Please use this identifier to cite or link to this item: http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5104
Main Title: Arguments for a new early vision model of lightness perception
Translated Title: Argumente für ein neues Early-Vision-Modell von Helligkeitswahrnehmung
Author(s): Betz, Torsten
Advisor(s): Maertens, Marianne
Wichmann, Felix
Referee(s): Jäkel, Frank
Sprekeler, Henning
Maertens, Marianne
Wichmann, Felix
Granting Institution: Technische Universität Berlin
Type: Doctoral Thesis
Language Code: en
Abstract: Lightness is the perceived reflectance of a surface. Human observers are capable of accurately judging the lightness of surfaces in different illumination conditions, despite the fact that the retinal input to the visual system differs markedly for two identical surfaces seen under different illumination. The field of lightness perception is concerned with the question how the visual system achieves this feat, and how lightness is computed based on the spatio-temporal stimulation pattern on the retina. The field is currently divided between researchers who claim that most lightness phenomena are best understood as results of complex processes, requiring e.g. an estimation of the illumination field, and those who maintain that many phenomena can already be explained as results of early visual processing of simple stimulus features. The most prominent low-level account of lightness perception are spatial filtering models with contrast normalization. Their popularity can be ascribed to two reasons: they correctly predict how human observers perceive a variety of lightness illusions, and the processing steps involved in the models bear an apparent resemblance with known physiological mechanisms at early stages of visual processing. Here, I present two independent experimental approaches that demonstrate the mechanistic inadequacy of current spatial filtering models. The first approach is based on globally masking stimuli with narrowband noise, the second on locally masking luminance edges with contour adaptation. The conclusion that current spatial filtering models are inadequate is supported by computer simulations of four different models, all of which fail to account for the experimental data. The tested models are the ODOG model by Blakeslee and McCourt, the model by Dakin and Bex, the FLODOG model by Robinson, Hammon and de Sa, and the BIWaM by Otazu, Vanrell and Párraga. The experimental part focuses on one particular stimulus, White's illusion. This stimulus presents a challenge to classical low-level accounts of lightness perception, which where based on luminance ratios across the edges of a surface. Spatial filtering models on the surface appear to explain White's illusion, which was part of their allure. However, the results presented here show that the mechanisms producing White's illusion in these models are likely not the same mechanisms responsible for the illusion in the human visual system. The experimental results are generally compatible with a different low-level approach, based on the explicit treatment of luminance ratios across edges, if an additional orientation normalization step is included. I review the historical development of edge-ratio based theories, and present a sketch of a model that could integrate the present findings with these ideas.
Die wahrgenommene Helligkeit einer Oberfläche hängt von ihrer Reflektanz ab, d.h. von dem Anteil des eintreffenden Lichtes, der von der Oberfläche reflektiert wird. Beobachter sind unter natürlichen Bedingungen in der Lage, die Helligkeit von Oberflächen relativ akkurat zu beurteilen. Dies ist insofern beachtlich, als die retinale Stimulation, und somit das Eingangssignal für die Verarbeitung im visuellen System, sich für die selbe Oberfläche in unterschiedlichen Beleuchtungssituationen stark unterscheiden kann. Ein Ziel der Forschung im Bereich der Helligkeitswahrnehmung ist es zu verstehen, wie das visuelle System dieses Problem löst, d.h. wie die wahrgenommene Helligkeit aus dem Erregungsmuster auf der Netzhaut errechnet wird. Eine Kontroverse im Feld betrifft die Frage, inwiefern die beobachteten Phänomene sich durch frühe kortikale Verarbeitungsschritte erklären lassen. Während einige Forscher der Meinung sind, dass die für Helligkeitswahrnehmung relevanten Prozesse komplexe Verarbeitungsschritte wie z.B. die Interpretation der Beleuchtungssituation erfordern, gehen andere davon aus, dass viele Beobachtungen bereits durch frühe kortikale Prozesse zu erklären sind. Der momentan verbreitetste Ansatz in diesem Bereich sind Modelle, die auf räumlicher Filterung des Bildes in verschiedenen Raumskalen und anschließender Kontrastnormalisierung beruhen. Die weite Verbreitung und Akzeptanz dieses Ansatzes kann auf zwei Ursachen zurückgeführt werden: erstens stimmen die Modellvorhersagen für eine große Zahl von Helligkeitsillusionen qualitativ mit der menschlichen Wahrnehmung überein, und zweitens ähneln die Verarbeitungsschritte der Modelle bestimmten aus neurophysiologischen Untersuchungen bekannten neuronalen Prozessen im visuellen System. In der vorliegenden Doktorarbeit wird durch zwei voneinander unabhängige experimentelle Ansätze - einerseits globale Maskierung der Stimuli durch schmalbandiges Rauschen, andererseits lokale Maskierung bestimmter Kanten durch Flickeradaptation - gezeigt, dass die aktuellen Modelle keine mechanistisch adäquate Beschreibung der frühen Verarbeitungsschritte von Helligkeitswahrnehmung darstellen. Diese Interpretation wird durch Computersimulationen von vier verschiedenen aktuellen Modellen unterstützt, von denen keines die experimentellen Daten korrekt beschreibt. Die getesteten Modelle sind das ODOG Modell von Blakeslee und McCourt, das Modell von Dakin und Bex, das FLODOG Modell von Robinson, Hammon und de Sa, und das BIWaM von Otazu, Vanrell und Párraga. Der experimentelle Teil der Arbeit beschäftigt sich mit einem bestimmten Stimulus: Whites Illusion. Dieser Stimulus war ein Problem für klassische Ansätze, die Helligkeitswahrnehmung durch frühe Verarbeitungsschritte, insbesondere Luminanzkontraste an Kanten, zu erklären versuchten. Die auf räumlicher Filterung basierenden Modelle schienen diesen Stimulus erklären zu können, was einen Teil ihres Reizes ausmachte. Die Resultate der vorliegenden Arbeit zeigen jedoch, dass die Mechanismen, die im visuellen System für Whites Illusion verantwortlich sind, wahrscheinlich nicht die selben sind wie die, die den Effekt in den Modellen erzeugen. Stattdessen sind die experimentellen Resultate mit der klassischen Annahme kompatibel, dass wahrgenommene Helligkeit von Luminanzkontrasten an Kanten abhängt. Die historische Entwicklung von auf dieser Annahme basierenden Theorien wird beschrieben, und der Entwurf eines Modells, das diese Ideen mit den aktuellen Ergebnissen verbinden könnte, wird vorgestellt und diskutiert.
URI: http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/5429
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-5104
Exam Date: 9-Dec-2015
Issue Date: 2016
Date Available: 20-Apr-2016
DDC Class: DDC::100 Philosophie und Psychologie::150 Psychologie::152 Sinneswahrnehmung, Bewegung, Emotionen, Triebe
Subject(s): lightness perception
computational modeling
Helligkeitswahrnehmung
Modellierung
Sponsor/Funder: DFG, GRK 1589, Sensory Computation in Neural Systems
Usage rights: Terms of German Copyright Law
Appears in Collections:Technische Universität Berlin » Fakultäten & Zentralinstitute » Fakultät 4 Elektrotechnik und Informatik » Institut für Softwaretechnik und Theoretische Informatik » Publications

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
betz_torsten.pdf1,86 MBAdobe PDFThumbnail
View/Open


Items in DepositOnce are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.