Einfluss von farbigen Filtermedien und Farbsinnstörungen auf das Farbunterscheidungsvermögen

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1 Aus dem Institut für Medizinische Physik der Medizinischen Fakultät an der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Direktor: Prof. Dr. Dr. med. h.c. Willi Kalender Einfluss von farbigen Filtermedien und Farbsinnstörungen auf das Farbunterscheidungsvermögen Inaugural-Dissertation zur Erlangung der Doktorwürde der Medizinischen Fakultät der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg vorgelegt von Michael Schürer aus Dresden

2 Gedruckt mit Erlaubnis der Medizinischen Fakultät der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg Dekan: Vorsitzender: Referent: Prof. Dr. med. Dr. h.c. Jürgen Schüttler Klinik für Anästhesiologie Prof. Dr. Dr. med. h.c. Willi A. Kalender Institut für Medizinische Physik Prof. Dr. rer. biol. hum. Achim Langenbucher Institut für Medizinische Physik 1. Korreferent: Prof. Dr. med. Michael Eichhorn Institut für Anatomie (Lehrstuhl II) 2. Korreferent: Apl. Prof. Dr.-Ing. Peter Steffen Lehrstuhl für Multimediakommunikation und Signalverarbeitung Tag der mündlichen Prüfung: 6. September 2010

3 Keine Schuld ist dringender, als die, Danke zu sagen. -Marcus Tillius Cicero In diesem Sinn möchte ich allen danken, welche durch ihren direkten oder indirekten Beitrag die Arbeit begleitet und den Erfolg ermöglicht haben. Ein ganz besonderer Dank für die schöne Zusammenarbeit gilt meiner Kollegin Annette Walter.

4 Die sechs Grundempfindungen der Sehsubstanz ordnen sich zu drei Paaren: Schwarz und Weiß, Blau und Gelb, Grün und Roth. Ewald Hering Zur Lehre vom Lichtsinne - Wien 1878

5 Inhaltsverzeichnis Abstract vii 1 Einleitung und Zielsetzung 1 2 Hintergrund Farbwahrnehmung Anatomische und physiologische Struktur des visuellen Systems Photorezeptoren der Retina Struktur und Funktion der Retina weiterleitende Nervenbahnen und visueller Cortex Psychophysik der Farbwahrnehmung Leuchtdichte und Helladaptation Buntton- und Sättigungsunterscheidung Sehreizgeometrie und Sehreizstruktur Chromatische Adaptation Farbsinnstörungen Material und Methoden Farbsystem RGB-Farbsystem CIE-XYZ-1931-Normvalenzsystem CIE-1931-Normfarbtafel CIE-1976-UCS-Farbtafel DKL-Farbsystem Definierte Vorgaben zur Farbwahrnehmungsmessung Wahrnehmungspsychologische Messmethode Messsystem Test- und Peripheriefeld Okular PC-System Darbietungs- und Messalgorithmus

6 iv Inhaltsverzeichnis 3.6 Messreihe Untersuchung mit Laserschutzgläsern Laserschutzfilter T13 und Filterkombinationen T13+D und T13+E 33 Laserschutzfilter T Untersuchung mit Kontaktlinsen Untersuchungs- und Messparameter Farbwertkalibrierung Untersuchung mit Farbfehlsichtigen Probandenakquirierung und Ausschlusskriterien Versuchsablauf Mathematisch-Statistische Auswertemethode Ergebnisse Charakterisierung der Filtermedien Laserschutzfilter T Laserschutzfilter T13 und Filterkombinationen T13+D und T13+E Kontaktlinsen SPORT CONTRAST Referenzmessungen unter freiem Blick Referenzellipsen Referenzschwellenwerte Messung zum Farbunterscheidungsvermögen mit Filtermedien Laserschutzfilter Filter T Filter T13 und Filterkombinationen T13+D und T13+E Untersuchung mit Kontaktlinsen gelbfarbige Kontaktlinsen orangefarbige Kontaktlinse Ergebnisdarstellung im DKL-Farbsystem Chromatische Adaptation Ergebnisdarstellung Farbsinnstörung Untersuchungsergebnisse am Anomaloskop Untersuchungsergebnisse am Messsystem Unterscheidungsschwellen auf den Messachsen Unterscheidungsellipsen Diskussion Messmethode und Messsystem Farbunterscheidungsvermögen

7 Inhaltsverzeichnis v Referenzwerte Filter T Filter T13, T13+D und T13+E Filter Kontaktlinsen gelb und orange Chromatische Adaptation Zusammenfassende Diskussion Anwendungsorientierte Betrachtung Filter T13 / T13+D und T13+E Kontaktlinsen Farbsinnstörung Schwellenwertbereiche der Farbfehlsichtigkeiten Cambridge Colour Test & COLDEF Zusammenfassung 105 Literaturverzeichnis 107 Abbildungsverzeichnis 115 Lebenslauf 117

8 vi Inhaltsverzeichnis

9 Abstract Hintergrund und Ziel Filtermedien beeinflussen durch ihr individuelles optisches Fenster das ins Auge eintretende elektromagnetische Spektrum. Besitzen die Filter absorbierende Eigenschaften im sichtbaren Spektralbereich so beeinflussen sie den wahrgenommenen Farbeindruck und können das Unterscheidungsvermögen von Farben verändern. Neben diesen physikalischtechnisch bedingten Veränderungen der Farbwahrnehmung existieren noch pathophysiologische Farbwahrnehmungsstörungen, welche zu unterschiedlich starken Einschränkungen in der Rot-Grün bzw. Blau-Gelb Farbunterscheidung führen. Ziel der vorliegenden Arbeit war es die Auswirkungen verschiedener Filtermedien auf das Farbunterscheidungsvermögen genau zu quantifizieren und daraus Schlussfolgerungen für die praxisrelevante Objektunterscheidung in Medizin und Technik zu ziehen. Des Weiteren wurde untersucht wie stark die Auswirkungen von Farbsinnstörungen auf das Unterscheidungsvermögen von Farben sind wenn die durch Farbsinnstörung bedingte veränderte Hellempfindlichkeit nicht ausgeglichen wird. Methoden Ein im Vorfeld dafür entwickeltes Messsystem ermöglichte durch bestimmen der Unterschiedsschwelle zwischen zwei Farben das Farbunterscheidungsvermögen objektiv zu erfassen. Durch Erhebung dieser Schwellen in 6 Farbrichtungen um den Referenzfarbwert gelb (x = 0,4476/y = 0,4074) konnte ein ellipsenförmiger Farbraum definiert werden innerhalb welchem keine Farbunterscheidung zu dieser Referenzfarbe möglich ist. Die Untersuchung zum Farbunterscheidungsvermögen erfolgte an farbnormsichtigen Probanden mit verschiedenen Filtern und ohne Filtermedium (Referenz) und an Probanden mit unterschiedlich stark ausgeprägten Protan- und Deutan-Farbsinnstörungen. Als Filter kamen ein Laserschutzkantenfilter (τ 0,5 = 566 nm), der Laserschutzkantenfilter in zwei Kombination mit Interferenzfiltern mit eine Absorption sichtbarer Strahlung größer (λ = 586 nm bzw. 605 nm), ein Laserschutzfilter mit einem optischen Fenster im Bereich von (λ = nm) und zwei transparentfarbige Kontaktlinsen mit absorbierenden Eigenschaften im kürzerwelligen sichtbaren Spektralbereich (τ 0,5 = 492 nm bzw. = 538 nm) zum Einsatz. Die statistsiche Analyse des Einflusses der Filter erfolgte jeweils in Form einer verbundenen Stichprobe.

