Farbensehen, Farbmischung, Komplementärfarben, Farbtheorien, Farbenblindheit

3.2.7
Farbensehen, Farbmischung, Komplementärfarben, Farbtheorien, Farbenblindheit

3.2.7.1 Farbensehen

Um Farben sehen zu können, müssen mindestens
2 Typen von Photorezeptoren vorhanden sein, die sich in ihrer spektralen
Empfindlichkeit unterscheiden. Dies ist bei sehr vielen Lebewesen der
Fall. Die meisten Wirbeltiere können Farben wahrnehmen, auch entgegen
manchen Behauptungen Hunde und Katzen. Außer den Primaten sind z.
B. Säugetiere meist dichromatisch, d.h. haben 2 Zapfentypen. Primaten
und der Mensch sind trichromatisch.

Die Farbwahrnehmung von Hunden ist im Vergleich zum
Mensch geringer, da diese nur ca. 20% der Zapfen eines menschlichen Auges
besitzen. Das Auge der Vögel z. B. ist dem des Menschen ziemlich
ähnlich. Man findet oft 10x mehr Zapfen in deren Retina, was zu einer
viel höheren Auflösung führt. Je nach Tag- oder Nachtaktivität
ist jedoch das Stäbchen/Zapfenverhältnis unterschiedlich.

Auch viele Fische und Insekten können Farben sehen.
Links ist ein Auge eines typischen nachtaktiven Tieres zu sehen. Bemerkenswert
ist das Vorhandensein einer speziellen lichtreflektierenden Schicht, dem
Tapetum und das hohe Verhältnis Stäbchen/Zapfen.

_nightvi - Farbensehen, Farbmischung, Komplementärfarben, Farbtheorien, Farbenblindheit

Der Mensch kann ca 7×106 Farbtöne wahrnehmen.
Das vom Menschen wahrgenommene Farbspektrum umfaßt ca. 390 bis knapp
über 700 nm, von violett bis dunkelrot. Einige Tiere haben ein erweitertes
Spektrum.

  _spectr0 - Farbensehen, Farbmischung, Komplementärfarben, Farbtheorien, Farbenblindheit

Wellenlängen unterhalb 315 nm werden von
der Cornea absorbiert und verursachen dort Verletzungen.

Die Farbe eines Objektes wird durch dessen Eigenschaften,
die Zusammensetzung der Wellenlängen des beleuchtenden Lichts und
die Zusammensetzung des Hintergrundes bestimmt. Farbe ist eine
Empfindungsgröße, nicht Licht ist farbig, die Verarbeitung
im visuellen System erzeugt den Eindruck Farbe. Unterschiedliche Wellenlängen
des Lichts werden in elektrische Impulse umgewandelt und in Form von unterschiedlichen
Helligkeitswerten als Farben wahrgenommen.

In der Farbenlehre nennt man die Farben des Spektrums
Spektralfarben oder Lichtfarben. Demgegenüber sind
die Körperfarben gestellt, die auf Absorption und Reflexion
bestimmter Wellenlängen (Farben) beruhen. So entstehen Mischfarben.
Weiß und schwarz sind keine Farben, da sie (weiß) z. B. durch
gemeinsame Bestrahlung des Auges mit allen Spektralfarben enstehen oder
durch Fehlen aller Wellenlängen als schwarz wahrgenommen werden.

Wir erinnern uns, daß im menschlichen Auge 3 Zapfentypen
existieren, die in unterschiedlichen Spektralbereichen absorbieren. Bei
Tieren sind teilweise nur 2 Zapfentypen gefunden worden.

_retina5 - Farbensehen, Farbmischung, Komplementärfarben, Farbtheorien, Farbenblindheit

Die menschliche Retina enthält Zapfentypen, die
man

L-Typ (lange
Wellenlänge)
M-Typ
(mittlere Wellenlänge)
und

S-Typ (kurze (short)
Wellenlänge)

genannt hat.

In einer den vorigen Lektionen haben wir bemerkt, daß
die 3 Zapfentypen Iodopsin enthalten, das bei unterschiedlichen Wellenlängen
Licht absorbiert.

Der S-Zapfentyp absorbiert im blauen Bereich (420 nm
max.), der M-Typ im grünen Spektralbereich (534 nm max.) und der
L-Typ im gelben und roten Bereich (564 nm max.).

Man nennt das Sehen mit 3 Zapfentypen trichromatisches
Sehen
.

