pattern sensitivityCampbell & Robson (1968)

pattern sensitivity

• wie gut nimmt man einfache Muster wahr?• Schwellenmessung:

– UV: Kontrast und Raumfrequenz

Typische Stimuli: eindimensionale GitterSinusfunktion bestimmt HelligkeitsschwankungVariation durch Kombination von Sinusschwingungen

warum ist das interessant?

• Erkennung von kontrastreichen Strukturen– Kanten

• Grundlegende visuelle Verarbeitung (V1)– Aufschluss über Verarbeitungsmechanismen

• Kanten strukturieren visuelle Information– Objekterkennung?

pattern sensitivity

• wie gut nimmt man einfache Muster wahr?• Schwellenmessung:

– UV: Kontrast und Raumfrequenz

• 3 Fragen– Was ist Kontrast?– Was ist Raumfrequenz?– Wie ändert sich die pattern sensitivity

mit der Raumfrequenz?

Kontrast & Raumfrequenz

Kontrast =Lmax- Lmin

2 * L

Lmin= 0.25

Lmax= 0.75

→ Kontrast = 0.5

Lmin= 0

Lmax= 1.0

→ Kontrast = 1.0

Lmin= 0.5

Lmax= 0.5

→ Kontrast = 0

Kontrast & RaumfrequenzKontrastsensitivität ist abhängig von Raumfrequenz

Raumfrequenz = Anzahl Musterwiederholungen / Raum

Sehwinkel der Daumenbreite bei ausgestrecktem Arm: ca. 2°

Niedrige Raumfrequenz Hohe Raumfrequenz

[cpd]cycles per degree

Kontrastsensitivität

Kontrastsensitivität

• Höchste Empfindlichkeit: Muster zwischen 1-10 cpd– passen 2-20 mal auf Daumen

• Für feinere Muster stark abfallende Sensitivität– Natürliche Grenze: etwa ab 76 cpd – blurring d. Auges

• < 1cpd (grob): etwas abfallende Sensitivtät– Neuronale Mechanismen

Kontrastsensitivität

Räumliche Frequenz

Ko

ntr

ast

warum ist das interessant?

• Grundlegende visuelle Verarbeitung (V1)– Aufschluss über Verarbeitungsmechanismen– Idee der linearen Abbildung

• Lineare Verarbeitung im visuellen System– abgeleitet von der Netzhautabbildung– forschungsfreundliche Annahme…– was ist das überhaupt?

Lineare Abbildungen

f(Urbild)

Lineare Abb.: HomogenitätNetzhautabbild Stimulus

x*x*

Lineare Abb.: ÜberlagerungNetzhautabbild Stimulus

+ +

Lineare Abbildungen

• 2 Grundprinzipien:– Homogenität (Gewichtung Urbild = Gewichtung Abbild)– Überlagerung (Abbild = Summe der Einzelteile)

• Anwendung auf visuelles System– Linearität nicht nur von Stimulus zu Netzhaut,

sondern auch von Netzhaut in visuellen Kortex→ Bsp. Nicht-Linearität: Simultaner Farbkontrast

• Test durch zusammengesetzte Stimuli

Fourier-AnalyseEinfachstes Muster: variiert nur in einer Dimension

z.B. Helligkeit in x-Richtung

Helligkeit

1.0

0.5

0.02π

1.0

0.5

0.0 7. Harmonische

1.0

0.5

0.0 5. Harmonische

1.0

0.5

0.03. Harmonische

Fourier-Analyse

2π 2π

5. Harmonische

3. Harmonische

7. Harmonische

Fundamentale

Um π/4 kleiner

Um π/4 grösser

Enthaltene Komponenten Enthaltene Komponenten

sinus square

square vs. sinus

• square lässt sich in sinus zerlegen• Grösste Amplitude: Die Fundamentale

→ Beeinflusst den Kontrast am stärksten

• square vs. sinus mit identischem Kontrast:Fundamentale in square kontrastreicher (um π/4)

Bei linearer Abbildungen der Frequenzen: Welcher Stimuli müsste die niedrigere Wahrnehmungsschwelle haben – square- oder sinus-Welle? Warum?

