GBM 5: Seminar zur Vorlesung Wahrnehmung und Kognition

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1 GBM 5: Seminar zur Vorlesung Wahrnehmung und Kognition 4. Termin Dipl.-Psych. Charlotte Falkenberg Anschrift: Wilhelm-Seelig-Platz 6, Kiel Raum: 312 Telefon: www:

2 Übersicht Nachtrag Helligkeit Aufgabenbesprechung Farbe

3 Chevreul-Treppe wahrgenommene Helligkeit: gradueller Verlauf Kantenverstärkung Leuchtdichte Profil (tatsächliche Intensitäten)

4 Craik O Brien Cornsweet effect (COCE) When observers look at a pattern shaded right to left with the luminance profile graphed in Fig. I, they report that the uniform region on the left seems brighter than the corresponding region on the right. This is the Cornsweet (1970) version of an effect demonstrated earlier by Craik (1940) and O Brien (1958). It is of interest in that it gives an exception to the usual rule of contrast which applies when regions of different brightness or colour are placed adjacent to one another. In this pattern is an abrupt luminance contour at the centre. more luminous to the left, less to the right, gradually shaded to uniform regions of equal luminance on either side. However, although the uniform region on the left is closest to a bright part of the pattern, just left of centre, far from contrasting with it to seem darker than the region on the right it assimilates to it and seems lighter. This suggests a special role for abrupt edges in determining the brightness of regions. (Ware, C. & Cowan, W. B.,1983, p. 1). Leuchtdichte Profil Fig. I

5 Craik O Brien Cornsweet effect (COCE) Aus: Purves, D., Shimpi, A. & Lotto, R. B. (1999): Leuchtdichte Profil wahrgenommene Helligkeit

6 Craik O Brien Cornsweet effect (COCE) Aus: Purves, D., Shimpi, A. & Lotto, R. B. (1999): Leuchtdichte Profil wahrgenommene Helligkeit

7 Knill & Kersten Befund von Knill, D. C., & Kersten, D. (1991): Formwahrnehmung verändert die Helligkeitswahrnehmung: In b) erscheint die Frontfläche links dunkler ( lightness = wahrgenommene Helligkeit der Oberflächenremission), während in a) beide Frontflächen gleichhell aussehen, obwohl das Leuchtdichteprofil identisch ist. Leuchtdichte Profil

8 Schwach leuchtende Sterne Leuchtdichte von weißem Papier im Sternenlicht ca. 0,0001 cd/m² (10-4 ) Ob Sie peripher einen schwach strahlenden Stern sehen können, hängt von der Dunkeladaptation der Stäbchen ab und von der Leuchtdichte des Sterns Ein solcher schwach strahlender Stern ist foveal nicht unbedingt wahrnehmbar (auch dies ist abhängig von der Leuchtdichte des Sterns)

9 Übersicht Nachtrag Helligkeit Aufgabenbesprechung Sehwinkel Wahrgenommene Größe Formelvergleich Unterschiedsschwelle Farbe

10 Aufgabenbesprechung 2) α g d

11 Aufgabenbesprechung 2) α α/2 g g/2 d

12 Aufgabenbesprechung 2) g/2 = tan(α/2) d g = 2 tan(α/2) d α = 2*arctan(g/(2d)) α/2 g/2 α g d

13 Aufgabenbesprechung 2.a) Sehwinkel eines 1 m langen Stabes in 3 m Entfernung: = 2 arctan(1 m/(2 3 m)) = b) Länge eines Stabes in 10m Entfernung mit einem Sehwinkel von 5 : g = 2 10 m tan(5 /2) = m 2.c) Sehwinkel der Breite eines Daumens: 2 arctan(0.015 m/(2 0.6 m)) = d) Sehwinkel des Vollmondes: Durchmesser g 3476 km erdnächster Punkt (d km): erdfernster Punkt (d km):

14 Aufgabenbesprechung 2.e) Sehwinkel der Sonne: g km d km f) Sehwinkel eines 17 Bildschirms in 50 cm Entfernung: Höhe (26.97 cm): = Breite (33.71 cm): = 37.26

