«ЗРИТЕЛЬНЫЕ ИЛЛЮЗИИ: ПСИХОЛОГИЧЕСКИЕ МЕХАНИЗМЫ И МОДЕЛИ ...»

В своем подходе он пытался создать компьютерную модель зрения, используя данные, полученные в рамках двух других подходов – нейрофизиологического, в котором подчеркивается роль восходящих конструктивисткого, в котором предполагается доминирование нисходящих процессов (top-down processes).

Какие задачи являются основными при изучении зрения? По Марру, необходимо понять, как мозг создает внутреннее представление о том, ЧТО и ГДЕ находится во внешнем мире, а также изучить процессы переработки информации для создания этого представления.

Он считал, что основной функцией зрения является создание 3D модели внешнего мира. Для реализации этой задачи необходимо описать алгоритмы процессов переработки информации при восприятии 3D формы.

Д. Марр предположил, что этот процесс можно представить как последовательную переработку информации, проходящую несколько стадий. Были выделены 3 основные стадии. На первой стадии формируется начальный образ (the input image) внешнего объекта, представляющий собой распределение интенсивностей света по двумерной (2D) поверхности сетчатки (рис. 38а). Распределение интенсивности начального образа зависит от нескольких физических параметров: геометрии внешнего объекта, отражательной способности поверхности, силы источника освещения, а также позиции наблюдателя по отношению к источнику освещения.На второй стадии формируется первичный эскиз (the primal sketch). Он представляет собой упрощенный образ внешнего объекта, в котором описаны только Рисунок 38. Стадии переработки информации о 3D форме объекта: а) начальный образ; б) первичный эскиз; в) 2.5-D эскиз; г) 3D образ объекта (по: Lehar, 2003).

контуры и границы всех объектов (рис. 38б). Для их выделения используются алгоритмы детекции низкоуровневых зрительных признаков (low level features) - границ, концов, ориентированных линий, пятен, а также алгоритмы выделения границ освещения. Каждый из упомянутых признаков, согласно модели Д. Марра, может быть классифицирован по типу, позиции, ориентации, масштабу и контрасту. На этой стадии формируется полный первичный эскиз (the full primal sketch), который возникает в результате эффектов группировки отдельных первичных набросков. В полном эскизе представлены не только границы объектов, но выделены основные плоскости, составляющие эти объекты. На следующей стадии формируется так называемый 2.5-D эскиз (the 2.5-D sketch). Когда Марр говорит о 2.5-D эскизе, то цифра 2.5 используется, как метафора для объяснения того, что информация, представленная на этой стадии, является не полной с точки зрения описания внешнего объекта. Например, наблюдатель всегда видит только фронтальную и не видит тыльную сторону объекта. На этой стадии происходит расслоение изображения на отдельные плоскости, в которых выделяются сам объект, другие объекты и фон (рис. 38в). 2.5-D эскиз создается на основе первичного наброска с добавлением зрительных признаков теней, текстур, параллакса движения, диспаратности, перспективы и т.д. Это позволяет выявить относительную глубину, дистанцию и ориентацию поверхностей. Однако, это еще не полное 3D представление, поскольку пространственные соотношения объектов и фона кодируются в эгоцентрической системе координат, связанной с точкой зрения наблюдателя. Изменение позиции наблюдателя приводит к изменению проекций на сетчатке, что, в свою очередь порождает изменение описания 2.5-D эскиза. Однако, задача зрения состоит в том, чтобы создать модель не только видимой части объекта, но и той части, которая в данный момент не попадает в поле зрения наблюдателя.

Для этого на последней стадии формируется 3D образ объекта (рис. 38г).

Этот образ создается на основе иерархической организации примитивов, сформированных на предыдущих стадиях. Он является полным, поскольку формируется в аллоцентрической системе координат, связанной с внешним объектом. В этой системе восприятие 3D формы объекта инвариантно по отношению к перемещениям наблюдателя.

Общая схема представления любого по сложности трехмерного объекта организована в иерархическую структуру в соответствии со спецификой функций каждого ее элемента. Для того, что пояснить основную идею структуры, Д. Марр приводит описание тела человека (рис. 39). Верхний уровень представления (тело) описывает только принципиальные части и не содержит подробного описания отдельных элементов. На более низком уровне иерархии (рука) появляются новые детали объекта (плечо и предплечье), описывающие новые функции данной части тела. На еще более низком уровне (кисть) возникает еще более детализированное описание, включающее длину и пространственную ориентацию отдельных элементов (пальцев).

Рисунок 39. Иерархическая модель описания тела человека.

Как же формируются иллюзии, согласно информационному подходу Д. Марра? В процессе переработки информации зрительная система «вычисляет» разрывы и гладкие продолжения границ, с учетом которых строятся модели эскизов различных стадий представления и взаимного расположения плоскостей друг относительно друга. Система «вычислений»

допускает не одно, а множество разных решений, полученных на основе одного и того же начального эскиза. Говоря другими словами, вследствие использования различных алгоритмов переработки информации несколько различных представлений 3D объекта может получаться из одного 2D начального образа. Например, увеличение размеров начального образа может быть представлено либо как увеличение размера внешнего объекта при неизменной дистанции до наблюдателя, либо как приближение объекта, имеющего неизменный размер. Эти двусмысленности и могут являться источниками различных зрительных иллюзий. Например, в иллюзии «Треугольник Пенроуза» (Penrose, Penrose, 1958), представленной на рис.

';

40, грань А воспринимается удаляющейся, если смотреть на верхний трехгранный угол, а грань Б - расположенной на неизменной дистанции, если смотреть на правый трехгранный угол. Эти грани, согласно воспринимаемым зрительным признакам, не могут встретиться в одной Рисунок 40. Невозможный треугольник Пенроуза.

точке пространства, что и составляет парадокс данной иллюзии. Подобного типа двусмысленности, возникающие при изображении 3D сцен в плоском 2D изображении, активно использовались в художественном направлении «имп-арт» такими известными художниками как М. К. Эшер и Жос де Мей.

Информационный подход Д. Марра предлагал операционализировать процесс восприятия, как последовательность алгоритмов переработки информации о форме объекта. Эта модель активно использовалась в техническом зрении, где наиболее актуальной считается задача восстановления 3D формы на основе двух 2D изображений. Используя модель Д. Марра, были созданы компьютерные программы, с помощью которых удалось смоделировать отдельные этапы процесса зрительного восприятия человека.

Анализ представлений о причинах возникновения зрительных иллюзий, сформулированных в рамках различных теоретических подходов к изучению восприятия, позволяет сделать следующие выводы:

1. Большинство теоретических подходов рассматривают зрительные иллюзии как адекватные процессы зрительного восприятия, проявляющиеся под действием тех же механизмов, которые работают в процессах неадекватного восприятия.

2. В большинстве теоретических подходов зрительные иллюзии рассматриваются как эффективный материал для изучения механизмов работы зрительной системы.

3. Причины возникновения зрительных иллюзий описываются на языке тех теоретических конструктов и методических приемов, которые свойственны выбранному подходу. В когнитивном подходе используется метафора уровневой обработки информации, в конструктивистком подходе акцентируется роль перцептивных гипотез, в нейрофизиологическом подходе выявляются механизмы взаимодействия отдельных нейронов и нейронных ансамблей, гештальт-подход использует язык группировки и контекста для объяснения иллюзорных эффектов.

4. Сравнение представлений когнитивного, нейрофизиологического, информационного и других подходов показало, что они являются не взаимоисключающими, а, скорее, взаимодополняющими языками описания феномена ЗИ. Это, в свою очередь, позволяет сделать вывод о том, что более эффективным является междисциплинарное направление, основанное на идеях и экспериментальных данных, полученных в рамках различных теоретических подходов.

5. Данные, полученные в рамках нейрофизиологического подхода, позволяют сделать вывод о том, что формирование зрительных иллюзий тесно связано с особенностями функционирования нейронов и нейронных ансамблей мозга, что позволяет рассматривать зрительные иллюзии как наиболее перспективный материал для исследования и моделирования работы зрительных зон мозга.

ГЛАВА МОДЕЛЬ ФОРМИРОВАНИЯ ЗРИТЕЛЬНЫХ

ИЛЛЮЗИЙ

§ 4.1 Трехуровневая модель формирования зрительных иллюзий Анализ теоретических подходов к изучению зрительного восприятия, представленный в Главе 2, показал, что во многих теоретических подходах большое внимание уделяется нахождению нейрофизиологических коррелятов познавательных процессов. С одной стороны, для апробации моделей работы мозга ученые обращаются к психофизическим и психологическим данным, полученным при изучении зрения, слуха и других воспринимающих систем. С другой стороны, нейрофизиологические данные являются источником новых гипотез о структуре процессов восприятия, внимания, памяти. Синтез различных теоретических подходов позволяет создавать более эффективные модели как работы зрительных зон коры мозга, так и зрительного восприятия, в том числе процессов формирования зрительных иллюзий (ЗИ).

В силу того, что многие исследователи рассматривают ЗИ как нормальные процессы зрительного восприятия, представляется целесообразным рассмотреть классические модели восприятия. В психологии зрительного восприятия принято различать два уровня построения образа: сенсорный (начальный) и когнитивный (конечный). В различных научных подходах двуплановость формирования образа была обозначена разными понятиями: первичный образ и образ восприятия - в концепции Г. Гельмгольца (Helmholtz, 1866/1962), видимое поле и видимый мир – в экологическом подходе Дж. Гибсона (Гибсон, 1988), чувственная ткань и предметное содержание – в школе А.Н. Леонтьева (Леонтьев, 1975).

При этом один из уровней рассматривался как начальный процесс формирования ощущений, тогда как другой – как конечный продукт процесса, переживаемый как перцептивный образ внешнего мира.

