Farbensehen Wahrnehmung von Form, Figur und Gestalt

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FARBE UND
KONTRAST
FORM, FIGUR
UND GESTALT
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KONTRAST
FORM, FIGUR
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Farbensehen
Definition
Farbensehen
Wahrnehmung von
Form, Figur und Gestalt
Farbe wird üblicherweise definiert als diejenige Empfindung,
die es uns ermöglicht, zwischen strukturlosen Flächen
gleicher Helligkeit zu unterscheiden.
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Farbensehen
Definition
Farbe wird üblicherweise definiert als diejenige Empfindung,
die es uns ermöglicht, zwischen strukturlosen Flächen
gleicher Helligkeit zu unterscheiden.
Farbensehen
Zwei wichtige Aspekte dieser Definition
1. Farbe ist eine Empfindungsgröße
• Es ist nicht das Licht, das farbig ist („The rays are not
coloured“ - Isaac Newton, 1672)
• Farbe eines Objektes wird durch dessen Eigenschaften,
die Zusammensetzung der Wellenlängen
des beleuchtenden Lichts und die Zusammensetzung
des Hintergrundes bestimmt
• Das Licht wird zunächst im Auge in Nervenimpulse
gewandelt, in Abhängigkeit von Wellenlängen
unterschiedlich
• Erst durch die Verarbeitung dieser Impulse in den
nachgeschalteten Hirnstrukturen kommt es zu der
Empfindung von Helligkeitsunterschieden, die als
„Farben“ wahrgenommen werden
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Farbensehen
Zwei wichtige Aspekte dieser Definition
2. Funktion des menschlichen Farbensehens
Farbensehen
• Obwohl die Frage nach der evolutionären Funktion des
Farbensehens noch heftig umstritten ist (Mollon &
Jordan, 1988), läßt sich doch mit Sicherheit sagen, daß
diese nicht hauptsächlich in der Unterscheidung von
Flächen gleicher Helligkeit liegt:
• Zum einen tauchen solche rein spektralen
Unterschiede von Oberflächen in unserer
Umgebung nur äußerst selten auf
• Zum anderen konnte in zahlreichen Untersuchungen
in den letzten 20 Jahren gezeigt
werden, daß die Unterscheidung von Flächen
gleicher Helligkeit („Isoluminanz“) für das
menschliche visuelle System eine relativ
schwierige Aufgabe darstellt (Shapley, 1990)
Rolle von Farbinformation bei Wahrnehmung natürlicher
Szenen
• Fast alle Objekte unserer Umwelt weisen unter natürlichen
Beobachtungsbedingungen eine unregelmäßige
Helligkeitsverteilung (Textur) auf
• Es ist oftmals sehr schwer, Texturen natürlicher Objekte
voneinander abzugrenzen, z.B. wenn Blüte von Blättern
unterschieden werden soll
• Die Farbinformation ermöglicht uns, diese Unterscheidungen
schnell und effizient zu treffen
(Gegenfurtner & Rieger, 2000)
Quelle: www.allpsych.uni-giessen.de
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Farbensehen
„Re-Definition“
Farbensehen
Farbe wird daher besser definiert als diejenige Empfindung,
die es uns erlaubt, Objekte leicht voneinander zu unterscheiden,
die auf Grund ihrer Textur nur schwer unterscheidbar
sind
„Re-Definition“
Quelle: www.leberecht-web.de
Farbe wird daher besser definiert als diejenige Empfindung,
die es uns erlaubt, Objekte leicht voneinander zu unterscheiden,
die auf Grund ihrer Textur nur schwer unterscheidbar
sind
Quelle: www.leberecht-web.de
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Farbensehen
Zusammenfassung
Farbensehen
• Farbe ist ein Konstrukt unserer Wahrnehmung, das realen
Objekten als Eigenschaft zugesprochen wird
• Es besteht offensichtlich ein Zusammenhang zwischen den
physikalischen Eigenschaften des vom betrachteten Objekt
reflektierten Lichtes (z.B. Wellenlänge, Luminanz) und dem
subjektiven Farbeindruck des Betrachters
• Physikalischen Eigenschaften nehmen jedoch nicht allein
Einfluss auf den farblichen Eindruck ...
... trotzdem betrachten wir sie zunächst (noch einmal).
