Illusionen des Sehens

Marco Walser

Didaktik der Physik

SS 07

Inhalt

•Kapitel 1: Das Licht, die Wahrnehmung und die Gesetze des Sehens

•Kapitel 2: Die geometrisch-optischen Täuschungen

•Kapitel 3: Wahrnehmung von Formen und Helligkeiten

•Kapitel 4: Mehrdeutige Wahrnehmungen

•Kapitel 5: Die Farbe und der graue Alltag

•Kapitel 6: Das räumliche Sehen

•Kapitel 7: Bewegungen sind Leben

Illusionen des Sehens

Kapitel 1Das Licht, die Wahrnehmung unddie Gesetze des Sehens

Illusionen des Sehens

Die menschliche Wahrnehmung

Wahrnehmung = Von der Umwelt ausgesandte Informationen durchdie Sinne aufnehmen und damit im Gehirn ein möglichstnaturgetreues Abbild seiner Außenwelt zu erzeugen.

Im Laufe der Lahrmillionen hat die Natur die verschiedenstenphysikalischen Möglichkeiten ausgenutzt.

• Hören

• Riechen

• Schmecken

• Tasten

• Fühlen

• Gleichgewichtssinn

• Temperatur- und Schmerzempfindung

• Innere Organwahrnehmung

• Wahrnehmung durch das Immunsystem

Illusionen des Sehens

Das Licht und das Sehen

Jüngste und erfolgreichste Erfindung der Natur: das Sehen

Träger der Sehinformation: Licht

Vorteile:

•Geschwindigkeit (~ 900 000 - mal schneller als Schall)

 Gleichzeitige Wahrnehmung möglich (z.B. in Gefahrensituationen)

•Störungsunanfällig (Schall: Gegenwind, Nebengeräusche,…)

Illusionen des Sehens

GestaltpsychologieMax Wertheimer, 1910

•Das Gesetz der Nähe

•Das Gesetz der Ähnlichkeit

•Das Gesetz der guten Gestalt (.. der Einfachheit oderPrägnanzgesetz)

•Das Gesetz der guten Fortsetzung (.. der durchgehenden Linie)

•Das Gesetz der Geschlossenheit

•Das Gesetz der Erfahrung

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Das Gesetz der Nähe

Gleiche Elemente (Elemente mit gleichem Reiz) mit geringerenAbständen zueinander werden als zusammengehörigwahrgenommen.

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Das Gesetz der Ähnlichkeit

Sich ähnlich sehende Elemente werden eher als zusammengehörigempfunden als sich unähnlich sehende. (Form, Farbe…)

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Das Gesetz der guten Gestalt

Gestalthafte Wahrnehmungseinheiten bilden sich so aus, dass sie imErgebnis eine möglichste einfache und einprägsame Gestaltdarstellen.

93°

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Das Gesetz der guten Fortsetzung

Man neigt dazu, Reizelemente, z. B. Punkte, die im Falle ihrerVerbindung in einer geraden oder sanft geschwungenen Kurveangeordnet sind, in einem Zusammenhang zu sehen,beziehungsweise dass Linien an Schnittpunkten bevorzugt im Sinneeiner Fortführung ihrer bisherigen Linienführung gesehen werden.

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Das Gesetz der Geschlossenheit

In geometrischen Gebilden werden diejenigen Strukturen als Figurwahrgenommen, die eher geschlossen sind. Nicht vorhandene Teileeiner Figur werden ergänzt.

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Illusionen des Sehens

Das Gesetz der Erfahrung

Dinge bilden mit großer Wahrscheinlichkeit Gruppen, wenn die Gruppenvertraut sind, oder etwas bedeuten.

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Kapitel 2Die geometrisch-optischenTäuschungen

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Illusionen des Sehens

Müller-Lyer‘sche Täuschung:

Kante mit spitzen Winkeln wird näher zumBetrachter liegend wahrgenommen.

