Wie werden die zwei retinalen, zweidimensionalen Bilder in die dreidimensionale wahrnehmung umgesetzt? Auswertung verschiedener Informationen für die räumliche Tiefe und deren Verknüpfung In den Abbildungspositionen einzelner Punkte allein ist keine Information über die räumliche Gliederung der Umwelt enthalten Einzelpunkte unmittelbare Träger für Entfernungsinformation Von beiden Augen werden etwas verschiedene Sichten der Umwelt aufgenommen Dem visuellen System steht eine Reihe von Informationen zur Verfügung: a) okulomotorische Informationen für die räumliche Tiefe ergeben sich aus der Fähigkeit, die Konvergenzstellung und die Akkommodation auszuwerten b) Monokulare Informationen für die räumliche Tiefe diejenigen räumlichen Informationen, die sich aus der Struktur in einem unbewegten Bild entnehmen lassen c) bewegungsinduzierte Informationen für die räumliche Tiefe entstehen zusammen mit der Bewegung des Beobachters oder der Bewegung von Objekten in der Umwelt d) Stereoskopische Informationen für die räumliche Tiefe Hauptquelle dafür, dass wir den uns umgebenden Raum dreidimensional wahrnehmen und dass wir feines Unterscheiden bezüglich räumlicher Distanzen machen können basieren auf dem „Vergleich“ der geringfügig unterschiedlichen Sichten auf eine Szene Verarbeitung umfasst: Extraktion komplexer Regelmäßigkeiten aus den retinalen Abbildungen Sensumotorische Zusammenarbeit in der Verarbeitung Leistungen basieren auf: Genetisch determinierte Eigenschaften Lernen Systemtheorie: theoretische Beschreibung des Zusammenwirkens mehrfach erhobener Informationen und der sensumotorischen Zusammenarbeit Okulomotorische Informationen für die räumliche Tiefe Beruhen auf Signalen, die in den Augen entstehen, wenn sie sich einwärts oder auswärts drehen, um Objekt in der Nähe oder Ferne zu erfassen = Konvergenz/ Divergenz Gehen auch auf Formveränderung der Linse beim fixieren zurück = Akkommodation 1. Konvergenz und Akkommodation Konvergenzwinkel Aus den Steuerungs- und Rückmeldesignalen, die mit den Änderungen der Konvergenz und der Akkommodation einhergehen, kann das visuelle System Informationen für die räumliche Tief entnehmen Grund: Augenstellung und Linsenform hängen systematisch mit dem Abstand des beobachteten Objekts zusammen Monokulare Informationen für die räumliche Tiefe Ergeben sich ais strukturellen Regelmäßigkeiten in Abbildungen , die mit der Entfernung kovariieren Tiefeninformationen nennt man monokular, weil sie auch mit nur einem Auge wirksam sind 1. Verdecken von Objekten Verdecken liefert keine Informationen über die Entfernung des Objekts, sondern gibt nur relative räumliche Tiefe an 2. Relative Höhe im Gesichtsfeld Objekte, die sich im Gesichtsfeld weiter oben, also an höherer Position befinden, werden gewöhnlich als weiter entfernt gesehen Objekte, die oberhalb der Horizontlinie Liegen, erscheinen entfernter, wenn sie im Gesichtsfeld an niedriger Position stehen 3. Relative Größe im Gesichtsfeld Wenn zwei Objekte physikalisch gleich groß sind, so nimmt der nähere einen größeren Teil des Gesichtsfeldes ein Regelmäßigkeit der relativen Größe im Gesichtsfeld kann für Tiefenwahrnehmung genutzt werden 4. Atmosphärische Perspektive Grund dafür, dass wir entfernte Objekte weniger scharf sehen, weil wir dabei durch Luft schauen müssen Je weiter ein Objekt entfernt ist, desto mehr Luft und Partikel liegen auf unserer Sichtlinie 5. Gewohnte Größe von Gegenständen Gewohnte Größe eines Gegenstandes beeinflusst die Wahrnehmung dessen räumlicher Tiefe Wissen über Größe eines Objekts unter bestimmten Bedingungen beeinflusst, wie weit entfernt wir Objekte wahrnehmen Tiefeninformation „Gewohnte Größe“ am effektivsten, wenn andere Tiefeninformationen weitgehend fehlen 6. Lineare Perspektive Zeichnen mit linearer Perspektive Darstellung räumlicher Tiefe auf zweidimensionalen Flächen Wenn ein Bild linearperspektivisch gezeichnet ist, konvergieren