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18. August 2011

Sehen in 3D

Schweiß perlt auf der Stirn, Autos hupen, ein Passant fuchtelt mit den Händen. Beim Einparken steigt oft Stresspegel. Dabei ist das visuelle System bestens geeignet, den Abstand zum Sportwagen hinter uns und zum Betonpoller vor uns einzuschätzen.

Unsere Umgebung ist dreidimensional und unser Wahrnehmungsapparat hat sich offenkundig darauf eingestellt. Man greift nach dem Telefonhörer links auf dem Schreibtisch – und erwischt ihn. Man wirft den zerknüllten Zettel Richtung Papierkorb – und trifft, sofern man nicht Michael Jordan heißt, zwar keineswegs immer. Doch meterweit daneben geht der Schuss fast nie. Was selbstverständlich erscheint, wird umso erstaunlicher, wenn man weiß, dass Telefonhörer und Papierkorb auf der Netzhaut ein zweidimensionales Bild erzeugen. Und das gilt für alles, was wir betrachten. Doch obwohl ihr Abbild im Auge flächig ist, nehmen wir die Welt in drei Dimensionen wahr. Wie das?

Dass wir den Raum dreidimensional erleben, verdanken wir komplexen Berechnungen des Gehirns – und dem Aufbau der Retina.
Dass wir den Raum dreidimensional erleben, verdanken wir komplexen Berechnungen des Gehirns – und dem Aufbau der Retina.

Um der räumlichen Anordnung der Dinge auf die Spur zu kommen, wertet das visuelle System verschiedene Informationen aus. Schatten, Überlagerungen fließen in die Berechnungen ebenso ein wie Erfahrungswerte über die Größe eines Objekts. Den Hauptanteil an unserer Fähigkeit zum dreidimensionalen Sehen hat aber auf kurze bis mittlere Entfernungen die Tatsache, dass wir zwei Augen besitzen, deren Eintrittsöffnungen – die Pupillen – etwa sechs bis sieben Zentimeter auseinander liegen. Schauen beide Augen auf ein und denselben Gegenstand, tun sie das deshalb immer aus einem leicht unterschiedlichen Winkel. Das heißt, auf die Netzhaut des linken Auges fällt ein etwas anderes Bild als auf die Netzhaut des rechten Auges. Das lässt sich leicht prüfen, indem man den Daumen mit ausgestrecktem Arm direkt vor der Nase hochhält und dahinter einen Punkt fixiert, sagen wir die Ecke des Monitors. Kneift man jetzt nun abwechselnd das linke und das rechte Auge zu, scheint der Daumen hin und her zu springen – in Relation zum Fixationspunkt. Der wird in der Netzhaut des linken und der des rechten Auges auf korrespondierenden Stellen abgebildet. 
Die Bilder von näher gelegenen Objekten wie dem Daumen in unserem Selbstversuch sind gegenüber diesen korrespondierenden Netzhautstellen versetzt. Aus der so genannten retinalen Disparität, das heißt dem seitlichen Versatz und dem Unterschied der Abbilder eines Objekts auf den beiden Netzhäuten, entschlüsselt das Gehirn die räumliche Tiefe. Dabei gilt: Je näher Fixationsebene und Gegenstand zusammen liegen, desto geringer die Differenzen. Wenn man Beim Einparken also den Sportwagen fixiert und der Daumen kaum noch hin und her springt, ist es höchste Zeit zu bremsen.

