Tonwert

Der Begriff Tonwert bezieht sich auf die unterschiedlichen Stufen zwischen Hell und Dunkel eines Farb- oder Schwarzweiß-Bildes, sei es in einem digitalen Datensatz, auf einem transparenten Träger (Film) oder auf einem Aufsichtsbild, fotografisch oder gedruckt. Er beschreibt bei einem Bildelement (Punkt) einen Farb- oder Grauwert innerhalb eines vorgegebenen Farb- bzw. Graustufenspektrums, angegeben in 0 - 100 %. Dabei bedeutet 100 % maximale Dunkelheit bzw. Farbbedeckung (Vollton) des Abbildungsmediums. Entsprechend steht 0 % für komplette Transparenz des Films bzw. Blankopapier bei Rasterdrucken. Der Tonwert wird aus Messungen der optischen Dichte bzw. des Reflexionsgrades (früher: Remission) bestimmt und nach der Murray-Davies-Formel aus diesen Messwerten berechnet. Er wird nach dem Prozess Standard Offset mit dem Symbol $A$ gekennzeichnet.

Tonwert auf Kopierfilm

Rechts Halbtonbild, links stark vergrößertes Raster

Der Tonwert ist hier eine Bezeichnung für den Grauwert bei Halbtonvorlagen. Alle Tonwerte zwischen Lichtern (hellen Bildpartien) und Tiefen (dunklen Bildpartien) entsprechen verschiedenen Schwärzungsgraden. Der Tonwert ist ein relatives Maß, das Werte zwischen voller Transparenz eines verwendeten Filmmaterials (0 %) und voller Schwärzung unter den gewählten Arbeitsbedingungen (100 %) kennt. Wichtig in diesem Zusammenhang ist auch die optische Dichte, ein wahrnehmungsgerechtes Maß für die Intensität einer Schwärzung. Bei einem Positivfilm wird der scheinbare Anteil der bedeckten Fläche in Prozent angegeben. Bei einem Negativfilm dagegen wird angegeben, wie viel Prozent zu 100 % Tonwert fehlen.

Tonwert in der digitalen Bildtechnik

Foto und dessen Helligkeitswert-Verteilung im Programm GIMP

Der Tonwertbereich eines RGB-Farbkanals digitaler Bilddateien umfasst einen Bereich, der durch die Bittiefe vorgegeben ist. Bei 8 Bit ergeben sich 2⁸=256 diskrete Werte für jede Farbe. Der niedrigste Wert entspricht dabei Farbe nicht vorhanden, der höchste Farbe maximal vorhanden. Aus der Kombination in der Additiven Farbmischung der drei Farbkanäle ergibt sich die endgültige Farbe. So entspricht RGB = (0,0,0) Schwarz und RGB = (255,255,255) Weiß.

Für einige Anwendungsbereiche genügt die Abstufung in 256 Farbwerte nicht mehr. Digitalscanner bieten einen Tonwertbereich von 16 Bit (entsprechend 2¹⁶=65536 Abstufungen) und mehr je Farbkanal. Hochwertige DSLR-Kameras des Jahres 2009 haben einen theoretischen Tonwertumfang von 14 Bit, effektiv ist der Bereich noch kleiner. Er wird u. a. durch die Vorgänge im AD-Wandler begrenzt. Auch für HDR-Bilder kann ein höherer Tonwertumfang nützlich sein. Während JPEG-Bilder meist auf 8 Bit pro Farbkanal begrenzt sind, können 16-Bit-Daten z. B. im TIFF-Dateiformat gespeichert werden.

