Fernsehen für die Wissenschaft

Ein Besuch im Psychophysiklabor der Arbeitsgruppe für Theoretische und Experimentelle Biologie an der FU


"Schön klingt es, wenn ich die Saite meines Instruments in klaren Verhältnissen teile. Zum Beispiel wie Eins zu Zwei (Oktave), oder wie Zwei zu Drei (Quinte). Dann entsteht ein Wohlklang oder auch Harmonie, denn aller Anfang sind die Zahlen." So hätte Pythagoras auf die Frage antworten können, wie denn die Schönheit eines Akkords zu messen wäre. Auch heute noch ist die Psychophysik ein Grenzgebiet, auf dessen unwegsamen Gelände Neurobiologen, Psychologen und Physiker auf den Spuren des alten griechischen Philosophen wandeln. "Ist dieser Klang schön?", fragen die Psychologen. Die Physiker beschreiben dagegen ein Geräusch durch seine Schallstärke (Dezibel) und durch die einzelnen Grundschwingungen, aus denen es sich zusammensetzt. Die Psychophysik untersucht die Beziehung zwischen dem physikalisch meßbaren Sinnesreiz, hier dem Schall, und der subjektiven Wahrnehmung, dem Wohlklang.

Die Psychophysik wurde durch erste systematische Messungen von Empfindungsschwellen von dem Anatom und Physiologen Ernst Heinrich Weber (1795-1878) und dem Philosophen, Psychologen und Physiker Georg Theodor Fechner (1801-1887) an der Universität Leipzig begründet. Die Messungen werden dabei mit physikalischen Reizen durchgeführt, die wiederholbar zu denselben Empfindungen bzw. Wahrnehmungen führen. Die Intensität eines Reizes wird dabei gegenüber einem Standardreiz solange variiert, bis die Versuchsperson einen Unterschied bemerkt. Vergleicht man beispielsweise zwei Gewichte einer Waage (Gramm), so wird ein wesentlich kleinerer Gewichtsunterschied bemerkt, als wenn zwei größere Gewichte (Kilogramm) miteinander verglichen werden.


Der Biologe, Physiker und Ingenieur Werner Backhaus (Mitte), der Ingenieur und Physiker Georg Krikonis (links) und der Biologe Klaus Becker (rechts) sind auf der Suche nach der Formel für die Beziehung von Farb- und Formempfindung zum Lichtreiz.

Weber drückte diese Unterschiedsschwellen durch die Reizgrößen aus und fand dabei, daß der notwendige Reizunterschied proportional zur Reizstärke des Vergleichsreizes ist (1. Psychophysisches Gesetz). Fechner berechnete aus den Ergebnissen solcher Experimente die Empfindungsintensität als Funktion (Logarithmus) der Reizintensität (2. Psychophysisches Gesetz).


Telekom finanziert Rechner, um Geld zu sparen

Der Raum ist mit Rechnern und großen Bildschirmen vollgestellt. Darin haben gerade noch zwei Wissenschaftler Platz, die den Programmen für das geplante Experiment den letzten Schliff verleihen. Ihre Fragestellung ist alles andere als esoterisch. Privatdozent Dr. Werner Backhaus arbeitet an einem physiologischen Modell des menschlichen Farbensehens und interessiert sich deshalb für die Farbunterscheidung beim menschlichen Auge. Sein Mitarbeiter Dr. Georg Krikonis entwickelt Tests, um die Farbunterscheidung von Versuchspersonen objektiv zu messen und zu quantifizieren. Er hat sich bereits in seiner Doktorarbeit an der Bundesanstalt für Materialforschung mit der Frage beschäftigt, wie man das Farbunterscheidungsvermögen von Menschen mit Hilfe von Bildschirmversuchen objektiv messen kann.

Die Ergebnisse sind nicht nur Für die Grundlagenforschung wichtig, es gibt auch einen wirtschaftlichen Aspekt: Denn bei der Übertragung von Fernsehbildern durch Satelliten oder Glasfaserkabel werden Unmengen von Informationen transportiert. Wieviel Informationen sind notwendig, damit der Zuschauer ein gutes Bild sieht? Das ist durchaus auch eine Kostenfrage; wer unnötig dicht gepackte Bilder über Satellit schickt, verschwendet Geld. Deshalb interessiert sich auch die Telekom seit einiger Zeit lebhaft für die Arbeiten der Gruppe Backhaus. Die Telekom hat drei hochauflösende japanische 21-Zoll-EIZO-Bildschirme und drei Pentium 100-Rechner finanziert und stellt sechs ihrer Mitarbeiter als Versuchspersonen zur Verfügung. Die EIZO-Bildschirme sind matt, flimmerfrei und hochauflösend. Empfindungsschwellen im Streifentest

Aus fünf Metern Entfernung starrt die Testperson auf den Monitor. Das Kinn liegt auf einer Stütze, der Blick ist fixiert und die Hand ruht auf einer Tastatur. Blitzschnell taucht ein Kreis auf dem Bildschirm auf und verschwindet. Der Kreis sieht gestreift aus, Rot und Blau. Die Testperson drückt, wie ausgemacht, die Taste Eins. Der Tastendruck läßt das Erscheinen eines neuen Kreises aus, mit gleichem Blauton, aber einem dunkleren Rot. Also wieder die Eins gedrückt. Beim nächsten Kreis sind die Streifen schon weniger deutlich, weiter die Eins. Je dunkler das Rot zwischen dem kräftigen Blau wird, desto mehr verschwimmen die Streifen und in einem bestimmten Helligkeitsbereich sieht der Kreis gleichmäßig Violett aus (siehe Abbildung rechts oben). Kann die Versuchsperson keine Streifen mehr ausmachen, dann gibt sie solange die Null ein, bis die Streifen wieder auftauchen. Das ist dann wieder der Fall Eins.

