Die Wissenschaft von der Farbe wird als Farblehre, Farbmetrik oder einfach als Farbwissenschaft bezeichnet. Sie beinhaltet die Untersuchung der Farbwahrnehmung durch das menschliche Auge und Gehirn, den Ursprung der Farbe in Materialien, die Farbtheorie in der Kunst und die Physik der elektromagnetischen Strahlung im sichtbaren Bereich (das, was gemeinhin als Licht bezeichnet wird).

Ziel der Farbmetrik ist die Quantifizierung und Beschreibung der Wirkung von Farbreizen. Sie ähnelt technisch der Spektrophotometrie, zeichnet sich aber durch ihr Interesse aus, in ihren Modellen die physiologische Verarbeitung zu berücksichtigen. Im Detail untersucht sie die Eigenschaften der Farbvalenzen, ihre Beziehungen untereinander und die Rechenregeln für ihre Mischung.

Geschichte

Die sogenannte „niedere Farbmetrik“ beurteilt die Gleichheit von Farben und beruht auf den 4 „Graßmannschen Gesetzen“.

Die „höhere Farbmetrik“ basiert auf den Prinzipien der niederen Farbmetrik wendet sich aber den Farbunterschieden zu. Ihr Hauptziel ist es, die numerischen Maße der Farbvalenzen optimal an die Farbwahrnehmung anzupassen.

Messungen

Es geht in der Farbmetrik weitestgehend um die „objektive“ und „messbare“ Bewertung der visuellen Empfindung „Farbe“ mit Hilfe der Farbvalenz und Farbmaßzahlen.
„Farbe“ ist hier immer Farbvalenz, die vom Auge aus einem Farbreiz wahrgenommene Empfindung. Ziel der Messungen ist also nicht der (physikalische, spektrale) Farbreiz, sondern die (wirkende) Farbvalenz, die durch die Absorptionsspektren der drei menschlichen Zapfen bedingt sind.

Die erstrebenswerte numerische Darstellung der Farbvalenz als Farbsystem bedingt deshalb eine mathematischen Abbildung oder geeignete optische Filter. Anders gesagt: die instrumentelle Messung ermittelt die spektralen Zusammensetzung des Lichts, die Umformung (Abbildung) auf die drei Zapfenabsorptionen erfolgt durch Rechnung.

Es gibt 3 verschiedene, historisch gewachsene (also auf dem jeweiligen Entwicklungsstand der Technologie beruhende) Verfahren, wobei es immer „nur“ um eine instrumentelle Erfassung des Farbreizes geht.

Dreibereichsverfahren

Bei den Dreibereichsverfahren wird die Bewertung des Farbreizes (also die Farbvalenz) mit drei getrennten Empfängern vorgenommen. Die spektrale Empfindlichkeit der 3 Messelemente (meist Photodioden) muss dabei denen der Zapfen eines „Normalbeobachters“ (siehe CIE), sehr genau entsprechen. Dies wird durch vorgesetzte Filter erreicht, sog. Farbwert-Messfilter, deren Herstellung komplex ist.
Da Lichtquellen zum Einsatz kommen, die gegenüber den standardisierten Lichtquellen (Normlichtart) erhebliche spektrale Abweichungen aufweisen, werden die Messergebnisse zunächst in einem eigenen gerätespezifischen Farbraum ermittelt. Daher wird eine Korrektur, die sogenannte kolorimetrische Kalibrierung, angewendet um näherungsweise Farbvalenzen zu ermitteln. Diese Verfahren ist schnell und die Messgeräte lassen sich relativ preisgünstig produzieren. Komplexere Fragestellungen, wie z.B. das Metamerie-Problem, sind hingegen nicht durch Messungen zu ermitteln.

Spektralverfahren

Über den Wellenlängenbereich (Bandbreite 10 bis 20 nm) des sichtbaren Lichtes wird das Spektrum (also die zu jeder Wellenlänge zugehörige Intensität) der zu untersuchenden Lichtfarbe oder Körperfarbe ausgemessen. Der Microcomputer des Spektralphotometers berechnet durch Integration die Normfarbwerte, die sich auf andere Farbsysteme wie Yxy oder L*a*b* umrechnen lassen. Dieses Verfahren ist sehr präzise (auch zur Analyse von Metamerie geeignet), aber auch langsam und teuer.

Gleichheitsverfahren

Bei diesem Verfahren wird durch 3 Primärvalenzen, deren Intensität solange verändert wird, bis die so erzeugte „Farbe“ der zu untersuchenden entspricht. Der Valenzwert kann dann an den „Intensitäten“ abgelesen werden.
Durch additive Farbmischung wird also eine, der zu messenden Farbe gleichaussehende Farbe erzeugt. Diese Methode nutzt das „Gleichheitsurteil“ eines Beobachters, sie ist also tatsächlich subjektiv und wird heutzutage praktisch nicht mehr angewendet.


Definitionen

Bevor es mit den Details zur farbmetrische Messung und der Farbmetrik so richtig losgeht, sind hier die wichtigsten Begriffe aufgelistet und in aller Kürze definiert.

 

In der industriellen Farbmetrik spielt die Messung und Bewertung von Farbunterschieden (Delta E) eine wichtige Rolle.
Die am meisten verwendete Farbabstandsformel nach CIELAB hat jedoch den Nachteil, dass visuell gleich stark empfundene Farbunterschiede stark unterschiedliche Delta-E Werte haben können, je nachdem, wo das bewertete Probe/Bezug-Farbenpaar im CIELAB-Raum angesiedelt ist.

Farbmessung

Eigentlich: Farbvalenzmessung. Messung der spektralen Zusammensetzung des Farbreizes und nummerische Darstellung der Farbvalenz als Satz von drei Koordinaten eines Farbraums.
Wirklich messen lässt sich nur die Spektralverteilung eines Lichtstrahls der auf das Auge trifft. Zur nummerischen Bestimmung der Farbvalenz müssen diese Werte durch eine geeignete Formel (Umformung, Abbildung), die u.a. die Absorptionseigenschaften der 3 Zapfentypen berücksichtigt. Die Definition einer exakten Abbildungsfunktion sowie die optimale Ausgestaltung des Farbraumes ist gegenwärtig noch Gegenstand der Forschung.


Farbkonstanz

Als Farbkonstanz bezeichnet man die wahrgenommene Stabilität einer Objektfarbe trotzt Schwankungen in der Spektralverteilung der Umgebungsbeleuchtung (Sonnenschein vs. Glühbirne).
Das visuelle System ermittelt die spektrale Zusammensetzung der Beleuchtung und „verrechnet“ diesen mit dem von der Objektoberfläche reflektierten Licht.

Helligkeitskonstanz

Wie hell ein Objekt erscheint, ist relativ unabhängig von der Intensität des Lichts: weißes Papier scheint im hellen Sonnenlicht ebenso weiß wie bei bewölktem Himmel. Bei gleichem Verhältnis zwischen Zielobjekt und Umgebung entsteht die gleiche Helligkeitsempfindung. Allerdings gibt es hier bei geeignetem Aufbau auch optische Täuschungen.


CIE-Normvalenzsystem

Das CIE-Normvalenzsystem (auch CIE-Normfarbsystem, Yxy-Farbraum sowie CIE-Yxy bzw. im englischsprachigen Bereich „Tristimulus-Farbraum“) wurde von der Internationalen Beleuchtungskommission (CIE: Commission internationale de l’éclairage) definiert. Ziel war es, eine Relation zwischen der menschlichen Farbwahrnehmung (siehe Normal-Beobachter) und den physikalischen Ursachen des Farbreizes (Farbvalenz) herzustellen.


 

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