Warum braucht es Colour Rendering überhaupt?

Kameras und Displays arbeiten in unterschiedlichen Farbräumen. Will man eine Farbe vom einen in den anderen bringen, muss man die drei Größen umrechnen, durch die ein Farbraum definiert ist: Primärvalenzen, Übertragungsfunktion und Weißpunkt. Eine Kamera erfasst Farben, die gesättigter und heller sind, als ein Display sie darstellen kann. Für diese Farben fehlt bei der mathematischen Umrechnung über Primärvalenzen, Übertragungsfunktion und Weißpunkt im kleineren Farbraum der Platz. Sie werden also einfach abgeschnitten (Clipping).

Besonders deutlich zeigt sich das an farblichem Clipping der RGB-Kanäle. Erreicht ein Kanal seine Grenze, bleibt er dort stehen, während die anderen mit zunehmender Helligkeit weiter ansteigen. Dadurch verschiebt sich das Verhältnis der Kanäle zueinander, und die Farbe verändert sich. So clippt bei einem hellen Blau zuerst der Blaukanal, und ist das Blau leicht rötlich, clippt als Nächstes Rot. Blau und Rot ergeben zusammen Magenta. Clippt zuletzt auch Grün, wird die Farbe weiß. Ein grünliches Blau würde zuerst nach Cyan und dann nach Weiß kippen.

Um solche Farbverschiebungen zu vermeiden und dem, was das Auge in der Szene sieht, möglichst nahezukommen, braucht es eine Colour Rendering Pipeline. Das Bildsignal durchläuft in etablierten Renderings wie jenen von ARRI oder ACES eine Reihe an Schritten, und die mathematische Umrechnung bildet nur das Ende einer langen Rendering Pipeline.

Mathematisch ARRI ACES

Besonders Showlicht mit seinen hellen, gesättigten Farben bringt Displays an ihre Grenzen. Die schmalbandigen Showlichtquellen erzeugen Farben, die weit außerhalb aktueller Displaygamuts liegen, und Leuchtdichten, die den darstellbaren Bereich um ein Vielfaches überschreiten. Eine rein mathematische Umwandlung von der Kamera zum Display würde hier große Bildbereiche clippen und einen unschönen Bildeindruck erzeugen. Ein Gamut bezeichnet dabei das Volumen aller Farben, das unter spezifizierten Betrachtungsbedingungen auf einem Wiedergabemedium darstellbar ist. Die Standard-Renderings von ARRI und ACES 2.0 lösen dieses Problem über eine Entsättigung am Scheinwerferaustritt, der Richtung Weiß wandert. Während dies in einigen Fällen die beste Lösung ist, ist es im Showlichtkontext unerwünscht. Dort, wo die Farbe am intensivsten ist, geht der Kern der Lichtstimmung verloren. Ziel der hier entwickelten Colour Rendering Pipeline ist es, die Sättigung am Scheinwerferaustritt zu erhalten.

ARRI ACES Highlightsättigung ARRI ACES Highlightsättigung

Sichtbar wird die Bedeutung des Sättigungserhalts auch bei Farbeffekten direkt am Scheinwerferaustritt. Farbige Ringe am Austritt bleiben im Highlightsättigungslook deutlich erkennbar, während sie in den etablierten Renderings zu Weiß ausbrennen.

Farbraum für das Colour Rendering: ICtCp

Wenn Menschen beschreiben, wie sich Farben verändern, tun sie dies meist anhand von Helligkeit, Sättigung oder Farbton. Diese Attribute lassen sich jedoch nicht direkt bearbeiten, denn sie sind nicht unmittelbar messbar. Messbar ist nur die Energie an den verschiedenen Stellen des Spektrums. Man braucht deshalb einen Farbraum, dessen Dimensionen die menschliche Wahrnehmung so abbilden, dass etwa die Helligkeit auf einer Achse und Chroma auf einer anderen liegen und sich getrennt verändern lassen.

Ein solcher Farbraum ist ICtCp, in dem die hier vorgestellte Rendering Pipeline arbeitet: Er hat eine Helligkeitsachse und zwei Chromaachsen. I steht für die Intensität, also die Helligkeitsachse. Die beiden Farbdifferenzachsen sind nach Farbfehlsichtigkeiten benannt, bei denen Farben entlang der jeweiligen Achse nicht mehr unterschieden werden können: Cp steht für die Rot-Grün-Achse (Protanopie), Ct für die Blau-Gelb-Achse (Tritanopie). In der Achsenmitte liegt neutrales Grau, nach außen hin nimmt das Chroma zu.

Tone Mapping

Der erste Renderingschritt in ICtCp ist das Tone Mapping. Es passt den Dynamikumfang an das Zieldisplay an und ist in eine Highlight- und eine Schattenkompression unterteilt. Beide wirken ausschließlich auf die Helligkeit I, Ct und Cp bleiben unverändert.

