Modellierung primärer multisensorischer Mechanismen der räumlichen Wahrnehmung

Abstract The presented work concerns visual, aural, and multimodal aspects of spatial perception as well as their relevance to the design of artificial systems. The scientific approach chosen here, has an interdisciplinary character combining the perspectives of neurobiology, psychology, and computer science. As a result, new insights and interpretations of neurological findings are achieved and deficits of known models and applications are named and negotiated. In chapter one, the discussion starts with a review on established models of attention, which largely disregard early neural mechanisms. In the following investigations and experiments, the basic idea can be expressed as a conceptual differentiation between early spatial attention and higher cognitive functions. All neural mechanisms that are modelled within the scope of this work, can be regarded as primary and object-independent sensory processing. In chapter two and three the visual and binaural spatial representations of the brain and the specific concept of the computational topography in the central auditory system are discussed. Given the restriction of early neural processes, the aim of the actual multisensory integration, as it is described in chapter four, is not object classification or tracking but primary spatial attention. Without task- or object-related requirements all specifications of the model are derived from findings about certain multisensory structures of the midbrain. In chapter five emphasis is placed on a novel method of evaluation and parameter optimization based on biologically inspired specifications and real-world experiments. The importance of early perceptional processes to orienting behaviour and the consequences to technical applications are discussed.In der vorliegenden Arbeit werden visuelle, auditive und multimodale Formen der räumlichen Wahrnehmung und deren Relevanz für den Entwurf technischer Systeme erörtert. Der dabei vertretene wissenschaftliche Ansatz hat interdisziplinären Charakter und berücksichtigt im Umfeld der Neuroinformatik und Robotik methodische Aspekte der Neurobiologie, Wahrnehmungspsychologie und Informatik gleichermaßen. Im Ergebnis sind einerseits neue und weitergehende Interpretationen der Befunde über die natürliche Wahrnehmung möglich. Andererseits werden Defizite bestehender Simulationsmodelle und technischer Anwendungen benannt und überwunden. Den Ausgangspunkt der Untersuchungen bildet in Kapitel 1 die Diskussion und kritische Wertung etablierter Aufmerksamkeitsmodelle der Wahrnehmung, in denen frühe multisensorische Hirnfunktionen weitgehend unbeachtet bleiben. Als Grundgedanke der folgenden Untersuchungen wird die These formuliert, dass eine konzeptionelle Trennung zwischen primärer Aufmerksamkeit und höheren kognitiven Leistungen sowohl die Einordnung von sensorischen Merkmalen und neurologischen Mechanismen als auch die Modellierung und Simulation erleichtert. In den Kapiteln 2 und 3 werden zunächst die primären räumlichen Kodierungen der zentralen Hörbahn und des visuellen Systems vorgestellt und die Spezifika von projizierten und berechneten sensorischen Topographien beschrieben. Die anschließende Modellierung von auditorisch-visuellen Integrationsmechanismen in Kapitel 4 dient ausdrücklich nicht der Klassifikation oder dem Tracking von Objekten sondern einer frühen räumlichen Steuerung der Aufmerksamkeit, die im biologischen Vorbild unbewusst und auf subkortikalem Niveau stattfindet. Nach einer Erörterung der wenigen bekannten Modellkonzepte werden zwei eigene multisensorische Simulationssysteme auf Basis künstlicher neuronaler Netze und probabilistischer Methoden entwickelt. Kapitel 5 widmet sich der systematischen experimentellen Untersuchung und Optimierung der Modelle und zeigt, wie unbewusste Wahrnehmungsleistungen und deren Simulation unter Bezugnahme auf qualitative und quantitative Befunde über multisensorische Effekte im Mittelhirn evaluiert werden können. Die Diskussion des Modellverhaltens in realen audio-visuellen Szenarien soll unterstreichen, dass die frühe Steuerung der Aufmerksamkeit noch vor der Objekterkennung einen wichtigen Beitrag zur räumlichen Orientierung leistet

Konzeptbasierte Argumentation in dynamischen Umgebungen

Argumentation systems play an important role when controversial points of views are to be considered in order to make decisions on inconsistent data. In this work a scalable framework for argumentation and decision support is outlined. This framework defines basic arguments and conflicts which refer to conceptual descriptions of the given state of affairs. Based on their meaning and preference relations that adopt specific viewpoints, it is possible to determine efficiently successful explanations depending on these viewpoints. We investigate our approach by examining soccer games, since many observed spatiotemporal behaviours in soccer can be interpreted differently

Das Rain Area Delineation Scheme RADS - Ein neues Verfahren zur satellitengestützten Erfassung der Niederschlagsfläche über Mitteleuropa

Die Arbeit stellt die Entwicklung eines Verfahrens zur Erkennung der Niederschlagsfläche in optischen Satellitendaten dar. Die Abgrenzung regnender Wolken beruht dabei auf dem Modellkonzept, dass diese über eine ausreichend große Kombination aus optischer Dicke und effektivem Tropfenradius verfügen müssen

Was hat Geschlecht mit Raum und Zeit zu tun?

