Hardwareorientierte Farbmodelle (auch physikalisch-technische Farbmodelle genannt) beschreiben eine Farbe als Mischung von Primärfarben. Die Modelle bedienen sich unterschiedlicher Primärfarben und unterschiedlicher Arten der Farbmischung. Bedingung für eine Primärfarbe ist, dass sie sich nicht aus den anderen beiden Primärfarben zusammenmischen lässt. Man unterscheidet zwischen additiven und subtraktiven Farbmischungen. Hilfreich für das Verständnis sind die Begriffe der Körperfarbe und der Lichtfarbe.

Die Farben der Gegenstände in der natürlichen Umwelt sind in der Regel Körperfarben. Der Farbeindruck, den der Betrachter von einem Gegenstand erhält, entsteht dadurch, dass ein Teil des Lichts, das auf die Oberfläche des Gegenstands trifft, von dieser reflektiert wird, während der andere Teil absorbiert wird. Dabei bestimmt das übrig bleibende reflektierte Licht die Farbe des Gegenstandes. Ein Objekt, das keine Lichtstrahlen der Lichtquelle reflektiert, erscheint daher schwarz. Umgekehrt sieht man einen Gegenstand, der das alle wahrnehmbaren Wellenlängen reflektiert, in weiß. Körperfarben werden wegen der Absorption (Subtraktion) auch als Subtraktionsfarben bezeichnet.

Alle Farbnuancen der Körperfarben lassen sich auf drei Primärfarben reduzieren: Zyanblau, Magentarot und Gelb. Im folgenden bleiben wir bei den Namen Zyan, Magenta und Gelb. Diese Primärfarben zeichnen sich zum einen dadurch aus, dass sie nicht aus anderen Farben gemischt werden können, zum anderen lassen sich aus den Primärfarben sämtliche anderen Farben gewinnen. [s]

Lichtfarben sind die Farben, die von einer Lichtquelle (z. B. einer Glühbirne, Sonne, Monitor) direkt ins Auge gelangen. Der Farbeindruck richtet sich danach, in welchen Wellenlängen die Strahlung ausgesendet wird. Bilder auf dem Computermonitor oder Fernseher entstehen durch Lichtfarben. Die Anzeige erfolgt hier durch Elektronen, die auf die phosphorbeschichtete Projektionsfläche des Bildschirms treffen und dort ein farbiges Aufleuchten des Phosphors bewirken. Lichtfarben entstehen durch additive Farbmischung. Ursprung sind dabei die drei primären Lichtfarben Rot, Grün und Blau. Die Farbe Schwarz entsteht, wenn kein Licht ausgesendet wird. Weiß erhält man durch Mischung aller Primärfarben. [s]

Das RGB-Modell(Red, Green, Blue) ist ein additives Farbmodell. Die dem Modell zugrunde liegenden Primärfarben sind Rot, Grün und Blau. Farben werden dadurch spezifiziert, was zu Schwarz addiert werden muss. Beim RGB-Modell sind die darstellbaren Farben als Punkte eines im Ursprung des Koordinatensystems liegenden Einheitswürfels (Kantenlänge = 1) beschrieben. Jede Koordinatenachse entspricht einer Primärfarbe. Eine Farbe ist somit durch die drei Anteilswerte (Tripel) von Rot, Grün und Blau definiert. Die Hauptdiagonale des Würfels verläuft vom Punkt (0, 0, 0) zum Punkt (1, 1, 1). Durch das Tripel (0, 0, 0) wird die Farbe schwarz repräsentiert (kein Licht = schwarz). Weiß ist durch (1, 1, 1) definiert. So ist es einsichtig, dass alle Farben auf der Hauptdiagonale Grauwerte sind.

Dieses Modell eignet sich besonders für die Farbdarstellung auf CRT-Monitoren. Bei Farbbildschirmen diesen Typs werden drei verschiedene Phosphorarten auf eine Glasschicht aufgetragen. Jede dieser Phosphorarten wird von drei unabhängigen Elektronenkanonen angesteuert. Das Auge kann diese feinen Punkte nicht mehr genau auflösen – man sieht nur eine Farbe. Diese Farbe entsteht aus den drei monochromen (einfarbigen) Komponenten. Die drei Komponenten sind aber nicht standardisiert, sodass die Farbe eines RGB-Wertes auf unterschiedlichen Monitoren auch anders dargestellt wird. [s] [s]

Dem CMY-Modell(Cyan, Magenta, Yellow) liegen die Primärfarben Zyan, Magenta und Gelb zugrunde. Es wird ebenfalls als Einheitswürfel dargestellt. Nun ist aber Weiß im Ursprung (0, 0, 0). Farben werden jetzt durch die Farbanteile spezifiziert, die von weißem Licht subtrahiert werden. Deshalb bezeichnet man das CMY Modell als subtraktives Farbmodell. Alle drei Komponenten zusammen ergeben Schwarz (1, 1, 1). Das CMY-Modell wird zur Farbausgabe auf Druckern verwendet. LINK: M01 - Hardware Voraussetzung dafür ist allerdings weißes Papier.

