Lightness Perception and Lightness Illusions, E.H. Adelson (2000)

„Every light is a shade, compared to the higher lights, till you come to the

sun; and every shade is a light, compared to the deeper shades, till

you come to the night.“ - John Ruskin, 1879

Lighntess Perception and Lightness Illusions: The simultaneous contrast effect

● Konstanzen spielen eine zentrale Rolle in der Wahrnehmung

● Helligkeitskonstanz: Unterscheidung von weißen Flächen in schwachen Licht und schwarzen Flächen in hellem Licht

Lighntess Perception and Lightness Illusions: The simultaneous contrast effect

Lighntess Perception and Lightness Illusions: The simultaneous contrast effect

● Beispiel für räumliche Interaktion in der Helligkeitswahrnehmung

● Solche „Fehler“ in der Prozessierung helfen uns die Arbeitsweise unseres visuellen Systems zu verstehen, das im Alltag erstaunlich gut funktioniert.

Lighntess Perception and Lightness Illusions: Terminologie

3 physikalisch messbare Einheiten● Luminance, Leuchtdichte, Leuchtkraft, Menge

des sichtbaren Lichts das von einer Oberfläche ins Auge einfällt

● Illuminance, Beleuchtungsstärke, Menge Licht das auf eine Oberfläche von einer Lichtquelle ausgehend einfällt

● Reflectance, Reflexionsgrad/-quotient, Anteil des von einer Oberfläche reflektierten Lichts

Lighntess Perception and Lightness Illusions: Terminologie

2 subjektiv empfundene Einheiten● Lightness, Farbhelligkeit, empfundener

Reflexionsgrad einer Oberfläche. Versuch des visuellen System den Reflexionsgrad aus der Leuchtdichte zu ermitteln

● Brightness, Helligkeit, Weißanteil, empfundene Lichtintensität des Stimulus, auch: empfundene Leuchtdichte

Lighntess Perception and Lightness Illusions: Terminologie

CheckerBox

● P und q selber Reflexionsgrad (reflectance), aber unterschiedliche Leuchtdichte (luminance)● Q und r verschiedener Reflexionsgrad und verschiedene Leuchtdichte, aber selbe Beleuchtungsstärke (illuminance)

Lighntess Perception and Lightness Illusions: Terminologie

CheckerBox

● P und r haben zufällig selbe Leuchtdichte, weil Unterschied im Reflexionsgrad durch Unterschied der Beleuchtungsstärke ausgeglichen wird

Lighntess Perception and Lightness Illusions: Terminologie

CheckerBox

● P und q scheinen mit der selben Farbe bemalt zu sein, d.h. Sie haben die selbe Helligkeit bzw. Farbhelligkeit (lightness)● P hat jedoch mehr Leuchtdichte als q und deswegen unterscheiden sie sich im Weißanteil (brightness)

Lightness Perception and Lightness Illusions: Funktionsmechanismen

● Mach-Bänder → Vasarely Illusionen

a) Flächen mit einheitlichen Graustufenb) Mit center-surround Filter

Lighntess Perception and Lightness Illusions: Ebenen der Funktionsmechanismen

● Low Level, unterste Stufe– Ewald Hering– Helligkeitsadaptation– On-center/off-surround rezeptive Felder

Lighntess Perception and Lightness Illusions: Ebenen der Funktionsmechanismen

● Mid Level, Mittlere Stufe:– Gestalt – Psychologen (Koffka)– Gruppierung (Nachbarschaft, Ähnlichkeit, „good

continuation“ etc.)

Lighntess Perception and Lightness Illusions: Ebenen der Funktionsmechanismen

● High Level, Höchste Stufe:– Hemholtz– Intrinsische Bilder– Kognition– Wissen und Erfahrung

Lighntess Perception and Lightness Illusions: Low Level Mechanismen

● Center-surround rezeptive Felder

a)Schematisch b) Querschnitt

Lighntess Perception and Lightness Illusions: Low Level Mechanismen

● Craik-O'Brian-Cornsweet Effekt (COCE)

Lighntess Perception and Lightness Illusions: Low Level Mechanismen

Das Retinex-Modell (Land und McCann 1971)● In natürlicher Umgebung Reflexionsgrad

konstant bis auf die Übergänge zwischen Objekten und Farbpigmenten

Änderung im Reflexionsgrad → Stufenkante

Änderung der Beleuchtungsstärke → Verlauf

Lighntess Perception and Lightness Illusions: Low Level Mechanismen

Was nehmen wir mit?● Visuelle Wahrnehmung ist nur möglich, weil

bestimmte Beschränkungen und Gesetzmäßigkeiten in unserer Umwelt existieren, d.h. Visuelle Eindrücke entstehen nicht durch beliebige Zufallsberechnungen

Lighntess Perception and Lightness Illusions: Grenzen der Low Level Mechanismen

Knill und Kersten (1991)

