Schöne illustrierte Übersicht zur Farblehre. Ein bisschen was zum ...

6 Farblehre
Farbtheorie (Kap. 4.2 KdMg)
Aufgabe 1) Farbwahrnehmung
Last update: 13.08.01
Farben sind ein grundlegender Bestandteil unseres Lebens. Das Farbempfinden ist bei jedem
Menschen unterschiedlich.
Sichtbares Licht ist ein ganz kleiner Teil des Wellenspektrums. Je nach Länge der Wellen
in diesen Spektrum erscheint ein Lichtstrahl in einer bestimmten Farbe. Licht ist elektromagnetische
Strahlung.
Das für den Menschen
sichtbare Spektrum ist der
Wellenlängenbereich von
400 nm (Violett) bis 700
nm (Rot).
Ein Lichtstrahl mit einer Wellenlänge von 700nm erscheint rot, ein Lichtstrahl mit einer
Wellenlänge von ca. 500nm erscheint blau. So entstehen
die Farben.
Wenn ein weißer Lichtstrahl (ein Gemisch aller
Wellenlängen) auf eine Fläche prallt, die alle
Wellenlängen außer Rot absorbiert, dann erscheint diese
Fläche rot.
Wir nehmen Farben mit unseren Augen wahr. Diese haben in der Netzhaut
Rezeptoren für farbiges Licht (rot grün blau). Da die Empfindlichkeit
dieser Rezeptoren für andere Farben genetisch kodiert (vererbt) ist, unterscheidet
sie sich bei allen Menschen. Jeder Mensch hat also ein anderes
Farbempfinden. Rot, Grün und Blau sind die Basis für alle anderen Farben,
die durch Mischung aus diesen drei Grundfarben erzeugt werden.
Britta Walter für active-pc

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Für das Farbensehen beim Menschen sind bestimmte Sehzellen, die sogenannten Zapfen
zuständig. Es gibt drei verschiedene Sorten von Zapfen in der Netzhaut, die jeweils mit einem
anderen lichtempfindlichen Farbstoff ausgestattet sind. Ein reines Licht von 400 nm Wellenlänge
erregt nur den 'Blaurezeptor' unter den Zapfen. Ein Licht der Wellenlänge 450 nm erregt den
'Blaurezeptor' stark und den 'Grünrezeptor' sehr schwach. Licht von 500 nm Wellenlänge spricht
alle drei Zapfensorten an. Die einzelnen Farbeindrücke werden also durch unterschiedliche
Erregungsstärken der einzelnen Zapfensorten ausgelöst.
Gleiche Erregung aller Zapfen führt zum Eindruck ,,weiß``.
Betrachtet man Farben nur im Hinblick auf ihren Farbton und nicht auf Helligkeit und Sättigung,
so liegt die Wellenlänge zwischen zwei gerade noch als unterschiedlich zu erkennende Farben
zwischen 2 nm und 10 nm, je nachdem aus welchem Wellenlängenbereich die Farben stammen.
Zur Codierung einer Farbe sind somit 3*8 = 24Bit ausreichend.
24Bit ergeben 16,7 Mio Farben und das ist die maximal wahrnehmbare Farbunterscheidung für
das menschliche Auge.
Aufgabe 2) Farbpsychologie
Wie Klänge können auch Farben bei uns Menschen Emotionen auslösen. Obwohl die Ursachen
nicht völlig geklärt sind, sind die Auswirkungen (menschlicher Reaktionen auf das Erscheinen
einer bestimmten Farbe) verallgemeinerbar.
Farben, die man z.B. mit Geschwindigkeit und Schnelligkeit verbindet, die man als
anregend und lebhaft empfindet, sind warm und kräftig. Beispiele: Rot, Gelb, Orange.
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Kalte Farben, wie Blau und Grün wirken dagegen beruhigend oder entspannend.
Auch die Intensität der
Farben spielt eine Rolle.
Sanfte Farben mit wenig
Inten-sität vermitteln
Geborgenheit und
Bequemlichkeit.
Zusätzlich zur Farbe selbst, hat auch die Umgebung der Farbe eine Auswirkung auf die
Wahrnehmung. So erscheinen Farben in unterschiedlichen Umgebungen in verschiedenen
Tönungen.
Wie viele verschiedene Farben sind hier abgebildet?
Gleichzeitig wahrgenommene Farben wirken intensiver als nacheinander folgende. Eine optische
Intensivierung von Farbe erreicht man durch eine farbige Umgebung. Die stärkste Wirkung erzielt
man mit Farben, die im Farbspektum möglichst weit von der anderen Farbe entfernt sind.
Andere Kontraste: Rot-Grün und
Orange-blau sind echte
Flimmerkontraste.
Übung:
Selber einen Flimmerkontrast
herstellen.
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Aufgabe 3) Farbausgabe
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In der Regel werden am Computer Bilder über den Bildschirm wiedergegeben. Es sind zwar auch
schon zunehmend LC-Displays im Einsatz, die aber zur Zeit noch sehr teuer sind.
