Some experiments bearing on the hypothesis that the visual system analyses spatial patterns in independent bands of spatial frequeny Henning, Hertz & Broadbent Vision Research, Volume 15, 1975 Seminar: Visuelle Neurowissenschaften Dozent: Prof. Dr. Gegenfurtner Referentin: Barbara Gohlke

Übersicht Lineares vs. Nichtlineares Filtern Multiresolutionmodell, Campbell These von Henning, Hertz, Broadbent Komplexe Streifenmuster Experimentelles Design Vorexperiment Experiment I Experiment II Experiment III Zusammenfassung

1. Lineare vs. Nichtlineare Verarbeitung Wiederholung: Was beinhaltet ein .... ...lineares Filtermodell visueller Information? Einfaches Aufsummieren (und Gewichten) der Signale Das Signal wird bei der Filterung nicht verzerrt. Unabhängigkeit der Verarbeitung ....non-lineares Filtermodell? Es findet bei der Filterung eine Demodulierung des Stimulus statt (z.B. eine Quadrierung). Das Signal wird hierdurch verzerrt. Die Filter/Kanäle sind nicht unabhängig sondern interagieren

2. Multikanalmodell, Campbell Campbell, Robson (1968): Unabhängige lineare Filtermechanismen sprechen selektiv auf einen bestimmten Raumfrequenzbereich und Orientierung an Experimente zur selektiven Adaptation (Verminderte Kontrastempfindlichkeit im adaptierten Frequenzbereich) Wandell (1995)

3. These von Henning et al. These von Hennig, Hertz und Broadbent: Die „Kanäle“ (Filter) sind nicht völlig unabhängig voneinander, sondern interagieren und sind nonlinear. Kritik an Campbells Untersuchung: Sie haben nicht zwischen der Periodizität und den Frequenzbereichen der einzelnen Frequenzkomponenten (von komplexen Sinusmustern) unterschieden.

4. Komplexe Streifenmuster Bei Campbell entsprach die Raumfrequenz des Sinusmusters immer dem Kehrwert der Periode Hennig et al: Haben komplexe Stimuli verwendet, in welchem die einzelnen Frequenzkomponenten nicht der Modulationsfrequenz entsprachen.

4. Komplexe Streifenmuster Max-Planck-Institut, Tübingen

5. Experimentelles Design „2 AFC-Experiment“ Was ist ein 2 AFC Experiment? = Two alternative forced choice contrast detection experiment 2 Intervalle Beide Intervalle wurden durch Töne getrennt In einem dieser beiden Intervalle sollte ein Signal (Streifenmuster) entdeckt werden. 2 Bedingungen: Das Signal wird vor uniformen Hintergrund dargeboten Das Signal wird vor einem Maskierungsmuster dargeboten

5. Experimentelles Design Maskierung Signal + Mask = Sum Wandell, B. (1995)

6. Vorexperiment Das zu entdeckende Signal war ein einfaches Sinusstreifenmuster mit einer Frequenz von 7,6 c/deg . Es wurde dargeboten Ohne Maskierung Mit einem einfachen Maskierungsmuster mit 1,9 c/deg und 17,4 Prozent Kontrast (= 2 Oktaven unter dem Signal) Mit einem einfachen Maskierungsmuster mit 3,8 c/deg und einem Kontrast von 17,4 % (= 1 Oktave unter dem Signal) Der Kontrast von Maske und Signal war fixiert, nach 50 Trials wurde dann der Signalkontrast geändert Signalkontrast: Lmax – Lmin Lmax + Lmin

6. Vorexperiment Ergebnis Beide Maskierungsmuster (1 oder 2 Oktaven unter der Frequenz des Signalmusters) führten zu keiner veränderten Antwortleistung (Wahrnehmung des Signalmusters) der VP. Welche Schlussfolgerung kann man aus den Ergebnissen ziehen? Hennig, Hertz, Broadbent (1975)

7. Experiment I Zu detektieren: komplexer Stimulus Dieser bestand aus 3 Komponenten hoher räumlicher Frequenzen: Ein 9,5 c/deg Sinuswellenmuster (dies ist der Carrier bzw. „Trägerfrequenz“) mit einem Kontrast von 6,3 %. zwei weitere Frequenzen („Seitenbänder“) mit 7,6 und 11,4 c/deg und 17,4 % Kontrast. Die Modulationsfrequenz (1,9 c/deg) entspricht der Frequenz des Maskierungsmusters Max-Planck-Institut, Tübingen

7. Experiment I Randomisiert dargeboten in den beiden Intervallen: Darbietung der Trägerfrequenz Darbietung des komplexen Signals Die beiden Seitenbänder sind die zu detektierenden Signale (= Detektieren von Kontraständerungen der Seitenbänder) Die Seitenbänder waren gleich im Kontrast (17,4 %), aber ihr Kontrast wurde im Verhältnis zum Carrier verändert = Modulationstiefe Modulationstiefe: gibt des Kontrast der Seitenbänder in Relation zum Carrier an.