10 viii Abstract Ergebnisse Der Referenzfarbwert gelb wird unter Einfluss aller Filter deutlich verändert und erfährt bis auf den Filter grün einen starken Zuwachs der Sättigung. Für das Farbunterscheidungsvermögen zeigt sich ein vielschichtiges Bild. So können mit dem Laserschutzkantenfilter und den Kombinationen mit den beiden Interferenzfiltern nur noch Spektralfarben mit einer dominanten Wellenlänge größer λ = 547 nm wahrgenommen und entlang des langwelligen Spektralfarbenzuges differenziert werden. Alle weiten Farben werden nicht mehr erkannt oder können von den Spektralfarben größer λ = 547 nm nicht unterschieden werden. Entlang des langwelligen Abschnittes des Spektralfarbenzuges zeigt das Farbunterscheidungsvermögen mit den drei Filtern keinen Unterschied gegenüber dem ohne Filtermedium. Der grüne Laserschutzfilter führt gegenüber den Referenzwerten zu einer Verbesserung des Farbunterscheidungsvermögens besonders in Richtung roter und magentaner Farben und in Richtung höhergesättigter gelb-grüner Farbwerte. Geringfügige Verschlechterungen konnten für die Farbrichtung gelb-orange und in Richtung geringer gesättigter gelb-grüner Werte festgestellt werden. Beide Kontaktlinsen bewirken gegenüber den Referenzwerten eine Verbesserung des Farbunterscheidungsvermögens mit unterschiedlich starker Ausprägung in die einzelnen Farbrichtungen. Das Unterscheidungsvermögen der farbfehlsichtigen Probanden zeigt sowohl für Protanals auch für Deutanstörungen gegenüber Farbnormalsichtigen deutlich erhörte Schwellenwerte in Richtung der charakteristischen Farbverwechslungsachsen. Die Ausprägung dieser Einschränkungen besitzt eine Abhängigkeit vom Grad der Anomalie. Mit zunehmender Einstellbreite am Anomaloskop nimmt das Unterscheidungsvermögen zuerst ab, erreicht bei mittelgradigen Anomalien seinen schlechtesten Wert und steigt für halbextreme und extreme Anomalien und Anopien wieder an. Somit zeigen sich für Anopien ähnlich große Unterscheidungsschwellen wie für einfache Anomalien. Schlussfolgerungen Das Farbunterscheidungsvermögen wird entscheidend von der spektralen Breite des Transmissionspektrums des Filters bestimmt. Je schmalbandiger das transmittierte Lichtspektrum desto stärker sind die Einflüsse auf das Unterscheidungsvermögen. Wird das erregende Spektrum eines Rezeptors durch den Filter vollstänig absorbiert, so sind nur noch wenige Farben entlang des Spektralfarbenzuges differenzierbar. Die Einschränkungen der Farbsinnstörung auf das Farbunterscheidungsvermögen werden durch die farbfehlsichtigkeitsbedingte Veränderung der Hellempfindung teilweise kompensiert. Diese führt dazu, dass die Auswirkungen auf die praktische farbbasierende Objektunterscheidung bei Dichromasie weniger stark ins Gewicht fallen als bei mittelgradiger anomaler trichromatischer Farbwahrnehmung.

11 Abstract Background Tinted filter media affect the spectra of the light entering the human eye by their indivisual optical transmission properties. Such filters, like laser protection filters (LPF), normally have absorbing properties and therefore affect the human color perception by changing the ability to distinguish between nearby colors. In addition to inducing a colour shift based on the transmission properties of the filter, the observer also perceives a change in colour discrimination in the red - green and/or blue - yellow colour range while wearing these filter media, like those encountered in the pathophysiological cases of color perception deficiencies. The work described herein was aimed at describing the impact of differently coloured filters on human colour discrimination and derrives conclusions for practically relevant object discrimination tasks in medicine and technology. Additionally, the impact of colour defences on the ability to discriminate colours under constant illumination condition of normal observers has been analyzed. Methods An objective measurement method for detecting the effects of coloured filter media on colour perception while excluding the effects of luminance differences was developed. The minimum distinguishable colour difference around a yellow-green reference colour (CIEx = 0,466/CIEy = 0,453) along six colour directions was evaluated, and based on these thresholds an elliptic colour space had beed defined, where no discrimination to the reference colour was possible. Using this method, the colour discrimination ability of normal observers with and without different filters and of colour deficient subjects with different potanomalous and deuteranomalous characteristic was examined and discussed. As an application example, the the impact of different filter media was experimentally evaluated. One type of laser protection filter (for red lasers) absorbs irradiation below τ 0,5 = 566 nm in combination with two interference filters (blocking irradiation over λ = 586 nm and 605 nm). Another type of LPF, meant for been used with green lasers only transmits light in the range of between λ = 380 nm nm. Additionally, two kinds of tinted contact lenses intended to be worn at sports activities and advertised as having contrast enhancing properties were examined., These lenses have absorption

12 x Abstract characteristics in the shorter wavelength range of the visible spectra(below τ 0,5 = 492 nm and 538 nm respectively). The statistical analysis of the impact of the filters on the human colour perception was acquired on the evaluation of the gathered data samples. Results The examined filters absorb parts of the yellow reference spectra and induce, with the exception of the green filter, colour shifts in a more saturated part of the tri-stimulus space. The results vary depending on the properties of the filter. For example, colour perception with the red laser eye protection filter (with or without combination of the interference filters) is only possible along the spectrum locus over a dominant wavelength of λ = 547 nm. All other colour contrasts are not distinguishable under this filter conditions. However, the ability to discriminate colours in this long wavelength range undergoes no difference compared to unfiltered vision. On the other hand, under the conditions of the green LPF, the ability to discriminate colours showed an significant increase with respect to changes in the red/magenta and yellow/greenish colour directions. Conversely, decreased colour discrimination ability has been noticed with respect to changes in yellow/orange and yellow/green direction under these conditions. Both examined contact lenses could actually be shown to cause the advertised enhancement in the ability to discriminate colours in contrast to a reference colour, albeit in different directions of the chromaticity diagram. Colour deficient participants (protanomalous and deuteranomalous probands) showed an increased colour discrimination threshold along the appropriate confusion lines. This effect depends heavily on the degree of the anormaly. Starting with low bandwidth settings of the anormaloscope, corresponding to low degrees of color deficiency, the results decrease at first with rising degrees, show their worst value at medium-graded anormalies and rise again for semi- to heavy anormalies and anopies. Therefore, anopies show similar thresholds as simple anormalies. Conclusions The ability to discriminate between adjacent colors is highly dependant of the spectral composition of the transmission properties of the filter. Having only narrow-banded transmission spectra, the effect on discrimination is increased. If the excitation of one cone is blocked completely due to the transmission properties of a filter, the ability to discriminate colours is restricted to only few colours of the whole spectrum. The impact of congenital colour deficiencies on the colour discrimination ability is partly compensated by the altered luminance perception of such deficient people. Following our results, the impact of real world object discrimination based on colour discrimination for dichromates is less restrictive as for people with trichromatic colour anomalies in the middle range of severity.

