5. Farbwahrnehmung Teil 1 Das Auge

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1 5. Farbwahrnehmung Teil 1 Das Auge Farbwiedergabe in den Medien 5.1 Farbwahrnehmung - Das Auge Farbwiedergabe in den Medien

2 Was ist Wahrnehmung? Die visuelle Wahrnehmung, also das Sehen, scheint der verlässlichste unserer Sinne zu sein. Was man nicht selbst gesehen hat, kann man oft nicht glauben. Doch wie kommt es eigentlich zur Gesichtsempfindung? Ist sie rein physikalisch zu erklären? Oder spielt das Gehirn doch eine Rolle? Und wie kann die visuelle Wahrnehmung als objektiv bezeichnet werden? Ist die Welt, die wir wahrnehmen, wirklich identisch mit der Welt, die unabhängig von unserer Erfahrung existiert? Auf der Zeichnung unten sehen wir zunächst ein gleichseitiges Dreieck mit einem Kreis davor. 5.1 Farbwahrnehmung - Das Auge Farbwiedergabe in den Medien 2

3 Wahrnehmung als Sinnesempfindung Doch wenn wir durch den Kreis durchsehen, erkennen wir, dass es sich gar nicht um ein Dreieck sondern um ein Trapez handelt. Unsere Sinne haben uns einen Streich gespielt. Wahrnehmung hat also tatsächlich etwas mit dem Gehirn zu tun. Alles was wir sehen wird interpretiert. Wahrnehmung ist nicht gleich Realität. Unsere Wahrnehmung lässt sich täuschen. Visuelle Wahrnehmung ist also das, was wir aus dem visuellen Reiz, der im Auge entsteht, im Gehirn auswerten und interpretieren. 5.1 Farbwahrnehmung - Das Auge Farbwiedergabe in den Medien 3

4 Der Farbwahrnehmungsprozess Auge visuelles System 5.1 Farbwahrnehmung - Das Auge Farbwiedergabe in den Medien 4

5 Weg des Lichts beim Sehen 5.1 Farbwahrnehmung - Das Auge Farbwiedergabe in den Medien 6

6 Anatomie des Auges Das Auge besteht aus einem optischen Apparat und Hilfseinrichtungen. Dabei wird der Augapfel als optischer Apparat bezeichnet und beinhaltet unter anderem die Hornhaut, Linse, Iris und die Netzhaut. Die Hilfseinrichtungen sind: das Augenlid der Tränenapparat die äußeren Augenmuskeln 5.1 Farbwahrnehmung - Das Auge Farbwiedergabe in den Medien 7

7 Optischer Apparat Als Vereinfachung kann man die vorderen Bestandteile des Auges als Sammellinse annehmen. Die Brennweite des optischen Apparates ist in etwa 23 mm. Auf der Innenseite des hinteren Augapfels entsteht ein umgekehrtes und seitenvertauschtes Bild des betrachteten Gegenstandes. Dabei wird die Größe des Netzhautbilds durch den Sehwinkel bestimmt. Dieser ist der Öffnungswinkel der äußeren, vom Gegenstand ins Auge fallenden Strahlen. 5.1 Farbwahrnehmung - Das Auge Farbwiedergabe in den Medien 9

8 Sehbereiche der Augen Für die Sehbereiche der Augen wird vereinfachend angenommen: Farbwahrnehmung - Das Auge Farbwiedergabe in den Medien 10

