben den klassischen Offline-Renderern erscheint auch eine Implementierung in Realtime-Engines wie Unreal oder Unity sinnvoll.
Ganz so einfach wie es klingt ist es nicht. Im Gegenteil. Es gibt viel zu beachten und derartige Arbeit ist sehr langwierig. Kein Grund, nicht endlich damit anzufangen!
Die Möglichkeiten der exakten Farbvisualisierung und voller Kontrolle der eingesetzten Lichtarten würden endlich die Farblücken der CGI schließen. Wir unterstützen Sie beim Transformieren Ihrer Render Pipeline.
Wenn starkes Licht auf farbige Körper trifft, entsteht ein sogenanntes "Colorbleeding". Die reflektierte Farbe des Objekts wirkt sich auf die Umgebung aus.
Compositing Pipeline
Unter bestimmten Voraussetzungen ist es möglich, ein RGB-Rendering in seine Bestandteile aufzuteilen und in ein Multispektrales-Rendering umzuwandeln. Das kann dann besonders effizient werden, wenn man beispielsweise ganz ohne erneutes 3D-Rendern die Lichtart auf Knopfdruck wechseln kann. Auch hier habe ich schon erste Proof of Concepts erstellt. Vielleicht eignet sich dieses Verfahren auch für Ihre Pipeline.
Ich unterstütze Sie beim Erstellen Ihrer Compositing Pipeline.
Über HDRCOLOR.com
Hier überschneiden sich zwei Fachbereiche: Farbe und CGI (Computer Generated Images)
Als Diplom Digital Artist komme ich aus dem Bereich der Computergrafik. Meine Expertise umfasst den gesamten CGI-Erstellungsprozess, fokussiert auf Lighting, Shading, Rendering, Compositing und VR/AR.
Seit rund 15 Jahren erstelle ich Highend Automobilvisualisierung (Mercedes-Benz, Volkswagen) und verfolge neueste technische Entwicklungen sehr intensiv.
Das Thema „richtige Farbe“ beschäftigt mich aus Sicht eines Artist schon sehr lange. Nach etlichen Versuchen mich einzulesen, habe ich es aber immer wieder erfolgreich verdrängt und mich anderen spannenden Themen gewidmet.
Die Ursache des Problems habe ich erst vor einigen Jahren so richtig begriffen. Und zwar durch die kontinuierliche Zusammenarbeit mit den Farbspezialisten der Firma Caddon.
Hier durfte ich die Welt der multispektralen Farbmessung und der exakten Farbdarstellung auf Monitoren und Druckern kennenlernen.
Seit ich diesen Workflow mit eigenen Augen gesehen habe, lerne ich die umfangreiche Welt der Farben und kann das Thema Farbe und CGI nicht mehr sein lassen. Aus diesem Grund habe ich die Webseite HDRCOLOR.com erstellt.
Die Zukunft gehört den echten digitalen Farben.
Für mich gehören zur digitalen Transformation auch die verlustfreie Aufnahme, Verwendung und Wiedergabe von Farben dazu.
Mit HDRCOLOR.com möchte ich in erster Linie die Farblimitierung von CGI transparent und auch für Nicht-Farbprofis verständlich machen.
Da sowohl die Computergrafik als auch das Thema verlustfreie Farbe hochkomplexe Wechselwirkungen beheimaten, gibt es derzeit noch keine Patentlösung von der Stange. Jedes Unternehmen benötigt einen individuellen Ansatz und hat spezielle Bedürfnisse.
Deshalb halte ich Vorträge zum Thema „CGI & Color“ (Animago München, November 2019) und freue mich über Austausch.
Es gibt viele Wege zur verlustfreien Farbe in der CGI. Diese jedoch zu durchschreiten und sauberen Prozessschritten durchzudeklinieren ist im Moment noch Pionierarbeit. Aber die gute Nachricht ist: Wer will der kann!
Ich tausche mich sehr gerne zu diesem Thema aus und freue mich über Ihr Interesse.
Christian Frahm
Für wen ist HDRCOLOR?
Nicht jedes Unternehmen, das mit Computergrafik arbeitet, benötigt digitale Farben, die einen Bezug zur echten Welt haben. Für Media & Entertainment beispielsweise reichen die vorhandenen Farbworkflows vollkommen aus.
Wer aber echte Produkte herstellt, dem kann die Farbe nicht gleichgültig sein. Von internen Farbabstimmungen zwischen Design und Produktion bis zur farbrichtigen Darstellung im Marketing kann die richtige Farbe einen erheblichen Kostenfaktor darstellen.
Für die weiter zunehmende Produktdigitalisierung („Digital Twin“) sind echte digitale Farben ein must-have.
Was bedeutet HDRCOLOR?
HDR steht für High Dynamic Range und ist eine Anlehnung an das von Paul Debevec entwickelte bildbasierte Beleuchtungsverfahren (IBL), das in der Computergrafik seit Langem zur realistischen Beleuchtung eingesetzt wird. Mit HDR ist es möglich, den Dynamikumfang eines Bildes um ein Vielfaches zu steigern – von der extrem hellen Sonne bis in die tiefsten Schattenbereiche werden auf diesem Weg Helligkeitsinformationen abgespeichert, die es nur in der echten Welt gibt und die ein Monitor nicht ansatzweise darstellen könnte. Genau hier beginnt die Analogie zu HDRCOLOR, denn hier wird mit echten digitalen Farben gearbeitet, die zwar ebenfalls nicht darstellbar sind, deren verlustfreie Information aber für eine farbrichtige Darstellung und Lichtberechnung zwingend erforderlich ist. HDRCOLOR basiert auf verlustfreien spektralen Farbwerten.
Impressum
Für den Inhalt verantwortlich: Christian Frahm
Adresse: Jasminweg 8 - 70597 Stuttgart
Email: christian at hdrcolor punkt com
mobil: 0172 94 180 95