1

Functieleer: deel 1

2. Waarneming

2.1. Inleiding

Waarneming is zonder meer één van de belangrijkste psychologische functies.

→ Belangrijk voor overleving

→ Waarneming past ons gedrag aan aan de omgeving

Waarneming is een belangrijk beginpunt voor het menselijk functioneren om verschillende

redenen:

- Logisch vertrekpunt

Gedrag vertrekt vanuit interne of externe prikkels die geregistreerd en verwerkt

worden, waarna gedrag in gang wordt gezet in functie van deze prikkels.

S-R model (input-output): gedrag wordt afgestemd op de omgeving om een doel te

bereiken

- Waarneming wordt al lang bestudeerd

Sensoriële psychofysica stond ermee aan de wieg van de psychologie en door

intense interactie tussen psychologie en andere wetenschappen is er een stevige

wetenschappelijke basis om snel vooruitgang te boeken en tot solide basiskennis te

komen.

- Waarneming is een prototypisch onderwerp binnen de functieleer omdat alle

aspecten daarin aan bod komen en alle grote theoretische stromingen er onderzoek

over hebben gedaan

Toespitsen op visuele waarneming (= belangrijkste)

Wat maakt waarneming belangrijk en interessant?

- Vanuit het menselijk functioneren, is waarneming een venster op de wereld

Zicht op werkelijkheid, om ons gedrag aan te passen aan de omstandigheden

- Vanuit de wetenschap, is waarneming een echt venster op de geest

Waarneming is het prototype van het geest-lichaam probleem:

Een centrale vraag bij de waarnemingsonderzoekers is: ‘why do things look the way they

do?’

1935: Koffka vroeg zich dit voor het eerst af in zijn boek ‘Principles of Getalt psychology’

De mogelijke antwoorden op deze centrale vraag zijn onder te verdelen in 2 categorieën:

- Omdat de dingen zijn wat ze zijn

- Omdat de onderzoekers zijn wat ze zijn

Representatief voor de filosofische discussie tussen objectivisme en subjectivisme, tussen

empirisme en rationalisme en tussen materialisme en idealisme.

2

2.2. Basisnoties van het oog en het visueel brein a) De ‘input’ van waaruit visuele waarneming dient te vertrekken

Het oog is geen perfect optisch instrument.

Fundamentele oorzaak: evolutie

Visuele waarneming komt voort uit een geëvolueerd biologisch systeem

Geen perfecte registratie van de fysische realiteit, maar een subjectieve constructie die

soms grondig verschilt van de fysische realiteit.

Het oog bestaat uit meerdere componenten en is niet op de juiste manier gebouwd zodat er

een perfecte optische registratie en verwerking is van de prikkels

De lichtgevoelige receptoren (kegeltjes en staafjes) zitten achteraan in het netvlies (=

retina)

Kegeltjes (cones) zijn geconcentreerd in de fovea

Staafjes (rods) zijn minder goed voor details

Verklaring: staafjes leveren een ander voordeel.

Staafjes blijven bij minder licht beter werken en ze zijn meer geschikt om snel

veranderende prikkels te verwerken.

Het netvliesbeeld is veel waziger, behalve in het centraal deel van het visueel veld en staat

op zijn kop

Bijkomend probleem: ter hoogte van de plaats waar de optische zenuw vertrekt

naar de hersenen, liggen geen receptoren

= Blinde vlek, maar we merken dit niet omdat we met twee ogen kijken en omdat

onze ogen voortdurend bewegen

De input bestaat uit een reeks opeenvolgende netvliesbeelden

We maken ongeveer 2 à 4 snelle oogbewegingen (= oogsprongen/saccades) per

seconde

Daartussen staan onze ogen ook even stil = fixatie

Nadeel: smearing = het uitvagen van het beeld tijdens beweging (door saccades)

Wordt onderdrukt op tal van manier (saccadische supressie)

Gevolg is dat het oog blind is tijden oogsprong en dus ook die gaten moeten

worden opgevuld.

Er is een enorme kloof tussen de kwaliteit van de input en de output (wazig/omgedraaid

versus gedetailleerd en permanent beeld)

3

b) De ‘bouwstenen’ waarmee het visueel systeem aan de slag moet volgens de

psychofysische benadering

In de waarnemingspsychologie wordt er een onderscheid gemaakt tussen elementaire

gewaarwordingen (= sensaties) en de uiteindelijke waarneming (= perceptie).

Geldt voor alle zintuigen

Gewaarwordingen zijn prikkels die geregistreerd worden door het zintuig, die worden

verwerkt en geïnterpreteerd, dit is de waarneming.

Voor de visuele modaliteit heb je:

- Registratie van invallend licht door middel van de receptoren en de zenuwimpulsen

- Waarneming van objecten, scènes en gebeurtenissen.

Ook hier heb je dezelfde tweedeling tussen de sensoriële gewaarwordingen en de

waarneming.

Proximale en distale stimuli:

- Proximale stimuli: de nabije prikkels zoals ze geregistreerd worden ter hoogt van het

eigen lichaam (gewaarwordingen)

- Distale stimuli: externe oorzaken van deze prikkels in de buitenwereld (waarneming)

Psychofysica houdt zich bezig met:

- Meting van de elementaire gewaarwordingen (sensoriële psychofysica)

- Samenhang tussen fysische grootheden en de intensiteit van de gewaarwording

- De ontwikkeling van wetenschappelijke methoden hiervoor

Fechner maakt in zijn boek ‘Elemente der Psychofysik’ (1860) een onderscheid tussen twee

soorten psychofysica:

- Outer psychophysics: heeft betrekking op de relatie tussen de intensiteit van fysische

prikkels (R) en de intensiteit van de sensatie (S)

- Inner psychophysics: heeft betrekking op de relatie tussen de intensiteit van de

neurale excitatie (E) of de hoeveelheid zenuwimpulsen en de intensiteit van de

sensatie (S)

Een groot deel van de psychofysica gaat over drempelmetingen.

Drempel slaat op een grenswaarde tussen stimuli die één soort respons uitlokken en

stimuli die een ander soort respons uitlokken.

Absolute drempel (RL): grenswaarde markeert de overgang tussen af- en aanwezigheid

van sensatie

Differentiële drempel (DL): kleinste toegevoegde stimulusintensiteit die toelaat om een

verschil waar te nemen

Onderdrempel: de minimale stimulusintensiteit (signaalsterkte) die nodig is om

waargenomen te worden

4

Bovendrempel: de grenswaarde waarboven de proefpersoon niet langer verschillen kan

waarnemen

Wordt gemeten door een eenvoudige detectietaak

Van zodra men de absolute drempel overschreden heeft en zich dus binnen het waarneembare

bereik van een stimulusdimensie begeeft, kan men de vraag stellen naar de DL of het juist

merkbare verschil (JND = just noticeable difference).

Gemeten door discriminatietaak

Meting van DL is in praktijk moeilijker dan RL, ook theoretisch is de trapfunctie

ingewikkelder.

Men vertrekt van een bepaalde standaard stimulusintensiteit die men vergelijkt met een

hogere of lagere intensiteit

Dicht bij de standaard gaat de proefpersoon geen verschil merken

In praktijk liggen de proporties tussen 0 en 1

Bij de ideale situatie met een duidelijke trapfunctie definieert men de DL of JND als de

helft van het onzekerheidsinterval (IU = interval of uncertainty) waarbij de responswaarden

op 0.50 blijven.

Binnen het stimulusbereik waarin men stimuluswaarden goed kan discrimineren, kan men

de prikkelintensiteit ook nog verder opdrijven. Daarvoor is het wel nuttig de bovendrempel te

kennen.

Men kan de DL of JND meten op meerdere plaatsen van de fysische schaal, het continuüm

van prikkelintensiteiten.

DL is geen vaste waarde, maar DL staat in verhouding tot de stimulusintensiteit van de

standaardprikkel

Ernst Heinrich Weber (1795 – 1878)

1834: boek ‘De puslu, resoptione, auditu et tactu’

Ging over meerdere zintuiglijke modaliteiten

Wet van Weber

= de stimulusintensiteit moet met een constante fractie van zijn waarde verhoogd

worden om een juist merkbaar verschil te bekomen.

Web van Weber k = Δ l

l

met l voor intensiteit en Δ l voor de kleinste toevoeging (increment) die tot een JND leidt.

De k noemt men de Weber fractie of Weber constante

De wet van Weber gaat meestal op voor een groot deel van het stimulusbereik, hoewel er ook

afwijkingen zijn in de zones van de extreme waarden, waar de Weber fracties meestal hoger

zijn.

5

Er zijn twee manieren om de wet van Weber grafisch voor te stellen.

- Δ l plotten tegenover l

Men krijgt dan een stijgende rechte met k als richtingscoëfficiënt

- Δ l / l plotten tegenover l

Men krijgt een rechte die alle l-waarden afbeeldt op dezelfde (constante) waarde k,

parallel aan de x-as

Weber had erg belangrijk werk gedaan voor de meting van drempels een daarbij ook deze wet

vastgeld. Maar toch was het Fechner die het wetenschappelijk belang op een hoger niveau

tilde van de Weberwet door het als vertrekpunt te nemen van fundamenteel inzicht en hij deed

ook nog een grote bijdrage aan de psychofysica.

