Licht- und Displaytechnik Psychophysik

Transkript

1 Lichttechnisches Institut Licht- und Displaytechnik Psychophysik von Dipl.-Ing. Karsten Klinger Wintersemester 2007/2008

2 Spektrale Empfindlichkeit Spektrale Empfindlichkeiten von lichtempfindlichen Empfängern Relative spektrale Stromempfindlichkeit für die physikalischen Empfänger Silizium und Selen Spektrale Hellempfindlichkeitsfunktion des menschlichen Auges für das Tagessehen, die sog. V(λ)-Funktion Relative spektrale Strahlungsleistung S(λ) eines Temperaturstrahlers bei einer Temperatur von 2856 K (sog. Normlichtlichtart A)

3 Spektrale Wirkungsfunktion Wirkungsfunktionen Pflanzenwachstum Hautbräunung Helligkeitswirkung

4 V(λ) - Funktion 380 0, , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,000015

5 Spektrale Wirkungsfunktion, Helligkeit Relative spektrale Hellempfindlichkeit des menschlichen Auges unter Tageslichtbedingungen (hell adaptiertes Auge) Genormte Kurve Messwerte

6 Ermittlung spektraler Wirkungsfunktionen Abgleich farbiger Strahlung mit weisser Strahlung Direktabgleich Weisse (graue) Strahlung wird von der Versuchsperson gleichhell wie farbige Strahlung eingestellt

7 Ermittlung spektraler Wirkungsfunktionen Abgleich farbiger Strahlung mit weisser Strahlung Flimmerabgleich Weisse (graue) Strahlung wird von der Versuchsperson dermaßen eingestellt, dass ein minimales Helligkeitsflimmern vorliegt. t

8 Das lichttechnische Maßsystem Candela (cd) Einheit der Lichtstärke Eine der 7 Basiseinheiten des internationalen SI-Systems Einzige Basiseinheit nicht rein physikalischer Natur Beruht auf physiologischen Eigenschaften Lichttechnische Größen sind spektral bewertete Größen X # 2 = K! X (#)" V( #) d# e# # 1

9 Funktionaler Zusammenhang lichttechnischer Größen Bewertungsgröße X Keine Wirkungsgröße Empfindungsgröße hängt nicht linear mit Reiz zusammen Bewertungsgröße hängt monoton mit Empfindungsgröße zusammen Lichttechnische Größen genügen Äquivalenzrelationen Verschiedenfarbige Strahlungen die gleichhell erscheinen, erhalten die gleiche lichttechnische Maßzahl.

10 V(λ) - Funktion, Messungenauigkeit Helmholtz-Kohlrausch Effekt: In V(λ) nur achromatischer Anteil der Helligkeit enthalten Bunte Strahlung wird heller, als unbunte Strahlung empfunden. Messungenauigkeiten der V(λ) - Funktion Zwei verschiedene Messmethoden Verschiedene Ergebnisse Im kurzwelligen Bereich (blau) Unterschiede bis zu einem Faktor von 3

11 " Purkinje - Effekt " Bei V(λ) bewerteter Strahlung erscheint blau heller als rot 1,0 V(λ) : Tagessehen V ( λ ) V ( λ ) V (λ) : Nachtsehen 0,5 0, Wellenlänge λ [nm]

12 Psychophysik Wirkung physikalischer Größen auf den Menschen Psychophysik ist Messtechnik Messung von Empfindungen und Reaktionen Ergebnisse verändern das Arbeitsumfeld Mensch - Maschine Schnittstelle (HMI) Ergonomie Design

13 Visuelle Informationsverarbeitung Sender Kanal Empfänger Reiz Gehirn Wahrnehmung Optik Rezeptor Neuronen Reiz (Erregung) Empfindung

14 Einfache Experimente Eingangsvariable (Reize) Versuchsperson Ausgangsvariable (Urteile) Störvariable Versuchsplanung Anzahl der Eingangs- und Ausgangsvariablen festlegen Alle Störvariablen erkennen Anzahl der Störvariablen minimieren

15 Variablen Skalenniveau der Variablen Nominalvariable Klasseneinteilung, z.b.: Farben Ordinalvariable Rangfolgen Intervallvariable Abstandsbegriff ist definiert, z.b.: Temperatur in C Quotientenvariable Definierter Nullpunkt

16 Störgrößen Quellen von Störgrößen Umgebung Versuchsperson Versuchsleiter Laborexperimente - gut kontrollierbare Störgrößen Feldexperimente - unvorhergesehene Störgrößen

17 Messverfahren Konstante Schwellenreize Einstellbare Schwellenreize Bewertung / Rating Reaktionszeiten Fehlermaße EEEEEEEFFFEEEEEFEEFEFEEEEFEEF EEEFEEEEEFEEEEEFEEEEFEEFEFEFE EEEEFEEEFEEEFEEEFEEEEFEEEFEEE EEFEEEEFEEEEEFEEEEEFEEEEFEEEE EEEEEEEFEEEEEEEFEEFEFEEEEFEEF EEEEFEEEFEEEFEEEFEEEEFEEEFEEE EEEFEEEEEFEEEEEFEEEEFEEFEFEFE EEFEEEEFEEEEEFEEEEEFEEEEFEEEE

18 Hörsaalversuch G

19 Kontrast Objektkontrast C C = L z! L U L U Modulationsgrad / Michelson Kontrast m m = L!"#! L!$% L!"# + L!$% Anzeigenkontrast K K = L!"# L!$% L Z : Zeichenleuchtdichte L U : Umfeldleuchtdichte L max : maximale Leuchtdichte L min : minimale Leuchtdichte

20 Psychophysikalische Größen Aussage Die Erkennbarkeit der Kreisscheibe ist bei einem Kontrast von 0,1 gegeben. Objektleuchtdichte L O Schwellenkontrast Umfeldleuchtdichte L U Umfeld L u = 100 cd/m 2 Darbietungszeit t = 0,2 sec

21 Psychophysikalische Untersuchungen - Beispiel

22 Versuchsobjekt

23 Messvorbereitungen Versuchsplatz einrichten, Störvariablen minimieren Fragebögen und Auswertesoftware erstellen Messgeräte entwickeln und aufbauen Ansteuersoftware für Messgeräte entwickeln Versuchsstrecken festlegen Versuchspersonen anheuern

24 Messergebnisse

25 Messergebnisse vieler Experimente

26 Statistische Auswertung Mathematik Festlegung eines Signifikanzniveaus Mindestanzahl von Versuchen notwendig Wahl der Verteilungsfunktion Hilfsmittel Vorlesung Wahrscheinlichkeitstheorie / Stochastik Excel-Makropaket WinStat Erfahrung Berücksichtigung des Einflusses der Störgrößen Bereinigung der Messwerte Manuelle Auswertung

27 Statistik Mittelwert und Standardabweichung Arithmetischer Mittelwert: Standardabweichung: Mit n: Anzahl der Stichproben x i : Wert der Stichprobe i

28 Statistik - t-test k = n! + n "! " Freiheitsgrad t!" = x!! x " ( n!!!)s "! + ( " n "!!)s " n! n " k n! + n " Realisierung Signifikanzniveau festlegen: α= 0,05 In Tabelle nachschauen t Tabelle < t 12 dann gilt: x!! x "

29 Statistik - t-test Tabelle

30 Motivation für Mathematik Durchführung von Experimenten Auch durch scharfes Hinschauen keine eindeutigen Ergebnisse sichtbar Auswahl der passenden Statistikfunktion Unterteilung der Versuchspersonen in sinnvolle Gruppen Meist signifikante Ergebnisse

31 Täuschung [Salvador Dali]