Farbwahrnehmung

1. Beschreibung von Farbeindrücken

1. 1 Unterscheidung von achromatischen und chromatischen Farben

1. 2 Wieviele Farben können wir unterscheiden?

2. Was sind Farben?

2.1 Physikalischer Ansatz

2. 1. 1. Was ist Reflektanz?

2. 1. 2. Durchsichtige Objekte

2. 2. Psychologischer Ansatz

3. Wie nehmen wir Farben wahr?

3. 1. Trichromatische Theorie

3. 1. 1. Demonstration: Simulation des Color matching

3. 2. Gegenfarbentheorie

3. 2. 1. Demonstration: Nachbild und simultaner Farbkontrast

3. 3. Farbmischung

3. 3. 1. Additive Farbmischung

3. 3. 2. Subtraktive Farbmischung

3. 3. 3. Die Grassmannschen Gesetze

3. 3. 4. Warum gibt es unendlich viele Möglichkeiten, aus monochromatischen Reizen weißes Licht zu erzeugen?

3. 4. Die Farbwahrnehmungstheorien unter physiologischen Gesichtspunkten

3. 4. 1. Die trichromatische Theorie und der Muster-Code

3. 4. 2. Die Gegenfarbentheorie und neuronale Verarbeitung von Farbreizen

Literaturverzeichnis

1. Beschreibung von Farbeindrücken

1. 1 Unterscheidung von achromatischen und chromatischen Farben

Farben ohne jeden Farbton bezeichnet man als achromatische Farben. Hierzu zählen Weiß, Schwarz sowie Grautöne.

Bild eines Graukeiles

Die restlichen Farben werden chromatische Farben genannt, wie zum Beispiel Blau, Rot, Gelb etc.

Bild des sichtbaren Spektrums



1. 2 Wieviele Farben können wir unterscheiden?

Farbkreis

Der Mensch kann etwa 200 Farbtöne unterscheiden. Wenn man nun die Intensität des jeweiligen Farbtons verändert, ergeben sich pro Farbton etwa 500 unterscheidbare Helligkeiten. Zuletzt variiert man den Weißanteil im Farbton und erhält circa 20 weitere Farben pro Farbton. Insgesamt kann der Mensch also ungefähr 20 Millionen Farben unterscheiden. Da diese Anzahl Farben zu groß ist, um sinnvoll damit umzugehen, beschränkt sich die Psychologie in der Regel auf vier Farben (blau, gelb, rot, grün). Diese Grundfarben und ihre Kombinationen reichen aus, um alle unterscheidbaren Farben zu beschreiben. Ordnet man diese Farben nun so in einem Kreis an , daß sie der Reihe im Farbspektrum entsprechen, dann liegen die Grundfarben auf den Positionen 12, 3, 6 und 9 Uhr.




2. Was sind Farben?

2.1 Physikalischer Ansatz

Bild eines Prismas

Die ersten Hinweise zur Erklärung der Farbwahrnehmung lieferte Isaac Newton bereits im Jahre 1704. Er plazierte ein Prisma so, daß Sonnenlicht durch ein Loch im abgedunkelten Fenster darauf fiel.

Er beobachtete, daß das Sonnenlicht beim Durchgang durch das Prisma verändert wurde. Und zwar wurde es aufgespalten in ein Farbspektrum. Dieser Vorgang war reversibel. Durch Zusammenführung der Spektralfarben mit Hilfe einer Linse gelang es ihm, das urprüngliche Sonnenlicht wiederherzustellen.

Spätere Arbeiten zeigten, daß die Spektralfarben sich in der Wellenlänge unterscheiden. Licht mit der Wellenlänge von

Meistens sehen wir jedoch nicht das Licht direkt von der Quelle, sondern die Strahlen erreichen unsere Augen, nachdem sie von einer Oberfläche reflektiert wurden. Um nun zu verstehen, warum Objekte auch dann farbig erscheinen können, wenn sie von einer unbunten Lichtquelle beleuchtet werden, werfen wir einen Blick auf die Reflektanzkurven von Objekten.


