Die Wahrnehmung von Licht und Farbe durch das menschliche Auge ist bestimmten physiologischen Einschränkungen unterworfen, die entscheidenden Einfluss auf die Verwendung von Farbe zur Folge hat [s] . So kann man sich bestimmte Eigenschaften des Wahrnehmungsapparates für die Optimierung der Bildcodierung zu Nutze machen.

Das Auge ist das wichtigste Sinnesorgan. 90 % der gesamten Information wird über die Augen und das nachgeschaltete Gehirn aufgenommen. Das Auge ist eines unserer kleinsten Organe. Es ist auch kein eigenständiges Organ wie z.B. das Herz, sondern ein Teil des Gehirns. Der Augapfel ist annähernd kugelförmig, im Mittel 24 mm lang und nur wenige Gramm schwer. Physikalisch ähnelt das Auge einer Fotokamera. Durch die vordere Öffnung (Pupille) gelangt das Licht ins Auge. Ihre Größe wird von der Regenbogenhaut (Iris) wie bei der Kamerablende verändert. Je geringer die Lichtintensität, umso mehr weitet sich die Pupille und lässt mehr Licht ins Auge. Bei hoher Lichtintensität verengt sie sich und schützt das Auge vor Überbelichtung.

Der dioptische (lichtbrechende) Apparat besteht aus einer durchsichtigen Hornhaut (Kornea), den Augenkammern, der die Pupille bildenden Iris, der Linse und dem Glaskörper. Die hintere innere Oberfläche des Auges wird von der Retina (Netzhaut) ausgekleidet. [s] [s]

Die wichtigen Strukturen des Auges werden nun noch etwas genauer erklärt.

Die Linse und der Glaskörper haben die Aufgabe, einfallende Lichtstrahlen zu brechen um sie auf die Netzhaut zu fokussieren. Die Brennweite der Augenlinse ist bei gegebener Krümmung sehr stark abhängig von der Wellenlänge. Dieser Effekt wird als Dispersion bezeichnet. Das führt dazu, dass die Betrachtung eines Bildes mit abwechselnd roten und blauen Bereichen (Rot hat die größte und Blau die kleinste Wellenlänge des sichtbaren Lichts) eine fortwährende Änderung der Linsenkrümmung erfordert – das Auge ermüdet. Die Änderung der Linsenkrümmung geschieht mit Hilfe der Zilliarmuskel, die seitlich an der Linse ansetzen. Ein verwandter Effekt ist die Chromostereopsie: Reine Farben in gleicher Entfernung erscheinen subjektiv in unterschiedlicher Entfernung. Objekte mit Farben am roten Ende des Spektrums scheinen am nächsten zu liegen. Reines Blau wird im Mittel vor der Retina fokussiert – ein blaues Schild erscheint daher in der Nacht unscharf. [s]

Das Innere des Augapfels wird von etwa 126 Millionen Sinneszellen ausgekleidet. Diese rund 400.000 Zellen pro mm² registrieren das einfallende Licht. Die Retina enthält zwei verschiedene Fotorezeptoren (Duplizitätstheorie): Mit den Stäbchen der Netzhaut wird bei Sternenlicht oder Dunkelheit gesehen (Dämmerungssehen, skotopisches Sehen). Hier kann man nur Helligkeitsunterschiede, aber keine Farben wahrnehmen. Bei Tageslicht kann man durch die Zapfen zusätzlich noch Farben unterscheiden (Farbsehen, photopisches Sehen). Die Zapfen finden sich hauptsächlich im zentralen Bereich der Netzhaut, der als Gelber Fleck (Fovea Centralis) bezeichnet wird. Sie ist für das Tageslichtsehen die Stelle des schärfsten Sehens. Die Stäbchen befinden sich vornehmlich in den peripheren Bereichen. Somit ist das Auge bei geringer Beleuchtung in den Randbereichen empfindlicher. Die Zapfen selbst wiederum weisen drei verschiedene spektrale Empfindlichkeiten auf. Dies wird als Trichromatikbezeichnet [s] :

• Blauempfindliche Zapfen haben die maximale Empfindlichkeit bei einer Wellenlänge von 430 nm. Sie sind zu ca. 4 % vertreten und sind innerhalb der Zapfenverteilung am Rand angeordnet.
• Grünempfindliche Zapfen mit einer maximalen Empfindlichkeit bei 530 nm sind zu 32 % vertreten und im zentralen Bereich konzentriert.
• Rotempfindliche Zapfen sind für Wellenlängen um 560 nm, also eigentlich im gelben Bereich des Spektrums besonders sensibel. Damit eine ausreichende Rotempfindlichkeit gewährleistet ist, stellen diese Zapfen 64 % der gesamten Anzahl dar. Sie sind im mittleren Abstand zum Zentrum zu finden.