Als je metingen wil doen van de gewaarwordingen van fysische prikkels, moet je een schaal

hebben met een nulpunt en een meeteenheid. Fechner realiseerde zich dat de absolute drempel

(RL) gebruikt kon worden om een nulpunt te bepalen en het JND om een meeteenheid te

bepalen.

Wet van Weber-Fechner: S = k log R

Om de sterkte van een gewaarwording S te laten toenemen als een rekenkundige reeks

(opgeteld met een constante) moet men de stimulusintensiteit R laten toenemen volgens een

meetkundige reeks (vermenigvuldig met een vaste factor)

Vormt een afbeelding (mapping) tussen R en de grootte van de overeenkomstige

gewaarwording ervan.

Mapping geeft vorm aan de essentie van de psychofysica: een exacte wetenschap van de

functionele relaties tussen lichaam en geest.

Maar bij de meting van drempels en de bepaling van de overeenkomsten tussen fysische en

psychische grootheden komen een aantal ernstige praktische problemen kijken.

Psychofysica mag niet beïnvloedt worden door beslissingscomponent

= signaaldetectietheorie

Essentieel om de signaaldetectietheorie te kunnen toepassen is dat er naast beurten waarin

effectief een prikkel aangeboden wordt (signaalbeurten) ook beurten ingelast worden waarin

geen prikkel aangeboden wordt (gissingsbeurten of catch trials).

De mate waarin DNS een onderscheid kunnen maken tussen signaal- en gissingsbeurten,

wordt gevoeligheid of sensitivity genoemd.

Algemene kwantitatieve uitdrukking = v[u(H) – u(F)]

Als er geen verschil is tussen het aantal treffers en vals alarmen, dan is de gevoeligheid 0

DNS konden geen onderscheid maken

De beste maat voor sensitiviteit blijkt het verschil in z-scores tussen het aantal treffers en

de vals alarmen

d’ = z(H) – z(F)

6

De mate waarin proefpersonen geneigd zijn één antwoord meer te geven dan het andere wordt

antwoordtendens of response bias genoemd.

Algemene kwantitatieve uitdrukking = V[u(H) + v(F)]

Als er geen bias is naar één van beide antwoorden, wordt deze formule gelijk aan 0

De beste maat voor bias is c = -0.5 [z(H) + z(F)]

C = criteriumwaarde, een plaats op een beslissingscontinuüm waar de proefpersoon

voor zichzelf beslist de lat te leggen

c) De ‘bouwstenen’ volgens neurofysiologische benadering

Wat aan de basis ligt bij waarneming volgens de neurofysiologische benadering zijn

hersenscellen die vuren als er een prikkel verschijnt in hun receptief veld.

Hersencellen = neuronen

Vuren = reageren door middel van spikes

Receptief veld = visueel veld waarvoor zij gevoelig zijn

Hubel en Wiesel

1981: Nobelprijs geneeskunde voor de ontdekking dat cellen in LGN en in de primaire

visuele cortex of V1 bij katten en apen op een specifieke manier reageren in functie van

bepaalde prikkeleigenschappen

LGN = Lateral Geniculate Nucleus

= een tussenstation tussen het oog en de visuele cortex

Primaire visuele cortex of V1 = het eerste corticaal gebied waar cellen reageren op

visuele prikkels

Ontdekking was min of meer toevallig

Ze waren bezig om het receptief veld te zoeken voor een bepaalde cel, maar

merkten dat deze cel helemaal niet reageerde op de stip die in de dia te zien was, maar

juist op de rand van de dia toen ze die in en uit de lader haalden

Cel reageerde op een prikkel op een rand in een bepaalde oriëntatie

Systematisch onderzoek in functie van de stimuluseigenschappen bracht aan het licht dat

tamelijk wat cellen in de V1 een erg specifiek responsprofiel vertonen

Cirkelvormige stimulus met center-surround structuur met positief centrum en

negatieve omgeving of omgekeerd

= on-off cellen

Langwerpige stimulus ofwel lang ofwel breed

Nog andere cellen reageren op een rand, vb. bruuske overgang donker en licht

7

Een deel van deze diversiteit is toe te schrijven aan twee fundamenteel verschillende

celtypes:

- Simple cells

Gevoelig voor een lijnstuk met een bepaalde lijndikte en oriëntatie op een

welbepaalde plaats in het receptief veld

- Complex cells

Stabiel reageren voor variaties van posities in hun receptief veld

- Hypercomplex cells

Reageren enkel als de lijnlengte overeenkomt met de grootte van hun receptief veld

Op die manier geven deze responsprofielen aan de cel een welbepaalde betekenis. Verder

onderzoek heeft aangetoond dat dergelijke cellen specifieke responsprofielen vertonen in

functie van specifieke stimuluseigenschappen (= tuning).

De meeste cellen in de vroege visuele gebieden hebben relatief kleine receptieve velden en

vertonen specifieke tuning functies voor specifieke stimuluseigenschappen

= kenmerkdetectoren (feature detectors) = ze signaleren wat de basale kenmerken zijn van

een klein stukje van de stimulus in hun receptief veld

Responsprofielen van neuronen kunnen we ook opvatten als filters voor visuele

informatieverwerking

Het biedt een synthese aan tussen het psychofysische en neurofysiologische op de

bouwstenen van de visuele waarneming

Alle cellen samen voorzien het visueel systeem van een gefilterd ‘input’ beeld.

d) Het hiërarchisch en modulair visueel brein

De ‘input’ voor het visueel systeem is dus geen echt beeld maar een verzameling van vuren.

De hersenen moeten de informatie verwerken (decoderen)

Er zijn heel wat verschillende gebieden met elk hun eigen specialisatie

De hersenen bestaan uit vier grote lobben die allemaal tussenkomen tijdens visuele

waarneming en allemaal subregio’s (= Brodmann areas) bevatten.

Het visueel systeem wordt vaak opgedeeld in twee grote stromen van visuele

informatieverwerking, telkens bestaande uit meerdere verwerkingsstations.

- Ventrale of ‘wat’ stroom

Loopt vanuit V1 over enkel bijkomende stations in de temporale cortex naar

anterieure gebieden waar hogere-orde verwerking van de object-identiteit plaatsvindt

voor bewuste herkenning

- Dorsale of ‘waar’ stroom

Loopt vanuit de V1 dorsaal naar de pariëtele cortex

8

Er zijn mensen met hersenbeschadiging die niet meer in staat zijn tot bewuste herkenning (=

agnosie) maar die wel nog aangepast gedrag kunnen stellen.

Dit kan omdat de werking in de pariëtele cortex nog visueel gebaseerde actie toelaat

In veel van deze visuele gebieden wordt retinotopie vastgesteld

= het feit dat de plaats in het visueel veld waar de prikkel aanwezig is, ook gecodeerd wordt.

Om de ‘mapping’ zo goed mogelijk te begrijpen moet men

De hersenschors afrollen en ontvouwen (unfolding)

Er verschijnt een retinotopische map met codering van links-rechts en boven-onder

De hersenschors is een soort van laken (sheet) bestaande uit een dicht netwerk van neuronen

die allemaal met elkaar verbonden zijn.

Belangrijke aspecten van de corticale hiërarchie

De receptieve velden worden steeds groter naarmate je hoger op komt in elk van beide

stromen.

Specialisatie in hogere gebieden

Vb.: Fusiform face area (FFA): hersenschors die specifiek coderen voor gezichten

Vb.: Parahippocampal place area (PPA): hersenschors die specifiek coderen voor

plaatsen

= Modules

De hersenen zijn een groot complex netwerk met heel veel stations die sterkt met elkaar

verbonden zijn, telkens met wederzijdse connecties, zowel voorwaarts als achterwaarts

= information flow

Feedforward

Feedback

Wordt geassocieerd met ‘bottom-up’ en ‘top-down’

e) Voorlopige conclusie

Waarneming vergt heel wat verwerkingsprocessen tussen input en output. Dit proces bestaat

uit meerdere stappen, dit wordt in 3 niveaus van verwerking onderverdeeld:

1) Low level registratie

Decodering van de eerste neurale responsen als signalen van enkelvoudige

kenmerken binnen het receptief veld van één cel

2) Mid level

Perceptuele groepering van de gefragmenteerde input

3) High level

Interpretatie van de gebeurtenis van wat er te zien is.

9

2.3. Perceptuele organisatie

a) Probleemstelling en definitie

De binnenkomende prikkels zijn erg fragmentarisch.

Ze moeten georganiseerd worden tot grotere, samenhangende gehelen alvorens ze

betekenis krijgen.

Perceptuele organisatie

= een verzameling van processen die instaan voor het organiseren van de fragmentarische

proximale stimuli in grotere, gestructureerde gehelen

Processen:

- Perceptuele groepering

- Textuursegregatie

- Figuur-achtergrond organisatie

- Aspecten van vormperceptie

In de literatuur zijn er vele voorbeelden die het belang van organisatie van losse fragmenten

aanduiden.

Zwarte en witte elementen waarvan het niet steeds duidelijk is welke elementen tot de

figuur (object) en welke tot de achtergrond behoren.

Eenmaal de figuur duidelijk is, kan je nooit meer de ongeorganiseerde chaos van vlekken

zien.