Spitze Winkel können als nach hinten ragendeperspektivisch rechte Winkel wahrgenommenwerden. (3D-Wahrnehmung)

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Judd Täuschung (ähnl. wie Müller Lyer‘scheTäuschung)

Modifikationen der Müller-Lyer‘schen Täuschung:

Hier kann man allerdings nicht davon ausgehen,dass das Gehirn ein 3D-Bild wahrnimmt.

Eine mögliche Erklärung dieser Effekte wäre,dass unser Gehirn in der Lage ist, sich nichtexistierende Kanten zu denken, und diese danngleich wie reale Kanten zu behandeln.

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Größenkonstanz:

Wichtige Grundlage der Wahrnehmung.

Verschiedene Größenwahrnehmung durchEntfernung und Lage. (Tiefenwahrnehmung)

Ponzo-Täuschung

Gillam-Täuschung

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Poggendorff‘sche Täuschung:

Erklärung durch 3D-Wahrnehmung

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Sander‘sche Täuschung:

Erklärung durch Einflussspitzer und stumfer Winkel

Auseinandergenommene Poggendorff‘sche Täuschung:

Links: Zerlegung in spitze Winkel

Mitte: Zerlegung in stumpfe Winkel

Spitze Winkel haben weit weniger Anteil an der Täuschung als diestumpfen.

Rechts: Je steiler die schräge Linie ist, umso stärker wird dieTäuschung.

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Hering‘sche Täuschung:

Erklärung aus dem Streben unserer Sinnenach Prägnanz (Prägnanzgesetz)

Wahrnehmungssystem sehnt sich nachrechten Schnittwinkeln Orientierungsempfindung wird abgeändert,Linien werden gekippt.

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Zöllner‘sche Täuschung:

Erklärung: Prägnanzgesetz (rechte Winkel)

Fraser‘sche Täuschung:

Erklärung: Prägnanzgesetz (rechte Winkel)

Illusionen des Sehens

Fraser‘sche Täuschung:

Erklärung: Prägnanzgesetz (rechte Winkel)

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Vertikalentäuschung:

Fehleinschätzung der Höhe eines Gegenstandes, solange erflach ab Boden liegt.

Grund: Wahrscheinlich Schwerkraft: Schwieriger einen KilometerHöhe zurückzulegen als einen Kilometer ebenerdig Überbewertung der Senkrechte

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Oppel-Kundt‘sche Täuschung:

Beruht auf Unterschätzung leerer Räume

Titchener‘sche Täuschung:

Verstärkung des Größenkontrasts

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Mondtäuschung:

Der Mond scheint wesentlich größer zusein, wenn er knapp über dem Horizontsteht, als wenn er sich im Zenit befindet.

Grund: Verstärkung des Größenkontrastes

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Ebbinghaus‘sche Täuschung:

Größenkontrastverstärkung

Größentäuschung nach Jastrow`

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Räumliche Wölbung erst durchOrientierung und Geometrie der schwarzenund weißen Flächen erzeugt.

Krümmung der Linien durch Anordnung derschwarzen und weißen Flächen erzeugt.

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Auf die Perspektive kommt es an!

Kapitel 3Wahrnehmung von Formen undHelligkeiten

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Symmetrische Flächen scheinen im Vordergrund zu liegen– ganz unabhängig von ihrer Helligkeit. (Symmetriegesetz)

Die symmetrischen Muster scheinen nun im Hintergrund zu liegen. Das Gesetz der Näheüberstimmt die Symmetrie.

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Die Gestaltgesetze der Nähe und Symmetrie sind etwa gleich stark.Unsere Wahrnehmung kann sich nicht mit einem Unentschiedenabfinden und versucht, zwischen beiden Gestalten abzuwechseln.

Die Konvexität überstimmt die Symmetrie. Deutlich erscheinen diekonvexen schwarzen Flächen als Figur, während die Symmetrischenweißen Flächen im Hintergrund zu liegen scheinen.

