RGB

Der RGB-Farbraum (Rot-Grün-Blau) ist ein Maßraum in dem eine (vom jeweiligen Zweck definierte) Untermenge aller wahrnehmbaren Farben durch drei Koordinaten ?Rot?, ?Blau? und ?Grün? definiert wird. Die Definition dieser mathematischen Konstruktion ergibt sich aus technischen Voraussetzungen (meist Geräten) bei denen Farbreize durch drei Stoffe, drei Vorgänge erzeugt werden. Diese Bedingungen bilden im möglichen Gesamtsystem RGB-Farbraum einen Arbeitsraum (en: working space) oder je nach Betrachtungsweise verschiedene RGB-Räume, die gleicherweise aufgebaut sind.

Technische Basis:

Der RGB-Farbraum wird benutzt für Systeme mit emittierenden Lichtern, die dem additivem Farbmodell unterliegen. (Lichtmischung). Nach Graßmanns Gesetzen lassen sich Farben durch drei Angaben definieren, im RGB-Farbraum sind dies Rot-, den Grün- und den Blauanteil. Mögliche Eckpunkte (im umfassenderen CIE-Farbraum) für diese drei Anteile sind an das konkrete technische System gebunden für das der jeweilige Farbraum definiert wurde.

 

sRGB (Standard-RGB) wurde für Monitore entwickelt, deren farbgebende Basis sind drei Phosphore (Leuchtstoffe). Solch ein Stoff gibt beim Auftreffen von Elektronen ein Spektrum von Licht ab, dabei sind geeignete Phosphore solche mit schmalbandigen Emissionen bei Wellenlängen im Bereich der Wahrnehmungsqualitäten Blau, Grün, Rot. Der Betrachter bekommt den im RGB-Farbraum definierten Farbeindruck (bei genügendem Abstand vom Bildschirm gehen die Pixel additiv in einander über). Die Intensität des Anregungsstrahls entspricht dem Tripel im RGB-Farbraum und kann beispielsweise als Dezimalbruch (0 ... 1 oder 0% ... 100%) oder diskret mit 8 Bit pro Kanal (0 ... 255) angegeben werden (8-Bit-TIFF). Je nach Anwendungsart sind dabei bestimmte Wertdarstellungen bevorzugt.

 

Mit den durch größere Speichermedien technisch möglichen 16 Bit pro Kanal kann man Tonstufen noch feiner abbilden, je von 0 bis 65535 (216), also insgesamt 281 Billionen Farben (16-Bit-TIFF, 16-Bit-PNG). Gute technische System können allerdings mehr Farben wiedergeben als der Mensch wahrnehmen kann, selbst der trainierte Mensch kommt nur auf etwa 500 000 Farbnuancen. Für spezielle Anwendungen sind 16bit-Werte allerdings durchaus notwendig: Auswertung in der Röntgendiagnostik.

 

Die Unterscheidungsschwelle für Farben lässt sich am Bildschirm feststellen indem man die Hintergrundfarbe von zwei großen, nicht durch Linien getrennten Flächen zum Beispiel mittels CSS-Programmierung von Gleichheit bis zu Erkennbarkeit ändert.

 

Die Farbwiedergabe in Fällen wie Farbbilder vom PC-Drucker, Farbfotos auf Silberhalogenidbasis, der Druck einer Illustrierten, Farbbilder in Büchern geschieht durch Remission auf der präsentierenden Flächen. Hier gelten somit die Gesetze der substraktiven Farbmischung, für die der CMY-Farbraum entwicklet wurde, wegen der Farbtiefe üblicherweise mit Schwarz für Farbtiefe als CMYK-Farbraum.

 

Die Darstellung des RGB-Farbraumes erfolgt zwar weniger anschaulich als bei anderen Farbräumen, im kartesischen Koordinatensystem als Würfel. Die Abbildung zeigt links den Blick auf die Rückwand, in der Mitte den Aufblick, rechts einen Einblick ins Innere. Rot-, Grün- und Blau-Anteile folgen den Achsen in den restlichen Ecken ist Gelb, Magenta, Cyan zu finden. Am Koordinatenursprung: R=G=B=0 befindet sich Schwarz , über die Raumdiagonale Weiß.

