Visuelle Leistungsfähigkeit - KIT - LTI - Herzlich willkommen am LTI · 2011-11-10 ·...

Forschungs - Universität Karlsruhe (TH)

Licht und DisplaytechnikVisuelle Leistungsfähigkeit

Visuelle Leistungsfähigkeit

Karl Manz,

Wintersemester 2008/2009

[Aus David H. Hubel, Auge und Gehirn]

ErregungsschwelleDosis [H]Photobiologie

gleiche Akzeptanzz.B.: Blendungsgrad

Gleiche Wahrnehmungs-wahrscheinlichkeit

Sichtbarkeits-Niveau ?Visibility Level [VL]

Visuelle Ergonomie

FarbunterschiedFarbvalenz [X, Y, Z]Farbmetrikgleich hellLeuchtdichte [L]Photometrie

Erregungs-Schwelle

Physikalische Reiz

z.B.: Druck, Wärme, Schall, Leuchtdichte,

Physiologie

WirkungReizgrößeAnwendungsgebiet

Valenzmetrik:

Stevens exponentielle Beziehungen zwischen verschiedenen Reizmodalitäten und der absoluten Empfindungsstärke (gemessen mittels Handkraft, ähnlich einer visuellen Analog-Skala) (ST)

Webersche Regel :

Ermittlung von Unterschiedsschwellen

→ ∆R/R= const.

Reizänderung ∆R

Reizamplitude R

NurNur eingeschreingeschräänktnkt anwendbaranwendbar

E=0.00015*R3.5 E=1*R1.0

E=10.0*R.33

Ermittlung einer Skala von Empfindungsstärken

Versuch einer proportionalen Skala der Empfindungsstärken durch Abschätzung der Reizstärkenverhältnisse

Webersche Regel : → ∆R/R = const.Reizänderung ∆RReizamplitude R

Gilt Gilt nurnur ffüürr ReizstReizstäärkenrken deutlichdeutlich üüberber derder AbsolutschwelleAbsolutschwelle!!

Allgemeiner gilt:

Stevens Potenzfunktion: → E = k*( R - Rn )n

Schwellenreizstärke RnEmpfindungsintensität E

log E = n * log ( R - Rn ) + log k

Objektkontrast C = L - L

Modulationsgrad m = L - LL + L

Kontrastformeln von Anzeigen K = LL

Definition von Schwellenkontrasten

F = Fixationspunktß = Winkel zwischen Fixationspunkt und Sehobjekt

Schematischer Versuchsaufbau zur Messung von Schwellenkontrasten einfacher Sehobjekte.

Schwellenkontraste zur Wahrnehmung von Sehobjekten sind von einer Vielzahl von inneren und äußeren Faktoren abhängig:

1) Sehobjektfaktoren: → Insbesondere Art, Form, Gestaltung und Ausdehnung, örtli-che und zeitliche Leuchtdichte-modulierung, Kontrastrichtung.

2) Helligkeitsfaktoren: → Insbesondere Leuchtdichten von Umfeld, Sehobjekt und Blendquellen.

3) Zeit- und Ortsfaktoren: → Insbesondere Darbietungszeit und Geschwindigkeit der Sehobjekte, Lage der Sehobjekte im Gesichtsfeld, Maskierung und Strukturierung.

4) Personenfaktoren. → Insbesondere Akkommodations- und Refraktionszustand, Alter, psychische Verfassung.

5) Kriteriumsfaktoren: → wie Wahrnehmungsniveau (Detektion, Identifikation), Beobachterstrategie (Risikoabschätzung), Messmethode (Methode der konstanten Reize, Einstellmethode).

Beispiel: Sehobjektfaktoren

Beispiel: Helligkeitsfaktoren

Einfache Sehobjekte zur Untersuchung der Abhängigkeiten von Schwellenkontrasten bei unterschiedlichen Wahrnehmungskriterien.

Testzeichen, Kreisscheibe:Detektion eines Helligkeitsunter-schiedes zwischen Sehobjekt und Untergrund bzw. Umfeld.

Testzeichen, Gitter:Identifikation von pe-riodischen Helligkeits-Strukturen

Testzeichen, Landoltring:Identifikation eines Formen-und Richtungsdetails.

Testzeichen:Detektion eines Helligkeitsunterschiedeszwischen 2 Sehobjektdetails.

