RGB-Farbraum

Der RGB-Farbraum (Rot Grün Blau) ist ein Maßraum in dem die Menge aller Farben durch drei Koordinaten definiert ist: die auf Rot, Blau und Grün Bezug nehmen. Notwendigkeit für die Definition einer solchen mathematischen Konstruktion ergibt sich aus technischen Realitäten bei denen darstellbare Farben durch drei Ausgangsstoffe erzeugt werden sollen. Diese Bedingungen bilden letztlich im 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 für diese drei Anteile sind an das technische System gebunden für das der jeweilige Farbraum definiert ist.

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. geeignete Phosphore mit Wellenlängen im Bereich der Wahrnehmungsqualitäten Blau, Grün, Rot. Der Betrachter bekommt (bei genügendem Abstand vom Bildschirm, sodass die Pixel in einander übergehen) den im RGB-Farbraum definierten Farbeindruck. 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, JPEG).

Mit den durch größere Speichermedien technisch möglichen 16 Bit pro Kanal kann man Tonstufen noch feiner abbilden, je von 0 bis 65535 ($2^{16}$), 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. 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.

Technische Möglichkeiten zur Farbdarstellung wie Farbbilder vom PC-Drucker oder auf Silberhalogenidbasis, der Druck einer bunten Zeitschrift, Farbbilder in Büchern beruhen auf der Remission von Flächen ehe die Wahrnehmung erfolgt. Deshalb unterliegen diese der substraktiven Farbmischung. Für diese Wiedergabeform ist die Anwendung des CMY-Farbraumes besser geeignet, im Vierfarbdruck ist wegen der Farbtiefe der Einsatz von Schwarz nötig, CMYK-Farbraum.

Üblicherweise erfolgt die Darstellung des RGB-Farbraumes im kartesischen Koordinatensystem als Würfel (links die Rückwand, in der Mitte der Aufblick, rechts ein Einblick ins Innere.

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.

Die CIE-Normfarbtafel. Achtung: Die in der Grafik verwendete Färbung der Wertebereiche ist nur zur groben Orientierung innerhalb des Farbraumes gedacht. Auf einem (Computer-) Monitor darstellbaren Farben beschränken sich auf die jeweils aus technischen Gründen erreichbaren.

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 passenden Farbräume zugeordnet.

Die Tatsache, dass die xy-Farbarttafel parabelähnlich begrenzt ist, macht sowohl bei Aufnahme als auch bei Wiedergabe mit technischen Geräten Probleme. Man ist deshalb auf die Bearbeitung von Farben beschränkt, wie dies die Beziehungen in diesem Farbraum zulassen. Der materiell realisierbare RGB-Farbraum liegt auf der Farbarttafel innerhalb eines Dreiecks. Dieses Dreieck ist in der nebenstehenden Darstellung schwarz umrandet. Durch unterschiedliche Umformungen (meist als 3x3-Matrix) der Zahlenwerte und verbesserte technische Verfügrbarkeit gibt es hierbei verschiedene Varianten (s-RGB, Adobe-RGB).

Die Eckpunkte des RGB-Farbartdreickekes sind nicht willkürlich gewählt, sondern sind durch die Verfügbarkeit von Leuchtstoff-Kristallen definiert, die Lichtfarben erzeugen können. Farben, auch Koordinaten in Messräumen, sind kontinuierlich, aber Substanzen sind diskret. Solche Anregung der Leuchtstoffe erfolgt in der Bildröhre eines Farbfernsehgerätes, eines Computer-Monitors durch die auftreffenden sehr schnellen Elektronen (Kathodolumineszenz). Farbwerte außerhalb des benannten Dreiecks können mit einer Bildröhre nicht dargestellt werden. Insbesondere fehlen die kräftigen, satten Grünwerte. Auch das spektrale Rot einer Lichtstreuung fehlt im RGB-Raum.

Flachbildschirme besitzen keine Bildröhre und erzeugen die Farben durch elektrische Feldanregung. Da hier andere Leuchtstoffe nötig sind ist die Lage des RGB-Dreiecks auf der xy-Farbsohle notwendigerweise anders. Bestehende technische Forderung ist, dass die Lage der Eckpunkte im LC-Display möglichst genau mit der Lage in Bildröhren übereinstimmen soll, sonst werden insbesondere Farbnuancen zwischen Rot und Gelb (orange) auf unterschiedlichen Geräten merklich verschieden dargestellt. Eine Vorstellung gewinnt man bei Besuch der Fernseherabteilung des nächstgelegenen Einkaufcenters.

