18.05.2009 Visuelle Wahrnehmung 1

Helligkeitswahrnehmung und Helligkeitsillusionen

Dozent: Dr. Alexander SchützReferent: Tobias ZahnSeminar: Visuelle Wahrnehmung A

Gliederung

1. Einstieg2. Wichtige Definitionen3. Illusionen und Lösungsevidenzen4. Diskussion der Klausurfragen5. Quellenverzeichnis

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1.Einstieg in das Thema (Licht und Schatten)

„Every light is a shade, compared to the higher lights, till you come to the sun; and every shade is a light, compared to the deeper shades, till you come to the night.“

John Ruskin (1879)

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1.Einstieg in das Thema

• Menschliche Berechnung von Helligkeit ist imperfekt, stellt die Umwelt aber in den meisten natürlichen Situationen gut dar

• Probleme treten bei Konfrontationen mit unnatürlichen Szenen, speziell bei Illusionen auf

• Nachfolgend betrachten wir, was wir anhand von Helligkeitsillusionen über

unsere Helligkeitswahrnehmung lernen können

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2.Wichtige Definitionen

Luminance: Menge sichtbaren Lichts, welches von einer Oberfläche insAuge einfällt

Illuminance: Lichtmenge, welche auf eine Oberfläche, von einer Lichtquelleausgehend, einfällt

reflectance: Reflexionsgrad = Anteil, des von einer Oberfläche zurückgestrahlten Lichts

Luminance, illuminance und reflectance sind physikalischeMengeneinheiten, welche mit diversen physikalischen Geräten messbar sind

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2.Wichtige Definitionen

lightness: wahrgenommene reflectance einer Oberfläche – Versuch des

visuellen Systems, reflectance basierend auf den luminances in den Szenen zu extrahieren

brightness: wahrgenommene luminance, wahrgenommene Intensität

des vom Objekt zurückgestrahlten Lichts

lightness und brightness sind subjektiv empfundene Einheiten

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2.Wichtige Definitionen

Helligkeitskonstanz: Fähigkeit, verschiedene Flächen bei

unterschiedlichen Lichteinflüssen konstant wahrzunehmen

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3.Der Simultan-Kontrast-Effekt

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3.Der Simultan-Kontrast-Effekt

Wahrheit: Beide innere Quadrate aus selben Grauton Illusionserklärung: Linkes Quadrat In Peripherie und an Kanten des Quadrats-

weniger starke Hemmung des rezeptiven Feldes der Retina als im rechten Quadrat-Dadurch denkt sich visuelles System die Erregung in Mitte heller als sie wirklich ist

Center-surround inhibition

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3.Craik-O´Brien-Cornsweet Effekt (COCE)

3.Craik-O´Brien-Cornsweet Effekt (COCE)

Wahrheit: Beide Vierecke sind identisch und luminance ebenfalls

Illusionserklärung: Rechtes Viereck erscheint heller aufgrund des Übergangs des dunklen Kontrastes in der Mitte

denken wir ist objektbezogene Kante-dabei projezierte Kante Harte Kante in Mitte, nebenan weiche, deshalb wird subjektiv

eine stärkere reflectance rechts wahrgenommen

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3.Verarbeitungsebenen

High-level: Kognition – Wahrnehmung ist das Produkt von Inferenzen, d. h.

Wahrnehmungsinterpretation aufgrund von unvollkommenen Datenbild und vorherigen Erfahrungen

Low-level: -Aufnhame des Lichts mit Retina -Lokale Interaktion mittels rezeptiven Feldern

Mid-level: -Gestaltpsychologen – Koffka - Gruppierung (Nachbarschaft, Ähnlichkeit…) -Grenzen und Konturen

Helligkeitsverarbeitung benötigt alle Ebenen

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3.Grenzen der low-level Prozesse

• Helligkeitskonstanz wird aus Helmholtz Sicht durch Schlussfolgerung aus der illuminance erreicht

• Low-level Prozesse reichen bei der Beschreibung der natürlichen Umgebung nicht aus, sondern die Involvierung des ganzen visuellen Systems ist erforderlich

