Dienstag, 15.10.2019

Der Magische Farbkreis

Fixieren Sie das Bildzentrum, schauen Sie ohne Augen- und Kopfbewegungen durch das Bild hindurch und beobachten Sie das langsam entstehende kreisende Nachbild sowie das Verblassen der stationÀren Farbtupfer.

Ein kreisendes Nachbild ĂŒber einer verblassenden Welt

Die Animation besteht aus 12 Standbildern mit einzelnen Radialverschiebungen der zu einem Farbkreis zusammengefĂŒgten Farbtupfer.

Es entstehen verschiedene Wahrnehmungseffekte, welche einige Details ĂŒber die Funktionsweise unseres Sehsystems enthĂŒllen:

1. Das plötzliche Verschwinden der einzelnen Farbtupfer löst auf der Netzhaut an dieser Stelle ein in der physikalischen Welt nicht existierendes negatives Nachbild aus.

2. Der radial verschobene Farbtupfer ist reell (physikalisch existent) und rotiert mit dem benachbarten virtuellen Farbtupfer (negatives Nachbild) im Kreis. Das Nachbild leuchtet in der Gegenfarbe des begleitenden Farbtupfers.

3. Die zeitlich und rÀumlich nur wenig verschobenen Nachbilder lösen im Grosshirn eine BewegungstÀuschung (Phi-Bewegung) aus.

4. Der restliche Farbkreis verblasst in der Wahrnehmung mit zunehmender Beobachtungszeit, falls es gelingt, den Kopf still zu halten und die Augenbewegungen zu unterdrĂŒcken (Troxler-Effekt).

Die negativen Nachbilder leuchten in der Gegenfarbe des fehlenden Objekts.
Beobachten Sie in der langsam rotierenden FarblĂŒcke der zweiten Animation nochmals ohne Zeitdruck das Aufleuchten des fehlenden Tupfers in seiner Gegenfarbe und vergleichen Sie diese mit der Originalfarbe des radial verschobenen, mitrotierenden reellen Farbtupfers.
Die Entstehung der negativen Nachbilder ist ein Netzhaut-Effekt. Zwei Indizien liefert dieses einfache Sehexperiment selbst:

1. Die Nachbilder entstehen auch bei relativ hohen Drehfrequenzen, so dass fĂŒr die Entstehung eines einzelnen Nachbildes nur wenig Zeit bleibt. Eine Generierung dieses Effektes im Grosshirn wĂ€re trĂ€ger und wĂŒrde mehr Zeit erfordern.
Das Memorieren eines virtuellen Farbtupfers beispielsweise setzt die Aktivierung des KurzzeitgedĂ€chtnisses im Grosshirn voraus und benötigt mehr Zeit (mehr als 100 Millisekunden). Betrachtet man die schnelle Animation, so gelingt das Memorieren der einzelnen Farben der Nachbilder kaum, weil der Datenfluss ins KurzzeitgedĂ€chtnis durch die rasche Folge von neuen Ereignissen gestört wird. Bei der langsamen Animation hingegen ist die PrĂ€sentationsdauer eines Einzelereignisses genĂŒgend lang, so dass man sich die Farben der einzelnen Objekte und ihrer Nachbilder gut merken kann.

2. Der Ort der Entstehung eines Nachbildes ist an die Netzhaut gebunden. Mit den Kopfbewegungen und den Augapfeldrehungen verschieben sich automatisch auch die Nachbilder.

Die einzelnen Farben der Nachbilder entsprechen nicht dem von Thomas Young und Hermann von Helmholtz entdeckten Dreifarbensystem unserer farbempfindlichen Rezeptoren, sondern dem bereits in der Netzhaut verschalteten Vierfarbensystem. (Die Nervenzellen der Netzhaut sind ins Auge verlagerte Hirnpartien und verarbeiten die visuellen Signale in einem mehrschichtigen neuronalen Netzwerk.) Die Gegenfarbe von Rot ist deshalb nicht ein sattes GrĂŒn, sondern ein ins Hellblaue verschobener Farbton. Beobachten Sie selbst.

Weshalb entstehen negative Nachbilder?
Die Fotopigmente der Netzhaut werden durch helles Licht gebleicht. Dieses Licht erregt die Rezeptoren. Weil ihre fotochemischen Substanzen nach einer anhaltenden Exposition sich regenerieren mĂŒssen, ist die Netzhaut an der betreffenden Stelle fĂŒr das dargebotene WellenlĂ€ngengemisch vorĂŒbergehend weniger empfindlich. Beim Anblick von Grau haben nun die WellenlĂ€ngen der Gegenfarben einen effizienteren Wirkungsgrad und erzeugen an dieser Stelle der Netzhaut ein negatives Nachbild. In unserer visuellen Wahrnehmung entstehen normalerweise keine Nachbilder, weil wir unbewusst unsere Augen etwa dreimal pro Sekunde bewegen (Sakkaden). Das Ausbleichen der Fotopigmente oder mit anderen Worten die Adaption der StĂ€bchen und ZĂ€pfchen kann sich nicht auswirken, denn die Netzhaut wird an jeder Stelle mit stets wechselnden Reizmustern belastet.

