Fa rba t- an ten YON HANS IRTEL. Welches sind die Eigenschaften, nach denen man die Farben systematisch

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1 Fa rba t- an ten Es ist eine besondere Kunst, aile Farben so aufzufohren, dass entweder die physikalischen Verhaltnisse oder die menschlichen Farbempfindungen getreu wiedergegeben werden - oder im Idealfall beides. YON HANS IRTEL er Druck zum Beispiel dieser :- die Fiirbung yon Garnell, die Lackierung yon Autokarosserien octet die Qualitatskontrolle yon Tafelobst - wo imrner man sich prazise tibet Farben yerstiindigen muss, entsteht das Bedtirfnis, aile tiberhaupt wahrnehmbaren Farben in eine systematische Anordnung zu bringen. Eine solche Anordflung ist dann besonders instruktiy, wenn jeder Farbe ein Punkt in einem - eigens konstruierten - abstrakten Raum entspricht und iihnliche Farben nahe beieinander liegen. Diesen Raum gilt es in einet Serle yon "Landkarten" wiederzugehen: eben einem Farbatlas. Es ist zunachst nicht selbstyerstiindlich, sondem ein Ergebnis der Wahrnehmungspsychologie, dass fur einen solchen Farbatlas drei Dimensionen ausreichen: Jede tiberhaupt mogliche Farbe lasst sich dutch drei zahlenmabige Attribute beschreiben. Aus dieser "Dimen- Her- sionsthatsache", wie mann yon Helmholtz ( ) es nannte, folgt insbesondere, was die MaIer schon seit Jahrhunderten wissen: Nahezu aile Farben sind aus drei geeignet gewahlten "Primarfarben" zusammenmischbar. s Welches sind die Eigenschaften, nach denen man die Farben systematisch anordnen konnte? In der Umgangssprache charakterisieren WiT Farbell auber dutch ihre Namen auch dutch ihre Helligkeit (helles octet dunkles Griin) und ihre Sattigung (blasses octet kriiftiges, "sattes" Blau). Ordnet man die Farben selbst entlang einer Skala namens "Farbton", so ergeben sich insgesamt drei Dimensionen ftir einen Farbatlas, der vorrangig auf den wahrgenomrnenen Eigenschaften der Farben basiert. Der amerikanische Maler Albert H. Munsell ( ) hat als Erster einen solchen Farbatlas entwickelt. Modeme Varianten benutzen die Bezeichflung HSB wie hue, saturation, brightness (Farbton, Sattigung und Helligkeit). Eine andere Moglichkeit, Farbell zu klassifizieren, geht van Die Farbenpyramide von Johann Heinrich lambert (1772) demonstriert als eines der ersten Farbordnungssysteme die Notwendigkeit der Anordnung von Farben im Raum. Die einzelnen Farbproben wurden durch Mischung farbiger Wachse in ganzzahlig abgestuften Anteilen hergestellt den physikalischen Eigenschaften des Lichtes aus. Isaac Newton ( ) hatte gegen Ende des 17. Iahrhunderts erkannt, dass weibes Licht aus Strahlung unterschiedlicher "Brechbarkeit" zusammengesetzt ist und dass sich durch Uberlagerung yon Lichtem unterschiedlicher Farbe neue Farbtone ergehen. Auf den Prinzipien dieser additiyen Farbenmischung basiert eine zweite Gruppe yon Farbatlanten, darunter die Normfarbtafel der Intemationalen Beleuchtungskommission (Commission internationale de l'eclairage, CIE), die auch Grundlage des DIN-Normfarbsysterns ist. Physikalische Prinzipien oder Farbempfindung als Grundlage? Eine dritte Gruppe yon Farbsystemen baut auf empfindungsmiibigen Beziehungen yon Farben untereinander auf. Ihr Ausgangspunkt ist die Beobachtung, dass wir die Farbtone Rot, Griin, Blau und Gelb als reine Farben empfinden, die keine anderen Farbtone enthalten, wahrend tins etwa Orange sowohl Gelb als auch Rot zu enthalten scheint. Dariiber hinaus sind Rot/Griin und Blau/Gelb Gegensatzpaare in dem Sinne, dass niemals beide Farben aus einem Paar