13 1 Einleitung und Zielsetzung Die menschliche Farbwahrnehmung ist ein komplexer und vielschichtiger Prozess und ermöglicht eine Unterscheidung zwischen etwa 7 Millionen Farbvalenzen [1]. Dieser von violett über blau und grün, bis zu rot und magenta in den verschiedensten Sättigungsund Helligkeitsabstufungen reichende Farbumfang, wird durch die trichromatische Farbempfindung ermöglicht, deren Grundlage die drei verschiedenartigen Rezeptoren der Retina bilden. Über diese allgemeine Beschreibung hinausgehend muss das Farbsehen aber als ein sehr individueller Wahrnehmungsprozess betrachtet werden. Bedingt durch die optischen Transmissionseigenschaften der Augenmedien, aber auch durch die neuronalen Verarbeitungsprozesse und kortikalen Erfahrungswerte, zeigen Farbempfindung und Farbinterpretation deutliche individuelle Unterschiede. Abweichungen von normalen Farbwahrnehmungscharakteristiken können einerseits auf kongenitale oder erworbene Pathologien im Bereich der Retina und der weiterleitenden Nervenbahnen zurückgeführt werden oder sind andererseits durch physikalischoptische Einflussfaktoren bedingt. Die Spannweite der pathologischen Farbsinnstörungen reicht von nur marginal erhöhten Farbunterscheidungsschwellen bis hin zu offensichtlichen Farbverwechslungen und deutlichen Einschränkungen des wahrnehmbaren Farbumfanges. Die die Farbwahrnehmung beeinflussenden physikalisch-optischen Faktoren sind im Bereich der Lichtquellen und der Filtermedien zu suchen. So verändern künstliche Lichtquellen durch ihr individuelles Spektrum Objektfarben gegenüber der Betrachtung unter natürlichem Licht mehr oder weniger stark was mit einem deutlichen Einfluss auf die Farbunterscheidung einhergehen kann. Ähnliche Einflüsse zeigen sich beim Einsatz von farbigen Filtern. Diese verändern das ins Auge einfallende Lichtspektrum und bewirken abhängig von ihrem Absorptionsverhalten und den Reflexionsspektren der Oberflächenfarben eine Farbveränderung, welche wiederum Auswirkungen auf die Farbunterscheidung haben kann. Vor dem Hintergrund dieser physikalisch-optischen und pathophysiologischen Einflussfaktoren auf die Farbwahrnehmung war das Ziel der vorliegenden Arbeit, in zwei getrennten Untersuchungsreihen sowohl die Auswirkungen verschiedener Filtermedien

14 2 1 Einleitung und Zielsetzung auf die Farbwahrnehmung umfassend zu beleuchten als auch die veränderte Unterscheidungsfähigkeit für Farben bei Farbsinnstörungen ausführlich zu erfassen. Für beide Untersuchungen lag dabei das Hauptaugenmerk auf der objektiven Quantifizierung des Farbunterscheidungsvermögens. Es sollten jeweils für eine Farbe genaue Schwellenwerte definiert werden, anhand welcher der notwendige Mindestfarbunterschied für eine Differenzierung zwischen zwei Farben festgelegt werden kann. Darüber hinaus war das Ziel, um einen Farbwert über mehrere, in verschiedene Farbrichtungen laufende, Schwellenwerte einen Bereich zu beschreiben, innerhalb welchem keine Farbunterscheidung zu diesem Bezugsfarbwert möglich ist. Für die Studie unter Einfluss von farbigen Filtermedien wurden nachfolgende Fragestellungen untersucht. Wie stark sind die Auswirkungen auf das Farbunterscheidungsvermögen wenn das Absorptionsspektrum des Filters eine Erregung des S-Rezeptors der Retina nahezu vollständig unterdrückt. Kann eine Veränderung des Farbunterscheidungsvermögens beobachtet werden wenn vor dem vorangegangenen Hintergrund eine gezielte Absorption von Strahlung im langwelligen Bereich des sichtbaren Spektrums erfolgt. Ist eine Veränderung des Farbunterscheidungsvermögens zu beobachten wenn ein Filter die zu differenzierende Farbe in Richtung gelber Farbwerte verändert und die chromatische Adaptation nicht auf die zu differenzierende Farbe erfolgt. Auf Grundlage dieser Ziele wurde für die eingesetzten Filtermedien angestrebt durch eine Analyse der gewonnenen Farbunterscheidungsschwellen Schlussfolgerungen für die praktischen Anwendungsaspekte dieser Filter zu ziehen. In der Studie zum Farbunterscheidungsvermögen unter Farbsinnstörung standen folgende Fragen im Vordergrund. Ist eine Änderungen des praktischen Unterscheidungsvermögens für Farben feststellbar, wenn die durch Farbfehlsichtigkeit bedingte, verändere Hellempfindung durch die Messmethode nicht ausgeglichen wird und somit die Differenzierung auf Grundlage von Farb- und Helligkeitsunterschieden erfolgen kann. Zeigt diese Veränderung, wenn sie festgestellt werden konnte, eine Abhängigkeit vom der Form und der Ausprägung der Farbsinnstörung.

15 1 Einleitung und Zielsetzung 3 Darüber hinaus sollte auf Grundlage dieser Ergebnisse eine Einschätzung der praktischen Objektunterscheidung von Farbfehlsichtigen auf Basis von Farbunterschieden erfolgen. Unter Berücksichtigung bekannter Studien zum Diskriminationsvermögen von Farben stellt die vorliegende systematische Reihenuntersuchung zur Beeinflussung des Farbunterscheidungsvermögens durch Filtermedien unter den formulierten Anforderungen eine neuartige Fragestellung dar. Auswirkungen von Farbsinnstörungen auf das Unterscheidungsvermögen wurden bereits umfangreich untersucht, wobei die veränderte Hellempfindung durch das Messsystem individuell ausgeglichen beziehungsweise durch die Sehreizstruktur kompensiert wurde. Die vorliegende Arbeit grenzt sich von diesen Untersuchungen ab, indem sie diesen Helligkeitsausgleich nicht durchführt und somit praxisbezogene Ergebnisse zur Objektunterscheidung liefert. Des weitern unterscheidet sich die vorliegende Arbeit von vorausgegangenen Studien indem sich die aktuelle Messanordnung an die standardisierten Vorgaben für die klinische Prüfung der Farbfehlsichtigkeit anlehnt und keine komplexen und studienindividuellen Testmustergeometrien nutzt.

