Dr. med. Max R. Dürsteler

Max R. Dürsteler

 Optische Täuschungen

Hier finden sie meine Demonstrationen von optischen Täuschungen in der Form von Videos oder interaktiven Web-Applikationen, womit Sie die relevanten Parameters wie die Geschwindigkeit von bewegten Reizen selber bestimmen können.  Meine mit Unity3D erstellten HTML5-WebGL Applikationen laufen  auf allen Webbrowsern, die die HMTL5 und Web GL Standards unterstützen. Zur Zeit  sind dies Mozilla Firefox, Google Chrome und  Safari .  Für  die Benutzer von Android Smartphones habe ich eine erste interaktive Android-Applikation erstellt, die sie aus dem Google Playstore herunterladen können, iPhone und iPad-Benutzer finden eine interaktive iOS-Applikation im Apple iTunes App Store.

Scheinbares Dreheinfrieren (engl. „Freezing Rotation Illusion“)

Diese Illusion erhielt 2006  in Sarasota, Florida  den ersten Preis im „The Best Illusion of the Year Contest„. Das sich hin und her drehende Umfeld täuscht uns vor, dass die Drehbewegung  einer umschlossenen Figur periodisch im Takt mit dem Umfeld einfriert , während sich die Figur tatsächlich kontinuierlich um ihre Sagittalachse dreht.

Im Video wird demonstriert:

Dürsteler Fig1b 2015

  1. Bei gleicher (paralleler) Drehrichtung  von Figur und Umwelt bestimmt das Verhältnis  der gegenseitigen Geschwindigkeitsbeträge, ob die Figur periodisch sich verlangsamt oder gar anhält  oder wie aufgeklebt mit dem Umfeld dreht.
  2. Bei verschiedener Drehrichtung von Figur und Umwelt scheint sich die Drehung der Figur zu beschleunigen.Dürsteler Fig1c 2015
  3.  Während hin- und Herbewegungen des Umfeldes die Wahrnehmung von Drehbewegungen der Figur beeinflusst, gilt der Umkehrschluss nicht: Hin und Herbewegungen der Figur haben keinen Einfluss auf die Bewegungswahrnehmung des Umfeldes.

Vermutlich haben diese Täuschungen damit zu tun, das unser visuelles System  das im Normalfall stationäre Umfeld zur Bildstabilisation verwendet, ähnlich wie bei der Bildstabilisation in modernen Kameras. Meine interaktive Web-Applikation erlaubt Ihnen, die kritischen Parameter für diese Täuschungen auf Ihrem Mac- oder Window-Rechner oder Ihre, Smartphoneselbst zu untersuchen.

Überzeugen Sie sich beispielsweise, dass sich der Flieger nicht ruckweise, sondern tatsächlich ganz gleichmässig  dreht, indem sie die Umwelt („Surround“) zum Verschwinden bringen ( „Opacity“  auf  0% setzen). Spielen Sie mit den Geschwindigkeiten von Flieger und Umgebung, um bei gleicher Drehrichtung von Umwelt und Flieger das scheinbare „Einfrieren“ der Drehbewegung zu optimieren. oder um den Flieger oder eine andere Figur mit der Umwelt zu „verkleben“.

FreezingRotationWebGLApp
Freezing Rotation Illusion: auf Bild klicken, um interaktive HTML5-WebGL-Applikation zu starten

Wenn Sie ein Android  Smartphone verwenden, können Sie die  interaktive Android-Applikation Scheinbares Dreheinfrierenaus dem Google Play Store herunterladen.
Get it on Google Play
Wenn Sie stolzer Besitzer eines iPhones oder eines iPads sind, konnen Sie die interaktive iOS-Applikation Freezing Rotation Illusion“ aus dem Apple iTunes App Store herunterladen.

Freezing Rotation Illusion in 3D

Mixed Reality ist eine neue Technologie, dies ermöglicht, virtuelle, beweglich drei-dimensionale Objekte zu erstellen, die irgendwo in der reellen Umwelt platziert werden  können. Um diese Phantombilder (Hologramme) zu sehen, braucht es ein spezielles Sehgerät wie die Microsoft Hololens. Die Microsoft Hololens enthält ihren eigenen Computer mit einer „holographischen“ Version von Windows 10.

Hololens

Ich habe eine 3D Version der Freezing Rotation Illusion erstellt:  als Eine kleines Modellflugzeug (die „Figur“) dreht sich kontinuierlich um seine Längsachse. Als „Umwelt verwende ich einem büchsenförmiges Ensemble  aus Keilen in verschiedenen Farben und Grössen umgeben. Das Ensemble bewegt sind hin- und her.