15 1.a) Aufgabenbesprechung

16 Aufgabenbesprechung 1.b) Karte A Karte B Karte C

17 Aufgabenbesprechung 1.c) Emmertsches Gesetz: G w = c G r D w G w : wahrgenommene Größe G r : retinale Größe D w : wahrgenommene Distanz

18 Aufgabenbesprechung 1.d) Emmertsches Gesetz: G w = c G r D w G w : wahrgenommene Größe G r : retinale Größe D w : wahrgenommene Distanz

19 Größe eines Nachbildes Fixieren Sie für mindestens 30 Sekunden das Kreuz in der Mitte des Kreises. Betrachten Sie dann das entstandene Nachbild während Sie Oberflächen in unterschiedlicher Entfernung fixieren. + Was beobachten Sie?

20 Aufgabenbesprechung Unterschiedsschwelle ΔS = (Δu + Δo) / 2 = (S o S u )/2 Δu Δo S u S S o

21 1) S = (S o S u )/2 S = ((S + o) (S u))/2 S = (S + o S + u)/2 S = ( o + u)/2 Aufgabenbesprechung S = ( o + u)/2 S = (S o S + S S u )/2 S = (S o S u )/2

22 Übersicht Nachtrag Helligkeit Aufgabenbesprechung Farbe

23 Farbe Was ist Licht? Vom Licht zum Farbcode

24 Naïve Vorstellung: Farbe Das Wahrnehmungsattribut Farbe ist nichts anderes als ein internes Korrelat der Wellenlängenverteilung, die auf das Auge trifft. Diese Vorstellung ist nicht haltbar: Gleicher Input sieht unterschiedlich aus

25 Was ist Licht? Das für den Menschen sichtbare Spektrum elektromagnetischer Strahlung hohe Frequenzen kleine Wellenlängen niedrige Frequenzen große Wellenlängen

26 Spektrale Energieverteilung?

27 Spektrale Energieverteilungen Tageslicht Energiesparlampe Glühlampe

28 Spektrale Energieverteilung Ein jeder Lichtreiz F kann durch eine Funktion f(λ) im Bereich des sichtbaren Lichtes, ungefähr dem Intervall von 400 bis 700 nm Wellenlänge, beschrieben werden. Diese Funktion nennen wir spektrale Energieverteilung oder kurz Spektrum. f(λ):

29 Physikalische Operation: Additive Farbmischung Zwei Lichter a und b werden addiert (oder gemischt ), wenn sie auf dieselbe Stelle gestrahlt werden ( Überlagerung ) Werden zwei Lichter a und b mit den Spektren a(λ) und b(λ) addiert, so ist das Spektrum des Mischlichtes c die Summe der Funktionen a(λ) und b(λ), d.h., die Spektren werden für jede Wellenlänge λ summiert. Notation: a b = c a(λ) b(λ) c(λ)

30 Physikalische Operation: Intensitätsänderung Ändert man nur die Intensität eines Lichtes a so entspricht dies einer Multiplikation des Spektrums mit einem bestimmten Faktor t für jede Wellenlänge λ. Notation: t a a 2 a a(λ) 2a(λ)

31 Überlagerung und Intensitätsveränderung Beliebige Linearkombinationen: t a a t b b

32 Experimentelles Setup: Farbabgleiche 2 Sehwinkel Reiz -> Fovea Centralis Dunkeladaptierte Vp Hintergrund absolut dunkel a b Reizkonfiguration (aus der Sicht der VP): Zweiteiliges Feld im Dunkelkontext Homogene Flächen mit Lichtern a und b, charakterisiert durch ihre spektralen Energieverteilungen

33 Experimentelles Setup: Farbabgleiche m 1, m 2, m 3 sind geeignet festgelegte Basislichter (zum Beispiel ein rotes, grünes und blaues Licht). m 1, m 2, m 3 müssen unabhängig sein, das heißt keines dieser Basislichter darf metamer zu einer Linearkombination der anderen beiden Basislichter sein. Konkret werden für m 1, m 2, m 3 monochromatische Lichter gewählt: nm, nm und nm.

