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Unterabschnitte

5.4 Die Farbe

In der Computergrafik ist die Farbwirkung von besonderer Bedeutung. Durch eine überlegte Farbgestaltung kann der Bildautor bewußt oder auch unbewußt auf den Betrachter wirken, seine Stimmung beeinflussen, seine Gefühle berühren oder auch bestimmte Reaktionen und Assoziationen auslösen. Bevor allerdings die konkreten Aspekte der Farbgestaltung behandelt werden, soll kurz auf die Eigenschaften von Auge und Licht eingegangen werden. Ein weiterführendes Buch ist [Fel91].

5.4.1 Eigenschaften von Auge und Licht

Ein Aspekt der bei der Farbgestaltung berücksichtigt werden muß, ist die Tatsache, daß die Linse des menschlichen Auges die Eigenschaft hat, keine ,,Farbkorrektur`` durchzuführen. Die Linse fokussiert beim Scharfstellen nur auf jeweils einen Wellenlängenbereich. Andere Wellenlängenbereiche (Farben) werden vor oder hinter der Netzhaut abgebildet. Die Farben aus anderen Wellenlängenbereichen erscheinen dadurch unscharf. Dieser Effekt erklärt, warum reine Farben in gleicher Distanz zum Auge unterschiedlich scharf erscheinen. Die Linse bedingt außerdem eine gewisse Insensitivität für den Bereich zyanblau und eine gewisse Sensitivität für den Bereich gelb-orange, da sie im Bereich des blauen Farbspektrums etwa doppelt so stark absorbiert wie im gelb-roten Bereich. Diese ,,Blauschwäche`` wird durch den Aufbau der menschlichen Netzhaut (Retina) noch verstärkt. Die menschliche Netzhaut besteht aus Zäpfchen und Stäbchen, wobei die Zäpfchen, die Fotorezeptoren für das Sehen bei Licht höherer Intensität (bei Tag) und für das Farbsehen sind. Die Stäbchen ermöglichen das Sehen bei Licht niederer Intensität (bei Nacht), wobei keine Farbinformationen wahrgenommen werden (Schwarz-Weiß-Sehen). Zusätzlich befinden sich Stäbchen eher in den Randbereichen der Retina, so daß Bilder bei Nacht eher unscharf wahrgenommen werden. Die Zäpfchen tragen zur Farbwahrnehmung blau-, grün- und gelbsensible Fotopigmente und liegen im Zentrum der Retina. Die Fotopigmente sind nicht nur ungleich über die Zäpfchen verteilt (64 % der Zäpfchen enthalten gelbe, 32 % grüne und circa 2 % der Zäpfchen enthalten blaue Pigmente), auch die Zäpfchen selbst sind ungleich auf der Netzhaut verteilt. Im Zentrum der Retina befindet sich der Grünbereich umgeben vom Gelbbereich, der wiederum vom Blaubereich umgeben wird. Dadurch ist der Effekt zu erklären, daß kleine blaue Objekte verschwinden, sobald sich das Auge auf diese konzentriert. Das für das menschliche Auge sichtbare Licht ist nur ein schmaler Bereich im Spektrum der elektromagnetischen Wellen. Dabei entsprechen die verschiedenen Frequenzen innerhalb dieses Bereichs den verschiedenen Farben. Die Spektralfarben rot, orange, gelb grün, blau, indigo, und violett decken den Bereich des sichtbaren Lichts von 4.3*1014 Hz (rot) bis 7.5*1014 Hz (violett) bzw. von ca. 780 nm bis 380 nm ab, wobei das Auge ungefähr 350 000 verschiedene Farben in diesem Bereich unterscheiden kann.

