David Marrs Theorie der Wahrnehmung von Objekten

 Wahrnehmung = Erkennen von Gegenständen in Zusammenhang mit ihrer
Funktion
 Prozesse des Identifizierens geben keine Hinweise auf zugrundeliegende
Mechanismen
Problem der Wahrnehmung von Objekten
Wahrnehmung von Gegenständen erfolgt offenbar ohne jegliche Mühe
1. Probleme der Sichterkennung bei Computern
a) Zweidimensionale Darstellung muss in dreidimensionale Repräsentation
umgewandelt werden
b) Computer muss entscheiden, ob drei Linien, die zu einem Schnittpunkt
zusammenlaufen, zum selben Objekt gehören, oder ob sie von zwei
unterschiedlichen Objekten herrühren
c) Computer muss Form bestimmen können, auch wenn Objekte teilweise
verdeckt sind
 Beim Sehen erhalten wir Informationen in Form zweidimensionaler
Abbilder auf der Netzhaut  Umsetzung in korrekte Wahrnehmungen
fällt uns leichter als Computer
2. Wahrnehmung von schwierig zu erkennenden oder mehrdeutigen Bildern
 Objektwahrnehmung wird auch für uns schwierig, wenn
wahrgenommene Reizmuster unklar oder mehrdeutig sind
 Verständnis von der Objektwahrnehmung = Wahrnehmung von schwer
zu sehenden Objekten + Wahrnehmung nicht erkennbarer Objekte
3. Fragen, die bei der Analyse der Objektwahrnehmung zu lösen sind
 Beim Wahrnehmen von Objekten hat das visuelle System mehrere
Probleme zu lösen:
a) Gegenstände und Oberflächen der Umgebung reflektieren ein
komplexes Muster Lichts
b) Wir erzeugen eine folge von retinalen Abbildungen dieser
Muster des reflektierten Lichts
c) Visuelles System muss diese entschlüsseln
 Bereiche lokaler Merkmale müssen zu größeren Einheiten
zusammengefasst werden
 Oberflächen und kohärente Objekte der Umgebung müssen
rekonstruiert werden
 „Wir müssen erfassen können, wie etwas aussieht, was es ist und
welche Funktion es haben kann.“
 Oberflächen und Gegenstände müssen erkannt und ihr Bezug zu
Gedächtnisinhalten und Handlungsmöglichkeiten hergestellt werden
 Problemkomplex in fünf Teilen:
a) Erkennen kann auf unterschiedlichen Komplexitätsebenen
erfolgen
 Erkennen dadurch flexibel und auf jeweilige Erfordernisse
abstimmbar
 Startniveau für das erkennen = das am besten mit den
gewöhnlichen alltäglichen Handlungserfordernissen
übereinstimmt
 Visuelles Erkennen umfasst breites Spektrum, das von einem
groben bis hin zu sehr feinem visuellen Unterscheiden und
Einordnen reicht
b) Merkmale und Merkmalskomplexe müssen in der
Wahrnehmung zu Einheiten organisiert werden
 Voraussetzung von Erkennen = Wahrnehmung von Form der
Gegenstände und Oberflächen
 Einzelmerkmale müssen analysiert und zu Einheiten
zusammengefasst werden
 Grundlegende Prinzipien für Wahrnehmungsorganisation z.B.
Faktor der Ähnlichkeit
c) Objekte und Oberflächen müssen bei wechselnden
Darbietungs- und Beobachtungsbedingungen erkannt werden
 Wahrnehmung muss Gegenstände und Oberflächen unter
wechselnden Bedingungen identifizieren können
 Bedingungen:
- Verdeckungen
- Änderungen der Beobachtung
- Sicht auf den Gegenstand
- Lage
- Verschiedene Entfernungen...
d) Wie bauen wir begriffliche Ordnung unserer Welt auf?
 Aufbau der Ordnung direkt mit der Art und Weise verbunden,
wie wir Objekte und Oberflächen in Zusammenhang mit
unserem Handeln wahrnehmen
 Wahrnehmungsnahe Kategorisierung umfass zwei Fragen:
- Welche Informationen werden vom
Wahrnehmungssystem genutzt, um die Grenzen
zwischen den Kategorien zu bilden?
- Wie wird die Ordnung zwischen den Kategorien
hergestellt?