20170407 180118 HoloLens

Die Frage ist nun, unter welchen Bedingungen die Illusion des Dreh-Einfrierens zustande kommt. Muss sich das Flugzeug zwingend innerhalb des Ensembles befinden und muss man das ganze von vorne betrachten wie auf dem Bild oben? Oder kommt die Illusion auch dann noch zustande, wenn sich das Flugzeug vor dem Ensemble befindet und man das ganze von der Seite brachtet, wie auf dem Bild unten?

20170407 180750 HoloLens

Wenn Sie Zugang zu einer Microsoft Hololens haben, können Sie die von mir erstellte Applikation „Freezing Rotation Illusion in 3D“ vom Microsoft App Store auf Ihe Hololens hinunterladen:
Jetzt unter Windows 10

Näheres zur „Freezing Rotation Illusion“ finden Sie in den folgenden Arbeiten:

Bewegungstransparenz

Bewegungstransparenz ist die Fähigkeit, an der gleichen Stelle der Netzhaut zwei unabhängige Bewegungen wahrzunehmen. In einer auf dem Holzschnitt von Utagawa vergleichbaren Situation

Ein-regenschauer-auf-der-grosen-brucke-von-atake
Ein Regenschauer auf der grossen Brücke von Atake. Hiroshige Utagawa (1797-1858).

können wir sowohl die Bewegung des Regens im Vordergrund als auch der Bewegungen einer Person auf der Brücke dahinter gleichzeitig wahrnehmen.

Bewegungstransparenz von zwei Hell-Dunkel Reizen

Auf dem Video sehen wir durch ein Muster von Zufallspunkten  (vergleichbar mit dem  Regenschauer) ein vertikales Sinusgitter (vergleichbar mit einer Person im Regen).  Auf dem linken Bildausschnitt erkennen wir die Bewegung des Sinusgitter hinter dem stationären Punktemuster genauso gut wie die Bewegungen auf dem unbedeckten Teil des Gitters. Auf dem rechten Bildausschnitt bewegt sich das Punktemuster in der Vertikalen, ohne dass es in unserer Wahrnehmung das physikalisch stationäre Sinusgitter dahinter mit sich ziehen würde: der vom sich bewegenden  Punktemuster überdeckte Teil des  Gitters erscheint genau so ortsfest wie dessen unbedeckter Teil. Die hier verwendeten Reize sind beides Hell-Dunkel Reize. Ändert sich unsere Bewegungswahrnehmung, wenn wir das hell-dunkle Sinusgitter durch ein rot-grünes Sinusgitter mit möglichst kleinen Hell-Dunkel-Unterschieden ersetzen?

Bewegungstransparenz eines Hell-Dunkel und eines Farbreizes

Im linken Bildausschnitt bewegt sich das Rot-Grün-Gitter mit der gleichen Geschwindigkeit das Hell-Dunkel -Gitter im vorherigen Video.  Die tatsächlich wahrgenommene Bewegung erscheint aber  als wesentlich niedriger. Im vom stationären Punktemuster bedeckten Teil des Bildausschnittes muss man aufmerksam einer Farbkante folgen, um die Bewegung des Gitters überhaupt wahrzunehmen. Bei noch niedrigeren Geschwindigkeiten des Farbgitters erschiene dieses als still stehend:  „Stillstand Bewegungstäuschung“ ( engl. „Standstill Illusion„). Im rechten Bildausschnitt muss man aufmerksam eine Farbkante fixieren, um wahrzunehmen, dass sie sich nicht mit den Punkten in der Vertikalen mitbewegt; es erscheint, als ob die bewegten Punkte das Farbgitter mit sich ziehen würden: „Mitnahme Bewegungstäuschung“  (engl. „Motion Capture Illusion„).

Solche und ähnliche Beobachtungen und Experimente führten Erforscher des Sehsystems zur Schlussfolgerung, dass die Wahrnehmung der Bewegung bei Hell-Dunkel-Reizen und bei reinen Farbreizen über verschiedene Mechanismen erfolgt: über einen effizienten beim Hell-Dunkel-Sehen und einen trägen, von der Aufmerksamkeit abhängigen Mechanismus beim reinen Farbsehen. Im Video erscheinen in einem zweiten Teil hell gelbe Streifen, um zu zeigen, wie schnell sich das Gitter bewegt, wenn  wir für die Bewegungswahrnehmung über „first order“ Hell-Dunkel-Bewegungsrezeptoren verfügen.

