Das was wir als Farben bezeichnen läßt sich physikalisch als ein Komplex elektromagnetischer Wellen mit unterschiedlichen Intensitäten beschreiben. Dabei ist das Frequenzband das wir sehen können nur sehr schmal. Es liegt zwischen ca. 380 und 780 nm. Die natürlichen Spektralfarben beginnen im kurzwelligen Bereich mit Blautönen und enden mit den Rottönen.
Entwicklungsgeschichtlich ist das Farbsehen Luxus. Die wenigsten höher entwickelten Tierarten sehen bunt. Für Hund und Katzen ist die Welt schwarzweiß. Wo das Farbsehen auftaucht ist es streng überlebensorientiert. Manche Tiere reagieren nur auf bestimmte Farben. Der Mensch nimmt normalerweise zwischen 200 und 250 Farben wahr.
Leider tauchen monochromatische Farben in der Natur so gut wie nie auf. In der Regel hat man es mit Spektren unterschiedlicher Frequenzen in verschiedenen Anteilen zu tun.
Farben existieren in der physikalischen Welt nicht. Sie sind Interpretationen unseres Sinnesapparates. Farbwahrnehmung ist ein hochgradig subjektiver Vorgang, der von einer Vielzahl von Faktoren abhängt. In unserem Sehsinn sind zwei Arten von Rezeptoren dafür zuständig elektromagnetische Schwingungen eines bestimmten Wellenspektrums wahrzunehmen.
Die Zapfen sind verantwortlich für das farbige "Tagsehen" (photoptisches Sehen) und sind sensibel für das Frequenzspektrum (Farbe) und dessen Intensität (Helligkeit). Die ca. 6 Millionen Zapfen nehmen zum Zentrum des Auges (foeva centralis oder "gelber Fleck") hin zu.
Drei Arten von Zapfen, für rotes, blaues und grünes Licht, teilen sich untereinander die Arbeit der Farbwahrnehmung auf.
Die Stäbchen, die zweite Art der Rezeptoren im Auge sind gegenüber den Zapfen in der Helligkeitswahrnehmung um den Faktor 1000 empfindlicher. Dafür registrieren sie kaum die Farbigkeit was zur Folge hat, daß 'Nachts alle Katzen grau sind' ("Nachtsehen" oder skotoptischs Sehen).
Die ca. 120 Millionen Stäbchen nehmen zum Rand des Auges hin zu. Sie ermöglichen vorallem das schnelle Erkennen von Bewegungen (Helligkeitsänderungen) an den Rändern des Sehfeldes. Die Stimulation dieser Randbereiche macht z.B. viel von dem Reiz von Großbildprojektionen aus.
Hier eine Auswahl der Faktoren, die das Farbsehen beeinflussen:
Auch umgekehrt werden wir vom Farbsehen beeinflußt:
"Die erste Tasse war vielen der Testtrinker zu stark und bitter. Die zweite hingegen schmeckte zu schwach. Erst mit der dritten Tasse war die Mehrheit zufrieden: 200 Personen hatten an einem Experiment amerikanischer Marktforscher teilgenommen. 84 Prozent von ihnen empfanden die dritte Tasse Kaffee als aromatisch und kräftig, nicht zu stark, nicht zu schwach.
Was die Teilnehmer des Versuchs nicht wußten: Ihnen wurde stets der gleiche Kaffee serviert - zunächst aus einer braunen Kanne, dann aus einer gelben und schließlich aus einer roten. Die Forscher mußten noch nicht einmal den Kaffee selbst unterschiedlich färben. Es genügte die Farbe der 'Verpackung' ..."
(aus: Klaus von Seckendorff: "Magie der Farben" in: Print Process 7/1999)
Farben sind in der Lage Puls und Atmung sowie das Wärmeempfinden zu beeinflussen. Zudem sind sie kulturell determiniert. Im Mittelalter galt einen strenger Farbkanon: Weiß für Reinheit, Rot für Barmherzigkeit, Schwarz für Demut etc.. Saure Drops in Braun oder Schwarz wären wohl ein kommerzieller Flop.
Als Lieblingsfarbe wird an erster stelle Blau genannt (40% Frauen, 36% Männer), an zweiter Stelle folgt die Farbe der intensiven Gefühle: Rot (20%).
Mit abnehmender Wellenlänge nimmt die Energie einer Welle zu. Die Gesamtzahl aller Lichtwellen in einem Lichtstrahl, also seine Gesamtenergie, bestimmt den Helligkeitseindruck einer Farbe.
Durch unterschiedlich hohe Anteile von Photopigmenten in den Zapfen werden die Intensitäten der Frequenzen jedoch unterschiedlich gut wahrgenommen. Durch Experimente wurden für den Helligkeitseindruck folgende Durchschnittswerte ermittelt.
