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Was bedeutet „akkurate Farbwiedergabe“?

Was wir unter „akkurater Farbwiedergabe“ verstehen? Wie wir Farbe „akkurat“ quantifizieren können? Bevor wir uns diesem Thema zuwenden, möchten wir ein wenig näher erläutern, warum die Quantifizierung von Farbe u. a. für Grafiker, Foto- und Videografen oder die Textilindustrie so wichtig ist.

Bei der Beschreibung einer Farbe bezieht man sich in der Regel auf bekannte Objekte, die typischerweise genau diese Farbe haben. Will man etwa die Farbe Rot beschreiben, kann man beispielsweise auf den Apfel verweisen, aber an welche Apfelsorte denken wir dann? Haben wir automatisch alle denselben Apfel vor Augen? In Abbildung 1 sehen wir mindestens sieben verschiedene Rottöne je nach Apfelsorte. Ganz zu schweigen vom letzten Apfel, der nicht einmal rot ist. Es kommt also zu Abweichungen, wenn wir uns auf bestimmte Gegenstände zur Beschreibung von Farben beziehen. Diese Abweichungen in der Kommunikation gilt es zu reduzieren.

Abbildung 1: Unterschiedliche Apfelsorten

Wir Menschen nutzen gern Zahlen, um Maße und Werte genau anzugeben. So verwenden wir Zahlen, um Länge, Gewicht usw. zu erfassen. Wir bräuchten also eine Möglichkeit, auch Farben in numerischer Form auszudrücken, sodass wir sagen könnten, dass Farbe A und Farbe B gleich sind, weil sie denselben numerischen Wert besitzen. Bereits 1913 definierte die CIE (Commission Internationale de l‘Eclairage) die Tristimulus-Werte (XYZ-Werte) zur Quantifizierung der vom Menschen wahrnehmbaren Farben. Diese XYZ-Werte ergeben sich aus den folgenden drei Attributen: die spektrale Leistungsverteilung der Lichtquelle, das Reflexionsvermögen des Objekts und die Normalbeobachterfunktionen zur Beschreibung der Eigenschaften des menschlichen Sehsystems. Wenn also Farbe A und Farbe B dieselben XYZ-Werte haben, lässt sich feststellen, dass Farbe A und Farbe B gleich aussehen.

Abbildung 2: Formel zur Berechnung von XYZ-Werten

Ein weiterer Vorteil der Definition von Farben in numerischen Werten ist, dass wir Farben auf diese Weise leicht in einem Diagramm mit Koordinatensystem darstellen können. So entstehen Farbräume. Abbildung 3 zeigt die xy-Farbtafel der CIE von 1931, die alle vom Menschen wahrnehmbaren Farben enthält. Dieses Diagramm spiegelt allerdings nicht die Feinfühligkeit des menschlichen Sehsystems wider. Nehmen wir zum Beispiel Blau und Grün. Der Mensch ist sehr sensibel bei Blau und weniger sensibel bei Grün – kommt nur ein wenig Rot hinzu, sehen wir Violett; kommt ein wenig Grün hinzu, nehmen wir Cyan wahr. Dieses Phänomen findet sich in der xy-Farbtafel der CIE von 1931, wie in Abbildung 3 dargestellt, nicht wieder. So wurde 1976 die uv-Farbtafel zur Abbildung des menschlichen Sehvermögens vorgestellt.

Abbildung 3: xy-Farbtafel der CIE von 1931

Abbildung 4: uv-Farbtafel der CIE von 1976

Wir haben nun ein System zur Beschreibung von Farben in numerischer Form definiert.

Die nächste Frage lautet: Wie misst man Farbe?

Mit einem Lineal können wir Länge und mit einer Waage Gewicht messen. Zur Messung von Farben muss zunächst das Licht gemessen werden. Das Messen von Licht ist nicht so einfach wie die Verwendung eines Lineals oder einer Waage, aber es gibt auch hier Instrumente, die helfen. So kann man mit einem Spektroradiometer die spektrale Leistungsverteilung von Licht messen.

Allerdings sind diese Instrumente sperrig, teuer und schwer zu transportieren. Deshalb hat man ein vereinfachtes Gerät namens Kolorimeter entwickelt. Ein Farbmessgerät misst Licht durch eine Reihe von XYZ-Filtern, was im Vergleich zu einem Spektroradiometer zwar zu schnelleren, allerdings auch zu weniger genauen Ergebnissen führt.

* XYZ-Filter: Optische Filter zur Nachahmung der optischen Eigenschaften von XYZ-Werten (Tristimuluswerte) in Bezug auf den Durchlassgrad je Wellenlänge.

