102
Aus der Klinik und Poliklinik für Augenheilkunde (Direktor Univ.- Prof. Dr. Stefan Clemens) der Medizinischen Fakultät der Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald Thema: Peripheral Dynamic Stereovision – A Novel Stereoscopic Test Inaugural - Dissertation zur Erlangung des akademischen Grades Doktor der Naturwissenschaften in der Medizin (Dr. rer. med.) der Medizinischen Fakultät der Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald 2009 vorgelegt von: Michael Broschart geb. am: 28.01.1976 in: Landstuhl

Peripheral Dynamic Stereovision – A Novel Stereoscopic Test

Embed Size (px)

Citation preview

Aus der Klinik und Poliklinik für Augenheilkunde

(Direktor Univ.- Prof. Dr. Stefan Clemens)

der Medizinischen Fakultät der Ernst-Moritz-Arndt-Universität Greifswald

Thema: Peripheral Dynamic Stereovision – A Novel Stereoscopic Test

Inaugural - Dissertation

zur

Erlangung des akademischen

Grades

Doktor der Naturwissenschaften in der Medizin (Dr. rer. med.)

der

Medizinischen Fakultät

der

Ernst-Moritz-Arndt-Universität

Greifswald

2009

vorgelegt von: Michael Broschart geb. am: 28.01.1976 in: Landstuhl

mbroschart
Stempel

Dekan: Prof. Dr.rer.net. H.K. Kroemer

1. Gutachter: Prof. Dr.med. S. Clemens

2. Gutachter: Prof. Dipl.-Ing. Dr.med. H. Witte

(3. Gutachter:)

Ort, Raum: Greifswald, Konferenzraum der Kliniken für Neurologie und Neurochirurgie

Tag der Disputation: 15.02.2010

Table of Contents 

 

 1 | 97 

I. Table of Contents 

I.  TABLE OF CONTENTS ............................................................................................................................................. 1 II.  LIST OF FIGURES ................................................................................................................................................... 2 III.  LIST OF TABLES ..................................................................................................................................................... 3 IV.  ABSTRACT ........................................................................................................................................................... 4 

PART I – INTRODUCTION .................................................................................................................................... 5 

1.  INTRODUCTION .......................................................................................................................................... 5 

1.1  MOTIVATION ................................................................................................................................................... 5 1.2  ORGANISATION OF THE THESIS ............................................................................................................................ 7 

2.  THEORETICAL BACKGROUND ...................................................................................................................... 9 

2.1  THE HUMAN VISION ......................................................................................................................................... 9 2.2  VISUAL FIELDS AND RETINAL ORGANIZATION ......................................................................................................... 9 2.3  PERIPHERAL VISION AND PERCEPTION OF MOTION ................................................................................................ 12 2.4  OCULAR MOTILITY .......................................................................................................................................... 14 2.5  THE OPTOKINETIC NYSTAGMUS ......................................................................................................................... 16 2.6  STEREOSCOPIC VISION ..................................................................................................................................... 20 

2.6.1  Physiology of Stereopsis ........................................................................................................................ 21 2.6.2  Criteria of Stereopsis ............................................................................................................................. 23 2.6.3  Testing of stereopsis .............................................................................................................................. 26 2.6.4  Frisby Stereotest .................................................................................................................................... 32 

PART II – MATERIALS AND METHODS ................................................................................................................ 35 

3.  MATERIALS AND METHODS ...................................................................................................................... 35 

3.1  OVERVIEW OF THE EXPERIMENTAL SETUP ............................................................................................................ 35 3.2  STRUCTURAL AND ELECTROMECHANICAL HARDWARE ............................................................................................ 36 3.3  ROTATING DRUM AND STIMULUS PATTERN ......................................................................................................... 38 3.4  OPTICAL COMPONENTS ................................................................................................................................... 42 3.5  ERGONOMICS AND SETTINGS ............................................................................................................................ 44 3.6  DATA ACQUISITION AND PROCESSING ................................................................................................................. 45 3.7  PERFORMANCE AND LIMITS OF THE PROTOTYPE .................................................................................................... 48 

4.  EXPERIMENTAL PROCEDURE .................................................................................................................... 50 

4.1  SELECTION OF SUBJECTS AND EXPERIMENTAL CONDITIONS ..................................................................................... 50 4.2  EXPERIMENTAL PROTOCOL ............................................................................................................................... 51 4.3  CONSIDERATION OF SYSTEMATIC ERRORS ............................................................................................................ 52 

PART III ‐ RESULTS AND EVALUATION ............................................................................................................... 55 

5.  RESULTS AND EVALUATION ...................................................................................................................... 55 

5.1  PRESENTATION OF THE RESULTS ........................................................................................................................ 55 5.1.1  Voluntary Feedback ............................................................................................................................... 56 5.1.2  Involuntary Feedback ............................................................................................................................ 59 5.1.3  Position of Peripheral Object Perception ............................................................................................... 64 

5.2  STATISTIC CONSIDERATION ............................................................................................................................... 67 5.3  CONCLUSIONS ................................................................................................................................................ 70 5.4  IMPROVEMENT AND OPTIMIZATION OF THE TEST PROCEDURE ................................................................................. 72 

Table of Contents 

 

2 | 97 

PART IV – DISCUSSION ...................................................................................................................................... 76 

6.  DISCUSSION ............................................................................................................................................. 76 

6.1  SIGNIFICANCE OF PERIPHERAL DYNAMIC STEREOVISION ......................................................................................... 76 6.2  THE NEED OF OBJECTIVE TESTS AND CRITERIA OF ASSESSMENT ............................................................................... 79 6.3  COMPARISON OF THE RESULTS/SOLUTIONS WITH LITERATURE ................................................................................. 82 6.4  COMMERCIAL APPLICABILITY ............................................................................................................................. 85 

PART V ............................................................................................................................................................. 88 

7.  SUMMARY ............................................................................................................................................... 88 

8.  REFERENCES ............................................................................................................................................. 92 

ANNEX ............................................................................................................................................................. 97 

MATERIAL SAFETY AND DATA SHEET OF POLYSTYRENE ........................................................................................................ 97 

 

II. List of Figures  Figure 2.1: Human visual field. .................................................................................................................................... 10 Figure 2.2: Distribution of cones and rods over the retinal surface ........................................................................... 11 Figure 2.3: Dependence of visual acuity on the position in the visual field and the lightning conditions. ................. 13 Figure 2.4: Arrangement of extraocular muscles. ....................................................................................................... 15 Figure 2.5: Synoptic overview of the basic eye movements for gaze shifting and stabilization. ................................ 16 Figure 2.6: Optokinetic Nystagmus. ............................................................................................................................ 18 Figure 2.7: Optokinetic cylinder with one quadrant removed .................................................................................... 18 Figure 2.8: Binocularity and stereopsis. ...................................................................................................................... 24 Figure 2.9: Vectograph image stereotests. ................................................................................................................. 29 Figure 2.10: Frisby Stereotest ..................................................................................................................................... 32 Figure 2.11: Geometric relations of the Frisby‐Stereotest. ........................................................................................ 33 Figure 3.1: Basic experimental setup .......................................................................................................................... 36 Figure 3.2: Control unit. .............................................................................................................................................. 37 Figure 3.3: Rotating stimulus drum. ............................................................................................................................ 39 Figure 3.4: Scheme of the sliding disparity mechanism. ............................................................................................. 40 Figure 3.5: Circumferential distribution of the differently sized circles of the stimulus pattern. ............................... 40 Figure 3.7: Aperture goggles. ...................................................................................................................................... 42 Figure 3.8: Fixation targets. ........................................................................................................................................ 43 Figure 3.9: Positioning of the subject. ......................................................................................................................... 44 Figure 3.10: Angular measurement system ................................................................................................................ 46 Figure 4.1: Flowchart of the experimental protocol. .................................................................................................. 52 Figure 4.2: Errors of edge eccentricity ........................................................................................................................ 53 Figure 5.1: Comparison of subjects with high (2) and poor (4) Performance Level. ................................................... 57 Figure 5.2: Comparative presentation of the results of 6 subjects. ............................................................................ 57 Figure 5.3: Comparison of the Confidence Ratios between the subjects of figure 5.1. .............................................. 58 Figure 5.4: The PL of two groups in comparison for the 18 experimental runs. ......................................................... 58 Figure 5.5: The CR of the two groups of figure 5.4 in comparison for the 18 experimental runs. ............................. 59 Figure 5.6: Involuntary movement pattern with hints of stereoscopic object recognition. ....................................... 62 Figure 5.7: Peripheral angles of perception (PA). ....................................................................................................... 65 

Table of Contents 

 

 3 | 97 

Figure 5.8: PA of the subjects averaged over their 18 runs. ....................................................................................... 65 Figure 5.9: Illustration of the mean peripheral location of conscious object. ............................................................ 66 Figure 6.1: Sequential stereo motion test................................................................................................................... 82 

 

III. List of Tables 

Table 2.1: Overview of (near) stereopsis assessment tests. ....................................................................................... 27 Table 4.1: Errors of edge eccentricity. ........................................................................................................................ 54 Table 6.1: Activities with raised demands on peripheral dynamic stereovision. ........................................................ 78 

Abstract 

4 | 97 

IV. Abstract 

This work proposes and experimentally evaluates a new method and the first prototypic design 

of an apparatus for the objective assessment of peripheral dynamic stereovision.  

“Peripheral  dynamic  stereovision”  is  understood  as  the  ability  to  perceive,  recognize  and 

observe moving objects  in  the visual periphery without  sacrificing  foveal  fixation,  i.e.  shifting 

the  line  of  sight  (e.g. moving  the  eyes  or  the  head)  and  loosing  attention  to  the  scene  of 

interest. The presence of stereopsis on top further enhances the perceptive quality by adding 

the  third  dimension with  judgment  of  depth  and  estimation  of  relative  spatial  positions  as 

central cues for orientation, coordinative interaction and navigation in space.  

Based  on  findings  that  moving  stereoscopic  contours  can  induce  distinctive  optokinetic 

reactions, a panoramic stimulus pattern was rotated round subjects’ heads. Designed after the 

Frisby  Stereotest,  solely  the  binocular  parallax  resulting  from  the  plate  thickness  carries 

stereoscopic information, excluding all other depth cues. A specially fitted goggle frame assured 

correct binocular alignment of  the  subjects adding objectivity.  In  first experiments, voluntary 

reactions  (pushing  a  buzzer  button)  and  involuntarily  triggered  ocular  responses  have  been 

registered.  The  performance  level  (PL)  and  confidence  ratio  (CR)  were  introduced  as 

benchmarks for voluntary reactions. Despite  larger spreads, the PL averaged at 60 % while an 

elevated  CR  confirmed  a  low  error  rate  of  16  %  and  thus  high  overall  credibility.  Poor 

performance of available recording hard‐ and software, in many cases, rendered the analysis of 

involuntary  ocular  reactions  less  exhaustive.  It  was  however  observable,  that  peripherally 

appearing objects triggered the onset of nystagmoid search and tracking mechanisms. Finally, 

mean peripheral locations of subjects’ active reactions have been established at 30 degrees.  

The outcome of this pilot study  in principle confirmed basic feasibility, conceptual validity and 

practical  applicability  of  this  novel  method.  Prospective  fields  of  application  with  raised 

demands  on  peripheral  dynamic  stereopsis  have  been  identified  and  critically  assessed.  The 

applicative  possibilities  and  exclusive  advantages  of  this  test  combining  the  assessment  of 

stereopsis and dynamic visual  field  testing have not been matched by  solutions published  so 

far. Before however commercialization should be aimed at, design‐related issues, including the 

implementation  of  electrophysiological  ocular measurements,  need  to  be  addressed  first  to 

lead the post‐prototype development to higher diagnostic expressiveness and reliability. 

1. Introduction     Motivation 

 

 5 | 97 

Part I – Introduction 

1. Introduction 

1.1 Motivation  

The presence of well‐developed stereopsis, not only within the central field of view, but also in 

the  periphery,  and  the  associated  early  perception  of moving  objects  outside  the  cone  of 

central  vision  are  of  prime  importance  for  a  number  of  activities  that  combine  spatial 

orientation, situation awareness, and quick decision making.  

For  certain  professional  activities  that  by  their  nature  imply  these  elevated  qualities  of  the 

visual  apparatus, methods  of  objectively  assessing  their  presence  are  imperative.  Especially 

when decision making is based on the quick and reliable interpretation of peripherally moving 

objects,  while  continuously  focussing  the  actually  observed  scene  of  interest,  these 

considerations are  important parameters of performance, being often directly safety relevant. 

It  is  therefore  reasonable  to  claim  for medical  pre‐employment  tests  to  exclude  impeding 

deficits of  the visual system of possible applicants. Once selected and accepted,  there  is also 

the need to ensure the continuous  fulfilment of these criteria during the active career of the 

aspirants on  the basis of  regular  tests of medical approval and  confirmation. Among others, 

such  stringent  requirements are  to be met  in  traffic and  flight‐ophthalmologic examinations, 

particularly  in  aerospace  and  astronautics,  public  transportation  and  transport  of  dangerous 

goods and so  forth. For  fire  fighters, police and military  forces, etc., similar criteria should be 

considered to be defined. Also professional sports associated with good awareness and rapid, 

decisive judgment of situations and coordinative interactions between team players, as it is the 

case in fast ball sports such as soccer, basketball or hockey, etc., need to be mentioned, as well 

as  individual  reactive  sports  ranging  from  tennis,  martial  arts  to  motor  racing.  Objective 

selection  of  suitable  candidates,  since  the  efforts  to  be  paid  are  high  and  costly,  is  of 

fundamental economic and strategic interest for all parties involved. 

Potential interest might as well arise in the branch of pension insurers, which is alerted by the 

increasing  number  of  claims  of  partial  or  total  invalidity  based  on  pretences  and  fraud.    By 

application of an objective and  legally  recognized  test procedure,  these cases could be easily 

1. Introduction     Motivation 

 

6 | 97 

debunked  and  settled  in  a  very  time  and  cost  efficient  way,  annually  saving  amounts  of 

unjustified benefit payments.  

A rather long‐term vision driving this study is a possible development of a method for early and 

non‐misleading  identification  of  symptoms  of  infantile  amblyopia  and  strabismus.  Especially 

when dealing with younger patients conventional methods due to their more subjective nature 

(on  the part of patients  and examiners)  are either not  reliable enough or  simply  fail due  to 

lacking willingness for cooperation.   

Against the background of these exemplary scenarios, surely much more could be  found, the 

goal of this work is the pre‐development, design, prototyping and experimental verification of a 

new device and method to objectively test the presence of dynamic peripheral stereopsis based 

on  the  Frisby  Stereotest.  Viewing  will  be  enabled  under  purely  natural  conditions.  The 

stereoscopic  stimuli  to  be  perceived  are  based  on  real  physical  depth  and  plastically  exist. 

Subjects are not exposed to artificialized conditions, i.e. any kind of “technical manipulation” by 

means  of  computer‐generated  patterns,  polarizing  filters,  optic  frame‐shutter  systems,  etc. 

Consequently,  they will be  facing  the  same  conditions  as  they will do  in  their daily  routines 

outside  laboratory  environments.  The  level  of  objectivity  from  the  examiners’  and  patients’ 

perspectives  is high as by  the nature of  the method  it  should be possible  to a priori exclude 

manipulation from both sides.  

By demonstrating the basic feasibility of this new method under simple frame conditions, the 

practical experience  gained  and  the  lessons  learnt  so  far  shall motivate  the  further  advance 

towards  a  professional  second  prototype  design  leading  towards  practical  applicability  and 

possible commercialisation within a reasonable time line. 

 

1. Introduction     Organisation of the Thesis  

 

 7 | 97 

1.2 Organisation of the Thesis 

The central aspects of this work are: 

• Initiation of an experimental pilot study regarding dynamic peripheral stereopsis. 

• Overview of the theoretical background of relevance. 

• Materialization  of  a  novel  test  apparatus  and methodology  to  objectively  detect  the 

presence of peripheral stereopsis. 

• Identification of objective criterions of assessment. 

• Experimental validation of this novel procedure and discussion of its diagnostic value. 

• Definition  of  succeeding  steps  towards  advanced  prototype  design  overcoming 

identified deficits.  

• Identification of prospective fields of application. 

• Evaluation of commercialization.  

The work is structured into five main parts as follows: 

Part I briefly  introduces  into the topic by presenting essential aspects of the physiology of the 

human visual system and  its perceptive abilities. First, the visual fields and the general retinal 

organisation  are  outlined,  chiefly  focussing  then  on  the  peripheral  field  of  view  and  its 

particularities of  interest. The basics of ocular motility and  the Optokinetic Nystagmus  (OKN) 

are  introduced.  The  latter  is of particular  interest  as  its underlying mechanisms will play  an 

important role throughout this work. The second sub‐section treats the theoretical background 

concerning binocular and stereoscopic vision, outlining “stereopsis as the highest level of visual 

perception”.    A  critical  synopsis  of  the most  common  stereoscopic  tests  as  established  in 

today’s clinical practise  follows. Among them, the Frisby Stereo Test  is brought out to be the 

most  appropriate  one,  in  particular  when  applicative  simplicity,  naturalness  of  stimulus 

presentation and objectivity of assessment are the main criterions. 

The description of the experimental set‐up, its aims and methodological procedure are covered 

in Part  II. After  a  short  presentation  of  the mechanical  structure  and  its  basic  features,  the 

electromechanical  hardware  components  and  the  control  elements  for  operation  are 

described. Some emphasis  is put on  the construction of  the  transparent cylinder carrying  the 

stereoscopic  stimuli pattern which  is  rotated  around  the  subject’s head.  Further,  ergonomic 

1. Introduction     Organisation of the Thesis 

 

8 | 97 

aspects and the concept of data acquisition and processing are laid down. Finally, the attainable 

performance  and  functional  limitations  of  the  test  procedure  are  discussed  and  potential 

improvements  proposed.  In  the  second  sub‐section,  criterions  of  selection  of  subjects  are 

defined and the routines of the experimental procedure described.  

The  results of  the prototype experiments  that were  carried out  are  issued  in Part  III. When 

exposed to the stimulus pattern, the subjects confirmed both types of possible reactions have 

been expected: voluntary and  involuntary ones. As  common  criterions  for  comparability,  the 

“performance level”, “confidence ratio”, and the “peripheral angle of perception” are defined. 

The  initial hypothesis  that peripherally moving  stereoscopic contours are perceived, with  the 

central  field  of  view  occluded,  will  trigger  characteristic  responses  of  ocular motion  to  be 

correlated with the motion of the stimuli, could  in principle be demonstrated and plausibility 

checked.  Additionally,  the  peripheral  regions  where  object  recognition  was  best  could  be 

empirically found. The validity of the data and concluded results are critically assessed. Based 

on the experience gained and the deficiencies  identified, ways to optimize the test procedure 

are finally suggested. 

Part  IV  highlights  the  significance  of  dynamic  peripheral  stereopsis  with  special  focus  on 

objective detectability and criterions for the optimum assessment of its presence. Motivated by 

a broad field of prospective future applications, which have been shortly  introduced  in part  I, 

such  as  objective  candidate  selection  for  certain  professional  areas,  aptitude  tests, medical 

certificates, etc., as well as a tool for the early diagnosis of visual abnormalities of binocularity 

in infants, reflects justified necessity to further drive on this present pre‐development stage. A 

comparison of similar  test methods  that have been studied and published  is provided. Based 

thereupon, possible commercial applicability is evaluated and argued, and a further, conclusive 

plan of development is proposed.   

This dissertation closes with the summary in Part V, followed by the reference list. 

2. Theoretical Background     The Human Vision 

 

 9 | 97 

2. Theoretical Background 

2.1 The Human Vision 

In  the  process  of  human  vision,  the  eyes  are  optically  equivalent  to  a  camera  system 

reproducing  inverted and reversed  images of the visual world onto the retina. Photosensitive 

receptor  cells,  cones  and  rods,  are  distributed  over  this  multi‐layered  sensory  surface  to 

generate  electrical  potentials  via  photochemical  reactions  [Grüsser,  1983;  Guyton  and  Hall, 

2006]. Fed  into the brain through the optical nerves, along the visual pathway, these afferent 

signals are pre‐processed and  filtered  in dedicated cortical areas  [Howard and Rogers, 1995]. 

The actual visual impression is finally generated in the visual cortex on receptive fields that are 

associated  to  the  respective  retinal areas  [Grüsser, 1983; Howard and Rogers, 1995; Herzau, 

2004a]. 

 

2.2  Visual Fields and Retinal Organization 

The  part  of  the  environment  seen without  neither moving  head  nor  the  eyes  is  commonly 

known as the visual field. In humans, with the eyes motionless, the total visual field may extend 

laterally about 190 degrees  [Howard and Rogers, 1995]. The  field of gaze  is an enlargement 

thereof, an additional area opened by voluntary and multilateral movements of  the eyes but 

with  head  and  body  remaining  motionlessly  fixed.  The  field  of  gaze  may  cover  260 

[Sachsenweger  and  Friedburg,  1992;  Sachsenweger,  2002a]  up  to  even  290  degrees  in 

horizontal extent  [Howard and Rogers, 1995]  strongly depending on  the  individual extend of 

muscular  contractibility.  When  additionally  head  movements,  with  the  body  remaining 

stationary,  came  into play,  the  total  visual  field  can  almost  cover 360 degrees  [Howard  and 

Rogers, 1995]. 

Each  monocular  visual  field  is  extending  to  about  50‐60  and  70  degrees  superiorly  and 

inferiorly, 60 degrees nasally, and over 90 degrees temporally [Taylor, 1973; Sachsenweger and 

Friedburg, 1992; Howard and Rogers, 1995; Sachsenweger, 2002a], as exemplarily portrayed in 

the  perimetry  chart  of  figure  2.1a  for  the  right  eye.  Resulting  from  the  overlap  of  the  two 

monocular visual  fields,  the part within  their spanned  total visual  field  that can be seen with 

both eyes simultaneously is called the binocular visual field. The white, central portion of figure 

2. Theoretical Background     Visual Fields and Retinal Organisation 

 

10 | 97 

2.1b shows a plot of a normal binocular field. It is a heart‐shaped range of about 60 degrees to 

the  left  and  to  the  right  side of  the head  [Taylor, 1973;  Sachsenweger  and  Friedburg, 1992; 

Howard and Rogers, 1995;  Sachsenweger, 2002a]. With  the eyes aligned  straight ahead,  the 

upper  boundary  extends  to  circa  50  degrees  above,  the  lower  boundary  about  75  degrees 

below  the  line  of  sight  [Howard  and  Rogers,  1995]. Within  these  physiological  borders,  the 

brain is able to merge the two individual visual impressions of the eyes enabling the perception 

of spatial depth. However, the above numbers are representative standards given for healthy 

subjects. Individual anatomic and physiological conditions, as well as the particular features of 

the environment and the objects gazed at influence the shape and extent of the visual field. 

 

 

Figure 2.1: Human visual field. Perimetric chart of  the average human monocular visual  field  for  the  right eye  (a) and  the binocular  field of view (b). The cut‐offs are shown by the black area. The eccentricity angle is the distance in degree by which a target  is  displaced  from  the  fovea.  The  central  portion  of  (b)  represents  the  binocularly  and  the  hatched portions the monocularly seen regions of space (modified from [Taylor, 1973]). 

 

The  visual  environment we  perceive  is  the  synergic  composition  of  foveal,  para‐foveal,  and 

peripheral  acquisition  of  information  and  the  particularities  of  retinal  organization.  Foveal 

(central) vision refers to the  image  formation on the  fovea, the centre of the retina, which  is 

about 5 degrees (1.5 mm) in diameter [Lang, 1992]. With some 1.2 degrees (0.3 to 0.4 mm) in 

diameter [Lang, 1992; Guyton and Hall, 2006],  its central portion, the fovea centralis, contains 

the highest density of cones but  lacks of rods. Although scotopically blind,  for the number of 

optic nerve fibres almost equals to the number of innervated cones [Taylor, 1973; Guyton and 

2. Theoretical Background     Visual Fields and Retinal Organisation 

 

 11 | 97 

Hall,  2006],  rendering  the  fovea  centralis  as  the  region  of  greatest  visual  acuity  and  spatial 

resolution of  the entire  retina. Gazing at or directing  the visual attention on a  target means 

capturing  it  into the fovea centralis and then keeping  it continuously fixed to extract detailed 

object information. The visual line connecting the point of fixation with the central point of the 

fovea centralis is called the visual axis and is not to be confused with the optic axis. The optical 

axis  is the  line trough the centres of the optical components which are at an angle of about 5 

degrees to each other [Howard and Rogers, 1995]. The para‐foveal region can centrally extend 

up  to 10 degrees with  respect  to  the  fovea  centralis  and  is  composed of  a  lower density of 

cones but a steeply rising density of rods [Grüsser, 1983]. Therefore, the para‐foveal region  is 

operating  well  under  both  photopic  and  scotopic  conditions.  The  blind  spot  (optic  disk  or 

papilla)  is  a  slightly  off‐centred  area measuring  about  5  degrees  in width  and  7  degrees  in 

height  and  is  located  approximately  12  to  15  degrees  nasally  to  the  fovea  centralis 

[Sachsenweger  and  Friedburg,  1992; Guyton  and Hall,  2006].  There,  the  retinal  nerve  fibres 

merge  into  the optic nerve passing out of  the eye  through  the sclera,  interrupting  the  retina 

and causing a physiological  scotoma, as  to  say.  In contrast,  the  retinal periphery outside  the 

aforementioned  regions  is characterized by a steep decrease of cone density at elevated  rod 

density peaking at about 20 degrees [Grüsser, 1983].  

 

Figure 2.2: Distribution of cones and rods over the retinal surface                     (modified from [Grüsser, 1983]). 

 

2. Theoretical Background     Peripheral Vision and Perception of Motion 

 

12 | 97 

Figure 2.2 shows the density of photoreceptors distributed over the retinal surface extending 

from the fovea towards the nasal and temporal periphery. Accordingly, in the visual cortex, the 

topological projection of the retina is nonlinear, i.e. the fovea centralis is projected onto a far 

larger cortical area compared to an equally‐sized region of the retinal periphery [Grüsser, 1983; 

Howard and Rogers, 1995]. 

 

2.3 Peripheral Vision and Perception of Motion 

Derived from retinal organization and measured from the fovea, the central field of view spans 

a total visual angle from about 20 to 30 degrees [Sachsenweger, 2002a]. The region outside  is 

generally referred to as the peripheral field of view. 

