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26.05.2009 Farbe Referent: Daniel Heep Dozent: Dr. Alexander Schütz Seminar: Visuelle Wahrnehmumg Semester: SoSe 2009.

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1 Farbe Referent: Daniel Heep Dozent: Dr. Alexander Schütz Seminar: Visuelle Wahrnehmumg Semester: SoSe 2009

2 Farbe Gliederung Einleitung 1. Grundlagen des Farbsehens 1.1 Die drei Zapfensyteme 1.2 Die Photorezeptoren 1.3 Grenzen des Farbsehens 2. Eigenschaften des Farbsehens 2.1.Farbantagonismus (color opponency)

3 Farbe Gliederung 2.2 Farbsimultankontrast (simultaneous color contrast) 2.3 Farbkonstanz 3. Mechanismen des Farbsehens 3.1 Konzentrische Breitbandzellen (concrentic broadband cells) 3.2 Einfache Gegenfarbenzellen 3.3 Typ M und Typ P Zellen

4 Farbe Gliederung 3.4 Doppelte Geganfarbenzellen 3.5 Das corticale Areal V4 3.6 Farbenblindheit 4. Die Bedeutung des Farbsehens 4.1 Farbe in low-level vision 4.2 Farbe in high-level vision 4.3 Bedeutung von Farbe bei Objekten und Szenen

5 Farbe Gliederung 4.4 Wissen und Wahrnehmung im Gehirn 4.5 Neuropsychologie des Farbwissens 4.6 Das Shape+ Surface Modell

6 Farbe Einleitung Farbe und ihre Besonderheiten: Eigenschaft von Objekten Farbe wird auch unter verschiedenen Bedingungen gleich wahrgenommen Farbkonstanz das Sehen von Farbe beruht auf einem Abstraktionsprozess, der ein Objekt in Relation zu seinem Hintergrund analysiert

7 Farbe 1. Grundlagen des Farbsehens Wellenlängen von 400 bis 700 nm können vom menschlichen Auge wahrgenommen werden Anteile der drei Primärfarben Blau, Rot und Grün werden mit der Farbe einer beliebigen spektralen Zusammensetzung von Licht kombiniert Trichromatizität

8 Farbe 1.1 Die drei Zapfensyteme drei Typen lichtabsorbierender Zapfen mit jeweils eigenen Sehfarbstoffen bilden die Grundlage der Trichromatizität Bestätigung durch Messungen der Absorptionsspektren der Sehfarbstoffe in den Zapfen der menschlichen Retina

9 Farbe 1.1 Die drei Zapfensyteme

10 Farbe 1.1 Die drei Zapfensyteme

11 Farbe 1.1 Die drei Zapfensyteme Pigment B: Reaktion auf kurze Wellenlängen des sichtbaren Farbspektrums, zur Wahrnehmung von Blau wichtig (max. 419 nm) Pigment G: Reaktion auf mittlere Wellenlängen,zur Wahrnehmung von Grün wichtig (max. 531 nm) Pigment R: Reaktion auf längere Wellenlängen, zur Wahrnehmung von Rot wichtig (max. 559 nm)

12 Farbe 1.2 Die Photorezeptoren Absorption eines Photons führt unabhängig von der Wellenlänge immer zur derselben elektrischen Antwort die Wellenlänge bestimmt darüber, ob ein Photon absorbiert wird ein aktiver Zapfen allein reicht noch nicht zum Farbsehen aus zwei Photorezeptoren mit unterschiedlicher spektraler Empfindlichkeit sind notwendig

13 Farbe 1.3 Grenzen des Farbsehens das Zapfensystem versagt bei Objekten mit dicht nebeneinanderliegenden Farben auf der Oberfläche Erregung benachbarter Zapfen durch Licht unterschiedlicher Teile des Objekts das Sehen in der Fovea centralis (Stelle des schärfsten Sehens) ist dichromatisch B- Zellen fehlen, da bei fokussiertem langwelligen Licht, das kurzwellige Licht vor die Retina gebrochen wird (chromatische Aberation)

14 Farbe 2. Eigenschaften des Farbensehens Trichromatizität kann eine Vielzahl von Phänomenen erklären, greift jedoch nicht ausreichend bei Funktionen, wie Farbantagonismus, Farbsimultankontrast und Farbkonstanz

