Know-how | Farbräume

Farbraum

Ein Farbraum ist eine Menge von Farben, die von einem Ein- oder Ausgabegerät (Scanner, Bildschirm, Drucker etc.) oder unter spezifischen Bedingungen erkannt bzw. dargestellt werden können.

Die Farben eines Farbraumes werden durch ein Farbraumsystem quantifiziert. Ein Farbraumsystem ist ein Koordinatensystem, in dem die einzelnen Farben durch Basiskoordinaten auf verschiedenen Achsen charakterisiert werden. Bedingt durch den Aufbau des menschlichen Auges sind es bei für menschliche Betrachter gedachte Farbräume in den allermeisten Fällen drei Achsen. Verwendung finden etwa 30-40 Farbraumsysteme.

Häufig wird ein Farbraumsystem und der entsprechende Farbraum, auf dem das System basiert, nicht unterschieden, sondern zusammengefasst als Farbmodell bezeichnet.

Verschiedene Farbräume sind:

• RGB-Farbraum
• CMYK-Farbraum
• HSV-Farbraum
• LCH-Farbraum
• Lab-Farbraum (CIE-Farbendreieck).

Verschiedene Farbraumsysteme sind:

• XYZ-Farbraumsystem
• xyz-Farbraumsystem
• xyY-Farbraumsystem
• CIE-Farbraumsystem
• CIELab-Farbraumsystem.

Nicht-/Überlappung:

Die Problematik des Farbraums ist die Nicht-Übereinstimmung mit der Farbwahrnehmung des Menschen und analog die Nicht-Übereinstimmung des Farbraums eines Eingabegeräts mit dem eines Ausgabegeräts. Der Mensch hat drei verschieden Typen von Zapfen im Auge, die für die Farbwahrnehmung verantwortlich sind. Deren Empfindlichkeit für bestimmte Frequenzen des Lichts erstreckt sich jeweils über einen größeren Frequenzbereich, wobei die Frequenzbereiche nicht disjunkt sind - insbesondere im gelben Bereich liegt eine starke Überlappung der Erregungsempfindlichkeit zweier Zapfentypen vor.

Auch bei der Farbmischung strahlen die gemischten Farben nicht auf einer einzelnen Frequenz, sondern geben ein Spektrum ab. Die Mischung der Farben ergibt so einen Farbraum, der abweicht vom Farbraum der einfachen Modelle. Beim Mischen dreier reiner Farben (RGB- und CMYK-System) können Zwischenfarben nicht mit voller Helligkeit dargestellt werden, mit RGB-Farbmischung kann (M)agenta nur abgeschwächt dargestellt werden. Farbsysteme mit Hauptspektralfarbe und Helligkeit (HSV) können zwar alle reinen Farben bezeichnen, ein Purpur zeichnet sich aber durch Abschwächung in einem schmalen Frequenzbereich aus, hat also faktisch viele Hauptspektralfarben.

Insbesondere Purpur (sowie die Gold- und Silberfarben) können durch den Farbraum der üblichen Eingabe- und Ausgabegeräte nicht erfasst bzw. dargestellt werden. Im Kunstdruck müssen diese Farbanteile einer Drucksache durch eigene Zusatzfarben auf das Papier gebracht werden. Aus ähnlichem Grund werden die klassischen Vierfarbdrucker (CMYK) oft mit weiteren Farben erweiterbar gestaltet, um den erreichbaren Farbraum zu vergrössern. Es existieren keine Geräte, die exakt den gleichen Farbraum wie das menschliche Auge haben. Einen Versuch die menschliche Wahrnehmung von Farbabständen in technisch definierte Farbräume zu übertragen, stellen die MacAdams-Ellipsen gleicher Farbwahrnehmung dar.

Farbraum: RGB

Rot-Grün-Blau (englisch Red-Green-Blue) ist ein additives Farbmodell, bei dem sich die Grundfarben zu Weiß addieren (Lichtmischung). Eine Farbe wird durch drei Werte beschrieben: den Rot-, den Grün- und den Blauanteil. Jeder Farbanteil kann zwischen 0% und 100% variieren.