 Gliederung in Kategorien  Zuweisung einer sprachlichen
Bezeichnung
 Ordnung der Kategorien durch Motivations- und
Handlungszusammenhänge
e) Erkennen von Objekten eng mit Lernen verbunden
 Lernen  sicherere Klassifizierung und feine Unterschiede
 Großteil unserer Gegenstandsunterscheidung wird mittels
Lernen geformt
 Für Interpretation der Umwelt muss ein breites Spektrum des
Wahrnehmens, Wiedererkennens und Kategorisierens eingesetzt
werden
Wahrnehmungsorganisation und ihre Analyse in der
Gestaltpsychologie
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Problem der Wahrnehmungsorganisation (WO)
WO läuft automatisch ab
WO = grundlegendes Verfahren, die Welt in Bedeutungen zu ordnen
Gestaltpsychologie beschäftigte sich im besonderen mit der WO
1. Die Anfänge der Gestaltpsychologie
 Entsatnd als Reaktion auf die klassische Assoziationspsychologie (AP)
 Grundannahmen der AP:
a. Gegenstand der Psychologie = subjektives Erleben  Analyse mit
Selbstbeobachtung
b. Komplexes Erleben setzt sich aus elementaren Empfindungen und
Gefühlen zusammen
c. Komplexes erleben/ Erlebnisverlauf = Resultat simultaner und
sukzessiver Verkettungen elementarer Bausteine
d. Sinnesdaten = eigentliche Basis des Erleben
 Max wertheimer = einer der Gründer der Gestaltpsychologie:
„Grundlegendes Argument gegen AP = Scheinbewegungen.“
 „Das Ganze ist mehr als die Summe seiner Teile.“
 Scheinkonturen:
 Im physikalischen Reizmuster nicht wirklich vorhanden
 Nehmen wir manchmal wahr  Beleg, dass unsere
Wahrnehmung der Teile eines Reizmusters von seiner gesamten
Konfiguration abhängt
2. Gestaltfaktoren
 Gestaltfaktoren = Regeln, die beschreiben, welche Wahrnehmungen
entstehen, wenn bestimmte Reizbedingungen gegeben sind
a) Faktor der Prägnanz oder guten Gestalt
„ Jedes Reizmuster wird so gesehen, dass die resultierende
Struktur so einfach wie möglich ist.“
b) Faktor der Ähnlichkeit
„ Ähnliche Dinge erscheinen zu zusammengehörenden Gruppen
zugeordnet.“
c) Faktor der gestaltgerechten Linienfortsetzung
„Punkte, die als gerade oder sanft geschwungene Linien
gesehen werden, wenn man sie verbindet, werden als
zusammengehörig wahrgenommen. Linien werden tendenziell
so gesehen, als folgten sie dem einfachsten Weg.“
d) Faktor der Nähe
„Dinge, die sich nahe beieinander befinden, erscheinen als
zusammengehörig.“
e) Faktor des gemeinsamen Schicksals
„Dinge, die sich in die gleiche Richtung bewegen, erscheinen als
zusammengehörig.“
f) Faktor der Bedeutung oder Vertrautheit
„Dinge bilden mit größerer Wahrscheinlichkeit Gruppen, wenn
die Gruppen vertraut erscheinen oder etwas bedeuten.“
3. Figur-Grund-Trennung
 Gestaltpsychologen: F-G-T = Grundlage unserer Fähigkeit, Objekte
wahrzunehmen
 Untersuchungen mit Kippfiguren
 Eigenschaften von Figur und Grund:
 Figur „dinghafter“ und leichter im Gedächtnis zu behalten als
Hintergrund
 Figur wird als vor Hintergrund stehend gesehen
 Hintergrund = ungeformtes Material, erstreckt sich hinter Figur
 Konturen, die Figur von Hintergrund trennen, scheinen zu Figur zu
gehören
 Bestimmte Eigenschaften beeinflussen die Reize, welche Bereiche als
Grund und welche als Figur gesehen werden:
 Symmetrische Bereiche: Figur
 Konvexe Formen: Figur > symmetrische Bereiche
 Kleine Flächen: Figur
