Illusionen des Sehens

Marco Walser

Didaktik der Physik

Inhalt

• Kapitel 1: Das Licht, die Wahrnehmung und die Gesetze des Sehens

• Kapitel 2: Die geometrisch-optischen Täuschungen

• Kapitel 3: Wahrnehmung von Formen und Helligkeiten

• Kapitel 4: Mehrdeutige Wahrnehmungen

• Kapitel 5: Die Farbe und der graue Alltag

• Kapitel 6: Das räumliche Sehen

• Kapitel 7: Bewegungen sind Leben

Kapitel 1

Das Licht, die Wahrnehmung und die Gesetze des SehensIl

Die menschliche Wahrnehmung

Wahrnehmung = Von der Umwelt ausgesandte Informationen durch

die Sinne aufnehmen und damit im Gehirn ein möglichst

naturgetreues Abbild seiner Außenwelt zu erzeugen.

Im Laufe der Lahrmillionen hat die Natur die verschiedensten

physikalischen Möglichkeiten ausgenutzt.

• Hören

• Riechen

• Schmecken

• Tasten

• Fühlen

• Gleichgewichtssinn

• Temperatur- und Schmerzempfindung

• Innere Organwahrnehmung

• Wahrnehmung durch das Immunsystem

Das Licht und das Sehen

Jüngste und erfolgreichste Erfindung der Natur: das Sehen

Träger der Sehinformation: Licht

Vorteile:

• Geschwindigkeit (~ 900 000 - mal schneller als Schall)

Gleichzeitige Wahrnehmung möglich (z.B. in Gefahrensituationen)

• Störungsunanfällig (Schall: Gegenwind, Nebengeräusche,…)

GestaltpsychologieMax Wertheimer, 1910

• Das Gesetz der Nähe

• Das Gesetz der Ähnlichkeit

• Das Gesetz der guten Gestalt (.. der Einfachheit oder

Prägnanzgesetz)

• Das Gesetz der guten Fortsetzung (.. der durchgehenden Linie)

• Das Gesetz der Geschlossenheit

• Das Gesetz der Erfahrung

Das Gesetz der Nähe

Gleiche Elemente (Elemente mit gleichem Reiz) mit geringeren Abständen

zueinander werden als zusammengehörig wahrgenommen.

Das Gesetz der Ähnlichkeit

Sich ähnlich sehende Elemente werden eher als zusammengehörig

empfunden als sich unähnlich sehende. (Form, Farbe…)

Das Gesetz der guten Gestalt

Gestalthafte Wahrnehmungseinheiten bilden sich so aus, dass sie im

Ergebnis eine möglichste einfache und einprägsame Gestalt

darstellen.

93°Illu

Das Gesetz der guten Fortsetzung

Man neigt dazu, Reizelemente, z. B. Punkte, die im Falle ihrer

Verbindung in einer geraden oder sanft geschwungenen Kurve

angeordnet sind, in einem Zusammenhang zu sehen,

beziehungsweise dass Linien an Schnittpunkten bevorzugt im Sinne

einer Fortführung ihrer bisherigen Linienführung gesehen werden. Illu

Das Gesetz der Geschlossenheit

In geometrischen Gebilden werden diejenigen Strukturen als Figur

wahrgenommen, die eher geschlossen sind. Nicht vorhandene Teile

einer Figur werden ergänzt.

Das Gesetz der Erfahrung

Dinge bilden mit großer Wahrscheinlichkeit Gruppen, wenn die Gruppen

vertraut sind, oder etwas bedeuten.

E E TT

Kapitel 2

Die geometrisch-optischen TäuschungenIl

Müller-Lyer‘sche Täuschung:

Kante mit spitzen Winkeln wird näher zum Betrachter liegend wahrgenommen.

Spitze Winkel können als nach hinten ragende perspektivisch rechte Winkel wahrgenommen werden. (3D-Wahrnehmung)

Judd Täuschung (ähnl. wie Müller Lyer‘sche Täuschung)

Modifikationen der Müller-Lyer‘schen Täuschung:

Hier kann man allerdings nicht davon ausgehen, dass das Gehirn ein 3D-Bild wahrnimmt.

