RGB
RGB
| Sichtbares Licht ist elektromagnetische Strahlung mit Wellenlängen von ca. 400 - 800 nm (10-9m). | In der Informatik werden beliebige Farben durch Kombination der 3 Farben Rot, Grün und Blau dargestellt (RGB-Farben). |
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 Farbe
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Das komplexe Thema 'Farbe' in der Informatik |
| Live-Demo | Farbe von Licht verschiedener Wellenlänge |
| Verwandtes Thema | Schwarzkörper: Licht von glühenden Körpern |
| Links |
Ausgewählte
Links zum Thema 'Farbe von Lichtstrahlung'
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Live-Demo: Spektralfarben |
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Wellenlänge: 0 nm
Energie = 0 eV CSS-Code = rgb(0,0,0) CSS-Code = #000000 |
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Klicken sie die Pfeile des Schiebereglers, um die Wellenlänge in Nanometer
( 1 nm = 1*10-9m = 1E-9m) einzustellen. Zur besseren Sichtbarkeit wird
die Farbe dieser Strahlung gegen schwarzen und weißen
Hintergrund gezeigt. Rechts einige Praxis-Beispiele zum Anklicken: die dazugehörende Wellenlänge wird eingestellt und ihre Farbe angezeigt. Ihr Monitor kann (fast) keine der eingestellten Farben 'genau' anzeigen. Allerdings wird der gleiche Farb-Eindruck durch die Mischung ( → Addition) der 3 Farben Rot, Grün und Blau (RGB) erzielt. |
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| Der hier eingesetzte Algorithmus von Dan Bruton ergibt keine präzisen Werte, arbeitet jedoch sehr rasch und erlaubt eine einfache Demonstration. |
Beispiele von Licht, das nach Anregung als Spektral-Linien emittiert wird: Flammenfärbung und Feuerwerk (thermische Anregung), Leuchtstoffröhren, Natriumdampf-Lampen, Quecksilberdampf-Lampen, TV-Bildröhren, Röhren-Monitore (elektrische Anregung), Laser (optische Anregung), Interstellare Wolken (Strahlung von Sternen). |
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Strahlung eines 'Schwarzen Körpers'Nicht das Thema dieser Seite, aber für das Verständnis wichtig. |
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Anregung durch Absorption von Energie: ▶ Wenn ein Körper groß genug ist (z.B. ein Stein), dann kann er Energie in jeder beliebigen Menge aufnehmen. Er findet sozusagen eine Möglichkeit, jede noch so kleine Energie-Portion unterzubringen. |
Die Atome an der Absorptions-Stelle schwingen zunächst etwas heftiger als vorher, aber sie geben diese Energie sehr rasch an Nachbar-Atome weiter und schon bald ist die Energie auf Milliarden von Atomen verteilt - Der Körper hat sich geringfügig erwärmt. |
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Stabilisierung durch Emission von "Thermischer Strahlung" ▶ Alle Atome des warmen Körpers schwingen. Diejenigen an seiner Oberfläche geben dabei Strahlungs-Energie an die Umgebung ab. Auch dabei geht es um Energie in fast beliebigen Portionen: Es gibt Atome, die zufällig gerade sehr langsam schwingen und wenig Energie (kleine Frequenz,, lange Wellenlänge) abgeben, andere schwingen rascher usw. |
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Ein angeregter ('heißer') Körper gibt daher ein Gemisch aus Strahlung aller
möglicher Wellenlängen ab. Je nachdem, welche Wellenlängen darin enthalten
sind, erscheint uns ein solcher Körper rot, orange, gelb oder weiss. Durch die Abstrahlung verliert der Körper Energie, d.h. er kühlt ab, wenn nicht ständig neue Energie zugeführt wird. |
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Beispiele: Die Sonne und jede Glühbirne emittieren ein Gemisch,
das für Menschen 'weiß' erscheint. Eine Zigarette ist nicht so heiß, das Gemisch ihrer Strahlung erscheint 'rot'. |
▶ Isaac Newton (1704) gelang es erstmals, derart gemischte weisse Lichstrahlung mit einem Prisma in seine Teile zu zerlegen (Spektrum) und wieder zusammenzusetzen. |
