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 14.12.1976 in Höxter Referent: Korreferent: Tag der Einreichung: Tag der mündlichen Prüfung: Prof. Dr.-Ing. habil. Tran Quoc Khanh Prof. Karl R. Gegenfurtner, Ph.D. 27.02.2015 16.06.2015 D17 Darmstadt 2015 http://d-nb.info/1077066074
Inhaltsverzeichnis Danksagung Inhaltsverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis Abkürzungsverzeichnis Symbolverzeichnis I II VI IX X XI Zusammenfassung 1 1 Einleitung 2 2 Grundlagen 5 2.1 Das visuelle System 5 2.1.1 Aufbau des Auges 5 2.1.2 Rezeptorempfindlichkeiten und postrezeptorale Prozesse 8 2.1.3 Adaptation und mesopische Wahrnehmung 10 2.1.4 Der Prozess der Wahrnehmung 12 2.1.5 Detektion, Kontrast und Schwelle 13 2.1.6 Spektrale Heilempfindlichkeitsgrade 14 2.2 Ermittlung der spektralen Empfindlichkeit 18 2.2.1 Methodenübersicht 18 2.2.2 Wahrnehmungsschwellen 18 2.2.3 Arten der Reizdarbietung 20 2.2.4 Berechnung der spektralen Empfindlichkeit 22 2.2.5 Schwankungen in der ermittelten Schwelle 24 2.3 Psychophysik 24 2.3.1 Grenz(wert)methode 24 2.3.2 Einstell-/Herstellmethode 25 2.3.3 Konstanzmethode 25 2.3.4 Psychometrische Funktion 25 2.3.5 Adaptive Prozeduren 27 2.3.6 Forced-Choice-Methoden 27 3 Bisherige Ergebnisse in der Literatur 29 4 Aufgabenstellung und Ziele der Arbeit 33 II
5 Versuchsaufbau 36 5.1 Projektor 38 5.1.1 Aufwärmverhalten 38 5.1.2 Gammakorrektur 39 5.2 Farbfilter 40 5.2.1 Liquid Crystal Tunable Filter (LCTF) 40 5.2.2 Interferenzfilter 41 5.3 Spiegel 42 5.3.1 Voruntersuchungen zum Spiegelmaterial 42 5.3.2 Oberflächenspiegel 43 5.4 Projektionsfläche 44 5.5 Detektionsobjekt 45 5.6 Hintergrund-Beleuchtung 46 5.6.1 Aufbau 46 5.6.2 Temperierung 47 5.7 Hintergrund-Filter 47 6 Kalibrierung 49 6.1 Geometrische Kalibrierung 49 6.2 Kalibrierung des Projektors 51 6.3 Kalibrierung der Farbfilter 53 6.4 Kalibrierung der Hintergrund-Beleuchtung 55 6.5 Kalibrierung der Hintergrund-Filter 57 6.6 Anbindung an die Literatur 58 7 Parameter, Methodik und Versuchsdurchführung 59 7.1 Auswahl der Versuchsparameter 59 7.1.1 Adaptationsleuchtdichte Lu 59 7.1.2 Adaptationsspektrum 61 7.1.3 Schwerpunkt im sichtbaren Spektralbereich 65 7.1.4 Sehwinkel a und verwendete Objektform 66 7.1.5 Beobachtungswinkel 9 66 7.1.6 Darbietungszeit td und Pausenzeit t p 67 7.1.7 Wiederholungen und Randomisierung 69 7.1.8 Adaptation 70 7.1.9 Übersicht der ausgewählten Versuchsparameter 70 7.2 Methodik der Versuchsdurchführung 71 III
7.2.1 Adaptive Prozedur 71 7.2.2 Ermittlung der Startwerte 73 7.2.3 Ermittlung der Schwelle 73 7.2.4 Psychometrische Funktion 74 7.2.5 Ja-/Nein-Methodik 74 7.3 Durchführung der Versuche 76 7.3.1 Vorbereitende Tätigkeiten 76 7.3.2 Startphase 77 7.3.3 Adaptation 77 7.3.4 Grobe Ermittlung der Schwelle (Startwerte) 78 7.3.5 Detaillierte Ermittlung der Schwelle 78 7.3.6 Versuchsdauer 78 7.3.7 Versuchsleiter 79 7.4 Testpersonen 79 8 Grundlagen der statistischen Analyse 80 8.1 Statistische Begriffe und Definitionen 80 8.1.1 Abhängige vs. unabhängige Stichproben 80 8.1.2 Abhängige vs. unabhängige Variablen 81 8.1.3 Parametrische vs. nichtparametrische statistische Tests 81 8.2 Statistische Tests und Methoden 81 8.2.1 Auswahl eines geeigneten Testverfahrens 82 8.2.2 Voraussetzungen bei der Anwendung parametrischer Tests 84 8.2.3 Prüfung auf Ausreißer (Voraussetzung 3) 85 8.2.4 Prüfung auf Normalverteilung (Voraussetzung 4) 87 8.2.5 Prüfung auf Sphärizität (Voraussetzung 5) 90 8.2.6 Bonferroni-Korrektur 90 8.2.7 Rangplatzsummen nach dem Kruskal-Wallis-Test 91 8.2.8 95 %-Konfidenzintervall 91 9 Ergebnisse der statistischen Analyse 92 9.1 Prüfung auf Ausreißer (Voraussetzung 3) 92 9.2 Prüfung auf Normalverteilung (Voraussetzung 4) 92 9.2.1 Intraindividuelle Prüfung auf Normalverteilung 92 9.2.2 Interindividuelle Prüfung auf Normalverteilung 92 9.3 Prüfung auf Sphärizität (Voraussetzung 5) 93 9.4 Zweifaktorielle ANOVA mit Messwiederholung 94 9.4.1 Analyse der Haupteffekte 95 9.4.2 Einfache Haupteffekte (Post-hoc-Tests) 95 IV
9.5 Interindividuelle Unterschiede 97 9.5.1 Rangplatzsummen nach Kruskal-Wallis 97 9.5.2 95 %-Konfidenzintervall 98 10 Diskussion der Ergebnisse 99 10.1 Interindividuelle Unterschiede 99 10.2 Einfluss des Adaptationsspektrums L e u(a] 101 10.2.1 Ergebnisse der ANOVA 102 10.2.2 Detaillierte Analyse für 0 = 10 ; Lu=0,1 cd/m 2 102 10.3 Einfluss des Objektspektrums L eo(a) 105 10.4 Einfluss der Adaptationsleuchtdichte Lu 105 10.5 Einfluss des Beobachtungswinkels 0 109 10.6 Vergleich mit ausgewählten anderen Untersuchungen 110 10.6.1 Vergleich mit HAMM 1997 [73] 111 10.6.2 Vergleich mit VARADY et al. 2007 [168] 111 10.6.3 Vergleich mit FREIDING 2010 [54] 112 10.6.4 Vergleich mit KURTENBACH et al. 1999 [105] 113 10.7 Vergleich mit dem Modell nach C1E 191:2010 [33] 114 11 Zusammenfassung und Ausblick 118 12 Literatur 121 Anhang 135 Veröffentlichungen und betreute Arbeiten 152 Erklärung laut 9 der Promotionsordnung 160 V