2.6 Wahrnehmung von Helligkeiten/Grautönen

2.6 Wahrnehmung von Helligkeiten/Grautönen

Die grundlegende Voraussetzung für die Wahrnehmung eines Zeichens ist seine Farbton- und Grautondifferenz zum Zeichenuntergrund und zu anderen Zeichen. Diese Differenzen beziehen sich auf sämtliche graphischen Elemente eines Zeichens, also auf sämtliche in einer Zeichenfläche angeordneten Punkte, Linien und Flächen. Farbton und Grauton können sich gegenseitig bei der Unterscheidung von geometrisch gleichen Zeichen unterstützen. Unterscheiden sich beispielsweise zwei Zeichen nur geringfügig in ihrem Farbton, kann deren Unterscheidbarkeit gesteigert werden, wenn bei gleich bleibendem Farbton der Helligkeitsanteil unterschiedlich verändert wird. Bei unbunten Präsentationen wirkt allein die Grautondifferenz zwischen Zeichen, wobei generell nicht allein der messbare Grauwert oder die gemessene Lichtenergie wirkt, sondern entsprechend der Differenziertheit der Farbwahrnehmung eine Anzahl weiterer Faktoren. Die grundlegende Voraussetzung für die Wahrnehmung eines Zeichens ist seine Farbton- und Grautondifferenz zum Zeichenuntergrund und zu anderen Zeichen.

2.6.1 Faktoren der Helligkeitswahrnehmung

Ein Grauwert bezeichnet die Helligkeit eines Objektes oder wie hell oder dunkel das Objekt für das menschliche Auge erscheint. Helligkeit ist dabei ganz allgemein die Wahrnehmung der Intensität von Licht, das z. B. von Oberflächen reflektiert wird. Zur Bestimmung der Wirkung von Grautönen oder Grautondifferenzen müssen insgesamt neben der einstrahlenden Helligkeit auf ein Objekt und seine Umgebung, auch die von dem Objekt ausgehende (reflektierende) und auf das Auge wirkende Helligkeit und die im Auge und Gehirn verarbeiteten Helligkeitsreize und neuronalen Energien berücksichtigt werden. Helligkeit ist die Wahrnehmung der Intensität von Licht, das von Oberflächen reflektiert wird.
Grundlegend wird unterschieden zwischen dem gesamten Licht (Helligkeit), das ins Auge einfällt, bezeichnet als Lichtverhältnisse oder Beleuchtung, und der von einer Lichtquelle ausgestrahlten Lichtmenge, unabhängig davon, ob sie selbstleuchtend ist (Licht emittiert) oder Licht reflektiert. Zur Differenzierung der den unmittelbaren Grauton (Helligkeitswert) betreffenden Lichtsituation werden häufig folgende Unterscheidungen, und zwar als messbare Größen getroffen: Unterschieden wird zwischen dem gesamten Licht als Beleuchtung, und der von einer Lichtquelle ausgestrahlten Lichtmenge.
  • Beleuchtungsintensität (engl. illuminance): Menge des Lichtes, welche auf eine Oberfläche auftrifft;
  • Strahlungsintensität (engl. luminance): Menge des Lichtes, die von einer Oberfläche abgestrahlt wird und tatsächlich ins Auge fällt (vgl. Kap. 1.3, Leuchtdichte);
  • Reflexionsgrad (engl. reflectance): Anteil des Lichtes, den eine Oberfläche unter bestimmten Bedingungen abstrahlt (vgl. Kap. 1.3, Lichtstrom). Der Reflexionsgrad von Licht ist also das Verhältnis der Intensität von einfallenden und reflektierten elektromagnetischen Strahlungswellen;
Und daraus abgeleitet wird die aus dem angloamerikanischen stammende Differenzierung von subjektiv empfundenen Lichteinheiten (Land et al. 1971, Arend et al. 1993), deren begriffliche Bedeutung allerdings nicht immer einheitlich verwendet wird:
  • Brightness (absolute Helligkeit): Strahlungsintensität, die von einer Vorlage insgesamt kommt und vom visuellen System als Helligkeit wahrgenommen wird;
  • Lightness (relative Helligkeit): Reflexionsbetrag einer Vorlage, den das visuelle Systems aus der wahrgenommenen Strahlungsintensität zu entnehmen versucht;
Die Begriffe Lightness und Brightness werden sowohl im Rahmen der Wahrnehmungswissenschaften als auch z.B. in der Foto- und Bildschirmtechnik verwendet. Generell wird dabei die Wirkung der Helligkeit bzw. des Grautons als unmittelbar von einer Figuration reflektierten Strahlungsenergie und der zusätzlich wirkenden Helligkeit der Umgebungsbeleuchtung bestimmt (Brightness). Durch die Umgebungsbeleuchtung kann der Eindruck der Helligkeitsreflexion eines Objektes beeinträchtigt, also z.B. als heller oder dunkler empfunden werden. Im Wahrnehmungsvorgang wird daher versucht, den spezifischen Reflexionsgrad, also den Grauton eines Objektes aus dem Gesamteindruck der Lichtverhältnisse abzuleiten (Lightness). Dabei werden mit der einstrahlenden Beleuchtungsstärke benachbarte und vergleichbare Grau- oder Farbtöne (Adaptives Fenster) und ggf. gedanklich verfügbare Vorstellungen zum jeweiligen Objekt berücksichtigt. Die Helligkeit als reflektierte Strahlungsenergie und die Helligkeit der Umgebungsbeleuchtung (Brightness).

