mini|Die menschliche Sehbahn überträgt visuelle Information von den Augen zur Sehrinde des Gehirns
Visuelle Wahrnehmung (von „sehen“) bezeichnet die Aufnahme und Verarbeitung optischer Reize, bei der über Auge und Gehirn eine Extraktion relevanter Informationen, Erkennung von Elementen und deren Interpretation durch Abgleich mit Erinnerungen stattfindet. Somit geht die visuelle Wahrnehmung weit über das reine Aufnehmen von Information hinaus.
Wahrnehmung ist ein psychischer Prozess.Jochen Müsseler (Hrsg.). Allgemeine Psychologie. Spektrum Akademischer Verlag, 2008 Physiologische Einzelheiten zum visuellen Wahrnehmungsapparat von Menschen und ähnlich sehenden Tieren finden sich unter visuelles System. Der Lichtgang ist unter dioptrischer Apparat beschrieben. Die Physiologie des (menschlichen) Auges ist Gegenstand der physiologischen Optik.
Geschichte Im Altertum existierten unterschiedliche Theorien über die visuelle Wahrnehmung:
Die Wahrnehmungstheorie von Euklid (365–300 v. Chr.) setzte sich mit Problemen der Raumwahrnehmung (z. B. Perspektive und Größenkonstanz) auseinander. Die Sehlinien gehen nach dieser Theorie vom Auge aus und bestimmen die Wahrnehmung. Diese Theorie des „Sehstrahls“ scheint im Lichte physikalischer Betrachtungen ziemlich absurd zu sein, erhält aber durch die modernen Erkenntnisse der Blickbewegungsanalysen eine Art späte Rehabilitation (siehe Fovea centralis).
Die Wahrnehmungstheorie von Empedokles (492–432 v. Chr.) besagte scheinbar das Gegenteil. Die von den Poren (gemäß der von der Atomistik aufgenommenen Porenlehre des EmpedoklesFritz Krafft (Hrsg.): Vorstoß ins Unbekannte. Lexikon großer Naturwissenschaftler. Weinheim/New York 1999, S. 136 f. (zur Porenlehre).Matthias Gatzemeier: Empedokles. In: Jürgen Mittelstraß u. a. (Hrsg.): Enzyklopädie Philosophie und Wissenschaftstheorie. 4 Bände, Mannheim/Stuttgart/Weimar 1984–1996; korrigierter Nachdruck (Band 1–2) Stuttgart/Weimar 1995; Nachdruck (Band 1–4) ebenda 2004, Band 1, S. 540 f. (zur Porentheorie).) der Dinge ausgehenden Einflüsse, eine Art von Strahlungen, die durch das Licht beeinflusst werden, dringen in die Sinnesorgane ein und werden wahrgenommen, wenn sie dort eine Entsprechung finden (Gleiches wird durch Gleiches erkannt). Auch diese Theorie, die sich mit dem Erkennen von Dingen der Außenwelt befasst, ist in ihrem Ansatz moderner, als es scheint. Sie bezieht sich aus heutiger Sicht auf die periphere Wahrnehmung, die ja auch auf den Betrachter einwirkt, selbst wenn dieser gar nicht hinschaut.
mini|links|Leonardo da Vinci: „Das Auge hat eine einzige Zentrallinie, und alle Dinge, die durch diese Linie zum Auge gelangen, werden gut gesehen.“
Alhazen oder Ibn al-Haytham, der „Vater der Optik“ (965–1040), bewies als Erster, dass die visuelle Wahrnehmung mit dem Licht zusammenhängt, das ins Auge fällt. Er stellte als Erster die Hypothese auf, dass die Sehwahrnehmung im Gehirn und nicht im Auge stattfindet.
Durch Versuche wies er nach, dass die Wahrnehmung durch die persönliche Erfahrung eines Menschen beeinflusst wird.Bradley Steffens: Ibn al-Haytham: First Scientist. Chapter 5. Morgan Reynolds Publishing, 2006, ISBN 1-59935-024-6. Al-Haytham führte Experimente über menschliche Wahrnehmung durch und ergänzte die Arbeiten des Ptolemäus über stereoskopisches Sehen.
