Visuelle Hinweise - monokular

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1 Visuelle Hinweise - monokular Atmosphärische Perspektive Diese Form der Perspektive wird durch Staubpartikel in der Luft hervorgerufen. Aufgrund dieser Partikel erscheinen weit entfernte Objekte für den Beobachter unscharf und verschwommen. So erscheinen weiter entfernt liegende Objekte unschärfer als näher liegende. Visuelle Hinweise - monokular Atmosphärische Perspektive Der Effekt ist umso stärker, je verschmutzter die Luft ist und entfällt in Gebieten, in denen die Luft ungewöhnlich rein ist (zum Beispiel in Wüsten oder auf dem Mond). Hier wirken weit entfernte Gegenstände für den Betrachter näher, so daßin solchen Gegenden Entfernungen häufig unterschätzt werden. 1

2 Visuelle Hinweise - monokular Konstanz Konstanz bezeichnet unsere Fähigkeit, Eigenschaften von Objekten als gleichbleibend wahrzunehmen, auch wenn sich das Bild auf der Netzhaut ändert. Da diese Änderung des Netzhautbildes auf verschiedene Kriterien bezogen werden kann, unterscheidet man zwischen fünf verschiedenen Konstanzmechanismen (Formkonstanz, Lagekonstanz, Orientierungskonstanz, Helligkeitskonstanz und Größenkonstanz). Wir werden im folgenden jedoch nur auf die Größenkonstanz eingehen. Visuelle Hinweise - monokular Größenkonstanz Größenkonstanz bedeutet, daßwir die Größe von Objekten, unabhängig von deren Entfernung, als konstant wahrnehmen. Zur Erklärung dieses Phänomens herrschen zwei Theorien vor: Reizrelationstheorie Verrechnungstheorie. Die Reizrelationstheorie besagt, daßwir einen Zusammen-hang zwischen einzelnen Bildern herstellen, indem wir die Sehwinkel verschiedener Objekte miteinander ins Verhältnis setzen. Mit dieser Theorie läßt sich die Größenkonstanz jedoch nur unzureichend erklären. Daher wurde sie zugunsten der Verrechnungstheorie wieder verworfen. 2

3 Visuelle Hinweise - monokular Die Größe eines Netzhautbildes eines fixierten Gegenstandes ändert sich in Abhängigkeit von dessen Entfernung zum Betrachter. Die Größe von Sehwinkel und Netzhautbild stehen direkt miteinander in Beziehung. Visuelle Hinweise - monokular Ist die Entfernung zwischen Objekt und Betrachter nur gering, entsteht ein großer Sehwinkel und, in Abhängigkeit davon, auch ein großes Netzhautbild. Mit zunehmender Entfernung wird der Sehwinkel jedoch immer kleiner, auch die Größe der Abbildung auf der Netzhaut des Betrachters nimmt folglich ab. 3

4 Visuelle Hinweise - monokular Jedoch hat man in einer solchen Situation nicht den Eindruck, daßdas Objekt kleiner wird, sondern nimmt die Objektgröße immer als konstant wahr. Dieser Effekt wird dadurch hervorgerufen, daßdas Wahrnehmungssystem zur Größeneinschätzung die Entfernung des betrachteten Gegenstandes mit einbezieht. Nach der Verrechnungstheorie werden Sehwinkel und Entfernung vom Wahrnehmungssystem miteinander in Beziehung, der Sehwinkel allein sagt daher noch nichts über die wahrgenommene Größe aus. wahrgenommene Größe = wahrgenommene Entfernung * Sehwinkel Visuelle Hinweise - monokular Die Größe, die man bei einem gegebenen Netzhautbild wahrnimmt, ist direkt proportional zur wahrgenommenen Entfernung (Emmertsches Gesetz). Eine Verkleinerung des Sehwinkels, die aus wachsender Entfernung resultiert, läßt sich also kompensieren, wenn die Entfernung korrekt wahrgenommen wird. Optische Täuschungen treten z.b. immer dann auf, wenn die Relation zwischen Entfernung und Größe nicht mehr stimmt. 4

