Exkurs: Farbmodelle

Um Objekte am Bildschirm anzuzeigen, sie auszuzeichnen und sie räumlich strukturieren zu können, ist es nötig, Farben und vor allem Farbabstufungen zu erzeugen (siehe Kapitel zur Präsentation). Wenn Sie eine Entwicklungsumgebung oder ein Framework nutzen, das Ihnen ein Farbschema bereitstellt, können Sie sich dieser Farben bedienen, sollten aber die in den entsprechenden Kapiteln motivierten Einschränkungen bedenken oder begründen können, warum Sie sie missachten. Wenn Ihnen kein Farbschema zur Verfügung steht oder wenn Sie selbst eines erzeugen wollen, müssen Sie Farben definieren und zueinander passende Farben zusammenstellen können. In diesem Exkurs-Kapitel stellen wir Ihnen einige technisch-wissenschaftliche Hintergründe und daraus abgeleitete Farbmodelle vor, um diese Aufgabe ausführen zu können.

Als sichtbares Licht nimmt der Mensch elektromagnetische Wellen zwischen 380 und 780 nm wahr. Wellen dieser Wellenlängen stimulieren die menschliche Netzhaut. Wenn nur Licht einer bestimmten Wellenlänge ins Auge vordringt, wird ein bestimmter Farbeindruck ausgelöst.

Wie Sie auf der Abbildung sehen, können Sie jeder Wellenlänge im Spektrum des sichtbaren Lichts einen Farbeindruck zuweisen. Andersherum funktioniert es aber nicht. Wenn Sie eine Farbfläche sehen, die gelb ist, heißt das nicht notwendigerweise, dass Licht mit einer Wellenlänge von etwa 570 nm ins Auge fällt. Der gleiche gelbe Farbeindruck entsteht auch bei einer Mischung aus rotem und grünem Licht.

Die Drei-Farben-Theorie

In seinem 1867 veröffentlichten „Handbuch der physiologischen Optik“⁷ beschreibt Hermann von Helmholtz auf der Grundlage von Experimenten, dass die Farben des natürlichen Lichtspektrums, also die Regenbogenfarben, durch die Kombination der Farben Rot, Grün und Blau erzeugt werden können und dass es demnach im Auge Rezeptoren für diese drei Farben geben muss. Erst 1956 wurde entdeckt, dass es im Auge in der Tat drei verschiedene Zapfentypen gibt und dass diese, wie durch von Helmholtz dargelegt, verschiedene Bereiche des Spektrums abdecken. Heute weiß man, dass, anders als lange angenommen, die drei Zapfentypen, obwohl man sie so betitelt, nicht den Farben Rot, Grün und Blau entsprechen und weitaus breitbandiger sind als von von Helmholtz angenommen.

In dieser Abbildung sind die Absorptionsraten der drei verschiedenen Zapfenarten auf der menschlichen Netzhaut dargestellt. Wie Sie sehen, sind alle drei Zapfentypen recht breitbandig empfindlich. Wenn Licht mit einer Wellenlänge von 570 nm ins Auge trifft, werden sowohl die L-Zapfen als auch, in geringerem Maße, die M-Zapfen angeregt. Die gleiche Anregung erreichen Sie auch, wenn Sie etwa 90 % Rot (640 nm) und 80 % Grün (580 nm) mischen. Im Auge entstehen die gleichen Anregungen der M- und L-Zapfen. Die beiden Farbeindrücke sind nicht voneinander zu unterscheiden.

Obwohl die von Helmholtz’sche Theorie der Farbwahrnehmung im Auge relativ nahekommt, entspricht die Art der Farbmischung mit Rot, Grün und Blau nicht der Art und Weise, wie Menschen Farben empfinden. In der Frage dieser Farbempfindung des Menschen stellte zum Beispiel Goethe⁸ umfangreiche Untersuchungen an. Er verlor sich dabei zum Teil in dem Versuch, Newtons Modell über den Zusammenhang von Licht und Farbe mit Argumentationen zu widerlegen, die einer naturwissenschaftlichen Überprüfung nicht standhalten konnten. Goethes Untersuchungen sind dennoch interessant, weil er aus Beobachtungen der Umwelt mit einem vor das Auge gehaltenen Prisma ein eigenes Farbsystem ableitete. Für Goethe waren Gelb und Blau die einzigen reinen Farben. Grün beschreibt er, da es die Mischung aus Gelb und Blau ist, als im Gleichgewicht befindlich. Auf etwas eigentümliche Art und Weise, deren Erläuterung uns zu weit weg führen würde, kommt in seinem Farbsystem noch Rot hinzu. Goethe beschreibt somit ein System aus den vier Farben Rot, Grün, Blau und Gelb.

