Visuelle Leistungsfähigkeit

Transkript

1 Uli Lemmer Karl Manz, Karsten Klinger, Dieter Kooß, André Domhardt Wintersemester 2006/2007

2 [Aus David H. Hubel, Auge und Gehirn]

3 Valenzmetrik: Anwendungsgebiet Reizgröße Wirkung Physiologie Physikalische Reiz z.b.: Druck, Wärme, Schall, Leuchtdichte, etc.- Erregungs-Schwelle Photometrie Leuchtdichte [L] gleich hell Farbmetrik Farbvalenz [X, Y, Z] Farbunterschied Visuelle Ergonomie Sichtbarkeits-Niveau? Visibility Level [VL] Gleiche Wahrnehmungswahrscheinlichkeit gleiche Akzeptanz z.b.: Blendungsgrad Photobiologie Dosis [H] Erregungsschwelle

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9 Webersche Regel : Nur eingeschränkt nkt anwendbar S/S = const. Reizänderung S Reizamplitude S Allgemeiner gilt: Stevens Potenzfunktion: F = k*( S - S n ) n Schwellenreizstärke S n Empfindungsintensität F log F = n * log ( S - S n ) + log k

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11 Objektkontrast C = L z - L L u u 2 1 Modulationsgrad m = L - L L + L 2 1 Kontrastformeln von Anzeigen K = L L 2 1

12 Definition von Schwellenkontrasten Schematischer Versuchsaufbau zur Messung von Schwellenkontrasten einfacher Sehobjekte. F = Fixationspunkt ß = Winkel zwischen Fixationspunkt und Sehobjekt

13 Schwellenkontraste zur Wahrnehmung von Sehobjekten sind von einer Vielzahl von inneren und äußeren Faktoren abhängig: 1) Sehobjektfaktoren: Insbesondere Art, Form, Gestaltung und Ausdehnung, örtli-che und zeitliche Leuchtdichtemodulierung, Kontrastrichtung. 2) Helligkeitsfaktoren: Insbesondere Leuchtdichten von Umfeld, Sehobjekt und Blendquellen. 3) Zeit- und Ortsfaktoren Insbesondere Darbietungszeit und Geschwindigkeit der Sehobjekte, Lage der Sehobjekte im Gesichtsfeld, Maskierung und Strukturierung. Forschungs - Universität Karlsruhe (TH)

14 4) Personenfaktoren. Insbesondere Akkommodations- und Refraktionszustand, Alter, psychische Verfassung. 5) Kriteriumsfaktoren: wie Wahrnehmungsniveau (Detektion, Identifikation), Beobachterstrategie (Risikoabschätzung), Messmethode (Methode der konstanten Reize, Einstellmethode).

15 Einfache Sehobjekte zur Untersuchung der Abhängigkeiten von Schwellenkontrasten bei unterschiedlichen Wahrnehmungskriterien. Testzeichen, Kreisscheibe: Detektion eines Helligkeitsunterschiedes zwischen Sehobjekt und Untergrund bzw. Umfeld. Testzeichen, Landoltring: Identifikation eines Formenund Richtungsdetails. Testzeichen, Gitter: Identifikation von periodischen Helligkeits- Strukturen Testzeichen: Detektion eines Helligkeitsunterschiedes zwischen 2 Sehobjektdetails.

16 C = C f f min 1 2 Die Konstanten ergaben sich als Ergebnis einer Ausgleichsrechnung zu: mit und f 1 α =1+ 0 = c 3 L c u 1 + c 4 c f 2 =1+ 1 α c 6 0 α ( ) Lu/c5 2 C = 0,00275 min L u : α die adaptationsbestimmende Umfeldleuchtdichte in cd/m2. die Sehobjektgröße in Bogenminuten.

17 Beispiel: Beträgt z.b. die, die Adaptation bestimmende Umfeldleuchtdichte 100 cd/m2 und erscheint das Sehobjekt dem Beobachter unter einem Winkel von α = 10', so erhält man mit α = 10', Lu = 100 cd/m² einen Schwellenkontrast = 0, Die Leuchtdichte des Sehobjektes muss sich also um etwa 0,5 % vom Umfeld unterscheiden, um unter günstigsten Bedingungen mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 % wahrgenommen zu werden.