wird unterschieden

von dem Grauton (Helligkeit) eines Objektes, der aus dem Gesamteindruck der Lichtverhältnisse abgeleitet wird (Lightness).

Bei ausreichender und gleichmäßiger Beleuchtung oder Ausleuchtung einer Vorlage (vgl. Kap. 1.3) wird die Wirkung einer Grauton- oder Farbtonfläche kaum beeinflusst, so dass der physikalisch messbare Strahlungswert unter Einbeziehung des jeweiligen Beleuchtungswertes ohne wesentliche Einschränkungen auf das Auge trifft und visuell verarbeitet werden kann. Es gibt in der Praxis der Wahrnehmung aber Situationen, in denen der visuelle Eindruck der Helligkeit oder des Grautons eines Objektes gestört wird und die oben angedeuteten Bedingungen der Strahlung und Beleuchtung von Helligkeit (Brightness / Lightness) zum Tragen kommen. Bei „normaler“ Beleuchtung wird die Wirkung einer Grauton- oder Farbtonfläche kaum beeinflusst.
Besonders bei einer über eine Vorlage verlaufende Zu- oder Abnahme der Strahlungsintensität, z. B. von einer seitlich positionierten, relativ schwach leuchtenden Lampe, entstehen für das Auge bei physikalisch identischen Grautonflächen erhebliche Abweichungen, die durch visuelle Vergleiche des Helligkeitsendrucks korrigiert oder gemittelt werden müssen. Oder bei Teilüberdeckung einer Vorlage durch Schattenbildung (Schlagschatten) entstehen scharfe Helligkeits- oder Grautonkanten, die Ähnlichkeiten mit Grenzbildungen von unterschiedlichen Grautonflächen aufweisen können. Dieses Phänomen tritt auch ähnlich bei 3D-Abbildungen auf, bei denen beispielsweise Farbton- oder Grautonbereiche durch uneinheitliche Grautonflächen, die von einer angenommenen Lichtseite abgewandt liegen, überlagert und zergliedert werden (vgl. Gilchrist 1979). Beeinflussungen treten auf:

bei einer seitlich positionierten, relativ schwach leuchtenden Lampe,

bei Teilüberdeckung einer Vorlage durch Schattenbildung (Schlagschatten),

bei 3D-Abbildungen, bei denen Farbton- oder Grautonbereiche durch angelegte Schattierungen überlagert werden.

In technischer Hinsicht wirken sich die beiden Helligkeitsgrößen bei der Regulierung der Helligkeitseinstellung am Monitor aus. Dabei werden für die Optimierung des Bildes für gewöhnlich sämtliche Farbkanäle um einen gleichen Wert als Brightness heller oder dunkler geregelt. Als Lightness kann zusätzlich noch berücksichtigt werden, wie hell die Ausgangsfarben waren, wonach, um einen vergleichbaren Helligkeitseindruck zu erhalten, dunkle Farben stärker aufgehellt werden als helle Farben.  

Bei der Regulierung der Helligkeitseinstellung am Monitor können beide Größen berücksichtigt werden.