5 Visuelle Hinweise - monokular Beispiel: Durch die Perspektive entsteht hier ein Tiefeneindruck. Die Person weiter hinten im Bild erscheintdadurch weiter entfernt und wird dementsprechend kleiner. Da ihrkleinerwerdendesnetzhautbild jedoch mit der größeren Entfernung verrechnet wird, nimmt sie der Betrachter als normal groß wahr. Visuelle Hinweise - monokular Die nach vorne versetzte Person erscheint direkt neben der anderen Person dagegen viel zu klein. Obwohl es sich um eine Kopie der Person im Hintergrund handelt, erscheint sie im Vordergrund viel kleiner. 5

6 Visuelle Hinweise - monokular Der Sehwinkel, unter dem beide Personen gesehen werden, ist zwarder gleiche, nach der Verrechnungstheorie wird dieser aber noch mit der Entfernung verrechnet. Da die Person im Vordergrund näher beim Betrachter ist als die im Hintergrund, mußsie zu klein erscheinen, weil hier das kleine Netzhautbild nicht von einer größeren Entfernung kompensiert wird. Visuelle Hinweise - monokular Beispiel 2: Größenverzerrung In der Abbildung unten hat man den Eindruck, daßdie drei Figuren unterschiedlich großsind. Mit zunehmender Entfernung scheint deren Größe zuzunehmen, obwohl in Wirklichkeit alle drei gleich groß sind. 6

7 Visuelle Hinweise - monokular Beispiel 2: Größenverzerrung In der Abbildung unten hat man den Eindruck, daßdie drei Figuren unterschiedlich großsind. Mit zunehmender Entfernung scheint deren Größe zuzunehmen, obwohl in Wirklichkeit alle drei gleich groß sind. Visuelle Hinweise - monokular Beispiel 2: Größenverzerrung In der Abbildung unten hat man den Eindruck, daßdie drei Figuren unterschiedlich großsind. Mit zunehmender Entfernung scheint deren Größe zuzunehmen, obwohl in Wirklichkeit alle drei gleich groß sind. 7

8 Visuelle Hinweise - monokular Diese Täuschung wird dadurch hervorgerufen, daß der Betrachter aufgrund der Linearperspektiveund der perspektivischen Verkürzung einen Tiefeneindruck gewinnt. Er sieht zwar alle Figuren unter dem gleichen Sehwinkel, dieser wird aber zur Größenwahrnehmungnach der Verrechnungstheorie zusätzlich mit der Entfernung verrechnet. Dadurch erscheint die am weitesten entfernte Figur am größten. Visuelle Hinweise - monokular Noch ein Beispiel zur Größenverzerrung: Auch hier wird der jeweils gleiche Sehwinkel der beiden Rechtecke mit der Entfernung verrechnet und beim Betrachter entsteht ein unterschiedlicher Größeneindruck. Der Effekt läßt sich noch verstärken, wenn man die Abbildungen mit nur einem Auge betrachtet. 8

9 Visuelle Hinweise - monokular Noch ein Beispiel zur Größenverzerrung: Auch hier wird der jeweils gleiche Sehwinkel der beiden Rechtecke mit der Entfernung verrechnet und beim Betrachter entsteht ein unterschiedlicher Größeneindruck. Der Effekt läßt sich noch verstärken, wenn man die Abbildungen mit nur einem Auge betrachtet. Visuelle Hinweise - monokular Noch ein Beispiel zur Größenverzerrung: Auch hier wird der jeweils gleiche Sehwinkel der beiden Rechtecke mit der Entfernung verrechnet und beim Betrachter entsteht ein unterschiedlicher Größeneindruck. Der Effekt läßt sich noch verstärken, wenn man die Abbildungen mit nur einem Auge betrachtet. 9

10 Systematisierung Es gibt verschiedene Hinweisreize, die uns das Tiefensehen ermöglichen. Klassifikation: Hinweisreize des Tiefensehens Okulomotorische Visuelle Konvergenz Akkomodation (binokular) Bildhafte Verdeckung Größe Höhe Lineare Perspektive Monokulare Bewegungsinduzierte Bewegungsparallaxe Verdeckung und Aufdeckung Binokulare Binokulare Disparität Visuelle Hinweise - monokular Bewegungsinduzierte Hinweisreize Diese Hinweisreize gründen auf Bewegungen des Betrachters oder der Umwelt. Bewegungsparallaxe Wenn wir aus einem Zugfenster eines fahrenden Zuges hinaus schauen können wir beobachten, daßsich weiter entfernte Objekte langsamer bewegen als näher liegende. Diesen Hinweisreiz nennt man Bewegungsparallaxe. 10