Anwendung

Monitore setzen alle Farben aus rot, grün und blau zusammen.

Das Prinzip wird bei Farbbildschirmen eingesetzt.

In der Computertechnik wird für die Intensität der Anregung häufig ein Byte (entspricht 8 Bits) für einen Farbanteil verwendet. So ergibt sich der Wertebereich jeder Farbe (in Rot, Grün, Blau) zu $2^{8}$ 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 Mitte der 1990er Jahre können Grafikkarten True Color darstellen. (24-Bit-Technik)

Neuzeitliche Bildbearbeitungssoftware unterstützt auch Farbkanäle mit 16 Bit (0 bis 65.535), wodurch die verlustfreie Übernahme von Kameradaten möglich ist und größerer Spielraum bei Farbkorrekturen (Verläufe ohne „Abrisse“) besteht. Damit ist die Minimierung von Rundungsfehlern bei verschiedenen Filterfunktionen gegeben.

Um einen RGB-Wert in einen 8-Bit-Graustufen-Wert umzurechnen, könnte man folgende Formel verwenden:

${\mathfrak {Y}}=({\mathfrak {R}}+{\mathfrak {G}}+{\mathfrak {B}})/3{,}0$

Da das menschliche Auge allerdings verschiedene Spektralbereiche verschieden stark wahrnimmt, im Grünen am besten, wird oft folgende Umrechnung verwendet:

${\mathfrak {Y}}=0{,}299\,{\mathfrak {R}}+0{,}584\,{\mathfrak {G}}+0{,}114\,{\mathfrak {B}}$

Für die Umrechnung von R-,G-,B-Koordinaten in X-,Y- und Z-Werte der CIE gelten dem speziellen RGB-Farbraum zugehörigen Matrizen mit X: virtuelles Rot, Y: virtuelles Grün, Z: virtuelles Blau.

Für einen dieser Farbräume gilt diese Matrix:

$X=+2{,}36460\,R-0{,}51515\,G+0{,}00520\,B$

$Y=-0{,}89653\,R+1{,}42640\,G-0{,}01441\,B$

$Z=-0{,}46807\,R+0{,}08875\,G+1{,}00921\,B$

Es lassen sich folgende Beziehungen zwischen RGB- und XYZ-Farbraum ablesen:

• Das virtuelle Grün, das identisch gesetzt ist mit dem Hellbezugswert A ist etwa der G-Wert, mit verringertem Rotanteil, kaum weniger Blau.
• Dafür ist für das virtuelle Rot der R-Wert um etwas G zu verringern.
• Das Zapfen-Z, das virtuelle Blau, liegt über einem Nebenmaximum des virtuellen Rot, was den Abzug von R, aber kaum G bedingt.

Für jeden Gerätetyp, nach Hersteller und Verarbeitung wurden abweichende RGB-Räume geschaffen, die allerdings alle den gloeiche Grundaufbau besitzen. Durch Alterung und Produktionseinflüsse, individuelle Einstellungen unterscheiden sich Geräte unterneinander. Es gibt hierfür (in bestimmten Grenzen) Möglichkeiten der Anpassung, die Methoden hierzu werden als Colormanagement zusammengefasst. Eine Möglichkeit zur Mindestabstimmung ist die Gammakorrektur.

Der RGB-Farbraum eignet sich für digitale Bilddaten ausschließlich für die Darstellung am Bildschirm. Bilddaten für den Druck (Offsetdruck, Siebdruck, Digitaldruck) müssen in einem subtraktiven Farbmodell reproduziert werden (CMY, CMYK). Die Umrechnung von RGB in CMY ist dabei ein Wissensgebiet, das durchaus noch in der Entwicklung ist.

Eine neuere Entwicklung ist das RGBA-Farbmodell ist eine Erweiterung des RGB-Modells durch den (vierten) Kanal Alpha. Diese α-Komponente bestimmt die Transparenz eines Pixels. Wird ein Bild mit einem neuen Bild überschrieben, fließen die Informationen des Urbildes mit in das neue Bild ein. Die Alphakomponente bestimmt, wie durchsichtig das entsprechende Pixel ist. α=0 steht für völlige Transparenz, α=1 bezeichnet die völlige Lichtundurchlässigkeit, volle Farbkraft.