2.6.2 Verarbeitung von Helligkeit

Wie in 2.5.1 dargestellt, bilden drei Typen von Sinneszellen (Zapfen) mit unterschiedlichen Sehfarbstoffen die Grundlage für die Unterscheidung von Gelb-, Rot- und Grüntönen. Die rezeptive Verarbeitung der jeweiligen Zapfentypen ergibt, ausgehend von der Intensität, Verteilung und Mischung (Addition) der Reizung, entsprechende spektrale Farbtöne. Eine gleichmäßige Reizung aller Zapfentypen ergibt dagegen die Eindrücke Grau bis Weiß. Im Zwischenhirn (Thalamus) werden die Signale in antagonistisch organisierten Kanälen als Hell-Dunkel, Rot-Grün und Blau-Gelb weiterverarbeitet. Der Blau wahrnehmende Kanal erhält Informationen von den Blauzapfen, der gelbe dagegen Signale als Summe der grünen und roten Zapfen (vgl. Kap. 2.5.2). Eine gleichmäßige Reizung aller Zapfentypen ergibt die Eindrücke Grau bis Weiß.
Die Verarbeitung im Helligkeitskanal verläuft dagegen anders, in dem die Wertdifferenz zwischen einem Punkt der Netzhaut und seiner Umgebung gebildet wird. Dazu vereinigen sich die erregenden Signale aller drei Zapfenarten der jeweiligen Netzhautposition im Zentrum der Zelle und werden zum Zellenrand gegen den hemmenden Output abgeglichen. Aufgrund der Differenzbildung zwischen Zentrum und Umgebung ergibt sich ein gleichbleibender Eindruck von Schwarz und Weiß bei wechselnder Beleuchtung, da das Verhältnis zwischen den beiden reflektierten Lichtmengen gleich bleibt. Aufgrund der Differenzbildung zwischen Zellzentrum und -umgebung ergibt sich ein gleichbleibender Eindruck von Schwarz und Weiß bei wechselnder Beleuchtung.
Mit der Annahme von drei Farbkanälen erklärt sich auch die Überlegung, ob Grautonabstufungen Erscheinungen der Farbwahrnehmung sind. Neuronal ergibt sich der Sachverhalt, dass Farbtöne durch die beiden Farbkanäle und den Helligkeitskanal bestimmt werden, so dass in jedem Farbton ein Anteil Helligkeit mitwirkt und im Umkehrschluss, dass in jeder Helligkeitsabstufung auch Farbsignale enthalten sind. In jedem Farbton wirkt ein Anteil Helligkeit mit, so dass in jeder Helligkeitsabstufung auch Farbsignale enthalten sind.

2.6.2.1 Adaptions- und Kontrasterscheinungen
Wichtige Phänomene der Helligkeitswahrnehmung sind Adaptions- und Kontrasterscheinungen. Bei der Helligkeitsadaption ist, wie in Kap. 1.2.1 ausgeführt wurde, der auffälligste Mechanismus die reflexartige Veränderung der Pupillengröße. Der größte Beitrag zur Hell-Dunkel-Adaptation ergibt sich aber durch die Sinneszellen selbst, in dem die lichtempfindlichen Photorezeptoren der Netzhaut ihre Empfindlichkeit in Abhängigkeit von der Beleuchtungsstärke ändern können. Die Dynamik der Adaption von Hell nach Dunkel bzw. Dunkel nach Hell ist aber, wie oben ausgeführt, unterschiedlich.
Die Erscheinung des Helligkeitskontrastes wird auf verschiedene Zusammenhänge bezogen:
Der größte Beitrag zur Hell-Dunkel-Adaptation ergibt sich durch die Sinneszellen, da sie ihre Empfindlichkeit an die Beleuchtungsstärke anpassen können.
  • Kontrast als Helligkeitsspanne zwischen der größten und geringsten Strahlung, die für eine Wahrnehmungssituation zur Verfügung steht oder erforderlich ist und in Farb- und Helligkeitsabstufungen unterschieden wird;
  • Kontrast als Unterschied zwischen zwei Helligkeits- oder Grautonstufen oder als Abstand einer Helligkeitsstufe zu Weiß bzw. Schwarz;
  • Kontrast als Übergang zwischen zwei Grautonstufen, der als Verstärkung des Helligkeitsunterschieds wahrgenommen wird.
Kanten und Grenzflächen bilden die Grundlage der visuellen Kontrastwahrnehmung. Bei Objektoberflächen oder graphischen Figurationen werden nicht primär Potenzialniveaus sondern Potenzialdifferenzen als Unterschied zwischen Helligkeiten und Farbtönen abgeleitet, wobei besonders die Grenzbereiche und Kanten, also die Flächenübergänge und nicht die Flächen füllenden Farb- oder Grautöne, selbst registriert und kognitiv weiterverarbeitet werden. Die Kantenbildung wird zum einen durch den Effekt der Umfeldhemmung (lateralen Inhibitation; vgl. Kap. 1.2.2 u.3.4.1.1) unterstützt und zum anderen durch Sakkadenbewegungen der Augen (Mikrosakkaden), die den Erhalt des Wahrnehmungsbildes fördern, was besonders auch die Position und Geometrie der Kantenstruktur von Kontrastunterschieden betrifft. Die Kantenbildung wird durch den Effekt der Umfeldhemmung und zum anderen durch die Sakkadenbewegungen der Augen unterstützt.

