Motion of a visual background relative to a stationary target induces an illusion of target motion in space (Duncker's induced motion). Does the signal of an actual target-in-space motion override this induced motion signal or do the two signals interact?
Six normal human subjects were seated on a stationary chair. A visual target (red light spot; 0.5 deg; at eye level) and an optokinetic pattern (`background') were projected onto a cylindrical screen surrounding the chair (vertical axis, r=1m). Target and background could independently be rotated using horizontal smoothed position ramps with a `raised cosine velocity' trajectory (displacements, 2, 4, 8, 16 deg; dominant frequencies, 0.05, 0.2, 0.8 Hz; peak velocities 0.2-25.6 deg/s). Subjects were to keep their eyes always on target and to give retrospective verbal magnitude estimates for target velocity.
In the everyday condition of target-in-space motion with stationary background, slow target velocities (<3 deg/s) were over-estimated and fast velocities (>3 deg/s) were under-estimated. By moving the background, the relative motion background-to-target (BT) could be varied. If BT was doubled, the over-estimation at low velocities also was approximately doubled. When BT became zero, the over-estimation was largely absent (estimates about veridical) and when BT became reversed in direction, it changed into an under-estimation. During all stimulus combinations, the relative motion effect was nearly absent with fast target/ background motion, in that target velocity was under-estimated.
Our results and computer simulations were compatible with the notion that (i) the target-in-space (TS) motion signal is derived from an eye-in-head movement signal (head was kept stationary in space), (ii) the induced motion signal is a purely visual signal of the relative motion BT, (iii) there is a linear summation of the TS and BT signals for the perception of TS velocity, (iv) both signals have similar transfer characteristics (high gain at low velocities, low gain at high velocities).
Gravitation ist eine konstante Kraft, welche auf Bewegung in der Umwelt einwirkt. In vielen Fällen definiert Gravitation dabei eine feste Beziehung zwischen zeitlichen und räumlichen Bewegungsgrößen (z.B. zwischen der Länge und der Periodendauer eines Pendels). Terrestrische Bewegung von Lebewesen ist ebenfalls von dieser Beziehung betroffen. Lokomotion erfordert kostbare Energie und um deren Verbrauch gering zu halten, zeichnen sich Gangmuster dadurch aus, dass sich die Gesamtenergie periodisch zwischen kinetischer, potentialer und elastischer Energie verschiebt. In einem psychophysischen Experiment untersuchten wir, inwieweit das menschliche visuelle System in der Lage ist, durch Geschwindigkeit vermittelte Größeninformation aus biologischen Bewegungsmustern von Tieren zu gewinnen.
Mit Hilfe eines Bewegungserfassungssystems (Vicon 512, Oxford Metrics) wurden 3D-Trajektorien von Markerpunkten vermessen, die an den Gelenkpunkten von drei Hunden verschiedener Größe befestigt waren, welche sich mit moderater Geschwindigkeit durch das Messvolumen bewegten. Point-light Displays von diesen biologischen Bewegungsmustern wurden generiert, indem Projektionen der Markerpositionen in sagittaler Ansicht auf einem Computermonitor animiert wurden. Neben der Originalgeschwindigkeit wurden zwei langsamere und zwei schnellere Wiedergabegeschwindigkeiten gezeigt. Die Position der Animation auf dem Bildschirm blieb dabei unverändert, so dass der Eindruck entstand, als würde der Hund auf einem Laufband laufen. Die Größe aller Animationen blieb konstant (8.5 Grad Sehwinkel). Aufgabe der Versuchspersonen war es, die absolute Größe des Hundes (Schulterhöhe) in Zentimetern anzugeben.
Sowohl die absolute Größe des Hundes als auch die Wiedergabegeschwindigkeit hatten einen signifikanten Einfluss auf die Größeneinschätzung in der erwarteten Richtung. In Animationen größerer Hunde wurden diese tatsächlich als größer wahrgenommen als in solchen von kleineren Hunden (F(1,30) = 30.8, p<0.001). In mit verlangsamter Geschwindigkeit präsentierten Animationen wurden die Hunde größer wahrgenommen als in solchen mit erhöhter Geschwindigkeit. (F (4,60) =37.4, p<0.001).
