1 Hier wird Wissen Wirklichkeit Graphische Datenverarbeitung Elemente der Bildwahrnehmung Prof. Dr. Detlef Krömker Institut für Informatik 2 Hier wird Wissen Wirklichkeit B-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung Übersicht 1. Licht – physikalisch betrachtet – kurz betrachtet 2. Das visuelle System ‣ Aufbau - Bildentstehung - Sehfeld ‣ Visuelle Wahrnehmung 3. Ortscharakteristika des visuellen Systems 4. Helligkeitswahrnehmung - Kontrast 5. Farbwahrnehmung 6. Textur-, Tiefen- und Raum- und Bewegungswahrnehmung 7. Weitere Informationen 8. Ausblick Prof. Dr. Detlef Krömker Institut für Informatik 3 Hier wird Wissen Wirklichkeit B-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung Motivation ‣ Alle Bilder die wir erzeugen, sollen der Kommunikation von und zum Menschen dienen! ‣ Wir müss(t)en das visuelle System kennen, um den Informationstransfer optimal zu gestalten. ‣ Das menschliche visuelle System ist ein entscheidendes Glied in der Kette der Bilderzeugung (am Monitorausgang ist nicht das Ende des Informationsflusses).
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V05-Elemente der Bildwahrnehmung - gdv.informatik.uni ... · V. 11 Prof. Dr. Detlef Krömker Institut für Informatik 31 B-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung Hier wird Wissen
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Hier wird Wissen Wirklichkeit
Graphische Datenverarbeitung
Elemente der Bildwahrnehmung
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2 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Übersicht
1. Licht – physikalisch betrachtet – kurz betrachtet
6. Textur-, Tiefen- und Raum- und Bewegungswahrnehmung
7. Weitere Informationen
8. Ausblick
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3 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Motivation
‣ Alle Bilder die wir erzeugen, sollen der Kommunikation von und zum Menschen dienen!
‣ Wir müss(t)en das visuelle System kennen, um den Informationstransfer optimal zu gestalten.
‣ Das menschliche visuelle System ist ein entscheidendes Glied in der Kette der Bilderzeugung (am Monitorausgang ist nicht das Ende des Informationsflusses).
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4 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Ziele
‣ Vermittlung der wichtigsten psycho-physischen Grundlagen, um
‣ technische Bilderzeugungssysteme zu gestalten und‣ bildliche Inhalte zu gestalten.
‣ Problembewußtsein:
Unsere Wahrnehmung ist nicht objektiv!
Das visuelle System ist stark nichtlinear:
keine einfachen Interpolationen oder Extrapolationen von Versuchsergebnissen.
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5 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Reiz – Empfindung - Wahrnehmung
Ein äußerer visueller Reiz (Licht) erzeugt beim Menschen eine visuelle
‣ Empfindung (einfache labormäßige Reize) oder
‣ Wahrnehmung (komplexe Reize)
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6 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Der ReizPhysikalische Grundlagen: Licht
Licht ist elektromagnetische Strahlung:‣ elektrisches Feld und magnetisches Feld ‣ Maxwellschen Gleichungen: Richtungen des/der
‣ Wellenvektors (=Ausbreitungsrichtung) k ‣ elektrischen Feldstärke E ‣ magnetischen Induktion B
‣ bilden ein rechtwinkliges Dreibein.B
k
E
Polarisations-E.
Schwingungs-E.
Licht, dessen E-Vektor nur in einer Ebene schwingt, heißt linear polarisiert. In diesem Fall nennt man die vom E-Vektor und der Ausbreitungsrichtung k aufgespannte Ebene Schwingungsebene, die von B und k aufgespannte Ebene Polarisationsebene.
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7 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Visualisierung einer Welle
Wellenlänge λ in m
Am
plitu
de E
entnommen aus Wikipedia
Ausbreitungsrichtung
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8 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Eine Welle in einem Diagramm= Darstellung des Spektrums
Die charakterisierenden Eigenschaften einer sinusförmigen Welle kann man übersichtlich in einem Diagramm darstellen, wenn man die Amplitude über der Wellenlänge aufträgt.
400 50 60 70
Wellenlänge λ / nm
0,2
500 600 700
0,4
0,6
0,8
1,0
0,0
Ampl
itude Eine Elementarwelle ist also ein Punkt,
in diesem Diagramm.
Wird meist aber als Linie gezeichnet!