Max Wertheimer (1923)

Perceptueel bewustzijn bestaat uit georganiseerde gehelen, niet uit afzonderlijke sensaties.

Voorbeelden van natuurlijke scènes met camouflage

Kan nagebootst worden door gefragmenteerde lijntekeningen die ingebed zijn in een

achtergrond van andere lijnfragmenten met dezelfde low-level eigenschappen

Gabor displays

Tal van willekeurige lijnen of vormen of omtrekken van bestaande voorwerpen worden

verstopt

Voordeel: er kan veel psychologisch en neurofysiologisch onderzoek gedaan worden over

de verwerking van de primitieve elementen op zich

b) Perceptuele groepering

Wertheimer legde ook de basis van het klassiek Gestaltpsychologisch onderzoek over de

groeperingsprincipes of Gestaltwetten.

Hij gebruikte daarvoor eenvoudige stippenpatronen of lijnfiguren waarmee hij de rol

illustreerde van verschillende factoren die perceptuele groepering bepalen.

(nabijheid, gelijkenis, continuïteit, gemeenschappelijk lot, …)

10

Het onderzoek van de Gestaltwetten kende een aantal problemen:

- Teveel verschillende wetten

- Onvoldoende precies geformuleerd

- Ze komen in de praktijk verweven voor

- Men beperkte zich tot demonstraties (geen experimenten)

- Geen verklaring voor de Gestaltwetten

Tegenwoordig kunnen we deze problemen een oplossing geven:

- Er kan vertrokken worden vanuit een stevig theoretisch kader

- Meeste wetten kunnen kwantitatief geformuleerd worden

- We werken met goed gecontroleerde stimuli

- Psychofysische experimenten

- Psychofysische bevindingen relateren aan ecologisch nut van de Gestaltwetten en aan

neuroanatomische en neurofysiologische principes van visuele informatieverwerking

Voorbeeld: onderzoek over op basis van nabijheid.

Eerste stap: uitwerking van goede stimulusset

Stippenrasters (lattices)

Werden gekarakteriseerd aan de hand van hun basisparallellogram met zijden a en

b onder een hoek y

Kunnen in een ruimte geplaatst worden met twee parameters

In de experimenten krijgen ppn een groot aantal individuele rasters, individueel en kort

aangeboden in een willekeurige globale oriëntatie, waarna ze moeten zeggen welke oriëntatie

ze erin zagen

Antwoordfrequenties werden omgezet in relatieve keuzes

Waar de relatieve keuze voor een bepaalde oriëntatie afneemt als exponentiële functie van

de relatieve afstand in die richting, zal de grafie van de log-getransformeerde waarden hiervan

een dalende rechte lijn noteren

Pure Distance Law (Kubovy et al. 1998)

Voorspelt groeperen door nabijheid in punt roosters die op vier manieren kunnen

worden georganiseerd door het groeperen van stippen op langs parallelle lijnen.

Gaat in tegen één van de basisprincipes van de Gestaltwetten (geheel is meer dan

som van de delen)

Tweede fase: principe werd gecombineerd met andere groeperingsprincipes (similiariteit,

continuïteit) door gebruik te maken van Gabor lattices

= Rasters waarbij het basiselement niet langer een stip is, maar een Gabor patch, een

vlekje met een helderheidsverloop dat beschreven kan worden aan de hand van een

Gabor functie.

Gabor filter wordt vaak gebruikt voor de modellering van het receptief veld van simple

cells.

11

Psychofysisch onderzoek heeft aangetoond dat er interacties optreden tussen naburige Gabor

patches.

Detectie van Gabor patch wordt bemoeilijkt door buren op korte afstand (laterale

maskering)

Vergemakkelijkt door buren op langere afstand (collineaire facilitatie)

De sterkte van deze effecten hangt af van de alineëring tussen de elementen

Alineëring staat centraal in onderzoek met snake detection

= Hoe sterk de locale oriëntatie samenvalt met de globale rechte of kromme waarvan

het element deel uitmaakt

Snake detection: hier laat men ppn een stukje kromme zoeken in een wirwar van gabor

patches

Benodigde zoektijd hangt af van verschillende elementen en worden verder

gespecificeerd in termen van association field

= een veld van onderlinge aantrekking tussen buurelementen

c) Textuursegregatie

Bij textuursegregatie gaat het om het maken van een onderscheid tussen verschillende regio’s

in een niet-homogeen veld.

Twee onderling samenhangende processen:

- Perceptuele groepering binnen een regio

- Segregatie of afscheiding tussen twee regio’s

d) Figuur-achtergrond organisatie

Bij figuur-achtergrond organisatie is er eveneens een onderscheid tussen verschillende regio’s

in een niet-homogeen veld, maar bovendien krijgt één regio hier een speciale status, als figuur

tegenover de achtergrond.

Ook hier heeft de Gestaltpsychologie een essentiële bijdrage geleverd door het probleem

duidelijk te stellen en door via overtuigende demonstraties enkele principes aan te wijzen die

figuur-achtergrond organisatie bepalen.

Een kleine, convexe, symmetrische regio heeft meer kans om als figuur beschouwd te worden

dan een grote, concave, asymmetrische regio.

12

Recent zijn een aantal bijkomende principes ontdekt

Peterson en Gibson (1994)

Toonden aan dat omtrekfiguren die overeenkomen met herkenbare voorwerpen een

grotere kans hebben om als figuur gezien te worden

Gestaltpsychologen hadden steeds beklemtoond dat familiariteit geen rol kon spelen

Palmer en Ghose (2008)

Rol aangetoond van extremal edges

= randen waarvan de waarnemer ziet dat het oppervlak verder doorloopt maar uit

beeld verdwijnt door het gezichtspunt van de waarnemer

Cut edges = men ziet het oppervlak werkelijk ophouden aan de rand.

In vergelijking met de klassieke Gestaltpsychologie, is recenter onderzoek meer gericht op

ecologische principes en word meer nadruk gelegd op wisselwerking tussen verschillende

processen en op mogelijke mechanismen.

Lamme vond dat de karakteristieke responsen van V1 neuronen bij apen een bepaalde

temporele dynamiek volgen

Eerst onderscheid tussen optimale en niet-optimale oriëntatie in het receptief veld

Dan onderscheid tussen rand van een figuur en de achtergrond

Ten slotte onderscheid tussen binnenkant van een figuur en de achtergrond

Machilsen et al. (2009)

Wisselwerking tussen verschillende processen

Gabor Displays waarbij Gabor elementen een gesloten figuur konden vormen die verder

ingebed was in een wirwar van achtergrond elementen

Ppn moesten aangeven welke van twee opeenvolgende, kort aangeboden stimuli een figuur

bevatte.

Performantie daalde systematisch met oriëntatieruis

e) Figuur-achtergrond organisatie en perceptuele multistabiliteit

Figuur-achtergrond organisatie is intrinsiek ambigu omdat de toekenning van figuur-status

aan een regio uit het visueel veld slechts gebaseerd is op een geheel van aanwijzingen (cues)

met een zekere waarschijnlijkheid.

Geen enkele aanwijzing is op zich volledig eenduidig en het proces is dus intrinsiek

probabilistisch, niet deterministisch.

Cues worden verwerkt door visueel systeem (= niet perfect gemeten) en dus onderhevig

aan ruis

Het proces van figuur-achtergrond toewijzing is dan ook stochastisch en kan over tijd

wijzigen.

13

Edgar Rubin (1886 – 1950)

Vase-faces figuur

Illustreert goed de essentie van het fenomeen: de figuur heeft een rand, de achtergrond

niet, want de achtergrond loopt door achter (onder) de figuur. De ambiguïteit in de prikkel

resulteert in een strijd om de rand (border-ownership BOWN). Als men de zwarte regio als

figuur neemt, dan behoort de rand tot de zwarte figuur en loopt de witte regio door achter

(onder) de zwarte. In dat geval ziet men een soort vaas

Als men de witte omliggende regio’s als figuur aanneemt, dan ziet men gezichten

Indien men de Rubin figuur goed kent, kan men wisselen tussen beide percepten

= switching

Maar men kan nooit beide percepties tegelijk zien!

Het is erg belangrijk om te begrijpen dat toekenning van border-ownership gebeurt door de

omgeving van de rand mee in rekening te brengen.

BOWN is een configurationele eigenschap

= tot welke regio een stukje van de rand behoort, hangt af van de configuratie waarin

dat stukje rand is opgenomen

Zhou et al. (2000)

V2 cellen in de cortex van de aap kunnen een onderscheid maken en rekening houden met

de context buiten hun receptief veld

BOWN is onafhankelijke van de contrastpolariteit

= cel blijkt telkens meer te vuren wanneer zich in haar receptief veld een rand bevindt

die links de figuur bevat en rechts de achtergrond, dan wanneer de figuur rechts staat.

f) Visuele illusies als illustratie van een algemeen Gestaltprincipe

De configurationele codering van BOWN is slechts één voorbeeld van een algemeen

Gestaltprincipe

Het visueel systeem codeert zelden of nooit de absolute waarde van locale eigenschappen

maar veeleer de relatieve waarde van eigenschappen, daarbij ook voortdurend rekening

houdend met de globale configuratie of context.

