Augenphysiologie. Dietrich Sauter. Die Augenphysiologie und das Fernsehen, hier speziell auch 4k. Sehschärfe zu Hause vor dem Fernseher

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1 Augenphysiologie Die Lehre von den Lebensvorgängen im Auge Dietrich Sauter Filmuniversität Babelsberg BVK, DTHG, FKTG, TELI, VDE Folie 1 Die Augenphysiologie und das Fernsehen, hier speziell auch 4k Der Visus Das Gesichtsfeld Der Schärfebereich Die Empfindlichkeit Das Farbensehen Das Farbgedächtnis Gefahr für das Auge Sehschärfe zu Hause vor dem Fernseher Folie 2

2 Verschiedene Augen Computersimulation A Mensch B Biene: UV-Strahlung C Biene: Simulierte Facettenaugen und Sehsystem D Hypothetische Farbwahrnehmung einer Biene Quelle: Hale & Jäger HUB Folie 3 Snellen-Tafeln 2 Bogenminuten Visus = 1 10 Meter Entfernung 1 Bogenminute Folie 4

3 Sehvermögen Metrisch Dezimal Snellen Winkelminuten 6/3 2,0 20/10 0,5 6/4,5 1,33 20/15 0,75 6/6 1,0 20/20 1 6/7,5 0,8 20/25 1,25 6/9 0,67 20/30 1,5 6/12 0,5 20/40 2 6/15 0,4 20/50 2,5 6/30 0,2 20/ /60 0,1 20/ /120 0,05 20/ Beispiel: Erkennt ein Patient ein Zeichen aus der Entfernung von 6 Metern, für das die Normentfernung 30 Meter beträgt, so ist sein Visus 6/30 oder 0,2. Quelle: Wikipedia Folie 5 Landoltring 3 mm breite Lücke aus 10 Meter Entfernung = Visus von 1 Folie 6

4 a = Landoltring b = Snellenhaken c = Pflügerhaken d = Landoltsche i-zeichen Quelle: H. Schober Das Sehen II Folie 7 1-Bogenminute-Regelung EN ISO 8596 Visus = 1-1/60 Grad also 1 Bogenminute bei einem Normalbeobachter Folie 8

5 Sehschärfe Quelle: Schober: das Sehen Folie 9 Kopf- und Augenstellung in Ruhe (nach Kroemer 1987). Der Mensch sitzt in allgemeinen ca. 2,7 Meter vor dem Fernseher Folie 10

6 Sichtfelder Folie 11 Auge: Eintrittswinkel anamophotisch Le Grand model, Lotmar 1971 Quelle: James T. Fulton Vision Concepts, 2010 Folie 12

7 Keine Lichtwirkung Geringe Lichtwirkung Gute Lichtwirkung Ansprache der Fotorezeptoren Fotorezeptoren auf der Netzhaut, empfänglich für Licht mit hohen Blauanteilen Licht wegen Blendgefahr nicht erwünscht Quelle: Licht 21 Folie 13 V(λ) Rot = Tag (555 nm) Blau = Nacht (507 nm) Folie 14

8 Folie 15 Verlauf der Dunkeladaption für Stäbchen und Zapfen unterschiedlich Folie 16

9 Die Sehschärfe (als Kontrastempfindlichkeit) nasal Nasenseitig temporal Schläfenseitig Folie 17 Verteilung der Zapfen Folie 18

10 Simuliertes Zapfenmosaik Simulation des Zapfenmosaiks der Fovea Die Positionen der Zapfen entstammen anatomischen Messungen. Die Einfärbung wurde nach einem Zufallsschema durchgeführt unter der Annahme, dass Rotzapfen ca. doppelt so häufig sind wie Grünzapfen. Quelle: Herbert Jägle und Ted Sharpe, Augenklinik Tübingen Folie 19 binokulares Gesichtsfeld eines Menschen Gesichtsfeld: gleichzeitig sichtbarer Bereich Blickfeld: durch Bewegung des Auges sichtbarer Bereich Quelle: Skrandries 1987 Folie 20