die Linien in der Ferne, die in der Wirklichkeit parallel verlaufen Je größer die Entfernung, desto stärker nähern sie sich einander Vereinigung im Fluchtpunkt Diese Konvergenz, die Tiefeninformation enthält, bezeichnen wir als Tiefeninformation der linearen Perspektive 7. Texturgradient Texturgradienten entstehen in der Regel auf der Fläche, auf der der Beobachter steht oder sich fortbewegt Tiefeninformation mit dem Boden verbunden Wahrnehmung der räumlichen tiefe verschlechtert sich, wenn man den Boden wegnimmt Annahme, dass der Boden mit seiner Textur ein Referenzsystem darstellt, das die Entfernungswahrnehmung erleichtert Bewegungsinduzierte Informationen für die räumliche Tiefe 1. Bewegungsparallaxe Wir sehen Objekte in der Nähe rasch vorüberziehen, wenn wir an ihnen vorbeigehen – weiter entfernte sehen wir dabei sich langsamer bewegen Dieser Geschwindigkeitsunterschied heißt Bewegungsparallaxe = Kriterium zur Wahrnehmung räumlicher Tiefe auf der Basis der relativen Geschwindigkeit zwischen uns und den Objekten Erklärung: wenn sich ein Objekt von links nach rechts bewegt, verschiebt sich das nahe Objekt um ein großes Stück auf der Netzhaut und bewegt sich daher rasch durch das Gesichtsfeld des Beobachters Das ferne Objekt dagegen legt eine viel kürzere Strecke auf der Netzhaut zurück und bewegt sich daher viel langsamer durch das Gesichtsfeld des Beobachters 2. Fortschreitendes Zu- oder Aufdecken von Flächen Wenn zwei Flächen sich in unterschiedlicher Entfernung befinden, bewirkt jede Bewegung, die nicht zu diesen Flächen senkrecht verläuft, dass sie als relativ zueinander bewegt gesehen werden hintere Fläche wird von der vorderen zugedeckt, wenn sich der Beobachter in die eine Richtung bewegt und aufgedeckt, wenn er sich in die anderer Richtung bewegt Zudecken und Aufdecken hängen mit der Bewegungsparallaxe zusammen und überlappen mit ihrer Wirkung Sie treten immer auf, wenn überschneidende Flächen sich relativ zueinander bewegen Querdisparation und stereoskopisches Sehen Querdisparation = binokulare Disparation = binokulare Tiefeninformation Beide Augen sind daran beteiligt Annahme von zwei geringfügig unterschiedlichen Bildausschnitten der Welt Bild linkes Auge Querdisparation Bild rechtes Auge Stereopsis (Wahrnehmung räumlicher Tiefe) Charles Wheatstone: Bau eines Stereoskop 1. Korrespondierende Netzhautpunkte Jedem Punkt auf der einen Netzhaut entspricht ein Punkt auf der anderen Korrespondierende Netzhautpunkte = Orte auf jeder der beiden Netzhäute, die mit denselben Ortswerten im visuellen Cortex verbunden sind Horopter = gedachter Kreis, der durch den Fixationspunkt und die optischen Mittelpunkte der beiden Augen führt Liegen Objekte nicht auf dem Horopter, fallen ihre Bilder auf nichtkorrespondierende Netzhautpunkte (disparate Punkte) Zentral für die binokulare Wahrnehmung räumlicher tiefe: „Je weiter das Objekt vom Horopter entfernt ist, desto größer ist der Disparationswinkel.“ Wenn Objekte vor dem Horopter liegen Abbildungen liegen in Richtung auf die äußeren Netzhautbereiche gekreuzte Querdisparation Wenn Objekte außerhalb des Horopters liegen Abbildungen liegen auf den inneren teilen der Netzhaut ungekreuzte Querdisparation Querdisparation liefert Informationen darüber, wie weit ein Objekt von unserem Blickpunkt entfernt ist 2. Zufallsstereogramme Querdisparation = einzige Tiefeninformation in Stereogrammen Tiefenwahrnehmung kann nur von ihr kommen Querdisparation allein kann zur Wahrnehmung räumlicher tiefe führen Es gibt Neuronen im primären und extrastriären Cortex, die selektiv auf Querdisparation reagieren 3. Neuronale Verarbeitung der Querdisparation Zellen im visuellen Cortex (V1), die optimal auf reize reagieren, welche auf Punkte fallen, die auf den beiden Netzhäuten durch einen bestimmten Querdisparationswinkel getrennt sind = Zellen für räumliche tiefe/ Querdisparationsneurone Zellen reagieren nicht, wenn