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Forschungs - Universität Karlsruhe (TH)

Licht und DisplaytechnikVisuelle Leistungsfähigkeit

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Visuelle Leistungsfähigkeit

Karl Manz,

Wintersemester 2008/2009



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[Aus David H. Hubel, Auge und Gehirn]



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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,

etc.-

Physiologie

WirkungReizgrößeAnwendungsgebiet

Valenzmetrik:



4



5

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



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7



8

Webersche Regel :

Ermittlung von Unterschiedsschwellen

→ ∆R/R= const.

Reizänderung ∆R

Reizamplitude R

NurNur eingeschreingeschräänktnkt anwendbaranwendbar



9

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

E=10.0*R.33

R

R

R

∆R

Ermittlung einer Skala von Empfindungsstärken

Versuch einer proportionalen Skala der Empfindungsstärken durch Abschätzung der Reizstärkenverhältnisse



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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



11



12

Objektkontrast C = L - L

Lz u

u

Modulationsgrad m = L - LL + L

2 1

2 1

Kontrastformeln von Anzeigen K = LL

2

1



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Definition von Schwellenkontrasten

F = Fixationspunktß = Winkel zwischen Fixationspunkt und Sehobjekt

Schematischer Versuchsaufbau zur Messung von Schwellenkontrasten einfacher Sehobjekte.



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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.



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

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



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Beispiel: Sehobjektfaktoren



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Beispiel: Helligkeitsfaktoren



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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.



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Schwellenwerte stationär dargebotener Lichtsignale

Zahlreiche Untersuchungen über Helligkeitsschwellen

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



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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

αR



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22 )(1)'(' bLLL ui αφ

α+=−=Δ

),(' aLL uΔ

pu

cu PLCL +=Φ )log(

9uQLb =

2mcd

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

Mit:

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



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u

uu L

LLLK ),('),(' αα Δ=

),('2

sin' 2 ααπ upip lELE =••=

2

1~'α

K

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)



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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]

Δ L

/ [c

d/m

²]

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

αRR



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



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C = C f fmin 1 2⋅ ⋅

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2

c

1

u1 + 1 = f

cL + 1 = f

2

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛αα

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛

( ) ⎟⎟

⎠

⎞

⎜⎜

⎝

⎛α

6c5u

430/cL + 1

1 - 1c + c =

Die Konstanten ergaben sich als Ergebnis einer Ausgleichsrechnung zu:mit

und

C = 0,00275min

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



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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.



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

αα

= C

C1f

- 1

0

min 1

⋅



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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.



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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.



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Notwendiger Mindestkontrast (relative Unterschiedsschwellen)

für verschiedene Objektgrößen

[sichere Wahrnehmung]

(aus H. Krueger– Ergonomie)



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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.



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BeleuchtungsniveauSehobjekt

10,02-0,05*groß (1°)

1001klein (1')

Nacht(10-3 cd/m²)

Tag(100 cd/m²)

*) entspricht 2 - 5 %

Typische praktische Schwellenkontraste



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Schwellenbeleuchtungsstärke

E = L C +1) sin2u

2πα

⋅ ⋅ ⋅ ⎛⎝⎜

⎞⎠⎟(

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.



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

αSehobjekt

AugeE

102 cd/m2

100 cd/m2

10-2 cd/m2

1.0

0.1

0.01

0.001

1E-4

1E-5

1E-6

1E-7

1E-80.1 1.0 10 100 1000

Objektgröße α (min)Schw

elle

nbel

euch

tung

sstä

rke

E (lu

x)



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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.



38

Quelle: Hentschel, Licht und Beleuchtung

Unterschiedsempfindlichkeit

L/ΔL = 1/K

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



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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.



40

Sehschärfe

von dunklen Landoltringen in Abhängigkeit von der Umfeldleuchtdichte.

Parameter ist der Kontrast der Sehobjekte.

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



41

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



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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.



43

Quelle: Felix A. Wichmann;



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45

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.



46




47




48

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",



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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.



50

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

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



51

(aus H. Krueger– Ergonomie)



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



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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)



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Einfluss der Darbietungszeit

C = C t tt

= C tt

100

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:



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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).



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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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