Dieser Artikel beschäftigt sich mit den Farbabstufungen, die sich aus der maximalen Anzahl an Farben ergeben, die ein Monitor darstellen kann, sowie mit der Rolle der Look-Up-Tabelle (LUT). Diese beiden Faktoren werden von vielen Anwendern bei der Wahl eines Monitors nicht berücksichtigt, sind jedoch von entscheidender Bedeutung für die Farbwiedergabe. Beide Faktoren sollten immer bedacht werden, insbesondere bei der Wahl eines LCD-Monitors für farbkritische Anwendungen wie Bildbearbeitung und Grafikdesign.

Hinweis

Der nachfolgende Text basiert auf einer Übersetzung des Artikels „Maximum Display Colors and Look-Up-Tables: Two Things to Consider When Choosing a Monitor“ aus dem Japanischen, der am 18. Februar 2009 veröffentlicht wurde. Copyright 2011 ITmedia Inc. Alle Rechte vorbehalten. Informationen zu aktuellen Geräten wurden im Text ergänzt.


Achten Sie auf die maximale Anzahl an Farben, die ein LCD-Monitor darstellen kann. Nur LCD-Monitore vom Typ 1 in folgender Tabelle sind in der Lage, das gesamte Farbspektrum abzudecken, indem sie jeden RGB-Farbkanal mit 8 Bit auf einem LCD wiedergeben.

Die maximale Anzahl an Farben, die ein LCD-Monitor darstellen kann, ist zwar in den meisten Produktbeschreibungen enthalten, bleibt jedoch häufig unbeachtet. Die meisten Monitore können heute eine enorme Anzahl von Farben wiedergeben, nämlich mehr als 16 Millionen. Dass Anwender unzufrieden sind, weil ein Monitor nicht genug Farben darstellt, ist nicht zu erwarten. Dennoch hat die bloße maximale Farbanzahl einige Tücken, die nicht auf Anhieb ersichtlich sind.

Um Videosignale mit vollem Farbumfang wiederzugeben, müssen die derzeit erhältlichen LCD-Monitore für den PC so viele Farbwerte darstellen können, wie ein PC-Signal mit 8 Bit pro RGB-Farbkanal (also insgesamt 24 Bit) enthält. Bei 8 Bit pro RGB-Farbkanal sind das gemäß folgender Berechnung rund 16,77 Millionen Farben:

  • 8 Bit (28) = 256 Farbtöne
  • 256 Farbtöne (R) x 256 Farbtöne (G) x 256 Farbtöne (B) = 16.777.216 Farben
  • 16.777.216 Farben = 16,77 Millionen Farben

Hierbei sind zwei Punkte zu bedenken: Erstens sind nicht alle LCD-Monitore in der Lage, den gesamten Farbumfang von ca. 16,77 Millionen Farben zu reproduzieren. Zweitens wird der Farbumfang von 16,77 Millionen Farben auf unterschiedliche Art erreicht. Die LCD-Monitore auf dem Markt können anhand ihrer maximalen Farbanzahl und der Farbwiedergabetechnik in die folgenden drei Kategorien eingeordnet werden.

   

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Maximale Bildschirmfarben Technische Daten des LCD-Displays Farbwiedergabe Ungefährer Preis
1 16,77 Millionen 8 Bit Exzellent Hoch
2 16,77 Millionen 6 Bit + FRC Gut Mittel
3 16,19 Millionen/16,2 Millionen 6 Bit + FRC Ausreichend Niedrig

Nur die LCD-Monitore vom Typ 1 in der Tabelle sind in der Lage, das gesamte Farbspektrum abzudecken, indem sie jeden RGB-Farbkanal mit 8 Bit auf einem LCD-Display wiedergeben, das mit 8 Bit angesteuert wird. Monitore vom Typ 2 und 3 arbeiten mit einem virtuellen Farbraum und sind deswegen günstiger in der Anschaffung, bei der Wiedergabe von Farbabstufungen in der Regel aber weniger leistungsfähig als echte 8-Bit-LCD-Displays.

Beim Blick auf die technischen Daten eines Monitors ist ein Modell vom Typ 3 leicht zu erkennen: Die Anzahl der Farben beträgt hier 16,19 oder 16,20 Millionen. Da aber sowohl Typ 1 als auch Typ 2 ca. 16,77 Millionen Farben wiedergeben können, sind die beiden Typen anhand der Produktbeschreibung nur schwer zu unterscheiden. Ein 8-Bit-LCD-Display liefert in mehrfacher Hinsicht eine bessere Bildqualität. Dies sollte bei der Wahl eines Monitors für Grafikanwendungen berücksichtigt werden. (In einigen Fällen lautet die Angabe „24 Bit“, 8 Bit pro RGB-Farbkanal.)