Reizung des Auges:
1 Helligkeit = 0,59 Grün + 0,3 Rot + 0,11 Blau
Spektren der Zapfen:
Aus diesem Grund wird Blau gerne als Hintergrundfarbe verwendet (Fernsehen).
Das Verhältnis der verschiedenen Lichtwellen zueinander, besonders die dominanten Frequenzen, bestimmen die Farbigkeit des Lichtstrahls. Werden alle drei Zapfenpopulationen gleichmäßig erregt empfinden wir das Licht als farblos. Sonnenlicht wird so wahrgenommen. Bei Kunstlicht können bestimmte, meist langwelligere Farben überrepräsentiert sein. Das führt zu dem bekannten Gelbstich, der auf Fotofilm zum Leidwesen der Fotofreunde gut zu sehen ist. Während der fotochemische Film auf Tageslicht eingestellt ist und seine Charakteristik nicht ändern kann, nimmt unser Sehsinn durch die Umstimmung diese Frequenzanpassung vor. Das selbe passiert beim Weißabgleich bei der Videographie.
Unterschiedliche Farbigkeit:
Unterschiedliche Helligkeit:
Unterschiedliche Sättigung:
Ganz verschiedene Spektren können den gleichen Farbeindruck vermitteln. Da die Zapfen die Energie über einen ganzen Bereich des Spektrums sammeln, kann ein breites energiearmes Spektrum den Zapfen auf gleiche Art reizen, wie ein schmales Spektrum mit viel Strahlungsenergie.
Die meisten Menschen können 128 unterschiedliche Farbtöne mit jeweils 30 Sättigungswerten und 50 Helligkeitsstufen unterscheiden (192000 Farben).
Die ausgesprochene Subjektivität unserer Frabwahrnehmung erschwert das Beschreiben oder Normieren von Farben sehr. Wir wissen nicht wie unsere Mitmenschen im Vergleich zu uns eine Farbe wahrnehmen. Je nach Situation, Stimmungslage und Kontext ist der Farbeindruck ein anderer.
In der Computergrafik sind jedoch verläßliche und eindeutige Beschreibungssysteme für Farben notwendig um die Farbwidergabe im Druck und auf Monitoren verschiedener Hersteller oder bei der Verarbeitung in Softwaresystemen nicht der Beliebigkeit preiszugeben.
Zwei Grundtypen von Farbmodellen werden dafür verwendet.
Relative Modelle beschrieben die Farbe in Relation zu verschiedenen Farbachsen definierter Grundfarben (RGB, CMYK), absolute Modelle versuchen dagegen Farben durch drei absolute Koordinaten in einem Farbsystem anzugeben (CIE-L*a*b, HSI).
RGB-Modell
Aus den drei Komponenten Rot, Grün und Blau lassen sich fast alle spektralen Farben mischen. Das Modell eignet sich für alle Geräte die Licht aussenden. Stellt man sich drei Strahler in den jeweiligen Farben vor und richtet sie alle auf einen Punkt, so erscheint der Lichtpunkt weiß. Dies nennt man additive Farbmischung, alle Farben zu gleichen Teilen ergeben Weiß .
Auch wenn dieses Modell in der Praxis häufig eingesetzt wird, bringt es doch einige Probleme mit sich:
Der CMYK-Farbmodell, daß besonders für den Druck verwendet wird, definiert ebenso wie das RGB-Modell jede Farbe durch Mischung aus drei Grundfarben: Cyan, Magenta und Yellow. Je mehr dieser Farben übereinander gedruckt werden, desto dunkler wir die Farbe. Hier besteht also eine subtraktive Frabmischung. Je größer die Anteile für C, M und Y werden, desto dunkler wird die Farbe.
Das K steht für Key und bezeichnet die schwarze Farbe, die zur Kontrasterhöhung mitgedruckt wird. Hier ein Bild ohne und ein Bild mit zusätzlichem Schwarzanteil.
Mit diesem Modell können Farben gemischt werden, die durch eine additive Farbmischung nicht erzeugbar sind. Dadurch, das Gegenstände in der Lage sind bestimmte Farbanteile zu absorbieren, können Farben entstehen die im RGB-Spektrum nicht vorkommen, sogenannte Körperfarben. Reines Cyan entsteht, wenn Grün und Blau von einem Körper reflektiert und Rot absorbiert wird. Die Absorption entspricht dem negativen Farbanteil, der im RGB-Modell nicht möglich war.
Auch das CMYK-Modell ist ein relatives Modell, das immer in Relation zu den eingesetzten Druckfarben, zur Beleuchtung und dem Druckuntergrund steht.
Die Druckfarben werden in Europa durch die Euroscala, in den USA durch die SWOP-Scala standardisiert.
Um zu einer geräteunabhängigen und praktikablen Beschreibung von Farbe zu gelangen trennen die absoluten Farbmodelle die Eigenschaft der Farbigkeit von der Helligkeit. Prototyp dieser Farbsysteme ist das HSI-Modell.
