Vom Licht zum XYZ: Der Versuchsaufbau der CIE

Die Farbräume der CIE basieren auf dem menschlichen Farbsehen und bilden das Normsystem, auf das sich alle geräteabhängigen Farbräume beziehen können. Um ein auf das menschliche Auge angepasstes Normsystem bereit zu stellen, leitete die CIE mit Hilfe eines Versuchsaufbaus drei imaginäre Ausprägungen von Farben – X, Y und Z (die »Normvalenzen«) – ab, die zusammen alle wahrnehmbaren Farben reproduzieren können.

Die CIE (Comission Internationale de l'Èclairage oder Internationale Beleuchtungskommission, gegründet 1920 in Wien) entwickelt seit 1931 Farbräume. Zwei dieser Farbräume sind CIExyz und CIE L*a*b*, der 1976 hinzukam. Diese Farbräume beschreiben den gesamten Bereich der Farben, die das menschliche Auge wahrnehmen kann.

Während die RGB- oder CMYK-Werte von Gerät zu Gerät unterschiedlich ausfallen, bleibt die menschliche Farbempfindung bei allen Geräten gleich: Das Spektrum des sichtbaren Lichts ist geräteunabhängig.

Scanner, digitale Kameras und Drucker arbeiten mit ihren eigenen, geräteabhängigen RGB-/CMY-Farbräumen und auch das Video hat seinen eigenen Standard. Die Transformation eines Gerätefarbraums in einen geräteunabhängigen Farbraum der CIE und von dort aus in den Farbraum eines anderen Geräts liefert absolute Farbwerte und die konsistente Umrechnung der Farben von einem Gerät zum nächsten.

Vom Licht zum Beobachter

Um eine Standardbeschreibung für Farben zu entwickeln, setzt die CIE einen Standard-Beobachter ein – eine mathematische Ableitung aus Tests, die mit einer (nicht wirklich) großen Zahl von Probanden durchgeführt wurden. Der „Beobachter“ sieht eine Farbe auf einer bestimmten Wellenlänge (z.B. einen Gelbton) und kann die unbekannte Farbe V durch drei Regler für die Primärvalenzen Rot, Gün und Blau reproduzieren. Der Versuchsaufbau ermittelt also, welche Anteile von Rot, Grün oder Blau z.B. im Licht der Wellenlänge 460 nm gesehen werden.

Das ursprüngliche vom CIE entwickelte Normvalenzsystem (CIE 1931) verwendete Messwerte, die bei einem Sichfeld (FOV Field Of View) von 2° gesehen wurde. Das entspricht etwa dem Blick auf eine Euromünze in einem Betrachtungsabstand von 30 cm und zufälligerweise auch dem typischen Betrachtungsabstand zum Monitor des Computers – die gesamte Computergrafik beruht nahezu vollkommen auf dem 2°-Beobachter. Bei diesem Sichtfeld ist die menschliche Farbwahrnehmung besonders gut ausgeprägt.

In etwa so kann man sich den Versuchsaufbau der CIE vorstellen: Durch ein etwa Euro-großes Loch sieht der »Beobachter« eine Farbe. Mit den drei Reglern für Rot, Grün und Blau mischt er die vorgeführte Farbe. Hier wird der Beobachter Rot und Grün mischen, um das Gelb der Farbprobe zu erzielen.

Als Primärvalenzen hat die CIE reelle monochromatische Farben (monochromatische Strahlung mit einer Wellenlänge) festgelegt:

Von der eigentlichen Mischung zur uneigentlichen Mischung

Wir erinnern uns: Keine der trichromatischen Theorien kann ohne Weiteres alle Farben erklären. In der realen Welt und mit realen Lichtquellen (beim ursprünglichen Versuchsaufbau standen noch nicht einmal Laser zur Verfügung) erzeugt die Mischung aus den drei Grundfarben Rot, Grün und Blau des RGB-Farbraums sehr viele, aber letztendlich doch nicht alle Farben. So erreicht z.B. keine Mischung aus Rot, Grün und Blau ein spektrales Cyan. Rein rechnerisch können aber tatsächlich alle Farben ermischt werden.

Theoretisch können aus drei Farben dann aber doch wieder alle Farben gemischt werden, wenn das Farbmuster zusätzlich mit einer der drei Lichtquellen angestrahlt würde. Dann klappt's doch noch mit der Farbprobe, die sich aus drei Lichtquellen nicht reproduzieren läßt.

Der geänderte (virtuelle) Versuchsaufbau fügt dem unbekannten Farbmuster Licht einer Farbe hinzu – das erzielt eine Wirkung wie die Subtraktion einer Farbe von der Farbe des Musters. Hier würde also Rot hinzugefügt, um aus der Mischung von Blau und Grün ein spektrales Cyan zu erzielen.

Auf diese Weise entsteht der schuhsohlenförmige »Spektralfarbzug«, der die reinen spektralen Farben darstellt. In der Abbildung sind einige der Wellenlängen dieser Farben aufgetragen. Die Farben im Innern des Diagramms sind nicht sprektral rein – ebensowenig wie die Farben am unteren Ende der Schuhsohle, die verschiedene Abstufungen von Magenta und Purpur darstellen. Diese Farben sind nicht spektral rein, da sie aus anderen Farben gemischt werden können.

Diagramm des RGB-Farbraums mit positiven RGB-Werten

Diagramm des RGB-Farbraums mit den sichtbaren „negativen“ RGB-Werten