Das RGB-Prinzip wird bei Farbbildschirmen eingesetzt.

In der Computertechnik wird häufig jeweils ein Byte für einen Farbanteil verwendet. Der Wertebereich jeder einzelnen Farbe reicht von 0 bis 255, wobei 0 für die geringste und 255 für die höchste Intensität steht. Folglich können für jede Farbe 256 Abstufungen angegeben werden. Es können also 256 * 256 * 256 = 16.777.216 unterschiedliche Farben dargestellt werden. Diese Darstellung wird auch als True Color bezeichnet. Seit Mitte der 1990er Jahre können Grafikkarten True Color darstellen. Aktuelle Bildbearbeitungssoftware unterstützt auch Farbkanäle mit 16 Bit (0 bis 65535), wobei dies hauptsächlich zur Minimierung von Rundungsfehlern bei den verschiedenen Filterfunktionen genutzt wird.

Die Farbbeschreibung im HTML-Code erfolgt ebenfalls im RGB-Farbraum. Die Farben werden in der Form #RRGGBB angegeben. Dabei bezeichnen RR, GG und BB jeweils den Rot-, Grün- und Blauanteil der Farbe in hexadezimaler Schreibweise. Die Werte können folglich von hexadezimal 00 (=0 dez.) bis FF (=255 dez.) variieren. (Es sind neben der Darstellung mit 2 Hexadezimalziffern pro Grundfarbe noch Darstellungen mit 1, 3 oder 4 Hexadezimalstellen möglich.)

Will man also dem Bildschirm mitteilen, er soll "nichts tun", also schwarz sein, schreibt man für alle Grundfarben die NULL: #000000 - soll er dagegen weiß sein, schreibt man für alle Grundfarben die 255 bzw. ff: #ffffff.

Bei digitalen Bilddaten eignet sich der RGB-Farbraum ausschließlich für die Darstellung am Bildschirm. Bilddaten, die für den professionellen Druck (z. B. Offsetdruck, Siebdruck, Digitaldruck) genutzt werden sollen, müssen im CMYK-Farbmodell dargestellt werden.

Das RGBA Farbmodell ist eine Erweiterung des RGB Modells auf den Kanal Alpha. Diese Komponente bestimmt die Transparenz eines Pixels. Wird ein Bild mit einem neuen Bild überschrieben, fließen die Informationen des Urbildes mit in das neue Bild ein. Die Alphakomponente bestimmt also, wie durchsichtig das entsprechende Pixel ist.

Farbraum: CMYK

CMYK steht für Cyan (Türkis), Magenta (Fuchsinrot), Yellow (Gelb) und Key (Schlüsselfarbe, Schwarz) und ist ein subtraktives Farbmodell, welches bei Druckverfahren eine Rolle spielt. Es ist komplementär zum RGB-Farbmodell.

Der Wertebereich jeder einzelnen Farbe geht von 0% bis 100%, wobei 0% einer unbedruckten und 100% einer Volltonfläche entspricht. Durch Mischen der drei Grundfarben entsteht der Farbraum.

Die Schlüsselfarbe K zu sämtlichen Helligkeitsstufen, Schwarz, dient nicht der Farbgebung, sondern lediglich zum Abdunkeln von Farben. Der Begriff "Key" bzw. Black oder auch Kontrast (Schwarz) wird anstelle von "Black" verwendet, um Missverständnissen mit dem "B" vorzubeugen, das im Englischen für "Blue" steht. Die Druckfarbe Schwarz ist unter anderem nötig, weil der Zusammendruck der drei anderen Farben zwar theoretisch (subtraktives Farbmodell), aber nicht praktisch Schwarz ergibt, da die im Druck verwendeten Cyan-, Magenta- und Gelb-Farbstoffe keine perfekten Sekundärfarben sind. Ein anderer Grund für das zusätzliche Drucken mit Schwarz ist der Unbuntaufbau eines Bildes. Er wird bei der Separation des Bildes bestimmt und vermeidet, dass zu viele Farben übereinander gedruckt werden.

