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Natur + Wissenschaft
Warum Kontrast für unsere Visualität entscheidend ist
Das visuelle System konstruiert und organisiert unsere Welt und die Objekte darin anhand der Kanten und Grenzflächen zwischen den Dingen: Die Gegenstände einer Szene werden nicht vollständig erfasst, sondern anhand der wahrgenommenen Kanten einzeln konstruiert. Dies hat der erste Band dieser Reihe zur visuellen Bildenstehung ausführlich deutlich gemacht. Dieser Prozess ist aufwendig und in seinem genauen Ablauf unter den Wissenschaftlern noch umstritten.
Ohne die Registrierung der Objektgrenzen könnte keine visuelle Wahrnehmung entstehen. Dass das stimmt, ist praktisch bereits mit dem folgenden Versuch simuliert worden. Stellen Sie sich zum Beispiel ein rotes Quadrat vor in dessen Mitte sich ein kleineres, grünes Quadrat befindet. Wenn Sie die Grenze zwischen beiden Flächen künstlich auf ihrer Retina stabilisieren, verlieren Sie zunächst die Wahrnehmung des grünen Quadrats und es bleibt nur die rote Fläche des Hintergrunds übrig. Nach ungefähr einer Sekunde ohne jede Bewegung relativ zur Retina löst sich dann auch dieser Eindruck auf und sie sehen nichts mehr. Das ist der Fall, weil uns die Photorezeptoren nur Potentialunterschiede, nicht aber absolute Potentialniveaus melden, was ebenfalls der Effizienzsteigerung dient. Damit uns die Wahrnehmung nicht verloren geht, wenn der Blick längere Zeit auf einem Punkt verweilt, führen die Augen mehrmals pro Sekunde unbewußte und in der Richtung zufällige Bewegungen aus, sogenannte Mikrosakkaden.
Die Antwort darauf, warum unser visuelles System die Objekte anhand der Grenzflächen zwischen Bereichen unterschiedlicher Farbe und Helligkeit strukturiert und unterscheidet, ist einfach: Wirtschaftlichkeit, Effektivität und geringer Energieverbrauch. Es ist sehr sinnvoll, weil ökonomisch, daß das visuelle System die Objekte anhand der Unterbrechungen der Lichtmuster verarbeitet, denn so braucht es nur jene Bildteile zu codieren, an denen sich etwas verändert und nicht etwas das Bild als Ganzes. Kanten und Grenzflächen sind die einzig wichtigen Informationen, die der Apparat in unseren Köpfen braucht, um die Formen, die Gestalten der Dinge in unserer Umwelt zu konstruieren. Es ist unnötig, Helligkeit und Farbe an jedem einzelnen Punkt eines beispielsweise durchgehend roten Gegenstands zu definieren. Statt dessen reicht es völlig aus dies überall dort zu tun, wo sich etwas ändert. Und das ist eben an einer Kante oder Grenzfläche der Fall. Auf diese Weise reduziert sich die zu übertragende und zu verarbeitende Informationsmenge erheblich. Um wie viel genau, illustriert Abbildung 1. Sie liegt im .jpeg Format vor und wäre bei einer Auflösung von 600 ppi 29 KB groß. Dieselbe Abbildung im .tif Format (hier leider nicht darstellbar) würde 4575 KM wiegen - 157 mal mehr also! Tif legt ähnlich wie das Photoshop-Format jedes einzelne Pixel im Hinblick auf seine Farbigkeit fest. Die Reduzierung rührt daher, daß .jpeg, genau wie das visuelle System, nur jene Pixel registriert, an denen sich etwas ändert. In der Datei steht nur die Position der Kante und die Farbe auf der Innen- bzw. Außenseite. Die Pixel dazwischen füllt das Bildverarbeitungsprogramm automatisch.
Abb. 1 Reduzierte Informationsmenge dank JPEG
Diese Reduzierung der Informationsmenge ist für das Nervensystem im allgemeinen eminent wichtig, denn damit eine Nervenzelle feuert, ist Energie nötig und mit diesem Rohstoff muss der Körper so sparsam wie möglich umgehen. – Bedenken Sie, daß das Gehirn einen besonders hohen Sauerstoff- und Energiebedarf. Es macht nur etwa 2 % der Körpermasse aus, verbraucht aber etwa 20 % des Sauerstoffs und mehr als 25 % der Glukose. Je weniger Nervenzellen aktiv sind, umso besser ist es also für den Organismus.
Um möglichst viele Kanten möglichst genau erfassen zu können, müssen Auge und Gehirn das Blickfeld so detailliert wie möglich rastern und die Grenzflächen dann isolieren. Das ist eine ziemlich ambitionierte Aufgabe und unser visuelles System bewältigt sie in mehreren Stufen. Zur präzisen Abtastung benutzt es eine große Anzahl Photorezeptoren. Ihr Abstand zueinander bestimmt neben ein paar anderen Faktoren über das Auflösungsvermögen des Sehapparats. Um die Objektkanten in dem so produzierten Bild zuverlässig isolieren zu können, verfügt das visuelle System über die bemerkenswerte Fähigkeit, die aus der Belichtung der Photorezeptoren resultierenden Nervenimpulse (quasi seine visuellen Daten) wie ein Computer verarbeiten zu können. Dazu dient ihm ein bestimmter Typ Ganglienzellen, die physiologisch in Zentrum und Peripherie gegliedert sind. Beide sind so verschaltet, daß sie sich wechselseitig hemmen. Dieser Zellaufbau wird Center/Surround Organisation genannt und dient dazu, Unregelmäßigkeiten, eben Objektgrenzen, herauszufiltern. Je größer der Kontrast an einer Kante ist, umso größer ist das Ausgabepotential so einer Center/Surround Zelle. Band 1 und Band 2 der Reihe PhotoWissen beleuchten die Funktion und den Stellenwert dieser Zellen in der Hierarchie des visuellen Systems ausführlich.
Angesichts dieser Zielsetzung ist es natürlich wichtig für uns, den Kontrast an einer Objektkante über einen möglichst weiten Helligkeitsbereich hinweg unterscheiden zu können. Wie groß das Kontrastvermögen des visuellen Systems ist und mit welchen Mitteln es den Dynamikbereich überbrückt, darum geht es in diesem Kapitel.