Monitore und (10-Bit-)Farbtiefe

In meinem letzten Artikel habe ich erklärt was Banding ist, wodurch es verursacht wird und wie man es verhindern bzw. wieder los werden kann. Ob Banding sichtbar wird, hängt aber vor allem vom Monitor und dessen Farbtiefe ab. Das Thema Farbtiefe und Monitore ist aber etwas irreführend. Daher möchte ich hiermit etwas Klarheit schaffen.

Wie schon im letzten Artikel erwähnt, arbeiten die allermeisten Monitore mit 8 Bit. Die Wahrheit ist aber, dass selbst viele 10-Bit-Monitore nur 8-Bit-Panels verwenden und somit keine echten 10-Bit-Monitore sind. Damit sie dennoch als solche verkauft werden können, bedienen sich die Hersteller an technischen Tricks, um die fehlenden 2 Bit zu »erzeugen«.

Bei den Tricks handelt es sich um räumliches (spatial) oder zeitliches (temporal) Dithering:

  • Beim räumlichen Dithering werden zwei Farben eng nebeneinander dargestellt, sodass sie bei normalem Betrachtungsabstand eine Mischfarbe ergeben, die eigentlich nicht dargestellt werden kann.
  • Das zeitliche Dithering (oder auch FRC für Frame Rate Control) wechselt schnell zwischen zwei Farben hin und her sodass auch hier der Eindruck ensteht als würde die Mischfarbe dieser beiden Farben angezeigt werden.
Wenn Hersteller also von 10-Bit-Monitoren sprechen, wäre der Ausdruck »8+2 Bit« vielfach angebrachter. Apple umgeht dieses Problem und erwähnt bei den vermeintlichen 10-Bit-Displays nie die Farbtiefe sondern immer nur die Farbanzahl:

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Damit machen sie zwar deutlich, dass es sich um 10-Bit-Farbtiefe handelt, denn schließlich ergibt nur (2^10)*3 eine Milliarde Farben, aber sie sagen damit nicht, wie diese Menge an Farben zustande kommt. Da es die Zielgruppe des iMac Pros aber vielleicht doch etwas genauer wissen will, schreibt Apple hier sogar, dass es sich um 10-Bit-Support mit »Spatial Dithering« bzw. »Temporal Dithering« handelt:

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Anders sieht es beim neuen Pro Display XDR aus. Hier schreibt Apple im Technology White Paper explizit von »true 10-bit color depth«. Bei einem Display dieser Klasse auch durchaus zu erwarten.

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Wer nun aber glaubt, dass man beispielsweise bei EIZO immer echte 10-Bit bekommt, der irrt sich. Denn auch hier sind viele der High-End-Monitore mit FRC ausgestattet und somit streng genommen nur 8-Bit-Monitore:

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https://www.eizo.de/coloredge/cg2730/

Das Thema wird aber nochmal komplizierter, denn nicht immer werden innerhalb einer Produktlinie auch die gleichen Panels eingesetzt. Die Austausch-Panels für 27“ iMacs weisen je nach Hersteller unterschiedliche Farbtiefen auf.


89-imac-panels-1260px-sRGB
Link zur Quelle

Hinweis: Einen guten Überblick über Monitore und deren Farbtiefe findet man übrigens hier: DisplaySpecifications - Specifications and features of desktop monitors and TVs


Fazit

Was beudetet das nun für den Monitorkauf: Ist ein echter 10-Bit-Monitor besser als 8-Bit-Monitor mit Dithering? Bzw. kann ich den Unterschied sehen?

Wie bei vielen technischen Themen gibt es auch hier keine einheitliche Meinung. Ich selbst kann diesbezüglich auch keine technisch begründete Antwort abgeben. Meiner Erfahrung nach, vertrete ich aber folgende Ansicht: Ich arbeite seit vielen Jahren auf einem EIZO bzw. auch einem iMac, die beide keine echte 10-Bit-Farbtiefe aufweisen, sondern nur 8+2 Bit. Und ich hab, was das Banding anbelangt, noch keine negativen Erfahrungen damit gemacht. Ebenso denke ich, dass gerade ein Hersteller wie EIZO, der ja schließlich von High-End-Monitoren lebt, diese Technik nicht verbauen würde, wenn sie zu schlechten Ergebnissen führt. Natürlich kann es sein, dass die 8+2-Bit-Variante unter Laborbedingungen schlechter abschneidet, gehört habe ich das aber noch nie und in einem Labor arbeite ich ohnehin nicht. Zudem sind es meist ganz andere Einflüsse, wie zum Beispiel schlechtes Umgebungslicht, die viel größere Probleme bei der Darstellung hervorrufen als die Farbtiefe.