Man nennt dies Linienspektrum.
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9 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Die Welt der elektromagnetischen Strahlen Gamma- Röntgen- UV- sichtbares Infrarot Licht Radio-, Fernsehen-strahlen strahlen Licht Licht Wärmestrahlung wellen
Wellenlänge λ
kurzwellig langwellig
Es gibt sehr viele Ausprägungen elektromagnetischer Wellen
Bei sichtbarem Licht:Zu jeder Wellenlänge gehört genau eineSpektralfarbe.
Wir Menschen sehen die Farben des Regenbogens
aber, das sind nicht alle Farben, die wir kennen!
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10 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Entstehung weiterer Farben
Mischt man (überlagert man) verschiedene Elementarwellen, so sehen wir weitere Farben,
z.B. auch Weiß!
Wellengemische lassen sich durchein Glasprisma auch wiederin Elementarwellen zerlegen!
Wellengemisch,z.B. weißes Licht
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11 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Beispiele für kontinuierliche Spektren
400 50 60 70
W ellenlänge λ / nm
0,2
500 600 700
0 ,4
0 ,6
0 ,8
1 ,0
0 ,0
Weißes Licht ist also einWellengemisch, das sehr viele Elementarwellenenthält!
Reales Spektrum vonweißem Licht, hier ungefähr das der Sonne
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12 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Elektromagnetische Strahlung
Monochromatisches (einfarbiges) Licht wird beschrieben durch Angabe der Frequenz ν oder der Wellenlänge λ. Beide Größen sind durch die Beziehung
ν • λ = c
miteinander verknüpft, wobei
c ≈ 3 • 108 m/s
die Ausbreitungsgeschwindigkeit des Lichts im Vakuum ist.
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13 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
UnterscheidungRadiometrie vs. PhotometrieRadiometrie: Physikalische Messung elektromagnetischer Energie, z.B. Betrag der Lichtenergie je Wellenlänge Eλ
Photometrie: psychophysikalische Messung der durch das menschliche visuelle System wahrgenommen Größen, die vom elektromagnetischen Spektrum erzeugt werden.
[ ] λλ λ dEVmcdLnm
nm∫=
740
380
2 )(/
-0,2000
0,0000
0,2000
0,4000
0,6000
0,8000
1,0000
1,2000
350 450 550 650 750 850
CIE V (λ)
Hellempfindungsgrad V(λ)Leuchtdichte LLichtenergie E
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14 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Wichtige Einheiten der Photometrie: (mit V (λ) gewichtete Strahlungsmaße)
‣ in der Fovea Centralis: Zapfen:Ganglien=1:1‣ kreuzen im Chiasma Optica und enden mit den Synapsen im
‣ Corpus geniculatum laterale: wichtige Vorverarbeitungsleistungen: 2 Zellhaupttypen:
M (groß) P(klein)- nicht wellenlängenselektiv gegenfarbenselektiv- schnell langsamer- hohe Kontrastempfindlichkeit geringere Kontrastempf.- große rezeptive Felder kleinere rezeptive Felder
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26 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Visueller Cortex
‣ Brodmann’s area 17, area 18, area 19
‣ area 18 zeigt spezielle Gebiete:
blobs interblobskeine Orientierung orientierungsempfindlichGegenfarben keine Wellenlängenempf.farbempfindlich bei hellempfindlich beigeringen Ortsfrequenzen hohen Ortsfrequenzen
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27 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Übersicht
1. Licht – physikalisch betrachtet
2. Das visuelle System
3. Ortscharakteristika des visuellen Systems
4. Helligkeitswahrnehmung – Kontrast
5. Farbwahrnehmung
6. Textur-, Tiefen- und Raum- und Bewegungswahrnehmung
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28 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Sehachse (visual axis)
Axis opticus (visual axis) optische Augenachse (= Sehachse)Gerade, durch die Krümmungsmittelpunkte der Hornhaut u. der Linsenflächen u. als Verbindung des Auges zwischen Blickpunkt u. Bildpunkt (d.h. zwischen Zentrum des Sehfeldes (fixiertes Objekt) und der Fovea centralis (Stelle des schärfsten Sehens); auf ihr liegen die Hauptknoten- u. Brennpunkte des abbildenden Systems.
weicht leicht von der Augapfelachse (Axis bulbi) (anatomische Achse)
Fovea centralis
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29 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Sehwinkel (Visual Angle) und Dioptrien
Wenn d und r in Meter angegeben werden, dann wird 1/f in Dioptrien dpt gemessen.
