Dynamikumfang und JPEG

[Kpathsea]

"Ganz weiß" ist 255, "ganz schwarz" ist 0 (nicht 1 wie oben gesagt!). Wie schwarz und weiß das dann aussieht, hängt vom Ausgabemedium ab. Aber mit Dynamik hat das nichts zu tun.

Und wie kommst du von ganz weiß bis ganz schwarz auf 11,7 LW?

 

[burkhard2]

"Ganz weiß" ist 255, "ganz schwarz" ist 0 (nicht 1 wie oben gesagt!). Wie schwarz und weiß das dann aussieht, hängt vom Ausgabemedium ab. Aber mit Dynamik hat das nichts zu tun.

Genau. Das ist der Kontrastumfang, und der ist bei sRGB Unendlich (auch wenn das kein Ausgabemedium schafft).

Interessant ist bei sRGB/8 bit nur die Dynamik, und die ergibt sich aus dem Quantisierungsfehler. Je nach Sichtweise beträgt er 0,5 bit oder 1/(2√3) ≈ 0,3 bit (maximaler Fehler bzw. RMS-Fehler). Bei 8-bit-Codierung und sRGB ergibt sich also ein Dynamikbereich von ca. 12,7 EV bzw. 13,5 EV.

Mit JPEG hat das übrigens nichts zu tun, bei 8-bit-PNG oder -TIFF wäre es genau dasselbe (bei JPEG müsste man eigentlich noch berücksichtigen, dass bei Farben der Quantisierungsfehler größer ist). Ein 16-bit-PNG oder -TIFF mit sRGB hätte natürlich eine entsprechend höhere Dynamik (bei sRGB 8 EV mehr).

L.G.

Burkhard.

 

[Waartfarken]

Interessant ist bei sRGB/8 bit nur die Dynamik, und die ergibt sich aus dem Quantisierungsfehler. Je nach Sichtweise beträgt er 0,5 bit oder 1/(2√3) ≈ 0,3 bit (maximaler Fehler bzw. RMS-Fehler). Bei 8-bit-Codierung und sRGB ergibt sich also ein Dynamikbereich von ca. 12,7 EV bzw. 13,5 EV.

Ich meine was anderes. Die "Dynamik" der sRGB-Codierung aufgrund des Quantisierungsfehler ist noch größer, denn am "dunklen Ende" sind die sRGB-Daten linear codiert mit dem Faktor 1/12,62 (wenn ich mich richtig erinnere). Und damit wird der Quantisierungsfehler entsprechend kleiner und die Dynamik nochmal 3,7LW größer. Das ist aber für die Betrachtungen hier irrelevant, weil die codierten Daten selber schon viel mehr Rauschen enthalten.

Edit: Der Faktor ist 1/12,92, und den hast Du offenbar schon mit reingerechnet. Ich komme also auch auf 13,5LW "Dynamik".

 

[Waartfarken]

Und wie kommst du von ganz weiß bis ganz schwarz auf 11,7 LW?

Eben nicht von von ganz weiß bis ganz schwarz, sondern von ganz weiß bis zum dunkelsten grau oberhalb von schwarz. Schwarz ist trivial, das ist "0". Ich rede von der "1".

 

[burkhard2]

Edit: Der Faktor ist 1/12,92, und den hast Du offenbar schon mit reingerechnet. Ich komme also auch auf 13,5LW "Dynamik".

Keine Ahnung, wie du jetzt auf 13,5 LW kommst – der Tonwert 1 ist wegen der linearen Codierung log2(255)+log2(12,92) ≈ 8 + 3,7 = 11,7 LW dunkler als der hellste (255).

Das ist aber für die Betrachtungen hier irrelevant, weil die codierten Daten selber schon viel mehr Rauschen enthalten.

Selbst wenn man mit 13,5 LW Dynamik rechnet (ich finde 12,7 angemessener), liegen heutzutage schon einige Kameras vom Rauschen her darunter. Ganz zu schweigen davon, wenn man die Bilder verkleinert.

Wenn, dann liegt das Problem bei den Ausgabemedien, die solche Kontrastumfänge nicht bewältigen.

L.G.

Burkhard.

 

[Waartfarken]

Keine Ahnung, wie du jetzt auf 13,5 LW kommst – der Tonwert 1 ist wegen der linearen Codierung log2(255)+log2(12,92) ≈ 8 + 3,7 = 11,7 LW dunkler als der hellste (255).

Du kommst doch selber auch auf 13,5LW Dynamik: Sättigung (=255) durch Quantisierungsfehler am dunklen Ende (=1/12,92/√12).

 

[burkhard2]

Du kommst doch selber auch auf 13,5LW Dynamik: Sättigung (=255) durch Quantisierungsfehler am dunklen Ende (=1/12,92/√12).