man korrespondierende Netzhautpunkte gleichzeitig in den beiden Augen mit einem Streifen kreuzt, der sich von links nach rechts oder umgekehrt bewegt Zelle reagiert aber, wenn man die Querdisparation dieses Streifens erhöht Einige Neuronen reagieren optimal auf eine Querdisparation von null oder fast null und viele reagieren entweder auf gekreuzte oder ungekreuzte Querdisparation Querdisparationsneurone wurden auf allen Stufen des visuellen Cortex der dorsalen Verarbeitungsbahn gefunden: V2, V3, MT und MST Verlust binokularer Neurone Verlust stereoskopischen Sehens Querdisparationsempfindliche Neurone sind für das stereoskopische Sehen verantwortlich Um Querdisparation richtig entschlüsseln zu können, muss das visuelle System Punkte aus der einen retinalen Abbildung mit ähnlichen Punkten aus der anderen Abbildung in Übereinstimung bringen 4. Das Korrespondenzproblem beim Stereosehen Da die meisten Dinge in der Welt gut voneinander zu unterscheiden sind, lässt sich eine Abbildung eines Objekts auf der rechten Netzhaut leicht mit der Abbildung desselben Objekts auf der linken Netzhaut vergleichen 5. Das Autostereogramm Technisch wird der Autostereogrammeffekt dadurch erreicht, dass sich entsprechende Bildteile innerhalb des Bildes wiederholen und so eine Querdisparation erzeugen, wenn man das Bild mit divergierten, also auf unendlich eingestellten Augen, betrachtet Welche Tiefeninformationen nutzen Tiere? Viele Tiere könne Entfernungen in ihrer Umwelt gut einschätzen Katzen und Affen: Frontal angeordnete Augen Besitzen querdisparationsempfindliche Neurone Können räumlich Tiefe wahrnehmen Kaninchen: Seitlich liegende Augen Keine überlappenden visuellen Felder Keine Nutzung der Querdisparation Aber bessere „Rundumsicht“ Tauben: Erfüllen Voraussetzungen für stereoskopisches Sehen nur teilweise Augen sitzen an Kopfseite Gesichtsfelder des rechten und linken Auges überlappen sich zum größten Teil nicht Kleiner Bereich binokularen Sehens vor ihrem Schnabel Frösche und Kröten: Stereoskopisches Sehen zur Wahrnehmung räumlicher Tiefe vorhanden Insekten: Bewegungsparallaxe = wichtigste Information zur Entfernungsabschätzung Heuschrecke: Beurteilt die Entfernung anhand der Amplitude der Abbildungsverschiebungen auf der Netzhaut Honigbiene: Nutzt Information aus den Bewegungen im Netzhautbild beim Flug über ein Feld, um die Distanzen zwischen nahen und fernen Blüten zu bestimmen Fledermäuse: Echo-Ortung = Aussendung von akustischen Signalen Ortung von Objekten dadurch, dass sie Zeitdifferenz zwischen den ausgesandten Impulsen und den Echos auswerten Wahrnehmung der Größe von Objekten Hängt unmittelbar mit der Wahrnehmung der räumlichen tiefe und Entfernung zusammen Whiteout = heimtückisches Wetterphänomen Dabei wird diffuses Licht, das durch die dicke Wolkendecke dringt, vom Schnee und dann wieder von den Wolken reflektiert und gestreut, so dass der Horizont und Oberflächenkonturen sich aufzulösen scheinen und man nur von gleißender Weiße umgeben ist Unsere Wahrnehmung von Größe von Objekten kann sich unter bestimmten Bedingungen dramatisch verschlechtern Wahrnehmung der Größe von Objekten hängt von deren wahrgenommener Entfernung ab Sehwinkel Hängt von der Größe des Objekts und von dessen Entfernung vom Beobachter ab Hängt direkt mit der Größe der Abbildung dieses Objekts auf der Netzhaut zusammen Sehwinkel = Größe auf der Netzhaut 1. Größenkonstanz Veränderung der Größe eines Bildes auf der Retina einer anderen Person beeinflusst kaum oder gar nicht, wie diese Person ihre Größe wahrnimmt Wir nehmen Größe eines Objekts relativ konstant wahr, auch wenn sich die Größe seiner Abbildung auf der Netzhaut verändert = Größenkonstanz Bei vollständiger Größenkonstanz nehmen wir die physikalische Größe eines Objekts richtig wahr, egal, wie weit es von uns entfernt ist oder wie groß seine Abbildung auf unserer Netzhaut ist Phänomen der Größenkonstanz kann nur