16 4 1 Einleitung und Zielsetzung

17 2 Hintergrund Der Begriff Farbe hat im täglichen Sprachgebrauch mehrere Bedeutungen. Einerseits wird damit eine flüssige oder pulverförmige Substanz beschrieben, andererseits ist Farbe ein Begriff zur Beschreibung von Objekteigenschaften. Für das visuelle System ist die Wahrnehmung von Farbe eine alltägliche Sinnesempfindung. Künstliche Objekte werden bewusst aus ästhetischen, informativen, sicherheitsrelevanten, aber auch aus psychologischen Gründen farblich gestaltet. In unserer Wahrnehmung beschreiben Farben Eigenschaften und werden aus diesem Grund bewusst zur Codierung von Eigenschaften genutzt. Sie dienen zur schnelleren Objekterkennung, aber unterstützen genauso die Erinnerung an Objekte [2]. Nach der Definition des Deutschen Instituts für Normung (DIN) ist Farbe diejenige Gesichtsempfindung eines dem Auge strukturlos erscheinenden Teiles des Gesichtsfeldes, durch die sich dieser Teil bei einäugiger Beobachtung mit unbewegtem Auge von einem gleichzeitig gesehenen, ebenfalls strukturlosen angrenzenden Bezirk allein unterscheidet [3]. Wyszecki & Stiles beschreiben Farbe als Eigenschaft, die es ermöglicht strukturlose Objekte gleicher Form und Größe zu unterscheiden [4] [5]. Farben können nach Richter in Körperfarben, Durchsichtfarben, und selbstleuchtende Farben unterteilt werden [6]. Wobei die Oberfläche eines Gegenstands eine Körperfarbe darstellt, transparente farbige Filtermedien wie Sonnenschutzgläser Durchsichtfarben erzeugen und Leuchtdioden (Light Emitting Diode - LED) selbstleuchtende Farben emittieren. In der täglichen Wahrnehmung haben auf einen Großteil der visuellen Reize alle drei Größen Einfluss (siehe Abbildung 2.1 auf der nächsten Seite). So ist die Farberscheinung einer Autolackierung stets vom tageszeitabhängigen Sonnenspektrum, sowie darüber hinaus vom Transmissionsspektrum beispielsweise der Windschutzscheibe oder des Brillenglases abhängig. Zur Vollständigkeit sei noch der Begriff der freien Farbe erwähnt, welche einen Farbeindruck beschreibt der keine wahrnehmungsrelevante Verbindung zu einer Oberfläche oder Objektstruktur besitzt [7]. Dies sind beispielsweise das Blau des Himmels oder die Farberscheinung des rotierenden Farbkreisels. Die physikalische Grundlage für die visuelle Farbwahrnehmung ist die Empfindung von elektromagnetischer Strahlung im Bereich zwischen λ = 360 und 830 nm [8]. Die Strahlung in diesem Spektralbereich wird auch als sichtbares Licht bezeichnet. Das Licht tritt

18 6 2 Hintergrund in das Auge ein und löst an der Retina einen visuellen Reiz aus. Neben der Beschreibung von Farben über die Wellenlängen der Spektralfarben von violett ( λ 360 nm ) bis rot ( λ 830 nm) werden Farben im täglichen Sprachgebrauch und in der anschaulichen Klassifizierung meist über die Kenngrößen Buntton (hue), Sättigung (saturation) und Helligkeit (brightness) beschrieben [5] [6] [9]. Abbildung 2.1: Einflussgrößen auf die spektrale Zusammensetzung des ins Auge einfallenden Lichtes. Die empfundene Farbe des Gegenstandes M wird vor dem Auge durch das Emmissonsspektrum der Lichtquelle L, das Reflexionsspektrum des Gegenstandes M, und das Transmissionsspektrum des Filters N bestimmt (aus [10]). 2.1 Farbwahrnehmung Erste Theorien zur Farbwahrnehmung wurden Ende des 19. Anfang des 20. Jahrhunderts auf Grundlage psychophysischer Messungen erstellt. Lange Zeit standen sich dabei die trichromatische Theorie nach Young und v. Helmholtz und die Gegenfarbentheorie nach Hering als gegensätzliche Annahmen gegenüber. Die Theorie nach Young und v. Helmholtz stützt sich auf die Annahme, dass das Farbensehen in der Hauptsache auf drei Rezeptoren, welche im roten, grünen und violettfarbenen Wellenlängenbereich empfindlich sind, aufbaut und die Farbwahrnehmung durch Verrechnung dieser drei Signale entsteht. Die Gegenfarbentheorie hingegen beschreibt drei antagonistische Wahrnehmungsmechanismen als Grundlage für die Farbwahrnehmung. Jeder Mechanismus reagiert entgegengesetzt auf Licht unterschiedlicher Wellenlängen. So baut jede Leuchtdichte- und Farbwahrnehmung die drei Gegenfarbenprozesse Schwarz/Weiß, Rot/Grün und Blau/Gelb auf [1]. Es bestätigte sich, dass beide Farbwahrnehmungstheorien ihre Berechtigung haben, aber keines der Modelle die Möglichkeit bietet, eigenständig alle Wahrnehmungsphänomene hinreichend zu erklären. Erst eine Kombination beider Modelle zur sogenannten Zonentheorie, wie sie bereits von v. Kries vorgeschlagen wurde, erlaubt umfassende und schlüssige Aussagen zu allen Farbwahrnehmungsprozessen. Die Zonentheorie geht davon aus, dass die Empfindung, Verarbeitung und Wahrnehmung in mehreren Stufen abläuft. In der ersten Zone finden sich drei unabhängige Arten von Rezeptoren, wie sie von Young