Eine mögliche Erklärung dieser Effekte wäre, dass unser Gehirn in der Lage ist, sich nicht existierende Kanten zu denken, und diese dann gleich wie reale Kanten zu behandeln.

Größenkonstanz:

Wichtige Grundlage der Wahrnehmung.

Verschiedene Größenwahrnehmung durch Entfernung und Lage. (Tiefenwahrnehmung)

Ponzo-Täuschung

Gillam-Täuschung

s Poggendorff‘sche Täuschung:

Erklärung durch 3D-Wahrnehmung

sSander‘sche Täuschung:

Erklärung durch Einfluss spitzer und stumfer Winkel

Auseinandergenommene Poggendorff‘sche Täuschung:

Links: Zerlegung in spitze WinkelMitte: Zerlegung in stumpfe Winkel

Spitze Winkel haben weit weniger Anteil an der Täuschung als die stumpfen.

Rechts: Je steiler die schräge Linie ist, umso stärker wird die Täuschung.

Hering‘sche Täuschung:

Erklärung aus dem Streben unserer Sinne nach Prägnanz (Prägnanzgesetz)

Wahrnehmungssystem sehnt sich nach rechten Schnittwinkeln Orientierungsempfindung wird abgeändert, Linien werden gekippt.

Zöllner‘sche Täuschung:

Erklärung: Prägnanzgesetz (rechte Winkel)

Fraser‘sche Täuschung:

sFraser‘sche Täuschung:

Vertikalentäuschung:

Fehleinschätzung der Höhe eines Gegenstandes, solange er flach ab Boden liegt.

Grund: Wahrscheinlich Schwerkraft: Schwieriger einen Kilometer Höhe zurückzulegen als einen Kilometer ebenerdig Überbewertung der Senkrechte

Oppel-Kundt‘sche Täuschung:

Beruht auf Unterschätzung leerer Räume

Titchener‘sche Täuschung:

Verstärkung des Größenkontrasts

Mondtäuschung:

Der Mond scheint wesentlich größer zu sein, wenn er knapp über dem Horizont steht, als wenn er sich im Zenit befindet.

Grund: Verstärkung des Größenkontrastes

Ebbinghaus‘sche Täuschung:

Größenkontrastverstärkung

Größentäuschung nach Jastrow`

Räumliche Wölbung erst durch Orientierung und Geometrie der schwarzen und weißen Flächen erzeugt.

Krümmung der Linien durch Anordnung der schwarzen und weißen Flächen erzeugt.

Auf die Perspektive kommt es an!

Kapitel 3

Wahrnehmung von Formen und HelligkeitenIl

Symmetrische Flächen scheinen im Vordergrund zu liegen – ganz unabhängig von ihrer Helligkeit. (Symmetriegesetz)

Die symmetrischen Muster scheinen nun im Hintergrund zu liegen. Das Gesetz der Nähe überstimmt die Symmetrie.

Die Gestaltgesetze der Nähe und Symmetrie sind etwa gleich stark. Unsere Wahrnehmung kann sich nicht mit einem Unentschieden abfinden und versucht, zwischen beiden Gestalten abzuwechseln.

Die Konvexität überstimmt die Symmetrie. Deutlich erscheinen die konvexen schwarzen Flächen als Figur, während die Symmetrischen weißen Flächen im Hintergrund zu liegen scheinen.

Helligkeitsempfindung ist relativ. Je nach Helligkeitsgrad der Umgebung wird ein physikalisch eindeutiger Helligkeitston umgedeutet.

Zwei unterschiedlich helle Flächen?In Wirklichkeit sind beide Flächen außer an den Schnittkanten genau gleich hell.

Augen verstärken den Randkontrast.