Предполагалось, что процесс формирования элементарных ощущений связан с начальной стадией контакта фоторецепторов сетчатки со световой энергией, приходящей из внешнего окружения. Перцептивный образ является результатом психологических процессов, включающих учет контекста, опыта взаимодействия субъекта со средой, процессов категоризации и т.д. Данное представление было методологически обеспечено разработкой психологических и психофизических процедур, позволяющих измерять либо интенсивность ощущения (начальная стадия), либо феноменологию зрительного образа (конечная стадия). В последние пятьдесят лет появилось множество экспериментальных исследований, как в области нейрофизиологии, так и в области когнитивной нейрологии, позволяющих предположить, что процесс формирования образа можно рассматривать как более сложную многоуровневую организацию. Так, при помощи метода магнитно-резонансной томографии, было показано, что процессы формирования образа происходят в различных зрительных зонах коры мозга, имеющих различное функциональное назначение. На основе этих данных были предложены более сложные модели процессов зрительного восприятия, в которых выделялись не только начальный и конечный этапы процесса, но и некоторые гипотетические промежуточные уровни. Например, более сложная схема обработки информации была предложена в информационном подходе (Марр, 1988), согласно которой помимо начальной и конечной стадий в процесс восприятия были включены две промежуточные стадии, обозначенные, как первичный эскиз и 2.5-D эскиз (рис. 41). На второй стадии (первичный эскиз) формируется упрощенный 2D образ, в котором представлены только контуры объектов, выделенные при помощи низкоуровневых зрительных признаков – границ перепадов яркости. На третьей стадии (2.5-D эскиз) на основе первичного эскиза формируется более полное представление, использующее зрительные признаки теней, текстур, диспаратности, перспективы и т.д.

Схема, предложенная Д. Марром, предполагала иерархическую «снизуРисунок 41. Схема процесса восприятия в модели Д. Марра.

вверх» организацию обработки информации, а введение гипотетических промежуточных стадий позволяло более детально моделировать процесс зрительного восприятия.

Исследования, проведенные в рамках нейрофизиологического подхода, выявили подобные иерархические модели анатомической и зрительных зонах мозга. Была предложена архитектура вертикальных и горизонтальных связей нейронов-детекторов различного типа и различного уровня, предложенная в работах В. Маунткасла (Маунткасл, 1981) и развитая в работах Д. Хьюбеля и Т. Визеля (Хьюбел, 1990). Подобная Предполагалось, что в нейронных сетях внешнему стимулу ставится в соответствие вектор возбуждения — комбинация возбуждений элементов нейронного ансамбля, характеристики которого позволяют описать процесс построения зрительного образа на языке нейронной активности различных уровней обработки информации (Соколов, 1981). В модели векторного кодирования процессов восприятия водятся уровни нейроновпредетекторов и нейронов-детекторов, осуществляющие обнаружение интенсивности). Анализ колончатой и слоистой организации нейронов первичной коры свидетельствуют о том, что обработка информации об отдельных признаках объекта, протекает в параллельных нейронных каналах. Принцип дивергенции путей обработки информации по многим параллельным каналам дополняется принципом конвергенции в виде иерархически организованных нейронных сетей. Выделяются несколько «узлов» синтеза сенсорной информации, одним из которых является модуль фузии двух монокулярных образов в единый гештальт-образ. Проблема нейронных механизмов формирования целостного зрительного образа решается в нейронной модели стимула при помощи введения гештальтнейронов целостного образа (Соколов, 1990), которые осуществляют (эмоциональные выражения лиц, отдельные целостные объекты и сцены).

В последнее время появились работы, в которых предлагались оригинальные модели зрительного восприятия, основанные на метафоре «зрение как язык» (Измайлов, Черноризов, 2005). Согласно ей, восприятие предлагалось рассматривать как процесс формирования «зрительного предложения», несущего информацию о значении визуальной сцены. В этом процессе первоначально выделялся «зрительный алфавит», на (морфология) и «зрительные предложения» (синтаксис). Подобная модель, по мнению авторов, в большей степени соответствует современным представлениям о познавательных процессах, к каковым относится и зрительное восприятие. Необходимость модификации классической схемы экспериментально, закономерности зрительного восприятия не соответствуют нейрофизиологическим данным. Например, феномен верньерной остроты зрения не может быть объяснен на основании сенсорных характеристик низкого уровня - размеров и упаковки рецепторов сетчатки.

Существуют небольшое число работ (Coren, Girgus, 1978; Adelson, 2000; Grossberg, 1997), в которых были предложены уровневые модели восприятия зрительных иллюзий. Так, в работе С. Корена была предложена трехуровневая иерархическая модель восприятия оптико-геометрических иллюзий (Coren, Girgus 1978). Были выделены сенсорный, кортикальный и функциональные особенности. Механизмы сенсорного уровня определялись законами оптики глаза, а также нейронными механизмами сетчатки, кортикального уровня - свойствами нейронов первичной зрительной коры, тогда как на когнитивном уровне работали правила, связанные с априорными знаниями свойств объектов и событий внешнего мира. Выраженность иллюзорного эффекта определялась суммарным вкладом всех уровней. На рис. 42а серым цветом выделены те уровни, которые, согласно модели, вносят существенный вклад в процесс формирования иллюзии. Экспериментальные данные, полученные С.

Кореном и его коллегами (Coren, 1969; Coren, Girgus, 1973) показали, что каждый из уровней вносит приблизительно равный вклад (25-35%) в процесс формирования иллюзии.

Рисунок 42. Схемы формирования зрительных иллюзий а) по: Coren, Girgus, 1978; б) по: Adelson, 2000.

Позже для объяснения зрительных иллюзий светлоты Е. Адельсоном была предложена уровневая модель (Adelson, 2000), в которой были выделены уровня, условно обозначенные как сенсорный, средний и когнитивный (рис.

42б). Согласно этой модели, иллюзии светлоты были классифицированы на сенсорные (те, которые объяснялись сенсорными механизмами сетчатки), когнитивные (те, которые объяснялись правилами взаимодействия объектов внешнего мира) и некоторым классом иллюзий, которые не могли быть объяснены ни механизмами сенсорного, ни механизмами когнитивного уровней. В отличие от С. Корена, Е. Адельсон считал, что многие иллюзии связаны с работой только одного уровня обработки информации. Например, большинство иллюзий светлоты, в том числе и созданные им «Иллюзия Змеи» (the Snake illusion) и «Иллюзия Дымки» (the Haze illusion», объясняются действием механизмов среднего уровня (на рис. 42б он выделен серым цветом).

Однако, упомянутые модели формирования иллюзий не позволяли объяснить часто наблюдаемый феномен изменения выраженности иллюзорного эффекта при изменении параметров физической стимуляции.

Эти изменения могли быть разного характера: например, в исследовании (Schiller, Carvey, 2005) приводили к полному исчезновению иллюзии, тогда как в других (Menshikova, 2008; Меньшикова, 2012с) аналогичные малые изменения стимуляции приводили либо к усилению, либо к ослаблению иллюзорного эффекта.

Кроме того, в рамках этих моделей по-разному понимались механизмы, лежащие в основе работы каждого уровня. В одних работах для описания функции уровня привлекались конкретные физиологические механизмы работы отдельных нейронов или нейронных ансамблей (Coren, Girgus, 1978), в других функции уровня связывались с особенностями организации паттерна иллюзии (Adelson, 2000). Проблема того, по каким основаниям можно выделять различные уровни обработки информации является сложной и ее решение, с нашей точки зрения, должно быть связано как с выделением характерных зрительных признаков, играющих основную роль в процессах формирования иллюзии, так и с выявлением нейронных коррелятов зрительных признаков.

Для разрешения указанных проблем нами была разработана гетерархическая модель формирования зрительных иллюзий (Меньшикова, 2006, 2007, 2012b), согласно которой были выделены несколько уровней обработки информации для формирования иллюзорного эффекта. Эти уровни были обозначены как низший, средний и высший. Наша модель строилась на нескольких основных гипотезах:

1. Процессы формирования иллюзорного образа не отличаются от процессов формирования лишенного иллюзорных искажений образа. Из этого следует, что при формировании ЗИ задействованы механизмы, работающие как в процессах искаженного, так и не искаженного восприятия.

2. Процесс формирования ЗИ является многоуровневым. Эта гипотеза хорошо согласуется с представлениями многих исследователей (Д. Марр, 1987; A.L. Gilchrist, 1999; E.H. Adelson, 2000; R.L. Gregory, 2006) о том, что процессы формирования ЗИ носят мультикаузальный характер и должны быть описаны как процесс суммарного воздействия многих механизмов, имеющих свои специфические функции.

3. Выделены три уровня обработки информации - низший, средний и высший. На низшем уровне включаются механизмы адаптации, выделения яркостного и цветового локального контрастов; на среднем - процессы группировки объектов, выделения глобального контура, формирования фируро-фоновых отношений. На высшем уровне инициируются имплицитные знания о свойствах объектов, сформированные в процессах взаимодействия субъекта с внешней средой. К ним относятся механизмы константности размера, формы, светлоты и цвета, взаимодействия между 3D формой объекта и распределением теней, взаимодействие между светлотой и воспринимаемой освещенностью объекта.

4. Уровни обработки информации организованы по гетерархическому принципу. В ранее предложенных моделях предполагалось, что иллюзии формируются по иерархическому принципу (S. Coren, J. Girgus, 1978; E.H.

Adelson, 2000), согласно которому формирование ЗИ организовано по принципу последовательной обработки информации. Мы предполагаем, что уровни формирования иллюзий работают не по принципу соподчиненности (сначала первый, затем второй и т.д.), а по принципу одновременной обработки информации с элементами взаимодействия между уровнями (одновременно процессы обработки зрительной информации в мозге не являются строго взаимодействиях между параллельно работающими зрительными зонами коры (S. Zeki, 1993; Hegde, Felleman, 2007; B. Rossion, C. Jacques, 2011).

5. Классификация уровней формирования иллюзии проводится на языке зрительных признаков, присутствующих в изображении, вызывающем перспективы, затененности и др.

6. Предполагается, что два уровня – средний и высший – играют доминирующую роль в процессах формирования ЗИ. Постулируется незначительная роль процессов, происходящих на низшем уровне, в формировании ЗИ. Большинство ЗИ представляют собой 2D изображения, а, следовательно, в них всегда представлены признаки группировки элементов элементарных изображений иллюзорный эффект опосредуется механизмами среднего уровня. В ситуации, когда в 2D изображение вводятся бинокулярные или монокулярные признаки глубины, элементы изображения могут интерпретироваться как некоторая огрубленная схема контуров 3D внешних объектов, находящихся от наблюдателя на разной глубине (Р.Л. Грегори, 1970), что может приводить к инициации механизмов высшего уровня.

7. Соотношение вкладов механизмов среднего и высшего уровней детерминируется наличием зрительных признаков глубины в изображении, опосредованных механизмами среднего и высшего уровней. Иллюзорный эффект, вызываемый изображениями, в которых отсутствуют монокулярные или бинокулярные признаки глубины, объясняется на основе механизмов группировки и принадлежности элементов паттерна (Г.Я. Меньшикова, Н.В.

