Referat Wahrnehmung von Farben - Wir sehen Farben alle auf die gleiche Weise, Farbmodelle definieren Farbe mathematisch

Wahrnehmung von Farben

Unsere Wahrnehmung von Farbe wird von vielen Faktoren beeinflußt: Unterschiede in der Lichtquelle, der Beobachter, die Größe des Objekts, der Hintergrund, gegen den Farbe gesehen wird, und die Richtung, aus der das Objekt besehen wird.

Menschen sind als Bezugspunkt für die genaue Definition von Farben nicht besonders zuverlässig. Wir beschreiben Farben nicht nur unterschiedlich, sondern unsere Farbwahrnehmung wird darüber hinaus von Umgebungsbedingungen beeinflußt und durch Erfahrungen, Erinnerungen und sogar durch Vorurteile modifiziert.

DTP-Systeme, die Farbe verwenden, haben mit den gleichen Problemen zu kämpfen aber natürlich auf einer mechanischen Ebene. Nehmen wir an, man scannt ein Foto und zeigt das Bild auf dem Bildschirm an. Wenn man die Farben mit dem Original vergleicht, stellt man Unterschiede fest. Man stellt die Bildschirmregler anders ein, bis man eine mehr oder weniger zufriedenstellende Wiedergabe erhält, aber es ist immer noch nicht ganz richtig. Wenn man das Bild dennoch ausdruckt, erzeugt der Drucker Farben, die ganz und gar nicht den Erwartungen entsprechen. Das sehr offensichtliche Problem ist also, daß unterschiedliche Computertypen Farben auf verschiedene Weisen erzeugen und keine dieser Methoden einen besonders geeigneten Bezugspunkt bildet.

(Bsp: Ausdruck der Farbmodelle)

Wenn man jedoch Farben sowie deren Kennzeichen und Wahrnehmung verstehen lernt, kann man eine Methode entwickeln, objektiv darüber zu sprechen und die Unterschiede in unserer Wahrnehmungen auszugleichen. Wir können auch einen Mechanismus entwickeln, mit Hilfe dessen Computer genau die Farben erzeugen, die wir erwarten: d. h. ein System der Farbverwaltung.

Wir sehen Farben alle auf die gleiche Weise

Obwohl wir uns darin unterscheiden, was wir als Farbe sehen und beschreiben, verwenden Menschen dennoch die gleiche Mechanik, um Farbe wahrzunehmen.

Farbpsychologie und -physiologie: Wie wir Farbe wahrnehmen

Die Farbpsychologie behandelt unsere gefühlsmäßigen Reaktion auf Farben. Dieser Aspekt ist in der Farbverwaltung nicht besonders wichtig, aber er unterstreicht die Tatsache, daß Farbverwaltung notwendig ist. Eine genaue und beständige Wiedergabe von Farben ist von entscheidender Wichtigkeit, wenn die Psychologie von Farbe in Zeichnungen und Bildern voll zur Geltung kommen soll.

Die Farbpsychologie zeigt uns die Wichtigkeit der genauen Wiedergabe von Farben, die mit Objekten verbunden sind, auf die wir uns an einer sehr elementaren Stufe verlassen: die Farben von Essen und Trinken, die Farbe des Himmels und der Erde und die Farbtöne der menschlichen Haut. Diese Beispiele hängen mit den Gedächtnisfarben, d. h. den Farben bekannter und psychologisch elementarer Objekte, zusammen. Wenn diese Farben richtig wiedergegeben werden, betrachten wir ein Bild gewöhnlich als farblich ausgewogen. Wenn eine solche Farbe falsch dargestellt wird, betrachten wir das Bild als schlechte Wiedergabe, auch wenn alle anderen Farben korrekt dargestellt sind.