19 2 Hintergrund 7 und v. Helmholtz beschrieben wurden. Die zweite Zone, welche die Gegenfarbentheorie darstellt, dient als Verschaltungsebene für die Rezeptorsignale [11]. Dabei werden die Signale der Rezeptoren zu einem Hell-Dunkel Kanal zusammengefasst und ebenfalls antagonistisch zu jeweils den Gegenfarbenkanälen Rot-Grün und Blau-Gelb verschaltet [12] [13]. 2.2 Anatomische und physiologische Struktur des visuellen Systems Für die visuelle Wahrnehmung steht mit dem Auge, den weiterleitenden Nervenbahnen und dem visuellen Kortex ein äußerst komplexes System zur Verfügung. Dabei ist die Retina die entscheidende Eingangsstruktur für den Sehvorgang. Sie bildet mit ihrer Umsetzung des physikalischen Lichtreizes in eine neuronale Erregung, mit ihrer Anpassung an unterschiedliche Beleuchtungsbedingungen und der Vorverarbeitung, Filterung und parallelen Weiterleitung der Sehinformationen die Grundlage für den visuellen Wahrnehmungsprozess in höheren Zentren des Gehirns [1]. Lichtstrahlung trifft auf das Auge und gelangt durch Cornea, Kammerwasser, Pupille, Linse und Glaskörper auf die Retina. Der Lichtreiz durchdringt, bevor er auf die Photorezeptoren trifft, je nach Netzhautregion, ein mehr oder weniger dickes System aus mehreren Nervenzellschichten. Die einzelnen Zellschichten setzen sich in Lichtrichtung aus Ganglienzellen, Amakrinzellen, Bipolarzellen, Horizontalzellen und Photorezeptoren zusammen (siehe Abbildung 2.2 auf der nächsten Seite). Die Photorezeptoren wandeln eine Erregung mit einen Lichtreiz in elektrochemische Signale um. Diese Signale werden durch die Biplolarzellen und Ganglienzellen weitergeleitet. Dabei konvergieren in der Reizweiterleitung je nach Netzhautregion unterschiedlich viele Photorezeptoren auf eine Bipolarzelle und wiederum mehrere Bipolarzellen auf eine Ganglienzelle. Die Konvergenz vergrößert sich mit zunehmendem Abstand von der Fovea. In der Fovea selbst liegt eine 1-zu-1 Verschaltung vor, in der Peripherie projizieren mehrere hundert Rezeptorzellen auf eine Ganglienzelle [14] Photorezeptoren der Retina Auf die Photorezeptoren wirkt das Licht in seiner Teilchennatur als Photon. Die Wahrscheinlichkeit, dass ein Photon an einem Photorezeptor absorbiert wird, beschreibt dessen spektrale Empfindlichkeit als Funktion der Wellenlänge [15]. Die Retina besitzt zwei

20 8 2 Hintergrund Abbildung 2.2: Schematischer Aufbau der Retina des menschlichen Auges (aus [1]) Arten von Photorezeptoren. Nach ihrem anatomischen Aufbau, ihrer nachgelagerten Verschaltung und absoluten Empfindlichkeit werden diese in die hochlichtempfindlichen Stäbchen (skotopisches Sehen) und die weniger lichtempfindlichen Zapfen (photopisches Sehen) unterteilt (siehe auch Abschnitte auf Seite 12). Die Zapfen gliedern sich wiederum in drei wellenlängenspezifische Rezeptorgruppen auf. Die Wellenlängenspezifität dieser Photorezeptoren wird durch unterschiedliche Photopigmente in diesen Rezeptorzellen bestimmt. Durch die wellenlängenspezifischen Absorptionseigenschaften der Photopigmente der Zapfen verteilen sich die Empfindlichkeitsmaxima der Photorezeptoren auf den kurz-, mittel-, und langwelligen Bereich des Lichtspektrums. Die Rezeptorgruppe der Zapfen wird daraus folgend in S-(short), M-(middle) und L-(long) Zapfen unterteilt. Diese spektralen Absorptionseigenschaften der Photopigmente bilden die Grundlage des menschlichen trichromatischen Farbensehens, können aber für wahrnehmungsphysiologische Untersuchungen des Farbensehens nicht isoliert betrachtet werden. Vielmehr werden die spektralen Empfindlichkeitskurven der Rezeptoren der Retina ebenfalls durch die wellenlängenabhängigen Transmissionseigenschaften der okulären Medien bestimmt. Mehrere Untersuchungen zur spektralen Rezeptoremfindlichkeit wurden in den letzen acht Jahrzehnten durchgeführt. In die Charakterisierung des CIE-1931-Normbeobachter (siehe Abschnitt auf Seite 22) flossen dabei die Ergebnisse von Guild und von Wright ein [16] [17] [5]. Notwendige Optimierungen führten Judd und Vos durch [18] [5]. Das Modell des CIE-1931-Normbeobachter ermöglicht eine prinzipielle Beschreibung der vom Menschen wahrnehmbaren Farben, spiegeln aber nicht die tatsächliche Farbempfindung wider. Grundlegende Daten für die realen Empfindlichkeitskurven der Retina

21 2 Hintergrund 9 entwickelten Smith & Pokorny [19]. Aufbauend auf die von Judd modifizierten CIE- Normspektralwertskurven transformierten sie diese Daten in die Rezeptorkurven L SP (λ), M SP (λ) und S SP (λ) (siehe Gleichung 3.3). Eine wichtige Bedingung dieser Transformation war, dass die Summe der L SP (λ) und M SP (λ) Kurven die Hellempfindlichkeitskurve V (λ) bilden soll (siehe auch Abschnitt auf Seite 12). Für die durch MacLeod & Boynton und durch Derrington et al. definierten wahrnehmungsidentischen Farbräume (siehe Abschnitt auf Seite 25) dienen diese Rezeptorempfindlichkeitsfunktionen als Grundlage [20] [21]. Neuere Messungen führten Stockman, Sharpe & Fach und Stockman & Sharpe durch. Dabei wurde die Bestimmung der Empfindlichkeitkurven bei Dichromaten und S-Zapfen Monochromaten 1 durchgeführt. Die Feststellung einer Anopie des L- oder M- Rezeptors erfolgte durch eine genetische Analyse. Auf dem gleichen Weg wurde die S-Zapfen Monochromasie nachgewiesen. Diese Daten bilden den aktuellen wissenschaftlichen Stand für die Beschreibung der Empfindlichkeitskurven [22] [23]. Abbildung 2.3: Effektive spektrale Sensitivität der zapfenförmigen Rezeptoren der humanen Retina (blau S-Rezeptor, grün M-Rezeptor, rot L-Rezeptor) nach Smith & Pokorny (durchgezogene Linie) und Stockman, Sharpe und Fach. Alle Kurven wurden für die prinzipielle Darstellung in ihrer maximalen Empfindlichkeit zueinander normiert. Für colorimetrische Berechnungen z.b. mit den Daten nach Smith & Pokorny ist maximale Sensitivität des S-Rezeptors aber um das 32fache geringer als die des M-Rezeptors Struktur und Funktion der Retina Die menschliche Retina besitzt ca. 120 Millionen Stäbchen und etwa 6 Millionen Zapfen [1]. Die Gruppe der Zapfen teilt sich wiederum in 12% S-Zapfen, 55% M-Zapfen und 1 Dichromaten sind Lebewesen welche in ihrer Netzhaut zwei verschiedene zapfenförmige Rezeptoren besitzen. Bei Monochromaten liegt in der Retina nur ein Zapfen vor. Beim Menschen sind beide Erscheinungen herititär bedingte patologische Sonderformen. (siehe auch Abschnitt 2.4 auf Seite 18)

