Beamer-Helligkeit richtig gemessen:
Der Color Light Output !

Vorbei sind die Zeiten der praxisfernen Werksangaben…

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In unserem großen Know How Special „Alles über die richtigen Farben, der „Melodie des Bildes““ haben wir bereits aufgezeigt, wie wichtig die Farbdarstellung für das Bild ist und welche Kriterien ein hochwertiger Projektor in Sachen Farbkalibrierung erfüllen muss, um eine akkurate Farbreproduktion zu gewährleisten.

In diesem großen Know-How Special wollen wir unsere Untersuchungen um einen weiteren bekannten Aspekt der Bilderzeugung erweitern: Helligkeit (& Kontrast). Allerdings tun wir dies nicht im herkömmlichen und oberflächlichen Sinne (sture Messung von Weiß & Schwarz), sondern setzen diese im direkten Zusammenhang zur Farberzeugung eines Projektors mit überraschenden Ergebnissen.

Abschließen werden wir das Special mit einem neuen Messverfahren zur Ermittlung der „echten“ Helligkeits- und Kontrastwerte zukünftiger Projektoren-Probanten, das ebenso einfach durchzuführen wie zu verstehen ist: Das „Color Light Output“ - Verfahren. Es wird von nun an in unseren kommenden Tests stets Verwendung finden.

 


1. Die Werksangaben der Hersteller: Brutto vs. Netto

Jeder Heimkinofan wird während seiner Suche nach dem besten Projektor zwangsläufig mit den technischen Daten der verschiedenen Modelle konfrontiert. Diese enthalten in der Regel allerdings nur wenig relevante Angaben zur eigentlichen Bildcharakteristik, sondern werden auf Auflösung, Helligkeit und Kontrast reduziert. Dementsprechend fokussiert sind die Hersteller daher auch, gezielt diese selektierten Leistungsdaten für ihr Marketing und die Produktwerbung auszunutzen. Und dementsprechend inflationär werden die Werte in den Werksangaben auch „aufgeblasen“.

Regelmäßige Leser von Cine4Home wissen seit Jahren, dass man diesen Angaben nur bedingt trauen darf, da sie lediglich die theoretisch erreichbaren Maximalwerte darstellen und wesentliche Grundlagen der hochwertigen Bildreproduktion außer Acht lassen. Diese fassen wir an dieser Stelle zusammen:

 

1.1 Lampenmodus

Grundsätzlich beziehen sich die Herstellerangaben auf den „hohen“ Lampenmodus unter Ausnutzung der vollen Lampenleistung. Dieser wird aber von den meisten Heimkinofans gar nicht genutzt, weil er mit einer deutlich erhöhten Lüfterlautstärke einhergeht (selbstverständlich beziehen sich die Herstellerangeben bzgl. der Lautstärke wiederum auf den Eco-Modus ganz nach dem Motto: Wir geben immer nur das „Günstigere“ an). Für den Eco Modus muss man in der Regel 20% bis 25% von der in den Herstellerdaten angegebenen Lumen-Leistung abziehen. Der Kontrast bleibt hingegen von dem Lampenmodus unbeeinflusst.

 

1.2 Farbtemperatur

Die Farbtemperatur umschreibt einen ersten Zusammenhang zwischen Helligkeit, Kontrast und Farbgenauigkeit. Sie wird ermittelt durch das Messen von neutralen Graustufen:



Neutrale Grautreppe


Die Untersuchung von „farblosen“ Graustufen als Grundlage zur Farbkalibrierung klingt zunächst widersprüchlich, doch ergibt Sinn, wenn man sich mit der Technik dahinter befasst:



Rot, Grün und Blau ergeben überlagert Weiß


Die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau ergeben, wenn sie zu gleichen Teilen überlagert werden, die Farbe Weiß. Doch es gibt Unterschiede. Tatsächlich ist unser menschliches Auge in der Lage, unzählig viele Nuancen von Weiß zu unterscheiden. Zur korrekten Weißanalyse (Farbtemperatur) gibt es die Einheit "Kelvin", benannt nach dem Britischen Physiker W.T. Kelvin. Normales Tageslicht hat eine Farbtemperatur von ca. 5000 Kelvin (kurz D50), Mittagssonne ca. 6500 K (D65).



Verschiedene Weißtöne


Um eine einheitliche Farbwiedergabe zu gewährleisten, wurde für die Videodarstellung die Farbtemperatur 6500K (wie Mittagslicht) ausgewählt. Idealerweise erzeugt ein Projektor also ein Weiß, bei dem die Rot-, Grün- und Blauanteile so abgestimmt sind, dass ein Weiß mit 6500K (D65) entsteht.

Natürlich kann man diesen Weißabgleich auch verändern (je nach persönlichem Geschmack), aber dies verfälscht die Farben insgesamt, denn: DVD, TV und Blu-ray Videotransfers werden auf 6500°K abgestimmt. Und was beim Encoden zu Grunde gelegt wird, muss folglich auch beim Decoden / Darstellen beachtet werden.
Die Farbtemperaturanpassung erfolgt übrigens nicht nur für das maximale Weiß, auch sämtliche Grautöne, die nichts anderes sind als Weiß mit reduzierter Helligkeit (Helligkeitsabstufungen), sind idealer weise auf 6500°K abgestimmt. Das Ergebnis ist eine perfekt homogene Grauskala. Ist sie erreicht, stimmt die Farbwiedergabe in allen Helligkeitsbereichen.



