Ist das Rot, das Sie sehen, eigentlich blau? Wie unsere Augen getäuscht werden

Schauen wir uns zunächst gemeinsam ein Bild an. Ist auf dem Bild eine Dose der gewöhnlichen roten Coca-Cola zu sehen? Manche Leute werden sagen: „Ich traue meinen Augen, es ist absolut wahr, es muss dort sein.“ Aber beeilen Sie sich nicht. Vergrößern Sie dieses Bild auf Ihrem Mobiltelefon- oder Computerbildschirm und schauen Sie es sich dann genau an. Haben Sie das Gefühl, dass etwas nicht stimmt? Es schien nur einige schwarze, weiße und blaue Linien darin zu geben, aber kein echtes Rot. Als das Bild jedoch auf seine ursprüngliche Größe verkleinert wurde, erschien die rote Cola-Dose wieder.

Wie lässt sich dieses seltsame Phänomen erklären, das sowohl real als auch illusorisch ist? Ist es wirklich wahr, dass Sie nur Licht sehen, weil in Ihrem Herzen Güte ist? weil Böses in deinem Herzen ist, siehst du nur Dunkelheit. und weil Sie Coca-Cola im Herzen tragen, sehen Sie nur rote Dosen?

Wenn Ihre Sehkraft Sie täuscht, seien Sie nicht traurig oder besorgt, das Light Science Center beantwortet Ihre Fragen zur Optik. Es kommt nicht selten vor, dass auf einem Foto Farben zu sehen sind, die aus dem Nichts auftauchen. Dies hängt mit der Art und Weise zusammen, wie das Foto Farbinformationen darstellt. Ob Kamera, Display, Drucker oder Projektor – alle Arten digitaler Bildgebungsgeräte stellen ein Bild in Form einer Pixelanordnung dar. Vereinfacht ausgedrückt besteht das gesamte Bild aus vielen kleinen Quadraten als Grundeinheiten, jedes kleine Quadrat wird als Pixel bezeichnet und hat seine eigene Farbe.

Vor zwanzig oder dreißig Jahren war die Bildqualität der ersten elektronischen Spielkonsolen schlecht, die Auflösung niedrig, jeder Pixel groß und das Bild wirkte immer „gitterartig“, wie ein Mosaik. Später, mit der Entwicklung der Anzeigetechnologie, nahm die Anzahl der Pixel in einem Bild zu und die Größe jedes einzelnen Pixels wurde kleiner, sodass das gesamte Bild immer realistischer aussah und einzelne Pixel unsichtbar schienen. Doch egal, wie sich die Dinge veränderten, die Form des Pixel-Arrays blieb dieselbe. Natürlich werden Ihnen die beliebten NFT-Avatare, die von CryptoPunk repräsentiert werden, aufgrund des Retro-Trends immer noch ein klares „Pixelgefühl“ vermitteln (der Fachname von NFT lautet Non-Fungible Token, nicht fungibles Token).

Wir sprechen oft von Schwarzweißfotos und Farbfotos, Schwarzweißfilmen und Farbfilmen. Tatsächlich sollte sich „Schwarzweiß“ auf „Graustufen“ beziehen. Obwohl es keine Farbe enthält, weist es einen kontinuierlichen Übergang von tiefem Schwarz, Dunkelgrau, Mittelgrau, Hellgrau bis zu tiefem Weiß auf (konkret kann es durch Graustufenwerte von 0 bis 255 dargestellt werden), was ebenfalls ein beträchtliches Maß an Bildwirkung und Ausdruckskraft mit sich bringen kann. So setzte der Regisseur des berühmten Films „Schindlers Liste“ in den 1990er Jahren in den meisten Bildern bewusst Graustufeneffekte ohne Farbe ein. Aufgrund technischer Einschränkungen sind echte Graustufen jedoch manchmal nicht möglich. Beispielsweise kann ein einfacher Drucker oder Bildschirm in jedem Pixel nur volles Schwarz (0) und volles Weiß (255) anzeigen, was so ist, als hätte er nur zwei Pinsel: reines Schwarz und reines Weiß. Dies kann als echte binäre Schwarzweißanzeige bezeichnet werden. Ein guter Koch kann nicht ohne Reis kochen. Es erfordert einige Überlegung, ein Foto mit unterschiedlichen Grautönen an unterschiedlichen Positionen zu zeichnen.