9 Fehlsichtigkeit durch Fehlform des Augapfels Die Brennweite des optischen Apparates beträgt im Normalfall etwa 23 mm. Das entspricht einem Brechwert von 59 dpt (Dioptrien). Bei einem korrekt abgestimmten System von Brechkraft der Linse und Form des Augapfels wird das Bild auf der Netzhaut scharf dargestellt. Ist dieses System jedoch fehlerhaft, so ist der Fokus nicht auf der Netzhaut. Die Brechkraft der Linse ändert sich mit dem Alter des Menschen. Kurzsichtigkeit: Der Augapfel ist zu lang oder die Brechkraft der Linse zu groß. Das betrachtete Bild wird vor der Netzhaut abgebildet. Der Brechwert der Augenlinse wird mit einer zusätzlichen Zerstreuungslinse (Brille, Kontaktlinsen) verkleinert. Weitsichtigkeit: Der Augapfel ist zu kurz oder die Brechkraft der Linse zu gering. Das betrachtete Bild wird hinter der Netzhaut abgebildet. Der Brechwert der Augenlinse wird mit einer zusätzlichen Sammellinse (Brille, Kontaktlinsen) vergrößert. 5.1 Farbwahrnehmung - Das Auge Farbwiedergabe in den Medien 12

10 Aufbau des Augapfels 5.1 Farbwahrnehmung - Das Auge Farbwiedergabe in den Medien 13

11 Akkomodation Akkomodation: Änderung der Brechkraft der Linse zum Fokussieren auf nahe beziehungsweise weit entfernte Objekte. Fernakkomodation: Ziliarmuskel entspannt, Zonulafasern straff, Linse flach, Brechkraft niedriger. Nahakkomodation: Ziliarmuskel kontrahiert, Zonulafasern schlaff, Linse bauchig, Brechkraft erhöht. 5.1 Farbwahrnehmung - Das Auge Farbwiedergabe in den Medien 16

12 Regenbogenhaut und Pupille Farbe der Regenbogenhaut hängt von der Menge und der Lokalisierung der Pigmente ab. Eine pigmentfreie Regenbogenhaut, wie zum Beispiel bei Albinos, erscheint rot wegen der Blutgefäße, die durchscheinen. Pupillendurchmesser liegt zwischen 1,5 mm und 8 mm. Ihre Funktion ist mit der einer Lochblende vergleichbar. Anpassungsmechanismus: In Abhängigkeit von der Intensität des einfallenden Lichts kommt es zur Verengung und Erweiterung der Pupille durch zwei Muskeln. Verengung kann auch zur Erhöhung der Tiefenschärfe eingesetzt werden. Dann können nahe Gegenstände noch besser fokussiert werden. Dabei drehen sich auch die beiden Augenachsen nach innen und man schielt. Pupille im grellen Licht. Pupille im schwachen Licht. 5.1 Farbwahrnehmung - Das Auge Farbwiedergabe in den Medien 17

13 Die Netzhaut im Detail Richtung des Lichteinfalls Licht Richtung der Informationsübertragung Ganglienzellen Amakrine Zellen Bipolarzellen Horizontal- Zellen Zapfen Stäbchen Pigmentschicht Axone der Ganglienzellen führen zum Sehnerv Retina (Netzhaut) Aderhaut Lederhaut 5.1 Farbwahrnehmung - Das Auge Farbwiedergabe in den Medien 24

14 Funktionsweise lichtempfindlicher Sinneszellen In den Sinneszellen befinden sich Lamellen mit lichtempfindliche Molekülen, wie beispielsweise Rhodopsin (Stäbchen). Diese Moleküle werden als Pigmente bezeichnet. Trifft ein Photon auf das lichtempfindliche Molekül wird das Photon absorbiert. Das Molekül verändert seine räumliche Anordnung und kann dadurch mit anderen Molekülen der Sinneszelle agieren. Damit wird ein Ladungsüberschuss (bei Menschen negative elektrische Ladung) an der Zellmembran erzeugt. 5.1 Farbwahrnehmung - Das Auge Farbwiedergabe in den Medien 25

