Informationsverarbeitungsstufen: Wahrnehmung

Sensorische Systeme und menschliche 

Wahrnehmung 

VL Mensch-Maschine-Interaktion 

Professur für Prozessleittechnik 

Prof. Dr.-Ing. Leon Urbas

Informationsverarbeitungsstufenmodell (Wickens 2004) 

Sensory 

Processing 

Selection 

Perception 

(Wahrnehmung) 

Attention 

Resources 

Long-term 

Memory 

Working 

Memory 

Cognition 

System 

Environment 

(Feedback)‏ 

Response 

Selection 

Response 

Execution 

TUD, 27.4.2010 VL MMI - Urbas (c) 2008-2010 Folie 2

Stimulus – Sensorik - Wahrnehmung 

(iaw, RWTH Aachen, 2005) 


Menschliche Sinne / Informationsflüsse 

250 Mio 

2 Mio 

(Zühlke 2004) 


Sehen

Stimulus: Licht 


Organ: Auge 

•Blende (Iris) 

–Adaption Lichtmenge 

–Öffnung: 2-8 mm 

•Optisch abbildende Elemente: 

–Hornhaut, Kammerwasser, 

Linse, Glaskörper 

–Linse: Akkomodation 

(Scharfeinstellung) 

–fern: f=17mm, nah: f=14mm 

(runder) 

•Retina (Netzhaut) 

–Rezeptoren 

–fovea centralis: Bereich der 

höchsten Auflösung, ca. 2° 

Durchmesser 

–Erste Signalverarbeitung 


Zapfen & Stäbchen 

•Zapfen (Cones) 

– 6-8 Mio., ø ca. 0,006 mm 

–3 Photopigmente (Jodopsine) 

mit Empfindlichkeitsmaxima bei 

420 nm, 534 nm, 564 nm 

–Konzentriert auf Fovea 

•Stäbchen (Rods) 

–100-120 Mio., ø ca. 0,002 mm 

–Empfindlichkeitsmaximum von 

Rhodopsin bei 498 nm (grün) 

–Hauptsächlich außerhalb Fovea 

(max. Dichte bei 15-20°) 


Verteilung von Zapfen & Stäbchen 


Zapfen & Stäbchen 

• Zapfen – Farbempfindung 

– Weniger lichtempfindlich 

• Tagsehsystem (> 1 cd/m²)‏ 

– Maximale Hellempfindlichkeit: 

Grün-Gelb 

– Zeitliche Auflösung ~ 70 Hz 

• Stäbchen – Helligkeitsempfindung 

– Höhere Lichtempfindlichkeit: 

• Dämmerungssehen 

– Maximale Hellempfindlichkeit: 

Blau-Grün 

– Zeitliche Auflösung ~ 20 Hz 


Farbsehen 

•Typ A 

•Typ B 

•Typ C 

–Max. 534 nm (Grün 490–550 nm) 

–Max. 564 nm (Gelb: 550–570 nm, 

Rot: >570 nm), 

–Absolute Empfindlichkeit etwa 5% 

niedriger als Typ A. 

–Max. 420 nm (Violett:

Chromatische Abberation 

• Sehschärfe = f (Farbe gleichzeitig zu betrachtender 

Objekte) 

• Grund: chromatische Abberation - Lichtbrechung abhängig 

von der Wellenlänge des Lichtes 

• Für helladaptiertes Auge 

– Blau: Vor der Netzhaut 

– Grün-Gelb: genau auf Netzhaut scharf 

– Rot: Hinter Netzhaut 


Kontrastempfindlichkeit 

Amplitude 

Frequenz 


Kontrastempfindlichkeit 

• Farbempfindlichkeit = f(Ausdehnung des Objektes) 

• Ortsfrequenz = Anzahl der Farbwechsel bzgl. des 

Betrachtungswinkels 

• Schwarz-Weiß-Sehen 

– Maximum der Empfindlichkeit bei ca. 5 Farbwechseln/Grad. 

~ Breite eines Objektes von 1,5 mm bei einer optimalen 

Betrachtungsdistanz von 500 mm. 