Wenn wir beispielsweise dieses Graustufenfoto eines Ausländers anzeigen möchten und die Graustufenwerte verschiedener Pixel direkt an reines Schwarz oder reines Weiß annähern, wird das Hellgrau zu Weiß und das Dunkelgrau zu Schwarz „aufgerundet“. Das Endergebnis ist genauso schrecklich wie das zweite Bild, ein komplettes „Clownsgesicht“. Das dritte Bild wirkt deutlich angenehmer, als ob die Graustufentiefe variabel wäre und es nicht nur zwei Farben, Schwarz und Weiß gäbe. Aber wenn man genau hinschaut, gibt es immer noch nur diese beiden Arten von Pixeln. Es wird lediglich ein Algorithmus namens „Fehlerdiffusion“ [1] verwendet, um das Schwarz-Weiß-Pixelverhältnis in verschiedenen Bereichen sinnvoll zu steuern. Die relativ dichten schwarzen Punkte stellen den dunklen Bereich dar und die relativ dichten weißen Punkte stellen den hellen Bereich dar. Die räumliche Verteilung wird gegen die Genauigkeit der Farbtiefendarstellung ausgetauscht. Es ist wie Magie und bietet ein komplettes Graustufen-Seherlebnis.

Dasselbe lässt sich mit einer begrenzten Anzahl von Pinseln erreichen, um unzählige farbenfrohe Variationen zu erstellen. Bei der Farbanzeige sind Rot, Grün und Blau die drei Grundfarben. Durch Mischen von rotem und grünem Licht kann gelbes Licht entstehen, durch Mischen von grünem und blauem Licht kann cyanfarbenes Licht entstehen und durch Mischen von rotem und blauem Licht kann violettes Licht entstehen. Das Ergebnis der Mischung aller drei Primärfarben ist weißes Licht. Im Idealfall kann ein Pixel die Grundfarben Rot, Grün und Blau (RGB) des Lichts gleichzeitig erzeugen und die Intensität der drei Kanäle lässt sich frei einstellen, sodass sich verschiedene Farben problemlos mischen lassen. Aber Ideale sind schön, die Realität jedoch grausam. Wenn ein Pixel nur Rot oder Blau allein anzeigen kann, wie kann man es dann mit Lila kombinieren?

In den Schachbrettmustern unten ist jedes Quadrat rot oder blau, im Verhältnis 1:1. Von links nach rechts werden die Pixel kleiner und dichter, je kleiner das Raster wird, und es scheint, als würden Rot und Blau nach und nach verschwinden, bis das gesamte Muster schließlich violett wird. Das ist tatsächlich falsch! Alle Pixel in allen Mustern (einschließlich des Musters ganz rechts) enthalten nur Rot und Blau. Lila ist eine Illusion, die durch die Verschmelzung roter und blauer Pixel im menschlichen Auge entsteht. Anders ausgedrückt: Eine Farbe, die nicht existiert, wird aus dem Nichts wahrgenommen.

Im linken Bild unten hat jeder Pixel nur 256 mögliche Farben, was es schwierig macht, sattere Farbstufen auszudrücken. Nach einer sinnvolleren Verteilung der Pixel wird das Bild rechts jedoch deutlich ansprechender für das Auge.