Doppeltsehen mit und ohne Alkohol

Schon im 19. Jahrhundert erkannte der englische Physiker Charles Wheatstone (1802 bis 1875), dass das Gehirn aus zwei flächigen Abbildern der Umwelt von den beiden Augen ein dreidimensionales Gesamtbild zusammenbaut. Er prägte dafür den Begriff des stereoskopischen Sehens und erfand das erste Stereoskop, den Urgroßvater des 3D-Kinos.
  • Obwohl Bilder auf unserer Netzhaut zweidimensional ankommen, haben wir einen guten Blick für drei Dimensionen. Dies liegt an den zusätzlichen Auswertungen von Informationen, die das visuelle System vornimmt – etwa Schatten, Überlagerungen und Erfahrungswerte über Größen.
  • Zusätzlich errechnet der visuelle Cortex im Gehirn aus dem unterschiedlichen Sichtwinkel beider Augen auf ein Objekt, der retinalen Disparität, dessen Position im Raum.
  • Weitere Hinweise zur Tiefe des Raumes erhält das Gehirn über die Position der Augäpfel beim Fixieren eines Punktes sowie durch das stereoskopische Sehen, also die Tatsache, dass im Gehirn die zwei Bilder aus den Augen zu einem zusammen gefügt werden.
Der Ort, an dem aus den zwei verschiedenen Bildern ein ganzes wird, ist der visuelle Cortex. Dieser auch Sehrinde genannte Teil des Großhirns erstreckt sich in etwa vom Pferdeschwanz bis zu den Ohren. Dort werden die verschiedenen Aspekte eines Seheindrucks von spezialisierten Nervenzellen entschlüsselt: Farbe, Konturen, Helligkeit, Bewegung ebenso wie räumliche Anordnung und Ausdehnung von Objekten. Die für letzteres zuständigen Neuronen erhalten Input von der linken und der rechten Netzhaut und errechnen aus den Unterschieden, der retinalen Disparität, Informationen über die Entfernung.
So wichtig es für unsere räumliche Wahrnehmung ist, dass die Augen zwei Abbilder der Außenwelt liefern, so lästig wäre es, beide auch getrennt zu erblicken. Denn dann wurden wir alles doppelt sehen. Deshalb werden die beiden Bilder in der Sehrinde fusioniert, zu einem einzigen Gesamtbild. Wie dieses aus zwei mach eins funktioniert, ist noch unklar. Aber es funktioniert und lässt uns sehen, als wären wir ein Zyklop mit nur einem Auge in der Mitte. Meistens jedenfalls. Manchmal gießen aber plötzlich zwei Barmänner Drinks ein und zwei südländische Schönheiten rekeln sich synchron an der Theke. Dann hat man zu tief ins Glas geschaut. Denn viel Alkohol bringt die vom Kleinhirn gesteuerte Koordination der Augenbewegungen so durcheinander, dass das Gehirn die Bilder der beiden Augen nicht mehr vereinen kann.

Gezielt Schielen

Wie sich unsere Augen bewegen, spielt auch eine Rolle bei den okulomotorischen Tiefenhinweisreizen. Dabei gewinnt das Gehirn aus den Bewegungen der Augen Informationen über die räumliche Tiefe. Allerdings geht das nur auf kurzen Distanzen, also etwa wenn wir unseren Beifahrer anschauen, während er sich zu uns rüber beugt. Je näher er uns kommt, desto stärker drehen sich unsere Augen zu unserer Nase hin, um ihn zu fixieren. Gleichzeit spannen sich im Auge die Ziliarmuskeln an stärker an, um das Bild scharf zu stellen, zu akkommodieren, wie man sagt. An der Konvergenz, also wie stark wir schielen, und der Anspannung der Muskeln, erkennt das Gehirn, wie nah uns unser Beifahrer ist. Ob dieser relativ ungenaue Mechanismus überhaupt zum räumlichen Sehen beiträgt und wenn ja in welchem Ausmaß, ist bei Wissenschaftlern umstritten. „Es würde mich jedoch wundern, wenn das Gehirn Information, die ihm unmittelbar zur Verfügung steht, nicht nutzt“, meint der Biopsychologe Professor Onur Güntürkün von der Ruhr-Universität Bochum.

Tiefe erkennen mit nur einem Auge

Konvergenz und stereoskopisches Sehen sind binokulare Tiefenhinweisreize: Um sie zu nutzen, braucht man zwei intakte Augen. Doch obwohl er seit der Jugend nur auf einem Auge sieht, erzielte der ehemalige Fußball-Nationalspieler Wilfried Hannes 62 Tore in der Bundesliga. „Entfernungen waren schon schwieriger einzuschätzen.“, bestätigt Hannes. Dass er den Ball trotzdem ins Tor zirkelte, liegt daran, dass sogenannte monokulare Hinweise dem Gehirn helfen, mit nur einem Auge Tiefe zu erkennen.
Wenn der Gegenspieler den Torwart verdeckt, steht der Gegner dichter vor einem. Das weiß nicht nur Winfried Hannes aus Erfahrung. Diesen Tiefenhinweis der Interposition nutzt das Gehirn. Auch die Schatten des Mitspielers und Gegenspielers verraten etwas über deren Position und Entfernung. Ebenso zeigen Muster Tiefe an: Grashalme in der anderen Spielfeldhälfte wirken dichter beieinander als direkt vor einem. Wer im Fußballtor steht, kann den Hinweis der linearen Perspektive erkennen. Die parallelen Tribünen und Spielfeldränder scheinen sich in der Ferne anzunähern. Pass, Flanke, Schuss, Tor. Durch die schnellen Bewegungen beim Fußball kommt noch ein weiterer Tiefenhinweis ins Spiel, die Bewegungsparalaxe: Wenn Hannes zum Tor dribbelt, bewegen sich nähere Mitspieler schneller über seine Netzhäute.
Monokulare, binokulare und okulomotorische Tiefenhinweise prasseln gleichzeitig auf uns ein. Je mehr Hinweise, desto besser können wir Entfernungen schätzen. Wie ein Detektiv addiert das Gehirn die Indizien auf und untermauert so einen räumlichen Eindruck. Bilder mit widersprüchlichen Kombinationen von Tiefenhinweisen wie das berühmte Treppenbild von M.C. Escher bringen unsere räumliche Orientierung daher ins Schleudern. In der Realität vertraut das Gehirn im Zweifel dann den Informationen, die das stereoskopische Sehen liefert.