11 Visuelle Hinweise - monokular Bewegungsinduzierte Hinweisreize Bewegungsparallaxe Bei einem bewegten nahen Objekt (B) ist eine stärkere Änderung der Blickrichtung nötig, um das Objekt im Blick zu halten, als bei einem fernen (A). Visuelle Hinweise - monokular Bewegungsinduzierte Hinweisreize Bewegungsparallaxe Zwei Objekte mit unterschiedlichen Entfernungen scheinen sich relativ zueinander zu verschieben. Man kann aus dem Verhältnis der Parallaxen Entfernungsunterschiede bestimmen. 11

12 Visuelle Hinweise - monokular Bewegungsinduzierte Hinweisreize Bewegungsparallaxe (Gegen-) Beispiel A: Versuchspersonen betrachten Kreise auf verschiedenen Ebenen. Die Kreise sind so beschaffen, daßsie alle gleich großerscheinen. Bei einer einäugigen Betrachtung der Kreise ist keine Entfernungseinschätzung möglich Entfernungsparallaxe kann hier nicht als Informationsquelle für räumliches Sehen genutzt werden. Visuelle Hinweise - monokular Bewegungsinduzierte Hinweisreize Bewegungsparallaxe Beispiel B: Kinetischer Tiefeneffekt. Der Schatten, der durch die Lichtquelle und durch das sich um die eigene Achse drehende, schiefe T auf dem durchscheinenden Schirm erzeugt wird, wird korrekt als T erkannt, auch wenn die Versuchsperson den Schirm einäugig betrachtet 12

13 Visuelle Hinweise - monokular Bewegungsinduzierte Hinweisreize`` Bewegungsparallaxe Beispiel C: Kinetischer Tiefeneffekt. Bei Rotation von konzentrischen Kreisen um den Mittelpunkt des äußersten Kreises wird ein dreidimensionaler Kegelstumpf wahrgenommen Visuelle Hinweise - monokular Bewegungsinduzierte Hinweisreize Bewegungsparallaxe Die Frage, warum bei dem ersten Beispiel keine räumliche Wahrnehmung entsteht, wohl aber bei den nachfolgenden, ist umstritten. Es wird vermutet, daßdie Erklärung in der Verknüpfung von einzelnen Bildelementen zum ganzen Objekt liegt. So werden in A Punkte nur als Punkte wahrgenommen flächig, nicht räumlich In B und C werden die Linien bzw. Kreise zu ganzen Figuren zusammengesetzt die üblicherweise räumliche Objekte darstellen 13

14 Visuelle Hinweise - monokular Bewegungsinduzierte Hinweisreize Verdeckung und Aufdeckung Der Hinweisreiz von Verdeckung und Aufdeckung stellt eine Variante des oben schon behandelten Hinweisreizes der Verdeckung dar Systematisierung Es gibt verschiedene Hinweisreize, die uns das Tiefensehen ermöglichen. Klassifikation: Hinweisreize des Tiefensehens Okulomotorische Visuelle Konvergenz Akkomodation (binokular) Bildhafte Verdeckung Größe Höhe Lineare Perspektive Monokulare Bewegungsinduzierte Bewegungsparallaxe Verdeckung und Aufdeckung Binokulare Binokulare Disparität 14

15 Visuelle Hinweise - binokular Dieser Hinweisreizkomplex gründet auf der Tatsache, daßauf der Netzhauzt der beiden Augen leicht unterschiedliche (disparate) Bilder der gleichen Gegebenheit abgebildet werden, aber letztlich ein einziges Bild hieraus entsteht. Visuelle Hinweise - binokular Die Disparität ist proportional zur Entfernung zwischen zwei betrachteten Punkten und gibt somit Auskunft über Entfernungsunterschiede, also über räumliche Tiefe. 15

