Kontrast und Raumfrequenz

Seminar: Visuelle Wahrnehmung

Referentin: Lena-Eowyn Dienelt

Dozent: Dr. Alexander C. Schütz

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Gliederung

1. Einführung

2. Bezug zum visuellen System

3. Fourieranalyse im visuellen System

4. Kontrastwahrnehmung des Menschen (2 Versuche)

5. Kontrastwahrnehmung der Katze

6. Mensch und Katze im Vergleich

7. Take-home message & Klausurfragen

8. Diskussion

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Einführung

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

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Einführung

•Kontrast = Helligkeitsdifferenz zwischen benachbarten Flächenelementen

•Raumfrequenz = Ordnung der Abfolge verschiedener Flächenelemente in einem regelmäßigen Abstand

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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)

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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?

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Bezug zum visuellen System

•besondere Kontrastempfindlichkeit für bestimmte Raumfrequenzen (siehe auch Musik)

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Fourieranalyse

•Fourieranalyse= Zerlegung eines Signals in seine Frequenzanteile

•einfachste akustische Signal ist die reine SinuswelleWie könnte ein sinusförmiges Muster aussehen? /Was würde dieser Welle in der visuellen Wahrnehmung entsprechen?

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Fourieranalyse

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Fourieranalyse

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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

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Fourieranalyse

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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?

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Kontrastwahrnehmung des Menschen

•Versuch 1:–Versuchsperson muss Kontrast bei verschiedenen Gittern so einstellen, dass das Muster gerade noch erkennbar ist

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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

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Kontrastwahrnehmung des Menschen

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Kontrastwahrnehmung des Menschen

•Versuch 2

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Kontrastwahrnehmung des Menschen

•Ergebnis 2:

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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)

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Kontrastwahrnehmung der Katze

•mit letzterer Methode Schwellen auch bei Tieren berechenbar

Was denkt ihr? Sehen Katzen besser oder schlechter als Menschen?

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Kontrastwahrnehmung der Katze

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Kontrastwahrnehmung der Katze

•Mikroelektrodentechnik

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Kontrastwahrnehmung der Katze

•Ergebnis der Mikroelektrodentechnik:–verschiedene Zellen sprechen auf engen Bereich von Raumfrequenzen an–jede Zelle auf einen Bereich abgestimmt

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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

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Kontrastwahrnehmung der Katze

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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

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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)

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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

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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

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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

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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

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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

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Eventuelle Klausurfragen

•Welche beiden Methoden gibt es beim Menschen, um die Raumfrequenz zu ermitteln, bei der wir die kleinsten Kontraste wahrnehmen?

1. Man kann die Versuchspersonen den geringst möglichen Kontrast einstellen lassen, der gewährleistet, dass ein Muster noch erkannt wird.

2. 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.

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Diskussion

•Psychophysik ohne Psychologie?

•Reicht die antrainierte Reaktion der Katze als Beweis bzw. als Ersatz für das Beantworten von Fragen?

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Quellen

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