Figure 2.2  illustrates  that  the visual periphery  is  rod‐dominated and  therefore visual acuity  is 

poor  as  figure  2.3  indicates.  With  increasing  distance  from  the  fovea,  visual  impressions 

become gradually blurred and fuzzy. Nevertheless, attributable to their intrinsic properties and 

the  fact  that an  increased number of  rods converges  to one and  the same optic nerve  fibre, 

summation effects trigger more intense retinal stimulation [Guyton and Hall, 2006]. This makes 

the retinal periphery highly sensitive in locating light stimuli and changing contrasts. Figure 2.3 

gives  the  typical  relationship between prevailing  luminance  conditions of  a  scene  and  visual 

acuity of the (right) eye measured with the Landolt ring. It proofs an everyday experience that 

photopic vision acuity and  the discrimination of contrast  is best  in central vision while under 

scotopic conditions central vision drops to zero, constituting a central scotoma [Sachsenweger, 

2002a]. Scotopic vision  is dominant  in  the periphery where attributed  to  the  low number of 

cones the perception and discrimination of colours are considerably diminished [Grüsser, 1983; 

Guyton and Hall, 2006]. Especially  in dim  light and transition scenarios, peripheral perception 

gains importance. In the dark‐adapted state, usually, the optimum discrimination is achieved at 

about 10 degrees eccentricity  from the visual axis  [Taylor, 1973] at the  lateral margins of the 

peripheral field.  

2. Theoretical Background     Peripheral Vision and Perception of Motion 

 

 13 | 97 

 

Figure 2.3: Dependence of visual acuity on the position in the visual field and the lightning conditions. The red curve represents the photopic, the black one the scotopic vision (modified from [Grüsser, 1983]).  

From a  functional point of view, peripheral vision not only complements central vision by  its 

capability to detect brightness gradation. More importantly, it enables the detection of objects 

and  directed motion  outside  the  narrow  cone  of  straight‐ahead  vision  at  a  high  temporal 

resolution  [Grüsser,  1983;  Carpenter,  1988;  Guyton  and  Hall,  2006].  Within  milliseconds, 

spontaneous gaze‐shifting eye movements [Carpenter, 1988] can be triggered and executed to 

foveally  capture  and  track  new  objects  of  attention.  Generally,  related  to  the  structural 

particularities of  the peripheral  retina, both  the capacity and extent of peripheral vision, and 

the velocity thresholds for the visual detection of movement correlate with the complexity of 

objects  in  size,  shape,  and  colour,  and  the  viewing  conditions  such  as  the  visual  distance, 

background,  and  luminance  [Grüsser,  1983].  Under  photopic1  conditions,  for  instance,  the 

lower threshold of  foveal motion sensitivity  is about 0.2 to 0.8 minutes of arc per second. As 

cited  in [Guyton and Hall, 2006], under these conditions, even a minute gnat flying across the 

visual  field  can  instantly  be  detected,  whereas  when  at  rest,  the  insect  would  be  entirely 

undetectable  for the human eye. The detectability can be  improved  [Grüsser, 1983] once the 

visual field  is free of distracting stimuli or by  increasing the contrast of objects relative to the                                                              1  Photopic  vision:  daylight  and  colour,  luminance  >  10  cd/m²;    Scotopic  vision:  night,  luminance  <0.01  cd/m² (mesopic vision: transition area, dim light) [Sachsenweger, 2002a] 

2. Theoretical Background     Peripheral Vision and Perception of Motion 

 

14 | 97 

global visual scene. The direction of moving objects  is also well determinable, even at  raised 

angular velocities of up to 300 to 400 degrees per second. At further increasing velocities of up 

to a threshold of approximately 600 degrees per second, directional information can no longer 

be obtained and the awareness of the presence of objects is more and more reduced to appear 

as light/dark stimuli only [Grüsser, 1983].  

In  the context of movement perception, certain habituation effects, particularly of vestibular 

responses  [Carpenter,  1988],  following  prolonged  periods  of  exhibition  to moving  stimulus 

patterns, may  lead  to  phenomena  such  as movement  aftereffects  and misinterpretation  of 

movement velocity [Grüsser, 1983]. The latter, one might have already experienced during long 

straight  and  monotonous  sections  on  the  highway.  Against  this  background,  the  practical 

meaning of peripheral vision,  in particular  the perception of peripherally moving objects and 

their three‐dimensional relation to each other will be assessed later in part IV of this thesis. 

 

2.4 Ocular Motility  

The  ocular  system  is  continuously  scanning  the  visual  scene  for  new  information.  Particular 

objects of  interest are caught and kept centrally  fixed, or after deviation of view shifted back 

into  the  fovea  to stabilize gaze. Our complete and sharp  impression of  the entire scenery,  in 

spite of  the extremely narrow cone of acute central vision, and even more when confronted 

with  a moving  visual  panorama,  is  ascribed  to  patterns  of  fixation  and  the  action  of  quick 

saccadic  jumps  [Carpenter,  1988].  One  is  unconscious  of  these  continuous  point‐to‐point 

fixations  and  image  shifts  since  the  brain  suppresses  and  extrapolates  the  visual  scene  to  a 

coherent  image [Carpenter, 1988; Guyton and Hall, 2006]. When saccades are insufficient and 

larger movements are required, the head moves along with the eyes. The most common modes 

of object movement to be tracked that should be of discriminative interest [Taylor, 1973] are 

(a) movements across the visual field in the fronto‐parallel plane,  

(b) movements in depth toward or away from an observer,  

(c) combinations of both,  

(d) changes of rate or direction, and  

(e) rotational movements. 

2. Theoretical Background     Ocular Motility 

 

 15 | 97 

In  principle, moving  objects  are  perceived when  either  the  eyes  remain motionless  and  the 

image  is moving across  the retina, or  the eyes are  following  the moving  target object,  locally 

fixing  thus  its  image  on  the  retina  [Körner  and  Dichgans,  1967].  For  that  purpose,  three 

antagonistic pairs of striated extraocular muscles, four rectus and two oblique muscles, enable 

a  six‐degree‐of‐freedom,  i.e.,  horizontal,  vertical,  and  diagonal,  mobility  of  the  eyeball 

[Carpenter, 1988; Lang, 1992; Sachsenweger, 2002b; Kaufmann and Steffen, 2004; Recker and 

Lang, 2006] which is flexibly suspended in the orbital cavity (figure 2.4).  

 

 

Figure 2.4: Arrangement of extraocular muscles.Frontal view (left) and the transverse‐caudal section (right) of the extraocular muscles of the right eye [Recker and Lang, 2006].  

 

Additionally, two  intraocular muscles  [Grüsser, 1983; Guyton and Hall, 2006] retain the visual 

impression under varying external conditions. These, the ciliary and the  iris sphincter muscle, 

do not move the globe itself, but adjust the refractive power of the dioptric apparatus [Grüsser, 

1983] to the  fixation distance  (accommodation) by modifying the curvature of the  lens. Thus, 

control  the  amount  of  light  that  is  entering  the  eye  by  appropriately  setting  the  papillary 

aperture, respectively.  

Under  functional  aspects,  the  different  binocular  eye movements  [Carpenter,  1988]  can  be 

coarsely classified as gaze  shifting and gaze  stabilization  (gaze holding) movements, as  figure 

2. Theoretical Background     Ocular Motility 

 

16 | 97 

2.5 schematically depicts. Furthermore, depending on whether both eyes simultaneously move 

in  the  same  or  in  opposite  directions,  versions,  which  are  also  termed  “conjugate”  eye 

movements, are distinguished from “disconjugate” vergences [Carpenter, 1988; Kaufmann and 

Steffen, 2004]. Three types of micro‐movements during the straight‐ahead fixation of an object 

point can be described: microsaccades and ocular drifts which are compensating for each other, 

as well  as microtremor  to  counter  retinal  fatigue. General ocular  anatomy  and neuro‐motor 

physiology are detailed in dedicated textbooks such as [Carpenter, 1988; Sachsenweger, 2002b; 

Kaufmann and Steffen, 2004; Recker and Lang, 2006]. 

 

 

Figure 2.5: Synoptic overview of the basic eye movements for gaze shifting and stabilization. 

2.5 The Optokinetic Nystagmus 

Nystagmus  <Greek:  nystagmos  ‐  drowsiness,  nystazein  ‐  to  be  sleepy>  is  the  bilateral, 

involuntary and rhythmic, reflexive jerking of the eyes. Several physiological [Carpenter, 1988; 

Sachsenweger,  2002b;  Kommerell,  2004a;  Guyton  and  Hall,  2006]  and  pathological 

[Sachsenweger, 2002b; Kommerell, 2004b; Recker and Lang, 2006]  forms of nystagmus exist. 

Out  of  the  physiological  ones,  the  optokinetic  nystagmus  [Carpenter,  1988] will  find  closer 

consideration  as  it  plays  a  central  role  in  the  experimental  part  of  this  work.  With  its 

neurophysiologic  particularities  and  characteristic  responses  to  stimulation  [Träumer  and 

Bührmann,  1973;  Garbutt  et  al.,  2001],  besides  serving  as  an  objective  criterion  for  the 

2. Theoretical Background     Optokinetic Nystagmus 

 

 17 | 97 

assessment  of  visual  acuity  [Noorden  and  Campos,  2002],  the  OKS might  be  applicable  to 

objectively assess fusion and stereopsis [Fox et al., 1978; Archer et al., 1987]. The optokinetic 

responses might  perhaps  also  be  indicative  for  early  symptoms  of  pediatric  amblyopia  and 

strabismus  [Naegele  and Held, 1982;  van Hof‐van Duin  and Mohn,  1986; Herzau, 2004b].  In 

combination with the smooth pursuit system [Carpenter, 1988], the optokinetic and vestibular 

systems  form  essential  parts  of  the  human  gaze‐holding  and  visual  stabilization mechanism 

[Carpenter, 1988; Kommerell, 2004a], see also synopsis of figure 2.5.  

The OKN originates  in the cerebral cortex when structured visual stimuli move relative to the 

retina  while,  in  the  ideal  case,  eyes  and  head  are  kept  stationary  fixed  [Grüsser,  1983; 

Carpenter, 1988; Kommerell,  2004a,  2004b]  to  exclude  vestibular  artifacts. Accomplished by 

repetitive sequences of slow and quick phases, the OKN shifts the eyes in a characteristic saw‐

tooth pattern, always  in a conjugate  fashion,  to  stabilize  the  image of moving  scenes on  the 

retina [Carpenter, 1988]. By convention, the quick phase defines the direction, while the slow 

phase keeps  the  target  continuously  foveated, avoiding  thus  image degradation and blurring 

effects  [Carpenter,  1988;  Kommerell,  2004a]. While  smooth  pursuit movements  [Carpenter, 

1988]  immediately  respond  to  sudden  stimuli  at moving  velocities  reaching  30  degrees  per 

second  [Kommerell, 2004a],  the slow phase of  the OKN may however need some seconds  to 

establish  its maximum  response  [Kommerell,  2004a]  to  stabilize  the  entire  retinal  image  of 

larger moving objects during  locomotion or head‐turning  [Carpenter, 1988]. Sometimes both 

mechanisms are competing and then solely the observer’s dedicated attention decides which 

mechanism will  take effect and which one will be  suppressed;  in other words,  in a complete 

scene either a small object is recognized and tracked by smooth pursuit or a larger one by slow 

phase OKN [Carpenter, 1988; Kommerell, 2004a]. In any case, focused attention is an essential 

prerequisite for good performance of both mechanisms [Carpenter, 1988]. 

The diagnostic value of the OKN comes into play as it is impossible to voluntarily alter saccadic 

velocity  [Garbutt  et  al.,  2001].  Significant  slowing  should  be  regarded  as  a  pathological  sign 

which can reveal abnormalities in the oculo‐motor periphery [Garbutt et al., 2001] and general 

disturbances  in  the  gaze  control  system  [Grüsser,  1983].  During  neuro‐ophthalmological 

examinations,  patients  often  are  asked  to  attend  to  a  patterned  ribbon which  is  uniformly 

moved  in  front of  their eyes, preferably at angular  speeds of 10 and 40 degrees per  second 

2. Theoretical Background     Optokinetic Nystagmus 

 

18 | 97 

[Kommerell,  2004a,  2004b].  Slow  and  smooth  optokinetic  shifts  are  co‐directional with  the 

stimulus pattern and are  represented as  red arrows  in  figure 2.6. Quick  saccadic  jerks  (black 

arrows) to the opposite direction reset the eyeballs back to their central position for re‐fixation 

[Grüsser, 1983] when observed objects are getting out of view. When the stimulus pattern  is 

moved to the side of the lesion, the OKN will be disturbed or absent [Kommerell, 2004b]. Often, 

in  screening  situations or  for  infants,  the Catford drum, a hand‐held  cylinder  covered with a 

vertical pattern, is used [Suttle, 2001].  

 

Figure 2.6: Optokinetic Nystagmus. The eyes slowly pursue the moving pattern (red arrows) and quickly jerk back to their central position (black arrows) [Sachsenweger, 2002b].  

 

Figure 2.7: Optokinetic cylinder with one quadrant removed  [Lasker and Kummell, 1985]. 

Under experimental conditions, the OKN  is most suitably stimulated by a rotating optokinetic 

drum,  large  enough  to  fill  the  entire  visual  field,  or,  even  more  appropriate,  one  that 

completely  surrounds  the  centrally  seated  subject.  This  way,  disruptive,  suppressive  or 

inhibitory effects of visible edges and borders which physically occlude parts of the visual field 

2. Theoretical Background     Optokinetic Nystagmus 

 

 19 | 97 

[Murasugi et al., 1986; Pola et al., 1992] can be excluded. A possible set‐up  is shown  in figure 

2.7  [Lasker  and  Kummell,  1985].  For  demonstration,  one  part  of  the  patterned  screen  is 

removed.  

Common criteria  for optokinetic evaluation are  the pace of  the  slow phase and whether  the 

OKN  can  be  comparably well  stimulated  in  both  clockwise  and  counter‐clockwise  directions 

[Kommerell, 2004a, 2004b]. Other characteristic features for the quantitative assessment of the 

OKN [Träumer and Bührmann, 1973] are the interval between successive saccades, the maximal 

saccadic  velocity  and  the  power  of  the  nystagmoid  response.  Usually,  the  relation  of  eye 

velocity to stimulus velocity is referred to as the gain of OKN [Carpenter, 1988; Valmaggia et al., 

2001]. At moderate stimulus velocities of up to some 30 degrees per second the gain is around 

unity [Carpenter, 1988] and then perfect image stabilization of the moving scene is obtained on 

the retina [Murasugi et al., 1986]. Increasing the stimulus speed causes the slow phase lagging 

behind, until at some 100 degrees per second  the optokinetic system  finally  fails  [Carpenter, 

1988]. The elicited frequencies and amplitudes of the optokinetic beats are further  influenced 

by  the  contrast and  luminance  conditions  [Carpenter, 1988; Wang and Sönderberg, 1995]. A 

comprehensive  and  more  detailed  review  on  optokinetic  dynamics  is  given  in  [Carpenter, 

1988].  

In human subjects, principally stare and look nystagmus can be discriminated [Wyatt and Pola, 

1984;  Carpenter,  1988;  Garbutt  et  al.,  2001].  In  the  stare  condition  (passive  optokinesis), 

subjects  remain  passive,  avoiding  attention  to  any  specific  feature  of  the moving  scene. No 

voluntary  efforts  are  made  to  fix  and  track  it  with  the  eyes.  It  is  purely  reflexive  and 

characterized by a low gain, low amplitude, and frequent quick phases [Garbutt et al., 2001]. By 

contrast in the look condition (active optokinesis), attention is to be paid to one single feature 

or detail  in a moving  scene,  i.e.  it  is  continuously  fixed and voluntarily  tracked. Thus, gain  is 

high;  amplitudes  of  slow  phase movements  are  larger  and  interrupted  by  infrequent  quick 

phases of realignment. 

However,  foveal  stimulation  is  not  necessarily  required  to  trigger  optokinesis.  Studies  have 

revealed that also a peripheral type of OKN [Dubois and Collewijn, 1979] can be shown either 

by patients suffering from a central scotoma [Valmaggia et al., 2001 (and references therein)] 

or by providing  fixation  targets  that are  foveally  stabilized  in  subjects with normal binocular 

2. Theoretical Background     Optokinetic Nystagmus 

 

20 | 97 

vision [Dubois and Collewijn, 1979; Wyatt and Pola, 1984; Howard and Ohmi, 1984; Murasugi et 

al., 1986; Carpenter, 1988]. A variety of optical and mechanical methods can serve  to  isolate 

the peripheral OKN, some of which are reviewed e.g.  in [Howard and Ohmi, 1984; Pola et al., 

1992]. Most of these methods are based on central occlusion of the retina by superposition of 

stationary  edges,  bars,  and  central  occluders,  leaving  only  physically  defined  regions  of  the 

retinal  periphery  accessible  for  stimulation.  Also  cues  to  be  projected  directly  onto moving 

stimulation patterns  [Murasugi  et  al.,  1986; Pola  et  al.,  1995] have been widely  considered, 

likewise centrally stabilized afterimages and other artificially induced central scotomata [Dubois 

and Collewijn, 1979; Wyatt and Pola, 1984], as well as intentional misconvergence of the eyes 

to physical targets placed in front of the plane of the stimulus array [Howard and Ohmi, 1984; 

Howard and Gonzalez, 1987]. Nevertheless, without providing a stationary fixation target, the 

OKN  is  hardly  suppressible  at  stimulus  speeds  below  5  degrees  per  second  [Körner  and 

Dichgans, 1967]. Under above stated fixation conditions, it is possible defining retinal areas that 

are  insusceptible  for  optokinetic  stimulation  within  which  optokinesis  can  be  weakened, 

inhibited or even completely suppressed. 

An  additional  feature  of  the  OKN  not  mentioned  so  far  is  that  also  moving  stereoscopic 

contours  are  well  able  to  induce  determinable  and  differentiable  optokinetic  reactions. 

However,  stereoscopic nystagmus  shows presence only  in  subjects with normal  stereopsis;  it 

has been shown to be absent in stereo‐blind subjects [Fox et al., 1978; Archer et al., 1987].  

The  latter  two  characteristics of  the OKN  in  tandem with  a  stereoscopic  stimulation pattern 

which  is  designed  in  the  style  of  the  Frisby  Stereotest  [FST]  constitute  the major  functional 

issues of the new examination method presented in this work. 

 

2.6 Stereoscopic Vision 

By  inventing  the  stereoscope  in  1838  [Wheatstone,  1838],  the  British  physicist  Charles 

Wheatstone has  set an  important milestone  in ophthalmologic history. With  stereoscopy, he 

showed  that  two  in horizontal direction  slightly displaced  images  can be  fused by  the brain, 

implying  the  visual  sensation  of  spatial  depth,  also  referred  to  as  stereoscopic  depth  or 

stereoscopic  vision. Under natural  viewing  conditions,  the  term  stereopsis  is  generally used. 

2. Theoretical Background     Stereoscopic Vision 

 

 21 | 97 

The binocularity aspect  is no exclusive precondition  since by assistance of  certain  visual and 

experiential cues [Taylor, 1973; Noorden and Campos, 2002; Herzau, 2004a] depth can as well 

be perceived monocularly. However, throughout this work, it is exclusively referred to binocular 

stereopsis based on horizontal disparity.  

 

2.6.1 Physiology of Stereopsis  

The  capability  to  perceive  the world  in  three  dimensions  is  to  a  great  extend  attributed  to 

binocularity  and  its  specific  senso‐motoric  particularities  to  focus  both  eye  on  objects  of 

interest [Noorden and Campos, 2002]. As the eyes are located at two different head positions, 

two  slightly  different  perspectives  of  the  visual  scene  are  projected  onto  their  retinas, 

subtending two different visual angles. This difference  is a common measure for binocular (or 

retinal) disparity. The quality of normal binocular vision is distinguishable in three levels [Recker 

and Lang, 2006]: 

(a) Simultaneous vision –  is  the basic demand  for binocular vision, claiming  that both eyes 

are simultaneously perceiving different perspectives of the foveated object.  

(b) Fusion  –  is  the  brain’s  capability  to  fuse  the  two  different  retinal  inputs  to  one  single 

visual  perception.  Normally,  fusion  is  initiated  by  a motoric  process  of  opposite  and 

commensurate alignment of the lines of fixation to the object in question and keeping it 

visually fixed.  

(c) Stereopsis – is the highest level of binocular vision and depends on several conditions that 

have to be met. 

Following this gamut of binocular quality, the  integration of the two‐dimensional perspectives 

projected onto each  retina  for  the  final  sensation of  spatial depth  takes place  in  the cortical 

areas  17  and  18  in  the  occipital  region  of  the  brain  [Carpenter,  1988;  Lang,  1992;  Herzau, 

2004a; Likova and Tyler, 2007]. 

In the visual area the eyes are actually operating in, to allow for high‐quality binocular vision, in 

particular good sensory fusion and finally stereopsis, retinal correspondence and some degree 

of  equity  in  image  properties,  such  as  similarity  in  size,  brightness  and  sharpness,  are  basic 

prerequisites  [Noorden  and  Campos,  2002].  Retinal  correspondence  [Noorden  and  Campos, 

2002; Rüßmann et al., 2004a]  is given, when the eyes share a common visual direction. Their 

2. Theoretical Background     Stereoscopic Vision 

 

22 | 97 

reversed  two‐dimensional perspectives  can  then be projected on  identical  retinal and  finally 

cortical areas yielding thus single vision. All object points that at a given fixation distance meet 

this  condition  are  connected  by  an  imaginary,  slightly  curved  parabolic  line  called  horopter 

[Grüsser, 1983; Howard and Rogers, 1995; Noorden and Campos, 2002; Tyler, 2004; Herzau, 

2004a;  Recker  and  Lang,  2006],  a  term  already  introduced  in  1613  by Aguilonius. When  an 

observer changes fixation to a new point in space, also a new horopter curve through this point 

will correspondingly be established. 

Points of  the object  space  located off  the horopter  fall on disparate or  “non‐corresponding” 

retinal elements eliciting double  images  (physiological diplopia)  [Grüsser, 1983; Noorden and 

Campos,  2002;  Herzau,  2004a;  Rüßmann  et  al.,  2004a],  which,  conversely,  do  not  a  priori 

exclude stereopsis  [Sachsenweger and Friedburg, 1992]. Those objects  located  in  front of  (or 

behind) the horopter are closer to the eyes than (or beyond) the actual fixation point and are 

therefore projected on the temporal (or nasal) edge of the retina. Because the  left (right) half 

of  the  image  is  seen  by  the  right  (left)  eye  and  vice‐versa,  objects  in  front  of  (behind)  the 

horopter are referred to as seen in crossed (uncrossed) diplopia with respect to the respective 

fovea [Grüsser, 1983; Howard and Rogers, 1995].  

Provided these object points remain within the narrow borders of the Panum’s  fusional area, 

the  range  of which  increases  from  the  retinal  centre  towards  the  periphery  [Noorden  and 

Campos,  2002;  Herzau,  2004a]  where  it  can  even  exceed  1  degree  [Sachsenweger  and 

Friedburg,  1992;  Herzau,  2004a],  sensory  fusion  occurs  and  images  are  seen  singly  and 

stereoscopically  [Noorden  and  Campos,  2002; Herzau,  2004a;  Rüßmann  et  al.,  2004a;  Tyler, 

2004]. Outside these  limits, on the other hand, sensory fusion cannot be maintained because 

with increasing peripheral eccentricity images no longer fall on corresponding retinal areas and 

consequently physiological diplopia  results  [Sachsenweger and Friedburg, 1992; Noorden and 

Campos, 2002]. In that case, however, Burian experimentally verified (as cited in [Noorden and 

Campos, 2002]) that adequate peripherally located disparate stimuli can elicit motor fusion (by 

means of vergences) to approach objects to the horopter, allowing thus  for sensory  fusion  in 

order to avoid diplopia. 

 

 

2. Theoretical Background     Stereoscopic Vision 

 

 23 | 97 

2.6.2 Criteria of Stereopsis 

Only  objects  that  are  located within  the  Panum’s  area  can  be  fused  by  the  brain  to  elicit 

stereopsis.  In  complete  absence  of  other  stereoscopic  cues  [Taylor,  1973;  Noorden  and 

Campos,  2002; Herzau,  2004a],  exclusively  disparate  retinal  images  cause  the  awareness  of 

spatial depth. To quantify the grade of horizontal disparity, the retinal distance of the disparate 

object location of one eye to that of the corresponding object location of the other eye could in 

principle be simply measured. However, usually, the difference between the respective visual 

angles (parallactic convergence angels) subtended by the two monocular projections is used as 

a quantitative measure. This angle is termed disparity angle (δ) the particularities of which are 

further defined in DIN 5340:1998‐04 (Terms for physiological optics). In general, the farther an 

object is located off the horopter, the greater is the disparity angle. 

That angle of disparity which corresponds to the minimum discernible binocular disparity is the 

smallest  perceivable  difference  in  depth  between  two  object  planes  subjects  can  reliably 

discriminate [FST]. This so‐named stereo threshold is commonly used to express the degree of 

stereoacuity, based on horizontal disparity alone. Under optimal laboratory viewing conditions, 

it may range from 2 to 7 seconds of arc within the central field of view [Taylor, 1973; Noorden 

and  Campos,  2002;  Herzau,  2004a;  Tyler,  2004],  whereas  in  clinical  tests  lower  thresholds 

between 15 and 30 seconds of arc can be considered as excellent reference values  [Noorden 

and Campos, 2002]. Likewise the visual acuity, with increasing retinal eccentricity, stereoacuity 

diminishes  with  a  steepening  function  as  stimuli  are  moved  from  the  fovea  towards  the 

periphery  of  the  visual  field  [Noorden  and  Campos,  2002;  Herzau,  2004a,  Tyler,  2004], 

becoming very poor beyond about 20 degrees eccentricity as it is cited in [Tyler, 2004].  

Regarding  the  perception  time,  in  simple  stereograms,  and  after  ocular  adaptation  to  the 

prevailing ambient conditions, depth differences can in principle be distinguished within about 

1 millisecond, provided sufficient  luminance allows the observer to see the stimulus  [Howard 

and Rogers, 1995]. 

As  illustratively schematized by  the example of  the  three‐needle  test  in  figure 2.8, both eyes 

fixate a point F while a nearer point A and a farther point B are both located off the horopter, 

but still within the Panum’s area to allow for fusion (not marked here). The incongruity in their 

retinal image locations (as rear‐projected on the left margin of the figure) produces the angle of 

2. Theoretical Background     Stereoscopic Vision 

 

24 | 97 

binocular  disparity. Here,  for  simplification,  only  the  case  of  proximal  stereopsis,  point  A  is 

located in front of the horopter, is shown.  

