Repetitorium Farbe 1: Was ist das eigentlich, Farbe?

Der Autor der neunteiligen Reihe – welche heute beginnt und immer Freitagabend fortgesetzt wird – Jost J. Marchesi ist vermutlich vielen Leserinnen und Lesern bekannt. Er hat bereits 1968 erste Kurse über Theorie und Praxis der Farbfotografie durchgeführt und seit 1973 in seinen Lehrgängen zur Grundausbildung und Weiterbildung von Fotografen an der Zürcher Kunstgewerbeschule integriert. Die erste Folge einer Lehrgangsreihe erschien bereits 1977 in der allerersten Ausgabe der Zeitschrift PHOTOGRAPHIE. Das nun vorliegende 9-teilige Repetitorium zum Thema Farbe soll die wichtigsten Fakten und Begriffe klären, erläutern, erneuern und diskutieren.

 

Autochrome-Aufnahme aus der ursprünglichen Sammlung von Auguste und Louis Lumière aus dem Jahre 1907

Obwohl unser Leben durch Farben beeinflusst wird, bleibt Farbe eine Sache der subjektiven Wahrnehmung. In der Umgangssprache kann «Farbe» ein Farbstoff sein, genau so wie ein optisches Phänomen oder ein Sinneseindruck. Ganz besonders schwierig wird es in der Kommunikation; mehrere Leute, welche die Farbe einer roten Frucht definieren sollen, können sich nicht einigen. Für den einen ist die Frucht einfach «rot», für den anderen «feuerrot», «karminrot» oder gar «scharlachrot». Liest man die «Farbenlehre» von Johann Wolfgang von Goethe, wird man kaum klüger. Selbst die Sprachgewalt dieses Genies reicht bestenfalls aus, eine verstärkte Vorstellung über Farbpsychologie zu vermitteln. Maler – vor allem die grossen Lehrer unter ihnen – hatten ähnliche Schwierigkeiten. Sie stellten Farbtheorien auf, nach denen noch Jahrzehnte später Generationen von Gestaltern ausgebildet wurden, oft nicht wissend, dass der grosse Meister einst seine Theorie mit den zu seiner Zeit üblichen Studienfarben erläutert hat – Malfarben, die es lange schon nicht mehr gibt und deren Überlegungen somit nicht ohne weiteres auf moderne Farbstoffmoleküle und andere Farbräume übertragbar sind.

 

Körperfarben entstehen durch Absorption und Reflexion

Die Schwierigkeiten, das Wesen der Farbe zu verstehen, beruhen in erster Linie darauf, dass Farbe keine physikalische Grösse (wie beispielsweise die Länge oder die Masse) ist. Sie ist ein Sinneseindruck und ähnelt in ihrer Art daher eher dem Geschmack oder dem Geruch. Damit eine Farbe wahrgenommen werden kann, ist das Vorhandensein einer sichtbaren Strahlung, das heisst Licht, zwingend notwendig. Ein nicht selbstleuchtender Gegenstand ist nur sichtbar und erscheint nur dann farbig, wenn er mit sichtbarem Licht angestrahlt wird. Seine farbliche Erscheinung – man spricht von der Körperfarbe – ist abhängig von der Wechselwirkung zwischen der Art der vorhandenen Strahlung sowie der Reflexion und Absorption. So erscheint uns ein Objekt dann gelb, wenn es mit weissem Licht (in folgender Darstellung mit den Spektralanteilen Blau, Grün und Rot dargestellt) angestrahlt wird und der Gegenstand infolge seiner molekularen Oberflächenbeschaffenheit von diesem Licht nur noch den Grün- und Rotanteil reflektiert, den Blauanteil dagegen absorbiert. Der Gegenstand erscheint uns aber auch dann gelb, wenn er eigentlich weiss ist, aber nur mit gelbem bzw. grünem und rotem Licht angestrahlt wird. Doch selbst unter diesen Voraussetzungen ist streng genommen noch keine Farbe entstanden, sondern erst eine sichtbare Strahlung, die schliesslich eine Farbwahrnehmung auslösen kann. Das Auge selbst ist nur der Strahlungsempfänger, gewissermassen das Messgerät. Die Farbempfindung kommt letztlich im Gehirn zustande.