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Banding (Tonwertabrisse) verstehen, vermeiden und entfernen

Was ist Banding?
Unter Banding oder auch Tonwertabrisse versteht man sichtbare Stufen innerhalb eines Verlaufs, der eigentlich stufenlos sein sollte. Häufig tritt dieses Problem z. B. bei blauem Himmel auf.

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Die Tonwertabrisse wurden hier durch eine bewusst schlechte Komprimierung verstärkt.

Der Grund für das Banding ist immer die Tatsache, dass der Verlauf zu wenig Abstufungen besitzt und die einzelnen Stufen somit für das menschliche Auge sichtbar werden. In der Regel entstehen solche Tonwertabrisse (engl. bands) erst in der Bildbearbeitung und nicht etwa bei der Aufnahme in der Kamera.

Für das Problem gibt es zwei Lösungsansätze: Am Besten ist es, die Entstehung des Bandings von vornherein zu verhindern. Dazu muss man natürlich wissen, wodurch es verursacht wird, und genau das sehen wir uns gleich an. Wenn das Banding nun aber schon im Bild ist, hilft nur noch, es wieder loszuwerden. Auch hierfür gibt es ein paar Tricks, die weiter unten folgen.

Lösungsansatz #1: Banding vermeiden

Wie oben erwähnt, ist das Grundproblem immer die zu geringe Anzahl an Abstufungen. Das kann von verschiedenen Dingen verursacht werden:

  1. Hard- und Software (Monitor, Anzeigeprogramm etc.),
  2. zu geringe Farbtiefe,
  3. unvorteilhafte Bildbearbeitung,
  4. starke Komprimierung oder
  5. falsches Farbprofil
Sehen wir uns die einzelnen Punkte genauer an:

Ursachen für Banding


Ursache 1: Hard- und Software
Zunächst einmal muss man sich darüber im Klaren sein, dass die Tonwertabrisse nicht immer tatsächlich im Dokument »vorhanden« sind. Es kann ebenso gut sein, dass ganz einfach die Monitor-Darstellung das Banding verursacht. Die allermeisten Monitore auf dieser Welt arbeiten mit nur 8 Bit* und unter Umständen ist eben das der Grund für die sichtbaren Tonwertabrisse:


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D.h. also der Verlauf bzw. das Dokument besitzt zwar genügend Abstufungen, aber sie gelangen nicht in unser Auge, weil der Monitor nur einen Teil davon anzeigen kann. Professionelle Monitore mit 10-Bit-Farbtiefe sind von dieser Einschränkung natürlich nicht betroffen:

88-farbtiefe-pfad-optimal-1260px-sRGB


Wichtig ist aber nicht nur der Monitor. Auch die Anzeige-Software, also in der Regel das Bildbearbeitungsprogramm, muss in der Lage sein, 10-Bit-Daten an den Monitor zu senden. Photoshop kann das schon seit vielen Versionen. Die Einstellung dazu findet man unter Voreinstellungen > Leistung > Grafikprozessor-Einstellungen > Erweiterte Einstellungen:

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Ist diese Einstellung aktiviert, gibt Photoshop 30-Bit-Daten (= 3 x 10 Bit pro Farbkanal) aus.

Dazu kommt noch, dass auch das Betriebssystem 10-Bit-Farbtiefe unterstützen muss. Das ist aber bei Windows schon lange der Fall und auch unter macOS seit Version 10.11 kein Thema mehr.

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Framepuffertiefe (früher Pixeltiefe) in Systeminformation > Grafik/Displays

Bei Windows-PCs muss auch die Grafikkarte entsprechend ausgerüstet sein.

Ursache 2: Farbtiefe
Wie eingangs erwähnt, ist das Grundproblem des Bandings die zu geringe Anzahl an Abstufungen. Ein 8-Bit-Bild mit seinen 256 Stufen besitzt für manche Fälle einfach zu wenig Farben, um einen stufenlosen Verlauf für das Auge zu erzeugen:


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Anders im 16-Bit-Farbmodus: Hier stehen so viele Abstufungen zur Verfügung, dass keine Tonwertabrisse entstehen können:

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Hinweis: Grundlagen zum Thema Farbtiefe findest du im Artikel Bits und Bytes (8 vs. 16 Bit)