gleichzeitig in einer Farbe enthalten sind. Es gibt zwar gelbliches Rot, aber kein gelbliches Blau und kein griinliches Rot. Diese Beziehungen bilden heute die Grundlage des schwedischen "Natural Color System" (NCS). Wie passen die physikalische Klassifizierung einerseits und die empfindungsgemiibe andererseits zusammen? Das im Auge absorbierte Licht besteht aus elektromagnetischer Strahlung mit Wellenliingen zwischen 380 und 740 Nanometer. Das Spektrum eines Lichtes ist die Funktion, die zu jeder Wellenliinge angibt, wie stark die Strahlung dieser Wellenliinge im Gemisch yertreten ist. Die spektrale Zusammensetzung bestimmt die Farbe, mit der wir ein Licht wahrnehmen. 22

2 Farbkreisel mit aufsteckbaren Farbscheiben. James Clerk Maxwell konstruierte damit um 1850 die erste wissenschaftlich fundierte Farbtafel. 1m kleinen Bild das Prinzip des Maxwellschen Farbkreisels "Qi - t:: ro t::,:;,... 0,8 0,7 0,6 0,3 0,2 0,1 00 Aber sie ist etwas sehr Komplexes. Selbst wenn wit den Bereich aller Wellenlangen des sichtbaren Lichtes in Bander yon je 10 Nanometem Breite zerlegen und unterstellen, es komme nut auf die Durchschnittswerte innerhalb eines jeden solchen Bandes an, brauchen WiT immer noch 35 Zahlen, urn das Spektrum eines Lichtes hinreichend genau zu beschreiben. Das sind weitaus mehr als die drei Zahlen, die nach der "Dimensionsthatsache" zur Beschreibung einer Farbwahmehmung ausreichen. Es muss also Spektren geben, die physikalisch yerschieden sind, abet gleich aussehen. Solche Spektren nennt man "metamer". Tatsachlich gibt es zu jeder wahmehmbaren Farbe, sprich zu jedem Oft in einem Farbatlas, eine sehr grobe Menge metarnerer Spektren. Bei farbigen Oberflachen oder Pigmenten kann dagegen tibet Metamerie nut gesprochen werden, wenn die Beleuchtung bekannt ist. Eine nicht selbstleuchtende Oberflache wild dutch ein so genanntes Rernissionsspektrum be- 550 schrieben; das ist eine Funktion, die zu jeder Wellenlange angibt, welcher Anteil des eingestrahlten Lichts dieser Wellenlange reflektiert wird. Die Strahlung, die wir sehen, ist das Produkt ails Beleuchtung und Remission. Streng genommen findet also bei clem, was man allgemein Endpunkten enthiilt 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Rotanteil Energie bei Wellenlan- "subtraktiye Farbmischung" nennt (beim Mischen yon Farbstoffen oder beim Uberlagern yon Filtern), keine Subtraktion, sondem eine Multiplikation (mit Zahlen kleiner als I) statt. Es kann nun yorkomrnen, dass zwei Pigmente bei einer bestimrnten Beleuchtung metamere Lichter reflektieren, bei einer anderen aber nicht. So konnen zwei Textilien linter Gliihlampenlicht gleichfarbig aussehen und linter Beleuchtung mit Leuchtstoffrohren yerschieden. Newton hatte nicht nur entdeckt, dass die Farbe des Lichts mit seiner Brechbarkeit zusamrnenhangt und dass schon die Uberlagerung yon zwei geeignet gewahlten farbigen Lichtstrahlen weibes Licht ergeben kann; er hatte auch schon die "Schwerpunktregel" formuliert, nach der sich das Ergebnis einer Mischung zweier Lichter so berechnen lasst wie der Schwerpunkt einer Linie, an deren Enden Gewichte angebracht sind, die der Intensitat der Lichter entsprechen. Der weitere Fortschritt wurde durch zwei Dinge behindert: Erstens konnte man die Prismen und Linsen fiir spektra- Ie Zerlegungen noch nicht mit ausreichender Prazision fertigen, und zweitens war yielen Farbforschem damals der Unterschied zwischen der (additiyen) Mischung yon Licht und der (subtraktiyen) Mischung yon Farbpigmenten nicht kiar. Erst in der Mitte des 19. Jahrhunderts wurde die erste Farbtafel auf der Grund- 23