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Helligkeitsempfindung ist relativ. Je nachHelligkeitsgrad der Umgebung wird einphysikalisch eindeutiger Helligkeitstonumgedeutet.

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Zwei unterschiedlich helle Flächen?

In Wirklichkeit sind beide Flächen außer anden Schnittkanten genau gleich hell.

Augen verstärken den Randkontrast.

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Hermann‘sches Gitter:

An den Kreuzungspunkten der schwarzenQuadrate erscheinen schwarz flimmerndePunkte. Die eigentlich weißenSchnittpunkte erscheinen Dunkler, da dortkein direkter Kontakt zu den schwarzenFlächen vorliegt, und dadurch eineRandkontrastverstärkung nicht in diesemMaße stattfinden kann wie in den anderenweißen Bereichen.

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Irradiation:

Leichte Eigenbewegung der Augen  Aufrezeptive Felder im Kantenbereich fälltabwechselnd „weißes und schwarzesLicht“. Weißes Licht ist lichtstärker undhinterlässt deutliche Spuren HelleObjekte erscheinen größer als gleich großedunkle Objekte

Das einzelne weiße Quadrat scheintnicht in die schwarzen Lücken zupassen, obwohl es genau dieselbeGröße besitzt.

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Wahrnehmungsapparatwird durchKontinuierlicheAufhellung bzw.Verdunkelung desHintergrunds von außennach innen überlistet.Der durch dieKontrastverstärkungerzielte Eindruck wirdauf die gesamteSonnenscheibeausgedehnt.

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Kanisza-Dreieck:

Das weiße Dreieck schwebt im Vordergrund. Dabei erscheint esweißer als der ebenso weiße Hintergrund.

Ein durchsichtiges Dreieck schwebt im Vordergrund. DieHelligkeitstäuschung ist jetzt aufgehoben.

Erfahrung: Je weiter ein Gegenstand entfernt, destolichtschwächer  undurchsichtiges Dreieck im Vordergrunderweckt den Eindruck, dass es Lichtstärker, also heller ist.

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Wertheimer-Benary Figur:

Grund für die unterschiedlich helleWirkung der Dreiecke ist dieunterschiedliche Tiefeneinschätzung derFiguren durch unsere Wahrnehmung.

Das obere Dreieck scheint im Vordergrundzu sein, dadurch lichtstärker und heller.

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White-Täuschung:

Normalerweise:

Linke Seite: Graue Rechtecke grenzen an schwarze Flächen  eigentlichmüssten die Rechtecke heller erscheinen

Rechte Seite: umgekehrter Fall

Warum ist dies nicht so?

Spezielle Geometrie des Bildes: Anstatt mehrerer kleiner grauer Rechteckesehen wir links einen grauen Balken, der von schwarzen Streifen überdecktwird und auf weißem Grund liegt. Rechts genau umgekehrt.

 Helligkeitskontrastverstärkung wirkt gegenüber den beobachtetenHintergründen.

Kapitel 4Mehrdeutige Wahrnehmungen

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Illusionen des Sehens

Gehirn kann immer nur einen Wahrnehmungsinhalt imBewusstsein haben

 Kompromiss: Würfel sprinngt hin und her

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Perspektivische Ambivalenz(räumliche Orientierung nichteindeutig festgelegt)

Untersuchungen: Unterschied in der Geschwindigkeit desWahrnehmungswechels  „Fingerabdruck der Psyche“, da jeder seineeigene Oszillationsgeschwindigkeit hat (ca. 3 sec.)

Keine Rückschlüsse auf Psyche oder persönliche Merkmale (IQ,…) möglich.

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Vase  Gesichter

Grund: Gesetz der Nähe

Im 1. Bild ist die weißeVase auf Grund der Näheder Umrisslinienhervorgehoben.