Wir können neue Farben „aus dem Nichts“ durch die räumliche Verteilung einer begrenzten Anzahl von Farbpixelpositionen erzeugen, und die Zeitdimension ist eine andere Möglichkeit. Um ein einfaches Beispiel zu nennen: Viele Menschen müssen in ihrer Jugend ein solches Spiel gespielt haben. Aus Pappe eine kleine Scheibe formen, diese abwechselnd rot und gelb anmalen und dann mittig eine kleine Säule durch die kleine Scheibe stecken, sodass sich die kleine Scheibe schnell wie ein Kreisel drehen kann. Was werden Sie sehen? Das stimmt, die kleine Scheibe ist weder rot noch gelb, aber die beiden Farben „wechseln“ schnell an Ihren Augen vorbei und werden auf die orange Farbe in der Mitte „angepasst“. Wenn auf dem Bildschirm ein Video abgespielt wird, entspricht dies tatsächlich Dutzenden von statischen Bildern, die jede Sekunde schnell hintereinander aufblinken. Das menschliche Auge verfügt über einen Persistenzeffekt, der die beiden Farben vermischt. Auf diese Weise werden die beiden Primärfarben abwechselnd und schnell angezeigt, was Ihre Augen auf natürliche Weise täuschen kann, sodass sie nach der Fusion die neue Farbe sehen.

Tatsächlich haben die oben genannten Bildverarbeitungstricks einen besonderen Namen: Dithering. Diese Geschichte beginnt vor mehreren Jahrzehnten während des Zweiten Weltkriegs. Damals waren elektronische Computer noch nicht erfunden und die Bomber des US-Militärs konnten zur Berechnung von Flugrichtungen und Bombenkurven nur mechanische Computer verwenden. In einem großen Karton befanden sich zahlreiche Zahnräder und Hebelteile. Obwohl die Rechengenauigkeit nicht sehr gut war, war es auch ziemlich empfindlich und anfällig für Stöße und Stürze. Das Auf- und Absteigen im Bombercockpit war nicht so bequem wie das Sitzen auf dem Sofa zu Hause. Die größte Sorge der Menschen bestand darin, dass durch die heftigen Erschütterungen Teile abfallen könnten, wodurch der mechanische Computer ausfallen könnte, das Flugzeug seinen Kurs verlieren könnte und Bomben versehentlich auf die eigene Position abgeworfen würden, was große Probleme verursachen würde. Dieser Computer funktionierte jedoch recht gut und wurde durch die Erschütterungen im Flugzeug nicht beschädigt. Überraschender ist, dass die Berechnungsergebnisse genauer waren als bei der sicheren Anwendung am Boden, was ein Rätsel ist. Da es dieses „seltsame Temperament“ hat, haben die Ingenieure einmal speziell einen Vibrator entwickelt, um den Flugzustand zu simulieren, damit der mechanische Computer das Fluggefühl am Boden erleben und die Berechnungsgenauigkeit verbessern kann.

Warum arbeiten diese Jungs besser, nachdem sie im Flugzeug durchgeschüttelt wurden? Dies liegt vor allem daran, dass frühe mechanische Teile nicht wie heutige Computer auf viele Dezimalstellen genau sein konnten, sondern nur über eine begrenzte Anzahl von Ziffern verfügten. Unter der Annahme, dass die Genauigkeit nur auf zehn Stellen (100, 110, 120, 130, 140, ...) liegen kann, muss die Einerstelle gerundet werden. Beispielsweise kann 123 nur als 120 und 128 nur als 130 ausgedrückt werden. Dies ist offensichtlich nicht zuverlässig genug. Nach schrittweisen Berechnungen häufen sich die Fehler immer mehr. Anstatt 123 jedes Mal mit dem „Shortweight“ 120 auszudrücken, ist es klüger, 123 manchmal mit 120 und manchmal mit 130 auszudrücken. Da es jedoch näher an 120 liegt, sollte der durch 120 dargestellte Anteil etwas größer sein, genauso wie das Mischen einer Tasse kochenden Wassers und einer Tasse eiskalten Wassers in entsprechenden Anteilen warmes Wasser mit einem gewissen Grad an Hitze oder Kälte dazwischen ergeben kann. Durch das Schütteln des mechanischen Computers entsteht ein Fehler, der dazu führt, dass die Berechnung, die normalerweise jedes Mal gerundet wird, manchmal fehlschlägt und die Zahl „vier“ und die Zahl „fünf“ gerundet werden. Durch Zufall wird der Effekt der „numerischen Mischung“ erzielt. Diese Methode, einige zufällige kleine Fehler hinzuzufügen, um die großen Fehler zu beseitigen, die durch Rundungen während der Berechnung entstehen, ist eine brillante Idee, „Gift mit Gift zu bekämpfen“. Dies ist die früheste Quelle der Dithering-Technologie [2].