34 Linearkombination der Basislichter m 1, m 2, m 3 t 1 m 1 t 2 m 2 t 3 m 3 Aufgabe der Versuchsperson: Wähle die Intensitäten t 1, t 2, t 3, der Basislichter m 1, m 2, m 3 so, dass die Einstellung ununterscheidbar zum Licht a ist. Kriterium im Experiment zum Farbabgleich: Erscheinung als eine homogene Kreisfläche a

35 Metamerie Zwei Lichtreize a und b werden metamer genannt, wenn sie perzeptuell ununterscheidbar sind. Notation: a ~ b (oder auch a b) Metamerie ist nicht physikalisch definiert, sondern psychologisch. Physikalisch sehr verschiedene Lichter können metamer sein. Die Metamerie macht keine Aussage über Farbqualitäten. Zu jedem Licht a existiert eine Äquivalenzklasse, die alle zu a metameren Lichter beinhaltet. Jede Äquivalenzklasse korrespondiert (eins-zu-eins) zu einer bestimmten Farberscheinung.

36 Grassmann-Gesetze a ~ b a c ~ b c a b a c b c

37 Grassmann-Gesetze a ~ b s a ~ s b a b s a s b

38 Grassmann-Gesetze a ~ t 1 m 1 t 2 m 2 t 3 m 3 t 1 m 1 a t 2 m 2 t 3 m 3

39 Farbabgleich 1. Art t 1 m 1 a t 2 m 2 t 3 m 3 Erinnerung: Aufgabe der Versuchsperson: Wähle die Intensitäten der Basislichter m 1, m 2, m 3 so, dass die Einstellung ununterscheidbar zum Licht a ist a ~ t 1 m 1 t 2 m 2 t 3 m 3

40 Farbabgleich 2. Art Befund: Ein Abgleich ist möglich für die meisten Lichter a, aber nicht für alle. Dann ist aber die folgende Art von Abgleich möglich: t 1 m 1 a t 2 m 2 t 3 m 3 Aufgabe der Versuchsperson: Verwende eines der Basislichter (zum Beispiel m 1 ) auf der Seite des Testlichtes a und stelle die Intensitäten der Basislichter m 1, m 2, m 3 so ein, dass: a t 1 m 1 ~ t 2 m 2 t 3 m 3 a ~ t 1 m 1 t 2 m 2 t 3 m 3

41 Ergebnis Farbabgleiche Für drei geeignete Basislichter m 1, m 2, m 3 ist für jedes Licht a ein Abgleich (der 1. oder 2. Art) möglich, das heißt es existieren stets Werte t 1, t 2, t 3, so dass: a ~ t 1 m 1 t 2 m 2 t 3 m 3 Hierbei ergeben sich für t 1, t 2, t 3 eindeutige Werte (t 1a, t 2a, t 3a )

42 Primäre Farbcodes Jedes Licht a kann also durch ein eindeutiges Zahlentripel (t 1a, t 2a, t 3a ) koordinatisiert werden. Notation: φ(a) := t1 a t 2 a t 3 a Es gilt: a ~ b φ(a) = φ(b)

43 Primäre Farbcodes Wichtig: Diese Koordinatisierung ist von der Wahl der Basislichter abhängig! Die Farberscheinung eines Lichtes hängt nicht nur vom primären Farbcode des Lichtes ab, sondern auch von den Sehbedingungen. Beispiel: Ein Licht, das im Dunkelkontext gelb erscheint, kann in einem weißen Umfeld braun aussehen. In den oben beschriebenen Standardsehbedingen können nur Lichtpunktfarben wahrgenommen werden, aber zum Beispiel keine Oberflächenfarben.

44 Eigenschaften primärer Farbcodes Frage: Wie verhalten sich die Werte des primären Farbcodes bei gradueller Änderung eines Lichtes oder Mischung zweier Lichter?