Gleichmäßige Grauskala mit 6500K / D65 Farbtemperatur


Die Grauabstufungen werden in sogenannte "IRE" Level eingeteilt. Schwarz entspricht IRE 0, Weiß IRE 100. Grauskalen bestehen oft aus 10 verschiedenen Graubalken mit Helligkeitssprüngen von 10IRE (IRE 0,10,20....100).
Das Verhältnis von maximalem Weiß (ganz rechts) gegenüber Schwarz (ganz links) beschreibt den Kontrast. Hat ein Gerät einen Kontrast von z.B. 800:1, so ist die Helligkeit des maximalen Weißes 800x so groß, wie die des Schwarzes. Je größer der Kontrastumfang, desto mehr Grauabstufungen sind theoretisch möglich: Die Dynamik wird erhöht. Um also Farbdarstellung und Kontrast eines Projektors zu optimieren, sollten folgende Punkte erreicht werden:

a) Das maximale Weiß sollte dem Maximum entsprechen, das der Projektor farblich korrekt darstellen kann.

b) Schwarz sollte möglichst dunkel sein. Je dunkler desto besser die Durchzeichnung in kontrastarmen Szenen.

c) Der Projektor muss in allen Helligkeitsbereichen die Rot-, Grün- und Blaufarbanteile so mischen, dass die Farbtemperatur 6500°K entspricht (perfekte Grauskala).

 

1.2.1 Maximales Weiß unter Videonorm
Das Maximale Weiß entspricht dem Weiß, das der Projektor bei maximaler Helligkeit noch so darstellen kann, dass die Farbtemperatur 6500°K entspricht, die Rot-, Grün- und Blauanteile also noch richtig abgestimmt sind.

Dieser maximale Weißwert wird durch die "Limitierende Farbe" festgelegt. Was bedeutet "limitierende Farbe"? Der Projektor teilt mit Hilfe von Prismen oder Farbrad das weiße Licht der Glühlampe in seine Grundfarben auf. Bedingt durch die jeweilige Konstruktion sind die sich ergebenden Farbanteile aber nicht gleich stark. Im Idealfall entsprächen die Farbanteile denen von 6500°K, aber schon die Glühlampe weicht meistens mit ihrem ursprünglichen "weißen" Licht ab. UHP Birnen, die in den meisten Projektoren Verwendung finden, produzieren z.B. nicht 6500°K.

Durch diese "Ungenauigkeiten" im Licht ergeben sich also Farbüberschüsse, die vom Projektor bei der Bilddarstellung "herauskorrigiert" werden müssen. Umgekehrt gibt es zwangsläufig eine Farbe, die die Schwächste darstellt. Sie hat ihre maximale Leuchtkraft schon bereits erreicht, während andere Farben noch Potenzial haben (das aber wegen der Farbtemperatur ungenutzt bleibt).



Die limitierende Farbe (meistens Rot) bestimmt die maximale Helligkeit


Produziert ein Projektor z.B. weniger Rot als Grün und Blau (UHP Lampen typisch), so bestimmt Rot die maximal mögliche Helligkeit bei einem Weiß von 6500°K. Grün und Blau könnten zwar noch "höher gedreht" werden, würden aber die Farbtemperatur verändern. Ein Fehler der oft nicht bemerkt wird: Zu hoch eingestellter Kontrast zwingt den Projektor, die Grundfarben über die limitierende Farbe hinaus zu maximieren. Hier setzt die Problematik der Werks-Kontrastangaben ein:

 

1.2.2 Bruttoangaben der Hersteller
Um einen möglichst hohen Kontrastwert in den technischen Daten zu erhalten, beachten die Hersteller in den meisten Fällen nicht die richtige Farbkalibrierung, der Kontrast wird bewusst übertrieben, ungeachtet der richtigen Farbtemperatur und sonstiger Bildverfälschungen.

Betrachten wir ein Beispiel zur Veranschaulichung. Wie bereits erläutert, ist das Farbspektrum des Projektionslichtes nicht optimal: Eine oder zwei Farben sind dominant. Unser Beispielprojektor hat einen starken Rotmangel, d.h. es gibt wesentlich mehr Blau- und Grünanteile im Licht als Rotanteile.



Wenig Rot im Projektionslicht


Das resultierende Weiß ist zwar hell (Werksangabe), aber zeigt eine falsche Farbtemperatur. Es ist viel zu "kalt" für eine akkurate Videodarstellung. Durch die Kalibrierung werden die Grün und Blauanteile angepasst (heruntergeregelt):



Kalibrierte Farbverteilung


Es geht grüne und blaue Lichtleistung verloren. Das resultierende Weiß hat jetzt die notwendige Farbtemperatur von 6500 K, ist aber nicht mehr so hell. Doch zumindest bei angeblich filmoptimierten Projektormodellen muss genau dieser Weißlevel zur Kontrastmessung herangezogen werden.



