some experiments bearing on the hypothesis that the visual system analyses spatial patterns in...
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Some experiments bearing on the hypothesis that the visual system analyses spatial patterns in
independent bands of spatial frequeny
Henning, Hertz & BroadbentVision Research, Volume 15, 1975
Seminar: Visuelle Neurowissenschaften
Dozent: Prof. Dr. Gegenfurtner
Referentin: Barbara Gohlke
Übersicht 1. Lineares vs. Nichtlineares Filtern2. Multiresolutionmodell, Campbell3. These von Henning, Hertz, Broadbent4. Komplexe Streifenmuster5. Experimentelles Design6. Vorexperiment7. Experiment I8. Experiment II9. Experiment III10. Zusammenfassung
1. Lineare vs. Nichtlineare Verarbeitung
Wiederholung: Was beinhaltet ein ....
...lineares Filtermodell visueller Information? Einfaches Aufsummieren (und Gewichten) der Signale Das Signal wird bei der Filterung nicht verzerrt. Unabhängigkeit der Verarbeitung
....non-lineares Filtermodell? Es findet bei der Filterung eine Demodulierung des Stimulus statt (z.B. eine
Quadrierung). Das Signal wird hierdurch verzerrt. Die Filter/Kanäle sind nicht unabhängig sondern interagieren
2. Multikanalmodell, CampbellCampbell, Robson (1968):
Unabhängige lineare Filtermechanismen sprechen selektiv auf
einen bestimmten Raumfrequenzbereich und Orientierung an
Experimente zur selektiven Adaptation (Verminderte Kontrastempfindlichkeit im adaptierten Frequenzbereich)
Wandell (1995)
3. These von Henning et al.
These von Hennig, Hertz und Broadbent: Die „Kanäle“ (Filter) sind nicht völlig unabhängig voneinander, sondern interagieren und sind nonlinear.
Kritik an Campbells Untersuchung:
Sie haben nicht zwischen der Periodizität und den Frequenzbereichen der einzelnen Frequenzkomponenten (von komplexen Sinusmustern) unterschieden.
4. Komplexe Streifenmuster
Bei Campbell entsprach die
Raumfrequenz des Sinusmusters
immer dem Kehrwert der Periode
Hennig et al:
Haben komplexe Stimuli verwendet, in welchem
die einzelnen Frequenzkomponenten nicht der
Modulationsfrequenz entsprachen.
4. Komplexe Streifenmuster
Max-Planck-Institut, Tübingen
5. Experimentelles Design„2 AFC-Experiment“
Was ist ein 2 AFC Experiment?
= Two alternative forced choice contrast detection experiment
2 Intervalle Beide Intervalle wurden durch Töne getrennt In einem dieser beiden Intervalle sollte ein Signal (Streifenmuster)
entdeckt werden.
2 Bedingungen: Das Signal wird vor uniformen Hintergrund dargeboten Das Signal wird vor einem Maskierungsmuster dargeboten
5. Experimentelles DesignMaskierung
Signal + Mask = Sum
Wandell, B. (1995)
6. VorexperimentDas zu entdeckende Signal war ein einfaches Sinusstreifenmuster mit einer Frequenz von 7,6 c/deg .
Es wurde dargeboten Ohne Maskierung Mit einem einfachen Maskierungsmuster mit 1,9 c/deg und 17,4 Prozent
Kontrast (= 2 Oktaven unter dem Signal) Mit einem einfachen Maskierungsmuster mit 3,8 c/deg und einem Kontrast von
17,4 % (= 1 Oktave unter dem Signal)
Der Kontrast von Maske und Signal war fixiert, nach 50 Trials wurde dann der Signalkontrast geändert
Signalkontrast: Lmax – Lmin
Lmax + Lmin
6. VorexperimentErgebnis
Ergebnis:
Beide Maskierungsmuster (1 oder 2 Oktaven unter der Frequenz des
Signalmusters) führten zu keiner veränderten Antwortleistung (Wahrnehmung
des Signalmusters) der VP.
Hennig, Hertz, Broadbent (1975)
Welche Schlussfolgerung kann man aus den Ergebnissen ziehen?
7. Experiment IZu detektieren: komplexer Stimulus
Dieser bestand aus 3 Komponenten hoher räumlicher Frequenzen: Ein 9,5 c/deg Sinuswellenmuster (dies ist der Carrier bzw.
„Trägerfrequenz“) mit einem Kontrast von 6,3 %. zwei weitere Frequenzen („Seitenbänder“) mit 7,6 und 11,4
c/deg und 17,4 % Kontrast.
Die Modulationsfrequenz (1,9 c/deg) entspricht der Frequenz des Maskierungsmusters
Max-Planck-Institut, Tübingen
7. Experiment IRandomisiert dargeboten in den beiden Intervallen: Darbietung der Trägerfrequenz Darbietung des komplexen Signals
Die beiden Seitenbänder sind die zu detektierenden Signale (= Detektieren von Kontraständerungen der Seitenbänder)
Die Seitenbänder waren gleich im Kontrast (17,4 %), aber ihr Kontrast wurde im Verhältnis zum Carrier verändert = Modulationstiefe
Modulationstiefe: gibt des Kontrast der Seitenbänder in Relation zum Carrier an.