Tonwertkorrektur

Tonwertkorrektur durch Änderung der Helligkeit, des Kontrasts und/oder Gamma-Werts

Eine Tonwertkorrektur ist in diesem Zusammenhang eine mathematische Funktion f(x), die die Helligkeitsverteilung einzelner Farbkanäle bzw. des Gesamtbildes verändert, zum Beispiel:

• Eine lineare Funktion („Gerade“) f(x) = x lässt die Tonwerte unverändert.
• Eine Korrekturfunktion, die gegenüber der Geraden eine leichte S-Form aufweist, verstärkt den Bildkontrast. Spiegelt man die Kurve an der Diagonale f(x) = x, wird der Kontrast in demselben Maße abgeschwächt.
• Eine lineare Korrekturfunktion („Gerade“) f(x) = 1 - x „invertiert“ die Helligkeitswerte hin zu einem Negativbild.
• Eine einfache Potenzfunktion f(x) = x$^{\gamma }$ (sogenannte Gammakorrektur) verändert Hell- und Dunkelwerte nicht-linear.
• Die Tonwertkorrektur kann schließlich auch unstetig über eine Tabelle (Lookup-Tabelle) erfolgen.

Tonwertkorrekturen.
Oben: Originalbild
Mitte: Tonwertspreizung
Unten: Tonwertausgleich

Nicht korrekt belichtete Bilder nutzen den zur Verfügung stehenden Grauwertbereich nicht aus. Die dunkelsten Bildbereiche sind nicht schwarz, sondern grau, oder die hellsten nicht weiß.

Eine Tonwertspreizung (engl. histogram normalization) verschiebt den dunkelsten Punkt auf den Schwarzpunkt und den hellsten auf den Weißpunkt. Die Werte dazwischen werden linear interpoliert.

Ein Tonwertausgleich (engl. histogram equalisation) transformiert ebenfalls die Extremwerte auf schwarz und weiß. Die Werte dazwischen werden aber so umgerechnet, dass die Tonwerte gleichmäßig auf die Grauwerte verteilt sind. Die Summenfunktion über die Grauwerte steigt linear an.

Tonwert in der Drucktechnik

Der Tonwert $A$ ist ein Maß dafür, wie gedeckt eine Farbfläche einem Normalbeobachter erscheint. Dabei gibt es die Vorstellung, dass eine Farbfläche aus einem Anteil voll gedeckter Farbe (Vollton) und farbfreien Stellen besteht und das Auge diese unterschiedlichen Anteile nicht auflösen kann. In der Wirkung auf das Auge (und auf optische Messgeräte) gibt es dazu noch ein physikalisches Phänomen, den Lichtfang. Beide zusammen bilden den Tonwert. Er ist ein optisches und kein geometrisches Maß. Daher wurde er früher auch „optisch wirksame Flächendeckung“, $F_{\text{D}}$ genannt. Er wird nach der Murray-Davies-Formel berechnet und kann mit Hilfe von Densitometern gemessen werden. In manchen Messgeräten wird er noch immer fälschlicherweise als „Flächendeckung“ bezeichnet.

Diagramm Tonwert, Flächendeckungen und optische Dichten im Druck

Der Tonwert gilt, streng genommen, immer für eine Farbe, Schwarz, Cyan, Magenta oder Yellow. Eine unbedruckte Fläche hat den Tonwert 0 %, eine Volltonfläche 100 %. Werden die Tonwerte aller Farben einer Bildstelle zusammengerechnet, so erhält man die Tonwertsumme. Die Tonwertsumme ist auch bekannt unter der Bezeichnung Gesamtfarbauftrag. So kann es sein, dass eine Druckfläche mit z. B. 300 % Gesamtfarbauftrag charakterisiert wird. In der Druckersprache wird ein 25 %iger Tonwert mit Viertelton bezeichnet. Demzufolge heißt ein 50 %iger Tonwert Halbton oder halber Ton und ein 75 %iger Tonwert Dreiviertelton. In der fotografischen Technik bezeichnet man dagegen alle nicht gerasterten, homogen eingefärbten Farbfelder als Halbton. Deshalb wird ein Rasterton als Halbton-Simulation bezeichnet.