2. 1. 1. Was ist Reflektanz?

Dieser Wert beschreibt den Prozentsatz an Licht, den ein Objekt vom einfallenden Licht (= 100%) wieder zurücksendet. Aus den Reflektanzplots wird ersichtlich, daß es erhebliche Unterschiede in den Reflektanzkurven zwischen chromatischen und achromatischen Objekten gibt. Während bei unbunten Objekten der Prozentsatz der Reflektanz über das sichtbare Spektrum nahezu gleichbleibt, variiert das zurückgeworfene Licht bei farbigen Objekten im Spektralbereich enorm. Dies nennt man selektive Reflektion

Hieraus resultiert nun der Farbeindruck dieser Objekte. Fällt beispielsweise weißes Licht auf ein Objekt und es reflektiert lediglich den langwelligen Anteil des Lichts, so wird dieser Körper rot erscheinen.

Plot von Reflektanzkurven, unbunt: gleichmäßig übers Spektrum, während Farben Peaks aufweisen
Reflektanzkurven für blaue Pigmente, grüne Pigmente, sowie für schwarze (-), graue (---) und weiße (...) Oberflächen.


2. 1. 2. Durchsichtige Objekte

Bislang war nur von Objekten die Rede, die das auftreffende Licht entweder verschlucken oder zum Teil wieder abstrahlen. Gelten die Regeln der farbigen Objekte aber auch für transparente Dinge? Ja, der einzige Unterschied ist, daß das wieder abgestrahlte Licht durch das Objekt hindurch geht und nicht (oder nur zum Teil) an dessen Oberfläche reflektiert wird. Preiselbeersaft zum Beispiel läßt nur das langwellige Licht passieren und erscheint dadurch rot.



2. 2. Psychologischer Ansatz

Farbe ist eine Sinnesempfindung.

Außerhalb des Auges gibt es keine Farben, sondern lediglich Strahlungen; gelangen diese auf die Netzhaut des Auges, werden sie von den spezifischen Sinneszellen in Nervenimpulse umgewandelt. Diese Impulse werden ans Gehirn weitergeleitet und lösen dort eine Farbempfindung aus.

Die Voraussetzungen für eine solche Farbempfindung sind zum einen physikalische Ursachen (Strahlung), die den Farbreiz auslösen, zum anderen funktions- und empfindungsfähige Sinneszellen (Netzhaut), die einem lebenden Organismus angehören. Ohne diese physikalischen und biologischen Voraussetzungen existiert der Begriff "Farbe" überhaupt nicht.

Demnach wird Farbe wie folgt definiert:

"Farbe ist diejenige Gesichtsempfindung eines dem Auge strukturlos erscheinenden Gesichtsfeldes, durch die sich dieser Teil bei einäugiger Beobachtung mit unbewegtem Auge von einem gleichzeitig gesehenen, ebenfalls strukturlosen angrenzenden Bezirk allein unterscheiden kann." (nach DIN 5033, Teil 1 - 9: Farbmessung (1964 - 1978))

Nach dieser Definition ist Farbe eine Gesichtsempfindung. Da jedoch beim Sehen noch anderes wahrgenommen wird als Farbe, muß der Begriff der Gesichtsempfindung eingegrenzt werden:

"Strukturlos" bezieht sich darauf, daß zwei Objekte, die miteinander verglichen werden, sich nicht durch eine Textur wie zum Beispiel Rillen, unterscheiden sollten.

"Einäugige Beobachtung mit unbewegtem Auge" bezieht sich auf die Wahrnehmung von Glanz. Glanz ist nämlich ein Helligkeits-Kontrast-Phänomen, das entsteht, wenn dieselbe Gesichtsfeldstelle gleichzeitig für beide Augen (bzw. für ein Auge kurz nacheinander) eine merklich verschiedene Helligkeit hat. Solange wir auf eine unbewegte Fläche mit unbewegtem Auge blicken, nehmen wir keinen Glanz wahr.