16 Visuelle Hinweise - binokular Voraussetzung ist jedoch die Vergleichsmöglichkeit zweier Punkte. Ein Punkt alleine reicht nicht aus, um mit Hilfe der Disparität die Entfernung zu bestimmen. Visuelle Hinweise - binokular Mechansimus: Binokulare Fusion Man fixiere einen fernen Punkt und halte dabei einen Finger vor das Gesicht. Der Finger erscheint nun doppelt. Er wird vom linken wie vom rechten Auge gleichzeitig gesehen. Schließt man abwechselnd das linke und dann das rechte Auge, so stellt man fest, daßder Finger zuerst nach links und dann nach rechts springt. Dabei nimmt man die beiden einfachen monokularenbilder war, aus denen das binokulare Doppelbild entsteht. Die beiden mokularenbilder des Fingers sind nicht identisch, da die Augen nicht an der gleichen Stelle am Kopf angebracht sind, sondern in einem gewissen Abstand. Beim Fixieren des entfernten Punktes ist die Stellung der beidenaugen so ausgerichtet, daßder Punkt in der linken und rechten Foveaabgebildet wird. Natürlich bestehen auch von diesem Punkt zwei Netzhautbilder, diese liegen aber auf korrespondierenden Netzhautorten, das heißt auf der linken und rechten Retina an der gleichen Stelle. 16

17 Visuelle Hinweise - binokular Mechansimus: Binokulare Fusion In diesem Fall "verschmelzen" die Beiträge des linken und rechten Auges und der Punkt wird nicht doppelt, sondern einfach gesehen. Diesen Vorgang nennt man binokulare Fusion. Beispiel: Fixiert man einen entfernten Punkt so, daßaus den beiden Pyramiden genau drei werden, dann sind beide Pyramiden in den Foveenabgebildet (und damit auf korrespondierenden Netzhautstellen). Visuelle Hinweise - binokular Horopter Es lassen sich allerdings noch mehr Raumpunkte ausmachen, die ebenfalls nur einfach gesehen werden und die nicht in den beiden Foveen abgebildet werden. Alle diese ebenfalls auf korrespondierenden Netzhautorten liegenden Punkte befinden sich in der horizontalen Ebene auf dem sog. Horopter. Der Horopterist definiert als der geometrische Ort für alle einfach gesehenen Raumpunkte. 17

18 Visuelle Hinweise - binokular Horopter Der grüne Punkt wird in den beiden Sehgruben abgebildet und damit auf korrespondierenden Netzhautorten, daher wird er einfach gesehen. Das gleiche gilt für den blauen Punkt, da auch er auf dem Horoptor(in diesem Falle durch den sogn. Vieth-Müller-Kreis dargestellt),also ebenfalls auf korrespondierenden Netzhautorten, liegt. Der rote Punkt dagegen würde doppelt gesehen werden. Visuelle Hinweise - binokular Horopter Die empirisch ermittelten Horoptorenweichen von der theoretischen Vorhersage des hier dargestellten Vieth-Müller-Kreises etwas ab. Dieser beruht auf der Annahme, daßpunkte in Richtungen, die für beide Augen um den gleichen Winkel von den Sehachsen abweichen, auf korrespondierenden Netzhaut-orten abgebildet und einfach gesehen werden. 18

19 Visuelle Hinweise - binokular Horopter Darüber hinaus korrespodiertjeder Punkt eines Auges nicht einfach nur mit einem einzigen Punkt im anderen Auge, sondern mit einer Fläche, dem Panumschen Fusionsareal. Abweichungen vom Horopterinnerhalb eines solchen Areals zerstören nicht den Eindruck des einfachen Bildes, führen aber zu einer veränderten Tiefenwahrnemung. Visuelle Hinweise - binokular Querdisparation und Stereopsis Das visuell wahrgenommene "Bild der Umwelt" ist eine Fusion aus den Bildern des linken und des rechten Auges. Wie aber entsteht dadurch ein Tiefeneindruck? Die Antwort auf diese Frage liegt in der Tatsache, daß, wie oben schon erwähnt, diese beiden Bilder nicht identisch sind. Wenn wir einen entfernten Punkt fixieren, liegen die beiden Abbilder dieses Punktes in densehgruben des linken und rechten Auges, also auf korrespondiereden Netzhautorten, was auch auf alle anderen Punkte zutrifft, die auf dem Horopter liegen. Was geschieht aber mit Abbildern von Punkten, die nicht auf dem Horpter liegen? Solche Punkte werden nicht auf korrespodierendennetzhautorten abgebildet. 19