Auf der physiologischen Seite wissen wir, daß die menschliche Sehkraft auf drei verschiedene Stimuli reagiert (dieses wurde bereits in den Lichtexperimenten von Isaac Newton demonstriert). Die Netzhaut besteht aus etwa 130 Millionen lichtempfindlichen Zellen, die entweder kegel- oder stabförmig sind. Die kegelförmigen Zellen reagieren auf Farbe und man nimmt an, daß die Kegel gleichmäßig verteilt sind, um auf entweder Rot, Grün oder Blau (die additiven Primärfarben) zu reagieren. Aus diesem Grund beruhen alle Farbmodelle, die wir verwenden, auf drei Farben. Die stabförmigen Zellen sind nur für achromatisches Licht aufnahmefähig, aber sie sind wesentlich empfindlicher für Unterschiede bei mattem Licht.

Die menschliche Sehkraft ist äußerst anpassungsfähig. Dies zeigt sich z. B. in den folgenden Punkten:

Die menschliche Sehkraft ist zu chromatischer Anpassung fähig, d. h. wir können Farbe beständig und ungeachtet der Lichtverhältnisse in der Umgebung wahrnehmen. So sieht ein roter Pullover beispielsweise verschieden aus, je nachdem, ob man ihn bei Tageslicht oder unter elektrischen Beleuchtung betrachtet. Ein anderes Beispiel: Man kann geringe Anderungen in der Farbdarstellung auf Bildschirmen nicht wahrnehmen, selbst wenn diese über einen Zeitraum von nur wenigen Stunden geschehen.

Die menschliche Sehkraft ist gegenüber einer breiten Auswahl von Lichtquellen empfindlich und ist sehr anpassungsfähig. Unabhängig von der Beleuchtung der Umgebung, wird ein Objekt von weniger als einem Prozent Intensität (verglichen mit dem hellsten Objekt in unserem Sichtfeld) als Schwarz wahrgenommen.

Angrenzende und Hintergrundfarben beeinflussen unsere Wahrnehmung von Objektfarben. Dies ist als 'gleichzeitiger Kontrast' bekannt.

Wir werden von Farben beeinflußt, die wir nacheinander sehen. Wenn man z. B. eine Zeitlang auf einen Farbfleck starrt, dann auf einen leeren Hintergrund sieht, kann man für eine kurze Zeit noch das Bild des Flecks sehen. Dies ist als aufeinanderfolgender Kontrast bekannt.

Verteilung von Temperatur und Spektralstärke

Die Temperatur der Umgebungsbeleuchtung (der Illuminant) beeinflußt, wie wir eine Objektfarbe wahrnehmen. Die Beleuchtungstemperatur hilft zu erklären, warum der Pullover, der im Geschäft rot erschien, zu Hause vielleicht wärmer und leicht orange aussieht. Die Temperatur stellt die Reinheit einer Farbe dar.

Sie bezieht sich auf eine Eigenschaft in der Lichtquelle. Temperatur ist eine objektive Maßeinheit, die verwendet wird, um einen Standard zu definieren. Dies geschieht, da Lichtquellen (genau wie Farben) nur schwer zu definieren sind. So kann Tageslicht z. B. je nach der Tageszeit unterschiedlich sein, d. h. das Licht zur Mittagszeit ist verschieden vom Licht am späten Nachmittag. Die Temperatur gibt uns ein Mittel zur quantitativen Bestimmung dieses Unterschieds.

Die Messung der Temperatur beruht auf einer theoretischen Substanz, die Blackbody genannt wird. Wenn diese erhitzt wird, strahlt sie Farben aus, von Rot bei niedrigen Temperaturen bis zu Violett bei hohen Temperaturen. Die Maßskala für Temperatur verwendet Grad Kelvin (K). Eine 60-Watt Glühbirne wird an ungefähr 2800 K gemessen, eine weiße Neonlampe entspricht ca. 4400 K und Sonnenlicht zur Mittagszeit (Hochsommer in einer gemäßigten Klimazone) ist ungefähr 5500 K.

Lichtquellen können auch durch die Verteilung ihrer Spektralstärke gekennzeichnet werden, d. h. die Intensität an jeder einzelnen Wellenlänge. Für jede Lichtquelle können wir ein Diagramm von Intensität zu Wellenlänge ableiten, das uns eine einmalige Spektralsignatur der Lichtquelle gibt.