Näherung: Frontkrümmung der Linse ca. 40 dptca 19 dpt von der variablen Linse
Akkomodationsbandbreite D: bei Kindern ca. 12 dptbei 60-jährigen fast 0 dpt
fernnah ffD
fff
LinsenVerbundene
rdf
LinseacheE
d
h
11
111
111inf
22
tan
123
−=
+=
+=
=α
Sehwinkel
h
d
r
V
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30 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Tiefenschärfe
unendlich1,5 m3 m6,0 m1,2 m2 m1,5 m75 cm 1m60 cm43 cm50 cm
FernNahAbstand
Bei d=3 mm Pupillenöffnungund 1/3 dpt Tiefenschärfewertgilt folgendes Intervall ⎥⎦
⎤⎢⎣⎡
−−
+ 33,
33
dd
dd
V
11
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31 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Gesichtsfeld - Blickfeld
Das Gesichtsfeld ist der Bereich den wir mit beiden Augen gleichzeitig überblicken können, ohne die Augen zu bewegen.
Bei Bewegung der Augen (aber nicht des Kopfes) spricht man von Blickfeld
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32 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Gesichtsfeld (field of view/vision) FOV
visual field oder auch range of vision
bezeichnet den Raum, der mit einem oder zwei Augen ohne Augenbewegungen überblickt wird.
Bei einem Erwachsenen beträgt
‣ das horizontale Gesichtsfelds beider Augen zusammen etwa 180°,
‣ die vertikale aber nur etwa 110°,
wobei man am Rand (allseits ~10°) nur mehr bewegte Objekte wahrnimmt.
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33 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Gesichtsfeld
Ein typischer Monitor reizt nur 5-10% des visuellen Sehfeldes, doch dieses entspricht ca. 50% der visuellen Verarbeitungsleistung.
Monitor in 50 cm Abstand und Bildbreite = 40 cm
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34 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Gesichtsfeld für die einzelnen Farben
‣
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35 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Binokulares Gesichtsfeld = GesamtbildIn den Augen entspricht es dem Bereich der auf der ganzen Netzhaut abgebildet werden kann.
Die Netzhaut ist an verschiedenen Stellen unterschiedlich leistungsfähig können wir in den verschiedenen Bereichen des Gesichtsfeldes unterschiedlich gut sehen.
Wenn wir z.B. im Auto sitzen, können wir gut erkennen wer genau vor uns fährt. Kommt ein Auto von der Seite können wir das zwar mitbekommen aber richtig scharf (d.h. was ist das für ein Auto? Wer sitzt darin ?) sehen wir es erst, wenn wir den Kopf wenden und es genau anschauen.
Dieser leistungsfähigste Sehbereich innerhalb des Gesichtsfeldesbeträgt nur etwa 1,50.
Nur die Fovea leistet 100%. Zum Rande der Makula fällt das Sehen schon auf 30% ab und außerhalb ist es noch weniger.
Durch schnelle Augenbewegungen (Sakkaden) entsteht der Eindruck eines größeren scharfen Bereichs Blickfeld.
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36 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Augenbewegungen
7 verschiedene Formen:
4 große und 3 kleine
„keine Bewegung“ = Fixation (die fokussierte Stelle im Raum nennt man Fixationspunkt), hier findet die Informationsaufnahme statt.
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37 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Große Augenbewegungen:
‣ Vergenz bezeichnet das Gegeneinanderneigen der Blickachsen um Objekte unterschiedlicher Entfernung zu fixieren; im Volksmund ist eine besonders starke Vergenz besser als "Schielen" bekannt.
‣ Vestibuläre Augenbewegungen dienen dazu, einen Fixationspunkt zu halten, obwohl sich der Kopf oder auch der ganze Körper davon wegdrehen.
‣ Als Sakkade oder auch Sakkadensprung bezeichnet man die schnelle und ruckhafte Bewegung, mit der ein Auge bewusst von einem Fixationspunkt zum nächsten bewegt wird.
‣ Eine ganze Kette von Fixationen und Saccaden bildet die als Verfolgung bezeichnete Bewegung. Bei dieser folgt der Blick einem beweglichen Objekt, indem sich Fixationen und Saccaden abwechseln. Diese Verfolgungsbewegungen bestimmen das menschliche Sehverhalten sehr stark.