20 Visuelle Hinweise - binokular Querdisparation und Stereopsis Beispiel 1: Wird der blaue Punkt fixiert, erzeugt er Abbildungen an korrespondieren Netzhautorten. Das Abbild des roten Punktes befindet sich auf der linken Netzhaut links der Sehachse und der Fovea, auf der rechten Netzhaut hingegen wird der Punkt rechts der Sehachse abgebildet. Visuelle Hinweise - binokular Querdisparation und Stereopsis Beispiel 2: Hier liegen die Abbilder von roten Punktes zwar beide rechts der Sehgrube, in diesem Falle differieren aber ihre Abstände zu den Sehachsen. Auch hier wird der rote Punkt also nicht auf korrespondierenden Netzhautorten abgebildet. 20

21 Visuelle Hinweise - binokular Querdisparation und Stereopsis Diese Abstandsunterschiede sind wichtige Hinweisreize für das binokulare Tiefensehen und werden Querdisparationgenannt. Das menschliche visuelle System ist in der Lage, die verschiedenen Beträge der Querdisparationals räumliche Tiefe zu interpretieren. So entsteht aus den beiden zweidimensionalen Netzhautbildern ein dreidimensionaler Eindruck unserer Umwelt. Visuelle Hinweise - binokular Querdisparation und Stereopsis Beispiel: Durch Schielen sind das linke und rechte Quadrat binokular zu fusionieren. Es entstehen dann drei Quadrate, von denen das mittlere fixiert werden soll. 21

22 Visuelle Hinweise - binokular Querdisparation und Stereopsis Da die Abstände zwischen den Kugeln jeweils gleicher Farbe differieren, werden sie auf der linken Netzhaut an anderer Stelle abgebildet, als in der rechten. Die dadurch hervorgerufenen Querdisparationenführen zu einer räumlichen Wahrnehmung der Kugeln. Visuelle Hinweise - binokular Querdisparation und Stereopsis Große Abstandsunterschiede zwischen den Bildern im linken und rechten Auge zu der jeweiligen Sehachse werden von unserem optischen System als großer Abstand zum Horopter interpretiert. 22

23 Visuelle Hinweise - binokular Querdisparation und Stereopsis Nach diesem Prinzip funktionieren Stereogramme, die sich alle die Möglichkeit des visuellen Systems Querdisparatio-nenals räumliche Tiefe zu interpretieren zu Nutze machen Visuelle Hinweise - binokular Querdisparation und Stereopsis Nach diesem Prinzip funktionieren Stereogramme, die sich alle die Möglichkeit des visuellen Systems Querdisparatio-nenals räumliche Tiefe zu interpretieren zu Nutze machen 23

24 Visuelle Hinweise - binokular Neurophysiologische Voraussetzungen des stereoptischen Tiefensehens Die frontale Augenaufstellung des Menschen, die ihm ein binokolares Gesichtsfeld ermöglicht, ist eine der Voraussetzungen des stereoptischen Tiefensehens. Die Gesichtsfelder des linken, sowie des rechten Auges lassen sich in jeweils einen monokularen und einen gemeinsamen binokularen Teil, an dem beide Augen partizipieren, gliedern. Visuelle Hinweise - binokular Neurophysiologische Voraussetzungen des stereoptischen Tiefensehens Die beiden monokularenteile des Gesichtsfeldes werden temporäre Halbmonde genannt und haben auf das stereoptischetiefensehen keinen Einfluß. Gegenstände, die innerhalb des binokularen Gesichtsfeldes liegen und nicht auf korrespondierendennetzhautarealen abgebildet werden, müßteneigentlich doppelt gesehen werden, da sie ja von den beiden Augen auf unterschiedliche Weise gesehen werden. 24