 Vertikale, horizontale Orientierungen werden auch eher als Figur
wahrgenommen als schräge
 Bedeutungshaltige Gegenstände werden ebenfalls eher als Figur
gesehen
 Gestaltpsychologen:
 Erklären Wahrnehmung vorwiegend durch Analyse komplexer
Reizeigenschaften
 Erklären die Wahrnehmung damit, dass elementare Einheiten je
nach Helligkeit, Form, Farbe...größere Reizmuster bilden
 Gestaltfaktoren werden heute als Heuristiken aufgefasst, die das
visuelle System bei der Auswertung anwendet
4. Neuinterpretation der Gestaltfaktoren als heuristische Auswertungsregeln des
visuellen Systems
 Gesetz der Einfachheit: Woher wissen wir, ob eine Figur einfacher ist
als die andere?  schwierig zu beantworten
 Die durch den Vergleich eines Reizes mit einem anderen ermittelte
Ähnlichkeit ist kein sicherer Weg, diejenigen Reizeigenschaften zu
ermitteln, die für die Gruppierung in größere Flächen verantwortlich
sind
 Einwand gegen gestaltpsychologischen Ansatz: liefert Erklärungen
meist erst im Nachhinein
5. Heuristische Regeln und algorithmische Lösungen
 Gestaltfaktoren = heuristische Regeln, die das visuelle System in einer
bestimmten Reizsituation anwendet
 System löst komplexe Situation durch die beste Schätzung, die möglich
ist
 Algorithmische Verfahren garantieren eine sichere Lösung des
Problems
 Heuristik führt nicht in jedem Fall zu einer richtigen Lösung
 Voraussetzung dafür, dass visuelles System heuristische Regeln
anwenden kann: Welt ist durch physikalische Kräfte, biologische
Prozesse und Formen der sozialen Interaktion geordnet
 Visuelles System kann sich bei der Auswertung auf gewisse
Regelmäßigkeiten verlassen
 Diese Regelmäßigkeiten können als Basis für die „Interpretation“ der
aufgenommenen Information genutzt werden
 Heuristische Regeln = mögliche Anpassungen, die im Laufe der
Evolution entstanden sind oder Erfahrungen, die beim Lernen seit der
frühen Kindheit gemacht wurden oder Kombination aus Anpassung und
Lernen
6. Zusätzliche neuere Faktoren der Wahrnehmung
 Drei Faktoren der Wahrnehmungsorganisation:
b) Faktor der gemeinsamen Region
„Elemente, die innerhalb einer gemeinsamen Region liegen,
werden zusammengruppiert.“
c) Faktor der Verbundenheit der Elemente
„Elemente, die miteinander verbunden sind, werden als Einheit
gesehen.“
d) Faktor der zeitlichen Synchronizität
 Wahrnehmung benutzt offenbar für Schattenauswertung die Regel,
dass Licht im Normalfall von oben einfällt
 An der Wahrnehmung visueller Reizmuster sind auch prägkognitive und
automatische Organisationsprozesse beteiligt  Erleichterung, aus
lokalen Einzelmerkmalen globalere Ordnungen zu bilden
David Marrs Theorie der Wahrnehmung von Objekten
 Favorisiert algorithmischen Ansatz in der Wahrnehmungsforschung
 Trennung von drei Bereichen:
a) Formulierung des Wahrnehmungsproblems
b) Formulierung der möglichen Lösungen
c) Formulierung, wie diese Lösungen im Wahrnehmungssystem
eingebaut sind
 Welches sind die geometrischen Minimalbedingungen in der Abfolge
zweidimensionaler Abbildungen, aus denen die dreidimensionale Form des
Körpers rechnerisch noch bestimmt werden kann?
 mögliche algorithmische Lösungen
 Wie können die gefundenen Lösungen durch die konkreten
Verarbeitungsprozesse des visuellen Systems erleichtert werden?