Bewegungstransparenz mit einem Helldunkel und einem Farbreiz mit unscharfen (oben) oder scharfen Farbübergängen (unten)

Im  Video wird gezeigt,  dass wir bei Farbreizen Bewegung wesentlich besser wahrnehmen, wenn die Grenzen zwischen den Farben scharf sind. Forscher haben experimentell aufgezeigt, dass die Bewegungswahrnehmung von Farbreizen mit scharfen Kanten (Ortsfrequenz > 2Hz) und/oder höherer Geschwindigkeit über einen weit effizienteren Mechanismus erfolgt als bei  Farbreizen mit unscharfen Kanten.

Ähnliche Defizite der Bewegungswahrnehmung wie beim Farbreizen finden sich bei Stereoreizen.

Red-Cyan-Glasses

Um die Tiefenunterschiede in einem der hier gezeigten sogenannt anaglyphischen  Stereovideos wahrzunehmen,  benötigen Sie eine Rot-Blau-Brille ähnlich wie oben gezeigten mit einem Rot-Filter vor dem linken und einem Blau-Filter vor dem rechten Auge.

Bewegungstransparenz mit einem Hell-dunkel und einem Stereo-Reiz

Um Tiefenreize bzw. Stereoreize zu erzeugen, braucht man irgendein strukturiertes Muster wie unser Zufallspunktemuster, womit man horizontale Disparitäten zwischen linkem und rechtem Netzhautabbild erzeugen kann. Hier kodieren die Disparitäten für ein vertikales Gitter, dessen Tiefe sich gemäss einer Sinusfunktion verändert.

Bewegt sich das Punktemuster synchron mit dem Tiefen-Gitter (rechte Halbseite der beiden Bildausschnitte), erkennt man gut, dass sich  im linken Bildausschnitt das Gitter bewegt. Im rechten Bildausschnitt bleiben  Punktemuster und Tiefengitter ortsfest.

Links auf der linken Halbseite ist das Punktemuster  stationär (einzelne Punkte bewegen  sich in der Horizontalen,  um für die Bewegung des nach unten wandernden Stereo-Sinusgitters zu kodieren). Rechts  auf der linken Halbseite bewegt sich das Punktemuster in der Vertikalen auf und ab. Man muss schon eine der Sinuswellen fixieren, bzw. ihr folgen, um zu erkennen, ob und welcher Richtung sich das Tiefengitter bewegt.

Forscher, die sich mit der Bewegungswahrnehmung  experimentell beschäftigen, haben experimentell Hinweise dafür gefunden, dass der gleiche träge, von der Aufmerksamkeit abhängige Mechanismus, womit wir die Bewegung von unscharf begrenzen Farbreizen erkennen, auch für die Bewegungswahrnehmung von reinen Tiefenreizen verwendet wird.

Komplexe Bewegungstäuschungen

Komplexe Bewegungen sind Drehung (Rotation),  Ausdehnung oder Zusammenziehen (Expansion oder Kontraktion) und Scherbewegung (engl. „shearing“). Während unser Helldunkel-Sehen komplexe Bewegungen fast so gut erkennt wie gradlinige Bewegungen,  zeigen die nachfolgenden Videos, dass diese Fähigkeiten beim reinen Tiefen- oder Stereosehen ganz und beim Farbsehen partiell fehlen.

Stereo-Stillstand und Mitnahme Illusionen

Bei der Stereo-Bewegungsstillstand Täuschung, wo das Zufallspunktemuster sich nicht bewegt, sieht man von leichten Verschiebungen entlang der Horizontalen ab, nehmen wir bei zentraler Fixation weder Drehung, Kontraktion/Expansion oder Scherbewegungen der Stereofigur wahr. Folgen wir in der Periphere der durch Tiefenunterschiede Figuren einem einzelnen Höhen, können wir allenfalls die Bewegungen erahnen.  Gelbe Helligkeitsmuster demonstrieren, wie sich die Stereofigur verändert.

Bei der Stereo-Bewegungsmitnahme Täuschung scheint sich eine physikalisch stationäre Stereofigur mit einem sich drehenden oder kontrahierenden/expandierenden oder scherenden Punktemuster mitzubewegen.

Die komplexe Bewegung der Stereofigur lässt sich auch dann nicht wahrnehmen, wenn anstelle eines statischen Punktemusters ein dynamisches Punktemuster  („Flicker“) verwendet wird. Hier wird für jedes Einzelbild des Videos wird ein neues Punktemuster erzeugt. Tauchen im Flicker die gelben Linien, welche die tatsächliche Bewegungen anzeigen sollen, auf, scheint sich die Stereofigur mit den gelben Linien mitzubewegen.