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3.Knill und Kersten´s illusion

3.Knill und Kersten´s illusion

Wahrheit: Beide Objekte in A sind identisch, genau wie Objekte in B Beide gleiche COCE-ramps Beide selbe luminance Illusionserklärung: -In A werdem die ramps als Schatten interpretiert, -In B wird Kante zwischen Objekten als Objektkannte wahrgenommen -Durch diese unterschiedlichen Anordnungen/Gruppierungen

nehmen wir A als identisch war und das rechte Quadrat von B heller war

Mid-level - Gestaltansatz

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3.Koffka-Ringe

3.Koffka-Ringe

Wahrheit: Kreis in A, 2 Halbkreise in B und die beiden geschlängelten

Kreise in C sind aus gleichem grauton Illusionserklärung: -A Das Grau des Kreises ist identisch -B Rechter Halbkreis wirkt dunkler, da simultaner Kontrast→

durch räumliche Anordnung manipuliert wird -C Rechte geschlängelter Kreis wirkt hier am dunkelsten, durch

Verschiebung und Änderung des direkten Umfelds Mid-level-Gestaltansatz

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3.„Checker-block“

3.„Checker-block“

Wahrheit: Diagonal gegenüberliegende Flächen haben gleichen Grauton

Illusionserklärung p und q: -gleiche reflectance aber -Unterschied in luminance und deswegen Unterschied in

brightness, deshalb scheint p heller zu sein Illusionserklärung q und r: -Gleiche illuminance aber r hat größer reflectance und dadurch

höhere luminance llusionserklärung p und r: Haben wahrscheinlich die selbe luminance, aber unterschiedlich in lightness und brightness

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3.Das Problem der Helligkeitskonstanz

Physikalische Sicht des Problems:

Illuminance ( Beleuchtungsstärke ) = E (x,y) Reflectance ( Reflexionsgrad )= R (x,y) Luminance (Leuchtdichte )= l (x,y)

L (x,y) = e (x,y) * r (x,y)

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3.Lösungsvorschläge

• Aus mathematischer Sicht ein unlösbares Problem, da E und R willkürliche Funktionen sind und für jedes E ein eingeschätztes R existiert, dass das Bild produziert

• Trotzdem kann das visuelle System diese ziemlich gut berechnen

• Deswegen Annahme: E und R sind doch keine willkürlich wählbaren Parameter und beschränkt durch die statistischen Beschaffenheiten unserer Umwelt

3.„Checker-Block“

Jeder Kantendetektor oder Filter würde eingekreistelte Kanten als identisch ansehen

Tatsächliche Wahrnehmung:• Obere:

Illuminanceunterschied• Untere:

Reflectanceunterschied

» FIGURE 24.8 (a) The local ambiguity of edges

3.„Checker-Block“

Interpretationstheorie:• Unser visuelles System setzt die beiden Kanten in

einen höheren Kontext• Dies passiert durch die Berücksichtigung

verschiedener Junktionen

Junktionen = Platz, an welchem 2 oder mehrere Kanten ineinander übergehen

3.„Checker-Block“

Junktionstypen Ψ-Junktion:• Trennung 2er

illuminancestärken• Trennung 2er

reflectancestärken

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3.Das gewellte Karo

3.Das gewellte Karo

Wahrheit: Die beiden Quadrate sind aus dem gleichen grau

Illusionserklärung: -A: Die obere Stelle scheint dunkler zu sein, jedoch weisen

beide gleiche illumination auf -Wechsel in den Ψ-Junktionen beeinflusst Wahrnehmung der

3D-Oberflächenorientierung, somit nehmen wir die obere Fläche dunkler wahr

-B Durch die veränderte Form ist zusätzlich die illuminance unten stärker und somit könnte der wahrgenommene Kontrast größer als in A sein

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3.Das gewellte Karo

3.Das gewellte Karo

Kritik von Tudorovic: -c illuminance gleich + Form, welche 3D-

Effekte ausschliesst -Trotzdem bleibt Illusion

-d Hinweis laut Gilchrist: -Visuelle System berechnet in 2D -Ψ-Junktionen als gruppierende Elemente

der 2D-Anordnung Mid-level-Gestalt

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3.Das gewellte Karo

• Das löst ein Teil des Helligkeitsproblems, jedoch absoluter reflectance-Anteil ist unbekannt

