On the perceptual identity of depth vision in the owl

van der Willigen, Robert Frans; Wagner, Hermann

doi:HT013176975

On the perceptual identity of depth vision in the owl

van der Willigen, Robert Frans (Author)

2000 & 2001

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Robert Frans van der Willigen

ImpressumAachen : Publikationsserver der RWTH Aachen University 2000

UmfangVIII, 156 S.: Ill., graph. Darst.

Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2000

Prüfungsjahr: 2000. - Publikationsjahr: 2001

Genehmigende Fakultät
Fak01

Hauptberichter/Gutachter
Wagner, Hermann (Thesis advisor)^RWTH*

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2000-10-20

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-2212
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/62693/files/01_133.pdf

Einrichtungen

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Biowissenschaften, Biologie (frei) ; Eulen (frei) ; Räumliches Sehen (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 570

Kurzfassung
Das Schlüsselelement zur Prüfung des Stereosehens (Englisch: Stereopsis) bei Tieren ist die stereoskopische Wiedergabe von Computer erzeugte Objekten, ohne monokulare Tiefenkriterien, wenn auch ein Tier verschiedenartige Strategien versuchen konnte, wie z.B. schließen eines Auges oder Bewegungsparallaxe (sichtbare Bewegung der Objekten relativ zueinander, wahrend der kopf bewegt wird). Unter Verwendung von Zufallspunktmusterstereogramme (English: Random-Dot Stereograms, RDSs) ist es möglich den Eindruck räumliche Tiefe zu erzeugen ohne weitere Hinweise von monokularen Tiefenkriterien. Ein getrennter Abschnitt ist eingeschlossen in Kapitel 2, die der Methode zur Stereogrammdarstellung beschreibt sowie Methoden notwendig zur Erforschung der Funktionalität der Bewegungsparallaxe. Die benutzten Methoden sind im Grunde basiert auf statische oder dynamische generierte Zufallspunktmuster, die entweder autonom oder mit jeder Bewegung des Kopfes des Tieres transformiert werden konnte, dies mit Hilfe von einem „Head-tracking” Gerät. Die in Kapitel 3 aufgezeigten Verhaltensexperimenten zur visuellen Wahrnehmung von Schleiereulen haben neue Ergebnisse erzogen. Zuerst wurde die Eulen auf visuelle Diskriminationsaufgaben vorbereitet durch Operante Konditionierung, wobei die Testbilder auf einem entfernten CRT-Monitor wiedergegeben wurden. Zweitens konnte gezeigt werden, dass Schleiereulen empfindlich sind für die Figur-Grund-Segmentierung des Computers erzeugte Zufallspunktmuster. Dieses geschah durch Überprüfung von zwei visuelle Funktionen die gedacht werden im Figur-Grund-Segmentierung beteiligt zu sein: (1) Musterwahrnehmung und (2) Bewegungswahrnehmung. Diese Ergebnisse ermöglichte die Verwendung von RDSs (erzeugt Mittels „time-multiplexed stereoscopic displaying”) um so Tiefenwahrnehmung durch Stereopsis bei Schleiereule zu testen. Erwägungen bezogen auf sensorische Ökologie haben zum Anspruch geführt dass es sehr starke Ähnlichkeiten gibt zwischen die „avian” und „mammalian” neuronalen Grundlagen, notwendig für Tiefenwahrnehmung durch Stereopsis. Das heißt, die adoptierte Strategie vermeidet Extrahierung von (monokulare) Formen, bis die Informationen von beiden Augen zusammengelaufen sind. Das Letzte ist als „Global-Stereopsis” bekannt und kann durch Benutzung von RDSs demonstriert werden. Obwohl die vergleichende Psychologie Evidenz für Global-Stereopsis bei Primaten, Katzen, Pferde und Falken geliefert hat, hat es gefehlt relative Tiefenwahrnehmung basiert auf binokulare Tiefenkriterien nachzuweisen. Diese grundlegende Funktion des Stereosehens ist untersucht worden (Kapitel 4) mittels der Übertragung von erlernten Regeln (Diskriminationsaufgaben) auf neue Testbilder. Es wurde herausgefunden, dass die Schleiereule in der Lage ist, relative Tiefenunterschiede, die ihr in Form eines RDS präsentiert werden, wahrzunehmen. In Kapitel 5 ist die Hypothese aufgestellt dass, wenn man sich spezifisch bezieht auf die Aspekte die das Visuelles System der Schleiereule absondern von Stereopis bei Primaten, dann musste es möglich sein die funktionelle Bedeutung des Stereosehens bei Eulen zu bestimmen. Die Daten zeigen dass Stereopsis eine robuste, und hoch empfindliche Funktion des visuelles System der Schleiereule ist, welches demjenigen des Menschen äquivalent ist. Außerdem wird es argumentiert, dass die Fähigkeit des binokularen Sehens der Eule als eine Anpassung an das Nachtleben gesehen werden soll . Während Stereopsis in einer Reihe von Tierarten demonstriert worden ist, gibt es kaum Hinweise dass, Tieren, mit Ausnahme von Insekten, in die Lage sind, relative Tiefenunterschiede, die nur in Form von Bewegungsparallaxe präsentiert werden, wahrzunehmen. Es ist, jedoch, vorgeschlagen worden, dass es bedeutende Ähnlichkeiten gibt in der zugrundeliegenden Berechnungstheorie der Tiefenwahrnehmung durch entweder Stereopsis, oder Bewegungsparallaxe. Wenn diese Annahme richtig ist, dann sollte das in den Resultaten von empirischen Studien widerspiegelt werden. Die in Kapitel 6 beschrieben Ergebnisse zeigen, dass die getesteten Schleiereulen spontan in der Lage waren, die ihnen zuvor antrainierte Fähigkeit der RDS-Tiefendiskrimination auf unbekannte Bewegungsparallaxe-Testbilder zu transferieren. Schließlich (Kapitel 7) werden die obengenannten beschriebenen Experimente durch Nachprüfung der Hauptfeststellungen, und durch Vorschlagen neuer Experimente besprochen, um weiter unser Verstehen der visuellen Tiefenwahrnehmung zu erhöhen.