| Die Theorie von der 'Strahlung schwarzer Körper' beschreibt exakt, welche Art (Wellenlänge) und Menge (Intensität) von Strahlung ein derartiger Körper abgibt. | ▶ Details dazu auf einer eigenen Seite, wo sie einen → Schwarzen Körper Live 'heizen' können. |
Monochromatische Strahlung |
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Anregung durch Absorption von Strahlung:
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'Alleinfliegende' Atome eines Gases können keine Schwingungs-Energie aufnehmen,
da sie nicht über elastische chemische Bindungen mit Nachbar-Atomen verbunden sind.Ihre Elektronen können allerdings Energie aufnehmen und abgeben - Dieser Prozess ist jedoch ganz anders als bei großen festen ('schwarzen') Körpern. ▶ Die Elektronen eines Atoms kreisen nach einem einfachen Modell von Niels Bohr im Grundzustand um den Atomkern. Für jedes Elektron ist auch eine höhere Bahn möglich, der angeregte Zustand. Wenn es Energie aufnimmt, kann es von den Grundzustand auf die höhere Bahn gehobehn werden. |
▶ Die Bahnen aller Atome sind durch deren Aufbau genau festgelegt und für alle Atome eines Elements im ganzen Universum genau gleich. Daher benötigt man immer die gleiche genau passende Menge Energie, um ein Elektron in den angeregten Zustand zu heben. Das Elektron kann keine anderen Bahnen einnehmen, deshalb ist es ihm unmöglich, ein wenig mehr oder weniger Enrgie aufzunehmen. |
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Die Energie zur 'Anregung' von Elektronen, d.h. um sie vom Grundzustand in den
angeregten Zustand zu heben, liegt im UV- und sichtbaren Bereich. Wenn man z.B. 'weißes Licht' auf ein Gas strahlt, dann kann es daraus nur Licht einer genau bestimmten Wellenlänge entnehmen, um seine Elektronen anzuregen. |
Nach Durchgang durch das Gas fehlt diese Wellenlänge im Spektrum,
man findet an dieser Stelle eine 'schwarze Linie'. William Wollaston (1802) und Joseph Fraunhofer (1813) entdeckten solche Linien erstmals im Spektrum der Sonne. |
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Stabilisierung durch Emission von monochromatischer
Strahlung: ▶ Elektronen auf angeregten Bahnen sind nicht stabil. Sie streben danach, in möglichst kurzer Zeit wieder auf ihren Grundzustand zurückzufallen. Dabei wird Energie frei, und zwar genauso viel, wie bei der Anregung absorbiert wurde. |
▶ Angeregte Atome senden daher Strahlung mit genau der gleichen Wellenlänge aus, die sie vorher absorbiert haben. Das von vielen solcher angeregter Gas-Atome ausgestrahlte Licht enthält daher nur eine einzige Wellenlänge - Monochromatische Strahlung. |
| In der Praxis liegen die Dinge etwas komplizierter. Viele Atome haben nicht nur ein Elektron sondern mehrere. Diese haben zwar nur einen Grundzustand, aber mehrere angeregte Zustände. Daher sind manche Elemente in der Lage mehrere 'Linien' zu absorbieren bzw. zu emittieren. | Ein bekanntes Beispiel: Etwas Kochsalz (Natriumchlorid) wird in einer heissen Flamme angeregt und leuchtet bei Stabilisierung gelb. Das gleiche gelbe Licht wird von den Natrium-Lampen an den Straßen erzeugt. |
Wissenschaft und Technik |
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Physik und Chemie:
Die wissenschaftliche Aufklärung monochromatischer Strahlung beanspruchte nur
erstaunlich kurze Zeit:● 1885 konnte Johann Jakob Balmer die Linien von Wasserstoff-Gas mathematisch beschreiben, jedoch noch nicht erklären. ● 1859 wurde von Robert Bunsen und Gustav Kirchhoff die Spektralanalyse entwickelt: Stoffe werden in einer heissen Flamme angeregt, ihre Zusammensetzung durch Analyse der dabei ausgesendeten Licht-Linien ermittelt. ● 1913 konnte Niels Bohr mit seinem einfachen Atommodell (nur) die Linien von Wasserstoff-Gas erklären und berechnen. Die moderne Quantenmechanik kann die Linien-Spektren aller Elemente erklären, berechnen und präzise vorhersagen. Sie beruht auf einer großen Zahl einzelner Entdeckungen, u.a. von Niels Bohr, Louis de Broglie, Paul Dirac, Werner Heisenberg, Wolfgang Pauli, Max Planck, Erwin Schrödinger, usw. |
