Fachthema: Farbe

 

1  Licht = Farbe

Versuchen wir mal zuerst zu verstehen, was eine Farbe ist und wie die verschiedene Farben überhaupt entstehen. An erster Stelle steht hier die Erkenntnis, dass eine notwendige Voraussetzung für das Sehen das Vorhandensein von Licht ist. Aber was ist Licht? Licht ist Welle. Der entscheidende Beweis für die Wellennatur des Lichtes wurde von dem französischen Physiker Augustin Fresnel (um 1800) erbracht. Erst später fand man heraus, dass Lichtwellen eine spezielle Form von elektromagnetischen Wellen sind. Unsere Augen sehen gewöhnlich Licht der Wellenlange im Bereich von 380 nm bis 780 nm.

 

2  Wie sehen wir Farbe?

Die von einem Objekt direkt ausgesandten oder reflektierten Lichtwellen werden von der Augenlinse gebündelt und durch den Glaskörper auf die Netzhaut projiziert. Dort bewirken sie die Reizung von spezialisierten Nervenzellen, die auf die Erkennung solcher Lichtwellen spezialisiert sind. Als Folge der Reizung entsteht in den Nervenzellen ein elektrisches Signal, das über eine Leitungsbahn, den Sehnerv, in das Sehzentrum des Gehirns geleitet wird. Dort entsteht über noch wenig verstandene Mechanismen der eigentliche Seheindruck.

Unser Auge hat die Aufgabe, ein möglichst helles und detailliertes Bild unserer Umwelt zu entwerfen. Wir haben dabei auf der einen Seite die Lichtempfindlichkeit (helles Bild) und auf der anderen das Auflösungsvermögen (detailliertes Bild). Beides läßt sich nicht gleichzeitig maximieren. Höchstes Auflösungsvermögen wird immer nur dann erreicht, wenn die Lichtempfindlichkeit nicht begrenzt wird – also am hellen Tag. Wenn es jedoch darauf ankommt, jedes verfügbare Lichtquant einzufangen – während der Dämmerung oder unter Wasser – muß das Auflösungsvermögen und damit der Reichtum an räumlichen Details im Bild zurücktreten.

Stäbchen und Zäpfchen im Auge

Der Vorgang der Lichtwahrnehmung ist direkt mit der Farbwahrnehmung verbunden. Immer wenn wir Licht sehen, sehen wir Farben. Die Wahrnehmung unterschiedlicher Farbnuancen hilft uns bei der Interpretation unserer Umgebung. Unser Auge kann unterschiedliche Wellenlängen des Lichts als Farbinformation erkennen.

Damit unser Auge die Licht- und Farbinformationen wahrnehmen kann, befinden sich auf der Netzhaut mehrere Lichtrezeptoren: sogenannte Stäbchen und Zäpfchen. Die nur helligkeitsempfindlichen Stäbchen sind über die ganze Netzhaut verteilt, während die farbempfindlichen Zäpfchen vor allem in der Mitte der Netzhaut liegen. Man sieht daher auch Gegenstände am äußersten Rand des Gesichtsfeldes nur grau. Bei geringer Helligkeit treten die Zäpfchen (farbempfindlich) zurück, die Stäbchen (helligkeitsempfindlich) hervor. In der Dämmerung erscheinen deshalb auch farbige Gegenstände grau. Nur bei ausreichender Helligkeit werden die Eindrücke überwiegend von den Zäpfchen übermittelt und man sieht farbig.

Die jeweils charakteristische Farbempfindung, die von einem Lichtreiz bestimmter Wellenlänge hervorgerufen wird, bezeichnet man als Farbton. Wie ist es nun möglich, daß der Mensch so viele von Farbtönen unterscheiden kann? Die Farbdifferenzierung ist möglich, weil es drei Arten von Zäpfchen gibt, die jeweils auf unterschiedliche Wellenlängen des Lichts reagieren. Der eine Zapfentyp reagiert besonders stark auf Licht im kurzwelligen Bereich, der zweite auf Licht im mittelwelligen Bereich und der dritte auf Licht im langwelligen Bereich. Trifft nun Licht einer bestimmten Wellenlänge auf die Zäpfchen, so bilden die Zäpfchen ein Energiepotential. Dieses Energiepotential wird dann als Farbreiz über die Nervenbahnen ins Gehirn weitergeleitet. Das Gehirn antwortet daraufhin mit einer Farbempfindung. Farben entstehen also in unserem Gehirn.