Die Spektralsignatur ist verwandt mit der Temperatur, aber es ist nicht das gleiche Konzept. Beide Maße bieten ein Mittel zur Definition der Eigenschaften von Lichtquellen. Die Verteilung der Spektralstärke ein wichtiger Standard, der von der Commission Internationale de l'Eclairage (CIE) entwickelt wurde. Diese definiert eine Gruppe von Standard-Illuminanten, unter denen wir Farben messen, sowie Probedrucke, Beispiele und Originale betrachten können. Normalerweise kann die Spektralsignatur einer Lichtquelle mit einer Farbtemperatur korreliert werden.

Spektrale Reflexionsstärke und Transmissivität eines Objekts

Das Objekt selbst wird durch seine spektrale Reflexionsstärke oder Transmissivität gekennzeichnet: reflektiert oder übersendet das Objekt Licht und was sind dessen Eigenschaften?

Die spektrale Reflexionsstärke eines Objekts kann unter einem standardisierten Illuminanten gemessen werden, um ein spektrales Reflexionsstärkediagramm abzuleiten, die spektrale Signatur des Objekts. Spektrale Transmissivität kann mit Hilfe von Kolorimetern gemessen werden. Einige Kolorimeter können sogar für die Umgebungsbeleuchtung kompensieren, in der ein strahlendes Objekt gesehen oder gemessen wird.

Die Reflexionsstärke und Transmissivität hängen mit dem Konzept des Metamerismus zusammen, wobei spektrale Signaturen unter einer Lichtquelle identisch und unter einer anderen verschieden aussehen. Der Unterschied ist in den Färbungen und Materialien des Objekts inhärent, sowie in der Temperatur der Lichtquelle. Wenn wir Spektrophotometer mit standardmäßgen Illuminanten benutzen, können wir die wahrgenommene Farbe von Objekten messen, um zu ermitteln, ob deren spektrale Signaturen gleich sind.

Spektrale Responsivität des Beobachters

Nun noch zur spektralen Responsivität des Beobachters (des Rezeptors), also der Fähigkeit, Licht im Spektrumsbereich zu verzeichnen.

Die spektrale Responsivität definiert den Farbbereich, den der Rezeptor verzeichnen kann. Sie wird von der Qualität der Lichtquelle, von Unterschieden in der Hintergrundfarbe und von Richtungsunterschieden beeinflußt. Die Auswirkungen von Hintergrundfarben können leicht beobachtet werden, wo immer die umgebende Farbe mit unserer Wahrnehmung der Objektfarbe interagiert. Richtungsunterschiede (d. h. der Winkel, in dem ein Objekt besehen wird) wirken sich auf Farbe aus, da sie beeinflussen, wie hell Licht widergespiegelt wird (bei reflektierenden Oberflächen ist dies das Erscheinungsbild von Licht und Schatten) oder wie direkt Licht ausgestrahlt wird (direkte Ausstrahlung ist stärker als angewinkelte Ausstrahlung).

Farbgamut und dynamischer Bereich

Farbgamut ist der Farbbereich, der von einem Beobachter oder einem Gerät gesehen bzw. erzeugt werden kann und der dynamische Bereich ist der Unterschied zwischen dem hellsten und dem dunkelsten Teil eines Bildes bzw. Sichtfelds).

Bei der Arbeit im Farb-DTP wird in Bezug auf Farbgamut und dynamischem Bereich immer zwischen der menschlicher Sehkraft und den Fähigkeiten der verwendeten Geräte unterschieden. Letztlich ist die menschliche Wahrnehmung immer der Maßstab für den Erfolg oder Mißerfolg eines Gerät bei der Wiedergabe eines Bilds, da das Endprodukt Ihrer Arbeit ein Bild oder Foto ist, das von Ihrem System erstellt aber von Menschen betrachtet wird.

Die menschliche Sehkraft hat das breiteste Farbgamut, d. h. den breitesten Bereich sichtbarer Farbe. Sie weist auch den breitesten dynamischen Bereich auf und ist fähig, Schattierungsabstufungen wahrzunehmen, die nur einen millionsten Teil der Lichtstärke der Lichterpartien im Sichtfeld darstellen. Das Farbgamut und der dynamische Bereich von Computern sind demgegenüber verhältnismäßig eingeschränkt. Darüber hinaus haben verschiedene Gerättypen unterschiedliche Fähigkeiten. Zum Beispiel haben Scanner und Bildschirme ein wesentlich größeres Gamut und einen größeren dynamischen Bereich als Drucker.

