Leseprobe 2: Grundlagen der Wahrnehmung

Jeder Lichtstrahl, der auf das Auge trifft, führt zu einem neuronalen Reiz. Da hierfür mehr Rezeptoren als Neuronen zur Verfügung stehen, kann eine Nervenfaser im Sehnerv (Nervus Opticus) von mehreren Rezeptoren „erregt“ werden. Das heißt, dass jede Nervenzelle (Ganglienzelle) im Sehnerv beziehungsweise jedes Projektionsneuron der Netzhaut gebündelte Informationen aus ungleich vielen Rezeptoren als Impulse an das Gehirn weiterleiten kann (106 Mio. Rezeptoren, 1 Mio. Ganglienzellen). 

Dieser Vorgang wird als rezeptives Feld bezeichnet, es ist also der Bereich einer Nervenzelle, an die Photorezeptoren ihre Informationen senden. Wie bereits beschrieben, befinden sich die lichtempfindlichen Stäbchen (Photorezeptoren) außerhalb des Bereiches für das Scharfsehen (Fovea centralis) also mehr im Randbereich der Netzhaut. Die Lichtempfindlichkeit der Stäbchen wird nunmehr durch das rezeptive Feld (Überzahl an Rezeptoren) begünstigt. Dies führt dazu, dass am Rand des menschlichen Sichtfeldes – also aus den Augenwinkeln - schwach beleuchtete aber auch schnell bewegte Objekte zwar relativ unscharf, dafür aber mit einer hohen Bewegungsauflösung wahrgenommen werden können. Ein Grund dafür, warum wir bei einem Röhrenfernseher das Bildflimmern stärker aus dem seitlichen Blickwinkel als bei frontaler Ansicht erkennen können. Die geschwungenen Bildschirme, die unter der Bezeichnung Curved-TV spätestens seit 2015 den Mainstream erobert haben, zielen auf diesen Umstand ab.

Kontrast

Das rezeptive Feld bewirkt allerdings noch weitere Phänomene. Es ist veränderlich und kann sich bei parallel auftretenden Reizen in einen Bereich der Erregung und in einen weiteren Bereich der lateralen Hemmung unterteilen (On-/Off-Zentrum). Das bekannte Hermann-Gitter (Abbildung 7) veranschaulicht, welche massive neuronale Informationsverarbeitung in unserem visuellen System beim bloßen Anblick eines solchen Gitters ausgelöst wird.

Abbildung 7: Hermann-Gitter

In den Zwischenräumen der schwarzen Quadrate werden weitere graue Vierecke wahrgenommen, die tatsächlich gar nicht vorhanden sind. Fixiert man einen Punkt, so verschwindet hier die Täuschung, bleibt allerdings im übrigen Bereich bestehen. Zu diesem Wahrnehmungseffekt kommt es durch ebenjene Wechselwirkung zwischen Erregung und Hemmung, die die „Feuerrate“ des jeweiligen Neurons erhöht. Während die Peripherie des rezeptiven Feldes in den Bereich der schwarzen Quadrate fällt, wird diese nur schwach belichtet. Die sogenannte Hemmung ist also gering, die Zwischenräume erscheinen hell. An den Schnittpunkten der hellen Zwischenräume (Kreuzungsstellen) ist mehr Licht in der Peripherie, also eine größere Hemmung vorhanden. Die Kreuzungsstellen erscheinen dunkler und werden von ebenjenen (imaginären) grauen Vierecken überlagert.

Das menschliche Auge ist demnach damit befasst, zwei verschiedene Impulse aufzunehmen und zu verarbeiten. Nach dem französischen Physiker und Mathematiker Jean-Baptiste Joseph Fourier lässt sich ein zweidimensionales Abbild als Funktion der Helligkeit gegen den Ort interpretieren, der sogenannten räumlichen Frequenz oder auch Ortsfrequenz (Formelzeichen k oder R). Örtlich veränderliche Funktionen liefern die Grundlage für wissenschaftliche Erkenntnisse gemäß der Fourier-Optik und nicht zuletzt für die sogenannten Bildkompressionsalgorithmen (beispielsweise JPEG), die in der digitalen Videotechnik unabdingbar sind.

Ortsfrequenz

Die Ortsfrequenz bezeichnet in der Wahrnehmungspsychologie die Anzahl der Kanten pro Grad Sehwinkel. Hierbei unterscheidet man die niedrige Ortsfrequenz, bei der Bilder unscharf und flächig wirken (Tiefpass), und Bilder mit hoher Ortsfrequenz (Hochpass), die detailreich und scharf konturiert sind. Dies ist der Grund, warum die in Abbildung 8 (links) dargestellten Graukanten an den Übergängen subjektiv schärfer wahrgenommen werden. Ebenso wirkt in Abbildung 8 (rechts) der graue Kreis vor dem dunklen Hintergrund schärfer beziehungsweise heller als der gleiche Kreis im hellgrauen Rechteck daneben.