Wir schließen daraus, dass menschliche visuelle Wahrnehmung die Wirkung von Gravitation auf die Geschwindigkeit biologischer Bewegung verwenden kann, um daraus Information über die Größe eines Tieres abzuleiten. Weitere Untersuchungen sind notwendig, um die exakte psychophysische Beziehung zwischen Wiedergabegeschwindigkeit und wahrgenommener Größe zu bestimmen.
The human visual system is highly sensitive to animate motion patterns. It is able to classify and identify motion patterns on several levels ranging from the recognition of an action to the identification of the actor. How is such information encoded in visual motion data? We present a computational model that transforms visual motion data into a representation that allows identification of diagnostic invariants and we test the model for its ability to discriminate between human walking and running.
The model is based on an algorithm that transforms visual motion data such that they can be successfully analyzed with linear methods from statistics and pattern recognition. The input data can be either three-dimensional trajectories of feature points on the body or their two dimensional projections. The transformation is based on a linear decomposition of postural data into a few components whose coefficients change with sinusoidal temporal patterns. Different aspects of this representation are diagnostic for different aspects of the motion patterns. We employ a linear discrimination function to classify different gait patterns.
We tested the model for its ability to discriminate between 10 walking and 10 running sequences using both 3D motion capture data as well as 2D projections from 12 different viewpoints. The algorithm is robust with respect to viewpoint and with respect to the position of the marker points on the body. Classification errors are below 4%. Discrimination is mainly based on phase relations between the postural components.
The algorithm does not employ any a-priori knowledge about the articulation of the body or the labels of the features. Together with a video based tracking algorithm, it can therefore be extended to work directly on video data. Hence, it is not only a powerful model for biological information processing but has also implications for both computer vision and computer graphics.
Misst man die visuell evozierte Antwort (VEP) auf Bewegungs-Onset nach Bewegungsadaptation, findet man einen globalen Effekt für alle Richtungen und einen spezifischen Effekt für die adaptierte Richtung, letzteren mit einer breiten Winkelauflösung. Ziel war es, mit einem Adaptations-Populationsmodell Rückschlüsse auf die Winkelauflösung der elementaren Bewegungsdetektoren zu erhalten.
Die Reize bestanden aus Zufallspunkten (Größe 0.25 Grad), die sich in 7 Richtungen mit einer Geschwindigkeit von 8.6 Grad/s bewegten oder stationär blieben. Jeder Punkt hatte eine begrenzte Lebenszeit von 93 ms, um bereits in der Baseline-Bedingung den globalen Adaptationseffekt auszulösen. Bei 6 Probanden wurden jeweils an 3 Ableitorten (Oz, Otr und Otl) Bewegungs-VEPs in der Anordnung Baseline (stationär) Adaptation (Bewegung nach rechts) Erholung abgeleitet. Das Populationsmodell nahm Einzeldetektoren mit einem Gauss-artigen Richtungsselektivitätsprofil an. Das Ausmaß der Adaptation eines einzelnen Rezeptors wurde als proportional zur Überlappung seines Richtungsprofils mit der adaptierenden Richtung angenommen. Die Populationsantwort wurde aus dem Mittel aller nach Adaptation gewichteten Richtungsprofile errechnet.
Wir beobachteten bei allen Probanden deutliche Adaptationseffekte, ohne den globalen Effekt. Die breite adaptationsbedingte "Kerbe" im VEP-Richtungsprofil wurde durch einfache Bewegungsdetektoren mit einer Halbamplituden-Auflösung von +/-39 Grad gut modelliert.