Circa 2% aller Männer weisen eine Erbkrankheit
auf: sie sind rot-grün-blind.
Bei ihnen ist der rote oder grüne Zapfentyp defekt. Die Gene
für die Rot- und Grünpigmente befinden sich auf dem X-Chromosom.
Daher ist Rot-Grün-Blindheit bei Männern, die ja nur ein X-Chromosom
besitzen, sehr viel häufiger als bei Frauen.

_cones - Farbensehen, Farbmischung, Komplementärfarben, Farbtheorien, Farbenblindheit

Mehr zu Farbenblindheit weiter unten.

Ein reines Licht von 400
nm
Wellenlänge erregt nur den Blaurezeptor
unter den Zapfen. Ein Licht der Wellenlänge 420 nm erregt den Blaurezeptor
stark und den Grünrezeptor
sehr schwach. Licht von 500 nm Wellenlänge
spricht alle drei Zapfensorten an. Die einzelnen Farbeindrücke werden
also durch unterschiedliche Erregungsstärken der einzelnen Zapfensorten
ausgelöst. Gleiche Erregung aller Zapfen führt zum Eindruck
weiß.

Erinnern wir uns weiter, daß die Zapfen (wie die
Stäbchen) in rezeptiven Feldern angeordnet sind und es dadurch und
die Querverschaltung durch die Horizontalzellen und amakrinen Zellen den
Effekt der lateralen Inhibition gibt. Die Zapfen sind in
Blau/Gelb
Feldern und Rot/Grün-Felder
(Gegenfarben oder
Komplementärfarben)
organisiert.

Die gesamte Verschaltung der Zapfen in der Retina ist
so organisiert, daß 2 Kanäle gebildet werden:

einen Helligkeitskanal
und einen Farbkanal, bestehend aus
2 Teilkanälen.

kanal1 - Farbensehen, Farbmischung, Komplementärfarben, Farbtheorien, Farbenblindheit

Im Helligkeitskanal
wird die Summe aus Rot und Grün
gebildet, im Rot-Grün-Kanal
die Differenz der beiden. Im Blau-Gelb-Kanal
schließlich wird die Differenz aus dem Signal der Blauzapfen
und der Summe der Rot- und Grünzapfen gebildet.

Die Verrechnung der Farbinformation ist in der
Ebene der Zapfen additiv, in der Ebene der Schaltneurone (Detektoren)
subtraktiv. Man spricht auch von additiver
und subtraktiver Farbmischung.
(Mehr über Farbmischungen siehe weiter unten)

In der Abbildung unten sehen Sie die 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.

 

_hats - Farbensehen, Farbmischung, Komplementärfarben, Farbtheorien, Farbenblindheit_hats$cb - Farbensehen, Farbmischung, Komplementärfarben, Farbtheorien, Farbenblindheit

Soweit die Tatsachen nach heutiger Erkenntnis. Trotzdem
sind noch nicht alle Farbeffekte verstanden.

In den letzten 2 Jahrhunderten sind mehrere Farbtheorien
entstanden, um das Farbensehen zu erklären.



Farbtheorien (Trichromatisches Farbensehen,
Gegenfarbentheorie)

Nach Young (1773-1829) genügen drei Farben, um
alle Farbtöne zu mischen. Diese drei Primärfarben liegen nicht
eindeutig fest. Man hat sich international auf die Farben mit den Wellenlängen
700 nm (rot), 546 nm (grün)
und 435 nm (blau) geeinigt (was aber physiologisch
nicht eindeutig sein muß).

_3colors - Farbensehen, Farbmischung, Komplementärfarben, Farbtheorien, Farbenblindheit

Da drei Farben genügen, vertritt man die Auffassung,
daß es auf der Netzhaut drei unterschiedlich farbempfindliche Sensorentypen
gibt. Durch unterschiedlich starke Erregung dieser drei Sensoren (Zapfen)
und anschließender gemeinsamer Verrechnung entstehen die unterschiedlichen
Farben (Helmholtz). Die Farbeindrücke ergeben sich also durch additive
Farbmischung. Man nennt diese Aussagen die Young/Helmholtzsche
Farbentheorie
.

Links ist die additive Farbmischung zu sehen. Die gleichmäßige
Mischung aller 3 Grundfarben ergibt weiß.

Die Gegenfarbentheorie
stammt von Hering und stützt sich auf das Phänomen der farbigen
Nachbilder.

Demnach gibt es die vier Urfarben
Rot, Gelb, Blau und Grün
, wobei sich die Wirkung der Gegenfarben
Rot/Grün und Blau/Gelb sowie von Schwarz/Weiß antagonistisch
verhalten. Diese Erregungs- und Hemmprozesse lassen sich nicht an den
Zapfen, aber an den nachgeschalteten Neuronen der Retina beobachten.