Licht und Farbe
• Isaac Newton (17. Jhd.): Entdeckung enger Verbindung
zwischen Licht und Farbe
• Sonnenlicht läßt sich in farbige Bänder zerlegen
• Die Wellenlängen eines durch ein Glasprisma fallenden
weißen Lichtstrahls werden an den Medienübergängen (Luft
zu Glas und Glas zu Luft) verschieden stark gebeugt
Quelle: www.uni-regensburg.de
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Licht und Farbe
Farbensehen
• Kürzere Wellenlängen suchen sich durch dichteres Material
einen kürzeren Weg („Huygenssches Prinzip“)
• Die Farbverteilung wird als „Spektrum“ des Lichtes
bezeichnet, die Lichtbrechung als „Dispersion“
• Bis heute konnte das natürliche Sonnenlicht in seinen
spektralen Eigenschaft durch künstliche Lichtquellen nicht
simuliert werden
Selbst- und Fremdleuchter
Quelle: www.uni-regensburg.de
• In der Farblehre unterscheidet man zwischen Selbstleuchtern
und Fremdleuchtern
• Farben des Spektrums der Selbstleuchter sind Lichtfarben,
die von einem Körper selbststrahlend ausgesendet werden
• Demgegenüber sind die Körperfarben gestellt, die auf
Absorption und Reflexion bestimmter Wellenlängen
(Farben) beruhen. ( Mischfarben)
• Weiß und schwarz sind keine Farben, da sie (weiß) z. B.
durch gemeinsame Bestrahlung des Auges mit allen
Spektralfarben entstehen oder durch Fehlen aller
Wellenlängen (als schwarz) wahrgenommen werden
• Der Mensch kann ca. 7x106 Farbtöne wahrnehmen. Das
vom Menschen wahrgenommene Farbspektrum umfaßt ca.
380 bis 780 nm, von violett bis dunkelrot
• Einige Tiere besitzen ein erweitertes Spektrum
• Wellenlängen unterhalb 315 nm werden von der Cornea
absorbiert und verursachen dort Verletzungen
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Selbst- und Fremdleuchter
Farbensehen
• Bei Selbstleuchtern werden wiederum verschiedene
Lichtarten unterschieden ( Farbtemperatur)
• Diverse künstliche Lichtquellen sind jedoch genormt und
daher exakt reproduzierbar
Spektrum elektromagnetischer Wellen
Selbstleuchter: Lichtarten
Quelle: www.uni-regensburg.de
• Unter Farbtemperatur versteht man ein Licht, wie es von
einem „ideal schwarzen“ Körper bei Erhitzen auf diese
Temperatur ausgestrahlt werden würde. D.h. dies ist das
Licht, das dieser Körper in Lichtfarbe, also selbststrahlend,
aussendet
• Die Beschreibung einer Lichtquelle erfolgt anhand des
sogenannten Schwarzen oder Planckschen Strahlers:
• Innen geschwärzter Hohlkörper mit einer kleinen
Öffnung
Quelle: Schwarzkörperstrahler und Temperaturstandards, Informationsblatt, Fa. L.O.T. ORIEL, Darmstadt, 1986
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Selbstleuchter: Lichtarten
Farbensehen
• Erhitzt man einen solchen Körper, tritt aus der Öffnung
Strahlung aus, deren Farbe sich mit der Temperatur des
Körpers ändert
• Bei niedrigen Temperaturen sieht die Strahlung dunkelrot
aus
• Je höher die Temperatur wird, um so gelber (und heller) wird
die Strahlung
Quelle: Schwarzkörperstrahler und Temperaturstandards, Informationsblatt, Fa. L.O.T. ORIEL, Darmstadt, 1986
Selbstleuchter: Lichtarten
• Die Farbtemperatur wird in K (Kelvin = °C - 273)
angegeben, orientiert sich also am “absoluten Nullpunkt”,
der niedrigsten physikalisch theoretisch möglichen
Temperatur (-273,14 °C)
• Praxis-Tip: Die Lichtfarbe, die durch die Farbtemperatur
ausgedrückt wird, hat vor allem in der Farbfotographie
Bedeutung. Für die Beurteilung von Farbvorlagen und von
Ergebnissen der Bildverarbeitung sollte die Beleuchtung
dem mittleren Tageslicht entsprechen. So sollte etwa zur
Betrachtung eines Farbdias eine Lichtquelle von ca.
5000 K verwendet werden
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Farbensehen
Farbtemperatur Lichtquelle(n)
1000 K – 1800 K Kerzenlicht und/oder offenes Feuer
2000 K Gasglühlicht
2450 K – 2750 K Glühlampen (15, 60, 100 bis 500 W)
2900 K Kryptonlampe (500 W)
3000 K Lichtwurflampe
3250 K Fotolampe
3400 K Halogenlampe
3900 K Kohlebogenlampe
4150 K Mondlicht
4750 K Industriesmog bei sonnigem Wetter
5100 K dunstiges Wetter
5500 K Sonnenstand 30°
6100 K Sonnenstand 50°
6500 K mittleres Tageslicht oder Xenonlicht Blitzlampe
7400 K Himmel völlig bedeckt
8300 K trübes, nebliges Wetter
8000 – 9000 K Neonlampe
bis zu 16000 K Sonneneinstrahlung im Gebirge (Schnee)
Selbstleuchter: Lichtarten
• Die Farbtemperatur ist ein bequemes Mittel, die Farbe einer
Lichtquelle anhand einer einzigen Zahlenangabe zu
kennzeichnen
• Allerdings macht die Farbtemperatur keine Aussage über
die Strahlungsverteilung, sondern nur über die Farbgleichheit
des betrachteten und des Planck'schen Strahlers
Eine Kennzeichnung der Strahlungsverteilung mit dieser
Methode ist auf Strahlungsquellen beschränkt, die eine der
Planckschen Verteilung entsprechende relative spektrale
Strahlungsverteilung besitzen
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Selbstleuchter: Lichtarten
Farbensehen
• Tageslicht ist vom „Morgengrauen“ über den „blauen
Himmel“ bis zum „Abendrot“ bekannt
• Direktes Sonnenlicht sieht gelbstichig aus
• An einem grauverhangenen Tag erscheint das Licht weder
gelb- noch blaustichig und besitzt eine Farbtemperatur von
ca. 6000
• Licht, das von einem strahlend blauen Himmel kommt,
erreicht Farbtemperaturen von bis zu 16000 K
morgens mittags
abends
Selbstleuchter: Lichtarten
• International mittleres Tageslicht (Norm): Die
Strahlungsverteilung, deren Farbtemperatur 6500 K
entspricht wird “Normlichtart D65” (D: Daylight;
Oberflächentemperatur der Sonne: T = 6504 K) genannt.