Industrieller Farbdruck mit CMYK-Farben wird dort auch als Druck nach Euroskala bezeichnet, was sich farblich an der ehemaligen Europaskala orientiert. Diese Bezeichnung ist im weiteren Sinne umgangssprachlich (vor allem in den USA als Euroscale) für den europäischen Offsetdruck gebraucht. Einer echten Norm entspricht die Euroskala aber nicht. Die korrekte Bezeichnung für die umgangssprachliche Euroskala lautet ISO-Skala und bezieht sich auf die Normierung ISO 2846, welche die Eigenschaften dieser Farben für Farblieferanten definiert. Darüber hinaus wird in der ISO 12647-2 die Farbwirkung dieser Druckfarben auf unterschiedlichen Druckpapieren beschrieben. Für die praktische Anwendung dieser Norm existieren entsprechende ICC-Profile, beispielsweise "ISO Coated sb" für den Druck auf gestrichenen Papieren.

Auch Tintenstrahldrucker arbeiten meist mit CMYK- Farben. Einige hochwertige Geräte weisen zusätzlich noch zwei weitere Farben auf: ein helles Magenta und ein helles Cyan. Durch diese beiden Zusatzfarben ergibt sich ein größerer druckbarer Farbumfang als im Druck mit klassischen CMYK-Farben und das Streuraster des Tintenstrahldrucks wird in hellen Farbmischungen weniger wahrgenommen.

Farbraum: HSV

Die Abkürzungen HSV, HSI oder HSB stehen für das Farbmodell, bei dem man die Farbe mit Hilfe des Farbtons (Hue), der Sättigung (Saturation) und der Helligkeit (Value, Brightness, Intensity) definiert.

Die Darstellung des Farbraums durch das HSV-Modell wird üblicherweise in Computerprogrammen verwendet. Um eine bestimmte Farbe mit Hilfe ihrer HSV-Parameter auszuwählen bzw. auszudrücken, benutzt man den HSV-Farbkreis. Der Farbton (Hue) wird direkt vom Farbkreis ausgewählt, dann werden meist von einem Dreieck, wobei die senkrechte Achse die Sättigung und die waagerechte die Helligkeit widerspiegelt, die beiden anderen Parameter gewählt.

Eine andere Methode der Veranschaulichung der HSV-Parameter ist der Kegel, ein dreidimensionaler Körper. Andere Darstellungen benutzen stattdessen eine hexagonale Pyramide. Und schließlich kann der HSV-Farbraum auch mittels eines Zylinders dargestellt werden.

HSV und Farbwahrnehmung

Künstler bevorzugen oft das HSV-Parameter gegenüber den Alternativen RGB und CMYK, weil es der menschlichen Art Farben wahrzunehmen ähnelt und es ihnen so leichter fällt, die jeweils gewünschte Farbe zu komponieren. RGB und CMYK sind additive bzw. subtraktive Methoden um eine Farbe zu komponieren, während die HSV-Parameter einer zu komponierenden Farbe viel eher nachempfunden werden können: Man wählt sofort die Farbe und entscheidet dann, wie gesättigt und wie hell oder dunkel diese sein soll.

Leider ist es nicht ohne weiteres möglich, die HSV-Koordinaten einer Farbe in die Parameter ihres physikalischen Spektrums, wie sie z. B. in der Radiometrie gemessen werden, umzuwandeln. Aber obwohl es nicht ratsam ist, HSV-Koordinaten direkt mit Parametern wie Wellenlänge und Amplitude zu vergleichen, kann man diese durchaus in pseudo-physikalische Eigenschaften umdeuten, mit Hilfe der Farbmessung.