7. Experiment I
Zwei Bedingungen:
Darbietung der Signale vor einem uniformen Hintergrund (Luminanz des Hintergrundes)
Darbietung der Signale vor 1,9 c/deg Maskierungsmuster mit 17,4 Prozent Kontrast
Die Modulationsfrequenz des komplexen Stimulus entsprach der Frequenz des einfachen Sinusmusters = 1,9 c/deg
D.h. = beide haben die gleiche Periodizität, obwohl sie Bänder unterschiedlicher Frequenzen beinhalten!
7. Experiment ILuminanz, Spektogramm
L(s)=A(1+mcos 2 fos) cos2 (k+1) fos+L ¯
Spatial position
Spatial position
Spatial freq.
Spatial freq.
Lum
inan
ceLu
min
ance
Lum
inan
ceLu
min
ance
L(s)=A cos 2 (k+1)fos+L ¯
A
A
A2
.L
.L
.L
.L
1 .
fo
1 .
(k+1)fo
(k+2)fo
(k+1)fo
fo
fo kfo
(k+1)fo
Henning, Hertz & Broadbent, 1975
a) Komplexer
Stimulus(9,5 + 7,4 + 11,4 c/deg)
b) Carrier (9,5 c/deg)
7. Experiment IErgebnis
Die Seitenbänder zu erkennen ist deutlich beeinflusst durch die Präsentation eines niederfrequenten Maskierungsgitters.
Henning, Hertz & Broadbent, 1975
Beachte:Diese Interaktion tritt selbst dann auf, wenn das niederfrequente Muster (Maske) keinen Effekt hat auf die Komponente des komplex Stimulus mit der niedrigsten Frequenz (7,6 c/deg) = Wie im Vorexperiment
7. Experiment I
Wieso sprechen die Ergebnisse aus Experiment I gegen eine Signalverarbeitung in unabhängigen (frequenzspezifischen) Filtern?
8. Experiment II
Zu detektieren: niederfrequenter Stimulus (1,9 c/deg Sinusmuster)
3 Bedingungen:• Dargeboten auf uniformen Hintergrund• Dargeboten mit komplexem Stimulus• Dargeboten mit einem 7,6 c/deg-Stimulus (= dem niedrigsten
Seitenband des komplexen Stimulus)
Ergebnis:= Wie in Experiment IVp brauchte auch hier (beim AM) viel mehr Kontrast um das niederfrequente Muster zu erkennen
9. Experiment IIIIn Experiment 1 wurde die Kontrastmodulation viel früher erkannt, wenn kein niederfrequentes Maskierungsmuster vorhanden war. These: sie detektierten ein niederfrequentes Verzerrungsmuster (durch Nonlinearität entstanden)
Experimentalbedingung wie in Experment 2, nur die Maskierungsstimuli verändert:
1. Quasi-frequency-modulated Stimulus, QFM
2. Noise-Stimulus
Warum diese Stimuli?Weil man bei beiden davon ausgeht, dass bei beiden nur ein schmales niederfrequentes Verzerrungsprodukt entsteht (bei niederfrequenter Modulation).
Vermutung: aufgrund der niedrigen Verzerrung werden diese Stimuli weniger gut zur Detektierbarkeit von niederfrequenten Mustern beitragen.
9. Experiment IIIErgebnis:• Weder der Noise-Maskierungsstimulus noch der QFM hatten einen so großen
Maskierungseffekt wie der kontrastmodulierte Maskierungsstimulus aus Experiment 2.
Schlussfolgerung:Dort, wo nur eine schmale niederfrequente Verzerrung zu erwarten ist (Noise und QFM) gibt es wenig Maskierung. Bei einem großem Verzerrungsprodukt (wie bei dem kontrastmodulierten Stimulus): viel Maskierung
= Nonlinearität?
10. Zusammenfassung• Ein niederfrequentes Muster kann das Erkennen von Komponenten
eines komplexen hochfrequenten Stimulus beeinträchtigen (Exp 1)
Stellt in Frage, ob das visuelle System wirklich immer im Sinne einer Fourieranalyse die Muster in einzelne Sinuswellen zerlegt und in unabhängigen Kanälen verarbeitet.
• Aber: keine Interaktion zwischen dem niederfrequenten Muster (1,9 c/deg) und der niedrigsten Komponenten des hochfrequenten Stimulus (7,6 c/deg)
• Im Vorexperiment keine Interaktion zwischen einfachen Sinusmustern unterschiedlicher Frequenz gefunden
Wahrscheinlich:Verschiedene Verarbeitungsstufen im visuellen System
• Aufeinanderfolge von linearen und nicht-linearen Signaltransformationen durch die das Eingangssignal fortlaufend umkodiert wird
• Lineare Filter: luminanzdefnierte Stimuli, Anschluss: Non-lineare Transformation, letztlich: wieder lineares Verarbeiten
• Oder doch eher getrennte Verarbeitungspfade (linear vs. nonlinear)?
• Nonlinearität: kortikal vs. subkortikal? (z.B. Frühe Verzerrungsprodukte, die dann durch lineare Filter weiterverarbeitet werden)
10. Zusammenfassung