RGB-Farbraum

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Der RGB-Farbraum (Rot-Grün-Blau) ist ein Maßraum, in dem eine (vom jeweiligen Zweck definierte) Untermenge aller wahrnehmbaren Farben durch drei Koordinaten "Rot", "Grün" und "Blau" 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 der Rot-, der Grün- und der 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 drei Phosphore (Leuchtstoffe) sind. 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 bis 1 oder 0 bis 100 %) oder diskret mit 8 Bit pro Kanal (0…255) angegeben werden (8-Bit-TIFF). Je nach Anwendungsart sind dabei bestimmte Wertdarstellungen bevorzugt.

Mit größeren Speichermedien wurden Tonstufen von 16 Bit pro Kanal möglich. So sind dreimal von 0 bis 65535 (216) möglich, also insgesamt 281 Billionen Farben (16-Bit-TIFF, 16-Bit-PNG). Gute technische Ausgabesysteme können mehr Farben wiedergeben als der Mensch unterscheiden kann, selbst der trainierte Mensch kommt nur auf etwa 500 000 Farbnuancen. Für spezielle Anwendungen sind 16bit-Werte allerdings durchaus notwendig. Bei Auswertungen in der Röntgendiagnostik sind so exaktere Betrachtungen möglich.
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 zur Einstellung der Unterscheidungsgrenze 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 Fläche. Hier gelten somit die Gesetze der subtraktiven Farbmischung, für die der CMY-Farbraum entwickelt wurde, wegen der Farbtiefe üblicherweise mit Schwarz für Farbtiefe als CMYK-Farbraum.

Die Darstellung des RGB-Farbraumes erfolgt (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 Ecken sind Gelb, Magenta, Cyan zu finden. Am Koordinatenursprung: R=G=B=0 befindet sich Schwarz, entlang der Raumdiagonalen Grau bis zum Eckpunkt in 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, dass 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 können nicht willkürlich gewählt werden, sondern sind durch die Verfügbarkeit von Leuchtstoff-Kristallen definiert. Es besteht ein untrennbarer Zusammenhang zu den drei (Grund-)Lichtfarben, die diese Leuchtstoffe erzeugen können. Farben, auch Koordinaten in Messräumen, sind kontinuierlich, aber Substanzen sind diskret. Beispiele solcher Anregung (Emission) der Leuchtstoffe sind die Bildröhre eines Farbfernsehgerätes oder 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 Lage in Bildröhren anzupassen. Sonst werden insbesondere Farbnuancen zwischen Rot und (Gelborange) auf unterschiedlichen Geräten merklich verschieden dargestellt, da dies der Bereich der Gegenfarbe Grün mit der höchsten (Augen-)Empfindlichkeit ist. Eine Vorstellung, welche Abweichungen durch verschiedene Hersteller und unterschiedliche Einstellung entstehen, gewinnt man beim Besuch der Fernseherabteilung des nächstgelegenen Einkaufszentrums.

Die Farben werden somit auf unterschiedlichen Monitoren auch immer unterschiedlich angezeigt und sind keinesfalls feste Größen.