• Farbsehen 

– Maximum der Empfindlichkeit bei ca. 0,25 Farbwechsel/Grad 

(abhängig von den Farben). 

– Große farbige Objekte werden besser wahrgenommen als 

kleine. 


Hell-Dunkel Adaption 

• Aktiver Vorgang 

– dunkel-hell: wenige Sekunden 

– Hell-dunkel: bis zu 30 Minuten 

• Zapfen: 7 Minuten 

• Stäbchen: >30 Minuten 

– Mit sinkender Beleuchtungsstärke nimmt Adaptionsfähigkeit 

ab (Herczeg 1994) 

• Verschiebung des Maximums 

– Obergrenze Nachtsehen: 640 nm 


Akkomodation 

• Fokusierung auf Gegenstände 

– Sehschärfe: Erkennen von zwei nebeneinander liegenden 

Punkten als getrennt 

– Meßmethoden: z.B. Landoltringe, Vernier, Snellen, … 

• Bereich des scharfen Sehens < 1° (Snyder 1988)‏ 

– Abhängig von Beleuchtungsstärke, Maximum bei 

100 cd/m², unsymetrisch 

– Nahpunkt altersabhängig (ab 50 > 500mm, Herczeg 1994) 


Psychophysisches Auflösungsvermögen 

• Unterscheidung von 

– ca. 200 Farbtönen, 

– 20 Sättigungsstufen (Menge Weiß, blass – kräftig) 

– 500 Helligkeitsstufen 

• Ortsauflösung 

– 0,5´-1´ (1 mm auf 3-6 Meter) 

– Optische Auflösung: Winkelabstand 2´ 

– Feine Strukturen: 0,3´ 


3D-Wahrnehmung

Binokulare Perspektive (bis 10 Meter) 

•Positionsdifferenz der Augen 

–Unterschiedliche Bilder 

–Ausrichtung der Augen 

•Disparitäten 

–Querdisparität 

–Vertikale Disparität (ausserhalb 

horizontale Ebene) 

–Unterschiedliche Steigung von Linien 

–Schattierungsdisp. 

–Monokulare Verdeckung 

•Raumwahrnehmung aber auch mit 

einem Auge möglich 

–5-10% Stereoblind 

–20% Stereoschwäche 

Courtesy of Peter K. Kaiser 


Kinetische Tiefenhinweise 

•Bewegungsparallaxe 

–Nahe Objekte scheinen sich 

schneller zu bewegen als weit 

entfernte 

•Bewegungsperspektive 

–Objekte am Rand scheinen sich 

schneller zu bewegen als die in 

der Mitte 

•Kinetischer Tiefeneffekt 

–Prinzip des gemeinsamen 

Schicksals, Unterscheide in der 

Geschwindigkeit von Punkten auf 

rotierenden Körpern 


Bewegungsparallaxe 


Bewegungsperspektive 

•Objekte am Rand scheinen sich 

schneller zu bewegen als die in 

der Mitte 

•Plötzliche “Explosion” von 

Flächen bei Annäherung mit 

konstanter Geschwindigkeit 

100 

90 

80 

70 

60 

50 

40 

30 

20 

10 

0 

0 2 4 6 8 1 0 1 2 

a 


Kinetic Depth Effect 

•Kinetischer Tiefeneffekt 

–Prinzip des gemeinsamen 

Schicksals 

–Unterschiede in der 

Geschwindigkeit von Punkten auf 

rotierenden Körpern 


Bildliche Tiefenhinweise 

• Überlappung 

• Relative Höhe 

• Relative Größe 

• Lineare Perspektive 

• Texturgradient 

• Schatten 

• Luftperspektive 

• … 


Interposition 

• Interposition means, nearer objects block more distant 

ones. 

Courtesy of John H. Krantz 


Relative Height 

• The closer an object is to the horizon, the more distant it 

seems 


Relative Size (Size Constancy)‏ 

• Smaller objects seem to be further away than closer ones, 

when the objects are supposed to be the same size. 