Beide Theorien sind also auf unterschiedlichen Ebenen
des visuellen Systems richtig

Die Einteilung der Signalverarbeitung in zwei Zonen (Helligkeitskanal-Farbkanal),
der anfänglichen Verarbeitung in drei verschiedenen Zapfentypen,
gefolgt von drei Gegenfarbkanälen, vereint die Theorien der Farbwahrnehmung
von Helmholtz und Hering. Allerdings stimmen beide Theorien im Detail
nicht ganz.

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 denjenigen
Farben, die von uns als reines Rot, Grün, Blau, oder Gelb wahrgenommen
werden. Auch dies ist nicht richtig. Während das Rot der kardinalen
Farbrichtungen der Ganglienzellen in etwa einem Urrot entspricht, sieht
die Gegenfarbe dazu bläulich grün aus. Der Blau-Gelb-Kanal ist
ebenfalls verschoben: dem reinem Gelb entspricht ein grünlicher Gelbton
und dem Blau ein Violett.

Farbmischung

Es gibt zwei Arten der Farbmischung: Die
additive
und die subtraktive.

_colormi - Farbensehen, Farbmischung, Komplementärfarben, Farbtheorien, Farbenblindheit

Links ist ein Beispiel der beiden Mischungstypen zu sehen.

Versuchen Sie die Effekte mit Hilfe Ihrer Kenntnisse
der Retina zu erklären. Die Auflösung finden Sie hier.

Eine Komplementärfarbe ergänzt
eine Farbe bei der additiven Farbmischung zu Weiß. Bei der subtraktiven
Farbmischung entsteht Schwarz. Typische Komplementärfarben sind beispielsweise
Blau und Gelb, Grün
und Purpur sowie
Rot und Blaugrün.
Komplementärfarben oder Gegenfarben
stehen sich im Farbkreis gegenüber.

Additive Farbmischung

Farbk1 - Farbensehen, Farbmischung, Komplementärfarben, Farbtheorien, Farbenblindheit

Die additive Farbmischung  entsteht,
wenn auf die gleiche Netzhautstelle des Auges Licht verschiedener Wellenlänge
fällt. Um das zu erreichen, werden bei Farbdrucken, beispielsweise
in Zeitschriften, winzige, verschiedenfarbige Punkte ganz dicht nebeneinander
gedruckt. Das Auge kann die einzelnen Punkte nicht mehr auflösen
und nimmt stattdessen eine einheitliche Fläche in der Mischfarbe
wahr. Mit einer ab ca. 8-fach vergrößernden Lupe können
Sie die räumliche Trennung der Bildpunkte bei Farbdrucken gut erkennen.
Auch das Farb-Fernsehbild entsteht durch additive Farbmischung. Wenn Sie
einmal ganz nahe an die Bildröhre Ihres eingeschalteten Fernsehapparates
herangehen, können Sie erkennen, daß die einzelnen Bildpunkte
aus den Farben Rot, Grün und Blau bestehen.

Eine andere Möglichkeit der additiven
Farbmischung besteht in der Übereinanderprojektion farbigen Lichts
auf eine weiße Fläche (siehe oben). Besitzen die Grundfarben
Blau, Grün und Rot die gleiche Intensität, ergibt deren Mischung
Weiß. Blau und Grün ergeben übereinander projiziert Blaugrün
(=Cyan), Blau und Rot werden zur additiven Mischfarbe Purpur (=Magenta).
Mischt man Rot mit Grün, erweckt das den Farbeindruck Gelb.

Subtraktive Farbmischung

sub1 - Farbensehen, Farbmischung, Komplementärfarben, Farbtheorien, Farbenblindheit

Bei der subtraktiven Farbmischung  entsteht
die Farbe, indem man Pigmente miteinander vermischt (Zeichnen, Malen)
oder farbige Filter hintereinander schaltet.

In der Natur ist Licht meist eine Mischung aus vielen
Wellenlängen (Farben). Die Farbstoffe absorbieren bestimmte Wellenlängen
(Farbanteile) und reflektieren andere, also wirken wie Filter. Die reflektierten
Farbanteile des Lichts gelangen in unser Auge und ergeben als (additiven)
Mischung die Farbe, die man sieht.

Definition von Farbsystemen

Um Farben eindeutig zu bestimmen, hat man Farbsysteme
definiert wie z.B. im Computerbereich das RGB-System oder CIE-System.

