Leseprobe 3: Farbwahrnehmung - Farbbegriffe

Der Mensch kann etwa 200 Farbtöne und ungefähr 20 Millionen Farben unterscheiden. Grundsätzlich ist festzustellen, dass die Farbe als solche eine Empfindungsgröße darstellt und somit generell subjektiven Charakter besitzt. Wie bereits erläutert, wird das Licht im menschlichen Auge in Nervenimpulse umgewandelt. Während der Verarbeitung dieser Impulse in nachgeschalteten Hirnstrukturen entsteht eine Empfindung, die allgemeinhin als „Farbe“ bezeichnet wird. 

Die physikalischen Einheiten im Bereich der Wahrnehmung sind zwar generell messbar, dennoch ist das, was wir als Schärfe, Kontrast, Licht oder Farbe empfinden und einschätzen, vielmehr eine subjektive oder gar emotionale Größe, die parallel zur individuellen Beschaffenheit und Funktionalität des menschlichen Auges sowie Gehirns verläuft.


„Es ist nicht das Licht
, das farbig ist.“

Isaac Newton

Der berühmte englische Naturforscher und Philosoph bringt auf den Punkt, was knapp 300 Jahre nach seinem Tod immer noch Gültigkeitscharakter besitzt. Die Farbe, die ein Mensch sieht, muss nicht zwangsläufig dieselbe sein, die von einem anderen Menschen als solche definiert wird.

Farbbegriffe

Farbe ist also nicht viel mehr als eine Sinneswahrnehmung, ausgelöst durch einen Farbreiz aus der Lichtstrahlung, der wiederum Ursache für die sogenannte Farbvalenz (den Farbwert) ist, deren Wirkung die Farbwahrnehmung darstellt. Der Zusammenhang dieser drei Aspekte wird in der folgenden Grafik (Abbildung 22) deutlich.  

Die Graßmannschen Gesetze definieren die Farbvalenz als eine dreidimensionale Größe, die Grundfarbe (Spektralfarbe), die Farbintensität und die Weißintensität. Darauf aufbauend werden diese drei Grundgrößen heute im Zusammenhang mit dem HSV-Farbraum, den CIE-Primärvalenzen oder den Werten CMY und RGB verwendet. RGB ist die Abkürzung für Rot, Grün, Blau. Diese drei Farbwerte stellen die Primärvalenzen beziehungsweise Primärfarben dar, also jene drei spektral reinen Farben, die sich nicht aus den jeweils anderen herstellen (mischen) lassen. 

Abbildung 22: Dreiklang der Farbbegriffe

 

Helmholtz erkannte, dass die Farbvalenz durch Farbton, Sättigung und Helligkeit gekennzeichnet ist. So lässt sich die „Farbe“ nach ihrem Helligkeitsanteil (engl. luminance) und der Farbart unterscheiden. Diese setzt sich aus dem durch die Wellenlänge des Lichtes bestimmten Farbton (engl. hue) und der Farbsättigung (engl. saturation) zusammen, die durch den zugemischten Weißanteil entsteht. Insofern ist der Begriff „Farbe“ nicht korrekt. Es müsste vielmehr „Buntheit“ heißen, da die sogenannten Farbnuancen in erster Linie etwas mit der Helligkeit zu tun haben. Im Umkehrschluss verwendet man bei Grauwerten in der Fachsprache die Bezeichnung „unbunte Farben“.

Farbfrequenzen und -wellenlängen

Farbe ist also abhängig vom Licht beziehungsweise dessen Wellenlänge sowie Frequenzbereich. Es ist nicht möglich, Farben als absolute Größen darzustellen, sondern lediglich als Vergleich. Hierzu werden die sogenannten Spektralfarben zugrunde gelegt, die gern mit dem atmosphärisch-optischen Phänomen des Regenbogens in Verbindung gebracht werden. Bei der Spektralfarbe handelt es sich um einen Farbeindruck, der aus einem Teilbereich des für den Menschen sichtbaren Lichtspektrums erzeugt wird, wobei die Wellenlängenbereiche lückenlos aneinanderstoßen. Deshalb gibt es theoretisch unendlich viele Spektralfarben, dennoch werden grundsätzlich nur die sieben „Regenbogenfarben“ Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, Indigo und Violett im Farbspektrum verwendet.