15 Farbe 2.1 Farbantagonismus (color opponency) umfasst den Aspekt, dass bestimmte Farben nicht in Kombination gesehen werden können, z. B. rötliches Grün Mischungen sind möglich, z. B. Rot und Grün zu reinem Gelb

16 Farbe 2.1 Farbantagonismus (color opponency) Herings Gegenfarbentheorie: sechs primäre Farbqualitäten, welche in drei wechselseitig antagonistischen Paaren verarbeitet werden: Rot-Grün, Schwarz- Weiß, Gelb- Blau drei Gegenfarben werden in drei Paaren farbantagonistischer neuraler Kanäle analysiert, ein Kanal wird durch eine Farbe erregt und durch eine andere gehemmt bei Ausbalancierung: keine Reaktion

17 Farbe 2.2 Farbsimultankontrast (simultaneous color contrast) relevant bei Gegenfarben, die von räumlich benachbarten Stellen ausgehen, so heben sich rote Objekte am deutlichsten von einem grünen Hintergrund ab Zapfenmechanismen scheinen sich genseitig zu verstärken

18 Farbe 2.2 Farbsimultankontrast (simultaneous color contrast)

19 Farbe 2.3 Farbkonstanz wichtigstes Phänomen: Farbe bleibt trotz Schwankungen in der Spektralverteilung der Umgebungsbeleuchtung konstant

20 Farbe 3. Mechanismen des Farbensehens Informationen über Farbe und Helligkeit wird in der Retina und dem Corpus geniculatum laterale in getrennten Bahnen verarbeitet bei den retinalen Ganglienzellen und den Zellen des Corpus geniculatum laterale werden in zwei Hauptfunktionsklassen unterschieden: 1) konzentrische Breitbandzellen und 2) Gegnfarbenzellen

21 Farbe 3.1 Konzentrische Breitbandzellen (concrentic broadband cells) leiten Informationen über Helligkeit weiter besitzen rezeptive Felder mit einer Zentrum- Umfeld-Organisation Erregung oder Hemmung durch weißes Licht, das auf das Zentrum des rezeptiven Feldes fällt Licht, mit dem das Umfeld bestrahlt wird, löst eine entgegengesetzte Reaktion aus

22 Farbe 3.1 Konzentrische Breitbandzellen (concrentic broadband cells) aufgrund dieser antagonistischen Reaktionen werden diese Zellen auch als On- bzw. Off- Zentrum-Neuronen bezeichnet reagieren schlecht auf diffuses Licht enthalten Signale von G- und R- Zapfen, die im Umfeld und im Zentrum unabhängig voneinander aufsummiert werden Reaktion auf einen Helligkeitskontrast innerhalb ihres rezeptiven Feldes, jedoch keine Bedeutung bei der Farbwahrnehmung

23 Farbe 3.2 Einfache Gegenfarbenzellen Eingangssignale der R- und G-Zapfen werden in den meisten Gegenfarbenzellen antagonistisch verarbeitet ( sowohl in der Retina als auch im Corpus geniculatum laterale) das Zentrum erhält Signale von einem Zapfentyp, während das antagonistische Umfeld Signale vom anderen Zapfentyp empfängt

24 Farbe 3.2 Einfache Gegenfarbenzellen solche konzentrisch einfachen Gegenfarbenzellen reagieren stark auf großflächige, monochromatische Beleuchtung in einer bestimmten Wellenlänge

25 Farbe 3.2 Einfache Gegenfarbenzellen R- Zentrum und G- Umfeld Organisation reagiert am stärksten auf rotes Licht G-Zentrum und R- Umfeld reagiert am stärksten auf grünes Licht Reaktion auf weißes Licht wie bei Breitbandzellen

26 Farbe 3.2 Einfache Gegenfarbenzellen übertragen die Informationen von B-Zapfen die rezeptiven Felder besitzen keine getrennten Bereiche für Erregung und Hemmung: Eingangssignale von B- Zapfen stehen den kombinierten Eingangssignalen von R- und G-Zapfen im gesamten rezeptivem Feld gegnüber

