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Unser Primäres Wahrnehmungsorgan für die Verarbeitung von Lichtreizen ist das Auge.
Die von einem Objekt direkt ausgesandten oder reflektierten Lichtwellen werden von der Augenlinse gebündelt und durch den Glaskörper auf die Netzhaut projiziert. Dort bewirken sie die Reizung von spezialisierten Nervenzellen, die auf die Detektion solcher Lichtwellen spezialisiert sind. Als Folge der Reizung entsteht in den Nervenzellen ein elektrisches Signal, das über eine Leitungsbahn, den Sehnerv, in das Sehzentrum des Gehirns geleitet wird. Dort entsteht über noch sehr wenig verstandene Mechanismen der eigentliche Seheindruck.
Unser Auge hat die Aufgabe, ein möglichst helles und detailliertes Bild unserer Umwelt zu entwerfen. Wir haben dabei auf der einen Seite die Lichtempfindlichkeit (helles Bild) und auf der anderen das Auflösungsvermögen (detailliertes Bild). Beides läßt sich nicht gleichzeitig maximieren. Höchstes Auflösungsvermögen wird immer nur dann erreicht, wenn die Lichtempfindlichkeit nicht begrenzt wird - also am hellichsten Tage. Wenn es jedoch darauf ankommt, jedes verfügbare Lichtquant einzufangen - während der Dämmerung oder unter Wasser - muß das Auflösungsvermögen und damit der Reichtum an räumlichen Details im Bild zurücktreten.
Der Vorgang der Lichtwahrnehmung ist direkt mit der Farbwahrnehmung verbunden. Immer wenn wir Licht sehen, sehen wir Farben. Die Wahrnehmung unterschiedlicher Farbnuancen hilft uns bei der Interpretation unserer Umgebung. Formen und Materialien können nur durch Farben differenziert werden. Wir nehmen unsere Umwelt also farbig wahr. Dies beruht darauf, das Licht eine elektromagnetische Strahlung ist und unterschiedliche Welleneigenschaften besitzt. Unser Auge kann diese unterschiedlichen Wellenlängen als Farbinformation erkennen.
Damit unser Auge die Licht- und Farbinformationen wahrnehmen kann, befinden sich auf der Netzhaut mehrere Lichtrezeptoren: sogenannte Stäbchen und Zäpfchen. Die nur helligkeitsempfindlichen Stäbchen sind über die ganze Netzhaut verteilt, während die farbempfindlichen Zäpfchen vor allem in der Mitte der Netzhaut liegen. Man sieht daher auch Gegenstände am äußersten Rand des Gesichtsfeldes nur grau. Bei geringer Helligkeit treten die Zäpfchen zurück, die Stäbchen hervor. In der Dämmerung erscheinen deshalb auch farbige Gegenstände oft grau. Nur bei ausreichender Helligkeit werden die Eindrücke überwiegend von den Zäpfchen übermittelt und man sieht farbig. Beim Übergang vom Tagsehen zum Dämmerungssehen fällt der Farbensinn aus. Unser Dämmerungssehen ist somit auch nicht farbentüchtig. Da wir nur ca. 7 Millionen Zäpfchen (Farbrezeptoren), für die Farbwahrnehmung haben, während ca. 100 Millionen Stäbchen (Helligkeitsrezeptoren) für die Lichtwahrnehmung sorgen, sind wir sehr viel lichtempfindlicher als farbempfindlich.
Die jeweils charakteristische Farbempfindung, die von einem Lichtreiz bestimmter Wellenlänge hervorgerufen wird, bezeichnet man als Farbton. Wie ist es nun mögich, daß der Mensch so viele von Farbtönen unterscheiden kann? Die Farbdifferenzierung ist möglich, weil es drei Arten von Zäpfchen gibt, die jeweils auf unterschiedliche Wellenlängen des Lichts reagieren. Der eine Zapfentyp reagiert besonders stark auf Licht im kurzwelligen Bereich, der zweite auf Licht im mittelwelligen Bereich und der dritte auf Licht im langwelligen Bereich. Trifft nun Licht einer bestimmten Wellenlänge auf die Zäpfchen, so bilden die Zäpfchen ein Energiepotential. Dieses Energiepotential wird dann als Farbreiz über die Nervenbahnen ins Gehirn weitergeleitet. Das Gehirn antwortet daraufhin mit einer Farbempfindung. Überwiegen die kurzwelligen Lichtstrahlen, so entsteht die Farbempfindung Blau, überwiegen die mittelwelligen Lichtstrahlen, so entsteht die Farbempfindung Grün, und überwiegen die langwelligen Lichtstrahlen, so entsteht die Farbempfindung Rot. Wir merken also jetzt, daß Farben eigentlich nicht dort entstehen, wo wir es immer vermutet haben; nämlich auf den Gegenständen in unserer Umgebung.
Farbe entsteht vielmehr erst als eine Art Sinnesempfindung in unserem Gehirn und ist die Antwort auf einen Farbreiz, der von den Augen empfangen wurde.
