Untersuchungen über spektrale Kontrastempfindlichkeitsfunktionen des menschlichen Auges im mesopischen Bereich und ihre Einflussparameter

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1 Untersuchungen über spektrale Kontrastempfindlichkeitsfunktionen des menschlichen Auges im mesopischen Bereich und ihre Einflussparameter Vom Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik der Technischen Universität Darmstadt zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigte Dissertation von Dipl.-Wirtsch.-Ing. Christoph Schiller geboren am in Höxter Referent: Korreferent: Tag der Einreichung: Tag der mündlichen Prüfung: Prof. Dr.-Ing. habil. Tran Quoc Khanh Prof. Karl R. Gegenfurtner, Ph.D D17 Darmstadt

2 Inhaltsverzeichnis Danksagung Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis I II VI IX X XI Zusammenfassung 1 1 Einleitung 2 2 Grundlagen Das visuelle System Aufbau des Auges Rezeptorempfindlichkeiten und postrezeptorale Prozesse Adaptation und mesopische Wahrnehmung Der Prozess der Wahrnehmung Detektion, Kontrast und Schwelle Spektrale Heilempfindlichkeitsgrade Ermittlung der spektralen Empfindlichkeit Methodenübersicht Wahrnehmungsschwellen Arten der Reizdarbietung Berechnung der spektralen Empfindlichkeit Schwankungen in der ermittelten Schwelle Psychophysik Grenz(wert)methode Einstell-/Herstellmethode Konstanzmethode Psychometrische Funktion Adaptive Prozeduren Forced-Choice-Methoden 27 3 Bisherige Ergebnisse in der Literatur 29 4 Aufgabenstellung und Ziele der Arbeit 33 II

3 5 Versuchsaufbau Projektor Aufwärmverhalten Gammakorrektur Farbfilter Liquid Crystal Tunable Filter (LCTF) Interferenzfilter Spiegel Voruntersuchungen zum Spiegelmaterial Oberflächenspiegel Projektionsfläche Detektionsobjekt Hintergrund-Beleuchtung Aufbau Temperierung Hintergrund-Filter 47 6 Kalibrierung Geometrische Kalibrierung Kalibrierung des Projektors Kalibrierung der Farbfilter Kalibrierung der Hintergrund-Beleuchtung Kalibrierung der Hintergrund-Filter Anbindung an die Literatur 58 7 Parameter, Methodik und Versuchsdurchführung Auswahl der Versuchsparameter Adaptationsleuchtdichte Lu Adaptationsspektrum Schwerpunkt im sichtbaren Spektralbereich Sehwinkel a und verwendete Objektform Beobachtungswinkel Darbietungszeit td und Pausenzeit t p Wiederholungen und Randomisierung Adaptation Übersicht der ausgewählten Versuchsparameter Methodik der Versuchsdurchführung 71 III

4 7.2.1 Adaptive Prozedur Ermittlung der Startwerte Ermittlung der Schwelle Psychometrische Funktion Ja-/Nein-Methodik Durchführung der Versuche Vorbereitende Tätigkeiten Startphase Adaptation Grobe Ermittlung der Schwelle (Startwerte) Detaillierte Ermittlung der Schwelle Versuchsdauer Versuchsleiter Testpersonen 79 8 Grundlagen der statistischen Analyse Statistische Begriffe und Definitionen Abhängige vs. unabhängige Stichproben Abhängige vs. unabhängige Variablen Parametrische vs. nichtparametrische statistische Tests Statistische Tests und Methoden Auswahl eines geeigneten Testverfahrens Voraussetzungen bei der Anwendung parametrischer Tests Prüfung auf Ausreißer (Voraussetzung 3) Prüfung auf Normalverteilung (Voraussetzung 4) Prüfung auf Sphärizität (Voraussetzung 5) Bonferroni-Korrektur Rangplatzsummen nach dem Kruskal-Wallis-Test %-Konfidenzintervall 91 9 Ergebnisse der statistischen Analyse Prüfung auf Ausreißer (Voraussetzung 3) Prüfung auf Normalverteilung (Voraussetzung 4) Intraindividuelle Prüfung auf Normalverteilung Interindividuelle Prüfung auf Normalverteilung Prüfung auf Sphärizität (Voraussetzung 5) Zweifaktorielle ANOVA mit Messwiederholung Analyse der Haupteffekte Einfache Haupteffekte (Post-hoc-Tests) 95 IV

5 9.5 Interindividuelle Unterschiede Rangplatzsummen nach Kruskal-Wallis %-Konfidenzintervall Diskussion der Ergebnisse Interindividuelle Unterschiede Einfluss des Adaptationsspektrums L e u(a] Ergebnisse der ANOVA Detaillierte Analyse für 0 = 10 ; Lu=0,1 cd/m Einfluss des Objektspektrums L eo(a) Einfluss der Adaptationsleuchtdichte Lu Einfluss des Beobachtungswinkels Vergleich mit ausgewählten anderen Untersuchungen Vergleich mit HAMM 1997 [73] Vergleich mit VARADY et al [168] Vergleich mit FREIDING 2010 [54] Vergleich mit KURTENBACH et al [105] Vergleich mit dem Modell nach C1E 191:2010 [33] Zusammenfassung und Ausblick Literatur 121 Anhang 135 Veröffentlichungen und betreute Arbeiten 152 Erklärung laut 9 der Promotionsordnung 160 V