Kontrast und Raumfrequenz Seminar: Visuelle Wahrnehmung Dozent: Dr. Alexander C. Schütz Referentin: Lena-Eowyn Dienelt

Gliederung Einführung Bezug zum visuellen System Fourieranalyse im visuellen System Kontrastwahrnehmung des Menschen (2 Versuche) Kontrastwahrnehmung der Katze Mensch und Katze im Vergleich Take-home message & Klausurfragen Diskussion 26.04.2009

Einführung Was verbindet ihr mit Kontrasten und wisst ihr bereits über sie? 26.04.2009

Einführung Kontrast = Helligkeitsdifferenz zwischen benachbarten Flächenelementen Raumfrequenz = Ordnung der Abfolge verschiedener Flächenelemente in einem regelmäßigen Abstand 26.04.2009

Bezug zum visuellen System Fähigkeit Details wahrzunehmen hängt davon ab: wie gut visuelles System Kontraste unterscheiden kann wie groß das Netzhautbild ist (geringe Empfindlichkeit für Kontraste in Mustern mit kleinen Flächenanteilen) 26.04.2009

Bezug zum visuellen System Wer kennt ein Alltagsbeispiel, in dem wir vorhandene Kontraste nicht mehr erkennen, weil sie sehr gering oder in engen Mustern vorliegen? 26.04.2009

Bezug zum visuellen System besondere Kontrastempfindlichkeit für bestimmte Raumfrequenzen (siehe auch Musik) 26.04.2009

Fourieranalyse Fourieranalyse= Zerlegung eines Signals in seine Frequenzanteile einfachste akustische Signal ist die reine Sinuswelle Wie könnte ein sinusförmiges Muster aussehen? /Was würde dieser Welle in der visuellen Wahrnehmung entsprechen? 26.04.2009

Fourieranalyse 26.04.2009

Fourieranalyse 26.04.2009

Fourieranalyse Der Kontrast: Hier Änderung der Helligkeit zur mittleren Helligkeit des Musters Die Raumfrequenz: Hier die Anzahl der Helligkeitsminima und –maxima innerhalb eines Sehwinkels von 1° 26.04.2009

Fourieranalyse komplexe Muster durch Überlagerung verschiedener Sinuswellen durch Addition der 5.,7.,etc. Harmonischen (Vielfaches der Grundfrequenz) Muster wird immer schärfer Annäherung an Rechteckwellengitter mit starkem Kontrast 26.04.2009

Fourieranalyse 26.04.2009

Fourieranalyse Fazit: Laut dieser Theorie werden durch Addition der Harmonischen höhere Raumfrequenzen erzeugt Es bleiben die Fragen: Welche dieser Frequenzen sehen wir besonders gut? Wie wird das erforscht? 26.04.2009

Kontrastwahrnehmung des Menschen Versuch 1: Versuchsperson muss Kontrast bei verschiedenen Gittern so einstellen, dass das Muster gerade noch erkennbar ist 26.04.2009

Kontrastwahrnehmung des Menschen Ergebnis 1: Wahrnehmung ist bei einer Frequenz von 3 Perioden pro Sehwinkel optimal (schwächster Kontrast sichtbar) wahrnehmbar ist eine Raumfrequenz bis 50 Perioden pro Sehwinkel (bei sehr hohem Kontrast) Überraschung: Großes wird nicht zwangsläufig besser gesehen 26.04.2009

Kontrastwahrnehmung des Menschen Versuch hierzu 26.04.2009

Kontrastwahrnehmung des Menschen 26.04.2009

Kontrastwahrnehmung des Menschen Versuch 2 26.04.2009

Kontrastwahrnehmung des Menschen Versuch 2: evozierte Potentiale, die im visuellen Cortex entstehen, werden registriert Versuchsperson sieht Gitter mit verschiedenen Raumfrequenzen aufblinken Blinken führt zu Potentialauslösung Mittelung der Potentiale 26.04.2009

Kontrastwahrnehmung des Menschen Ergebnis 2: 26.04.2009

Kontrastwahrnehmung des Menschen Ergebnis 2: es ergibt sich linearer Zusammenhang somit fiktive Amplitude von 0 feststellbar, heißt: kein Ausschlag Muster wird also nicht erkannt/gesehen 26.04.2009

Kontrastwahrnehmung des Menschen Fazit der Versuche: Beweis für erwähnte Abhängigkeit der Kontrastsensitivität von Raumfrequenz Kurve der Schwellenpunkte= Grenze des Sichtbaren Übereinstimmende Ergebnisse in Versuch 1 und 2. (theoretische Schwellenbestimmung scheint möglich) Psychophysik ohne Psychologie??? (Diskussion) 26.04.2009