Schwellenwerte stationär dargebotener Lichtsignale

Zahlreiche Untersuchungen über Helligkeitsschwellen

Kreisförmiges Testfeld L, Sehwinkel αGroßes Umfeld LuDarbietung zentral foveal, quasistationär Lichtart (Testfeld/Umfeld) unbunt

Das Ricco‘sche und Piper‘sche Gesetz

der Flächensummation.Nach Weber gilt: ∆L/L = const.∆L*A = const. ↔ Riccos Bereich

∆L*√A = const. ↔ Pipers Bereich

∆L = const. ↔ Webers Bereich

22 )(1)'(' bLLL ui αφ

α+=−=Δ

),(' aLL uΔ

cu PLCL +=Φ )log(

9uQLb =

Zusammenfassung des Beobachtungsmaterials bis 1941, M. Berek 1941(Neuere Untersuchungen H.R. Blackwell)

Li, Lu in 104

C= 1,0479 ±2 10-4 c=0,00208 ± 1 10-5

P= 0,50 ± 7 10-2 p=0,52 ± 3 10-2

Q= 0,058 ± 2 10-3 q=0,412 ± 6 10-3

Der Unterschiedsschwelle

als Funktion der Umgebungsleuchtdichte Lu in 104 cd/m²

und dem Sehwinkel α in Minuten

} Funktionen der Umgebungsleuchtdichte

LLLK ),('),(' αα Δ=

sin' 2 ααπ upip lELE =••=

Aus Berek-Formel:

Unterschiedsschwelle ΔL‘ (Lu,α) bzw.: Kontrastschwelle

Sehwinkelschwelle α‘ (Li, Lu)Schwellenbeleuchtungsstärke (Pupille)

Punktartige Signale: (Ricco-Bereich) Ep‘ unabhängig von α bzw.

Flächenartige Signale (Straßenverkehr) (Weber-Bereich) K‘ abhängig von α, bei Lu = const.Leuchtdichte ist relevante Einflussgröße

Übergangsbereich (Piper-Bereich) Ep‘ ist relevante Einflussgröße

Punktförmige Signale (Schifffahrt,Luftfahrt)(Ricco-Bereich) Ep‘ unabhängig von α, Wirkung er-gibt sich aus dem in das Auge ein-fallenden Lichtstrom → Lichtstärke ist relevante Einflussgröße

1‘2‘3‘8‘10‘αR

10310110010-110-310-5Lu [cd/m²]

grundsätzlich gleichwertig je nach bei Lu=a

(Schifffahrt,Luftfahrt)

'5,0≈

Grenzwinkel für punktartige Signale(Ricco-Grenzwinkel αR)

Ricco-Piper-Weber-Fechner

1,E-071,E-061,E-051,E-041,E-031,E-021,E-011,E+001,E+011,E+021,E+031,E+041,E+051,E+061,E+071,E+081,E+09

1,E-03 1,E-02 1,E-01 1,E+00 1,E+01 1,E+02 1,E+03 1,E+04Viewing-Angle α / [min]

Lu =1E-4 cd/m²

Lu=1E+4 cd/m²

K’ = const.(Weber-Fechner)

K’ ≈ 1/α²(Ricco)

K’ ≈ 1/α(Piper)

Wahrnehmungsschwellen für stationäre Lichtreize berechnet nachNährungsformeln von Adrian

Für sichere Wahrnehmung (Wahrnehmungswahrscheinlichkeit p besser 95%)muss der Schwellenkontrast (p=50%) deutlich angehoben werden.

C = C f fmin 1 2⋅ ⋅

u1 + 1 = f

cL + 1 = f

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛αα

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

( ) ⎟⎟

⎜⎜

430/cL + 1

1 - 1c + c =

Die Konstanten ergaben sich als Ergebnis einer Ausgleichsrechnung zu:mit

C = 0,00275min

Lu: die die Adaptation bestimmende Umfeldleuchtdichte in cd/m2.α die Sehobjektgröße in Bogenminuten.

Beispiel:

Beträgt z.B. die, die Adaptation bestimmende Umfeldleuchtdichte 100 cd/m2 und

erscheint das Sehobjekt dem Beobachter unter einem Winkel von α = 10',

so erhält man mit α = 10', Lu = 100 cd/m²

einen Schwellenkontrast = 0,00516.

Die Leuchtdichte des Sehobjektes muss sich also um etwa 0,5 % vom Umfeld unterscheiden, um unter günstigsten Bedingungen mit einer Wahrscheinlichkeit von 50 % wahrgenommen zu werden.