Die Spitzenleuchtdichte ist hier auf 1000 cd/m² festgelegt. Statt Werte darüber hart abzuschneiden, komprimiert die Highlightkompression den oberen Tonwertbereich, sodass die Abstufungen und damit die Zeichnung in den Lichtern erhalten bleiben. Der Kontrast in den Highlights wird dabei reduziert.

Die implementierte Highlightkompression bildet den oberen Teil der ARRI-Tonwertkurve nach, die zur Schattenkompression den unteren. Die Abbildung zeigt das Bild vor und nach der Schattenkompression, darunter als Punktwolke in ICtCp geplottet. Man erkennt, wie die dunklen Bildbereiche nach unten gezogen werden und der Bildkontrast durch die tiefen Schatten steigt.

ohne Schattenkompression mit Schattenkompression

ohne Schattenkompression

mit Schattenkompression

Besonders bei Gesichtern erzeugt die Schattenkompression mehr Tiefe und Dreidimensionalität.

ohne Schattenkompression mit Schattenkompression

Hauttonrendering

Bevor extreme Farben außerhalb des Gamuts gemappt werden, geht es beim Hauttonrendering zunächst um Farben innerhalb der Gamutgrenze.

Ziel des Hauttonrenderings ist eine natürliche Wiedergabe von Hauttönen, orientiert am Rendering von ARRI und ACES. Vergleicht man die beiden, fällt auf, dass sie sehr nah beieinanderliegen. Die geplottete Ansicht in ICtCp bestätigt diesen Seheindruck und zeigt zugleich, wie sich die beiden Renderings in Chroma und Helligkeit ausdrücken lassen. Ohne Hauttonrendering ist das Chroma der Mitteltöne und Highlights nahezu gleich, erkennbar am gleichen Abstand der Punktwolke von der Mittelachse. Bei ARRI und ACES werden die Highlights dagegen deutlich stärker entsättigt. Mit abnehmender Helligkeit entfernen sich die Punkte dann immer weiter von der Grauachse und werden gesättigter. Das unterschiedliche Tone Mapping der beiden Renderings führt dazu, dass ARRI die tiefen Schatten dunkler rendert als ACES. Die Hauttonwolke reicht daher weiter nach unten.

ohne Hauttonrendering ARRI ACES

In der entwickelten Pipeline wird angelehnt an das ARRI und ACES Rendering das Chroma in den Schatten verstärkt und in den Highlights abgeschwächt.

Lisas Hauttonrendering

Dome Kompression

Die Dome Kompression ist der letzte Schritt vor dem Gamut Mapping.

Ziel der Dome Kompression ist es, Entsättigungsartefakten entgegenzuwirken, die im Blau- und Magentabereich auftreten. Sehr helle, gesättigte Farben werden ohne Dome Kompression nahe dem Scheinwerferaustritt durch die Clippingalgorithmen erst stark entsättigt und gehen dann schnell in gesättigte Bereiche über. Statt eines weichen Verlaufs entsteht ein harter Übergang.

ohne Dome Kompression mit Dome Kompression

Durch die Dome Kompression werden die Entsättigungsartefakte beseitigt. Sie komprimiert Chroma horizontal in Richtung der Helligkeitsachse. Dabei wirkt sie sowohl auf Farben innerhalb des Zielgamuts als auch auf solche außerhalb und schafft einen weichen Übergang zwischen dem komprimierten und unkomprimierten Bereich. Helle Farben werden stärker entsättigt als dunkle, um sie an die nach oben spitz zulaufende Form des P3-Gamuts in ICtCp anzupassen. Implementiert ist die Kompression über eine Kuppel (engl. Dome), die über den Farbraum gespannt wird und das P3-Gamut sowie nahezu alle noch zu mappenden Farben umschließt.

Gamut Mapping

Den Kern der Colour Rendering Pipeline bildet das Gamut Mapping. Alle Farben, die außerhalb des Zielgamuts liegen, werden dabei auf die Grenze des Zielgamuts gemappt. Zielgamut ist in der implementierten Pipeline P3 mit einer Spitzenleuchtdichte von 1000 cd/m².

Grundsätzlich wird beim Gamut Mapping zwischen Gamut Clipping und Gamut Kompression unterschieden. Clipping verschiebt ausschließlich Farben außerhalb des Gamuts und lässt alle Farben innerhalb unangetastet. Kompressionsverfahren stauchen dagegen den gesamten Farbumfang, bis die zuvor außerhalb liegenden Farben im Gamut liegen. So erhalten sie die Relationen der Farben zueinander, verschieben aber auch Farben, die ohnehin darstellbar gewesen wären.

Hier ist nur Gamut Clipping, genauer Clipping entlang eines Pfades, implementiert. Dabei sind mehrere Pfade möglich, entlang derer ein Punkt auf die Gamutgrenze gemappt werden kann.