• Dieses “Tageslicht”, also inklusive den UV-Anteilen,
empfiehlt sich daher für die Beurteilung von Objekten unter
reinen Tageslichtbedingungen.
• Der “Normlichtart A”, einem definiertem Kunstlicht, ordnet
man die Temperatur T = 2856° K zu. Diese Lichtart
empfiehlt sich daher für Objekte unter künstlicher
Glühlampenbeleuchtung.
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Selbstleuchter: Lichtarten
Farbensehen
• Die Farbtemperatur ist umso kälter, je wärmer der Mensch
diese Farbe empfindet („warmes Rot“ entspricht einer sehr
kalten Farbtemperatur, während „kaltes Blau“ einer sehr
hohen Farbtemperatur nahe kommt)
• Jede Lichtquelle läßt sich durch die Strahlungsleistung pro
Wellenlänge, die spektrale Strahlungsfunktion,
charakterisieren.
• Die Strahlungsleistung wird in der SI-Maßeinheit Watt
angegeben.
• In der Farbmetrik hat man sich darauf geeinigt, die
Strahlungsleistung von Lichtquellen relativ anzugeben,
wobei der Strahlung mit einer Wellenlänge von 560 nm
häufig der Wert 100 zugeordnet wird.
• Die relative spektrale Strahlungsverteilung S beschreibt
diese Strahlungsleistung in Abhängigkeit von der
Wellenlänge
Selbstleuchter: Lichtarten
• Spektrale Strahlungsverteilung
Quelle: www.uni-regensburg.de
A
D65
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Fremdleuchter
Farbensehen
• Fremdleuchter, also Licht reflektierende Objekte, erscheinen
farbig, weil an deren Oberfläche Licht gestreut oder sogar in
bestimmten Spektralbereichen absorbiert wird, abhängig
von den Oberflächeneigenschaften des Materials (z. B.
aufgeraute oder lackierte Oberflächen).
• Gleiches passiert bei transluzenten, also durchsichtigen
Objekten.
Physiologie
• Um Farben sehen zu können, müssen mindestens 2 Typen
von Photorezeptoren vorhanden sein, die sich in ihrer
spektralen Empfindlichkeit unterscheiden
• Dies ist bei sehr vielen Lebewesen der Fall. Die meisten
Wirbeltiere können Farben wahrnehmen, auch entgegen
manchen Behauptungen Hunde und Katzen
• Außer den Primaten sind z. B. Säugetiere meist
dichromatisch, d.h. haben 2 Zapfentypen
• Primaten und der Mensch sind trichromatisch
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Physiologie
Farbensehen
• Die Farbwahrnehmung von Hunden ist im Vergleich zum
Mensch geringer, da diese nur ca. 20% der Zapfen eines
menschlichen Auges besitzen
• Das Auge der Vögel z. B. ist dem des Menschen ziemlich
ähnlich. Man findet oft 10x mehr Zapfen in deren Retina,
was zu einer viel höheren Auflösung führt. Je nach Tagoder
Nachtaktivität ist jedoch das Stäbchen-/ Zapfenverhältnis
unterschiedlich
• Auch viele Fische (tetrachromatisch)
und Insekten können Farben sehen
Physiologie
Quelle: www.bio.uni-mainz.de/zoo/abt3/119.php
• Bemerkenswert beim Auge eines typischen nachtaktiven
Tieres ist das Vorhandensein einer speziellen lichtreflektierenden
Schicht, dem Tapetum, und das hohe
Verhältnis Stäbchen/Zapfen
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Physiologie
Farbensehen
• Farbe läßt sich als physiologische Erregung der Rezeptoren
im menschlichen Auge verstehen (vgl. Vorlesungen 25.10. &
8.11.):
• Die Farben des sichtbaren Spektrums lösen in der
Netzhaut Farbreize aus. Diese elektrophysiologischen
Signale werden an das Gehirn gesendet und dort zu
einem Farbeindruck verarbeitet
• Die drei verschiedenen Zapfen haben ihre Maxima der
Absorbtion im blauen (420 nm max.), grünen (534 nm
max.) und im gelb-roten Spektralbereich (564 nm max.)
