blelb Das Labor für Gestaltung zwischen Kunst und Technik

Die Grauwert-Täuschung

(mit Bildexperimenten)

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Was spielt sich ab?
Sobald Sie mit Hilfe des Schiebers vier Platten vom Würfel trennen, zeigt der letztere nur noch zwei Grauwerte. Es können somit insgesamt lediglich vier Grauwerte im Spiel sein. Sobald die beweglichen Platten andererseits wieder am Würfel kleben, verändern sich in Ihrer Wahrnehmung die Grauwerte der Restflächen: Diejenige auf der hell beleuchteten Seite erscheint jetzt dunkler, diejenige auf der Schattenseite etwas heller, so dass Sie nun insgesamt sechs verschiedene Grauwerte auszählen können, obwohl physikalisch gesehen nur vier existieren. Beachten Sie, dass eine winzig kleine Verschiebung der Platten die Grauwerttäuschung bereits stark reduziert.

Was passiert in unserem Kopf?
Die helle Würfelseite links, die Halbschattenseite oben und die Schattenseite rechts wurden für eine verbesserte Wahrnehmung im extrastriären visuellen Cortex «neu ausgeleuchtet». Man nennt dieses Phänomen auch Luminanzeffekt. Die im Netzhautbild vorhandenen Kontraste werden dabei verstärkt. Die Grauskala wird gespreizt. Ein kontrastreicheres Bild hat grundsätzlich die besseren Chancen, entschlüsselt zu werden.

Was sollen wir sehen?
Ein Hauptziel unserer Wahrnehmung ist bekanntlich das Erkennen von Figuren oder Objekten. Das Objekt besteht in diesem Beispiel aus vier weissen und vier schwarzen, zu einem Schachwürfel aufgetürmten Steinen. Drei weisse und vier schwarze Steine sind in der gezeigten Ansicht teilweise sichtbar. Das Licht- und Schattenspiel erzeugt nun - so wie in der Natur - unerwünschte Helligkeitsänderungen. Sobald die hellen Flächen im Halbschatten (weisse Steine) gleich oder dunkler als die dunklen Flächen im Licht (schwarze Steine), und analog die dunklen Flächen im Halbschatten gleich oder heller als die hellen Flächen im Schatten erscheinen, haben wir ein Problem: Das Sortieren in schwarze und weisse Steine ist gefährdet. Die Steine verlieren ihre Identität. Um diesen Trend ins Chaos zu bekämpfen, wird die Schattenseite des Würfels in unserem Kopf etwas aufgehellt und die hell beleuchtete Seite etwas abgedunkelt. Diese Lichtregie spielt sich innerhalb von Luminanzgrenzen ab (das sind hier die Schattengrenzen), welche vorgängig von unseren neuronalen Bildbearbeitungswerkzeugen automatisch aufgespürt werden.