• Land und McCann legten als fixe Größe weiß fest mit max. luminance fest

Alle Graus können relativ zu weiß skaliert sein =- größte luminance-Regel-- Zusatz: Größte Fläche tendierd dazu weiß bzw. hell

zu erscheinen

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3.Simultan-Kontrast-Effekt 2

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3.Simultan-Kontrast-Effekt 2

• Der verstärkte Kontrast bzw. Illusion wird durch den Term articulation erreicht. ( Katz 1935 ), obwohl luminance weiterhin gleich

• Bezieht sich auf die Anzahl verschiedener Oberflächen innerhalb einer Region

• Im Labor: Stärke des illusorischen Kontrasts kann so gedoppelt

werden

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3.Statistische Einschätzung

Annahme:

Die statistische Einschätzung ist Beitrag dazu, wie wir verschiedene Helligkeiten aus verschiedenen luminances und reflectances ziehen Quasi Intepretationshilfe für subjektive Wahrnehmung

3.Adaptive Window

Gebiet, welches man fokussiert:

• Wächst, wenn zu wenig Infos vorhanden sind

• Schrumpft, wenn zu viele Infos vorhanden sind

• Annahme: Ecken sind weich und Kreis oder Elipse ergibt sich

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3.Atmosphären

- Illuminance ist nur ein Faktor, welcher die luminance entsprechend einer gegebenen reflectance determiniert

- Atmosphäre = Raum zwischen einer Person und seinem fokussierten Objekt

-Dazwischen können Filter wie z.B Sonnenbrille, Nebel, Trübung, Blendlicht etc. liegen und mit multiplikativen Effekten wie illuminance kombiniert werden, um die Atmosphäre zu bilden

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3.Atmosphären

Meisten physikalische Effekte führen zu linearen Transformationen

Atmosphären-Transfer-Funktion (ATF)

L = mR+e L=luminance r=reflectance e= additive Lichtquelle, Filter m= determiniert durch Lichtmenge, welche auf eine

Oberfläche fällt

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3.CrissCross illusion

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3.CrissCross illusion

Wahrheit: Die kleinen gekippten Rechtecke sind aus selben

Grauschattierung

Illusionserklärung: -Ψ-Junktionen entlang vertikaler Kanten bauen

starke atmosphärische Grenzen auf -Innerhalb jeden vertikalen Streifens gibt’s 3

luminances und multiple Kanten, um articulation aufzubauen.

-Kombi der Tricks führt zur Annahme, dass umgekippte Rechtecke in dunklen Streifen heller wirken

Illusion funktioniert auch ohne 3D

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4.Klausurfagen

1. Nennen Sie die Unterschiede der high-,low- und mid-levels!

2. In welchen Situationen funktioniert bei uns Menschen Helligkeitskonstanz sehr gut und in welchen nicht?

4.Antworten der Klausurfragen

Zu 1: High-level= Wahrnehmungsinterpretation auf kognitiver Ebene Low-level= Lichtaufnahme mit Retina Lokale Interakion der rezeptiven Felder mid-level= Wahrnehmungsinterpretation mittels Gestaltansätzen wie Gruppierungen, Grenzen und

Konturen

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4. Antworten der Klausurfragen

Zu 2: -Besonders gut in natürlichen Situationen -In unnatürlichen Situationen sehr schlecht

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5.Quellenverzeichnis

-Adelson, E. H. Lightness Perception and LightnessIllusions. In The New Cognitive Neurosciences, 2nd ed.,M. Gazzaniga, ed. Cambridge, MA: MIT Press,pp.339-351, (2000)-Persönliches Gespräch mit Tutor Simon Koch-www.surgeoncommodore.co.uk -perceptualstuff.org

-www.allpsych.uni-giessen.de/hansen/teaching/

SeminarVisuelleWahrnehmung/referate

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Vielen Dank für eureAufmerksamkeit!