Some experiments bearing on the hypothesis that the visual system analyses spatial patterns in

independent bands of spatial frequeny

Henning, Hertz & BroadbentVision Research, Volume 15, 1975

Seminar: Visuelle Neurowissenschaften

Dozent: Prof. Dr. Gegenfurtner

Referentin: Barbara Gohlke

Übersicht 1. Lineares vs. Nichtlineares Filtern2. Multiresolutionmodell, Campbell3. These von Henning, Hertz, Broadbent4. Komplexe Streifenmuster5. Experimentelles Design6. Vorexperiment7. Experiment I8. Experiment II9. Experiment III10. Zusammenfassung

1. Lineare vs. Nichtlineare Verarbeitung

Wiederholung: Was beinhaltet ein ....

...lineares Filtermodell visueller Information? Einfaches Aufsummieren (und Gewichten) der Signale Das Signal wird bei der Filterung nicht verzerrt. Unabhängigkeit der Verarbeitung

....non-lineares Filtermodell? Es findet bei der Filterung eine Demodulierung des Stimulus statt (z.B. eine

Quadrierung). Das Signal wird hierdurch verzerrt. Die Filter/Kanäle sind nicht unabhängig sondern interagieren

2. Multikanalmodell, CampbellCampbell, Robson (1968):

Unabhängige lineare Filtermechanismen sprechen selektiv auf

einen bestimmten Raumfrequenzbereich und Orientierung an

Experimente zur selektiven Adaptation (Verminderte Kontrastempfindlichkeit im adaptierten Frequenzbereich)

Wandell (1995)

3. These von Henning et al.

These von Hennig, Hertz und Broadbent: Die „Kanäle“ (Filter) sind nicht völlig unabhängig voneinander, sondern interagieren und sind nonlinear.

Kritik an Campbells Untersuchung:

Sie haben nicht zwischen der Periodizität und den Frequenzbereichen der einzelnen Frequenzkomponenten (von komplexen Sinusmustern) unterschieden.

4. Komplexe Streifenmuster

Bei Campbell entsprach die

Raumfrequenz des Sinusmusters

immer dem Kehrwert der Periode

Hennig et al:

Haben komplexe Stimuli verwendet, in welchem

die einzelnen Frequenzkomponenten nicht der

Modulationsfrequenz entsprachen.

4. Komplexe Streifenmuster

Max-Planck-Institut, Tübingen

5. Experimentelles Design„2 AFC-Experiment“

Was ist ein 2 AFC Experiment?

= Two alternative forced choice contrast detection experiment

2 Intervalle Beide Intervalle wurden durch Töne getrennt In einem dieser beiden Intervalle sollte ein Signal (Streifenmuster)

entdeckt werden.

2 Bedingungen: Das Signal wird vor uniformen Hintergrund dargeboten Das Signal wird vor einem Maskierungsmuster dargeboten

5. Experimentelles DesignMaskierung

Signal + Mask = Sum

Wandell, B. (1995)

6. VorexperimentDas zu entdeckende Signal war ein einfaches Sinusstreifenmuster mit einer Frequenz von 7,6 c/deg .

Es wurde dargeboten Ohne Maskierung Mit einem einfachen Maskierungsmuster mit 1,9 c/deg und 17,4 Prozent

Kontrast (= 2 Oktaven unter dem Signal) Mit einem einfachen Maskierungsmuster mit 3,8 c/deg und einem Kontrast von

17,4 % (= 1 Oktave unter dem Signal)

Der Kontrast von Maske und Signal war fixiert, nach 50 Trials wurde dann der Signalkontrast geändert

Signalkontrast: Lmax – Lmin

Lmax + Lmin

6. VorexperimentErgebnis

Ergebnis:

Beide Maskierungsmuster (1 oder 2 Oktaven unter der Frequenz des

Signalmusters) führten zu keiner veränderten Antwortleistung (Wahrnehmung

des Signalmusters) der VP.

Hennig, Hertz, Broadbent (1975)

Welche Schlussfolgerung kann man aus den Ergebnissen ziehen?

7. Experiment IZu detektieren: komplexer Stimulus

Dieser bestand aus 3 Komponenten hoher räumlicher Frequenzen: Ein 9,5 c/deg Sinuswellenmuster (dies ist der Carrier bzw.

„Trägerfrequenz“) mit einem Kontrast von 6,3 %. zwei weitere Frequenzen („Seitenbänder“) mit 7,6 und 11,4

c/deg und 17,4 % Kontrast.

Die Modulationsfrequenz (1,9 c/deg) entspricht der Frequenz des Maskierungsmusters

Max-Planck-Institut, Tübingen

7. Experiment IRandomisiert dargeboten in den beiden Intervallen: Darbietung der Trägerfrequenz Darbietung des komplexen Signals

Die beiden Seitenbänder sind die zu detektierenden Signale (= Detektieren von Kontraständerungen der Seitenbänder)

Die Seitenbänder waren gleich im Kontrast (17,4 %), aber ihr Kontrast wurde im Verhältnis zum Carrier verändert = Modulationstiefe

Modulationstiefe: gibt des Kontrast der Seitenbänder in Relation zum Carrier an.