Etwa vierzig Jahre nach dem Tod Goethes zog der Psychologe und Hirnforscher Ewald Hering⁹ in seiner „Lehre vom Lichtsinn“ ganz ähnliche Überlegungen an und folgerte aufgrund seiner Beobachtungen, dass sich gewisse Farbkombinationen ausschließen: So kann man zwar von einem bläulichen Rot oder auch gelblichen Grün sprechen, aber ein bläuliches Gelb oder ein rötliches Grün lässt sich nicht beobachten. Diese Farben scheinen sich auszuschließen. Aus solchen Überlegungen und aus den Farbeindrücken, die entstehen, wenn man nach der längeren Betrachtung einer intensiven Farbe auf eine weiße Fläche schaut, entwickelte er das System der Gegenfarbpaare Rot-Grün und Blau-Gelb. Diese bilden laut Hering ein natürliches System der Farbempfindung.

Mittlerweile hat die Forschung gezeigt, dass sich Herings Beobachtungen auch bei der Signalverarbeitung im Auge belegen lassen. Wie in der Grafik dargestellt, werden die Reize der Zapfen so miteinander „verschaltet“, dass schon auf der Retina die beiden Gegenfarbkanäle Rot-Grün und Blau-Gelb sowie ein Helligkeitskanal entstehen¹⁰.

Farbmodelle

Für die praktische Gestaltung mit Farben ist es nötig, dass man Farben benennen oder beschreiben kann. Eine Benennung nur mit Worten wird nicht genügen, denn selbst wenn wir viele Farbwörter hätten, könnten wir uns unter diesen Worten immer noch Verschiedenes vorstellen. Da Farben am Bildschirm durch die Kombination der drei Farben Rot, Grün und Blau erzeugt werden, liegt es nahe, die jeweiligen Intensitäten dieser drei Grundfarben zur Beschreibung von Farben zu nutzen. Hieraus resultiert das RGB-Farbmodell. Bei RGB werden die Intensitäten von Rot, Grün und Blau üblicherweise als Prozentzahlen oder als Werte von 0 bis 255 angegeben. Der Farbraum lässt sich, wie hier zu sehen, als Würfel darstellen.

Das RGB-Modell kann immer dann angewandt werden, wenn Licht direkt von einer Lichtquelle ins Auge fällt und nicht von einem Gegenstand reflektiert wird. Man spricht in diesem Falle von Lichtfarben. Wird Licht hingegen an einer Oberfläche reflektiert, spricht man von Körperfarben. Lichtfarben und Körperfarben haben unterschiedliche Farbmodelle, da die Farbmischungen auf unterschiedliche Art erfolgen: Richtet man einen roten, einen grünen und einen blauen Scheinwerfer auf die gleiche Stelle einer weißen Wand in einem ansonsten dunklen Raum, wird die Wand weiß beleuchtet. Mischt man hingegen aus dem Wasserfarbkasten alle Grundfarben zusammen, ist das Ergebnis nicht etwa weiß, sondern eher schmutzig grau. Bei solchen Körperfarben, die z. B. im Druckbereich eingesetzt werden, wird das CMY(K)-Modell als Gegenstück zu RGB verwendet. Dabei werden Cyan, Magenta und Gelb gemischt. Betrachtet man den oben abgebildeten RGB-Würfel, stellt man fest, dass er auch ein CMY-Würfel ist. Der Nullpunkt für RGB liegt bei Schwarz, der für CMY bei Weiß.