Sind die demonstrierten Grauwerttäuschungen Fehler unseres Sehsystems?
Nein! Unser Sehsystem soll die physikalischen Grauwerte von Objekten als Identifikationsparameter behandeln und deshalb die auf der Netzhaut registrierten, durch Licht und Schatten verfälschten Grauwerte auskorrigieren. Die entstehenden «Täuschungen» sind somit erwünschte Korrekturen bei der Realisierung der so genannten Grauwertkonstanz.
Bild A1 Die Wahrnehmung liefert sechs Grauwerte, obwohl nur vier verschieden sind. Die beiden Täuschungen werden durch eine gute räumliche Vorstellungskraft begünstigt. Ob Sie einen konvexen Körper oder ein konkaves Gebilde sehen (Würfel oder Zimmerecke, vgl. auch Spot 23), beeinflusst die Qualität der Täuschung nicht.
Bild A2 Mit dem Auftrennen der drei Würfelseiten verschwinden drei Luminanzgrenzen. Wenn Sie die drei Teile gruppieren und von einem einzigen virtuellen Lichtkegel ausleuchten lassen, verschwinden die Täuschungen bis auf die lokalen Simultankontrast-Effekte der untersten Verarbeitungsebene. Wenn Sie sich bei der Betrachtung hingegen den explodierten Würfel vorstellen, kann die Täuschung vorübergehend wieder entstehen.
Bild A3 Ein ähnliches Resultat liefert die Betrachtung der Abwicklung. Wenn Sie eine abstrakte ebene Komposition aus grauen Quadraten sehen und das Bild mit weit geöffneten Augen als ein Ganzes erfassen, verschwinden die Täuschungen fast vollständig. Wenn Sie aber den soeben auseinandergefalteten Würfel sehen, reaktivieren Sie das Licht- und Schattenspiel samt den Grauwerttäuschungen.
Zum Einfluss von Trennlinien und Fugen
Bild B1 Ein dünner schwarzer Rand beeinträchtigt die Täuschung kaum.
Bild B2 Ein dicker schwarzer Rand zerstört hingegen die Luminanzgrenzen. Die Täuschung wird dadurch fast vollständig aufgehoben.
Bild B3 Die einzelnen Steine wurden voneinander getrennt. Die Schnittflächen sind schwarz. Die Täuschungen entwickeln sich sehr ausgeprägt, weil sich am Licht- und Schattenspiel nichts geändert hat. Die Luminanzgrenzen bleiben zunächst nur stückweise erhalten. Die fehlenden Stücke werden dann als Scheinkanten ausgebildet, so dass wieder geschlossene Luminanzgrenzen entstehen und Beleuchtungskorrekturen auslöst werden.
Man sieht, was man sehen möchte …
Bild C1 Würfel des Titelspots zum Vergleich
Bild C2 Der zerknitterte Würfel hat dieselben Grauwerte und dieselbe Topologie. Die dekonstruktivistische Verzerrung kann bewirken, dass Sie hier ein abstraktes, nicht räumliches Gebilde ohne Grauwerttäuschungen sehen. Wenn Sie aber den verzerrten Originalwürfel wieder erkennen wollen, stellt sich das Lichtspiel samt Täuschungen mit der Zeit wieder ein. Dieses Experiment zeigt, dass das räumliche Vorstellungsvermögen die Grauwerttäuschung positiv beeinflussen kann. Der geübte Betrachter kann zwischen verschiedenen Interpretationen bewusst umschalten. Das Bild ist dann für ihn ambivalent und gilt auch als Nachweis für den Top-down-Input aus höheren Arealen der visuellen Wahrnehmung.
3D-Effekte begünstigen Grauwerttäuschungen, sind jedoch nicht eine Voraussetzung
Bild D1 Der weisse Würfel ist gleichmässig beleuchtet. Die zwölf aufgeklebten Quadrate haben dieselben Grauwerte wie die Steine des Originalwürfels. Grauwerttäuschungen stellen sich jedoch nicht ein, weil die Grauwertdifferenzen nicht im Zusammenhang mit Licht und Schatten gelesen werden. Die verschiedenen Grauwerte repräsentieren hier Oberflächeneigenschaften, welche von unserem Sehsystem nicht auskorrigiert werden sollen.
Bild D2 Die drei Flächen des grauen Würfels erscheinen verschieden hell. Es entstehen drei geschlossene Luminanzgrenzen. Die drei Bereiche werden im extrastriären Cortex verschieden ausgeleuchtet, um die unerwünschten Auswirkungen des Licht- und Schattenspiels zu korrigieren. Die Grauwerttäuschungen sind ausgeprägt.
Bild D3 Die Grauwerttäuschungen sind in der Abwicklung kaum reduziert, weil die Luminanzgrenzen erhalten bleiben.
Bild D4 Im letzten Bild wurden zwei Seiten der Abwicklung so verzerrt, dass die Luminanzbereiche wieder drei gemeinsame Grenzen haben. Der Luminanzeffekt verstärkt sich dadurch. Die Grauwerttäuschungen sind evtl. sogar stärker als im Titelspot, obwohl der 3D-Effekt wegfällt.
Zu den neurologischen Prozessen der «Täuschungen» resp. Grauwertkorrekturen
Unser Sehsystem korrigiert, um die erwähnte Grauwertkonstanz annähernd zu erreichen, auf mindestens vier Ebenen der neuronalen Datenverarbeitung:

Im Netzwerk der Netzhaut, d.h. auf der untersten Ebene werden bereits Kontraste geschärft (simultaner Helligkeitskontrast). Diese lokalen Bildkorrekturen ereignen sich automatisch überall dort, wo zwei verschieden graue Flächen zusammenstossen. Die rezeptiven Felder der beteiligten Neuronen, das sind die Netzhautbereiche, welche diese Neuronen beeinflussen können, sind vorläufig noch klein.

Im primären visuellen Cortex und den angrenzenden Arealen werden mit verschiedenen automatischen Bildbearbeitungswerkzeugen die Grenzlinien nachgezeichnet, Scheinkanten produziert, Figur und Grund separiert, transparente Objekte aufgespürt und Luminanzgrenzen gezogen. Innerhalb dieser Grenzen wird das Bild dann neu ausgeleuchtet. Dabei verändern sich auch die Grauwertdaten. Die rezeptiven Felder sind nun bereits viel grösser.

Auf der dritten Verarbeitungsstufe erhalten die Objekte der Bildszene räumliche Konturen mit Tiefeninformation. Das Stereosehen kann dabei involviert sein oder nicht. Die Resultate beeinflussen rückwirkend die Figur-Grund-Separation sowie die Luminanzgrenzen und somit auch die Grauwertparameter. Die rezeptiven Felder sind nochmals grösser geworden.

Auf der vierten Ebene finden schliesslich kognitive Prozesse statt, die auf gespeicherte Bilder der Erinnerung zurückgreifen und die Wahrnehmung (beispielsweise der Grauwerte) nochmals beeinflussen.

Der ganze Prozess dient dem Auskorrigieren und Optimieren der mutmasslichen Objektdaten für eine möglichst fehlerfreie Erkennung der wahrgenommenen Objekte.

Literatur:
[1] Adelson, E.H. (2000). Lightness Perception and Lightness Illusions.
In M. Gazzaniga, M.S., ed., The New Cognitive Neurosciences, 2nd Ed., Cambridge, MA: MIT Press, pp. 339-351.
[2] Gilchrist, A.L. (1997). Die Wahrnehmung schwarzer und weißer Flächen.
Spektrum der Wissenschaft.
02.06.2005