• Der Farbton spezifiziert die dominante Wellenlänge der Farbe, mit Ausnahme des Bereiches zwischen Rot und Indigo (240° und 360°), wo der Farbton eine Position auf der so genannten Purpurlinie angibt.
• Ist der Farbton die monochromatische, pure Spektralfarbe, so entspricht die Sättigung etwa der Verteilung der Frequenzen um die dominate Wellenlänge herum oder alternativ einer Zumischung von purem Weiß (das heißt Licht mit gleichen Anteilen aller Wellenlängen).
• Die Helligkeit entspricht in etwa dem Gesamtenergieinhalt, beziehungsweise der maximalen Amplitude des Lichts.

Farbraum: LCH

Der CIE-LCh-Farbraum ist kein neuer Farbraum. Es handelt sich dabei entweder um den CIE-uv-Raum oder den CIE-Lab-Raum. Es werden nur anstelle der kartesischen Koordinaten a* und b* (bzw. u* und v*) die Polarkoordinaten C* (Buntheit, Farbsättigung, Entfernung vom Zentrum, engl. Chroma) und h* (Farbton, Buntton-Winkel, engl. hue) angegeben. Die Helligkeit L* (Helligkeit, engl. Luminance) bleibt dabei unverändert.

Farbraum: Lab

Der Lab-Farbraum (auch L*a*b-Farbraum) ist ein Anfang der 30er Jahre des 20. Jahrhunderts von der Commission Internationale d`Eclairage (CIE) entwickeltes Farbmodell. Es schließt alle Farben ein, die das menschliche Auge wahrnehmen kann. Darin enthalten sind unter anderem die Farben des RGB- und des CMYK-Farbraumes. In Lab wird eine Farbe durch die drei Werte L, a und b angegeben. Hierbei steht das L für die Helligkeitskomponente (luminance) - entsprechend dem Grauwert - und a und b repräsentieren den rot-grün- bzw. blau-gelb-Anteile der Farbe.

Im Gegensatz zum RGB oder CMYK ist Lab nicht von den unterschiedlichen Ein- und Ausgabegeräten abhängig. Deshalb benutzt man dieses Format als Austauschformat zwischen den Geräten. Lab ist auch das interne Farbmodell von PostScript Level II.

CIE-Lab-Farbraumsystem:

Das CIE-Lab-Farbraumsystem basiert auf dem Lab-Farbraum. Es ist eine Umrechnung des xyY-Farbmaßsystems, und hat dem gegenüber den Vorteil das es sich an den physiologischen Eigenschaften der menschlichen Wahrnehmung und nicht an physikalischen Meßgrößen orientiert: der Buntheit (statt der Sättigung), der Helligkeit (statt der Remission).

Ein weiterer Vorteil ist die visuelle Gleichabständigkeit: Die geometrisch berechenbaren Abstände zweier Farbörter im Lab-System entsprechen den visuell wargenommenen Abständen, während im xyY-System die Abstände mit zunehmender Buntheit geometrisch größer sind als der vom Auge wahrgenommene Unterschied. Das Lab-System berücksichtigt also die Problematik der Mac-Adam-Ellipsen. Dies erleichtert insbesondere die objekive Bewertung von Farben beispielsweise in der Druckindustrie.

Die Achsen im Lab-Raum entsprechen unmittelbar wahrnehmbaren Eigenschaften der Farben. Entlang der a-Achse sind die Rot(+a)-Grün(-a) verteilt, entlang der b-Achse finden sich die Gelb- (+b) bzw. Blau-Werte. Auf dem Schnittpunkt dieser Achsen befinden sich die unbunten Farben, sowie die dritte Achse, LL, die die Helligkeit angibt.

Die Farbkoordinaten werden also nicht über ein kartesisches (wie das xyY-System), sondern über ein polares System angegeben. Der LCh-Farbraum entspricht dem Lab-Farbraum, der Unterschied besteht allein in der Angabe der Koordinaten eines Farbortes.