 

Figure 2.8: Binocularity and stereopsis.  Proximal stereopsis, i.e. when observing an object point A in front of the fixation point F is simplified (modified from  [Herzau, 2004a]).  In  that  case  the  corresponding  retinal  images are  temporally  shifted. Under  crossed disparity conditions A appears protruding out of the fixation plane. For object point B, the situation would be analogously vice versa. 

The  angle  of  disparity  varies  with  the  distance  of  A  and  B  measured  from  the  horopter, 

providing this way information how far these points are located from the plane of the fixation 

point F. With (α > γ > β), for the case of crossed disparity, i.e. when point A is considered, the 

angle of disparity is negative (δ/2 = γ – α), whereas it is positive for uncrossed disparity (δ/2

 = γ 

–  β)  when  reference  is  given  to  point  B.  In  the  first  case,  as  indicated  in  the  retinal  rear 

projections on the  left side of figure 2.8, crossed disparity causes temporal  image disparity on 

the retinas. This gives observers the impression that the object is stereoscopically protruding in 

front  of  the  fixation  plane.  The  respective  line  of  sight  is  presented  by  the  red  line.  In  the 

second  case,  uncrossed  disparity  that  causes  nasally  image  shifting  on  the  retinas  gives  the 

impression  that  the  object  is  located  behind  the  plane  of  fixation  (not  shown  here).  The 

respective line of sight is presented by the dotted blue line. The projection in the middle shows 

fictive cyclopean eye (C) (also called binoculus or central imaginary eye [Noorden and Campos, 

2002])  in  which  the  retinas  of  both  eyes  are  correspondingly matched,  i.e.  the  respective 

fixation  points  coincide  and  (Fl=Fr=F).  The  distance  of  displacement  (D)  between  the  rear 

2. Theoretical Background     Stereoscopic Vision 

 

 25 | 97 

projections of point A to the retina of the cyclopean eye is for computational reasons projected 

into the plane of fixation (red dashed line), here termed Xa. Starting from the simple geometric 

relations based on the intercept theorem in equation 2.1, see also [Herzau, 2004a], the angle of 

disparity (δ) can be mathematically approximated. 

(2.1) a

aa

a

aa

dedPD

Xde

dPDX

−⋅

=⇒−

=   

(2.2) e

X a2

2tan =⎟

⎠⎞

⎜⎝⎛ δ  

 As the disparity angle is given in radian measure and commonly is very small, with |δ<<1|, the 

term  tanδ  can  be  approximated  as  δ.  Applied  for  (2.2),  with  (2.1)  in  (2.2)  and 

considering ade >>  it follows: 

(2.3) [ ]rade

dPD a2

⋅=δ  

 Equation  2.3  expresses  the  disparity  angle  as  a  function  of  three  variables:  the  observer’s 

viewing distance to the fixation plane (e), the distance between the nodal points of the eyes or 

simplified  the  interpupillary  distance  (PD),  and  the  offset  between  two  considered  object 

planes (da). It is to be noted that according to equation 2.3 the value of stereoacuity is defined 

in radians. In degrees (seconds of arc) it is to be recalculated as: 

 

(2.4) [ ]arcofondse

dPD a sec36001802 ⋅⋅⋅

δ  

Stereoscopic  discrimination  is  finest  at  very  close  viewing  distances  [Herzau,  2004a]. With 

increasing viewing distance to the fixation plane, the angle of disparity is reduced by the power 

of  two and  stereopsis progressively  loses  its ability of unequivocal depth discrimination. The 

critical  far distance at which  theoretically no more depth discrimination exclusively based on 

binocular  parallax  is  possible  strongly  depends  on  the  parameters  used  for  its  computation 

[Herzau, 2004a] as  

 

(2.5) ( )( )2tan2 δ⋅=

PDe  

2. Theoretical Background     Stereoscopic Vision 

 

26 | 97 

In  that  case,  the  angle of disparity  δ  is  to  be  understood  as  the  subject’s  individual  stereoscopic 

threshold. If in a visual scene only monocular cues are left, the reliability is not necessarily given, 

as  monocular  cues  often  result  from  experience  and  knowledge,  therefore  they  can  be 

deceptive or equivocal [Noorden and Campos, 2002]. 

In this context, one can imagine the efforts it takes estimating remote distances in an otherwise 

cue‐less  and  monotonous  widely  extended  environment,  e.g.  deserts,  open  sea  or  space 

exploration [Taylor, 1973].  

 

2.6.3 Testing of stereopsis 

Today, several standard test methods for the evaluation of stereopsis are applied [Lang, 1992; 

Sachsenweger  and  Friedburg,  1992;  Noorden  and  Campos,  2002;  Rüßmann  et  al.,  2004a] 

following a general methodology of ophthalmologic examination [Noorden and Campos, 2002; 

Rüßmann  et  al.,  2004a].  Generally,  tests  for  stereopsis  should  incorporate  two  essential 

features  [Noorden  and  Campos,  2002]:  dissociation,  i.e.  a  separate  field  of  view  must  be 

presented to each eye, and retinal correspondence,  i.e. each of the two targets must contain 

elements  that are  imaged on corresponding  retinal areas. This provides a  frame of  reference 

and enables fusion of the disparately imaged elements to be seen stereoscopically. The type of 

stereotest to be chosen by the examiner should depend on the particular question to be asked 

[Leske et al., 2006]. Basically, as depicted in table 2.1, the commonly applied stereotests can be 

coarsely classified into natural, direct methods and artificial, haploscopic ones [Lang, 1983; Lang 

et al., 1991]. 

2. Theoretical Background     Stereoscopic Vision 

 

 27 | 97 

Table 2.1: Overview of (near) stereopsis assessment tests.      

 Natural, direct methods  real depth  

Artificial, haploscopic methods image separation 

 

  

two‐pencil test  rod alignment tests: 

‐ three‐rod test of Hering ‐ Howard‐Dolman test ‐ Zagora test 

falling‐bead test of Hering  Frisby Stereotest 

opto‐mechanical  synoptophore  anaglyph haploscopy  polarization haploscopy  phase‐difference haploscopy 

anaglyphs  TNO test (random dot) 

light polarization  Titmus stereotest  Random dot stereograms  a) vectograph  

• Random dot butterfly  

• Randot stereo smile test 

• Randot test  

• Random‐‘E’‐Test   b) Lang I+II test 

 

The first category of stereotests refers to natural free seeing conditions under which the same 

image  is  binocularly  presented,  including  some  coarser  tests  [Noorden  and  Campos,  2002; 

Rüßmann et al., 2004a] such as the two‐pencil test, the three‐rod and the falling‐bead test of 

Hering, modifications thereof based on moveable rods to be aligned to each other, as well as 

the Frisby Stereotest. A closer consideration of the Frisby Stereo Test [FST] will follow  later  in 

this section as it is the underlying basic principle of the new examination method presented in 

this work. Natural tests all have in common that they offer real spatial depth, while in contrast 

haploscopic  tests evoke  the  sensation of depth by means of  two  slightly disparate mappings 

(stereoscopic principle,  see  [Rüßmann et al., 2004a]) which need  to be  separately offered  to 

each eye to be fused.  In general, the presentation of such half‐frames can be achieved either 

mechanically  (using  e.g.  stereoscopes,  synoptophores,  or  haploscopic methods)  or  by  light 

polarization  and  the  superimposition  of monocularly  presented  images  in  the  frequency  or 

colour  domain  (then  requiring  Polaroid  or  red‐green  glasses).  Constituting  another  essential 

difference,  Lang  [Lang  et  al.,  1991]  points  out  that  at  larger  interpupillary  distance  natural 

stereopsis is generally enhanced, whereas using haploscopic devices it is vice versa, i.e. smaller 

interpupillary distances are then more favourable.   

2. Theoretical Background     Stereoscopic Vision 

 

28 | 97 

Although  of  great  general  interest,  the  variety  of  video  and  projection methods,  or  other 

routines  used  for  distance  stereoacuity  assessment  [Rüßmann  et  al.,  2004a]  will  find  no 

consideration here because for the time being, the method proposed in this work refers to near 

stereoacuity (proximal stereopsis) testing only. Nevertheless, in further steps of development it 

should  also  be  adapted  to  distal  stereopsis  and  the  Frisby‐Davis  distance  stereotest  (FD2) 

should consequently be mentioned as a child‐friendly free space test of real depth [Adams et 

al., 2005], in principle being quite similar to the Frisby Stereotest [FST]. Subsequently, some of 

the most commonly applied stereoscopic test methods  listed  in table 2.1 are shortly outlined 

and some relevant issues, such as applicability and diagnostic value of judgment comparatively 

and critically assessed.  

 a) Haploscopic tests  Haploscopic  devices  [Noorden  and  Campos,  2002;  Rüßmann  et  al.,  2004b]  mechanically 

separate images for dissociation, i.e. to individually present them to each eye. Haploscopes are 

very versatile since they allow the quantification of the angle of squint, simultaneous vision, the 

capacity for fusion and stereoscopic vision, depending on the type of paired test  images used 

[Rüßmann et al., 2004b]. In the simplest case, image separation can be accomplished by set of 

blends, prisms or mirrors  that present  test slides at slightly different angles  to each eye  (e.g. 

synoptophore). Alternatively,  projectors  that  are  equipped with  colour  or  polarization  filters 

can  be  used  (anaglyph  or  polarization  haploscopy,  which  however  require  adequate 

spectacles), or, as  in phase‐difference haploscopy [Rüßmann et al., 2004a], alternating, phase‐

shifted  image presentation can be realized by arrangements of rotating sector disks which are 

synchronized with a  set of  special  spectacles  (recent alternative concepts apply  liquid crystal 

shutters). The latter two variations are conventionally projected on larger screens at a viewing 

distance of 2 to 5 m away from the patient, covering 40‐50 degrees of the visual field [Rüßmann 

et al., 2004a, 2004b].  

 b) Tests based on light polarization 

This  type  includes vectograph  image  tests such as  the Titmus stereotest,  the ample group of 

Random  dot  stereograms,  and  also  the  Lang  I+II  tests which  are  also  based  on  random  dot 

pattern but due to their special design no spectacles are required to be worn. 

2. Theoretical Background     Stereoscopic Vision 

 

 29 | 97 

 

Figure 2.9: Vectograph image stereotests. a) Titmus (Fly), b) Random dot, c) TNO, d) Lang Stereotest (courtesy of OCULUS Optikgeräte GmbH). 

 The Titmus stereotest is based on the superposition of two linearly polarized monocular images 

[FST;  Noorden  and  Campos,  2002]  and  consists  of  three  parts  as  shown  in  figure  2.9a.  A 

housefly with disparate wings on one side of the test booklet serves to judge whether there is 

gross stereopsis with a  threshold of 3000 seconds of arc.  It captures children’s  interest when 

trying to grasp the fly’s wings with their fingers. The nine sets of four grouped concentric circles 

each and three series of animals on the other side of the card allow for discrimination of finer 

stereopsis with disparities  from 800 down  to 40 seconds of arc  [Noorden and Campos, 2002; 

Rüßmann et al., 2004b; FST]. Subjects wear Polaroid spectacles and are asked  to  identify  the 

respective object that appears to be standing out of the booklet plane. The  final reliability of 

the Titmus test is doubtful since in some patients other visual cues, in particular contours and 

2. Theoretical Background     Stereoscopic Vision 

 

30 | 97 

daily  experience  (one  knows  that  the  fly’s  wings  should  be  there),  might  fake  stereopsis 

[Noorden and Campos, 2002].   

A variety of  tests  is based on  random‐dot stereograms  [Noorden and Campos, 2002; Herzau, 

2004a,  Tyler,  2004].  Random‐dot  stereograms  have  been  developed  by  Julesz  in  the  early 

1960s. They consist of tangible figures or shapes composed of dots that are horizontally slightly 

displaced with respect to one another. The space in between is filled by a randomly generated 

dot pattern.  In principle, random‐dot stereograms effect the cancellation of monocular depth 

cues  in  such a way  that when monocularly observed  from a  fixed and  immobile perspective, 

nothing more than random noise is visible and the object remains hidden. Only under binocular 

observation,  provided  both  half‐frames  are  binocularly  correctly  fused,  a  stereoscopic 

impression is perceived, unmasking the camouflaged object. As only binocular disparity evokes 

the effect of spatial depth, beside all monocular cues of depth perception, also cues based on 

experience  such  as  overlapping,  differences  in  size  of  familiar  objects,  motion  parallax, 

perspective, shadings, texture, and so on  [Taylor, 1973; Grüsser, 1983; Noorden and Campos, 

2002], are excluded. Evidently, this approach offers a considerably higher level of stereoscopic 

confidence  and  quality.  Out  of  the  manifold  of  modifications  of  stereotests  applying  the 

random‐dot principle, figure 2.9b shows an exemplary test booklet. The most commonly used 

modifications are briefly  introduced hereafter  [Noorden and Campos, 2002; Rüßmann et al., 

2004a].   

The set‐up of the Random dot butterfly  is very similar to the Titmus  fly test, except that the 

housefly is replaced by a random dot butterfly, increasing the level of trustfulness. 

The Randot stereo smile test  is particularly designed for  infants from 6 months of age on and 

complies  well  with  non‐verbal  preferential  looking  strategies  [Noorden  and  Campos,  2002; 

Suttle,  2001].  Several  general  forms of  the Randot  test  exist  for different  levels of disparity 

ranging from about 800 to 40(‐20) seconds of arc [Noorden and Campos, 2002]. In most cases, 

patients  are  asked  to  identify  known  objects,  animals  or  shapes  out  of  a  random  dot 

background pattern. Some test cards are adapted with cartoons such as to promote children’s 

attention and medium‐acting interest. Also the Random‐‘E’‐Test is well suitable for infants and 

consists of three test cards. While one is merely a motivating ”fake” model to demonstrate how 

the figure  looks  like, subjects have to  identify the one card containing that figure (in this case 

the  letter  ‘E’  being  raised)  in  direct  comparison  with  another,  stereo‐blank  but  otherwise 

2. Theoretical Background     Stereoscopic Vision 

 

 31 | 97 

identically presented card. Performed at different viewing distances, the test offers disparities 

down to 50 seconds of arc at 50 cm viewing distance.  

The TNO test is a random dot test with disparate superimposed half‐images that are printed in 

complementary  colours. Mostly,  red‐green  or  red‐cyan  (anaglyph  images)  combinations  are 

utilized to be fused by the visual cortex. The test booklet contains 7 cards that carry figures with 

retinal disparities gradually ranging from 480 to 15 seconds of arc [Noorden and Campos, 2002; 

Rüßmann et al., 2004a].   

Due to their nature, the random dots tests of this category require the patients wearing special 

Polaroid filter or anaglyph glasses (TNO) for image separation as seen in figure 2.9a‐c. Because 

most  of  the  above  tests  based  on  dichoptic  (a  separate  image  is  presented  to  each  eye) 

presentations of frames through e.g. anaglyph or polarizer goggles, shutter‐goggles combined 

with CRT monitors and others are occasionally refused by infants, Lang designed a special child‐

friendly and self‐contained method which combines  the utterly  reliable  random dot principle 

with Hess’s cylindrical screens [Lang, 1983]. By a parallel arrangement of half‐cylinder gratings 

that are  imprinted onto the surface of the test cards, the half‐images are separated. This trick 

relieves the user from wearing spectacles and, additionally, it permits the direct observation of 

ocular movements by the examiner when the child discovers the typical cat, star and car stereo 

pictograms with disparities ranging between 1200 and 200 seconds of arc  for the Lang  II test 

[Lang, 1983; Rüßmann et al., 2004a]. The Lang test is depicted in figure 2.9d; the Lang II test is 

a consistent further development with even reduced disparity  levels.  It  is complemented by a 

monocularly  visible  shape  of  a  star which  should  ease  the  diagnosis  of  younger  infants  by 

increasing their attentiveness. As a reliable means for quick visual screening, both of the Lang 

tests  are  also  useful means  to  differentiate  between  symptoms  of  infantile  strabismus  and 

pseudostrabismus (epicanthus) [Lang, 1983].  

In view of the above test procedures, it has to be brought to mind that measured stereoacuity, 

to  a  large  extent, depends on  the  test design  itself.  The  elimination or  a priori  exclusion of 

monocular and binocular cues is a basic prerequisite for reliable and plausible detection of true 

stereopsis [Wong et al., 2002]. As further cited in [Wong et al., 2002], the levels of innervation 

for  accommodation  and  convergence  have  been  assumed  contributing  to  binocular  depth 

perception by providing extra‐retinal cues which might influence the judgement of distance and 

stereoscopic processing. Gonzalez et  al.  (1998) on  the other hand  reported perceived depth 

2. Theoretical Background     Stereoscopic Vision 

32 | 97 

generated  by  random‐dot  stereograms  independent  of  the  viewing  distance,  vergence,  and 

accommodative movements of  the eyes,  revealing another convincing advantage of  random‐

dot stereograms. 

 2.6.4 Frisby Stereotest 

The  Frisby  Stereotest  is  of  particular  interest  for  this  study  as  it merges  the  advantages  of 

natural,  self‐contained  stereotests with  the diagnostic  reliability of  Julesz’s  random dots. The 

Frisby Stereotest advantageously differs from all other stereoscopic tests that are making use of 

the  random  dot  principle  or  haploscopic  projections  because  it  presents  the  targets  to  the 

patients  in  real  ”plastic  depth”.  Consequently,  no  special  spectacles  (anaglyph  or  polarizing 

glasses) or other  technical  auxiliary means  are needed  giving  rise  to  free and purely natural 

seeing  conditions without dissociation.  The patients will be  facing  the  same or  at  least  very 

similar but realistic conditions to those they are daily confronted with outside of examination 

rooms. The underlying principle of the Frisby Stereotest is astonishingly simple.  

 Figure 2.10: Frisby Stereotest (picture from http://www.frisbystereotest.co.uk/) 

 

A random dot pattern of small differently sized triangles is printed on one face of a transparent 

Perspex plate which is subdivided into four equally structured squares. In one of those squares, 

a circular area is cut and congruently printed on the opposite face of the plate. Seen against a 

featureless background, as  it  is shown  in figure 2.10, the patient has to  identify this particular 

2. Theoretical Background     Stereoscopic Vision 

 

 33 | 97 

item out of  the  four possibilities. Monocularly observed,  the  circle  remains unidentified  and 

hidden within the fuzzy pattern. 

By  combining  three  thicknesses of plates  (6,  3  and  1.5 mm or  alternatively 1 mm2) with  six 

viewing  distances  ranging  between  80  and  30  cm,  stereo  acuities  grading  from  880  to  20 

seconds of  arc  can be easily  concluded with  the  test. This  range however  can be ad  libitum 

extended  by  varying  the  viewing  distances,  which  can  be  used  for  calculation  of  the 

corresponding disparities, or stereo acuities, respectively (see figure 2.11 (modified from [FST]) 

and equation 2.7).  

 

 Figure 2.11: Geometric relations of the Frisby‐Stereotest.   

From the crossed disparity condition of figure 2.11 it follows: 

(2.6a)   andl

PDA

2tan =δ  

(2.6b)  dl

PDB += 2tanδ  

Referring to section 2.6.2, for small angles  in radian measure, tanδ can generally be simplified 

as δ and the stereoscopic angle can be stated as:  

(2.7)   ( ) [ ]radl

dPDBA 22 ⋅=−⋅= δδδ  

                                                             2 In the versions of the test before March 1990, the thinnest plate was 1 mm thick, today it is 1.5mm [FST]. 

2. Theoretical Background     Stereoscopic Vision 

34 | 97 

In the Frisby Stereotest exclusively the binocular parallax resulting from the plate thickness (d) 

and  the viewing distance  (l) gives  the  stereoscopic  information; no other depth cues  such as 

contours,  motion  parallax,  or  personal  experience  come  into  play  that  could  falsify  the 

diagnosis. Moreover, to further discourage subjects from guessing, the three test plates can be 

repeatedly presented in any position, not giving the patients any hint or the possibility to learn 

the correct response [FST]. These features and the simplicity of  its application, provided good 

instructions are given,  render  the Frisby  Stereotest highly  reliable with an  increased  level of 

objectivity. These are  reasons why  it  is considered well suitable  for  the purpose of  the study 

presented. 

3. Materials and Methods 

 

 35 | 97 

Part II – Materials and Methods 

3. Materials and Methods 

This  part  describing  the  prototype  development  of  the  new  test  apparatus  shows  its  basic 

suitability  for  the  assessment  of  dynamic  peripheral  stereovision.  To  minimize  evident 

subjectivity and/or practical inconvenience of most of the currently applied clinical methods of 

stereoscopic  evaluation,  in  this  approach  real  physical  depth  information,  the  underlying 

principle  of  the  established  Frisby  Stereotest,  is  used  under  natural  binocular  viewing 

conditions in order to exclude all stereoscopic cues except binocular disparity. In support of this 

purpose,  subjects  are  completely  surrounded by  a  rotating  transparent  cylinder  carrying  the 

stereoscopic stimulus pattern. Subjects wear a special arrangement of goggles equipped with 

adjustable  blends  which  will  be  termed  “aperture  goggles”  in  this  work.  Through  central 

occlusion,  the  central  portion  of  the  visual  field  is  blinded  out  by  this  artificially  induced 

scotoma, leaving open definable portions of the peripheral visual field only. In order to elicit a 

kind of stare‐OKN (passive OKN), subjects were instructed to continuously look straight ahead, 

avoiding  direct  focused  attention  to  the  stimulus  pattern. By means  of  a  punishment  effect 

based on  informative deprivation that arises whenever subjects deviate  from central  fixation, 

they note  that by keeping primary  fixation,  the peripheral acquisition of  information  is most 

extensive and comfortable for them. 

 

3.1 Overview of the Experimental Setup 

The  experimental  setup3 was  established  in  a  standard  examination  room which was  kindly 

made  available by  the ophthalmologic  clinic of  the University of Greifswald  and  is  shown  in 

figure 3.1. It basically was composed of a stand carrying the patterned stimulus cylinder, a drive 

and control unit, operating desk, modified chair for the subjects to comfortably have restrained 

head and posture, an aperture goggle to define the respective parts of the visual field, and the 

                                                             3 Most of the components have been home‐fabricated and assembled under conditions other than professional by the author himself. Consequential deficiencies and the limits of the current prototype setup are critically assessed in section 5.4. 

3. Materials and Methods     Experimental Setup 

36 | 97 

devices of general alignment, measurement and data acquisition. The drive unit and operating 

desk are not visible in the picture. These and the other components will be detailed later.  

The general ambient requirements for the execution of the test procedure are rather  low and 

only little preparatory work is needed. Basically, an unstructured, preferably white, background 

(here a white wall)  in an otherwise  silent  room  free of distracting visual and audible  cues  is 

required. The room illumination should be made adjustable, for example by a dimmer. This is to 

ensure  comfortable  and  reproducible  conditions  for  the  subjects,  and  above  all  to  prevent 

optical  interference  (such  as  light  reflections,  glare,  etc.),  early  loss  of  concentration  and 

tiredness due to  inappropriate  illumination or unfavourable contrasts. The key components of 

the hardware including data acquisition and the software used are subsequently specified. 

 

 

Figure 3.1: Basic experimental setup  (The drive unit and operating desk are not visible.)  

 

3.2 Structural and Electromechanical Hardware 

The electromechanical basic  setup  consisted of vertical  stand, manually adjustable  in height, 

with a horizontal cantilever as shown in figure 3.1. A swivel was embedded into the far end of 

this cantilever serving both to suspend and drive the rotating drum unit. The drum unit, which 

is detailed in section 3.3, had total weight of roughly 10 kg and was mechanically balanced by 

3. Materials and Methods     Structural and Electromechanical Hardware 

 

 37 | 97 

the construction of the stand. A small high‐speed 6 V direct current (DC) electric motor (which 

was recycled  from an old tape recorder) was connected through a specially tailored multiple‐

stage gear to the rotor shaft of the bearing to finally drive the drum. Compared to commercially 

available  low‐speed  torque motors,  this  rather  improvised  assembly  solution  offered  clear 

advantages  regarding  size,  weight,  noise  emission,  power  consumption,  and  price.  The 

transmission  ratio  (i≈1:150)  of  the  gearbox was  designed  such  as  to  allow with minimized 

electric effort the adjustment of the desired speed range between 1 and 6 rpm (rotations per 

minute) while providing sufficient torque to steadily drive the drum. The motor and its control 

electronics  were  powered  by  an  AC/DC  universal  power  supply  adaptor  (Hama  300  mA 

46590/safety, 230 V ~50 Hz AC) with selectable output voltage between 3 and 12 V DC. Figure 

3.2 depicts the electronic control unit  for powering, adjustment of  rotation direction, velocity and 

signaling with DC power  supply  (1),  cyclocomputer  (2),  and push button  (3)  for  the  subjects. 

Basically, the rotational direction could be selected and switched (4) by means of a double‐pole 

power  relay  (Omron G2R‐2 5A 6V). A  cascade of  resistors was designed  to  tune  the  voltage 

supply of  the DC motor and a potentiometer  (5) was used  to set  the  rotational speed of  the 

drum specifically desired range. More constructive details go beyond  the actual scope of  this 

work and can be provided upon request by the author. 

 

 

Figure 3.2: Control unit.  

 During operation, the rotation speed of the drum was continuously measured and visualized via 

a  conventional  digital  cyclocomputer,  permitting  thus  the  experimenter  to  set, monitor  and 

readjust the speed by the potentiometer. The sensor concept was made up of a magnetic reed 

3. Materials and Methods     Structural and Electromechanical Hardware 

 

38 | 97 

switch  and  five  small magnets  as  pulse  generators.  The  reed  switch was  fixed  to  the  static 

frame  close  to  the  rotating axis of  the drum bearing and wired  to  the  input  contacts of  the 

microprocessor. Impulse signals were provided by a circularly and equidistantly distributed set 

of  five  small permanent magnets, mounted onto a disc which was directly  fixed  to  the drive 

axle of the drum. The rotation speed was internally calculated from the radial distance covered 

against the lapsed time intervals within which the rotating magnets passed and hence triggered 

the stationary reed switch to pulse the microprocessor. Calibration taking into account the gear 

transmission  ratio was  done  by  relating  the  time  needed  for  one  drum  rotation  at  a  given 

control voltage. For practical operation, the cyclocomputer was set as to digitally  indicate the 

rotation  speed  at  a  one‐digit  precision which was  considered well  sufficient  for  the  current 

prototype setup. 