Zusammen genommen, definieren das Farbgamut und der dynamische Bereich den Bereich, in dem wir Farbe wahrnehmen können, bzw. in dem ein Gerät arbeitet. Unterschiedliche Gerättypen weisen verschiedene Farbbereiche auf, und wir können Farbmodelle dazu verwenden, diese Farbbereiche zu definieren.

Farbmodelle definieren Farbe mathematisch

Farbmodelle sind mathematische Darstellungen eines Farbbereichs. Sie bieten einen Standard, gegenüber dem wir Farbe messen können, und ein System, mit Hilfe dessen mechanische Geräte Farbe erzeugen können.

Farbmodelle basieren gewöhnlich auf drei Primärfarben. Dies entspricht der Tatsache, daß die menschlicher Sehkraft auf drei grundlegenden Stimuli beruht. Jeder Primärfarbe im Modell wird ein Wert innerhalb eines bestimmten Bereichs zugewiesen, und die Kombination der einzelnen Werten bestimmt die Farbe.

Obwohl Modelle Farben numerisch ausdrücken, sind sie unvollkommen, da Farbe von unserer Wahrnehmung beeinflußt wird. Allerdings können Farbmodelle in Computern benutzt werden, um die Farbausgabe zu definieren. Wenn man ein Farbsignal an einen beliebigen Bildschirm sendet, erhält man (theoretisch) immer die gleiche meßbare Farbe.

CIE-Wahrnehmungsmodelle

Wahrnehmungsmodelle beruhen darauf, wie wir Farbe wahrnehmen. Die bekanntesten dieser Modelle wurden von der Commission internationale de l'eclairage (CIE) entwickelt. CIE XYZ wurde 1931 als mathematisches Modell der menschlichen Farbwahrnehmung entwickelt. Das Modell definiert darüber hinaus standardisierte Illuminanten, Beobachter und Objekte. Das Modell hat die folgenden Kennzeichen:

Es gibt eine Reihe von standardisierten Illuminanten. Der am weitesten verbreitete Standard ist Illuminant D65, der bei einer Farbtemperatur von 6500 K eine Spektralstärkenverteilung hat, die normalem Tageslicht ähnelt.

Der standardisierte Beobachter wird entsprechend der Wahrnehmung verschiedener Testpersonen mit normaler Farbsehkraft definiert.

Das standardisierte Objekt wird durch einen Einsehwinkel (2 oder 10 Grad) über einen bestimmten Abstand definiert. Der Einsehwinkel bestimmt die Größe des Objekts und sollte nicht mit dem Winkel verwechselt werden, an dem das Objekt besehen wird.

Das Modell umfaßt drei imaginäre Primärfarben, um Farben zu definieren: die Werte X, Y und Z. Diese Werte eignen sich nicht besonders gut zur Beschreibung wahrgenommener Farbe und werden in einer Satz von Koordinaten für Farbart und -sättigung umdefiniert, die sich mathematisch aus X, Y, und Z ableiten lassen.

Bei der Definition einer Farbe in CIE XYZ, stellen wir die XYZ-Primärfarben, den standardmäßigen Illuminanten und den Einsehwinkel fest. So bedeutet z. B. der Wert 21.21 13.37 9.32 D65 2-degrees, daß X=21.21, Y=13.37 und Z=9.32 sind, bei Verwendung von Illuminant D65 mit einem Einsehwinkel von 2 Grad zur Größendefinition.

Dieses Modell ist wichtig, da es das erste war, mit dem man Farbe numerisch und ohne Bezugnahme auf ein bestimmtes Gerät beschreiben kann (d. h. das Modell ist geräteunabhängig). Das Problem mit dem Modell liegt darin, daß es Farbe in Hinsicht auf Wahrnehmung nicht einheitlich darstellt, und daß seine Benutzung nicht sehr intuitiv ist. CIE L*u*v* und CIE L*a*b* sind Varianten dieses Modells, die später entwickelt wurden, um Einheitlichkeit der Wahrnehmung und Bedienerfreundlichkeit einzuarbeiten.