Kontrastwahrnehmung der Katze mit letzterer Methode Schwellen auch bei Tieren berechenbar Was denkt ihr? Sehen Katzen besser oder schlechter als Menschen? 26.04.2009

Kontrastwahrnehmung der Katze 26.04.2009

Kontrastwahrnehmung der Katze Mikroelektrodentechnik 26.04.2009

Kontrastwahrnehmung der Katze Ergebnis der Mikroelektrodentechnik: verschiedene Zellen sprechen auf engen Bereich von Raumfrequenzen an jede Zelle auf einen Bereich abgestimmt 26.04.2009

Kontrastwahrnehmung der Katze Probleme: Katze nicht befragbar unklar ob genauso, wie beim Menschen Lösung: Training der Katze bei Musterwahrnehmung ein Signal zu geben Ergebnis: übereinstimmende Ergebnisse der Messung und des Trainings/Signals 26.04.2009

Kontrastwahrnehmung der Katze 26.04.2009

Kontrastwahrnehmung der Katze optimale Kontrastempfindlichkeit für Katzen bei 0,3 Perioden (vergleiche beim Menschen: 3) ab 0,5 Perioden Katzen geringere Kontrastempfindlichkeit als Mensch bei hohen Raumfrequenzen Probleme bei niedrigen Frequenzen Details sehr früh erkannt 26.04.2009

Kontrastwahrnehmung der Katze Fazit: Katze ist auf das Sehen von zehnmal niedrigeren Frequenzen angepasst, als der Mensch Die Wahrnehmungsschwelle scheint bewiesen aber ist das eine Tatsache? (Diskussion) 26.04.2009

Mensch und Katze im Vergleich Simulation 1 des Sehens einer Katze : Linsen, die extrem kurzsichtig machen, also hohe Raumfrequenzen dämpfen (Zellen für diese Frequenzen kaum aktiv) Problem 1: solche Zellen für hohe Raumfrequenzen sind bei Katze nicht vorhanden 26.04.2009

Mensch und Katze im Vergleich Simulation 2 des Sehens einer Katze: schauen durch 2 umgedrehte Ferngläser alles wird kleiner & nur noch sehr Großes/Nahes kann gesehen werden der Rest wird aber nicht unscharf Problem 2: Perspektivenwechsel, da unklar, ob die Katze wirklich alles zehnmal kleiner sieht 26.04.2009

Mensch und Katze im Vergleich Versuch: Ball an Faden wird geschwungen hat der Ball ca. 1cm Durchmesser, bemerkt die Katze ihn schon aus einigen Metern Entfernung und jagt ihm nach hat der Ball 4mm Durchmesser bemerkt sie ihn erst ab weniger als 1m Entfernung entfernt man den Ball auf über 1m wird er für Katze unsichtbar 26.04.2009

Mensch und Katze im Vergleich Fazit: Annahme, dass Katze so scharf wie wir sieht, nur im Nahbereich besser Katze sieht Vogel mit 20cm Flügelspannweite aus ca. 60m Entfernung, jedoch keine Details Katze sieht den Mond als Scheibe, jedoch keine Einzelheiten der Oberfläche 26.04.2009

Take-home message Die Kontrastempfindlichkeit ist eine Funktion der Raumfrequenz Die Kontrastschwellen sind beim Menschen theoretisch und praktisch bestimmbar und bilden eine Kurve, die als Grenze des Sichtbaren bezeichnet werden kann Die Katze sieht im Nahbereich besser 26.04.2009

Eventuelle Klausurfragen Welche beiden Methoden gibt es beim Menschen, um die Raumfrequenz zu ermitteln, bei der wir die kleinsten Kontraste wahrnehmen? Man kann die Versuchspersonen den geringst möglichen Kontrast einstellen lassen, der gewährleistet, dass ein Muster noch erkannt wird. Durch die Technik der evozierten Potentiale kann die Schwelle theoretisch bestimmt werden Bei wie vielen Perioden pro Sehwinkel in einfachen Sinusgittern sind wir am kontrastempfindlichsten und wo liegt dieses Optimum bei der Katze? Bei 3 Perioden ist das visuelle System des Menschen am empfindlichsten, bei Katzen sind es 0,3. 26.04.2009

Diskussion Psychophysik ohne Psychologie? Reicht die antrainierte Reaktion der Katze als Beweis bzw. als Ersatz für das Beantworten von Fragen? 26.04.2009

Quellen „Kontrast und Raumfrequenz“ von Fergus W. Campbell und Lamberto Maffei 26.04.2009