5.4.2 Licht- und Körperfarben

Die Farben der Gegenstände in der natürlichen Umwelt sind in der Regel Körperfarben. Der Farbeindruck, den der Betrachter von einem Gegenstand erhält, entsteht dadurch, daß ein Teil des Lichts, das auf die Oberfläche des Gegenstands trifft, von dieser reflektiert wird, während der andere Teil absorbiert wird. Dabei bestimmt das übrigbleibende reflektierte Licht die Farbe des Gegenstandes. Ein Objekt, das keine Farbe des Sonnenlichts reflektiert, erscheint daher schwarz. Umgekehrt sieht man einen Gegenstand, der sämtliche Farben reflektiert, in weiß. Körperfarben werden wegen der Absorption (Subtraktion) auch als Subtraktionsfarben bezeichnet. Alle Farbnuancen der Körperfarben lassen sich auf drei Primärfarben reduzieren: Gelb, Magentarot und Zyanblau. Diese Primärfarben zeichnen sich zum einen dadurch aus, daß sie nicht aus anderen Farben gemischt werden können, zum anderen lassen sich aus den Primärfarben sämtliche anderen Farben gewinnen. Lichtfarben stellen im Gegensatz zu Körperfarben selbst das Licht dar. Man geht von Teilchen aus, die als Teil der Lichtquelle, selbst Licht abstrahlen. Bilder auf dem Computermonitor oder Fernseher entstehen durch Lichtfarben. Die Anzeige erfolgt hier durch laufendes Aussenden von Elektronen, die auf die Bildschirmoberfläche treffen und dort ein farbiges Aufleuchten des Phosphors bewirken. Lichtfarben entstehen durch additive Farbmischung. Ursprung dabei sind die drei primären Lichtfarben Rot, Grün und Blau. Die Farbe Schwarz entsteht, wenn keine der Grundfarben aktiv ist. Weiß erhält man durch Mischung aller Grundfarben.

5.4.3 Digitale Farbmodelle

Das RGB-Modell ist das am häufigsten verwendete Modell zur Beschreibung von Farben im Computer. Es handelt sich dabei um ein sogenanntes additives Farbmodell, d.h. die Beiträge der einzelnen RGB-Primärfarben werden addiert und liefern so das Gesamtergebnis. Die Darstellung des Modells erfolgt üblicherweise im Einheitswürfel. Jede Farbe innerhalb des Würfels wird durch ihre ,,Koordinaten``, d.h. durch ihre Anteile an den Grundfarben Rot, Grün und Blau charakterisiert. Zum Beispiel wird die Farbe Gelb als Summe von Rot und Grün dargestellt. Das RGB-Farbmodell orientiert sich an der Hardware. Im Gegensatz dazu basiert das HLS-Farbmodell auf den intuitiven Methoden, die von Malern eingesetzt werden. Anstelle der Angabe der Rot-, Grün- und Blauanteile findet eine Qualifizierung von Farben mittels Farbton (hue), Helligkeit (luminance) und Sättigung (saturation) statt. Dabei wird die Farbe durch den Farbton bestimmt. Er besagt, ob es sich z.B. um einen Blauton, Grünton oder Gelbton handelt. Der Grauanteil einer Farbe wird durch die Sättigung bestimmt. Wird beispielsweise die Sättigung verringert, so erhöht sich der Grauanteil. Bei keiner Sättigung erscheint jede Farbe als Grau. Farben mit nur einem sehr geringem Sättigungsgrad bezeichnet man auch als trübe Farben. Erhöht man den Sättigungsgrad, so erscheint eine Farbe reiner. Der Begriff Helligkeit erklärt sich selbst. Ohne Helligkeit wird jeder Farbton zum Schwarz, und mit maximaler Helligkeit wird jeder Farbton zum Weiß. Das YIQ-Modell wird beim kommerziellen U.S.-Farbfernsehen benutzt. Die Farben werden durch die Farbparameter YIQ beschrieben, wobei Y die Helligkeit darstellt und die Farben in I und Q kodiert sind. Das CMY-Modell benutzt die gleiche Teilmenge des kartesischen Koordinatensystems wie das RGB-Modell, nur liegt jetzt weiß (volles Licht) anstelle von schwarz (kein Licht) im Ursprung. Farben werden nicht dadurch spezifiziert, was zu schwarz addiert wird, sondern was von weißem Licht entfernt (subtrahiert) wird. Verwendet wird das CMY-Modell bei der Ausgabe auf Druckern. Weitergehende Informationen zu den einzelnen Farbmodellen finden sich in den Büchern [Fel91], [FvDF +94] und [Rau93].
  