3 " B Ein Farbkreis nach Michel-Eugene hevreul (hier in einer englischen Ubersetzung), in dem die benachbarten Farbproben aile den gleichen Abstand haben sollen lage additiver Farbmischung systematisch konstruiert. Die Grundlage alter derartigen Farbsysteme ist die Invarianz del Farbempfindung gegentiber additiver Mischung: Sehen zwei Lichter unterschiedlicher spektraler Zusammensetzung gleich aus und addiert man zu beiden das gleiche dritte Licht hinzu, so sehen auch die Mischungen gleich aus. Der Mathematiker Hermann GraBmann ( ) erkannte Mitte des 19. Jahrhunderts, class man wegen diesel - empirisch gefundelien - Invarianz mil Farben so rechnen kann wie mil Vektoren. Ein nach diesem Prinzip konstruierter Farbraum ordnet nicht nut jedem Licht einen Farbort zu, sondem er1aubt es auch, den Farbort einer additiven Mischung aus den Farborten del Komponenten zu berechnen, wie Newton das bereits mil Hi1fe seiner Schwerpunktregel vorweggenommen hatte. Zur Konstruktion einer Farbtafel dieset Art gentigt es, empirisch den Farbort in del Farbtafel ftir gewisse "elementare" Lichter zu bestimmen. Die Farborte aller anderen Lichter konnen dann aus del Kenntnis ihrer spektralen Zusammensetzung mil Hilfe del Additivitat berechnet werden. Als elementare Lichter kann man mil hinreichender Genauigkeit 35 "monochromatische" Lichter wiihlen, das heibt solche, die nut Wellenlangen in jeweils einem del oben angeftihrten Ban- der yon 10 Nanometem Breite enthalten. Fiir die subtraktive Farbenmischung dagegen gilt, wie oben schon erwiihnt, keine entsprechende Invarianzeigenschaft: Wenn zwei Lichter mit verschiedenen Spektren gleich aussehen, und man betrachtet beide durch das gleiche Farbfilter, werden sie in der Regel nicht wieder gleich aussehen. Subtraktive Mischung ist im dreidimensionalen Farbraum nicht darstellbar und daher als Grundlage eines Farbsysterns ungeeignet. Der Erste, der systematisch versuchte, eine Farbtafel durch additive Mischung zu konstruieren, war der schottische Physiker James Clerk Maxwell ( ). Zum Erzeugen additiver Mischungen benutzte er einen Farbkreisel (Bild vorige Seite oben), eine rotierende Scheibe, deren Sektoren aus unterschiedlichen Farboberfliichen bestehen. Durch die Rotation wechseln die Farbsektoren so schnell, dass im Auge auf Grund seines begrenzten zeitlichen Auflosungsvermogens praktisch eine additive Farbmischung stattfindet. Farbempfindungen messen mit dem Maxwellschen Kreisel Maxwells Kreisel enthalt zwei konzentrische Scheiben. Die aubere besteht ails drei Sektoren rnit den Primarfarben Rot, Blau und Gron, die innere ails zwei Sektoren rnit WeiB und Schwarz; die GroBe del Sektoren ist veranderlich. Zuerst Wild bestimmt, welche GroBe die drei auberen Sektoren haben mussell, darnit ihre Mischung genauso aussieht wie ein Grau ohne irgendeinen Farbstich. Dann Wild das Verhaltnis del inneren Sektoren so geandert, dass das entstehende Grau dem del auberen Scheibe gleicht. Darnit sind sozusagen die Primarfarben geeicht. Will man jetzt den Ort einer neuen Farbe im Farbraum bestimmen, so ersetzt man den Sektor rnit del Primarfarbe, die del neuen Farbe am iihnlichsten ist, durch einen Sektor rnit del neuen Farbe und justiert wiederum die Sektofen so ein, dass innere und aubere Scheibe das gleiche Grau zeigen. Aus den unterschiedlichen Einstellungen del SektorgroBen rnit und ohne Testfarbe konnen deren Koordinaten in der Farbtafel berechnetwerden. Spatere Varianten verwendeten statt des Farbkreisels