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

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

2. 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

3. Lighntess Perception and Lightness Illusions: The simultaneous contrast effect

4. 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.

5. 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

6. 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

7. 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)

8. Lighntess Perception and Lightness Illusions: Terminologie CheckerBox • P und r haben zufällig selbe Leuchtdichte, weil Unterschied im Reflexionsgrad durch Unterschied der Beleuchtungsstärke ausgeglichen wird

9. 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)

10. Lightness Perception and Lightness Illusions: Funktionsmechanismen • Mach-Bänder →Vasarely Illusionen a) Flächen mit einheitlichen Graustufen b) Mit center-surround Filter

11. Lighntess Perception and Lightness Illusions: Ebenen der Funktionsmechanismen • Low Level, unterste Stufe • Ewald Hering • Helligkeitsadaptation • On-center/off-surround rezeptive Felder

12. Lighntess Perception and Lightness Illusions: Ebenen der Funktionsmechanismen • Mid Level, Mittlere Stufe: • Gestalt – Psychologen (Koffka) • Gruppierung (Nachbarschaft, Ähnlichkeit, „good continuation“ etc.)

13. Lighntess Perception and Lightness Illusions: Ebenen der Funktionsmechanismen • High Level, Höchste Stufe: • Hemholtz • Intrinsische Bilder • Kognition • Wissen und Erfahrung

14. Lighntess Perception and Lightness Illusions: Low Level Mechanismen • Center-surround rezeptive Felder • Schematisch b) Querschnitt

15. Lighntess Perception and Lightness Illusions: Low Level Mechanismen • Craik-O'Brian-Cornsweet Effekt (COCE)

16. 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

17. 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

18. Lighntess Perception and Lightness Illusions: Grenzen der Low Level Mechanismen Knill und Kersten (1991)

19. 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

20. Lighntess Perception and Lightness Illusions: Mid Level Mechanismen Varianten der Koffka Ringe

21. Lighntess Perception and Lightness Illusions: Mid Level Mechanismen Was nehmen wir mit? • Änderung der räumlichen Anordnung ändert den Helligkeitseindruck

22. Lighntess Perception and Lightness Illusions: Das Problem der Helligkeitskonstanz L(x,y) = E(x,y) * R(x,y) L = Leuchtdichte E = Beleuchtungsstärke R = 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)

23. Lighntess Perception and Lightness Illusions: Das Problem der Helligkeitskonstanz CheckerBox

24. 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

25. Lighntess Perception and Lightness Illusions: Psi-Junctions The impossible steps

26. Lighntess Perception and Lightness Illusions: Psi-Junctions Psi-förmige Verknüpfungspunkte: • Tiefeneindruck • Gruppierung in Oberflächeneinheiten

27. Lighntess Perception and Lightness Illusions: Psi-Junctions Corrugated Plaid

28. 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

29. 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

30. Lightness Perception and Lightness Illusions: Artikulation und Insulation Simultankontrast Effekt Standard und artikuliert

31. 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

32. 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 Grauflächen b) Beleuchtungsstärke um die Hälfte gedimmt c) Zusätzlich blendender oder eintrübender Filter (Reflexion in Scheibe bzw. Nebel)

33. 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

34. Lightness Perception and Lightness Illusions: Adaptive Fenster Eine größere Anzahl Testobjekte verbessert die Berechnungen der Helligkeitszuordnung

35. 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

36. 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

37. 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

38. Lightness Perception and Lightness Illusions: Atmosphären-Transfer Funktion L = m*R + e L = Leuchtdichte R = Reflexionsgard m = z.B. Erhöhung der Beleuchtungsstärke e = additive Lichtquelle, Filter

39. 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

40. Lightness Perception and Lightness Illusions: Atmosphären-Transfer Funktion

41. 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

42. Lightness Perception and Lightness Illusions: Helligkeits-Transfer Funktion • Subjektiv • Empirisch ermittelbar • Muss keine korrekte Inversion der ATF und nicht zwingend linear sein

43. Lightness Perception and Lightness Illusions: Atmosphären + X-junctions a) Standardstimulus b) Hinzufügen einer Atmospäre, z.B. Schatten c) Andere Atmosphäre, Transparenzeffekt d) keine atmosphärischen Effekte im visuellen System, z.B. Farbe

44. 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“

45. 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

46. 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

47. 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.

48. Lightness Perception and Lightness Illusions: Verschobene Koffka Ringe „sign-preserving“ X-junctions

49. 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“

50. Lightness Perception and Lightness Illusions: T-junctions Whites Illusion. Alle Rechtecke gleiche Graustufen. T-junctions