Grundlagen:

Die Theorien und praktische Forschung über die Farbwahrnehmung führt zur Dreifarbentheorie aus deren Überlegungen der Farbraum unmittelbar aufgebaut ist. Additive Farbmischung führt bei gleicher (voller) Intensität der drei Grundfarben zu Weiß. Praktisch begrenzt wird diese Aussage allerdings dadurch das die farberzeugenden Leuchtstoffe oder Filter eine spektrale Verteilung besitzen und die Farbrezeptoren des menschlichen Auges eine andere spektrale Verteilung.Das farbige Feld des XYZ-Raumes steht für die Menge aller mit dem menschlichen Sehsinn sichtbaren Farben. Das CIE-Normvalenzsystem ist der in mathematische Form gebrachte Farbkörper nach Rösch. Über ICC-Profile werden den Farbeingabe- und Farbausgabegeräten (Monitor, Scanner, Drucker) die jeweils notwendigen Farbräume (RGB, CMYK) transformiert. Diese Transformation ist aber nicht eineindeutig möglich. Der materiell jeweils realisierbare RGB-Farbraum liegt auf der Farbarttafel, genauer im CIE-Farbraum innerhalb eines Dreiecks. Ein solches Dreieck ist in der nebenstehenden Darstellung schwarz umrandet. Durch unterschiedliche Umformungen (meist als 3x3-Matrix) der Zahlenwerte und mittlerweile bessere technische Verfügbarkeit gibt es verschiedene unterschiedlich definierte und normierte Varianten (s-RGB, Adobe-RGB, Bruce-RGB).

 

Die Eckpunkte des RGB-Farbartdreicks sind nicht willkürlich gewählt, sondern durch die Verfügbarkeit von Leuchtstoff-Kristallen definiert, die die jeweils definierten drei (Grund-)Lichtfarben erzeugen können. ein Grund: Farben, auch Koordinaten in Messräumen, sind kontinuierlich, aber Substanzen sind diskret. Beispiele solcher Anregung (Emission) der Leuchtstoffe sind die Bildröhre eines Farbfernsehgerätes, eines Computer-Monitors. Auf diesen Leuchtflächen erzeugen auftreffende sehr schnelle Elektronen (Kathodolumineszenz) die Abgabe der wahrgenommenen Farben, in entsprechender Entfernung also Farbfläche. Farbwerte außerhalb des benannten Dreiecks können natürlicherweise mit einer Bildröhre nicht dargestellt werden. So fehlen die kräftigen, satten Grünwerte. Auch das spektralreine Rot fehlt im RGB-Raum.

 

Flachbildschirme besitzen keine Bildröhre und erzeugen die Farben durch elektrische Feldanregung. Andere Leuchtstoffe bedingen eine andere Lage des RGB-Dreiecks (dargestellt auf der xy-Farbsohle). Technische Anforderung ist es, die Lage der Diagramm-Eckpunkte für LC-Display möglichst an die Lagee in Bildröhren anzupassen. Sonst werden insbesondere Farbnuancen zwischen Rot und Gelb (orange) auf unterschiedlichen Geräten merklich verschieden dargestellt. Eine Vorstellung, welche Abweichungen durch verschiedene hersteller und unterschiedliche Einstellung entstehen, gewinnt man beim Besuch der Fernseherabteilung des nächstgelegenen Einkaufcenters.

Anwendung:

Das Prinzip wird bei Farbbildschirmen eingesetzt. Bei digitalen Kameras, Scannern und Camcordern mit Bildwandlern in sogenannter 3-Chip-Technik wird bei der Erzeugung von RGB-Signalen für jede der drei Primärfarben ein eigener Bildwandler eingesetzt. Für Geräte mit nur einem Bildwandler werden meist sogenannte Bayer-Sensoren eingesetzt (Ausnahme Foveon-X3-Sensor), bei denen jeder Bildpunkt nur eine Farbe aufnimmt. Die beiden jeweils fehlenden Farben werden aus den Nachbarbildpunkten interpoliert.