In einer Sitzung spielt die Testperson zu einer Farbe alle 64 Helligkeitsstufen durch und tippt dabei eine Erkennbarkeitstabelle aus Nullen und Einsen in den Computer. Der breite Streifen aus Nullen zieht sich diagonal von links oben nach rechts unten über die gesamte Fläche. Wie gut sich die Streifen erkennen lassen, hängt aber noch von zwei anderen Faktoren ab: Zum einen von der Streifenbreite (je breiter desto besser erkennbar) zum anderen von der Darbietungszeit, denn je länger der Kreis auf dem Bildschirm ist, desto besser kann sich das Auge auch auf schwache Helligkeitsunterschiede einstellen. Farbige Streifen unterschiedlicher Breite sind auch schon in anderen Experimenten untersucht worden, es ist auch schon bekannt, daß die Konturen von Mustern aus gleichhellen Farben in bestimmten Fällen verschwinden. Die Präsentationszeit der Lichtreize wird auch regelmäßig verändert. Das Neue an diesem Psychophysikexperiment ist die Kombination und systematische Variation all dieser Parameter, wie sie auch in gewöhnlichen TV- und Monitorbildern zusammenwirken. Obwohl die verschiedenen Versuchspersonen keineswegs nach strengen Normen ausgesucht sind (nur ihr Farbunterscheidungsvermögen muß "normal" sein), zeigt es sich, daß sie erstaunlich ähnliche Wahrnehmungsfähigkeiten haben.

Aus den einfachen Tabellen wird eine quantitativ genaue "Farblandkarte" errechnet, aus der sich ablesen läßt, welche Farbwerte und Kontraste vom Menschen besonders gut zu erkennen sind. Diese Ergebnisse bilden die Grundlage für das gesuchte physiologische Modell des Farbensehens: Einem mathematischen Computermodell, das die Reizverarbeitung in den Nervenzellen vom Auge zum Gehirn simulieren kann und dem zugrundeliegenden Neuronennetzwerk des Menschen möglichst nahe kommt.


Zukunftsvisionen: Computer lernen menschlich zu sehen

Das einfache Experiment beantwortet im Grunde drei Fragen: Es mißt die Farbunterscheidungsfähigkeit des menschlichen Auges; es beantwortet aber auch die Frage, wie sich diese Leistung des Auges mit dem Alter der Versuchspersonen ändert und als dritten Aspekt könnte man mit den Ergebnissen das bestimmen, was die Telekom interessiert: Was ist das absolute Minimum an Daten, die über Kabel oder Satellit geschickt werden müssen, damit der Fernsehzuschauer noch ein gutes Bild wahrnimmt?


Im psychophysischen Experiment am Monitor wird die Intensität des einen Farbreizes konstant gehalten, während die Intensität des anderen Farbreizes verändert wird. Dabei gibt es jeweils Intensitätsbereiche, bei denen das Streifenmuster verschwindet und, anstelle der beiden einander abwechselnden Farben, eine Mischfarbe zu sehen ist.
In der obigen Abbildung können zwar nicht die Intensitäten variiert werden, wohl aber der Abstand zum Betrachter. Damit kann die Abhängigkeit dieses Effekts von der Streifenbreite demonstriert werden: Mit zunehmendem Betrachtungsabstand wird das Bild der Streifen auf der Netzhaut kleiner. Betrachtet man die Kreise aus einigen Metern Entfernung, so wird das rechte Streifenmuster eine homogene Mischfarbe ergeben (schwellennah), während das linke Streifenmuster weiterhin deutlich zu sehen ist (schwellenfern).

Der Potsdamer Psychologe Prof. Kliegl untersucht mit Hilfe der in der AG Backhaus entwickelten Software den Alterungsprozeß des Auges. Er arbeitet mit Versuchspersonen, die alle schon weit Über sechzig sind. Die FU-Wissenschaftler selbst möchten zunächst vor allem den Aufbau des menschlichen Auges besser verstehen, um das physiologisch adäquate, mathematische Modell für die Informationsverarbeitung zwischen der Netzhaut des Auges und dem Gehirn zu entwickeln. Sowohl die Daten der Telekom-Versuche als auch die von Prof. Kliegl gehen zurück an die FU und werden dort ausgewertet und weiterverarbeitet.

Backhaus hat viele Jahre das Farbensehen der Bienen untersucht und für dieses "einfachere" System mit nur einigen hunderttausend Zellen, die für das Sehen zuständig sind, bereits ein physiologisches Modell entwickelt, mit dem er das Verhalten der Insekten bezüglich Blütenfarben berechnen kann. Sein neuer Doktorand Klaus Becker wird das Menschenauge in Angriff nehmen. Wenn ein Reiz, also Licht einer bestimmten Wellenlänge, in das Auge fällt, wird er als elektrische Erregung durch die Sehnerven bis ins Gehirn weitergeleitet . Dort erst erfolgt die Wahrnehmung als Farbe im psychologischen Sinn. Der Biologe und Computerfachmann Becker versucht, diese Reizverarbeitung durch ein mathematisches Modell auf dem Computer zu simulieren.

Ein Spektralphotometer, eine Ansammlung lichtempfindlicher Photozellen, ersetzt die farbempfindlichen Zapfen des Auges. Sobald Licht auf die Photozellen fällt, reagieren diese entsprechend der spektralen Intensitätsverteilung des Lichts mit elektrischen Strömen. Diese werden dann als "Reize" in das Computerprogramm eingegeben. Nach Abschluß dieses Forschungsprojekts, sollte der Computer zum Beispiel in der Lage sein, beliebige farbige Flächen genau wie der Mensch zu bewerten und voneinander zu unterscheiden.

Antonia Rötger


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