 

Körperfarben

Dabei werden unterschiedliche Strahlungen vom Auge nicht zwangsläufig verschieden wahrgenommen. Einstrahlungen von Licht mit Wellenlängen über 665 nm (Nanometer) können vom Auge nicht mehr unterschieden werden, es erkennt dabei immer dasselbe Rot. Wir sind auch nicht in der Lage, zu unterscheiden, ob das Licht monochromatisch (nur aus einer Wellenlänge bestehend) oder polychromatisch (aus mehreren Wellenlängen zusammengesetzt) ist. Das Auge beurteilt ein monochromatisches Licht der Wellenlänge 579 nm genau gleich, wie Licht, das im gleichen Verhältnis aus den beiden Wellenlängen 560 und 620 nm besteht. Für das Auge ist es gleichgültig, ob der Eindruck Weiss durch spektrale Reize des gesamten Spektrums von 380 bis 760 nm erfolgt oder beispielsweise nur durch zwei Spektrallinien mit 600 und 490 nm (im Intensitätsverhältnis 1:2) oder durch die beiden Linien 493 und 620 nm (im Intensitätsverhältnis 1:1).

 

Elektromagnetische Strahlung

Aus dem riesigen Spektrum elektromagnetischer Strahlungen ist das menschliche Auge nur gerade auf den Wellenlängenbereich 380 bis 760 nm empfindlich. Diesen Bereich nennen wir «Licht». Die Empfindlichkeit des Auges ist für Strahlungen unterhalb von 400 nm und oberhalb von 700 nm derart gering, dass wir künftig den sichtbaren Anteil des Lichts mit den runden Zahlen 400 bis 700 nm angeben.

 

Sehen und Farbsehen

Als peripheres Organ zum direkten Empfang elektromagnetischer Strahlung im Bereich von 380 bis 760 nm dient uns das Auge. Durch eine mit Muskeln steuerbare Linse wird auf der Netzhaut ein Bild entworfen. Die Netzhaut ist mit rund 126 Millionen lichtempfindlichen Rezeptoren versehen, die auf Grund fotochemischer Vorgänge ein zwischen Hornhaut und Netzhaut bestehendes elektrisches Ruhepotential vergrössern und im Sehnerv einen Aktionsstrom fliessen lassen. Von den Rezeptoren ist der grösste Teil stäbchenförmig. Diese Stäbchen sind relativ hochempfindlich und dienen vorwiegend dem Nachtsehen. Sie sind nicht farbempfindlich, obwohl ihre höchste Empfindlichkeit bei einer Wellenlänge von rund 500 nm liegt. Eine merklich geringere Menge von Rezeptoren, die 6 Millionen Zäpfchen, sind zwar bedeutend weniger empfindlich, dafür sind sie für bestimmte Spektralteile sensibilisiert. Stark vereinfacht gesagt, ist ein Teil dieser Rezeptoren für Blau, ein anderer Teil für Grün und der Rest für Rot empfindlich. Sehen wir einen blauen Gegenstand, so sprechen lediglich die blauempfindlichen Zäpfchen an, gelb erkennen wir dann, wenn zugleich die grün- und rotempfindlichen Rezeptoren angesprochen werden usw. Unmittelbar gegenüber der Linse, in der sogenannten Fovea centralis, sind nur Zäpfchen vorhanden. Nach aussen nimmt deren prozentualer Anteil ab und an der Peripherie sind nur noch nicht farbempfindliche Stäbchen zu finden.

 

Schematischer Schnitt durch das menschliche Auge und die Netzhaut (Retina)

Die Retina wandelt das einfallende Licht in Nervenimpulse um. Sie ist ein externes Teil des Gehirns. Die Verbindung zum Gehirn erfolgt über den Sehnerv. Die Retina ist etwa 0,25 mm dick und besteht aus drei Schichten von Nervenzellen, wovon die hinterste Schicht die eigentlichen Lichtrezeptoren Stäbchen und Zäpfchen enthält. Damit das Licht auf die Rezeptoren fällt, muss es zuerst die anderen Schichten durchqueren.

Die Zellschicht unmittelbat vor den Rezeptoren enthält verschiedene Nervenzellen: Bipolare Zellen, horizontale Zellen und Amacrin-Zellen. Bipolare Zellen empfangen die Signale der Rezeptoren und leiten diese bipolar verschlüsselt (duale Digitalelektronik lässt grüssen) weiter an die Ganglien-Zellen in der vordersten Schicht. Horizontalzellen verbinden die Rezeptoren und die bipolaren Zellen durch relativ lange Verbindungen, die parallel innerhalb der Retina liegen. In ähnlicher Art verbinden die Amacrin-Zellen die bipolaren Zellen mit den Ganglion-Zellen.

Im Bereich der Fovea centralis geht der Informationsfluss ausschliesslich den direkten Weg (d.h. jedes einzelne Zäpfchen ist direkt mit einem Ganglion verbunden). Gegen die Peripherie nimmt diese Tendenz ständig ab; immer mehr Rezeptoren münden in eine bipolare Zelle und immer mehr bipolare Zellen in eine Ganglionzelle. Aus diesem Grund kann der Mensch Farben nur in der Bildfeldmitte hochspezifisch unterscheiden.