Im Bildschirm erzeugt eine Kathodenstrahlröhre das Bild. Diese sendet Elektronen in verschiedene
Richtungen und mit verschiedenen Geschwindigkeiten aus. Drei Elektronenstrahlen treffen
auf eine Glasfläche die mit einer fluoreszierenden Phosphorverbindung beschichtet ist. Durch
das Auftreffen werden die Phosphormoleküle angeregt und senden verschiedenfarbige Lichtblitze
aus. Diese Blitze treffen, durch eine Loch oder Strichmaske gebündelt, auf unser Auge. Das
Bild ist zu sehen. Entsprechend der Dreifarbigkeit unseres Sehsystems, werden auch hier
trichromatische Farbsysteme angewendet (RGB, CYM oder HSB).
Aufgabe 4) Farbmodelle
Zur Darstellung von Farben bedient man sich dreier Modelle:
RGB CMYK HSB
Die additive Farbmischung; RGB
Das RGB Modell oder auch die additive
Farbmischung benutzt die drei Grundfarben
Rot, Grün, Blau. Eine Mischung aus den drei
Komponenten ergibt bei gleicher Intensität weißes
Licht. Auch das Sonnenlicht enthält diese
drei Grundfarben.
Um verschiedene Farben zu mischen, variiert
man die Intensitäten der drei Grundfarben. Mit
dem beschriebenen (RGB)-Modell arbeiten die
meisten Bildbearbeitungsprogramme.
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Die subtraktive Farbmischung; CMYK
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Die subtraktive Farbmischung bedient sich der
Farben Cyan, Magenta und Gelb (Yellow). Eine
Mischung dieser drei Komponenten ergibt in der
Theorie Schwarz, in der Praxis ein sehr dunkles
Braun. Durch Zugabe von Schwarz (auch Tiefe
genannt) enthält man auch im Bereich der
unbunten Farben (Grau, Schwarz, Weiß) eine gute
Reproduktionsqualität.
Dieses Modell wird allgemein CMYK genannt. Man
verwendet es dort, wo keine besonderen Geräte
(Bildschirme etc.) beim Betrachten der Abbildung
(Gemälde, Photos, Poster etc.) benutzt werden.
Watch the color-applets!
Das HSB-Modell
Das HSB-Modell entspricht von allen drei Modellen unserer verbalen Farbbeschreibung am
meisten. Beschreibungen wie ein kräftiges, helles Gelb lassen sich sofort umsetzen.
Die Initialen stehen für Hue (Farbton), Saturation (Sättigung)und Brightness (Helligkeit). Der
Farbton beeinhaltet die reine Farbinformation, die Sättigung das Verhätlniss von Stärke der
reinen Farbe und den unbunten Anteilen. Die Helligkeit entspricht der Helligkeit von 1%-100%.
0% stellt immer Schwarz dar, 100% immer Weiß.
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Farbmodelle
(zur Vertiefung)
Man unterscheidet physikalisch-technische und wahrnehmungsorientierte Farbmodelle. Die wahrnehmungsorientierten
Farbmodelle wie z.B. das HLS-, HBS oder das HSV-Modell sind mehr auf
das Wahrnehmungsempfinden des Menschen ausgerichtet, das sich eher an den Parametern
Farbton (Hue), Helligkeit (Lightness/Brightness) und Sättigung (Saturation) orientiert. Beim HSV-
Modell beispielsweise wird der Farbraum anhand einer sechseckigen Pyramide beschrieben. Die
Spitze der Pyramide entspricht einem V-Wert von 0, die Grundseite steht für V=1. Der Wert V
(Value) gibt die Helligkeit der beschriebenen Farbe an, wobei 0 Schwarz und 1 Weiß entspricht.
Den Farbton erhält man durch den H-Wert (Hue), der mit einer Gradzahl zwischen 0° und
360° angegeben wird. Die den sechs Ecken der Grundseite der Pyramide zugeordneten Farben
erhalten dabei folgende Werte:
Rot 0° , Gelb 60° , Grün 120° , Blaugrün 180° , Blau 240° und Purpur 360°.
Der Wert S (Saturation) schließlich gibt den Abstand einer Farbe von der durch die Spitze der
Pyramide und den Mittelpunkt der Grundseite gehenden Achse an und liegt zwischen 0 und 1.
Die Sättigung sagt etwas über den Anteil weißen Lichts in der Farbe aus. Die gesättigten Farben
an den Seiten der Pyramide enthalten kein weißes Licht und erhalten den Wert 1. Weißes Licht
und Grautöne enthalten keine Farbe einer dominierenden Wellenlänge und bekommen den Wert
0. Mischungen zwischen gesättigten Farben und Weiß haben somit S-Werte zwischen 0 und 1.
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Die physikalisch-technischen Farbmodelle beschreiben eine Farbe als Mischung dreier
Primärfarben. Die Unterschiede zwischen den einzelnen Modellen liegen in der Wahl der
Primärfarben und der Art der Farbmischung.