15 Stäbchen (1) Die Stäbchen sind für skotopisches Sehen, also das Hell-Dunkel-Sehen bei geringer Lichtintensität (Nacht), verantwortlich. Auftreffende Photonen werden vom Rhodopsin absorbiert. Der erzeugte Reiz wird an die anderen Zell-Ebenen der Netzhaut weitergeleitet. Die maximale Absorption von Rhodopsin liegt bei etwa 500 nm. In einem menschlichen Auge sind etwa 120 Millionen Stäbchen vorhanden. Sie sind damit die am häufigsten vorkommenden Sehzellen. Ist die Funktion der Stäbchen eingeschränkt oder gar ganz gestört, so spricht man von Nachtblindheit. 5.1 Farbwahrnehmung - Das Auge Farbwiedergabe in den Medien 26

16 Stäbchen (2) 5.1 Farbwahrnehmung - Das Auge Farbwiedergabe in den Medien 27

17 Zapfen Die Zapfen sind für photopisches Sehen, also das Farben-Sehen bei hoher Lichtintensität (Tag, künstliche Beleuchtung), verantwortlich. Die Zapfen sind bis zu fach weniger lichtempfindlich als Stäbchen. In einem menschlichen Auge sind etwa 6 Millionen Zapfen vorhanden. Es gibt drei Zapfentypen. Sie enthalten jeweils unterschiedliche lichtempfindliche Pigmente, die sich durch unterschiedliche Absorptionscharakteristiken auszeichnen. Die Absorptionsmaxima liegen bei etwa 420 nm, 540 nm und 560 nm. 5.1 Farbwahrnehmung - Das Auge Farbwiedergabe in den Medien 28

18 Zapfen (2) 5.1 Farbwahrnehmung - Das Auge Farbwiedergabe in den Medien 29

19 Circadiane Rezeptoren In der Netzhaut ist noch ein dritter Typ von lichtempfindlichen Sinneszellen vorhanden. Die circadianen Rezeptoren tragen jedoch nicht zum Sehen bei. Sie steuern vielmehr die innere Uhr (Biorhythmus). Der Rezeptor wird wissenschaftlich noch untersucht. Die Konsequenzen für die Lichttechnik sind bislang unklar. Das lichtempfindliche Pigment in diesem Rezeptor heißt Melanopsin und besitzt bei einer Wellenlänge von etwa 440 nm ein Absorptionsmaximum. 5.1 Farbwahrnehmung - Das Auge Farbwiedergabe in den Medien 30

20 Ganglienzellen und Bipolarzellen (1) Die Netzhaut enthält neben den Rezeptorzellen auch Ganglienzellen und Bipolarzellen. Sie sind für die Reduktion und Verarbeitung der Reize zuständig, die von den Rezeptoren kommen und im Sehnerv an das Gehirn weitergeleitet werden. Richtung des Lichteinfalls Richtung der Informationsübertragung Mehrere lichtempfindliche Rezeptoren sind mit einer bipolaren Zelle verbunden. Zum Beispiel kommen etwa 20 bis 100 Zapfen auf 3 bis 15 Bipolarzellen und diese auf eine Ganglienzelle. Die Signale der 6 Millionen Zapfen und 120 Millionen Stäbchen werden lediglich eine Million Nervenfasern im Sehnerv übertragen. Die lichtempfindlichen Zellen und die Bipolarzellen, die auf eine Ganglienzelle kommen, bezeichnet man als ihr rezeptives Feld. Ganglienzellen Axone der Ganglienzellen führen zum Sehnerv Amakrine Zellen Bipolarzellen Horizontal- Zellen Zapfen Stäbchen Pigmentschicht 5.1 Farbwahrnehmung - Das Auge Farbwiedergabe in den Medien 31