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Links: Graues Kreuz auf weißem Hintergrund

Mitte: Orientierung hat keinen Einfluss auf Wahrnehmung

Rechts: Weißes Kreuz auf grauem Hintergrund

Grund: Prägnanzgesetz (Horizontal- bzw. Vertikalausrichtung bevorzugt)

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Links: Graues Kreuz auf weißem Hintergrund noch leicht erkennbar

Mitte: Weißes Kreuz dominiert

Rechts: Graues Kreuz auf weißem Hintergrund kaum noch erkennbar

Grund: Gesetz der Nähe (Kleine, geschlossene Fläche scheint viel eher alsFigur, also im Vordergrund liegend)

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Welches Kreuz liegt im Vordergrund?

Jeder Mensch hat seine ganz persönliche Farbrangfolge.

Hier: Meistens Rot im Vordergrund, dann Grün und Blau meist im Hintergrund.

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Welche Alternative zuerst Wahrgenommen wird hängt vom Zufall ab.

Welchen Bildausschnitt betrachten wir zuerst?

Hat man gerade eine junge Frau gesehen?

Wie sind die momentanen Lichtverhältnisse?

…

Junger oder alter Mann?

Junge oder alte Frau?

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Voreingenommenheit durch Kontext

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Voreingenommenheit durchKontext (hier: Umgebung)

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Versuch mit 26 Versuchspersonen: 23 erkennten eine Ente und nur 3 einen Hasen

Bemerkenswert: 2 der 3 die einen Hasen erkannten hießen „Haas“!

 Durch vorheriges Leben stark voreingenommen.

 Prinzip der Rohrschach-Tests (Farbkleckse): Erfahrung beeinflusst die Wahrnehmung

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Bild aus Comicserie von Gustave Verbeek:

Eigentlich Comic mit 12 Bildern, damals aber üblich, dass Cartoons auf 6 Bilderbeschränkt sind.

Lösung: Bilder + Bilder um 180° gedreht, wobei immer eine gefährliche Situationdargestellt ist, die sich nach umdrehen des Bildes im wohlgefallen auflöst

Illusionen des Sehens

Eichhörnchen oder Schwan?

Seehund oder Esel?

Ratte oder Mann?

Eskimo oder Indianer?

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Kapitel 5Die Farben und der graue Alltag

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Wie entsteht ein Regenbogen?

Voraussetzungen für einen Regenbogen: Sonne und Regentropfen

Strahlen 1. Klasse: Teil der Lichtstahlen werden direkt an Oberfläche desTropfens reflektiert, der andere Teil dringt in den Tropfen ein und wirddabei gebrochen (blaues Licht – starke Brechung, rotes Licht –schwache Brechung).

Strahlen 2., 3. und 4. Klasse: Je nachdem, wie oft die Strahlen im Regentropfenreflektiert werden, nennt man die austretenden Strahlen 2., 3. oder 4.Klasse.

Strahlen der 3. Klasse bilden den Hauptregenbogen, die der 4. Klasse können einenNebenregenbogen bilden.

Strahlen 3. Klasse

Strahlen 4. Klasse

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Jeder Strahl muss einzeln beobachtet werden, da es viele Tropfen gibt und der Strahlauf verschiedene Punkte eines Tropfens einfallen kann.

Beobachtung: Großteil aller möglichen Strahlen werden zwischen 40 und 42 Grad „vonder Sonne weg“ ausgelenkt. (blau: 40°, rot 42°)  Gilt nur fürHauptregenbogen (Strahlen 3. Klasse)

Nebenregenbogen: blau: 53°, rot 50°  Farben stehen in umgekehrterReihenfolge!

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 Im Bereich zwischen 42 und 50 Grad: weder Strahlen der 3. noch der 4. Klassemöglich! (Alexander‘sche Dunkelzone)

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Nachbild: Zäpfchen ermüden beim langen beobachten der selben Farbe, deshalbsind sie bei dem anschließend einfallenden weißen Licht nicht in der Lagedieselbe Leistung wie die anderen unverbrauchten Zäpfchen zu bringen.