As further detailed  later  in the methodological part, a push button was attached to the  index 

finger  of  the  subjects. Whenever  a  stereoscopic  figure  could  be  observed,  a  push with  the 

thumb was  to activate a piezo‐ceramic alarm buzzer which  finally was  recorded by a normal 

microphone.  Initially,  it  was  intended  to  ask  the  subjects  differentiating  between  the  two 

different sizes of the presented stimuli by choosing the respective of the two buttons. However, 

preliminary tests indicated that this task might be too prone to faults and delays attributed to 

the process of decision making,  increasing the reaction time. So, for simplicity reasons,  it was 

decided to use only one button at this stage of prototyping. 

 

3.3 Rotating Drum and Stimulus Pattern 

The visual stimuli to elicit stereopsis were presented to the subjects by a rotating drum  large 

enough to completely surround their visual field, offering thus a number of obvious advantages 

over small field stimulation [Murasugi et al., 1986; Pola et al., 1992]. A thin‐walled cylinder (50 

cm of height and 100 cm of diameter), similar to the one presented in figure 2.7 of section 2.5, 

was constructed by bending and connecting two transparent 2 mm thick panes of polystyrene 

(PS). Practical  reasons  impeded  the  fabrication out of one single  large PS pane. The adjacent 

edges of the plates have been welded and sealed with dichloromethane (CH2Cl2). Attributed to 

its  ability  to  dissolve  organic  compounds,  it  is  an  excellent  plastic welding  adhesive which 

normally  does  not  notably  alter  transparency  properties.  However,  cautious  handling  is 

3. Materials and Methods     Rotating Drum and Stimulus Pattern 

 

 39 | 97 

recommended  as  dichloromethane  is  volatile  and  considered  as  harmful  (Xn;  CAS  registry 

number: 75‐09‐2; R:40 S:23‐24/25‐36/37). 

As  figure  3.3  shows,  an  upper  and  a  lower  supporting  frame was  built  of  aluminium  rings 

whereto the PS panes were screwed  in order to retain their cylindrical shape. The upper ring 

was radially supported by 8 struts connected by a central plate. The latter was used to couple 

the cylinder unit to the swivel embedded in the horizontal cantilever of the stand. Furthermore, 

both rings were used to fix an exterior set of 4 curved smaller panes and a mechanism to allow 

the adjustment of their radial distance with respect to the inner cylinder. Special attention had 

to be paid not  to damage  the plastic panes by excessive  torque stress  induced by  the bolted 

connections. 

 

 

Figure 3.3: Rotating stimulus drum. The inner cylinder of the rotating drum. The outer adjustable parts to complement the stimulus pattern are not shown. 

Figure 3.4 illustrates the adjustment mechanism in a simplified and schematic way. The bending 

radii of each of the 4 outer PS stripes were  initially  fitted to that of their counter part of the 

inner cylinder and then fixed to curved sledges of aluminium. Movably attached to the upper 

supporting  ring  by  means  of  a  radially  mounted  linear  slide  guide,  they  could  be  radially 

adjusted  by manually  operated,  pivoted  screw  drives.  The  lower  supporting  ring  carried  a 

second  slide  guide  and  a  tension  spring  to  force‐secure  the  guided  stripes. With  changing 

disparity  of  the  plates,  i.e.  radially  shifting  the  sledge,  the  action  of  the  spring  forces  thus 

guaranteed sufficient and continuous stability in motion to avoid unbalanced force distribution, 

3. Materials and Methods     Rotating Drum and Stimulus Pattern 

 

40 | 97 

possible  jamming and canting effects that otherwise could be  induced by the total  length and 

weight of the moving stripes. 

 

Figure 3.4: Scheme of the sliding disparity mechanism. 

The stimulus pattern was created by sticking 5 micrometres thin, transparent and self‐adherent 

plastic  foil  onto  the  outer  surface  of  the  compact  inner  cylinder  prior  to  its  bending  and 

fixation. A repetitive but randomized pattern of the triangular symbols known from the Frisby 

Stereotest [FST], see figure 2.10, was designed and printed onto the non‐adhesive face of the 

foil. Distributed  along  the mid  section of  the  cylinder  circumference, a  total of  seven  circles 

were spared  leaving the foil blank at these areas. The spared circles were  imprinted onto the 

inner surface of the outer set of the attached transparent stripes.  

 

Figure 3.5: Circumferential distribution of the differently sized circles of the stimulus pattern. 

3. Materials and Methods     Rotating Drum and Stimulus Pattern 

 

 41 | 97 

The circumferential distribution of the stimuli, sized 5 and 10 degrees of arc or roundly 4 and 8 

cm  in  diameter,  respectively,  is  indicated  in  figure  3.5.  For  the  sake  of  a  higher  degree  of 

randomization,  the  stimulus  should not be arranged  in a  regular  fashion, but varying  in both 

object size and their angular position to each other. The sledges carrying the stripes were then 

congruently  oriented  to  the  inner  cylinder. With  the  surfaces  of  both  PS  layers  in  touching 

contact to each other, the circular gaps of the inner pattern could be closed constituting again a 

continuous, uninterrupted pattern  that gives  the observer no hint  to  the hidden  figures. The 

procedure  of  radially  adjusting  the  distance  between  the  centres  of  the  circles  and  the 

corresponding gaps during operation of  the device and  the  resulting disparity  conditions are 

described together with the experimental protocol in section 4.2. 

Figure 3.6 demonstrates two stereoscopic contours. Due to the fact that this picture has been 

taken  from  a  slightly  slanted  perspective  the  objects  can  be  identified  out  of  the  random 

pattern and are marked by the blue circles. 

 

 

Figure 3.6: View from inside the cylinder showing two stereo contours (blue circles). 

The combined head and chinrest to fix the subject’s direction of view is visible in the right low 

corner of the picture. Concerning the material selection, compared to polycarbonate and acrylic 

glasses, PS has a similar degree of light transmission (ca. 90 %) whilst its lower basic density and 

thus weight benefits of up to 20 % plus an economic advantage of nearly 100 % favours  it for 

this application  (CAS registry number: 9003‐5‐06). Nevertheless, PS  is not resistant  to natural 

3. Materials and Methods     Rotating Drum and Stimulus Pattern 

 

42 | 97 

ultraviolet radiation and care has to be taken to avoid scratches during manufacture, handling 

and operation. The data sheet is provided in the annex. 

 

3.4 Optical Components 

It was  intended to exclusively assess gross stereopsis of the periphery. The central portion of 

the visual field therefore needed to be excluded and the peripheral field of interest defined. As 

proposed and described  in various studies,  foveal occlusion with physical occluders similar  to 

those  e.g.  in  [Körner  and  Dichgans,  1967;  Howard  and Ohmi,  1984; Wyatt  and  Pola,  1984; 

Murasugi et al., 1986; Howard and Gonzalez, 1987; Pola et al., 1992, 1995] has been applied. So 

as to keep  it as much simple and practicable as possible under given conditions, a frame of a 

safety  goggles was modified,  as depicted  in  figures  3.7  and  3.8, by  centrally  attaching  a  set 

black rectangular plastic stripes roughly 3 cm in front of the eyes. Laterally movable, they could 

be  aligned  with  the  subjects’  pupils  (direction  of  view)  in  consideration  of  the  different 

interpupillary distances (PD) of the individuals. 

 

 

Figure 3.7: Aperture goggles.  A goggle frame  is carrying a camera and frontally and  laterally adjustable aperture blends  (left) to define a 45‐degree field of view (right). 

By means  of  the  aperture  goggles,  an  adjustable  frontal  closure  angle  between  20  and  30 

degrees  could  be  achieved,  occluding  this  way  completely  the  central  field  of  view.  The 

temporal blinders were adjusted to  laterally limit the periphery to roughly 60 degrees, leaving 

thus a perceptive naso‐temporal window  from about 15 to 60 degrees as  illustrated  in  figure 

3.7 on the right. Black blinders against downward squinting were fixed directly at the chin rest. 

3. Materials and Methods     Optical Components 

 

 43 | 97 

An USB webcam,  in the  following referred to as “cam1”, was mounted to the  left side of the 

goggle  frame  to  record  the  eye  reactions  that  have  been  expected  due  to  stereoscopic 

stimulation.  The  camera was  hidden  invisibly  for  the  subjects  behind  the  lateral  blinder.  Its 

weight was counterbalanced by a weight attached to the opposite side of the frame in order to 

avoid discomfort  resulting  from  the weight  force  induced  torque acting on  the goggle  frame. 

The cable of the camera was fixed to the headrest and did practically play no role. On the inside 

of  the  frontal  aperture  stripes,  a  green  fixation  target was  printed  to  assist  the  subjects  in 

continuously keeping focused attention. With both visual axis correctly aligned on the targets in 

primary position,  these could be  fused and  ideally complemented  to a  recognizable shape as 

illustrated in the middle part of figure 3.8. Subjects were instructed to keep that shape in focus 

automatically  preventing  thus  deviation  from  central  fixation,  not  paying  attention  to  the 

rotating drum or other visual distraction in order to maintain stare‐OKN conditions. 

 Figure 3.8: Fixation targets.  Targets printed on  the  inside of  the aperture  stripes are  fused  to a fixation cross with the eyes aligned in primary position.   

Furthermore,  in  order  to  temporally  limit  the  area  of  visual  perception  and  also  to  prevent 

intentional  squinting and  lateral deviation of  the eyes  in  the  search  for  incoming objects, on 

each side of the frame, an additional black cover plate was laterally attached. This measure was 

to  have  “automatically”  ensured  correct  visual  alignment  because  every  deviation  from  the 

primary fixation position towards the periphery, besides loosing the central fixation cross, was 

“punished”  by  the  perception  of  the  laterally  attached  black  cover  plates.  This  abrupt 

deprivation of visual information introduced certain discomfort, a negative experience subjects 

consequently  tried  to  avoid  by  maintaining  central  fixation  for  optimized  information 

acquisition.  The  overall  design  of  the  aperture  goggles  was  flexible  enough  to  permit 

3. Materials and Methods     Optical Components 

 

44 | 97 

continuous  adjustability  of  the  visual  field  for  each  of  the  subjects  as  specified  above.  The 

correct  alignment  of  the  optic  components was  verified  by  verbal  feedback  of  the  subjects 

reacting to the instructions given by the examiner.  

 

3.5 Ergonomics and Settings  The subjects were seated in central position inside the transparent cylinder and aligned with a 

visual distance of approximately 50 cm to the rotating stimulus pattern as shown in figure 3.9.  

 

Figure 3.9: Positioning of the subject. 

The backrest of a conventional chair has been equipped with a  frame combining a head‐ and 

chinrest. Because  the  lateral  struts may be perceived  as disturbing objects  in  the peripheral 

visual field and might hamper the recognition of the stereoscopic stimuli, the typical head rest 

used in ophthalmologic examination was unfavourable. In view of that, an adjustable head rest 

had  to be designed according  to  the special needs, meeting  the condition  to  fix  the subjects’ 

heads  in  a  defined  position  and  the  eyes  stationary  aligned  with  the  stimulus  patters  as 

comfortable  as  possible  without  superimposing  disturbing  interference,  induced  by  the 

vestibulo‐ocular reflex, with the visual periphery during the examination. For that purpose, the 

height  level  of  the  eyes  had  to  be  aligned with  the  height  of  the  geometric  centres  of  the 

stimuli. This was done by both height adjustability of the chair and the vertical stand carrying 

the  stimulus  drum.  As  detailed  earlier  in  section  3.4,  the  subjects wore  specially  designed 

aperture  goggles  opening  only  a  definable  part  of  the  visual  field  of  circa  45  degrees  for 

stimulus  perception.  With  the  intention  to  provoke  a  kind  of  stare‐OKN,  subjects  were 

instructed  to continuously  look  straight ahead  fixating on  the central markers  (see  figure 3.8 

and section 3.4) and not  to visually attend  to  the moving drum  itself or any other  feature of 

3. Materials and Methods     Data Acquisition and Processing 

 

 45 | 97 

minor order. However,  in practice, most probably  interference by occasional phases of  look‐

OKN, mainly depending on the subject’s attentiveness and the clarity of the  instructions given 

[Garbutt et al., 2001], should be expected, a basic source of artefacts the avoidance of which 

could be difficult to attain. 

 

3.6 Data Acquisition and Processing 

The  experimental  data  have  been  registered  and  recorded with  two  conventional USB web 

cameras connected to a Laptop. The cameras had a 5.0 Mega pixel CMOS colour sensor with a 

maximum still frame resolution of 1280x1024 and dynamic video resolution of 640x480 with a 

nominal rate of up to 30 frames per second (fps)  in a well‐lit room. In practise, however, only 

some 6‐7  fps could be  recorded at a video  resolution of 640x480. This discrepancy might be 

attributable to prolonged shutter times caused by inadequate lightning conditions not sufficing 

the  requirements  of  the  sensors,  bad  data  communication,  compatibility  problems  between 

hard‐  and  software,  or  insufficient  processing  power  of  the  Laptop.  The  HP  Pavilion  5145 

Laptop, equipped with a Genuine  Intel  (R) CPU [email protected] GHz, 0.99 GB RAM and 120 GB 

harddisk was run under the MS Windows XP SP3 operating system.  

One of the cameras (cam1) was laterally fixed to the spectacle frame in a way not to attract the 

patients’ attention (see figure 3.7) but to capture the behaviour of the  left eye responding to 

the pattern stimulation solely. The  tracking of one eye only  is absolutely sufficing and effort‐

saving because emmetropic eyes follow binocular stimulation in a conjugate fashion [Noorden 

and Campos, 2002]. The second camera, in the following referred to as “cam2”, was mounted 

on  an  adjustable  cantilever  to  record  from  above  the  angular  scale  printed  on  the  upper 

supporting ring of the rotating cylinder. Together with an indicator arrow which was stationary 

fixed to the stand carrying the camera in front of the apparatus this tracking procedure allowed 

the identification and tracking of any rotational position of the cylinder.  

By pushing a hand‐held buzzer‐button, subjects were asked to indicate the moment when they 

got  conscious  of  a  stereoscopic  object  passing  through  their  visual  periphery.  These  sound 

signals were also recorded by the  integrated microphones. Relating then the angular scale to 

the time the buzzer alarm was recorded and knowing the absolute positions of the stereoscopic 

contours  printed  on  the  cylinder wall,  at  the moment  of  indicated  appearance,  the  angular 

3. Materials and Methods     Data Acquisition and Processing 

 

46 | 97 

location  of  the  respective  stimulus  in  the  peripheral  field  of  view  could  be  determined, 

evaluated and plausibility‐checked according to the methodology described below. Figure 3.10 

pictures  how  the  measurement  and  its  setup  have  been  accomplished.  In  avoidance  of 

systematic errors of measurement such as e.g. parallax shifts, special attention had to be paid 

to  the  correct  alignment  between  cam2  and  the  indicator.  The  latter  was  fabricated  of 

transparent PS, hardly visible  in  the video  frames but  indicated by a well visible black arrow 

pointer. Stickers on the wall served as reference marks for the alignment of the apparatus and 

the subject.  

 

 

Figure 3.10: Angular measurement system  consisting of a stand with camera (cam2) and indicator, and an angular scale passing beneath.   

 The  recording  software  (Active WebCam Version 9.9,  shareware  test  version)  allowed multi‐

channel  recording, pre‐processing  and pre‐filtering of  the  raw  video  files.  These edited data 

were  initially stored on harddisk  for  further analysis. The video editing software MovieMaker 

V5.1 was used to first synchronize the corresponding video files from the two webcams using 

their  audio  tracks  as  reference  markers.  This  step  was  necessary  since  the  software 

configuration did not  reliably permit  the simultaneous start of both camera  recordings. After 

synchronization,  in order to finally  identify the angular positions of the peripherally perceived 

stereoscopic  figures  and providing  thus  a basis  for  the  evaluation of  the  recorded data,  the 

following methodological steps have been applied: 

3. Materials and Methods     Data Acquisition and Processing 

 

 47 | 97 

 

1. Determination of object position:  

The angular scale passing beneath the fixed indicator arrow as recorded by cam2 has been 

read  out  at  the  time  the  buzzer  signal was  registered.  Using MovieMaker®,  the  timely 

appearance of  the  audio  track  in  the  video  file was  allocated  to  and  compared with  the 

clock time displayed within the video frames. This corresponding time was noted and taken 

to identify the respective frame of the cam1 video file showing the zoom up of the eye.   

2. Consideration of reaction time:  

Reaction,  in this context, shall be understood as the  initiation of an action  (movement)  in 

response  to  a  stimulus.  The  subjects were  not  trained  and  in  analogy with  comparable 

experiments involving easy tasks of eye‐hand coordination [Schiefer et al., 2001], a common 

reaction time of roughly 400 ms could be assumed. The RT can be converted  into angular 

distance covered (xRT) as a function of the rotational speed (v) of the stimulus pattern, given 

by equation 3.1. 

(3.1)  310−⋅⋅= RTvxRT [degrees] 

3. Plausibility check and identification:  

To  identify erroneous alarms and consequently avoid wrong  interpretation, the criteria for 

exclusion (in particular of positions that can be deemed to be physically  impossible due to 

the prohibitive characteristics of the spectacles) have been set as follows: 

(a) During  central  fixation  visual  perception  should  physically  only  be  possible  within  a 

space defied by  the window which  is bilaterally  extending  from  a position measured 

from  15  degrees  centrally  and  extending  to  about  60  degrees  peripherally  as  it  is 

portrayed in figure 3.7 of section 3.4. 

(b) The  angular  reaction  distance  calculated  from  equation  3.1 was  subtracted  from  the 

borders of this visual window. In other words, it had to be nasally shifted resulting from 

the delay chain of “object perception   awareness   decision making   operating the 

buzzer”, induced by the RT. The explanation is lucid: considering the nasal border of the 

window, at a certain RT, recognition actually took place before the object had  left the 

predefined  field  of  view.  Conversely,  when  considering  the  temporal  margin  and 

3. Materials and Methods     Data Acquisition and Processing 

 

48 | 97 

assuming the case of minimized RT ideally reaching 0, RTRT 0lim→

, at the time of activating 

the buzzer, the object would just have temporally left the allowed window of sight. 

(c) This redefined perceptive window was taken as the basis for further analysis 

(d) Of those angular positions from step 1 that could be found within the range defined in 

clause (c) it could be concluded that these most probably were the positions of correctly 

indicated  stereoscopic  objects.  Their  respective  time  stamps were  noted  for  further 

consideration in step 4. 

4. Correlation with eye movements:  

After  all,  the  so  identified  and  verified  objects  positions  had  to  be  matched  with  the 

corresponding elicited behaviour of the eyes. This was done by correlating their respective 

frame times with the previously synchronized timeline of cam1 (the one tracking the eye). 

 

3.7 Performance and Limits of the Prototype 

The  experimental  setup  constituted  a  first  prototype  of  a  new  promising  test  procedure  to 

objectively assess dynamic stereoscopic vision in the peripheral field of view. However, coping 

with  the  restrictions  in  financial  resources  and  workshop  availability,  some  limitations  in 

performance and constructive design had to be accepted at this  initial stage of development. 

The most critical aspects concerned  the  fabrication of  the stimulus cylinder and  the aperture 

goggles. 

The  plastic  cylinder  and  its  associated  mechanical  parts  were  mainly  manufactured  and 

assembled by the author himself in a do‐it‐yourself fashion at home, consequently being prone 

to inaccuracies of a certain extend that would have been evitable by professional assembly. For 

simplicity  reasons,  the prototype was equipped with  four  individually and manually operated 

spindle drives to adjust the radial distance (disparity  level) between the two radially coplanar 

plastic  layers  carrying  the  stereoscopic  stimulus  pattern. Manual  operation  of  four  separate 

drives  implied,  beside  considerable  effort  on  the  part  of  the  operator,  small  individual 

divergences from the desired distance values. In section 4.3, a systematic consideration of such 

and other design‐related fault is itemized. A computer controlled set of torque or linear motors 

should  be  considered  for  a more  user‐friendly  and  precise  version. On  the  other  hand,  the 

manually  adjustable  disparity  currently  ranges  continuously  variable  from  a  hundred 

3. Materials and Methods     Performance Limits of the Prototype 

 

 49 | 97 

micrometers to some 1.5 cm with an absolute disparity error depending on the dexterity of the 

operator.  In  combination with  the  voltage‐dependant,  bidirectional  (clockwise  and  counter‐

clockwise)  adjustable  rotation  speed,  a  variety  of  different  configurations  of  stimulus 

presentation could be offered to the subjects.  

Another  flaw necessary  to mention was  the aperture goggles used  to constrain and  redefine 

the visual field of the subjects. In particular, the definability of the visual periphery was difficult 

to reproduce since only manual and therefore not very precise adjustability of the cover plates 

to  the  individual  head  sizes  of  the  subjects  was  enabled  by  the  present  design  solution. 

Additionally, the verification of the extent of peripheral field of view and individual adjustment 

of  the  cover plates  are difficult  to be  reproduced  and  can only be manually  checked by  the 

experimenter  (manual perimetry), underlying his manual dexterity and subjective  judgement. 

As  it will  be  detailed  later,  to  reduce  loss  of  concentration  and  fatigue  to  a minimum,  the 

experimental procedure foresaw to put down the goggles after each set of six runs while in the 

meantime  altered  settings  of  the  apparatus  could  be  prepared.  But,  during  the  repetitive 

putting and adjustment of  the goggles, good cooperation of  the  subjects was a prerequisite. 

This was another reason why the reproducibility was difficult to be guaranteed, surely having 

some influence on the results. 

Last  but  not  least,  due  to  the  simplicity  of  the  available  recording  and  data  processing 

hardware, the  low sampling rate  limited the diagnostic value of the eye movements recorded 

by cam1. As it can be presumed and argued later in the presentation of the results, the elicited 

eye movements should then expected to be quite difficult to unmistakably being identified and 

reliably interpreted. 

These obvious constraints should be easy to overcome and by incorporating into the design the 

practical experience gained and  concluded  in  section 5.4, much progress  can be expected  in 

future steps of development in professional environment. 

4. Experimental Procedure     Selection of Subjects and Experimental Conditions 

 

50 | 97 

4. Experimental Procedure 

Subjects were seated with the eyes (ideally with the nodal points) centrally aligned in a distance 

of  about  50  cm  from  the  cylinder  display.  All  stimulus  settings were  viewed  binocularly  in 

normal photopic room conditions with the subjects wearing the aperture goggles as described 

in sections 3.4 and 3.5.  

 

4.1 Selection of Subjects and Experimental Conditions 

A group of nine young women aged between 16 and 24 was recruited and written consent was 

obtained. All of them were students of the  local school of orthoptics. In principle, for the first 

evaluating  experiments  of  this  pilot  study  the  approach  with  “non‐naïve”  subjects  was 

appropriate as the girls, after a short  introduction to the topic, easily understood the purpose 

of  the experiment. Their  level of  interest, motivation and cooperation was high creating  thus 

good  basic  conditions.  Additionally,  by  filling  in  a  questionnaire  after  completing  the  test 

sessions, more objective  feedback could be expected  in terms of useful comments  from their 

clinical  experience  and  for  the  improvement  of  the methodological  and  ergonomic  system 

design.  The  evaluation  and  conclusions  derived  from  the  questionnaires  are  presented  in 

section 5.4. 

All  girls underwent  an ophthalmologic  examination  consisting of  a  general  visual  inspection, 

assessment of ocular mobility and  convergence behaviour. Their OKN was  tested binocularly 

and monocularly with each eye. No general abnormalities have been observed. Due to practical 

reasons,  wearers  of  prescription  glasses  were  excluded  a  priori.  With  pupillary  distances 

ranging from 58 to 64 mm, particular accuracy was taken in the examination of binocular vision. 

The  prism  cover/uncover  test, Maddox  cylinder  and Worth  test  have  been  applied. Normal 

visual parameters and quality of (static) stereopsis have been confirmed and cross‐checked for 

all of the subjects using the Titmus test, the randot rings, TNO and the Frisby Stereotest.  

All experiments were carried out during  the morning and subjects did 18  runs of which each 

one  was  executed  under  different  settings  of  the  apparatus  as  further  detailed  in  the 

subsequent section. The total duration for each subject was of roughly one hour. By means of a 

dimmer switch, the level of illumination of the experimental room was set as  

4. Experimental Procedure     Experimental Protocol 

 

 51 | 97 

(a) not to unnecessarily tire the subjects,  

(b) to ensure good detection of the moving pattern and  

(c) to prevent glare and reflections of the apparatus’ aluminium frame that could distract and 

interfere with the stimulus perception. Once ascertained suitable illumination in some pre‐test 

situations,  a digital  luxmeter  (Mavolux  5032C/B) was used  to  apply  the  same  lightning  level 

(1200 lux) throughout all experiment sessions.  

 

4.2 Experimental Protocol 

In  the experimental protocol,  the 18  runs of each  subject were divided  into  three groups of 

depth difference  levels (6, 3 and 1.5 mm). At the viewing distance of 50 cm and assuming an 

average PD of 64 mm,  stereo  acuities of  roughly 320, 160  and 80  seconds of  arc were  thus 

provided,  as  it  can  be  derived  from  equation  2.4.  This  subdivision  appeared  useful  since  it 

allowed the subjects a short recovery and relaxing phase lasting about two minutes to prevent 

early  loss  of  concentration  due  to  tiredness while  the  experimenter  could  adjust  the  next 

disparity level of the rotating cylinder. Obeying to the procedure of the Frisby Stereotest [FST], 

the  largest disparity  level was  initially  set  for  testing of coarser  stereopsis. Each of  the  three 

ranges of rotational speeds (10, 20 and 30 degrees per second, corresponding to 1.66, 3.33 and 

5 drum revolutions per minute) was run, first in clockwise (CW) and then in counter‐clockwise 

(CCW) direction, starting with the slowest speed. Figure 4.1 depicts the experiment sequence in 

a flowchart, showing the parameter of rotation direction, rotational velocity and disparity level. 

