Wie viele Farben und Schattierungen kann das menschliche Auge in einer einzigen Szene unterscheiden?

Wenn es um die Anzahl der für das menschliche Auge wahrnehmbaren Farben geht , beziehe ich mich eher auf die 2,4 Millionen Farben des CIE 1931 XYZ-Farbraums. Es ist eine ziemlich solide, wissenschaftlich fundierte Zahl, obwohl ich zugebe, dass sie im Kontext begrenzt sein kann. Ich denke, dass das menschliche Auge für 10-100 Millionen verschiedene "Farben" empfindlich sein kann, wenn es sich sowohl auf die Farbart als auch auf die Leuchtkraft bezieht.

Ich werde meine Antwort auf die Arbeit von CIE stützen, die in den 1930er Jahren begann und in den 1960er Jahren wieder Fortschritte machte, mit einigen algorithmischen und Genauigkeitsverbesserungen der Formel in den letzten paar Jahrzehnten. Wenn es um die Kunst geht, einschließlich Fotografie und Druck, denke ich, dass die Arbeit des CIE besonders relevant ist, da sie die Grundlage für Farbkorrektur und moderne mathematische Farbmodelle und Farbraumkonvertierung darstellt.

Die CIE, oder Commission internationale de l’éclairage , hat 1931 den „ CIE 1931 XYZ Farbraum “ eingeführt". Dieser Farbraum war ein Diagramm mit Farben in voller Reinheit, das von 700 nm (nahes Infrarotrot) bis 380 nm (nahes UV) abgebildet wurde und sich durch alle Wellenlängen des "sichtbaren" Lichts fortsetzte. Dieser Farbraum basiert auf dem menschlichen Sehen , ein Tristimulus, der von den drei Arten von Zapfen in unseren Augen erzeugt wird: kurz-, mittel- und langwellige Zapfen, die den Wellenlängen 420-440 nm, 530-540 nm und 560-580 nm entsprechen. Diese Wellenlängen entsprechen Blau und Grün und gelb-rote (oder orange-rote) Primärfarben (Die roten Zapfen sind etwas einzigartig, da ihre Empfindlichkeit zwei Spitzen hat, die primäre im Bereich von 560–580 nm und eine zweite im Bereich von 410– Bereich von 440 nm. Diese Empfindlichkeit mit doppelter Spitze weist darauf hin, dass unsere "roten" Zapfen in Bezug auf die tatsächliche Empfindlichkeit tatsächlich "magentafarbene" Zapfen sein können.) Die Tristimulus-Reaktionskurven werden von einem Sichtfeld von 2° der Fovea abgeleitet, wo unsere Zapfen am konzentriertesten sind und unser Farbsehen bei mittlerer bis hoher Beleuchtungsintensität am größten ist.

Der tatsächliche CIE 1931-Farbraum wird aus XYZ-Tristimuluswerten abgebildet, die aus roten, grünen und blauen Ableitungen generiert werden, die auf tatsächlichen roten, grünen und blauen Farbwerten basieren (additives Modell). Die XYZ-Tristimuluswerte werden angepasst eine „Standardlichtart“, die normalerweise ein sonnenlichtausgeglichenes Weiß von 6500K ist (obwohl der ursprüngliche CIE 1931-Farbraum für drei standardisierte Lichtarten A 2856K, B 4874K und C 6774K erstellt wurde), und gemäß einem „Standardbeobachter“ (basierend auf auf diesem 2° fovealen Sichtfeld.) Das Standard-CIE 1931 XYZ-Farbdiagramm ist hufeisenförmig und mit einem „Chromatizitäts“-Diagramm reiner „Farben“ gefüllt, das den Farbtonbereich von 700 nm bis 380 nm abdeckt und in der Sättigung von 0 reicht % zentriert am Weißpunkt bis 100 % entlang der Peripherie. Das ist ein "2,38 Millionen Farben , die das menschliche Auge bei Beleuchtung mit mäßig hoher Intensität erkennen kann, ungefähr die gleiche Farbtemperatur und Helligkeit wie Tageslicht (nicht Sonnenlicht, das näher an 5000.000 liegt, sondern Sonnenlicht + blaues Himmelslicht, etwa 6.500.000).

Kann das menschliche Auge also nur 2,4 Millionen Farben erkennen? Gemäß der von der CIE in den 1930er Jahren durchgeführten Arbeit unter einer bestimmten Lichtquelle, die der Intensität und Farbtemperatur des Tageslichts entspricht, wenn nur die 2° der Kegel berücksichtigt werden, die sich in der Fovea unserer Augen konzentrieren, dann scheint es, dass wir dies tatsächlich können Sehen Sie 2,4 Millionen Farben.