Wie das Beispiel oben zeigt, führt die korrigierte Farbtemperatur zu massiven Unterschieden in dem Kontrastergebnis, kein Wunder, dass dieses "Detail" gerne unter den Tisch fällt.

 


1.3 Zwischenfazit

Berücksichtigt man die in den technischen Daten unerwähnten Einschränkungen zu Helligkeit und Kontrast, so erkennt man schnell, dass von den maximalen „Brutto“-Angaben der Hersteller „netto“ nur ein Teil übrig bleibt. Hauptaspekte sind dabei:

  • Lampenmodus (Eco oder Hoch)
  • Gemäß Videonorm kalibrierte Farbtemperatur von Weiß (6500K/D65)


Je nach Modell bewirken diese zwei gerade erläuterten Aspekte (Eco-Modus und korrekte Farbtemperatur) bereits einen Lichtverlust von 50% bis 60%! Doch damit noch nicht genug:

 


2. Lichtleistung & Kontrast: Nur so hoch, wie es die Farbhelligkeit erlaubt

Kontrast und Helligkeit eines „guten Bildes“ sind nicht nur von der Videonorm-konformen Farbtemperatur von 6500K (D65) abhängig, sondern auch von der Helligkeit der Grundfarben. Um dies zu verstehen, vergegenwärtigen wir uns zunächst, wie in herkömmlichen Tests die Helligkeit und der Kontrast ermittelt werden:

Die Lichtleistung wird mit Hilfe eines akkuraten Helligkeitsmessers, zB. eines Luxmeters, bestimmt, indem es die Beleuchtungsstärke bei einem bildfüllenden Weißbild maximaler Signalstärke (100% bzw. 100IRE) misst.



Die gemessene Lichtstärke wird anschließend mit der beleuchteten Leinwandfläche multipliziert und schon erhält man die Lichtleistung in der Einheit „Lumen“. Geht man als Tester gewissenhaft vor, kalibriert man den Projektor vorher auf die Farbtemperatur der Videonorm, um die Netto-Helligkeit bei richtiger Farbdarstellung zu ermitteln.


->
Sequentielle Darstellung von "Schwarz" (0 IRE) und "Weiß" (100 IRE)


Zur Ermittlung des Kontrast projiziert man anschließend ein komplettes Schwarzbild, misst dessen Helligkeit und bildet den Quotienten aus Weiß- und Schwarzpegel, schon erhält man die gängige Angabe in „XXXX : 1“ Form. Auch hier beachten gewissenhafte Tester eine richtige Kalibrierung der Farbtemperatur, um praxisbezogene Kontrastwerte zu ermitteln.

Soweit, so gut, doch inwiefern nehmen nun die Helligkeiten der drei Grundfarben Einfluss auf Kontrast und Helligkeit? Dies wird offensichtlich, wenn wir uns noch einmal mit der Erzeugung von Weiß beschäftigen:



Das hellstmögliche Weiß wird projiziert, indem jeweils das hellste Grün, Blau und Rot des Projektors überlagert, also gleichzeitig projiziert werden. Technisch sieht das bei einem 3Chip Projektor intern so aus:



Lichtweg: Beispiel eines 3Chip Beamers


Jedes der drei Panels liefert seine Farbe in maximaler Helligkeit, erst durch Prisma und Projektionsoptik werden die drei Einzelhelligkeiten als Weiß gebündelt und auf die Leinwand projiziert. Anhand dieses Aufbaus ist sehr leicht zu erkennen: Die Helligkeit von Weiß sind die addierten Helligkeiten aus den drei Grundfarben:

Lichtleistung Rot + Lichtleistung Grün + Lichtleistung Blau
=
Lichtleistung Weiß

 

Für eine korrekte Lumen-Messung hat man bei 3Chip Projektoren also zwei akkurate Möglichkeiten: Die direkte Messung von Weiß, oder die dreimalige Messung der jeweiligen Grundfarbhelligkeiten mit anschließender Addition. Wir überprüfen dies anhand eines Praxis-Beispiels:


Beispiel:
Wir messen die Helligkeit eines LCD-3Chip-Beamers. Die Herstellerangaben in den technischen Daten versprechen vollmundige 1500 Lumen. Diese werden auch im Dynamikmodus erreicht, allerdings nicht bei der von der Videonorm erforderlichen Farbtemperatur von 6500K (vgl. Kapitel 1). Wir kalibrieren den Projektor und es verbleibt ein Netto-Wert von 1000 Lumen, gemessen mittels eines Weißbildes.

Im nächsten Schritt messen wir nicht die Helligkeit von Weiß, sondern die der jeweiligen Grundfarben: 710 Lumen zeigt unser Messgerät bei Grün an, 80 Lumen bei Blau und 210 Lumen bei Rot. Addiert ergeben die Messungen genau den Wert von 1000 Lumen, den wir mit dem Weißbild schon gemessen haben.


Doch wenn bei beiden Messverfahren äquivalente Ergebnisse herauskommen, wieso sollte man sich dann die Umstände machen, die Farben getrennt zu vermessen? Die Antwort folgt im nächsten Abschnitt…

 

2.1 Die endlosen Varianten der Single Chip Projektoren

Wie der Name schon sagt, erzeugen Single-Chip Projektoren die Farben nicht durch drei getrennte Lichtkanäle mit jeweils eigenem Bildpanel, sondern lediglich ein einziges Panel „kümmert“ sich um alle drei Farben, zeitlich hintereinander, also sequentiell.