Полякова, 2008; Г.Я. Меньшикова и др., 2011). Иллюзорный эффект, присутствуют признаки глубины, детерминируется механизмами высшего уровня (Г.Я. Меньшикова, Е.Г. Лунякова, 1996; Г.Я. Меньшикова, 2006; Г.Я.

Меньшикова и др., 2009).

Согласно выдвинутым гипотезам, была предложена схема процессов формирования иллюзии (рис. 43), на которой представлены низший, средний и высший уровни.

Рисунок 43. Модель формирования зрительных иллюзий.

механизмов отдельных уровней может изменяться в зависимости от наличия/отсутствия в сцене определенных зрительных признаков3. Отличие данной модели от ранее предложенных (см. рис.42) состоит в том, что:

- процесс формирования иллюзии не является строго иерархическим, а проходит параллельно и одновременно на нескольких уровнях;

Работа поддержана грантом РФФИ № 06-06-80390-а.

формирования иллюзий;

- основную роль в этом процессе играют средний и высший уровни (они выделены на рис. 43 серым цветом);

- в процессе формирования существует взаимодействие между уровнями, что позволяет объяснить пластичность изменения выраженности иллюзии при добавлении в сцену зрительных признаков конфигурации, глубины и др.;

- вопрос об отнесении зрительной иллюзии к среднему или высшему классу решается в соответствии с предложенным нами критерием: по наличию зрительных признаков глубины в изображении иллюзии.

Поскольку понятие зрительных признаков является ключевым для нашей модели, разберем его более подробно.

§4.2 Зрительные признаки паттерна иллюзий Считается, что процесс зрительного восприятия начинается с выделения в зрительной системе элементарных зрительных признаков, таких как цвет, яркость, наклон линии, форма, размер, движение и других.

Они носят локальный характер, лишены предметности, унимодальны.

Наличие этих признаков в световом потоке, попадающем в глаз человека, является основой для переживания элементарных ощущений (Boring, 1942).

В нейрофизиологических исследованиях неоднократно было показано, что детекция элементарных признаков начинается на уровне сетчатки и продолжается в первичной зрительной коре V1 (Хьюбел, 1990; Zeki, 1993;

Соколов, 2008). Например, согласно векторной модели кодирования цвета, его детекция происходит на уровне фоторецепторов, затем кодируется предетекторами в структурах латерального коленчатого тела, а затем в корковых зонах V1, V2 и V4 (Измайлов, Соколов, Черноризов, 1989).

Подобная иерархическая структура существует и для кодирования движения.

Значимыми признаками более высокого среднего уровня являются признаки группировки, принадлежности, симметричности и т.д., описанные в рамках гештальт-подхода. к изучению зрительного восприятия (Ehrenstein, 1930; Wertheimer, 1923; Гальперин, 2012). Зрительные признаки среднего уровня отличаются от признаков низшего уровня тем, что они не локализованы в пространстве, а отражают обобщенную характеристику нескольких локальных признаков низшего уровня в пределах всего стимульного поля. Они носят глобальный характер, лишены предметности.

Два важных процесса реализуются при помощи этого типа признаков – выделение Фигуры на Фоне, а также влияние признаков удаленных объектов на оценку признака тестового объекта. Для реализации этих низкоуровневых признаков в пространстве и во времени, на основе которого выделяются подобные по низкоуровневым признакам (цвету, ориентации, яркости и т.д.) объекты в пределах всей видимой сцены.

Одними из важнейших признаков высшего уровня являются зрительные признаки глубины. Поиску признаков удаленности и глубины посвящено немало исследований (Вудвортс, Хрестоматия по психологии, 1999). Были выделены различные типы этих признаков – монокулярные (тени, знакомый размер, перспектива, уплотнение текстуры), бинокулярные движения). Информативным признаком восприятия глубины считается бинокулярный признак диспаратности, который определяется как различие зрительной информации, поступающей на правый и левый глаз. При определенных значениях диспаратности происходит процесс слияния двух сетчаточных двумерных образов в один трехмерных образ. Феномен пространственности, обусловленное диспаратностью, настолько сильно отличаются от переживаний пространственности, основанных на монокулярных признаках, что за этим феноменом закреплен особый термин стереопсис. Феномен стереозрения можно рассматривать как некое особое качество, наряду с такими качествами как цвет, звук, боль и т.п. Также как перцептивный образ переживается ярче, чем образы памяти или воображения, так и переживание пространственности сильнее при наличии нейрофизиологическими коррелятами этого перерживания может являеться активность нейронов зоны V2 (Poggio, Fischer, 1977), V4 (Watanabe et al., 2002) или средневисочной зоны MT (Janssen et al., 2000) Полученные данные показывают, что обработка информации о глубине наблюдается на более высоких уровнях зрительного тракта.

Бинокулярные признаки являются важными для формирования адекватного зрительного образа. Благодаря этим признакам модель внешнего мира приобретает когнитивное содержание: включаются правила выделения поверхностей и их взаимного расположения, которые отражают свойства объектов физического мира.

Было высказано несколько предположений о влиянии бинокулярных признаков на восприятие зрительных иллюзий. Согласно одной точке зрения, наличие/отсутствие бинокулярного зрения не сказывается на восприятии иллюзий (Wolff, 1933; Billino et al., 2009). Согласно другой позиции, бинокулярное зрение приводит к более реалистичному восприятию, что должно проявляться в уменьшении выраженности иллюзорного восприятия (Брунер, 1977; Binet, 1895; Coren, 1988; Grossberg, 2008). Подобная точка зрения подтверждается исследованиями изменения выраженности иллюзий в онтогенезе, показавшими, что у детей дошкольного и школьного возраста по мере взросления наблюдается уменьшение выраженности иллюзии МюллераЛайера (Binet, 1895), иллюзий перспективы (Rozhkova, Tokareva, 2003), иллюзии стробоскопического движения (Meili, Tobler, 1931),а также послеэффектов движения (McCone, Crookes, Kanwisher, 2009).

Подтверждением тесной связи между наличием бинокулярных признаков и процессами восприятия зрительных иллюзий являются демонстрации, в которых восприятие сцены, вызывающей переживание зрительной иллюзии, наблюдается только в условиях монокулярного наблюдения. Например, комната Эймса, реально имеющая трапециевидную форму, воспринималась прямоугольной, а вогнутый уголок Маха - выпуклым только при рассматривании сцены через искусственный зрачок. Таким образом, одной из причин формирования зрительных иллюзий следует считать отсутствие в стимуляции как признака диспаратности, так и трансформационных признаков, связанных с движением наблюдателя.

Вопрос о том, какие из признаков являются более эффективными при оценке глубины и удаленности, исследовался в большом числе работ.

Классическим исследованием является эксперимент А.Холуэя и Э.Боринга (Holway, Boring, 1941), в котором было показано незначимое изменение оценок размера объекта при нивелировании бинокулярного признака и значимое (ухудшение в 2 раза) при отсутствии признака параллакса движения. Анализ данных о роли различных зрительных признаков глубины (Величковский, 2006а) в оценке размера объекта показал, что значимость признаков зависит от многих условий, в том числе и от задачи.

В частности, в сложной задаче опознания объекта в зрительной системе может происходить взаимодействие между различными зрительными признаками.

Было предложено несколько моделей взаимодействия признаков (Брунер, 1977), которые были обозначены как конъюктивная (линейная суммация признаков), реляционная (нелинейная суммация признаков, каждый из которых имеет собственный весовой коэффициент) и дизъюнктивная (выигрывает либо один признак, либо другой). Примером линейной суммации признаков являются поведенческие эксперименты на животных. В одном из них обезьяны выполняли задание лучше в условиях, когда в изображении присутствовали признаки диспаратности и затенения, по сравнению с условием, когда эти признаки присутствовали в стимуляции по отдельности (Zhang et. al., 2007).

Различные модификации нелинейной суммации признаков были предложены в ряде работ. Например, была выдвинута гипотеза комбинации признаков (cue combination hypothesis), в соответствии с которой происходит вероятностная суммация эффектов различных признаков в соответствии с функцией Байеса (Adams, Mamassian, 2004; Frisby et al., 1995). Согласно ей, зрительная система интегрирует признаки таким образом, чтобы оценка свойства объекта была наиболее правдоподобна.

Для описания этого вероятностного процесса каждому зрительному признаку приписывается весовой коэффициент, определяющий его вклад в процесс оценки. Эта гипотеза более препочтительна с точки зрения гештальт-подхода, согласно которому между различными признаками существует взаимодействие, связанное с гештальт-принципом суммации:

восприятие совокупности зрительных признаков не сводимо к сумме восприятий каждого признака в отдельности (Koffka, 1935).Более того, восприятие одного признака всегда подвержено влиянию контекста, т.е.

зависит от наличия других зрительных признаков в сцене. В результате на уровне интеграции признаков появляются феномены, не сводимые к простой сумме признаков изображения иллюзии.

Модели линейной и нелинейной суммации эффективно работают при условии отсутствия сильных конфликтов между признаками. В тех случаях, когда в зрительной сцене присутствуют сильно конфликтующие признаки, включается другая модель взаимодействия признаков, основанная на гипотезе доминирования (cue dominance hypothesis). Согласно ей, тот зрительный признак, который в данной ситуации является более сильным, подавляет остальные признаки, и «единолично» определяет процессы оценки свойств объекта (Gillam, Ryan, 1992; Allison, Howard, 2000; Gillam, Cook, 2001). В том случае, если конфликтуют два одинаково сильных зрительных признака, запускается процесс соревнования (switching cue process), когда одна и та же внешняя сцена порождает восприятие то одного образа, то другого (Van Ee et al., 2002).

Вопрос о нейронных коррелятах процессов интеграции зрительных признаков, а также о локализании зон, отвечающих за этот процесс, является сложным и на данный момент не решенным. Некоторые исследователи предполагают (Croner, Albright, 1999), что механизмы интеграции признаков, реализующие процессы группировки объектов, выделение глобального контура, формирование фируро-фоновых отношений связаны мозговыми структурами первичной зрительной коры (зоны V1-V3). Однако, эти представления на настоящий момент не являются общепризнанными.

§4.3 Демонстрации, иллюстрирующие работу трехуровневой модели, на материале иллюзий светлоты предложенной нами модели формирования зрительных иллюзий, проанализируем несколько примеров изменения их выраженности при добавлении определенных зрительных признаков в изображение, вызывающее переживание иллюзии. Основная идея демонстрации состоит в том, чтобы показать изменчивость иллюзорного эффекта при добавлении в принадлежность) и зрительных признаков высшего уровня (трехмерность, распределение теней).

