Farben leuchtender Körper @ PS-Trainer

Licht und seine strahlenden Verwandten

► Licht ist eigentlich kein streng naturwissenschaftlicher Begriff. Man bezeichnet damit einen kleinen Bereich der elektromagnetischen Strahlung.
► Dieser Bereich ist nur dadurch ausgezeichnet, dass meschliche Augen dafür empfindlich sind.
► Die Licht-Sinnesorgane anderer Lebewesen oder gar technische Sensoren sind teilweise für ganz andere Bereiche der gleichen Strahlung empfindlich.

► Elektromagnetische Wellen können in jeder beliebigen Wellenlänge auftreten. Einige ihrer Bereiche haben spezielle Namen bekommen, das hat mit der Geschichte ihrer Erforschung zu tun.
► Wegen der enormen Bandbreite der elektromagnetischen Strahlung verursacht diese ganz unterschiedliche praktische Auswirkungen. Daher ist es sinnvoll, einzelne Bereiche unterschiedlich zu benennen.
► Licht für menschliche Wahrnehmung erstreckt sich von ca. 400nm - 700 nm (Nanometer = 10^-9m), das ist nicht einmal eine ganze "Oktave".
► Je nach Zusammensetzung (Spektrum) der verschiedenen Wellenlängen entsteht für Menschen der Eindruck verschiedener Farben.

Elektromegnetische Wellen: (Ausschnitt jener Bereiche, die mit Stand der Technik zugänglich sind)
EM Spaktrum

Die Maßstäbe für Wellenlänge (oben) und Frequenz (unten) sind logarithmisch !

Spektralfarben:

Die Commission Internationale de l'Eclairage / International Commission on Illumination (CIE) definiert "visible light" mit Wellenlängen von 380 nm bis 780 nm.
Menschen empfinden das Licht der Sonne zu Mittag als "weiß".
Das entspricht einer Mischung verschiedener Wellen von 400 nm (blau-violett) bis 700 nm (rot).
Schon diese Definition zeigt, wie subjektiv und Menschen-gebunden das Thema 'Farbe' ist.

Elektromagnetische Strahlung (u.a. Licht) wird durch Qualität (Wellenlänge, Frequenz) und Quantität (Intensität) beschrieben.
Wellenlänge wird in m gemessen, Licht in nm.

1 nm = 1E-09m = 1/millionstel mm.

Frequenz wird in Hertz (Schwingungen pro Sekunde) gemessen, Licht würde 100-1000 THz entsprechen.

1 THz = 1E12Hz

Wellenlänge l und Frequenz f sind verkehrt proportional (siehe Skala oben).

f = c / λ

λ = f / c

c = 3.0E08 m/s = Lichtgeschwindigkeit im Vakuum

Leuchtende Körper senden Lichtstrahlung aus:
Sonne, Lampen, TV-Bildschirm, PC-Monitor, ...
► Diese Körper emittieren elektromagnetische Strahlung, meist in einem breiten Bereich von Wellenlängen.
► Ein Spektrum ist eine Grafik zur Beschreibung der Strahlung:
Intensität als Funktion der Wellenlänge.

► Einen winzigen Bruchteil der Strahlung können die Augen von Lebewesen absorbieren und als "Farbe" interpretieren.
► Für Menschen ist der wahrnehmbare Bereich besonders klein: ca. 400-700 nm (Nanometer = 10^-9m), nicht einmal eine ganze "Oktave".
Andere Lebewesen nehmen andere Bereiche wahr.