Die CIE-Spezifikationen sind jedoch in ihrem Umfang begrenzt. Sie berücksichtigen nicht unterschiedliche Beleuchtungsstärken, Leuchtmittel unterschiedlicher Intensität oder Farbtemperatur oder die Tatsache, dass wir mehr Zapfen haben, die sich über mindestens einen 10°-Bereich unserer Netzhaut um die Fovea verteilen. Sie berücksichtigen auch nicht die Tatsache, dass periphere Zapfen empfindlicher für Blau zu sein scheinen als die in der Fovea konzentrierten Zapfen (die hauptsächlich rote und grüne Zapfen sind).

Verfeinerungen der CIE-Chromatizitätsdiagramme wurden in den 60er Jahren und erneut 1976 vorgenommen, wodurch der "Standardbeobachter" verfeinert wurde, um einen vollen 10°-farbempfindlichen Fleck in unserer Netzhaut einzuschließen. Diese Verfeinerungen der CIE-Standards haben nie viel genutzt, und die umfangreiche Farbempfindlichkeitsforschung, die in Bezug auf die Arbeit von CIE durchgeführt wurde, war weitgehend auf den ursprünglichen CIE 1931 XYZ-Farbraum und das Chromatizitätsdiagramm beschränkt.

Angesichts der Begrenzung der Farbempfindlichkeit auf nur einen 2°-Punkt in der Fovea besteht eine hohe Wahrscheinlichkeit, dass wir mehr als 2,4 Millionen Farben sehen können, insbesondere in Blau und Violett. Dies wird durch die Verfeinerungen der CIE-Farbräume in den 1960er Jahren bestätigt .

Farbton, vielleicht besser bezeichnet als Leuchtkraft (die Helligkeit oder Intensität einer Farbe), ist ein weiterer Aspekt unseres Sehens. Einige Modelle verschmelzen Farbart und Leuchtkraft miteinander, während andere die beiden deutlich voneinander trennen. Das menschliche Auge enthält eine Netzhaut, die sowohl aus Zapfen, "farbempfindlichen" Geräten, als auch aus Stäbchen besteht, die farbunabhängig, aber empfindlich auf Helligkeitsänderungen reagieren. Das menschliche Auge hat etwa 20-mal so viele Stäbchen (94 Millionen) wie Zapfen (4,5 Millionen). Stäbchen sind auch etwa 100-mal so lichtempfindlich wie Zapfen und können ein einzelnes Photon erkennen. Stäbchen scheinen am empfindlichsten für die bläulich-grünen Wellenlängen des Lichts (um 500 nm) zu sein und haben eine geringere Empfindlichkeit gegenüber rötlichen und nahen UV-Wellenlängen. Es sollte beachtet werden, dass die Empfindlichkeit eines Stabs kumulativ ist, je länger man also eine statische Szene beobachtet, desto klarer werden die Helligkeitsstufen in dieser Szene vom Geist wahrgenommen. Schnelle Änderungen in einer Szene oder Schwenkbewegungen verringern die Fähigkeit, feine Tonabstufungen zu unterscheiden.

Angesichts der weitaus höheren Lichtempfindlichkeit des Stabs scheint es logisch zu schließen, dass Menschen eine feinere und deutlichere Empfindlichkeit für Schwankungen der Lichtintensität haben als für Änderungen des Farbtons und der Sättigung, wenn man eine statische Szene für eine Weile beobachtet. Wie genau dies unsere Farbwahrnehmung beeinflusst und wie es die Anzahl der Farben beeinflusst, die wir sehen können, kann ich nicht genau sagen. Ein einfacher Test der Tonempfindlichkeit kann an einem klaren Abend durchgeführt werden, gerade wenn die Sonne untergeht. Der blaue Himmel kann von fast weißblau bis zu tiefdunklem Mitternachtsblau reichen. Während der Farbton eines solchen Himmels einen sehr kleinen Bereich abdeckt, ist die Tonqualität immens und sehr fein. Betrachtet man einen solchen Himmel, sieht man einen unendlich sanften Wechsel von hellem Weißblau über Himmelblau zu dunklem Mitternachtsblau.

Studien, die nichts mit der CIE-Arbeit zu tun haben, haben eine breite Palette von "maximalen Farben" aufgezeigt, die das menschliche Auge wahrnehmen kann. Einige haben eine Obergrenze von 1 Million Farben, während andere eine Obergrenze von 10 Millionen Farben haben. Neuere Studien haben gezeigt, dass einige Frauen einen einzigartigen vierten Zapfentyp haben, einen „orangefarbenen“ Zapfen, der ihre Empfindlichkeit möglicherweise auf 100 Millionen erhöhen könnte, jedoch zählte diese Studie sowohl die Farbart als auch die Leuchtkraft bei ihrer Berechnung der „Farbe“.

