Licht und Farben

Farbe - Farbeindruck

Mit den Begriffen Licht und Farbe ist im allgemeinen der physiologische Reiz gemeint, der ausgelöst wird, wenn Licht gebündelt durch die Linse und Fovea (äußere Schicht auf der Retina) auf die Zäpfchen und Stäbchen der Retina fällt und durch den Sehnerv im Gehirn zu einer Farbempfindung verarbeitet wird. Der Ablauf dieses Vorgangs ist individuell verschieden und entzieht sich weitgehend einer allgemein gültigen Beschreibung. Wie ein Mensch Farbe sieht, hängt ab von der Natur des Lichtes (-wellen), der Reflektion am Objekt und wie er die Lichtreize verarbeitet. Demonstration wie sich bei Retinitis pigmentosa das Sehvermögen verschlechtert.

Seit Jahrhunderten haben sich Menschen mit Farben beschäftigt und noch bevor es Buchdruck und Computer gab, wurden Farbmodelle entwickelt. Die Darstellungen einiger historischer Systeme in Europa - von Tobias Mayer (1758) über Goethe bis Johannes Itten (1961) - geben einen kleinen Überblick. Wer noch neugieriger ist, kann im Virtuellen Museum stöbern, das auch einen kulturübergreifenden Blick wagt.
 
Hier können Sie einen kleinen aufschlußreichen Farbsehtest machen (1Min.)!

Farbe - physikalisch

[Prisma] Seit Isaac Newton (1613-1727) weiß man, das weißes Sonnenlicht und künstliche Lichtquellen mit Hilfe eines Prismas in die Spektralfarben von violett über blau, grün bis rot zerlegt werden können.
Der Arzt Thomas Young (1773-1829) kehrte Newton's Versuch um, er erzeugte mit 6 Scheinwerfern (jeder in einer der 6 Spektralfarben), die er auf eine weiße Fläche projizierte, wieder die "Farbe" weiß. Er fand heraus, daß man mit nur 3 Grund-/ Primärfarben (RGB), die in etwa den 3 Farbrezeptoren des menschlichen Auges entsprechen, alle 6 Spektralfarben erzeugen kann.
In der Natur wird die Brechung des Lichtes (z.B. des Sonnenlichtes) in den einzelnen Wassertröpfchen durch den Regenbogen sichtbar.
In den Wolken brechen dieWolkentröpfchen das Licht. Bildgalerie zu irisierenden Wolken. Zu diesen Phänomenen gehört auch das das Brockengespenst.
 
In Seifenblasen wird das Licht ebenfalls gebrochen und durch Interferenz absorbiert.
 
Das Spektrum von rot bis violett ist der für das menschliche Auge sichtbare Farbenbereich.
[Regenbogen]
[sichtbares Licht]
 
740 nm <-------- Wellenlänge --------> 380 nm
Physikalisch exakt zu beschreiben als
elektromagnetische Wellen sind Licht und Farben seit James Maxwell und Heinrich Hertz (19. Jahrhundert).
Frequenz: 4 - 7.5 x 10^14 Hz
Energie: 1.65 - 3.1 eV
Dies ist nur ein kleiner Bereich des elektromagnetischen Wellenspektrums, das von den langwelligen Radiowellen bis zu den kurzwelligen Gammastrahlen reicht. mehr ... [elektromagnetisches Farbspektrum]

Farben erzeugen

Mit aktiven Lichtquellen
 
Dabei geht es um Projektion/Addition:
Rote R(ed), grüne G(reen) und blaue B(lue) Lichtwellen, projiziert auf eine Fläche in einem dunklen Raum, erzeugen Farben. In den Überschneidungsbereichen, in denen sich zwei Lichtquellen überlagern, entstehen die Sekundärfarben Cyan (türkis) oder Magenta (fuchsienrot) oder Yellow (gelb). Im Überschneidungsbereich aller 3 farbigen Lichtquellen addieren sie sich zu Weiß.
 
Nach diesem additiven Farbmodell arbeitet z.B. ein Monitor.
 
[RGB-colors]
Reflektion/Absorption
Lichtwellen, die auf ein Objekt treffen, kennt jeder aus der natürlichen Umwelt.
Warum ist Klatschmohn rot? Nur die reflektierten Lichtwellen bestimmen seine Farbe, alle anderen auftreffenden Lichtwellen des sichtbaren Farbspektrums werden absorbiert. - In einem Raum ohne Licht ist auch Klatschmohn schwarz.
 
Das ist das subtraktive Farbmodell, das z.B. für ein Drucker verwendet wird.
 