Stereo-Rotations-Stillstand und Mitnahme Bewegungstäuschungen

  Stereorad aus konkaven Sektoren. Erläuterungen auf englisch werden am oberen Rand des Videos eingeblendet.

Stereo-Expansions/Kontraktions-Stillstand und Mitnahme Täuschungen

Stereorad aus konzentrischen Ringen.

Stereo-Scherungsstillstand und Stereo-Scherungsmitnahme Täuschungen

Stereorad aus Sektoren oder konzentrischen Ringen. Scherung wird hier als Kontraktion entlang der horizontalen und  Expansion entlang der vertikalen Axis oder umgekehrt verstanden.

Stereo-Stillstand und Mitnahme Täuschungen bei spiralförmiger Bewegung

Stereorad aus konzentrischen Ringen.

Komplexe Farbbewegungstäschungen

Um komplexe Farbbewegungstäuschungen zu demonstrieren, sollten die Farbreize isoluminant sein, d.h. keine Helligkeitsunterschiede aufweisen, was eine aufwändige Kalibration der verwendeten Farbstimuli voraussetzt.  Alternativ wurden in der Sehforschung Helldunkel-Masken wie z.B. unser Zufallspunktemuster eingesetzt, um restliche Hell-Dunkel-Komponenten im Farbreiz zu unterdrücken. Ohne dass dies explizit erwähnt worden wäre, testet man damit die Bewegungstransparenz zwischen einem Hell-Dunkel-Reiz (die Maske) und einem Farbreiz.

Bei der Farb-Bewegungsstillstand Täuschung, wo das Zufallspunktemuster sich nicht bewegt, sieht man von leichten Verschiebungen entlang der Horizontalen ab, nehmen wir bei zentraler Fixation weder Drehung, Kontraktion/Expansion oder Scherbewegungen der Farbfigur wahr. Folgen wir einzelnen Farbkanten, können wir allenfalls die Bewegungen erahnen.  Gelbe Helligkeitsmuster demonstrieren, wie sich die Farbfigur bewegen sollte. Besonders bei der Rotation hat man den paradoxen Eindruck, dass die gelben Marken über scheinbar stationäre Farbsektoren dahingleiten, ohne dass sie sie jemals überqueren.

Bei der Farb-Bewegungsmitnahme Täuschung scheint sich eine physikalisch stationäre Farbfigur mit einem sich drehenden oder kontrahierenden/expandierenden oder scherenden Punktemuster mitzubewegen.

Die komplexe Bewegung der Farbfigur lässt sich auch dann nicht wahrnehmen, wenn anstelle eines statischen Punktemusters ein dynamisches Punktemuster  („Flicker“) verwendet wird. Hier wird für jedes Einzelbild des Videos wird ein neues Punktemuster erzeugt. Tauchen im Flicker die gelben Linien, welche die tatsächliche Bewegungen anzeigen sollen, auf, scheint sich nun die Farbfigur mit den gelben Marken mitzubewegen.

Farbe-Drehungsstillstand und Drehungsmitnahme  Täuschungen

Farbe-Expansions-/Kontraktionsstillstand und Mitnahme Täuschungen

Farbe-Scherbewegungs-Stillstand und Mitnahme Täuschungen

Farbe-Bewegungsstillstand oder Mitnahme bei spiralförmigen Bewegungen

Weitere Videos zu diesem Thema finden Sie hier:

Wenn Sie sich näher für die hier gezeigten Bewegungstäuschungen interessieren, verweise ich Sie auf folgenden Artikel, worin Sie auch weiterführende Literaturangaben finden:

D. Hier ein Beispiel einer mit Unity erstellten interaktiven Applikation:

Stereo Rotation Standstill and Related Illusion Web-App: Klicke auf das Bild, um das interactive HTML5-WebGL Programm zu starten.

Hinweise zur Bedienung: überzeugen Sie sich, dass sich die aus dem Grund herausragenden Rad-Sektoren tatsächlich drehen, indem Sie das Feld „Markers“ ankreuzen.  Es erscheinen gelbe Marken, die sich physikalisch synchron mit den Radsektoren drehen. Man hat den paradoxen Eindruck, dass sich der Markenkranz sich über einem scheinbar stillstehenden Sektorenrad dreht, ohne dass die Marken die Sektorengrenzen jemals überqueren.