Alltäglich denken wir weder über Geschlecht noch Raum noch Zeit groß nach, wir gehen allerdings ständig damit um - in eingeübten Verhaltensmustern. Auch ohne darüber nachzudenken, sind wir daran gewöhnt, Raum und Zeit miteinander zu verknüpfen: Wenn wir eine Verabredung treffen, legen wir dafür einen Ort und einen Termin fest. Vergäßen wir das eine oder das andere, käme ein Treffen kaum zustande. Ähnlich sind wir daran gewöhnt, dass Landschaften zu bestimmten Jahreszeiten ein anderes Aussehen annehmen oder dass Menschen im Laufe ihres Lebens sowohl den Anspruch ans Wohnen als auch die Ausgestaltung ihrer Wohnung ändern - jedes Lebensalter hat also ein eigenes räumliches Gesicht. Etwas schwieriger erscheint die Verknüpfung von Geschlecht mit Raum oder von Geschlecht mit Zeit oder erst recht von Geschlecht mit RaumZeit. Unsere Art der Problematisierung des Themenfeldes 'Geschlecht und RaumZeit' beruht auf der Annahme, dass sowohl die Gegenstände wissenschaftlicher Betrachtungen als auch die Gegenstände dominanter Alltagsauseinandersetzungen abhängig sind von ihrer historischen Einbettung, politischen und ökonomischen Möglichkeiten sowie soziokulturellen Entwicklungen. Im wissenschaftlichen Diskurs wird diesbezüglich von sozialer Konstruktion gesprochen. Wenn Geschlecht wie Raum wie Zeit als sozial konstruiert angenommen werden und damit gesellschaftlichem Wandel unterliegen, ist auszuführen, von welchem Verständnis von Geschlecht und von RaumZeit ausgegangen werden kann. Erst auf Grundlage solchen Vorverständnisses kann eine Materialauswahl und Materialzusammenstellung für Lehrveranstaltungen zum Themenfeld vorgenommen werden

Entwicklung einer Methode zur Identifikation dreidimensionaler Blickbewegungen in realer und virtueller Umgebung

Das Verständnis über visuelle Aufmerksamkeitsprozesse ist nicht nur für die Kognitionsforschung von großem Interesse. Auch in alltäglichen Bereichen des Lebens stellt sich die Frage, wie wir unsere Umwelt in unterschiedlichen Situationen visuell wahrnehmen. Entsprechende Untersuchungen können in realen Szenarien und aufgrund neuer innovativer 3D-Verfahren auch in Umgebungen der virtuellen Realität (VR) durchgeführt werden. Zur Erforschung von Aufmerksamkeitsprozessen wird unter anderem die Methode der Blickbewegungsmessung (Eyetracking) angewandt, da das Sehen für uns Menschen die wichtigste Sinnesmodalität darstellt. Herkömmliche Blickbewegungsmessungen beziehen sich allerdings überwiegend auf zweidimensionale Messebenen, wie Bildschirm, Leinwand oder Szenevideo. Die vorliegende Arbeit stellt eine Methode vor, mit der dreidimensionale Blickorte und Blickbewegungen sowohl in einer realen als auch in einer stereoskopisch projizierten VR-Umgebung anhand moderner Eyetracking-Technologien bestimmt werden können. Dafür wurde zunächst in Studie I geprüft, ob die Blickbewegungsmessung durch die für eine stereoskopische Bildtrennung notwendigen 3D-Brillen hindurch möglich ist und inwieweit durch diesen Versuchsaufbau die Qualität der erhobenen Eyetracking-Daten beeinflusst wird. Im nächsten Schritt wurde zur Berechnung dreidimensionaler Blickorte das Anforderungsprofil an einen universellen Algorithmus erstellt und mit einem vektorbasierten Ansatz umgesetzt. Die Besonderheit hierbei besteht in der Berechnung der Blickvektoren anhand der Augen- bzw. Foveaposition und binokularen Eyetracking-Daten. Wie genau dreidimensionale Blickorte anhand dieses Algorithmus berechnet werden können, wurde nachfolgend in realer (Studie II) als auch stereoskopisch projizierter VR-Umgebung (Studie III) untersucht. Anschließend erfolgte die Bestimmung dreidimensionaler Blickbewegungen aus den berechneten 3D-Blickorten. Dazu wurde ein ellipsoider Fixationserkennungsalgorithmus konzipiert und implementiert. Für die dispersionsbasierte Blickbewegungserkennung waren sowohl ein zeitlicher als auch örtlicher Parameter für die Identifikation einer Fixation erforderlich. Da es noch keinerlei Erkenntnisse im dreidimensionalen Bereich gab, wurden die in Studie II und III ermittelten 3D-Blickorte der ellipsoiden Fixationserkennung übergeben und die daraus berechneten Fixationsparameter analysiert. Die entwickelte Methode der räumlichen Blickbewegungsmessung eröffnet die Möglichkeit, bislang in zwei Dimensionen untersuchte Blickmuster nunmehr räumlich zu bestimmen und grundlegende Zusammenhänge zwischen Blickbewegungen und kognitiven Prozessen dreidimensional sowohl in einer realen als auch virtuellen Umgebung zu analysieren