11 Sehen in die Ferne Rechtes Auge Linkes Auge d = Entfernung der Bildfläche Quelle: Schober: das Sehen Folie 21 Farbengesichtsfeld des rechten Auges Objektgröße 25 Bogen-Minuten, Leuchtdichte 30 cd/m 2 Farben bei der Evaluierung nach Engelking-Eckstein Einheit Grad Quelle: H. Schober: Das Sehen Folie 22

12 Folie 23 Sensoren Zapfen: Farbensehen lang-, mittel-, kurzwellensensitive (Rot-, Grün-, Blauzapfen) Stäbchen: Sehen bei Dunkelheit und Dämmerung Alle gleiche spektrale Absorption Folie 24

13 Farbwahrnehmung Mensch Normierte Pigmentabsorption der menschlichen Fotorezeptoren in Stäbchen (schwarz gestrichelt) und den drei Zapfenarten (blau, grün, rot). Quelle: Wikipedia Folie 25 Die Wahrnehmung reicht von (290)300 (bis 30 Jahre) bzw. 400 (über 65 Jahre) nm bis 780 nm. Die Farberkennung des Auges ist dabei im dunklen nicht vollkommen bis nicht vorhanden. Gutes Farbensehen ist möglich bei Werten größer 3 cd/m 2 und wird durch das photopische Sehen ermöglicht. Im mesopischen Bereich von 0,01 cd/m 2 bis 10 cd/m 2 ist das Farbensehen schlechter ausgeprägt, auch das Schärfesehen ist eingeschränkt. Unterhalb on 0,03 cd/m 2 im skotopischen Bereich ist Farbsehen nicht mehr möglich. Auch die Auflösung ist schlecht. Wellenlängengrenze nach Fabry und Saidmann Vision in the Ultra-Violet, Nature 135 S. 68 (1935); gefunden in Schober das Sehen Band I (1970) S. 195 Folie 26

14 Altersgrenzen der Wahrnehmung von kurzwelligem Licht Jahre 0 bis (290) bis 313 nm 34 bis bis 350 nm 43 bis bis 393 nm über nm und höher Folie 27 Aus der Tatsache, dass die Zapfen das Farbensehen ermöglichen, wird oftmals der falsche Schluss gezogen, dass die Stäbchen für das Helligkeits- oder Schwarz-Weiß-Sehen zuständig sind. Das stimmt nicht! Unter Tageslichtbedingungen liefern die Stäbchen keinerlei brauchbare Signale. Sie sind nur beim Dämmerungs- und Nachtsehen, z.b. bei Mondlicht, aktiv. Folie 28

15 Es wird oftmals behauptet, dass im peripheren Gesichtsfeld keine Farbwahrnehmung möglich ist. Zu Demonstrationszwecken wird dann ein buntes Objekt von der Fovea weg bewegt, bis die Farbe des Objekts nicht mehr erkannt wird. Dies zeigt jedoch nur, dass die räumliche Auflösung des Farbsehsystems geringer ist als die des Helligkeitssystems. Wenn die Objekte ausreichend groß sind, kann auch deren Farbe bei peripherer Darbietung erkannt werden. Folie 29 Abhängigkeit der Farbtonunterscheidungsschwelle Farbtonunterscheidungsschwelle in nm vom Farbtonbereich bei optimaler Leuchtdichte Quelle: Achim Freiding Folie 30

16 Folie 31 Der Dynamikumfang in der Natur liegt bei >20 Blenden ( :1) Der Kontrastumfang des Auges kann gleichzeitig 13 Blenden ( :1) mit Adaption bis 40 Blenden (10 12 :1) bewältigen Da bei 3D-Wiedergaben im Kino die Helligkeit zwischen ca. 6 und 13 cd/m 2 (48 cd/m 2 im Kino bei 2D) liegt, ist im Wesentlichen der mesopische Bereich zuständig, dies führt zu einer schlechteren Farbwahrnehmung. Die Folge: die Farben für die Projektion von 3D müssen in der Sättigung angehoben werden. Folie 32