The counter variable x represents the velocity and y the disparity levels. At the slowest speed a 

timeline  of  two minutes was  chosen  as  this  permitted  the  perception  of  sufficient  objects 

(23±1) within a  reasonably  long  time period. At  the  two higher speeds, only one minute was 

considered satisfactory for the passage of 23±1 and 34±1 objects, respectively. Accounting for 

possible  influence  and  distraction  subjects might  have  experienced  after  the  onset  of  the 

rotation  and  the  starting  signal,  the  first  few  seconds  of  their  runs  were  excluded  from 

evaluation. It has been determined that under these conditions, the subjects’ attentiveness and 

concentration  appeared  to  be  best.  Resetting  the  stimulus  cylinder  each  run  to  its  initial 

starting position has been intentionally avoided in order to take the subjects any possibility for 

learning  somehow  the sequence of expected objects. Therefore, depending on  the  randomly 

4. Experimental Procedure     Experimental Protocol 

 

52 | 97 

given relative starting position of the objects on the cylinder, the total of objects passing during 

one run could only stated by plus‐minus one.  

 

 Figure 4.1: Flowchart of the experimental protocol. 

 

4.3 Consideration of Systematic Errors 

Two main sources of systematic errors, both related to the amateurish, home‐made assembly 

of  the  test  apparatus,  could  a priori be  identified. One  resulted  from  the  accuracy of  speed 

setting, the other from the adjustment of the disparity  level, the distance between the plates 

producing  the  depth  difference. A  third  evident  error  to  be  expected was  attributed  to  the 

aperture  goggles  to  be  adjusted  for  individual  subjects  as  already  described  in  section  3.5. 

Although  incorporating possible difficulties of proper reproducibility of  that part of  the visual 

field  which  should  be  made  accessible  for  stereoscopic  stimulation,  it  will  not  find  closer 

consideration here as it will be addressed to in section 5.4.  

 Ascribable  to  inaccuracies  of  the  speed measurement  system,  the  limitations  of  the  digital 

display of the cyclocomputer, and the  lack of an accordingly tailored closed‐loop controller, a 

small  speed  range had  to be  accepted  instead of  a  fixed  rotational  speed.  So  for  a  rotation 

speed of 10 degrees per second that was corresponding to a reading of 1.66 rpm, the actually 

indicated value ranged between 1.6 and 1.8 rpm, equaling to a real rotational velocity of 9.6 ‐ 

10.8 degrees per second. For the second  (third) set‐speed of 20  (and 30) degrees per second 

and theoretically corresponding display reading of 3.33  (and 5.00) rpm, the actually  indicated 

values  read  ranged  between  3.2  ‐  3.5  (and  4.8  ‐  5.2)  rpm.  This  equals  to  actual  rotational 

velocities of 19.2 ‐ 21 (and 28.8 ‐ 31.2) degrees per second. However, in the overall context of 

this  prototypic  approach,  and  as  anyway  rather  ranges  than  exact  speeds were  of  interest, 

4. Experimental Procedure     Consideration of Systematic Errors 

 

 53 | 97 

these resulting relative deviation errors of roughly ±5 % did not fall into account and could be 

neglected at first. The second source of errors was related to the fabrication of the apparatus 

itself and the induced tolerances of the disparity settings. 

The  first  contributing  error  directly  resulted  from  the  thread  pitch  of  the  screw  drives  (see 

figure 4.2) and can be easily estimated. Using ISO metric screw threads (M6x1), one complete 

rotation of  the  screw  is  translated  to a  linear motion of 1 mm. By either  selecting adjusting 

screws  with  metric  fine  pitch  thread  and/or  appropriately  designing  the  screw  head,  e.g. 

choosing a large one onto which a calibrated relative angular scale could be printed, the effects 

of  this  error would  be  easily  ruled  out.  In  the  present  case,  after  each  process  of manual 

adjustment, the correct settings were verified by an adequately designed measuring body and 

could  therefore  be  neglected.  An  accurate  and  elaborate mechanical  and  electrical  control 

design would certainly relieve operators from this step. 

Another  error  referred  to  the matching  between  the  curvatures  of  the  outer  PS  stripe with 

respect to the inner cylinder. These led to eccentricity errors, particularly towards the edges of 

the  stereoscopic  contours and are more difficult  to encounter. Figure 4.2  shall  schematically 

approach this problem by consideration of two scenarios, an  ideal and a worst case. For clear 

illustration, the figure is not drawn to scale. Actually, the angular size of outer stripes is about 

10 degrees of arc as observed from a central distance of circa 50 cm. 

 Figure 4.2: Errors of edge eccentricity 

The  ideal  case  shows  an  outer  stripe  (4)  radially  shifted  from  the  inner  cylinder  (C).  The 

curvature of (4) has been selected and fabricated such as to radially match with the curvature 

of  (C)  at  the  given  displacement  distance  xc4.  Under  this  condition,  along  the  entire 

4. Experimental Procedure     Consideration of Systematic Errors 

 

54 | 97 

circumference the displacement will be constant, including the positions at the outer borders of 

the stripe (xb4). Hence, the disparity perceived from the observer results to be equal over the 

entire curved surface of  the stereoscopic object, centrally  (dc4) and marginally  (db4),  to  finally 

meet  the  condition db4=dc4. The  second  scenario presents  the worst  case  in which  the outer 

stripe  closely  contacts  the  inner  cylinder  (1)  creating  zero‐disparity  and  effacing  thus  the 

stereoscopic  effect.  As  for  this  particular  radial  position  of  the  stripe,  xc1,  the  curvature  in 

comparatively too large and cannot match with that of the cylinder surface. Consequently, the 

distance  increases  from the centre (here xc1=0) towards the edges of the stripes, reaching xb1 

(with  xb1>0),  as  also  the  perceivable  disparity  does.  In  the  central  part  of  the  stereoscopic 

figures, dc1 equals zero, whereas towards the edges the marginal disparity db1 changes with a 

function f(x) of the varying radial displacement distance. It can be generally estimated as: 

 4.1 f(x)d d cibi Δ+=  

 For the four relevant configurations, namely the applied plate distance  levels (0, 1.5, 3, and 6 

mm),  their numerical values of  the eccentricity  function ∆f(x) have been  found by simulation 

with CAD (computer aided design) software for the case of the larger circle (mean diameter of 

10 cm). The resulting eccentricity  is depicted  in table 4.1,  listing the values of the central  (δci) 

and the marginal (δbi) stereo acuities for the stereoscopic circles, to be calculated by equation 

2.4 or 2.7, respectively.   

                 Table 4.1: Errors of edge eccentricity.   

i xci≡dci [mm] 

∆f(x)=xbi‐xci ≡dbi‐dci [µm] 

δci= δ [arc sec] δbi [arc sec] 

1 0  15 0 0.8

2 1.5  13 79 0.7

3 3  9 158 0.5

4 6  0 317 0

 For  the determination of stereopsis at an observer’s distance of 50 cm and  in  the peripheral 

visual field, the effects of edge eccentricity are practically not of relevance, being far below the 

perceivable stereoscopic  threshold  (see section 2.6.2). Nevertheless, a solution  to circumvent 

these  inaccuracies  could be  the design of  a  flexible outer  sledge or  carrier with an  adaptive 

curvature replying to radial displacement.  

5. Results and Evaluation 

 

 55 | 97 

Part III ­ Results and Evaluation 

5. Results and Evaluation 

In  this  chapter,  the  results  of  the  experiments  are  presented,  evaluated  and  their  validity 

critically  assessed.  The  smallness  of  the  population  (here  the  group  of  subjects)  renders  a 

proper  and  meaningful  statistic  evaluation  as  rather  impracticable  and  not  very  trustful. 

Nevertheless, the methodological approach how the population should be treated is proposed. 

Suggested by the positive results and based on the experience gained,  it  is discussed how the 

test  procedure  could  be  optimized  for  improved  diagnostic  value  in  future  steps  of 

development.

 

5.1 Presentation of the Results 

The  perceptibility  of  stereoscopic  objects  based  on  real  spatial  depth  that move  along  the 

horizontal meridian through the peripheral visual field was tested by the prototypic apparatus 

and method as described.  

As expected, subjects responded to stereoscopic excitation of voluntary and involuntary nature. 

Voluntary feedback was directly given by confirmatively pushing a buzzer whenever an object 

was  recognized  in  the  periphery  (section  5.1.1).  Concurrently,  involuntary  bio‐feedback was 

excited through the stereoscopic moving pattern and noted by characteristic ocular reactions 

(section  5.1.2),  subjects  under  normal  conditions  cannot  influence.  Of  course,  in  individual 

cases some extend of previous training might show effects, but practically such seldom cases 

can  be  excluded  from  consideration.  Both  types  of  responses  have  been  registered  and 

simultaneously video‐recorded as described in section 3.6 above. In principle, it can be argued 

that the two different responses should be able to serve as mutual plausibility checks,  leading 

to increased objectivity in the process of status assessment. Subjects claim having perceived or 

not  a  stimulus, while  a  reactively  triggered mechanism of ocular  reaction either  confirms or 

rejects this statement. However, the quality of the recording equipment that was available did 

not  suffice  for  a  precise  evaluation  of  those  ocular  reactions.  Conventionally  used 

electrophysiological methods of pupil tracking such as e.g. nystagmography, scleral search coils 

5. Results and Evaluation     Presentation of the Results 

 

56 | 97 

or  infrared  corneal  reflection  [Duchowski,  2007;  Eggert  T,  2007;  Hoffmann,  2007],  on  the 

contrary, irrespectively the practical inconveniences they would induce, are easily interpretable 

and  would  remedy.  But,  for  the  sake  of  simple  operability  and  cost  efficiency, 

electrophysiological measurements  were  not  practicable  in  the  scope  of  these  preliminary 

experiments. 

5.1.1 Voluntary Feedback  

The  data  obtained  show  that  subjects  in  principle were  able  to  detect  peripherally moving 

disparate objects. After  the completion of  the  trials,  subjects  reported  that  they occasionally 

were even able to discriminate between the two different sizes of the stimuli  (a sequence of 

circles of 4 and 8 cm diameter, corresponding to angular diameters of about 5 and 10 degrees, 

respectively).  However,  when  comparing  the  individual  performance  levels,  large  spreads 

among  the  subjects,  as  seen  in  figures  5.1  and  5.2,  have  been  observed.  As  a  comparable 

benchmark, here the performance  level (PL) shall be defined as the ratio of objects a subject 

has been correctly  indicated to the total number of stereoscopic objects that have passed the 

opened field of view (under the given physiological conditions and restrictions imposed by the 

aperture goggles) during each trial.  

In  this  context,  the  ratio  between  the  correctly  identified  objects  to  those  that  have  been 

indicated by the subjects will be termed confidence ratio (CR) in the following. It can serve as a 

benchmark  for  confidence  and  reliability,  in  other  words,  showing  how  often  subjects 

mistakenly  actiated  the  buzzer.  A  low  CR might  point  to  lacking  cooperative  behaviour  or 

concentration of  subjects. But  it has  to be noted  that  the  fewer  the  total number of objects 

considered for calculation of the CR, the less reliable is its expressiveness.  

The PL of subject 2 (figure 5.1) ranged between 75 and 95 % throughout all 18 runs, while on 

the other hand subject 4 (figure 5.1) had a low PL between 5 % in the least successful and 60 % 

in the more successful runs. As comparatively presented  in figure 5.2, other subjects reached 

performance  levels  in between these extreme cases. Subjects 3, 8 and 9 are not shown; for 3 

and  8  some  technical  difficulties with  the  recording  appeared.  Although  her  binocular  and 

visual status did not significantly differ from those of the others, subject IX did not perceive any 

stimulus out of the 18 trials at all. After completion of the experiment she confirmed that she 

had fully understood the procedure and her task. A possible explanation could be that her eyes 

5. Results and Evaluation     Presentation of the Results 

 

 57 | 97 

were  too  strongly  immobilized by  the aperture goggles and  thus no  reactive behaviour with 

respect  to  the moving  stimuli  could be  triggered. Even  the  typical  jerking movements of  the 

eyes  to  continuously  stabilize  and  keep  central  fixation  could  hardly  be  seen  in  the  video‐

recordings due  to  strong  suppressive effects  similar  to  those provoked by  the application of 

stenopaeic goggles as observed in [Körner, 1975; Körner and Hänny, 1982]. 

 

Figure 5.1: Comparison of subjects with high (2) and poor (4) Performance Level. 

 

 

Figure 5.2: Comparative presentation of the results of 6 subjects. 

Figure 5.3 exemplarily presents the CR for the two subjects of figure 5.1. With the exception of 

run 3, the CR of subject 4 exceeded 70 % revealing a high level of cooperative willingness for all 

runs, despite the low PL. Her credibility should therefore not a priori be doubted. 

5. Results and Evaluation     Presentation of the Results 

 

58 | 97 

 

Figure 5.3: Comparison of the Confidence Ratios between the subjects of figure 5.1. 

Figure  5.4  displays  the  averaged  perceptiveness  of  the  18  runs  presented  for  the  group  of 

subjects  as  a  whole.  The  red  graph  groups  seven  subjects  that  have  been  considered  for 

evaluation. It spans a range from 50 to 65 %, arithmetically averaged as 59.1 % with a standard 

deviation  of  5.7.  The  blue  group  excludes  subjects  3  and  4  for  their  low  PL  and  the  group 

performance  improves  up  to  85  %,  raising  the  calculated  average  value  to  66.9  %  with  a 

standard deviation of 8.4.  

 

Figure 5.4: The PL of two groups in comparison for the 18 experimental runs.  

These differences might be attributable to both the relatively  low PL of subjects 3 and 4 with 

respect  to  the  remaining ones  and occasional outliers due  to  varying  levels of  attentiveness 

during  single  examinations  of  all  subjects. Nonetheless,  for  the  last  six  runs,  the  difference 

between the two groups lost significance.  

5. Results and Evaluation     Presentation of the Results 

 

 59 | 97 

As all subjects were exposed to the same framework conditions, did the same sequence of trials 

with well equal time parameters, they consequently should be comparable in terms of mental 

stress, concentration efforts and fatigue; an assumption that seems to be supported by figure 

5.5.  In  close  relation  to  figure  5.4,  but  regardless  their  individual  performance  levels,  the 

confidence  ratios of  the  two  groups did not differ  significantly  from each other  for  their 18 

runs. Throughout  the experimental  session during all of  the 18  runs,  the CR was established 

between 68 and 94 %. For both groups,  the arithmetic average over  the sum all  runs was at 

about  84 % with  a  standard  deviation  of  6,  confirming  thus  a  certain  constancy  of  stimulus 

perception. By  implication, under  this aspect,  the percentage of  incorrectly  indicated objects 

(false alarms) was more or less consistently low.  

 

Figure 5.5: The CR of the two groups of figure 5.4 in comparison for the 18 experimental runs. 

A  general  preference  for  a  certain  configuration  of  settings  of  the  experiment  is  presently 

neither deducible from the above evaluation or the observances, nor from the interrogation of 

the  subjects.  It might be hypothesized  that, provided good concentration and willingness  for 

cooperation,  lower  levels of CR could  indicate “less comfortable” settings  in terms of velocity, 

disparity and direction as more “phantom objects” would be alarmed.  

 

5.1.2 Involuntary Feedback  

As  initially assumed and being  in accordance with a number of experiments carried out using 

arrangements of  rotating drums  such as e.g.  [Howard and Ohmi, 1984;  Lasker and Kummell, 

1985;  Howard  and  Gonzalez,  1987;  Murasugi  et  al.,  1989]  or  mostly  computer‐generated 

5. Results and Evaluation     Presentation of the Results 

 

60 | 97 

moving  stimulus patterns as applied e.g.  in  [Howard and Ohmi, 1984; Murasugi et al., 1986; 

Pola et al., 1995], characteristic ocular reactions to those moving stereoscopic patterns could 

be  observed.  The  actually  prevailing  technical  frame  conditions  and  possibilities  in  this  first 

setup did not allow meaningful graphical or numerical evaluation of the ocular reactions that 

have been elicited. Hence, and  in contrast to the final goal of this study, namely the objective 

assessment of the gross ability of the perception of peripherally moving stereoscopic objects, 

here, the assessment had to be carried out in a more subjective fashion by the experimenter.  

The available video‐recording equipment and  freeware  for video processing  turned out  to be 

too  prone  to  interferences  and  allowed  only  limited  performance  in  terms  of  temporal 

resolution (possibly suitable commercial software could not be obtained). Even trial versions of 

commercial  software packages could not  reliably  resolve  the problem of overlapping effects. 

Resulting  from  simple  fixation  and  stabilization  movements  of  the  eyes,  interleaved  by 

occasional blinking, they could not be adequately filtered and separated from the actual ocular 

reactions towards objects recognition. Simple eye blinks or short and sudden jerky deviations of 

the eyes from their central position of fixation, sufficed to render initially set marker points and 

predefined  tracking windows  (region  of  interest)  useless.  Consequently,  automated  analysis, 

the proper identification and interpretation of optokinesis was made difficult. 

Nevertheless, a good compromise for evaluation with the given data conditions appeared to be 

the  commercial  software WINanalyze which was  designed  for  automatic motion  analysis.  A 

temporally valid  licence key was kindly supplied by Mr. Brinkmann of the company Mikromak 

Service Brinkmann, Berlin. On  the company’s homepage, WINanalyze  is announced being  the 

first software for motion analysis able to track objects without the need of previously attached 

reference markers.  By  using  special  algorithms  of  pattern  recognition  and  extrapolation  for 

error compensation, designated parts of objects can be tracked throughout a complete digital 

video sequence and the data can be graphically presented. In most cases human interaction is 

not necessary.  

Although eye blinks and micro‐movements during fixation such as drifts or tremor could neither 

be completely compensated, in some of the trials, it was however possible to consistently track 

digital marker  points  along  an  expressive  distance  for which  also  a  good  correlation  to  the 

acoustically signalled perception could be done. Figure 5.6  shows a  typical plot of  the ocular 

5. Results and Evaluation     Presentation of the Results 

 

 61 | 97 

movement of the left pupil which was elicited during one revolution of the test cylinder out of a 

one‐minute video  sequence.  In  this example,  the  cylinder  rotated  in  clockwise direction at a 

velocity  of  20  degrees  per  second,  i.e.  the  stereoscopic  objects  tempo‐nasally  entered  the 

periphery of the  left eye. The disparity  level was set at 6 mm. As throughout all experiments, 

the  left eye was  recorded due  to  the  constructive arrangement of  the aperture goggles  (see 

figure 3.7 and section 3.4 for details). In the plot, the horizontal co‐ordinate axis represents the 

time  line  in  seconds,  the vertical one  the absolute  lateral deviation of  the considered eye  in 

response to the moving pattern.  

The graph was acquired by putting a digital marker at a distinctive location at the border of the 

pupil  and  automatically  tracking  its  horizontal  position  from  frame  to  frame  of  the  video‐

sequence considered. Here, for one rotation of the cylinder the (horizontal) deviation of the left 

pupil  is plotted along  the  timeline. The absolute values of deviation  (in mm)  result  from  the 

calibration marks  to be  set  in  the video  frames and  the position of  the  identification marker 

that has been tracked. With a definable sample rate, the software determined the coordinate 

positions of the predefined tracking window of the eye that have been shifted from frame to 

frame with respect to the marker point which remained  locally fixed  in each of the successive 

frames. The centre of the coordinate system has been placed centrally on this marker point. By 

calibration and definition, the rising components of the graph correspond to a nasal movement 

of the pupil (eye globe), following the moving stimulus  in clockwise direction. Conversely, the 

decreasing  components  indicate  a  temporal  movement  of  the  pupil  opposite  the  objects’ 

direction. As the software solution used did not allow cancelling out vertical eye shifts the plot 

appears distorted. Nevertheless a clear tendency is conspicuous. 

The  vertical  dash  lines  close  to  the  peaks  of  the  curve mark  the moments  when  subjects 

indicated the apparent recognition of a stereoscopic object by pressing the buzzer button. With 

the recording method used, the exact moment of onset of the particular mechanism having the 

eyes  following  the  stimulus  could not be precisely determined neither  could  the  continuous 

trembling movements of fixation that keep the eyes aligned in primary position discriminated. 

However, when stereoscopic contours had  left the visible space, the eyes  lost stimulation and 

consequently  jumped back to their  initial position of central fixation (which the subjects were 

instructed to focus on continuously), resetting the stare OKN for newly appearing objects. This 

5. Results and Evaluation     Presentation of the Results 

 

62 | 97 

behaviour  is clearly visible  in the video recordings  in the form of abrupt  jerks opposite to the 

stimulus  direction  and  in  the  graph  it  is  seen  as  a  steep  decline,  the  initiation  of which  is 

marked by  the black arrows  in  the upper part of  figure 5.6. Then,  starting  from  the primary 

position, the eyes again involuntarily drifted to catch and follow successively appearing objects 

moving  into  the  periphery.  Further  in  the  picture,  the  slightly  slanted  dash‐dot  lines mark 

regions that are characterized by continuous trembling motion of the eyes. The approximated 

amplitude of two mm  is most probably attributable to the fixational efforts of the subjects to 

keep  their eyes  centrally on  the  fixation markers  that are attached onto  the  inner occlusion 

stripes of the aperture goggles (see figure 3.8). Distortions originated by occasional blinks of the 

eyes additionally  interfered with  the  tracking algorithm of  the marker. These errors however 

are  easy  identifiable  as  they  are  directly  seen  in  the  respective  video  frames  and  thus 

correlatable with the process of marker tracking.  

Following this scheme of  interpretation, figure 5.6  implies that all the seven stimuli along the 

circumference  of  the  cylinder  have  been  correctly  perceived  and  actively  identified  by  the 

subjects. Thus, it can be objectively stated and confirmed that in this case the subject was able 

to detect and correctly indicate the peripherally moving stereoscopic objects.  

Figure 5.6: Involuntary movement pattern with hints of stereoscopic object recognition.  A typical movement pattern of the left eye as recorded during one clockwise revolution of the stimulus cylinder at 20 degrees per seconds. The horizontal axis  is the timeline, the vertical the ocular deviation  induced by the rotating pattern. Raising (falling) parts of the curve  indicate a nasal (temporal) bulbus shift. Vertical  lines mark the subject‘s direct, active  identification of appearing stereoscopic objects. Arrows at the upper peaks  indicate ends of perceptive phases  associated with  abrupt  jerks  returning  the eyes  to  their primary  fixation position. Other irregularities are indicated in the plot. 

5. Results and Evaluation     Presentation of the Results 

 

 63 | 97 

An ocular behaviour like this can be observed in most cases more or less distinctively, but due 

to the unfavourable conditions of the raw data (see above), meaningful and objective software‐

based evaluation was difficult. As already mentioned before, other, more precise and  stable 

methods based on electrophysiological measurements or  infrared pupillary tracking would be 

desirable. Nevertheless,  the  above  observations  support  our  starting  hypothesis  that  at  the 

moment of perception a  short nystagmus‐like mechanism  is  triggered  to capture and pursue 

the detected object until it leaves the borders of visible space. Then the eyes jerk back to their 

primary position of  central  fixation,  ready  to  catch  and  track  the next  stereoscopic  stimulus 

expected  to be  appearing. The exact moment when objects were  first  captured by  the eyes 

before  subjects  actively  responded,  could  not  be  found.  Nonetheless,  it  could  be  roughly 

estimated by considering a coarsely averaged eye‐hand reaction time of 400 ms [Schiefer et al., 

2001] until the acoustic signal was activated. Thereafter, the velocity of the moving eyes more 

or less matches the rotation speed of the stimulus pattern. When the stimulus is leaving again 

the visible region, a steep decrease of the curve to a kind of base level is observed from which 

again tremor  like motion continuously tries keeping the eyes centrally aligned and the natural 

nystagmus as the normal reaction to the passing pattern  is suppressed by central occlusion as 

long as no stereo‐object enters the peripheral region. In summary, the observed ocular effects 

evoked by the stimulus pattern can be described as follows: 

• Detection of stereoscopic contours (which for plausibility was acknowledged by the buzzer 

and the consideration of the limitations of the aperture goggles) triggers a relatively fluent 

and  consistent  ocular motion with  the  objects’ movement  direction  varying  in  terms  of 

strength and amplitude among the subjects.   

• The maximum amplitudes related to object recognition were about four mm, meaning that 

the eye laterally deviated roughly by 20 degrees from and back to its fixation position. Even 

so,  the nystagmoid movement patterns were also oscillating  in an  interval of coarsely 20 

degrees around the point of central fixation. However, attributed once again to the limited 

capabilities  of  the  equipment,  these  difficulties  could  not  be managed  and  the  laterally 

deviating amplitudes could not always be reliably registered and graphically evaluated.  

• Since  normal  saccadic  behaviour  of  the  eyes was  reduced  through  central  fixation  and 

simultaneous occlusion of the central 25‐30 degrees of the visual field, the lateral deviations 

5. Results and Evaluation     Presentation of the Results 

 

64 | 97 

to  pursue  the  object  appear  to  result  from  added  sequences  of  small  saccade‐like 

movements.  A  similar,  albeit much  smaller,  effect  has  been  observed  in  [Körner,  1975; 

Körner  and  Hänny,  1982]  where  in  contrast  the  eyes  were  immobilized  by  stenopaeic 

goggles with  a  small  central  hole.  This way,  the  eyes  could  be well  stabilized  reducing 

saccadic  jumps  to  a minimum. Most  pronounced  was  the  reduction  of  larger  saccades 

whereas smaller spontaneous ocular movements could only be reduced by approximately 

50  %  [Körner,  1975].  As  proposed,  the  summed  amplitudes  could  be  considered  as  a 

measure for characteristic rhythmic tremor of the eyes around the point of central fixation 

in primary position when subjects  intend to keep the fixation markers positioned (see the 

dash‐dot‐marked  tunnels  in  figure  5.6).  But  this  hypothesis  needs  more  experimental 

validation and clean data evaluation. 

• The  onset  of  a  nystagmus‐like  mechanism  was  having  the  eyes  involuntarily  capturing 

peripherally  appearing  objects  in  order  to  follow  their motion,  although  subjects  were 

voluntarily  fixating,  i.e.  focussing  attention,  to  a  central  position  somewhere  else. With 

peripheral  stimuli  leaving  the  defined  periphery  and  giving  thus  no  more  stereoscopic 

excitation, the eyes bounced back to the primary position in a sort of resetting action.  

However, from literature it is known that the occlusion of the central part of the visual field, to 

a certain degree depending on the individual ability of concentration, can considerably reduce 

and nearly completely blot out the conventional OKN [Körner and Dichgans, 1967; Howard and 

Ohmi, 1984; Wyatt and Pola, 1984; Murasugi et al., 1986; Howard and Gonzalez, 1987; Pola et 

al., 1992, 1995]. Whether  in the present case a reduced or a modified type of OKN  is  justified 

cannot be doubtlessly stated. Neither can be given trustful statements concerning the steady 

reproducibility of the results. For further evaluation towards this direction, both more suitable 

and  precise  equipment  of  measurement  and  recording  of  signals  as  well  as  an  increased 

number of motivated subjects would be required.   