Im Jahr 1946, nach dem Ende des Zweiten Weltkriegs, wurde an der University of Pennsylvania der weltweit erste moderne elektronische Digitalcomputer ENIAC geboren. Mechanische Computer sind allmählich aus der Geschichte verschwunden, doch die Dithering-Technologie erstrahlt in einer neuen Phase der Farbanzeigetechnologie. Eines der heiklen Probleme, mit denen verschiedene Kameras und Displays seit den frühen Entwicklungsstadien bis heute konfrontiert sind, wenn es darum geht, die farbenfrohe reale Welt originalgetreu aufzuzeichnen und wiederzugeben, ist der Mangel an einer großen Farbvielfalt. Dies war vor Jahrzehnten insbesondere beim Zeitungs- und Zeitschriftendruck sowie bei Fernseh- und Computerbildschirmen deutlich zu erkennen. Ähnlich der Dithering-Methode, die in frühen Computern verwendet wurde, um das Problem der unzureichenden Anzahl von Bits zur Darstellung numerischer Werte zu lösen, können wir, genau wie ein Maler eine Palette verwendet, mehrere vorhandene Farben verwenden, um nicht vorhandene Farben zu mischen. Da das menschliche Sehvermögen nicht besonders gut ist, können wir winzige Pixel, die sehr nahe beieinander liegen, oder Pixel, die sich zu unterschiedlichen Zeitpunkten schnell verändern, zur virtuellen Farbanpassung miteinander kombinieren. Dank der technologischen Entwicklung können die gängigsten Handy-Displays heute eine große Farbpalette direkt unterstützen, und es besteht keine Notwendigkeit, neue Farben aus dem Nichts zu erschaffen. Viele professionelle Anzeigegeräte, die in bestimmten Szenarien in Laboren verwendet werden, sind jedoch aufgrund von Leistungseinschränkungen immer noch stark auf verwandte Technologien angewiesen, wie etwa Flüssigkristall-Raumlichtmodulatoren und digitale Mikrospiegelgeräte für holografische dreidimensionale Anzeigen [3][4][5].

Kommen wir abschließend noch einmal auf die rote Coca-Cola-Dose vom Anfang des Artikels zurück. Dies ist eine weitere Fehleinschätzung der Farbe durch das menschliche Auge. Das Erdbeerbild unten hat eine ähnliche Wirkung. Um einen solchen Bildeffekt zu erzeugen, besteht die konkrete Methode darin, das ursprüngliche normale Farbfoto in viele kleine Punkte oder feine Linien zu zerlegen. Nehmen wir beispielsweise Zeilen und teilen Sie sie in zwei verschachtelte Gruppen auf. In einer Gruppe wird der Rotanteil der Linienpixel auf 0 gesetzt, so dass die ursprünglich roten Teile dieser Linien schwarz bzw. die ursprünglich nicht roten Teile cyan erscheinen. Lassen Sie in der anderen Gruppe die rote Komponente unverändert, stellen Sie jedoch die Intensitätswerte der grünen und blauen Komponenten auf das Maximum (Übersättigung) ein, und diese Linien sehen weiß aus. Beide Arten von Zeilensprungverfahren entsprechen einer Erhöhung der Intensität von Grün und Blau und einer Verringerung der Intensität von Rot, was dem Betrachten des Originalfotos durch einen Filter entspricht, der rotes Licht entfernt. Das gesamte Bild scheint mit einem cyanfarbenen Schleier bedeckt zu sein. In diesem Fall erscheinen sogar Objekte schwarz, die eigentlich rot sind. Umgekehrt neigen das menschliche Auge und das Gehirn bei Objekten, die oberflächlich schwarz erscheinen, instinktiv dazu, sie wieder rot zu färben. Auf diese Weise werden Cola-Dosen und Erdbeeren „rot gefärbt“. Dies wird als Farbkonstanz-Illusion bezeichnet[7].

Quelle: Wissenschaft nach Hause bringen