Leonardo da Vinci (1452–1519) erkannte als Erster die optische Besonderheit des menschlichen Auges. Er schrieb: „Das Auge hat eine einzige Zentrallinie, und alle Dinge, welche durch diese Linie zum Auge gelangen, werden gut gesehen. Um diese Linie gibt es eine unendlich große Anzahl anderer Linien, die mit der Zentrallinie in Berührung kommen und die umso wirkungsloser sind, je weiter sie von besagter Zentrallinie entfernt sind.“Quaderni d’anatomia IV fol. 12 verso, zitiert in Sandro Piantanida, Costantino Baroni (Hrsg.), Kurt Karl Eberlein (Übersetzung): Leonardo da Vinci – Das Lebensbild eines Genies. Dokumentation der Leonardo-da-Vinci-Ausstellung in Mailand 1938. Lüttke-Verlag, Berlin o. J. (1939/40). (Nachdruck: Emil Vollmer Verlag, 1955, S. 430)
Zu dieser Ansicht gelangte Leonardo durch Beobachtungen und mit Hilfe von optischen Experimenten. „Das Auge, von welchem uns die Erfahrung so deutlich die Funktion offenbart, wurde von einer unendlich großen Anzahl von Autoren in einer bestimmten Weise beschrieben; ich aber finde, dass es ganz anders ist.“ Damit ist er der Entdecker des Unterschieds zwischen fovealem und peripherem Sehen.Hans-Werner Hunziker: Im Auge des Lesers: foveale und periphere Wahrnehmung – vom Buchstabieren zur Lesefreude. Transmedia Stäubli Verlag, Zürich 2006, ISBN 3-7266-0068-X.
Hermann von HelmholtzHermann von Helmholtz: Handbuch der physiologischen Optik. Band 1: A. Gullstrand, W. Nagel (Hrsg.): Die Dioptrik des Auges. 3. Auflage. 1909. wird oft als Vater der modernen visuellen Wahrnehmungstheorie betrachtet. Er verglich das Auge mit optischen Geräten und fand seine Konstruktionsmerkmale sehr primitiv. Theoretisch konnte das Auge gar keine brauchbaren Sehresultate liefern. Er schloss daraus, dass die Wahrnehmung nur durch „unbewusste Schlüsse“ zustande kommen könne, die durch bereits vorhandene Wahrnehmungserfahrungen ermöglicht werden.
Solche Wahrnehmungserfahrungen sind z. B.: Licht kommt gewöhnlich von oben (Licht-von-oben-Vorannahme) Gegenstände werden nicht von unten gesehen, da die allgemeine Blickrichtung horizontal erfolgt Gesichter werden in aufrechter Position erkannt Es gibt keine gleichen doppelten Schattenwürfe bei Beleuchtung mit einer Lichtquelle (Sonne!) In freier Natur ist die hellste Lichtquelle stets die Sonne. Alle lichtabhängigen Wahrnehmungserfahrungen beruhen auf der Wirkung der Sonne als Lichtquelle und durch ihre Position im Raum. Die Sonne ist die Lichtquelle, die Lebewesen auf der Erde ihr ganzes Leben begleitet. Es gibt nur einen Lichtreflex auf einem Augapfel, der bei natürlicher Beleuchtung stets rund ist (wg. einer Sonne, die zudem rund ist)
Anmerkung: Wahrnehmungserfahrungen spielen in der Fotografie (und ebenso bei Filmaufzeichnungen) eine wichtige Rolle: Folgt eine Beleuchtung oder Darstellung nicht allgemeinen Wahrnehmungserfahrungen, wird das Bild als „unnatürlich“ oder „falsch“ bezeichnet (unbeschadet des Vorgehens zur Erreichung besonderer Effekte).
Das Studium der optischen Täuschungen hat gezeigt, welche unbewussten Schlüsse im Wahrnehmungsvorgang enthalten sein können.
Eine andere Art unbewusster Schlüsse basiert auf der Wahrscheinlichkeitsempfindung, welche durch die Häufigkeit bereits gemachter ähnlicher Wahrnehmung bestimmt wird.Mamassian, Landy, Maloney: A Primer on Probabilistic Approaches to Visual Perception. 2002.
Wahrnehmungsprozess Reizaufnahme mini|Aufbau des Auges Durch den dioptrischen Apparat des Auges wird auf der Netzhaut ein seitenverkehrtes und auf dem Kopf stehendes Bild erzeugt. Die Lichtreize werden von den Sinneszellen der Retina, den Stäbchen (Helligkeit) und Zapfen (Farbsehen), registriert. Das Verhältnis der Zelltypen unterscheidet sich je nach Ort auf der Netzhaut; in der Fovea befinden sich ausschließlich Zapfen. Zapfen und Stäbchen bilden bei Lichteinfall ein Membranpotential, das über bipolare Zellen an Ganglienzellen weitergeleitet wird.