5.1.3 Position of Peripheral Object Perception 

In the  following, the term peripheral angle of perception  (PA)  is used to express the angular 

location of the stereoscopic contour a test subject (in accordance to section 5.1.1) voluntarily 

reacted  to. Measured  from  the  zero‐degree  line of  central  fixation,  the PA  is determined by 

relating  the moment  the subject activated  the buzzer with  the corresponding position of  the 

5. Results and Evaluation     Presentation of the Results 

 

 65 | 97 

respective  stimulus  by  means  of  the  readings  of  the  angular  position  markings  on  the 

apparatus, being recorded as described in section 3.6.  

The diagram in figure 5.7 shows that the individual PAs for the 18 runs that have been averaged 

over the group of subjects range between circa 26.3 and 35.3 degrees to the peripheral field of 

view. The black bold  lines mark  the gap beyond which  the  field of view was occluded by  the 

aperture  goggles with  the  head  fixed  and  the  eyes  kept  at  central  fixation,  i.e.  in  primary 

position.  In  total,  the  mean  PA  can  be  established  as  about  30  degrees  with  a  standard 

deviation of 2.  

 

Figure 5.7: Peripheral angles of perception (PA). The angles of peripheral stimulus perception are presented as averaged values for the 18 runs of the grouped subjects.  

In  contrast,  when  considered  the  summed  results  of  all  the  18  runs  presented  for  each 

individual  subject,  on  the  average,  the  stereoscopic  objects  have  been  similarly  recognized 

between 24 to 34.5 degrees as figure 5.8 reveals.  

 

Figure 5.8: PA of the subjects averaged over their 18 runs. 

5. Results and Evaluation     Presentation of the Results 

 

66 | 97 

The arithmetic average of the PA in that case is also about 30 degrees, negligibly differing from 

the  above, but with  a  slightly  augmented  standard  deviation  of  3.3.  In  some  trials,  subjects 

occasionally deviated from these determined ranges and single stimuli have been reported (and 

their  plausibility  verified)  even  close  to  the  outmost  borders  of  the  defined  window  of 

peripheral  perception.  But  these  were  individual  exemptions  without  statistical  relevance. 

Based on the data of the preceding figures 5.7 and 5.8, figure 5.9 schematically  illustrates for 

the left eye where in the peripheral scene and under which conditions object perception and its 

direct  recognition  took  place.  The  effect  of  the  aperture  goggles  (central  and  temporal 

occlusion) is protracted by the black area, leaving open a peripheral region ranging from 15 to 

60  degrees with  respect  to  the  0‐degree  line  of  central  fixation  or  sight,  respectively.  The 

individual mean PA values of each run for the subjects as a group, according to figure 5.7, are 

portrayed by the red spots which are  framed by blue triangles at 24 and 34.5 degrees. These 

represent the two extreme values as calculated from the average PA of each of the 18 runs for 

each subject, pursuant  to  figure 5.8. Both situations share a common average value which  is 

centrally portrayed at 30 degrees as a  large yellow spot. Here, only the  left part of the visual 

field  is  exemplarily  sketched  for  the  clockwise  stimulus  rotation.  The  opposite  part  and  the 

option  of  counter‐clockwise moving  direction  should  show  the  same  effects  and  no  further 

dedication is necessitated.  

 

Figure 5.9: Illustration of the mean peripheral location of conscious object. 

5. Results and Evaluation     Presentation of the Results 

 

 67 | 97 

As  a matter  of  fact,  also  the management  of  those  results  suffers  from  the  simplicity  and 

technical  constraints  accompanying  the  experimental  set‐up  which  did  not  allow  the 

measurement of the respective reaction times of the subjects. Their complete neglect,  in the 

worst case, would cause the actual angular ranges of peripheral object perception to be shifted 

by several degrees  in dependence on the rotational speed of the stimulus cylinder. Therefore, 

in all the above mentioned, a mean eye‐hand reaction time of 400 ms was a priori assumed and 

was particularly taken into consideration in the determination of the peripheral angles. In order 

to  reflect  the  real situation, again, appropriate procedures  to  record and evaluate  the direct, 

involuntarily elicited physiologic response of the eyes toward the stereoscopic stimulation are 

deemed to be not only confirmative with respect to voluntary eye‐hand action. They might also 

constitute a more objective and precise assessment criterion of  the visual status  in question.

 

5.2 Statistic Consideration  

The  most  suitable  tool  for  statistic  analysis  for  the  present  case  is  the  Wilcoxon  Test.  In 

principle, the non‐parametric Wilcoxon Signed‐Rank Test  is well suitable for paired samples of 

unknown distribution, returning also stable results for smaller sample sizes. Unlike the similar 

Sign  Test,  it  involves  not  only  the  direction  of  differences  (algebraic  sign)  between  paired 

samples, but also their strength (absolute value); however requiring a more or  less symmetric 

distribution of the calculated differences of the matched pairs. The commonly known Student t‐

test  and  the  Chi‐square  test  are  not  applicable  here  as  they  require  normally  distributed 

populations. For detailed description and methodological understanding of  statistical  tests  in 

general,  textbooks  such  as  [Ewens  and Grant,  2005; Weiß,  2008]  should  be  consulted.  The 

consecutive steps of statistic evaluation in principle are: 

1. Postulation of the starting hypothesis. 

The Null Hypothesis H0 assumes that a certain correlation between two or more groups or 

sets of data,  the experimenter  is actually expecting, does not exist. Their differences are 

statistically  significant, meaning  that  it  is unlikely  that  the  results have  come by  chance. 

Hence, events or  their effects do not depend on each other, not differing  in  their central 

tendency.  The  Alternative  Hypothesis  H1  is  the  contrary  to  H0,  stating  that  with  some 

5. Results and Evaluation     Statistic Consideration 

 68 | 97 

chance  variation  the  observations  result  from  a  real  effect.  Usually  the  aim  of  statistic 

hypothesis  testing  is  to  support H1  as  the  only  possibility  by  rejecting H0.  Practically, H1 

expressing the statement to be supported is formulated as a denial of H0. 

2. Setting of the significance level. 

The paired differences between measured values are termed significant if the probability of 

their occurrence by chance is low. This probability is given by the significance level (often α= 

0.05 or 0.01 is demanded). In other words, it is the maximum probability of error at which 

an  H0  is  rejected,  even  though  it  holds  true,  that  means  H1  is  wrongly  favoured.  The 

probability c[Xa, Xb]≈1‐α (for all Xa, Xb) defines the confidence interval, in which a series of 

measurements falls.   

 3. Rank assignation. 

The  core procedure of  the Wilcoxon  Test  [Ewens  and Grant, 2005; Weiß, 2008]  for  rank 

assignation can be outlined as follows:   

a. From  a  set  of  paired  values  (Xa  and  Xb)  the  absolute  pair  differences  di=|xai‐xbi|, 

excluding where d=0, are determined with i=1...n, n being the number of pairs. 

b. The di are ranked (|dimin|==1, |dimax|==n); averaged ranks assigned at equality. 

c. A “‐“sign is reattached to those rank numbers where di=(xai‐xbi)<0. 

d. R(+) and R(‐) ranks are summed and correctness cross‐checked by R(+)+R(‐)=n(n+1)/2.  

e. For n≥10 normal distribution  could be  assumed  allowing  for  the  calculation of  the  z‐

value, for 5<n<9 the look‐up table of critical values usually finds application.  

f. The smaller of the rank sums Tmin=min(R(+),R(‐)) is compared with the critical value of the 

loo‐up table Tcrit. 

4. Conclusion and statement. 

Following  step  3f, H0  is  rejected  if  Tmin<Tcrit,  the  result  is  significant,  indicating  that  both 

populations differ. Conversely, H0  is accepted  if Tmin>Tcrit,  the  result  is not  significant and 

both series should originate of the same population. 

Following  this  scheme,  the question whether  the performance  level  (PL) and  the  confidence 

ratio  (CR)  of  the  subjects’  voluntary  feedback  toward  stereoscopic  stimulation  (detailed  in 

5. Results and Evaluation     Statistic Consideration 

 

 69 | 97 

section  5.1.1)  are  correlated  shall  statistically  be  considered  by  postulation  of  two  test 

hypothesis giving: 

H0:  The PL and the CR are not correlated, a good PL does not entail a high CR and vice versa. 

H1:  There is a correlation between the subjects’ PL and CR. 

Applying  the  procedural  steps  of  above  to  the  experimental  data  collected,  with  the 

significance  level  reasonably  selected  between  0.10<α<0.01,  no  significance  can  be  shown, 

consequently H0 is to be rejected for both experimental groups depicted in figures 5.4 and 5.5. 

The rejection of H0  implies that there seems to be some relation between the PL and the CR; 

however, the smallness of the population does not reasonably allow a finer discrimination. The 

suggestion  that  a  high  performance  (PL)  also  implies  an  elevated  credibility  of  the  subject’s 

voluntary response  (CR) cannot be discarded as wrong. Analogously,  it can be concluded that 

from  a  purely  statistical  consideration,  a  tendency  of  a  notable  loss  of  concentration  (and 

performance) cannot be confirmed along the time scale from the first run to the last one (1 to 

18). A certain constancy of concentration could therefore be assumed over the duration of the 

experimental  sessions.  The  PL  slightly  drops  with  time while  the  CR  remains more  or  less 

constant.  

It  is evident  that  the sample size has  large  impact on  the result. Being small,  it  is more  likely 

that H0  is held while a huge sample size rather tends to reject  it, statistically ensuring thus an 

alternative hypothesis H1.  As in the present case the sample size is rather small, the confidence 

interval  large, and  the result non‐significant,  it can only be vaguely stated whether  there  is a 

practically relevant difference or it simply cannot be proven. 

Critical remark: Results of statistic considerations shall not be understood as watertight proofs. 

They are only hints indicating a certain causal relationship. Statistical significance means that it 

is unlikely, but does not ultimately exclude,  that a difference between  two observations has 

been occurred by pure  chance. A non‐significant  test  result  indicates  that  there  is either no 

such relevant difference or that it cannot be confirmed due to the smallness of the sample size 

or  other  reasons.  If  a  priori  no  difference  is  expected,  a  non‐significant  result  can  also  be 

confirmative  while  in  that  case  a  significant  result,  in  contrast,  may  give  hints  on  the 

incorrectness of the statistic analysis done or content‐related mistakes.  

5. Results and Evaluation     Conclusions 

 70 | 97 

5.3 Conclusions  

The experimental data were evaluated in terms of voluntarily indication by pushing the buzzer 

in combination with plausibility checks (section 5.1.1) and by assessment of the ocular reactions 

stimulated by the moving stereoscopic patterns. The  latter served as  involuntary  indication of 

having perceived the stimuli (section 5.1.2). In addition, the angular positions in the peripheral 

field of view where  subjects actively  reacted  to  the  stimulation have been analysed  (section 

5.1.3). 

a) The data gained during the experimental trials showed that within their sets of 18 runs, the 

rate  of  correctly  identified  stereoscopic  objects  out  of  the  pool  of  all  possible  objects 

crossing the subjects’ peripheral field of view (PL), ranged between 75 and more than 95 % 

for the most to 5‐60 % for the least successful subject. Considering all subjects as a group, 

over  the  individual 18  runs a mean performance of only 50‐65 % was gained  for group 1 

with an arithmetic average of 59.1 % ±5.7. The group performance of group 2 was 50‐85 % 

with  the  average  raised  to  66.9  %±8.4.  However,  taking    the mean  percentage  of  the 

correctly  indentified objects out of  the number of objects  that have been  reported  to be 

seen  (CR)  as  the  basis  of  comparison  for  the  latter  situation,  the  common  group 

performance could be raised to about 84 % on the average, or conversely, the error rate of 

the subjects was 16 % or less.  Calculating under the same aspects the total result of the 18 

runs  for  each  individual  subject  separately,  the  values  ranged  from  roughly  68  to  94 %, 

confirming a comparably low error rate. It has to be noted that the CR depends on the size 

of the population (number of subjects), the larger, the more reliable its expressiveness. 

b) The analysis of the recorded ocular reactions was  less expressive than  initially expected. It 

was  idealized  to  properly  record  the  eye  movements  in  response  to  the  stereoscopic 

stimulation and having them graphically portrayed by software for analysis. However, due 

to  the  poor  performance  of  the  recording  hardware  and  the  resulting  noisy  data,  the 

software  approach  was  not  feasible  in most  cases.  Consequently,  as  initially  intended, 

automated data preparation  in order  to objectively either  confirm or  reject  the  subjects’ 

active responses could not be established for all cases. Nevertheless,  in some cases  it was 

possible  for  a  certain  period  of  time,  long  enough  to  objectively  confirm  the  object 

perception  and  proving  plausibility.  As  detailed  above,  the  evaluation  was  achieved  by 

graphically depicting the horizontal path of ocular motion in response to the motion of the 

5. Results and Evaluation     Conclusions 

 

 71 | 97 

stimulus  pattern  and  relating  the peaks  therein with  the moments,  the  subjects  actively 

reported  having  perceived  the  respective  object.  These  basic  findings  do  not  reject  the 

initial  idea.  It  appears  that  improvements,  in  first  place  regarding  the  procedure  of 

automated data  acquisition,  filtering  and  analysis, will be necessary  to  further direct  the 

development of  this new  test method and  support  the  realisation of an  improved design 

solution as proposed  in section 5.4 within a reasonable time line.  

c) Another  set of data  is based on a) and  is derived  from  the  video‐analysis of  the  angular 

location  of  the  stereoscopic  objects  at  the  moment  of  perception,  or  of  correct 

identification by the subjects, respectively.  It  indicates where  in the periphery the moving 

objects have objects been identified.  

Two  situations  have  been  considered  and  those  loci where  objects  have  been  correctly 

identified have been evaluated  for:  (i)  the group of  subjects as a whole by averaging  the 

angular positions of each of the 18 runs and (ii) relating the averaged values of all 18 runs to 

each subject individually. In both cases, no clear recognizable differences between the trials 

could be established. Neither when varying the disparity level of the plates nor the rotation 

direction and  speed of  the  stimulus pattern  showed distinctive  influence on  the  result. A 

high percentage of the identified moving objects were located at about 25 to 35 degrees in 

the peripheral  field of view of  the eye considered.  In general,  the different experimental 

settings that have been applied in the diverse runs do not appear having much influence on 

the peripheral position where objects have been identified. A clear statement under which 

of the tested conditions object perception should be best cannot be given.  

The  final conclusion can be drawn as  follows: Although the marginal conditions were not the 

ideal ones  following the  intention of this pilot study,  it could confirm the basic  feasibility and 

practical  applicability  of  the  new  test method  introduced  here. A  general  point  of  criticism, 

however,  is  the  smallness  of  the  group  of  subjects  which  renders  a  proper  empirical  and 

statistic analysis difficult and impractical. However, the group size sufficed to show on the one 

hand  that  the basic  idea behind appears  to be valid  in principle. On  the other hand, ways  to 

improve the procedure in terms of expressiveness and reliability could be identified that might 

lead towards a prospective development beyond the prototyping. 

5. Results and Evaluation     Improvement and optimization of the Procedure 

 

72 | 97 

5.4 Improvement and Optimization of the Test Procedure  

After  the completion of  the  test  sessions  the  subjects were ask  for  their  subjective  feedback 

regarding  the experimental procedure  (from a patient’s perspective) and  its potentials  (from 

their perspective as   prospective orthoptists) by anonymously  filling  in a questionnaire. Eight 

questionnaires have been returned, revealing some critical points and practical weaknesses of 

the test procedure. The evaluation of the questionnaires shall give advice how to  improve the 

test procedure  in  technical  (i.e.  the apparatus) and methodological  (concerning  the practical 

execution) terms, as well as the usability aspect  from the potential users’ perspective.  In this 

context,  also  the  operability  from  an  examiner’s  point  of  view  is  to  be  discussed  and 

improvements proposed. Finally, in order to unhide possible adverse effects, the sense of well‐

being during and after the completion of the test runs, as well as at the day after, was asked 

for.  All  subjects  confirmed  that  prior  starting  the  tests  they  felt  healthy  and  did  not  take 

mentionable medication. The findings of the questionnaire can be summed up as follows: 

From a procedural and methodological position, all subjects agreed that the total duration 

of the entire test procedure, which in the present case encompassed 18 runs with different 

settings,  lasting  in  total  about  60  to  70 minutes, was  too  extensive.  The  subjects’  active 

cooperation was  already  required  before  the  actual  test  sessions  could  start  during  the 

preparation  phase  of  the  sessions.  Their  proper  placement  in  the  apparatus  and  the 

associated procedures of alignment with the reference markings for the measurement and 

video equipment were time‐consuming and tiresome. However, after the beginning of the 

session, the duration of each run (which was between one and two minutes) and the time it 

took to modify the settings (about the same) for the next run  in sequence was commonly 

judged  as  appropriate  and  acceptable.  There was  general  consent  that  after  a  couple of 

consecutive runs, short breaks of about five minutes would help preventing tiredness and 

loss of concentration. This alleviation should be easy to be realized at an advanced stage of 

apparatus maturity.   But yet, at the present stage of development,  it  is rather  impractical 

since  it would  require  repeating  the  same  preparative  efforts  and  readjustment  of  the 

subjects as at the beginning of the session.   

The  apparatus  itself,  beside  the  ergonomic  aspects  that  are  listed  later,  needs  some 

constructive progress, in particular with respect to the design of the rotating cylinder and its 

5. Results and Evaluation     Improvement and optimization of the Procedure 

 73 | 97 

stimulus  pattern.  The  two  straight  vertical  edges  resulting  from  the  fabrication  of  the 

cylinder,  although bonded with dichloromethane, have been  recognized by  seven out  of 

eight  subjects and  could be distinguished  from  the  stereoscopic  contours. Appearing and 

moving  edges  have  been  noticed  as  artifacts  but  they  did  not  disturb  the  subjects. 

Depending on  the  rotation  speed, most  subjects,  six out  of  eight,  could  recognize  single 

stereoscopic objects,  their  circular  shape and even discriminate between  their  two  sizes, 

best at the medium speed of 20 degrees per second. There was a general consent that at all 

tested rotation velocities the smaller circles were easier recognizable than the larger ones. 

The stimulus density of the drum (seven circles per revolution) was felt as appropriate with 

a slight preference towards a higher number of targets at the low and medium speed levels, 

but with less at higher speed. 

The  usability  and  the  general  comfort  for  the  potential  patient  need  to  be  increased  in 

several points. From an ergonomic perspective, the posture of the subjects during the test 

session was not as  inconvenient as presumed. Although the seating position was tiring on 

the  long  run, no  inacceptable  tension was  reported  in  lumbar, neck or  shoulder  regions, 

neither did  the assembled headrest  induce mentionable discomfort.  It  is evident  that  for 

the  seat better ergonomic adjustability, particularly  in height, especially  for  smaller‐sized 

subjects,  should  be  enabled.  A  footrest  should  be  provided  to  further  reduce  possible 

discomfort  fostering  a  relaxed  posture.  The  spatial  narrowness  within  the  cylinder 

practically did not play a  role. Solely  the  total duration of  the  test  session  induced  some 

discomfort. Nevertheless, concentration could be maintained during the runs, although the 

effort markedly differed between  the  subjects. Occasional background noise  (e.g. buzzer 

sound) did not disturb the subjects. The occasional presence of persons was noticed but it 

did neither lead to mentionable distraction. The illumination conditions in the examination 

room  were  pleasant  as  all  subjects  agreed.  An  extremely  important  issue  which  had 

considerable  influence  on  the  general  well‐being  and  the  overall  performance  of  the 

subjects is the aperture goggles to be worn, topic of the subsequent bullet point. 

The  aperture  goggle  served  to  define  and  limit  the  visual  field  guaranteeing  continuous 

central fixation and in addition as supporting frame for the head‐worn camera as described 

in section 3.4.  It was rather uncomfortable to wear and became heavy for the duration of 

the  examination. All  subjects  claimed  for  a  lighter  version with  sufficient  adjustability  to 

5. Results and Evaluation     Improvement and optimization of the Procedure 

 

74 | 97 

prevent misalignment and to reduce the felt pressure on the bridge of the nose. Therefore, 

the personal efforts of maintaining  central  fixation  as  required by  the nature of  the  test 

procedure  was  high,  but  in  general  manageable  with  some  effort  and  willingness  for 

cooperation.  The  fixation markers  that  should  serve  as  fixation  aids  have  been  attached 

very close, only a few centimetres  in front of the eyes. All subjects noted that  it was very 

strenuous to keep the markers  fixated. Convergence and accommodation to keep fixation 

rendered  the peripheral environment,  i.e.  the Frisby pattern, blurred and  it consequently 

appeared  difficult  to  recognize  and  distinguish  the  stereoscopic  objects.  A  tendency  to 

squint rather than to fixate at these markings could be provoked.  

Independent of  the questionnaire,  two‐third of  the  subjects  reported minor adverse side 

effects such as slight headache, eyestrain and dizziness right after completion of single runs 

or at the end of the session. One subject had the feeling of vertigo and nausea right at the 

beginning of the first run. However, after a short rest of a few minutes and a cup of water 

she  could  continue  and  complete  her  session without  any  further  reported  nuisance.  In 

general, the above symptoms disappeared within a few minutes. In one case, slight nausea 

persisted for half an hour,  in another case slight headache for one hour after completion. 

All the other subjects did not report any continued impairment of well‐being. Accumulated 

between the second half and last third of the duration of the session, subjects became tired 

and  more  frequent  blinks  of  the  eyes  were  noticed.  Keeping  central  fixation  and 

concentration was a more and more challenging task. By some subjects the sensation that 

they would be rotating  in the opposite direction, referred to as circular vection [Becker et 

al., 2002], an illusion of self‐motion, has been noticed.  

An evident issue from the examiners point of view is the operability of the procedure. The 

rotational direction of the cylinder and its velocity can be set remotely at the control desk. 

The  disparity  levels,  on  the  contrary,  need  to  be  adjusted  individually  according  to  the 

sequence  given  in  the  test  plan  of  section  4.2  This  brings  along  certain  deviations  in 

precision while being also time‐consuming and mutually stressing for the subjects and the 

examiner. Due  to general character of  the present apparatus,  this  imprecision  is marginal 

and can be neglected, remaining an issue for the further process of development.   

5. Results and Evaluation     Improvement and optimization of the Procedure 

 75 | 97 

As  conclusion,  supported  by  the  experimental  results  and  the  experience  gained  so  far,  the 

above  findings  suggest  the  following  (technical,  methodological  and  ergonomic)  steps  to 

further advance the prototype development: 

The total duration of the test procedure, in particular the times of preparation, alignment 

and adjustment, should be reduced by more convenient design solutions. 

Regular  breaks  should  be  introduced  into  the  test  procedure  to  reduce  symptoms  of 

fatigue and the related negative effects on subject concentration and motivation.  

The  level  of  comfort  should  be  optimized  by  basic  ergonomic  considerations,  especially 

under view of the total duration of the test. 

The aperture goggles are the most important issue for improvement. First of all, the weight 

needs  to  be  minimized  and  therewith  the  users’  comfort  optimized.  This  should  be 

achieved  by  replacing  the  bulky  web  camera  for  another  more  suitable  means  of 

measurement of ocular reactions. Secondly, the fixation markers should be arranged more 

comfortably to reduce the physiologic loads of the patients, easing their fixation efforts. 

The  video‐graphic  measurement  of  ocular  reactions  should  be  replaced  by  more 

appropriate  and  precise  methods  in  terms  of  spatial  resolution  (smallest  measurable 

change  in eye position) and temporal resolution (sampling rate, being the number of eye 

positions  per  second)  such  as  scleral  search  coils,  electro‐nystagmography,  corneal 

reflection, IR tracking or others [Duchowski, 2007; Eggert, 2007; Hoffmann, 2007]. Besides 

enabling more  reliable data analysis,  these approaches would additionally go along with 

the reduction in weight and imbalance of the aperture goggles as proposed before.  

A generally increased level of automatic adjustability and adequate software control would 

contribute  not  only  to  improved  subjects’  performances;  it  would  also  increase  the 

usability  and  the  acceptance  of  potential  operators  of  the  device. While  reducing  their 

efforts and the time associated with manual device operation, the gains in precision of the 

disparity levels and increased reproducibility should allow for more qualitative diagnosis of 

the  individual  levels  of  peripheral  stereoscopic  perception  of  the  patients.

Last but not  least, hardware design‐related  limits as  in section 3.7 and systematic errors, 

such as e.g. those presented in section 4.3, need to be overcome for the sake of precision, 

trustability and future acceptance of the method.   

6. Discussion 

 

76 | 97 

Part IV – Discussion 

6. Discussion 

In  this  pilot  study,  a  new  conceptual  test  method  to  check  the  presence  of  dynamic 

stereoscopic vision  in the peripheral field of view has been developed, a prototypic apparatus 

fabricated  and  presented,  and  its  applicability  validated  by  preliminary,  but  indicatory 

experiments. The method proposed  is based on a  random dot pattern designed according  to 

the Frisby Stereotest and  totally surrounding  the centrally placed subject. Likewise  the Frisby 

Stereotest  and  supported  by  the  nature  of  the  experimental  setup,  depth  discrimination  is 

enabled by  stereopsis only; monocular and other binocular  cues of depth, as well as motion 

parallax are excluded. Therefore, in difference to established current clinical methods, this new 

approach  is  claimed  to  be  highly  objective  from  both,  the  patients  and  the  examiners 

perspective. This fact renders it a useful tool for a manifold of applications for which objective 

assessment of binocular and especially stereoscopic vision is the prime requirement.  

The  discussion  part  is  structured  as  follows.  First,  the  practical  significance  of  dynamic 

peripheral vision is highlighted, particularly resuming the leading points from the introduction, 

focused  on  the  question  of  applicability.  Then,  a  closer  look,  especially  on  the  need  for 

objectivity,  will  clarify  why  existing  and  commonly  used  clinical  methods  of  stereoscopic 

assessment do not  suffice, especially  in  terms of  safety‐relevant  issues,  and hence objective 

criteria  of  optimum  assessment  will  be  introduced.  A  review  of  exemplary  and  similar 

approaches  that  are  available  in  literature  will  be  given  before  a  closing  discussion  of 

commercial applicability will conclude this work.   