Wie bereits erwähnt, kann man sagen, dass Farben gleich aussehen, wenn sie dieselben XYZ-Werte aufweisen. Es gibt aber auch Fälle, in denen die XYZ-Werte nicht gleich sind und die Farben sich dennoch stark ähneln. Wenn wir zum Beispiel helles Licht in einem hellen Raum im Vergleich zu gedimmtem Licht in einem dunklen Raum sehen, sind die jeweiligen XYZ-Werte nicht gleich (aufgrund der unterschiedlichen Lichtintensität), aber die Lichtfarbe scheint in beiden Fällen gleich zu sein. Das liegt an der Anpassungsarbeit unseres Sehsystems. Ein weiteres Szenario ist der Vergleich von Farben von unterschiedlichen Medien. Nehmen wir etwa eine Farbe auf dem Bildschirm und eine auf Papier gedruckte Farbe. Zur Beschreibung des Anpassungsphänomens brauchen wir eine weitere Metrik. Zum Zwecke dieser „Normierung“ wurde schließlich der L*a*b*-Farbraum (s. Abb. 5) entwickelt. Er definiert den hellsten Lichtwert in einer Szene oder einem Medium (z. B. Papier) als 100 und normalisiert alle anderen Farben in der Szene oder dem Medium entsprechend dem hellsten Licht. So kann man nun also Licht mit unterschiedlichen Intensitäten oder Farben aus verschiedenen Medien untereinander vergleichen.

Abbildung 5: L*a*b*-Farbraum

Betrachten wir zwei ähnliche, also nur leicht unterschiedliche Farben, fragen wir uns, wie ähnlich sich diese Farben sind. Ohne numerische Werte zur Darstellung von Farben könnte man schlicht antworten: Ziemlich ähnlich. Aber wie ähnlich sind sie sich genau? Was heißt „ähnlich“? Ist doch die Farbwahrnehmung von Mensch zu Mensch unterschiedlich. Mithilfe des XYZ- oder des L*a*b*-Farbraums lassen sich Unterschiede zwischen Farben messen. Über die Berechnung des Abstands zwischen zwei Farben innerhalb eines Farbraums (meist wird der L*a*b*-Farbraum verwendet) kann ein Differenzwert ermittelt werden. Dieser Differenzwert wird als Farbdifferenz bezeichnet. Für gewöhnlich wird Delta E* zur Bezeichnung von Farbdifferenz verwendet.

Die einfachste Version der Farbdifferenzformel heißt Delta E* 76 (Delta E*ab).

Eine etwas komplexere Formel wird in der Textil- und Grafikindustrie verwendet. Sie wurde 1994 veröffentlicht und lautet Delta E* 94.

Im Jahr 2000 entwickelten Forscher eine neuere Version der Farbdifferenzformel, die die Wahrnehmung des menschlichen Sehsystems realistischer widerspiegeln sollte. Sie lautet Delta E* 2000 (Delta E*00). Aufgrund einer Vielzahl von Forschungsstudien zur Erreichung einer hohen Korrelation zwischen den berechneten Werten und der menschlichen Wahrnehmung ist Delta E*00 mittlerweile zum internationalen Standard geworden und wird für alle wissenschaftlichen Untersuchungen empfohlen.

Wie wir in den obigen Formeln gesehen haben, werden zwei Sätze von L*a*b*-Werten benötigt. Zur Beurteilung der Genauigkeit einer bestimmten Farbe sind ein Satz gemessener L*a*b*-Werte und ein Satz definierter L*a*b*-Werte erforderlich. Die gemessenen Werte erhalten wir mithilfe der oben genannten Instrumente, doch wie erhalten wir die definierten bzw. Standardwerte? Die definierten oder Standardwerte werden anhand von Standardtabellen ermittelt (Abbildung 6). Diese Farbtabellen haben L*a*b*-Werte für alle Farben in der Tabelle definiert, und jede Tabelle wird mit großer Sorgfalt erstellt, damit die Toleranz eingehalten wird. Diese Tabellen können somit als Referenz dienen, da sich die Werte nicht ändern.

Um die Genauigkeit einer Farbe zu beurteilen, wird oft Delta E*00 verwendet. Delta E*00 < 1,00 bedeutet für Experten beim Vergleich zweier Farben keinen erkennbaren Unterschied. Delta E*00 < 3,00 bedeutet, dass es keinen signifikanten Unterschied für den typischen Betrachter gibt. (Mit „Experten“ sind hier Farbwissenschaftler, erfahrene Grafiker, Foto- und Videografen usw. gemeint).

Wir haben also gelernt, wie und wieso Farben mithilfe von Zahlen definiert werden. Außerdem haben wir die Unterschiede zwischen den einzelnen Farbräumen, etwa XYZ und L*a*b*, erläutert. Schließlich haben wir noch gelernt, wie man Farbe misst und Farbunterschiede bestimmt. Anhand von Delta E*00-Werten können wir beurteilen, ob eine Farbe akkurat ist oder nicht.

Abbildung 6-1: Farbtabelle X-rite Classic ColorChecker

Abbildung 6-2: Farbtabelle X-rite Classic ColorChecker SG

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