21 Ganglienzellen und Bipolarzellen (2) In der peripheren Retina sind die rezeptiven Felder besonders groß, was allerdings mit einem Schärfeverlust einhergeht. Daher kommt in der peripheren Retina auf nahezu jeden Rezeptor eine Ganglienzelle. Richtung des Lichteinfalls Richtung der Informationsübertragung Die Rezeptiven Felder können erfasst werden, wenn die Retina mit einem Lichtpunkt abgetastet und die Reaktion in den Ganglienzellen mithilfe von Elektroden gemessen wird. Dadurch können Bereiche abgegrenzt werden, die sich über mehrere Rezeptoren erstrecken und innerhalb derer man die Entladung einer Ganglienzelle beeinflussen kann. Ganglienzellen Axone der Ganglienzellen führen zum Sehnerv Amakrine Zellen Bipolarzellen Horizontal- Zellen Zapfen Stäbchen Pigmentschicht 5.1 Farbwahrnehmung - Das Auge Farbwiedergabe in den Medien 32

22 Ganglienzellen und Bipolarzellen (3) Während in den Rezeptoren und den Bipolarzellen die Information noch in Form eines Potenzialunterschieds übertragen wird, geschieht in den Ganglienzellen eine Umwandlung in ein pulsdichtemoduliertes Signal. Die Erregungsstärke wird dabei nicht durch die Größe des einzelnen Signals bestimmt, sondern durch die Anzahl der Signale pro Zeiteinheit. In den Sehnerven werden Pulsdichten von 10 bis 500 Pulsen pro Sekunde verwendet. Die Größe des Signals kann um 500% schwanken und bis auf 20% absinken, ohne dass der Informationsgehalt verändert wird. Quellen: Keidel, W. D.: Sinnesphysiologie, Teil Aufl. Berlin: Springer Verlag, Zeit 5.1 Farbwahrnehmung - Das Auge Farbwiedergabe in den Medien 33

23 Horizontalzellen und Amakrine Zellen Neben den Ganglienzellen und Bipolarzellen gibt es noch horizontal vernetzende Zellen. Richtung des Lichteinfalls Richtung der Informationsübertragung Horizontalzellen vernetzen mehrere Zapfen miteinander. Amakrine Zellen sind für die Vernetzung mehrerer Ganglienzellen verantwortlich. Amakrine Zellen Horizontal- Zellen Stäbchen Ganglienzellen Axone der Ganglienzellen führen zum Sehnerv Bipolarzellen Zapfen Pigmentschicht 5.1 Farbwahrnehmung - Das Auge Farbwiedergabe in den Medien 34

24 Der Augenhintergrund Bei erweiterter Pupille kann durch ein spezielles Verfahren, die Augenspiegelung, durch den Glaskörper bis auf die Netzhaut gesehen werden. Die so sichtbare hintere Innenwand des Augapfels wird als Augenhintergrund bezeichnet. In einer fotografischen Aufnahme des Augenhintergrunds kann man die Blutgefäße der Netzhaut erkennen. Außerdem heben sich die zwei charakteristischen Punkte der Netzhaut ab. Das sind der Blinde Fleck (hier laufen alle Axone und Blutgefäße im Sehnerv zusammen) und die Fovea centralis (Stelle des schärfsten Sehens, gelber Fleck). Quellen: vitreous.html 5.1 Farbwahrnehmung - Das Auge Farbwiedergabe in den Medien 35

25 Verteilung der Sinneszellen (1) Quelle: Welsch, N.; Liebermann, C.C.: Farben. Heidelberg: Spektrum Verlag, Farbwahrnehmung - Das Auge Farbwiedergabe in den Medien 36

26 Verteilung der Zapfen (3) Simulation des Zapfenmosaiks der Fovea: Die Positionen der Zapfen entstammen anatomischen Messungen. Die Einfärbung wurde nach einem Zufallsschema durchgeführt unter der Annahme, dass L-Zapfen (rot) etwa doppelt so häufig sind wie M-Zapfen (grün); S-Zapfen sind blau dargestellt. nach: Roorda & Williams (1999) Quelle: Farbwahrnehmung - Das Auge Farbwiedergabe in den Medien 41