Abbildung 23: Spektralfarben und ihre Wellenlängen/Frequenzen

Wer schon einmal mit einem Grafikprogramm gearbeitet hat, kennt diese Farben aus der Praxis und weiß, dass sie sich beliebig mischen lassen. Wird der Farbwert eines Objektes auf eins gesetzt, färbt sich dieses schwarz. Werden alle drei Farbwerte (R = B = G) gleichmäßig um 50 Prozent erhöht, ergibt das die (unbunte) Farbe Grau. Setzt man zwei der drei Farbewerte auf 0 Prozent und die dritte auf 100 Prozent, ergibt sich daraus eine der drei Primärfarben. Werden zwei Farbwerte auf 100 Prozent gesetzt und der dritte bleibt bei null, können so die Farben Cyan (Grün und Blau), Gelb (Rot und Grün) und Magenta (Blau und Rot) additiv gemischt werden. Aus diesen drei sogenannten Sekundärfarben (Cyan, Magenta und Yellow) resultiert der technisch-physikalische Wert CMY.

Abbildung 24: Primär- und Sekundärfarben/additive Farbmischung   Abbildung 25: RGB-Farbkreis/Komplementärfarben (Wikimedia Commons)

Verschiedene Farbpaare gelten als komplementär. Dazu zählen Blau ↔ Gelb, Rot ↔ Cyan und Grün ↔ Magenta. Da diese aus den Farben RGB resultieren, stellen sie die Basis dar für das CIE-System und andere technische Systeme (z.B. RGB und CMY). Die Komplementärfarben Blau ↔ Gelb und Rot ↔ Grün sind grundlegend für das NCS-System und Blau ↔ Orange sowie Rot ↔ Grün und Gelb ↔ Violett sind nach dem Modell von Goethe und Itten komplementär, die jeweils im künstlerischen Zusammenhang von Bedeutung sind. Diese Komplementärfarben werden auch synonym als Gegenfarben bezeichnet, da sie sich im sogenannten Farbkreis genau gegenüberstehen (Abbildung 25). Verändert man die Intensität eines Farbtons, ergeben sich pro Farbton etwa 500 unterscheidbare Helligkeiten.

Additive und subtraktive Farbmischung

Setzt man hingegen im RGB-Farbmodell alle drei Werte auf 100 Prozent, ergibt sich daraus Weiß. Das heißt, dass durch die Überlagerung der Farben sich diese gegenseitig auflösen können. So kann im Umkehrschluss auch aus weißem Licht farbiges Licht entstehen. Dieser Vorgang ist reversibel - kann also in beide Richtungen erfolgen. Wenn man sich weg vom Computer in die Natur begibt, kann man mithilfe eines Prismas und einer Linse das Sonnenlicht in ein Farbspektrum aufspalten oder umgekehrt zusammenzuführen, um somit das ursprüngliche Sonnenlicht wiederherstellen.

Abbildung 26: Lichtbrechung und Spektralfarben



Wenn „weißes Licht“ (Sonnenlicht) durch ein Glasprisma fällt, wird dieser Strahl zwei Mal gebrochen: Erstens beim Übergang vom optisch dünneren zum optisch dichteren Medium (Luft à Glas) und zweitens beim Übergang vom optisch dichteren zum optisch dünneren Medium (Glas à Luft). Dabei werden die verschiedenen Wellenlängen unterschiedlich stark gebrochen. So entsteht ein kontinuierliches Spektrum, das ungefähr 300 unterscheidbare Farbnuancen umfasst, die vom menschlichen Auge wahrgenommen werden können. Hingegen erhält man reines „weißes“ Licht, wenn man alle Farben des Spektrums mithilfe einer Linse wieder zusammenführt. Es werden also die einzelnen Wellenlängen „addiert“, die in der Summe wieder „weißes“ Licht ergeben. Dieses Verfahren wird auch als optisches Farbmischen bezeichnet und heute in verschiedenen Verfahren der modernen Bildschirmtechnik verwendet – beispielsweise bei der Quantum-Dot-Technologie diverser TV-Flachbildschirme seit 2015.