27 Farbe 3.3 Typ M und Typ P Zellen Axone, die in einer mangozellulären(Typ M) Schicht des oder in einer parvozellulären (Typ P) Schicht des Corpus geniculatum laterale enden Breitbandzellen können entweder vom Typ M oder P sein, während Gegenfarbzellen immer den Typ P aufweisen

28 Farbe 3.4 Doppelte Gegenfarbenzellen erhalten Signale von einfachen Gegenfarbenzellen enthalten rezeptive Felder mit antagonistischer Zentrum - Umfeld- Struktur Eingangssignale von verschiedenen Zapfentypen werden in ihren rezeptiven Feldern jedoch nicht getrennt verarbeitet Anteil der jeweiligen Signale variiert mit dem jeweiligen Zapfentyp

29 Farbe 3.4 Doppelte Geganfarbenzellen Beispiel: Signale von R-Zapfen führen in einigen Zellen zu einer exzitatorischen Reaktion im Zenrum und zu einer inhibitorischen im Umfeld Signale von G-Zapfen: umgekehrte Reaktion stärkste Reaktion: Beleuchtung des rezeptiven Feldes mit einem roten Lichtpunkt vor einem grünen Hinetrgrund

30 Farbe 3.4 Doppelte Geganfarbenzellen drei weitere Klassen werden unterschieden: stärkste Reaktion bei grünem Licht und rotem Hintergrund stärkste Reaktion bei blauem Licht vor gelbem Hintergrund und umgekehrt höchste Dichte in den Blob- Regionen der Area IV

31 Farbe 3.5 Das corticale Areal V4 V4 enthält ein neurales Substrat für das psychophysische Phänomen der Farbkonstanz enthält auch viele Neuronen, deren Reaktionen mit der Farberscheinung des betrachteten Objekts und nicht mit der Wellenlänge des reflektierten Lichts korreliert Reaktion auf Farbe und nicht auf Wellenlänge

32 Farbe 3.5 Das corticale Areal V4 die Zellen extrahieren Informationen über die Farbe von Objekten aus der Wellenlängeninformation Retinex- Methode ermöglicht es, anhand der Rezeptorantworten der drei Zapfentypen die wahrgenommene Farbe vorherzusagen Retinex- Methode verläuft in drei Schritten: 1) Messung der Helligkeit eines Objekts für jeden Zapfentyp, 2) Normierung am Wert des hellsten Objekts, 3) Zuweisung von Zahlen

33 Farbe 3.6 Farbenblindheit bestimmte Formen der Blindheit gehen auf corticale Läsionen zurück Rot- Grün- Blindheit ist durch eine Mutation des X- Chromosoms verursacht, was defekte rote und grüne Zapfenpigmente bedingt andere Mutationen (z.B. für das blaue Pigment) sind eher selten

34 Farbe 4. Die Bedeutung des Farbensehens die farbliche Wahrnehmung ist beteiligt an der Wiedererkennung eines Objekts nur Primaten haben drei Zapfensysteme und können trichromatisch sehen

35 Farbe 4.1 Farbe in low-level vision entscheidende Vorteile bei der Nahrungssuche, bedingt durch trichromatisches Sehen Farbe hilft dabei Objekte und Szenen dreidimensional zu sehen und voneinander zu unterscheiden

36 Farbe 4.2 Farbe in high-level vision gewisse Ansätze behaupten, dass Objekte nur aufgrund ihrer Form erkannt werden können andere Sichtweisen gehen weiter und sehen auch Eigenschaften, wie Farbe und Beschaffenheit als fundamental zur Erkennung eines Objekts dar

37 Farbe 4.2 Farbe in high-level vision Studien belegen eher Theorien, die auch die Farbe und die Struktur berücksichtigen so werden Objekte, die in ihrer wirklichen Farbe präsentiert wurden, schneller identifiziert als solche, die in einer anderen Farbe präsentiert wurden

38 Farbe 4.3 Bedeutung von Farbe bei Objekten und Szenen Farbe kann zur Identifizierung von Objekten dienen: Rot als bedeutsamer Indikator für Feuer oder Gelb als Indikator für Zitronen Farbe ist bei Objekten, wie Autos oder Werkzeugen von sekundärer Bedeutung die An- oder Abwesenheit von Farbe ist nur bei bestimmten Objekten bedeutsam