Das wirft letztendlich die Frage auf, können wir bei der Bestimmung von "Farbe" die Farbart von der Leuchtkraft trennen? Definieren wir den Begriff „Farbe“ lieber so, dass er den Farbton, die Sättigung und die Leuchtkraft des von uns wahrgenommenen Lichts meint? Oder ist es besser, die beiden zu trennen und die Farbart von der Leuchtkraft zu unterscheiden? Wie viele Intensitätsstufen kann das Auge wirklich sehen, im Vergleich zu wie vielen deutlichen Unterschieden in der Farbart? Ich bin mir nicht sicher, ob diese Fragen tatsächlich schon wissenschaftlich beantwortet wurden.

Ein weiterer Aspekt der Farbwahrnehmung betrifft den Kontrast. Es ist leicht, einen Unterschied in zwei Dingen wahrzunehmen, wenn sie gut miteinander kontrastieren. Wenn man versucht, visuell zu bestimmen, wie viele "Farben" man sieht, wenn man verschiedene Rottöne betrachtet, kann es ziemlich schwierig sein zu sagen, ob zwei ähnliche Farbtöne unterschiedlich sind oder nicht. Vergleichen Sie jedoch einen Rotton mit einem Grünton, und der Unterschied ist sehr deutlich. Vergleichen Sie diesen Grünton der Reihe nach mit jedem Rotton, und das Auge kann die Unterschiede in den Rottönen sowohl in peripherer Beziehung zueinander als auch im Kontrast zum Grün leichter erfassen. Diese Faktoren sind allesamt Facetten des Sehens unseres Geistes, der ein weitaus subjektiveres Gerät ist als das Auge selbst (was es schwierig macht, die Farbwahrnehmung über den Bereich des Auges hinaus wissenschaftlich zu beurteilen.im Kontext als eine Umgebung ohne jeglichen Kontrast.

150: die Anzahl der Farbtöne, die das Auge im Spektrum unterscheiden kann.

1.000.000: die Anzahl der Farben (Kombinationen aus Farbton, Sättigung und Helligkeit), die das Auge unter optimalen Laborbedingungen unterscheiden kann.

Von visualexpert.com

Dies scheint jedoch ein kontroverses Thema zu sein.

Ein paar Punkte.

1. Die eine Million unterscheidbare Farben gelten, auch wenn sie wahr sind, bestenfalls für ideale Laborbedingungen. In der realen Welt wird die Zahl zweifellos viel, viel kleiner sein. Sie können dieses ganze Gerede über Millionen von Farben getrost ignorieren.

2. In der Fotografie ist der Dynamikbereich ein winziger Bruchteil des Dynamikbereichs der Szene, sodass Sie viele der Farben sowieso nicht erzeugen können. Jegliche Technik listet die Bandbreite der Farberzeugung drastisch auf. Vor allem Drucke.

3. Die Anzahl der benötigten Bits hängt von viel mehr als der Anzahl der Farben ab. Der Farbraum ist nicht linear (siehe Webersches Gesetz, Fechnersches Gesetz, McAdam-Ellipsen usw.), sodass Sie den Farbraum nicht einfach in eine Reihe gleichgroßer Schritte aufteilen können, die auf der Anzahl der Bits basieren. Sie werden immer viel mehr Bits benötigen, als die Anzahl der Farben vermuten lässt. 24 Bit erzeugen 16 Millionen Farben, aber immer noch keine guten Bilder. Sie benötigen mindestens 10 oder 12 Bit pro Farbe, um glatte Farbverläufe ohne Streifenbildung zu erstellen.

Um Ihnen eine Vorstellung zu geben: Die meisten Monitore geben an, ungefähr 16 Millionen Farben darstellen zu können. Billigere Panels haben tatsächlich nur 6 Bit/Kanal und verwenden Dithering, um die 16 Millionen herauszumischen. Das macht sich tatsächlich bemerkbar! (Einige verwenden animiertes Dithering, dort sieht man es vielleicht als leichten Flackereffekt) Echte 24 Bit (8/Kanal) werden meiner Meinung nach wirklich für schöne glatte Farbübergänge benötigt.

„Was wiederum die Frage aufwirft: Sind Formate mit 48 Bit, 16 pro Kanal, tatsächlich viel größer als nötig?“

• Es hängt davon ab, wofür Sie es verwenden möchten. Nur für die Anzeige auf dem Bildschirm, ja. Aber wenn Sie mit dem Bild oder als Eingabeformat arbeiten möchten, nein.