Die virtuellen Objekte, welche die fehlenden Farbtupfer ersetzen, werden vom Grosshirn wie reale Objekte behandelt.
Aus den diskreten Standbildern eines Objektes baut unser Grosshirn glĂŒcklicherweise einen kontinuierlichen Film. Diese Scheinbewegung ist unter dem Namen Phi-PhĂ€nomen bekannt. Der wahrgenommene schnelle Film der Nachbilder beweist, dass unser Bewegungssehen im Areal V5 nicht zwischen reellen Objekten (die radial nach innen verschobenen Farbtupfer) und virtuellen Objekten (die Nachbilder in den LĂŒcken des Farbkreises) unterscheidet. Beide werden genau gleich verarbeitet.

Das Hirn akzeptiert auch die FarbĂ€nderungen der beiden Filmakteure. In der Natur können die Objekte bei wechselnder Beleuchtung ebenfalls ihre Farbe Ă€ndern und sollten dabei nicht ihre IdentitĂ€t verlieren. Diese so genannte Objektkonstanz bedingt ein fortlaufendes Auskorrigieren der sich Ă€ndernden Beleuchtung. (Solche Korrekturen machen inzwischen auch unsere Videokameras, indem sie einen periodischen Weissabgleich durchfĂŒhren.)
Das fĂŒr das Bewegungssehen zustĂ€ndige Areal V5 ist ausserdem praktisch farbenblind und verarbeitet nur die Helligkeitswerte der einzelnen SchnappschĂŒsse. Die Verarbeitung der diskreten visuellen Netzhautinformation zu einem kontinuierlichen Bewegungsablauf ist zum grössten Teil noch unklar und bleibt deshalb ein aktuelles Forschungsthema.

StationÀre konturlose Objekte verblassen in unserer Wahrnehmung
Wir haben unser Sehsystem von unseren tierischen Vorfahren geerbt. Es ist primĂ€r auf die Dekodierung von Objektbewegungen und nicht zum Betrachten von schönen Bildern und stationĂ€ren Situationen ausgelegt. Objekte haben in der Regel Konturen. Diese werden mit Hilfe von richtungsempfindlichen Nervenzellen im V1 aufgespĂŒrt und im Raum sowie auf der Zeitachse weiterverfolgt. Mit der Fovea (dem winzigen, rund um die Sehachse zentrierten Netzhautbereich) können wir nicht nur scharf sehen, sondern auch FarbtonĂ€nderungen genauer auflösen und sogar stationĂ€re verschwommene oder unscharfe Objekte registrieren. Wenn wir beim Betrachten der Animationen den kleinen grauen Kreis im Bildzentrum fixieren, wird nur dieser auf die Fovea abgebildet. Diese ist somit beschĂ€ftigt. Die unscharf dargestellten Farbtupfer mĂŒssen dann im peripheren Bereich der Netzhaut, welche weniger gut mit Farbrezeptoren bestĂŒckt ist und eine miserable SehschĂ€rfe hat, analysiert werden. Wir können ausserdem die Objekte mit unseren tierischen Augen nur dann registrieren, wenn sie sich relativ zur Netzhaut bewegen. Falls sowohl die Augen- als auch die Kopfbewegungen unterdrĂŒckt werden, versagt in diesem Fall die Objektdekodierung mit der peripheren Netzhaut. Die ĂŒberlagerten negativen Nachbilder neutralisieren die stationĂ€ren Objektbilder, die real existierenden Farbtupfer verblassen, als ob sie nicht da wĂ€ren (Troxler-Effekt). Unser Gehirn interpoliert die dadurch entstandenen BildlĂŒcken in der Hintergrundfarbe und tĂ€uscht uns eine harmlose Situation ohne Farbtupfer vor. Davon ausgenommen sind die beiden im letzten Abschnitt beschriebenen kreisenden Objekte (ein reales und ein virtuelles), weil sich ihre Reizmuster relativ zur Netzhaut bewegen und eine neuronale AktivitĂ€t der Bewegungssensoren der Grosshirnrinde auslösen.

Ein Mensch mit fixiertem Kopf und blockierten Augapfelbewegungen erblindet mit geöffneten Augen, falls sich seine Umwelt nicht bewegt.


Die optischen TĂ€uschungen wurden uns freundlicher Weise zur VerfĂŒgung gestellt von: www.blelb.ch
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