Das optische Farbmischen lässt sich unter anderem auf die Erkenntnisse von Isaac Newton zurückführen, der aufgrund von Beobachtungen und Praxistexts bereits Ende des 17. Jahrhunderts mit ebenjenem Hilfsmitteln (Prisma, Linse) die ersten Hinweise zur Erklärung der Farbwahrnehmung in seinen „Opticks“ lieferte. Im Rahmen der Zerlegung des „weißen“ Lichts wies Newton nach, dass das Licht in sieben Farben des Spektrums (Abbildung 26) zerlegt werden kann. Allerdings ging er davon aus, dass sich das Licht aus Partikeln zusammensetzt. Weitere Forschungen auf diesem Gebiet erwiesen aber, dass sich die Spektralfarben vor allem in ihrer Wellenlänge unterscheiden. Hierfür steht beispielsweise das sogenannte Wellenmodell nach Thomas Young oder Cristiaan Huygens. Insofern wird das Spektrum in der modernen Wissenschaft als die Gesamtheit aller Linien und Banden bestimmter Frequenz in einem energiegleichen Strahlungsereignis definiert. In der Physik besteht das sogenannte „weiße“ Licht aus Anteilen aller Wellenlängen des sichtbaren Spektralbereichs und ist somit ein energiegleich gemischtes Licht, das es in dieser perfekten Form allerdings nur in der Theorie gibt. In der Regel ist damit das Sonnenlicht oder Tageslicht gemeint beziehungsweise die Normlichtarten mit ihren unterschiedlichen Farbtemperaturen.

Farbtemperaturen

Denn Weiß entsteht auch durch Hitze oder vielmehr verschiebt sich das Maximum des Farbspektrums mit steigender Temperatur hin zu kürzeren Wellenlängen. So nehmen wir beispielsweise das Wellenlängengemisch der Sonne als weiß oder zumindest sehr hell wahr, weil die Außentemperatur dieser Gaskugel ca. 6000 °C beträgt, was einer Farbtemperatur von etwa 5800 Kelvin entspricht. Bei bedecktem Himmel verschiebt sich diese Farbtemperatur der Sonne zu höheren Werten (7000 Kelvin), sodass für das sogenannte Norm- oder Referenzlicht D65 namensgebende 6504 Kelvin zugrunde gelegt wurden. Die Werte aller sonstigen Kunstlichtquellen liegen weit unter diesem Bereich (Abbildung 27).

Abbildung 27: Farbtemperaturen verschiedener Lichtquellen in Kelvin (K)


Absorptionsspektren

Wie verhält es sich nun aber mit all jenen Körpern, die nicht von selbst leuchten beziehungsweise Licht abstrahlen? Wie bereits erwähnt, emittieren, absorbieren oder reflektieren diese das Licht aus externen Quellen. Während beim Emittieren der transparente Körper das Licht verändert durchlässt (Beispiel Prisma), nehmen lichtundurchlässigere Körper das Licht auf und strahlen es verändert wieder ab. Vereinfacht ausgedrückt entstehen auf diesem Wege die sogenannten Körperfarben und damit die gesamte Farbvielfalt unserer Umwelt. Allerdings verhalten sich Körper anders, je nachdem wie sie angestrahlt werden. Denn wie das Licht selbst hängt auch der Absorptions- oder Reflexionsgrad von der Wellenlänge des Lichtes ab. Körper erscheinen in „weißem Licht“ farbig, da eben nur bestimmte Frequenzen aufgenommen und wieder zurückgegeben werden (subtraktive Farbmischung). Werden Körper hingegen mit monochromatischem Licht – also mit nur einer Farbe beziehungsweise einer genau definierten Frequenz – angestrahlt, dann werden dieselben Körper ganz anders wahrgenommen. Wird rotes Papier etwa mit rotem Licht angestrahlt, erscheint es weiß. Hingegen nimmt ein Körper, der kein blaues Licht reflektiert, in blauem Licht die Farbe Schwarz an. Der Anteil der Strahlung, der nicht reflektiert wird, kann von den Körpern im Übrigen in Wärmeenergie umgewandelt werden. Deshalb erwärmen sich dunkle Körper (z.B. schwarze Kleidung) unter Lichteinfluss mehr, da sie weniger Licht reflektieren und damit eine höhere Menge Energie abgeben können.