Het helderheidscontrast bij helderheidsovergangen door het visueel systeem lijkt overdreven

te worden

Mach bands – Craik-O’Brien-Cornsweet effect – Chevreul illusie

Helderheid wordt altijd relatief gecodeerd ten overstaan van de naburige regio’s

14

Waarneming van grootte blijkt ook sterkt onderhevig aan vergelijking met naburige

elementen.

Joseph Delboeuf (1831 – 1896)

Heeft varianten bedacht ter illustratie hiervan: binnenste cirkels lijken andere

grootte te hebben, maar zijn in feite gelijk.

Ebbinghaus-illusie: de binnenste cirkel wordt als kleiner gezien.

De klassieke geometrische illusies zijn allemaal goede voorbeelden van vertekende

waarneming doordat de basiselementen niet los gezien worden van de configuratie waarin ze

opgenomen zijn.

De andere illusies zie extra blad.

g) Subjectieve contouren, modale en amodale vervollediging

De waarneming van randen waar er fysisch geen helderheidsverschil is (= illusoire of

subjectieve contouren), is één van de meest fascinerende fenomenen van de perceptuele

organisatie.

Gaetano Kanizsa (1913 – 1993)

Varianten geïntroduceerd die bijgedragen hebben aan de populariteit van dit fenomeen

Kanizsa-driehoek = combinatie van 3 illusies:

- Je ziet randen waar er geen zijn

- Je ziet de helderheid van de bovenste driehoek als lichter dan

de regio’s ernaast

- Je ziet een diepte-ordening

15

Neurofysiologen hebben ontdekt dat V2 cellen in de cortex van de aap niet enkel reageren op

echte randen in hun perceptief veld, maar ook op illusoire contouren en bij perceptuele

invulling van collineaire lijnfragmenten, zeker in geval van bedekking of occlusie.

Met Kanizsa-driehoek is meer aan de hand

Surface filling-in op basis van locale occlusion cues

Complex samenspel tussen verschillende processen

Albert Michotte (1881 -1965)

Heeft verschillende soorten vervollediging / completie die tussenkomen in Kanizsa figuren

explicitiet onderscheiden:

- Modale completie

Vervolledigde figuur bezit echte sensoriële kwaliteiten

- Amodale completie

Figuur wordt geïnterpreteerd als volledig waarbij de rand toch niet echt gezien

wordt

Toch is amodale vervollediging een perceptueel fenomeen: je ziet bedekking en je zit ook de

meest eenvoudige vervollediging, ook al weet je dat er een complexer lijnpatroon bedekt is.

De rol van occlusie is ook erg belangrijk om fragmenten te kunnen groeperen tot grotere,

zinvolle gehelen.

Bregman B’s

Men ziet fragmenten alleen maar deeltjes van de letter B die bedekt zijn door een

vlek

Veel onderzoek is er op gericht om te achterhalen welke principes amodale completie

bepalen.

Good continuation overheerst vaak in deze principes

Er is ook veel onderzoek om na te gaan in hoeverre de processen en principes bij modale en

amodale completie vergelijkbaar zijn.

Bij ambigue figuren (zwarte silhouetten) met competitie tussen twee mogelijke figuur- en

achtergrond organisaties, is er een voorkeur voor korte modale vervollediging en lange

amodale vervollediging

Zo kan je ook 3D beelden induceren

Paradoxale effecten: indien er meer occlusie is, lijkt er bij amodale completie meer

afronding te zijn, terwijl dit bij modale completie omgekeerd is.

Paradox kan opgelost worden als men de nadruk legt op wat er visueel gegeven is

en wat er precies aangevuld moet worden

Om een visueel probleem goed te begrijpen, moet men goed kijken wat de waarneming

precies is en een analyse maken van wat er gegeven is in het beeld en wat het visueel systeem

dan moet doen om tot die bepaalde waarneming te kunnen komen.

16

h) Deel-geheel relaties

Een belangrijk onderwerp in de Gestaltpsychologie van perceptuele organisatie is de

verhouding tussen delen en het geheel.

Essentieel verschilpunt tussen Graz school en Berlijn school:

- Graz school

Von Ehrenfels

Geheel is meer dan de som van de delen

Superadditieve, emergente Gestalt-eigenschappen

- Berlijn school

Koffka, Wertheimer

Geheel is ander dan de som van de delen

Het geheel heeft een eigen ontologische status en oefent invloed uit op de delen

Soms zijn de delen vervormd door het geheel waarin ze opgenomen zijn en soms zijn de delen

niet langer aanwezig in de bewuste perceptuele ervaring of alleszins moeilijker toegankelijk

voor het visueel bewustzijn.

Embedded figures

Delen kunnen moeilijk teruggevonden worden in de grotere gehelen

Patroon werd gebruikt om de kracht van intrinsieke perceptuele organisatieprocessen te

beklemtonen tegenover de rol van ervaring.

Witkin (1950)

Ontwikkelde een test op basis van embedded figures

= Embedded Figures Test (EFT)

Bedoeld om perceptuele stijlen te meten als veldafhankelijkheid en veldonafhankelijkheid

(VA en VO)

Met veldafhankelijkheid (VA) heb je meer moeite met de test en ben je meer onderhevig

aan geometrische illusies.

Problematiek van deel-geheel relaties is ook relevant voor de hedendaagse vision science.

Theorieën over de corticale hiërarchie en stadia van visuele informatieverwerking

Configural superiority effect

Bestudeerd door Pomerantz en collegas in 1977

Essentie: het toevoegen van een redundante (= overbodig) context leidt tot nieuwe gehelen

die soms een voordeel kunnen opleveren.

Zoeken van een ‘odd man out’ zal dit sneller en beter gaan met een overbodige context

erbij. Met dezelfde features en overbodige context, maar op een andere plaats samengezet,

kan men echter ook gehelen of configuraties bekomen die de zoektaak moeilijker maken.

17

Kubilius et al. (2011)

Onderzochten de neurale basis in het licht van de coricale hiërarchie van dit fenomeen.

Repliceerden gedragseffecten bij proefpersonen terwijl ze in de scanner lagen

Conditie met featurs of parts bleek moeilijker te zijn

Resultaat: gehelen worden geleidelijk opgebouwd in hogere gebieden die instaan voor

vorm- en objectperceptie.

Bistable Diamond

Hier ziet men ofwel:

- Op-en-neer gaande beweging van losse, diagonale georiënteerde lijnsegmenten

- Links-rechts over-en-weer gaande beweging van een geïntegreerde ruitfiguur

Je kan switchen tussen beide percepten

Fang et al. (2008)

Presenteerden bistable diamon aan ppn terwijl ze in de scanner lagen

Ppn moesten zeggen wat ze zagen

Onderzoekers konden zo de activatie in verschillende hersengebieden relateren aan de

verschillende percepten

Resultaat: locale percepten gingen gepaard met hoge activatie in de lagere corticale

gebieden en lage activitie in hogere gebieden (LOC)

Globale percepten brachten het omgekeerde patroon mee

Codering van delen in de lagere corticale gebieden worden onderdrukt door de codering van

grotere gehelen in de hogere corticale gebieden.

Over de theoretische implicaties hiervan wordt nog discussie gevoerd.

Mogelijke interpretatie = explaining away

In alle gebieden wordt volgens deze theorie aan ‘predictive coding’ gedaan.

= op basis van binnenkomende signalen wordt een voorspelling gemaakt van wat

verwacht kan worden en deze predictie teruggekoppeld naar de lagere gebieden

de-Wit et al. (2012)

Het zien van de ruit bleek gepaard te gaan met een reductie van activiteit in V1 is niet

retinotopisch specifiek.

2.4. Ambiguïteiten door het probleem van onderdeterminantie

a) Verandering van theoretisch perspectief

In de fenomenen in voorgaande paragraaf lag de nadruk op autonome organisatieprocessen.

Centraal stond het ‘Prägnanz’ of ‘Goodness’ principe: de perceptuele organisatie zal steeds

zo eenvoudig of zo goed mogelijk zijn, gegeven de beschikbare prikkels.

Minimumprincipe of eenvoudigheidsbeginsel is een van de basistellingen van de

Gestaltpsychologie.

18

In de fenomenen die we in deze paragrafen zullen bespreken, zal de nadruk liggen op

invloeden van kennis en verwachtingen.

Veridicaliteit staat centraal

Volgens de cognitieve psychologie wil de waarneming de realiteit zo waarheidsgetrouw

mogelijk vatten.

Waarschijnlijkheidsbeginsel of likelihood principle

b) Klassieke ambiguïteiten en contexteffecten

Er zijn ook tal van ambigue figuren die meerdere semantische interpretaties toelaten,

afhankelijk van de interpretatie van de afzonderlijke delen die allemaal tot één figuur of

voorwerp behoren.

Worden toegepast in visuele kunst en reclame

De interpretatie van ambigue figuren is onderhevig aan contextinvloeden.

Het omslagpunt van de ene interpretatie naar de andere blijkt ook vertraagd te zijn door de

sequentie van de aanbiedingen (= hysterese). Dit wordt beschouwd als kenmerk van een zelf-

organiserend niet-lineair dynamisch systeem.

c) Klassieke ambiguïteiten, onbewuste redeneringen en assumpties

Ambiguïteiten zijn niet beperkt tot vorm- of objectperceptie, ook in de waarneming van

helderheid of kleur moet het visueel systeem voortdurend geregistreerde helderheden of

kleurwaarden disambigueren (ondubbelzinnig maken) om ze correct te interpreteren.