Linear Perspective 

• Parallel lines converge in a vanishing in infinity 

TUD, 27.4.2010 VL MMI - Urbas (c) 2008-2010 Folie 28 

Courtesy of John H. Krantz

Texture Gradient 

• Most surfaces, such as walls and roads and a field of 

flowers in bloom, have a texture. As the surface gets 

farther away the texture gets finer and appears smoother. 



Shadows / Shading 



Shadows / Shading 



Aerial Perspective 

• Object that are far away tend to get blurry cause of the 

atmosphere. 



Hören

Stimulus: Schall 

• Schall: 

– Druck- und Dichteschwankung 

– Longitudinalwelle (Frequenz, Amplitude) 


Organ: Ohr 

(Müller, Frings 2009) 


Tonhöhe 

• Frequenz in Hz 

• Hörgrenze: 

– 16 Hz und 20.000 Hz (Mörike 1989) 

• Obere Grenze stark abhängig von 

– Alter 

– Bereits erfolgter Belastung 

– Verminderung bis auf 5.000 Hz 


Lautstärke - akustisch 

• Schalldruck in Pa bzw. µPa 

• Schalldruckpegel Lp 

– Lp[dB]=20 log (P1/P0) 

– relativ: P1/P0 (Dämpfung, Verstärkung) 

– absolut: P0 = Hörschwelle(Def.): 20µPa bei 1kHz 

• reale Hörschwelle: 

– 0 dB bei 2 kHz 

– 3 dB bei 1 kHz 

– 60 dB bei 30 Hz und 15 kHz 

– -5 dB bei 3,5 - 4 kHz 


Isophonen für sinusförmige Töne 

(Kuchlin 2001, aus Zühlke 2004) 


Lautstärke - psychoakustisch 

• Lautstärkepegel L 

– Subjektive Lautstärke in phon 

– Lp [phon] = 20 log P1000/P0 

– 1 phon = 1 dB bei 1 kHz 

• reale Hörschwelle: 3 phon 

– frequenzunabhängige Lautstärke 

• Lautheit N 

– Subjektive Lautheit eines Schallereignisses in sone 

– 1 sone = 40 phon = 40 dB (bei 1 kHz) 

– linear für L > 40 phon (Verdopplung von N alle 10 phon) 

– Lautheit ~ Lautstärkemepfinden 


Messung von Schallereignissen 

• Schallpegelmessung (dB): Lärmmessung 

• Ohrgerechte Messung: Dämpfungsfilter bewerteter 

Schallpegel db (A),dbA – DIN 45633. 

• Lautheit (sone): Bewertung der Geräuschemissionen von 

Netzteilen/Computern 

• Lautstärkepegel (phon): Vergleich von Schalldruckpegel 

und Lautheit 


Fühlen

Das haptische System 

• Bestimmung von Größe, Kontur, Oberfläche, Gewicht,… 

eines Objekts 

• Taktile Wahrnehmung (Oberflächensensibilität) 

– Sensoren der Haut: 

– Mechanorezeptoren / mechanorezeptive Fasern (Goldstein 

1997): 

– Druck, Berührung und Vibration 

– weiterer Rezeptoren: 

• Temperatur (Thermorezeptoren) 

• Schmerz (Nozizeptoren) 

• nicht bzw. nur sehr bedingt für die MMI geeignet (Kurze 1998) 


Das haptische System 

• Propriozeption (Tiefensensibilität) 

– Schwere- und Kraftsinn 

– Kinästhetik (Bewegung). 

– integriert Sinneseindrücke von Muskel-, Sehnen- und 

Gelenkmechanorezeptoren sowie der „äußeren Sinne“ 


Auflösung Propriozeption 

• Schultergelenk 

– Drehungen > 0,2° 

– Geschwindigkeiten > 0,3°/s 

• Fingergelenk 

– Drehungen > 1° 

– Geschwindigkeiten > 12°/s. 

• Vergleich von Gewichten und Kräfte in beiden Händen 

– Genauigkeit ~ 3% (Völz 1999, Rühmann u. Schmidtke 1992). 