Der psychologische Ansatz der Farbempfindung zeigt, daß Farbe ein subjektives Sinneserlebnis ist.




3. Wie nehmen wir Farben wahr?

3. 1. Trichromatische Theorie

Diese Theorie von Young und Helmholtz besagt, daß die Farbwahrnehmung auf drei Rezeptortypen basiert, wovon jeder eine unterschiedliche spektrale Sensibilität aufweist. Licht mit einer bestimmten Wellenlänge stimuliert die drei Rezeptorarten unterschiedlich stark, und das Aktivitätsmuster löst im Gehirn eine Farbempfindung aus.

Young und Helmholtz stützten ihre Theorie auf eine Reihe von Versuchen, die "Color matching" genannt werden. Bei diesen Experimenten soll die Vpn die Proportionen dreier Wellenlängen derart einstellen, daß die Farbe der Mischung und die Vergleichsfarbe, bestehend aus einer einzigen Wellenlänge, identisch aussehen.

Beispielsweise soll ein Licht von 500 nm durch eine Mischung der Wellenlängen 420 nm, 560 nm und 640 nm erzeugt werden.

(0.5 * 420 nm + 0.375 * 560 nm + 0.125 * 640 nm = 500)

Auf diese Weise kann jede Wellenlänge und somit jede Farbe erzeugt werden. Zum Mischen können drei beliebige Wellenlängen verwendet werden, sofern sie unabhängig voneinander sind; d. h. wenn keine der drei Wellenlängen durch Mischung der anderen beiden erzeugt werden kann.


3. 1. 1. Demonstration: Simulation des Color matching

3. 2. Gegenfarbentheorie

Obwohl die Trichromatische Theorie eine Vielzahl von Phänomenen erklärt, die bei der Farbwahrnehmung auftreten, wie z. B. die Farbmischung, gibt es ein paar Farbwahrnehmungen, die dadurch nicht zu erklären sind. Diese hat Hering (1878) mit Hilfe seiner Gegenfarbentheorie erläutert. Er fand heraus, daß die Farbenpaare rot und grün bzw. blau und gelb zusammengehören. Er stützte seine Theorie auf eine Reihe von Experimenten, sowie die Tatsache, daß Leute, die die Farbe Rot nicht sehen können, ebenso nicht imstande sind, Grün wahrzunehmen (mit Blau und Gelb verhält es sich ebenso).
Die Grundidee der Theorie sind drei Mechanismen, die gegensätzlich auf verschiedene Lichtintensitäten reagieren:

  1. Der Schwarz (+)-Weiß (-)-Mechanismus reagiert negativ auf Dunkelheit und positiv auf weißes Licht.
  2. Der Rot (+)-Grün(-)-Mechanismus reagiert positiv auf Rot und negativ auf Grün.
  3. Der Gelb(+)-Blau(-)-Mechanismus reagiert positiv auf Gelb und negativ auf Blau.

3. 2. 1. Demonstration: Nachbild und simultaner Farbkontrast

3. 3. Farbmischung


3. 3. 1. Additive Farbmischung

Zwei oder mehrere Farbreize werden gemischt (addiert), so daß sie einen einheitlichen, neuen (homogenen) Farbeindruck, nämlich die Mischfarbe, erzeugen. Dafür gibt es drei Möglichkeiten:

Diese drei Verfahren werden unter dem Begriff der additiven Farbmischung zusammengefaßt, weil die Mischfarbe sich aus der Summe der spektralen Verteilungen der Ausgangsfarben zusammensetzt.