Fragt man nach dem Schwellenwert für die Sehobjektgröße bei gegebener Umfeldleuchtdichte und gegebenem Objektkontrast, so folgt :

Beispiel:

Beträgt z.B. der Kontrast eines Sehobjektes C = 0,9,

so muss bei einer Umfeldleuchtdichte von 10 cd/m²

das Sehobjekt mindestens 0,64' groß sein,

um an der Schwelle mit einer Wahrscheinlichkeit von 50% wahrgenommen zu werden.

Schwellenkontraste

zur Detektion einfacher Sehobjektewie Kreisscheibe, Quadrat oder ähnliche flächengleiche Objektein Abhängigkeit von der Umfeldleuchtdichtebzw. von der Adaptationsleuchtdichte undder Sehobjektgröße als Parameter.

Berechnet für einen Grenzschwellenkontrast Cmin = 0,00275, der günstigste Beobachtungsbedingungensimuliert.

Notwendiger Mindestkontrast (relative Unterschiedsschwellen)

für verschiedene Objektgrößen

[sichere Wahrnehmung]

(aus H. Krueger– Ergonomie)

Allgemein gelten folgende Gesetzmäßigkeiten:

– Schwellenkontraste nehmen im allgemeinen mit der Umfeldleuchtdichte ab.

– Schwellenkontraste nehmen mit der Größe der Sehobjekte ab.

– Bei höheren Umfeldleuchtdichten (etwa > 100 cd/m2) und

größeren Sehobjekten (etwa>100') ist der Schwellenkontrast

annähernd unabhängig von Lu und α.

→ "Weber'sches" Gesetz (Weber, 1850) bezeichnet.

BeleuchtungsniveauSehobjekt

10,02-0,05*groß (1°)

1001klein (1')

Nacht(10-3 cd/m²)

Tag(100 cd/m²)

*) entspricht 2 - 5 %

Typische praktische Schwellenkontraste

Schwellenbeleuchtungsstärke

E = L C +1) sin2u

⋅ ⋅ ⋅ ⎛⎝⎜

⎞⎠⎟(

Zur Detektion von Signallichtern wird als Schwellenvariable zweckmäßigerweise die am Auge des Beobachters erforderliche Beleuchtungsstärke verwendet, die allein vom Signal herrührt. Mit dem zuvor bestimmten Schwellenkontrastfolgt für die Schwellenbeleuchtungsstärke:

mit Lu der Leuchtdichte eines gleichförmigen Umfeldes, α dem Sehwinkel des Sehobjektes.

Schwellenbeleuchtungsstärke zur fovealen Wahrnehmung einfacher Sehobjekte in Abhängigkeit von der Sehobjektgröße, berechnet mit den o. g. Schwellenkontrasten.Parameter ist die Umfeldleuchtdichte (Kokoschka, 1988).

αSehobjekt

102 cd/m2

100 cd/m2

10-2 cd/m2

1E-80.1 1.0 10 100 1000

Objektgröße α (min)Schw

10-1 lx5.0 · 10-8 lxgroß (1°)

10-5 lx2.0 · 10-9 lxklein (1')

Tag (10² cd/m²)Nacht (10-3 cd/m2)Sehobjekt

Schwellenbeleuchtungsstärke (in lx) unter günstigsten Bedingungen.

Quelle: Hentschel, Licht und Beleuchtung

Unterschiedsempfindlichkeit

L/ΔL = 1/K

Bild zeigt Verlauf der Unterschiedsempfindlichkeitfür Testfelder von 1° und größer für verschiedeneUmgebungsleuchtdichten

Sehschärfe als Maß der Identifikationsleistung

s = 1ε

Ist z.B. x = 1 mm und a = 1500 mm und werden beide Punkte gerade an der Schwelle erkannt, dann hat der Beobachter unter diesen Bedingungen eine Sehschärfe von mindestens s = 0,44.

Sehschärfe

von dunklen Landoltringen in Abhängigkeit von der Umfeldleuchtdichte.

Parameter ist der Kontrast der Sehobjekte.

(Kokoschka: "Beleuchtung, Bildschirm, Sehen", S. 31)

Ortsabhängigkeit der Schwellenkontraste

R( ) = (1+ a )a2β β12⋅

Einfluss des peripheren Lagewinkels ß auf den peripheren Schwellenkontrast eines von der Fixationsachse nicht zu weit entfernten Sehobjektes;

Winkel ß in Grad

Sehschärfe bei fovealer Beobachtung gemessen mit schwarzen Landoltringen im mesopischen Bereich. (1asb = 0,318 cd/m2) (Adrian, Kokoschka, 1965)Bei helladaptiertem Auge (10 asb) ist die Sehschärfe im mittleren Spektralbereich größer als an den Spektralenden. Im mesopischen Bereich findet die sog. Purkinje-Verschiebung statt.