Ergonomische 

Arbeitsplatzgestaltung

Sehen: Akkomodationsgerechte Arbeitsplatzgestaltung 

• Umfokusierung anstrengend, Nahpunkt altersabhängig, … 

– Etwa gleiche Abstände von Bildschirm, Tastatur und sonstigen 

Bedienelementen 

– Etwa gleiche Schriftgrößen bei unterschiedlich weit entfernten 

Anzeigeelementen 

– Abstand einstellbar 


Sehen: Aberationsgerechte Arbeitsplatzgestaltung 

• Aufeinander abgestimmte Farbschemata (weniger ist mehr) 

• Negativbeispiel 

– rote Zeichen auf blauem Grund oder umgekehrt erfordern 

permanente Umfokussierung 

BLAU ROT 


Sehen: Berücksichtigung Ortsfrequenz 

• Farben 

– für globale Markierungen 

– keine einzelnen Buchstaben 

• Schwarz-Weiß 

– feine Strukturen (einzelne Buchstaben, Schraffuren) 

• Farbe als Gestaltungsmittel nur sehr sparsam einsetzen 

• Die gleichzeitige Verwendung von sehr vielen Farben zur 

Informationscodierung ist aus physiologischer Sicht zu 

vermeiden 


Sehen: Hell-Dunkel-Adaption 

• Möglichst wenig Adaptionsvorgänge bei Arbeit an 

Bediensystemen 

– Intensive, gleichmäßige Arbeitsplatzbeleuchtung 

– Angleichung der Helligkeit der Arbeitsmittel 

• Leitwarte: viel Papierarbeit, weißer BS-Hintergrund 

• Auto: Tag/Nachtdesign 


Hören: Gestaltungsrelevante Eigenschaften 

(Zühlke 2004) 


Fun Things in Vision 

Do we really see reality? 

Slides from Jonas von Beck


• The Blind Spot 


Close your right eye and look onto number 3* 

* Could be different on wall projection 



•Color Assimilation 

–Why is one red line 

darker than the 

other one 

–It isn’t really. 




•Kanizsa Illusion 

If you look carefully 

you will probably see 

the edges of the entire 

triangle. 




• Mueller-Lyer Illusion 




•Simultaneous Contrast 

•Both areas have the same intensity. 

Courtesy Dr.P.Kipfer – Computer Graphics and Visualization Group TUM 



•Perspective Illusion 

–Which colored block looks the 

largest? 

–They’re all the same size 




•Reversible Figures 

–Comes from Figure Ground 

Perception 

–A vase or two faces looking at 

each other 

–Depends on what is perceived 

as background 



Impossible Figures 

Courtesy TUD, 27.4.2010 of Peter K. Kaiser VL MMI - Urbas (c) 2008-2010 Courtesy of Peter K. Kaiser 

Folie 59

Farbsysteme

CIE Farbraum 

• CIE-XYZ: Geräteunabhängiger 3- 

Dimensionale Farbraum 

– X (rot), Y (grün) und Z (blau), mit 

denen alle anderen, für den 

durchschnittlichen Betrachter 

sichtbaren Farben erstellt werden 

können. 

– Die Primärfarben X, Y und Z sind 

supergesättigte Farben, die in der 

Realität nicht vorkommen. 

• CIE-Yxy-Farbmodell 

– Farben mit gleicher Helligkeit auf 

einer in etwa dreieckigen, flachen 

Ebene 

• CIE-L*a*b (1976) 


CIE-L*a*b 

• Basiert auf XYZ-Farbsystem 

• Helligkeit (L) getrennt von Farbtönen (a, b) 

• a-Achse: Grün- und Rottöne. 

• b-Achse: Blau- und Gelbtöne 


Literatur 

• Mallot, H.A. (1998) Sehen und die Verarbeitung visueller 

Informationen. Vieweg, Braunschweig/Wiesbaden 

• Zühlke (2004) Useware-Engineering für technische 

Systeme. Springer 

• Müller & Frings (2009) Tier & Humanphysiologie. Springer

Informationsverarbeitungsstufen: Wahrnehmung

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