Einige LCD-Fernseher und LCD-Monitore für den professionellen Einsatz basieren auf einem LCD-Display, das jeden RGB-Farbkanal mit 10 Bit wiedergibt. Theoretisch können diese Monitore 1.073.741.824 (also ca. 1,073 Milliarden) Farben darstellen. Dazu sind allerdings Grafikkarten und Software erforderlich, die ebenfalls 10 Bit pro Farbkanal verarbeiten können. Aus diesem Grund sind sie auf dem PC-Markt noch wenig verbreitet.

Betrachten wir nun die Grunddefinition von Frame Rate Control (FRC): FRC ist ein System, mit dem die Anzahl der darstellbaren Farben durch Änderung der Bildwiederholfrequenz erhöht werden kann. Es macht sich dabei die Trägheit der menschlichen Wahrnehmung zunutze. Schnelles Umschalten zwischen den Farben Weiß und Rot nimmt das menschliche Auge beispielsweise als Rosa wahr.

Ein LCD-Display mit 6 Bit pro Farbkanal und FRC kann faktisch nur 262.144 Farben darstellen: 6 Bit = 26 [pro RGB-Farbkanal] = 643 [drei RGB-Farbkanäle] = 262.144. Wendet man nun FRC auf jeden RGB-Farbkanal an und verändert so das Anzeigeintervall der Grundfarben des LCD-Displays, lassen sich zwischen zwei Grundfarben jeweils drei Farbwerte simulieren (im Falle von FRC mit 4 Bit). Zu jedem RGB-Farbkanal kommt somit die folgende Anzahl an simulierten Farben hinzu: (6 Bit – 1) × 3 = 189 Farben. Die maximale Anzahl an Farben ergibt sich aus folgender Berechnung: 6 Bit + FRC = 26 + 189 [pro RGB-Farbkanal] = 2533 [drei RGB-Farbkanäle] = 16.194.277 Farben (also rund 16,19 oder 16,20 Millionen Farben).

Die neuesten Monitormodelle verfügen zunehmend über eine Weiterentwicklung von FRC, die eine Darstellung von rund 16,77 Millionen Farben ermöglicht. Dabei werden mehr Bits verwendet als bei der herkömmlichen FRC-Technik, um noch mehr simulierte Farben zu erzeugen. Anschließend wird die 8-Bit-Farbskala (mit 256 Farbabstufungen) verwendet, um auf dem LCD-Monitor den vollen Farbumfang zu erreichen.

Unter Realbedingungen spielen für die Bildqualität nicht nur das Display, sondern auch viele andere Faktoren eine entscheidende Rolle, z. B. die Qualität der integrierten Schaltkreise für die Bildsteuerung. Die Unterschiede in der Bildqualität zwischen 8-Bit-Ansteuerung und 6 Bit + FRC sind auf den ersten Blick meist nicht zu erkennen. Bei Verringerung des Umgebungslichts (z. B. durch Dimmen) treten die Unterschiede deutlicher hervor. Ein Prüfmuster mit einem linearen Farbverlauf von dunkel nach hell kann die Unterschiede ebenfalls sichtbar machen. Solche Farbverläufe sind für Fotos, Videos, Spiele und andere Anwendungen gleichermaßen relevant.

gleichmäßiger Graukeil bei 8-Bit
Bildschirm mit 8-Bit-Ansteuerung
Graukeil bei 6-bit + Frame Rate Control
Bildschirm mit 6 Bit + FRC

Beispielhafte Darstellung eines Farbverlaufs auf einem Bildschirm mit 8 Bit (links) und einem Bildschirm mit 6 Bit + FRC (rechts). Die Unterschiede wurden in diesem Beispiel zur besseren Verdeutlichung verstärkt, doch auch in der Praxis ermöglicht die 8-Bit-Technik eine bessere Darstellung von Farbabstufungen.


Hintergründe einer LUT mit mehr als 8 Bit

Wie wir festgestellt haben, ist die Lösung mit 6 Bit + FRC der 8-Bit-Technik bei der Darstellung von Farbverläufen unterlegen. Das bedeutet allerdings nicht, dass die 8-Bit-Technik bei Farbwiedergabe und Farbabstufung immer hervorragende Ergebnisse liefert. Die Look-Up-Tabelle (LUT) ist ein entscheidender Faktor für die Fähigkeit eines Monitors, Tonabstufungen und Farbübergänge darzustellen.

Eine LUT ist eine Tabelle, die vorab berechnete Werte enthält. Wenn ein System wiederholt dieselben Berechnungen durchführen muss, lässt sich seine Leistung steigern, indem die Werte vorab berechnet und in einer LUT angelegt werden.