Physiologie
Quelle: www.uni-regensburg.de
• Ein reines Licht von 400 nm Wellenlänge erregt nur den
Blaurezeptor unter den Zapfen. Ein Licht der Wellenlänge
420 nm erregt den Blaurezeptor stark und den Grünrezeptor
sehr schwach. Licht von 500 nm Wellenlänge spricht alle drei
Zapfensorten an.
• Die einzelnen Farbeindrücke werden also durch unterschiedliche
Erregungsstärken der einzelnen Zapfensorten ausgelöst.
Gleiche Erregung aller Zapfen führt zum Eindruck weiß.
• Erinnern wir uns, daß die Zapfen (wie die Stäbchen) in
rezeptiven Feldern angeordnet sind und es dadurch und die
Querverschaltung durch die Horizontalzellen und amakrinen
Zellen den Effekt der lateralen Inhibition gibt:
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Farbensehen
Physiologie (Laterale Inhibition und Gegenfarben)
Farbensehen
• Die von den Zapfen übermittelten Signale werden noch in
der Netzhaut weiterverarbeitet, um die Weiterleitung der
Signale in den visuellen Kortex möglichst optimal zu
gestalten. Diese Verarbeitungsstufe läßt sich am besten als
Verminderung der Redundanz der Aktivitäten benachbarter
Zapfen charakterisieren. Die Zapfensignale weisen sowohl
eine räumliche als auch eine farbliche Redundanz auf.
• Räumliche Redundanz bezeichnet den Sachverhalt, daß
benachbarte Bildpunkte meistens eine ähnliche Intensität
aufweisen. Aus der Intensität an einem Bildpunkt läßt sich
relativ genau die Intensität der benachbarten Bildpunkte
vorhersagen. Werden hingegen die Differenzen zwischen
benachbarten Bildpunkten betrachtet, so verschwindet diese
Korrelation.
• Diese Art der vom visuellen System durchgeführten
Differenzenbildung wird oftmals auch als “laterale Hemmung”
bezeichnet. Implementiert ist sie durch die konzentrischen
rezeptiven Felder der Ganglienzellen, in denen Zentrum und
Umfeld antagonistisch organisiert sind.
Physiologie (Laterale Inhibition und Gegenfarben)
• Eine weitere Form der Redundanz in den Zapfen ergibt sich
daraus, daß die Absorptionsspektren der Rot- und
Grünzapfen sehr ähnlich sind. Daher ist die Aktivität der
beiden Zapfentypen hoch korreliert. Um diese Signale zu
dekorrelieren und damit zu optimieren, wird die Aktivität in
sogenannten Gegenfarbkanälen (Rot-Grün, Blau-Gelb),
oftmals auch als “kardinale Farbrichtungen“ bezeichnet,
weitergeleitet.
• Im Helligkeitskanal wird die Summe der Signale aus Rot- und
Grünzapfen (R+G) gebildet, im Rot-Grün-Kanal die Differenz
der beiden (R-G). Im Blau-Gelb-Kanal schließlich wird die
Differenz aus dem Signal der Blauzapfen und der Summe
der Rot- und Grünzapfen gebildet (B-(R+G)). Diese
Verrechnung der Farbsignale erfolgt in einem Netzwerk aus
Horizontal-, Bipolar- und Ganglienzellen.
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Physiologie (Laterale Inhibition und Gegenfarben)
Farbensehen
• Die gesamte Verschaltung der Zapfen in der Retina ist so
organisiert, daß 2 Kanäle gebildet werden:
• einen Helligkeitskanal und
• einen Farbkanal, bestehend aus 2 Teilkanälen.
Physiologie (Laterale Inhibition und Gegenfarben)
Quelle: www.egbeck.de
• Im Helligkeitskanal wird die Summe aus Rot und Grün
gebildet, im Rot-Grün-Kanal die Differenz der beiden. Im
Blau-Gelb-Kanal schließlich wird die Differenz aus dem
Signal der Blauzapfen und der Summe der Rot- und
Grünzapfen gebildet.
Quelle: www.egbeck.de
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Farbensehen
Physiologie (Laterale Inhibition und Gegenfarben)
Farbensehen
• Die Verrechnung der Farbinformation ist in der Ebene der
Zapfen additiv, in der Ebene der Schaltneurone (Detektoren)
subtraktiv. Man spricht auch von additiver und subtraktiver
Farbmischung.