Abbildung 5.7: links: Das CMY-Modell, rechts: Das RGB-Modell
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5.4.4 Die Farbordnung

Hierbei geht es darum, die Farben zu ordnen und zu klassifizieren. Es gab in der Geschichte zahlreiche Versuche, ein naturwissenschaftliches und objektiv begründbares Ordnungssystem zu schaffen, angefangen von da Vinci (1452-1519), über Goethe (1749-1832) und Munsel (1858-1918), bis hin zu Ostwald (1853-1932) und Itten (1888-1967). Einen Farbkreis, der allen Anforderungen genügt, gibt es allerdings nicht. Ein Ordnungssystem, das auf Pigmentfarben aufbaut, kann zwar den Ansprüchen der bildenden Kunst genügen, aber nicht den Ansprüchen von Video- und Computerkünstlern. Bei einem Farbkreis macht es sich auch bemerkbar, welche Grundfarben gewählt werden. So ist z.B. der vierundzwanzigteilige Farbkreis von Wilhelm Ostwald leicht blaustichig im Vergleich zu dem von Johannes Itten. Ältere Ordnungsversuche werden deshalb immer wieder überarbeitet und z.T. sogar ganz widerlegt.
  
Abbildung 5.8: Der Farbkreis nach Johannes Itten
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Das neueste Ordnungssystem für Farben ist das des Reprotechnikers Harald Küppers. Harald Küppers gilt als Begründer der neuen Farbenlehre. Der Anspruch seiner Farbenlehre ist, daß nichts dem persönliches Ermessen unterliegt und jeder Schritt beweisbar ist. In den technischen Medien hat sich sein Farbmodell bewährt. Küppers Farbenlehre geht von acht Grundfarben aus - den unbunten Grundfarben Weiß und Schwarz und den bunten Farben Gelb, Grün, Zyan, Violett-blau, Magenta und Orangerot. Je weiter entfernt zwei Farben auf dem kreisförmigen Ordnungssystem (Farbensonne) sind, desto größer ist ihr Kontrast zueinander. Küppers Ordnungssystemen läßt sich recht gut in der Computergrafik für die Farbgestaltung heranziehen.

5.4.5 Farbempfindung und Farbpsychologie

Farben können die verschiedensten Reaktionen und Assoziationen im Menschen auslösen. Dabei sind die gemachten psychologischen Empfindungen nicht nur abhängig von den individuellen Erfahrungen, sondern auch durch jahrhundertealte (vererbte) Überlieferungen bestimmt. Im folgenden Abschnitt sollen diese Farbcharaktere näher erläutert werden. Weitergehende Informationen finden sich in [Bru95] und [Mat75]. Grobe Klassifizierungen ordnen die Farbe Rot zu den warmen Farben, während blaue Farbtöne eher den kalten Farben zugeordnet werden. Diese Einteilungen haben ihre Ursache in den mit den Farben verbundenen Assoziationen. Die Farbe Rot steht unter anderem für Feuer und Glut und somit auch für Wärme. Blaue Farben führen zu Assoziationen wie Eis und Schnee. Also zu Erscheinungen, die für Kälte stehen. Diese Warm-Kalt-Empfindungen können zum Teil allerdings sehr subjektiv sein. Sie hängen nicht nur vom Kontext des Bildes ab, sondern auch von der Tagesstimmung des Betrachters. Auf den Betrachter wirken Bildelemente, die in hellen Farben gemalt wurden, leichter als Elemente, die überwiegend dunkel gehalten sind. Dunkle Farben werden von Betrachter im allgemeinen als schwer empfunden. Eine Tatsache, die übrigens auch bei der Gestaltung von Produkten berücksichtigt wird. Durch den gezielten Einsatz von Farbe kann der Bildautor den Blick des Betrachters beeinflussen. Ein Bildteil, der in hellen oder hochgesättigten Farben gemalt wurde, wird beispielsweise länger betrachtet als ein Bildelement in sehr dunklen oder nur sehr schwach gesättigten Farben. Signalfarben z.B. leuchtendes Rot lenken ebenfalls den Blick des Betrachters wie auch Helligkeitsunterschiede. Von den meisten Menschen werden Objekte in hellen Farben zuerst betrachtet und erscheinen deshalb bildwichtiger. Eine Vielzahl von Farben können beim Betrachter gewisse Stimmungen und Gefühle erzeugen. Inwieweit allerdings eine tatsächliche Verbindung zwischen der Farbe und dem ihr zugeschriebenen Farbcharakter besteht, gemessen an den Auswirkungen auf die Psyche des Betrachters, ist sehr schwer festzustellen. Blau gilt z.B. als beruhigend, und man glaubte die Genesung von kranken Menschen durch blaue Räume beschleunigen zu können, was letztendlich zu keinem Erfolg führte. Die Empfindungen sind zu diffus als das man eine feststehende Zuordnung machen sollte. Die unten erfolgte Einteilung sollte daher auch auf keinen Fall als Definition verstanden werden. Ziel dieser Klassifizierung ist es nur, gewisse Grundtendenzen zu jeder Farbe festzuhalten, die bei der Erstellung von Computergrafiken berucksichtigt werden sollten. Zuordnungen von Gefühlen und Stimmungen in der traditionellen Farbsymbolik sind:

5.4.6 Farbkontraste

In der Bildgestaltung wird von einem Farbkontrast gesprochen, wenn zwischen zwei Farbwirkungen Unterschiede bestehen. Werden diese Unterschiede maximal, so spricht man auch von polaren Kontrasten. Solche sind z.B. hellster - dunkelster Farbton oder wärmster - kältester Farbton. Der folgende Abschnitt beschäftigt sich mit den verschiedenen Kontrasten und ihren unterschiedlichen Wirkungen. Dabei sollen nur die wichtigsten Farbkontraste erläutert werden. Sehr ausführlich wird dieses Thema in [Mat75] behandelt. Wird eine reine Farbe in ein ihr gleich helles, graues Quadrat gestellt, so erscheint dieses Grau auf Gelb hellviolett, auf Orange bläulichgrau, auf Rot grünlichgrau, auf Grün rötlichgrau, auf Blau orangegrau und auf Violett gelblichgrau. Zu jeder Farbe erscheint das Grau angetönt von der Komplementärfarbe. Dieses Phänomen bezeichnet man als Simultankontrast. Er läßt sich durch das Bemühen des Wahrnehmungsapparates erklären, eine möglichst deutliche Form- und Farbtrennung zu erzielen. Deshalb ist der Veränderungseffekt auch bei kleinen Flächen intensiver als bei großen. Bei kleinen Flächen ist die Formerkennung erschwert, wodurch der farbliche Unterschied verstärkt wird.
  