Hermann‘sches Gitter:An den Kreuzungspunkten der schwarzen Quadrate erscheinen schwarz flimmernde Punkte. Die eigentlich weißen Schnittpunkte erscheinen Dunkler, da dort kein direkter Kontakt zu den schwarzen Flächen vorliegt, und dadurch eine Randkontrastverstärkung nicht in diesem Maße stattfinden kann wie in den anderen weißen Bereichen.

sIrradiation:Leichte Eigenbewegung der Augen Auf rezeptive Felder im Kantenbereich fällt abwechselnd „weißes und schwarzes Licht“. Weißes Licht ist lichtstärker und hinterlässt deutliche Spuren Helle Objekte erscheinen größer als gleich große dunkle Objekte

Das einzelne weiße Quadrat scheint nicht in die schwarzen Lücken zu passen, obwohl es genau dieselbe Größe besitzt.

Wahrnehmungsapparat wird durch Kontinuierliche Aufhellung bzw. Verdunkelung des Hintergrunds von außen nach innen überlistet. Der durch die Kontrastverstärkung erzielte Eindruck wird auf die gesamte Sonnenscheibe ausgedehnt.

Kanisza-Dreieck:

Das weiße Dreieck schwebt im Vordergrund. Dabei erscheint es weißer als der ebenso weiße Hintergrund.

Ein durchsichtiges Dreieck schwebt im Vordergrund. Die Helligkeitstäuschung ist jetzt aufgehoben.

Erfahrung: Je weiter ein Gegenstand entfernt, desto lichtschwächer undurchsichtiges Dreieck im Vordergrund erweckt den Eindruck, dass es Lichtstärker, also heller ist.

Wertheimer-Benary Figur:

Grund für die unterschiedlich helle Wirkung der Dreiecke ist die unterschiedliche Tiefeneinschätzung der Figuren durch unsere Wahrnehmung.

Das obere Dreieck scheint im Vordergrund zu sein, dadurch lichtstärker und heller.

White-Täuschung:

Normalerweise: Linke Seite: Graue Rechtecke grenzen an schwarze Flächen eigentlich

müssten die Rechtecke heller erscheinenRechte Seite: umgekehrter Fall

Warum ist dies nicht so?Spezielle Geometrie des Bildes: Anstatt mehrerer kleiner grauer Rechtecke sehen wir links einen grauen Balken, der von schwarzen Streifen überdeckt wird und auf weißem Grund liegt. Rechts genau umgekehrt. Helligkeitskontrastverstärkung wirkt gegenüber den beobachteten Hintergründen.

Kapitel 4

Mehrdeutige Wahrnehmungen

Gehirn kann immer nur einen Wahrnehmungsinhalt im Bewusstsein haben

Kompromiss: Würfel sprinngt hin und her

Perspektivische Ambivalenz (räumliche Orientierung nicht eindeutig festgelegt)

Untersuchungen: Unterschied in der Geschwindigkeit des Wahrnehmungswechels „Fingerabdruck der Psyche“, da jeder seine eigene Oszillationsgeschwindigkeit hat (ca. 3 sec.)

Keine Rückschlüsse auf Psyche oder persönliche Merkmale (IQ,…) möglich.

Vase Gesichter

Grund: Gesetz der Nähe

Im 1. Bild ist die weiße Vase auf Grund der Nähe der Umrisslinien hervorgehoben.

Links: Graues Kreuz auf weißem Hintergrund

Mitte: Orientierung hat keinen Einfluss auf Wahrnehmung

Rechts: Weißes Kreuz auf grauem Hintergrund

Grund: Prägnanzgesetz (Horizontal- bzw. Vertikalausrichtung bevorzugt)

Links: Graues Kreuz auf weißem Hintergrund noch leicht erkennbar

Mitte: Weißes Kreuz dominiert

Rechts: Graues Kreuz auf weißem Hintergrund kaum noch erkennbar

Grund: Gesetz der Nähe (Kleine, geschlossene Fläche scheint viel eher als Figur, also im Vordergrund liegend)

Welches Kreuz liegt im Vordergrund?