CIE wird häufig in industriellen Anwendungen, wie z. B. Malerfarben, Kunststoffe und Textilien, verwendet. Es dient auch als Standard im TV-Bereich.

Additive und subtraktive Modelle

In einem additiven Modell wird Licht dazu benutzt, Farbe zu erstellen. Der Begriff 'additiv' bezieht sich auf die strahlenden Eigenschaften von Licht, d. h. wenn Licht hinzugefügt wird, verstärkt sich die Farbintensität. Man kann diesen Effekt auch so beschreiben, daß die Lichtquelle zum auf der Netzhaut wahrgenommenen Licht hinzufügt. Wenn alle Primärfarben in voller Intensität erscheinen, erhält man Weißwas für die Lichtprimärfarben charakteristisch ist.

RGB ist ein additives Modell, in dem die roten, grünen und blauen Komponenten den Lichtprimärfarben entsprechen. Es definiert den natürlichen Farbbereich für Bildschirme und Scanner. So entspricht z. B. in Bildschirmen jede der Elektronenkanonen einer der Komponenten.

In einem subtraktiven Modell wird Pigment oder ein anderer Farbstoff dazu benutzt, Farbe zu erstellen. Der Begriff 'subtraktiv' bezieht sich auf die reflektierenden Eigenschaften von Pigmenten, d. h. wenn wir Pigment hinzufügen, nimmt die Lichtintensität ab. Man kann diesen Effekt auch so beschreiben, daß Pigmente vom Licht abziehen das auf die Netzhaut gespiegelt und dort wahrgenommen wird (da mehr Licht durch das Pigment aufgesogen wird, erhält die Netzhaut dementsprechend weniger Licht). Wenn alle Primärfarben in voller Intensität erscheinen, erhält man eine Farbe, die sich Schwarz annähert (echtes Schwarz ist in einigen subtraktiven Farbmodellen nicht möglich).

CMY und CMYK sind Beispiele für subtraktive Modelle. Diese Modelle sind der natürliche Farbbereich der meisten Drucker und stellen auch die Grundlage für die meisten Skalenfarben-Druckverfahren dar. Diese Modelle entsprechen den Drucker- und Pigment-Primärfarben.

HSB und HLS

HSB (Farbton, Farbsättigung, Helligkeit) ist eine Variation von RGB und basiert ebenfalls auf den Lichtprimärfarben. Von allen heute verwendeten Farbmodellen kommt HSB der Art, in der wir Farbe wahrnehmen, am nächsten. Es stellt eine intuitive Methode zur Farbdefinition dar.

Der Farbton (engl. Hue) definiert die eigentliche Farbe (Rot, Gelb, usw.), ähnlich der Farben, die man am Rand eines Farbkreises sieht.

Die Sättigung (engl. Saturation) definiert die Reinheit der Farbe. Wenn man sich über einen Farbkreis (und nicht um ihn herum) bewegt, entfernt man jeweils einen Prozentsatz der Farbe, von der man sich weg bewegt, und fügt einen Prozentsatz der Farbe hinzu, zu der man sich hinbewegt. Wenn man sich dem Zentrum des Rades nähert, wird die Farbe zunehmend grauer, da sich die Prozentsätze der Lichtprimärfarben angleichen.

Die Helligkeit (engl. Brightness) definiert die Lichtmenge in der Farbe auf einer senkrechten Skala. Helligkeit kann auch als der Anteil von Weiß in der Farbe verstanden werden. Die Helligkeitskomponente ist nicht-linear, welches der Art, in der wir helle und dunkle Farben sehen, stark ähnelt. Wenn man in der Skala nach unten gegen den dunklen Bereich geht, verringert sich den physikalische Abstand bei der gleichen numerischen Wertänderung.

HLS (engl. Hue, Lightness, Saturation) ist eine Variante von HSB. Die Farbton- und Sättigungskomponenten sind die gleichen. Der Unterschied liegt in der Helligkeitskomponente, die eine lineare Skala von Farbhelligkeit zu -dunkelheit ist.