¨Uberblick

Empi I SS04 Pop–Out Suche (DW) 1 

Überblick 

Experimente zur visuellen Suche beschäftigen sich damit, wie Reize 

durch das visuelle System hinsichtlich bestimmter Merkmale analysiert 

werden und welche Aufmerksamkeitsprozesse beteiligt sind. 

Themen: 

• Effiziente und ineffiziente visuelle Suche 

• Modell der Merkmalsanalyse 

• Experiment von Treisman & Souther 

• Praktikumsexperiment 

• Versuchsplan 

• Statistische Hypothesen 

• Versuchsaufbau 

• Vorzunehmende Auswertungen 

• Diskussion 

Literatur: 

Palmer, S.E. (1999). Vision Science: Photons to Phenomenology. Cambridge, 

MA: Bradford Books/MIT Press. (S. 554–557) 

Treisman, A. & Souther, J. (1985). Search Asymmetry: A Diagnostic for 

Preattentive Processing of Separable Features. Journal of Experimental 

Psychology: General, 144 (3), 285–310.


Effiziente und ineffiziente visuelle Suche 

Beispiele für visuelle Suche im Alltag: 

• Eigenes Auto auf vollem Parkplatz 

• Person in Menschenmenge 

• Defektes Produkt bei Endkontrolle am Fließband 

Phänomen: 

• Effiziente visuelle Suche: Das gesuchte Objekt (Zielreiz, Target) 

istmühelos und schnell zu identifizieren, egal von wie vielen 

anderen Objekten (Distraktoren) es umgeben ist – das Objekt 

fällt unmittelbar auf“. 

” 

• Dauert das Auffinden des Zielreizes mit steigender Anzahl der Distraktoren 

immer länger, spricht man von ineffizienter Suche. 

Zu untersuchende Frage: Welche Ursachen in der visuellen 

Reizverarbeitung liegen diesem Unterschied zugrunde? 

Erste intuitive Ideen: 

• Zielreiz und Distraktoren müssen sich stark voneinander unterscheiden, 

damit die Suche effizient ist 

• Der Zielreiz muß ein besonders augenfälliges Merkmal“ besitzen, 

” 

das die Distraktoren nicht haben, kann diesen ansonsten aber 

ähnlich sein


Theoretischer Hintergrund: Merkmalsanalyse 

• Erste Verarbeitungsschritte im visuellen System: Automatische 

Analyse des proximalen Reizes bzgl. weniger Basismerkmale (Primitives), 

z.B. orientierte Kanten oder Bewegung 

• Analyse bzgl. der Basismerkmale: Unabhängig voneinander in sog. 

Kanälen (z.B. einzelne Kantenorientierungen, Farbkontraste) 

• Reizanalyse bzgl. der Merkmale, für die ein eigener Kanal existiert: 

Keine fokussierte Aufmerksamkei notwendig, mit der der Reiz 

räumlich seriell abgetastet“ werden müßte. Geschieht automatisch, 

mit verteilter Aufmerksamkeit und räumlich 

” 

parallel. 

• Aus der resultierenden Beschreibung des Reizes in terminis der Basismerkmale 

entsteht eine komplexere Reizbeschreibung, z.B. hinsichtlich 

der möglichen 3D Struktur und Objektzusammensetzung. 

• Reizanalyse bzgl. aus Basismerkmalen zusammengesetzter“ Merkmale: 

Erfordert fokussierte Aufmerksamkeit =⇒ serielle Einzel- 

” 

vergleiche (z.B. grünes X vs. grüne O und rote X Distraktoren) 

Empirische Unterstützung: 

• Psychophysik: Z.B. Nacheffekte durch selektive Adaptation einzelner 

Kanäle 

• Physiologie: Kortikale Neuronen, die selektiv auf einzelne Reizeigenschaften 

reagieren (z.B. vertikale Kanten, horizontale Bewegung)


Was ist ein ” 

Merkmal“? 

• Merkmale können entweder Teile eines Objekts ( Ahatein...“) 

” 

oder aber (quantitative) Eigenschaften eines Objekts entlang einer 

Dimension ( A ist . . .“) sein 

” 

• Die funktionellen Basismerkmale der Reizanalyse müssen nicht unbedingt 

direkt mit einfachen physikalischen Dimensionen korrespondieren 

(z.B. Farbkontrast vs. Energieverteilung über dem Spektrum)


Experiment von Treisman & Souther 

Läßt sich effiziente Suche auf das Vorhandensein eines (potentiellen) 

Basismerkmals zurückführen? 