Da die Stimulusintensität die optische Reaktionsgeschwindigkeit auch bei Auswahlreaktionen beschleunigt, ist sowohl im Labor als auch im Kino unter Verwendung von Fußballfilmen getestet worden, ob und inwieweit ein starker optischer Stimulus (grelle Trikotfarbe deutlich verschieden vom Hintergrund) die Reaktionsgeschwindigkeit auch im Sportspiel begünstigt.Arnd Krüger: Trikotfarbe. In: Leistungssport. 42(2), 2012, S. 40. Die bisherigen Tests machen deutlich, dass es vor allem die glitzernden Trikots sind (z. B. in Gold), die die Reaktionszeit beschleunigen. Dunkle Trikots verlangsamen hingegen die Reaktionszeiten im Sportspiel.J. Causer, A. P. McRobert, A. M. Williams: The effect of stimulus intensity on response time and accuracy in dynamic, temporally constrained environments. In: Scand J Med Sci Sports. 23(5), 2013, S. 627–634. Noch schlechter (langsamer) ist die Reizaufnahme, wenn der Hintergrund und der Reiz zu ähnlich sind, z. B. grüne Trikots bei Rasen als Hintergrund. mini|Isomerisierung des 11-cis-Retinals Das Wahrnehmen eines Lichtreizes erfolgt durch die Isomerisierung des 11-cis-Retinals in seine All-Transform. Wenn das Licht auf eines der Delokalisierten Elektronen des 11-cis-Retinals fällt, wird dieses auf ein höheres Energieniveau gehoben. Die Struktur ändert sich, da sich das 11-cis-Retinal in einer gespannten Struktur befindet. Durch die cis-Bindung, welche einen Knick aufweist, überlappen sich Elektronenwolken, welche sich elektrostatisch abstoßen. Im Normalfall befindet sich eine Doppelbindung an der cis-Stelle, welche die Bindung stabilisiert. Allerdings wird eines der Elektronen auf ein neues Energieniveau gehoben, wodurch es die Doppelbindung nicht mehr begünstigt, weil es nun flexibler beweglich ist. Nun ändert sich die Struktur. Dies löst eine Konformationsänderung des Rhodopsins aus, welche eine Signalkaskade auslöst. Diese Konformationsänderung führt zur Bildung eines Membranpotenzials. mini|Reaktionskaskade, ausgelöst durch die Isomerisierung von 11-cis-RetinalPhotopsin, welches in den Zapfen enthalten ist, hat eine ähnliche Struktur wie Rhodopsin, allerdings sind dort spezifische Aminosäuren enthalten, die die elektrische Umgebung des 11-cis-Retinals beeinflussen. Sie sind dazu da, Licht mit bestimmten Wellenlängen zu erkennen und damit Licht in verschiedenen Farben. Sie können die Energieniveaus der Elektronen beeinflussen. Weil das 11-cis-Retinal immer nur Licht absorbieren kann, welches eine Energie, die der Differenz zwischen zwei Energieniveaus der Elektronen entspricht, besitzt, können die Aminosäuren somit beeinflussen, welches Licht absorbiert werden kann. Es gibt jeweils ein Photopsin für jede der drei physikalischen Grundfarben.
Weiterleitung und Encodierung Jede Ganglienzelle verarbeitet Informationen aus einem rezeptiven Feld (einem räumlich begrenzten Bereich der Netzhaut). Es gibt zwei Haupttypen von Ganglienzellen, On- und Off-Center-Zellen, welche vor allem bei der Kantendetektion eine wichtige Rolle spielen. On-Center-Zellen sprechen an, wenn Licht in das Zentrum des rezeptiven Feldes fällt, und senken ihre Feuerrate, wenn periphere Bereiche des Feldes stärker belichtet werden. Off-Center-Zellen verhalten sich genau andersherum und feuern verstärkt, wenn Lichtreize in Randbereichen des rezeptiven Feldes aufgenommen werden.
Die Informationen von den Ganglienzellen werden über die Sehbahn zum linken und rechten seitlichen Kniehöcker geleitet. Der Output der On- und Off-Center-Zellen wird in den seitlichen Kniehöckern so verschaltet, dass Kanten (also Bereiche, in denen ein Helligkeitswechsel stattfindet) oder Balken (Helligkeitswechsel und Rückkehr zur Ausgangsintensität) extrahiert werden. Die aufbereiteten Informationen werden von den seitlichen Kniehöckern auf den visuellen Cortex projiziert. Diese Aufbereitung der Signale umfasst auch eine Steigerung des Kontrastempfindens über Rückkopplungsvorgänge, welche dafür sorgen, dass gleichzeitig zur Kontrastverstärkung die hohe Lichtempfindlichkeit gewahrt bleibt.
Interpretation Raumwahrnehmung Die Raumwahrnehmung stützt sich auf mehrere Verfahren, um aus dem zweidimensionalen Bild auf der Netzhaut eine Repräsentation der dreidimensionalen Welt zu erstellen. Durch das stereoskope Sehen können Rauminformationen aus den leichten Unterschieden zwischen den vom Augenpaar aufgenommenen Bildern konstruiert werden. Bewegt sich der Betrachter relativ zu Gegenständen im Raum, so bewegen sich die Abbilder auf der Netzhaut umso langsamer, je weiter der Gegenstand vom Betrachter entfernt ist. Daneben kann räumliche Wahrnehmung über den Texturgradienten stattfinden, d. h. über die Veränderungen der Textur je nach räumlichem Abstand.
Objektextraktion