Tiefensehen

• Der uns umgebende drei-dimensionale Raum wird auf die zwei-dimensionale Netzhaut abgebildet

• Auf diesem Bild berechnet das visuelle System die 3D Distanz der Objekte

• Dazu dienen viele verschiedene Tiefenhinweise

• Die Größe unterschiedlich weit entfernter Objekte wird skaliert (Größenkonstanz)

Abbildung

Auf der Netzhaut entsteht ein zwei-dimensionales (umgekehrtes) Abbild der Umwelt

Vieldeutigkeit des Netzhautbildes

Viele verschiedene Umweltreize können zu dem gleichen Netzhautbild führen. Die Körper A und B sowie die auf eine Platte P gezeichnete Figur führen zum selben Netzhautbild.

Blick in den Ames‘schen Raum

Der Ames‘sche Raum

Wie funktioniert das?• Im Ames‘schen Raum sind die Winkel und

Entfernungen so verzerrt, dass das Netzhautbild auch von einem zwei-dimensionalen, rechtwinkligen Raum stammen könnte

• Wegen der unterschiedlichen Entfernungen ist die Größe auf der Netzhaut aber sehr unterschiedlich

• Daher sehen die verschiedenen Personen verschieden groß aus

• Beobachtung ist stationär und mit einem Auge!

Der Beuchet-Stuhl

Okulomotorisch Visuell

Akkommodation Konvergenz Binokular Monokular

Statische Hinweise

Verdeckung Größe Perspektive

Bewegungs-parallaxe

Tiefenhinweise

KonvergenzBei der Betrachtung naher Objekte konvergieren die Augen. Bei der Betrachtung weit entfernter Objekte stehen sie parallel.

Um nahe Objekte zu fokussieren, muss die Brechkraft der Linse erhöht werden. Dies geschieht durch Akkommodation.

Okulomotorische Hinweisreize

Akkommodation und Konvergenz können nur im Nahbereich innerhalb von ca. 3 m funktionieren. Doch selbst in diesem Bereich sind Tiefenurteile auf Grund von okulomotorischenHinweisreizen allein sehr ungenau.

Visuelle Hinweisreize

• Monokular– Statisch

• Verdeckung• Größe• Perspektive

– Dynamisch• Parallaxe

• Binokular– Disparität

Verdeckung und Schatten

Verdeckte Objekte werden als weiter hinten wahrgenommen. Die Distanz zwischen Schatten und Objekt ist ein Indikator dafür, wie weit das Objekt vom Untergrund entfernt ist. -> Video

Schatten

Verdeckung und Größe

Relative Höhe im BlickfeldObjekte, die sich weiter oben befinden (näher am Horizont) werden größer wahrgenommen. Bei gleicher Netzhautgröße werden die Objekte als weiter entfernt wahrgenommen. Dies führt über die Distanzskalierung zur unterschiedlichen Wahrnehmung.

Relative Größe

Bekannte Größe

Atmosphärische Perspektive

Lineare Perspektive

Vor der Entdeckung der Perspektive um 1500 wirkten Bilder in der räumlichen Darstellung und Größe falsch und unnatürlich.

Lineare Perspektive

Lineare Perspektive induziert Entfernung. Objekte mit gleicher Netzhautgröße werden dann als unterschiedlich weit entfernt und damit auch als unterschiedlich groß wahrgenommen.

Texturgradient

Mit zunehmender Distanz werden die Texturen feiner

Perspektivische Textur

Beleuchtung

Gesichter und Schattierung

Das visuelle System macht oftmals Vorannahmen über Lichtquelle oder die Beschaffenheit von bekannten Objekten.

Erreichbarkeit

Die Distanz zu einem Objekt wird überschätzt, wenn sich zwischen Proband und Objekt ein Hindernis (z.B. Graben) befindet

BewegungsparallaxeEin Auge, das sich von einer Position links zu einer Position rechts bewegt. Dabei verändern die Abbildungen zweier Objekte (A und B) ihre Position auf der Netzhaut. Man beachte, dass die Abbildung des nahen Objektes A bei der Positionsänderung eine größere Strecke auf der Netzhaut zurücklegt als die Abbildung des fernen Objektes B.

Aufdecken und Verdecken

Wenn sich das Auge bewegt, dann bewegen sich die betrachteten Objekte relativ zueinander. Je weiter die Objekte in der Tiefe voneinander entfernt sind, desto größer sind die Veränderungen

Binokulare Disparität

Die Abbilder im linken und rechten Auge unterscheiden sich. Aus dem Grad der Verschiebung (Disparität) kann das Gehirn die Tiefe errechnen.

Beispiel

-> Beispiel Finger

Noch ein Beispiel

Korrespondierende Netzhautpunkte

Korrespondierende Punkte auf beiden Netzhäuten entstehen durch die (gedachte) Überlagerung der beiden Augen

Der Horopter

Punkte in der Umwelt, die auf korrespondierende Netzhautstellen fallen, werden zu einem imaginären Kreis, dem Horopter, zusammengefasst

Beispiel

Objekte, die auf dem Horopter liegen, werden als gleich weit entfernt wahrgenommen.