 Objektwahrnehmung = Vorgang mit mehreren Stufen:
a) Ausgangspunkt: Abbild des Gegenstandes oder der Szene auf der
Netzhaut
b) Zwischenstufe 1 = primäre Rohskizze:
 Hauptaufgabe des visuellen Systems ist hier, die Ecken und
Kanten eines Objekts zu identifizieren
 Hierzu muss das visuelle System die Effekte von Licht und
Schatten ignorieren und die tatsächlichen Grenzen des Objekts
ausmachen
 Annahme, dass das visuelle System erstens die Veränderung
der Intensität im Bild analysiert und zweitens die Eigenschaften
der Intensitätsveränderungen einkalkuliert, die in der realen
Welt auftreten
 Das visuelle System identifiziert zugleich eine Reihe von
Elementarmerkmalen wie geschlossene Formen, parallele
Konturelemente und Kontur- und Kantenenden
 Aus Elementarmerkmalen sowie aus den Kanten des
Objekts besteht die primäre Rohskizze – Ergebnis dieser
ersten Stufe wird nicht wahrgenommen
c) Zweieinhalbdimensionale Skizze
 Elementarmerkmale werden nach Gestaltgesetzen gruppiert
 Gruppen werden mit Auswertungsverfahren weiterverarbeitet
 Repräsentation der Flächen des Objekts und ihrer
Anordnungen
d) Endpunkt: dreidimensionale Repräsentation – unsere Wahrnehmung
der Szene oder des Gegenstandes
 Marr sieht die Grundlage unserer Formwahrnehmung in einer mehrstufigen
Analyse der Netzhautbild-Informationen
 System baut primär auf Bottom-up-Verarbeitung auf
 Schwächen der Theorie:
 Allein auf Bottom-up-Prozesse abgestellt
 Algorithmische Lösungen als Verarbeitungsprinzipien in der visuellen
Wahrnehmung zu bedeutsam eingeschätzt
Ann Treismans Merkmalsintegrationstheorie
 1. Stufe: Stufe der präattentiven Verarbeitung  Reizmuster wird in seine
Elementarteile zerlegt
 2. Stufe: Stufe der aufmerksamkeitsgerichteten Verarbeitung 
Elementarmerkmale werden zu einem Ganzen zusammengefasst
1. Analyse der Elementarmerkmale
 Bela Julesz:
 Elementarmerkmale = Textone
 Darbietung von bestimmten Vorlagen erzeugt
Texturbereichstrennung = perzeptuelle Trennung von Bildbereichen
mit unterschiedlicher Textur
 Texturbereichstrennung geht auf Textone zurück
 Diese grundlegenden Einheiten sind auf der ersten stufe des
Sehens von Bedeutung:
 Verarbeitung rasch und automatisch
 gerichtete Aufmerksamkeit nicht notwendig
 Bildung von Texturen geschieht augenblicklich
 Wie entsteht aus Elementarmerkmalen die Wahrnehmung eines
Objekts?
 Merkmalsintegrationstheorie:
a) Auf der präattentiven Stufe werden Elementarmerkmale
identifiziert
b) Auf der Stufe der gerichteten Aufmerksamkeit werden sie
zusammengesetzt
c) Wahrnehmung eines dreidimensionalen Objekts
d) Vergleich diesen Objekts mit einer im Gedächtnis
gespeicherten Repräsentation
e) Übereinstimmung  Identifikation des Gegenstandes
 Hervorspringende Grenzlinien: führen zur sofortigen Wahrnehmung
getrennter Bereiche bei Texturen
 Elementarmerkmale:
 Linienbogen
 Linienneigung
 Farbe
bestehen nebeneinander
 Linienendpunkte
und unabhängig, bevor sie
 Bewegung
verknüpft werden (Schein Geschlossene Flächen
verbindungen)
 Kontrast
 Helligkeit
 Elementarmerkmale sind „frei flottierend“ und können daher auch falsch
verknüpft werden, wenn man Reize sehr kurz darbietet
Grund: Eigenschaften wie Farbe, Form...werden in getrennten
neuronalen Kanälen verarbeitet, und Neurone, die auf unterschiedliche
Orientierungen und Formen reagieren, sind im Cortex in
unterschiedlichen Säulen angeordnet
 Gerichtete Aufmerksamkeit = Schlüssel zum Prozesse der Verknüpfung
2. Verknüpfung der Elementarmerkmale
 Zwei getrennte Verarbeitungsbahnen:
 Temporale Bahn
 Parietale Bahn
 Informationen aus beiden Bahnen müssen verknüpft werden
 Aufmerksamkeit = „Leim“, der die Eigenschaften an dem
entsprechenden Ort zusammenbindet
 Verknüpfung der Eigenschaft  Objektwahrnehmung und
Identifizierung
3. Top-down- und Bottom-up-Verarbeitung
 Bottom-up-Verarbeitung:
 Verarbeitung beginnt bei den Elementarmerkmalen
 Wahrnehmung baut auf diese Grundlage auf
 Top-down-Verarbeitung
 Vertrautheit oder Bedeutung wird bei der Auswertung berücksichtigt
 Verarbeitung geht von Informationen einer höheren ebene aus
 Einfluss der Bedeutung auf die Wahrnehmung kommt erst auf der
Stufe der gerichteten Aufmerksamkeit ins Spiel
Objektwahrnehmen mittels Zerlegen in elementare Teilkörper
 Können wir dreidimensionale Gegenstände auf der Grundlage der
Wahrnehmung jener Komponenten erkennen, die diese Gegenstände
ausmachen?