22 10 2 Hintergrund 33% L-Zapfen auf [24]. Die örtliche Verteilung der Stäbchen und Zapfen in der Retina ist dabei vom Photorezeptortyp und von der Netzhautregion abhängig. In der Fovea, welche mit einem Durchmesser von 0,5 mm 2 die Stelle des schärfsten Sehens darstellt, bilden etwa 1% aller Zapfen eine regelmäßige mosaikförmige Struktur. Hier findet sich die höchste Zapfendichte in der gesamten Retina. Stäbchenförmige Rezeptorzellen befinden sich in der Fovea nicht. Die Zapfendichte sinkt sehr schnell im peripheren Netzhautbereich ab. Dagegen steigt in der Peripherie die Stäbchendichte stark an und besitzt bei einen Sehwinkel zwischen 15 und 20 ihre größte Dichte [12] [27]. Eine Differenzierung der Zapfenverteilung über die 3 Zapfentypen zeigt, dass die M- und L-Zapfen ihre maximale Häufung in der Foveola (0,1 mm/20 ), der zentralen Stelle der Fovea haben. Parazentral nimmt die Dichte kontinuierlich ab. Die S-Zapfendichte erreicht bei einer Exzentrizität von 1,5 ihr Maximum und sinkt zur Fovea und Peripherie ab [28]. Für die S-Zapfen gibt es im Bereich der Foveola unterschiedliche Angaben. So wird die Foveola sehr häufig als ein Blau-Zapfen freier Bereich bezeichnet [12] [29] [30], andere Autoren schreiben, dass 2 3% aller foveolären Zapfen S-Zapfen sind [28]. Die retinalen Ganglienzellen können in drei Zellsysteme unterteilt werden. Das magnozelluläre (M-) System mit seinen α-neuronen hat große rezeptive Felder und eine phasische Reizantwort mit hoher zeitlicher Auflösung. Es dient zur Übertragung von Bewegungs- und Kontrastinformationen und umfasst ca. 10% aller Ganglienzellen. Das parvozelluläre (P-) System mit den β-neuronen hat kleinere rezeptive Felder und eine höhere räumliche Auflösung. Mit seiner tonischen Reizantwort hat es eine geringere zeitliche Auflösung. Das P-System, welches etwa 80% der Ganglienzellen umfasst, ist durch seine räumliche Auflösung unter anderem für die Sehschärfe verantwortlich. Weiterhin dient es zur Übertragung der rot-grün Farbinformation [31] [24]. Die heterogene Restgruppe mit den γ-neuronen wird auch als koniozelluläres (K-) System bezeichnet. Dieses hat sehr große rezeptive Felder, eine langsame tonisch und phasische Reizweiterleitung und umfasst ca. 10% der Ganglienzellen. Es dient zur Reizweiterleitung für den zirkadianen Rhythmus, die Pupillenreaktion und ist farbempfindlich (Blau-Gelb Sinn). Die für die Farbwahrnehmung wichtigen Faktoren der drei Systeme sind die Übertragung der Helligkeitsinformation durch das magnozelluäre System, die Weiterleitung der Farbinformation Rot/Grün im parvozellulären System und die Übertragung der Farbinformation Blau/Gelb über das koniozellulären System. [14]. Die Zellklassen in der Ganglienzellschicht der Netzhaut zeigen, dass das optische Bild, das die Eingangsschicht der Photorezeptoren erregt, schon durch die Verarbeitung in der Retina in spezifische Signalkanäle zur Analyse von Farbe, Mustern und Bewegung sortiert und parallel weitergeleitet wird. Dieses Organisationsprinzip bleibt auch in den Sehzentren des Gehirns erhalten [32]. 2 nach [25] [26] (entspricht einem Sehwinkel von 1 40 )

23 2 Hintergrund weiterleitende Nervenbahnen und visueller Cortex Die Axone der Ganglienzellen treten als Papille aus dem Auge aus und bilden gemeinsam den Nervus Opticus. Im Chiasma Opticum laufen die Sehnerven beider Augen zusammen, wobei sich die Nervenbahnen, welche jeweils die Erregung des nasalen Bereichs der Retina weiterleiten, kreuzen. Nach dem Chiasma ziehen die Nervenstränge als Tractus Opticus weiter zum Corpus Geniculatum Laterale (CGL). Dieser ist in sechs Schichten unterteilt, in welchen sich auch die in der Retina angelegten magno- und parvozellulären Systeme widerspiegeln. Die Informationen aus dem CGL werden an den primären visuellen Kortex (V1 oder Area 17) weitergeleitet. Die bis zu V1 ausschließlich parallele Verarbeitung der Informationen des P- und M-Systems wird hier zum ersten Mal teilweise miteinander verrechnet. Dabei wird davon ausgegangen, dass in V1 Farbinformationen unabhängig von den anderen Reizattributen in konzentrisch organisierten rezeptiven Feldern, den sogenannten Blobs, verarbeitet werden. In diesen Doppelgegenfarbenzellen kommt es durch Bildung eines Farbkontrastes erstmals zur einer Farbempfindung. Nach der überwiegenden Farbpräferenz der in den Blobs enthaltenen Neurone werden diese in blau-gelbe und rot-grüne unterteilt. Das an den primären visuellen Kortex anschließende visuelle Areal V2 setzt sich aus bänderförmigen Gebieten verschiedener Dicke zusammen. Das magnozelluläre System zieht dabei in die dicken Bänder, das parvo- und koniozelluläre System in die dünnen Bänder. Nach dem visuellen Kortex setzt sich die Signalverarbeitung in höhere Areale fort, wobei die Area V4 als ein wichtiges Zentrum der kortikalen Farbverarbeitung angesehen werden kann [12] [1] [33] [34]. 2.3 Psychophysik der Farbwahrnehmung Das visuelle System eines ungeübten, augengesunden Menschen hat die Fähigkeit, Farben in etwa 200 Bunttöne, 20 Sättigungswerte und 500 Helligkeitswerte zu unterteilen [12]. Dieses Unterscheidungsvermögen wird von mehreren visuellen Faktoren bestimmt und beeinflusst. So spielt das absolute Leuchtdichteniveau eine entscheidende Rolle. Ebenfalls hat der Farbbereich, in welchem die zu unterscheidenten Farben liegen, einen Einfluss, denn das Unterscheidungsvermögen ist nicht für alle Farben gleich stark ausgeprägt. Die Wahrnehmung und Differenzierung von Farben wird einerseits durch das emittierte oder reflektierte Strahlungsspektrum einer Lichtquelle bzw. eines Objekts bestimmt und andererseits auch von Objekteigenschaften, Umgebungsreizen und zeitlichen Faktoren maßgeblich beeinflusst. Die Summe dieser Komponenten bildet den Sehreiz, auf welchen das gesamte visuelle System adaptiert. Erst bei vollständiger Adaptation an den