Ereignisbezogene Veränderungen der visuellen Fixationsdauer

Der Ansatz der Arbeit lässt sich auf zwei Gebiete aus der Blickbewegungsforschung zurückführen. Einerseits basieren die Studien auf Experimenten zum remote distractor effect, andererseits auf Untersuchungen beim Lesen bzw. der Wahrnehmung komplexer Szenen. Innerhalb beider Ansätze findet eine Analyse der Auswirkungen unterschiedlichen Reizmaterials (z.B. Texte oder Bilder) auf die Fixationsdauer statt. Aktuelle Erklärungsansätze werden im Bezug zu den gefundenen Ergebnissen dargestellt und kritisch bewertet. Anhand der Ergebnisse einer Voruntersuchung wird vorgeschlagen, die gefundenen Effekte im Rahmen der Orientierungsreaktion (OR) zu betrachten. In einer Serie von vier Untersuchungen wird dargelegt, dass die Dauer von Fixationen auch durch externe Ereignisse moduliert wird. In der ersten Untersuchung wurden die zeitlichen Aspekte des Distraktoreffekts untersucht. Dafür erschienen Distraktoren mit verschiedenen Latenzen nach Fixationsbeginn. Zusätzlich wurde untersucht, welche Auswirkungen unterschiedliche Distraktormodalitäten (visuell und akustisch) zeigen. Die Ergebnisse demonstrierten eine deutliche Verlängerung der jeweils vom Distraktor betroffenen Fixation für alle Latenzen. Für Distraktoren beider Modalitäten zeigte sich eine vergleichbare Verlängerung betroffener Fixationen. Bei der zweiten Untersuchung wurde für visuelle Distraktoren geprüft, inwieweit sich die vorgeschlagene Interpretation im Rahmen der OR bestätigen lässt. Dafür wurde der Effekt hinsichtlich einer Habituation untersucht. Für die Studie wurden Distraktoren mit zwei verschiedenen Latenzen auf umweltbezogenen vs. retinal fixierten Koordinaten präsentiert. Die Ergebnisse zeigten, dass eher Störungen auf gleichen retinalen Positionen eine Abnahme des Effektes zur Folge haben (also habituieren). Für Distraktoren auf konstanten Bildpositionen konnte keine systematische Abnahme des Distraktoreffektes gemessen werden. Für die dritte Untersuchung wurden Augenbewegungen und blickkontingente ereigniskorrelierte Potentiale (EKP?s) parallel aufgezeichnet. Bisher liegen keine Erkenntnisse vor, wie anhand von Parametern der Augenbewegungen Habituation nachweisbar ist, die Abnahme der N1-Komponente der EKP?s hingegen gilt als etablierter Nachweis einer Habituation. Die Ergebnisse zeigten, neben der Verlängerung der Fixationsdauer für visuelle und akustische Distraktoren, eine deutliche Auswirkung auf die N1-Komponente. Bei der Prüfung der Habituation über die betrachteten Bilder zeigte sich eine Verringerung des Effektes in der Fixationsdauer und der N1-Komponente. Auf Schwierigkeiten in Bezug auf den Nachweis einer ausgeprägten Habituation wurde an entsprechender Stelle hingewiesen. Die letzte Studie (N=1) testete, ob sich die Neuinterpretation des Effektes mit neurophysiologischen Erkenntnissen vereinbaren lässt. Bei dem Probanden wurde aufgrund eines Unfalls eine Schädigung des frontalen Augenfeldes (FEF) angenommen. Es wurden Distraktoren links, rechts, ober- und unterhalb des Fixationsorts dargeboten. Beim ersten Versuch, 12 Monate nach dem Unfall, zeigte sich für Distraktoren links des Fixationsortes keinerlei Verlängerung der betroffenen Fixationen. Beim zweiten Versuch, acht Monate später, zeigte sich der Distraktoreffekt auf allen Positionen. Dies lässt sich als Unterstützung der Annahme einer Schädigung der FEF interpretieren, da sich in verschiedenen Studien selbst bei operativer Entfernung der FEF eine deutliche Verringerung der entstandenen Defizite nach einigen Wochen zeigte. Mögliche Alternativen der dargestellten Interpretation wurden an entsprechender Stelle diskutiert. Diese Untersuchungen bestätigen, dass sich ereignisbezogene Verlängerungen der visuellen Fixationsdauer mit dem Rahmenkonzept der OR in Verbindung bringen lassen. Es gilt jedoch zu berücksichtigen, dass eine Reihe weiterer Einflussfaktoren an der Modulation des Effektes beteiligt sind, obwohl es sich offenbar um eine Reaktion subkortikalen Ursprungs handelt