Jeder Mensch hat seine ganz persönliche Farbrangfolge.Hier: Meistens Rot im Vordergrund, dann Grün und Blau meist im Hintergrund.

Welche Alternative zuerst Wahrgenommen wird hängt vom Zufall ab.Welchen Bildausschnitt betrachten wir zuerst? Hat man gerade eine junge Frau gesehen? Wie sind die momentanen Lichtverhältnisse?…

Junger oder alter Mann? Junge oder alte Frau?

Voreingenommenheit durch Kontext

Voreingenommenheit durch Kontext (hier: Umgebung)

Versuch mit 26 Versuchspersonen: 23 erkennten eine Ente und nur 3 einen Hasen

Bemerkenswert: 2 der 3 die einen Hasen erkannten hießen „Haas“! Durch vorheriges Leben stark voreingenommen.

Prinzip der Rohrschach-Tests (Farbkleckse): Erfahrung beeinflusst die Wahrnehmung

Bild aus Comicserie von Gustave Verbeek:

Eigentlich Comic mit 12 Bildern, damals aber üblich, dass Cartoons auf 6 Bilder beschränkt sind.

Lösung: Bilder + Bilder um 180° gedreht, wobei immer eine gefährliche Situation dargestellt ist, die sich nach umdrehen des Bildes im wohlgefallen auflöst

Eichhörnchen oder Schwan?

Seehund oder Esel?

Ratte oder Mann?

Eskimo oder Indianer?

Kapitel 5

Die Farben und der graue Alltag

sWie entsteht ein Regenbogen?

Voraussetzungen für einen Regenbogen: Sonne und Regentropfen

Strahlen 1. Klasse: Teil der Lichtstahlen werden direkt an Oberfläche des Tropfens reflektiert, der andere Teil dringt in den Tropfen ein und wird dabei gebrochen (blaues Licht – starke Brechung, rotes Licht – schwache Brechung).

Strahlen 2., 3. und 4. Klasse: Je nachdem, wie oft die Strahlen im Regentropfen reflektiert werden, nennt man die austretenden Strahlen 2., 3. oder 4.

Klasse.

Strahlen der 3. Klasse bilden den Hauptregenbogen, die der 4. Klasse können einen Nebenregenbogen bilden.

Strahlen 3. Klasse

Strahlen 4. Klasse

sJeder Strahl muss einzeln beobachtet werden, da es viele Tropfen gibt und der Strahl auf verschiedene Punkte eines Tropfens einfallen kann.

Beobachtung: Großteil aller möglichen Strahlen werden zwischen 40 und 42 Grad „von der Sonne weg“ ausgelenkt. (blau: 40°, rot 42°) Gilt nur für

Hauptregenbogen (Strahlen 3. Klasse)

Nebenregenbogen: blau: 53°, rot 50° Farben stehen in umgekehrter Reihenfolge!

Im Bereich zwischen 42 und 50 Grad: weder Strahlen der 3. noch der 4. Klasse möglich! (Alexander‘sche Dunkelzone)

Nachbild: Zäpfchen ermüden beim langen beobachten der selben Farbe, deshalb sind sie bei dem anschließend einfallenden weißen Licht nicht in der Lage dieselbe Leistung wie die anderen unverbrauchten Zäpfchen zu bringen.

Somit entsteht der Eindruck von weißem Licht, abzüglich der „eingebrannten“ Farbe – und das ist die Komplementärfarbe.

sWarum ist der Himmel blau?

Rayleigh-Streuung: Sonnenstrahl kommt in die Nähe eines Luftmoleküls und regt dies zu Schwingungen an. Das Molekül sendet dann, wie eine

Radioantenne, einen neuen Lichtstrahl derselben Wellenlänge in eine bestimmt Richtung aus.

Je kleiner die Wellenlänge, desto stärker die Streuung.

Gesamtes indirektes Sonnenlicht ist Streulicht, und da blaues Licht stärker gestreut wird erscheint der Himmel blau.

sWarum ist die Sonne aber gelb bzw. rot?