24 12 2 Hintergrund jeweiligen Sehreiz wird das maximal mögliche Unterscheidungsvermögen erreicht. Aus diesem Grund ist die Beschreibung der visuellen Wahrnehmung eines Farbreiz stets im Zusammenhang mit allen Einflussfaktoren zu sehen, welche als Kontext des Farbreizes bezeichnet werden. Diese Kontextbeziehungen können generell in räumliche und zeitliche Einflüsse unterteilt werden. Räumliche Kontexte sind gleichzeitig sichtbare, meist das Testfeld umgebende Reizanordnungen und Faktoren wie Umgebungsfarbe und Umgebungshelligkeit. Zeitliche Kontexte sind dadurch charakterisiert, dass das visuelle System vor Betrachtung eines Testreizes auf einen anderen Reiz adaptiert und bestimmt sich maßgeblich durch die Länge der Betrachtung. Räumliche und zeitliche Kontexte werden auch als Simultankontrast bzw. Sukzessivkontrast bezeichnet, wobei ein räumlicher Kontext auch mit dem Begriff Induktion beschrieben wird Leuchtdichte und Helladaptation Die Hellempfindlichkeit des visuellen Systems auf Strahlung im Spektralbereich λ = 360 bis 830 nm ist nicht über diesen gesamten Abschnitt konstant. Vielmehr ist sie für grüngelbe Strahlung von λ = 555 nm deutlich höher als im kürzer und langwelligeren Spektralbereich. Mit Hilfe der V (λ)-kurve wird dieser Hellempfindlichkeitsgrad in Abhängigkeit von der Wellenlänge für das photopische Sehen (L > 10 cd/m 2 ) beschrieben (siehe Abbildung 2.4 auf Seite 14) [35]. Es zeigt sich, dass bereits λ = nm neben dem Empfindlichkeitsmaximum die Hellempfindlichkeit um 50% zurückgegangen ist. Unterhalb und oberhalb von λ = 430 nm bzw. λ = 690 nm sinkt die Empfindlichkeit auf unter 1% gegenüber λ = 555 nm. Durch den Übergang der retinalen Empfindung von den Zapfen auf die Stäbchen bei Leuchtdichten L < 10 cd/m 2 (mesopisches Sehen) kommt es zur Verschiebung des Empfindlichkeitsmaximums. Bei ausschließlicher Wahrnehmung über die Stäbchen (skotopisches Sehen - L < 0,01 cd/m 2 ) liegt die größte Empfindlichkeit bei λ = 507 nm. Die Hellempfindlichkeit unter diesen Bedingungen wird mit der V (λ)-kurve beschrieben. Darüber hinaus bildet die V (λ)-kurve die Basis für die Umrechnung der pysikalischen Strahlungskenngröße Strahlungsfluss Φ e in photometrische Größe Lichtstrom Φ v und aller daraus abgeleiteten photometrischen Größen [35]. Wie bereits angesprochen, ist das visuelle System des Menschen besonders empfindlich für Helligkeitsunterscheide. Der gerade wahrnehmbare Leuchtdichteunterschied L hängt dabei stark von dem absoluten Leuchtdichteniveau L ab. Anders als es Weber für alle Sinnesorgane angenommen hat, ist diese Empfindlichkeit E (siehe Weber-Bruch Glei-

25 2 Hintergrund 13 chung 2.1) beim visuellen System nicht unabhängig von der Reizstärke und somit nicht konstant [36]. E = L L (2.1) König & Brodhun zeigten, dass die Unterschiedsempfindlichkeit mit zunehmender Leuchtdichte kontinuierlich bis zu einer Leuchtdichte von ungefähr L = 100 cd/m 2 auf eine relative Empfindlichkeit von ca. 0,7% ansteigt, dieses Niveau bis L = 1000 cd/m 2 beibehält und für Leuchtdichten darüber hinaus wieder abfällt [5] [36]. Innerhalb dieses eng begrenzten Leuchtdichtebereichs von L = cd/m 2 bleibt die Empfindlichkeit E weitestgehend gleich und die Annahme von Weber hat auch für visuelle Reize ihre Gültigkeit. Der den Wahrnehmungsunterschied beschreibende Weber-Bruch liegt dabei im Bereich E 0,01 [5]. Eine weiterführende und für die Fragestellung der vorliegenden Arbeit wichtige Untersuchung machte Schuhmacher, indem er die Umfeldleuchtdichte berücksichtigte. Für den Fall, dass Um- und Testfeldleuchtdichte auf dem selben Leuchtdichteniveau liegen zeigt sich das Maximum der Unterschiedsempfindlichkeit bereits bei L = 50 cd/m 2 und lag bei 1%. Darüber hinaus nahm die Emfindlichkeit durch einsetzende Umfeldblendung kontinuierlich ab und erreicht bei L = 3000 cd/m 2 einen Wert von 1,35% [36]. Es zeigt sich, dass die Leuchtdichte und die Leuchtdichteunterschiede zwischen Test- und Umfeld des Reizes einen entscheidenden Einfluss auf die Helligkeits- und Farbwahrnehmung im Testfeld haben. Der allgemeine Lehrsatz, dass die größtmögliche Unterschiedsempfindlichkeit dann vorliegt, wenn Test- und Umfeld auf dem gleichen Leuchtdichteniveau liegen [36], muss unter Berücksichtigung des absoluten Leuchtdichteniveaus relativiert werden. Erwähnt werden soll an dieser Stelle nochmals, dass für die Wahrnehmung von Bunttönen ein aktives Zapfensignal notwendig ist, was sicher ab einer Leuchtdichte von L > 10 cd/m 2 vorliegt. Von einem vollständig unterdrückten Stäbchensignal kann aber erst ab L = 100 cd/m 2 gesprochen werden [35] Buntton- und Sättigungsunterscheidung Die Unterscheidungsfähigkeit von Bunttönen hängt im Wesentlichen von der dominanten Wellenlänge der jeweiligen Farbe ab [37] [38] [39]. So zeigen sich besonders in den Randbereichen des sichtbaren Spektrums deutlich höhere Unterscheidungsschwellenwerte als im mittleren Spektralbereich. Bei einer Wellenlänge von λ = 590 nm ist das menschliche Unterscheidungsvermögen am empfindlichsten.