Theoretisch müssten beide Farbsysteme äquivalent sein, sind es in der Praxis jedoch nicht. Da Farbpigmente sich nicht perfekt mischen lassen, sondern einander teilweise verdecken, sind nicht alle Farben darstellbar. Mischt man Cyan, Magenta und Gelb, so ist das Ergebnis nicht Schwarz, sondern ein schmuddeliges Grau oder ein Braun. Aus diesem Grund wird beim Druck zusätzlich Schwarz (K für Key) hinzugefügt, um kontrastreiche Bilder drucken zu können. Mittels der CMYK-Mischung ist es trotzdem nicht möglich, alle RGB-Farben darzustellen. Bilder können daher am Bildschirm und beim Druck unterschiedlich aussehen. Im weiteren Verlauf kümmern wir uns nicht um CMYK, denn Bildschirme sind selbstleuchtend. Ein additives Farbmodell wie RGB ist also gefragt.

HSV und HSL

Das RGB-Farbmodell ist eine gute Beschreibung der technischen Farberzeugung, denn jede am Bildschirm darstellbare Farbe kann als ein Tripel von Zahlen dargestellt werden. Das Modell ist für die Gestaltung jedoch nicht geeignet. Schon die additive Farbmischung ist für das menschliche Empfinden nicht besonders einleuchtend. Kaum jemand würde wohl auf Anhieb darauf kommen, dass die Mischung aus Blau und Gelb Weiß ergibt. Eher würde man wohl entsprechend der subtraktiven Farbmischung von Grün ausgehen. Von diesem Aspekt abgesehen hat das RGB-Modell den grundsätzlichen Nachteil, dass es nur schwer möglich ist, ähnliche Farben zu finden. Farben, die für das Wahrnehmungssystem ähnlich aussehen, haben ganz unterschiedliche RGB-Werte.

Die beiden dargestellten Farben sind Abstufungen voneinander. Sie könnten gut zusammen in einer Nutzungsoberfläche verwendet werden. Betrachtet man jedoch ihre RGB-Werte, erkennt man die Ähnlichkeit der Farben nicht. Die rechte Farbe ist im Vergleich zur linken etwas weniger rot (14 % weniger), nahezu genauso grün (1,7 % weniger), aber fast dreimal so blau (181 % mehr). Man müsste dieser Beschreibung nach annehmen, dass es sich um eine recht bläuliche Farbe handelt. So erscheint sie uns aber nicht.

Das RGB-Modell ist daher für die wichtige Aufgabe, ähnliche Farben zu finden, nicht geeignet. Es gibt aber eine Vielzahl von Möglichkeiten, die RGB-Werte miteinander zu verrechnen und die Farben für unsere Ansprüche praktischer darzustellen. Man könnte zum Beispiel, entsprechend der Hering’schen Ideen, eine Farbe als Kombination der drei Kanäle Helligkeit, Farbtemperatur (blau-gelb) und Tönung (rot-grün) beschreiben. Ein solches Modell ist teilweise im Bereich der Bearbeitung von Fotos hilfreich. Für unsere Zwecke bieten sich jedoch andere Farbmodelle an. Im HSB-Modell etwa, das unten vorgestellt wird, haben die beiden oben gezeigten Farben den gleichen Farbton, allerdings ist die rechte Farbe nur etwa halb so stark gesättigt und minimal dunkler.

Die Idee der Farbmodelle HSB (das auch HSV genannt wird) und dem ähnlichen HSL ist die Beschreibung einer Farbe als Kombination aus einem Farbton, der Sättigung und der Helligkeit. Da es sich um Projektionen des RGB-Modells handelt, sind alle RGB-Farben auch in HSB und HSV darstellbar und umgekehrt. In Bezug auf den Farbton sind die beiden Modelle identisch, ihre Interpretation von Sättigung und Helligkeit ist allerdings unterschiedlich.

Der Farbton (Hue) ist eine Gradangabe im Farbkreis mit der Null-Grad-Marke bei Rot. Dieser Farbkreis besteht größtenteils aus den Regenbogenfarben, die so im Kreis angeordnet sind, dass sich im Kreis gegenüber jeweils die Gegenfarbe befindet. Mit den Regenbogenfarben allein ist der Farbkreis aber nicht komplett, denn, entgegen dem Spruch, dass dem Regenbogen keine Farben hinzuzufügen sind, gibt es Farben, die zwar durch die Mischung anderer Farben erzeugt werden können, für die sich aber keine Wellenlänge von Lichtstrahlen findet, die diesen Farbeindruck direkt hervorrufen könnte. Diese dem Regenbogen fehlenden Farben sind die Purpur- und Magenta-Farben, die aus der Mischung aus kurz- und langwelligem sichtbarem Licht (Rot und Blau) erzeugt werden können.