17 Die Frage, wie Menschen Farben sehen, ist im Verlaufe der Geschichte sehr unterschiedlich beantwortet worden. Hier werden nur zwei Theorien vorgestellt, die zusammen eine plausible Erklärung liefern: die trichromatische Rezeptor-Theorie und die Gegenfarben-Theorie v. Kries Zonentheorie Folie 33 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 Folie 34

18 Die trichromatische Rezeptor-Theorie geht auf Thomas Young (1802) und Hermann von Helmholtz (1866) zurück: Young nahm an, dass es drei Rezeptorarten in der Retina gibt, die auf Licht einer bestimmten Wellenlänge reagieren, deren neurale Aktivität löst das Farbensehen aus. Helmholtz: drei Rezeptoren sind nicht nur jeweils für eine Wellenlänge sensibel, im Prinzip für alle Wellenlängen, bei bestimmten Wellenlängen Erregungsmaxima Das bedeutet, dass auch bei "reinem" Licht einer bestimmten Wellenlänge alle drei Rezeptortypen erregt werden, die Summenaktivität der Rezeptoren ist für das Farbensehen verantwortlich, jede spektrale Lichtfarbe durch eine spezielle Kombination von Rezeptor-Erregungen codiert wird. Folie 35 Die Gegenfarbentheorie geht auf Ewald Hering (1920) zurück. vier Grundfarben Rot, Gelb, Grün, Blau dass das Farbensehen auf zwei antagonistisch arbeitenden physiologischen Prozessen basiert: einem Rot-Grün-Prozess und einem Gelb-Blau-Prozess. Für das Helligkeitssehen wird ein weiterer, ebenfalls antagonistischer Schwarz-Weiß- Prozess angenommen. Für diese Auffassung sprechen zwei Gründe: Erstens treten Nachbilder in der jeweiligen Gegenfarbe auf. eine rote Vorlage - ein grünes Nachbild, eine blaue Vorlage - ein gelbes, eine weiße Vorlage ein schwarzes Nachbild. Jeder Rezeptor kann nur auf eine von zwei gegenläufigen Weisen reagieren, z.b. entweder positiv oder negativ. Folie 36

19 Zwei-Stufen-Farbtheorie antagonistisch = gegensätzlich Folie 37 Stadien der Farbverarbeitung Folie 38

20 Farbige Nachbilder Bei längerer Betrachtung von farbigen Flächen entstehen farbige Nachbilder in den Komplementärfarben, wenn anschließend eine weiße Fläche betrachtet wird. Folie 39 Integration der beiden Theorien Es fällt auf, dass sowohl Beschreibung der Farbempfindung, als auch die beiden vorgestellten Theorien auf dreidimensionalen Systemen beruhen. Beide Theorien können bestimmte Aspekte des Farbempfindens erklären, was eine Entscheidung für eine der beiden Ansätze erschwert. Folie 40

21 v. Kries Zonentheorie Um diesen Konflikt von drei oder vier Grundfarben zu entschärfen, teilte Kries den Vorgang des Farbensehens in eine periphere und eine zentrale Zone. Dabei nimmt die periphere Zone der Sehzellen drei Signale auf. Diese Signale werden in der zentralen Zone, also im Nervensystem, in einem Prozess zu zwei gegensätzlichen Paaren von Grundfarben geformt. Johann von Kries: Theoretische Studien über die Umstimmung des Sehorgans. In: Festschrift. Universität Freiburg S Folie 41 Chromatic adaptation models linear models von Kries Bartelson, Judd, MacAdam variations nonlinear models Nayatani subtractive models Jameson & Hurvich Takahama incomplete adaptation models Hunt Fairchild91 Folie 42

22 Gleiche Leuchtdichte verschiedenes Umfeld Hering Kontrast Ein Feld bestimmter Strahlungsdichte erscheint in heller Umgebung dunkler In dunkler Umgebung heller Regel 250 H. Schober Folie 43 Gleiche Leuchtdichte verschiedenes Umfeld Folie 44

23 Beeinflussung von Farben zweier Objekte Eine Farbe verschieden mit unterschiedlichen Umgebungen Folie 45 Farbwahrnehmung 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: Karl R Gegenfurtner, U NI Gießen Folie 46