Abbildung 8: Graukanten (links) und Simultankontrast (rechts)

Im visuellen System unseres Gehirns (visueller Cortex oder Sehrinde) sind bestimmte Neuronen darauf spezialisiert, die Ortsfrequenz eines Bildes zu analysieren. Das sogenannte „retinotope“ Areal 17 (Area striata) der menschlichen Großhirnrinde ist dafür zuständig, dass nebeneinander abgebildete Punkte auf der Retina (Netzhaut) auch tatsächlich parallel liegen. Die Fovea, als Zentrum des Scharfsehens, ist hier überproportional gefordert.

Abbildung 9: Vertikal verlaufende Streifenmuster

Bei einer optimalen Funktionalität des Auges kann eine Rasterung von bis zu neun Linienpaaren (Abbildung 9) pro Grad Sehwinkel erkannt werden. Steigt die Frequenz (also der Wechsel zwischen hellen und dunklen Linien), sinkt der empfundene Kontrast proportional. Bei 36 Linienpaaren pro Grad beträgt dieser nur noch zehn Prozent. Bei Beeinträchtigung der Sehschärfe verschwimmen die Konturen schneller, bei Bewegtbildern können sie ganz verschwinden - z.B. die Speichen bei einem sich drehenden Rad.

Abbildung 10: Siemensstern (Wikimedia Commons)

 

Der in Abbildung 10 dargestellte Siemensstern wurde mit einem Tiefpass gefiltert und verfügt über die maximale Ortsfrequenz von zirka 330 Linienpaaren pro Bildhöhe. Die Details in der Mitte des Bildes gehen dabei komplett verloren, während nach außen hin die Kanten breiter wirken. Die Kontrastwahrnehmung hängt insofern von der Genauigkeit des menschlichen Sehvermögens (Sehschärfe) ab. Dieser sind allerdings Grenzen gesetzt, bis zu denen feine Details in Mustern beziehungsweise Objekten bei hohem Kontrast unterschieden werden können. Der Zahlenwert des Auflösungsvermögens des menschlichen Auges (anguläre Sehschärfe) ist der Kehrwert des kleinsten auflösbaren Sehwinkels, der in Winkelminuten angegeben wird.


Sehschärfe

Die sogenannte Sehschärfe ist nicht einfach nur die Feineinstellung eines Bildes. Sie unterscheidet sich im Allgemeinen in vier verschiedene Formen in Abhängigkeit von der Art, Anzahl und Qualität der wahrgenommen Objekte.

Punkt-Sehschärfe: Hierbei handelt es sich um das Erkennen eines Einzelpunktes ohne Trennung oder Beurteilung der Relativposition von zwei Objekten (1 Bogenminute = 1/60°).

Gitter-Sehschärfe/Auflösungs-Sehschärfe: Hier werden die Abstände zwischen zwei Objekten erkannt und verknüpft, wobei bestimmte Leuchtdichteunterschiede zwischen Objektstrukturen (hell/dunkel) erkannt werden. Das menschliche Auge nimmt also Balken- oder Gittermuster und keine grauen Flächen wahr (1-2 Bogenminuten). Dabei bestimmt die Ortsfrequenz, in welchem Maße eine solche Balken- oder Gitterstruktur erkannt werden kann.

Buchstaben-Sehschärfe/Erkennungs-Sehschärfe: Diese Methode zur Bestimmung der Sehschärfe ist vor allem vom Augenarzt oder Optiker bekannt, wird deshalb im klinischen Sprachgebrauch auch als „Visus“ bezeichnet und definiert sich über den kleinsten Winkel, unter dem ein Objekt in seiner Form erkannt werden kann (5 Bogenminuten).

Für einen solchen Test zur Erkennungsschärfe (Abbildung 11) werden im Allgemeinen Buchstaben, Zahlen oder sogenannte Landolt-Ringe verwendet. Bei der letztgenannten Methode muss die richtige Lage der Lücke erkannt werden.

Abbildung 11: Landolt-Ringe: Test zur Sehschärfe


Stereo-Sehschärfe/Lokalisations-Sehschärfe: Grundsätzlich können Objekte in räumlicher Tiefe von beiden Augen gleichzeitig wahrgenommen werden (Binokularsehen).  Hierzu zählt in einer ersten Stufe das Simultansehen, also die gleichzeitige Wahrnehmung über das linke und das rechte Auge (10 Bogensekunden). Werden die Bilder, die von beiden Augen erkannt werden, zu einem einzigen Bild verschmolzen, wird dies in einer zweiten Stufe als Fusion bezeichnet. Die höchste Stufe des Binokularsehens ist das räumliche Sehen (Stereopsis).

Auf diverse Fußnoten wurde in dieser Leseprobe verzichtet. 

Auszug aus dem BUROSCH-Praxishandbuch: "Medientechnik"