 

In der Computertechnik wird für die Intensität der Anregung häufig ein Byte (entspricht 8 Bits) für einen Farbanteil verwendet. Der Wertebereich jeder Farbe (in Rot, Grün, Blau) zu 28 und reicht von 0 bis 255, wobei 0 für die geringste und 255 für die höchste Intensität steht; für jeden Farbkanal lassen sich 256 Abstufungen angegeben. Es können also 3 x 8 Bit = 256 · 256 · 256 = 16.777.216 unterschiedliche Farben dargestellt werden. Diese Darstellung wird bei PCs auch als True Color bezeichnet. Seit Anfang der 1990er Jahre können Grafikkarten True Color darstellen. (24-Bit-Technik)

igentlich hat jedes Gerät seinen Geräte-RGB-Farbraum, der aber üblicherweise zulässig innerhalb des genormten Farbraumes liegt. Individuelle Farbdifferenzen sind: durch Gerätetyp, Hersteller, Verarbeitungs- und Produktionseinflüsse, durch Alterung. Hierfür gibt es (in bestimmten Grenzen) Möglichkeiten der Anpassung. Diese Methoden werden als Colormanagement zusammengefasst. Eine Mindestanpassung ist die Gammakorrektur. Soweit sich die Geräteparameter nachstellen lassen ist eine Anpassung des Gerätes an die genormten Größen möglich. Für höherwertige Anforderungen wird das Gerät individuell ausgemessen und über 3*3-Matrizen oder spezielle Listen (LUT = Look-up-Table) die Zuordnung von Geräte R-G-B-Tripel mit dem Forderungstripel verknüpft.

 

Für digitale Bilddaten eignet sich der RGB-Farbraum ausschließlich für die Darstellung am Bildschirm und den verwandten gerätetypen. Bilddaten für den Druck (Offsetdruck, Siebdruck, Digitaldruck) sind in einem subtraktiven Farbmodell zu reproduzieren (CMY, CMYK). Die Umrechnung von RGB in CMY ist dabei ein Wissensgebiet, das durchaus noch in der Entwicklung ist (verwiesen sei hierfür auf die ICC-Profile).

 

Das RGBA-Farbmodell ist im eigentlichen Sinn kein Farbmodell, sondern eine Erweiterung des RGB-Modells durch den (vierten) Kanal Alpha. Diese α-Komponente bestimmt die Transparenz eines Pixels, die für Überblendeffekte eine Rolle spielt. Wird ein Bild mit einem neuen Bild überschrieben, fließen die Informationen des Urbildes auf diese Art mit in das neue Zielbild ein. Die Alphakomponente bestimmt daher, wie durchsichtig das entsprechende Pixel des Bildes sein soll. α=0 steht für völlige Transparenz, α=1 bezeichnet völlige Lichtundurchlässigkeit.

 

Der RGB-Farbraum ist letztlich eine Darstellungsform für Farben. Durch geeignete Transformationen kann man alle Farbräume ineinander überführen. Dabei stellt sich allerdings bei einigen Transformationen heraus, das eine Bereiche umfassenderer Farbräume nur auf den Rand begrenzterer Farbsystem abgebildet werden können, Transformationen sind also nicht immer umkehrbar. So gelingt auch eine Verzerrung des RGB-Farbraumes auf den Rhomboeder, den Farbenraum der Farblehre nach Küppers.

Grenzen:

Grenzen in der Anwendung findet dieser Farbraum in wahrnehmungsphysiologischen Problemen.

 

* Im RGB-Farbraum sind nicht alle Farbvalenzen enthalten: insbesondere Spektralfarben erfordern negative Wiedergabeanteile (Äußere Farbmischung), das wäre fehlendes Licht. Dies ist natürlich nicht möglich. Bei optischen Untersuchungen wird dieser Mangel durch zusätzliches Vergleichslicht behoben.

* Farbwahrnehmung ist nicht unabhängig von der absoluten Helligkeit. Die Erregung der Zapfen erfordert eine Mindestlichtmenge (=eine Mindestanzahl an Photonen), wird diese unterschritten nehmen die Stäbchen nur Hell-Dunkel-Reize war. Ab einer bestimmten Leuchtdichte kommt es auch zu Blendungen, die ebenfalls das System der Farbrezeptoren stört.

* Farbwahrnehmung ist auf der Netzhaut nicht gleich verteilt, periphere Bereiche sehen anders als das zentrale Gesichtsfeld (gelber Fleck).