Elke waarde in het beeld is altijd een resultante van:

- Intrinsieke objecteigenschappen (reflectantie, pigmentstructuur)

- Extrinsieke eigenschappen van lichtbron (sterkte, kleurspectrum)

- Scène

De interactie tussen lichtinval en vormperceptie staat ook centraal in de waarneming van het

hol masker (demonstratie van Gregory).

Ambiguïteit tussen de richting van kromming van het oppervlak en positie van de lichtbron

19

d) Grootteconstantie, rol van ervaring en New Look psychologie

Één van de klassieke ambiguïteiten die voortdurend door het visueel systeem opgelost moet

worden, is het probleem dat grootte in het netvliesbeeld zowel afhankelijk is van de grootte

van het voorwerp als van de kijkafstand.

Twee voorwerpen die fysisch even groot zijn, kunnen toch verschillende groottes in het

netvliesbeeld hebben

Twee dezelfde groottes in het netvliesbeeld kunnen afkomstig zijn van voorwerpen met

verschillende ware grootte, bekeken van op een andere afstand

= onderdeterminantie

Kan leiden tot grootteconstantie

= we zien dat iets in werkelijkheid eenzelfde fysische grootte heeft ondanks dat het

in functie van de afstand, wisselende groottes in het netvliesbeeld heeft.

Één theorie hierover stelt dat het visueel systeem een onbewuste redenering opbouwt waarbij

een vraagstuk met één onbekende (= ware grootte) en één bekende (= retinale grootte)

opgelost wordt door bijkomende informatie of assumpties over de tweede onbekende (=

kijkafstand).

Von Helmholtz

Introduceerde de idee dat waarneming gebaseerd is op onbewuste redeneringen of

inferenties.

Een ander aspect van de theorie is de rol van ervaring.

Een ontwikkelende waarnemer moet de retinale groottes leren associëren met kijkafstand

en ware grootte.

Zeigler & Leibowitz (1957)

Klassiek experiment over rol van ervaring

Ppn werden gevraagd om ware groottes van voorwerpen te schatten (men zette het

experiment zo op dat de grootte in het netvlies constant bleef)

Volwassenen deden deze schatting vrij goed

Kinderen vielen in twee subsets:

- Voor klein afstanden waren de schattingen nog redelijk goed

- Vanaf 1.5 m – 2 m volgden de schattingen meer de retinale grootte dan de ware

grootte

Kinderen hebben minder ervaring met grotere kijkafstanden en compenseren daarom

minder goed daarvoor.

Ook volwassenen zijn minder goed tot grootteconstantie in staat voor voorwerpen die

vanuit verticale richting bekeken worden.

20

Bruner & Goodman (1947)

Experiment over rol van ervaring uit de persoonlijke levenssfeer

Muntstukken worden systematisch overschat door jongens uit arme gezinnen.

De waarde die men aan iets hecht speelt een rol bij grootteschatting ervan en dit is

individueel verschillend

De rol van subjectieve factoren en persoonlijke waarden werd sterk benadrukt in de New

Look psychologie (Jerome Bruner)

Mensen blijken te verschillen in wat men spontaan eerst ziet

Geslacht, leeftijd, persoonlijkheid, (onbewuste) motieven en verlangens spelen hierbij een

rol

e) Onderdeterminantie van 3D door 2D, vormconstantie, onmogelijke figuren en

illusies

Het probleem van onderdeterminantie plaagt niet alleen de waarneming van grootte maar ook

van vorm.

Essentie: bij de projectie van 3D voorwerpen naar 2D netvliesbeelden gaat de derde

dimensie verloren

Recovery problem = ill-posed problem

= 3e dimensie afleiden uit 2D beelden

Elke waarneming is een vraagstuk met teveel onbekenden.

Typische oplossingstrategie = bijkomende assumpties maken

Vormconstantie

= Een object behoudt dezelfde vorm al lijkt het anders gezien uit een andere hoek

De ambiguïteit van 2D beelden geeft ook weer aanleiding tot multistabiliteit in de 3D

waarneming.

Necker-kubus kan men als twee verschillende kubussen zien (lijntekeningen)

Ook onmogelijke figuren zijn het gevolg van de ambiguïteit van lijntekeningen.

Blijkbaar is de gewoonte om 3D te zien in 2D plaatjes sterken dan ons streven naar globale

consistentie

Deze ambiguïteit is ook een bron van kijkplezier

Kunstenaars maken hier gretig gebruik van.

21

De spontane en sterke dieptewaarneming vertekent soms onze waarneming van grootte.

Richard Gregory (1923 – 2010)

Grote verdediger van rol van verkeerdelijk toegepaste grootteconstantie in Müller-Lyer

illusie

Ook vormperceptie kan vertekend zijn ten gevolge van een verkeerde ruimtelijke interpretatie.

Shepard tables

Futura gebouw in New York

Het visueel systeem interpreteert de hoeken die afwijken van 90° als een afwijking in één

richting, terwijl het in werkelijkheid gaat om een afwijking in de andere richting.

f) Onderdeterminantie van 3D door 2D, transactionalisme en Bayesiaanse

inferentie

Bovenstaande effecten, verklaringen, … krijgen een centrale plaats in het transactionalisme.

Adelbert Ames (1880 – 1958) = belangrijkste vertegenwoordiger

Het transactionalisme stelt dat de waarnemer bij het oplossen van het probleem van

onderdeterminantie beroep doet op zijn jarenlange ervaringen en ‘transacties’ met onze

omgeving.

Vb.: Kamer van Ames

Wordt nog vaak gebruikt in filmsets op personages groter of kleiner te laten lijken

Venster van Ames

Trapeziumvormig

Wanneer je dit venster laat ronddraaien rond zijn verticale as, dan zie je een heen-en-weer

beweging van 180° waarbij telkens de langere zijkant als dichterbij wordt waargenomen

Dit komt doordat we de assumptie hebben dat het een rechthoekig venster is

Vertekende dieptewaarneming manifesteert zich als een verkeerde waarneming van

continue rotatie

Men heeft de laatste decennia de relatief vage idee van onbewuste inferenties in de

waarneming een stevige theoretische onderbouw gegeven door een kwantitatieve uitwerking

van het inferentieprobleem en een mogelijk oplossingsschema.

Gebaseerd op theorema van Thomas Bayes (18e eeuw)

22

Theorema van Bayes

Ook van toepassing op problemen van hypothesetoetsing aan de hand van data en

inferentie van scène-eigenschappen uit beeldeigenschappen

De kans op een bepaalde 2D (posterior) hoek φ gegeven een bepaalde 3D hoek θ

(likelihood) vermenigvuldigd met de onvoorwaardelijke kans dat de 3D hoek θ voorkomt

(prior) genormaliseerd voor de onvoorwaardelijke kans op voorkomen van de 2D hoek φ

Het redeneerschema van Bayesiaanse inferentie is in essentie vrij eenvoudig

Je kan ook gewichten toekennen aan bepaalde uitkomsten door winst- of verliesfuncties

Het is toepasbaar op veel verschillende deelproblemen van de visuele waarnemingen

Gebaseerd op assumpties die via overerving genetisch gecodeerd kunnen zijn in het

visueel brein van de soort

Gebaseerd op leerprocessen in de culturele leefwereld

Krachtige formele theorie

Vergt veel empirisch onderzoek

Kan ingeroepen worden om het onderliggende proces te modelleren

Zeer mainstream

2.5. Semantische interpretatie van objecten en scènes

a) Objectherkenning

Objectherkenning

= Het semantisch herkennen van de identiteit van een voorwerp of het kunnen aangeven tot

welke basiscategorie van voorwerpen het behoort

Het basisprobleem van objectherkenning bestaat in het vinden van een overeenkomst tussen:

- een ‘on-line’ berekende objectvoorstelling

- een ‘off-line’ gestockeerde objectvoorstelling in het visueel geheugen

= matching

Een grote uitdaging voor het herkenninsproces is het loskoppelen van intrinsieke en

extrinsieke eigenschappen bij het analyseren van het beeld.

23

Twee grote mogelijkheden:

- Men kan proberen op tot één gezichtspuntonafhankelijke 3D objectvoorstelling per

object te komen

Moeilijk te berekenen

Voordeel: één representatie stockeren

Klein opslag en matching probleem

- Per object meerdere gezichtspuntafhankelijke objectvoorstellingen hebben

Makkelijk te berekenen

Nadeel: veel meer opslagruimte nodig

Matching-probleem is groter

Recognition By Components (RBC) theorie van Biederman (1987)

één 3D objectvoorstelling per object

Uitgangspunten zijn goed uitgelicht

Biederman wil een theorie die in staat is om te verklaren hoe objectherkenning vaak

mogelijk is onder ‘clutter’, met slechts beperkte informatie over een deel van het voorwerp.

Wil ook verklaren dat men een nooit eerder gezien voorwerp tot structureel kan

beschrijven aan de hand van de basiscomponenten en hun spatiale relaties

Wil de mogelijkheden exploiteren die het combineren van een beperkt aantal componenten

in verschillende onderlinge relaties biedt.