Abbildung: Der Simultankontrast bewirkt, daß die graue Fläche auf weißem Grund dunkler und auf schwarzem Grund heller erscheint.
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Der Simultankontrast gibt weiterhin eine Erklärung dafür, daß in der Umwelt selten wirklich neutrale, unbunte Farben gesehen werden. Auch schwarze, graue oder weiße Flächen erscheinen immer leicht farbig, sofern sie sich nicht in einem vollkommen farblosen Umfeld befinden. Darauf ist z.B. bei manchen Darstellungen zu achten, da reine, unbunte Farben sehr leicht steril und unwirklich erscheinen. Der Quantitätskontrast bezieht sich auf die Unterschiede, die zwischen den Flächenausmaßen verschiedener Farbflächen bestehen. So erscheint ein schmaler blauer Streifen auf einer großen orangen Fläche nur noch dunkel, umgekehrt ein kleiner oranger Fleck auf blauem Grund nur noch hell. Den Farben kommen also unterschiedliche optische ,,Gewichte`` oder ,,Kräfte`` zu. Goethe hat als erster versucht, die unterschiedlichen Gewichte der Farben zu bestimmen und kam auf die Reihenfolge Gelb:Orange:Rot:Grün:Blau:Violett = 9:8:6:6:4:3. D.h. Gelb hat dreimal soviel Gewicht wie Violett, weshalb Violett dreimal soviel Fläche benötigt, um gleichwertig zu erscheinen. Der Komplementärkontrast ergibt sich, wenn zwei im Farbkreis gegenüberliegende Farben wie z.B. Rot und Grün, Orange und Blau, Gelb und Violett etc. nebeneinander angeordnet werden. Derartige Farbpaare ergänzen sich bei Körperfarben zu Schwarz und bei Lichtfarben zu Weiß. Auf den Betrachter wirken solche Kompositionen sehr stabil. Der Buntkontrast besteht zwischen drei und mehr gesättigten Farben, zwischen deren Farbcharakteren möglichst große Unterschiede bestehen. D.h. es sind Farben, die auf dem Farbkreis relativ weit auseinander liegen, wie z.B. Gelb, Rot und Blau. Kombiniert man jede dieser drei Farben, so unterliegt zunächst jede Farbe dem Simultankontrast, dessen Wirkung jedoch durch die Simultankontrastwirkung, welche durch die dritte Farbe hervorgerufen wird, praktisch aufgehoben wird. Statt dessen tritt eine Verstärkung der Buntkraft jeder einzelnen Farbe auf. Der Buntkontrast ist ein sehr auffälliger Farbkontrast, der deshalb auch besonders bei Signaltafeln bzw. Flaggen und Warnschildern verwendet wird. Nicht nur mit dem Buntkontrast lassen sich Farbwirkungen mit einer starken Dramatik erzeugen, sondern auch Farben, die dem gleichen Farbton angehören, können kontrastieren, wie z.B. Hellblau, Mittelblau und Dunkelblau. Kontraste, die sich auf Nuancen innerhalb einer Skala beziehen, nennt man Tonwertkontraste. Der Qualitätskontrast betrifft die Unterschiede an Leuchtkraft der Farben. Soll die Intensität einer Farbe verstärkt werden, so kann das erreicht werden, indem eine schwächere Farbe zum Vergleich gegeben wird, z.B. bei gesättigten Farben durch die Nachbarschaft zu aufgehellten, blassen, abgedunkelten oder getrübten Farben. Eine Sonderform des Qualitätskontrastes ist der Unbuntkontrast. Eine farbige Fläche, die von einer weißen oder schwarzen Fläche umgeben wird, wirkt auf den Betrachter intensiver. Die unbunte schwarze oder weiße Fläche besitzt keine Buntkraft, so daß die farbliche Intensität der Kontrastfarbe alleine wirkt. Es entsteht eine ähnliche Farbwirkung wie beim Komplementärkontrast.

5.4.7 Strategien für die Farbgestaltung

Eine gelungene, harmonische Farbgestaltung sollte auf einer Methodik aufbauen. Sie sollte die Handschrift einer Person aufweisen und aus einer Gestaltungsidee entstanden sein. Dieses Ziel kann durch vorgefertigte Materialbibliotheken nur sehr schwer erreicht werden. Standardbibliotheken bieten in der Regel nur Farben, die aus unterschiedlichsten Quellen zusammengetragen wurden. Deshalb sollte der Bildautor alle Farben, die für ein Projekt benötigt werden, selbst mischen. Dabei sollten folgende physiologische und ästhetische Gesichtspunkte beachten werden: Eine Farbkomposition mit Farbtönen unterschiedlicher Sättigungsgrade wirkt auf den Betrachter in der Regel unausgewogen. Bei der Gestaltung sollten eher Farbtöne verwenden werden, die den gleichen Sättigungsanteil aufweisen. Eine derartige Farbkomposition wirkt auf den Betrachter wesentlich ausgeglichener. Dasselbe gilt für Farben mit gleichem Helligkeitsanteil. Die Farbe eine Objekts kann die Größe beeinflussen, mit der das Objekt wahrgenommen wird. So wird z.B. ein rotes Quadrat größer wahrgenommen als ein gleich großes grünes Quadrat. Durch diesen Effekt ordnet der Betrachter dem roten Quadrat unter Umständen mehr Bedeutung zu als dem grünen. Aufgrund physiologischer Ursachen kann ein Mensch auf einen Blick maximal 7 $\pm$ 2 Objekte erfassen. Zu viele Farben, die unterschiedliches bedeuten, würden daher die menschliche Aufnahmefähigkeit überfordern. Blickt der Betrachter für eine Zeit lang in einen großen Bereich stark gesättigter Farben und richtet dann die Augen auf eine andere Stelle, so sieht er ein Nachbild des großen gesättigten Bereichs. Dieser Effekt wirkt auf den Betrachter mitunter beunruhigend und belastet zudem die Augen. Daher sollte bei der Gestaltung auf große Flächen in satten Farben verzichtet werden.
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Dietrich Boles
1998-12-23