Влияние различных зрительных признаков на выраженность иллюзии разберем на материале иллюзий светлоты поверхности. Под светлотой (или ахроматическим цветом поверхности) понимают восприятие оттенков в черно-серо-белом диапазоне. Элементарным зрительным признаком, данным зрительной системе для оценки светлоты, является яркость отраженного от поверхности светового потока. Если значение яркости близко к 100%, поверхность воспринимается белой, если она равна 3-4%, поверхность кажется черной. Яркость отраженного светового потока зависит от многих параметров – интенсивности падающего на поверхность света, отражающей способности или альбедо поверхности, ориентации поверхности относительно наблюдателя и др. Однако, несмотря на изменяющиеся условия наблюдения, цвет поверхности воспринимается адекватно. Белый снег остается белым вне зависимости от того, освещен он ярким солнечным светом или находится в тени. Поскольку информация о яркости поверхности, представленная на сетчатке, многозначна, для ее оценки зрительной системе необходимо использовать зрительные признаки разного уровня. Поиску зрительных признаков, необходимых для оценки светлоты, посвящено большое количество исследований (Anderson, 1997;

Gilchrist, 1977; Todorovic, 1997).

Одним из элементарных зрительных признаков, определяющих оценку светлоты, является перепад яркости на границе теста и фона, благодаря которому в зрительной системе происходит локальное сравнение яркостей соседних участков поверхности. На основе этого признака было сформулировано правило оценки светлоты, известное как гипотеза отношений: оценка светлоты зависит не от абсолютного значения яркости участка поверхности, а от соотношения яркостей соседних участков поверхности (Wallach, 1948). Позже в работах Л. Гурвича и Джеймсона были описаны нейронные корреляты оппонентных процессов для оценки цвета, подтвердившие гипотезу отношений Г. Уоллаха (Hurvich, Jameson, 1974). На основании механизма детекции перепадов яркости были предложены объяснения иллюзорных полос Маха (рис. 9), иллюзии одновременного светлотного контраста (рис. 20), иллюзии «Решетка Германна» (рис. 23), а также гармошки Маха (рис. 44). В ней узкая полоска слева от границы каждого прямоугольника кажется более светлой, а справа - более темной, хотя все прямоугольники равномерны по яркости.

Рисунок 44. Гармошка Маха (Mach, 1865).

В паттернах всех указанных иллюзий основными признаками являются ступенчатые перепады яркости, детекция которых происходит на ранних сенсорных этапах обработки информации. Согласно моделям С. Корена и Дж. Гиргуса (Coren, Girgus 1978), а также модели Е. Адельсона (Adelson, 2000) эти зрительные иллюзии можно классифицировать как иллюзии низшего уровня, а присущий им признак перепада яркости как зрительный признак низшего уровня. Однако, согласно предложенной нами модели эти иллюзии необходимо классифицировать как иллюзии более высокого среднего уровня, поскольку иллюзорные эффекты могут быть обусловлены не только наличием локальных признаков перепадов яркости, но в большей степени наличием зрительных признаков среднего уровня, а именно признаков группировки и принадлежности (Меньшикова, Полякова, 2008;

Menshikova, Polyakova, 2009). Подробнее эти эксперименты будут описаны в Главе 6.

Используя только механизм перепада яркости невозможно объяснить другие иллюзии светлоты, в которых паттерны распределения яркости имеют значительно более сложный характер по сравнению с паттернами яркости в вышеописанных изображениях иллюзий низшего уровня:

например, в них представлены сочленения не двух, а трех и более перепадов яркости. Механизмы детекции перепадов яркости носят локальный характер и не могут отобразить взаимодействия между удаленными элементами изображения (Todorovic, 1997; Gilchrist et al., 1999;

Adelson, 2000;). Для того, чтобы учесть взаимодействия удаленных участков изображения, необходимо выделить зрительные признаки более высокого порядка – признаки среднего уровня. Предполагается, что на обеспечивающие процессы перцептивной организации, группировки, выделения контуров. К ним можно отнести процессы распространения «неонового» цвета (neon color spreading), перцептивного завершения ассимиляции и др. Были выделены характерные зрительные признаки, которые на среднем уровне влияют на оценку светлоты поверхности. К ним были отнесены Х-пересечения перепадов яркости (Beck et al., 1984), Тпересечения перепадов яркости (Todorovic, 1997), влияние адаптивного окна – области окружения тестового участка, которая влияет на оценку его светлоты (Adelson, 2000). На основании этих признаков были предложены объяснения иллюзии Уайта (рис.21), иллюзии змеи и иллюзии «Кольцо Коффки» (рис. 45). Кроме наличия более сложных зрительных признаков можно отметить другие особенности, характерные для этого типа иллюзий.

Одна из них - изменение иллюзорного эффекта при изменении группировки отдельных элементов паттерна иллюзии.

Рисунок 45. Иллюзия «Кольцо Коффки»: а) с разъединенными половинками; б) с соединенными половинками; в) со смещением половинок кольца по вертикали [по: Adelson, 2000] Ее выраженность увеличивается или уменьшается в зависимости от способа группировки ее элементов – половинок кольца. Если две половинки светлотного контраста: левая половинка на темном фоне выглядит более светлой, чем правая на светлом фоне. Признаком, влияющим на формирования этой иллюзии, является контраст фигуры и фона. Если половинки сомкнуть, иллюзия одновременного контраста полностью пропадает (рис. 45б), поскольку более важными становятся признаки более высокого уровня. Кольцо воспринимается как целостный объект, имеющий определенную окраску. Наиболее вероятная перцептивная гипотеза об окраске объекта состоит в том, что она, чаще всего, бывает однородной.

Исчезновение иллюзии контраста показывает, что этот признак является более существенным и подавляет влияние признака контраста. Если половинки кольца сместить относительно друг друга (рис. 45в), то левая половинка выглядит значительно светлее правой, что связано с наличием признаков среднего уровня – Х-пересечениями перепадов яркости, благодаря которым инициируются гипотезы о прозрачности плоскостей (Beck et al., 1984).

На высшем уровне в процесс восприятия включаются знания о свойствах объектов и оценка общей структуры воспринимаемой сцены.

Объяснение, согласно которому восприятие светлоты тесно связано с оценкой освещенности поверхности, связывают с именем Г. фон зрительный образ строится с учетом закономерных связей между физическими характеристиками объектов реального мира. Эти связи представлены в памяти в виде неосознаваемых умозаключений о возможных свойствах объектов и их изменениях во время событий, происходящих во внешнем мире. При введении в изображение признаков, инициирующих имплицитные знания о свойствах объектов внешней среды, оценка светлоты может изменяться.

К признакам высшего уровня можно отнести признаки трехмерности сцены, так называемые 3D–признаки. Классические признаки восприятия глубины – перспектива, бинокулярная диспаратность, плотность текстуры поверхности, распределение светотени, наклон поверхности и др. являются базовыми 3D–признаками. Изучение влияния 3D–признаков на оценку светлоты поверхности проводилось в ряде экспериментов. В работах (Beck, 1965; Gilchrist, 1977; Gilchrist et al., 1983) было показано, что иллюзорное изменение зрительного признака «наклон поверхности»

влекло за собой изменение оценки светлоты. Иллюзорное изменение наклона предполагало изменение гипотезы о величине наклона, при этом сенсорные признаки (распределение яркостей на сетчатке) оставались неизменными. В других экспериментах (Logvinenko, Menshikova, 1994;

Меньшикова, Лунякова, 1996) было показано изменение светлоты при изменении воспринимаемой освещенности поверхности, что позволило сформулировать новое перцептивное уравнение взаимосвязи светлоты и воспринимаемой освещенности.

экспериментально изучены признаки затененности поверхности (Adelson,1993), светотени в зависимости от формы объекта (Knill, Kersten,1991). Изменение иллюзорного эффекта при добавлении в 2D паттерн иллюзии признака распределения светотени был показан в демонстрации Книла и Керстена использовалась иллюзия Крэйка-О’Брайена-Корнсуита (Craik–O'Brien– Cornsweet illusion), представленная на рис. 46а, суть которой заключается в том, что правый квадрат выглядит более темным, чем левый, хотя физические параметры квадратов одинаковы. В нижней части рисунка 43а представлена функция распределения яркости квадратов, показывающая идентичность изменения яркости вдоль оси Х для каждого квадрата. В психофизических (Land, McCann, 1971; Horn, 1974) и физиологических (Shapley, 1986) моделях предполагалось, что эта иллюзия формируется на на ранних стадиях, благодаря механизмам низшего и среднего уровней.

Рисунок 46. Иллюзия Крэйка-О’Брайена-Корнсуита, представленная а) в классическом 2D варианте и б), в) в трехмерном 3D варианте для цилиндров и кубов соответственно [по: Knill, Kersten, 1991] Согласно им, локальное усиление субъективных контрастов на границе квадратов, а также процессы заполнения (filling-in processes) приводят к тому, что правый квадрат заполняется в соответствии с более высокой яркостью на границе, тогда как левый – в соответствии с более низкой яркостью. В модификации, созданной Д. Книллом и Д. Керстеном, паттерн иллюзии Крэйка-О’Брайена-Корнсуита был «натянут» на трехмерные объекты, имеющие форму цилиндра (рис. 46б) или куба (рис. 46в). При этом в первом случае она полностью исчезла (левый и правый цилиндры кажутся одинаково окрашенными), тогда как во втором – усилилась (левый кажется значительно темнее правого). Подобные изменения выраженности иллюзии соответствуют гипотезе о влиянии имплицитных знаний о распределении теней по трехмерным объектам. Для случая цилиндров перепад яркости на границе цилиндров интерпретируется зрительной системоой как изменение освещения, связанное с выпуклым рельефом цилиндров, что приводит к воспритию однородности их окрасок. Для случая кубов перепад яркости осуществляется в 2D плоскости, что приводит к тому, что перепад яркости на границе кубов интерпертируется как изменение окраски и механизмы формирования иллюзии аналогичны тем механизмам, которые «работают» в случае классической 2D иллюзии иллюстрацией влияния признаков высшего уровня на оценку светлоты в реальных трехмерных сценах, к которым относится признак распределения теней по трехмерному объекту.

Многие исследователи (А. Gilchtist, E. Adelson, B. Anderson, D.