Bei LCD-Monitoren steht der Begriff LUT für eine Komponente, die PC-Eingangssignale (mit 8 Bit pro RGB-Farbkanal) berechnet und in für den LCD-Monitor geeignete Ausgangssignale umsetzt (ebenfalls mit 8 Bit pro RGB-Farbkanal). Günstige LCD-Monitore verwenden dazu eine LUT mit 8 Bit pro RGB-Farbkanal. Besonders farbtreue LCD-Monitore hingegen verfügen über eine LUT mit mehr als 8 Bit (z. B. 10 oder 16 Bit) pro RGB-Farbkanal und arbeiten bei den internen Berechnungen zur Umsetzung der Eingangs- in Ausgangssignale ebenfalls mit 10 Bit oder mehr. 

Verarbeitung eines Videosignals

Diagramm des Ablaufs vom Eingangssignal bis zur Anzeige auf dem Bildschirm eines LCD-Monitors mit einer LUT und einer internen Genauigkeit von mehr als 8 Bit. Die Zielgammawerte (z. B. 1,8 oder 2,2) werden vorab auf Grundlage von Berechnungen ermittelt, bei denen die Unterschiede zwischen einzelnen LCD-Displays keine Rolle spielen. Da die Bestimmung von Zielgammawerten allein nicht ausreicht, um die richtigen Farbtemperaturen zu erzielen, erfolgen die Berechnungen mit mehr als 8 Bit. Dabei wird ein Farbraum erzeugt, der die Farbtemperatur von Weiß abdeckt. Ausgangsseitige Farbkorrekturen gleichen dann die Unterschiede zwischen verschiedenen LCD-Displays aus, sodass sich eine gleichmäßige Farbwiedergabekurve ergibt. Eine LUT mit mehr als 8 Bit ermöglicht eine Farbwiedergabe mit feineren Farbabstufungen.

Wie verbessert eine LUT mit mehr als 8 Bit die Wiedergabequalität?

Ein LCD-Monitor, der laut Produktbeschreibung „ca. 16,77 Millionen (aus 1.064.330.000)“ Farben darstellen kann, verfügt über eine LUT mit 10 Bit pro RGB-Farbkanal (2 hoch 10 [pro RGB-Farbkanal] = 1.0243 [drei RGB-Farbkanäle] = 1.064.330.000 Farben). Das PC-Eingangssignal (mit 8 Bit pro RGB-Farbkanal) durchläuft im LCD-Monitor eine mehrfache Farbabstufung mit 10 Bit pro RGB-Farbkanal und wird dann mit 8 Bit pro RGB-Farbkanal in den optimalen Displayfarben ausgegeben. Dabei werden fließendere Farbübergänge erzielt und Farbtonabweichungen optimiert, indem die Gammakurve jedes RGB-Farbkanals bei der Ausgabe verbessert wird. Eine 16-Bit-LUT erzeugt ungefähr 16,77 Millionen optimale Farben aus ca. 278 Billionen Farbwerten und bietet damit eine noch bessere Farbwiedergabe und -abstufung als eine 10-Bit-LUT.

Betrachten wir nun die mehrfache Farbabstufung eines Eingangssignals mit 8 Bit pro RGB-Farbkanal bei einem LCD-Monitor mit 10 Bit pro RGB-Farbkanal und mehr. Selbst im Vergleich zu einer LUT mit 10 oder 12 Bit ergeben sich durch die Berechnung der mehrfachen Farbabstufung mit 14 oder 16 Bit noch feinere Farbübergänge. Die Vorteile einer Präzision von 16 Bit bei Ausgabe mit 8 Bit leuchten nicht unmittelbar ein. Doch wenn feine Farbunterschiede in Bereichen mit schwachen Abstufungen (dunkle Farbtöne) dargestellt werden sollen, ist die Genauigkeit der internen Berechnungen enorm wichtig. Im Wesentlichen gilt: Je mehr Bits bei der internen Berechnung verwendet werden, desto weniger weicht die Gammakurve in Bereichen mit schwachen Abstufungen von der Idealkurve ab.

Ein Blick auf das aktuelle Angebot an LCD-Monitoren zeigt, dass selbst im Niedrigpreissegment zahlreiche Monitore mit 10-Bit-LUTs angeboten werden. Doch nur bei Top-Monitoren liegt die Bit-Anzahl der Berechnungen über der Bit-Anzahl der LUT. Insbesondere Modelle, die höchste Anforderungen bei der Farbverarbeitung erfüllen und 16-Bit-LUTs sowie interne Berechnungen mit 16 Bit verwenden, eignen sich optimal für Farbverwaltung und für Anwendungen, die eine erstklassige Farbwiedergabe erfordern.