Eine begrenzte Punktlebenszeit führt zur Voradaptation nicht-bewegungsspezifischer Detektoren, vermeidet so den globalen Effekt und isoliert damit rein bewegungsspezifische VEP-Komponenten. Ein einfaches lineares Populationsmodell ergab eine mittlere Winkelauflösung von +/-40 Grad. Diese Winkelauflösung passt gut zu Einzelzellableitungen aus Area MT.
Humans are remarkably good at perceiving biological motion (BM), e.g. a person walking, from only a few lightpoints taped to an otherwise invisible body. Local visual information carried by the dots can be split into position signals and motion signals. When more than one dot is displayed on a single limb, also orientation signals are available.
Recently, we reported that humans already recognize BM from displays devoid of local motion signals (Lappe et al., Neuroscience Abstr. 2000). This suggests that position signals alone are sufficient to perceive BM. We here quantify the extent to which orientation and motion signals further aid BM perception.
Subjects were presented a point light walker display in which the number of dots visible per frame (1 up to 32) and dot lifetime were varied. Dot lifetime was limited by jumping each dot to a random position on the limb after a certain number (1-8) of frames. Stimulus duration lasted up to 10 s. We measured reaction time (RT) while subjects performed a direction discrimination task.
Generally, subjects were able to perform the task even with dot life time of only one frame. If orientation signals contribute, we expect a sharp transition in RT when more than 1 dot per body limb is shown. We found, however, that RT decreased only gradually with increasing number of dots. Furthermore, if motion information contributes, we expect RT to drop with increasing lifetime. But, RT continuously rose with increasing lifetime. However, averaged over time, an increase in lifetime also reduces the number of displayed positions, thereby reducing positional information. For data with identical positional information averaged over time, we do find that RT reduces with increasing lifetime.
Our data support previous findings that position signals are sufficient to perceive biological motion, but that performance increases in the presence of local motion signals. No evidence, however, is found for a special role of orientation signals.
Frühere Untersuchungen (Albright 1992, O'Keefe & Movshon 1998) haben ergeben, daß eine Unterpopulation der Neurone in den Arealen MT und MST von Rhesusaffen in der Lage ist, Bewegungen zweiter Ordnung richtungsselektiv zu kodieren (SOM-Neurone). Die Frage ist jedoch unbeantwortet, ob die Population der SOM-Neurone sich auch durch ihre Reaktion auf Bewegungen erster Ordnung von den übrigen Neuronen unterscheidet. Wir untersuchten die Antworten einer Population von horizontal richtungsselektiven Neuronen aus den Arealen MT (n=43) und MST (n=27) von zwei auf Richtungsdiskrimination trainierten Rhesusaffen. Dabei bestimmten wir ihre Reaktion auf Bewegungen zweiter Ordnung (driftfreie Bewegung, Chubb & Sperling 1988) und verglichen diese mit einer Reihe von Antworteigenschaften auf Bewegungen erster Ordnung wie der Modulations-Übertragungsfunktionen (MÜF) für Richtung und Geschwindigkeit, Reaktion auf Glatte Augenfolgebewegungen sowie die Größe ihrer rezeptiven Felder. Wie erwartet waren beide MÜF zwischen den Arealen MT und MST nicht signifikant unterschiedlich, bei den Reaktionen auf Glatte Augenfolgebewegungen und der Größe der rezeptiven Felder fanden wir jedoch signifikante Unterschiede (p<0,01). Es zeigte sich, daß die Antworteigenschaften der Neurone auf Reize erster Ordnung nicht ausreichen, um die Fähigkeiten der SOM-Neurone zu determinieren, daß sie jedoch modulierend auf die Kodierung der Reize zweiter Ordnung einwirken können. Beispielsweise zeigt die MÜF der Neurone keine signifikanten Unterschiede in der Vorzugsgeschwindigkeit zwischen den beiden Gruppen (t-Test, p=0,18), innerhalb der Gruppe SOM-Neurone gibt es aber einen signifikanten Zusammenhang zwischen der Richtungsselektivität und der Vorzugsgeschwindigkeit (r=0,48, p=0,02, n=23). Diese Ergebnisse legen es nahe, daß SOM-Neurone keine durch andere Eigenschaften abgrenzbare Unterpopulation unter den MT und MST Neuronen bilden. Sie stützen die These, daß Bewegungen zweiter Ordnung unabhängig von Bewegungen erster Ordnung verarbeitet werden.