Auf dem Weg durch die Atmosphäre geht mehr und mehr kurzwellige Strahlung verloren, deshalb erscheint die Sonne am Mittagshimmel gelb.

Bei Sonnenauf- bzw. Sonnenuntergang müssen die Lichtstrahlen einen weiteren Weg durch die Atmosphäre zurücklegen, was bedeutet, dass nicht nur der Blauanteil des Lichts, sondern auch ein Teil des Grünanteils weggestreut wird. Deshalb erscheint die Sonne röter.

sDer „grüne Biltz“:

sEntstehung des „grünen Blitzes“:

Langwellige Anteile des Lichtes (Rot und Gelb) werden stark gebrochen, sodass sie geometrisch vom Beobachter nicht mehr gesehen werden können. Der Blauanteil geht durch die Rayleigh-Streuung verloren. Übrig bleibt Grün.

Kapitel 6

Das räumliche Sehen

sAugen sind gekoppelt Grundvoraussetzung des Stereosehens

Versuch: Ein Auge zuhalten, Finger auf Augenlied legen, offenes Auge bewegen, geschlossenes Auge bewegt sich mit

Wahrnehmungsapparat sehr anpassungsfähig: Versuche mit Umkehrbrillen

Augen nicht gekoppelt (Sehfehler, Alkoholeinfluss,…) keine 3D- Wahrnehmung

Versuch: Gegenstand fixieren, mit Finger seitlich gegen ein Auge drücken Gegenstand verschwimmt, Doppelbild entsteht, keine 3d_ Wahrnehmung

1 Auge reicht nicht für 3D- Wahrnehmung

Versuch: Ein Auge zuhalten, Versuchen mit einem Finger eine Spitze berühren

s2 Arten der Tiefenbestimmung:

Tiefenbestimmung durch KonvergenzWinkelmessung zwischen den AugenTritt allerdings beim Menschen nicht auf

Tiefenbestimmung durch QuerdisparationVergleich der beiden Abbilder auf den Retinen Gesamtergebnis des 3D- Sehens ist bei weitem mehr als nur die Summe der 2D- Einzelbilder.

Versuch: Finger nach oben gestreckt nur mit einem Auge fixieren, Hintergrund betrachte, nun Finger mit anderem Auge fixieren, Hintergrund beobachten Finger gewandert, abhängig von Abstand zwischen Finger und Augen

sVersuch: 2 Zeigefinger senkrecht, seitlich und nach hinten leicht versetzt in ca. 20 cm

Abstand vor den Augen halten und versuchen scharf zu stellen nicht möglich.Einen der beiden scharf stellen der andere erscheint als 2 Finger

Querdisparation zu groß: lediglich die beiden 2D- Bilder sichtbar

Versuch: 2 Zeigefinger waagerecht, sich berührend, durch den Berührpunkt möglichst weit weg „hindurch schauen“ Wurstähnliches Gebilde sichtbar

Finger langsam auseinander bewegen: Gebilde scheint zu schweben

Grund: Sehsystem schafft es nicht immer die richtigen Objekte zu einer 3D_ Wahrnehmung zu verschmelzen. Auf dem Linken Auge scheint der linke Finger im Zentrum und im rechten Auge der rechte Finger.

Tiefenauflösung umso besser, je größer der Augenabstand (manche Tennisspieler z.B. >7 cm), je höher der Abstand von der Linse zur Retina, und je geringer der Abstand der einzelnen Sehzellen.

Sehentfernung auflösbare Tiefenunterschiede

Leseentfernung (35 cm) 0,13 mm (Brotkrümel)

Zimmerwandentfernung (3 m) 0,5 cm (Bilderrahmen)

nähere Umgebung im Freien (20 m) 22 cm (Handlänge)

Fußballstadion (100 m) 5,7 m (halbes Fußballtor)

500 m 180 m

Tiefenauflösungsvermögen durch Querdisparation:

sStereogramme:

Bild 1 Bild 2

Prinzip des Stereosehens

Bild 1 Bild 2

Alternative Möglichkeit des Stereosehens

Ein einfaches Zufalls-Punktstereogramm: Was könnt ihr erkennen, wenn ihr in die Tiefe blickt?