3. 3. 2. Subtraktive Farbmischung

Zwei oder mehrere Filter werden hintereinandergeschaltet bzw. zwei oder mehrere Farbstoffe werden gemischt, so daß sich eine neue homogene Farbe ergibt. Die dabei entstandene Mischfarbe ergibt sich aus dem Produkt der spektralen Verteilungen, Reflektanzen oder Transmissionsfunktionen der Ausgagsfarben.

Im Beispiel ergeben Blau und Gelb in der subtraktiven Farbmischung bei unbunter (weißer) Beleuchtung Grün, während sie in der additiven Mischung weiß ergeben würden.

Der Ausdruck "subtraktive Farbmischung" ist allerdings etwas irreführend, da hier zum einen nicht Farben gemischt werden, sondern eine gegenseitige spektrale Beeinflussung stattfindet, und zum anderen diese Beeinflussung nicht subtraktiv, sondern multiplikativ ist.


3. 3. 3. Die Grassmannschen Gesetze

Bei der additiven Farbmischung gelten folgende Gesetzmäßigkeiten:

  1. Mit drei geeigneten relativen spektralen Verteilungen kann man jeden Farbreiz durch additive Mischung dieser drei "Eichreize" (auch Grundfarben genannt) vollkommen nachahmen. Die jeweils gewünschte Mischfarbe ist immer durch ein bestimmtes Verhältnis zu erreichen. Die Voraussetzung hierfür ist, daß die Eichreize so gewählt werden, daß keiner durch Mischung der beiden anderen dargestellt werden kann.
    B (Farbreiz K) = (Grundfarbe 1) * B1 + (Grundfarbe 2) * B2 + (Grundfarbe 3) * B3,
    wobei "Grundfarbe" der Farbton im Farbdreieck ist und "B" die Leuchtdichte bzw. Helligkeit der Eichreize ist.

  2. Wenn zwei Lichter mit unterschiedlichen spektralen Verteilungen denselben Farbeindruck hervorrufen, dann tun sie das auch, man die Leuchtdichte (= objektive Helligkeit) bei beiden um denselben Faktor ändert.
    n * K = (Grundfarbe 1) * B1 * n + (Grundfarbe 2) * B2 * n + (Grundfarbe 3) * B3 * n,
    wobei "n" der Faktor ist, um den die Leuchtdichte "B" geändert wird.

  3. Zwei Lichter, die nebeneinander betrachtet dieselbe Farbempfindung hervorrufen, zeigen auch bei weiteren Mischprozessen das gleiche Verhalten; daher kann in jeder Mischung die eine durch die andere ersetzt werden.
    Ist nun K = (Grundfarbe 1) * B1 + (Grundfarbe 2) * B2 + (Grundfarbe 3) * B3
    undK' = (Grundfarbe 1) * B1' + (Grundfarbe 2) * B2' + (Grundfarbe 3) * B3'
    dann kann man die beiden Farbreize in ihrer Mischung K + K' durch ihre gleichaussehenden Eichreizkombinationen ersetzen:
    K + K' = (Grundfarbe 1) * (B1 + B1') + (Grundfarbe 2) * (B2 + B2') + (Grundfarbe 3) * (B3 + B3')



3. 3. 4. Warum gibt es unendlich viele Möglichkeiten, aus monochromatischen Reizen weißes Licht zu erzeugen?

Hat man zwei beliebige Punkte im Farbendreieck, so kann man durch Veränderung des Mischungsverhältnisses jede Farbe, die sich auf einer Geraden zwischen diesen beiden Punkten befindet, erzeugen.

Sucht man sich nun einen festen Punkt im Farbendreieck, und zieht eine Gerade durch diesen und den Weißpunkt, so kann man durch Mischung der Ausgangsfarbe mit einer beliebigen anderen Farbe, die sich auf der gegenüberliegende Seite des Weißpunkts befindet, weißes Licht erzeugen (sofern man die Helligkeit entsprechend ändert). Hat man nun drei oder mehrere Reize, müssen diese lediglich so gewählt sein, daß der Weißpunkt innerhalb des jeweiligen Polygons ist, damit dieser durch Mischung erzeugt werden kann.