Welcher Pfad gewählt wird, entscheidet die gewünschte Wiedergabeeigenschaft. Es ist jene Eigenschaft der Ausgangsfarbe, die beim Mapping am besten erhalten bleiben soll. Die Richtung des Mappingpfades legt also fest, was bewahrt und was zugunsten der Darstellbarkeit aufgegeben wird. Bei Showproduktionen ist die zentrale Wiedergabeeigenschaft der Erhalt der Sättigung am Scheinwerferaustritt. Dass dieses Ziel produktionsspezifisch ist, zeigt der Vergleich mit einer Wintersportübertragung: Dort würde der Sättigungserhalt schon kleine Farbstiche in der weißen Schneelandschaft betonen, statt sie neutral weiß erscheinen zu lassen.

Drei übliche Mappingpfade beim Gamut Mapping sind LCLIP, SCLIP und CCLIP.

LCLIP

LCLIP reduziert das Chroma zugunsten der Helligkeit so weit, bis die Gamutgrenze erreicht ist. Der Anker liegt auf der Grauachse, auf derselben Helligkeit wie die Ausgangsfarbe. Die Helligkeit bleibt also exakt erhalten, verloren geht ausschließlich Chroma.

LCLIP Seitenansicht LCLIP Draufsicht

SCLIP

SCLIP reduziert Chroma und Helligkeit entlang eines Pfades, der zum S-Punkt zeigt. Dieser liegt als fester Anker auf der Grauachse und wird üblicherweise auf mittleres Grau gelegt. Da das Gamut nach oben spitz zuläuft, erhält ein S-Punkt bei mittlerem Grau für helle, gesättigte Farben eher das Chroma und gibt dafür Helligkeit ab; ein höher gelegter S-Punkt kehrt das Verhältnis um.

SCLIP Seitenansicht SCLIP Draufsicht

CCLIP

CCLIP reduziert Chroma und Helligkeit entlang eines Pfades, der zur Grauachse auf Höhe der Cusp-Helligkeit zeigt. Der Cusp bezeichnet den Punkt mit dem größten erreichbaren Chroma des jeweiligen Farbtons. Da die Helligkeit des Cusps stark vom Farbton abhängt, wandert der Anker entsprechend mit: Gelb hat einen hellen, Blau einen dunklen Cusp. In der Seitenansicht ist der Cusp durch eine durchgezogene orange Linie markiert.

CCLIP Seitenansicht CCLIP Draufsicht

LCLIP SCLIP CCLIP

Gamut Mapping für HDR- und SDR-Showproduktionen

Der Fokus des HDR Showlicht Forschungslabors liegt bei HDR Produktionen. Eine Sache war dennoch überraschend: das Verhalten von LCLIP bei Hauttönen in HDR. Aus der SDR Welt war zu erwarten, dass die durch den Scheinwerfer gesättigten Farben auf der Haut stärker entsättigt werden. Es zeigte sich jedoch, dass sich die Wirkung der verschiedenen Gamut Clippings fast ausschließlich auf den Scheinwerferaustritt beschränkt. In SDR macht es auf der Haut einen großen Unterschied, ob SCLIP oder LCLIP verwendet wird. In HDR ist der Unterschied nur an kleinen, hellen Glanzstellen sichtbar. Wie die geplottete Punktwolke zeigt, liegt das am kleineren Farbvolumen von SDR: Ein großer Teil der Hauttöne liegt außerhalb und muss auf die enge 100 cd/m²-Gamutgrenze gemappt werden. In HDR liegen sie vollständig innerhalb der Grenze und bleiben vom Gamut Mapping unangetastet, nur der Scheinwerferaustritt liegt außerhalb und wird auf die Gamutgrenze gemappt.

SDR LCLIP HDR LCLIP SDR SCLIP HDR SCLIP

Download

Die entwickelte Colour Rendering Pipeline führt von den Kamerafarbräumen S-Gamut3/S-Log3 und AWG4/LogC4 in den Displayfarbraum P3-D65 PQ (bis 1000 cd/m²). Neben der HDR-Version gibt es auch eine SDR-Version. Kern der Colour Rendering Pipeline ist ein sättigungserhaltendes Gamut Mapping, das die intensiven Farben am Scheinwerferaustritt bewahrt, statt sie wie etablierte Renderings Richtung Weiß zu entsättigen.

Die Pipeline lässt sich hier als Powergrade aus DCTL-Dateien oder als fertige LUT herunterladen. Das Powergrade benötigt DaVinci Resolve Studio und lässt sich über Slider und Dropdowns anpassen. Damit sie sich auch ohne Studio-Lizenz nutzen lässt, gibt es das Colour Rendering zusätzlich als LUT.

Grafiken © 2026 Lisa Knobl · CC BY 4.0