Verarbeitung in den Gegenfarbkanälen
Quelle: www.allpsych.uni-giessen.de
Original
Quelle: www.egbeck.de
vom Rot-Grün Farbkanal gesehen
vom Blau-Gelb Farbkanal gesehen
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Farbensehen
Farbenblindheit
Farbensehen
• Circa 2% aller Männer weisen eine Erbkrankheit auf: sie sind
rot-grün-blind. Bei ihnen ist der rote oder grüne Zapfentyp
defekt.
• Die Gene für die Rot- und Grünpigmente befinden sich auf
dem X-Chromosom. Daher ist Rot-Grün-Blindheit bei
Männern, die ja nur ein X-Chromosom besitzen, sehr viel
häufiger als bei Frauen.
• Es gibt verschiedene Formen der Dichromatie (Farbenblindheit
weil nur 2 Zapfen aktiv sind):
• Rotblindheit (PROTANOPIE) - Rot wird nicht wahrgenommen.
Hier fehlt der „langwellige“ Zapfen (ca. 1%
der Männer). Dadurch treten Verwechselungen auf: Rot
mit Gelb, Braun mit Grün bzw. jede Farbe miteinander.
Weiterhin Violett mit Blau und Dunkelrot mit Schwarz.
Farbenblindheit
• Grünblindheit (DEUTERANOPIE) - Grün wird nicht
wahrgenommen. Hier fehlt der „mittelwellige” Zapfen (ca.
1% der Männer). Der "Deuterane" hat mit Ausnahme der
Dunkelrot-mit-Schwarz-Verwechslung die gleichen
Probleme wie der "Protane".
• Blaublindheit (TRITANOPIE) - Blau wird nicht wahrgenommen.
Hier fehlt der “kurzwellige” Zapfen, die
Krankheit sehr selten, 1-2 in 100,000. Der "Tritane"
verwechselt Rot mit Orange, Blau mit Grün, Grüngelb
mit Grau sowie auch Violett und Hellgelb mit Weiß.
• Protanope und Deuteranope bilden die Rot-Grün-Blinden.
• Weiterhin gibt es anomale Trichromaten (5.9 % der Männer),
die 3 Zapfen haben, aber einer davon eine verändertes
Absorptionsspektrum aufweist
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Farbensehen
Farbenblindheit
Farbensehen
Farbenblindheit
• Ishahara Test
Eine Person mit normalem Farbensehen sieht die Nummer 8 im
obigen Kreis. Menschen mit Rot-Grün-Blindheit sehen entweder
eine 3 oder nichts.
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UND GESTALT
Farbensehen
Farbenblindheit
Farbensehen
• Ishahara Test
Eine Person mit normalem Farbensehen sieht die Nummer 7
im obigen Kreis. Farbenblinde sehen keine Zahl.
Farbenblindheit
• Ishahara Test
Eine Person mit normalem Farbensehen sieht die Nummer 35
im obigen Kreis. Rotblinde sehen die Nummer 5, Grünblinde die
Nummer 3. Teilweise Farbenblinde sehen beide Ziffern, eine
davon genauer.
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Farbtheorie
Trichromatisches Farbensehen
Farbtheorie
• Nach Young (1773-1829) genügen drei Farben, um alle
Farbtöne zu mischen.
• Diese drei Primärfarben liegen nicht eindeutig fest. Man hat
sich international auf die Farben mit den Wellenlängen 700
nm (rot), 546 nm (grün) und 435 nm (blau) geeinigt (was
aber physiologisch nicht eindeutig sein muß).
• Da drei Farben genügen, vertritt man die Auffassung, daß es
auf der Netzhaut drei unterschiedlich farbempfindliche
Sensorentypen gibt. Durch unterschiedlich starke Erregung
dieser drei Sensoren (Zapfen) und anschließender
gemeinsamer Verrechnung entstehen die unterschiedlichen
Farben (Helmholtz). Die Farbeindrücke ergeben sich also
durch additive Farbmischung.
• Man nennt diese Aussagen die Young/Helmholtzsche
Farbentheorie.
Trichromatisches Farbensehen
• Additive Farbmischung: gleichmäßige Mischung der drei
Grundfarben ergibt weiß
Quelle: www.egbeck.de
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Farbtheorie
Gegenfarbentheorie
Farbtheorie
• Die Gegenfarbentheorie stammt von Hering und stützt sich
auf das Phänomen der farbigen Nachbilder.
• Demnach gibt es die vier Urfarben Rot, Gelb, Blau und Grün,
wobei sich die Wirkung der Gegenfarben Rot/Grün und Blau/
Gelb sowie von Schwarz/Weiß antagonistisch verhalten.
Diese Erregungs- und Hemmprozesse lassen sich nicht an
den Zapfen, aber an den nachgeschalteten Neuronen der
Retina beobachten.
• Beide Theorien sind also auf unterschiedlichen Ebenen des
visuellen Systems richtig
• Die Einteilung der Signalverarbeitung in zwei Zonen
(Helligkeitskanal-Farbkanal), der anfänglichen Verarbeitung
in drei verschiedenen Zapfentypen, gefolgt von drei
Gegenfarbkanälen, vereint die Theorien der
Farbwahrnehmung von Helmholtz und Hering. Allerdings
stimmen beide Theorien im Detail nicht ganz.