Todorovic) объясняют восприятие светлоты поверхности при помощи механизмов низшего и среднего уровней, к которым относятся локальные контрасты, выделение контуров, типы пересечений участков с разной яркостью, перцептивную организацию. При этом считаются излишними механизмы высшего уровня, включающие анализ всей сцены в целом, ее внутреннюю согласованность, перцепт-перцептные взаимодействия ее отдельных воспринимаемых параметров. В предложенной нами уровневой модели в качестве основных рассматриваются механизмы среднего и высшего уровней, причем последние начинают играть доминирующую роль в случае, когда в сцену включаются зрительные признаки реальных трехмерных сцен. Экспериментальные исследования (Меньшикова, Лунякова, 2007; Menshikova, 2007; Меньшикова и др., 2013) показали, что оценка светлоты в сценах с признаками глубины невозможна без учета механизма высшего уровня, связанного с оценкой воспринимаемой освещенности всей сцены. Эти эксперименты будут описаны в Главе 7.

зрительных иллюзий, а также роли зрительных признаков паттерна, вызывающего переживание иллюзии, позволяет сформулировать несколько выводов:

основанная на психофизических и нейрофизиологических данных.

Выделены 3 уровня формирования зрительных иллюзий, названных специфические механизмы обработки визуальной информации.

Два уровня – средний и высший – играют доминирующую роль в процессе формирования иллюзий.

Для каждого из выделенных уровней предложены характерные зрительные признаки паттерна, вызывающего преживание иллюзии. На низшем уровне доминируют периферические механизмы сенсорных процессов, к которым можно отнести выделение яркостного и цветового психологические механизмы группировки отдельных элементов изображения. На высшем уровне включаются когнитивные правила распределением теней, перцептивные уравнения взаимодействия между воспринимаемой светлотой и воспринимаемой освещенностью объекта.

Вклад среднего и высшего уровней определяется наличием определенных зрительных признаков в сцене: если паттерн иллюзии представляет собой двумерное изображение, в котором отсутствуют монокулярные признаки глубины, то такие иллюзии можно определить как иллюзии среднего уровня. Для них иллюзорный эффект объясняется на основе механизмов группировки и принадлежности элементов паттерна; если же в изображении иллюзии присутствуют монокулярные или бинокулярные признаки глубины, начинают доминировать механизмы высшего уровня.

ГЛАВА 5. ТЕХНОЛОГИИ ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ ДЛЯ

ИССЛЕДОВАНИЯ ПРОЦЕССОВ ЗРИТЕЛЬНОГО ВОСПРИЯТИЯ

§5.1. Принципы работы технологии виртуальной реальности получении новых знаний о человеке. Их развитие поможет концептуально пересмотреть данные о когнитивных процессах человека - мышлении, восприятии, внимании, более полно и глубоко раскрыть творческий потенциал личности. За последние двадцать лет в психологические исследования активно внедряются современные технологии, к которым можно отнести технологию регистрации движения глаз (Eye Tracking Technology), (Neuroimaging Technology), и многие другие. Одна из них – технология виртуальной реальности (ВР) показала свою эффективность во многих областях психологических исследований - нейропсихологии, когнитивной и Меньшикова, 2008; Yee, 2007; Ducheneaut et al., 2006; Khan et al., 2003).

Актуальность использования этой технологии диктуется новыми междисциплинарными задачами, сформулированными в таких сравнительно информационных технологий, робототехники, нейро-протезирования и др.

Эффективное решение новых задач, возникающих в рамках указанных направлений, возможно при помощи создания нового типа стимульных сред.

Они должны быть подобны по своим характеристикам естественному трехмерность, динамичность, широкое поле зрение, включающее как центральные, так и периферические области. Именно такие характеристики присущи стимульным сценам, создаваемым при помощи технологии ВР.

Технология ВР, использующая методы компьютерной графики для визуализации виртуальных трехмерных объектов, является продуктом информационных технологий. Развитие технологий ВР началась в мультисенсорного симулятора, который он называл "Сенсорама" (Sensorama). Сенсорама погружала зрителя в виртуальную реальность при помощи коротких фильмов, которые были трехмерными и сопровождались запахами, ветром (при помощи фена) и естественными шумами. Спустя лет А. Сазерленд (Sutherland, 1970) описал и сконструировал первый шлем ВР, в котором стереоизображения генерировались при помощи компьютера и подавались на оба глаза наблюдателя. Основной особенностью шлема являлась интерактивность, т.е. возможность изменять генерируемые изображения в соответствии с положением головы наблюдателя. В 1970-х годах методы компьютерной графики стали активно использоваться для создания анимационных фильмов. И хотя по многим характеристикам фильмы, созданные в этой технолгии, уступали классическим видеосъемкам, они стали широко использоваться в различного рода симуляторах, поскольку позволяли изменять видеоряд в режиме реального времени. В середине 1980-х появились ВР системы, в которых пользователь мог манипулировать с виртуальными трехмерными объектами при помощи виртуальных перчаток, которые позволяли визуализоровать руку наблюдателя в виртуальном пространстве. В конце 80-х подобные системы были определены Дж. Ланьером (J. Lanier) как "виртуальная реальность".

Этот термин он определил как генерируемую компьютером, интерактивную, трехмерную среду, в которую погружается пользователь. В 1990-х годах стремительное развитие компьютерных технологий позволило усовершенствовать параметры интерактивности, разработать сложное программное обеспечение, а также создать трехмерные динамические виртуальные сцены для прикладных задач в военных и космических исследованиях, образовании, медицине и промышленности.

В настоящее время наиболее распространены два варианта реализации систем виртуальной реальности: CAVE (Cave Automatic Virtual Environment) и HMD (HMD – Head-Mounted Display) системы. Каждая из систем обладает своими преимуществами и недостатками. CAVE системы в сравнении с HMD системами позволяют моделировать более широкий спектр сложных динамических виртуальных сцен, в которых достигается более высокая степень погружения в виртуальную среду по сравнению с HMD-системами.

Данное преимущество достигается, во-первых, возможностью создания виртуальных сцен с более широким полем зрения, а, во- вторых, возможностью формирования изображений с учетом динамически изменяющихся перспективных проекций. Отмеченные преимущества позволяют:

• Создать более устойчивый «эффект присутствия» в виртуальном пространстве (Morie et.al., 2005). Стерео сцена пересчитывается в режиме реального времени, за счет чего не возникают ситуации сильного рассогласования виртуальной области зрения и реального направления взора, при которых виртуальная сцена начинает выглядеть неестественно.

• Калибровать стерео параметры сцены под конкретного пользователя.

Например, такие параметры пользователя системы, как, рост (Krueger, 1991;

Rheingold, 1993) устанавливаются системой автоматически по данным трекинга головы.

виртуальной сцены с помощью естественных движений. Система трекинга позволяет отследить положение и ориентацию головы пользователя, что в дальнейшем используется при генерации виртуального объекта. Это виртуальному обрыву.

оптимальным устройством для решения научных и прикладных обучающих задач в различных областях знания. Например, многие компании используют их для повышения качества производственного процесса путём изготовления и тестирования виртуальных деталей, интерфейсов и производственных комплексов. Это даёт возможность протестировать и скорректировать процесс до его реального воплощения в жизнь. CAVE системы установлены также в медицинских образовательных учреждениях, где они используются для изучения строения внутренних органов, проведения виртуальных операций, визуализации данных обследования, полученных с помощью 3D фМРТ сканирования. Известны примеры использования CAVE систем в образовательных целях (Cromby et.al., 1996;

Kaufmann et.al., 2005), тренировок(Zinchenko et al., 2011). Системы ВР применяются для виртуальных тренировок служб специального назначения, для которых тренировки в реальных условиях почти всегда сопряжены с опасностью, а также требуют значительных финансовых затрат.

§5.1.1. Устройство системы CAVE На факультете психологии МГУ установлена система CAVE Barco ISpace 44, которая представляет собой программно-аппаратный комплекс виртуальной реальности (рис. 47). Каждая CAVE-система уникальна и проектируется с учетом потребностей заказчика и уровня текущего развития техники (Burdea, Coffet, 2003), который определяет точность систем трекинга, мощность процессора, цветопередачу, динамический диапазон устройств вывода изображений, а также возможности подсистем визуализации ЭВМ.

Система CAVE приобретена за счет средств Программы развития МГУ имени М.В.Ломоносова.

Рисунок 47. Внешний вид CAVE системы на факультете психологии МГУ.

CAVE - система Barco ISpace 4 представляет собой комнату, в которой соответствующие изображения. При помощи специальной программы все четыре изображения аккуратно «сшиваются» по границам экранов (CruzNeira at al., 1992, 1993). Человек, находящийся внутри комнаты, является пользователем системы. Специалист (один или несколько), который контролирует работу системы и запускает программу виртуальной среды, является администратором системы. Вывод изображений и их синхронизация с действиями пользователя осуществляется с помощью специального программного обеспечения. CAVE-система поддерживает работу одновременно только с одним пользователем, поскольку изображения рассчитываются специально под параметры его глаз и головы.

Основными компонентами CAVE системы являются:

• Система управляющих компьютеров;

• Система визуализации;

• Активное стерео (система 3D изображений);

пользователя в виртуальном пространстве);

• Манипуляторы (устройства и механизмы взаимодействия с виртуальной средой);

• Программное обеспечение;

Workstation. Управляющий компьютер Master запускает программное обеспечение и обеспечивает синхронизацию и управление другими 4-мя компьютерами, каждый из которых обеспечивает проекции изображений на один из четырех экранов комнаты ВР.

Система визуализации. Система визуализации осуществляется при помощи проекционного оборудования, которое позволяет создавать изображения размером 2x2 метра, обеспечить оптимальную яркость установленной на факультете психологии МГУ, используются проекторы Barco Reality 909 (http://www.barco.com), которые обеспечивают разрешение экрана 1280x1024 и частоту обновления изображения 120 Гц. В конструкции CAVE задействована схема, в которой для отображения изображений используются зеркала, что позволяет резко сократить общий объем, занимаемый установкой. В системе CAVE, установленной на факультете психологии МГУ, возможно использование стерео звука.

Система активного стерео. Система активного стерео использует зрительного образа. Для этого на каждый глаз пользователя предъявляются физиологическими и психологическими параметрами процесса фузии двух 2D сетчаточных изображений в один 3D образ. Техническая реализация этого процесса состоит в следующем: в течение каждой секунды устройство сгенерированы для левого глаза и 50 - для правого. Для того, чтобы разделить кадры для предъявления правому и левому глазу, применяются специальные затворные очки (рис.48).

Рисунок 48. Внешний вид затворных очков со специальной системой меток.

По сигналу синхронизатора в очках поочередно затемняется один из окуляров. Переключение происходит с частотой 60 гц, что превышает пороговую частоту слияния мельканий. В результате запускается процесс фузии правого и левого двумерных изображений, что приводит к восприятию стерео образа. Для эффективного запуска процесса фузии учитываются такие важные параметры пользователя, как его межглазное расстояние, а также положение головы в каждый момент времени.