Konkretes Vorgehen: 

• Reizpaar, das sich voneinander nur im Vorhandensein des in Frage 

kommenden Merkmals unterscheidet (Q vs. O) 

• Zwei Suchen: (1) Reiz mit Merkmal ist der Zielreiz und Kopien 

des Reizes ohne Merkmal sind Distraktoren, (2) vertauschte 

Rollen 

• Jeweils drei verschiedene Anzahlen von Reizelementen (1, 6, 12) 

• Aufgabe der Vp: Möglichst schnell entscheiden, ob der entsprechende 

Zielreiz in der gezeigten Reizmenge vorhanden war 

• Erhoben: Jeweils Reaktionszeit und Richtigkeit der Entscheidung 

In beiden Suchaufgaben das gleiche Reizpaar =⇒ die zur richtigen Antwort 

notwendige Diskrimination zwischen Zielreiz und Distraktor ist in 

beiden Fällen die gleiche (symmetrische Aufgaben)


Ergebnisse des Experiments von Treisman & Souther 

• Suche nach Q in einer Menge von O Distraktoren effizient, Suche 

nach O in einer Menge von Q Distraktoren jedoch ineffizient 

• Genauer: Die Reaktionszeit stieg bei der Suche nach einem O linear 

mit der Anzahl der Q Distraktoren an. Bei der Suche nach einem Q 

war die mittlere Reaktionszeit für jede Anzahl von O Distraktoren 

fast gleich – der Zielreiz sprang sofort ins Auge (Pop–Out). 

• Dies galt sowohl für Durchgänge, in denen tatsächlich ein Zielreiz 

vorhanden war, als auch für Durchgänge, in denen nur Distraktoren 

gezeigt wurden. 

• Suche nach Zielreiz ohne Merkmal (O): In Durchgängen ohne 

Zielreiz stieg die Reaktionszeit etwa doppelt so stark an wie in 

Durchgängen mit Zielreiz. 

• Suche nach Zielreiz mit Merkmal (Q): Keine Unterschiede in den 

mittleren Reaktionszeiten hinsichtlich der Durchgänge mit und ohne 

Zielreiz 

=⇒ Asymmetrische Ergebnisse bei symmetrischen Suchbedingungen


Aus den Befunden abgeleitete theoretische Vorstellung 

• Beim Pop–Out von Zielreizen ist nicht die Unterschiedlichkeit von 

Zielreiz und Distraktoren entscheidend (diese ist in beiden Suchen 

identisch) sondern das Vorhandensein eines bestimmten Merkmals 

beim Zielreiz. 

• Die Suchasymmetrie legt nahe, daß das Merkmal, in dem sich Q und 

O Reize unterscheiden, vom visuellen System früh, automatisch und 

räumlich parallel mit verteilter Aufmerksamkeit erfaßt wird, m.a.W. 

ist das Merkmal ein Basismerkmal der visuellen Reizanalyse. 

• Theorie: Basismerkmale werden automatisch und räumlich parallel 

verarbeitet, zusammengesetzte seriell. Daten: Merkmal wird offenbar 

räumlich parallel verarbeitet. Schluß: Also ist das untersuchte 

Merkmal ein Basismerkmal. 

• Besitzt der Zielreiz kein Basismerkmal, das die Distraktoren nicht 

besitzen, werden alle Reize seriell untersucht, wobei die Suche abbricht, 

sobald der Zielreiz gefunden wurde (unterschiedlich starker 

Anstieg der RZ).


Praktikumsexperiment 

Replikation des Experiments von Treisman & Souther. Fragestellungen: 

• Allgemein: Führt das die Reize Q und O unterscheidende Merkmal 

zu effizienter Suche? 

• Konkreter: Suchasymmetrie bei einer visuellen Suche nach einem Q 

in O Distraktoren vs. einer Suche nach einem O in Q Distraktoren? 

• Noch konkreter: Ist die Suche nach einem Q in O Distraktoren effizient 

und die Suche nach einem O in Q Distraktoren ineffizient? 

• Ist die Suche nach einem O in Q Distraktoren seriell mit Abbruch? 