39 Farbe 4.3 Bedeutung von Farbe bei Objekten und Szenen auch zur Identifizierung von Alltagsgeschehnissen spielt Farbe eine wichtige Rolle Bilder mit charakteristischen Farben werden am besten in ihrer Originalfarbe erkannt der Nutzen liegt dabei in der Möglichkeit, Dinge, die in ihrer Form leicht verändert sind, trotzdem schnell wiederzuerkennen

40 Farbe 4.4 Wissen und Wahrnehmung im Gehirn das Wissen um die Farbe eines Objekts führt zu einer Assoziation zwischen Farbe und Objekt verschiedene neuronale Regionen sind bei der Wiedererkennung und bei dem Abruf von Wissen beteiligt wenn anhand eines Farbhinweises das jeweilige Objekt wiedererkannt werden sollte, ist der linke innere Temporallappen aktiv gleiche Gehirnstrukturen sind bei der Erkennung von Objekten beteiligt

41 Farbe 4.4 Wissen und Wahrnehmung im Gehirn der linke Temporallappen ist sowohl bei der Zuordnung (z.B. die Farbe Gelb einem Bulldozer zuordnen oder einen gleben Bulldozer als Gelb wahrnehmen) als auch bei der Wahrnehmung aktiv weitere Regionen: Gyrie des Hippocampus und Parahippocampus

42 Farbe 4.4 Wissen und Wahrnehmung im Gehirn wichtig: 1) Die Wiedererkennung einer Farbe eines Objekts aktiviert gleiche neuronale Regionen, wie bei der Erkennung von Objekten 2) Die Regionen unterscheiden sich, je nachdem, ob Dinge durch die Farbe erkannt werden sollen oder ob die Farbe selbst erkannt werden soll

43 Farbe 4.4 Wissen und Wahrnehmung im Gehirn Objekte, die in einer anderen Farbe als ihrer natürlichen präsentiert wurden aktivierten den dorsolateralen Präfrontalencortex

44 Farbe 4.5 Neuropsychologie des Farbwissens Nicht alle Verletzungen im Gehirn beeinträchtigen das Vermögen zwischen echten und unechten Formen von Objekten zu unterscheiden jedoch ist bei spezifischen Verletzungen die zuverlässige Diskrimination zwischen passender und unpassender Farbe für ein Objekt nicht mehr gegeben andere Untersuchungen zeigten, dass Farben durchaus benannt, jedoch nicht den passenden Objekten zugeordnet werden konnten

45 Farbe 4.5 Neuropsychologie des Farbwissens weitere Studien belegten, dass ein Unterschied zwischen visuellem und verbalem Farbwissen besteht Patienten mit Läsionen können durchaus über ein verbales Wissen verfügen, während das visuelle Wissen beeinträchtigt ist andere Patienten wiesen Schwierigkeiten auf, verbales und visuelles Wissen Farbe von Objekten miteinander zu verbinden

46 Farbe 4.6 Das Sahpe+ Surface Modell

47 Farbe 4.6 Das Shape+ Surface Modell das Modell stellt das Erkennen von Objekten als ein Erkennen von Gestaltsmerkmalen dar die Farbe hat eine unterstützende Funktion bei der Erkennung es zeigt eine Verbindung zwischen der visuellen und der mentalen Wahrnehmung von Farben auf es ist möglich, zu wissen, dass Äpfel rot sind, ohne eine visuelle Vorstellung davon zu haben

48 Farbe Vielen Dank für die Aufmerksamkeit !

49 Farbe Klausurfragen 1. Erläutern Sie den Begriff der Trichromatizität und differenzieren Sie die, diesem Begriff zugrundeliegenden, Zapfensysteme. 2. Stellen Sie die wesentlichsten Aspekte von Herings Gegenfarbentheorie dar und erklären Sie anschließend kurz den Unterschied zwischen Farbantagonismus, Farbsimultankontrast und Farbkonstanz.

50 Farbe Klausurfragen 3. Ist die folgende These zu vertreten? Die Farbe dient lediglich der Ästhetik. Zur bloßen Objekterkennung sind die Form und die Kontur ausreichende Indizien. 4. Erklären Sie, wie sich Verletzungen im Gehirn auf die Erkennung von Farben und Objekten auswirken kann.


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