Strahlung schwarzer Körper
► Die häufigste Methode, Licht (und Farben) zu erzeugen, ist durch "glühend" heisse Körper: Sterne, Sonne, Glühlampe, Kerze, ... ► Newton (1643-1727) erkannte als erster, daß weißes Licht eine Mischung von Licht verschiedener Farben ist. Er konnte weißes Licht mit einem Prisma in 'Spektralfarben' zerlegen und wieder zusammensetzen.	► Kalte, nichtleuchtende Körper werden in dunkler Umgebung als schwarz empfunden. Mit steigender Temperatur beginnen sie dunkelrot zu glühen, dann rot, orange, gelb und weiß. Extrem heiße Körper erscheinen hellblau. ► Der Begriff "Farbtemperatur" beschreibt die Temperatur, bei der ein Körper so leuchtet wie eine bestimmte Farbe. Das "Weiß" von PC-Monitoren oder Leuchtstoffröhren lässt sich z.B. auf Temperaturen von einigen Tausend Grad (K) einstellen.
► Den Zusammenhang zwischen Temperatur und Spektrum finden sie unter "Strahlung schwarzer Körper" in Physik und Internet. Alle diese Körper senden ein breites Spektrum verschiedener Wellenlängen gleichzeitig aus.	► Das Wien'sche Verschiebungsgesetz beschreibt die Wellenlänge mit der maximalen Intensität (höchster Punkt der Spektrum-Kurve). ► Das Stefan-Boltzmann-Gesetz beschreibt die Intensität der gesamten emittierten Strahlung.
Java-Applets zu diesem Thema: Mike Lee (ausgezeichnet), Wolfgang Christian, Journey through Astronomy	♦ Details und Live-Beispiele auf der Seite Strahlung schwarzer Körper

Licht einer einzigen Farbe
Monochromatische Strahlung: ► Andere Methoden erzeugen nur Strahlung ganz bestimmter Wellenlängen (monochromatisch): Leuchtröhren, Lasen, ... ► Wenn (z.B. elektrische) Energie zugeführt wird, dann sind bestimmte Stoffe in der Lage, einen Teil davon als Strahlung einer einzigen Wellenlänge abzugeben. ► Ein bekanntes Beispiel sind die Natriumdampf-Lampen (Straßen-Beleuchtung), die nur eine einzige Wellenlänge, fahl gelbes Licht abstrahlen.	► Auch in der Leuchtschicht von TV und PC-Monitoren sowie in den Leuchtdioden (LEDs) von Flachbildschirmen werden solche Methoden verwendet. ► Ein großer technischer Vorteil ist, dass derartige Lichtquellen mit Strom angeregt werden können. ► Als Nebenprodukt entsteht je nach dem verwendeten Prozess Strahlung anderer Wellenlängen (Röntgen, Wärme), die absorbiert bzw. abgeführt werden muss. ► Nach Abschalten der Anregung klingt die Lichtstrahlung meist schnell ab. (Nachleuchten).
	♦ Details und Live-Beispiele auf der Seite Farbe von Lichtstrahlung

Subtraktion durch Filter

Wenn durch eine weiße Lichtquelle (fast) alle sichtbaren Wellenlängen erzeugt werden, dann muss man einige davon entfernen, um Farben zu erzeugen.

► Farbfilter absorbieren ein mehr oder weniger breites "Band" von Wellenlängen aus weisser Lichtstrahlung. Was übrigbleibt, erscheint färbig.

► Farbige Lämpchen strahlen weisses Licht aus und sind mit einer Absorber-Schicht überzogen, die nur einen bestimmten Teil des erzeugten Lichts durchlassen.
Das hat einen besonders schlechten Wirkungsgrad und erzeugt viel Wärme als Neben-Produkt.

► Drucker verwenden Farb-Subtraktion:
Weisses Papier reflektiert (diffus) das Licht aller Wellenlängen. Durch Auftragen von Druckfarben wird ein Teil dieses Lichts absorbiert.
Das Papier-Bild erscheint in jenen Farben, die von den Druckfarben (● Cyan, ● Magenta und ● Gelb) durchgelassen werden.

♦ Details auf der Seite Subtraktion von Farben

Addition

Wenn man mehrere färbige Lichtquellen gleichzeitig auf Augen wirken lässt, dann lässt sich mit etwas Geschick jeder Farb-Eindruck damit hervorrufen.