Hypothesen: 

• Physiologische Befunde zur Existenz von Detektoren orientierter 

Kanten =⇒ das Q und O unterscheidende Merkmal ist ein Basismerkmal 

=⇒ verursacht Suchasymmetrie 

• Serielle Suche mit Abbruch, wenn Zielreiz ohne Basismerkmal, das 

die Distraktoren nicht besitzen


Versuchsplan 

Unabhängige Variablen: 

• Typ des Zielreizes i: Zielreiz ohne Merkmal“ (i =0), Zielreiz mit 

” ” 

Merkmal“ (i =1) 

• Anzahl der dargestellten Reizelemente j: j =1, 3, 6, 9, 12 

• Suchziel k: Zielreiz nicht vorhanden“ (k =0), Zielreiz vorhanden“ 

” ” 

(k =1) 

• Versuchsplan: Vollständig gekreuzt =⇒ 2 × 5 × 2 = 20 Kombinationen 

der Stufen der UVn (Faktorstufenkombinationen) 

Abhängige Variablen: 

• Reaktionszeit R ijk für die Entscheidung, ob der Zielreiz i bei j dargestellten 

Reizelementen mit Suchziel k vorhanden ist (Variable, auf 

die sich die inhaltlichen Hypothesen beziehen) 

• Richtigkeit der Entscheidung K ijk , ob der Zielreiz vorhanden ist 

(zur Kontrolle der instruktionsgemäßen Bearbeitung des Versuchs)


Stichprobengröße und Störvariablen 

Stichprobengröße: 

• Ziel: Zuverlässige Schätzung der Erwartungswerte E(R ijk )für die 

Reaktionszeit =⇒ jeweils 20 Meßwiederholungen pro Bedingung 

=⇒ insgesamt 400 Datenpunkte 

• Übungsdurchgänge (nicht auszuwerten): Jeweils 20 pro Typ des 

Zielreizes =⇒ insgesamt 400 + 40 = 440 Reize zu bearbeiten 

Störvariablen: 

• Vorhersagbarkeit der Position von Zielreiz und Distraktoren =⇒ 

Zufällige Positionierung 

• Kognitive Interferenz durch Wechsel des Zielreizes =⇒ Aufteilung 

der beiden Bedingungen in Blöcke mit separaten Übungsdurchgängen, 

balancierte Randomisierung der Reihenfolge der Blöcke zwischen 

den Vp 

• Lern- oder Ermüdungseffekte =⇒ gleichmäßige Verteilung auf Versuchsbedingungen 

durch Randomisierung der Reihenfolge


Statistische Hypothesen 

Sei S die reine Suchzeit, U die Entscheidungszeit und A die Antwortzeit 

bei der Reaktion auf einen Reiz. Dann kann als Modell die Reaktionszeit 

R ihrem Entstehen nach folgendermaßen aufgeschlüsselt werden: 

R ijk = S ijk + U k + A 

Dabei sei angenommen, daß 

• die Suchzeit S sowohl vom Vorhandensein des Merkmals als auch 

von der Anzahl der Elemente und dem Suchziel abhängt. Sie wird 

deshalb mit ijk indiziert. 

• die Entscheidungszeit U nur vom Suchziel abhängt. Sie wird deshalb 

mit k indiziert. 

• die Antwortzeit A nicht von der Anzahl der Reizelemente und dem 

Suchziel abhängt. 

Fassen wir die Komponenten und damit R ijk als Zufallsvariable auf, 

so gilt für den Erwartungswert E(R ijk ) der Reaktionszeit: 

E(R ijk )=E(S ijk )+E(U k )+E(A) 

Wir betrachten nun die Erwartungswertdiagramme die sich aus den 

inhaltlichen Hypothesen ableiten lassen.


Zielreiz mit Basismerkmal (i =1) 

Parallele Suche =⇒ Suchzeit unabhängig von der Anzahl der Reizelemente 

j und Suchziel k 

Damit kann S 1jk = T gesetzt werden, wobei T eine Zufallsvariable ist, 

die die Dauer der parallelen Suche beschreibt (unabhängig von j und k). 

Laut Modell gilt hier damit für den Erwartungswert E(R 1jk ): 

E(R 1jk )=E(T )+E(U k )+E(A) 

=⇒ Erwartungswerte auf parallelen Geraden (eine für k =0,einefür 

k =1) mit Steigung 0 und y-Achsenabschnitt E(T )+E(U k )+E(A). 

Der y-Achsenabschnitt der Geraden unterscheidet sich dabei um E(U 0 )− 

E(U 1 ), wobei keine Hypothese zur Größe dieses Unterschieds besteht. 

