CIE-Normvalenzsystem
Das CIE-Normvalenzsystem oder CIE-Normfarbsystem (bekannt durch die CIE-Normfarbtafel) ist der Versuch der Internationalen Beleuchtungskommission (CIE - Commission internationale de l'éclairage), Farben beruhend auf dem menschlichen Farbwahrnehmungsapparat darzustellen. Hierbei wird die direkte Auswirkung auf den Farbempfangsmechanismus (Farbvalenz) des Menschen zugrundegelegt.
Der CIE-Normalbeobachter von 1931 und 1964
Bei dem ursprünglichen, 1931 entwickelten CIE-Normvalenzsystem (Name: CIE 1931) verwendete man Messwerte, die von einem Normalbeobachter oder Normalbetrachter von einem Sichtfeld von 2° mittig zur Hauptblickrichtung gesehen werden. Das entspricht in etwa dem Sichtfeld auf eine 1-Euro-Münze, die man mit ausgestrecktem Arm vor sich hält. Man entschied sich damals für dieses recht kleine Sichtfeld, da die Farbwahrnehmung des Menschen innerhalb dieses kleinen Sichtfeld-Bereiches am kräftigsten ist. Die Anzahl der Zapfen (farbempfindliche Photorezeptoren im Auge) ist in diesem Bereich am größten.
Dieses eingeschränkte 2°-Sichtfeld ist aber für die „gewöhnliche“ Wahrnehmung des Menschen zu klein ausgelegt. Daher entwickelte man im Jahr 1964 ein CIE-Normvalenzsystem (Name: CIE 1964), das ein Sichtfeld von 10° einschließt, und damit das typischere „Weitwinkel“-Sichtfeld des Menschen berücksichtigt.
Es gibt daher zwei unterschiedliche Systeme für das CIE-Normvalenzsystem. Bis heute ist die CIE-Normfarbtafel von 1931 das praktisch meistverwendete wahrnehmungsbezogene Farbbeschreibungssystem – man spricht deshalb auch heute noch vom 2°-Sichtfeld-System, wenn nichts genaueres angegeben wird. Die Form des „Hufeisens“ in der Normfarbtafel unterscheidet sich geringfügig zwischen beiden Systemen.
Die Normfarbtafel
Der hufeisenförmige Bereich möglicher Farben ist bei der CIE-Normfarbtafel auf einem Koordinatensystem aufgetragen, auf dem x- und y-Anteil (der CIE-genormten theoretischen Grundfarben X, Y und Z, siehe CIE XYZ-Farbraum) einer beliebigen Farbe P direkt abgelesen werden können. Durch die Grundbedingung x + y + z = 1 lässt sich der z-Anteil jeweils rechnerisch (z = 1 – x – y) ermitteln. Alle möglichen Farben werden durch die Spektralfarblinie (spektral reine Farben) sowie die Purpurlinie eingefasst.
Zentraler Bezugspunkt der Tafel ist der in jeder Farbmesssituation wesentliche Weißpunkt W. Je nach Beleuchtungssituation kann sich dieser praktisch überall innerhalb des Hufeisens befinden, technisch von Bedeutung ist jedoch nur die Black-Body Kurve, in deren Verlauf die Farben als Temperatur eines idealen Strahlers (schwarzer Körper) in Kelvin angegeben wird. Ausgehend von diesem Weißpunkt können alle als farbtongleich empfundenen Farben auf einer Linie durch den Punkt P abgelesen werden. Über den verwendeten Farbraum hinaus (hier ist der Adobe-RGB Farbraum dargestellt) kann die für die spezielle Situation entsprechende Spektralfarbe auf der Spektralfarblinie (P') abgelesen werden. Auf der genau gegenüberliegenden Seite von W können die Komplementärfarben auf der verlängerten Linie W-Q abgelesen werden. Der Punkt Q' stellt dabei die äußerste (reinste) Komplementärfarbe dar, der in diesem Fall durch den Schnitt mit der Purpurlinie definiert wird.
Exakt definiert wird das CIE-Farbsystem lediglich durch die ursprünglich experimentell ermittelten relativen Empfindlichkeiten der drei Farbrezeptoren des menschlichen Farbwahrnehmungsapparates (der sog. Normalbeobachter) für jede sichtbare Spektralfarbe. Die Empfindlichkeitskurven sind von Person zu Person gewissen Schwankungen unterworfen, als Mittelwerte jedoch als sog. Normalbeobachter (CIE Standard Observer) festgelegt.
