Definition. Farbe ist diejenige Empfindung, die es uns erlaubt, zwei strukturlose Oberflächen gleicher Helligkeit zu unterscheiden

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1 Farbwahrnehmung Farbe ist eine Empfindung (color versus paint) Im Auge gibt es drei Arten von Zapfen, die Licht in Nervenimpulse umwandeln Diese werden in den Ganglienzellen der Retina in Gegenfarben transformiert Im Gehirn werden diese Erregungsmuster dann als Farben interpretiert

2 Definition Farbe ist diejenige Empfindung, die es uns erlaubt, zwei strukturlose Oberflächen gleicher Helligkeit zu unterscheiden

3 Farbensehen bis zu 7 Millionen Farbvalenzen können unterschieden werden über 200 Farbtöne (hue) über 20 Sättigungsstufen (saturation) über 500 Helligkeitswerte (brightness)

4 Farbe ist eine Empfindung The rays are not coloured Sir Isac Newton Das Licht ist nicht farbig Andere Bedeutungen des Wortes: Farbmittel Color versus Paint

5 Farbe ist eine Empfindung

6 Wellenlänge und Farbe

7 Funktion der Farbe

8 Funktion der Farbe Die meisten Oberflächen besitzen eine Struktur (Textur) strukturlose Oberflächen sind selten Verschiedene Oberflächen weisen meist auch einen Helligkeitsunterschied auf Farbe erlaubt eine schnelle Unterscheidung verschiedener Objekte vom Hintergrund und voneinander

9 Lichtreize Das Sehsystem ist empfindlich für elektromagnetische Strahlung in einem eng umgrenzten Bereich von Wellenlängen. Nur für Strahlung dieser Wellenlängen besitzen wir Rezeptoren.

10 Reflektion und Absorption Ein Teil des einfallenden Lichts wird reflektiert, der andere Teil absorbiert Ändert sich die Beleuchtung, dann ändert sich auch die spektrale Zusammensetzung des Lichts, das ins Auge fällt Aber: Der Grad an Absorption über alle Wellenlängen hinweg ist charakteristisch für ein bestimmtes Objekt, unabhängig von der Beleuchtung

11 Spektren einiger Lebensmittel monochromatisches Gelb

12 Additive Farbenmischung Bei der additiven Farbenmischung wird Licht addiert: Übereinanderprojektion von Scheinwerfern Farbfernsehen Farbkreisel Nebeneinanderdrucken reiner Farbstoffe Das Ergebnis ist die Summe der Strahlungen.

13 Subtraktive Farbenmischung Bei der subtraktiven Farbenmischung werden die Spektren des Lichts und die Transmissionsfunktion eines Filters miteinander multipliziert. Die Transmissionsfunktionen zweier übereinanderliegender Filter ist das Produkt der Transmissionsfunktionen der einzelnen Filter. Ein blaues Filter auf ein gelbes Filter gelegt ergibt Grün.

14 Dreifarbentheorie Experimente mit dem Farbenmischer: jede beliebige Farbe kann durch Mischung von drei anderen Farben hergestellt werden zwei Farben reichen nicht aus, mehr als drei sind nicht nötig Thomas Young Young-Helmholtz-Dreifarbentheorie: Die Farbwahrnehmung beruht auf drei Rezeptorsystemen mit unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit. Hermann von Helmholtz

15 Zapfenmosaik In der Netzhaut gibt es drei Typen von Zapfen Diese sind zu einem Mosaik angeordnet An jeder Stelle gibt es nur einen Zapfen Es gibt ca. doppelt so viele Rot- Zapfen wie Grün-Zapfen Nur ca. 10% sind Blau-Zapfen

16 Zapfenabsorption

17 Zapfen Alle drei Typen von Zapfen absorbieren Licht in einem breiten Bereich von Wellenlängen Kennt man die Wellenlänge eines Photons, so kann man trotzdem nicht vorhersagen, von welchem Zapfentyp es absorbiert wird Zapfen werden meist als Rot-, Grün, oder Blau- Zapfen bezeichnet, obwohl dies eigentlich irreführend ist Andere Bezeichnungen sind L-, M-, und S- (oder K-) Zapfen, für lang-, mittel-, oder kurzwellenlängenempfindliche Zapfen.

18 Trichromatizität und Univarianz Licht Zapfen

19 Metamerie Alle Farben lassen sich durch drei Zahlen beschreiben (Trichromatizität) Lichter sind durch ihr ganzes Spektrum (unendlich viele Zahlen) gekennzeichnet Wird ein Photon absorbiert, so geht die Information über seine Wellenlänge verloren (Univarianz) Farbreize, die gleich aussehen, obwohl ihr Spektrum verschieden ist, werden metamer genannt Es gibt metamere Farbreize! Vorteile: Aus wenigen Farbstoffen können durch Mischung viele Farbtöne erzeugt werden. Nachteile: Oberflächen können bei manchen Beleuchtungen gleich, bei anderen ungleich aussehen.

20 Farbabgleich mit Hilfe eines Farbenmischers Q L R R Q L G G F F Q L B B Eine beliebige Farbe F wird durch Variation der Reizgrößen L dreier Farbreize R, G und B nachgemischt.

21 Die Dreifarbentheorie 500 nm nm S M L S M L 1,3 6,0 1,3 9,0 6,0 9,0 Die Anteile von 420-, 560- und 640-nm-Licht im rechten Feld wurden so gewählt, daß das Mischlicht mit dem 500-nm-Licht im linken Feld identisch aussieht.