dann zustande kommen, wenn für die Wahrnehmung der Größe eines Gegenstandes neben der Größe der retinalen Abbildung noch weitere Informationen, welchen der Objektentfernung entsprechen, mit verrechnet werden Bei größeren Entfernungen wird die Wahrnehmung der Größe von Gegenständen stärker vom gesamten Bedeutungskontext, dem Grad der Auflösung der Einzelheiten und dem Wissen über die größe bestimmt 2. Größenkonstanz und Entfernungswahrnehmung Entfernung der Tiefenkriterien Größenkonstanz wir eliminiert Wahrnehmung der Größe entspricht exakt dem jeweiligen Sehwinkel Annahme von der Existenz eines Kompensationsmechanismus in der Wahrnehmung, der die Größenkonstanz durch eine geeignete Umrechnung herbeiführt Aufgrund der Gesetzmäßigkeiten in der Projektion von Objekten auf der Retina, verkleinert sich der Sehwinkel eines Objekts bei der Vergrößerung des Beobachtungsabstandes diese Abhängigkeit muss durch eine interne Verarbeitung kompensiert werden Kompensationsmechanismus korrigiert die Wahrnehmung der Größe System besitzt eine interne Korrektur der Relation-Größe-Entfernung Beziehung zwischen der wahrgenommenen Entfernung eines Nachbildes und seiner wahrgenommenen Größe nennt man Emmert’sches Gesetz: „Je weiter entfernt ein Nachbild gesehen wird, desto größer wird es wahrgenommen.“ Emmert’sches Gesetz: Gw = K (Gn Dw) Gw = wahrgenommen Größe des Nachbildes K = Konstante Gn = Größe des Netzhautbildes Dw = wahrgenommene Distanz des Nachbildes Retinal Größe und Objektentfernung müssen im visuellen System gemeinsam verarbeitet werden, um in der Wahrnehmung die Größenkonstanz zu erreichen Das Kompensationsprinzip als Verarbeitungsmethode bei Wahrnehmungskonstanzen Wahrnehmung richtet sich auf „lebensrelevante Umgebung“ (=Dingwelt) Von der Dingwelt zu unterscheiden sind die ummittelbar an den Sinnesorganen eintreffenden reize, die in das Geschehen im Organismus übersetzt werden Resultat der Wahrnehmung = Erlebnisse, die auf die Dinge der Umgebung abzielen Unterscheidung in: Distale Reize = Fernreize Gegenstandsmerkmale Proximale Reize = Nahreize Reizmuster an den Sinnesorganen Neuronale Verarbeitung Wahrnehmungsresultat Um Wahrnehmungskonstanzen erreichen zu können. Steht das visuelle System vor der Aufgabe, Gegenstandsmerkmale valide auch dann zu ermitteln, wenn die Reizmuster an den Sinnesorganen keine direkte Entsprechung für diese Merkmale beinhalten Retinale Größe der Person allein enthält keine ausreichende Information, um ihre wahre Größe zu ermitteln Wahrnehmung ist auf Gegenstandsmerkmale ausgerichtet Ziel der Wahrnehmung ist, dass der Wahrnehmungsinhalt dem Gegenstandsmerkmal möglichst gut entspricht Wahrnehmungssystem erreicht die dadurch, dass es die Interferenz in der Verarbeitung zunichte macht, indem es sie mit umgekehrtem Vorzeichen wiederholt Um eine vollständige Konstanz erreichen zu können, muss die Interferenz in vollem Umfang durch die Verarbeitung kompensiert werden = Kompensationsprinzip Wie gut die Kompensationsleistung gelingen kann, hängt davon ab, mit welcher Genauigkeit das Wahrnehmungssystem die Kompensationsgröße (k) ermitteln kann: Kompensationsgrößen können aus anderen Wahrnehmungssystemen stammen oder Aus efferenten motorischen Signalen, mit denen die Informationsverarbeitung gesteuert wird Kompensationsgrößen können aus mehreren Quellen ermittelt werden Verschiedene Konstanzen: Vertikalkonstanz Aufrechterhaltung der visuellen Vertikalen, auch bei Kopfneigung Richtungskonstanz gesehene Richtung von Objekten bleibt gegenüber den willkürlichen Augenbewegungen konstant Wahrnehmungskonstanzen = wichtige aktive Leistungen der wahrnehmungssysteme tragen zur räumlichen und zeitlichen Stabilität bei 1. Weitere Bedingungsfaktoren für die wahrgenommene Größe Objektentfernung = Hauptfaktor Andere Informationen: Relative Größe der Objekte Komplexere invariante Informationen Alltagserfahrung stark von Größenkonstanz beherrscht