Um dies zu verstehen, müssen wir uns den Wirkungsprozeß zwischen Licht, Materie und Farbempfindung näher betrachten.
Die Lichtstrahlen der Sonne fallen früher oder später auf Materie (s. 1 auf der Abb. 3 ) irgendeiner Form. Materie hat die Eigenschaft, bestimmte Teile des Sonnenlichts zu absorbieren/zu verschlucken (s. 2 auf dem Abb. 2). Die Teile des Sonnenlichts, die nicht absorbiert werden, werden von der Materie reflektiert und gelangen dann in das Auge des Betrachters (s. 3 auf der Abb. 3 ).
Ein Gegenstand unserer Umgebung reflektiert also nur einen Teil der im Sonnenlicht enthaltenen Lichtwellen. Reflektiert ein Gegenstand Licht einer bestimmten Wellenlänge (z.B. Licht im mittelwelligen Bereich bei etwa 500 nm), erscheint uns dieser nicht einfach heller oder dunkler als seine Umgebung, sondern zeichnet sich durch seine Farbe aus (im Falle von Lichtwellen im 500nm-Bereich empfinden wir die Farbe als Grün). Um diese Wahrnehmung zu erbringen, benutzt unser Sehsystem die vorher erwähnten Photorezeptoren (Zapfentypen), deren maximale Empfindlichkeiten im kurz-, mittel- und langwelligen Bereich liegen. Der eigentliche Farbreiz bestimmt sich also aus dem nicht absorbierten - dem reflektierten - Teil der Allgemeinbeleuchtung.
Die spektrale Zusammensetzung des Sonnenlichts ist nicht immer gleich. Je nach Jahreszeit, Wetterlage und Einstrahlwinkel, gibt es Schwankungen in der Lichtzusammensetzung und die spektralen Intensitäten verändern sich. Wenn wir beispielsweise beim Sonnenuntergang die Sonne als orange Scheibe sehen, überwiegen die langwelligen Lichtstrahlen und wir haben es mit einem warmen Licht zu tun. Betrachten wir jedoch die Mittagssonne im Hochsommer, bei strahlend blauem Himmel, so überwiegen die kurzwelligen Lichtstrahlen und wir haben es mit kaltem Licht zu tun. Auch gibt es Unterschiede zwischen dem, was wir als Tageslicht wahrnehmen und dem Licht von Glühbirnen und Spotlampen. Das Kunstlicht einer Halogenlampe mit 3200 Kelvin wirkt im Vergleich mit dem durchschnittlichen Tageslicht von 5600 Kelvin gelb. Allerdings hat das menschliche Auge die Fähigkeit, sich bis zu einem bestimmten Maße an die veränderte spektrale Zusammensetzung des Lichts anzupassen. Für unser Auge sind diese Lichtunterschiede also nicht immer sichtbar. Wir sind auch nicht für alle Lichtwellen gleich empfindlich. Unsere Augen reagieren am stärksten auf mittel-welliges Licht (Grün), weniger stark auf langwelliges Licht (Rot) und am wenigsten auf kurzwelliges Licht (Blau). Deshalb verwendet man bei einer 8-Bit-Darstellung im Computer jeweils 3 Bit für Rot und Grün und nur 2 Bit für Blau.
Ein wesentliches Problem unseres Farbempfindens ist seine ausgeprägte Subjektivität. Farbe ist für uns ein allgemeiner Sinneseindruck, und wir sind daher nicht in der Lage, eine Aussage über die spektrale Zusammensetzung des Lichts zu machen. Deshalb ist es uns auch grundsätzlich nicht möglich, nachzuempfinden, wie unsere Mitmenschen im Vergleich zu uns Farben wahrnehmen, und selbst für eine einzelne Person ist das Farbempfinden täglichen Schwankungen unterworfen. Somit sind Farbdefinitionen wie »weinrot« oder »himmelblau« höchst ungenau und werden von verschiedenen Personen auf einer Farbskala recht unterschiedlichen Farben zugeordnet. Wenn wir per Telefon ein »himmelblaues« Auto bestellen, dann werden wir uns unter Umständen sehr über die Farbe des Fahrzeugs wundern, das später vor unserer Haustüre steht.
In der Technik, und damit insbesondere auch in der Bildverarbeitung, ist eine solche Subjektivität höchst unerwünscht. Nur wenn objektive Meßsysteme zur Verfügung stehen, die eine eindeutige Definition von Farbigkeit erlauben, kann man erreichen, dass Monitore oder Fernsehgeräte von unterschiedlichen Herstellern ein Farbbild in etwa gleich darstellen, oder dass ein Farbfilm die Ursprungsfarben möglichst naturgetreu wiedergibt.
Genau zu diesem Zweck wurden verschiedene Verfahren zur mathematisch exakten Beschreibung von Farben entwickelt, die jeweils für bestimmte Einsatzgebiete besonders gut geeignet sind, sogenannte Farbmodelle.
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