[CMYK_color]

Technische Farbmodelle/Farbsysteme

Im folgenden geht es um genaue Farbbeschreibungen mit der additiven und/oder subtraktiven Methode, die von technischem Gerät zu einem als möglichst natürlich empfundenen Farbeindruck verarbeitet werden sollen.
Um die maschinelle Verarbeitung von Farbangaben zu ermöglichen, wird jeder Farbton als Punkt in einem Koordinatensystem definiert.
Auf den Achsen X, Y und Z dieses Farbewürfels sind die Primärfarben Red, Green und Blue und die Sekundärfarben Cyan, Magenta und Yellow aufgetragen. Alle Grauwerte liegen auf der Linie B <--> W und beschrieben werden sie mit gleichen Anteilen für die Primärfarben RGB. (Gleichgültig ob hell- oder dunkelgrau, die Werte liegen immer gleich weit entfernt von den RGB-Punkten: X, Y und Z.)
 

[Wuerfel als Farbmodell]

Farbräume ...

sind alle in einem Farbmodell darstellbaren Farben. Probleme ergeben sich in der Praxis daraus, daß Farben für den Monitor (s.o.) mit einer anderen Technik errechnet und dargestellt werden als für einen Drucker. Das erklärt, warum sich der Farbausdruck einer Grafik und ihre Darstellung auf dem Monitor stark unterscheiden und wenig zufriedenstellend sein können. Hinzukommt, daß die von Herstellern für ihr Geräte festgelegten Farbräume nicht genormt sind.
Näheres dazu lesen Sie weiter unten.


Erstmalig 1931 entwickelte die CIE, Commission international de l'eclairage, ein Schema für die technische Definition von Farbtönen, das auf dem Farbraum des sichtbaren Lichts (380nm <--> 740 nm) basiert. Die Darstellung als hufeisenförmiges Diagramm bietet sich, um unterschiedliche Farbräume in Technik und Verarbeitung deutlich zu machen.

[technische Farbdefinition nach CIE]
Wenn Sie mehr wissen möchten
ADDITIV:
[RGB_html]

- Bildschirm/Monitor
- Bühnenscheinwerfer (farbig)
- Diabelichter und -projektoren
- Digitale Kamera
- Fernsehen
- Fotopapierbelichter
arbeiten mit diesem Additiven Modell.
Beim Monitor werden durch Elektronenstrahlen, die durch eine Lochmaske (oder Schlitz- oder Streifenmaske) auf eine Phosphorschicht fallen, für jeden der drei Anteile RGB je ein roter, grüner und blauer Punkt zum Leuchten gebracht.
 
Diese sehr nahe beieinander liegenden Lichtpunkte werden - da sie das menschliche Auge nicht auflösen kann - als ein Farbton wahrgenommen.
 
Die nebenstehende Grafik zeigt, wie beim additiven Verfahren jede der dargestellten Farben mit je drei Werten für RGB zwischen 0 und 255 definiert wird.
Die HTML-Beschreibung folgt dem gleichen Prinzip, verwendet aber Werte zwischen 0-9 und A-F. Wer mehr darüber wissen möchte, kann hier weiterlesen.
[RGB_gamut] Mit den drei Achsen X,Y,Z läßt sich nur ein begrenzter Farbraum (engl.: gamut) des sichtbaren Farbspektrum beschreiben: das Maxwellsche Dreieck
der Standard-RGB-Farbraum, der auch SMPTE-Standard ist.
(Society of Motion Picture and Television Engineers)
SUBTRAKTIV:
[CMYK_color]
- Farbdrucker
- Farbphoto/Dia-Wiedergabe
- konventioneller Druck
 