HSI
HSI steht für Hue (Farbton), Saturation (Sättigung) und Intensity (Helligkeit). Statt eines Mischverhältnisses werden hier auf einem Farbkreis die Farben des Spektrums angeordnet und in Gradschritten bezeichnet. Die Sättigung der Farbe ergibt sich aus der Entfernung zum Mittelpunkt in einem Einheitskreis zwischen 0 und 1, oder 0 und 100%. Die dritte Achse, durch die man sich das Modell als Zylinder vorstellen kann, zeigt den Helligkeitswert an.
Dieses Modell ist in der Praxis sehr gut handhabbar da es Helligkeit, Sättigung und Farbe voneinander trennt.
Es ist jedoch nicht möglich Farbton und Sättigung einer Farbe unmittelbar zu messen. Farbmessungen geschehen technisch immer durch die Bestimmung des Rot-, Grün- und Blauanteils. Somit baut das System auf reiner Definitionsarbeit auf. Mit der Umrechnung vom RGB in das HSI-Modell unter Berücksichtigung der Geräteeigenschaften, kann aber eine geräteunabhängige Beschreibung möglich gemacht werden.
L*a*b-Modell
Das L*a*b-Modell wurde bereits 1931 durch die Commission Internationale d'Éclairage weltweit mit der Einführung des Standardbeobachters mit Normalempfindlichkeit standardisiert und 1976 erneut verbessert. Diese Farbbeschreibung umfaßt alle vom menschlichen Auge sichtbaren Farben. Daher sind alle anderen Farbmodelle in diesem Farbraum enthalten.
Ähnlich dem RGB-Modell wird auch hier von drei Strahlern ausgegangen, deren Mischverhältnis für einen Farbton angegeben wird. Allerdings sind dies drei ideale Strahler, die technisch nicht realisiert werden können. Der Vorteil dabei liegt darin, daß bei der (additiven) Farbmischung alle Farben des natürlichen Spektrums erzeugt werden können, ohne mit negativen Werten operieren zu müssen.
Satt ein dreidimensionales Modell für die Farbigkeit zu entwickeln wurde durch ein mathematisches Verfahren auf nur zwei Achsen zurückgegriffen, deren eine die Farben von Grün bis Rot (a-Achse) und die andere von Blau bis Gelb (b-Achse) aufnimmt.
Neben der Buntheit (Chrominanzkomponenten) wird die (Luminanzkomponente, L-Achse) jetzt auf der dritten Achse angebracht.
Probleme entstehen besonders dann, wenn von einem Farbraum, zum Beispiel einer RGB-Darstellung am Monitor in eine CMYK-Darstellung der Farbe für den Druck umgerechnet werden muß. Professionelle Bildbearbeitungsprogramme zeigen die im Bild enthaltenen Farben an, die zwar im RGB-Farbraum angezeigt werden können, jedoch nicht druckbar sind (CMYK-Farbraum).
Wie wird Farbe gemessen? Ähnlich dem Verfahren in Scannern messen Colorimeter mit Hilfe von Normlicht und drei Farbfiltern, die den Zapfen im Auge entsprechen, die Farbe. Die genauere aber auch teurere Variante ist das Spektralverfahren. Das ganze Spektrum wird dabei durch Prismen zerlegt (Auflösung über das Spektrum ca. 5 nm) und die Meßwerte .
In der Praxis bestehen eine Reihe weiterer Farbsysteme, die aus normierten Farben bestehen. Das Pantone- oder HKS-Farbsystem sind große Farbtabellen für die es sowohl Module in Bildbearbeitungsprogrammen als auch Mischanweisungen für die Druckindustrie gibt.
Aufgrund der gerätespezifisch unterschiedlichen Darstellung von Farben kann das Ergebnis beim Druck erheblich von der gescannten Vorlage oder dem Bild auf dem Monitor abweichen. Daher sollte man jedes Gerät auf seine Farbechtheit hin eichen. Diesen Vorgang nennt man Kalibrieren.
Um dieses Problem zu bewältigen wurde von der "European Color Initiative" (ECI) ein Farbmanagement System entwickelt. Dieses beschreibt mittels der CMM (Color Matching Method) zunächst einmal die Umrechnungsmethoden zwischen den gerätespezifischen RGB oder CMYK-Werten und dem CIE-L*a*b Farbraum und ist mittlerweile Bestandteil der wichtigsten Betriebssysteme (ColorSync bei Apple, ICM bei Windows 95).
Neben den Umrechnungsmethoden werden durch die ICC (International Color Consortium) die Geräteprofile festgelegt. Sie beschreiben das Farbverhalten des Gerätes bezogen auf den Lab-Farbraum. Die Farbprofile werden im Internet veröffentlicht.
Zusätzlich gibt es Software, sogenannte Profilierer die es erlauben individuelle Profile zu erstellen.
Universität Lüneburg
Kulturinformatik
WS 1998/99