Somit entsteht der Eindruck von weißem Licht, abzüglich der„eingebrannten“ Farbe – und das ist die Komplementärfarbe.

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Warum ist der Himmel blau?

Rayleigh-Streuung: Sonnenstrahl kommt in die Nähe eines Luftmoleküls und regtdies zu Schwingungen an. Das Molekül sendet dann, wie eineRadioantenne, einen neuen Lichtstrahl derselben Wellenlänge in einebestimmt Richtung aus.

Je kleiner die Wellenlänge, desto stärker die Streuung.

 Gesamtes indirektes Sonnenlicht ist Streulicht, und da blaues Lichtstärker gestreut wird erscheint der Himmel blau.

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Warum ist die Sonne aber gelb bzw. rot?

Auf dem Weg durch die Atmosphäre geht mehr und mehr kurzwellige Strahlungverloren, deshalb erscheint die Sonne am Mittagshimmel gelb.

Bei Sonnenauf- bzw. Sonnenuntergang müssen die Lichtstrahlen einen weiteren Wegdurch die Atmosphäre zurücklegen, was bedeutet, dass nicht nur der Blauanteil desLichts, sondern auch ein Teil des Grünanteils weggestreut wird. Deshalb erscheint dieSonne röter.

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Der „grüne Biltz“:

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Entstehung des „grünen Blitzes“:

Langwellige Anteile des Lichtes (Rot und Gelb) werden stark gebrochen, sodass siegeometrisch vom Beobachter nicht mehr gesehen werden können. Der Blauanteil gehtdurch die Rayleigh-Streuung verloren. Übrig bleibt Grün.

Kapitel 6Das räumliche Sehen

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Augen sind gekoppelt  Grundvoraussetzung des Stereosehens

Versuch: Ein Auge zuhalten, Finger auf Augenlied legen, offenes Auge bewegen,geschlossenes Auge bewegt sich mit

Wahrnehmungsapparat sehr anpassungsfähig: Versuche mit Umkehrbrillen

Augen nicht gekoppelt (Sehfehler, Alkoholeinfluss,…)  keine 3D- Wahrnehmung

Versuch: Gegenstand fixieren, mit Finger seitlich gegen ein Auge drücken Gegenstand verschwimmt, Doppelbild entsteht, keine 3d_ Wahrnehmung

1 Auge reicht nicht für 3D- Wahrnehmung

Versuch: Ein Auge zuhalten, Versuchen mit einem Finger eine Spitze berühren

Illusionen des Sehens

2 Arten der Tiefenbestimmung:

Tiefenbestimmung durch Konvergenz

Winkelmessung zwischen den Augen

Tritt allerdings beim Menschen nicht auf

Tiefenbestimmung durch Querdisparation

Vergleich der beiden Abbilder auf den Retinen  Gesamtergebnis des 3D- Sehens istbei weitem mehr als nur die Summe der 2D- Einzelbilder.

Versuch: Finger nach oben gestreckt nur mit einem Auge fixieren,Hintergrund betrachte, nun Finger mit anderem Auge fixieren,Hintergrund beobachten  Finger gewandert, abhängig vonAbstand zwischen Finger und Augen

Illusionen des Sehens

Versuch: 2 Zeigefinger senkrecht, seitlich und nach hinten leicht versetzt in ca. 20 cmAbstand vor den Augen halten und versuchen scharf zu stellen  nichtmöglich.

Einen der beiden scharf stellen  der andere erscheint als 2 Finger

Querdisparation zu groß: lediglich die beiden 2D- Bilder sichtbar

Versuch: 2 Zeigefinger waagerecht, sich berührend, durch den Berührpunkt möglichstweit weg „hindurch schauen“  Wurstähnliches Gebilde sichtbar

Finger langsam auseinander bewegen: Gebilde scheint zu schweben

Grund: Sehsystem schafft es nicht immer die richtigen Objekte zu einer 3D_Wahrnehmung zu verschmelzen. Auf dem Linken Auge scheint der linkeFinger im Zentrum und im rechten Auge der rechte Finger.