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38 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Sakkadische Augenbewegung
‣ Diese haben das Ziel möglichst weite Teile des Blickfeldesauf die Fovea abzubilden.
‣ Die Größe der Sakkadenschwankt zwischen 4’ und 15°bei ca. 2 Sakkaden pro Sekunde und erreichenWinkelgeschwindigkeiten von mehreren hundert Grad/sec.,und
‣ sind damit die schnellsten Bewegungen, die unserKörper machen kann.
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39 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Fixationspunkte und Sakkaden
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40 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Kleine Augenbewegungen
Während der Fixationsphasen (vermeintlichen Ruhephasen) treten drei sogenannte kleine oder auch unbewusste Augenbewegungen auf:
Der Nystagmus ist eine beständige leichte Zitterbewegung ("Tremor") des gesamten Auges. Er dient dazu, die Funktion der visuellen Rezeptoren der Netzhaut aufrecht zu erhalten, da er das einfallende Bild ständig leicht variiert.
Durch ungenügende Kontrolle des Okulomotors, des aus Muskeln bestehenden Bewegungsapparates des Auges, kommt es gelegentlich zur Drift, d.h. das Auge verliert ungewollt seinen Fixationspunkt.
Diese Drift wird durch Mikrosakkaden wieder ausgeglichen: sobald das Abdriften bemerkt wird, wird das Auge durch eine kurze, ruckhafte Bewegung wieder auf den Fixationspunkt eingestellt.
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41 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Blickfeld << GesichtsfeldAls Blickfeld oder Fixierfeld bezeichnet man den Sehbereich, der alle nur mit
Augenbewegungen bei ruhendem Kopf nacheinander fixierbaren Sehobjekte (bspw. Punkte) enthält. Das Blickfeld wird klassifiziert nach
‣ Richtung (horizontal, vertikal), ‣ Augenanzahl (monokular, binokular und multiokular bei einigen Tieren und
Das in Versuchen mit fixiertem Kopf ermittelte Blickfeld deckt sich nicht mit dem in der Praxis auftretenden, da dort frühzeitig (unbewusste) Kopfbewegungen einsetzen.
‣ Bei Monitoren liegen wir deutlich darunter keine optimal aufgelöste Bilddarstellung möglichum Treppenstufen weniger deutlich zu machen: Antialiasing nötig
‣ Zum Vergleich:Bei Laserprintern auf Papier: Betrachtungsabstand 25 cm 1200 dots /inch = 460 dots/cm heute üblich, d.h. 460 dots/2,5 Grad = 200/Grad ist optimal angepasst
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44 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Eigenschaften des Monitorbildes
‣ Typisches CRT oder auch LCD-Display nur ca. 72 dpi ... 96 dpi:‣ Probleme mit feineren Strukturen Aliasing‣ Pixel Struktur oder Phosphor-Muster + Lochmaske können
zusätzliche Effekte erzeugen
‣ Für 3D-Szenen fehlt die Notwendigkeit zur Fokussierung Fehleinschätzungen der Raumtiefe
‣ Zeitliche Anforderungen besprechen wir später
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45 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Helligkeit‣ Helligkeit brightness
Entspricht der wahrgenommenen Menge an Licht, das von einer selbstleuchtenden Lichtquelle (z.B. Monitor) ausgeht.
‣ Helligkeit lightnessEntspricht der wahrgenommenen Menge an Licht, das von einer reflektierenden Oberfläche ausgeht.
‣ ist keine absolute Wahrnehmungsgröße:‣ abhängig von:
‣ Reizstärke (Leuchtdichte)‣ Leuchtdichte zuvor --> ADAPTION‣ Leuchtdichte in der Umgebung‣ Größe (Fläche) des Reizes
ist eine (stark) subjektive Größe
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46 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Wahrnehmungscharakteristika von Helligkeit
‣ Helligkeit‣ sehr wichtige Empfindungsgröße fürs Formensehen, Objektsehen,
...‣ Kontrast = Hell-Dunkel-Unterschied muss groß genug sein, um
wahrgenommen zu werden; minimal ca. 0,8% (Weber) ‣ für kleine Details mindestens 3:1
(besser 10:1 nach ISO 9241, part 3 fürs Text lesen)‣ hängt von der Größe, der Form der Objekte, der Farbe und der
Umgebungshelligkeit ab!‣ Viele Effekte!