2.6.2.2 Wirkung von Helligkeitskontrasten
Die Wirkung von Helligkeitskontrasten ist abhängig von dem allgemeinen Helligkeitsniveau (Beleuchtungsintensität), auf dem Helligkeitsreflexionen erfolgen und in Ausgabepotenziale der Retina umgewandelt werden. Wie in Kapitel 1.3 ausgeführt, liegt der Helligkeitsbereich, in dem die Augen Kontraste wahrnehmen können, zwischen einer Leuchtdichte von 10−4 cd/m2 und 104 cd/m² und umfasst damit rd. 8 Beleuchtungsstufen. Allerdings ist die Unterscheidungsfähigkeit von Kontrasten, also die Wahrnehmung minimaler Kontraste und von Helligkeitsstufen (Grautonstufen), wesentlich abhängig von der umgebenden Beleuchtungsintensität. Obwohl sich die Augen sukzessive auf bestimmte Helligkeitsniveaus einstellen können, liegt die maximale Kontrastwahrnehmung im „mittelhellen“ Bereich und nimmt davon ausgehend bei zunehmender Leuchtdichte gering, bei geringerer Leuchtdichte aber relativ stark ab. Die maximale Kontrastwahrnehmung liegt im mittelhellen Bereich und nimmt bei zunehmender Leuchtdichte gering, bei geringerer Leuchtdichte relativ stark ab.
Tab. 26.1

Tab. 26.1 (nach Sczepek 2011): Minimale Helligkeitsunterschiede (Kontrast) bei abgestuftem Umgebungslicht; 1 Lambert (L) = 3183 cd/m² (Leuchtdichte), 1 Millilambert (la) = 3,183 cd/m²

Nach den empirisch ermittelten Werten der Tabelle 26.1 muss bei optimaler Beleuchtung (-1.7 log ΔL / L) ein Grauton bzw. Helligkeitsreiz (L) um ca. 1 – 2% der Ausgangshelligkeit (ΔL) als Kontrast erhöht werden, um noch unterschieden werden zu können. Bei abnehmender Beleuchtungshelligkeit nimmt die Unterscheidungsfähigkeit bis zu einem Faktor 6 ab; bei zunehmender Helligkeit lässt die Unterscheidungsfähigkeit geringer nach.
Insgesamt spielt bei der visuellen Verarbeitung von Helligkeitskontrasten eine ganze Reihe von Faktoren eine Rolle. Wichtigster Sachverhalt ist nach Sczepek (2011, S. 104ff), „dass unsere Wahrnehmung nur dann eine spürbar stärkere Empfindung registriert, wenn der Zuwachs in einem gleich bleibenden Verhältnis zum vorangehenden Reiz steht. Je größer der Ausgangsreiz ist, desto größer muss auch das Ausmaß der physikalischen Veränderung sein“ (vgl. dazu auch das sog. Weber-Fechner-Gesetz der Reizverarbeitung). Je größer der Ausgangsreiz ist, desto größer muss auch das Ausmaß der physikalischen Veränderung sein.
Diese Erkenntnis wirkt sich auf die Definition von sog. gleichabständigen Grautonskalen aus, bei denen ein Zuwachs an physikalischen Grauwerten zwischen Weiß und Schwarz angestrebt und vom Betrachter als gleichförmig empfunden wird. Es ist allerdings immer noch nicht abschließend geklärt, nach welcher Progression der physikalische Reizzuwachs erfolgen muss (logarithmisch, exponentiell oder als Polynomfunktion), um diese Empfindung zu erreichen (vgl. Koch 2001a). Ebenfalls stellt sich die Frage, welche Anzahl von unterscheidbaren Graustufen bei verschiedenen Beleuchtungen in bestimmten Helligkeitsbereichen (Graustufen) unterschieden werden können. Dies sind Fragen, die für die rezeptive und kognitive Informationsverarbeitung in Karten von erheblichem Interesse sind. Es ist noch nicht geklärt, nach welcher Progression der physikalische Reizzuwachs erfolgen muss, um eine gleichmäßige Empfindung zu erreichen.