Die auf einem Computer darstellbaren Farben werden durch
ihre RGB– (Rot/Grün/Blau) bzw.
HSV-Werte (Hue (Farbwert), Saturation (Sättigung), Value (Helligkeitswert))
in Form von numerischen Werten bestimmt, um so eine Farbe mittels ihrer
RGB-Zusammensetzung bewerten und charakterisieren zu können. Es beruht
auf der additiven Wirkung der 3 Grundfarben.

_cie - Farbensehen, Farbmischung, Komplementärfarben, Farbtheorien, Farbenblindheit

Farbenblindheit

Es gibt verschiedene Formen der Dichromatie (Farbenblindheit
weil nur 2 Zapfen aktiv sind:

  • Rotblindheit
    (PROTANOPIE) – Rot wird nicht wahrgenommen. Hier fehlt der L-Zapfen
    (ca. 1% der Männer). Dadurch treten Verwechselungen auf: Rot mit
    Gelb, Braun mit Grün bzw. jede Farbe miteinander. Weiterhin Violett
    mit Blau und Dunkelrot mit Schwarz.
  • Grünblindheit
    (DEUTERANOPIE) – Grün wird nicht wahrgenommen. Hier fehlt der M-Zapfen
    (ca. 1% der Männer). Der “Deuterane” hat mit Ausnahme
    der Dunkelrot-mit-Schwarz-Verwechslung die gleichen Probleme wie der
    “Protane”.
  • Blaublindheit (TRITANOPIE)
    – Blau wird nicht wahrgenommen. Hier fehlt der S-Zapfen, die Krankheit
    sehr selten, 1-2 in 100,000. Der “Tritane” verwechselt Rot
    mit Orange, Blau mit Grün, Grüngelb mit Grau sowie auch Violett
    und Hellgelb mit Weiß.

Protanope und Deuteranope bilden die Rot-Grün-Blinden.

Weiterhin gibt es anomale Trichromaten (5.9 % der Männer),
die 3 Zapfen haben, aber einer davon eine verändertes Absorptionsspektrum
aufweist.

Um Farbenblindheit festzustellen benötigt
man z. B. sog.
Ishahara
Tafeln
.

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 128
Querschnitt
durch das Auge eines nachtaktiven Tieres
 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 129
Sichtbares
Spektrum
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 130
Zapfentypen
im menschlichen Auge
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 131
Zapfenabsorption
 

 


Abb. 132
Verteilung
der Zapfen in der Retina
 

_foveam0 - Farbensehen, Farbmischung, Komplementärfarben, Farbtheorien, Farbenblindheit

Die Zapfen sind auf der Netzhaut zu einem unregelmäßigen
Mosaik angeordnet (siehe 2 Lektionen zuvor).
Die Dichte ist in der Fovea am höchsten und nimmt zur Peripherie
hin ab. In der Foveola (den zentralen 30′) befinden sich nur Rot-
und Grünzapfen auf. Blauzapfen gibt es nur in der peripheren
Retina, aber auch dort treten sie mit einer geringeren Dichte auf.
Sie machen insgesamt nur 9% aller Zapfen aus (siehe links), Rotzapfen
ca. 60% und Grünzapfen ca. 31%)

 


Abb. 133
Verschaltung
der Zapfen in der Retina
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 134
Verarbeitung
in Gegenfarbkanälen
 

 

_hats$tc - Farbensehen, Farbmischung, Komplementärfarben, Farbtheorien, Farbenblindheit

 

 

 

 

 


Abb. 135
Trichromatisches
Farbsehen
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb.136
Grundfarben
der Gegenfarbentheorie
 

Komple1 - Farbensehen, Farbmischung, Komplementärfarben, Farbtheorien, Farbenblindheit

 

 

 


Abb.137
Farbmischungen
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 138
Farbenkreis additive Farbmischung
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 139
Subtraktive Farbmischung
 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 140
Farbsysteme
 
 

Farben nach der CIE-Spezifikation werden
mit Ihren Farb und Sättigungswerten in einem 2-dimensionalen
Diagramm angegeben (siehe links).

Viele Firmen der Photoindustrie geben ihre Farbspezifikation
entsprechend der CIE an.

 

 

 

 

 

 

 

 

 


Abb. 141
Ishahara
Farbtafeln
 

 

ctest2a - Farbensehen, Farbmischung, Komplementärfarben, Farbtheorien, Farbenblindheit

ctest3a - Farbensehen, Farbmischung, Komplementärfarben, Farbtheorien, Farbenblindheit

ctest4a - Farbensehen, Farbmischung, Komplementärfarben, Farbtheorien, Farbenblindheit

Eine Person mit normalem Farbensehen sieht die Nummer
8 im obigen Kreis. Menschen mit Rot-Grün-Blindheit sehen entweder
eine 3 oder nichts.