24 Farbwahrnehmung Verarbeitung in den Gegenfarbkanälen. Links das Original, in der Mitte das Bild, wie es vom Rot-Grün-Kanal gesehen wird. Rechts das Bild, wie es vom Blau- Gelb-Kanal gesehen wird. Folie 47 Die Einteilung der Signalverarbeitung in zwei Zonen, der anfänglichen Verarbeitung in drei verschiedenen Zapfentypen, gefolgt von drei Gegenfarbkanälen, vereint die Theorien der Farbwahrnehmung von Helmholtz und Hering. 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 reines Rot, Grün, Blau, oder Gelb Auch dies ist nicht richtig. Während das Rot der kardinalen Farbrichtungen der Ganglienzellen in etwa einem Urrot entspricht, sieht die Gegenfarbe dazu blau-grün aus. Der Blau-Gelb-Kanal ist ebenfalls verschoben dem reinem Gelb entspricht ein grünlicher Gelbton und dem Blau ein Violett. Folie 48

25 morgens mittags abends Darstellung einer natürlichen Szenen, wie sie unter drei verschiedenen Beleuchtungsbedingungen aussieht. Die Veränderung von morgens (links), mittags (mitte) und abends (rechts) erfolgt hauptsächlich entlang der blau-gelben Gegenfarbachse. Folie 49 2 Grad Beobachter CIE von Judd neu ermittelt Folie 50

26 EBU 709 Spektral Verlauf BT DCI P3 Naturfarben Pointer Gamut 1980 BT. 470 FCC P22 Folie 51 Folie 52

27 Folie 53 Gefahr für das Auge Gefahr von blauen oder weißen Hochleistungs-LEDs: Der für die Netzhaut schädliche Blaulicht-Grenzwert kann beim längeren Blick in die LED überschritten werden. Festgelegt sind die Grenzwerte in der harmonisierten Norm DIN EN Farbtemperatur 6000 K <1000 lx Blaulicht 1 W/m 2 nicht länger als 100 Sek Folie 54

28 Beim 500 Lux-Kriterium fallen alle LED für die Allgemeinbeleuchtung in die geringen Risikogruppen 0 oder 1. Folie 55 Folie 56

29 Quelle: ARRI Folie 57 ARRI-Kino Türkenstraße 4 k bis zur 3. Reihe Folie 58

30 Mit dem Betrachtungsabstand =(3xH) bei HDTV ermitteln Sie nach folgender Tabelle die richtige Größe ihres neuen HDTV- Gerätes: Abstand 16:9 H 16:9 B 16:9 D cm/zoll 1,0m 33cm 58cm 66cm/ 27 1,5m 50cm 90cm 103cm/ 40 2,0m 67cm 120cm 137cm/ 55 2,5m 83cm 147cm 168cm/ 67 3,0m 100cm 178cm 204cm/ 82 4,0m 133cm 236cm 270cm/108 5,0m 166cm 296cm 340cm/136 Für 4 k gilt 1,5 x H Folie 59 4-k Auflösung Die größere Auflösung ist nur mit größeren Bildschirmen machbar, da sonst die Pixeldichte leidet. Für das Fernsehen gilt ein Abstand bei 2-k: 3-fache Höhe, bei 4-k: 1,5-fache Höhe. Für den Zuschauer wäre eine zeitliche Auflösung von 100 Bildern notwendiger. Das Format 1080p100 sollte forciert werden. 4-k-Bilder schauen in der 2-k-Projektion besser aus als HD. Mehrkosten in der Produktion nicht darstellbar! Folie 60

31 Hinweise: Die Zukunft des Kinos Veranstaltung der Firma ARRI am H. Schober: Das Sehen I und II Simon Ings: Das Auge, Meisterstück der Evolution Tristan Hale & Ralf Jäger HU Berlin: Farbe und Farbwahrnehmung Achim Freiding: Untersuchungen zur spektralen Empfindlichkeit des menschlichen Auges im mesopischen Bereich. Herbert Utz Verlag, München Wahr-05-farbe-2.pdf Folie 61 Danke Prof. Dietrich Sauter beenenitlösungen Birkhuhnweg Ismaning Fon: sauter@beenen.de Folie 62