Auflösung: Dreieck, das über dem Hintergrund schwebt.

Im rechten Bild sind 3 Fehler versteckt. Die Lösung ist mit dem Stereoblick ganz einfach…

sAlternative Methoden zur Tiefenwahrnehmung:

• Tiefenwahrnehmung durch Bewegung:Je näher sich ein Objekt befindet, desto schneller bewegt es sich in

unserem Sichtfeld.

• Tiefenwahrnehmung durch das Erkennen von Überdeckungen:Objekte im Vordergrund überdecken die Objekte, die im Hintergrund

liegen

• Tiefenwahrnehmung durch das Erkennen von Durchsichtigkeit:Durchsichtige Objekte liegen immer vor den undurchsichtigen.

• Tiefenwahrnehmung durch Größenvergleich:Je kleiner ein Objekt im Vergleich

zu einem anderen Objekt erscheint, desto weiter liegt es im Hintergrund. („normale“ Objektgröße muss bekannt sein)

• Tiefenwahrnehmung durch die Deutung des Schattenwurfs:z.B. Mondkrater

• Tiefenwahrnehmung durch die Erkennung des Helligkeitskontrasts:Kontrastreiche Objekte scheinen im Vordergrund zu liegen, Kontrastarme bzw. verschwommene Objekte scheinen im Hintergrund zu liegen.

sStereoeffekte in Filmen:

• Polarisationsfiltertechnik:Durch 2 Projektoren mit unterschiedlichen Polarisationsfiltern werden die Bilder an die Leinwand projiziert und dann durch eine Polarisationsbrille wieder getrennt den Augen zugeführt.

• Rotgrün-Anaglyphentechnik:Ein rotes und ein grünes Bild mit verschiedenem Blickwinkel liegen

übereinander. Durch eine Brille gelangt in das eine Auge nur die rote Bildinformation (also nur ein Sichtwinkel) durch einen Filter, durch das andere Auge die grüne Bildinformation (somit der 2. Blickwinkel). Dadurch entsteht der Eindruck von räumlicher Tiefe.

Kapitel 7

Bewegungen sind Leben

Scheinbewegungen: Bestreben nach einer einfachen Bewegungsform „überstimmt“ die Wahrnehmung mehrere Formen.

Prinzip des Films

sWagon-wheel effect:

Zuerst: 1 Umdrehung/secDann: 25 Umdrehungen/sec

Umdrehung des Rades minimal langsamer als die Bildfrequenz In jedem Teilbild wird die Momentaufnahme eines minimal zurückgebliebenen Rades wiedergegeben.

Nachwirkungen:

Selber Effekt: Wasserfall, schnell fließender Fluss

MacKay-Bild: Schatten entstehen durch sakkadische (unwillentliche, winzige) Augenbewegung

Nachbild: Komplementärfarbe und Bewegung

Zuviel getrunken?Noch nicht ganz geklärt, warum der Strudel bewegt erscheint, aber die kleinen Punkte müssen scharf und farbig sein, damit das ganze Funktioniert.

Bewegungsillusionen mit Farbe: (Turm wird begradigt)

Kombination der Farbe wichtigEffekt beruht auf den unterschiedlichen Wahrnehmungszeiten der verschiedenen Farben

Bewegungsillusionen mit Farbe: (Grün richtet sich parallel zu Blau aus, Gelb nicht)

Kombination der Farbe wichtigEffekt beruht auf den unterschiedlichen Wahrnehmungszeiten der verschiedenen Farben

Bewegunsgtäuschung nach Ktaoka:

Unscharfes scheint im Hintergrund zu liegen, muss sich also theoretisch bei Augenbewegung weniger bewegen. Verstärkung durch Schlüssellocheffekt.

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