 

6.1 Significance of Peripheral Dynamic Stereovision 

In the scope of this work “peripheral dynamic stereovision” shall be referred to as the ability to 

perceive,  recognize  and  observe  moving  targets  in  the  peripheral  field  of  view  without 

sacrificing dedicated attention to the actual visual scene of interest that is kept caught in foveal 

fixation. In other words,  it  is the capability to peripherally gather useful  information for either 

planning reactive steps in anticipatory response to an action being in progress (e.g. the need of 

unexpected evasive action) or just to complement the actually scene of attention by acquiring 

6. Discussion     Significance of Peripheral Dynamic Stereovision 

 77 | 97 

additional information without the need of shifting the line of sight (e.g. moving the eyes or the 

head) and loosing focus. On top of that, the requirement for excellent binocular vision, which is 

met by the presence of stereopsis, further enhances the quality of dynamic visual perception in 

the periphery by adding judgment of depth and estimation of relative spatial positions.  These 

are  central  cues  for  coordinative  interaction  and  orientation  in  space  or  in  a  moving 

environment. 

The  term  stereopsis  (as  introduced  in  section 2.6.1)  is used  to express  that  for estimation of 

distance exclusively depth binocular input and horizontal disparity shall be claimed. Monocular 

cues  such  as  perspective,  texture  gradients,  shading,  luminance  or  others  [Taylor,  1973; 

Grüsser, 1983; Noorden and Campos, 2002] might suffice, motion parallax might even create an 

equally  well  sensation  of  depth  [Faubert,  2001],  but  the  particular  requirements  for 

discriminative  efficiency  are  not  always  met.  For  instance,  monocular  cues  depend  on 

experience  and  knowledge  and  are  usually  useless  in  unstructured  environments,  in  static 

situations which elicit no  retinal drifts, or  in general where  it  is difficult  for  the eyes  to  find 

appropriate points of reference. 

Following  up  the motivating  ideas presented  in  the  introduction,  occupational  activities  and 

professional  sports  are  the  two  major  fields  in  which  well‐developed  dynamic  peripheral 

stereovision  is  of  fundamental,  even  safety‐related  interest.  Typical  tasks  that  set  high 

standards to peripheral dynamic stereovision can be exemplarily concretized as: 

• Spatial (self)‐orientation and situation awareness (e.g. in space environment) 

• Target recognition and debunking of optical illusions (e.g. flight maneuvers) 

• Estimation of relative position and distance (e.g. in traffic situations) 

• Cooperative interaction between different agents (e.g. team players) 

• Remote manipulatory tasks (e.g. robotic arms) 

• Machine operation (e.g. cranes) 

• Accurate alignment tasks (e.g. microscopy) 

• Virtual reality and tele‐robotics (e.g. surgery) 

6. Discussion     Significance of Peripheral Dynamic Stereovision 

 

78 | 97 

• Anticipatory reactions (e.g. object avoidance in sports) 

• Complex tasks involving good hand‐eye coordination (e.g. martial arts) 

Without  asserting  claims  of  completeness,  some  evident  occupations  and  sports where  the 

above specified tasks may find compelling relevance are listed in table 6.1.  

Table 6.1: Activities with raised demands on peripheral dynamic stereovision.   

Occupations  (Professional) Sports 

Aviators • astronauts • crane and machine operators • professional drivers • air traffic controllers • mariners • etc. 

Quick ball games and team sports • referees • motor racing • martial arts •  

hunting • skiing • etc. 

For safety and accident prevention, higher levels of visual quality should be recommended for: fire fighters, police, soldiers, private motorists, etc. 

 

However,  frequently  these  above  specified  high‐level  visual  tasks  are  often  interleaved  or 

merged with each other sharing the same qualitative requirements on the visual apparatus, and 

should  therefore  not  separately  be  considered.  Their  interaction  is  quite  complex  as  the 

example of a wide receiver in typical football game might illustrate: 

Being  in  running motion and keeping a certain general overview, he has  to visually  track  the 

moving ball he  is supposed to receive while paying attention to both his quarterback and the 

approaching  defensive  players  of  the  opposing  team.  Simultaneously,  when  his  tackling  is 

deemed unavoidable, quick and correct estimation of the distance to pass over the ball to the 

tactically best positioned team‐mate is to assure success. In this complex scenario, the absolute 

abilities  of maintaining  permanent  attention  to  the  events  in  the  central  field  of  view  and 

minimizing reaction time by avoiding deviant shifts of sight  loosing thus central fixation, while 

selectively and appropriately reacting to peripheral events, is the metrics of high performance 

and success.  

 

6. Discussion     Need of Objective Tests and Criteria of Assessment 

 

 79 | 97 

6.2 The Need of Objective Tests and Criteria of Assessment  

As an  integral part of  the general  strategies of examination of  the  sensoric  [Rüßmann et al., 

2004a]  and  neuro‐motoric  [Rüßmann  et  al.,  2004b]  components  and  functionalities  of  the 

visual  system,  presence  or  absence  of  stereopsis  is  an  important  indicator  of  the  state  of 

binocularity. It can give valuable diagnostic advice for neuromuscular anomalies and disorders 

[Noorden  and  Campos,  2002]  that  conveniently  could  remain  hidden  to  (less  experienced) 

examiners.  The  absence  of  stereopsis  in  amblyopes  and  strabismic  patients  does  not 

automatically  imply  stereo‐blindness.  Especially  if  visual  deficits  are  of  early  origin  in  life, 

missing  stereopsis  is not  felt as a  real handicap as patients quickly  learn making use of non‐

stereoscopic cues to depth perception [Noorden and Campos, 2002]. Against this background a 

considerable quantity of  clinically established  tests  to  assess  stereoscopic  vision  reveals  two 

major  drawbacks:  They  are  not  really  free  of  non‐stereoscopic  cues  and  objectivity  in  both 

execution and evaluation from both parts the examiner and the patient is difficult to guarantee. 

For  conventional  diagnostic  and  preventive  purposes,  being  part  of  a  general  strategy  of 

ophthalmologic examination [Noorden and Campos, 2002; Rüßmann et al, 2004a, 2004b], their 

diagnostic  value might  suffice;  not,  however,  when  the  above  higher  standards  are  to  be 

applied and perfect stereopsis (not to be confused with stereovision) is indispensable.   

Occupational  activities  and  professional  sports  which  pose  above‐average  demands  on  the 

quality  of  the  visual  system,  in  particular  peripheral  dynamic  stereovision,  require  reliable 

procedures and criteria  to  selectively pick  the best candidates out of an often  larger pool of 

applicants. Once selected and in service, suitable objective test procedures are indispensible to 

ensure  the  steady  compliance with  the  visually  criteria  that  have  been  initially  defined  and 

applied. 

Not only appropriate and satisfying hardware solutions need to be developed. The same efforts 

have  to  be  paid  to  the  definition  of  objective  and  reliable  criteria  for  straightforward 

assessment of the data acquired. This particularly applies for patients that are either unwilling 

for truthful cooperation (e.g. persons concealing or feigning deficiencies) or unable (e.g. young 

infants, disabled persons, etc.).  

For  children, mostly  electrophysiological measurements  of  cortical  function  known  as  visual 

evoked potentials (VEP), preferential looking and the evaluation of OKN responses are used to 

6. Discussion     Need of Objective Tests and Criteria of Assessment 

 80 | 97 

objectively  determine  visual  acuity  [Suttle,  2001;  Noorden  and  Campos,  2002],  or  for  the 

unmasking  of  apparent  blindness  [Bach,  1935].  In  principle,  these  methods  are  also  of 

relevance for the evaluation of fusion and stereovision [Fox et al., 1978; Archer et al., 1987]. By 

these strategies,  it has been  found evidence  that stereoscopic depth discrimination based on 

disparity alone occurs at about  the age of  three months  [Tyler, 2004]. The only  cooperation 

required  is  that  subjects  are  awake  and  can  hold  the  eyes  open.  However,  for  the 

methodological design of  the  test method  it has  to be considered  that OKN  responses differ 

depending  on  subjects’  states  of  attention  and  the  clarity  of  the  instructions  given  by  the 

examiners  [Garbutt  et  al.,  2001]. Objective  estimations  based  on  VEP,  eye movements  and 

pupillary  light  reflexes  are  applicable  to  objectively  determine  the  visual  field  of  poorly 

cooperating patients  like  infants or disabled persons [Gräf, 1997].   A further point deemed to 

be necessary  is  the a priori elimination of  the effects of motion parallax  [Faubert, 2001] and 

monocular contamination  [Tyler, 2004] of  the responses by an  inappropriate way of stimulus 

presentation.  

What has not been scratched so far, are the applicative possibilities this new stereotest might 

open for the purely diagnostic field, i.e. applications that are not directly related to professional 

aptitude  or  screening  tests.  In  line with  the motivating  starting  points  and  to  support  the 

arguments  for  potential  commercialization,  two  potentially  prospective  categories  will  be 

concisely exemplified: (a) debunking of fake claims of partial or total invalidity (concerning the 

branch of pension insurer) and (b) early diagnosis of binocular deficiencies, particularly infantile 

strabismus. 

 (a) Debunking fake claims of invalidity benefits 

Incapacity benefit  is paid  to people  that are below  the age of pension after having  satisfied 

medical tests confirming incapacity to work in accordance with national regulations. In order to 

claim  payments  from  the  insurer  company,  compulsory  medical  examinations  are  to  be 

scheduled for the applicant. Their final result with the respective medical advice usually  is the 

decisive factor and for acceptance they have to be reliable and objective. Robust estimates of 

annual  values of unjustified  invalidity payments or overpayments  insurers have  to  settle are 

hard to be found. Usually, the number of fraud cases that can be confirmed  is assumed being 

small, but  surely  the higher  is  the number of undetected  cases. No  statement  can be  given 

whether  these  cases  finally  result  from  applicants’  false  pretences,  wrong  medical 

6. Discussion     Need of Objective Tests and Criteria of Assessment 

 

 81 | 97 

interpretation by  referees or even shortcomings of  the assessment method chosen. The new 

test  apparatus  introduced  here  may  provide  a  powerful  tool  to  support  currently  applied 

methods of ophthalmological examination. By adding an elevated degree of objectivity it would 

facilitate  the  debunking  of  possible  false  pretences  and  the  associated  elevated  financial 

expenditures  the  insurer would have  to bear,  independent of  the  referee’s performance and 

the personal attitude of the patient towards the ordered examination. 

 (b) Infantile binocular deficiencies and strabismus  

At about 6 months of age, the optokinetic development  is more or  less completed. However, 

during the first three months of life, strong monocular asymmetry manifests [Naegele and Held, 

1982; Suttle, 2001; Valmaggia et al., 2001]. Reactions to targets moving from the temporal to 

the nasal side are  innate while naso‐temporal stimulation  is to be  learnt  [Kommerell, 2004a]. 

Under conditions of untreated early pediatric strabismus, this tempo‐nasal asymmetry can stay 

in effect throughout all one’s life [Kommerell, 2004b], as well as other impairments that might 

develop  as  a  consequence  [Herzau,  2004b].  Usually,  in  normal  development,  some  minor 

asymmetries keep persisting – stimuli towards the nasal side appear more effective than those 

to the temporal side [Carpenter, 1988]. The symptoms of infantile strabismus may hamper the 

development of binocular neurons in the visual cortex [Herzau, 2004b]. The earlier in childhood 

the diagnosis and  the  shorter  the duration of  the  strabismus,  the more effective will be THE 

therapeutic measures  to  re‐establish  stereopsis  or  resuming  normal  binocular  development, 

often preventing amblyopic  impairments that might develop, saving thus surgical  intervention 

[Noorden  and  Campos,  2002,  Herzau,  2004b].  A  good  and  established  method  of  early 

diagnosing  possible  deficits  of  the  binocular  system  and  the  associated  senso‐neurological 

pathways [Kommerell, 2004a] consists in the recording of VEP as objective response to dynamic 

stimulation [Noorden and Campos, 2002].  

In  random  dot  patterns,  the  looking  behaviour  of  infants may  indicate  their  recognition  of 

binocularly disparate objects and the presence of stereopsis can be concluded. This behaviour, 

referred to as preferential looking, is based on the fact that patterned stimuli rather attract an 

infant’s  attention  than  homogeneous  surfaces  [Noorden  and  Campos,  2002].  However,  this 

binocular  function  together  with  the  respective  motor‐sensory  necessities  usually  do  not 

develop until the first two to four months allowing for stereoscopic depth discrimination based 

6. Discussion     Need of Objective Tests and Criteria of Assessment 

 82 | 97 

on  disparity  alone  [Tyler,  2004].  Further,  basic  neuro‐anatomical  immaturity  and  the 

asymmetry of the monocular OKN during the first three months of age provide other difficulties 

at that early age. But above all, the diagnostic success of ocular pursuit movements in response 

to random dot pattern  is strongly dependent on  the attention subjects are actively paying  to 

the stimulus presentation [Kommerell, 2004a], a core requirement which cannot be taken for 

granted  for  infants,  consequently,  limiting  the  applicability  of  the  new method  proposed  to 

those children which already can stay attentive.   

 

6.3 Comparison of the Results/Solutions with Literature 

In  view  of  the  previous  section,  the  characteristics  of  the OKN  in  tandem with  the  general 

presence of stereopsis should constitute the methodological basis for the novel objective test 

method of dynamic peripheral stereopsis which was presented in this pilot study.  

Early  experimental  methods  that  have  been  claimed  the  necessity  of  objective  testing 

procedure of dynamic stereopsis showed that an OKN response can be directly correlated with 

the correct identification of stereoscopic contours [Fox et al., 1978; Archer et al., 1987]. It has 

been further shown that the OKN gain can be described as a function of the binocular disparity 

of  the stimulus  [Howard and Simpson, 1989], providing  thus an objective evaluative criterion 

for  stereopsis. Wantanabe and colleagues  (2008)  recently developed a  similar  test  for  stereo 

motion, however  sequentially applying  four  types of computer‐generated anaglyphic  random 

dot stereograms as depicted in figure 6.1.  

 Figure 6.1: Sequential stereo motion test                    as modified from [Watanabe et al., 2008]. 

6. Discussion     Comparison of Results with Literature 

 

 83 | 97 

All stimuli were displayed on a 15  inch PC monitor at a viewing distance of 50 cm.  In the first 

two tests parallel planes rotating in depth around their vertical axis were presented (see figure 

6.1a).  In  the  first  case,  they  contained  combined  cues of binocular disparity and  inter‐ocular 

velocity differences (motion parallax), excluding binocular disparity cues in the second case. In a 

third test oscillation in depth was presented (see figure 6.1b). In the fourth scenario (see figure 

6.1c), the random dot stereograms form a cylinder which was also presented to the subjects on 

the  screen. Cut  into  two oppositely  rotating parts,  the  subjects had  to  locate  the  separating 

border  (red marking  in  the  figure) of  the  cylinder. However,  this procedure was  intended  to 

investigate  the  motion‐in‐depth  perception  of  strabismic  patients,  complementing  clinical 

examination with static stimuli. 

The major differences to those studies were that in this work real physical depth was presented 

to  the  subjects  through a  stimulus pattern which was designed  in good compliance with  the 

Frisby  Stereo  Test  [FST].  The  evidently  resulting  advantage  is  that  viewing  under  natural 

conditions  and  free  of  dissociation  is  permitted.  Depth  information  exclusively  results  from 

binocular visual inputs, the retinal disparity of which is neuronally processed; monocular visual 

cues  are  excluded  by  principle,  as  well  as  motion  parallax  is  avoided.  In  general  consent 

therewith, tests based on real depth have been reported to be more appropriate in the de facto 

verification of absence or presence of stereopsis whereas those based on Polaroid vectographs 

being more suitable in determining subtle changes [Leske et al., 2006]. 

The planar displays onto which computer‐generated random dot patterns had been projected 

in [Wantanabe et al, 2008] conveniently subtended a rather small part of the visual field.  Now, 

in the concept proposed here, they have been replaced by a rotating cylinder  in the centre of 

which  subjects were  seated,  thus  completely  surrounded by  the  stimulus pattern. The visual 

distance to the curved stimulus planes was at about 50 cm. This arrangement appeared to be 

the most appropriate one because  in contrast  to  the methods of Wantanabe and colleagues 

(2008), the  intention was an assessment of dynamic stereopsis  in the peripheral field of view. 

For  this purpose, a  robust  spectacle  frame was equipped with  sets of adjustable blends  that 

besides occluding the central field of view served to define a more or less reproducible window 

for exclusively peripheral stimulation. A detailed description is provided in section 3.4. Thereto 

related was another, distinguishing aspect, contrasting previous tests, namely that the design 

of  these  goggles  assured  the  correct  “behaviour”  of  the  subjects. Whenever  deviating  from 

6. Discussion     Comparison of Results with Literature 

 84 | 97 

central  fixation,  trying  to  finagle  stereoscopic  stimuli  by  intentionally  squinting,  a  punishing 

effect  of  visual  information  deprivation  had  the  subjects  to  realign  again  to  the  primary 

position. Temporarily lacking capabilities of data acquisition and evaluation are the only evident 

deficiency that is currently limiting the persuasiveness of this prototypic solution. However, this 

is  by  far  not  a  show‐stopping  criterion.  By  raising  the  complexity  and  financial  efforts,  this 

hampering issue should be easily solved by the application of conventional electrophysiological 

methods of eye position  tracking  [Duchowski, 2007; Eggert T, 2007; Hoffmann, 2007], which 

were currently not applicable for this prototypic approach. 

The  test  procedure  presented  in  this  work  should  not  be  considered  as  a  stand‐alone 

application. Even excellent dynamic stereopsis in the peripheral field of view does by no means 

imply that the entire binocular apparatus is performing well. As already pointed out, in humans, 

two  different  stereoscopic  systems,  static  and  dynamic  stereopsis,  exist  independently  from 

each  other  and  should  be  strictly  differentiated  [Carpenter,  1988; Mollenhauer  and  Haase, 

2003].  By  means  of  the  coarser  but  quickly  responding  dynamic  (peripheral)  stereopsis, 

peripherally moving  stereoscopic  objects  are  detected  and  brought  into  foveal  fixation  for 

detailed  inspection  by  the  highly  acute  static  (central)  stereopsis.  Retrospective  studies 

confirmed some  residual dynamic stereopsis  in strabismic patients without central stereopsis 

[Mollenhauer  and Haase,  2003]  since  the  retinal  periphery  appears  to  be more  resistant  to 

binocular  impairment.  Smaller  deviations  of  the  visual  axis  that  already  suffice  cancelling 

binocularity in the central field of view are peripherally compensated, most probably due to the 

accepted tolerances attributable to the larger receptive fields that are associated to the retinal 

periphery [Grüsser, 1983; Howard and Rogers, 1995; Herzau, 2004a]. Nevertheless, to obtain a 

reliable  and  doubtlessly  correct  diagnosis  of  the  binocular  apparatus  facing  the  dynamic 

situations which  are  covered  in  this  treatise, both  static  and dynamic  stereopsis need  to be 

ascertained by designated test procedures.  

As  it  is  further  recommended  in  [Tyler,  2004],  for  final  unequivocal  evidence  of  functioning 

stereopsis,  tests  to  differentiate  the  direction  of  depth  perception,  i.e.  whether  perceived 

towards or away from the observer, should be complemented or integrated into the procedure.   

The functionality, unique particularities and distinguishing features of this test with respect to 

the currently applied ones can be summarized as follows:  

 

6. Discussion     Comparison of Results with Literature 

 

 85 | 97 

Assessment of dynamic stereopsis in the visual periphery with central occlusion. 

Real physical depth based on the Frisby Stereotest 

allows testing of stereopsis under purely natural viewing conditions, 

rendering viewing free of dissociation and 

it excludes monocular contamination, i.e. stereoscopic viewing is free of any other cues than horizontal disparity. 

Stereoscopic contours can only be detected if stereopsis is present. 

By means of the test design and procedure: 

Central fixation is guaranteed. 

Simplicity  of  application:  PC‐control  and  automation  can  be  easily  implemented,  no trained medical staff needed, defined criteria for the evaluation of the results. 

Objectivity  by  a  standardized  test  situation:  subjects  respond  verbally  and  by  their involuntary ocular reactions (mutual plausibility check); examiners’ judgments are based on given characteristic and fixed criteria. 

Correct answers cannot be learnt. 

Adjustability  of  a  large  range  of  test  conditions  (stereoacuity,  moving  speed  and direction of stimuli) offers diagnostic manifoldness. 

Cost efficiency  in terms of manpower (no specialists),  little servicing and maintenance.

6.4 Commercial Applicability  

The  applicative  possibilities  of  this  new  test  method  which  combines  the  assessment  of 

stereopsis  and  dynamic  visual  field  testing  are  manifold.  The  high  degree  of  objectivity 

guaranteed by  the nature of  the principle  should  foster above all  future applications  such as 

medical pre‐employment testing, general aptitude and assessment tests or diagnosis. It is more 

than obvious  that good stereopsis attributes  to quick and safe  judging and  the acquisition of 

awareness and spatial self‐orientation  in any kind of situations related  to  the  interaction and 

coordination  between  multiple  agents.  Particularly  in  road,  air  or  ship  traffic  situations 

stereopsis  decisively  increases  the  level  of  safety. Also  in  professional  sport  activities which 

6. Discussion     Commercial Applicability 

 86 | 97 

involve quickness in coordination and reaction stereopsis is an indispensable asset. Last but not 

least, there is a versatile diagnostic value, may it serve, among others, for early identification of 

infantile amblyopia or strabismus, or the debunking of fake claims for invalidity benefits. 

Based on the characteristics of the optokinetic mechanisms triggered by object detection in the 

stimulus pattern and its tracking behaviour, one could as well consider upgrading the diagnostic 

conclusiveness  of  this  method  towards  a  more  objective  type  of  perimetry,  exclusively 

depending  on  the  alertness  and  the  attentive  state  of  the  patient.  As  proposed  in  [Körner, 

1975],  by  selectively  stimulating  definable  and  small  receptive  retinal  areas,  their  normal 

sensory function could be confirmed or deficiencies easily discovered through evaluation of the 

corresponding optokinetic reactions to be usually expected. 

Following  these  lines  of  reasoning,  interest  of  specialized manufacturers  of  bio‐medical  and 

optic  devices might  arise.  Their  potential  customers  would  cover  all  the  above mentioned 

scenarios,  including  clinical  institutions, even authorities and military  fields. As  it has already 

been  extensively  discussed  in  section  6.3,  compared  to  established  test  methods,  clear 

applicative advantages are offered  for  this range of applications. But  in spite of  these unique 

selling  points,  it  is  now  out  of  the  scope  to  show  up  with  a  possible  concept  for 

commercialization.  Before  strategies  can  be  reasonably  initiated  at  all  and  a  respective 

marketing mix developed,  it  is  the aim of  the present  feasibility  study  to practically define a 

number of basic requirements to be met and possible showstoppers to be levered out first. The 

basic ones are presented and summarized below: 

• Degree of prototype maturity 

Attributable  to  the  limited  resources  that have been available  for  the  fabrication of  this  first 

prototype,  significant  improvements  reflecting  the  current  status  of  prototypic maturity  are 

revealed  in section 5.4. Thus,  it appears that a successful commercialization of the apparatus 

will  need  to  be  approached  trilaterally:  from  a  procedural‐methodological,  a  design‐related 

technical, and a practical‐operational side. Certainly, a forth, experimental side to convincingly 

validate the results obtained so far, will be of strong supporting interest. In successive series of 

experiments,  besides  the mentioned  procedural  optimization  and  design‐related  upgrading, 

more  emphasis  will  have  to  be  put  on  the  procedures  of  the  acquisition,  evaluation  and 

presentation of the data obtained. With increased efforts regarding the ocular feedback of the 

6. Discussion     Commercial Applicability 

 

 87 | 97 

subjects to the stimulation and its precise assessment, leveraging benefits could be expected in 

the persuasiveness of this prototypic solution. 

• Competitiveness  

Commercial success and the initial motivation of daring a business venture depend on good or 

even  outstanding  competitiveness  of  the  new  product  to  be  introduced  with  respect  to 

comparable solutions that are already available on the market. Solving the preceding  issue of 

prototype maturity  should  promote  realistic  competitiveness. One  strategic  assessment  tool 

could be e.g. a SWOT Analysis which comprises an evaluation of relative strengths, weaknesses, 

opportunities, and threats that are associated with the object in question. 

• Certification 

A certification proofing continuous compliance with national and  international directives and 

legal  regulations  is  highly  recommended  and  for  certain  products  needed.  In  the  European 

Union,  the  Directive  2007/47/EC  of  the  European  Parliament  which  revised  the  Council 

Directive 93/42/EEC  concerning medical devices  applies  in  this  case  [MDD, 2007]. Generally, 

also  a  declaration  of  conformity  is  to  be  issued  by  manufacturers  to  guarantee  the 

authorization of medical devices. In synergy with the above directive, DIN EN ISO 13485:2007‐

10  (Medical devices ‐ Quality management  systems ‐ Guidance on  regulatory affairs)  is  to be 

applied to define the manufacturers’ requirements regarding the quality management system. 

Certified  medical  devices  should  be  CE‐marked  showing  their  general  compliance  with  EC 

standards. For instance in Germany, the requirements of the Medical Devices Act, which is the 

national implementation of the European Directive concerning medical products, are to be met. 

More  information  can  be  found  in  the  applicable  respective  national  and  international 

directives and regulations. 

7. Summary 

 

88 | 97 

Part V 

7. Summary 

In  this work  a  new method  and  a  first  prototypic  design  of  an  apparatus  to  systematically 

approach  the  objective  assessment  of  peripheral  dynamic  stereovision  are  proposed  and 

experimentally evaluated.  

“Peripheral dynamic stereovision” shall be referred to as the ability to perceive, recognize and 

observe moving targets in the peripheral field of view without sacrificing dedicated attention to 

the actual visual scene of  interest kept  in foveal fixation. In other words,  it  is the capability to 

peripherally  gather  useful  information  for  either  planning  reactive  steps  in  anticipatory 

response  to  an  action  in  progress  (e.g.  the  need  of  unexpected  evasive  action)  or  just  to 

complement the actual scene of attention by acquiring additional information without the need 

of shifting the line of sight (e.g. moving the eyes or the head) and loosing focused attention to 

the scene of interest. The presence of stereopsis on top further enhances the perceptive quality 

by  adding  the  third  dimension  with  judgment  of  depth  and  estimation  of  relative  spatial 

positions as central cues for orientation, coordinative interaction and navigation in space. 