Tiefenauflösung umso besser, je größer der Augenabstand (manche Tennisspieler z.B.>7 cm), je höher der Abstand von der Linse zur Retina, und je geringer der Abstandder einzelnen Sehzellen.

Illusionen des Sehens

Sehentfernung

auflösbare Tiefenunterschiede

Leseentfernung (35 cm)

0,13 mm (Brotkrümel)

Zimmerwandentfernung (3 m)

0,5 cm (Bilderrahmen)

nähere Umgebung im Freien (20 m)

22 cm (Handlänge)

Fußballstadion (100 m)

5,7 m (halbes Fußballtor)

500 m

180 m

Tiefenauflösungsvermögen durch Querdisparation:

Illusionen des Sehens

Stereogramme:

Bild 1

Bild 2

Bild

Prinzip des Stereosehens

Bild 1

Bild 2

Bild

Alternative Möglichkeit des Stereosehens

Illusionen des Sehens

Ein einfaches Zufalls-Punktstereogramm: Was könnt ihr erkennen, wenn ihr in dieTiefe blickt?

Auflösung: Dreieck, das über dem Hintergrund schwebt.

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Im rechten Bild sind 3 Fehler versteckt. Die Lösung ist mit dem Stereoblick ganzeinfach…

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Illusionen des Sehens

Alternative Methoden zur Tiefenwahrnehmung:

• Tiefenwahrnehmung durch Bewegung:

Je näher sich ein Objekt befindet, desto schneller bewegt es sich inunserem Sichtfeld.

• Tiefenwahrnehmung durch das Erkennen von Überdeckungen:

Objekte im Vordergrund überdecken die Objekte, die im Hintergrund liegen

• Tiefenwahrnehmung durch das Erkennen von Durchsichtigkeit:

Durchsichtige Objekte liegen immer vor den undurchsichtigen.

• Tiefenwahrnehmung durch Größenvergleich:

Je kleiner ein Objekt im Vergleich zu einem anderenObjekt erscheint, desto weiter liegt es im Hintergrund.(„normale“ Objektgröße muss bekannt sein)

• Tiefenwahrnehmung durch die Deutung des Schattenwurfs:

z.B. Mondkrater

• Tiefenwahrnehmung durch die Erkennung des Helligkeitskontrasts:

Kontrastreiche Objekte scheinen im Vordergrund zu liegen, Kontrastarmebzw. verschwommene Objekte scheinen im Hintergrund zu liegen.

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Stereoeffekte in Filmen:

• Polarisationsfiltertechnik:

Durch 2 Projektoren mit unterschiedlichen Polarisationsfiltern werden die

Bilder an die Leinwand projiziert und dann durch eine Polarisationsbrillewieder getrennt den Augen zugeführt.

• Rotgrün-Anaglyphentechnik:

Ein rotes und ein grünes Bild mit verschiedenem Blickwinkel liegenübereinander. Durch eine Brille gelangt in das eine Auge nur die roteBildinformation (also nur ein Sichtwinkel) durch einen Filter, durch dasandere Auge die grüne Bildinformation (somit der 2. Blickwinkel). Dadurchentsteht der Eindruck von räumlicher Tiefe.

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Kapitel 7Bewegungen sind Leben

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Scheinbewegungen: Bestreben nach einer einfachen Bewegungsform „überstimmt“die Wahrnehmung mehrere Formen.

Prinzip des Films

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Wagon-wheel effect:

Zuerst: 1 Umdrehung/sec

Dann: 25 Umdrehungen/sec

Umdrehung des Rades minimal langsamer als die Bildfrequenz  In jedem Teilbildwird die Momentaufnahme eines minimal zurückgebliebenen Rades wiedergegeben.