25 Visuelle Hinweise - binokular Neurophysiologische Voraussetzungen des stereoptischen Tiefensehens Unter normalen Umständen haben wir jedoch nicht den Eindruck, Gegenstände, die nicht auf dem Horopterliegen, doppelt zu sehen. Das oben genannte Beispiel mit dem doppelt wahrgenommenen Finger ist eine der wenigen Ausnahmen. Für dieses Phänomen gibt es verschiedene Erklärungsansätze. Zum einen mag die geringe Sehschärfe außerhalb der Foveaeine Rolle für die Vermeidung der Wahrnehmung von Doppelbildern spielen, zum anderen vermutet man einen binokularen Hemmungsmechanismus. David H. Hubel und Thorsten N. Wiesel endeckten1959 im Großhirn einer Katze binokular erregbare Neuronen, die auf unterschiedliche Disparitäten spezialisiert sind (d.h. die bei einer bestimmten Abweichung von den korrespondierenden Netzhautarealen, z.b. 15 Winkelminuten, besonders stark feuern). Diese Zellen könnten der Grund sein, warum wir Gegenstände normalerweise nicht doppelt sehen. Systematisierung Es gibt verschiedene Hinweisreize, die uns das Tiefensehen ermöglichen. Klassifikation: Hinweisreize des Tiefensehens Okulomotorische Visuelle Konvergenz Akkomodation (binokular) Bildhafte Verdeckung Größe Höhe Lineare Perspektive Monokulare Bewegungsinduzierte Bewegungsparallaxe Verdeckung und Aufdeckung Binokulare Binokulare Disparität 25

26 Zusammenfassung Der Wahrnehmungsraum als internes Umweltmodell Wie wir gesehen haben, sind bei der räumlichen Wahrnehmung interne Vorgaben genauso wirksam, wie die Reize aus unserer Umwelt; sonst könnte das zweidimensionale Netzhautbild keinen räumlichen Eindruck in uns hervorrufen. Das ist der Grund, warum wir zweidimensionale Muster als Raum auffassen können,wie es bei Stereogrammen der Fall ist. So wie wir den Farbraum als Modell benutzen um Farbphänomene zu erklären (obwohl Farben in unserem Kopf nicht Räumen entsprechen), scheint unser Gehirn über ein internes Umweltmodell zu verfügen, das man Wahrnehmungsraum nennt. Mit Experimenten aus der Psychophysik versucht man mehr über die Eigenschaften dieses Wahrnehmungsraums zu erfahren. Zusammenfassung Der Wahrnehmungsraum als internes Umweltmodell So hat man bemerkt, daßdie subjektive Horizontale auf Augenhöhe von der objektiv meßbaren abweicht. Sie ist ab einer Entfernung von 2,5m (von der Vp) nach außen gekrümmt, bis 2,5m dagegen nach innen. Dieser und ähnliche Befunde legen die Vermutung nahe, der Wahrnehmungsraumhabe hyperbolische Eigenschaften. F.K. Lüneburg versuchte eine allgemeine mathematische Beschreibung dieses Konzepts zu erarbeiten. Das stereoptischetiefensehen steht bei größeren Distanzen als Hinweisreiz nicht mehr zur Verfügung. Mit Hilfe psychophysikalischer Messungen fand man heraus, daßsein Wirkungsbereich bei ca. 6m Entfernung endet, es ist also auf den unmittelbaren Handlungsbereich des Menschen beschränkt. 26

27 Zusammenfassung Der Wahrnehmungsraum als internes Umweltmodell Es hilft uns sicher einen Ball zu fangen, die Entfernung abzuschätzen, wenn wir über einen Bach springen, oder auch nur um gezielt nach einem Glas Wasser zu greifen. Das stereoptischetiefensehen dient also in erster Linie der Handlungsregulation. Dies ist insofern eine wichtige Erkenntnis,da sie uns verdeutlicht, daßunsere Sinne und unsere internen Vorgaben uns kein genaues Abbild der Wirklichkeit liefern sollen, sondern Instrumente sind, die unser tägliches Überleben sichern sollen. 27