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47 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Erste Demonstration: Simultankontrast
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48 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Simultankontrast 2
128 192
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49 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Definition KONTRASTReiz-Verhältnis
‣ verschiedene Definitionen üblich
‣ (auch Modulationsgrad m)
minmax
minmax
RRRRkm
+−
==
desHintergrun des teLeuchtdichnd-)Reizes(Vordergru des teLeuchtdich
==
Δ=
−=
H
R
HH
HR
RRmit
RR
RRRK
R: Leuchtdichte, z.B. in cd/m2
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50 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Helligkeits-UnterschiedsschwelleSchwellenkontrast
‣ Bestimmbar z.B. durch MASSON-ScheibeRing Schwarzanteil %
von außen1 0,48 unsichtbar2 0,60 3 0,79 Schwelle4 1,195 2,38 deutlich sichtbar
‣ bei mittleren Leuchtdichten (10-1000 cd/m2) ist diese Schwelle konstant: ca. 0,8 % (Webersches Gesetz)
JND just noticable differencewir können maximal 1/0,008 = 125 verschiedene Grauwerte gleichzeitig wahrnehmen; tatsächlich noch etwas weniger, ca. 60-80aber, wir finden starke individuelle Unterschiedekleinere Leuchtdichten: de Vries-Rose-Gesetz
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51 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Gilt, wie das Fechnersche Gesetz, auch für andere Sinnesmodalitätenk=2,13(Schmerz); =0,96 (Wärme); = 0,4 (Schall); usw.
RcRcLR
dRcdLconstRRLBeachte logln.: 1=⋅=⇒=⇒=
Δ=Δ
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52 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Helligkeit
Gar nicht so einfache Fragen:‣ Was ist weiß?‣ Was ist schwarz?‣ Was ist ein mittleres Grau?
Einige Effekte:‣ Simultankontrast‣ Hermann Grid Illusion‣ Mach-Bänder‣ Chevreul Illusion
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53 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Simultankontrast 3
(128,128,128)
(185,185,185)
Reiz
Empfindung
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54 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Mach Bänder
Ergebnis einer bi-linearen Interpolation (Mitte weiß – Rand schwarz)(z.B. nach Gouraud … wird uns noch Probleme bereiten)Helle Bänder erscheinen dort, wo die 1. Ableitung eine unstetige Änderung aufweißt.
Profil
Reiz
Empfindung
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55 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Chevreul Illusion
Die Streifen sind jeweils gleich hell;sie erscheinen jeweils am linken Rand dunkler als am rechten Rand.
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56 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Analyse:Simultankontrast - Hermann Grid Illusion Mach-Bänder - Chevreul Illusion
‣ Effekte des „frühen Sehens“ (Retina, erste verarbeitende Nervenzellen)‣ Antwort eines Rezeptiven Feldes:
DOG (Difference of Gaussians) Modell‣ Basis für die Kanten- und Konturerkennung
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57 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Ein weiterer EffektKontrastverstärkung
Differenzen werden umso stärker wahrgenommen, je näher sie an der Hintergrundhelligkeit liegen.
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58 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
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59 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Größeneinschätzung hängt von der Helligkeit ab!Das weiße Rechteck wirkt gegenüber dem schwarzen länger.
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60 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Achtung: Visueller Stress
Großflächige sich wiederholende Blitze oder Streifenmuster mit z.B. 3 Zyklen / Grad und Flickerraten von 20 Hz lösen bei fast allen Betrachtern visuellen Stress aus, bis hin zu krampfartigen Anfällen
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61 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Übersicht
1. Licht – physikalisch betrachtet2. Das visuelle System3. Helligkeitswahrnehmung - Kontrast4. Ortscharakteristikades visuellen Systems5. Farbwahrnehmung6. Textur-, Tiefen- und Raum- und Bewegungswahrnehmung
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62 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Erkennung kleiner Details‣ Begrenzt durch
‣ optische Eigenschaften des Auges, insbesondere Beugungserscheinungen‣ Abtastung durch Rezeptoren
(hier insbesondere die Zapfengröße)‣ nervöse Verarbeitung, u.a. Zahl der Nervenfasern
‣ Maß: Kontrastempfindlichkeit = 1/k (1/K) (contrast sensitivity)Kehrwert eines Schwellenkontrastes Schwellenkontrast z.B. als Funktion der Ortsfrequenz
63 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
CSFContrast Sensitivity Function - Schwellenkontrast
Bedeutung: Kurve ist Wahrnehmungsgrenze (Schwellenkontrast): Raumfrequenzen unter der Kurve sind wahrnehmbar!