Lighntess Perception and Lightness Illusions: Grenzen der Low Level Mechanismen

● Kann nicht erklärt werden durch Low Level Mechanismen

● Hochberg und Beck (1954), Gilchrist (1977):– 3D Informationen können Helligkeitseindruck

beträchtlich ändern, ohne Änderung des retinalen Eindrucks

Lighntess Perception and Lightness Illusions: Mid Level Mechanismen

Varianten der Koffka Ringe

Lighntess Perception and Lightness Illusions: Mid Level Mechanismen

Was nehmen wir mit?● Änderung der räumlichen Anordnung ändert den

Helligkeitseindruck

Lighntess Perception and Lightness Illusions: Das Problem der Helligkeitskonstanz

L(x,y) = E(x,y) * R(x,y)

L = LeuchtdichteE = BeleuchtungsstärkeR = Reflexionsgrad

Mathematisch unlösbares Problem, doch dem visuellen System gelingt es trotzdem → Annahme: Beleuchtungsstärke und Reflexionsgrad keine willkürlich wählbaren Parameter, sondern beschränkt durch die statistischen Eigenschaften unserer Umwelt (Retinex-Modell, Land und McCann)

Lighntess Perception and Lightness Illusions: Das Problem der Helligkeitskonstanz

CheckerBox

Lighntess Perception and Lightness Illusions: Das Problem der Helligkeitskonstanz

● Retinex würde beide Kanten einer Änderung des Reflexionsgrads zuschreiben → FALSCH

● Annahme: Die Verknüpfungspunkte (junctions) der Kanten geben Aufschluß über den visuellen Kontext

● Konfiguration der junctions (X, Y, L, T und psi), sowie die Graustufen geben Infos über Farbverlauf bzw. Reflexionsgrad

Lighntess Perception and Lightness Illusions: Psi-Junctions

The impossible steps

Lighntess Perception and Lightness Illusions: Psi-Junctions

Psi-förmige Verknüpfungspunkte:● Tiefeneindruck● Gruppierung in Oberflächeneinheiten

Lighntess Perception and Lightness Illusions: Psi-Junctions

Corrugated Plaid

Lightness Perception and Lightness Illusions: Corrugated Plaid

● Ein 3D Modell kann die Figuren a) und b) erklären, aber nicht Figur c) (Todorovic)

● Das bedeutet: Psi-junctions als 2D Konfigurationen reichen aus um diesen Effekt zu erzeugen

Lightness Perception and Lightness Illusions: Psi-junctions

Was nehmen wir mit?● Junctions grenzen Oberflächeneinheiten für das

visuelle System eindeutig voneinander ab● Psi-junctions erzeugen Tiefeneindruck, dieser ist

aber nicht erforderlich für die Interpretation

Lightness Perception and Lightness Illusions: Artikulation und Insulation

Simultankontrast Effekt Standard und artikuliert

Lightness Perception and Lightness Illusions: Artikulation und Insulation

Artikulation: Bezieht sich auf die Zahl unterschiedlicher Stimuli in einem Bezugssystem

● Bezugssystem (framework): lokale oder globale Rahmenbedingungen

Insulation: Lokales Bezugssystem klar als separate Einheit vom globalen Bezugssystem getrennt

Lightness Perception and Lightness Illusions: Statistische Beurteilung

● Gesetzmäßigkeiten der Interpretation von Helligkeit nicht zufällig erworbene Heuristika, sondern aufgrund von statistischen Beurteilungen unserer Umwelt

a) Zufällige Auswahl an Grauflächenb) Beleuchtungsstärke um die Hälfte gedimmtc) Zusätzlich blendender oder eintrübender Filter (Reflexion in Scheibe bzw. Nebel)

Lightness Perception and Lightness Illusions: Anchoring

In zweigeteilten Ganzfeldern (Li und Gilchrist) hat sich gezeigt:

● Die Fläche mit der höchsten Leuchtkraft wird als weiß empfunden

● Die größte Fläche wird als weiß empfunden● In der Praxis Kompromiss zwischen beiden

Regeln

Lightness Perception and Lightness Illusions: Adaptive Fenster

Eine größere Anzahl Testobjekte verbessert die Berechnungen der Helligkeitszuordnung

Lightness Perception and Lightness Illusions: Statistische Beurteilung

Was nehmen wir mit?● Die Zuordnung von Leuchtdichte und

Reflexionsgrad ist zentrale Aufgabe der Helligkeitswahrnehmung

● Anchoring ist ein Weg einen Teil dieses Prozesses zu beschreiben

Lightness Perception and Lightness Illusions: Adaptive Fenster

Annahme: Visuelles System verwendet adaptive Fenster

● Weniger Stimuli → Fenster wächst (a)● Viele Stimuli → Fenster bleibt klein (b)● Verändert Form (c)● „Weiche“ Kanten

Lightness Perception and Lightness Illusions: Atmosphären

● Atmosphäre: Kombinierte Effekte von multiplikativen Prozessen (z.B. Beleuchtungsstärke) und additiven (→ Filter, z.B. Nebel, blendendes Licht, Sonnenbrille)

● Hier: Atmosphäre nur auf Zuordnung von Leuchtstärke und Reflexionsgrad bezogen, nicht physikalisch