Da die blauempfindlichen Zapfen vorwiegend in den Randbereichen angeordnet sind, verschwinden kleine, blaue Objekte sobald sich das Auge darauf konzentriert. Die Retina spielt noch eine wichtige Rolle bei der Signalverarbeitung: Die Fotorezeptoren sind für die Kontrasterhöhung untereinander verschaltet. Die Stäbchen sind dabei weit wichtiger als Zapfen. Dehalb erscheinen Kanten welche einzig durch Farbunterschiede gebildet werden unscharf. Zur Kantenerkennung sind Helligkeitsunterschiede (Stäbchen) wichtiger als Farbunterschiede (Zapfen). [s] [s]

An der als Blinder Fleck bezeichneten Stelle verlässt der Sehnerv die Netzhaut. An dieser Stelle sind kaum Stäbchen und Zapfen vorhanden. Bevor das Signal in die Sehzentren des Großhirns geleitet wird, erfährt das Signal in einem Teil des Zwischenhirns eine Farbverarbeitung. Aus den separaten Signalen für Rot, Grün und Blau werden drei neue Signale gebildet ( Opponententheorie, Gegenfarbentheorie) [s] :

• Das Differenzsignal Rot - Grün (R - G) zur Rot - Grün Unterscheidung
• Das Summensignal Rot + Grün = Gelb (R + G = Y) zur Helligkeitswahrnehmung und Gelbwahrnehmung
• Das Differenzsignal Gelb - Blau (Y - B) zur Blau - Gelb Unterscheidung

Das Helligkeitssignal Y wird auch Luminanzsignal genannt. Daraus kann man folgern, dass Blau für die Helligkeitswahrnehmung keine Bedeutung hat. Weiters ist es aufgrund dieser Signalkombinationen nicht möglich, Farbtöne wie etwa "rötlich-grün" oder "bläulich-gelb" wahrzunehmen. Diese Farben werden kontrastiert und nicht gemischt. Die Tatsache, dass die Farbe Gelb den Helligkeitseindruck bestimmt, ist auf die Oberflächentemperatur und damit auf die Oberflächenfarbe der Sonne zurückzuführen. Im Laufe der Evolution hat sich die spektrale Empfindlichkeit an die zur Verfügung stehende Strahlung angepasst. [s]

Die zwei Wahrnehmungstheorien die nun vorgestellt wurden, waren ursprünglich konträre Theorien, die einander widersprachen. Heute werden die Opponententheorie und die Trichromatik zur Zonentheoriezusammengefasst. Diese besagt, dass die Trichromatik für die Prozesse der Fotorezeptoren gilt und die Gegenfarbentheorie die Vorgänge in der neuronalen Singnalverarbeitung erklärt. [s]

Farbsehen ist die Fähigkeit, zwischen verschiedenen Wellenlängen des Lichtes (verschiedenen Farben) zu unterscheiden. Wie oben beschrieben gibt es drei Typen von Zapfen, die jeweils ihren spezifischen Empfangsbereich haben. Die den drei Empfangsbereichen entsprechenden Farben nennt man die drei Urfarben: Violettblau, Grün und Orangerot. Durch die Variationsmöglichkeit ergeben sich aus den drei Urfarben acht Grundfarben: zwei unbunte (Weiß, Schwarz) und sechs bunte (Violettblau, Grün, Orangerot, Gelb, Magenta, Zyan).

• Grün + Orangerot = Gelb (Y)
• Violettblau + Orangerot = Magenta (M)
• Violettblau + Grün = Zyan (C)

Werden alle drei Zapfentypen gleichzeitig mit entsprechender Intensität angesprochen, dann kommt es zur Entstehung der Empfindung Weiß:

Violettblau + Grün + Orangerot = Weiß

Beim Fehlen jeglichen Reizes kommt die Farbempfindung Schwarz zustande.

Farbe selbst ist keine Eigenschaft eines Materials. Unsere Außenwelt ist eigentlich farblos, aber jede Oberfläche hat ein gewisses Absorptionsvermögen von elektromagnetischen Wellen. Trifft Licht auf einen Körper, so wird ein bestimmter Teil absorbiert, der Rest reflektiert oder, wie es bei durchsichtigen Körpern der Fall ist, durchgelassen. Die Stärke der Absorption hängt vom molekularen Aufbau des Körpers ab. Aus einem Lichtstrahl, der meist aus Wellen unterschiedlicher Frequenz zusammengesetzt ist, werden nur Wellen bestimmter Frequenz reflektiert. Treffen diese auf die Netzhaut, lösen sie in den Sehzellen Impulse aus, die ins Sehzentrum geleitet werden. Erst dort kommt es zu einer Farbempfindung. Farbe existiert also nur als Sinnesempfindung des Betrachters. Eine weiße Oberfläche reflektiert Wellen aller Frequenzen. Schwarz hingegen absorbiert die Lichtstrahlen völlig (siehe Abbildung). Die Sinnesempfindung Grau geht auf gleiche Anteile aller Frequenzen zurück, jedoch sind die Anteile geringer als bei Weiß. [s] [s]