Dann hab' ich dich wohl missverstanden: ich hatte deine Antwort so gelesen, dass du auf anderem Weg auf den Wert gekommen bist.

L.G.

Burkhard.

 

[Kpathsea]

Ich finde das gerade sehr interessant. Hab da eigentlich keine Ahnung davon. Hab ein paar Gedanken dazu. Wäre nett, ihr mir das entweder erklärt oder mir sagt wo man das gut nachlesen kann.

Also:
Wir nehmen mit einer hypothetischen Kamera ein Bild auf. Der Unterschied zwischen der hellsten und der dunkelsten Stelle betrage 30 LW (bzw. mehr als die 13,7 LW).

Jetzt wird die hellste Stelle mit 255 dargestellt und die dunkelste mit 0.
Die Werte dazwischen müssen dann ab- oder aufgerundet werden. Das heißt ich verliere Farbabstufungen.

Wenn ich das Bild jetzt wiedergebe, wird die hellste Stelle mit dem bei dem Wiedergabemedium hellstmöglichen Wert wiedergegeben und die dunkelste mit dem tiefsten Schwarz.

Wo kommen jetzt die 13,7 LW zum tragen? Denn wenn ich sage, der höchste Wert sei der hellste und 0 das dunkelste, werde ich doch bei der Wiedergabe immer den gleichen Kontrastumfang haben und doch auch in der Datei. Es geht ja nie heller als 255 oder dunkler als 0.

Ist es so, dass man bei einem Bild mit den 13,7 LW Kontrastumfang die Abstufungen quasi verlustfrei darstellen kann und darüber verliere ich lediglich Zwischenstufen?

Danke schon mal für die Antworten!

 

[01af]

Der Unterschied zwischen der hellsten und der dunkelsten Stelle betrage 30 LW (bzw. mehr als die 13,7 LW).

Dann würden (mindestens) 16,3 LW davon entweder rein schwarz oder rein weiß oder teils schwarz, teils weiß wiedergegeben – je nachdem, ob auf die Lichter, die Schatten oder die Mitteltöne belichtet wurde.

Jetzt wird die hellste Stelle mit 255 dargestellt und die dunkelste mit 0. Die Werte dazwischen müssen dann ab- oder aufgerundet werden. Das heißt ich verliere Farbabstufungen.

Richtig – wenngleich du die meisten davon bereits bei der Aufnahme verloren hättest. Von denen, die es in die Bilddatei geschafft haben, gehen durch die Umwandlung ins JPEG-Format viele weitere verloren – welche genau, das hängt von der Nachbearbeitung ab.

Aber – das merkt der Betrachter gar nicht. Denn so schrecklich viele Helligkeitsabstufungen kann das menschliche Auge sowieso nicht unterscheiden – im Grün-Bereich gute Hundert, im Rot- und Blau-Bereich etwas weniger. Die 256 Stufen pro Kanal, die das JPEG-Format (oder jedes andere RGB-Format mit 8 bit/Kanal) zur Verfügung stellt, bieten also schon reichlich Reserven.

Wo kommen jetzt die 13,7 LW zum Tragen?

Darin, welche Tonwerte des Motives in der Bilddatei auf reines Weiß und welche auf reines Schwarz abgebildet werden.

Denn wenn ich sage, der höchste Wert sei der hellste und 0 das dunkelste, werde ich doch bei der Wiedergabe immer den gleichen Kontrastumfang haben ...

Ja.

... und doch auch in der Datei.

Nein.

Der Kontrastumfang des Motives, der Kontrastumfang der Bilddatei und der Kontrastumfang des fertigen Bildes sind drei verschiedene Dinge. Bitte bringe die nicht durcheinander.

 

[Kpathsea]

AW: Re: Dynamikumfang und JPEG

Dann würden (mindestens) 16,3 LW davon entweder rein schwarz oder rein weiß oder teils schwarz, teils weiß wiedergegeben – je nachdem, ob auf die Lichter, die Schatten oder die Mitteltöne belichtet wurde.

Die Kamera nimmt ja die 30 LW auf. So meinte ich das. Es ging ja darum, dass die neue Kamera mehr aufnehmen kann.

Der Kontrastumfang des Motives, der Kontrastumfang der Bilddatei und der Kontrastumfang des fertigen Bildes sind drei verschiedene Dinge. Bitte bringe die nicht durcheinander.

Die Sache, die mich beschäftigt, ist eben inwiefern ein Dateiformat überhaupt einen Kontrastumfang haben kann. Ich bilde die hellste Stelle des Motivs auf den höchsten Wert des Dateiformat ab und das wiederum bewirkt die hellste Stelle, die das Wiedergabemedium zulässt. Beim Schwarz entsprechend.
Beim Motiv und bei der Wiedergabe kann man ja den Unterschied messen. Das ergibt dann den LW. Und wie kommt dieser Wert dann im Dateiformat an, wenn sich die Bittiefe nur Auflösung der Werte zwischen diesen Extrema.