* Farbwahrnehmung hängt von Umgebungslicht und Umgebungsfarbe ab (siehe Weißabgleich und Wahrnehmungstäuschungen).

* genetische Unterschiede beim Farbsehen, Farbfehlsichtigkeiten bis zu Farbunfähigkeit beeinträchtigen die Vergleichbarkeit. So kann geringere Empfindlichkeit einer Zapfenart durchaus zu besserer Unterscheidung in bestimmten bereichen des RGB-Farbraumes gegenüber Normalsichtigen führen.

 

Zwei technische Angaben, die für eine exakte Wiedergabe eines Farbtones erforderlich sind:

 

* Die Lage der vollangeregten Grundfarben: Rot, Grün, Blau und die Lage des 1:1:1-Punktes (Weißpunkt oder Referenzweiss bei voller Intensität. (?Mitte? des xy-Farbartdiagrammes)

 

* Abhängigkeit zwischen Spannung der Anregungsstrahlung (etwa Kathodenstrahlung) zum Farbergebnis und der abgegebenen Lichtleistung (angenähert durch Gamma, genaue Angabe durch eine Funktion abhängig von der angelegten Spannung). Der logarithmische Zusammenhang zwischen Farbvalenz und Farbreiz, wie er von Ewald Hering bestimmt wurde, geht in diese Formel ein.

 

* Welche RGB-Norm wurde eingesetzt.

 

Die beiden ersten technischen Angaben sind in Normen für alle Hersteller festgelegt, allerdings in Amerika (FCC, ATSC), Europa (EBU) und Japan unterschiedlich.

 

Ein RGB-Farbraum ist ein auf wenige, definierte Parameter begrenzter Ausschnitt der Wirklichkeit. Die Wahrnehmung eines ?bunten? Lichtes, einer ?Oberfläche? umfasst weitere Effekte. So könnte die Definition einer Farbe durch drei Zahlen die falsche Erwartung wecken, eine Farbe wäre in ihrer Wahrnehmung absolut bestimmt. Tatsächlich ist die Farbwirkung einer numerisch bestimmten RGB-Farbe dagegen vom konkret vorhandenen technischen System abhängig, das diese Farbe wiedergibt oder aufnimmt und auch von den internen und externen Umgebungsbedingungen.

 

Ein Beispiel: Die Farbwerte 100 % Rot, 50 % Grün und 0 % Blau (rgb=#255,127,0) ergeben ein Orange, die Nuance des Orange kann auch bei guter Voreinstellung auf verschiedenen Wiedergabegeräten sehr unterschiedlich aussehen (CRT und TFT).

 

Ist der genaue Farbraum des Aufnahmesystems und der Farbraum des Wiedergabesystems bekannt und bleibt konstant, kann durch eine Umrechnung des Farbraumes eine dem Original weitgehend angenäherte Darstellung erreicht werden. Probleme bereiten Displays, die variierende, wie richtungs- oder temperaturabhängige Farbdarstellung aufweisen.

 

Um vorhersagbare Farben in RGB-Systemen zu erhalten, ist der Einsatz von Farbkorrekturmethoden nötig. Es finden Profile Verwendung, die beschreiben wie Farben aussehen und damit den Geräte-Farbraum (für verschiedene Geräte) umrechenbar machen. Typische Farbprofile (Betriebs-RGB-Räume) sind sRGB (standard RGB) oder Adobe-RGB für allgemeine Computerperipherie wie Monitore und Digitalkameras und ECI-RGB für den Einsatz im grafischen Gewerbe (zum Beispiel professionelle Bildbearbeitung). Ein angestrebtes Ziel ist der Wide-Gamut-RGB der einen maximal erreichbaren Farbumfang definiert, der zu seiner Darstellung noch der Lösung harrt. Für Transformation innerhalb des RGB-Farbraumes, also zwischen Betriebs-RGB-Räumen oder auch zwischen Geräte-RGB-Räumen werden 3x3-Matrizen genutzt. Eine andere Möglichkeit sind LUT (Look-up-Tables) die in Listenform Wertezuordnungen (Transformationstabellen) von {R,G,B}Quelle auf {R,G,B}Ziel enthalten. Zwischen den Stützstellen kann linear interpoliert werden. ICC-Profile sind solche (standardisierten) Hilfsmittel.

 

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