Zu den wichtigsten technischen Farbmodellen zählen:
RGB
Monitor (www, CD-ROM)
CMYK
Papier (Print)
YIQ
Monitor (Fernsehtechnik)
Ein Farbmodell soll dazu dienen, Farben anhand einer bestimmten Farbskala zu beschreiben. Ein
Farbmodell kann nicht alle sichtbaren Farben beschreiben, sondern nur eine Untermenge daraus.
Die für die graphische Datenverarbeitung wichtigeren physikalisch-technischen Farbmodelle sollen
nun näher untersucht werden.
Das RGB-Modell
Das RGB-Modell ist ein additives Farbmodell, d.h. mischt man die drei Farben Rot, Grün und
Blau mit bestimmten Intensitäten zusammen, so ergibt sich die Farbe Weiß.
Beim RGB-Modell werden die darstellbaren Farben als Punkte eines im Ursprung eines kartesischen
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Koordinatensystems liegenden Einheitswürfels beschrieben. Auf den positiven Achsen dieses
Koordinatensystems werden die drei Primärfaben Rot, Grün und Blau aufgetragen. Die
Hauptdiagonale des Einheitswürfels, sie geht vom Punkt (0,0,0) zum Punkt (1,1,1), enthält die
Farben mit gleich großem Anteil an allen Primärfarben. Sie repräsentiert die Grauwerte, wobei
Schwarz im Ursprung (0,0,0) und Weiß im Punkt (1,1,1) liegen. Eine Farbe wird dann durch
die Anteile an den drei Primärfarben beschrieben, die zur Farbe Schwarz addiert werden. Das
RGB-Modell ist wichtig bei der Farbdarstellung auf Monitoren. Bei Farbbildschirmen werden drei
Phosphorarten auf dem "Bildschirm" aufgebracht, die von drei unabhängigen Elektronenkanonen
angesteuert werden und das in drei Teilbilder (RGB) zerlegte Farbbild erzeugen. Daraus ergibt
sich die besondere Bedeutung des RGB-Modells: alle anderen Farbbeschreibungen müssen vor
der Farbausgabe in den äquivalenten Punkt des RGB-Würfels umgerechnet werden.
Benutzen zwei Farbbildschirme Kathodenstrahlröhren mit verschiedenem Phosphor, so ergeben
sich auch unterschiedliche Farbskalen. Man kann jedoch durch eine Transformationsrechnung
die auf einer Kathodenstrahlröhre spezifizierte Farbe auf die Farbskala der anderen Röhre
abstimmen.
Das CMYK-Modell
Das CMY-Modell
(Cyan, Magenta,
Yellow)
Das CMY-Modell
wird zur
Farbausgabe auf
Druckern verwendet,
es entspricht dem
physikalischen
Vorgang der
Reflexion weißen
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Lichts. Die beim Dreifarbendruck auf das Papier gebrachte Farbe sorgt dafür, dass bestimmte
Farbanteile des Weißen Lichts ausgefiltert und somit nicht mehr reflektiert werden (s.Abb).
So bewirkt zum Beispiel die auf das Papier aufgetragenen Farbe Cyan, dass rotes Licht von
der Oberfläche absorbiert wird. Reflektiert wird somit noch der Grün- und Blau-Anteil des
Lichts. Die Druckfarbe Magenta absorbiert Grün und gelbe Druckfarbe absorbiert Blau. Werden
Cyan und Gelb nun übereinander auf das Papier aufgetragen, so wird nur der Grün-Anteil
des anstrahlenden Lichts reflektiert. Werden alle drei Farben auf das Papier aufgetragen, dann
werden Rot, Grün und Blau absorbiert und man erhält so die Farbe Schwarz.
Beim Farbdruck wird jedoch häufig zusätzlich schwarze Tinte (Keycolor) eingesetzt, da sie ein
dunkleres Schwarz liefert als man es durch die Mischung der drei Grundfarben erhalten würde,
und da der Trockenvorgang durch die reduzierte Menge an Cyan-, Magenta- und Gelb-Tinte
beschleunigt wird.
Die Umrechnung zwischen RGB- und CMYK-Modell erfolgt nach folgenden Formeln:
[C,M,Y] = [1,1,1] - [R,G,B] bzw. [R,G,B] = [1,1,1] - [C,M,Y]
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Das YIQ-Modell
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Das YIQ-Modell wird in der Fernsehtechnik verwendet und sorgt dort für die Abwärtskompatibilität
von Farb- zu S/W-Fernsehen. Die Y-Komponente gibt die Luminanz, d.h. die Leuchtdichte bzw.
die Lichtintensität wieder. Ein S/W-Fernseher zeigt nur diese Komponente an. Die Chrominanz,
das ist die Farbigkeit, ist in den Komponenten I und Q codiert. Die Umrechnung von RGB- nach
YIQ-Werten erfolgt nach folgender Formel:
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