T. D. Albright, "Form-cue invariant motion processing in primate visual cortex" Science 255, 1141-3 (1992).
L. P. O'Keefe and J. A. Movshon, "Processing of first- and second-order motion signals by neurons in area MT of the macaque monkey" Vis Neurosci 15, 305-17 (1998).
C. Chubb and G. Sperling, "Drift-balanced random stimuli: a general basis for studying non-Fourier motion perception" J Opt Soc Am A 5, 1986-2007 (1988).
We investigate impairments of visual cognitive functions and undelying brain mechanisms in children born preterm. Preterms are supposed to have difficulties in building coherent Gestalt-like representations which are thought to be the consequence of periventricular leukomalacia (PVL) in the parieto-occipital region (Krägeloh-Mann et al., 1999). Using the simultaneous masking paradigm, we psychophysically examine the susceptibility of the visual system to distortions caused by camouflaging of biological motion (Pavlova et al., 2000a). Preterms with PVL (as revealed by MRI) and matched healthy full-term controls (aged 14-16 yrs) saw a set of stimuli presented with either upright or inverted 180° display orientation. Half the stimuli were comprised of a point-light walker embedded in a mask, while the other half were only masks. In a confidence-rating procedure, subjects had to judge whether a walker was present. ROC-analysis showed that sensitivity in preterms is consistently lower than in controls. MEG brain activity during performance of the task is further analyzed. Gamma MEG activity in adults exhibits specific patterns of enhancements in response to biological motion (Pavlova et al., 1999, 2000b). Changes in the psychophysical and MEG response indicate the specificity of a compensatory potential of the brain in preterms.
Krägeloh-Mann, I., Toft, P., Lunding, J., Andersen, J., Pryds, O. & Lou, H. C. (1999). Brain lesions in preterms - origin, consequences and compensation. Acta Paediatrica, 88, 897-908.
Pavlova, M., Krägeloh-Mann, I., Sokolov, A., & Birbaumer, N. (2000a). Simultaneous masking of a point-light walker in children. In: Fechner Day 2000. Ed. C. Bonnet (Strasbourg, France: The ISP), pp. 279-284.
Pavlova, M., Lutzenberger, W., Sokolov, A., & Birbaumer, N. (1999). Biological motion perception and gamma MEG activity. In: Looking Back: The end of 20th Century Psychophysics. Eds. Killeen, P., & Uttal, W. (Tempe/AZ, USA: The ISP), pp. 320-325.
Pavlova, M., Lutzenberger, W., Sokolov, A., & Birbaumer, N. (2000b). Task-driven gamma MEG response to point-light walker. Soc. Neurosci. Abstracts, 26 (Pt 2), 2223.
The perception of target (=object) motion during steady-state smooth-pursuit eye movements (SPEM) in darkness must rely on non-retinal information on eye velocity ("reference signal", RS-object) as significant target image slip is missing. On the other hand, an eye movement reference signal (RS-background) is also needed in order to guarantee the perception of a stable background despite pursuit induced background image slip. This is the result of a subtractive comparison of background image slip and RS-b. We have recently shown that RS-b is continuously re-calibrated, based on visual information on its adequacy. Here we used our ability to change the size of RS-b in order to investigate, whether target and background motion perception share a common reference signal.
