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Das visuelle System als Vorlage für Modelle zur Verarbeitung von visueller Bewegungsinformation

Dr. rer. nat. Florian Raudies
Dr. rer. nat. Florian Raudies

Unser Alltag ist geprägt vom Verarbeiten und Interpretieren verschiedener visueller Bewegungsreize. Sobald sich unsere Augen, unser Kopf oder der ganze Körper durch den Raum bewegen, führt dies zur Veränderung der Bildinformation, die auf unsere Retina projiziert wird. Die Information über Veränderungen der Bildinhalte, die visuelle Bewegungsinformation, trägt neben anderen Sinneswahrnehmungen zur erfolgreichen Navigation bei, ob beim Passieren eines Durchgangs, beim Greifen der Kaffeetasse oder beim Steuern des Autos. Dabei sind diese für uns so selbstverständlichen Navigationsleistungen für technische Systeme immer noch eine Herausforderung. Dies motiviert das (menschliche) visuelle System auch im Hinblick auf technische Anwendungen und Fragestellungen zu studieren: Was sind die funktionellen Grundlagen und Basisoperationen biologischer Systeme? Welche Mechanismen sorgen für die Robustheit des visuellen Systems?

Während der visuellen Navigation sind verschiedene Aufgaben zu lösen: Das Schätzen der Eigenbewegung, das Trennen von statischen und möglicherweise bewegten Hindernissen vom Hintergrund und schlussendlich das Ansteuern des Ziels.
Während der visuellen Navigation sind verschiedene Aufgaben zu lösen: Das Schätzen der Eigenbewegung, das Trennen von statischen und möglicherweise bewegten Hindernissen vom Hintergrund und schlussendlich das Ansteuern des Ziels.

Diese Dissertation schlägt ein Modell zur Verarbeitung von Bewegungsreizen vor. Modelliert wird die Funktionalität visueller Areale: visuelles Areal 1 (V1), middle temporal (MT), und medial superior temporal (MST). Modellneurone in V1 codieren Selektivitäten für verschieden orientierte Bildkontraste und verschiedene Bewegungsrichtungen. Einzelne Modellneurone sind besonders stark aktiviert, wenn diese durch eine bestimmte Bildbewegung, z. B. Bewegung nach Links, gereizt werden. In MT entsteht durch Integration über größere Bereiche des visuellen Feldes eine Selektivität für Bewegungsrichtungen und -geschwindigkeiten. MST besitzt Modellneuronen die insbesondere auf Bewegungsreize aus Eigenbewegung ansprechen. Diese Selektivitäten kommen durch verschiedene Verschaltungsmuster von Modellneuronen sowie Modellarealen zustande.
Ein Beispiel für eine einfache Verschaltung ist die örtliche Integration: Die Aktivierung örtlich benachbarte Modellneuronen wird unterschiedlich gewichtet summiert und an ein einzelnes Modellneuron weitergeleitet. Das vorgeschlagene Modell kann neben den bereits beschriebenen Bewegungsreizen auch Bewegungstransparenzen verarbeiten. Bewegungstransparenz entsteht, wenn mehrere Bewegungen an der gleichen Position im visuellen Feld wahrgenommen werden. Viele visuelle Perzepte der Bewegungstransparenz sind durch das Modell erklärbar, so zum Beispiel ein Perzept der entsteht, wenn opponente Bewegungen alternierend in schmalen Streifen angeordnet werden. Dabei ist die Streifenbreite im Verhältnis zur rezeptiven Feldgröße entscheidend, siehe auch kurze Bewegungssequenz in den Abbildungen 2 und 3. Weiterhin macht das Modell Vorhersagen über für die Bewegungstransparenz notwendige Verschaltungsmuster und die visuelle Wahrnehmung von Bewegungstransparenz in Bewegungsmustern die aus Eigenbewegung entstehen und überlagert werden. Modellneurone in MST codieren Eigenbewegung und leisten damit einen Beitrag zur visuellen Navigation. Ein Vergleich mit Algorithmen der klassischen Bildverarbeitung zeigt, dass die Verarbeitungsleistung des Modells robuster hinsichtlich der Relaxation verschiedener Annahmen ist, z. B. hinsichtlich der Annahme es existiere kein Bildrauschen oder Änderungen in der Bildsequenz kämen allein durch Verschiebungen zustande.

Abb. 1: Eine Bewegungssequenz mit vier Streifen opponenter Bewegung wird wahrgenommen als gewöhnliche Bewegung, gruppiert in Streifen.
Abb. 1: Eine Bewegungssequenz mit vier Streifen opponenter Bewegung wird wahrgenommen als gewöhnliche Bewegung, gruppiert in Streifen.
Abb. 2: Diese Bewegungssequenz enthält 32 Streifen opponenter Bewegung und wird als Bewegungstransparenz wahrgenommen.
Abb. 2: Diese Bewegungssequenz enthält 32 Streifen opponenter Bewegung und wird als Bewegungstransparenz wahrgenommen.

Für verschiedene Perzepte reicht die Modellierung der bisher betrachteten visuellen Areale nicht aus. So können Figuren allein durch Bewegungsgrenzen definiert werden. Eine solche Grenze zeichnet sich dadurch aus, dass zwei unterschiedliche Bewegungen aufeinander stoßen. Um so definierte Figuren vom Hintergrund zu trennen, ist die Modellierung von weiteren Mechanismen notwendig. Modellneurone kodieren Bewegungsgrenzen, realisieren Mechanismen zur Gruppierung von Konturgrenzen, und Mechanismen zum Auffüllen des Inneren von Figuren. Interaktionen zwischen Bewegung und Form ermöglichen das Sehen von Figuren welche durch Bewegungsgrenzen definiert sind. Das hierzu in der Dissertation vorgeschlagene Modell passt zu den Verläufen neuronaler Aktivität und macht Vorschläge über die Interaktion zwischen Form und Bewegung.

Der Schriftzug ‚uulm' ist erkennbar aufgrund der Bewegungsgrenzen.
Der Schriftzug ‚uulm' ist erkennbar aufgrund der Bewegungsgrenzen.

Basisoperationen in beiden Modellen sind die Verschaltungsmuster von Modellneuronen, die Interaktion benachbarter Modellneuronen, wie das obige Beispiel der Integration. Robustheit wird unter anderem durch die Kodierung von Selektivitäten erreicht. Mögliche Anwendungen der Dissertation sind die Navigation, zum Beispiel in Fahrerassistenzsystemen, bei der Vorhersage von Leistungsverlusten beim Ausfall von visuellen Arealen oder bei portablen Geräten zur visuellen Assistenz. Dabei ist entscheidend, dass sich die Verhaltensleistung der Modelle an der des Menschen orientiert und somit zu natürlichen Entscheidung im menschlichen Alltag führt.

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