Hier wird das CMY/CMYK oder Subtraktive Modell verwendet,
ausgehend von den Sekundärfarben des RGB-Modells Cyan, Magenta, Yellow
und (blacK= CMYK nur für Drucker).
Technisch werden Farbpigmente eingesetzt, die unerwünschte Farben absorbieren (filtern).
Am besten läßt es sich anhand einer Formel verstehen:
  • Cyan = G + B - R
  • Magenta = R + B - G
  • Yellow = G + R - B
Was passiert, wenn man die 3 Sekundärfarben addiert?
Stark vereinfacht:
  • Magenta (b+r-g) + Gelb (r+g-b) + Cyan (g+b-r) = schwarz (theoretisch)
Aufgrund von Beschränkungen bei Pigmenten und Druckersystemen filtert die Überlagerung von Cyan, Yellow und Magenta nicht das gesamte auffallende Licht. Es wird nur ein dunkles Braun erreicht.
  • Um wirklich die Druckfarbe Schwarz zu erhalten, muß daher schwarz hinzugefügt werden.
[SMPTE_gamut] Wie beim RGB-Modell erschließt das CMYK-Modell auch nur einen begrenzten Farbraum, der nur in Teilbereichen dem des RGB-Modells entspricht. Die Grafik vermittelt einen annähernden Eindruck davon.
  • Die Farbräume, die technische Geräte mit dem RGB- und CMYK-Modell darstellen können, unterscheiden sich also beträchtlich.
  • Auűerdem ist es sehr schwierig, die in einem Farbsystem definierte Farbe ohne Qualit┘tsverlust in ein anderes zu "übersetzen". Die Farbraumverschiebung der Systeme führt bei einfacher mathematischer Umrechnung nicht zum gleichen gewünschten Farbergebnis.
[Gamuts] Die Grafik zeigt stark schematisiert den vergleichsweise kleinen Farbraum (engl.: gamut), der von Monitor/Offset-Druckmaschine/Drucker gleich gut dargestellt wird.
(Starke Differenz zwischen Ausdruck und Darstellung auf dem Monitor.)
Größenvergleiche mit dem für den Menschen sichtbaren Farbbereich verdeutlichen die engen Grenzen, die von der Technik gesetzt werden mehr dazu ... .
Für den Bereich Bildbearbeitung findet man Vokabeln und kurze Erklärungen in einem Glossar.

Color Management

Inzwischen werden Programme entwickelt (ColorManagement), die die Farbdefinitionen eines Systems in ein anderes konvertieren. Sie sind entweder Teil des Betriebssystems oder in der Softwareanwendung enthalten.
1996 haben sich Vertreter aus Industrie, Verlagen und Agenturen zur European Color Initiative (ECI) zusammengeschlossen, um für die medienneutrale Verarbeitung von Farbdaten in digitalen Publikationssystemen standardisierte Richtlinien zu erarbeiten.
Verbände wie das Deutsche Institut für Normung (DIN) oder die International Organization for Standardization (ISO) sind daran beteiligt. Hierbei folgt man den vom International Color Consortium (ICC) empfohlenen Spezifikationen, die diese Organisation seit 1993 für plattformübergreifendes Color Management erarbeitet.

Andere Farbsysteme

Die folgende Liste stellt nur einen groben Überblick dar.

CIE-Lab (auch L*a*b)
Lab umfaßt die Farbräume RGB und CMYK und entspricht der anerkannten Definition des HSB-Farbraumes. Es erlaubt die Definitionen von synthetischen Farben, die außerhalb des sichtbaren Spektrums liegen. Die Bilder werden aus Helligkeit (Luminanz) und zwei Farbkomponenten zusammengesetzt.
- Photoshop und PostScript Level II arbeiten damit.
- Lab definiert die Farben beschreibend .

CIE-Luv
Der Luv-Farbraum spezifiert die Farben subtraktiv.

CNS (color naming system)
Hinter den sprachlichen Bezeichnungen wie very light strong yellowish green verbergen sich die Parameter: Helligkeitswert, Sättigung, und Farbton: Helligkeitsstufen von very light bis very dark und Sättigung von grayish bis vivid und eine chromatische Farbskala mit 7 Primärfarben, Halb- und Vierteltönen.
Es sind nur wenige Farben darstellbar.

HLS (HSI) hue, lightness, saturation/intensity
ist ein wahrnehmungsorientes (engl: perceptive) Farbmodell, das für interaktive Bildbeschreibung und Interpretation besser geeignet ist als RGB- und CMY-Modell. Es wurde 1979 vom Core Committee (Graphics Standards Planning Committee) eingeführt.

HSV (Alvy Ray Smith 1978), auch HSB
beschreibt Farben nicht durch Mischung sondern mit den Parametern hue Farbton, saturation Sättigung und value/brightness Helligkeit.

Munsell
Albert Henry Munsell (1858-1918) entwickelte das erste wahrnehmungsorientierte (engl: perceptive) Farbmodell.
100 Farbtöne (hue), 10 Helligkeitsstufen (value), 15 Sättigungsstufen (chroma) sind definiert.

POV-Ray-System
verwendet RGB-Farben, die als Vektoren und als Farbnamen definiert werden können.

Pantone, Truematch
Der Standard in Druckindustrie und Grafikdesign.

YCC
Modell für Foto-CDs - ähnlich wie Lab.

YIC / YIC
Y = Luminence, I+Q = Chromaticity.
Wird vom amerikanischen NTSC-Standard genutzt (National Television System Committee).

YUV
vom europäischen PAL-Fernsehstandard genutzt.


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