Licht, Materie und Farbempfindung

Die Lichtstrahlen der Sonne fallen früher oder später auf Materie irgendeiner Form. Materie hat die Eigenschaft, bestimmte Teile des Sonnenlichts zu absorbieren. Die Teile des Sonnenlichts, die nicht absorbiert werden, werden von der Materie reflektiert und gelangen dann in das Auge des Betrachters. Der eigentliche Farbreiz bestimmt sich also aus dem reflektierten Teil der Allgemeinbeleuchtung.

Die spektrale Zusammensetzung des Sonnenlichts ist nicht immer gleich. Je nach Jahreszeit, Wetterlage und Einstrahlwinkel, gibt es Schwankungen in der Lichtzusammensetzung und die spektralen Intensitäten verändern sich. Wenn wir beispielsweise beim Sonnenuntergang die Sonne als orange Scheibe sehen, überwiegen die langwelligen Lichtstrahlen und wir haben es mit einem warmen Licht zu tun. Betrachten wir jedoch die Mittagssonne im Hochsommer, bei strahlend blauem Himmel, so überwiegen die kurzwelligen Lichtstrahlen und wir haben es mit kaltem Licht zu tun. Auch gibt es Unterschiede zwischen dem, was wir als Tageslicht wahrnehmen und dem Licht von Glühbirnen und Spotlampen. Das Kunstlicht einer Halogenlampe wirkt im Vergleich mit dem durchschnittlichen Tageslicht gelb. Allerdings hat das menschliche Auge die Fähigkeit, sich bis zu einem bestimmten Maße an die veränderte spektrale Zusammensetzung des Lichts anzupassen. Für unser Auge sind diese Lichtunterschiede also nicht immer sichtbar. Wir sind auch nicht für alle Lichtwellen gleich empfindlich. Unsere Augen reagieren am stärksten auf mittel-welliges Licht (Grün), weniger stark auf langwelliges Licht (Rot) und am wenigsten auf kurzwelliges Licht (Blau). Deshalb verwendet man bei einer 8-Bit-Darstellung im Computer jeweils 3 Bit für Rot und Grün und nur 2 Bit für Blau.

Subjektivität des Farbensehens

Ein wesentliches Problem unseres Farbempfindens ist seine ausgeprägte Subjektivität. Farbe ist für uns ein allgemeiner Sinneseindruck, und wir sind daher nicht in der Lage, eine Aussage über die spektrale Zusammensetzung des Lichts zu machen. Deshalb ist es uns auch grundsätzlich nicht möglich, nachzuempfinden, wie unsere Mitmenschen im Vergleich zu uns Farben wahrnehmen, und selbst für eine einzelne Person ist das Farbempfinden täglichen Schwankungen unterworfen. Somit sind Farbdefinitionen wie »weinrot« oder »himmelblau« höchst ungenau und werden von verschiedenen Personen auf einer Farbskala recht unterschiedlichen Farben zugeordnet.

In der Technik, und damit insbesondere auch in der Bildverarbeitung, ist eine solche Subjektivität höchst unerwünscht. Nur wenn objektive Meßsysteme zur Verfügung stehen, die eine eindeutige Definition von Farbigkeit erlauben, kann man erreichen, dass Monitore oder Fernsehgeräte von unterschiedlichen Herstellern ein Farbbild in etwa gleich darstellen oder Druckerzeugnisse verschiedener Druckereien etwa gleiche Farben drucken.

Genau zu diesem Zweck wurden verschiedene Verfahren zur mathematisch exakten Beschreibung von Farben entwickelt, die jeweils für bestimmte Einsatzgebiete besonders gut geeignet sind, sogenannte Farbmodelle.