27 Sehwinkel im Bereich des schärfsten Sehens Zäpfchen stehen in Abständen von etwa 2µm Das entspricht einem Winkel im Gesichtsfeld von etwa 0,4 (Bogenminuten). Dies ist etwa die Grenze Wikelauflösung im Auge. Randbemerkung: Bei einem Zapfendurchmesser von 6 µm hat man ein Sehvermögen von 100%. Bei einem Zapfendurchmesser von 5 µm hat man ein Sehvermögen von 130%. Quelle: Welsch, N.; Liebermann, C.C.: Farben. Heidelberg: Spektrum Verlag, Farbwahrnehmung - Das Auge Farbwiedergabe in den Medien 42

28 Sehgrube 5.1 Farbwahrnehmung - Das Auge Farbwiedergabe in den Medien 43

29 Farbengesichtsfeld eines Auges Das Farbengesichtsfeld eines Auges zeichnet sich dadurch aus, dass im Zentrum Farben viel besser wahrgenommen werden können als in der Peripherie. Ohr Nase Gleichzeitig wird jedoch auch deutlich, dass die Wahrnehmungsgrenzen für die verschiedenen Farben unterschiedlich weit reichen. Diese Phänomene können durch die Anordnung der Zapfen auf der Netzhaut erklärt werden. Quelle: Farbwahrnehmung - Das Auge Farbwiedergabe in den Medien 44

30 Anpassungsmechanismen der Netzhaut Adaption an Helligkeit und Dunkelheit: Die Netzhaut besitzt die Fähigkeit, sich an eine geänderte Helligkeit der Umgebung anzupassen. Kommt man beispielsweise aus dem hellen Sonnenlicht und betritt einen dunkleren Raum, so vergrößert sich zunächst die Pupille. Dann jedoch erhöhen sich auch die Empfindlichkeiten der Zapfen und Stäbchen. Weniger Licht löst also einen höheren Reiz aus. Helladaption: Die Adaption an große Beleuchtungsstärken, dauert nur wenige Sekunden. Dunkeladaption: Die Adaption an geringe Beleuchtungsstärken, dauert mehrere Minuten. Dazu gehört auch die Umschaltung vom Zapfensehen auf das Stäbchensehen. Umschaltung von Zapfen und Stäbchen: Reicht die Umgebungshelligkeit nicht mehr aus, so übernehmen die lichtempfindlicheren Stäbchen mehr und mehr die Arbeit. Durch Zusammenschaltung mehrerer Stäbchen auf einen Sehreiz kann eine noch höhere Empfindlichkeit erreicht werden. 5.1 Farbwahrnehmung - Das Auge Farbwiedergabe in den Medien 45

31 Adaption (1) Empfindlichkeit bei helladaptiertem Auge (Stäbchen) (Zapfen) Es wird dunkler. Empfindlichkeit der Stäbchen steigt Quelle: Goldstein, E. B.: Wahrnehmungspsychologie. 2. Aufl. Heidelberg: Spektrum, 2002.(Nachbearbeitet und korrigiert) 5.1 Farbwahrnehmung - Das Auge Farbwiedergabe in den Medien 46

32 Adaption (2) Die Empfindlichkeitsänderung ist für die Zapfentypen unterschiedlich. Je nach zu adaptierender Farbe (im Bild rot und tiefblau) kann daher die Adaption zeitlich unterschiedlich verlaufen. Quellen: Goldstein, E. B.: Wahrnehmungspsychologie. 2. Aufl. Heidelberg: Spektrum, Farbwahrnehmung - Das Auge Farbwiedergabe in den Medien 47

33 Der Farbwahrnehmungsprozess Auge 5.1 Farbwahrnehmung - Das Auge Farbwiedergabe in den Medien 48

34 Impressum Farbwiedergabe in den Medien Vorlesung im WS Prof. Dr.-Ing. E. Dörsam Technische Universität Darmstadt Fachgebiet Druckmaschinen und Druckverfahren Magdalenenstr Darmstadt Farbwahrnehmung - Das Auge Farbwiedergabe in den Medien