Astronomie:
Die extrem genaue Messung von Wellenlänge und Intensität von monochromatischem Linien-Licht
ist ein Grundpfeiler der modernen astronomischen Beobachtung.Ein bekanntes Beispiel ist die 'Rotverschiebung': Wenn sich eine Schallquelle nähert, dann klingt ihr Ton höher, wenn sie sich entfernt niedriger (Doppler-Effekt). Der gleiche Effekt tritt auch mit Lichtwellen auf, allerdings erst bei enorm hohen Geschwindigkeiten: Einige Sterne nähern sich, ihre Linien sind zu kürzeren Wellenlängen (blau) verschoben. Die meisten Sterne und alle Galaxien entfernen sich, ihre Linien sind zu längeren Wellenlänge (rot) verschoben. Edwin Hubble entdeckte, dass sich Galaxien umso schneller von uns entfernen, je weiter sie weg sind. Die Messung der Rotverschiebung ist das einzige Mittel zur Messung 'großer' Entfernungen, derzeit bis zu ca. 13 Milliarden Lichtjahren. Viel größere Distanzen sind in unserem Universum nicht möglich. |
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Standards auf Basis von Spektrallinien: Länge:
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Bereits 1859 wurde von
James Maxwell weitsichtig vorgeschlagen, die Definition der Länge
(Meter) an die Wellenlänge der gelben Spektrallinie von Natrium
(Farbe oben) zu binden.
Das wurde jedoch abgelehnt.● 1960 wurde die Definition der Länge (Meter) an die Wellenlänge einer orangeroten Linie von Krypton (Edelgas, Kr86 605.78nm, Farbe oben) gebunden. ● 1983 wurde diese Definition geändert und an die Lichtgeschwindigkeit gebunden. |
Zeit:
Durch die gesamte Geschichte der Menschheit bestimmte die Astronomie die Standards
der Zeit (Jahr, Monat, Tag). Erst moderne hochgenaue Messungen ersetzten sie durch
universell gültige physikalische Standards.● 1967 wurde die internationale Definition der Sekunde an die Frequenz einer Infrarot-Linie von Cäsium (Metall, Cs133, 852nm, Feinstruktur bei 9.192631770 GHz ) gebunden. Technisch verwendet wird auch die orangerote Linie von Krypton (Edelgas Kr86, 605.78nm, Farbe oben). Diese Definition unterliegt nicht den (sehr langsamen) Veränderungen, welchen die vorherige astronomische Definition (Umlaufzeit der Erde um die Sonne) unterliegt. ▶ Details zu Kalender & Zeit auf eigenen Seiten dieses Webs. |
Programmierung dieser Webseite |
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Ca. 1/3 des Quelltextes dieser Datei besteht aus Javascript-Programmen, die von ihrem
Browser ausgeführt werden. ► Aus Sicht des Providers: Der Webserver ist maximal entlastet, er sendet die Webseite mit minimalem Aufwand an Server-Zeit. ► Aus Sicht des Programmierers: Der Quellcode ist offen: keine Geheimnisse. |
► Aus ihrer Sicht als BesuchererIn: Wirklich rasches interaktives Verhalten funktioniert nur am eigenen PC. Die Programme müssen daher ebendort ausgeführt werden. Da bleibt nur mehr Java und Javascript übrig: Wenn das Programm so anspruchslos ist wie dieses, dann wird Javascript bevorzugt: Keine lästige Ladezeit, schnelle Performance. |
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Schieberegler:
Besteht aus 3 Bildern (Linkspfeil, Rechtspfeil, Reglermarke).Der Regler ist in eine Tabelle eingebaut, der Mittelteil mit CSS formatiert. Die Reglermarke ist in variabler Position über dem Mittelteil eingebaut und wird mit CSS-position bewegt. Bei MouseDown (Klick) oder MouseUp auf den Pfeil-Bildern werden Events ausgelöst, d.h. Javascript-Funktionen (left, right) gestartet, welche die Animation managen. |
HTML (vereinfacht)
<table>
<tr><td> <img src="left.gif" onMouseDown="left(1)" onMouseUp="left(0)"> </td> <td style="background-color:#EFEBDE;"> <img id="slider_1" src="slide.gif" style="position:relative; left:0%;"> </td><td> <img src="right.gif" onMouseDown="right(1)" onMouseUp="right(0)"> </td></tr> </table> |
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Dynamik:
Ein kurzer Klick auf einen Regler verändert die Wellenlänge nur um 1nm.