Wie alles in der Natur hat auch die Farbwahrnehmung einen effektiven wenn nicht gar existenziellen Nutzen. Die Farbvielfalt, die jeder Mensch individuell empfindet, ist insofern nicht einfach nur „bunt“, sondern hilft uns, unsere Umwelt zu differenzieren. Ein berühmtes Sprichwort heißt: „Bei Nacht sind alle Katzen grau“. Unter sehr geringem Lichteinfluss sind tatsächlich alle Körper nur in Grautönen sichtbar. Bei Tageslicht hingegen ist die unregelmäßige Helligkeitsverteilung (Textur) der betrachteten Objekte in Verbindung mit den entsprechenden Farbinformationen  dafür verantwortlich, dass wir die Texturen voneinander unterscheiden können. In Abbildung 28 wird anhand derselben Photographie deutlich, dass erst die Farbwahrnehmung eine genaue Unterscheidung unserer Umwelt möglich macht.

Abbildung 28: Unterschied zwischen bunt und unbunt: Farbe zur besseren Orientierung

Wie bereits eingangs beschrieben, sind die Photorezeptoren (Stäbchen und Zapfen) in unserem Auge zuständig für die Helligkeits- und Farbwahrnehmung. Die weniger lichtempfindlichen Zapfen können in drei Kategorien unterteilt werden: lang-, mittel-, und kurzwellenlängensensitiv oder einfacher ausgedrückt: Rot, Grün und Blau. Das heißt komplex betrachtet, dass diese drei Zapfenarten besonders gegenüber einer der Primärfarben empfindlich reagieren. Analog zur additiven Farbmischung kann das menschliche Auge also die unterschiedlichen Farbreize auf Basis dieser drei Farbwerte „mischen“. Wird beispielsweise die Farbe Gelb wahrgenommen, dann sind lediglich zwei Zapfenarten aktiv, nämlich die der rot- und grünempfindlichen Kategorie. Hierbei handelt es sich um den Schnittpunkt der beiden Maximalwerte (Rot und Grün), wie in Abbildung 29 dargestellt.

Diese sogenannten Absorptionsgipfel liegen nur eine Winzigkeit (ca. 30 Nanometer) auseinander, da sie ursprünglich zu nur einem Urzapfen gehörten, der sich erst im Laufe der Evolution zu zwei Zapfentypen entwickelte. Erst Anfang der 1990er Jahre ist es der Wissenschaft gelungen nachzuweisen, dass die Absorptionsfähigkeit der Zapfen von ihrem sogenannten Sehfarbstoff abhängt, dessen Proteine genetisch bestimmt sind. Dr. Jeremy Nathans und sein Team identifizierte die entsprechenden Gene, die die Ausbildung dieser Proteine kodieren. Auf dieser Basis stellte sich heraus, dass die Unterschiede der Aminosäuresequenzen der Rot- und Grünpigmente nur sehr gering sind (< 2 Prozent).

Abbildung 29: Empfindlichkeitsverteilung der drei Zapfenarten. Schwarz (R) = Stäbchen

Auch die Anzahl und Dichte der Rot-/Grün-Zapfen auf der Netzhaut des menschlichen Auges sind gegenüber der für das Blausehen weitaus höher. Im zentralen Bereich der Fovea befinden sich ausschließlich Rot- und Grünzapfen. Die Blauzapfen machen nur einen Anteil von neun Prozent aus und sind ausschließlich in der peripheren Retina vorhanden. Im sogenannten Photorezeptormosaik nach Roorda & Williams (1999) wird das Verhältnis von Rot-, Grün- und Blauzapfen besonders deutlich (Abbildung 29).

Photorezeptormosaik

Während zahlreicher Studien innerhalb der Farbforschung wurde klar, dass die Farbwahrnehmung der Probanden und damit generell rein subjektiver Natur ist. Dies ist unter anderem der Grund dafür, warum die sogenannte Farbenblindheit bei vielen Menschen erst sehr spät und wenn meist nur zufällig entdeckt wird.

Abbildung 30: Photorezeptormosaik nach Roorda & Williams

Im Mittelpunkt einiger Hypothesen in Bezug auf den evolutionären Vorteil der ausgeprägten Rot-Grün-Wahrnehmung steht die Annahme, dass diese Unterscheidungsfähigkeit der roten und grünen Farbe vor allem mit der Orientierung während der Nahrungssuche zusammenhängt. So ist es beispielsweise den Menschen aber auch vielen Tieren möglich, die roten Beeren zwischen den grünen Blättern zu identifizieren. Die Wissenschaft sieht zum Teil hier den Grund dafür, warum der dritte Zapfentyp für die Farbe Blau entsprechend weniger ausgeprägt ist. Allerdings steht dem entgegen, dass Menschen mit einer Rot-Grün-Blindheit sich ebenfalls in der Natur orientieren können und sich die wahrgenommene Struktur nur unwesentlich unterscheidet.

