Perception of surface brightness

The human visual system has adapted to function in different lighting environments and responds to contrast instead of the amount of light as such. On the one hand, this ensures constancy of perception, for example, white paper looks white both in bright sunlight and in dim moonlight, because contrast is invariant to changes in overall light level. On the other hand, the brightness of the surfaces has to be reconstructed from the contrast signal because no signal from surfaces as such is conveyed to the visual cortex. In the visual cortex, the visual image is decomposed to local features by spatial filters that are selective for spatial frequency, orientation, and phase. Currently it is not known, however, how these features are subsequently integrated to form objects and object surfaces. In this thesis the integration mechanisms of achromatic surfaces were studied by psychophysically measuring the spatial frequency and orientation tuning of brightness perception. In addition, the effect of textures on the spread of brightness and the effect of phase of the inducing stimulus on brightness were measured. The novel findings of the thesis are that (1) a narrow spatial frequency band, independent of stimulus size and complexity, mediates brightness information (2) figure-ground brightness illusions are narrowly tuned for orientation (3) texture borders, without any luminance difference, are able to block the spread of brightness, and (4) edges and even- and odd-symmetric Gabors have a similar antagonistic effect on brightness. The narrow spatial frequency tuning suggests that only a subpopulation of neurons in V1 is involved in brightness perception. The independence of stimulus size and complexity indicates that the narrow tuning reflects hard-wired processing in the visual system. Further, it seems that figure-ground segregation and mechanisms integrating contrast polarities are closely related to the low level mechanisms of brightness perception. In conclusion, the results of the thesis suggest that a subpopulation of neurons in visual cortex selectively integrates information from different contrast polarities to reconstruct surface brightness.

Ihmisen näköjärjestelmä on mukautunut toimimaan hyvin erilaisissa valaistusolosuhteissa ja reagoi valon määrän muutoksiin eli kontrastiin eikä valon määrään sinänsä. Toisaalta tämä mahdollistaa havaintojen pysyvyyden, esim. valkoinen paperi näyttää valkoiselta sekä kirkkaassa auringonvalossa että hämärässä kuunvalossa, koska kontrasti on riippumaton yleisestä valaistuksesta. Toisaalta pintojen havaittu kirkkaus on näköaivokuorella rakennettava uudelleen reunan kontrastisignaalista, koska pinnasta sinänsä ei kulkeudu signaalia näköaivokuorelle. Näköaivokuorella solut, joita mallinnetaan usein visuaalisiksi suotimiksi, purkavat visuaalisen maailman paikallisiin piirteisiin. Vielä ei kuitenkaan tiedetä miten nämä piirteet yhdistetään havainnoiksi objekteista ja objektien pinnoista. Tässä väitöskirjassa tutkittiin miten paikallisista piirteistä rakennetaan havainto objektien harmaasävyisistä pinnoista. Kokeellisissa tutkimuksissa koehenkilöt arvioivat tietokoneella tuotettujen yksinkertaisten harmaasävyisten pintojen kirkkautta erilaisissa tilanteissa. Kokeissa käytettiin mm. visuaalista kohinaa erottelemaan eri piirteisiin reagoivien mekanismien vaikutuksia. Väitöskirjan tulosten mukaan vain tietyt piirresuotimet, tai solut näköaivokuorella, välittävät pintojen kirkkausinformaatiota aiemmin ajateltiin että tähän osallistuvat kaikki suotimet. Lisäksi suotimien valikoituvuus on suurelta osin riippumaton ärsykkeen koosta, pintarakenteesta ja monimutkaisuudesta. Tämä viittaa siihen, että pintojen kirkkauden rakentumisen ja havaitsemisen taustalla olevat mekanismit ovat osittain mukautumattomia. Kuvio-tausta-kirkkausilluusioilla löydettiin lisäksi monimutkaisempi piirrevalikoituvuus: kirkkausinformaatiota prosessoidaan riippuen sekä pinnan reunojen kontrastin polariteetista (tumma/vaalea) että sijainnista (kuvio/tausta). Väitöskirjan tulosten mukaan havainto pinnan kirkkaudesta rakentuu varhaisessa vaiheessa näkötiedon prosessointia siten että vain osa piirresuotimista yhdistää tietoa vastakkaisista kontrastin polariteeteista valikoivasti suhteessa kuvioon ja taustaan.