Die Komplexität der Farbwahrnehmung bei natürlichem Licht

Die menschliche Farbwahrnehmung basiert darauf, dass Licht von Oberflächen reflektiert wird und in unsere Augen gelangt. Wenn Licht auf die Netzhaut trifft, löst es Signale in verschiedenen Typen von Zapfenzellen aus. Jeder Zapfentyp reagiert auf spezifische Lichtwellenlängen. Ein einzelner Zapfen kann jedoch keine präzisen Informationen über die Farbe liefern, die wir sehen, weil er einige Details in den Signalen, die er an unser Gehirn sendet, verliert. Das nennt man das Prinzip der Univarianz. Diese Einschränkung tritt ganz am Anfang unserer visuellen Informationsverarbeitung auf und kann später nicht mehr behoben werden.

Bei der trichromatischen Sichtweise haben Menschen drei Arten von Zapfen, die zusammenarbeiten, wodurch wir ein breites Spektrum an Farben sehen können. Zum Beispiel, wenn wir monochromatisches Licht mit einer Wellenlänge von 580 Nanometern sehen, nehmen wir das als Gelb wahr. Interessanterweise können wir die gleiche Gelbfarbe auch durch das Mischen von zwei unterschiedlichen Wellenlängen erreichen, wie 520 nm und 620 nm Licht. Das zeigt, wie unsere Farbwahrnehmung von verschiedenen Lichtquellen beeinflusst werden kann.

Ausserdem können zwei Oberflächen, die unterschiedliche Farbeigenschaften haben, unter einer Art von Beleuchtung gleich aussehen, aber unter einer anderen unterschiedlich. Diese Situation nennt man illuminante Metamerie. Es hat sich gezeigt, dass dieses Phänomen ziemlich häufig auftritt und die Farbwahrnehmung für Menschen herausfordernd machen kann. Für diejenigen mit Dichromasie, die nur zwei Arten von Zapfen haben, können diese Herausforderungen noch ausgeprägter sein.

#Farbwahrnehmung in der realen Welt

Die meisten bisherigen Forschungen zur Metamerie wurden unter kontrollierten Bedingungen durchgeführt, wo die Lichtquellen einheitlich waren. Die Beleuchtung in der realen Welt ist jedoch nicht so einfach. Natürliche Umgebungen haben verschiedene Lichtquellen und -winkel, die beeinflussen können, wie Farben aussehen. Neueste Studien haben gezeigt, dass die Richtung und Art des Lichts in natürlichen Umgebungen stark variieren kann. Wenn eine Oberfläche in diesem Umfeld kippt, kann sie unterschiedliche Arten von Licht einfangen, was zu unterschiedlichen Farbempfindungen führt.

In diesem Kontext haben Forscher Computergrafik verwendet, um zu sehen, wie oft Metamerie auftritt, wenn Oberflächen in einem dreidimensionalen Umfeld platziert werden, das die Lichtwirkungen der realen Welt widerspiegelt. Sie haben getestet, wie sehr die Fähigkeit, zwischen Farben zu unterscheiden, steigt, wenn Oberflächen geneigt werden, um unterschiedliche Lichtwinkel einzufangen.

Zum Beispiel sahen in einem Szenario zwei Oberflächen unter einer Mischung aus Sonnenlicht und Tageslicht bei einem Winkel gleich aus. Als sie jedoch gekippt wurden, um Tageslicht einzufangen, wurden die beiden Oberflächen unterscheidbar.

Die Forschung fand heraus, dass Trichromaten (Menschen mit normaler Farbwahrnehmung) 88,5 % der metamerischen Paare im Freien und 81,5 % drinnen nur durch das Neigen der Oberfläche identifizieren konnten. Interessanterweise zeigten diejenigen mit Dichromasie (wie Deutan, Protan und Tritan) sogar höhere Identifikationsraten sowohl im Freien als auch drinnen.

#Farbdiskriminierung

Die Forscher merkten signifikante Unterschiede darin, wie gut Menschen mit verschiedenen Arten von Farbwahrnehmung Farben identifizieren konnten, basierend auf der Art des Settings (aussen oder innen) und ihrem spezifischen Farbtyp. Während die allgemeine Fähigkeit, Farben zu unterscheiden, sich durch das Neigen verbesserte, variierte diese Fähigkeit zwischen den verschiedenen Gruppen.

Um Farbunterschiede zu bewerten, verwendete die Studie ein Kriterium, das auf einer Metrik namens ΔE in CIECAM02-UCS basierte. Diese Metrik hilft, Farbunterschiede auf eine Weise zu quantifizieren, die besser zur menschlichen Wahrnehmung passt. Sie überprüften, wie gut die Ergebnisse mit unterschiedlichen Kriterien für das, was als unterscheidbarer Farbunterschied zählt, übereinstimmten.

