europe_false_jet.jpg Foto: tangrams.github.io

Darstellung des Höhenprofils Europas mittels Falschfarben.

Farbdarstellung in der Wissenschaft

Die Veröffentlichung von Forschungsergebnissen ist ein essenzieller Teil des wissenschaftlichen Arbeitens. Ergebnisbilder und Diagramme sind fast immer Bestandteil wissenschaftlicher Aufsätze, sog. Paper. Zu meiner Zeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter im Bereich Ingenieurwissenschaften an der Universität war das nicht anders, weshalb ich mich intensiv mit diesem Thema auseinandergesetzt habe. Nun gehöre ich aber zu den Menschen mit einer Grünschwäche (Deuteranopie), weshalb ich nachfolgend ein paar Herausforderungen beschreiben möchte.

Während bei Diagrammen die Farben der Balken, Linien, Kuchenstücke und Weiterer frei wählbar sind, hat sich bei bildgebenden Messtechniken die Darstellung von Ergebnisbildern in sogenannten Falschfarben etabliert. Hochsensible Kameras und andere zweidimensionale und ortsaufgelöste Messtechniken erzeugen üblicherweise nur ein Intensitätsbild, vergleichbar zu einem Schwarz/Weiß-Bild. In der Falschfarbdarstellung wird jeder Intensität eine Farbinformation in Form einer Falschfarbkarte bzw. Colormap zugewiesen, typischerweise im RGB-Format. Lange Zeit war die Darstellung in den sogenannten Jet-Farben etabliert, da dies die Standard-Falschfarbdarstellung von Matlab war und ebendieses Matlab in der Wissenschaft aufgrund seiner Vielseitigkeit sehr etabliert ist. Andere Programme benutzen teilweise ähnliche Falschfarbdarstellungen.

Ergebnisbilder werden in Falschfarben dargestellt.

Probleme bei der Interpretation roter und grüner Farben

Jet hat eine Farbskalierung, welche von Blau über Grün und Gelb nach Rot geht. Speziell der breite Bereich von Grün nach Rot bereitet Menschen mit einer Farbsehschwäche erhebliche Probleme. Die Falschfarbdarstellung macht eine Interpretation der Ergebnisse nahezu unmöglich. Grün liegt im Bereich von 50% Intensität und Rot bei 100%, was dazu führt, dass wesentliche Unterschiede in der dargestellten Intensität teilweise von Menschen mit Farbsehschwächen nicht so aufgefasst und interpretiert werden können.

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Eine Simulation bildet nicht die komplette Realität von Betroffenen ab.
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Falschfarbenbild (Jet), welches das Höhenprofil der Alpen visualisiert.

Um Fehlinterpretationen in meinen Forschungsprojekten zu vermeiden, habe ich die Falschfarbkarte in beide Richtungen (Minimum und Maximum) erweitert. Vor Blau habe ich noch Schwarz eingefügt und nach Rot kam noch Magenta. Mit dieser Erweiterung verschwand der problematische Bereich nicht, wurde aber im Verhältnis zur gesamten Palette wesentlich kleiner und der Extrembereich mit Magenta war für mich wieder klar zu unterscheiden.

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Falschfarbenbild (Viridis), welches das Höhenprofil der Alpen visualisiert.

Im Team einer unserer Industriekunden gab es einen Kollegen, welcher komplett farbenblind (Achromatopsie) ist. Er war es gewohnt, die reinen S/W-Bilder anzuschauen, da er hier auch feinste Intensitätsnuancen unterscheiden konnte. Die Falschfarbdarstellung war für Ihn untauglich, da die Farbe mit der höchsten Intensität, nämlich Gelb, nicht am oberen Ende des Spektrums angesiedelt war. Für ihn entwickelten wir die Falschfarbdarstellung von Schwarz über Blau, Grün und Gelb nach Weiß. Hier entsprechend entwickeln sich die gewählten Farben in der Intensität von Dunkel nach Hell.

Paper zur Problematik von Falschfarben und Farbsehschwächen in der Wissenschaft

Erst nach meiner Zeit als wissenschaftlicher Mitarbeiter ist mir ein Paper zu Händen gekommen, welches sich mit dem Thema Farbdarstellung in der Wissenschaft auseinandersetzt. Als ich den Aufsatz gelesen hatte, dachte ich mir nur: „Endlich macht das mal jemand deutlich!“. Hätte ich dieses Paper früher gehabt, ich hätte es regelmäßig an Kollegen verteilt.

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Simulation diverser Ergebnisbilder.

Der Autor hat sich nicht nur in diesem Aufsatz mit dem Thema Farbdarstellung und -wahrnehmung in der Wissenschaft auseinandergesetzt. Beispiele mit vielen weiteren Verweisen sind auf seiner Homepage zu finden. Konkret werden die Nachteile der etablierten Colormaps herausgearbeitet und warum diese für die verschiedenen Arten der Farbsehschwäche untauglich sind. Es werden auch Falschfarbdarstellungen vorgestellt, welche genau diese Probleme beheben bzw. neue Vorschläge gemacht. Als wichtigstes Ergebnis ist zu nennen, dass die Falschfarbkarte sich in der Helligkeit linear steigern sollte. Jet und Turbo aus Matlab entsprechen eben nicht diesen Anforderungen. Viridis und BatlowW erfüllen diese gut bis sehr gut. Die von mir entwickelte Colormap von Schwarz über Blau, Grün, Gelb nach Weiß tut das teilweise.

Ich möchte jedem, der wissenschaftlich publiziert, ans Herz legen, diese Regeln zu befolgen und entsprechende Falschfarbdarstellungen zu wählen. Die etablierten Colormaps – v.a. Jet – sind leider immer noch sehr präsent, obwohl sie für farbsehschwache Wissenschaftler und auch Wissenschaftlerinnen absolut untauglich sind.

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Thomas Vogel stieß kurz nach der Gründung von Farbsehschwaeche.de dazu. Im normalen Leben ist er Ingenieur, wohnt ihn Herzogenaurach und möchte aktiv daran mitwirken, dass die Erfordernisse von Farbsehschwachen im täglichen Leben berücksichtigt werden. Bevor er in die Industrie wechselte, war er an der "Erlangen Graduate School in Advanced Optical Technologies" und kennt sich daher ein bisschen mit den physikalischen Hintergründen aus.