26 14 2 Hintergrund Abbildung 2.4: Spektraler Hellempfindlichkeitsgrad (relative spektrale Hellempfindlichkeit) des menschlichen Auges für photopisches V (λ) und skotopisches V (λ) Sehen in Abhängigkeit von der Wellenlänge.hallo Auch die Wahrnehmung von Unterschieden in der Sättigung besitzt, wie die Bunttonunterscheidung, eine Abhängigkeit von der jeweiligen Farbe. Das Zumischen monochromatischen Lichtes zu achromatischem weißen Licht zeigt, dass das Wahrnehmen einer Farbveränderung des weißen Lichtes von der Wellenlänge des zugemischten monochromatischen Lichtes abhängt [40]. Das visuelle System hat für Zumischen von monochromatischen Reizen aus dem Randbereich des sichtbaren Spektrums eine geringere Empfindlichkeit für Sättigungsunterschiede als für Reize aus dem mittleren Spektrum. Die maximale Empfindlichkeit liegt auch hier für Farbreize der Wellenlänge von λ = 590 nm vor. Für Farben aus dem Randbereich des Spektrums ist die Sättigungsunterscheidbarkeit teilweise um Größenordnungen geringer als für mittlere Wellenlängen [37] [38] [39]. MacAdam untersuchte, wie stark sich zwei Farbwerte in Buntton und Sättigung unterscheiden müssen, um als unterschiedlich wahrgenommen zu werden [41]. Dabei bestimmte er bei gleicher Leuchtdichte (L 48 cd/m 2 ) um verschiedene Farbwerte in der CIE Normfarbtafel (siehe auch Abschnitt auf Seite 23) jeweils mehrere Schwellenwerte und konnte somit für die einzelnen Farbwerte Bereiche definieren, innerhalb welcher keine Buntton- und Sättigungsunterschiede zu diesem Farbort wahrnehmbar sind. Diese Bereiche beschrieb MacAdam durch Ellipsen. Mit Hilfe dieser MacAdam-Ellipsen ist ein Überblick über die Unterscheidbarkeit von Farben in verschiedenen Farbbereichen der CIE-1931-Normfarbtafel möglich (siehe Abbildung 2.5 auf Seite 16). Die chromatische Adaptation stellte innerhalb des Versuchs von MacAdam einen nicht sicher kontrollierbaren Faktor dar. Das 2 große Testfeld war zweigeteilt und wurde von einen 42 Um-

27 2 Hintergrund 15 feld umgeben. Der Proband hatte nach dem Herstellungsverfahren 3 die Aufgabe, einen in der einen Testfeldhälfte vorgegebenen Farbreiz in der anderen Hälfte aus zwei Komponenten nachzumischen. Dabei lag für den Einstellvorgang keine zeitliche Begrenzung vor. Somit adaptiert der Proband zwangsläufig unkontrolliert auf den Farbreiz des Testfeldes. Das Umfeld besaß darüber hinaus nur die halbe Leuchtdichte des Testfeldes und wurde in der Normlichtart C ausgeleuchtet. Spätere Versuche von Brown & MacAdam ermöglichten den Probanden, neben Buntton und Sättigung ebenfalls die Leuchtdichte frei einstellen zu lassen [42]. Damit ergeben sich Diskriminations-Ellipsoide im dreidimensionalen Raum. Eine Projektion dieser Ellipsoide in die CIE-1931-Normfarbtafel führten zu ähnlichen Ergebnissen wie die ersten Untersuchungen von MacAdam. In weitergehenden Untersuchungen zeigte Brown die Abhängigkeit des Unterscheidungsvermögen für Buntton und Sättigung von der Farbe eines gleichzeitig dargebotenen Umfeldreizes. Die Unterschiedsempfindlichkeit zwischen Farben ist am kleinsten, wenn der Reiz in einer Umgebung dargeboten wird, die in der Farbe dem Reiz selbst ähnlich ist [43]. Krauskopf & Gegenfurtner zeigten darüber hinaus, dass für eine umfassende Aussage eine Differenzierung zwischen den Gegenfarben rot-grün und blau-gelb notwendig ist [44]. Zur Darstellung nutzen sie den Farbraum nach Derrington et. al., welcher eine Beschreibung über die Gegenfarbenkanäle L-M und S-(L+M) ermöglicht (siehe auch Abschnitt auf Seite 25) [21]. Krauskopf & Gegenfurtner konnten dabei feststellen, dass bei Adaptation auf die zu diskriminierende Farbe kein Unterschied in den Unterscheidungsschwellen zwischen verschiedenen Farben vorliegt, solange die Schwellen allein auf eine Veränderung auf der L-M Achse zurückzuführen sind. Die Unterscheidungsschwellen, welche durch einen veränderten Blauanteil wahrgenommen werden, zeigen mit Änderung des Blauanteils in der zu diskriminierenden Farbe eine lineare Veränderung des Schwellenwertes. So steigt die Schwelle in Richtung blauer Farbtöne an und fällt mit zunehmendem Gelbanteil ab. Bei Adaptation des visuellen Systems auf einen Neutralreiz steigt die Unterscheidungsschwelle sowohl für Farben, welche sich auf der L-M als auch S-(L+M) Achse unterscheiden, proportional zum Abstand zwischen Adaptations- und Testfarbe an Sehreizgeometrie und Sehreizstruktur Die Geometrie und die räumliche Struktur des visuellen Reizes haben ebenfalls einen nicht unwesentlichen Einfluss auf die Wahrnehmung von Farben. So beeinflusst die Grö- 3 Bei der wahrnehmungspsychologischen Messmethode des Herstellungsverfahrens hat der Proband die Aufgabe, den Testreiz nach einer bestimmten Fragestellung zu beurteilen und selbständig Farbwerte nachzuregeln. Werden nach diesem Prinzip Wahrnehmungsschwellen bestimmt, so beschreiben diese Schwellenwerte meist zu kleine Schwellen.

28 16 2 Hintergrund Abbildung 2.5: Farbunterscheidungsellipsen nach MacAdam in der CIE-1931-Normfarbtafel. Die Ellipsen sind gegenüber dem Maßstab des Koordinatensystems um das 10fache vergrößert dargestellt (aus [6]). ße des Sehreizes der beiden Felder zueinander maßgeblich die Farbbenennung als auch die Diskrimination von Farben [45] [43]. Mit einem größeren Testfeld kann tendenziell eine Verbesserung der Diskriminationsfähigkeit erreicht werden. In diesem Fall wird die Adaptation stärker durch das Hauptobjekt bestimmt und Adaptationseffekte durch den Umfeldkontext treten in den Hintergrund. Das beste Unterscheidungsvermögen zeigt sich bei geometrisch einfachen und scharf abgegrenzten Testfeldern in einem strukturlosen Umfeld. Inhomogene Umfeldleuchtdichten mit markanten Strukturen führen genau wie unscharfe Kanten zwischen den Testfeldern oder zum Umfeld zur Verschlechterung der Unterscheidungsfähigkeit. Gebräuchliche Sehreizgeometrien mit deutlichen Kontexteinflüssen sind die infield-surround Anordnungen. Hierbei wird ein kleines, oft kreisrundes Testfeld (Sehwinkel ca. 2 ) von einem größeren (ca. 10 ) Umfeld umgeben (Kontext). Umfelddurchmesser haben nur bis zu einer Größe von 10 einen nennenswerten Einfluss auf das Testfeld. So beschrieben Kaiser & Boynton Einflüsse durch die Umfeldgröße bis zu einem Sehwinkel von nur 6 als praktisch relevant und Hansen et al. zeigten für die Farbbenennung, dass für ein Testfeld von 2 Umfeldeinflüsse aus einem Sehwinkel größer 10 nur noch minimale Auswirkung auf die Farbwahrnehmung haben [46] [45]. Auch Schober sieht die Adaptation des visuellen Systems maßgeblich durch den Sehreiz in einem 10 Gesichtsfeld bestimmt. [36]. Olkkonen et al. zeigten, dass Analysen zur Wahrnehmung der Farbempfindung bei alltäglichen Sehanforderungen nicht unabhängig von der Form und Struktur der jeweiligen