Zijn theorie omvat meerdere informatieverwerkingsstappen die grotendeel ‘bottom-up’

verlopen. Na randdetectie vinden er twee processen plaats die parallel verlopen:

- Detectie van niet-toevallige eigenschappen (non-accidental properties NAPs)

- Segmentatie van het beeld ter hoogte van diepe concaviteiten

Op basis hiervan kan men de bouwstenen van het voorwerp bepalen.

Vervolgens moet men de globale spatiale relaties hiertussen bepalen op ruw categorisch

niveau en in het visueel systeem op zoek gaan naar een overeenkomstige

gezichtspuntonafhankelijke representatie. Indien een ‘match’ gevonden wordt, is het

voorwerp herkend.

De kern van deze theorie zit bij de bepaling van de bouwstenen van een voorwerp. Dit omvat

een theorie over wat deze bouwstenen zijn en hoe men ze kan extraheren uit het beeld.

Segmentatie van het beeld ter hoogte van regio’s met diepe concaviteiten (inkepingen)

Plaatsen waar de kromming negatief is, doordat twee basisdelen samengevoegd zijn

NAPs

Er zijn bepaalde eigenschappen in het beeld aanwezig die men kan gebruiken bij

het oplossen van het ‘recovery’ probleem

24

Bij de veronderstelling van een algemeen standpunt (general viewpoint assumption) mag men

deze regelmaat in het beeld gebruiken om gelijkaardige regelmaat in de scène af te leiden.

Men mag aannemen dat degelijke regelmaat niet het toevallig resultaat is van één welbepaald

gezichtspunt.

NAPs laten toe om een aantal distincties te maken die van belang zijn bij het correct

classificeren van bouwstenen.

Theorie wat de bouwstenen zijn

Hij gaat er vanuit dat men met een aantal basale distincties kan volstaan. Hij verondersteld

dat men het onderscheid moet kunnen maken tussen 36 verschillende bouwstenen, ‘geons’

genoemd.

Komt daartoe door een ruwe opdeling in functie van categorische kenmerken van de

doorsnede en de as van zijn 3D componenten.

De experimentele evidentie voor RBC berust grotendeels op onderzoek met lijntekeningen

van bestaande voorwerpen.

Experiment:

1) Er werden lijntekeningen geselecteerd van voorwerpen die uit een variabel aantal

basisdelen bestaan

2) Van elke voorwerp werden dan lijntekeningen getoond waarin ofwel het maximaal

aantal basisdelen aanwezig was, ofwel kleiner aantal

Resultaat: zelfs bij korte aanbiedingen met beperkt aantal basisdelen bleek de herkenning

vrij goed. Volledig aantal basisdelen bleek niet nodig voor een goede herkenning.

b) Scènecontexteffecten op objectherkenning

Invloed van scènecontext op objectherkenning: 3 klassieke voorbeelden

Palmer (1975)

Presenteerde afbeelding van contextscène voor 3 seconden

Dan volgde kort een afbeelding van één object in 3 condities:

- Consistent met de scène

- Inconsistent met de scène

- Neutraal ten opzichte van de scène

Herkenning bleek veel beter in consistente conditie

Loftus en Mackworth (1978)

Ppn moesten gedurende 4 seconden naar afbeelden van scènes kijken en registreerden

daarbij de oogbewegingen die ze maakten

Fixaties op onwaarschijnlijke objecten duurden langer en werden gevolgd door meer

fixaties

25

Biederman (1981) en Biederman et al. (1982)

Experimenten over ‘speeded object verification’

Methode:

1) Er verscheen een semantisch label van een object

2) Fixatiepunt

3) Korte aanbieding van een afbeelding van een scène

4) Gevolgd door ‘mask’(wirwarplaatje om retinaal nabeeld te maskeren) met een

‘probe’ erin (plaatsaanduiding waar men de target moest zoeken)

5) Ppn moesten ja of nee antwoorden als ze dachten dat het doelobject al dan niet in

de scène aanwezig was

Resultaten:

1) Semantiek van een scène wordt in een oogopslag opgepikt en heeft invloed op de

detecteerbaarheid van de doelobjecten

Veel kritieken tegen de algemene resultaten van deze experimenten

Belangrijkste: je kan niet met zekerheid op basis van deze resultaten besluiten dat de

effecten zuiver perceptueel zijn van aard. Het kan best zijn dat het post-perceptuele

decisieprocssen betreft.

Toch moet erkend worden dat het visueel systeem gebruik lijkt te maken van minimale

informatie om verwachtingen op te bouwen en verdere visuele informatieverwerking te

faciliteren.

c) Snelle categorisatie van objecten

Categorisatie

= Het onderbrengen van een concrete (visuele) prikkel in een grote categorie

Men kan categoriseren op meerdere niveaus in een hiërarchie.

Basisniveau (hond)

Subordinaat niveau (poedel)

Superordinaat niveau (zoogdier / dier)

Categorisatie vergt een nog hogere vorm van visuele informatieverwerking, in die zin dat nog

meer moet loskomen van concrete visuele details van de prikkel om te komen tot grotere,

semantische categorieën waarvan de visuele kenmerken niet steeds duidelijk zijn.

26

Thorpe et al. (1996)

Methode:

1) Presenteerde groot aantal kleurfoto’s een korte tijd

2) Ppn moesten go/no-go taak aangeven of ze een dier zagen of niet

3) Elke foto werd slechts 1 keer getoond en er kon om het even welk dier in

voorkomen en om het even waar in de foto

Resultaten:

1) Gemiddeld percentage correcte antwoorden 94%

2) Gemiddelde reactietijd 445 milliseconden

3) Positieve correlatie tussen RT en CA = speed-accuracy tradeoff

= langere RT gaan gepaard met hogere CA

Als men sneller antwoordt, maakt men meer fouten

Resultaten op hersenniveau:

1) Event-related potentials (ERPs)

= Men kan de elektronische activiteit in de afzonderlijke elektroden relateren aan

de perceptuele en cognitieve processen die zich aan de hersenen afspelen na

aanbieding van de prikkel

Gemiddeld hadden de ppn 150 – 160 milliseconden nodig om te beslissen of het

een go of no-go was

Deze bevindingen wijzen op het belang van snelle, visuele feedforward processing, ook voor

hogere semantische processen als categorie. Blijkbaar is het visueel systeem in staat om heel

snel de essentiële kenmerken uit een beeld te extraheren.

Deze studie heeft heel wat vervolgonderzoek geïnspireerd. Er zijn twee onderzoekslijnen:

- Aantonen/uitsluiten dat eenvoudige visuele cues aan de basis kunnen liggen van het

effect

- De paradoxale bevinding dat categorisatie voor kleinere homogenere categorieën de

ganse RT-distributie met 40 – 50 seconden naar rechts doet opschuiven

Het duurt langer om een prikkel te categoriseren in een kleinere, homogenere

categorie

d) Snelle categorisatie van scènes

Schyns en Oliva (1994, 1997)

Onderzoek over de rol van lage en hoge spatiale frequenties in de snelle categorisatie van

scènes

Scène is meestal complexer en bestaat uit meerdere objecten die in verschillende spatiale

relaties tegenover elkaar staan

Scène is meer onderhevig aan clutter, occlusie, … .

27

Een hypothese over hoe een scène snel gecategoriseerd kan worden, is dat de ruwe spatiale

schaal (de lage spatiale frequenties LSF) diagnostisch zou kunnen zijn voor de typische

ruimtelijke organisatie van de globale spatiale relaties en dat de fijne spatiale schaal (hoge

spatiale frequenties HSF) vervolgens meer kritisch zou kunnen zijn voor de kleinere details

van de voorwerpen in de scène.

Lagere spatiale frequenties worden sneller verwerkt in het visueel systeem en dus zou

scènecategorisatie sneller kunnen gaan dan objectcategorisatie.

Schyns en Oliva (1994)

Hybride afbeeldingen waarin de HSF van één scène gecombineerd werden met de LSF van

een andere.

Combinatie van afbeeldingen van twee scènes

Eerste experiment:

1) Ppn kregen vooraf semantisch label en moesten ja/nee matching taak uitvoeren

2) Hybride afbeeldingen van eerste type werden heel kort of gewoon kort aangeboden

3) Resultaat: Men extraheert met heel korte aanbiedingen eerder de LSF terwijl met

langere aanbiedingen eerder de HSF extraheert.

Tweede experiment:

1) Hybride afbeeldingen van tweede type

2) Twee afbeeldingen werden kort na elkaar gepresenteerd

3) Ppn moesten benoemen wat ze zagen

4) Resultaat: ppn gaven in 67% van de gevallen het antwoord dat overeenkwam met

de targetscène in de ‘coarse-to-fine’ verwerkingsvolgorde

Samen vormden deze experimenten sterke evidentie voor de aanvangshypothese dat snelle

scèneperceptie hoofdzakelijk gebaseerd is op LSF

Oliva en Schyns (1997)

Toonden aan dat het visueel systeem beide spatiale schalen van in het begin verwerkt en de

schaal kan selecteren die het meest diagnostisch is voor de gestelde taak

Oliva en Torralba (2006)

Onderzoek om te achterhalen welke scène-eigenschapen men kan extraheren uit vrij

eenvoudige beeldkenmerken

Vertrekpunt: analyse van het beeld als geheel

Volgens hen is scène een entiteit op zich met eigen karakteristieke globale

beeldkenmerken (spatial envelope properties)

Openheid of expansie van de grens van de spatiale envelop

Natuurlijkheid of ruwheid van de inhoud van het beeld

7 globale scènekenmerken die enerzijds goed extraheerbaar zijn uit gemiddelde

beeldeigenschappen en anderzijds relevant blijken voor scènecategorisatie

28

Green en Oliva (2009)

Aangetoond dat mensen effectief in staat zijn om deze globale beeldeigenschappen te

extraheren.