7. Experiment I Zwei Bedingungen: Darbietung der Signale vor einem uniformen Hintergrund (Luminanz des Hintergrundes) Darbietung der Signale vor 1,9 c/deg Maskierungsmuster mit 17,4 Prozent Kontrast Die Modulationsfrequenz des komplexen Stimulus entsprach der Frequenz des einfachen Sinusmusters = 1,9 c/deg D.h. = beide haben die gleiche Periodizität, obwohl sie Bänder unterschiedlicher Frequenzen beinhalten!

7. Experiment I Luminanz, Spektogramm L(s)=A(1+mcos 2 fos) cos2 (k+1) fos+L ¯ Spatial position Spatial freq. Luminance L(s)=A cos 2 (k+1)fos+L A 2 . L 1 . fo 1 . (k+1)fo (k+2)fo kfo a) Komplexer Stimulus (9,5 + 7,4 + 11,4 c/deg) b) Carrier (9,5 c/deg) Henning, Hertz & Broadbent, 1975

7. Experiment I Ergebnis Die Seitenbänder zu erkennen ist deutlich beeinflusst durch die Präsentation eines niederfrequenten Maskierungsgitters. Henning, Hertz & Broadbent, 1975 Beachte: Diese Interaktion tritt selbst dann auf, wenn das niederfrequente Muster (Maske) keinen Effekt hat auf die Komponente des komplex Stimulus mit der niedrigsten Frequenz (7,6 c/deg) = Wie im Vorexperiment

7. Experiment I Wieso sprechen die Ergebnisse aus Experiment I gegen eine Signalverarbeitung in unabhängigen (frequenzspezifischen) Filtern?

8. Experiment II Zu detektieren: niederfrequenter Stimulus (1,9 c/deg Sinusmuster) 3 Bedingungen: Dargeboten auf uniformen Hintergrund Dargeboten mit komplexem Stimulus Dargeboten mit einem 7,6 c/deg-Stimulus (= dem niedrigsten Seitenband des komplexen Stimulus) Ergebnis: = Wie in Experiment I Vp brauchte auch hier (beim AM) viel mehr Kontrast um das niederfrequente Muster zu erkennen

9. Experiment III In Experiment 1 wurde die Kontrastmodulation viel früher erkannt, wenn kein niederfrequentes Maskierungsmuster vorhanden war. These: sie detektierten ein niederfrequentes Verzerrungsmuster (durch Nonlinearität entstanden) Experimentalbedingung wie in Experment 2, nur die Maskierungsstimuli verändert: Quasi-frequency-modulated Stimulus, QFM Noise-Stimulus Warum diese Stimuli? Weil man bei beiden davon ausgeht, dass bei beiden nur ein schmales niederfrequentes Verzerrungsprodukt entsteht (bei niederfrequenter Modulation). Vermutung: aufgrund der niedrigen Verzerrung werden diese Stimuli weniger gut zur Detektierbarkeit von niederfrequenten Mustern beitragen.

9. Experiment III Ergebnis: Weder der Noise-Maskierungsstimulus noch der QFM hatten einen so großen Maskierungseffekt wie der kontrastmodulierte Maskierungsstimulus aus Experiment 2. Schlussfolgerung: Dort, wo nur eine schmale niederfrequente Verzerrung zu erwarten ist (Noise und QFM) gibt es wenig Maskierung. Bei einem großem Verzerrungsprodukt (wie bei dem kontrastmodulierten Stimulus): viel Maskierung = Nonlinearität?

10. Zusammenfassung Ein niederfrequentes Muster kann das Erkennen von Komponenten eines komplexen hochfrequenten Stimulus beeinträchtigen (Exp 1) Stellt in Frage, ob das visuelle System wirklich immer im Sinne einer Fourieranalyse die Muster in einzelne Sinuswellen zerlegt und in unabhängigen Kanälen verarbeitet. Aber: keine Interaktion zwischen dem niederfrequenten Muster (1,9 c/deg) und der niedrigsten Komponenten des hochfrequenten Stimulus (7,6 c/deg) Im Vorexperiment keine Interaktion zwischen einfachen Sinusmustern unterschiedlicher Frequenz gefunden

10. Zusammenfassung Wahrscheinlich: Verschiedene Verarbeitungsstufen im visuellen System Aufeinanderfolge von linearen und nicht-linearen Signaltransformationen durch die das Eingangssignal fortlaufend umkodiert wird Lineare Filter: luminanzdefnierte Stimuli, Anschluss: Non-lineare Transformation, letztlich: wieder lineares Verarbeiten Oder doch eher getrennte Verarbeitungspfade (linear vs. nonlinear)? Nonlinearität: kortikal vs. subkortikal? (z.B. Frühe Verzerrungsprodukte, die dann durch lineare Filter weiterverarbeitet werden)