Ein großer Vorteil des HSB-Farbmodells ist, dass man sich die Farbmischung mit Hilfe von Folien veranschaulichen kann, die in der folgenden Reihenfolge übereinandergelegt werden:

H wie Hue (Farbton): Man wählt eine Grundfolie mit einer Farbe aus dem Farbkreis aus, indem man den Winkel zwischen Rot und der jeweiligen Farbe angibt.

S wie Saturation (Sättigung): Nun wird eine Weiß-Folie hinzugefügt. Die Sättigung wird in Prozent angegeben. Diese bestimmt die Deckkraft. Die 100-%-Folie ist komplett transparent, die 0-%-Folie ist deckend weiß, verdeckt also die zuvor ausgesuchte Farbe vollständig. Alle Folien dazwischen sind teildurchlässig, machen die ausgesuchte Farbe also zu einem bestimmten Grad milchig.

B wie Brightness (Leuchtkraft): Als letztes wird eine Schwarz-Folie aufgelegt. Diese entspricht der Leuchtkraft. Das System funktioniert ähnlich wie bei der weißen Folie. Die 0-%-Folie ist komplett schwarz, die 100-%-Folie komplett durchsichtig.

HSL funktioniert grundsätzlich ähnlich wie HSB. Allerdings sind die Formel und damit die Interpretation von Helligkeit (L) und Sättigung (S) eine andere. Man kann sich die Farbmischung bei HSL besser veranschaulichen, wenn man die Größen in etwas anderer Reihenfolge beschreibt:

H wie Hue (Farbton): Genau wie bei HSB eine Farbe aus dem Farbkreis als Winkel von Rot aus gesehen.

L wie Lightness (Helligkeit): Das Besondere am HSL-Modell ist die Helligkeitsangabe von Schwarz bei 0 % und Weiß bei 100 %.

S wie Saturation (Sättigung): Die Sättigung ist bei HSL ein Mischungsverhältnis zwischen der Farbe in der in L angegebenen Helligkeit und einem Grauton in der gleichen Helligkeit. Eine Sättigung von 0 % ist ein reiner Grauton der Helligkeit L, 100 % die gewählte Farbe der Helligkeit L.

HSL und HSB haben unterschiedliche Vorteile. Der größte Vorteil von HSL ist der unabhängige Helligkeitsregler von komplettem Schwarz bei 0 % bis zu komplettem Weiß bei 100 %. HSB ist in dieser Beziehung komplizierter. Der größte Nachteil von HSL ist das nicht intuitive Konzept von Sättigung. Ein sehr helles Gelb beispielsweise ist kaum zu erkennen und man würde es üblicherweise nicht als gesättigt beschreiben. In HSL ist der S-Wert jedoch hoch. Ganz praktisch spricht für HSL, dass das Farbmodell in der CSS-Spezifikation des W3C verwendet wird. Damit kann im wichtigen Bereich des Webdesigns und der Farbgestaltung von Web-Anwendungen auf HSL zurückgegriffen werden.

Eine wichtige Einschränkung muss übrigens für beide Modelle bedacht werden: HSL und HSB/V betrachten nicht die unterschiedliche Ausstattung des Auges mit S-, M- und L-Zapfen. Eine Änderung des Hue von Blau zu Rot resultiert in einer viel helleren Farbe. Die Empfindlichkeit des Auges für Blau und Violett ist erheblich geringer als für die anderen Farben. Das bedeutet in der Konsequenz, dass es mit HSV und HSL zwar möglich ist, einen Farbton mit verschiedenen Helligkeiten und Sättigungen zu erzeugen. Mit diesem System kann man aber nicht Farben verschiedener Farbtöne mit gleicher wahrgenommener Helligkeit und Sättigung erzeugen. Es gibt Farbräume, in denen dies möglich ist. Ihre Besprechung würde aber über das hinausgehen, was für unsere Zwecke wichtig ist.