The key element to testing stereopsis in animals is the stereoscopic displaying of computer generated images that contain no monocular cues, even though an animal might try various strategies, such as closing one eye or making rapid head movements to obtain parallax information. A display devoid of these cues can be provided by Julesz random-dot stereograms (RDSs) in which the disparity information is camouflaged by a random matrix of thousands of minute dots. In chapter 2, a separate section is enclosed to provide information about the method used to construct stereograms as well as methods needed to study motion-parallax. Basically, these methods involved the use of static or dynamic random-dot patterns that could be transformed either autonomously, or with every head-movement by use of a head-tracking device. The experiments described in chapter 3 have provided new information about visual perception in the owl. First, a behaviour shaping technique was developed that prepared owls to be visually tested by images presented on a distant CRT-monitor. Second, it was demonstrated that owls can abstract the figure-ground organisation of computer generated random-dot images by testing two functions of vision that are thought to be involved in figure-ground segregation: (1) texture perception and (2) motion perception. Having established that random-dot patterns can be used to test visual capabilities in barn owls, used was the technique of time-multiplexed stereoscopic displaying to test whether binocular vision in owls enables stereopsis. Considerations in relation with sensory ecology have led to the claim that there is a high degree of similarity between the avian and mammalian neuronal algorithm essential for stereopsis. That is, the adopted strategy avoids feature extraction until information from both eyes has converged. The latter is known as global stereopsis and can be demonstrated by the use of random-dot stereograms. While comparative psychology has provided evidence for global stereopsis in monkeys, cats, horses and falcons, it has failed to specifically demonstrate relative depth based on binocular cues alone. This basic function of stereopsis was investigated (Chapter 4) by examining discrimination-transfer. It is shown that the barn owl possesses stereopsis because this animal is able to determine the relative position of surfaces in RDSs. In Chapter 5, it was hypothesized that when one specifically addresses those aspects of the owl visual system, which set it apart from binocularity in primates, it should be possible to determine the functional significance of stereopsis in the owl. The data show that stereopsis is a robust and highly sensitive function of the owl visual system. Moreover, it is argued that binocularity in the owl must be seen as an adaptation to nocturnal life. While stereopsis has been demonstrated in a wide range of different vertebrate species, strong evidence of animals exploiting motion parallax as an independent monocular depth cue has been found only in insects. It has been stated, however, that there are considerable similarities in the underlying computational theory of depth perception based on either stereopsis or motion-parallax. If this assumption is correct then this should be reflected in the results of empirical studies. The experiments described in Chapter 6 clearly show that owls trained to categorise RDSs can perceive similar depth impressions from motion parallax displays without the need of additional training. This finding provides the most direct evidence in animals that perceptual knowledge derived through either stereopsis or motion parallax is closely related. Finally, Chapter 7, the above described experiments are discussed by reviewing the main findings, and by proposing new experiments to further enhance our understanding of the perception of depth.

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