Die größte Gattung der 1Chip-Projektoren machen die typischen DLP-Projektoren aus, sie ermöglichen durch ihren technisch einfachen Aufbau eine hohe Langlebigkeit und ausgesprochen günstige Preise.



Lichtweg in der DLP-Projektion


Zentrales Element der Farberzeugung ist das Farbrad, das direkt am Anfang des Lichtweges von der UHP-Lampe durchleuchtet wird. Im „klassischen“ Fall besteht dieses Farbrad aus drei Segmenten von Farbfiltern, die jeweils eine der drei Grundfarben herausfiltern: Rot, Grün und Blau:



Einfaches RGB-Rad


Pro Umdrehung wird also jede Grundfarbe durchlaufen und der Farbkanal von dem DLP-Chip in dieser Zeit entsprechend moduliert. Durch die hohe Umdrehungsgeschwindigkeit (bis 7200U/min) erfolgt diese zeitlich versetzte Farbdarstellung so schnell, dass sie vom Auge nahezu unbemerkt bleibt. Lediglich empfindliche Augen beobachten den so genannten „Regenbogeneffekt“ an starken Kontrastübergängen:




Eine für DLP-Projektoren schwierige Testsequenz: Ein weißer Balken bewegt sich schnell vor einem dunklen Hintergrund: Empfindliche Augen nehmen hier Farbblitzer an den Rändern des Objektes wahr:


Im Laufe der Zeit haben die Hersteller die Farbfrequenz immer weiter gesteigert, vor allem durch eine verdoppelte Segmentzahl im Farbrad (RGBRGB). Die physikalischen Grenzen der Mechanik setzen aber ein natürliches Limit von ca. 300Hz:



Farbrad mit sechs Segmenten


Doch das Thema dieses Artikels sind nicht die Farbgeschwindigkeit und der Regenbogeneffekt von 1Chip-Projektoren, sondern die akkurate Helligkeitsmessung. Wie bei bereits oben erklärten 3Chip-Projektoren erzeugt auch ein 1Chip-Projektor mit RGB-Farbrad alle Graustufen und Weiß durch Addition der drei Grundfarben. Ergo sollte auch hier die Summe der Farbhelligkeiten gleich der Einzelhelligkeiten sein, oder doch nicht?

Nein, denn viele DLP-Projektoren beschränken sich nicht nur auf diese „ehrliche“ Bilderzeugung nach dem klassischen RGB Prinzip, sondern besitzen Zusatzfunktionen zur Lichtsteigerung, oft im Bildmenü als „Weißbetonung“ oder „Brilliant Color“ gekennzeichnet. Sie mobilisieren wie folgt zusätzliche Lichtreserven:

Ein technisch gravierender Nachteil der sequentiellen Farberzeugung mittels Farbrad sind die notwendigen „Auszeiten“ während des Transportes. Das Farbrad dreht sich am Anfang des Lichtweges vor einem kleinem Fenster, dem Lichteintritt des restlichen Lichtweges:



Das Lichtfenster am Anfang des Lichtweges:
Von hier aus geht es zur Lightengine…


Im obigen Diagram sehen wir das Farbrad in dem Moment, indem das rote Filtersegment das Fenster komplett abdeckt. Nur in diesem Moment hat der DLP-Chip Zeit, die Rotanteile des Bildes zu modulieren. Im nächsten Moment verändert sich Situation durch die Drehbewegung des Rades



Während das Farbrad zur nächsten Farbe Grün wechselt, gibt es eine Übergangsphase, in der beide Filterelemente gleichzeitig vor dem Lichteintrittsfenster positioniert sind (Skizze oben). In dieser Zeit ist es aber nicht möglich, eine Farbe individuell zu modulieren, daher muss der DLP-Chip während dieser Transportzeit komplett abgeschaltet (schwarz) sein. Vergleichbar ist dies mit dem Shutter eines analogen Filmprojektors: Auch er muss die Leinwand dunkel schalten, während der Zellulloid-Streifen von einem Einzelbild auf das nächste transportiert wird (24x / Sekunde).



Während der Farbwechsel ist der DMD Chip deaktiviert (schwarz)


Aktiviert man nun die „Weißbetonung“ oder „Brilliant Color“, so bewirkt dies, dass der DLP-Chip während des Transportes der Farbsegemente nicht mehr abgeschaltet wird, der „Shutter“ wird also deaktiviert.



Zur Erhöhung der Lichtausbeute bleibt der DMD Chip durchgehend aktiv


Es ist leicht einzusehen, dass eine akkurate Farbmodulation während dieser Wechselphasen kaum möglich ist. Zwar verbessern die Hersteller von Generation zu Generation die Farb-Algorithmen der Signalelektronik, doch letztendlich läuft es stets darauf hinaus, dass nur farblose Elemente an Helligkeit gewinnen. Die Übergangszeiten „verwischen“ zu den Sekundärfarben, die sich pro Farbradumdrehung zu Weiß addieren:


Rot / Grün = Gelb, Grün / Blau = Zyan, Blau / Rot = Magenta

Magenta + Gelb + Zyan = Weiß

 

So gelingt es, einen höheren Weißpegel auf Kosten der Farbdarstellung zu erzielen, was aber unter Heimkinoaspekten keinen Nutzen bringt sondern gegenteilig die Qualität beeinträchtig (siehe nächstes Kapitel).