Sonderfall Photoshop: Doch selbst wenn ein Dokument in 16-Bit vorliegt und auch die ganze Hard- und Software mit 10 Bit arbeitet, heißt das noch immer nicht, dass bei der Darstellung kein Banding auftritt. Denn Photoshop nutzt beispielsweise bei kleinen Zoomstufen auch innerhalb von 16-Bit-Bilder einen 8-Bit-Cache. Mehr dazu findest du in meinem Artikel Banding (Tonwertabrisse) im 16-Bit-Modus

Ursache 3: Bildkorrekturen
Bilder, die direkt aus der Kamera kommen, weisen meist genug natürliches Rauschen auf, so dass Banding nicht auftritt. D.h. Banding entsteht in der Regel erst bei manuellen Eingriffen in das Bild. Dabei kann es sich um das künstliche Erzeugen eines Verlaufs handeln oder natürlich um Gradations- und Farbkorrekturen. Problematisch ist beispielsweise, wenn viele Gradationskurven übereinander wirken. Oder noch schlimmer, wenn sie gegeneinander wirken – also wenn beispielsweise eine Gradationskurve aufhellt und eine weitere im selben oder ähnlichen Maß abdunkelt. Damit landet man zwar vielleicht optisch wieder am Anfang, hat sich aber eventuell Tonwertabrisse ins Bild »korrigiert« (Im Englischen wird das als »cross curving« bezeichnet und das zählt in der professionellen Bildbearbeitung natürlich zu einem schlechten Workflow). Vorallem aber auch Korrekturen mittels »Farbton/Sättigung« sind ein Klassiker, um Banding zu erzeugen bzw. zu verstärken. Vielfach sind es aber auch Ebenenmasken von Einstellungsebenen, die Probleme bereiten. Denn gerade für partielle Korrekturen nutzt man ja häufig weiche Masken und die sind nichts anderes als ein Verlauf.

Ursache 4: Komprimierung
Banding kann auch durch verlustbehaftete Komprimierungen hervorgerufen werden. Eine starke JPEG-Kompression ist hierfür »bestens« geeignet.

Ursache 5: Farbprofil
Auch das Zuweisen eines falschen Farbprofils auf das Bild kann vorhandenes Banding verstärken. Im Prinzip ist die dadurch hervorgerufene Farbverschiebung ja nichts anderes als eine ungünstige Korrektur mittels Gradationskurve oder ähnlichem.

Lösungsansatz #2: Banding entfernen

Beachtet man die oben angesprochenen Ursachen kann man Banding zwar theoretisch vermeiden, in der Praxis hat man das aber nicht immer in der Hand. Muss man beispielsweise mit Bildmaterial arbeiten, welches schon Tonwertabrisse aufweist, dann hilft nur, sie wieder loszuwerden. Und dafür gibt es in Wirklichkeit nur eine brauchbare Technik:

1. Dithering
Dithering nennt man jene Technik, die mithilfe einer speziellen Pixelanordnung dem Auge eine Mischfarbe vortäuscht, die eigentlich nicht dargestellt werden kann. Beispielsweise kann der folgende Verlauf, der im Original mehrere hundert einzelne Farbtöne aufweist ...

88-verlauf-normal-1260px-sRGB

… auch mit nur drei Farben relativ gut dargestellt werden:

88-verlauf-dither

Der Grund dafür ist Anordnung der Pixel, die man in der Vergrößerung deutlich erkennen kann:

88-verlauf-dither-ausschnitt-1260px-sRGB

Das ist natürlich ein extremes Beispiel. Nicht immer fehlt es an mehreren hundert Farbabstufungen und daher ist das Dithering-Muster in der Regel auch nicht zu erkennen.

Da sich diese Technik gut etabliert hat, hat Adobe sie bei einigen (Banding-hervorrufenden) Funktionen standardmäßig implementiert:

88-dither-1260px-sRGB


Beispielsweise wird bei der Erstellung eines Velaufs sinnvollerweise automatisch gedithert. Ebenso wird bei Farbraumtransformationen und auch Änderungen an der Farbtiefe gedithert.

Spannend ist für uns aber vor allem die Tatsache, dass das Dithering bei Änderungen an der Farbtiefe angewandt wird. Warum?
Stellen wir uns vor, wir arbeiten an einer aufwändigen Montage. Wir haben also ein Photoshop-Dokument mit einer Vielzahl an Ebenen und vor allem Einstellungsebenen. Und dadurch dass wir in 8 Bit arbeiten, sind im Laufe der Bearbeitung Tonwertabrisse entstanden. In so einem Fall reicht es dann mitunter, wenn man das Dokument nach 16 Bit konvertiert, dann auf eine Ebene reduziert und schließlich wieder zurück nach 8 Bit wandelt. Vorsicht: Da man hiermit den Ebenenaufbau verliert, sollte man diese Technik erst direkt vor der Ausgabe anwenden.