Beschreiben das räumliche Auflösungsvermögen des menschlichen Auges!
Reizmuster unterhalb der Kurve sind erkennbar!
Die Kurve repräsentiert den Schwellenkontrast! Oft gemessen mit Sinusförmigen Gittern, aber auch
Recheck, etc. nur geringe Unterschiedefeststellbar
Beachte: logarithmisch skalierte Ordinate und Abszisse Ordinate invertiert (unten hohe Modulation =1)In hellen Umgebungen:
Maximum bei 5-8 Linienpaaren/Grad
für räumliche Gitter verschiedenerOrtsfrequenzenParameter: Beleuchtungsstärke in Troland
= Leuchtdichte in cd/m2 bei 1 mmPupillenöffnung
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64 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
CSF für farbige Gitter
Achtung: Bilder in den Folien sind natürlich nicht kalibriert.Aus: Heinwig Lang: Farbwiedergabe in den Medien
Auch absolut gibt es Unterschiede, grob:s-w: 3 r-g: 1,5 b-g: 1Bedeutend für technische Farbreproduktionen:Druck, Fernsehen, Kompression undBild/Video-kompression
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65 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Die CSF (contrast sensitivity function)
‣ ist die MTF des Visuellen SystemsMTF: Modulationstransferfunktion
67 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Übersicht
1. Licht – physikalisch betrachtet2. Das visuelle System3. Reiz, Erregung – Empfindung, Wahrnehmung4. Helligkeitswahrnehmung - Kontrast5. Ortscharakteristika des visuellen Systems6. Farbwahrnehmung7. Textur-, Tiefen- und Raum- und Bewegungswahrnehmung
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68 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
FarbeEtwas Historisches
Seit Jahrhunderten beschäftigen sich Physiker, Physiologen, Psychologen, Philosophen mit dem
Phänomen “Farbe”
Jedoch:Bis heute ist dieses Wahrnehmungsphänomen nicht vollständig
verstanden und durchdrungen.
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69 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Meilensteine der Entwicklung‣ Newton (1666-1672): Dispersion (Farbzerstreuung des Lichtes); additive Mischung‣ Goethe: “naturgemäße Ordnung” der Farben
“Auf alles was ich als Poet geleistet habe, bilde ich mir garnichts ein. ... Daßich aber in meinem Jahrhundert der einzige bin, der das Rechte weiß, darauf tue ich mir etwas zugute, und ich habe daher ein Bewußtsein der Superiorität über viele.”
‣ Young, Maxwell, Helmholz: FarbenmischapparateHypothese der Dreidimensionalität der Farbe
73 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Zapfenmosaik in der Fovea Centralis
10% S-RezeptorenB- blaublau
48% M-RezeptorenG- grgrüünn
42% L-RezeptorenR- rotrot
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74 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Grundspektralwertkurven des trichromatischenMenschen
Drei Zapfenarten: hier mit T, D, P bezeichnet … auch üblich S, M, L
Abgeleitet aus z.B. Absortionsmessungen operativ entfernter NetzhäuteUntersuchungen der Farbfehl-sichtigkeiten (Ausfall eines
oder mehrerer Rezeptoren)Aber: viele Unsicherheiten in den Messungen
hier zusätzlich gestrichelt die V(λ)-Kurve eingezeichnet
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75 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Fähigkeit zum FarbensehenDie Fähigkeit der Unterscheidung von Farben beruht darauf, dass die Photorezeptoren (Zapfen) Pigmente mit
unterschiedlichen Absorptionseigenschaften enthalten. Sowohl Linsen- als auch Komplexaugen enthalten Photorezeptoren, deren Pigmente (Rhodopsin) diskrete Absorptionmaxima aufweisen. Die Fähigkeit der Farbenwahrnehmung wird meist durch Dressurversuche untersucht.