Structures of repetition in films of Jim Jarmusch

Die Dissertation widmet sich den 'Wiederholungsstrukturen in den Filmen von Jim Jarmusch'. Mit dem Thema soll ein neues Konzept der Filmanalyse vorgestellt werden. In seiner Methodologie beruht es auf dem Element der Wiederholung. Die Wiederholung tritt im Film semiotisch auf. Im modernen philosophischen Denken spielt die Wiederholung eine Rolle, indem sie auf bestimmte Weise differentiell auftritt. Im Film bildet die Wiederholung kennzeichnende Codierungen aus. In unterschiedlicher Hinsicht bietet es sich somit an, das Element als Schlüssel zur Filminterpretation aufzugreifen. Das neue Konzept unterscheidet sich von bisherigen filmischen Methoden dadurch, dass mit ihm über das standardisierte Begriffsinstrumentarium aus der Filmwissenschaft hinausgegangen wird, ohne diesem den Rücken zu kehren. Jedoch wird Filmanalyse anhand des Elements der Wiederholung nun genuin als Akt der semiotischen Interpretation und des philosophischen Lesens von Filmen begriffen. In diesem Rahmen beruht das Verstehen von Filmen auf einzelnen und komplexen Zeichen, die im Film Zeitlichkeit und Räumlichkeit herstellen. In poststrukturaler Hinsicht lässt sich die Wiederholung als das konstitutive Moment im Zeit-Bild von Gilles Deleuze verstehen. In der Philosophie gibt es aber noch andere Denker, bei denen die Wiederholung relevant ist. Wie lässt sich die Wiederholung als materielles Element im Film einerseits, als philosophisch Gedachtes andererseits für die Filmanalyse gewinnbringend einsetzen? In Beantwortung dieser Frage wird in der Untersuchung zu den 'Wiederholungsstrukturen in den Filmen von Jim Jarmusch' versucht, dem Konzept des auteur-structuralisme Rechnung zu tragen. In der Lektüre und Interpretation wird Jarmusch als Autor / auteur mit der Struktur seiner Filme 'identifiziert'. Mit der Verschränkung von Autor / auteur und filmischem Text wird auf Roland Barthes Forderung nach der 'Geburt des Lesers' eingegangen. Filme sind demnach auch dann lesbar, wenn der Autor / auteur selbst (in unserem Fall Jim Jarmusch) für das, was er produziert hat, nicht mehr einsteht. Das theoretische Ziel der Untersuchung liegt darin, Erkenntnisse über die filmische Wiederholung zu gewinnen, sowohl in Bezug auf das philosophische Denken der Wiederholung, als auch hinsichtlich ihrer materiellen Verkörperung. Das Denken der Wiederholung wird fragend behandelt, indem wissenschaftlich untersuchend in die filmische Illusion eingegriffen wird. Mit Blick auf das ganze filmische Schaffen Jarmuschs wird aufgezeigt, wie sich seine filmischen „möglichen Welten“ anhand der Aufschlüsselung der Zeichen interpretieren lassen. Die Untersuchung stellt somit ein bislang noch nicht angewandtes Konzept der Betrachtung von Filmen vor, das auch auf andere Filmautoren / auteurs und ihr jeweiliges künstlerisches Schaffen übertragbar wäre.The following thesis with the title 'Structures of repetition in films of Jim Jarmusch' chooses the element of repetition to examine the cinema of the named author / auteur. It is maintained that repetition (or recurrence) is able to serve as an instrument in film research on different methodological levels and in particular in the matter of semiotic structures or film writing. The element or motive of repetition on which several modern philosophical views are based on can be used for the interpretation and reading of films. Referring to various theorists Gilles Deleuze’s 'Time-Image' - in which repetition occurs in a structural way - is submitted to a new approach. Within the scope, the thesis claims to show that repetition is part of the concept of auteur-structuralism’