18 Fragt man nach dem Schwellenwert für die Sehobjektgröße bei gegebener Umfeldleuchtdichte und gegebenem Objektkontrast, so folgt : α = C C α 0 1 f min 1-1

19 Beispiel: Beträgt z.b. der Kontrast eines Sehobjektes C = 0,9, so muss bei einer Umfeldleuchtdichte von 10 cd/m² das Sehobjekt mindestens 0,64' groß sein, um an der Schwelle mit einer Wahrscheinlichkeit von 50% wahrgenommen zu werden.

20 Schwellenkontraste zur Detektion einfacher Sehobjekte wie Kreisscheibe, Quadrat oder ähnliche flächengleiche Objekte in Abhängigkeit von der Umfeldleuchtdichte bzw. von der Adaptationsleuchtdichte und der Sehobjektgröße als Parameter. Berechnet für einen Grenzschwellenkontrast Cmin = 0,00275, der günstigste Beobachtungsbedingungen simuliert. Forschungs - Universität Karlsruhe (TH)

21 Allgemein gelten folgende Gesetzmäßigkeiten: Schwellenkontraste nehmen im allgemeinen mit der Umfeldleuchtdichte ab. Schwellenkontraste nehmen mit der Größe der Sehobjekte ab. Bei höheren Umfeldleuchtdichten (etwa > 100 cd/m2) und größeren Sehobjekten (etwa>100') ist der Schwellenkontrast annähernd unabhängig von L u und α. "Weber'sches" Gesetz (Weber, 1850) bezeichnet. Forschungs - Universität Karlsruhe (TH)

22 Typische praktische Schwellenkontraste Beleuchtungsniveau Sehobjekt Tag (100 cd/m²) Nacht (10-3 cd/m²) klein (1') groß (1 ) 0,02-0,05* 1 *) entspricht 2-5 % Forschungs - Universität Karlsruhe (TH)

23 Schwellenbeleuchtungsstärke Zur Detektion von Signallichtern wird als Schwellenvariable zweckmäßigerweise die am Auge des Beobachters erforderliche Beleuchtungsstärke verwendet, die allein vom Signal herrührt. mit dem zuvor bestimmten Schwellenkontrast folgt für die Schwellenbeleuchtungsstärke: E = π L ( C +1) sin u mit Lu der Leuchtdichte eines gleichförmigen Umfeldes, α dem Sehwinkel des Sehobjektes. 2 α 2

24 Schwellenbeleuchtungsstärke zur fovealen Wahrnehmung einfacher Sehobjekte in Abhängigkeit von der Sehobjektgröße, berechnet mit den o. g. Schwellenkontrasten. Parameter ist die Umfeldleuchtdichte (Kokoschka, 1988).

25 Schwellenbeleuchtungsstärke (in lx) unter günstigsten Bedingungen. Sehobjekt Nacht (10-3 cd/m2) Tag (10² cd/m²) klein (1') lx 10-5 lx groß (1 ) lx 10-1 lx

26 Unterschiedsempfindlichkeit L/ L = 1/K Bild zeigt Verlauf der Unterschiedsempfindlichkeit für Testfelder von 1 und größer für verschiedene Umgebungsleuchtdichten Quelle: Hentschel, Licht und Beleuchtung

27 Schwellenwerte stationär dargebotener Lichtsignale Zahlreiche Untersuchungen über Helligkeitsschwellen Kreisförmiges Testfeld L, Sehwinkel α Großes Umfeld L u Darbietung zentral foveal, quasistationär Lichtart (Testfeld/Umfeld) unbunt