Система трекинга. Система трекинга отслеживает положение головы пользователя в пространстве и определяет его координаты относительно заданной точки отсчета. Системы трекинга включают инфракрасные (ИК) камер, которые регистрируют излучение специальных объектов (меток), помещенных в среду ВР. В качестве меток используют небольшие шарики, покрытые специальным составом, который плохо отражает свет видимого диапазона, и хорошо - свет ИК диапазона. Обычно используется не один, а несколько шариков, поскольку их пространственная конфигурация позволяет эффективнее определять ориентацию отслеживаемого объекта.

Например, для оценки ориентации головы наблюдателя ИК метки размещаются на очках (рис. 48), а для отслеживания положения тела наблюдателя ИК метки помещаются на его теле. В системах CAVE точность определения положения меток в пространстве составляет величину порядка 0.3 мм.

Манипуляторы. Для усиления взаимодействия с виртуальным окружением применяют специальные манипуляторы, при помощи которых можно воздействовать на виртуальные объекты (Dagonneau et al 2009). При помощи манипуляторов можно сдвинуть или изменить объект, обойти его и рассмотреть со всех сторон, а также дотронуться до объекта. Одним из традиционных манипуляторов являются фласкики (Hayward et al, 2004). В описываемой системе используется флайстик Flystick 2 (рис. 49), который представляет собой манипулятор с 6-ю цифровыми кнопками.

Рисунок 49. Внешний вид флайстика Flystick 2.

Все кнопки данного манипулятора являются программируемыми, что обеспечивает широкий диапазон его применений. Положение флайстика в среде ВР отслеживается той же системой меток, которая была описана выше.

Программное обеспечение CAVE – системы. Существует множество программных продуктов для создания трехмерных моделей, их анимации и визуализации, однако не все из них позволяют создавать интерактивный 3D контент (Monkman, 1993; Stanney, 2002). В данной системе CAVE используется программное обеспечение Virtools (http://www.3ds.com/3dvia/ 3dvia-virtools). Кроме создания 3D сцен в Virtools поддерживается регистрация действий пользователя, что создает уникальные возможности для последующего анализа поведения наблюдателя в сложном виртуальном окружении (Nguyen-Thong Dang et al., 2008).

Virtools имеет свой собственный программный интерфейс (рис. 50) и состоит из нескольких основных модулей.

Рисунок 50. Интерфейс программного продукта Virtools.

Первым модулем является редактор, который позволяет создавать виртуальные миры с использованием большой библиотеки, включающей как стандартные виртуальные объекты, так и возможные свойства этих объектов. Редактор Virtools позволяет задавать параметры пользователя, параметры работы оборудования и самое главное – правила взаимодействия пользователя с виртуальной средой. Вторым модулем Virtools является движок взаимодействий, который обеспечивает выполнение подпрограмм, а так же обрабатывает все взаимодействия объектов виртуального мира. Он поддерживает задание как стандартных, так и придуманных физических законов и иных правил поведения виртуальных объектов, а так же их реакции на действия пользователя системы. Третьим модулем является модуль визуализации. Он отвечает за вывод изображения на устройства отображения. Для воспроизведения виртуальных сцен в Virtools используется специальный проигрыватель. Он позволяет просматривать сцену как на экране персонального компьютера, так и в установке CAVE.

§5.1.2. Устройство системы HMD.

Шлем виртуальной реальности или HMD (Head Mounted Displays) относится к классу носимых систем ВР. Шлемы ВР по сравнению с системами CAVE или проекционными системами ВР имеют свои преимущества. Во-первых, они существенно меньше по размерам и весу, что делает их более мобильными. Во-вторых, при аналогичных параметрах разрешения по пространству и времени, они имеют существенно более низкую стоимость.

используется шлем eMagin Z800 3D Visor5 (рис. 51). Он состоит из двух маленьких дисплеев, имеющих разрешение 800х600 пикселей, частоту обновления 60 Гц и угловые размеры 40х60 угл. градусов. Когда шлем надевается на голову пользователя, эти дисплеи располагаются перед его глазами таким образом, что правый глаз видит картинку одного дисплея, а левый - другого.

Рисунок 51. Внешний вид шлема ВР.

Все системы HMD можно подразделить на три типа. К первому относятся те системы, где на дисплеи подаются только сгенерированные компьютером изображения, ко второму – видео - изображения реального Система HMD приобретена за счет средств Программы развития МГУ имени М.В.Ломоносова.

мира и к третьему – комбинация компьютерных и реальных видео изображений. Последний тип систем смешанной реальности подразделяется на привнесенную реальность (Augmented Reality), где осуществляется «внедрение» объектов 3D графики в видео реальной среды и привнесенную виртуальную реальность (Augmented Virtuality) – «внедрение» видео изображений в компьютерную графику в режиме реального времени.

§5.2. Преимущества использования технологии виртуальной реальности для психологических исследований В ряде современных публикаций было отмечено, что при создании виртуальных трехмерных миров большое значение приобретают не только информационные, но и психологические аспекты этой технологии (Zinchenko et al., 2011; Зинченко и др., 2010; Архитектура виртуальных миров, 2009; Войскунский, Меньшикова, 2008). С какой бы целью ни конструировалась ВР, перед ее пользователями возникает множество специфических психологических проблем: привыкание к виртуальной среде, степень доверия к виртуальным объектам, адекватность действий и эмоциональных состояний пользователя, возможность воздействия на его психическое состояние и т.д. Поэтому не удивительно, что именно психологической науке принадлежит ведущая роль в адаптации интенсивно развивающихся и совершенствующихся систем ВР к особенностям человеческого восприятия и сознательного поведения.

Технология ВР оснащает экспериментальную психологию методами, имеющими ряд отличий по сравнению с традиционными лабораторными методами. Активная дискуссия относительно достоинств и недостатков использования систем ВР в психологических исследованиях велась и ведется практически во всех обзорных и экспериментальных работах, проведенных при помощи этой технологии (Zinchenko et al., 2010; Тхостов, Емелин, 2010; Yee, 2007; Ducheneaut et al., 2006; Khan et al., 2003; Morganti et al., 2003; Optale et al., 2001).

преимущества для психологических исследований:

1. Cреда ВР программируется, что делает ее гибкой и позволяет пластично менять параметры виртуальных объектов. Можно быстро в режиме реального времени изменить яркость, цвет, форму, траекторию движения виртуальных объектов, правила взаимодействия виртуальных объектов с пользователем и т.д. Кроме того, возможно программно изменять время предъявления объектов в зависимости от реакции наблюдателя.

Следует отметить, что в понятие гибкости включается и возможность создавать не только «подобную реальному миру» среду, но и нереальные среды с необычными свойствами виртуальных объектов, необычной геометрией пространства или невозможными событиями. Такие виртуальные среды (ВС) дают возможность исследовать фундаментальные законы познания событий внешнего мира, а также изучать процессы адаптации и научения, которые в реальном мире были бы опасными или стрессогенными.

2. Технологии ВР выгодно отличаются от традиционных технологий экспериментальной психологии тем, что обладают высокой степенью экологической валидности. Традиционно психологические исследования проводились либо в лабораторных, либо в "полевых" (естественных) условиях. Оба условия обладают рядом ограничений. В первом условии использовалась искусственная упрощенная стимуляция при высоком уровне контроля всех параметров окружения, а во втором – естественная обогащенная сттмуляция при низком контроле параметров окружения.

Применение систем ВР позволяет создавать сложную естественноподобную стимуляцию при полном контроле всех параметров окружения. Вопрос о том, насколько сложной должна быть сцена для исследования когнитивных процессов человека, ставился неоднократно в рамках конструктивисткого подхода к изучению восприятия, внимания и памяти (Найссер, 1981; Rock, 1995). Было отмечено, что в большинстве работ типичными задачами для оценки когнитивных процессов являлись задачи на «исключение лишнего», «поиск общих признаков», «нахождения эталона» и т.д., которые решались наблюдателем в условиях кратковременного предъявления достаточно простых стимулов. Подобные задачи признавались авторами этих работ слишком «узкими» и искусственными по сравнению с задачами, с которыми встречаются люди в реальной жизни. В последнее время в научной психологической литературе были введены новые понятия, для тестирования которых необходим новый тип стимульной среды, представляющий собой меняющийся во времени и пространстве ряд визуальных сцен, «провоцирующих» естественное поведение наблюдателя.

Например, были предложено такое понятие как «ландшафты внимания»

(Velichkovsky et al., 1996), которое позволяет изучать процессы активного восприятия в сложных динамических средах, а также понятия «практический интеллект» (Sternberg et al., 1984) и «эмоциональный интеллект» (Salovey, Mayer, 1990), которые определяют интеллект не как способность решать типичные задачи в упрощенной стимульной среде, а как способность понимать действия и эмоции другого человека в ситуативных сценах.

3. Важным преимуществом использования виртуальных сред является возможность введение в структуру психологического эксперимента фактора времени. Многие экспериментальные данные о когнитивных процессах были получены на материале кратковременного предъявления стимуляции, поскольку предполагалось, что процессы категоризации, обнаружения и различения происходят в сравнительно короткий (100-300 мс) промежуток (тахистоскопический метод), призванный искусственно прерывать процесс формирования образа, что позволяло исследовать этапы его становления.

Однако, многие когнитивные процессы развернуты в значительно более продолжительном интервале времени. Субъективная временная шкала, заполненная переживаниями «прошлого», «настоящего» и «будущего», актуальными становятся технологии, которые позволяют осуществлять переход экспериментальной психологии от лабораторной парадигмы «стимул-реакция» в условиях кратковременного предъявления стимулов к изучению динамики психических процессов субъекта при продолжительном предъявлении стимуляции.

технологии ВР, дают возможность апробации современных математических моделей описания поведения, а также моделей нейронной активности мозга.

В виртуальных средах возможна одновременная регистрация поведенческих, психологических и психофизиологических реакций пользователя на сложную динамическую ВС. Полученные данные могут быть описаны при помощи такого современного математического аппарата как теория нелинейных динамических систем. Согласно этой теории, динамика изменения поведения/ состояний сознания/ активности мозга может быть описана при помощи систем математических уравнений, решениями которых являются функции «хаоса» (Prigogine, Stengers, 1984).

Некоторые свойства этих функций достаточно хорошо соответствовали свойствам живых систем, например, демонстрировали необратимость поведения.