Je länger sie mit der Maus auf einem Reglerpfeil bleiben, umso rascher ändert
sich die Wellenlänge. So lassen sich sowohl sehr kleine als auch sehr große
Zahlenbereiche rasch durchfahren.
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Javascript setzt den Regler in die Mitte (50%)
ns = document.getElementById('slider');
sp = "50%"; ns.style.left = sp; |
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Daten:
Die durch den Schieberegler eingestellte Wellenlänge bildet die Grundlage
aller berechneten Daten. Je 1 kleines Programm berechnet den RGB-Code, den Hex-Code, usw.
Die Eintragung der berechneten Daten erfolgt mit DOM-Methoden.
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HTML: Text-Daten
Energie = <span id="ev">0</span> eV
JS: Eintragung von Text-Daten (hier 1.23)
ne = document.getElementById("ev").firstChild;
ev = 1.23; ne.nodeValue = ev.toString(); |
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Farbe:
Die Änderung der Farbe erfolgt durch Kombination von CSS und
→ DOM-Methoden. Das Bild besteht aus einer Maske mit einem
transparenten Loch, welches die Hintergrundfarbe zeigt.
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HTML: das Farb-Loch
<img id="color" src="loch.gif" style="background-color:#000000;">
JS: Änderung der Loch-Farbe
ncol = document.getElementById("color");
rgb = "rgb(123,45,67"; ncol.style.backgroundColor = rgb; |
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Farb-Balken:
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Die Grafik ist im Original 300 Pixel breit und 1 Pixel hoch. Die Anpassung an die gewünschte Größe erfolgt mit → CSS:
<img src="wavelength_colorbar.jpg" style="heigth:10px; width:100%;">
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Algorithmus
Berechnung der RGB-Werte als Funktion der Licht-Wellenlänge.Der teilweise empirische Algorithmus stammt aus mehreren Internet-Quellen und wurde modifiziert. Eine Urheberschaft ließ sich nicht feststellen, wird aber gerne nachgeholt. Die Funktion arbeitet rasch, aber nicht sehr genau. Für exakte Werte müssen sie bessere Algorithmen oder Tabellen-Werke verwenden. Da Funktion berechnet die RGB-Werte (dezimal 0..255) rot, blau und gruen, die hier als globale Variable definiert sind. Das Argument wl ist die Wellenlänge in nm. Ein ähnlicher Algorithmus wurde in einem → PHP-Programm zur Berechnung des hier verwendeten Farb-Balkens verwendet. Details zur Erzeugung programmierter → Grafik mit PHP. |
Javascript-Quellcode:
var rot=0; var blau=0; var gruen=0;
function wavelength_to_rgb(wl) {
var gamma=0.8;
}// rgb
var r=0; var g=0; var b=0;if(wl<440) {r=-1*(wl-440)/(440-380); b=1;} if(wl>=440 && wl<490) {g=(wl-440)/(490-440); b=1;} if(wl>=490 && wl<510) {g=1; b=-1*(wl-510)/(510-490);} if(wl>=510 && wl<580) {r=(wl-510)/(580-510); g=1;} if(wl>=580 && wl<645) {r=1; g=-1*(wl-645)/(645-580);} if(wl>=645) {r=1;} // intensity s
var s=1;if (wl<420) {s=0.3+0.7*(wl-380)/(420-380);} if (wl>700) {s=0.3+0.7*(780-wl)/(780-700);} if (s<0) {s=0;} // gamma
r=Math.pow((s*r),gamma)*255;g=Math.pow((s*g),gamma)*255; b=Math.pow((s*b),gamma)*255; // check
rot=check_byte(r);gruen=check_byte(g); blau=check_byte(b); function check_byte(c) {
v=Math.round(c);
}
if(v<0) {v=0;} if(v>255) {v=255;} return v; |
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Dan Bruton: Color Science efg Computer Lab - Visible Light Spectrum PhilipLaven - Wavelength & Color |
Mount Laguna Observatory: Rendering Spectra (Andrew Young) |
| ColorPro: Applet (RGB, CIE-Lab) Live-Umrechnung | |
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