28 Zusammenfassung des Beobachtungsmaterials bis 1941, M. Berek 1941 (Neuere Untersuchungen H.R. Blackwell) Mit: L' = ( L i L u )' = 1 α 2 ( φ + α b) 2 Der Unterschiedsschwelle L i, L u in 10 4 L' ( Lu, a) als Funktion der Umgebungsleuchtdichte L u in 10 4 cd/m² und dem Sehwinkel α in Minuten cd 2 m 9 b = QL u Φ = log( CL ) + c u PL p u }Funktionen der Umgebungsleuchtdichte C= 1,0479 ± c=0,00208 ± P= 0,50 ± p=0,52 ± Q= 0,058 ± q=0,412 ± Forschungs - Universität Karlsruhe (TH)

29 Aus Berek-Formel: Unterschiedsschwelle L (L u,α) bzw.: Kontrastschwelle Sehwinkelschwelle α (L i, L u ) Schwellenbeleuchtungsstärke (Pupille) grundsätzlich gleichwertig je nach K'( L 2 α E p ' = π Li sin = 2 Punktartige Signale: (Ricco-Bereich) E p unabhängig von α bzw. K u, α ) = E' ' ~ p ( l u 1 2 α L'( L L Flächenartige Signale (Straßenverkehr) (Weber-Bereich) K abhängig von α, bei L u = const. Leuchtdichte ist relevante Einflussgröße, α) Übergangsbereich (Piper-Bereich) E p ist relevante Einflussgröße u u, α ) bei L u =a (Schifffahrt,Luftfahrt) Punktförmige Signale (Schifffahrt,Luftfahrt)(Ricco-Bereich) E p unabhängig von α, Wirkung ergibt sich aus dem in das Auge einfallenden Lichtstrom Lichtstärke ist relevante Einflussgröße Grenzwinkel für punktartige Signale (Ricco-Grenzwinkel α R ) L u [cd/m²] α R ,5'

30 L / [cd/m²] 1,E+09 1,E+08 1,E+07 1,E+06 1,E+05 1,E+04 1,E+03 1,E+02 1,E+01 1,E+00 1,E-01 1,E-02 1,E-03 1,E-04 1,E-05 1,E-06 1,E-07 Ricco-Piper-Weber-Fechner Wahrnehmungsschwellen für stationäre Lichtreize K 1/α² (Ricco) Lu =1E-4 cd/m² Lu=1E+4 cd/m² K 1/α (Piper) K = const. (Weber-Fechner) 1,E-03 1,E-02 1,E-01 1,E+00 1,E+01 1,E+02 1,E+03 1,E+04 Viewing-Angle α / [min] Forschungs - Universität Karlsruhe (TH)

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34 s = 1 ε Forschungs - Universität Karlsruhe (TH) Sehschärfe als Maß der Identifikationsleistung Ist z.b. x = 1 mm und a = 1500 mm und werden beide Punkte gerade an der Schwelle erkannt, dann hat der Beobachter unter diesen Bedingungen eine Sehschärfe von mindestens s = 0,44.

35 Sehschärfe von dunklen Landoltringen in Abhängigkeit von der Umfeldleuchtdichte. Parameter ist der Kontrast der Sehobjekte. (Kokoschka: "Beleuchtung, Bildschirm, Sehen", S. 31)

36 Ortsabhängigkeit der Schwellenkontraste R( β) = (1+ a β 2 ) a 2 1 Einfluss des peripheren Lagewinkels b auf den peripheren Schwellenkontrast eines von der Fixationsachse nicht zu weit entfernten Sehobjektes; Winkel ß in Grad

37 Zur Abhängigkeit der Kontrastempfindlichkeit von der Ortsfrequenz von achromatischen Gittern bei zeitlich konstanten Gleichfeldern. Bildteil 1 gilt für Sinusgitter (Kreise) und Rechteckgitter (Quadrate) (nach Campbell und Robson, 1968). Parameter ist die mittlere Leuchtdichte der 2,5 x 2,5 großen Testzeichen. Bildteil 2 nach v. Nes und Bouman (1967) ist die retinale Beleuchtungsstärke in Troland Parameter der untersuchten Sinusgitter. Forschungs - Universität Karlsruhe (TH)

38 Typisches Beispiel für die Kontrastemp-findlichkeit in Abhängigkeit von der Zeitfrequenz für örtlich homogene Felder (Nach de Lange, 1958).