Das System lässt sich gut an Druckern, die Farbpigmente am Papier auftragen (z. B. Farb-Tintenstrahldrucker) veranschaulichen. Wenn am Papier nichts aufgetragen wird, so sehen wir weiße Farbe. Wird nun cyanfärbige Tinte aufgetragen, so wird rotes Licht nicht reflektiert. Zyan subtrahiert Rot vom reflektierten weißen Licht, das selbst die Summe von rot, grün und blau ist. Daher kann man Zyan im Sinne der additiven Primärfarben als Weiß minus Rot sehen, also als Blau plus Grün. Ähnlich ist es mit Magenta: es absorbiert Grün, ist also rot plus blau; Gelb absorbiert Blau, ist daher rot und grün. Eine Oberfläche mit aufgetragenem Zyan und Gelb absorbiert Rot und Blau, reflektiert also nur grünes Licht. Eine Mischung aller drei Farben absorbiert Rot, Grün und Blau, erscheint also schwarz. Dies ist diagrammatisch in der Abbildung dargestellt. [s] [s] [s]

Das Verhältnis zwischen RGB und CMY-Modell kann man durch folgende Gleichungen ausdrücken [s] :

[ C M Y ] = [ 1 1 1 ] - [ R G B ]

[ R G B ] = [ 1 1 1 ] - [ C M Y ]

Das CMYK-Farbmodell, hat zusätzlich Schwarz (blacK) als vierte Farbe. Es wird beim Vierfarbdruck verwendet. Wenn nämlich Schwarz aus den anderen drei Farben gemischt wird, kann es passieren, dass das Papier geradezu durchnässt. Außerdem hat die Verwendung von Schwarz als vierte Farbe den Vorteil, dass Schwarz dunkler ist als die Mischung der drei Farben. Für eine gegebene CMY Spezifikation ( C 0 , M 0 , Y 0 ) wird Schwarz für gleiche Anteile von C 0 , M 0 und Y 0 verwendet: [s]

K = min ( C 0 , M 0 , Y 0 )

C = C 0 - K

M = M 0 - K

Y = Y 0 - K

Die Abbildung CMY zerlegt das Farbbild in die Anteile Zyan, Magenta und Gelb. Helle Bereiche sind als hohe Anteile und dunkle als niedrige Anteile der jeweiligen Farbe zu interpretieren. Der weiße Topf wird beim Drucken durch keinen Anteil der drei Farben erzeugt, da das Papier schon weiß ist. Die dunkle, beinahe schwarze Erde wird durch einen hohen und gleichmäßigen Anteil der drei Farben gewonnen.

In der Abbildung CMYK wird für die Farbmischung zusätzlich Schwarz verwendet. Gleiche Anteile der drei Farben werden jetzt durch Schwarz ersetzt. Man erkennt deutlich den geringeren Verbrauch an den Farben im Vergleich zum CMY-Modell.

Es gibt verschieden Typen von Fernsehnormen, die NTSC in den USA, die SECAM in Frankreich und Osteuropa und die PAL-Norm z.B. in Deutschland und Österreich. Das YIQ-Modell wird beim NTSC-Fernsehen verwendet. YIQ ist eine Variation der RGB Codierung für eine effiziente Übertragung und für die Abwärtskompatibilität zum Schwarz-Weiß-Fernsehen. Während die Y-Komponente nur die Helligkeit (Luminanz) beinhaltet, tragen I und Q die Farbinformation. Schwarz-Weiß-Fernseher zeigen nur die Y-Komponente an.

• Y = Helligkeit (Luminanz): gewichtete Summe von Rot, Grün und Blau
• I = (R - Y): der Unterschied von Rot zur Helligkeit
• Q = (B - Y): der Unterschied von Blau zur Helligkeit

Da das Auge für Helligkeitswerte empfindlicher ist als für Farbwerte, ist es möglich, Farbinformationen mit weniger Bandbreite zu übertragen als die Helligkeitswerte. Es gehen zwar Farbinformationen verloren, der subjektive Eindruck bleibt aber beinahe gleich. In der NTSC-Norm werden den einzelnen Komponenten Bandbreiten von 4.2, 1.2 und 0.6 MHZ zugeteilt. [s] [s] [s]

Bei der PAL/SECAM-Norm (Fernsehen in Europa) findet ein sehr ähnliches Farbmodell Verwendung - das YUV-Modell. Hier erfolgt die Aufspaltung der Bildinformation gleichermaßen in eine Helligkeits- und zwei Farbsignale. Ebenso wird für die Übertragung der Helligkeit mehr Bandbreite verwendet als für die restlichen Informationen. Da Y wieder der Luminanz entspricht, ist auch dieses System abwärts kompatibel zum Schwarz-Weiß-Fernsehen.

Y = Helligkeit (Luminanz): gewichtete Summe von Rot, Grün und Blau

U = 0.493 · (B - Y): der Unterschied von Blau zur Helligkeit

V = 0.877 · (R - Y): der Unterschied von Rot zur Helligkeit

Im PAL-Fernsehstandard werden den Komponenten die Brandbreiten von 5.5, 1.3 und 1.3 MHZ zugeordnet. Die Bandbreite ist höher als in der NTSC-Norm, daher ist hier die Qualität besser. [s] [s] [s]

Der YCbCr-Farbraum (auch YCC) ist eine Entwicklung basierend auf dem YUV- Farbmodell und ein weltweiter Standard für Video. Es ist durch eine Skalierung der Komponenten und einen Offset für die Chrominanzen gekennzeichnet. Die Luminanz (Y), also Helligkeit, und die Farbdifferenzwerte werden unabhängig voneinander gespeichert. Diese Unabhängigkeit der Komponenten ist nützlich, sie wird oft eingesetzt, wenn eine Datenreduktion durch Weglassen von Farbinformationen erreicht werden soll. Eingesetzt wird dieses Farbsystem z.B. beim JPEG- oder MPEG-Format.

Y = Helligkeit (Luminanz): gewichtete Summe von Rot, Grün und Blau

Cb = (B - Y): der Unterschied von Blau zur Helligkeit

Cr = (R - Y): der Unterschied von Rot zur Helligkeit

Alle drei Modelle lassen sich mit Matrizen ins RGB-Modell umrechnen. [s] [s] [s]