Lightness Perception and Lightness Illusions: Atmosphären-Transfer Funktion

L = m*R + e

L = LeuchtdichteR = Reflexionsgardm = z.B. Erhöhung der Beleuchtungsstärkee = additive Lichtquelle, Filter

Lightness Perception and Lightness Illusions: Atmosphären-Transfer Funktion

● Funktion, die die Reflexionsgrade den entsprechenden Leuchtdichten zuordnet

● Es gibt keine „Nicht-Atmosphäre“, die Parameter der ATF haben immer Werte

Lightness Perception and Lightness Illusions: Atmosphären-Transfer Funktion

Lightness Perception and Lightness Illusions: ATF und Helligkeits-Transfer Funktion

Was nehmen wir mit?● Die Atmospärentransferfunktion ATF ordnet

jeden Reflexionsgrad einer Leuchtkaft zu● Unser visuelles System muss diese Funktion

invertieren, um bei gegebener Leuchtdichte den entsprechenden Reflexionsgrad zu ermitteln → Helligkeits-Transfer Funktion LTF

Lightness Perception and Lightness Illusions: Helligkeits-Transfer Funktion

● Subjektiv ● Empirisch

ermittelbar● Muss keine

korrekte Inversion der ATF und nicht zwingend linear sein

Lightness Perception and Lightness Illusions: Atmosphären + X-junctions

a) Standardstimulusb) Hinzufügen einer Atmospäre, z.B. Schattenc) Andere Atmosphäre, Transparenzeffektd) keine atmosphärischen Effekte im visuellen System, z.B. Farbe

Lightness Perception and Lightness Illusions: Atmosphären + X-junctions

Verschiedene Atmosphären bringen verschiedene X-junctions hervor

b) „sign-preserving“ oder „non-reversing“c) „single-reversing“d) „double-reversing“

Lightness Perception and Lightness Illusions: Atmosphären + X-junctions

● „sign-preserving“ X-junctions: Änderung des Reflexionsgrads derselbe auf jeder Seite der Beleuchtungsgrenze

● „single-reversing“: Transparenzeffekt, Eintrübung, klare Tiefenordnung

● „double-reversing“: nur schwer Beleuchtungseffekten zuzuschreiben, erscheint meistens wie Farbe

Lightness Perception and Lightness Illusions: Atmosphären + X-junctions

Was nehmen wir mit?● X-junctions werden erzeugt durch Schattenwurf

oder Transparente Filter (Nebel, schmutzige Scheibe, etc.) oder Farbe („paint“)

● Dementsprechend atmosphärische Grenzen

Lightness Perception and Lightness Illusions: Atmosphären + X-junctions

An illusion of haze. Die beiden markierten Flächen haben identische Graustufen. Eine scheint klar zu sein, die andere trüb.

Lightness Perception and Lightness Illusions: Verschobene Koffka Ringe

„sign-preserving“ X-junctions

Lightness Perception and Lightness Illusions: Verschobene Koffka Ringe

● „Sign-preserving“ X-junctions konsistent mit Transparenz-Effekt

● Form/Umriss → starke atmosphärische Grenze zwischen rechter und linker Seite

● Beide Halbkreise in unterschiedlichen Bezugssystemen

● Verschiedene Statistiken auf beiden Seiten● Zusätzlich: „good continuation“

Lightness Perception and Lightness Illusions: T-junctions

Whites Illusion. Alle Rechtecke gleiche Graustufen.

T-junctions

Lightness Perception and Lightness Illusions: Neue Illusionen

Criss-cross Illusion. Beide Rechtecke gleiche Graustufen.

Lightness Perception and Lightness Illusions: Criss-cross Illusion

● Viele psi-junctions → starke atmosphärische Grenzen

● Verschiedene Leuchtdichten und viele Kanten → Artikulation

● Teststimuli jeweils höchste/niedrigste Leuchtdichte im Streifen → statistische Beurteilung (siehe Simultankontrast Effekt)

Lightness Perception and Lightness Illusions: Neue Illusionen

Snake Illusion. Alle vier Rauten gleiche Graustufen.

Lightness Perception and Lightness Illusions: Snake Illusion

● „Sign-preserving“ X-junctions konsistent mit Transparenzeffekt → starke atmosphärische Grenzen zwischen den Streifen

● Teststimuli höchste/niedrigste Leuchtdichte im Streifen → statistische Beurteilung (siehe Simultankontrast Effekt)

Lightness Perception and Lightness Illusions: Snake Illusion

Warum bei b) kein Effekt?● Beste atmosphärische Grenze geradlinig● Geringe bis keine Insulation durch sinusförmige

atmosphärische Grenzen → adaptives Fenster wächst und verschischt Statistiken aus dunklem und hellem Streifen

Lightness Perception and Lightness Illusions: Klausurfragen

● Zusammenhang zwischen ATF und LTF● Dementsprechend Problem der

Helligkeitskonstanz● Beispiele für low-level, mid-level und high-level

Mechanismen bei der Helligkeitsinterpretation