Geometrisch-optische Größentäuschungen 1. Müller – Lyer’sche Täuschung Fehlwahrnehmung der Größe Erklärbar durch Fehlwirkung der Größenkonstanz Normalerweise sorgt die Größenkonstanz für eine stabile Objektwahrnehmung, indem sie die Entfernung einkalkuliert Dieser Mechanismus kann Täuschungen erzeugen, wenn er auf ein zweidimensionales Objekt angewandt wird Wahrnehmungssystem berücksichtigt automatisch enthaltene Tiefeninformation Korrekturmechanismus für die Relation-GrößeEntfernung lässt eine Linie schrumpfen, die andere wachsen 2. Ponzo-Täuschung oder Bahngleis-Täuschung Wahrnehmung der Größe wird von der Gesamterstreckung der Linienkonfiguration beeinflusst Länge der Linien wird von zwei Bedingungen beeinflusst: Tatsächliche Linienlänge Gesamtlänge der Konfiguration Beide Informationen werden für die Wahrnehmung der Linienlänge zusammengefasst Nicht alle „Längentäuschungen“ müssen im visuellen System auf dieselbe Art ausgewertet werden 3. Der Ames’sche Raum Grund für Irrtum = Konstruktion des Raumes Hintere Wand und Fenster sind geometrisch so geformt, dass der raum von einem bestimmten Standpunkt aus wie ein ganz normaler, rechteckiger Raum wirkt Ames’scher Raum aber so gebaut, dass seine linke Ecke fast doppelt so weit vom Beobachter entfernt liegt wie seine rechte Ecke Visuelle Wahrnehmung stützt sich auf die einzige verfügbare Information = Sehwinkel der beiden Frauen 4. Die Mondtäuschung Mond erscheint, wenn er knapp über dem Horizont steht, viel größer zu sein als hoch am Himmel Gängige Erklärung dafür Entfernungswahrnehmung: sowohl der tief stehende als auch der hoch stehende Mond haben denselben Sehwinkel. Von Objekten mit gleichem Sehwinkel aber unterschiedlicher Entfernung wird dasjenige als größer wahrgenommenen, das als weiter entfernt wahrgenommen wird Die größere wahrgenommene Größe des tief stehenden Mondes wird stark davon beeinflusst, dass man ihn über dem Gelände sieht, so dass er ferner wirkt Weitere Theorie zur Mondtäuschung = Erklärung durch Sehwinkelgrößenvergleiche Mondtäuschung lässt sich am besten durch eine Kombination von Faktoren erklären: Atmosphärische Perspektive Farbe Okulomotorische Faktoren... Plastizität der Wahrnehmung 1. Sensitive Perioden in der Entwicklung des binokularen Sehens Wahrnehmungsentwicklung kann von der Umwelt stark beeinflusst werden Dieser Einfluss ist am stärksten während einer frühen Phase im Leben Sensitive Perioden für die Entwicklung bestimmter Wahrnehmungsleistungen 2. Auswirkungen der Einschränkung auf monokulares Sehen bei Kindern Amblyopie = stark verminderte Sehschärfe eines Auges, die bei Menschen deshalb auftritt, weil sie als Kleinkinder aufgrund einer operationsbedingten Abdeckung eines der beiden Augen dieses nicht benutzen konnten Bei allen Probanden war das betroffenen Auge zu einem frühen Zeitpunkt (1.Lebensjahr) verschlossen worden Reizdeprivationsamblyopie Die Zusammenarbeit der Sinne 1. Visueller und auditiver Raum Sehen und Hören = wichtigste Quelle für Raumwahrnehmung Raumwahrnehmung baut zusammen mit den kognitiven Prozessen eine innere Repräsentation des Raumes auf, in die der Beobachter selbst eingeordnet ist Diese dreidimensionale Repräsentation liefert Basis für räumliche Orientierung des Handelns Innere Repräsentation = Resultat einer komplexen Auswertung Einzelne Informationen beinhalten v.a. Richtungen und Abstände von Objekten relativ zum Standort des Beobachters Visuelle und auditive räumliche Informationen müssen aufeinander abgestimmt werden Weichen sie voneinander ab, wendet das Wahrnehmungssystem eine Auswertungsregel an, die dem präziserem Raumwahrnehmungssystem (=Sehen) das größere Gewicht zuweist Visuelle Dominanz führt zu einer einheitlichen Wahrnehmung Visuelle Dominanz = Bauchredner-Effekt = Ventriloquismus-Effekt Am Aufbau der Raumwahrnehmung und der kognitiven Landkarte sind nicht nur Sehen und Hören, sondern alle Sinnessysteme beteiligt