Wenn ich ein Schachbrett fotografiere, kann ich das mit einem Bit abbilden oder mit mehr. Der Kontrastumfang ändert sich dadurch aber nicht. Oder wie schaut das aus?

 

[Gast_379182]

AW: Re: Dynamikumfang und JPEG

Wenn ich ein Schachbrett fotografiere, kann ich das mit einem Bit abbilden oder mit mehr. Der Kontrastumfang ändert sich dadurch aber nicht. Oder wie schaut das aus?

Wenn man sein eigenes Bildformat definiert, kann man das durchaus so machen.

Aber im Falle von jpg bewegt man sich in einem gewissen Korsett, das einerseits durch den gewählten Farbraum definiert ist, und andererseits durch die Gammakorrektur, mit der die Zahlenwerte in der Bilddatei einer bestimmten Helligkeit in der physikalischen Realität zugeordnet werden.

Die 255 Helligkeitsstufen gelten übrigens nur für Reinfarben. Einen Gelbton, der durch RGB (90, 90, 60) dargestellt wird, kann ich nicht mehr in 255 Helligkeitsstufen darstellen. Deshalb ist jpg schon recht knapp ausgelegt.

 

[burkhard2]

AW: Re: Dynamikumfang und JPEG

Aber im Falle von jpg bewegt man sich in einem gewissen Korsett, das einerseits durch den gewählten Farbraum definiert ist, und andererseits durch die Gammakorrektur, mit der die Zahlenwerte in der Bilddatei einer bestimmten Helligkeit in der physikalischen Realität zugeordnet werden.

Die Gammakurve ist Bestandteil des Farbprofils und kann deshalb – wie das Farbprofil auch – im Prinzip frei gewählt werden. Das einzige, was durch das JPEG-Format vorgegeben ist, ist die Anzahl der Graustufen (256 bzw. 4096 bei 8 bit bzw. 12 bit JPEG), jeweils etwas weniger bei Farben (wegen der YCrCb-Transformation). Welcher JPEG-Wert welchem gewünschten Ausgabe-Tonwert entspricht, kann man also frei entscheiden – auch, wo große und kleine Stufen liegen. Allerdings hat die CIPA bisher meines Wissens nach nur sRGB und Adobe RGB als JPEG-Farbräume genormt.

Die JPEG-Werte haben auch nichts mit den Ausgabewerten auf dem Monitor zu tun, das Farbmanagement des Computers liest den gewünschten Tonwert aus dem Farbprofil des Bildes und sucht den passenden Wert für den Monitor. (Ohne Farbmanagement kann man sich die ganze Diskussion eh sparen.)

Davon mal abgesehen werden bei der JPEG-Erstellung normalerweise die Tonwerte in der Natur nicht 1:1 übernommen – am oberen und unteren Ende der Skala wird der Kontrast normalerweise reduziert, um Ausbrennen von Lichtern und Absaufen von Schatten zu verhindern, in der Mitte ggf. sogar etwas erhöht. Durch die Kontrasteinstellung der Kamera oder Gradationskurven kann man das ziemlich frei beeinflussen. Die Tonwertabstufungen des JPEG haben also nur indirekt mit den Tonwerten in der Natur zu tun.

L.G.

Burkhard.

 

[Kpathsea]

Danke. Entspricht ungefähr dem was ich dachte.
Dann ist doch eigentlich der Farbraum das, was den in der Datei möglichen Farbumfang beschränkt, also die Extrema. Die möglichen Abstufungen hängen von der Bittiefe ab. Wie aber das dann dargestellt wird, ist wieder eine andere Sache. Die Extrema können auf verschiedenen Ausgabemedien unterschiedlich weit voneinander entfernt sein. Ist das korrekt zusammengefasst?

Wie aber kommen jetzt die 13,7 LW wieder ins Spiel?

 

[burkhard2]

Dann ist doch eigentlich der Farbraum das, was den in der Datei möglichen Farbumfang beschränkt, also die Extrema.

Bezogen auf Farbe: ja. Was den Dynamikumfang betrifft, kommt es auf den Farbraum und die Bittiefe an. Wenn bei 8 bit die untersten beiden Stufen 0 und 1 sind (von 255), hat 16 bit dazwischen noch 255 weitere Abstufungen. Damit ist auch der dunkelste von Schwarz verschiedene Tonwert viel näher an 0.

Wie aber kommen jetzt die 13,7 LW wieder ins Spiel?

Es sind 13,5 LW – der Wert ergibt sich bei 8 bit Farbtiefe und sRGB-Farbraum (bzw. dessen Tonwertkurve) und passender Dynamik-Definition (RMS-Quantisierungsrauschen) – der dunkelste von Schwarz verschiedene Tonwert ist 11,7 LW dunkler als Weiß (255).