Eine Person mit normalem Farbensehen sieht die
Nummer 7 im obigen Kreis. Farbenblinde sehen keine Zahl
.

Eine Person mit normalem Farbensehen sieht
die Nummer 35 im obigen Kreis. Rotblinde sehen die Nummer 5, Grünblinde
die Nummer 3. Teilweise Farbenblinde sehen beide Ziffern, eine davon genauer.

 

Räumliches Sehen

Das räumliche Sehen ist eine Leistung beider Augen
in Zusammenarbeit mit der Sehrinde im Gehirn.

_pencil - Farbensehen, Farbmischung, Komplementärfarben, Farbtheorien, Farbenblindheit

Links ist ein Bleistift vor einem Hintergrund abgebildet,
der sich in ca. 15 cm Abstand vor die Nase befindet.

Da die Augen ca. 6 cm auseinanderstehen kommt in jedem
Auge ein anderes Bild der Umgebung zustande, das leicht unterschiedliche
Details enthält. Beide Bilder werden gleichzeitig an die Sehrinde
weitergeleitet und dort zu einem räumlichen Bild mit Tiefenwirkung
zusammengesetzt.

Diesen Vorgang nennt man Stereopsis.
Durch bestimmte Techniken und unter Verwendung von Spezialbrillen mit
unterschiedlichen Farbgläsern schafft man es, daß das linke
Auge nur das linke Bild und das rechte nur das rechte Bild betrachtet.
Man spricht von parallelem Sehen. Das Gehirn erzeugt nun ein einziges
3D-Bild mit besonderer Tiefenwirkung
und großer Detailauflösung.

Weitere Stereobilder konnen u. a hier betrachtet werden.

http://www.botany.utexas.edu/facstaff/facpages/mbrown/movies/anag.htm

Erklärung der Abbildung zu den Farbmischungen
(Malfarben/Licht) oben:

_blue-ye - Farbensehen, Farbmischung, Komplementärfarben, Farbtheorien, Farbenblindheit

Der blaue Farbstoff erscheint bei Beleuchtung mit weißem
Licht blau, da er blaues Licht reflektiert. Der gelbe Farbstoff reflektiert
entsprechend gelb. Beide absorbieren die Ränder des Spektrums und
gering den mittleren Bereich (grün), den sie reflektieren.

Man sieht grün.


Abb. 142
Räumliches
Sehen
 

_rglass - Farbensehen, Farbmischung, Komplementärfarben, Farbtheorien, Farbenblindheit

Dazu werden 2 Bilder mit unterschiedlichen Details
erzeugt, übereinander projiziert und mit einer Rot/Grün-Brille
oder Rot/Blaubrille
betrachtet. Auf diese Weise werden die Farbkanäle der beiden
Augen unterschiedlich für die Stereokanaltrennung benutzt.

t401t - Farbensehen, Farbmischung, Komplementärfarben, Farbtheorien, Farbenblindheit

Oben ist ein solches Stereogramm eines T-Phagen
(Bakterienvirus) abgebildet. Man benötigt eine Rot/Blau-Brille.
Das blaue Glas soll das rechte Auge abdecken.

 

Weiterführende
Quellen:
Farbensehen beim Menschenhttp://www.mpik-tueb.mpg.de/people/personal/karl/html/heidelberg/
heidelberg.html
Farbensehenhttp://www.cs.brown.edu/research/graphics/research/
exploratory/research/educationalContexts/colorPerception/home.html
Farbensehen/Farbsystemehttp://photo.net/philg/photo/edscott/spectsel.htm#01
Software zur Farbmischunghttp://www.physik.uni-erlangen.de/Didaktik/download/
Illusionen, Nachbilderhttp://www.illusionworks.com/html/hall_of_illusions.html
http://valley.uml.edu/psychology/illusion.html
Farbenblindheithttp://www.allaboutvision.com/conditions/colordeficiency.htm
Tests auf Farbtüchtigkeithttp://www.geocities.com/Heartland/8833/coloreye.html
http://www.cim.mcgill.ca/~image529/TA529/Image529_99/
projects97/55_Boillet/verification.html
Sehvermögen bei Vögelnhttp://birding.about.com/hobbies/birding/library/weekly/aa021498.htm
Sehen bei Tierenhttp://www.univie.ac.at/Vergl-Physiologie/www/gphy_marsuprod.html
http://www.pbs.org/wgbh/nova/kalahari/
Sehen (NASA)http://www.visionscience.com/
Farb- und Seh-Datenbankhttp://cvision.ucsd.edu/
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