Trichromatisches Farbsehen vs. Gegenfarbentheorie
• So nahm Helmholtz an, daß die Absorptionsspektren der
Zapfen sich nur geringfügig überlappen, was für die Rot- und
Grünzapfen gerade nicht zutrifft.
• Hering nahm an, daß die Gegenfarben den sogenannten
Urfarben entsprechen, also denjenigen Farben, die von uns
als reines Rot, Grün, Blau, oder Gelb wahrgenommen
werden. Auch dies ist nicht richtig.
• Während das Rot der kardinalen Farbrichtungen der
Ganglienzellen in etwa einem Urrot entspricht, sieht die
Gegenfarbe dazu bläulich grün aus. Der Blau-Gelb-Kanal ist
ebenfalls verschoben: dem reinem Gelb entspricht ein
grünlicher Gelbton und dem Blau ein Violett.
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Farbtheorie
Additive Farbmischung
Farbtheorie
• Die additive Farbmischung entsteht, wenn auf die gleiche
Netzhautstelle des Auges Licht verschiedener Wellenlänge
fällt.
• Um das zu erreichen, werden bei Farbdrucken,
beispielsweise in Zeitschriften, winzige, verschiedenfarbige
Punkte ganz dicht nebeneinander gedruckt. Das Auge kann
die einzelnen Punkte nicht mehr auflösen und nimmt
stattdessen eine einheitliche Fläche in der Mischfarbe wahr.
• Auch das Farb-Fernsehbild entsteht durch additive
Farbmischung.
Additive Farbmischung
• Eine andere Möglichkeit der additiven Farbmischung besteht
in der Übereinanderprojektion farbigen Lichts auf eine weiße
Fläche (siehe oben). Besitzen die Grundfarben Blau, Grün
und Rot die gleiche Intensität, ergibt deren Mischung Weiß.
Blau und Grün ergeben übereinander projiziert Blaugrün
(=Cyan), Blau und Rot werden zur additiven Mischfarbe
Purpur (=Magenta). Mischt man Rot mit Grün, erweckt das
den Farbeindruck Gelb.
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Farbtheorie
Subtraktive Farbmischung
Farbtheorie
• Anders als im additiven Farbmodell muß bei der subtraktiven
Farbmischung mit Absorbtion und Reflexion von Licht
gearbeitet werden.
• Man geht hierbei davon aus, daß Farbauftrag generell den
komplementären Farbanteil im Licht schluckt (“absorbiert”)
und deshalb nur seinen Farbton reflektiert. Dies entspricht
dem Einfügen von Filtern in den Lichtstrahl einer weißen
Umgebung.
Farbeindruck
• Der Farbeindruck wird durch mindestens zwei physikalische
Eigenschaften des Objekts beeinflusst, nämlich
Oberflächenstruktur (Glanz) und gegebene Lichtquelle
spektrale Energieverteilung der Lichtquelle
spektrale Reflexion des Lichtes durch das Objekt
• Außerdem beeinflussen die das Objekt umgebende Farbe
(Hintergrund) und die momentane psychologische
Konstitution des Betrachters in bedeutendem Maße den
subjektiven Farbeindruck.
Normspektralwertfunktion der Rezeptoren
ggf. psycho-physikalische Erscheinungen
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Farbsehen
Farbsehen
Cortikale Farbmechanismen
• Ein allgemeines Prinzip kortikaler Informationsverarbeitung
ist eine zunehmende Spezialisierung der Neurone. Dies trifft
auch für die kortikale Verarbeitung der Farbe zu.
• In der Netzhaut gibt es genau drei Klassen von Neuronen,
die den kardinalen Farbrichtungen entsprechen. Die
Antworten dieser Neurone sind linear. Daher läßt sich die
Antwort auf beliebige Reize exakt vorhersagen durch den
bevorzugten Farbreiz eines Neurons.
• Im primären visuellen Kortex (V1) gilt dieses Prinzip der
Linearität auch, aber hier finden sich Präferenzen für
beliebige Farben. Die Einschränkung auf die drei kardinalen
Richtungen entfällt.
• Interessant ist, daß bisher kein neuronales Substrat für die
sogenannten “Urfarben” nachgewiesen werden konnte. Die
Vielfalt an Farbpräferenzen, die in V1 und V2 beobachtet
werden kann, entspricht unserer Fähigkeit eine große
Anzahl an Farben unterscheiden zu können.
Cortikale Farbmechanismen
• Im sekundären visuellen Kortex (V2) treten dann auch
Neurone auf, deren Reizantwort im spektralen Bereich
nichtlinear ist. Sie antworten nur auf einen bestimmten
Farbton, da ihre chromatische Bandbreite sehr eng ist.