2. Dithering imitieren
Man kann das Dithering auch mit Filter imitieren. Eine Möglichkeit ist, dem Bild ein leichtes Rauschen hinzuzufügen. Dieses Rauschen bricht die einzelnen »Bänder« in ähnlicher Weise auf, wie das Dithering, was letzlich für ein glatteres Erscheinungsbild sorgt. Wichtig ist aber, dass man das Rauschen stets in der 100%-Ansicht hinzufügt und dann auch nur so viel, wie absolut notwendig (in der Regel reichen da ein paar Prozent, wenn nicht, sollte man auf diesen Trick eher verzichten). Das Rauschen kann auf das ganze (zusammengerechnete) Bild angewandt werden oder auch nur auf jene Elemente, die Banding aufweisen: also Verläufe oder sehr häufig auch Ebenenmasken.

Ebenso, oder oft sogar noch besser, funktioniert der Filter »Spritzer« aus dem Malfilter-Menü. Auch dieser Filter imitiert durch das spezielle Verteilen der Pixel Farben, die eigentlich nicht im Bild sind. Die Werte müssen passend zum Bild gewählt werden:

88-filter-spritzer-1260px-sRGB

Banding weichzeichnen?

Auch wenn es im ersten Augenblick naheliegend erscheint, kann man Banding leider nicht mit Weichzeichungsfilter »wegbügeln«. Diese Aussage stimmt aber nicht uneingeschränkt, denn wenn ein 8-Bit-Dokument Banding aufweist und dieses dann nach 16 Bit umgewandelt und weichgezeichnet wird, kann das Banding schon verschwinden, da durch diese Operation ja tatsächlich neue 16-Bit-Farbwerte entstehen. Anschließend kann das Dokument auch wieder nach 8 Bit umgewandelt werden, da das automatisch angewandte Dithering die fehlenden Tonwerte imitiert. Wird hingegen in 8 Bit weichgezeichnet, wird das Banding damit meist noch verstärkt.

Tipp: Weichzeichnen eignet sich zwar gut für homogene, strukturlose Fläche, aber es zerstört natürlich Details. Beispielsweise würde auf einem Himmel, der auch Wolken aufweist, die Wolken natürlich auch weichgezeichnet werden. Man müsste also für das Weichzeichnen zunächst eine Auswahl erstellen. Das kann man leider nicht immer umgehen, allerdings eignet sich für solche Fälle der Weichzeichnungsfilter »Matter machen« ganz gut, da er kantenerhaltend ist. Somit muss nicht zwingend eine genaue Auswahl vorhanden sein.

Banding im CMYK-Dokument
Unter Umständen kann es auch passieren, dass das Banding entsteht, wenn ein RGB-Bild nach CMYK konvertiert wird. Der Grund dafür ist, dass unterschiedliche RGB-Werte, die außerhalb des CMYK-Gamuts liegen auf nur einen RGB-Wert gemappt werden. Die Farbraumtransformation macht also beispielsweise aus 3 verschiedenen Werten einen einzelnen Wert. Die Stufen werden dadurch größer und somit deutlicher sichtbar.

Wenn irgendwie möglich, bietet es sich in solchen Fällen an, den betroffenen Verlauf nochmal direkt in CMYK zu erstellen. Da der Verlauf aber natürlich oft ein organischer Teil des Bildes ist, wie ein Himmel oder dergleichen, funktioniert das nicht immer. Natürlich kann auch hier das »Rauschen hinzufügen« Abhilfe schaffen. Sinnvoll ist es aber, das Rauschen nur in den Kanälen hinzuzufügen, die auch vom Banding betroffen sind – das sind nämlich nicht zwingend alle vier.

Fazit
Wie man sieht, ist das Thema auf technischer Ebene äußert komplex. Dennoch kann man, gerade wenn man über die Ursachen Bescheid weiß, Banding vielfach vermeiden. Und wenn nicht, helfen die aufgezeigten Möglichkeiten, um das Banding zu entfernen. Zuerst sollte man aber immer überprüfen, ob das Banding nicht nur an der Darstellung (Hard- und Software) liegt.

*Viele davon sind sogar nur 6+2 Bit. Siehe dazu den Artikel: Monitore und (10-Bit-)Farbtiefe


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