7. Experiment I

Zwei Bedingungen:

Darbietung der Signale vor einem uniformen Hintergrund (Luminanz des Hintergrundes)

Darbietung der Signale vor 1,9 c/deg Maskierungsmuster mit 17,4 Prozent Kontrast

Die Modulationsfrequenz des komplexen Stimulus entsprach der Frequenz des einfachen Sinusmusters = 1,9 c/deg

D.h. = beide haben die gleiche Periodizität, obwohl sie Bänder unterschiedlicher Frequenzen beinhalten!

7. Experiment ILuminanz, Spektogramm

L(s)=A(1+mcos 2 fos) cos2 (k+1) fos+L ¯

Spatial position

Spatial position

Spatial freq.

Spatial freq.

Lum

inan

ceLu

min

ance

Lum

inan

ceLu

min

ance

L(s)=A cos 2 (k+1)fos+L ¯

A

A

A2

.L

.L

.L

.L

1 .

fo

1 .

(k+1)fo

(k+2)fo

(k+1)fo

fo

fo kfo

(k+1)fo

Henning, Hertz & Broadbent, 1975

a) Komplexer

Stimulus(9,5 + 7,4 + 11,4 c/deg)

b) Carrier (9,5 c/deg)

7. Experiment IErgebnis

Die Seitenbänder zu erkennen ist deutlich beeinflusst durch die Präsentation eines niederfrequenten Maskierungsgitters.

Henning, Hertz & Broadbent, 1975

Beachte:Diese Interaktion tritt selbst dann auf, wenn das niederfrequente Muster (Maske) keinen Effekt hat auf die Komponente des komplex Stimulus mit der niedrigsten Frequenz (7,6 c/deg) = Wie im Vorexperiment

7. Experiment I

Wieso sprechen die Ergebnisse aus Experiment I gegen eine Signalverarbeitung in unabhängigen (frequenzspezifischen) Filtern?

8. Experiment II

Zu detektieren: niederfrequenter Stimulus (1,9 c/deg Sinusmuster)

3 Bedingungen:• Dargeboten auf uniformen Hintergrund• Dargeboten mit komplexem Stimulus• Dargeboten mit einem 7,6 c/deg-Stimulus (= dem niedrigsten

Seitenband des komplexen Stimulus)

Ergebnis:= Wie in Experiment IVp brauchte auch hier (beim AM) viel mehr Kontrast um das niederfrequente Muster zu erkennen

9. Experiment IIIIn Experiment 1 wurde die Kontrastmodulation viel früher erkannt, wenn kein niederfrequentes Maskierungsmuster vorhanden war. These: sie detektierten ein niederfrequentes Verzerrungsmuster (durch Nonlinearität entstanden)

Experimentalbedingung wie in Experment 2, nur die Maskierungsstimuli verändert:

1. Quasi-frequency-modulated Stimulus, QFM

2. Noise-Stimulus

Warum diese Stimuli?Weil man bei beiden davon ausgeht, dass bei beiden nur ein schmales niederfrequentes Verzerrungsprodukt entsteht (bei niederfrequenter Modulation).

Vermutung: aufgrund der niedrigen Verzerrung werden diese Stimuli weniger gut zur Detektierbarkeit von niederfrequenten Mustern beitragen.

9. Experiment IIIErgebnis:• Weder der Noise-Maskierungsstimulus noch der QFM hatten einen so großen

Maskierungseffekt wie der kontrastmodulierte Maskierungsstimulus aus Experiment 2.

Schlussfolgerung:Dort, wo nur eine schmale niederfrequente Verzerrung zu erwarten ist (Noise und QFM) gibt es wenig Maskierung. Bei einem großem Verzerrungsprodukt (wie bei dem kontrastmodulierten Stimulus): viel Maskierung

= Nonlinearität?

10. Zusammenfassung• Ein niederfrequentes Muster kann das Erkennen von Komponenten

eines komplexen hochfrequenten Stimulus beeinträchtigen (Exp 1)

Stellt in Frage, ob das visuelle System wirklich immer im Sinne einer Fourieranalyse die Muster in einzelne Sinuswellen zerlegt und in unabhängigen Kanälen verarbeitet.

• Aber: keine Interaktion zwischen dem niederfrequenten Muster (1,9 c/deg) und der niedrigsten Komponenten des hochfrequenten Stimulus (7,6 c/deg)

• Im Vorexperiment keine Interaktion zwischen einfachen Sinusmustern unterschiedlicher Frequenz gefunden

Wahrscheinlich:Verschiedene Verarbeitungsstufen im visuellen System

• Aufeinanderfolge von linearen und nicht-linearen Signaltransformationen durch die das Eingangssignal fortlaufend umkodiert wird

• Lineare Filter: luminanzdefnierte Stimuli, Anschluss: Non-lineare Transformation, letztlich: wieder lineares Verarbeiten

• Oder doch eher getrennte Verarbeitungspfade (linear vs. nonlinear)?

• Nonlinearität: kortikal vs. subkortikal? (z.B. Frühe Verzerrungsprodukte, die dann durch lineare Filter weiterverarbeitet werden)

10. Zusammenfassung