Menschliche Wahrnehmung exakt messen – mit einem Trick

Ein Team des Exzellenzclusters CITEC hat gemeinsam ein Verfahren entwickelt, mit dem sich visuelle Wahrnehmung sehr genau erfassen lässt. Ein Problem dabei waren bisher Monitore: Zeitlich hochauflösende Computerbildschirme sind sehr teuer. Herkömmliche Monitore wiederum lassen sich zeitlich für viele Messungen nicht fein genug einstellen. Mit einem Kniff ist es dem Team nun gelungen, dafür Gaming-Monitore einzusetzen, die deutlich günstiger sind – und die durch eine Umprogrammierung der Software sehr exakt arbeiten.

Im selbstentwickelten Mess-Setup kam ein Monitor zum Einsatz, der eine zeitlich hochaufgelöste Darbietung erlaubt. Foto: CITEC/Universität Bielefeld Ein Buchstabe leuchtet auf dem Bildschirm auf. Ab wann nimmt ein Mensch ihn eigentlich wahr? Wie lange muss das Symbol dafür erscheinen? Das ist manchmal gar nicht so klar – denn es ist schwierig, die Reizschwelle in Abhängigkeit von der Darstellung zeitlich zu messen. „Viele herkömmliche Monitore senden Bilder nur in einer bestimmten Frequenz“, sagt Dr. Christian Poth von der Forschungsgruppe Neurokognitive Psychologie, die am CITEC beteiligt ist. 

Buchstaben erscheinen dann immer für bestimmte Zeiten auf dem Bildschirm – bei einem 100-Hz-Bildschirm zum Beispiel für 10 oder 20 Millisekunden. „Auf diese Weise können wir nur sehr unpräzise messen, wie schnell jemand etwas wahrnimmt“, sagt Poth. Mit bestimmten mathematischen Funktionen lassen sich für solche Fälle zwar Näherungswerte berechnen, die jedoch eine Reihe von nicht direkt prüfbaren theoretischen Annahmen erfordern.

Es gibt zwar High-Speed-Projektoren, die eine zeitlich deutlich feinere Darstellung ermöglichen – diese sind allerdings bislang noch extrem teuer. Einem interdisziplinären Team von Psychologen und Informatikern am CITEC ist es nun gelungen, herkömmliche Gaming-Monitore so einzusetzen, dass sich Bildreize zeitlich hochaufgelöst darstellen lassen. 

Die Wissenschaftlerinnen und Wissenschaftler verwendeten dafür einen LCD-Monitor, der zeitlich flexibel Bilder von der Grafikkarte empfängt. „Wir sind nun in der Lage, Bilder in einer variablen Frequenz anzuzeigen“, sagt Poth. Der verwendete Bildschirm hat eine maximale Frequenz von 144 Hz, so dass ein Bild minimal für sieben Millisekunden dargeboten werden kann. „Alles, was länger als sieben Millisekunden angezeigt wird, können wir nun sehr fein justieren.“

So ist es möglich, beispielsweise ein Bild für exakt 7,3 oder 7,9 Millisekunden anzuzeigen. „Ganz neue Gaming-Monitore erlauben sogar ein noch kleinschrittigeres Verfahren“, sagt Poth. „Dort ist sogar eine minimale Darbietungszeit von 4 Millisekunden möglich“. 
Die Idee für das Projekt war in einer gemeinsamen Arbeitsgruppe entstanden, die von Professor Dr. Mario Botsch (Computergrafik und Geometrieverarbeitung) und Professor Dr. Werner Schneider (Neuro-kognitive Psychologie) geleitet wird. „Wir haben bereits einige  Kooperationsprojekte gemeinsam umgesetzt“, sagt Psychologe Poth. „Bei einem unserer Treffen haben wir über unser Problem mit den Monitoren gesprochen – und so entstand die Idee.“

Rund ein Jahr habe es gedauert, bis die Gruppe eine Lösung erarbeitet hatte, so Poth. „Eigentlich ist es ganz einfach“, sagt er: Es sei dazu nur ein kleiner Eingriff in die Software notwendig gewesen. Der Code reduziert die Frequenz, in der die Grafikkarte Informationen an den Monitor weitergibt, um einen bestimmten Wert. Das hat zur Folge, dass genau alle 7,4 Millisekunden statt alle sieben Millisekunden ein neues Bild erscheint. „Auf diese Weise können wir die Wahrnehmung und auch die Bewusstseinsschwelle nun sehr exakt messen“, sagt Poth.
Doch warum ist es eigentlich wichtig, diese Werte der Wahrnehmung so genau zu kennen? „In unserer Arbeitsgruppe geht es zunächst einmal um Grundlagenforschung“, sagt Poth: „Uns beschäftigt zum Beispiel die Frage, wie Menschen sich die Außenwelt für ihre Handlungen über ihre Wahrnehmung erschließen.“

Exakte Messungen visueller Wahrnehmung spielten für viele Disziplinen eine Rolle, sagt der Wissenschaftler: „Es geht dabei um ganz elementare Parameter wie zum Beispiel Wahrnehmungsgeschwindigkeit, die auch in der Neuropsychologie wichtig sind.“ Konkret zum Beispiel bei der Messung ausgefallener Hirnfunktionen: „Das ist für Menschen relevant, die einen Schlaganfall hatten oder die unter einer Demenz leiden.“

Auf lange Sicht ergeben sich aus der neuen Messmethode womöglich auch Implikationen, um kognitive Interaktionstechnologie besser anzupassen.   „Je genauer man grundlegende Wahrnehmungsfähigkeiten eines Menschen messen kann, desto besser kann man technische Systeme an ihn anpassen“, sagt Rebecca Förster aus dem Forschungsteam. Dadurch können technische Geräte auch für Personen mit beeinträchtigter visueller Wahrnehmung nutzbar gemacht werden.

Ein Forschungsartikel über das Projekt ist in der Fachzeitschrift „Behavior Research Methods“ erschienen Für das Projekt arbeiteten die Forschenden des Exzellenzclusters CITEC mit dem Informatik-Professor Dr. Ulrich Schwanecke von der Hochschule Rhein-Main zusammen.

Original Publication:
Christian H. Poth, Rebecca M. Foerster, Christian Behler, Ulrich Schwanecke, Werner X. Schneider, Mario Botsch (2018). Ultra-high temporal resolution of visual presentation using gaming monitors and G-Sync. Behavior Research Methods. https://doi.org/10.3758/s13428-017-1003-6

Kontakt:
Dr. Christian H. Poth, Universität Bielefeld
Exzellenzcluster Kognitive Interaktionstechnologie (CITEC)
Telefon: 0521 106-4505
E-Mail: c.poth@uni-bielefeld.de

Autorin des Artikels: Maria Berentzen