5. ВР предоставляет возможность создания полимодальной стимуляции, которая необходима для создания у пользователя ощущения реальности ВС.

Чувство реальности возникает при возникновении комплекса базовых ощущений – зрения, осязания, слуха, обоняния. Системы ВР позволяют инициировать одновременно все базовые ощущения, что усиливает «правдивость» виртуальной среды. Такие преимущества позволяют на более качественном уровне исследовать взаимодействие зрительной, слуховой и гаптической сенсорных систем. Например, при использовании систем ВР были исследованы кинестетические реакции в условиях запаздывании зрительных сигналов (Riva, 2006). Создание мультимодальных сред также позволяет более эффективно решать задачи реабилитации когнитивных способностей. Классические подходы в этом вопросе можно разделить на две основные группы: «восстановительные», которые уделяют внимание систематическому восстановлению при помощи тестов базовых когнитивных процессов и «функциональные», придающие особое значение восстановлению повседневных действий больного (Rizzo et al., 2002).

использование тестовых материалов, что не позволяет пациенту эффективно «функциональных» подходов относят узкий круг реабилитационных процедур, что приводит функциональным ограничениям восстановительных способностей пациента. Возможности мультимодальной стимуляции в средах ВР, инициирующей полное погружение пациента во взаимодействие с ВС, позволяет значительно эффективнее осуществлять реабилитацию Войскунский, Смыслова, 2006).

6. Технология ВР отличается от классических методик тем, что она позволяет более эффективно осуществлять контроль внимания пользователя. Среда ВР является яркой, динамичной и интерактивной, что позволяет «направлять» внимание на виртуальные объекты, хотя за несколько минут до начала воздействия он видел реальную комнату ВР, состоящую из экранов и проекторов. «Захват» внимания пользователя в ВС описывается при помощи понятия «эффект присутствия» (Presence effect), который определяется как чувство реальности окружения, которое создается при помощи воздействия света, звука и т.д. на различные органы чувств (Sheridan, 1992). Эффект присутствия может ослабляться в зависимости от степени полимодальности восприятия (задействованы только зрение, или только слух), а также от степени реалистичности виртуальных объектов (разрешение зрительных признаков удаленности) (Schuemie et al., 2001). Большое значение для эффекта присутствия играет мотивационная составляющая задач, решаемых пользователем (Riva et al., 2007; Ling et al., 2013). Следует отметить, что несмотря на ряд работ по исследованию эффекта «присутствия» (Schuemie et al., 2001; Riva, 2006), на настоящий момент не удалось сформировать общепризнанные критерии эффективности воздействия ВР среды.

7. Еще одной особенностью систем ВР является возможность селективного выделения релевантной стимуляции. В экспериментальной психологии существует большое число задач, в которых экспериментатору необходимо привлечь внимание испытуемого к отдельным ключевым стимулам. Для решения этой задачи используются специальные способы визуального «усиления» ключевых стимулов – увеличение частоты их появления, усиление их яркости или насыщенности цвета. Для привлечения внимания можно использовать не только сенсорные, но и смысловые характеристики стимуляции, например, встраивать в ВС стимулы, вызывающие сильные «личностные» реакции: портреты близких людей, интерьер комнаты, в которой пользователь провел детские годы, объекты, вызывающие положительные или отрицательные эмоции.

8. Важным преимуществом технологии ВР является возможность установления в режиме реального времени обратной связи с пользователем.

Быстродействующие компьютерные системы могут обсчитывать и выдавать результирующий визуальный образ в течение нескольких миллисекунд, что позволяет программно устанавливать быстрое интерактивное взаимодействие наблюдателя с ВР средой. Примером применения обратной связи в режиме реального времени является разработка так называемых «внимательных к вниманию» технологий, соданных для «координации ресурсов внимания» (Величковский, 2003, 2007). Системы подобного типа, осуществляющие регистрацию и передачу на расстояние направления взора партнеров по общению, применялись при организации виртуальных видеоконференций (Величковский, 2007; Величковский, Хансен, 1998).

Введение систем обратной связи в ВР средах позволило на новом уровне использовать сигналы невербального общения, включающие «контакт глаз», неосознанные сигналы «передачи очереди» для следующего сообщения, а также особенности нарушений и отстаивания «личного пространства»

взаимодействующих субъектов.

характеристика позволяет использовать не только статичные, но и динамичные зрительные признаки для оценки какого-либо качества виртуального объекта. Способность двигаться в процессе решения задач в корне отличает эту методику от классических методик, в которых наблюдатель оценивал свойства объекта, находясь в статичном положении в одной неизменной точке наблюдения.

10. Преимуществом технологий виртуальной реальности является возможность создания экстремальных ВС для исследования нарушений поведения или выполнения когнитивных и двигательных задач. Например, определенному сценарию, разработанному на основе накопленных ранее знаний. Однако, достаточно трудно предсказать результаты выполнения этих задач в экстремальных ситуациях (снежный буран, невесомость, потеря твердой опоры и т.д.), поскольку невозможно или технически трудно организовать исследования этого вопроса при помощи традиционной исследования поведения человека в подобных средах. Технологии ВР предоставляют возможность создания широкого спектра разнообразных экстремальных сценариев, которые позволяют, во-первых, программировать степень сложности сценария, во-вторых, тестировать и контролировать поведение наблюдателя и, в-третьих, создавать более адекватные методики тестирования процессов обнаружения, зрительного поиска и принятия решения в экстремальных ситуациях.

11. Еще одной особенностью использования ВР в психологических исследованиях является междисциплинарность: специалисты разных психофизиологии и др.) должны объединиться для создания и апробации виртуальных сред, необходимых для решения психологических проблем.

Эта особенность «вынуждает» всех участников совместного проекта искать общий «научный язык» для решения задач исследования, что способствует созданию новых междисциплинарных концепций.

Перечисленные преимущества не означают, что технология ВР является идеальным средством экспериментального исследования. Ее использование наталкивается на ряд новых проблем, которые требуют специального теоретико-методологического анализа.

Во-первых, возникает проблема разработки нового понятийного аппарата, связанного с определением таких ключевых понятий, как «виртуальные миры», «виртуальное сознание», «виртуальное действие» и т.д. Дело в том, что эти термины активно использовались в психологии в другом контексте, а именно, в связи с изучением феноменов измененных состояний сознания (Россохин, 1998; Руднев, 2000). В работах указанных авторов высказывалась гипотеза, согласно которой «любая реальность является виртуальной», если понимать под последней измененные состояния сознания. Эти состояния могут иметь патологическую выраженность в случаях психотического или шизофренического бреда, наркотического или алкогольного опьянения, действия наркоза или гипноза.

Стойкие патологические ощущения реальности возникают также у пилотов, управляющих сверхзвуковыми истребителями, у заключенных и подводников в связи с ограничениями жизненного пространства в течение длительного времени, у людей, испытывающих стресс во время авиа- или автокатастроф. Изменения состояния сознания могут возникать и в норме при сильных эмоциональных воздействиях просмотренного фильма или прочитанной книги. Использование этих терминов в указанном контексте требует разграничения использования понятия «виртуальная реальность»

для описания состояний сознания и для описания визуальных сцен, созданных при помощи компьютерной технологии. В некоторых работах термин «виртуальная реальность» предлагается рассматривать только в философском понимании, поскольку, по мнению авторов, Интернет и другие компьютерные технологии не внесли ничего принципиально нового в проблематику виртуальности (Антонова, Соловьев, 2008). Возможные типы виртуальных реальностей и взаимные переходы между виртуальностью и реальностью подробно описаны Н.А. Носовым (1997, 2000). В работе Маньковской Н.Б. и Бычкова В.В. предлагается типология различных выделяются «естественная виртуальность», «искусство как виртуальная реальность», «паравиртуальная реальность» (психоделическое искусство) и «протовиртуальная реальность», создаваемая с помощью компьютерных программ и чаще всего применяемая при создании «спецэффектов» в кино и компьютерных играх (Архитектура виртуальных миров, 2009).

воспринимаемую среду, сформированную совокупностью ощущений (зрение, компьютерных и оптических технологий.

Еще одной проблемой, связанной с использованием систем ВР, являются трудности визуализации психологических задач. При постановке задачи исследования могут быть созданы различные виртуальные сцены, однако не всегда очевидно, какая из них наиболее оптимальна для тестирования того или иного психического состояния. С этой проблемой тесно связана и проблема определения сложности той виртуальной среды, которая необходима для ее эффективного воздействия. Для каждой конкретной психологической задачи приходится определять минимальный набор зрительных признаков, необходимых и достаточных для восприятия виртуального объекта как реального (Reddy et al., 1997). В связи с этим возникают вопросы разработки психофизической оценки минимального набора зрительных признаков с целью усиления целенаправленного воздействия на пользователя (Meehan et al., 2002; Whitton, 2003).

В-третьих, возникает проблема классификации способов погружения субъекта в виртуальный мир. Делая акцент на психофизиологические аспекты этой проблемы, В.Б. Дорохов (Дорохов, 2006) отметил, что при погружении в мир виртуальной реальности пользователь воспринимает себя и видимые им виртуальные объекты как единое целое. Он выделил три чувствовал себя частью виртуального мира, либо видел в виртуальном мире только часть своего тела (например, руку), либо воспринимал самого себя со стороны, как в зеркальном отражении. Последняя форма погружения возникает при использовании костюма виртуальной реальности, который позволяет проецировать собственное тело в среду ВР. В зависимости от способов погружения меняется эффективность воздействия ВС на экспериментального исследования.

Следует отметить и наиболее часто обсуждаемые недостатки систем ВР. К ним относят высокую стоимость оборудования и программного обеспечения, техническую сложность в эксплуатации, а также проблемы набора квалифицированного персонала (Morganti, 2004).

§ 5.3. Возможности использования технологии виртуальной реальности в психофизиологических исследованиях Системы ВР предоставляют новые возможности исследования психофизиологических процессов (Pugnetti et. al, 2001; Parsons et.al., 2009). К задачам нейронаук, которые возможно реализовать при использовании ВР систем, можно отнести:

достаточно большое число работ, свидетельствующих о возможности исследования активности мозга методами функциональной магнитнорезонансной томографии (фМРТ) и позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) при использовании виртуальных сред в режиме реального времени (Хоффман, 2004; Wiederhold, Rizzo, 2005; Baumgartner et al., 2008). Так, в работе Baumgartner et al. (2008) в экспериментах с детьми (6-11 лет) и взрослыми (21-43 лет) методом фМРТ выявлены мозговые корреляты субъективного ощущения погружения в виртуальное пространство (Presence effect). Используя два типа виртуальных сред, вызывавших сильное (High Presence) и слабое (Low Presence) ощущения погружения в ВС, было обнаружено, что решающим фактором, определяющим способность как детей, так и взрослых к переживанию эффекта погружения, является активность двух гомологичных дорзо-латеральных отделов префронтальной коры правого и левого полушарий (пДЛПФК и лДЛПФК, соответственно).