Wechseln Sie  in der Auswahlliste oben rechts z.B. von „Sectors“ zu „Rings“, um Stereo Expansion/Kontraktion zu sehen etc. Das Menu links wird bezüglich des verstellbaren Parameters angepasst.

Color Complex Motion Illusion Web-App: Klicke auf das Bild, um das interactive HTML5-WebGL Programm zu starten.

Hinweise zur Bedienung:

Bitte zunächst die Rot-Blau-Brille ausziehen, den die Illusion funktioniert nur dann,  wenn die Helligkeitsunterschiede zwischen Rot und Grün nahe Null sind. Notfalls können Sie im Menu die Farben an ihren Monitor/Hellraumprojektor anpassen. Wiederum finden sie oben die neue Unity3d WebGL Applikation, die mit den meisten neuen Internetbrowsern kompatibel ist.

Wenn die Applikation startet, sollte sich scheinbar gar nichts zu bewegen, obwohl sich das Farbrad mit einer Geschwindigkeit von 12°/sec dreht.  Kreuzen Sie das Feld „Markers“ an und Sie werden Ihr Wunder erleben: gelbe Farbvierecke drehen munter im Kreise, während sich die dazwischen liegenden roten Sektoren immer noch nicht zu bewegen scheinen (obwohl die gelben Vierecke sie nie kreuzen). Mit dem Knopf „Change Mode“ werden die Geschwindigkeitseinstellungen so  geändert, dass sie nach der Farb-Stillstand Illusion die Farb-Mitnahme Illusion sehen das Punktmuster dreht sich und die physikalisch stationären Farbsektoren scheinen mitzudrehen. Nach erneutem Klick sehen sie eine „normale“ Rotation, wenn sich Punktmuster und Farben synchron bewegen. In der Auswahlliste oben links können Sie mit der Wahl der passenden Farbfigur andere komplexe Bewegungen studieren, z.B. bei der Wahl von  „rings“ Expansion/Kontraktion.

Farbreize mit scharfem Übergang zwischen den Farben: Stillstand- und Mitnahme-Täuschungen nur im unterschwelligen Bereich

Mit der interaktiven Applikation für komplexe Farbbewegungen können Sie in Auswahlliste Farbreize mit scharfen Farbgrenzen finden (z.B. „BW Sectors“). Überzeugen Sie sich dass Sie nun bei einer Drehgeschwindigkeit von 12°/sec  die Drehung der scharf begrenzten Farbsektoren klar wahrnehmen. Wenn Sie die Drehgeschwindigkeit auf etwa 4°/s verringern, werden Sie die Drehung nur noch wahrnehmen, wenn Sie in der Peripherie einer Farbgrenze aktiv folgen, d.h.  Sie  können noch die lokalen Translationsbewegungen, nicht aber die Drehung der ganzen Figur wahrnehmen (unterschwelliger Bereich für Drehungen).

Stillstand und Mitnahme-Täuschungen bei komplexen Bewegungen von Kontrast-modulierten Reizen.

Für die Erzeugung von Kontrast-modulierten Reizen wird ähnlich wie bei der Erzeugung von Stereoreizen ein strukturiertes Muster wie z.B. ein Zufallspunktemuster verwendet, dessen Kontrast entsprechend der darzustellenden Figur moduliert wird.

Bei einer Drehgeschwindigkeit von 12°/sec bei stationärem Punktemuster erkennen wir die Drehung des Sektorenrades recht gut. Bewegungen von Kontrast-modulierten Reizen sind Bewegungsreize zweiter Ordnung („second order motion„);  der Kontrast ist ja definiert als der Unterschied zwischen der Helligkeit von zwei Punkten entlang der Bewegungsrichtung.

Bei Drehgeschwindigkeiten von weniger als 6°/sec wird es schwierig, die Drehung des ganzen Rades noch wahrzunehmen während man die lokalen Verschiebungen von Sektorenrändern noch erkennt.  Die Reizschwellen für Translation sind niedriger als die Reizschwellen für komplexe Bewegungen.

Die Wahrnehmung komplexer Bewegungen von kontrast-modulierten Reizen ist ähnlich gut wie die Wahrnehmung komplex Bewegungen von Hell-Dunkel oder scharf begrenzter Farbreize hinter einer Maske von Zufallspunkten; dies im klaren Unterschied zu den gezeigten Defiziten in der Wahrnehmung komplexer Bewegungen bei Stereo- und bei unscharf begrenzten reinen Farbreizen.



 Publikationen von Max R. Dürsteler

Impressum:  Dr. Max R. Dürsteler, Burgweg 46, 8008 Zürich.