Methode:

1) Ppn werden getraind om de 7 relevante globale scènekarakteristieken correct te

analyseren en te benoemen

2) Beelden werden kort aangeboden een dynamisch gemaskeerd

3) Ppn moesten ja/nee taak uitvoeren zowel voor beeldeigenschappen als

scènecategorisaties

Resultaat:

1) Proportie correcte classificatie nam toe met stijgende stimulusduur

e) Slotbeschouwing over visuele informatieverwerking

Een steeds terugkerend resultaat is de enorme snelheid en flexibiliteit van visuele

informatieverwerking door het menselijk visueel systeem.

Kracht is gebaseerd op het dens neuraal netwerk met tal van tussenstations en sterke

interconnectiviteit

Ulric Neisser

Een van de grondlegger van cognitieve psychologie

1976: algemeen theoretisch model ‘analyse door synthese’

Binnenkomende prikkels worden niet passief en doelloos verwerkt door filters,

maar steeds in het licht van hypothesen die als een momentane synthese beschouwd

kunnen worden van de beschikbare bottom-up informatie en top-down kennis

Essentieel: voortdurende wisselwerking tussen verschillende deelsystemen

Massief-parallelle informatieverwerking

Hochstein en Ahissar (2002)

Reverse Hierarchy Theory

Nieuwe visie op corticale hiërarchie waarbij ze expliciet onderscheid maken tussen

structurele, anatomische aspecten en functionele, procesmatige aspecten.

In de eerste informatieverwerkingsstroom (feedforward sweep) wordt heel snel

doorgestroomd naar de hoge visuele gebieden, waar hypothesen over globale categorieën

gegenereerd worden

In tragere wisselwerking tussen top-down en bottom-up verwerkingsprocessen worden

details ingevuld

Onderscheid low-level en high-level processing in de spatiale zin

Early en late processing in de temporale zin

29

Bar et al. (2006)

Concreet model over de verwerking van HSF en LSF in functie van de tijd

LSF van het beeld wordt snel dorgestuurd naar de prefontale cortex (PFC), waar

hypothesen gegenereerd worden zowel over de scènecontext als de globale vorm van

voorwerpen in de scène

Hypothesen en LSF worden teruggekoppeld en in een trage feedforward stroom

gecombineerd met HSF van een verdere beeldanalyse

Schyns, Gosselin en hun collega’s

Ontwikkelden experimentele procedure waarin ze ppn enkel zwart-witte ruisbeelden laten

zien en hen wel vragen om een bepaald targetobject te detecteren wanneer ze dit menen te

zien.

Eerste experiment: Gosselin & Schyns (2003)

De letter S of een glimlachende mond detecteren in ruispatronen

Later experiment: Smith et al. (2012)

Gezicht zoeken

Ppn houden er verschillende templates op na

Dit template laat ons toe van alles te zien in wolken of schimmels

Experimentele psychologie is blijkbaar in staat om door slimme beeldanalysetechnieken deze

puur subjectieve, mentale entiteiten te visualiseren.

30

2.6. alternatieve theoretische denkkaders

a) Intermezzo: terugblik en vooruitblik

We hebben visuele waarneming vooral besproken vanuit de ‘mainstream visie’

Wordt door de meeste onderzoekers als theoretisch denkkader gehanteerd

We zijn begonnen met hedendaagse visie op werking van het oog en visueel brein en zijn

geëindigd bij recente pogingen om de wisselwerking tussen bottom-up, feedforward en top-

down, feedback visuele informatieverwerking concreet te begrijpen.

Er zijn twee grote alternatieve benaderingen. Ze zijn allebei van dezelfde denker en keren zich

expliciet af tegen wat we dachten te weten. Ze reiken nieuwe inzichten aan over hoe de

waarneming te begrijpen en te onderzoeken.

Visuele waarneming is nu eenmaal een complex, multidimensioneel probleem dat zich niet in

eenvoudige, enkelvoudige termen laat verklaren.

b) De ecologische benadering van James Gibson (DTP)

James J. Gibson (1904 – 1979)

Filosofische fundamenten: realisme en pragmatisme

Gebruikte ook elementen uit Gestaltpyschologie (fenomenologie) en behaviorisme

(empirisme)

Vertrekpunt: waarneming staat steeds ten dienste van zinvol gedrag in een zinvolle

omgeving.

Nadruk op ecologische validiteit

Hij schreef drie grote boeken:

- 1950: The perception of the visual world

- 1966: The senses considered as perceptual systems

- 1979: The ecological approach to visual perception

In de ecologische benadering van visuele waarneming staat de omgeving centraal als bron

van stimulatie en daarin spelen vooral oppervlakken een essentiële rol.

Opvallend: De omgeving biedt veel meer informatie dan vroeger gedacht werd

Probleem van grootteconstantie is enkel probleem als men de beschikbare informatie

beperkt tot het object zelf

Je moet kijken naar de omgeving

Hogere-orde variabelen vormen een sleutelbegrip.

Deze worden meteen opgepikt (direkt pick-up) en niet berekend uit lagere-orde variabelen.

31

Gibson heeft een studie gedaan over het licht als bron van informatie over de omgeving.

Ecologische optica

Klassieke optica: licht is een fysisch verschijnsel

Twee soorten licht:

- Stralingslicht (radiënt licht)

Afkomstig van lichtbron en bevat enkel informatie over de lichtbron zelf

- Omgevingslicht (ambiënt licht)

Afkomstig van de omgeving en bevat dus informatie over voorwerpen uit de

omgeving

Optic array is ook van groot theoretisch belang.

Gehele patroon van licht zoals dat invalt op het oog

Facetoog van insecten is perfect in staat om een patroon van invallend licht op te vangen

Een patroon van licht dat uit de omgeving komt, kan enorm veel informatie bevatten over

voorwerpen en oppervlakken uit de omgeving

Eleanor J. Gibson

Visual cliff

= textuurpatroon met specificatie van randen en diepte, textuurgradiënten voor

kanteling

Invarianten spelen ook een centrale rol in de ecologische optica

Invarianten

= gelijkblijvende factoren ondanks veranderingen

Latere volgelingen hebben er nog ‘transformationele invarianten’ aan toegevoegd

= Een bepaald patroon van verandering onafhankelijk van de structuur waarop de

transformatie plaatsvindt

Optic flow

Stroom van optische elementen die ontstaat in de optica array van een bewegende

waarnemer

Als je als waarnemer aan een redelijke snelheid beweegt in de ene richting, ontstaat er een

‘optic flow’ in de ander richting met redelijke snelheid en verder af een stroom die stilstaat of

met je meebeweegt.

Bewegingsparallax

= de richting en snelheid van de optic flow is een direct functie van afstand ten

opzichte van de bewegende waarnemer

Optical looming

= het snel expanderende ‘flow field’ ten gevolge van een snel naderend voorwerp

De ‘focus of expansion’ in een ‘optic flow field’ geeft aan waar je als waarnemer naartoe

beweegt

Sterke bron van informatie bij navigatie

32

Hogere-orde invariant ‘Tau’

= De verhouding van de grootte in het netvliesbeeld tot de sterkt van de verandering van die

grootte over tijd

Specifeert hoe lang men nog heeft vooraleer men het oppervlak zal raken

= Time-to-contact

Affordances

= Neologisme waarmee Gibson verwijst naar eigenschappen van voorwerpen die in directe

relatie staan met gedrag van de waarnemer

Affordantie is wat je met het voorwerp kan doen in het licht van je behoeften

Vb.: be-zit-baarheid van een stoel

Affordanties worden gespecifeerd door hogere-orde invarianten in de verhoudingen tussen

eigenschapen of dimensies van het voorwerp en da waarnemer

Begrip krijgt veel weerklank

Vb.: bij een deur die men moet openduwen, moet je een deurklink vermijden die

uitnodigt om te trekken

Wat zegt de ecologische benadering over het proces van waarneming zelf?

Als men kan aantonen dat de visuele informatie voldoende rijk is om alles te specificeren

wat nodig is om je gedrag te kunnen aan passen aan de omgeving, dan hoeft waarneming deze

informatie enkel maar te detecteren

Perceptie is beperkt tot ‘direkt pick-up’ van de invarianten uit de visuele informatie

Resonance en tuning

Het visueel systeem moet enkel resoneren met de beschikbare informatie

Dit proces bevat smart mechanisms die meteen hogere-orde invarianten registreren

Deze visie gaat radicaal in tegen alle eerder perceptietheorieën die stellen dat waarneming

indirect is. Gibson stelt dat waarneming direct is, zonder tussenliggende processen.

Deze tegenstelling is erg fundamenteel: het gaat om een andere manier van wetenschap

doen en zelfs om een ander wereldbeeld.