45 Eigenschaften primärer Farbcodes φ(t a) = t φ(a) φ(a b) = φ(a) + φ(b) a t a a b a b

46 Farbabgleichskurven aus dem Experiment CIE 1931 Standard Observer (RGB): Für alle monochromatischen Lichter gilt: φ(a λ ) = r (λ) g (λ) b (λ)

47 Vorteil von Farbräumen Um Farbcode eines neuen Lichtes a zu bestimmen, muss kein Farbabgleichexperiment mehr durchgeführt werden. Stattdessen ist wie folgt zu verfahren: 1. Bestimme einmalig die primären Farbcodes für die spektralen Lichter (Farbabgleichskurven color matching functions ) 2. Analysiere Spektrum des neuen Lichtes a (Zusammensetzung aus Spektrallichtern) 3. => Zusammensetzung des Farbcodes von Licht a aus zugehörigen Farbcodes dieser Spektrallichter

48 Codeberechnung aus Farbabgleichskurven Der primäre Farbcode eines Lichtes a berechnet sich durch Multiplikation seines Spektrums mit den Farbabgleichskurven und anschließender Aufsummierung. R φ(a) = G = B a(λ)r (λ)dλ a(λ)g (λ)dλ a(λ)b (λ)dλ Es gilt: a(λ)r (λ)dλ a ~ b φ(a) = φ(b) = a(λ)g (λ)dλ a(λ)b (λ)dλ b(λ)r (λ)dλ b(λ)g (λ)dλ b(λ)b (λ)dλ

49 Geometrische Repräsentation Basislichter m 1, m 2, m 3 als Koordinatenachsen Winkel haben keine Bedeutung m 3 (700 nm) m 2 (546.1 nm) φ(a) 0 m 1 (435.8 nm) φ(a) =

50 Geometrische Repräsentation Basislichter R, G, G als Koordinatenachsen Winkel haben keine Bedeutung R G φ(a) 0 B φ(a) =

51 CIE RGB-Farbraum B G R

52 CIE XYZ-Farbraum Für bestimmte Zwecke konstruierter Farbraum Im XYZ-Farbraum: sind alle Farbkodes positiv entspricht Y der Luminanz Die verwendeten Basislichter X, Y, Z besitzen dabei keine realisierbaren Spektren, sondern sind virtueller Natur. (Umrechnung aus RGB über spezifische Transformationsmatrix)

53 Farbabgleichskurven CIE 1931 Standard Observer (XYZ): übrigens: y (λ) = V(λ) Für alle monochromatischen Lichter gilt: φ(a λ ) = x (λ) y (λ) z (λ)

54 Statt die Koordinaten der CMF als drei Funktionen der Wellenlänge darzustellen (s.u.), können sie auch als Linienzug im 3D-Raum dargestellt werden (rechts). Farbabgleichskurven

55 CIE XYZ-Farbraum

56 Chromatizitätskoordinaten x und y x = X / (X + Y + Z) y = Y / (X + Y + Z) z = Z / (X + Y + Z) = 1 (x + y) da x + y + z = 1

57 xy-chromatizitätsdiagramm Koordinaten für monochromatisches Licht auf dem Rand Purpurlinie (Lichtmischungen) Farborte der additiven Mischung von Farbreizen Keine Information über Helligkeit

58 Neurale Codes: Rezeptorerregung Auf neuraler Ebene lässt sich der Farbcode mit einem Rezeptoroutput- Tripel identifizieren. Identische Rezeptorerregung R 1, R 2 und R 3 für die metameren Lichter S und T Jedes Licht S führt zu einem Tripel von Rezeptorerregungen, durch das der Farbeindruck bestimmt ist.

59 Sensitivität Spektrale Sensitivitätskurven der Zapfen S M L Wellenlänge Schätzungen der spektralen Sensitivitätskurven der 3 Zapfentypen durch Stockman, MacLeod & Johnson (1993) aus Farbabgleichsdaten

60 Aufgaben über die Ferien Zusammenhang physikalische Lichtmischung und Farbcodes Metamerie Color matching functions

61 Termine Kurs A jeweils am Dienstag von 14 Uhr bis 16 Uhr (Beginn 14 c.t.) (Veranstaltungsfrei) (Veranstaltungsfrei)

62 Termine Kurs B jeweils am Dienstag von 14 Uhr bis 16 Uhr (Beginn 14 c.t.) (Veranstaltungsfrei) (Ausgleichsfrei)

63 Termine Kurs C jeweils am Dienstag von 16 Uhr bis 18 Uhr (Beginn 16 c.t.) (Veranstaltungsfrei) (Veranstaltungsfrei)

64 Termine Kurs D jeweils am Dienstag von 16 Uhr bis 18 Uhr (Beginn 16 c.t.) (Veranstaltungsfrei) (Ausgleichsfrei)