3. 4. Die Farbwahrnehmungstheorien unter physiologischen Gesichtspunkten

Physiologische Forschungen haben ergeben, daß sowohl die Annahmen der trichromatischen Theorie als auch die der Gegenfarbentheorie zutreffen. Die Mechanismen der Trichromatischen Theorie arbeiten auf Rezeptorebene, die der Gegenfarbentheorie auf neuronaler Ebene.

3. 4. 1. Die trichromatische Theorie und der Muster-Code

1983 gelang es, drei unterschiedliche Farbpigmente in den Zapfen zu finden, die ihre Absorptionsmaxima im Kurz- (419 nm), Mittel- (531 nm) und Langwellenbereich (558 nm) des sichtbaren Spektrums haben. Die Farbwahrnehmung basiert auf den Aktivitätsmustern dieser drei Rezeptortypen.

Die Abbildung zeigt die Beziehung zwischen den Rezeptoraktivitäten und unserer Farbwahrnehmung. Die Stärke der Reaktionen in den S-, M- und L-Rezeptoren ist durch die Pfeilgröße symbolisiert.

SMLSML
BlauGelb
GrünLila
RotWeiß

Anhand dieser Reaktionsmuster erklärt sich auch die additive Farbmischung: Addiert man z. B. die Aktivitätsmuster des blauen und des gelben Farbeindruckes, so erhält man eine etwa gleich starke Reaktion bei den S-, M- und L-Rezeptoren, die mit dem Aktivitätsmuster des weißen Farbeindrucks übereinstimmt.

3. 4. 2. Die Gegenfarbentheorie und die neuronale Verarbeitung von Farbreizen

In den letzten Jahren hat die Gegenfarbentheorie an Bedeutung gewonnen, da es gelungen ist, Neuronen in der Retina ausfindig zu machen, die mit elektrischen Signalen gegenläufig auf Reize verschiedener Wellenlänge reagieren. Die Neuronen reagieren positiv auf das Licht am einen Ende des Spektrums und negativ auf das Licht am anderen Ende. Es gibt vier verschiedene Arten solcher Neuronen in der Retina:

Bild einer Doppelfarbzelle

Die Blau(+)-Gelb(-)-Zelle reagiert auf Licht mit der Wellenlänge von 450 nm mit verstärkter Aktivität und feuert bei 580 nm Licht überhaupt nicht. Die Grün(+)-Rot(-)-Zelle zeigt ebenfalls gegensätzliches Verhalten, jedoch sind sie bei kurzen Wellenlängen gehemmt und bei langen Wellenlängen erregt. Die Gelb(+)-Blau(-) und die Rot(+)-Grün(-)-Zellen zeigen ebenso gegensätzliche Reaktionen, allerdings werden sie durch kurze Wellenlängen gehemmt und von langen Wellenlängen erregt.

Eine andere Art von Neuronen, die nach dem gegenläufigen Prinzip funktionieren, sind die Bipolarzellen. In der Mitte der Zelle verhält sie sich wie ein R(+)-G(-)-Neuron, im Umfeld jedoch wie ein R(-)-G(+)-Neuron. Die Art der Reaktion wird dadurch bestimmt, welcher Teil der Zelle stimuliert wird.




Literaturverzeichnis

Bouma, P. J. (1951). Farbe und Farbwahrnehmung. Eindhoven, N. V. Philips' Gloeilampenfabrieken.

von Campenhausen, C. (1993). Die Sinne des Menschen. Stuttgart; New York: Thieme.

Goldstein, E. B. (1996). Sensation & Perception. Pacific Grove, CA: Brooks/Cole.

Richter, M. (1981). Einführung in die Farbmetrik. Berlin; New York: de Gruyter.




Dieses Kapitel wurde geschrieben und umgesetzt von

Beate Bladowski und Daniel Maus