Reaktionszeit 

◽ ◽ ◽ ◽ ◽ 

• • • • • 

Reizelemente j


Zielreiz ohne Basismerkmal (i =0) 

Serielle Suche =⇒ Suchzeit abhängig von der Anzahl der Reizelemente j 

und vom Suchziel k 

Suchziel nicht vorhanden“ (k =0): Suchzeit ergibt sich aus j Vergleichen 

” 

zwischen Element und Zielreiz. Deshalb kann S 0j0 = T 1 + T 2 + ···+ T j 

gesetzt werden, wobei die T j unabhängige Versionen einer Zufallsvariable 

T sind, die die Vergleichszeit für ein Element beschreibt. Es gilt E(T 1 + 

T 2 +···+T j )=j·E(T ), der Erwartungswert der Suchzeit bei j Elementen 

ist also das j-fache des Erwartungswerts bei einem Element. Es folgt: 

E(R 0j0 )=j · E(T )+E(U 0 )+E(A) 

=⇒ Erwartungswerte liegen auf einer Geraden mit Steigung E(T ) und 

y-Achsenabschnitt E(U 0 )+E(A) 

Suchziel vorhanden“ (k =1): Der Erwartungswert der Suchzeit ergibt 

” 

sich als Produkt des Erwartungswerts der Anzahl der Vergleiche (j+1)/2 

und des Erwartungswert der Dauer für einen Vergleich E(T ). Es folgt: 

E(R 0j1 ) = j +1 

2 E(T )+E(U 1)+E(A) 

= j · 1 

2 E(T )+1 2 E(T )+E(U 1)+E(A) 

=⇒ Erwartungswerte liegen auf einer Geraden mit Steigung 1 2E(T ) und 

y-Achsenabschnitt 1 2 E(T )+E(U 1)+E(A)


Zielreiz ohne Basismerkmal (i =0) 

Also unterscheiden sich die beiden Geraden in der Steigung um den 

Faktor 2 und im y-Achsenabschnitt um 1 2 E(T )+(E(U 0)−E(U 1 )), wobei 

keine Hypothese zur Größe dieses Unterschieds besteht. 

◽ 

◽ 

◽ 

Reaktionszeit 

◽ 

• 

◽ 

• 

• 

• 

• 

Elemente j 

Statistische Hypothese: Die Erwartungswertverläufe entsprechen den dargestellten, 

aus den Modellvorstellungen abgeleiteten Verläufen. 1 

Die statistische Hypothese kann als bestätigt angesehen werden, wenn 

die beobachteten Mittelwertsverläufe nicht zu stark von den dargestellten 

Erwartungswertverläufen abweichen. 

1 Diese Hypothese ließe sich weiter formalisieren, jedoch werden dazu Hilfsmittel benötigt, die hier 

nicht zur Verfügung stehen.


Versuchsaufbau: Suchreiz 

• Schwarze Reizelemente (Q, O: Durchmesser 1.4 ◦ , senkrechter Strich 

mit Länge 1.0 ◦ ) auf hellgrauer Darstellungsfläche (11.4 ◦ × 8.8 ◦ )vor 

schwarzem Hintergrund (Größe abhängig vom benutzten Monitor 

=⇒ selbst messen und angeben in ◦ visueller Winkel) 

• Gedankliche Aufteilung der Darstellungsfläche in eine Matrix aus 

4 × 4 gleichgroßen Feldern (2.85 ◦ × 2.2 ◦ ) 

• Zufällige Besetzung der Felder durch die Reizelemente 

• Zufällige Anordung der Reizelemente innerhalb der Felder (=⇒ Verhindern 

von Überschneidungen der Elemente) 

• Beobachtungsabstand: ca. 50 − 70 cm (Im Programm einstellen)


Versuchsaufbau: Zeitlicher Ablauf 

Experiment: 

1. Erster Versuchsblock (je nach Zuweisung Zielreiz mit Merkmal bzw. 

ohne Merkmal) 

2. Zweiter Versuchsblock (entsprechend umgekehrt) 

Versuchsblock: 

1. Instruktionsbildschirm bis Start durch Vp (Mausklick) 

2. 20 Übungsdurchgänge 

3. Instruktionsbildschirm bis Start durch Vp (Mausklick) 

4. 200 Experimentaldurchgänge 

Einzelner Durchgang: 

1. Zentriertes schwarzes Fixationskreuz (1.0 ◦ × 1.0 ◦ ) auf hellgrauer 

Darstellungsfläche vor schwarzem Hintergrund (1000 ms) 