Under  physiological  aspects,  stereopsis  is  regarded  as  the  highest  level  of  human  binocular 

quality. With the eyes located off‐centred at two different head positions, two perspectives of 

the  visual  scene  are projected onto  the  retinas  and  fused by  the brain  to  generate  a  three‐

dimensional impression. The particular distribution of photosensitive receptor cells renders the 

fovea centralis as the retinal region of greatest visual acuity and spatial resolution. Peripheral 

vision  complements  the  acute  central  vision  by  its  capability  to  detect  objects  and  directed 

motion,  as well  as  brightness  gradation,  outside  the  narrow  cone  of  straight  ahead  central 

vision  at high  temporal  resolution. Generally, moving objects  are perceived when either  the 

eyes  remain  stationary  and  the  object  image  is  shifting  across  the  retina,  or  the  eyes  are 

pursuing the moving target, locally capturing it in the fovea by specialized movements of gaze 

shifting and stabilization. Triggered and executed within milliseconds, the sharp  impression of 

complete sceneries is ascribed to patterns of fixation and action of quick saccadic jumps as well 

as  smooth  precise  fine‐tuning  shifts. One  is  unconscious  of  these  continuous  point‐to‐point 

fixations  and  image  shifts  since  the  brain  suppresses  and  extrapolates  them  to  a  coherent 

image. The Optokinetic Nystagmus (OKN) plays a central role in this process. By repetitive and 

7. Summary 

 

 89 | 97 

conjugate  sequences of  slow  and quick phases  it  stabilizes  the  image of moving  repetitively 

patterned  scenes on  the  retina. Also moving  stereoscopic  contours  can  induce determinable 

and  differentiable  optokinetic  reactions.  However,  stereoscopic  nystagmus  shows  presence 

only  in  subjects with normal  stereopsis;  it  is absent  in  stereo‐blind  subjects. By presenting a 

stationary fixation target, optokinetic responses are partly or even completely suppressible. 

These  characteristics  of  the OKN  in  combination with  a  panoramic  stereoscopic  stimulation 

pattern which  is designed according to the Frisby Stereotest and rotated around the subjects’ 

heads constitute the main distinguishing features of this new examination method compared to 

existing  ones.  The  Frisby  Stereotest  has  been  chosen  as  exclusively  the  binocular  parallax 

resulting from the plate thickness carries the stereoscopic  information; other depth cues such 

as  contours,  motion  parallax,  or  personal  experience  that  could  falsify  the  diagnosis  are 

excluded per se. A goggle frame was equipped with sets of frontal and lateral black blends. By 

this design of the “aperture goggle”, central vision was blinded out, opening a peripheral field 

of view of 45 degrees to each side only. Subjects soon learned that the deviation of their eyes 

from the central fixation position, i.e. squinting to the periphery, will immediately be punished 

by  information  deprivation.  Such  condition  is  generally  experienced  as  uncomfortable  and 

consequently was avoided. 

The  presence  of  gross  stereopsis  was  tested  by  exposing  the  subjects  to  a  total  of  18 

experimental runs under natural, free‐sighted conditions, each. Three different physical depth 

differences (6, 3 and 1.5 mm) with corresponding stereo acuities of 320, 160 and 80 seconds of 

arc have been applied for three ranges of rotational speeds (10, 20 and 30 degrees per second) 

in both clockwise and counter‐clockwise rotational direction. The subjects’ voluntary reactions 

(pushing  a  buzzer  button)  and  their  ocular  responses  involuntarily  triggered  by  passing 

stereoscopic objects have been recorded simultaneously and could in principle serve as mutual 

plausibility checks. 

For the evaluation of voluntary reactions, the performance level (the rate of correctly identified 

objects to all possible objects crossing the subjects’ periphery, PL) and the confidence ratio (the 

rate of the correctly  indentified objects out of those that have been reported to be seen, CR) 

were introduced as comparable benchmarks. Among the subjects larger spreads in the PL have 

been  observed  ranging  between  75  to  95 %  for  the most  down  to  5  to  60 %  for  the  least 

7. Summary 

 

90 | 97 

successful subject with a total average of 60 %. The mean CR of group was raised to about 84 %, 

or  conversely,  implying  an  error  rate  of  16 %.  Consequently,  high  overall  credibility  of  the 

subjects could be assumed and occasional low performance runs could result either from lacks 

of  concentration,  design‐related  distraction  or  indeed weak  peripheral  stereopsis.  Statistical 

significance, however, could not be found. 

The  analysis  of  the  recorded  involuntary  ocular  reactions was  less  exhaustive  than  initially 

expected.  In many cases, poor performance of  the available recording hardware rendered an 

automated software approach for data extraction and evaluation difficult. However, it could be 

observed  that upon peripheral  appearance of objects,  the onset of nystagmoid mechanisms 

was triggered, having the eyes searching and tracking them  in relatively fluent and consistent 

motion.  

Finally, the angular positions where  in the periphery subjects actively reacted to stereoscopic 

stimulation have been analysed and could be established at about 30 degrees on the average. 

The extent of  the different experimental  settings  that have been applied  in  the diverse  runs 

does yet not reason a clear statement under which of the tested conditions object perception 

should be best, finding thus an optimized setting.  

The  basic  findings  gained  are  in  line  with  the  initial  idea  and  it  appears  that  consequent 

technical  improvements will be necessary  to  further direct  the post‐prototype development. 

Above  all,  the  implementation  of  more  accurate  methods  of  electrophysiological  ocular 

measurements such as nystagmography or corneal reflection, etc., would represent a ground‐

breaking and substantial progress.  

Although  the marginal  conditions were  not  ideal,  the  outcome  of  this  pilot  study  could  in 

principle confirm the basic feasibility, conceptual validity and practical applicability of the novel 

test  method  introduced  here.  Ways  to  improve  the  procedure  in  terms  of  diagnostic 

expressiveness  and  reliability  have  been  identified  and  might  lead  towards  a  prospective 

development beyond the current stage of prototyping.  

Prospective  fields of application with  raised demands on peripheral dynamic  stereopsis have 

been  identified  and  critically  assessed.  These  might  include,  among  others,  a  variety  of 

professional activities  such as piloting, management of  complex  traffic  situations or machine 

7. Summary 

 

 91 | 97 

operating. More generally, such activities should be addressed which involve increased levels of 

self‐orientation,  quick  decision  making  and  situation  awareness  without  deviating  from  a 

central core attention. These may also be encountered in professional sports such as quick and 

coordinative multi‐player ball games or racing, etc. Objectivity of applied test methods is of big 

concern  for  the  selection  of  suitable  candidates  and medical  aptitude  checks  for  the  above 

professional  and  sportive  activities.  Such  tests  might  also  serve  as  enhancement  for 

conventional diagnostic and preventive purposes, becoming part of ophthalmologic standards, 

particularly  for patients  that  are  either unwilling  for  truthful  cooperation with  the examiner 

(e.g. persons concealing or feigning deficiencies) or unable (e.g. infants or disabled persons).  

The applicative possibilities of  this new  test method  combining  the assessment of  stereopsis 

and dynamic visual field testing have not been found to be matched by solutions proposed  in 

literature  so  far. Before however  commercial applicability  should  reasonably be approached, 

design‐related  issues  and more  detailed  experimental  evaluation  of  this  simple  but  efficient 

method need to be addressed first, paving the way towards a more professional development. 

 

8. References 

 

92 | 97 

8. References  

[Adams et al., 2005] Adams, W.E., Hrisos, S., Richardson, S., Davis, H., Frisby,  J.P. and Clarke, M.P.  (2005).  Frisby  Davis  distance  stereoacuity  values  in  visually  normal  children.  Br.  J. Ophthalmol. 89(11), pp. 1438‐1441. 

[Archer et al., 1987] Archer, S.M., Miller, K.K. and Helveston, E.M. (1987). Stereoscopic contours and optokinetic nystagmus in normal and stereoblind subjects. Vision Res. 27(5), pp. 841‐844. 

[Bach, 1935] Bach, K. (1935). Die Prüfung des Optokinetischen Nystagmus zur Entlarvung Einer Scheinblindheit. Journal of Molecular Medicine 14(42), pp. 1505‐1506.  

[Becker  et  al.,  2002]  Becker,  W.,  Raab,  S.  and  Jürgens,  R.  (2002).  Circular  vection  during voluntary suppression of optokinetic reflex. Exp. Brain Res. 144(4), pp. 554‐557. 

[Carpenter, 1988] Carpenter, R.H.S. (1988). Movements of the Eyes, 2nd Ed., Pion Ltd, London. 

[Dubois and Collewijn, 1979] Dubois, M.F.W. and Collewijn, H. (1979). Optokinetic reactions in man elicited by localized retinal motion stimuli. Vision Res. 19(10), pp. 1105‐1115. 

[Duchowski, 2007] Duchowski, A. (2007). Eye Tracking Methodology ‐ Theory and Practice. 2nd Ed., Springer, London. 

[Eggert  T,  2007]  Eggert,  T.  (2007).  Eye Movement  Recordings: Methods.  In:  Straube, A.  and  Büttner,  U.  (Volume  Eds.):  Neuro‐Ophthalmology.  Developments  in  Ophthalmology.  Vol.  40 Behrens‐Baumann, W. (Series Ed.), pp. 15‐34, Karger, Basel. 

[Ewens  and  Grant,  2005].  Ewens,  W.J.  and  Grant,  G.  (2004).  Statistical  Methods  in Bioinformatics: An Introduction (Statistics for Biology and Health), 2nd Ed., Springer, New York. 

[Faubert, 2001] Faubert, J. (2001). Motion parallax, stereoscopy, and the perception of depth: Practical and theoretical  issues.  In: Three‐dimensional video and display: Devices and systems (Eds. Bahram Javidi, Fumio Okano), Proceedings of SPIE Vol. CR76, 168‐191. 

[Fox et al., 1978] Fox, R., Lehmkuhle, S. and Leguire L.E. (1978). Stereoscopic contours  induce optokinetic nystagmus. Vision Res. Vol. 18, pp. 1189‐1192. 

[Frisby et al., 1975] Frisby, J.P., Mein, J., Saye, A. and Stanworth, A. (1975). Use of random‐dot stereograms  in the clinical assessment of strabismic patients. Brit. J. Ophthal. 59(10), pp. 545‐552. 

[FST] Sasieni, L.S. (19xx). “Frisby Stereo Test – Technical Paper”  (http://www.richmondproducts.com/5476%20FrisbyStereotestTechArticle.aspx) and  “Instructions – The Frisby Stereotest” 

8. References 

 

 93 | 97 

 (http://www.richmondproducts.com/PDFs/Frisby%20Plate%20Stereotest%20Instructions.pdf). Links retrieved: 25.04.2009, copies are available on request by the author of this thesis. 

[Garbutt et al., 2001] Garbutt, S., Harwood, M.R. and Harris, C.M.  (2001). Comparison of  the main  sequence  of  reflexive  saccades  and  the  quick  phases  of  optokinetic  nystagmus.  Br  J Ophthalmol 85(12), pp. 1477–1483.  [Gonzalez  et  al.,  1998]  Gonzalez,  F.,  Rivadulla,  C.,  Perez,  R.  and  Cadarso,  C.  (1998).  Depth perception  in  random  dot  stereograms  is  not  affected  by  changes  in  either  vergence  or accommodation. Optom Vis Sci 75(10), pp. 743–747. 

[Gräf, 1997] Gräf, M. (1997). Gesichtsfeldprüfung bei eingeschränkter Kooperation (Estimating the visual field of poorly cooperative patients). Klin Monatsbl Augenheilkd 211, pp. 277‐285. 

[Grüsser, 1983]   Grüsser, O  J.  (1983). Vision and Eye Movements.  In: Human Physiology  (Eds. Schmidt R F and Thews G), 21st Ed., pp.234‐273, Springer, Berlin, Heidelberg, New York. 

[Guyton  and Hall, 2006] Guyton, A.C.  and Hall,  J.E.  (2006). The Eye.  In: Textbook of medical physiology, 11th Ed., pp.613‐650, W.B. Saunders Company. 

[Herzau, 2004a] Herzau, V. (2004). Sensorik des Binokularsehens. In: Strabismus (Ed. Kaufmann, H.),  3rd Ed., pp. 97‐130, Thieme, Stuttgart. 

[Herzau,  2004b]  Herzau,  V.  (2004).  Binokulare  Sensorik  bei  Strabismus.  In:  Strabismus  (Ed. Kaufmann, H.), 3rd Ed., pp. 319 – 329, Thieme, Stuttgart. 

[Hoffmann,  2007]  Hoffmann,  K.P.  (2007).  Nystamographie.  In:  Medizintechnik:  Verfahren  ‐ Systeme – Informationsverarbeitung (Ed. Kramme, R.), 3rd. Ed., pp. 185‐192, Springer, Berlin. 

[Howard  and  Gonzalez,  1987]  Howard,  I.P  and  Gonzalez,  E.  (1987).  Human  optokinetic nystagmus  in  response  to moving binocularly disparate  stimuli. Vision Res. 27(10), pp. 1807‐1816. 

[Howard and Ohmi, 1984] Howard,  I. and Ohmi, M.  (1984). The efficiency of  the central and peripheral retina in driving human optokinetic nystagmus. Vision Res. 24(9), pp. 969‐976. 

[Howard  and  Rogers,  1995]  Howard,  I.P.  and  Rogers,  B.J.  (1995).  Binocular  Vision  and Stereopsis. 1st Ed., Oxford University Press, New York. 

[Kaufmann and Steffen, 2004] Kaufmann, H.  and Steffen, H. (2004). Anatomie und Physiologie der Orbita und des Bewegungsapparates. In: Strabismus (Ed. Kaufmann, H.), 3rd Ed., pp. 26‐59, Thieme, Stuttgart. 

[Kommerell,  2004a]  Kommerell,  G.  (2004).  Neurophysiologie  der  Augenbewegungen.  In: Strabismus (Ed. Kaufmann, H.), 3rd Ed., pp. 59‐74, Thieme, Stuttgart. 

8. References 

 

94 | 97 

[Kommerell,  2004b]  Kommerell,  G.  (2004).  Supranukleäre  Augenbewegungsstörungen.  In: Strabismus (Ed. Kaufmann, H.), 3rd Ed., pp. 465‐482, Thieme, Stuttgart. 

[Körner  and  Dichagans,  1967]  Körner,  F.  and  Dichgans,  J.  (1967).  Bewegungswahrnehmung, optokinetischer  Nystagmus  und  retinale  Bildwanderung.  Graefe‘s  Arch.  klin.  exp.  Ophthal. 174(1), pp. 34‐48.  

[Körner  and  Hänny,  1982]  Körner,  R.  and  Hänny,  P.  (1982).  Möglichkeiten  der Augenimmobilisierung bei  vitreoretinalen Erkrankungen.  Fortschr Ophthalmol 79(4), pp. 331‐335. 

[Körner,  1975]  Körner,  F.  (1975).  Untersuchungen  über  die  nicht‐visuelle  Kontrolle  von Augenbewegungen. Adv. Ophthal. 31, pp. 100‐158. 

[Lang  et  al.,  1991]  Lang,  J.,  Rechichi,  C.  and  Stürmer,  J.  (1991).  Natural  versus  haploscopic stereopsis. Graefe's Arch. clin. exp. Ophthal. 229(2), pp. 115‐118.  [Lang, 1983] Lang, J. (1983). Ein neuer Stereotest. Klin. Mbl. Augenheilkd. 182, pp. 373‐375. 

[Lang,  1992]  Lang,  J.  (1992).  Stellungsanomalien  und Motilitätsstörungen.  In:  Lehrbuch  der Augenheilkunde (Ed. Pau, H.), 13st Ed., pp.77‐150, Gustav Fischer Verlag, Stuttgart, Jena, New York. 

[Lasker  and  Kummell,  1985]  Lasker,  A.G.  and  Kummell,  J.G.  (1985).  A  light‐weight,  low‐cost optokinetic drum. Vision Res. 25(7), pp. 1001–1006. 

[Leske  et  al.,  2006]  Leske,  D.A.,  Birch,  E.E.  and  Holmes,  J.M.  (2006).  Real  depth  vs  randot stereotests. American Journal of Ophthalmology 142(4), pp. 699‐701, (Abstract). 

[Likova  and  Tyler,  2007]  Likova,  L.T.  and  Tyler,  C.W.  (2007).  Stereomotion  processing  in  the human occipital cortex. Neuroimage 38(2), pp. 293‐305. 

[MDD,  2007]  MDD  (Medical  Device  Directive).  Directive  2007/47/EC  of  the  European Parliament and of  the Council of 5 September 2007. Official  Journal of  the European Union L 247, pp. 21‐55. 

[Mollenhauer  and  Haase,  2003]  Mollenhauer,  K.A  and  Haase,  W.  (2003).  Entwicklung  der dynamischen  Stereopsis  nach  Augenmuskeloperationen  bei  gestörtem  Binokularsehen. Ophthalmologe 100, pp. 50–54. 

[Murasugi  et  al.,  1986]  Murasugi,  C.M.,  Howard,  I.P.  and  Ohmi,  M.  (1986).  Optokinetic nystagmus:  the effects of  stationary edges, alone and  in  combination with  central occlusion. Vision Res. 26(7), pp. 1155‐1162. 

[Naegele  and  Held,  1982]  Naegele,  J.R.  and  Held,  R.  (1982).  The  postnatal  development  of monocular optokinetic nystagmus in infants.  Vision Res. 22(3), pp. 341‐346. 

8. References 

 

 95 | 97 

[Noorden and Campos, 2002] Noorden, G.K. van and Campos, E.C. (2002). Binocular vision and ocular motility: theory and management of strabismus. 6th Ed., Mosby, St. Louis. 

[Pola et al., 1992] Pola, H., Wyatt, H.J. and Lustgarten, M. (1992). Suppression of optokinesis by a stabilized  target: Effects of  instruction and stimulus  frequency. Perception & Psychophysics 52(2), pp. 186‐200. 

[Pola et al., 1995] Pola, J., Wyatt, H.J. and Lustgarten, M. (1995). Visual fixation of a target and suppression of optokinetic nystagmus: Effects of varying target feedback. Vision Res.  35(8), pp. 1079‐1087. 

[Recker and Lang, 2006] Recker, D. and Lang, G.H.  (2006). Ocular motility and strabismus.  In: Ophthalmology (Ed. Lang, G.H.), 2nd Ed., pp. 471‐506, Thieme, Stuttgart, New York.  

[Rüßmann et al., 2004a] Rüßmann, W., Fricke, J. and Neugebauer, A. (2004). Untersuchung der Sensorik. In: Strabismus (Ed. Kaufmann, H.), 3rd Ed., pp. 376 – 405, Thieme, Stuttgart. 

[Rüßmann et al., 2004b] Rüßmann, W., Fricke, J. and Neugebauer, A. (2004). Untersuchung der Motorik. In: Strabismus (Ed. Kaufmann, H.), 3rd Ed., pp. 333 – 375, Thieme, Stuttgart. 

[Sachsenweger  and  Friedburg,  1992]  Sachsenweger,  R.  and  Friedburg,  D.  (1992). Funktionsprüfungen und Funktionsstörungen.  In:  Lehrbuch der Augenheilkunde  (Ed. Pau, H.), 13st Ed., pp.21‐70, Gustav Fischer Verlag, Stuttgart, Jena, New York. 

[Sachsenweger, 2002a] Sachsenweger, M.  (2002). Das Sehvermögen und seine Störungen.  In: Augenheilkunde (Ed. Sachsenweger, M.), pp.356‐374, Thieme, Stuttgart. 

[Sachsenweger, 2002b] Sachsenweger, M. (2002). Die Augenmotilität, das Binokularsehen und ihre Störungen. In: Augenheilkunde (Ed. Sachsenweger, M.), pp.375‐411, Thieme, Stuttgart. 

[Schiefer  et  al.,  2001]  Schiefer,  U.,  Strasburger,  H.,Becker,  S.T.,  Vontheim,  R.,  Schiller,  J., Traugott,  J.D.  and Hart, W.  (2001). Reaction  time  in  automated  kinetic perimetry:  effects of stimulus luminance, eccentricity, and movement direction. Vision Res. 41(16), pp. 2157‐2164. 

[Suttle, 2001] Suttle, C.M. (2001). Visual acuity assessment  in  infants and young children. Clin. Exp. Optom. 84(6), pp. 337‐345. 

[Taylor, 1973] Taylor,  J.H.  (1973). Vision.  In: Bioastronautics Data Book  (Eds. Parker,  J.F. and West, V.R.), NASA SP‐3006, 2nd Ed., pp. 611‐665, NASA, Washington, D.C. 

[Träumer  and  Bührmann]  Träumer,  R.  and  Bührmann,  K.  (1973).  Eine  neue  Methode  der quantitativen Auswertung des optokinetischen Nystagmus. Graefe‘s Arch.  klin.  exp. Ophthal. 187(4), pp. 289‐297. 

8. References 

 

96 | 97 

[Tyler,  2004]  Tyler,  C.W.  (2004).  Binocular  Vision.  In:  Duane's  Foundations  of  Clinical Ophthalmology (Eds. Tasman W., Jaeger E.A.), Vol. 2, J.B. Lippincott Co., Philadelphia. 

[Valmaggia, et al., 2001] Valmaggia, C., Charlier, J. and Gottlob, I. (2001). Optokinetic nystagmus in patients with central scotomas in age related macular degeneration. Br. J. Ophthalmol. 85(2), pp. 169‐172. 

[van Hof‐van Duin and Mohn, 1986] van Hof‐van Duin, J. and Mohn, G. (1986). Monocular and binocular optokinetic nystagmus in humans with defective stereopsis. Invest Ophthalmol Vis Sci 27(4), pp. 574‐583. 

[Wang and Sönderberg, 1995] Wang, L. and Söderberg, G. (1995). Frequency and amplitude in scotopically stimulated optokinetic nystagmus. Graefe’s Arch. clin. exp. Ophthalmol. 233(1), pp. 8‐12. 

[Wantanabe et al., 2008] Wantanabe, Y., Kezuka, T., Harasawa, K., Usui, M., Yaguchi, H. and Shioiri,  S.  (2008).  A  new  method  for  assessing  motion‐in‐depth  perception  in  strabismic patients. Br. J. Ophthalmol. 92(1), pp. 47‐50. 

[Weiß,  2008] Weiß,  C.  (2008).  Basiswissen Medizinische  Statistik,  4th  Ed.,  Springer Medizin Verlag, Heidelberg.  

[Wheatstone, 1838] Wheatstone, C. (1838). Contributions to the physiology of vision – part the first.  On  some  remarkable,  and  hitherto  unobserved,  phenomena  of  binocular  vision. Philosophical Transactions of the Royal Society of London 128, pp. 371–394. 

[Wong et al., 2002] Wong, B.P.H., Woods, R.L. and Peli, E. (2002). Stereoacuity at distance and near. Optometry and Vision Science, Vol. 79(12), pp. 771‐778. 

[Wyatt  and  Pola,  1984]  Wyatt,  H.J.  and  Pola,  J.  (1984).  A  mechanism  for  suppression  of optokinesis. Vision Res. 24(12), pp. 1931‐1945. 

 

Annex 

 

 97 | 97 

Annex 

Material Safety and Data Sheet of Polystyrene 

 

 

 

 

Eidesstattliche Erklärung 

 

Hiermit erkläre ich, Michael Broschart, dass ich die vorliegende Dissertation mit dem Titel  

“Peripheral Dynamic Stereovision – A Novel Stereoscopic Test” 

selbständig verfasst und keine anderen als die angegebenen Hilfsmittel benutzt habe. 

 

Die Dissertation ist bisher keiner anderen Fakultät vorgelegt worden. 

 

Ich  erkläre,  dass  ich  bisher  kein  Promotionsverfahren  erfolglos  beendet  habe  und  dass  eine 

Aberkennung eines bereits erworbenen Doktorgrades nicht vorliegt. 

 

 

 

Schenefeld, 12.05.2009                  

                       

                       

    

 

 

 

Acknowledgements 

 

It  is difficult to express enough gratitude to Univ.‐Prof. Dr. med. Stefan Clemens. He kindly offered me  this  unique  opportunity  to  realize my  doctorate  under  his  supervision  at  the ophthalmologic  clinic  of  the  teaching  hospital  of  the  University  of  Greifswald.  Very enthusiastically  he  guided  me  along  the  way,  offering  all  backing  support  and encouragement I needed with the doors always kept open for enlightening discussions.   Deep gratitude I owe Dipl.‐Med. Päd. Elisabeth Brunner and her colleagues at the school of orthoptics  of  the  University  of  Greifswald.  Even  more  than  that,  I  owe  their  students. Interested  and  highly motivated  they  volunteered  in  this  pilot  study with  phenomenally patience. Thanks ladies for this fruitful cooperation.  Also,  I am  indebted to Dipl.‐Phys. Rico Großjohann  for many useful discussions,  inspiration and advice for the practical realization of the experimental part of the work.  I  cordially  appreciate  the  valuable  technical  assistance  of Mr.  Joachim  Lehmann  and Mr. Bodo Kuhr of the local precision mechanics machine shop.   The  following  companies  have  supported  my  thesis  by  kindly  providing  free  of  charge materials, tools and software:   

CZIOTEC GmbH, Greifswald  Toom BauMarkt, Greifswald  Mikromak Service Brinkmann, Berlin 

 Finally,  I would  like  to  sincerely  thank  all people not explicitly mentioned here who have contributed  to  the  successful completion of  this doctoral dissertation, above all my  family and friends Alexey, Florian, Marcus, Stephan and Ulrike for their words of encouragement.        

I will not forget your endless patience.

Galina, te iubesc.

 

Curriculum Vitae 

 

 

Name:    Michael Broschart 

Day, place of birth:     28.01.1976, Landstuhl 

Citizenship:    German 

 

Academic education:  Apr ‘00 – Nov ‘05  Technische Universität Ilmenau Graduation as ‘Dipl.‐Ing.’ in Bio‐Mechatronics 

Sep ‘04 – Feb ‘05  Universidad Politécnica de Cartagena (Spain) Centre of Electrochemistry and Smart Materials Research on intrinsically conducting polymers as artificial muscles, bio‐membranes and nerves.  

Sep ‘86 – Jun ‘95  Leibniz‐Gymnasium Pirmasens  Secondary school   

 

Professional Experience: 

 

Aug ‘08 – present  Germanischer Llyod Industrial Services  Expert on safety systems for wind turbines 

Mai ‘06 – Apr ‘07  European Space Agency – ESA/ESTEC (Netherlands)  Advanced Concepts Team  – Young Graduate Trainee on Biomimetics – 

 

 

 

 

 

Michael Broschart 

Schenefeld, 12.05.2009 

 

mbroschart
Stempel