Die Tonwertzunahme ist ebenfalls ein Begriff aus der Drucktechnik. Sie bezeichnet den Effekt, dass Rasterpunkte auf dem bedruckten Bogen verfahrensbedingt größer sind als auf der Druckvorlage, das Druckbild also dunkler ist. Die Tonwertzunahme wird wie der Tonwert in Prozenten angegeben. Eine Rasterfläche, die mit einer Flächendeckung von 80 % angelegt ist, erzeugt im Druck eine Deckung von z. B. 85 %. Hinzu kommt der Lichtfang, beispielsweise ebenfalls mit einem Beitrag von 5 %. Die Tonwertzunahme würde in diesem Fall 10 % betragen.

Tonwerte messen und berechnen

in einem Film

Bei Schwarz-Weiß-Filmen misst man mit einem Durchsicht-Densitometer die optischen Dichten. Man kalibriert das Gerät an einer transparenten und einer flächig geschwärzten Stelle und misst danach die Raster- bzw. Bildpartien, die man beurteilen möchte.

auf einem Druck

Densitometer zur Ermittlung der optischen Dichte von Aufsichtsvorlagen

Spektraldensitometer für die Einzelmessung densitometrischer und farbmetrischer Größen.

Mit einem [Spektralfotometer] misst man die Reflexionsfaktoren $R_{\text{B}}$ einer unbedruckten Fläche des Bedruckstoffs (Blanko), $R_{\text{V}}$ einer vollflächig bedruckten (Vollton) und $R_{\text{R}}$ der beabsichtigten Messstellen (Raster) in einem Bild oder Druck.

$R_{\text{R}}={\frac {I_{\text{R}}}{I_{\text{0}}}}$ mit $I_{\text{R}}$ als Lichtstrom über der Rasterfläche und mit $I_{\text{0}}$ als Lichtstrom über Weißstandard und

$R_{\text{V}}={\frac {I_{\text{V}}}{I_{\text{0}}}}$ mit $I_{\text{V}}$ als Lichtstrom über dem Vollton.

Daraus kann man die Reflexionsgrade $\beta _{\text{R}}$ für die Rasterfläche und $\beta _{\text{V}}$ für den Vollton berechnen. Den Reflexionsgrad beziehen wir auf das Blankopapier und vergleichen damit nur noch die Messungen über Raster und Vollton:

$\beta _{\text{R}}={\frac {R_{\text{R}}}{R_{\text{B}}}}={\frac {I_{\text{R}}}{I_{\text{B}}}}$ und $\beta _{\text{V}}={\frac {R_{\text{V}}}{R_{\text{B}}}}={\frac {I_{\text{V}}}{I_{\text{B}}}}$.

Die optische Dichte ist ein wahrnehmungsgerechtes, logarithmisches Maß:

$D_{\text{R}}=-\log \beta _{\text{R}}=\log {\frac {1}{\beta _{\text{R}}}}$ und  :$D_{\text{V}}=-\log \beta _{\text{V}}=\log {\frac {1}{\beta _{\text{V}}}}$ mit

$D_{\text{R}}$ = optische Dichte im Raster $D_{\text{V}}$ = optische Dichte im Vollton.

Aus diesen Werten berechnet man mit der [Murray-Davies-Formel] den Tonwert $A$, in % ausgedrückt:

$A\%={\frac {1-10^{-D_{\text{R}}}}{1-10^{-D{\text{V}}}}}\cdot 100$

Man kann die optischen Dichten auch mit einem Densitometer oder modernen Spektraldensitometer messen und sie direkt in die Murray-Davies-Formel einsetzen. Moderne Messgeräte geben alle gewünschten Messwerte schon fertig aus, auch den Tonwert.

Weblinks

• Tonwerte, Histogramm und Tonwertkurve

Siehe auch

• Aufsteilung

Literatur

• Helmut Kipphan (Hrsg.): Handbuch der Printmedien. Verlag Springer, November 2000. ISBN 3-540-66941-8