Farbenblind scheinen zu seinFarbensehen ist auf ein en-geres Spektrum beschränkt
Gutes Farbensehen
aus http://www.farbe.com/
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76 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Farbrezeption beim MenschenDas Auge des Menschen verfügt über drei Arten von Zapfen-Photorezeptoren mit jeweils einem charakteristischen Absorptionsmaximum: Blaurezeptoren (max. 419 nm), Grünrezeptoren (max. 531 nm) und Rotrezeptoren (max. 559 nm). Wenn alle drei Zapfentypen gleich stark stimuliert werden, wird das Licht als unbunt (weiß) empfunden Farbwahrnehmung entsteht bei ungleicher Lichtabsorption durch die drei Zapfenarten.Das Absorptionsspektrum der hochempfindlichen, aber nicht am Farbensehen beteiligten Stäbchen ist gestrichelt dargestellt (max. 496 nm).
aus http://www.farbe.com/
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77 Hier wird Wissen WirklichkeitB-CG – V05 Elemente der Bildwahrnehmung
Farbrezeption bei der Biene
Die Absorptionsspektren der drei Typen von Photorezeptoren der Biene sind gegenüber dem Menschen zum kurzwelligen Licht hin verschoben: UV- Rezeptoren (max. 340 nm), Blaurezeptoren (440 nm) und Grünrezeptoren (540 nm). Die Biene ist also in der Lage, UV-Licht wahrzunehmen, zeigt aber nur eine geringe Empfindlichkeit für rotes Licht. Aus den drei Spektren kann man einen Eindruck derFarbwahrnehmung der Biene gewinnen. Die UV-Wahrnehmung bei Insekten ist auch die Voraussetzung für das Polarisationssehen.
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Farbrezeption bei FischenViele Fische besitzen vier Photorezeptortypen, die einen weiten Wellenlängenbereich überspannen. Hier gezeigt sind die Absorptionsspektren der Plötze (Rutilus rutilus):UV-Rezeptoren (max. 360 nm), Blaurezeptoren (max. 450 nm), Grünrezeptoren (max. 530 nm) und Rotrezeptoren (max. 620 nm). Farbwahrnehmung mit vier Rezeptortypen (tetrachromatisches Sehen) ist auch bei vielen Tagvögeln nachgewiesen.
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Evolutionshypothesen
‣ Auf der Basis des Stammbaums des Menschen:‣ Ältester Unterschied: Stäbchen und Zapfen
‣ Im Gegensatz zur Flimmerwahrnehmung (CFF) ist die Bewegungswahrnehmung eine “höhere” (zentrale) Eigenschaft (Wertheimer, 1912): basiert auf Erfahrung und Konsistenz der Einzelereignisse: “best fit”.
‣ Minimal notwendige Bildfrequenz (Update-frequenz) zur Wahrnehmung kontinuierlicher Veränderungen (ohne Artifakte: ruckeln, zappeln) ist situations-und bildabhängig: 8 ... >50 Hz
Bewegung ist eine eigenständige Wahrnehmungsqualität
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Zusammenfassung
‣ Eine ganze Reihe von Faktoren beeinflussen die Bildwahrnehmung‣ Bei einer optimalen (menschorientierten) Auslegung Graphischer
Systeme müssen diese immer wieder beachtet werden.‣ Wir kommen noch häufiger darauf zurück.
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Weitere Informationen‣ Heidrun Schuhmann, Wolfgang Müller: Visualisierung, Springer 2000.
Stellen auf ca. 60 Seiten die wichtigsten Grundlagen der visuellen Wahrnehmung vor. ‣ Heinwieg Lang: Farbwiedergabe in den Medien, Muster-Schmidt Verlag, Göttingen, Zürich 1995
‣ als Handbuch Wiszecki, Stiles: Color Science - Concepts and Methods, Quantitative Data and Formulae -
John Wiley and Sons, second Edition 1982 (2000)‣ Yvonne Tritschler: Skript: Allgemeine Psychologie, insbesondere Teil C: Wahrnehmung als Download auf
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Ausblick – Nächste Schritte
‣ Repräsentationen von Farbe im Rechner‣ Farbmischprinzipien‣ Messen von Farben (Farbmetrik, Colorimetrie)
‣ CIE XYZ, Yxy, ... Weiterentwicklungen (empfindungsmäßig gleichabständig):L*a*b*, L*u*v*, ... Farbrepräsentationen im Rechner und in Videosystemen:
RGB, CMYK, HLS, ... ; RGB,YUV,YIQ,YCRCB, ...‣ Farbkalibrierung von Monitordarstellungen
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Anhang:Spektrum des Sonnenlichtes
zu verschiedenen TageszeitenParameter: Farbtemperatur (später)
mit höherer spektraler Auflösung:Fraunhofer Linien werden sichtbar
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