Vergleicht man bei aktivierter Weißbetonung die Helligkeit des maximalen Weißpegels mit den Helligkeiten der Grundfarben, wird diese Diskrepanz deutlich: Sie addieren sich nun nicht mehr zum selben Ergebnis, wie bei einem 3Chip-Projektor, sondern liegen weit darunter.

Noch gravierender wird der Unterschied, wenn ein Projektor ein auf Helligkeit getrimmtes Farbrad aufweist, meist mit Gelb- und Weißsegmenten neben den Grundfarben:



Klares Glassegment zur Lichtsteigerung


Die zusätzlichen Filterelemente haben ausschließlich die Aufgabe, die Lichtleistung zu erhöhen. Das geht soweit, dass während des farblosen Glaselementes das weiße Licht der Projektionslampe nahezu ungefiltert auf die Leinwand gerät und es so insgesamt aufhellt. Es ist aber leicht einzusehen, dass unter dieser Methode die Farbgenauigkeit und Brillanz leiden, weil das weiße Licht die reinen Farben „auswäscht“.



Das Weiß wird durch eine „Graukanal“ weiter aufgehellt,
die Farben werden aber nicht leuchtender


Dazu wieder ein Praxisbeispiel anhand eines gängigen 1Chip DLP Projektors:


Beispiel:
Wir messen einen 1Chip Beamer: In den Werksangaben verspricht der Hersteller eine beeindruckende Lichtleistung von 2000 Lumen, ein Wert, von dem die meisten heimkinooptimierten Geräte höherer Preisklassen weit entfernt sind.

Wie üblich bezieht sich diese Lichtangabe nicht auf die von der Videonorm vorausgesetzte Farbtemperatur von 6500K. Eine Kalibrierung bewirkt bereits einen Lichtevrlust von 25%, wir erhalten 1500 Lumen als Zwischenergebnis.

Nun messen wir zusätzlich die Helligkeit der Grundfarben und addieren die Werte: 220Lumen (rot) + 710Lumen (Grün) + 70Lumen (Blau) = 1000Lumen. Merkwürdigerweise ist dieser Wert nicht deckungsgleich mit der Lumen-Messung per Weißbild und beträgt nur die Hälfte der Werksangabe.

 

Die Erklärung für diese Diskrepanz ist einfach: Die Helligkeitsermittlung per Grundfarben lässt die „erschummelte“ Helligkeit per Weißsegment außer Acht und bildet lediglich die Nettowerte ab, die wirklich für die Erzeugung eines Farbbildes relevant sind. Und hier zeigt sich schließlich der Nutzen des alternativen Messverfahrens, vorbei sind die Zeiten der praxisfernen Helligkeitsangaben!

 


2.2 Auswirkungen auf das Bild

Soweit die Theorie zum Zusammenhang zwischen Farbhelligkeiten und maximalem Weißpegel, doch was bedeuten diese möglichen Differenzen nun in der Praxis für die Bildqualität? Dazu betrachten wir unser klassisches Beispielbild:



Das Bild zeigt eine typische Außenaufnahme, bestehend aus zahlreichen Naturtönen (Himmel, Pflanzen), sonstigen Farben (Gebäude) und farblosen Elementen (Wolken). Ist der Projektor richtig der Videonormen kalibriert, so wird er dieses Motiv naturgetreu reproduzieren.

Erkauft sich ein Projektor aber durch „Tricks“ (Weißsegmente im Farbrad, Weißbetonung oder ähnliches) Helligkeit, so wird nicht das gesamte Bild durch die erhöhte Lichtleistung strahlender, sondern lediglich die weißen Partien:



Wie man dem Beispielbild entnehmen kann, gewinnen die farbigen Partien gar nicht an Helligkeit und Strahlkraft, sondern lediglich die farblosen Wolken. Und damit nicht genug: Die gesamte Bildkomposition gerät aus den Fugen und verliert an Natürlichkeit und damit Glaubwürdigkeit. Von einer akkuraten Reproduktion des Originals kann nicht die Rede sein.

Mit anderen Worten: Obwohl der Projektor stellenweise die versprochene Werksangabe in der Lichtleistung erreichen kann, betrifft diese nicht farbige Bildinhalte, sondern ist allenfalls für Schwarzweißbilder oder filme von Bedeutung. Durch die Verfremdung der Bildkomposition ist sie unter Heimkino-Gesichtspunkten sogar kontraproduktiv und sollte daher unbedingt vermieden werden.