► Am besten hat sich die Methode bewährt, die 3 Farben ● Rot, ● Grün und ● Blau (RGB) zusammenzusetzen: Mit diesen 3 "Grundfarben" lassen sich für Menschen (fast) alle Farb-Eindrücke hervorrufen.
Allerdings sind auch andere Methoden zur Beschreibung einer Farbe möglich.

► Durch geeignete Auswahl leuchtender Stoffe ("Phosphor") wird elektrische Energie teilweise in Lichtstrahlung der gewünschten Farben RGB umgewandelt. Solche Lichtquellen lassen sich zu winzigen Punkten verkleinern und in großer Anzahl auf einer Fläche (Bildschirm) anordnen.

► Je ein Leuchtpunkt der Farben Ror, Grün und Blau wird zu einem Bildpunkt (Pixel) zusammengefasst. Wenn die Punkte klein genug sind, werden sie vom Auge zu einer einzigen Lichtquelle zusammengefasst. Viele Pixel lassen den Eindruck von einem "Bild" entstehen.

► Die RGB-Methode definiert Farben durch die Zahlenwerte der 3 Farb-Kanäle. In dieser Form lassen sich Farb-Daten festlegen, speichern und übertragen.
Die Ausgabe ist etwas schwieriger: Ausgabegeräte und -Modelle unterschiedlicher Hersteller verwenden verschiedene Lichtquellen (Phosphor-Farbstoffe, Leuchtdioden, ...). Dazu kommt die Alterung: Die Lichtquellen ändern im Laufe ihrer Lebensdauer Farbton und Intensität, die Farben sind von der Umgebungstemperatur abhängig, ...
Obwohl das RGB-Verfahren "objektiv" aussieht, ist das Ergebnis daher Geräte-spezifisch !

♦ Details auf der Seite Addition von Farben

Farbton - Sättigung - Helligkeit (HSB)
HSB ist eine alternbative Methode zur Beschreibung einer Farbe. HSV, HSB, Hue - Saturation (Value) - Brightness Die Mischung nach diesem Farbschema ähnelt sehr dem Prinzip, wie Maler die Farben ihrer Paletten verwenden. Daher ist diese Methode besonders gur für Mal-Programme geeignet.	Farbton (Hue) ► Der Farbton kann als RGB-Farbe definiert werden, d.h. als Reinfarbe oder als Mischung von je 2 dieser Farben. Daher wird der Farbton im HSB-System als Kreis dargestellt. ● Ein Maler hat z.B. Farb-Tuben mit verschiedenen satten Farben, wie Rot, Orange, Gelb, Grün, Blau, usw. Durch Auswahl einer Farbe oder durch Mischung solcher gesättigter Farben wird der Farbton bei maximaler Sättigung und Leuchtkraft festgelegt.
Sättigung (Saturation) ► Sättigung wird definiert als Abstand einer Farbe von einem farblosen Grau der gleichen Helligkeit. Wenn man die Sättigung immer mehr verringert erhält man zuletzt Grau. ● Die Sättigung einer Farbe kann man abschwächen, indem man sie ausbleicht, also Weiß dazu mischt. Je mehr Weiß man dazumischt, desto niedriger wird die Sättigung, bis sie zuletzt in Weiß übergeht. Bei einer Sättigung von 0 ist die resultierende Farbe Weiß, unabhängig vom gewählten Farbton.	Helligkeit (Brightness) ► Helligkeit wird durch das Ausmaß an Reflexion bestimmt, welches eine Oberfläche der betreffenden Farbe bewirkt. Ein Helligkeits-Wert von 0 ergibt in jedem Fall Schwarz, egal, wie die beiden anderen Parameter gesetzt sind. ● Wenn eine Farbe zu hell ist, dann kann man Schwarz dazumischen. ♦ Details auf der Seite HSB

Luminanz & Chrominanz (YUV)

Dieses Farbschema trennt, ähnlich wie HSB, auch Helligkeit (Luminanz) und Farbinformation (Chrominanz), jedoch nach einem anderen Prinzip.
YUV nimmt besondere Rücksicht auf die Empfindlichkeit des menschlichen Auges. ● Grün wird z.B. von Menschen viel heller wahrgenommen als ● Blau.