 

Farbreiz, Farbvalenz, Farbempfindung

Definitionsgemäss bezeichnet man die von einem Gegenstand reflektierte, sichtbare Strahlung als Farbreiz. Das Resultat eines solchen Farbreizes im menschlichen Auge (das für die Weiterleitung in das Sehzentrum des Gehirns erzeugte Farbsignal) wird als Farbvalenz bezeichnet und beim Sinneseindruck im Gehirn sprechen wir von Farbempfindung. Der Farbreiz ist mit physikalischen Theorien erklärbar, die Farbvalenz gehört ins Gebiet der Physiologie und die Farbempfindung versucht die Psychologie zu umschreiben.

 

Vom Farbreiz zur Farbempfindung

Das Gehirn interpretiert die Farben nicht nach ihrem Blau-Grün-Rot-Anteil wie es infolge der vermuteten Trichromazität des Auges (Theorie von Thomas Young; 1809) zu erwarten wäre. Vielmehr ist anzunehmen, dass vergleichende Verknüpfungen zwischen den Farben vorgenommen und durch diese Farbdifferenz schliesslich zwei Signale generiert werden, welche einerseits eine Aussage über den Farbton mitsamt seiner Sättigung (Reinheit) und andererseits über dessen Helligkeit macht.

Das Sehen und insbesondere das Farbsehen ist ein sehr komplexer physikalischer, physiologischer und psychologischer Vorgang, der noch lange nicht in allen Einzelheiten geklärt ist. Für oberflächliche theoretische Überlegungen zum Farbsehen genügt die Theorie der Trichromazität des Auges wie sie um 1809 Thomas Young aufgestellt hat. Allerdings war er seiner Theorie selbst nicht ganz sicher. Zuerst schlug er nämlich vor, die drei verschiedenen Grundfarben seien Rot, Gelb und Blau, später korrigierte er seine Aussage und sprach von Rot, Grün und Blau. Allgemein bewiesen, dass alle Farben allein durch diese letztgenannten drei Grundfarben synthetisiert werden können, hat dies dann James Clerk Maxwell 1861 mit seiner spektakulären Dreifarbenprojektion.

 

Maxwellsche Dreifarbenprojektion

Maxwell machte auf schwarzweisses Fotomaterial drei Aufnahmen jeweils durch einen Blaufilter, einen Grünfilter und schliesslich durch einen Rotfilter. Weil diese Selektionsfilter lediglich ihre Eigenfarben passieren liessen, entstanden drei Negative, welche jeweils nur an den Filtereigenfarben eine mehr oder weniger starke Schwärzung aufwiesen. Nach einem Kopiervorgang entstanden drei schwarzweisse Diapositive, die – umgekehrt wie die Negative – an den dem Objekt entsprechenden Farben hell waren. Durch passergenaue Dreifachprojektion mit den entsprechenden Auszugsfiltern entstand ein Projektionsbild, das dem Original weitgehend glich. Bald einmal entstanden Dreifarben-Strahlenteilungskameras, welche den Dreifarbenauszug mit einer einzigen Exposition ermöglichten.

Weil dies physikalisch tatsächlich geht – alle unsere farbigen Fotografien und Druckerzeugnisse, und selbst das Fernsehen sind der Beweis dafür – hatte der deutsche Physiologe Hermann von Helmholtz in der zweiten Hälfte des 19. Jahrhunderts den Mut zu postulieren, dass es im Auge drei getrennte Rezeptoren mit unterschiedlichen Pigmenten gebe (die Zäpfchen), welche jeweils auf einen Spektraldrittel Blau, Grün und Rot empfindlich seien. Weil das alles so schön logisch und erklärbar war, schien die Theorie der Trichromazität des Auges als gesichert. In endgültiger Gewissheit wiegte man sich in den sechziger Jahren des letzten Jahrhunderts, als es dem dafür mit dem Nobelpreis ausgezeichneten Biochemiker George Wald gelang, das tatsächliche Vorhandensein dreier verschiedener Zapfenarten im Auge mit den Empfindlichkeitsmaxima Blau, Grün und Rot nachzuweisen. Ebenfalls nachgewiesen wurde die Querverbindung zwischen unterschiedlich farbempfindlichen Zäpfchen und Bipolarzellen durch die Horizontalzellen sowie die Verbindung der bipolaren Zellen mit den Ganglion-Zellen durch die Amacrin-Zellen, was schliesslich zur heute allgemein gültigen Theorie der Verknüpfung der ursprünglichen Rezeptoren-Signale Blau, Grün und Rot führte. Das Signal, das nach der Verarbeitung schliesslich ans Gehirn weitergeleitet wird und dort die Farbempfindung auslöst, trägt infolge der Farbdifferenz-Signalen neben der Information über die farbliche Zusammensetzung (Farbton) auch eine Information über die Farbsättigung (Reinheit der Farbe) und deren Helligkeit.