 


3. Das neue Messverfahren

Im vorherigen Kapitel haben wir hergeleitet, dass die separate Messung des maximalen Weißpegels und das anschließende in Bezugsetzen zu den Helligkeiten der drei Grundfarben für eine objektive Beurteilung der praxistauglichen Lichtleistung eines Beamers unerlässlich sind. Betrachten wir dazu noch einmal die herkömmliche Methode:

Bisher wird die Lichtleistung einfach mit einem einzigen Weißbild gemessen, meist in der Bildmitte:



Bekanntermaßen leuchten Projektoren das Bild aber nicht gleichmäßig aus, sondern zeigen meist zu den Bildrändern hin einen gewissen Helligkeitsabfall, der aber im normalen Filmbetrieb kaum auffällt. Um diesem unvermeidbaren „Hotspot“ Rechnung zu tragen, misst man die Helligkeit nicht nur an einer Stelle, sondern über die gesamte Bildfläche verteilt in 9 Abschnitten, wie es der „ANSI“-Standard verlangt, daher auch die Angabe „ANSI-Lumen“:



Die 9 Messungen werden gemittelt und anschließend auf die Fläche umgerechnet, so erhält man ein realistisches Ergebnis zur durchschnittlichen Lichtleistung des Projektors.

Bei dem neuen Messverfahren („Color Light Output“), kurz C.L.O. messen wir nicht mit einem Weißbild, sondern mit Bildfüllenden Rot-, Grün und Blauflächen und addieren anschließend die Werte:


-> ->


Um auch hier das Ausleuchtungseigenschaften des Projektors nach ANSI nicht außer Acht zu lassen, wird jede Grundfarbhelligkeit ebenfalls in 9 Messpunkten überprüft und gemittelt:


-> ->


Insgesamt werden demnach 27 Helligkeitsmessungen durchgeführt und anschließend zu der realistischen „Netto“-Helligkeit des Projektors hochgerechnet. Beachten wir zusätzlich noch den Aspekt der Farbkalibrierung, erhalten wir so schließlich die „ehrliche“ Lichtleistung, die ein Projektor bieten kann: Den „Color Light Output“ kurz „C.L.O“!

Ab sofort wird Cine4Home diese vorgestellte Methode für die Ermittlung von Helligkeit & Kontrast unter praxistauglichen Heimkinobedingungen anwenden und auch entsprechend dokumentieren.

 

3.1 Grafische Darstellung des Farbraumes

Da die Helligkeiten der Grundfarben sich nicht automatisch zum Weißpegel addieren, müssen wir sie nun separat (nach Color Light Output Verfahren) messen und abbilden, nur: Leider sind sie bei der herkömmlichen Abbildung des Farbraumes unsichtbar, denn sie verstecken sich in der z-Ebene, also der Höhe…



Herkömmliche Farbraumdarstellung
aus diversen Test-Publikationen


Obiges Diagramm zeigt das klassische Farbraumdiagramm, wie es in den meisten Projektoren-Tests zu finden ist. Es zeigt die Grundfarben der Videonorm in Farbton und Sättigung (Eckpunkte) und die möglichen Farbtöne, die sie aufspannen (Fläche Dreiecksinhalt).

Doch wie bereits erläutert, werden die wichtigen Helligkeitsinformationen der Farben hier nicht abgebildet, denn es handelt sich hierbei gleichsam um eine Aufsicht von oben, die die Höhe (z-Achse) außer Acht lässt. Kippt man das Diagramm und den Videonormfarbraum in den Raum, so sieht man, wieso der Farbraum seinen Namen „Raum“ auch verdient:




Der Farbraum ist in Wirklichkeit dreidimensional:
Das hellste Weiß bildet die Spitze


In der z-Achse (Höhe) haben wir die Helligkeit, die Farben werden von unten nach oben also immer heller und gipfeln im D65 Weißpunkt ganz oben (Pfeil).



Die Luminanz wird durch die Höhe bestimmt:
Je weiter oben, desto heller, unten ist „schwarz“


Die Höhe oder z-Achse umschreibt also die sagenumwobenen "Farbluminanzen". Deutlicher wird dies, wenn wir den Farbraum auf die drei Grundfarben Rot, Grün und Blau reduzieren:


Von oben sieht man nur die Eckpunkte, von der Seite sieht man,
dass es sich hierbei um "Säulen" handelt.


Hier erkennt man die unterschiedlichen Helligkeiten von z.B. Dunkelrot bis Hellrot, auch sieht man die unterschiedlichen Helligkeitspegel der Grundfarben, die für die Mischung des Weißpunktes (D65) notwendig sind: Die blaue Säule (7,2%) ist kürzer als die rote (21,3%), diese wiederum kürzer als die grüne Säule (71,5%). Im nächsten Schritt schalten wir die Sekundärfarben Gelb, Magenta und Zyan hinzu:



Die Sekundärfarben mischen sich aus je zwei Grundfarben (z.B. Gelb aus Rot und Grün), auch hier kann man ihre Helligkeit ablesen, die sich in der Höhe der Säulen äußert. Die gelbe ist die höchste, da sie sich aus Grün (71,5%) und Rot (21,3%) zusammensetzt = 92,8%:



Wir halten fest: Die Helligkeiten der Grundfarben, ihre „Luminanz“, kann man in der bisherigen zweidimensionalen Aufsicht auf den Farbraum (Farbdreieck) nicht erkennen. Sie sieht man erst, wenn man den Farbraum dreidimensional betrachtet.

Obige Diagramme zeigen den Farbraum unter Einhaltung der Videonormen, sind also Beispiele dafür, wie es sein soll. In der dreidimensionalen Darstellung des Farbraumes werden die Farbhelligkeiten in Bezug zu dem maximalen Weiß deutlich.