 Biedermanns Theorie beruht auf Elementarmerkmalen
 Diese sind jedoch nicht basale Merkmale, sondern elementare Teilkörper
 Biedermann bezeichnet sie als Geone ( geometrischen Ion)
 Unterscheidung in 36 Geone = Bausteine der Wahrnehmung
 Beispiele: Zylinder, Quader, andere Körper...
 „Wir erkenne ein Objekt, indem wir seine Geone wahrnehmen.“ 
Wahrnehmung muss aus der komplexen Struktur des Gegenstandes die
elementaren Teilkörper zurückgewinnen, dann kann der Gegenstand leicht
identifiziert werden
 Stärken der Theorie:
 Sichtenunabhängigkeit der Repräsentationen
 Robustheit gegenüber Störungen
 Schwächen der Theorie:
 Beim zerlegen der Gegenstände in die elementaren Teilkörper
gehen wichtige Detailinformationen verloren
 Theorie sagt nichts darüber aus, wie die einzelnen Teilkörper vom
visuellen System zuverlässig unterschieden und identifiziert werden
können
Aufzeichnung cortikaler Prozesse
1. Repräsentation globaler dreidimensionaler Formen
 Welche Teilsysteme im Cortex werden bei der Wahrnehmung von
neuen möglichen und „unmöglichen“ dreidimensionalen geometrischen
Körpern aktiviert?
 Aktivität im inferotemporalen Cortex erhöht bei möglichen
Konfigurationen
 Aktivität im Hippocampus erhöht bei neuen und unerwarteten Mustern
Kanonische Ansichten, Zerlegung in Einzelmerkmale und die
Wahrnehmung von Objekten
 Gegenstände können nicht in jeder beliebigen Position gleich gut erkannt
werden
 Rasches und sicheres Erkennen vor allem dann, wenn sich Gegenstände von
ihrer „besten Seite“ zeigen
 Charakteristische Ansichten = kanonische Ansichten
 Diese Sichten haben auch für die Wahrnehmung und das Gedächtnis eine
besondere Bedeutung  wichtig für das Verstehen, wie Gegenstände
repräsentiert sind
 Gegenstände sind Im Gedächtnis vermutlich durch mehrfache Sichten
repräsentiert:
 Neuronen des inferotemporalen Cortex spielen die wichtigste Rolle
 Komplexe Merkmale können in den Antworten der primären und
elaborierten Neuronen repräsentiert sein
 Neuronen können selektiv auf wichtige Merkmalskomplexe der
Gegenstände antworten
 Ein Ensemble von mehreren Hundert solcher Neuronen, die unisono auf
spezielle charakteristische Merkmalskomplexe eines Gegenstandes
antworten, kann ein merkmalsbasiertes Schema für den Gegenstand
abgeben, welcher für sein Wiedererkennen relevant ist
 Die darüber hinaus beobachtete Lernfähigkeit gibt eine gute Grundlage für die
notwendige Flexibilität
 Davis und Bobick: Vermutung, dass Bewegungen anhand von
Bewegungsschemata erkannt werde, die den charakteristischen
Bewegungsverlauf beinhalten, also nicht über Einzelmerkmale der Bewegung
Grenzen zwischen den Gegenstandskategorien
 Physikalisches Kontinuum des sichtbaren Wellenlängenbereichs wird von
unserer Wahrnehmung in einzelne Segmente aufgegliedert
 Diese wahrnehmungsnahen Ordnungen können als Basis unserer Kategorien
und begriffe gesehen werden
 Von diesen Begriffen aus ergeben sich die Bezüge zur Sprache, in der die
Begriffe mit Namen versehen sind = wichtige Nahtstelle in der Verbindung von
Wahrnehmung und kognitiven Prozessen
 Richtiges Einordnen von neuen Gegenständen, also ihr Erkennen, erfordert
die Berücksichtigung der Kategoriengrenzen
 Unterschiede und Gemeinsamkeiten zwischen konkreten Gegenständen
können auf der ebene der Wahrnehmung entschieden werden
Zusammenarbeit der Sinne
1. Objektwahrnehmung mit anderen Sinnen
 Wegfall des Sehens  weitgehend ersetzbar durch Tastsinn?
 Zwar sind Sehen und Tasten diejenigen Sinne, die primär für das
erkennen von Objekten zum Einsatz kommen, aber auch das Hören
und die chemischen Sinne tragen zur Objektwahrnehmung bei
 Häufig ist die Zusammenarbeit der Sinne gefordert