Von Spektrallinien, Metameren und Normalbeobachtern
Wie schon Hermann von Helmholtz und Thomas Young feststellten
- lässt sich (fast) jeder Farbeindruck durch Vermischung dreier Primärfarbstrahlen (additive Farbmischung) erzielen und
- erscheinen bestimmte Farben mit unterschiedlicher spektraler Zusammensetzung genau gleich (Metamere).
Die von Helmholtz und Young entwickelte Dreifarbentheorie besagt, dass im menschlichen Auge drei verschiedene Farbrezeptoren vorhanden sind, die ihr Erregungsmaximum bei einer jeweils genau definierten Spektralfarbe haben, sodass jeder wahrnehmbare Farbeindruck mit den dem Maxima entsprechenden Spektralfarben dargestellt werden kann. Allgemeiner formulierte später Hermann Günther Graßmann in seinem ersten Graßmannschen Gesetz, dass jede Farbe durch drei beliebige Größen – also z. B. durch Helligkeit, Farbton und Farbsättigung – vollständig dargestellt werden könne.
Daraus folgt andersherum, dass das Auge Farben nur anhand eingeschränkter Parameter unterscheiden kann – Farben mit völlig unterschiedlichen Spektrallinien (Metamere) erzeugen den gleichen Farbeindruck. Dies gilt natürlich nur für den Menschen, bei anderen Lebewesen kann das völlig anders sein.
|
|
|
|
|
|
Alle möglichen Farben können nach dieser Theorie in einem Farbraum dargestellt werden, bei dem die Koordinaten für jeden Punkt im Raum die Intensitäten der jeweiligen Farbkomponenten (z. B. Rot, Grün und Blau) widerspiegeln.
Intensitätsunabhängig können alle möglichen Farbeindrücke auf einer Fläche F im Raum dargestellt werden, auf der für jeden Punkt gilt R + G + B = 1. Projiziert man diese auf die Fläche B = 0 (f), so ergibt sich eine einfache Möglichkeit, die Verhältnisse der drei Farbwerte grafisch darzustellen: Die X- (also R) und Y- (also G) Komponenten können hier direkt abgelesen werden, die Z- (also B) Komponente ergibt sich aus B = 1 – R – G.
In der entstandenen Grafik lassen sich nun von einem mittleren Weißpunkt W aus Farben mit gleichem Farbton aber unterschiedlicher Sättigung der Farbe p auf einer geraden Linie ablesen. Nach außen begrenzt ist diese durch die Linie (Schnittpunkt P) der reinen Farben, die nur durch zwei der drei Primärfarben gemischt werden (Sekundärfarben). Verfolgt man die Linie in genau entgegengesetzter Richtung von W aus, so erhält man die Linie der jeweiligen Komplementärfarben – nach außen begrenzt durch die reine Komplementärfarbe Q.
Versucht man nun allerdings, alle vorhandenen Spektralfarben auf die so entstandene Grafik einzutragen (gestrichelte Linie B-G-R – geschnitten mit unserer Linie in P'), so wird man – unabhängig vom gewählten Spektralfarbtrio – feststellen, dass sich die (reinen) Spektralfarben jeweils außerhalb der möglichen Komponenten-Verhältnisse befinden!
