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126.05.2009

Farbe

Referent: Daniel Heep

Dozent: Dr. Alexander Schütz

Seminar: Visuelle Wahrnehmumg

Semester: SoSe 2009

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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)

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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

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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

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Gliederung

4.4 Wissen und Wahrnehmung im Gehirn

4.5 Neuropsychologie des Farbwissens

4.6 Das ‘‘Shape+ Surface“ Modell

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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

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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

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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

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1.1 Die drei Zapfensyteme

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1.1 Die drei Zapfensyteme

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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)

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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

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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)

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2. Eigenschaften des FarbensehensTrichromatizität kann eine Vielzahl von

Phänomenen erklären, greift jedoch nicht ausreichend bei Funktionen, wie Farbantagonismus, Farbsimultankontrast und Farbkonstanz

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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

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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

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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

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2.2 Farbsimultankontrast (simultaneous color contrast)

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2.3 Farbkonstanz

wichtigstes Phänomen:

Farbe bleibt trotz Schwankungen in der Spektralverteilung der Umgebungsbeleuchtung konstant

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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

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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

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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

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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

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3.2 Einfache Gegenfarbenzellen

solche konzentrisch einfachen Gegenfarbenzellen reagieren stark auf großflächige, monochromatische Beleuchtung in einer bestimmten Wellenlänge

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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

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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

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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

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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

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3.4 Doppelte GeganfarbenzellenBeispiel: 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

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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

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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

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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

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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

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4. Die Bedeutung des Farbensehens die farbliche Wahrnehmung ist beteiligt an

der Wiedererkennung eines Objekts nur Primaten haben drei Zapfensysteme und

können trichromatisch sehen

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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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

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4.4 Wissen und Wahrnehmung im Gehirn Objekte, die in einer anderen Farbe als ihrer

natürlichen präsentiert wurden aktivierten den dorsolateralen Präfrontalencortex

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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

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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

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4.6 Das ‘‘Sahpe+ Surface“ Modell

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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

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Vielen Dank für die Aufmerksamkeit !

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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.

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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.