Vergleicht man einen Monitor mit einer 8-Bit-LUT und 8-Bit-Berechnungen mit Modellen, die mit einer LUT und Berechnungen mit 10 Bit oder mehr arbeiten, sind überraschende Unterschiede festzustellen. Da Modelle mit höherer Bit-Anzahl zudem häufig über besonders leistungsfähige integrierte Schaltungen zur Bildsteuerung verfügen, ist der Unterschied in der Bildqualität für einen aufmerksamen Betrachter hier noch deutlicher wahrnehmbar als bei Einsteigermodellen, von denen eine weniger einheitliche Leistung zu erwarten ist. Beim Blick auf eine Graustufenskala stellen wir fest, dass Produkte mit höherer Bit-Anzahl bei LUT und Berechnungen gleichmäßigere Farbübergänge erzeugen und dunkle Bildbereiche besser darstellen können. Solche Monitore produzieren fast keine Farbtonsprünge oder -abweichungen und bieten einen einheitlichen Kontrast, der die Abstufungen zwischen hell und dunkel natürlich wiedergibt. Aus diesen Gründen empfehlen wir einen Monitor mit einer LUT von mindestens 10 Bit – nicht nur bei Anwendungen, die eine hervorragende Farbwiedergabe erfordern, sondern allgemein für alle Anwender, die sich eine höhere Bildqualität wünschen.

Beispiel Tonwertabriss und Schattierungsabriss bei herkömmlichen Monitoren
Links: Graukeil mit Einfärbung (1) und Schattierungsabriss (2). Rechts : gleichmäßiger Graukeil
Abweichung der Gammakurven bei 8-Bit-LUT
16-Bit-Lut mit idealer und korrigierter Gammakurve

Darstellung der verbesserten Abstufung bei einer Korrektur mit 10 Bit oder mehr für LUT und interne Berechnungen. Die Abweichungen zwischen Gammakurve (in Blau) und Idealkurve (in Rot) fallen geringer aus und die Graustufen werden gleichmäßiger dargestellt.


3D-LUT – eine Look-Up-Tabelle für höchste Präzision

Einige LCD-Monitore der High-End-Klasse arbeiten mit einer 3D-LUT, deren LUT-Konzept noch weiter geht. Ein herkömmliches LUT-System verfügt über eine LUT für jeden RGB-Farbkanal. Wenn ein bestimmter Farbton angezeigt werden soll, berechnet es die Zielfarbe mithilfe der drei RGB-Farbwerte jeder einzelnen LUT.

Eine 3D-LUT hingegen ist eine dreidimensionale LUT, die jede RGB-Farbe mischt (d. h. eine dreidimensionale Tabelle, bei der die Farbkanäle R, G und B den drei Achsen entsprechen). Da die LUT-Datenpunkte für Zwischenabstufungen enthält, die sich aus der Mischung von R, G und B ergeben, bietet sie eine verbesserte Farbdarstellung von Abstufungen und präzisere Graustufen. Betrachten wir als Beispiel die LCD-Breitbildmonitore von EIZO. Das Modell CG277 der ColorEdge Serie verfügt über eine 3D-LUT. Der Unterschied zwischen den theoretisch ermittelten und den tatsächlich gemessenen Werten bei Zwischenabstufungen ist hier geringer als bei herkömmlichen LUTs.

3D-LUTs spielen ihre Vorteile auch bei der Konvertierung von Farbräumen bei der Farbverwaltung aus. Mit einer 3D-LUT ist es möglich, die rund 16,77 Millionen Farben eines Farbraums mit höchster Präzision und minimalen Informationsverlusten auf einen anderen Farbraum abzubilden. Da die 3D-LUT eine verbesserte Farbwiedergabe durch Mischung der RGB-Farbwerte bietet, werden die vom Benutzer vorgenommenen Änderungen und Farbanpassungen in Bezug auf Parameter wie Helligkeit, Chrominanz und Farbton wie gewünscht umgesetzt. Dies ist das vielleicht wichtigste Merkmal eines LCD-Monitors, der in Verbindung mit Farbverwaltung zum Einsatz kommt: Farbtreue ist hier das oberste Gebot.

Beispiel: Standard Look-Up-Table
Schwerpunkt der Farbabstimmung: Berechnung von ca. 16,77 Millionen Farben aus dem 3D-Farbraum inkl. Mischfarben
Beispiel: 3D-Look-Up-Table
Im Vergleich zur traditionellen Look-Up-Table bietet eine 3D-LUT mehr Farbeinstellungspunkte und eine verbesserte Farbmischung

Die Bit-Anzahl, mit der das LCD-Display arbeitet, seine LUT und die Genauigkeit der internen Berechnungen beeinflussen maßgeblich die Fähigkeit eines LCD-Monitors, Farben genau wiederzugeben. Selbst Monitore mit auf den ersten Blick ähnlichen technischen Daten unterscheiden sich nicht selten überraschend deutlich in ihrer Farbwiedergabe. Die Bildqualität eines Monitors lässt sich anhand der Produktbeschreibung nicht realistisch einschätzen. Es empfiehlt sich, das Modell vor dem Kauf persönlich in Augenschein zu nehmen.

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