 

Sättigung und Farbempfindung

links: Zu den Begriffen Farbton, Sättigung, Helligkeit. Dargestellt ist unten rechts ein reines, hochgesättigtes Rot (Farbton). Ohne Änderung des Farbtons nimmt nach links die Sättigung ab und nach oben die Helligkeit zu.

rechts: Unterschiedliche Farbempfindung bei gleicher Farbvalenz: Die Farbempfindung ist nur von der Farbvalenz abhängig, sondern ebenso vom Umfeld. Die Ringe in unserer Abbildung weisen eine identische Farbvalenz auf. Trotzdem erscheint uns der untere Ring heller als der obere. Die im Gehirn ausgelöste Farbempfindung ist demnach auch abhängig von der Farbe des Umfelds.

Wesentlich ist dabei die Vermutung, dass die Information von Farbton und Sättigung zusammengefasst ist und die Helligkeit mit einer mindestens gleich grossen Informationsmenge bedacht ist. Für diese Vermutung spricht die Tatsache, nach der das menschliche Farbempfinden auf Schwankungen des Farbtons bedeutend weniger sensibel reagiert als auf Änderungen der Helligkeit. Anders gesagt, vergleichsweise grosse Differenzen im Farbton kann der Mensch nur schwer erkennen, dagegen erkennt er bereits sehr geringe Abweichungen in der Helligkeit eines Farbtons.

Nicht berücksichtigt ist bei diesen Überlegungen die Einwirkung der Stäbchen im Auge, die für das Nachtsehen zuständig sind und die eine spektrale Maximalempfindlichkeit im Bereich von 507 nm (blaugrün) aufweisen. Diese spielen bei den Überlegungen zum Farbsehen jedoch kaum eine Rolle, weil Farbbeurteilungen einerseits nur bei gutem Licht und andrerseits nur mit dem zentralen Blickwinkel, das heisst mit den in der Fovea centralis der Netzhaut ausschliesslich vorhandenen Zäpfchen vorgenommen werden.

Weiter ins Wanken kam die doch so schöne Theorie, als es in neuester Zeit möglich wurde, die Gene der Pigmente auf dem X-Chromosom in den Zäpfchen zu untersuchen und zu vergleichen (im Wesentlichen durch Jerry Nathans). Die hier liegenden Gene sind verantwortlich für die Farbempfindlichkeit. Genauso, wie heute niemand mehr die Farbempfindlichkeit der Zäpfchen mittels Absorption und Reflexion der Strahlung an den Farben der Pigmente erklärt (man redet vielmehr von Pigmenten für lang-, mittel- und kurzwelliges Licht), spricht man von lang-, mittel- und kurzwelligen Genen, wobei damit eigentlich die genetische Information gemeint ist, um ein Pigment herzustellen, das am besten das Licht langer, mittlerer oder kurzer Wellenlänge empfangen kann.

Beim Isolieren der Gene war die Überraschung gross. So fand man nicht ein einziges mittelwelliges Gen, sondern mehrere (allerdings unterschiedliche von Mensch zu Mensch). Hingegen fand man bei einigen Menschen nur eine Sorte langwelliger Gene. Bei vereinzelten anderen Menschen dagegen wurden zwei langwellige Gene gefunden (wodurch die Untersuchungsergebnisse von Augenärzten, die bei einzelnen Patienten bereits zuvor zwei verschiedene Rot-Rezeptoren vermuteten, bestätigt wurden). Mit zunehmender Präzision der Gensondierung konnte man gar Frauen mit vier verschiedenen, langwelligen Genen finden, die in der Tat bei Farbvergleichen im Rotbereich deutlich anders reagierten wie Menschen mit nur einem langwelligen Gen.

 

Tetrachromasie

Der Schluss liegt nahe, es könnte Menschen geben (insbesondere Frauen, denn diese haben bekanntlich zwei X-Chromosomen), die bereits von der Netzhaut her, das heisst, in ihrer Farbvalenz, tatrachromatisch sind, die Farben also auf vier Komponenten zusammenmischen. Männer dagegen dürften infolge ihrer genetischen Struktur meist nur drei verschiedenartige Rezeptoren im Auge haben.

Die Genforschung hat mit diesen neuen Erkenntnissen auch neue Erklärungen für Farbschwächen und Farbenblindheit gefunden. Es ist vorauszusehen, dass dieser Forschungszweig weitere Erkenntnisse ermöglichen wird und vielleicht auch den Informationsfluss zwischen Netzhaut und Gehirn auf eine neue, bisher noch unbekannte Art beschreiben kann.

Text © by Jost J. Marchesi
Abbildungen: Archiv Jost J. Marchesi

Am nächsten Freitag in der 2. Folge: «Die physikalische Farbtheorie»