Quelle: Felix A. Wichmann;

Zur Abhängigkeit der Kontrastempfindlichkeit von der Ortsfrequenz von achromatischen Gittern bei zeitlich konstanten Gleichfeldern.Bildteil 1 gilt für Sinusgitter (Kreise) und Rechteckgitter (Quadrate) (nach Campbell und Robson, 1968). Parameter ist die mittlere Leuchtdichte der 2,5° x 2,5° großen Testzeichen. Bildteil 2 nach v. Nes und Bouman (1967) ist die retinale Beleuchtungsstärke in Troland Parameter der untersuchten Sinusgitter.

Vergleich von Kontrastempfindlich-keitsfunktionen, die mit 3 charakte-ristischen Testzeichen gemessen wurden. Die Kurve für die Kreisscheibe beschreibt die Helligkeitsdetektion. Landoltring und Sinusgitter kenn-zeichnen die Identifikation. Landoltring und Sinusgitter unterscheiden sich vor allem im Bereich niedriger Ortsfrequenzen. Es gelten folgende Zuordnungen zwischen Testzeichen und Autor der Messwerte: Kreisscheibe und ähnliche Objekte: Berek (1943), Black-well (1946). Landoltring: Siedentopf u.a. (1941). Sinusgitter: Campbell und Rob-son (1968), v. Nes und Bouman(1967).(Kokoschka: "Beleuchtung, Bild-schirm, Sehen",

Für nicht zu kleine Detailunterschiede ist der relative Einfluss der Umfeldleucht-dichte auf die Kontrastempfindlichkeit -zumindest zwischen etwa 1 und 100 cd/m2 - praktisch unabhängig von der Art des Testzeichens. Die Kontrastempfindlichkeit wächst etwa linear mit dem Logarithmus der Umfeld-leuchtdichte.

Typisches Beispiel für die Flimmerempfindlichkeit in Abhängigkeit von der Flimmerfrequenz für örtlich homogene Felder

(Nach de Lange, 1958).(aus H. Krueger– Ergonomie)

(aus H. Krueger– Ergonomie)

Flimmerverschmelzungsfrequenz in Abhängigkeit von der mittleren Leuchtdichte von Bildschirmen. Parameter ist die Phosphor-Abklingkonstante (Nach Daten von Kelly, 1972).

Verteilung der FVF über dem Gesichtsfeld

Aufgrund der oben dargestellten Verteilung, muss man zur Bewertung eines Bildschirms hinsichtlichdes Flimmerverhaltens, den Beobachter 30 – 40°gedreht zum Bildschirm ausrichten.(aus H. Krueger– Ergonomie)

Einfluss der Darbietungszeit

C = C t tt

= C tt

00++⎛

⎝⎜⎞⎠⎟

t0= 0.2 s für Schwellenkontrast bei praktisch unbegrenzter Darbietungszeit unter Tageslichtver-hältnissen typischer Wert Für sehr kurze Darbietungszeiten t << t0 gilt dann das Produkt von Schwellenkontrast und Darbietungszeit ist konstant. Für Darbietungszeiten t < t0, praktisch ab etwa 1 s, ist dann unabhängig von t. Tatsächlich nimmt aber der Schwellenkontrast zur De-tektion und Identifikation von Sehobjekten auch für Darbietungszeiten zwischen l und etwa 5 s noch weiter ab.

Der Zusammenhang zwischen Schwellenkontrast und Darbietungszeit für Zeiten unterhalb der Fixationsdauer von etwa 0,2 - 0,3 s ergibt sich nach der Beziehung von Blondel und Rey (1911). Danach gilt für den Schwellenkontrast bei der Darbietungszeit t:

Verlauf gemessen mit sog. Adaptometer unter folgenden Bedingungen: 3° großes, 7° extrafoveales Testfeld;weiße Voradaptationsleuchtdichte 5000 cd/m2 (120 Versuchspersonen).

(Nach Hecht u. Mandelbaum, 1939).

Typischer Verlauf von Dunkeladaptations-Kurven.

(1μμL = 3,18 10-9 cd/m2).

Gemessene zeitliche Abhängigkeit des Schwellenkontrast-Erhöhungsfaktors bei einem Leuchtdichtesprung von 250:1 bzw. 1:250

(Greule: "Kontrastschwellen bei transienter Adaptation", S. 121)

Obere Kurven:

Leuchtdichtesprung von 2000 auf 8 cd/m².

Untere Kurven:

Leuchtdichtesprung von 8 auf 2000 cd/m².

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