DisparitätObjekte, die nicht auf dem Horopter liegen, fallen auf nicht-korrespondierendeNetzhautstellen. Je weiter die Objekte vom Fixations-punkt entfernt sind, desto weiter sind sie auf der Netzhaut verschoben.Das Gehirn muss die korrespondierenden Objekte in den beiden Bildern finden und daraus die Tiefe berechnen.

Gekreuzte und ungekreuzte DisparitätObjekte, die weiter als der Fixationspunkt entfernt sind, sind auf der Netzhaut zur Nase hin verschoben. Sie erscheinen im linken Auge links vom fixierten Objekt und im rechten Auge rechts davon. Nähere Objekte sind zur Seite hin verschoben. Sie erscheinen im linken Auge rechts vom fixierten Objekt und im rechten Auge links davon.

Das Zufallspunktstereogramm

Random Dot Stereogram

• Das Random Dot Stereogram wurde von Bela Julesz in die Sehforschung eingeführt

• Sämtliche monokularen Tiefenhinweise können bei der Wahrnehmung dieser Stereogramme ausgeschlossen werden

• Querdisparität ist der einzige Hinweisreiz für die Tiefe

• Trotzdem nehmen wir die Tiefe ganz deutlich wahr

Neuronale Mechanismen

Im Gehirn von Primaten (ab V1) finden sich Zellen, die am besten auf Reize mit einer Querdisparität antworten

Gewichtung

Verschiedene Tiefenkriterien sind bei unterschiedlichen Entfernungen unterschiedlich wichtig. Disparität ist vor allem im Nahbereich für die Auge-Hand-Koordination enorm wichtig.

Für weiter entfernte Objekte überwiegen dann die monokularen Kriterien.

Andere Tiere

Disparität kann nur von Tieren mit frontalen Augen benutzt werden, da sich bei seitlichen Augen die beiden Netzhautbilder nicht überlappen

Tiefenwahrnehmung bei Tieren kann z.B. mittels der Flugbahn untersucht werden, die für verschiedene Distanzen benutzt wird.

Größenkonstanz

• Wahrnehmung der Entfernung ist die Grundlage der Größenkonstanz

• Die Größe von Objekten wird unabhängig von der Entfernung wahrgenommen

• Objekte, die sich entfernen werden nicht scheinbar kleiner, auch wenn sich das Netzhautbild ändert

Holway und Boring (1941): AufbauEntscheidend ist bei diesem Experiment, dass alle Testkreisscheiben den selben Sehwinkel haben und daher die selbe Abbildung auf der Netzhaut des Beobachters erzeugen.

Holway und Boring (1941): Ergebnisse

binokular

monokular

durch eine Lochblende

wie (3) aber mit abgedeckten Wänden

Größe der Vergleichsscheibe(Zentimeter)

/ 25,4 / 50,8Entfernung der Testkreisscheiben (Meter) / Größe der Vergleichsscheibe (Zentimeter)

Retinale Bildgröße

Die Größe des Netzhautbildes verändert sich mit der Entfernung

Nachbilder

Netzhautbild

Adaptationsbild

Nachbild an derWand

Emmert‘sches Gesetz

Scheinbare Objektgröße ist proportional zur Fixations-entfernung

GW = K*(GN * DW)GW = wahrgenommene GrößeGN = Größe des NachbildesDW = wahrgenommene Distanz

Die Ponzo-Täuschung

GW = K*(GN * DW)GW = wahrgenommene GrößeGN = Größe des NetzhautbildesDW = wahrgenommene Distanz

DW1

DW2

Da DW1 < DW2 und GNkonstant, ist GW1 < GW2

Die Mondtäuschung

wahrgenommen Größe (Illusion)

Der Mond erscheint kleiner, wenn erhoch am Himmel steht, als wenn erknapp über dem Horizont steht.

Geometrie der MondtäuschungGW = K*(GN * DW)GW = wahrgenommene GrößeGN = Größe des NetzhautbildesDW = wahrgenommene Distanz DW1

DW2

DW1 < DW2

Erklärung der Mondtäuschung• Der Sehwinkel des Mondes ist immer gleich.• Der Mond scheint sich am Horizont in größerer

Entfernung vom Beobachter zu befinden als am Zenith.• Vom Mechanismus der Größenkonstanz wird eine

Sehwinkelverkleinerung bei gleichzeitiger Entfernungszunahme für die wahrgenommene Größe kompensiert. Eine wahrgenommene Entfernungsänderung bei konstantem Sehwinkel erzeugt die gleiche Kompensation.

• Der Unterschied in der wahrgenommenen Entfernung des Mondes erzeugt daher eine Korrektur der wahrgenommenen Größe, so daß bei gleichem Sehwinkel die wahrgenommene Größe zunimmt, wenn die wahrgenommene Entfernung zunimmt.

Tiefensehen

• Das visuelle System berechnet aus dem 2D Netzhautbild die 3D Lage und Größe der Objekte

• Es gibt monokulare und binokulare Tiefenhinweise

• Die Größe unterschiedlich weit entfernter Objekte wird skaliert (Größenkonstanz)

• Das war‘s für heute!