39 Vergleich von Kontrastempfindlichkeitsfunktionen, die mit 3 charakte-ristischen Testzeichen gemessen wurden. Die Kurve für die Kreisscheibe beschreibt die Helligkeitsdetektion. Landoltring und Sinusgitter kennzeichnen die Identifikation. Landoltring und Sinusgitter unterscheiden sich vor allem im Bereich niedriger Ortsfrequenzen. Es gelten folgende Zuordnungen zwischen Testzeichen und Autor der Messwerte: Kreisscheibe und ähnliche Objekte: Berek (1943), Black-well (1946). Landoltring: Siedentopf u.a. (1941). Sinusgitter: Campbell und Rob-son (1968), v. Nes und Bouman (1967). (Kokoschka: "Beleuchtung, Bild-schirm, Sehen",

40 Sehschärfe bei fovealer Beobach-tung gemessen mit schwarzen Landoltringen im mesopischen Bereich. (1asb = 0,318 cd/m2) (Adrian, Kokoschka, 1965) Bei helladaptiertem Auge (10 asb) ist die Sehschärfe im mittleren Spektralbereich größer als an den Spektralenden. Im mesopischen Bereich findet die sog. Purkinje-Verschiebung statt. Forschungs - Universität Karlsruhe (TH)

41 Einfluss der Darbietungszeit Der Zusammenhang zwischen Schwellenkontrast und Darbietungszeit für Zeiten unterhalb der Fixationsdauer von etwa 0,2-0,3 s ergibt sich nach der Beziehung von Blondel und Rey (1911). Danach gilt für den Schwellenkontrast bei der Darbietungszeit t: C = C t t t = C t 0 t t 0 = 0.2 s für Schwellenkontrast bei praktisch unbegrenzter Darbietungszeit unter Tageslichtver-hältnissen typischer Wert Für sehr kurze Darbietungszeiten t << t 0 gilt dann das Produkt von Schwellenkontrast und Darbietungszeit ist konstant. Für Darbietungszeiten t < t 0, praktisch ab etwa 1 s, ist dann unabhängig von t. Tatsächlich nimmt aber der Schwellenkontrast zur De-tektion und Identifikation von Sehobjekten auch für Darbietungszeiten zwischen l und etwa 5 s noch weiter ab. Forschungs - Universität Karlsruhe (TH)

42 Typischer Verlauf von Dunkeladaptations-Kurven. (1µµL = 3, cd/m2). Verlauf gemessen mit sog. Adaptometer unter folgenden Bedingungen: 3 großes, 7 extrafoveales Testfeld; weiße Voradaptationsleuchtdichte 5000 cd/m2 (120 Versuchspersonen). (Nach Hecht u. Mandelbaum, 1939). Forschungs - Universität Karlsruhe (TH)

43 Obere Kurven: Leuchtdichtesprung von 2000 auf 8 cd/m². Untere Kurven: Leuchtdichtesprung von 8 auf 2000 cd/m². Gemessene zeitliche Abhän-gigkeit des Schwellenkontrast-Erhöhungsfaktors bei einem Leuchtdichtesprung von 250:1 bzw. 1:250 (Greule: "Kontrastschwellen bei transienter Adaptation", S. 121) Forschungs - Universität Karlsruhe (TH)

44 Flimmerverschmelzungsfrequenz in Abhängigkeit von der mittleren Leuchtdichte von Bildschirmen. Parameter ist die Phosphor- Abklingkonstante (Nach Daten von Kelly, 1972). Forschungs - Universität Karlsruhe (TH)

45 Für nicht zu kleine Detailunterschiede ist der relative Einfluss der Umfeldleucht-dichte auf die Kontrastempfindlichkeit - zumindest zwischen etwa 1 und 100 cd/m2 - praktisch unabhängig von der Art des Testzeichens. Die Kontrastempfindlichkeit wächst etwa linear mit dem Logarithmus der Umfeld-leuchtdichte.