Zudem ist es in den höheren extrastriären Arealen (V2, V3,
V4) auch so, daß Neurone zunehmend seltener auf reine
(isoluminante) Farbunterschiede antworten.
• Da solche isoluminanten Unterschiede nicht sehr oft in der
Umwelt vorkommen, wäre eine Spezialisierung auf die
Verarbeitung dieser Reize auch nicht sehr sinnvoll.
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FARBE UND
KONTRAST
FORM, FIGUR
UND GESTALT
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Farbsehen
Farbsehen
Cortikale Farbmechanismen: Farbzentrum?
• Im Zentrum derzeitiger Forschung auf dem Gebiet der
Farbwahrnehmung steht wohl die Frage, ob es im Gehirn
eine bestimmte neuronale Strukur gibt, die vornehmlich für
die Verarbeitung von Farbinformation zuständig ist. Eine
solche “parallele” Verarbeitung wurde in der Vergangenheit
auf Grund psychophysischer, physiologischer, und klinischer
Befunde postuliert (Livingstone & Hubel, 1988; Zeki, 1990).
• Studien mit bildgebenden Verfahren zeigen oft eine erhöhte,
farbspezifische Aktivierung in einem Bereich des
menschlichen ventralen Okzipitalkortex, der oftmals “V4”
genannt wird (Zeki, 1990; Hadjikani et al., 1998; Engel,
Zhang & Wandell, 1997). Die Aktivierung scheint sich
allerdings qualitativ nicht von der im primären visuellen
Kortex zu unterscheiden.
• Es kann also nicht geschlossen werden, daß in dem
entsprechenden Areal nur Farbinformation verarbeitet wird,
oder daß andere Areale keine wichtigen Beiträge zur
Verarbeitung von Farbinformation liefern.
Cortikale Farbmechanismen
• Interessanterweise handelt es sich dabei jedoch um
denselben Bereich, der auch oftmals bei Patienten betroffen
ist, die stark erhöhte Schwellen für Farbunterscheidung
aufweisen (“zerebrale Achromasie”). Viele dieser Patienten
weisen jedoch noch weitere Wahrnehmungsstörungen auf,
z.B Störungen der Gesichtserkennung oder eine allgemein
verschlechterte Kontrastempfindlichkeit. “Reine” Störungen
der Farbwahrnehmung sind selten (Zihl & von Cramon,
1986).
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KONTRAST
FORM, FIGUR
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Farbsehen
Farbsehen
Cortikale Farbmechanismen: Farbkonstanz
• Ein Thema, das Wahrnehmungsforscher und Informatiker in
jüngster Zeit gleichermaßen stark interessiert hat, ist die
Farbkonstanz.
• Die Effekte von Beleuchtung und Reflektanz lassen sich
nicht trennen, da das auf die Rezeptoren fallende Licht das
Produkt beider Faktoren ist. Trotzdem scheint es uns
möglich zu sein, Objekte unter sich wechselnden
Beleuchtungsbedingungen immer mit der gleichen Farbe
wahrzunehmen.
• Wenn wir durch z.B. durch eine Wiese wandern, erscheint
dem Betrachter das Gras meist im selben Grünton, obwohl
der Farbeindruck auf zu verschiedenen Tageszeiten
aufgenommenen Bildern deutlich unterschiedlich ist.
Cortikale Farbmechanismen: Farbkonstanz
• Es zeichnet sich ab, daß das menschliche Sehsystem eine
ganze Reihe von Hinweisreizen benutzt um Farbkonstanz
zu erzielen (Kraft & Brainard, 1999).
• Am wichtigsten ist dabei die Tatsache, daß die
Mittelwertsfarbe in einer Szene sehr stark von der
Beleuchtung abhängt, und daß Beleuchtungsänderungen
meistens graduell vonstatten gehen, während
Reflektanzänderungen oft abrupt sind.
• Dieser Unterschied in den räumlichen Eigenschaften von
Beleuchtung und Reflektanz kann am besten genutzt
werden, wenn größere Flächen für eine Normalisierung
benutzt werden. Dies erfordert daher rezeptive Felder mit
entsprechender Größe.
• Neurone mit diesen Eigenschaften wurden in V4 gefunden,
und sie scheinen auch relativ komplexe Interaktionen von
Zentrums- und Umfeldfarbe aufzuweisen. Wie daraus die
Reflektanz von Objekten bestimmt wird, ist noch weitgehend
unklar. Neurone, die auf Reflektanz antworten, wurden
bislang nur selten und vereinzelt gefunden (Zeki, 1980).
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KONTRAST
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Farbsehen
Farbsehen
Cortikale Farbmechanismen: Farbkonstanz
• Störungen der Farbkonstanz wurden bislang in erster Linie
an Probanden untersucht, die bereits ander massive
Farbsehstörungen aufweisen.
• In den Arbeiten von Rüttiger et al. (1999) und Clarke et al.