Six human subjects participated in two experiments, in which we compared the perception of pursuit-induced background movement (experiment a) with the perception of object motion (experiment b) during SPEMs. In each experiment, "test" trials, used to measure the percept of object and background motion respectively, were presented randomly interleaved with a much larger number of "constant stimuli" (CS) trials, in which SPEM was carried out over structured backgrounds moving at constant velocities. These CS trials, mimicking a mismatch between RS-b and the retinal signal, allowed us to manipulate the size of RS-b, thereby altering the percept of background motion (Lindner et al. 2000 Soc Neurosci Abstr 26, 2, 1716). In accordance with our earlier observations, we found that the velocity of the background associated with subjective stationarity was shifted towards the velocity of the CS, reflecting a change in the size of the RS-b. However, perceived target velocity turned out to be independent of the size and direction of the CS. These findings indicate that the percept of object and background motion during SPEM depends on distinct reference signals.
Die durch Eigenbewegungen erzeugten visuellen Bewegungen erlauben Rückschlüsse auf die Struktur der Umgebung und die durchgeführte Bewegung. Vorausgegangene Versuche zeigten, dass menschliche Versuchspersonen zwei visuell simulierte Vorwärtsbewegungen bezüglich ihrer zurückgelegten Distanz unterscheiden können (Bremmer und Lappe, Exp. Brain Res. 1999; Frenz, Bremmer und Lappe, TWK 2000). Da diese Versuche letztlich den Vergleich zweier Bewegungssequenzen beinhalteten, blieb die Frage jedoch unbeantwortet, ob die Versuchspersonen auch über ein abstraktes Maß der zurückgelegten Strecke verfügen. Die hier vorgestellten Experimente sollten diese Frage untersuchen. Zunächst wurde eine Eigenbewegung in einer virtuellen Umgebung visuell simuliert. Im Anschluß daran sollten Versuchspersonen mit zwei auf einer virtuellen Ebene liegenden horizontalen Linien die zurückgelegte Distanz der Bewegungssimulation in Form eines Intervalls anzeigen. Die erste Linie wurde in einem konstanten Abstand zur Position des Betrachters eingeblendet. Die zweite Linie konnte mit Hilfe einer Computermaus gesteuert und so die Größe des Intervalls eingestellt werden. Die Versuche wurde in verschiedenen simulierten Umgebungen mit unterschiedlichen Tiefenhinweisen durchgeführt.
Die Umgebungen wurden von einem Graphikcomputer generiert und auf einen Projektionsschirm (90x90 Grad Sehwinkel) präsentiert. In allen Versuchen wurden virtuelle Ebenen verwendet, die entweder aus einer Textur oder aus Lichtpunkten bestanden. Im Falle der texturierten Ebene vergrößerten sich die Objekte der Ebene mit abnehmende Abstand zum Betrachter. Es gab einen Dichtegradienten der Objekte zum Horizont hin. Die Lichtpunkt Ebenen bestanden aus Punkten, deren Lebensdauer begrenzt war. In einem Versuch war ein Dichtegradient der Objekte zu erkennen, jedoch blieb die Größe der Objekte konstant. In einem weiteren Versuch wurden die Punkte auf der unteren Leinwandhälfte zufällig verteilt, so dass kein Dichtegradient vorhanden war. Der Ebeneneindruck entstand erst bei einsetzender Bewegung. Die Eigenbewegungen wurden mit verschiedenen Dauern und Geschwindigkeiten simuliert.
In allen Umgebungen konnte eine weitgehende Linearität zwischen der von den Versuchspersonen eingestellten Distanz und der zurückgelegten Strecke festgestellt werden. Die Steigungen der Regressionsgeraden waren jedoch meistens kleiner 1, d.h. die Distanzen der Eigenbewegung wurden unterschätzt. Weiterhin zeigte sich, dass die verschiedenen Tiefenhinweise der getesteten Umgebungen einen Einfluß auf die Wahrnehmung der Distanzen haben. Je weniger Tiefenhinweise in der Umgebung enthalten waren, desto größer wurde die Steigung der Regressionsgeraden. Dies legt nahe, dass eine abstrakte Distanzschätzung aus dem Flußfeld möglich ist, aber durch Hinzunahme weiterer Tiefenhinweise gestört wird.