L.G.

Burkhard.

 

[Waartfarken]

Dann hab' ich dich wohl missverstanden: ich hatte deine Antwort so gelesen, dass du auf anderem Weg auf den Wert gekommen bist.

Ehrlich gesagt hatte ich Dich ursprünglich anders verstanden, weil mir die "12,92" fehlte. Dann habe ich nachgerechnet, kam auf denselben Wert und habe gemerkt, dass Du die "12,92" offenbar auch in der Rechnung hattest. Da das Editieren per Smartphone manchmal sehr mühselig ist und das Wlan entweder instabil ist oder gar nicht existiert (bin per Camper in Nova Scotia), habe ich nur ein Minimum als "Edit" dazugeschrieben.

 

[Waartfarken]

AW: Re: Dynamikumfang und JPEG

Wenn ich ein Schachbrett fotografiere, kann ich das mit einem Bit abbilden oder mit mehr. Der Kontrastumfang ändert sich dadurch aber nicht. Oder wie schaut das aus?

Ich glaube, das entscheidende Missverständnis ist, dass Dynamik ein "maximaler Kontrastumfang" ist. Nein, sie wird nach unten nicht durch "Schwarz" begrenzt, sondern durch das "dunkelste Dunkelgrau", das noch gerade mit akzeptablem Rauschen erfasst werden kann. Eine Kamera erfasst auch noch dunkleres Grau, aber das mit so viel Rauschen, dass man es im fertigen Bild dann sowieso im schwarz verschwinden lässt. Und in vielen Fällen auch Grauwerte deutlich über der Untergrenze der Dynamik.

 

[Kpathsea]

AW: Re: Dynamikumfang und JPEG

Ich glaube, das entscheidende Missverständnis ist, dass Dynamik ein "maximaler Kontrastumfang" ist. Nein, sie wird nach unten nicht durch "Schwarz" begrenzt, sondern durch das "dunkelste Dunkelgrau", das noch gerade mit akzeptablem Rauschen erfasst werden kann. Eine Kamera erfasst auch noch dunkleres Grau, aber das mit so viel Rauschen, dass man es im fertigen Bild dann sowieso im schwarz verschwinden lässt. Und in vielen Fällen auch Grauwerte deutlich über der Untergrenze der Dynamik.

Eben genau. Im fertigen Bild ist es dann doch schwarz. Im JPEG wäre das doch 0,0,0 mit 8 Bit oder 16 Bit im AdobeRGB oder im sRGB. Und die hellste Stelle, die die Kamera aufnimmt, wird zu weiß. Die Frage ist doch aber, was bedeutet dann die Bittiefe für das weiß. Weil wir dann nämlich wieder zu den LW zurückkommen. Ist also bei 16 Bit das weiß heller als bei 8 Bit?

 

[burkhard2]

AW: Re: Dynamikumfang und JPEG

Ist also bei 16 Bit das weiß heller als bei 8 Bit?

Das Weiß ist in beiden Fällen dasselbe. Zwischen zwei benachbarten 8-bit-Tonwerten liegen bei 16 bit noch 256 Abstufungen. Der 8-bit-Grauwert (1,1,1) entspricht bei 16 bit dem Wert (257, 257, 257). Man kann also unterhalb des dunkelsten 8-bit-Grauwertes noch jede Menge Tonwertstufen darstellen.

L.G.

Burkhard.

 

[Schrottowitsch]

AW: Re: Dynamikumfang und JPEG

Zwischen zwei benachbarten 8-bit-Tonwerten liegen bei 16 bit noch 256 Abstufungen.

Aber nur mathematisch, rein auf Zahlen bezogen. Welche Farbe letztendlich auf dem Ausgabegerät landet, wird u.a. auch noch von Gradationskurven bestimmt. Da kann man noch beliebig stauchen und strecken, wie es für das Medium notwendig ist. Das gehört u.a. zum täglichen Handwerk in PrePrint Studios.

Bei reinen JPG Dateien im Zusammenhang mit der Ausgabe von "Dynamik" zu sprechen, hat aus meiner Sicht keinen Sinn. Die Ausgabedynamik ist abhängig von der verwendeten Hardware. Bei der Eingabe (= Fotografieren) ist die Fähigkeit des Sensors entscheident, inwiefern der Helligkeitsunterschiede noch in Zahlen umsetzen kann.

 

[Waartfarken]

Vielleicht wird es noch klarer, wenn man im Zusammenhang mit Dynamik nicht von "hell u d dunkel" oder "schwarz und weiß" spricht, sondern von viel und wenig Licht(menge). Wie hell oder dunkel das Bild dann wird, ist eine Frage der Bearbeitung (und ISO).