Grenzen

Grenzen in der Anwendung findet dieser Farbraum in wahrnehmungsphysiologischen Problemen

• Nicht alle Farbeindrücke sind im RGB-Farbraum enthalten: Einige Farben – insbesondere Spektralfarben – würden negative Wiedergabeanteile erfordern (Äußere Farbmischung), das ist fehlendes Licht. Dies ist natürlich nicht möglich: Weniger als kein Licht einer Farbe gibt es nicht (oder vielmehr bislang nur im Science Fiction Bereich).
• 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.
• Farbwahrnehmung ist auf der Netzhaut nicht gleich verteilt, periphere Bereiche sehen anders als das zentrale Gesichtsfeld (gelber Fleck).
• Farbwahrnehmung hängt von der Umgebung ab (siehe Weißabgleich und Wahrnehmungstäuschungen)
• genetische Unterschiede beim Farbsehen, über Farbfehlsichtigkeiten bis hin zu Farbunfähigkeit beeinträchtigen die Vergleichbarkeit. Die geringere Empfindlichkeit einer Zapfenart kann durchaus zu besserer Unterscheidung in ausgewählten Spektralbereichen gegenüber Normalsichtigen führen.

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

• Definition der exakten Lage der vollangeregten Grundfarben: Rot, Grün, Blau und die Lage des 1:1:1-Punktes bei voller Intensität, Weißpunkt oder Referenzweiss (im CIE-Farbraum in der „Mitte“ des xy-Farbartdiagrammes)

• Abhängigkeit zwischen Spannung der Anregungsstrahlung (etwa Kathodenstrahlung) zum Wert einer Farbe und der abgegebenen Lichtleistung (angenähert durch Gamma, genaue Angabe durch eine Funktion als abhängig von der angelegten Spannung)

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

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. Einerseits sind hierfür 3x3-Matrizen benutzbar, oder es sind LUT (Look-up-Tagles) vorhanden zwischen deren Stützstellen dann liear interpoliert wird. ICC-Profile sind solche (standardisierten) Hilfsmittel.

Probleme bereiten Displays, die variierende, wie richtungs- oder temperaturabhängige Farbdarstellung aufweisen.

Die Definition einer Farbe durch drei Farbwerte kann die falsche Erwartung wecken, eine Farbe sei dadurch in ihrer Wahrnehmung absolut bestimmt. Tatsächlich ist die Farbwirkung einer numerisch bestimmten RGB-Farbe vom konkret vorhandenen technischen System abhängig, das diese Farbe wiedergibt oder aufnimmt und auch von den internen und externen Umgebungsbedingungen.

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).

Um vorhersagbare Farben in RGB-Systemen zu erhalten, ist der Einsatz von Farbkorrektur nötig. Hierbei finden Profile Verwendung, die beschreiben wie Farben aussehen und damit den Geräte-Farbraum (für verschiedene Geräte) umrechenbar machen. Typische Farbprofile für RGB 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 WideGamut-RGB der einen maximal erreichbaren Farbumfang definiert.

Siehe auch

• Dreifarbentheorie
• YCbCr-Farbmodell
• HSV-Farbraum
• CMYK-Farbraum
• Farbraum (weitere Farbräume, Farbraumsysteme, Farbmodelle)
• Farbwahrnehmung
• Bildauflösung
• Adobe-RGB
• YUV-Farbmodell
• European Color Initiative

Weblinks

Commons: Kategorie:RGB – Album mit Bildern, Videos und Audiodateien

• Farbtabelle mit RGB- und Hex-Werten
• Die Umrechnung und Parameter in und aus RGB-Farbräumen
• sRGB Standard
• Verschiedene Farbtafeln mit den RGB-Farben
• RGB-Farbmixer Java Applet
• RGB vs 601 Videofarbraum
• Fernsehfarben
• Alle 16777216 Farben des 24Bit RGB-Farbraums (PNG)
• RGB ↔ HEX Umrechner
• Tabelle und Grafik von Arbeitsfarbräumen