22 Dimensionalität des Farbensehens

23 Mit nur einem Rezeptor können Unterschiede in der Wellenlänge nicht von Unterschieden in der Intensität unterschieden werden. Daher ist beim Nachtsehen (mit den Stäbchen) Farbensehen nicht möglich. Auch Personen, die nur einen Zapfentyp aufweisen, können Farben nicht unterscheiden.

24 Erster Zapfentyp Zweiter Zapfentyp Ein zweiter Zapfentyp erlaubt solche Unterscheidungen zwischen Wellenlänge und Intensität

25 Entwicklung der Zapfen L- und M-Zapfen Absoptions- Spektren sind sehr ähnlich Die beiden Zapfentypen haben sich erst vor ca. 35 Millionen Jahren auseinanderentwickelt Die Genetik des Farbensehens ist sehr gut erforscht Die Gensequenzen von L- und M-Zapfen unterscheiden sich nur geringfügig voneinander

26 Evolution und Farbe Eine Hypothese lautet, dass der evolutionäre Vorteil der Rot-Grün-Unterscheidung darin besteht, dass reife Früchte vor grünen Blättern entdeckt werden können Diese Früchte sind etwa zur gleichen Zeit entstanden. Primaten halfen bei der Verbreitung der Samen. Man spricht von Ko-Evolution In anderen Worten: Primaten sind eine Erfindung der Bäume

27 Vererbung der Farbfehlsichtigkeit Rot-Grün-Blindheit wird auf dem X-Chromosom vererbt Männer haben nur ein X- Chromosom Daher ist Farbenblindheit bei Männern wesentlich häufiger als bei Frauen Trägerinnen des defekten X-Chromosoms weisen manchmal eine ganz leichte Farbfehlsichtigkeit auf

28 Ishihara-Tafeln

29 Anomaloskop von Nagel Foveale additive Farbmischung eines 2 Grad grossen Feldes Rot (671 nm) + Grün (546 nm) ~ gelb (589 nm) Normal: Grün/Rot ~ 1 AQ = 0,7-1,4 Protanomalie (mehr rot) AQ = 0,6-0,11 Deutanomalie (mehr grün) AQ = 2,0-20

30 Die Welt der Farbenblinden

31 Wiederholung: Zapfen Farbe ist nicht gleich Wellenlänge Die erste Stufe der Verarbeitung von Farbe läuft in drei verschiedenen Typen von Zapfen ab Bei Farbfehlsichtigen fehlen meistens entweder die Rot- oder die Grün-Zapfen Diese Verarbeitungsstufe wurde von Young und Helmholtz entdeckt

32 Color contrasts of natural objects There is a high correlation between L- and M-cone signals. This is not very efficient!

33 Gegenfarben Die Absoptionsspektren der M- und L- Zapfen sind sehr ähnlich 3 Dadurch entsteht ein hohe Korrelation in den L- und M- Signalen. M L 3 Information wird redundant kodiert. Das ist nicht gut! Differenzbildung dekorreliert die Signale.

34 Funktion der Gegenfarbkanäle Dekorrelation der überlappenden Spektren von L und M Zapfen S-(L+M) L+M L-M Zapfenspektren Gegenfarbspektren

35 Gegenfarbenanteile nach Judd reines Blau reines Grün reines Gelb

36 Dekorrelation

37 Gegenfarbkanäle Originalbild Gegenfarbkanäle S-(L+M) L+M L-M

38 Verschaltung der Zapfen zu Gegenfarbkanälen (hypothetisch) Eingabe: Aktivierung der drei Zapfen S M L Exzitatorische Eingabe: Summation Inhibitorische Eingabe: Differenzbildung S-(L+M) L+M L-M blau-gelb Helligkeit rot-grün Ausgabe: Aktivierung der drei Gegenfarbkanäle

39 Stadien der Farbverarbeitung

40 Farbe und Objekterkennung Farbe kann eine wichtige Rolle bei der Objekterkennung spielen Allerdings ändert sich die spektrale Zusammensetzung des Lichts, das ins Auge gelangt, wenn sich die Beleuchtung ändert Es werden Mechanismen benötigt, die diese Änderungen kompensieren Diese Leistung des Sehsystems wird Farbkonstanz genannt

41 Farbkonstanz Die Landschaft verändert sich unter den verschiedenen Beleuchtungsbedingungen. Im Laufe des Tages verändert sich das Tageslicht von blau nach gelb. Die rote und grünliche Beleuchtung ist nicht natürlich. Dennoch erscheint uns das Gras immer in derselben Farbe, wenn wir uns durch die Landschaft bewegen

42 Farbkonstanz Farbkonstanz ist das Ergebnis verschiedener Mechanismen im Auge und im Gehirn: Normierung lokaler Kontraste Normierung im gesamten Gesichtsfeld Kognitive Faktoren (Gedächtnisfarbe)

43 Simultankontrast Lösung des Farbkonstanzproblems durch Quotienten von Rezeptoraktivationen an Konturen. Folge: Simultankontrast

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45 Globale Kompensation

46 Farbbenennung

47 Farbe und Sprache Berlin & Kay: Elf Hauptfarbnamen (basic color terms): Schwarz Grün Rot Weiß Gelb Blau Braun Orange Purpur Rosa Grau Nicht dabei z.b. Magenta Cyan (Pink) (Türkis) Violett Indigo

48 Farbwahrnehmung Farbe ist eine Empfindung Im Auge gibt es drei Arten von Zapfen, die Licht in Nervenimpulse umwandeln Diese werden in den Ganglienzellen der Retina in Gegenfarben transformiert Im Gehirn werden diese Erregungsmuster dann als Farben interpretiert Das war s für heute!