Der Y-Wert repräsentiert die Helligkeit, während die anderen beiden (U,V) Farbdifferenz-Komponenten sind. Die Konvertierung aus dem RGB-Format geschieht durch eine Lineartransformation.
Das Verfahren spielt eine wichtige Rolle bei der JPEG-und MPEG-Kompression und beim Farb-Fernsehen.

Für die in Europa üblichen Farbfernsehsysteme PAL und SECAM sieht die lineare Farbraumkonvertierung von RGB nach YUV etwa so aus:

Y = 0.299*R + 0.587*G + 0.114*B
U = -0.146*R - 0.288*G + 0.434*B = 0.493*(B - Y)
V = 0.617*R - 0.517*G - 0.100*B = 0.877*(R - Y)

Beim Amerikanischen und Japanischen Fernsehsystem NTSC (YIQ-Schema) werden noch andere Faktoren benutzt.

Da das YUV-Schema die Bilddatenkompression mit Berücksichtigung der Sehempfindlichkeit erleichtert, findet es überall dort Verwendung, wo viele fotografische und filmische Daten stark komprimiert werden müssen. (JPEG, MPEG, ..)

Indizierte Farben

Die Verwendung indizierter Farben (Index-Farben) ist eine Methode der Informatik, um Bilder besonders sparsam zu speichern. Sie eignet sich nur für Bilder mit "abzählbaren Farben".

► Typische Beispiele:
• Geschäftsgrafik (Säulen, Balken, Kreise, Linien, ...) und technisch-wissenschaftliche Grafik, viele Logos (Beispiel) usw. enthalten nur einige wenige voneinander verschiedene Farben. - Sie sind für Index-Fraben gut geeignet.
• Portraits, Landschaften, Sonnenuntergänge, ... enthalten 'unendlich' viele Farben in fein abgestuften Tönen - Sie sind für Index-Farben ungeeignet.

► Für Bilder von Index-Farben (GIF, PNG, ..) speichert man dier genauen RGB-Farbwerte jeder einzelnen verwendeten Farbe in einer Farbtabelle (Color Lookup Table, CLUT). Jede Farbe erhält eine fortlaufende Nummer 1..255.
► Für jeden Bildpunkt braucht man dann nur mehr die Nummer seiner Farbe (max. 8 Bit) speichern, nicht die kompletten RGB-Farb-Daten (24 Bit).
► Zusätzlich werden die Dateien reversibel komprimiert, d.h. nach dem Auspacken liegen wieder die Original-Daten ohne Verlust an Qualität vor.
► Das modernste Verfahren PNG sollte gegenüber GIF nach Möglichkeit bevorzugt werden.

Ausgewählte Links zum Thema 'Farben leuchtender Körper'
CIE - Commission Internationale de l'Eclairage Rochester Institute of Technology (RIT): Interaktives Spektrum, Chromatizität & Gamut, Farbraum-Umrechnung (Algorithmen),

Grafik	Ein Bild sagt mehr als tausend Worte
Licht	Licht und seine strahlenden Verwandten
Schwarzkörper	Die Strahlung schwarzer Körper
Monochrom	Monochrome Strahlung
Filter	Entfernung von Wellenlängen-Bereichen
Addition	Zusammensetzung von Lichtquellen und RGB-Beschreibung von Farben
HSB	Farbton - Sättigung - Helligkeit (Beschreibung von Farben)
YUV	YUV-Beschreibung von Farben
Addition	Zusammensetzung von Lichtquellen
Index	Index-Nummern für Bilder mit abzählbaren Farben.
Links	Ausgewählte Links zum Thema 'Farben leuchtender Körper'

Lichtquellen