 

3  Farbmischverfahren

Da das menschliche Auge drei Arten von farbempfindlichen Rezeptoren enthält, entwickelte sich schon relativ früh eine Dreikomponententheorie zur Herstellung von Farben. Diese Theorie wird bis heute als Grundlage zur Farbmischung in der Computergrafik, der Druckindustrie und dem Fernsehen verwendet. Nach dieser Theorie kann man praktisch alle sichtbaren Farben aus drei Primärfarben mischen. In der Computergrafik verwendet man zur Beschreibung von Farben die so genannten Farbmodelle. Diese Farbmodelle unterscheiden sich primär durch ihr Mischverhalten. Entsprechend der Licht- und Körperfarben unterscheiden wir zwischen dem subtraktiven und additiven Farbmischverfahren. Es gibt aber auch Verfahren, die beide Arten miteinander kombinieren.

RGB – Farbmodell

Mathematisch kann man das RGB-Farbsystem am besten durch einen Würfel darstellen: Charakteristisch für einen Würfel ist, dass jeder Raum-punkt durch Angabe einer X-, Y- und Z- Koordinate ein-deutig definierbar ist. Wenn nun auf der X-Achse der Rot-wert, auf der Y-Achse der Grünwert und auf der Z-Achse der Blauwert eines RGB-Farbtripletts abgetragen wird, dann kann jedem Punkt im RGB-Raum ein eindeutiger Farbwert zugeordnet werden. Die Grauwerte, das sind die Raumpunkte, bei denen die Rot-, Grün- und Blauanteile jeweils gleich sind, befinden sich auf der Diagonalen zwischen den Koordinaten (R,G,B)=(0,0,0) und (R,G,B)=(Rmax,Gmax,Bmax).

Da im RGB – Farbsystem Farben als Mischprodukte aus den Grundfarben Rot, Grün und Blau definiert werden, ist es besonders gut auf Geräte anwendbar, die selbst Lichtwellen aussenden. Typische Beispiele sind Farbmonitore oder Farbfernsehgeräte.

CMY(K) – Farbmodell

Es gibt noch ein weiteres Farbmodel, das die Entstehung von Farben als Ergebnis einer Mischung von drei Primärfarben beschreibt – CMY. Dieses Farbsystem findet seine Verwendung in der Drucktechnik. CMY steht für Cyan (Blaugrün; Mischfarbe aus Blau und Grün), Magenta (Purpur; Mischfarbe aus Blau und Rot), Yellow (Gelb; Mischfarbe aus Rot und Grün).

Im Gegensatz zum RGB-Modell werden im CMY-Modell Farben nicht additiv, sondern subtraktiv erzeugt. Die Farbe Cyan besteht aus Blau und Grün. Ein Farbpigment mit der Farbe Cyan reflektiert also Blau und Grün und absorbiert Rot. Entsprechend absorbiert Magenta Grün, und Gelb absorbiert Blau. Durch geschicktes Nebeneinander- und Übereinanderdrucken von Farbpunkten der drei Grundfarben können somit die meisten Farben erzeugt werden.

Der Farbeindruck entsteht also nicht dadurch, dass sich unterschiedliche Farben addieren, sondern dass die Farbpigmente unterschiedliche Farbanteile aus dem auftreffenden Licht absorbieren. Hieraus ergeben sich auch die Regeln, nach denen Farbstiche in gedruckten Farbbildern korrigiert werden müssen. Blaustichigkeit wird z.B. durch Erhöhung des Gelbanteils korrigiert, da Gelb die blauen Farbanteile absorbiert. Entsprechend sind Grünstiche durch Erhöhung des Magentaanteils und Rotstiche durch Erhöhung des Cyananteils zu korrigieren.

Theoretisch gesehen entsteht durch das Nebeneinanderdrucken aller drei Grundfarben Schwarz. In der Realität verhalten sich die verwendeten Farbpigmente in Bezug auf ihre Reflexions- bzw. Absorptionseigenschaften allerdings nicht so ideal, wie man es gerne hätte. Beim Farbdruck begnügt man sich daher in der Regel nicht mit dem Schwarz, das mit den drei Grundfarben erzeugt werden kann. Zur Kontrasterhöhung wird meist noch zusätzlich ein reines Schwarz verwendet, das besser deckt als das durch Übereinanderdrucken erzeugte. Deswegen wurde CMY-Modell um eine vierte Komponente erweitert, die für Schwarz steht (blacK).