Wahre Größe erkennen

Eng verknüpft mit der Tiefenwahrnehmung ist die Größenwahrnehmung. Tur-Tur, der Scheinriese aus dem Kinderbuch „Jim Knopf und Lukas der Lokomotivführer“, wirkt immer riesiger, je weiter er sich entfernt. In der Wirklichkeit ist es genau anders herum: Wenn eine Person sich von uns entfernt, schrumpft ihr Abbild auf unserer Netzhaut. Dennoch nehmen wir sie nicht als Scheinzwerg wahr. Dieses Phänomen, die Größenkonstanz, hängt eng mit der Tiefenwahrnehmung zusammen. Je weiter ein Objekt weg ist, desto kleiner ist sein Abbild auf der Netzhaut. Wie ein Landvermesser entschlüsselt das Gehirn aus der Distanz und der Größe des Abbildes die reale Größe und verhindert, dass bei jedem Schritt alle Eichen, Menschen oder Sportwagen um uns herum wachsen oder schrumpfen.
Wenn unser Gehirn Größen schätzt, lässt es sich außer von der Distanz auch von Gewohnheit und Relationen lenken. Der Basketballer Dirk Nowitzki erscheint trotz seiner 2,13m beim Basketballspiel nicht besonders groß. Was daran liegt, dass er von anderen ähnlich großen Spielern umgeben ist, die uns als der Maßstab gelten, an dem wir uns in dieser Situation orientieren. Erst wenn sich ein Fan mit normalen Durchschnittsmaßen neben ihn stellt, realisieren wir, wie riesig der Star der Dallas Mavericks tatsächlich ist.


Darstellung einer Ponzo-Illusion, bei welcher der rechte Balken durch die zusammenlaufenden Linien größer wirkt, obwohl er genauso groß ist wie der andere Balken.
Darstellung einer Ponzo-Illusion, bei welcher der rechte Balken durch die zusammenlaufenden Linien größer wirkt, obwohl er genauso groß ist wie der andere Balken.
Riesenmond und andere Täuschungen

Wenn wir ein Objekt fälschlich als weiter entfernt einschätzen, wirkt es größer. Das illustriert eindrucksvoll die Ponzo-Illusion (siehe Bild), benannt nach dem italienischen Psychologen Mario Ponzo (1882 bis 1960). Die beiden Balken sind tatsächlich gleich groß. Doch der rechte wirkt durch die zusammenlaufenden Linien, die wir aus der Realität als Hinweis für zunehmende Distanz kennen, weiter weg und dadurch größer. Wissenschaftler vermuten, dass sich so auch die Mondtäuschung erklären lässt. Wenn der  Mond hoch oben am Nachthimmel steht, wirkt er wie ein Tennisball, nah am Horizont dagegen riesig. Das Bild des Mondes auf unserer Netzhaut ist jedoch gleich groß. Wenn wir zum Horizont blicken, schweift unser Blick vorbei an Häusern, Feldern, Kühen. Wenn wir dagegen in den Himmel schauen, blicken wir durch leeren Raum ohne Tiefeninformation. Daher scheint der Mond am Horizont weiter entfernt und unser Gehirn schlussfolgert, dass er riesig sein muss.
Es gibt einen ganze Reihe optischer Illusionen wie die von Mario Ponzo, die demonstrieren, dass die räumliche Wahrnehmung durchaus trügerisch sein kann. Die meisten funktionieren aber nur auf dem Bildschirm oder dem Papier, das heißt, wenn die dritte Dimension fehlt. Die ist in der realen Welt aber vorhanden, und deshalb lässt sich das Gehirn dort, vom Mond mal abgesehen, nur selten düpieren. „Täuschungen kommen vor allem dann vor, wenn das Gehirn wenig Information hat. In der dritten Dimension sind die Effekte daher immer kleiner“, erklärt der Kognitionspsychologe Professor Rainer Guski von der Ruhr-Universität Bochum. Man kann als guten Gewissens beim Einparken entspannt bleiben, denn im Kopf sitzt ein höchst kompetenter Landvermesser. Nur hinschauen sollte man.

Quelle und Bild:
http://dasgehirn.info/

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