Indirecte theorieën van

perceptie

Ecologische of directe

perceptietheorie

Informatie Arm (sensaties) Rijk (specificaties)

Perceptie Verrijking Detectie

Licht Energie Informatie

Variabelen Lagere-orde Hogere-orde

Optica Fysische Ecologische

Zintuigen Passieve kanalen Actieve perceptuele systemen

Activiteit Elaboratie Exploratie

Omgeving-waarnemer Dualisme Ecosysteem

Empirisch onderzoek Reductie van stimulus Onderzoek van stimulus

33

c) De computationele benadering van David Marr (CTP)

David Marr (1945 – 1980)

Grondlegger van een nieuwe, interdisciplinaire benadering van waarneming

Vison = waarneming

1982: ‘Vision: A computational investigation into the human representation and processing

of visual information’

Bevatte redelijk wat modellen die fout waren of niet werken

Toch een mijlpaal in de vision sciences

Marr beschouwde alle eerder werk als louter descriptief, niet verklarend:

- Pyschofysica

Sensoriële codering van prikkels op systeemniveau

- Neurofysiologie

Op celniveau

Beiden geen gedetailleerde verklaring van de manier waarop waarneming echt werkt.

Als je een systeem wilt nabouwen, dan moet je echt alles in detail begrijpen.

Wat ontbrak in de visies volgens Marr, was de computationele theorie

Een analyse van de taak (functie) van visuele waarneming als een

informatieverwerkingsprobleem

Input en output van het probleem in detail

Pas daarna kan je vragen stellen naar de manier waarop je I en O kan voorstellen,

transformeren en berekenen.

Niveau van representatie en algoritmes

Het niveau van de hardware implementatie

3e niveau waarop je waarneming kan bestuderen

Fysische realisatie van deze representaties en algoritmes in brein en machine

Het conceptueel onderscheiden van deze 3 verklaringsniveaus is van grote blijvende waarde

voor vision science.

De kern van computationele benadering

Er is veel informatie beschikbaar, maar impliciet

De informatie moet geëxtraheerd worden uit de inputbeelden en verwerkt worden om ze

expliciet te kunnen maken.

Zoveel mogelijk bottom-up verwerken met meerdere tussenstappen

Visuele informatieverwerking omvat een reeks processen (informatie verwerken) en

representaties tussen input en output (tussentijdse resultaten voor verdere analyse).

34

Marr onderscheidt drie grote stappen:

- Primaire schets

- 2,5D schets

- 3D objectmodel

Primaire schets / raw primal sketch

Input bestaat uit netvliesbeelden als een verzameling grijswaarden (impliciet)

Randen extraheren gebeurt door filter die eerst randen wazig maakt (blurring) en dan een

zwart-wit versie maakt door tresholding)

Nul-doorgang (zero-crossing)

Men past filteroperatie toe op meerdere spatiale schalen toe en uit elk beeld extraheert men

primitieve features

Tresholding

= alle grijswaarden boven een bepaalde drempel wit, onder de drempel zwart

Full primal sketch

Marr gebruikt symbolen (tokens) om de belangrijkste attributen van features te kunnen

weergeven, los van hun identiteit

2,5D schets

Marr probeert de 3e dimensie te achterhalen

Eerst gezichtspuntafhankelijke aspecten van diepte extraheren

Ruimtelijke oriëntaties van oppervlakken uit standpunt van waarnemer

Representatie is 2,5D schets

Maakt gebruik van vectoren waarvan de grootte overeenkomt met ‘slant’ en de

oriëntatie met ‘tilt’

Berekening gebeurt door verschillende onafhankelijke modules

Berekenen dieptecue

Principe is telkens gelijkaardig

Random-dot stereogrammen van Bela Julesz

Correspondentieprobleem

= Combinatorische explosie van mogelijks overeenkomstige punten

Explosie inperken door eenvoudige constraints in te roepen:

- Compatibiliteit

Wit = wit, zwart = zwart

- Uniciteit

Elke stip komt overeen met slechts één andere stip

- Continuïteit

De veranderingen van diepte verlopen zo geleidelijk mogelijk

35

Combinatie hiervan en de implementatie in een neuraal netwerk convergeert naar unieke

oplossing: waarneming van figuur tegen een achtergrond.

Berekening van 3D model

Gezichtspuntonafhankelijke representatie van voorwerpen

Vertrekpunt: een globale weergave van de spatiale relaties tussen de belangrijkste delen

kan volstaan voor herkenning

Werken met gewone cilinders

Hiërarchische voorstelling van meerdere spatiale schalen van een voorwerp

Twee tegenstrijdige eisen verzoenen die aan objectherkenning gesteld worden in

functie van het niveau waarop men objecten moet kunnen herkennen

CTP DTP ITP

Gelijkenissen Informatie is rijk Berekeningen en processen

nodig voor informatie te

verwerken

Verschillen CTP stelt berekeningen

nodig om informatie te

verwerken

Direct pick-up

CTP bevat algemene,

fysische constraints die

impliciet in het systeem

ingebakken zijn

Object-specifieke

hypothsen

CTP gebruikt kennis om

informatie stap voor stap te

verwerken

Kennis wordt gebruikt om

beschikbare informatie te

verrijken

Een groot deel van dit werk is geïntegreerd in de mainstream benadering.

Meer expliciete modellering

Meer samenwerking tussen verschillende disciplines van vision science

Meer convergentie

Toch moeilijker dan gedacht om generische modellen voor te stellen die zowel voor

biologische – als voor computervisie van toepassing zijn.

Invloed van computervisie op de psychologie van de waarneming is terug getaand

36

d) Twee toepassingen als illustratie

Onderzoek over biologische bewegingsperceptie

Gunnar Johansson (1911 – 1998)

1950: ‘Configurations in event perception: an experimental study’

Gestaltpsychologische traditie

1973: ‘landmark paper’

Biologische bewegingsperceptie

Originele techniek om stimuli te reduceren tot hun essentie

= Puntlichtfiguren

Essentie van het fenomeen

Dwingende, spontane, automatische Gestaltwaarneming die gebaseerd is op

spatiotemporele relaties in de input

Hij stelde codeertheorie voor die gebaseerd was op zijn eerder werk over ‘event

configurations’

Relaties tussen afzonderlijke trajecten en binnen een bepaald referentiekader zijn cruciaal.

Cognitieve codeertheorie: volgens hem worden absolute bewegingen ontbonden in

gemeenschappelijke en relatieve bewegingen.

= Vectoranalyse

= Soort algoritme om het computationeel probleem van veelheid aan locale trajecten

op te lossen naar één consistente interpretatie

Van toepassing op biologische bewegingsperceptie

Later onderzoek heeft aangetoond dat ‘point-light displays’ ook informatie bevatten voor de

categorisatie van geslacht, leeftijd, gemoedstoestand, …. .

Vervolgonderzoek was er voornamelijk op gericht om te achterhalen wat hiervoor precies de

kritische informatiebronnen (cues) zijn en hoe goed die verwerkt worden.

Poljac et al. (2012)

Vertrekpunt = Suchow en Alvarez (2011) over motion silencing

= Bewegingsperceptie suggereert de bewuste toegang tot kenmerken van locale delen

van de configuratie verhindert of onderdrukt

Verklaring van onderzoekers: low-level

Taak vereist tussenkomst van locale mechanismen en bewegend voorwerp besteedt

slechts weinig tijd op elke locatie

Kort venster om een verandering op te pikken

Verklaring van boek: mid-level

Objecthood: details van geheel zijn minder toegankelijk voor visueel bewustzijn.

Beweging is geen noodzakelijke en voldoende voorwaarde voor het effect

37

Dieptewaarneming

Soort dieptecue Wat?

Oculomotorische

dieptecues

Gebaseerd op feit dat oog beschikt over spieren die zorgen dat

voorwerpen scherp afgebeeld worden op netvlies

Idee: hersenen geven bevel aan deze spieren, beschikken over

feedback van dat signaal waardoor het visueel systeem er ook

gebruik van kan maken

Accommodatie

= proces waardoor de kromming van de lens aangepast wordt,

zodat de beelden scherp afbeeld worden.

Convergentie

= proces waarmee de ogen samen op een voorwerp gericht

kunnen worden

Dragen in geringe mate bij aan dieptewaarneming

Visuele cues:

- Binoculaire cues

(stereovisie)

- Monoculaire

cues:

Dynamische

cues

Statische cues

Belangrijke informatiebron om nauwkeurige diepteschattingen

te bekomen.

Retinale disparitieit

= verschil dat bestaat tussen beide netvliesbeelden doordat de

ogen vanuit een lichtjes verschillende ruimtelijke positie kijken

naar een welbepaald punt in de 3D ruimte

Bewegingsparallax

In plaats van twee beelden afkomstig van twee ogen op één

ogenblik in de tijd, hebben we twee beelden afkomstig van één

oog op twee momenten in de tijd

Betrouwbare dieptebron

Informatiebronnen in één statisch beeld

Interpositie of occlusie: indien een voorwerp iets bedekt, is het

eerste dichterbij dan het andere

Relatieve grootte: voorwerpen die verder weg, lijken kleiner

Relatieve hoogte: idem als hierboven

Textuurgradiënten

Lineair perspectief: parallelle lijnen die in perspectief getekend

zijn, convergeren in verdwijnpunt

Atmosferische perspectief: voorwerpen verder weg zijn waziger