Mathematisch betrachtet, ergeben sich negative Werte für praktisch alle Spektralfarben (außer natürlich bei den Primärfarben selbst). Um also mit den drei Primärfarben ein spektrales Cyan (C)' zu erzeugen, wäre das, mathematisch ausgedrückt, wie folgt:
- Blau + Grün ≡ spektrales Cyan + etwas Rot
Wie bei einer mathematischen Formel (mit normalem Gleichheitszeichen) umgeformt, wäre also die Formel für ein spektrales Cyan:
- Blau + Grün – etwas Rot ≡ spektrales Cyan
- Blau + Grün – etwas Rot ≡ spektrales Cyan
Mit dieser Umformung wird es also möglich, alle Farben in einem (theoretischen) Farbraum unterzubringen. Wie im Bild ersichtlich, verschiebt sich also ein bestimmter RGB-Farbraum einfach ins Innere der Grafik. Es gibt Geräte, die Farbmessung ermöglichen und die Resultate werden in L*a*b*, L*C*h* oder XYZ ausgegeben. L* Bewegt sich im Zahlenbereich 0 (schwarz) bis 100 (100%-ig reflektierende Oberfläche). Die Koordinaten a* und b* besitzen keinen begrenzten Zahlenraum. a* > 0 ist rot, a* < 0 ist grün, b* > 0 ist gelb, b* < 0 ist blau,
Praktische Erwägungen
Das CIE-Normvalenzsystem bildet die Grundlage der meisten modernen Farbmess- und Reproduktionssysteme. So baut z. B. der in der Computergrafik weitverbreitete Standard-Lab-Farbraum direkt auf dem CIEXYZ-Farbraum auf – dieser ist lediglich in manchen Bereichen gegenüber XYZ verzerrt, um auch dem Farbunterscheidungsvermögen besser gerecht zu werden.
Eine deutsche Weiterführung der CIE-Norm findet sich in der DIN 5033, Teil 3.
Es wurde oftmals Kritik an der für wissenschaftliche Zwecke völlig unzureichenden Präzision des CIEXYZ-System geübt. So sind die Empfindlichkeitskurven das Resultat fragwürdiger Messprotokolle, bei denen der Durchschnitt von Daten aus unterschiedlichen Quellen ermittelt, diese anschließend extrapoliert und schließlich mit einem Weichzeichnungsfilter geglättet wurden. In der Helligkeitskurve sind beispielsweise unter 400 nm Fehler in der Größenordnung von 10 denkbar. Es muss daher beachtet werden, dass trotz der in 1-nm-Schritten und auf viele Nachkommastellen tabellierten Kurven die Daten nur den ungefähren Wert in einem Bereich von etwa 10 nm angeben.
Die Standardbeleuchtung
Ursprünglich wurde das CIE-Normvalenzsystem vor allem in Hinsicht auf Beleuchtungsfragen entwickelt. Das System erlaubt prinzipiell jede denkbare Kombination an X-, Y- und Z-Werten, der Einfachheit und Vergleichbarkeit halber wurden jedoch bestimmte Normlichtfarben definiert – die sich alle mehr oder weniger auf der Black-Body-Kurve befinden, und einer bestimmten Farbtemperatur entsprechen.
| CIE-Normbeleuchtung | x-Wert | y-Wert | Bemerkung |
|---|---|---|---|
| CIE-Normbeleuchtung A | 0,4476 | 0,4047 | Lichtspektrum einer Glühlampe ähnlich |
| CIE-Normbeleuchtung B | 0,3484 | 0,3516 | - |
| CIE-Normbeleuchtung C | 0,3101 | 0,3162 | Weißpunkt der NTSC-TV-Norm |
| CIE-Normbeleuchtung E | 1/3 | 1/3 | Weißpunkt des CIE-RGB-Farbraumes; X, Y und Z zu exakt gleichen Anteilen |
| D5000 bzw. D50 | 0,3457 | 0,3585 | Weißpunkt für Wide-Gamut-RGB und Color-Match-RGB |
| D5500 bzw. D55 | 0,3324 | 0,3474 | Lichtspektrum ähnlich dem von durchschnittlichem Tageslicht, Spektrum einem Schwarzkörper bei 5500 Kelvin ähnlich |
| D6500 bzw. D65 | 0,312713 | 0,329016 | Weißpunkt für sRGB, Adobe-RGB und die PAL/SECAM-TV-Norm, Spektrum einem Schwarzkörper bei 6504 (sic!) Kelvin ähnlich |
| D7500 bzw. D75 | 0,2990 | 0,3149 | Spektrum einem Schwarzkörper bei 7500 Kelvin ähnlich |
| D9300 | 0,2848 | 0,2932 | Spektrum einem Schwarzkörper bei 9300 Kelvin ähnlich |
Siehe auch
Literatur
- David Falk, Dieter Brill, David Stork: Seeing the Light. New York 1986, ISBN 0-471-60385-6 (Kapitel 9: Color).
- David Falk, Dieter Brill, David Stork: Ein Blick ins Licht. ISBN 3-7643-2401-5 (Übersetzung des obigen, nicht mehr im Handel).