optische Spektralapparaturen zur Mischung, das Mischverfahfen selbst ist jedoch im Wesentlichen gleich geblieben. Die additive Mischung ist die Grundlage des van der Intemationalen Beleuchtungskornrnission (CIE) 1931 normierten Nonnfarbsystems (Bild vorige Seite unten), das auch in die DIN-Norm 5033 iibemommen wurde. Es ist heute ein in Forschung und Technik unverzichtbares Hilfsmittel zur Kennzeichflung der Farben van Lichtem und wird weltweit anerkannt. Die psychologische Aussagekraft des Systems ist allerdings begrenzt. Es eignet sich streng genommen nur, urn festzustellen, ob zwei Lichter unterschiedlichef spektraler Zusammensetzung gleich aussehen, also metamer sind, und dazu den Farbort einer Mischung van Lichtem aus den Komponenten zu berechnen. Insbesondere ist es nicht moglich, aus clem Abstand zweier Farborte im CIE-Raum auf die Ahnlichkeit oder Unahnlichkeit der zugehorigen Farben zu schlieben oder Farbton, Sattigung und Helligkeit auf einfache Weise aus den CIE- Werten zu bestimmen. Das ist nicht iiberraschend, denn bei der Konstruktion des Systems macht ein Beobachter nur Aussagen fiber die Gleichheit van Lichtem, nicht fiber die genannten Farbattribute. Dariiber hinaus sind diese Attribute abhangig van der Umgebung, in der ein Licht oder eine Farboberflache dargeboten wird. Aus diesem Grund wurde bereits sehr friih versucht, den CIE-Farbraum so zu verzerren, class der Abstand zweier Farborte eine Aussage fiber die Ahnlichkeit der Farben liefert. Die Intemationale Beleuchtungskornrnission hat mehrere Transformationen dieser Art vorgeschlagen. Vor allem in der Informationstechnit wird das so genannte CIELAB- System sehr haufig benutzt. Es basiert auf einer nichtlinearen Transformation des CIE-Farbraums, in die gleichzeitig die Umgebungsbeleuchtung mit einbezogen wird. Unabhangig van physikalischen Uberlegungen haben zahlreiche Praktikef auf empirischem Wege Tafelwerke (eben "Farbatlanten") geschaffen, in denen die einzelnen Farbfelder so angeordnet sind, class der Unterschied zwischen benachbarten Feldem jeweils gleich grab erscheint. Bereits 1772 schlug Johann Heinrich Lambert ( ) eine dreidimensionale Ordnung dieser Art vor (Bild Seite 22). Der Chemiker Michel- 24 SPEKTRUM DER WISSENSCHAFT. SPEZIAL: FARREN

4 Eugene Chevreul ( ), Leiter der Gobelin-Manufaktur in Paris, entwickelte urn 1830 rnehrere Farbsysterne zur Klassifikation der Farben von Garnen (Bild links). Gleichabstandigkeit der Farbproben ist auch das wesentliche Konstruktionsziel des yon Albert H. Munsell ( ) entwickelten "Book of Colors". Munsell ging davon aus, class jede Farbe durch eine bestimmte Auspragung auf jeder der drei Dimensionen "Hue" (Farbton), "Value" (Helligkeit) und "Chroma" (Sattigung) beschrieben werden kann. In seinem Farbraum (Kasten unten) verlauft yon unten nach oben die Value-Dimension, yon innen nach auben die Chroma- Dimension, und die Hue-Dimension horizontal im Kreise. Jede Dimension ist in eine gewisse Anzah1 yon Schritten unterteilt, wodurch sich ein System yon Gitterpunkten im Raum ergibt. Dabei soli der Abstand zwischen den Farben benachbarter Gitterpunkten in jeder Richtung ftir einen Betrachter gleich grob erscheinen. Die Value-Dimension ist yom tiefsten Schwarz zum he11sten WeiB in 10 Schritte eingeteilt, wobei jedoch nur die Werte 1 his 8 durch Farbpigmente rea1isierbar sind. Die Hue-Dimension besteht im Prinzip aus 10 Abschnitten mit jewei1s 10 Untertei1ungen, wobei in den heute yerftigbaren Versionen nur jeder ftinfte der insgesamt 100 Schritte ausge