 

4. Erste Test-Beispiele

Um das neue Testverfahren anschaulich zu verdeutlichen geben wir abschließend zwei Beispiele:


4.1 Projektor A (3Chip Profibeamer)

Bei „Projektor A“ handelt es sich um einen lichtstarken Profibeamer, der mit 3Chip Technologie laut Hersteller eine maximale Lichtleistung von 2500Lumen erreicht.

Im ersten Schritt messen wir die maximale Lichtleistung mit Hilfe eines herkömmlichen Weißbildes.



Herkömmliche Messung mit Weißbild


Tatsächlich erreicht der Projektor so (im hohen Lampenmodus) eine Helligkeit von 2400 Lumen und bestätigt so die Werksangabe, nur: Die Farbtemperatur ist viel zu kühl und bewirkt ein grünlich bläulichen Farbstich. Nach der Kalibrierung auf die Videonorm messen wir erneut und es verbleiben 1600 Lumen, bereits deutlich von der Werksangabe entfernt.


-> ->


Nun messen wir den Color Light Output und erzielen für Grün 1140Lumen, für Rot 340Lumen und für Blau 115Lumen. Diese Einzelwerte addieren sich zu 1595 Lumen, was beweist, dass die gesamte Helligkeit des Projektors tatsächlich komplett „in den Farben steckt“.

Soweit so gut, nun gehen wir über zur Farbraumanalyse: Das klassische Farbdreieck zeigt, dass die Grundfarben in Sättigung und Farbton sehr gut auf die Videonorm abgestimmt sind:



Perfekt abgestimmter Farbraum
gemäß Videonorm


Den „Color Light Output“ können wir aber erst der dreidimensionalen Darstellung des Farbraumes entnehmen:



Diese zeigt, dass der Farbraum mit hellen Farben gleichmäßig aufgespannt ist und sich zum „Weißgipfel“ in der Mitte addiert. Dies bewirkt eine leuchtende Farbdarstellung.

 

4.2 Projektor B (1Chip Einstiegsgerät)

Als „Projektor B“ betrachten wir einen günstigen Präsentationsbeamer mit 1Chip DLP-Technologie und Weißsegment im Farbrad. Für einen sehr günstigen Preis verspricht der Hersteller auch hier 2500 Lumen Lichtleistung.



Herkömmliche Messung mit Weißbild


Wir wiederholen die erste Messung mit Hilfe eines Standard-Weißbildes und tatsächlich erreicht der Projektor in Weiß die versprochene Lichtleistung von 2500 Lumen, der Hersteller hat also nicht gelogen. Auch er hat aber nicht erwähnt, dass die Kalibrierung auf die Videonorm wertvolles Licht kostet, rund 1650 Lumen verbleiben bei richtiger Farbtemperatur. Doch dies ist eine leicht höhere Lichtausbeute als bei Projektor A, sollte dieses Modell etwa besser sein?


-> ->
Color Light Output Messung


Klarheit bringt erst die Messung des Color Light Output mittels der Grundfarben: 850Lumen für Grün, 250Lumen für Rot und 80Lumen für Blau addieren sich lediglich zu 1180 Lumen. Dies beweist, dass nicht die gesamte Helligkeit des Projektors in leuchtende Farben umgesetzt wird, sondern nur rund zwei Drittel.



Mit dem klassischen Farbdreieck lässt sich dieser Unterschied allerdings gar nicht abbilden, denn auch unser 1Chip Projektor zeigt perfekt abgestimmte Sättigung und Farbtöne der Primärfarben. Dass der tatsächliche Farbraum des Projektors kleiner ausfällt, sieht man erst in der dreidimensionalen Darstellung:



Hier erkennt man, dass der Weißpegel zwar sehr hoch liegt, die eigentlichen Farben im Verhältnis dazu aber sehr „dunkel“ sind.

 

4.3 Projektor A gegen Projektor B

Nun wollen wir die Ergebnisse direkt miteinander vergleichen: Mit gleicher maximalen Lichtleistung (2500Lumen), kalibrierten 1650Lumen und gut abgestimmten Grundfarben würde das Modell B (1Chip) nach herkömmlichen Tests als Gewinner dastehen:


Herkömmliche Messergebnisse:

 

Lumen max

Lumen Kalibriert

Projektor A

2400

1600

ProjektorB

2500

1650

Farben



Projektor A



Projektor B

 

Und schon wird dem Leser ein vollkommen falsches Ergebnis vermittelt, was zu einem Fehlkauf führen kann. Denn mit der Messung des Color Light Outputs werden die wahren Eigenschaften deutlicher:


Color Light Output

 

Lumen R

Lumen G

Lumen B

C.L.O

Projektor A

340

1140

115

1595

Projektor B

250

850

80

1180


Um diese Ergebnisse und ihre Bedeutung für die Bilddarstellung anschaulicher zu vergleichen, schauen wir uns den Farbraum genauer an. In der dreidimensionalen Ansicht wird die Helligkeit der Grundfarben deutlich:




Oben: Farbpegel von Projektor A
Unten: Farbpegel von Projektor B



An diesen Diagrammen kann man direkt erkennen, wie viel mehr Lichtausbeute Projektor A in den Grundfarben Rot, Grün und Blau erreicht. Dieser Unterschied macht sich folgerichtig im Volumen der Farbräume bemerkbar:


Oben: Farbraum von Projektor A
Unten: Farbraum von Projektor B


Hier sieht man, wie zwar vergleichbare Helligkeiten im Weißpunkt erreicht werden, diese aber bei dem 1Chip Projektor mit Weißsegment im Farbrad mit zunehmender Sättigung wesentlich steiler abfällt. Dies gilt für alle Primär- und Sekundärfarben:




Jeweils links: Farbpegel des 3Chip Projektors
Jeweils rechts: 1Chip Projektor mit Weißsegment


Den Unterschied kann man auch leicht grafisch mittels eines einfachen Testbildes auf der Leinwand projizieren: Der Weißpegel ist nahezu identisch hoch, die Helligkeit der Farben allerdings nicht:



Zur noch praxisnäheren Veranschaulichung führen wir noch eine Bildanalyse mittels unseres bereits im Kapitel 2 verwendeten Realbildes durch:



Unsere „Demoaufnahme“ zeigt ein klassisches Motiv mit Naturfarben (Bäume / Himmel) und starken Kontrasten ohne Farbe (Wolken). Alle vorkommenden Farbtöne des Bildes sind im folgenden Diagramm durch Punkte markiert:


Alle Farbtöne des Bildes im Farbraum


Man erkennt leicht, dass das Bild überwiegende helle Blau-, Orange- und Grüntöne ohne allzu hoher Sättigung beinhaltet. Vergleicht man nun die beiden Projektoren direkt miteinander, wird deutlich, wie unterschiedlich hell sie diese Farbtöne abbilden:



Links: Farb- und Weißpegel von Projektor A
Rechts: Projektor B


Obige Farbanalyse zeigt im Direktvergleich: Obwohl der Weißpegel (die Wolken) bei beiden Projektoren gleich hoch liegt, gelingt es Projektor A, die Farben des Bildes wesentlich heller darzustellen, als Projektor B. Im Ergebnis ist das Bild insgesamt wesentlich harmonischer und zugleich leuchtende:


Oben: Projektor A
Unten Projektor B


Lediglich in den hellen und farblosen Bildelementen sind beide Projektoren gleichwertig, in allen anderen „gewinnt“ der Projektor ohne Weißsegment oder Weißbetonung, weil er alle Farben des Bildes ausschließlich aus seinen Grundfarben mischt und nicht mit Reinweiß künstlich „nachhellt“.

 


5. Fazit

Dieses große Special zum Thema Helligkeit und Lichtleistung zeigt differenziert auf, dass die offiziellen Werksangaben (Lumen-Wert in den technischen Daten) wenig informativ sind und keine praxisnahen Rückschlüsse auf die tatsächliche Bildhelligkeit auf der heimischen Leinwand erlauben. Zwar ist es in den meisten Fällen möglich, die versprochene Helligkeit „irgendwie“ zu erreichen, doch machen die Hersteller in der Regel keine Angaben darüber, unter welchen Umständen. Außer Acht gelassen werden dabei vor allem:

  • Richtige Kalibrierung der Farbtemperatur gemäß Videonorm (6500K / D65)
  • Lichtausbeute der reinen Grundfarben


Ersterer Aspekt wird bei herkömmlichen Tests bereits seit längerer Zeit berücksichtigt, denn bei der üblichen Helligkeitsmessung mittels Weißbild lässt sich die zugehörige Farbtemperatur leicht ermitteln. Der Lichtverlust durch eine Kalibrierung liegt je nach Modell und Projektionstechnik zwischen 5% (sehr gut) und 60% (mangelhaft).

Der zweite Aspekt der Farbhelligkeit kommt hingegen in vielen Fällen nach wie vor zu kurz. Hier kann man nur durch separates Messen der Grundfarben ermitteln, wie viel Lichtausbeute ein Projektor tatsächlich in einem „Farbbild“ erreicht.


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Die drei Ergebnisse werden addiert und ergeben den so genannten „Color Light Output“. Dehnt man das Messverfahren noch über verschiedene Messpunkte aus, erhalten wir den Color Light Output nach ANSI:


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Die Messung aller neun Bildbereiche erfolgt für jede Farbe durch drei spezielle Testbilder in Folge:



Nur wenn sich die Grundfarben in ihrer Helligkeit zu der Helligkeit von Weiß genau addieren, kann ein Projektor tatsächlich seine Lumen-Leistung auch komplett in Bildhelligkeit umsetzen. Und nur wenn das Helligkeitsverhältnis der Grundfarben zueinander stimmt, ist die Bildkomposition originalgetreu.

Ab sofort werden wir daher in allen kommenden Tests neben den herkömmlichen Lumen-Angaben bei Weißbildern auch den Color Light Output messtechnisch ermitteln und tabellarisch auflisten. Zur weiteren Vertiefung des Themas werden wir auch ein Special mit Realergebnissen zu ausgewählten Testkandidaten verschiedener Gattungen durchführen und in den kommenden Wochen veröffentlichen.

 

29. Juni, 2011
Ekkehart Schmitt

 

 

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