π/4

square

sinus

square/sinus ratio

Campbell & Robson (1968)

Sensitivität sinus- vs. square-Welle:

• Sensitivität für square grösser

• Verhältnis der empirischen Sensitivitäten:square/sinus = π/4

• Entspricht genau dem Amplitudenverhältnis der fundamentalen Einzelfrequenz– spricht für lineare Abb. der einzelnen Frequenzen

π/4

square

sinus

square/sinus ratio

Warum fällt die square-Sensitivität bei niedrigen Raumfrequenzen weniger stark ab?

Fourier-Analyse

2π 2π

5. Harmonische

3. Harmonische

7. Harmonische

Fundamentale

Um π/4 grösser

Enthaltene Komponenten Enthaltene Komponenten

sinus square

Einfluss der Reizintensität

500 cd / m² sinussquare

0.05 cd / m²sinussquare

andere zusammengesetzte Stimuli

• rectangle-Wellen– duty cycle: a/b– Gewichtung Fundamentale

abhängig vom duty cycle

• sawtooth-Wellen

• Wellenformen, die auch gerade Harmonische enthalten:

a b

rectangle-Sensitivität

• bisher nur Wahrnehmungsschwellen• bei schwellennahem Kontrast:

square & sinus erscheinen gleich→ Wahrnehmung < Diskrimination→ da nur Fundamentale überschwellig

Angenommen, Frequenzen werden unabhängig voneinander linear abgebildet…

Der Wahrnehmungsschwelle welcher Schwingung entspricht dann die Diskriminationsschwelle zwischen einer square- und sinus-Welle?

Diskriminationsschwelle square vs. sinus

Fourier-Analyse

2π 2π

5. Harmonische

3. Harmonische

7. Harmonische

Fundamentale

Um π/4 grösser

Enthaltene Komponenten Enthaltene Komponenten

sinus square

Diskriminationsschwelle square vs. sinus

Square discrimination

sinus threshold

1/3 sinus threshold

Campbell & Robson (1968)

• Ergebnisse sprechen für Linearität

• Wahrnehmungsschwellen zusammen-gesetzter Stimuli entsprechen denen der fundamentalen Schwingung

• Diskriminationsschwellen entsprechen der Schwelle der 1. Harmonischen Schwingung

→ Verschiedene Raumfrequenzen werden unabhängig voneinander neuronal abgebildet

Diskussion

Warum mehrere Frequenzbänder?

• nicht das lineare Abbild wurde gemessen(= neuronale Aktivität)

• sondern Schwellen, also Entscheidungen

• Entscheidungen sind eine weitere Verarbeitung des neuronalen Abbildes– und, da über mehrere Neurone integrierend,

vermutlich nicht linear!

uni-resolution-model (Schade)

Ist da was?

Stimulikomponenten

1 Kanal

neuronal:lineare Abbildung

nicht-linear

Entscheidung

uni-resolution-model: ein Kanal für alle Frequenzen→ Stimulikombination erzeugen EIN lineares neuronales Abbild → Entscheidung = nicht-lineare Verarbeitung EINES Abbildes → da nicht-linear: Schwellen Einzelkomp. ungleich Schwelle Summe

multi-resolution-model (Schade)

Ist da was?

Stimulikomponentenneuronal:

lineare Abbildungennicht-linear

frequenzspez. Entscheidung

multi-resolution-model: frequenzspezifische Kanäle→ Stimulikombination erzeugen mehrere lineare neuronale Abbilder→ Entscheidung = nicht-lineare Verarbeitung jedes Abbildes → Entscheidung ist frequenzspezifisch→ Schwellen Einzelkomponenten determinieren Gesamtschwelle

Ist da was?

Diskussion

• lineare Verarbeitung

• in frequenzspezifischen Kanälen

→ frequenzspezifische Adaptation

• noch Fragen?