Blue-Green, Purple-Blue und Red-Purple benutzt und durch ihre Anfangsbuchstaben abgektirzt. Den Buchstaben werden die Positionen auf den Zehner- Unterteilungen vorangestellt:,,5gy" ist innerhalb der 10 Einheiten des Abschnitts, der mit Green-Yellow bezeichnet ist, der mittlere, stellt also genau die Mitte zwischen Green und Yellow dar. Da nicht aile Farbtone auf alien Value-Ebenen die gleiche Anzahl von erkennbaren Sattigungsstufen enthalten, sind die Chroma- Wertebereiche fur verschiedene Farbtone und Helligkeiten unterschiedlich. Die Chroma- Werte sind in der Regel nur in Zweierschritten ausgefarbt; sie reichen etwa bei mittlerem Gelb (5Y) und mittlerer Helligkeit (Value 7) von 1 big 12, bei mittlerem Blau,-, 'TT""'.,'-", 25

5 VERSTEHEN Der Farbkreis nach Ewald Hering. Er ordnet die vier "Urfarben" Rot, Griin, Blau und Gelb entsprechend ihrer Polaritat als Pole zweier Achsen an, die senkrecht zueinander stehen. Die Farben dazwischen entstehen durch additive Mischung mit den oben dargestellten Anteilen der Urfarben. Diese Anordnung bildet auch die Grundlage des modernen schwedischen Natural Color System eignen sich Farbangaben mit Hilfe des Munsell-Systems auch zur Kennzeichflung yon Farboberfliichen. Die Pigmente der heute verfiigbaren Munsell-Atlanten sind so gewiihlt, dass es unter natiirlichen Beleuchtungen nut wenig Metamere gibt und dass die Gleichabstiindigkeit rei Beleuchtungsanderungen moglichst wenig leidet. Dieses Ziel ist weitgehend erreicht worden; nut bei Lichtquellen mit Linienspektren gibt es erhebliche Abweichungen yon der Gleichabstiindigkeit. Der wesentliche Nachteil des Munsell-Systems besteht darin, dass es keine einfache Moglichkeit gibt, seine Koordinaten in das CIE-System urnzurechnen. Es erlaubt auch keine Vorhersage der Koordinaten einer Mischung aus den Koordinaten der Komponenten. Das DIN-Farbsystem der DIN-Farbenkarte wird die Farbtonskala, dort "Buntton" nannt, in Schritte eingeteilt. AIle Farbproben eines DIN-Bunttons (rnit unterschiedlicher Helligkeit und Siittigung) haben in dern CIE-Farbsystern bei einer bestimmten Stan- Farbprobe ist definiert als der Logarithmus aus dem Verhaltnis der beiden Leuchtdichten. Trotz einiger konstruktionsbedingter theoretischer Vorteile gegentiber dem Munsell-System hat die DIN-Farbenkarte Die eine vergleichbare intemationale Verbreitung erlangt. Systeme von 9 a C e Eine Seite aus Wilhelm Ostwalds Farbenatlas, einem Vorlaufer der DIN-Farbenkarte. Schwarz nimmt von oben nach unten zu und die Farbe (ein orangestichiges Gelb) von links nach rechts Das dritte bedeutende Konstruktionsprinzip ftir Farbtafeln ist der Bezug zu den Heringschen Gegenfarbenpaaren Rot/Griin und Blau/Gelb. Bereits der Maler Philipp Otto Runge ( ) hatte zu Beginn des 19. Jahrhunderts eine "Farbenkugel" entworfen (Bild rechts), welche die Beziehungen yon Farben untereinander darstellen sollte, ohne Rticksicht darauf, wie die einzelnen Farben erzeugt seien. Runge wusste, dass Rot/Griin und BlauiGelb als unvereinbare Gegenfarben wahrgenommen werden. In den Erlauterungen zu seiner Farbenkugel schreibt er: "Wie WiT tins denn ein rothliches griin, ein blauliches orange, octet ein gelblich violett, so wenig vorstellen konnen, als ei- Den ostlichen West, octet einen stidlichen Nord." In der praktischen Ausftihrung der Farbenkugel unterlag Runge jedoch dem gleichen Fehler wie viele seiner Vorganger und auch sein Briefpartner in Sachen Farbenlehre, Johann Wolfgang yon Goethe ( ): Das Wissen, dass Griin als Mischung gelber und blauer Pigmente erzeugt werden kann, dorninierte die Empfindung yon Griin