Rot-Grün-Blindheit (Anopia)

Gegenüber anderen Formen der genetisch bedingten Farbenblindheit tritt die Rot-Grün-Schwäche sehr häufig auf. Insbesondere Männer sind davon betroffen, da sich die Gene für die Rot- und Grünpigmente auf dem X-Chromosom befinden. Bekanntermaßen verfügen Männer nur über X-Chromosomen. Fehlt also eines dieser Gene, kann es nicht ausgeglichen werden, der entsprechende Zapfentyp (für Rot oder Grün) ist insofern nicht vorhanden. So tritt die absolute Rot-Grün-Blindheit (Anopia) bei ca. 2,3 Prozent der männlichen Bevölkerung in Europa auf. Weniger ausgeprägte Anomalien, bei denen das Rot-Grün-Sehen lediglich gestört aber dennoch teilweise vorhanden ist, kommen bei weiteren 5,7 Prozent vor (Abbildung 31).

Abbildung 31: Rot-Grün-Farbsehstörungen in Westeuropa (nach Sharpe , 1999, Tabelle 1.4)

In diesem Zusammenhang muss darauf hingewiesen werden, dass die technischen Farbsysteme (RGB, CIE etc.) grundsätzlich nichts mit den hier beschriebenen anatomischen Begebenheiten im menschlichen Körper – also den  Absorptionseigenschaften der Zapfen - zu tun haben. Dennoch sollte der Vollständigkeit halber nicht unerwähnt bleiben, dass vor allem die Dichte dieser Zapfen die Sehschärfe unserer Augen verantwortlich ist. Insbesondere bei kurzwelligem Licht entsteht eine sogenannte retinale Unschärfe, die auf die geringe Dichte der Blauzapfen zurückzuführen ist. Da die Zapfendichte nur im Zentrum der Fovea am stärksten ist und in der Peripherie (Umgebung) abnimmt, können im äußeren Gesichtsfeld weitaus weniger Farben scharf wahrgenommen werden, was unter anderem einer Reizüberflutung entgegenwirken soll. Die unregelmäßige Anordnung der Zapfen, wie im Photorezeptormosaik (Abbildung 30) dargestellt, ist demnach der Grund dafür, warum im Farbbereich weniger Wahrnehmungsstörungen auftreten. Denn die räumliche Auflösung der Farbwahrnehmung ist wesentlich geringer als die des Helligkeitssystems, da die Photorezeptoren, die für das Hell-Dunkel-Sehen verantwortlich sind (Stäbchen) generell empfindlicher reagieren. Allerdings sei hier der Vollständigkeit halber ebenfalls angemerkt, dass die Stäbchen aufgrund ihrer hohen Lichtempfindlichkeit eben nicht für das Sehen im Hellen, sondern vielmehr für das Dämmungs- und Nachtsehen zuständig sind.

Abbildung 32: Kontrastempfindlichkeit in der räumlichen Auflösung

 

So können farbige Flächen schlechter differenziert werden als Schwarz-Weiß-Muster. Abbildung 32 veranschaulicht, dass das Kontrastempfinden für Farbmodulationen wesentlich geringer ist als für Helligkeitsmodulationen. Im Kontext der Bildübertragungstechnologie ist dieses Wissen von Vorteil. Zeigt es doch, dass für eine qualitativ hohe Darstellung feiner Details lediglich die Helligkeitsinformationen übertragen werden müssen und auf Farbinformationen weitgehend verzichtet werden kann. Aber auch für viele andere Bereiche der Fernsehtechnik ist die Wahrnehmung essentiell. Deshalb dient sie auch in diesem Praxishandbuch als Grundlage für die nun folgenden technischen Erläuterungen. 

Auf diverse Fußnoten wurde in dieser Leseprobe verzichtet. 

Auszug aus dem BUROSCH-Praxishandbuch: "Medientechnik"