2. Fixationskreuz, Ankündigungston (300 ms vor Suchreiz) 

3. Suchreiz (s.o.) bis Reaktion durch Vp (Mausklick) 

4. Hinweiston bei falscher Reaktion 

5. Rückmeldung: Reaktionszeit in ms, Richtigkeit der Reaktion. 

Nächster Durchgang durch Mausklick


Vorzunehmende Auswertungen 

• Mittelwert und Standardschätzfehler für jede Faktorstufenkombination 

berechnen und in einer geeignet beschrifteten 

Tabelle eintragen 

• Für die vier Bedingungen, die sich aus der Kombination der UV 

Zielreiz und Suchergebnis ergeben, getrennt Regressionen von 

Reaktionszeit auf Anzahl der Reizelemente rechnen. Angabe 

der Regressionsgleichungen und der Determinationskoeffizienten 

• Aus den Regressionsgleichungen jeweils die Suchzeit pro Item in 

den vier Bedingungen angeben 

• Für die zwei Bedingungen der UV Suchergebnis getrennt jeweils 

eine geeignet beschriftete und ausreichend große Graphik 

erstellen, in der die Mittelwerte mit ±1 Standardschätzfehler und 

die zugehörigen zwei Regressionsgeraden abgetragen sind


Zusatzauswertung (optional): 

• Lern– bzw. Übungseffekte: Zeitliche Aufteilung jeweils eines 

Blocks in vier Abschnitte à50Durchgänge =⇒ Vergleich pro Block 

von Mittelwerten der Reaktionszeit und Standardschätzfehler, Balkendiagramm 

der Mittelwerte mit ±1 Standardschätzfehler als Fehlerbalken 

• Fehlerauswertung: Instruktionsgemäße Durchführung durch Vp? 

Unterschiede zwischen Experimentalbedingungen? 

• Ausreißer: Auswertung wiederholen ohne Reaktionszeiten, die 

mehr als zwei Standardabweichungen entfernt vom Mittelwert 

liegen (vermutlich keine Realisierung der gemeinten ZVA =⇒ 

Verzerrung)


Darstellung von Versuchsaufbau und Auswertung 

• Was passiert im Experiment, wie läuft es ab? 

• Welche Störvariablen und Techniken zu ihrer Kontrolle? 

• Welche technischen Geräte wurden benutzt, was waren die Beobachtungsbedingungen? 

• Genaue Beschreibung der Reize 

• Kurze Beschreibung der Vp (Durchführung) 

Ziel: Lesbarkeit muß erhalten bleiben. Beschreibung muß ausreichen, 

um genaue Replikation durchzuführen und evtl. vorhandene Fehler im 

Aufbau aufzudecken. 

• Im Fließtext der Auswertung Beschreibung aller interessant erscheinenden 

Aspekte der Daten, ggf. Darstellung mit Hilfe von Tabellen 

und Graphiken. Interpretation in der Diskussion 

• Graphiken und Tabellen: 

– Formalia beachten (Tabellenüberschrift, Abbildungsunterschrift, 

Einheiten, Beschriftung, ...) 

– Druckdarstellung bei Graphiken beachten 

– Ziel: Lesbarkeit, Interpretierbarkeit erleichtern 

– Auf Abbildungen und Tabellen im Fließtext verweisen ( Wie in ” 

Abb. * ersichtlich wird, . . .“)


Diskussion 

• Bewertung der Ergebnisse in Hinblick auf die Hypothesen (Wie gut 

stimmen die Mittelwertsverläufe mit den Erwartungswertverläufen 

überein? Linearität? =⇒ Höhe des Determinationskoeffizienten, 

schließen Fehlerbalkenintervalle Regressionsgerade ein?) 

• Bei nicht erwartungskonformen Ergebnissen: Gründe? 

• Ggf. erörtern: 

– Methodische Schwächen des Experiments 

– Schwierigkeiten bzw. Auffälligkeiten bei der Durchführung 

– Theoretische Unklarheiten bzw. Unzulänglichkeiten (z.B.: Was 

genau ist eigentlich beim verwendeten Reizpaar das unterscheidende 

Merkmal? Ist die Art der visuellen Suche in den Bedingungen 

mit/ohne Merkmal“ wirklich die gleiche?) 

” 

– Entwicklung alternativer Hypothesen oder Erklärungsmöglichkeiten 

– Vorschläge für Folgeexperimente, mit denen sich neue oder offen 

gebliebene Fragen klären ließen 

• Zusammenfassende Schlußfolgerung 

Literaturverzeichnis nicht vergessen, alle im Text zitierten Quellen auch 

aufführen sowie alle aufgeführten Quellen auch im Text zitieren!

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