Als sie die Kriterien für die Farbdiskriminierung erweiterten, fanden sie heraus, dass, während die Prozentsätze der identifizierten metamerischen Paare abnahmen, die Schlussfolgerung, dass ein grosser Teil weiterhin lösbar war, gültig blieb. Das bedeutet, dass das Neigen von Oberflächen unter verschiedenen Lichtbedingungen unsere Fähigkeit zur Farbdifferenzierung erhöht.

Für sowohl Trichromaten als auch Dichromaten war der Anstieg der Farbdifferenzierung signifikant. Das bedeutet, dass in realen Umgebungen die Bedingungen ein besseres Verständnis von Farben ermöglichen als bisher gedacht.

#Verständnis von Farbänderungen bei natürlichem Licht

Der Unterschied in der Farbwahrnehmung basierend auf dem Neigen wirft auch Fragen darüber auf, wie wir Farben wahrnehmen. Zum Beispiel kann eine Zunahme des Farbunterschieds von einem niedrigen zu einem hohen Wert bedeutender erscheinen als eine Zunahme von einem hohen Wert zu einem etwas höheren, selbst wenn die absolute Änderung die gleiche ist.

Die Forscher massen nicht nur die absoluten Unterschiede, sondern auch, wie viel diese Unterschiede eine proportionale Änderung darstellten. Sie schauten, wie viel besser die Teilnehmer in der Lage waren, Farbunterschiede in Aussenbereichen im Vergleich zu Innenbereichen zu sehen. Die Ergebnisse zeigten, dass die Verbesserungen in der Farbwahrnehmung im Allgemeinen bemerkenswerter für Personen mit Dichromasie waren.

#Der Einfluss der Variation der Richtungsbeleuchtung

Die Ergebnisse heben hervor, dass die illuminante Metamerie, die aus der Reaktion unserer Zapfen auf Licht entsteht, nicht so einschränkend ist, wie früher angenommen. In natürlichen Umgebungen kann die Variation in der Richtungsbeleuchtung vielen Farbpaare, die sonst gleich erscheinen würden, helfen, unterscheidbar zu werden.

Die Forschung betont, dass während die Trichromatie ein grundlegendes Verständnis der Farbwahrnehmung bietet, sie nicht die ganze Geschichte erzählt. Im Alltag werden die Signale unserer Zapfen durch sich ändernde Lichtbedingungen beeinflusst. Selbst wenn jemand einen Typ von Zapfen fehlt, kann er zu unterschiedlichen Zeiten und Winkeln Farbinformationen gewinnen.

Die präzise Messung der Lichtvariationen in natürlichen Umgebungen war entscheidend für diese Forschung. Die Forscher verwendeten Computergrafik, um zu simulieren, wie unterschiedliche Oberflächen in dreidimensionalen Umgebungen mit Licht interagieren. Sie testeten 20.132 verschiedene Oberflächenreflexionen und stellten sie unter verschiedenen Beleuchtungsszenarien und -winkeln dar.

#Sammlung von Reflexionsdaten

Um diese Forschung durchzuführen, sammelte das Team 54.282 Reflexionsmessungen von verschiedenen Objekten, einschliesslich Blumen, Früchten, menschlichen Hautproben, Blättern und von Menschen gemachten Objekten. Sie mussten diese Daten jedoch verfeinern, weil viele Oberflächenpaare zu ähnlich waren, was das Risiko einer fehlerhaften Berechnung der Anzahl der indistinguierbaren Paare erhöhte.

Nachdem sie die Daten basierend auf der Ähnlichkeit gefiltert hatten, hatten sie 20.132 einzigartige Reflexionsproben für ihre Analyse. Diese bildeten eine solide Basis, um zu bewerten, wie die Farbwahrnehmung unter natürlicher Beleuchtung funktioniert.

#Fazit

Diese detaillierte Studie offenbart bedeutende Einblicke darin, wie die Farbwahrnehmung in realen Umgebungen funktioniert. Die Beweise deuten darauf hin, dass während unsere biologischen Systeme unsere Fähigkeit zur Farbwahrnehmung einschränken, die komplexe Natur des natürlichen Lichts einen Weg bietet, diese Herausforderungen zu meistern. Indem wir verstehen, wie unterschiedliche Winkel und Lichtarten die Farben beeinflussen, können wir die Fülle und Komplexität der visuellen Welt um uns herum besser schätzen.