Neben Schwarz als vierter Farbe werden im Farbdruck oft auch noch andere reine Farben zusätzlich verwendet, und zwar insbesondere solche, die durch die drei Grundfarben schlecht erzeugt werden können. Gold wäre hier ein typisches Beispiel. Diese Spezialfarben werden als Schmuckfarben bezeichnet.

 

4  Weißabgleich

Technisch gesehen besteht jede Farbwahrnehmung aus einer Zusammenwirkung der Lichtfarbe und der Objektfarbe des wahrgenommen Gegenstandes. Trotz der unterschiedlichen Farbzusammensetzungen der Lichtquellen vermag unser Auge die uns vertrauten Farben in den meisten Fällen jedoch zuverlässig zu erkennen. Dazu greift es auf jede Menge Tricks zurück, einerseits wird die Farbe des Lichts berücksichtigt, andererseits wird auch unbewusst unser Wissen um Farben zu Rate gezogen um die Wahrnehmung zu korrigieren.

Betrachten wir aber ein Bild, so funktioniert unser Weißabgleich nicht mehr, das Bild selbst zeigt die Farben des Lichts der Aufnahme und wird mit dem Licht zum Zeitpunkt der Betrachtung gesehen. Der Weißabgleich muss daher schon bei der Aufnahme erfolgen. Zu Filmzeiten wurde dies gemacht durch die Wahl von Tages- oder Kunstlichtfilm, Digitalkameras erledigen dies mittels Weißabgleich, zumeist automatisch, viele Kameras ermöglichen aber auch den manuellen Abgleich durch den Fotografen.

Wird der Weißabgleich korrekt auf die Lichtquelle abgeglichen, so ergeben sich im Bild natürliche Farbtöne. Obwohl dieser korrekte Abgleich zweifelsfrei die größere Kunst ist, lässt sich der Weißabgleich auch kreativ nutzen. Die Möglichkeit, die Farben ins kalte oder warme tendieren zu lassen erlaubt eine sehr wünschenswerte Beeinflussung der Lichtstimmung.

 

5  Farbregler in Photoshop (+ ähnlich in anderen Programmen)

  • RGB-Farbraum – Zahlen zwischen 0 und 255 für jede der drei Farben bestimmen den Farbton.
  • CMYK-Farbraum – jede der vier Farben erhält einen Farbwert zwischen 0% und 100%.
  • HSB (oder HSV) – H=Hue (Farbwert) 0° bis 360°, S=Saturation (Farbsättigung) 0% bis 100% , B= Brightness (Helligkeit) 0% bis 100% (oder auch 0 bis 1 bei anderen Programmen).
  • Lab (L*a*b*)-Farbraum – L= Luminanz (Helligkeit) 0 bis 100, a (a*)=Grün-Rot-Parameter -127 bis + 128, b (b*)=Blau-Gelb-Parameter -127 bis + 128.
  • Web-Farben (sRGB) – Farbangaben im Hexadezimalsystem (Basis 16) – 6 Farbangaben sind möglich: je Farbe 2 Angaben zwischen 0 über 9 und Buchstaben A bis F, z.B. #C9 36 D5 (Rotviolett). Je einheitlicher die Farbwerte sind, desto größer ist die Wahrscheinlichkeit, dass die ausgewählte Farbe auf allen Betriebssystemen, allen Browsern und Monitoren gleich oder doch sehr ähnlich aussieht. Deshalb sind die „websicheren“ Farben noch weiter eingeschränkt, die 2 Farbangaben sind hier jeweils gleich, z.B. #33 AA 44 (mittleres Grün). Schwarz ist #00 00 00, Weiß ist #FF FF FF.

 

6  Farbkreis und Farbwirkungen

ZumFarbkreis und den Farbkontrasten könnt ihr euch unter  www.harrykurz.de/farbe.html  informieren.