(1999) sind aber Patienten beschrieben, deren Farbkonstanzleistungen
gestört sind, obwohl sie keinerlei andere
erkennbaren Störungen in ihrer Farbwahrnehmung
aufwiesen. Über das neuronale Substrat der Farbkonstanzleistung
läßt sich noch keine Schlußfolgerung
ziehen.
Cortikale Farbmechanismen: Kognition & Emotion
• In der weiteren kognitiven Verarbeitung der Farbinformation
werden verschiedene Farbnuancen zu Kategorien
zusammengefaßt. Von diesen Kategorien gibt es ca. 7 bis
11, die sogar über größere Kulturunterschiede hinweg
relativ konstante Bezeichnungen aufweisen (siehe Hardin &
Maffi, 1997).
• Ein neuronales Substrat für derartige Kategorien wurde
bislang noch nicht entdeckt. Zumindest in den frühen
visuellen Verarbeitungsstufen, bis hin zum extrastriären
Areal V4, findet sich keine bevorzugte Repräsentation
dieser Kategorien.
• Die Zuweisung von Farbnamen zu Objekten scheint daher
auf einer sehr hohen Verarbeitungsebene abzulaufen,
während einfache Farbunterscheidungen schon durch
Schaltkreise im primären visuellen Kortex erklärt werden
können.
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KONTRAST
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Farbsehen
Farbsehen
Cortikale Farbmechanismen: Kognition & Emotion
• Dies wird auch durch Ergebnisse aus der Entwicklung
belegt. Kinder können Farben schon im Alter von ca. 4
Monaten unterscheiden, während die richtige Benennung
erst sehr viele später, im Alter von 2-4 Jahren erlernt wird
(Bornstein, 1985).
• Noch wichtiger als kognitive erscheinen die emotionalen
Aspekte, die oftmals mit der Wahrnehmung von Farben
einhergehen. Eine enge Vernetzung der kortikalen
Farbsehmechanismen mit limbischen Strukturen kann daher
angenommen werden.
• Der Großteil dieser emotionalen Reaktionen ist sicherlich
erlernt und hängt von kulturellen Faktoren ab. Es scheint
aber auch einige universelle Phänomäne zu gebe. So geht
die Farbe “rot” generell einher mit gesteigerten emotionen
Reaktionen, und ist in nahezu allen Kulturen der erste,
wichtigste Farbname.
Zusammenfassung
• Farbe wird wahrgenommen wenn Licht im Auge von
Photorezeptoren absobiert und in Nervenimpulse
umgewandelt wird, die dann im Gehirn zu Empfindungen
interpretiert werden.
• In der Netzhaut unterliegen drei verschiedenen Typen von
Zapfenphotorezeptoren, die jeweils über weite Bereiche des
Spektrums empfindlich sind, der Farbwahrnehmung.
• Die von den Zapfen vermittelten Signale werden noch in der
Netzhaut in den retinalen Ganglienzellen zu den
effizienteren Gegenfarbsignalen umkodiert, von denen es
wiederum drei Klassen gibt.
• Im visuellen Kortex entsteht dann aus diesen Signalen eine
Vielfalt von Mechanismen, die ganz spezifisch für bestimmte
Farbkombinationen empfindlich sind. Auf diesen
Mechanismen basieren Fähigkeiten wie z.B.
Farbunterscheidung oder Farbkonstanz.
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Farbsehen
Literatur
Zusammenfassung
• Auf einer höheren, kognitiven Ebene werden aus den
Farben dann eine kleine Anzahl von Kategorien (ca. 7-11)
gebildet, die in nahezu allen Kulturen und Sprachen gleich
sind.
• Die wichtigsten Ursachen für Störungen der
Farbwahrnehmung sind der genetisch bedingte Ausfall
eines Zapfentypen, und erworbene Farbenblindheiten, die
auf kortikalen Läsionen beruhen.
• Engel, S.A., Zhang, X., & Wandell, B.A. (1997) Color tuning in
human visual cortex measured using functional magnetic
resonance imaging. Nature, 388, 68–71.
• Gegenfurtner, K.R. & Rieger, J. (2000) Sensory and cognitive
contributions of color to the recognition of natural scenes.
Current Biology, 10, 805-808.
• Gegenfurtner, K.R. & Sharpe, L.T. (1999) Color vision: from
genes to perception. Cambridge University Press, New York.
• Hadjikani, N., Liu, A.K., Dale, A.M., Cavanagh, P. & Tootell,
R.B.H. (1998) Retinotopy and color sensitivity in human visual
cortical area V8. Nature Neuroscience, 1, 235-241.
• Hardin, C.L. & Maffi, L. (1997) Color categories in thought and
language. Cambridge University Press, New York.
• Lennie, P. (1998) Single units and visual cortical organization.
Perception, 27, 889–935.
• Livingstone M.S. & Hubel D. (1988) Segregation of form, color,
movement, and depth: anatomy, physiology, and perception.
[Review]. Science, 240, 740-749.
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