6 als reiner Farbe, die weder Gelb noch Blau enthiilt. Dartiber hinaus war wahl weder Runge noch Goethe der Unterschied zwischen additiver und subtraktivet Farbenmischung bewusst. So polemisierte Goethe heftig gegen Newtons Behauptung, WeiB sei eine Mischung aller Farben des Regenbogens, weil er bei der Mischung mehrerer Farbpigmente immer nut Braun oder Schwarz, jedoch niemals WeiB rand. Der Physiologe Ewald Hering ( ) hat in der zweiten Hiilfte des 19. Jahrhunderts intensiv die Gegenfarben erforscht. Er schlug VaT, die Gegenfarbenanteile in einer Farbe dutch eine Loschungsmethode zu quantifiziefen. Dabei wird etwa der Anteil van Rot in einem Testlicht indirekt dutch die Intensiilit eines grtinen Lichtes bestimmt, das bei additiver Mischung mit dell Testlicht den Rotgehalt vollstiindig loscht. Ein wichtiges Ergebnis dieser Methode ist, dass die Gegenfarbenanteile nut zum Teil lineare Funktionen der CIE-Farbkoordinaten sind und class die Farborte der Gegenfarben nicht unabhangig van der Helligkeit in der CIE-Farbtafel angeordnet werden konnen. Das System der Gegenfarben ist die Grundlage des schwedischen "Natural Color System" (NCS). In ihm sind die Farbtone im Kreis so angeordnet, class Gegenfarben einander gegentiber liegen und ihre Verbindungslinien senkrecht aufeinander stehen (Bild links). Ziel der Anordnung ist eine intuitiv moglichst einfache Beschreibung van Farben. Die Gleichabstandigkeit ist van geringerer Bedeutung. Auch Schwarz und WeiB werden als Gegenfarben aufgefasst und bilden die vertikale Achse des Systems, das die Form eines Doppelkegels hat. Eine Farbe in dieses System einzuordnen ist dadurch erleichtert, class ihr Farbton im ersten Schritt in Bezug auf die leicht erkennbaren Gegenfarbenanteile bestimmt wird, womit bereits der entsprechende Quadrant festliegt. Danach ist zu beurteilen, ob sie naher an WeiB oder niiher an Schwarz liegt, wodurch die Zugehorigkeit zum oberen oder unteren Farbkegel bestimmt ist. Etwas schwieriger ist die Zuordnung zur Siittigungsstufe, die in Bezug auf die maximale Siittigung innerhalb der entsprechenden horizontalen Ebene zu erfolgen hat. Das NCS-System hat auf Grund seiner leichten Handhabbarkeit in den letzten Jahren eine grobe Verbreitung erlangt, vor allem auberhalb der englischsprachigen Lander und Japans, wo nach wie vor das Munsell-System dominiert. Neue Entwicklungen Traditionelle Farbatlanten rnit ausgefarbten Proben wie das Munsell-System und das NCS haben vor allem fur die Arbeit rnit Farbpigmenten Bedeutung. Dies betrifft nahezu aile Bereiche industrieller Produktion, vor allem aber die Kunststoff-, die Textil- und die Druckindustrie. Abstrakte Farbsysteme wie CIE- LAB und ahnliche haben sich in den letzten Jahren insbesondere in der Informationstechnologie durchgesetzt. Dabei spielen neue, higher wenig beachtete Gesichtspunkte eine Rolle, wie etwa die relative Skalierung der Achsen zueinander. Eine geschickte Wahl dieser GroBen hilft den Aufwand fur die Ubertragung yon Farbinformationen begrenzen. Ein System wie CIELAB ist hierfur besonders gut geeignet, da es in gewissem Sinn aile der oben genannten Ziele in sich vereint. Die neueste Entwicklung auf dem Gebiet der ausgefarbten Farbatlanten ist eine Ausfarbung des CIELAB-Systems, die linter dem Namen RAL Design System in Deutschland hergestellt wird. Darnit will man dem bewiihrten CIELAB- System die Anwendungsbereiche der traditionellen Farbatlanten erschlieben. Es SPEKTRUM DERWISSENSCHAFT. SPEZIAL: FARREN 27