Предполагалось, что пДЛПФК влияет на переживание «Presence effect»

путем контроля потока зрительной информации, поступающей в задние отделы теменной коры, ответственные за оценку восприятия положения собственного тела во внешнем окружении. Что касается лДЛПФК, то предполагалось, что эта зона влияет на качество и интенсивность префронтальной корой, включенной в регуляцию процессов саморефлексии и «интроверсивно направленных потоков сознания» (Baumgartner et al., 2008). Путем фМРТ-анализа активности мозга выявлена отрицательная корреляция активности в пДЛПФК и лДЛПФК с выраженностью субъективных ощущений погруженности в ВР, оцениваемых испытуемыми по субъективной 5-бальной шкале. Оказалось, что чем выше активность мозга в лДЛПФК и пДЛПФК, тем ниже интенсивность переживаний «эффекта присутствия» (Baumgartner et al., 2008). Интересно, что дети в возрасте 6-11 лет обладают по этому критерию более выраженной способностью к быстрому и глубокому погружению в виртуальную реальность, нежели взрослые. Эта способность объясняется длительными сроками созревания структур префронтальной коры в процессе постнатального развития.

Изучение выраженности фобий при предъявлении стимуляции, вызывающей состояние тревоги или непреодолимого страха. В ряде исследований были созданы виртуальные сцены или виртуальные объекты, вызывающие у пациентов акрофобию (страх высоты), клаустрофобию (страх нахождения в небольших закрытых помещениях), арахнофобию (стах, вызываемый насекомыми) (Garcia-Palacios et al., 2002; Powers, Emmelkamp, 2008). Лечение таких пациентов было организовано по схеме оперантного обучения, предполагающего постепенное приучение человека к объектам или ситуациям, вызывающим у него страх (Хоффман, 2004; Cornwell et al, 2006). Например, специальная программа ВР, названная «Мир паука», позволяла пациенту приближаться к виртуальному пауку, дотрагиваться до него «кибер-рукой» и ощущать эти прикосновения. Для обеспечения тактильных ощущений прикосновения к пауку программа ВР отслеживала положение реального игрушечного паука, и совмещала его координаты с координатами виртуального паука. В исследованиях на 23 пациентах с диагнозом «клиническая фобия пауков» в 83% случаев было отмечено значительное ослабление страха перед пауками после 10-15 сеансов работы в программе «Мир паука» (Хоффман, 2004).

Развитие такой отрасли знаний, как вычислительная нейроанатомия, основанной на одновременном использовании методов томографии, с одной стороны, и компьютерных технологий, с другой стороны. Одной из задач вычислительной нейроанатомии является создание компьютерных симуляторов, благодаря которым возможно осуществлять виртуальные операции на мозге пациентов. Эта дисциплина открывает новые перспективы в обучении нейрохирургов, сравнительной диагностике, планировании нейрохирургических вмешательств: медики могут отрабатывать ход нейрохирургических операций на виртуальной модели мозга для подготовки к реальной операции. Модель компьютерного симулятора включает в себя трехмерную картину мозга, прогнозирование различных реакций пациента в ходе операции, а также выделение тех участков мозга, которые являются проблемными для данного типа операции. Такой симулятор может использоваться студентами-медиками для приобретения необходимых первичных навыков, а также опытными нейрохирургами при выборе стратегии операции и отработке отдельных ее деталей. Это помогает оттачивать технику навыков в нестандартных, сложных случаях, не подвергая при этом опасности жизнь и здоровье реальных людей. Одной из проблем создания компьютерных симуляторов является уникальность топографии мозга каждого человека. Для учета любого типа уникальности предполагается разработка метода персонализации атласа головного мозга (Пицхелаури и др., 2008), в основе которого лежит “деформация” атласа среднестатистического мозга в соответствии с данными обследования реального мозга (Christensen et al, 1996). В результате применения такого метода конструируется атлас мозга конкретного человека. Разработка этого метода позволит получать 3Dизображения структур мозга по нескольким плоским сечениям (Zhu, Belkasim, 2005) или по легко измеряемым "инвариантам" (например, размерам черепа).

использовании систем ВР обусловлена тем, многие показатели активности вегетативной нервной системы, например, такие как электрокардиограмма, кожно-гальваническая реакция, электромиограмма, плетизмограмма и электроэнцефалограмма доступны для регистрации в виртуальных средах (Kim et al., 2001; Walshe et al., 2003; Cote, Bouchard, 2005; Wiederhold, Rizzo, 2005; Mhlberger et al., 2007; Baumgartner et al., 2008). Эти показатели могут быть использованы для регистрации объективных индикаторов «эффекта присутствия» и степени воздействия ВР на пациента (Kim et. al, 2001; Cote, Bouchard, 2005). Следует отметить, что психофизиологическая аппаратура (датчики, физиологических реакций, не вызывает дискомфорт у пациентов, а также не снижает «эффект присутствия» в виртуальной среде. Было показано, что исследования в ВР можно проводить даже при использовании метода фМРТ, когда голова человека фиксирована в строго определенном положении (Bayliss, Ballard, 1998; Wiederhold, Rizzo, 2005).

§5.4. Применение систем виртуальной реальности для создания новых зрительных иллюзий Успехи использования виртуальных сред для психологических исследований и практики связаны с новыми возможностями создания стимульной среды, воздействующей на наблюдателя. необходимой для психологических задач. ВР является новым видом стимуляции, обладающей характеристиками, которые не были свойственны для классической экспериментальной психологии. К ним можно отнести трехмерность, широкое поле зрения, подвижность наблюдателя, искажения стимуляции и др. В экспериментальных исследованиях, проведенных при помощи систем ВР, было показано, что возможно создание новых оригинальных зрительных иллюзий, которые невозможно наблюдать при помощи лабораторного инструментария (например, на экранах 2D мониторов). Рассмотрим некоторые из них для понимания тех возможностей, которые открываются для изучения зрительных иллюзий при использовании технологии ВР.

взаимодействия души и тела, мозга и тела (mind-body problem) является классической для наук о человеке и неоднократно обсуждалась в отечественной психологической литературе (Гиппенрейтер, 1996; Зинченко, 2005; Дубровский, 2002). За последние 5 лет она вновь привлекла внимание исследователей в связи с экспериментами по отчуждению тела (out-of-body effect), которые были проведены с применением ВР систем (Ehrsson, 2007, 2008; Costantini, Haggard, 2007; Ehrsson, 2009; Petkova, Ehrsson, 2008;

Petkova, Ehrsson, 2009). В этих исследованиях Х. Эрссон и его коллеги смогли вызвать у испытуемых иллюзию «выход из тела» с помощью видеокамер, шлемов виртуальной реальности и тактильных стимуляторов.

Идея экспериментов состояла в том, чтобы убедить наблюдателя в том, что виртуальное тело (или часть тела) является его собственным телом.

Предполагалось, что это перевоплощение может открыть уникальные возможности для решения ряда важных практических задач - в индустрии видеоигр или выполнении действий на расстоянии. Для формирования двнной иллюзии использовался новый способ взаимодействия зрительной и проприоцептивной информации. В одном из исследований (Ehrsson, 2007) наблюдателю надевали шлем ВР и просили наклонить голову. На мониторы шлема подавали высококачественное стереоизображение тела стоящего напротив манекена, которое формировалось при помощи стереокамеры, укрепленной на голове манекена (рис.52 а). Испытуемый, наклонив голову, видел тело манекена (рис. 52 б) и воспринимал его как свое собственное.

Казалось бы, внешний вид этого искусственного тела должен был убедить испытуемого в том, что это «чужое» тело. Однако, в конфликте между пространственным положением реального тела и его внешним видом одерживало вверх когнитивное правило, усвоенное в прошлом опыте: «если я наклоняю голову, то всегда при этом вижу свое тело». Согласно этому правилу происходило разрешение противоречивой зрительной информации по следующему гипотетическому неосознаваемому умозаключению: «если там, где должно находиться мое тело, я вижу «нечто», похожее на реальное тело, то это «нечто» и является моим реальным телом».

Рисунок 52. а) Организация эксперимента для исследования иллюзии «Выход из тела»; б) Изображение, которое видел наблюдатель.

Чтобы сделать иллюзию более убедительной, зрительные ощущения были дополнены тактильными ощущениями. Для этого двумя пластиковыми трубочками синхронно поглаживали тела наблюдателя и манекена (рис. а). Поскольку наблюдатель видел касание "собственного виртуального тела" и при этом ощущал поглаживание своего реального тела, иллюзия «Выход из тела» усиливалась. Доказательством того, что виртуальное тело воспринималось как собственное, являлась серия экспериментов, в которых вместо пластиковых трубочек использовались ножи. Когда наблюдатели видел, как по его виртуальному телу проводили ножом, у него регистрировалась характерная кожно-гальваническая реакция (КГР), свидетельствующая о том, что он испытывал страх. Если ритмы прикосновений к реальному и виртуальному телу не совпадали, то иллюзорный эффект восприятия виртуального тела как своего собственного был значительно менее выраженным. Сила иллюзии уменьшалась в ситуации, когда тело манекена заменялось предметом, не похожим на человеческое тело (например, прямоугольным ящиком). В другой серии экспериментов (Petkova, Ehrsson, 2008) испытуемый стоял в шлеме ВР перед экспериментатором, и визуальные сигналы поступали на его шлем от видеокамер на голове экспериментатора (рис. 53). В этом случае, он видел перед собой собственное тело и узнавал его. Когда экспериментатор и испытуемый пожимали друг другу руки, испытуемому казалось, что он пожимает собственную руку. Когда угрожающе проводили ножом по руке испытуемого или по руке экспериментатора, то повышение КГР был существенно сильней во втором случае, что показывало, что испытуемый Рисунок 53. Установка для исследования феномена «пожатие собственной руки».

сильнее опасался за руку своего иллюзорного «нового» тела, чем за собственную реальную руку. Подобные результаты были получены и в экспериментах с «резиновой рукой» (Costantini, Haggard, 2007; Ehrsson, 2009). Испытуемого просили положить свои руки на стол. Он мог видеть свою правую руку, а левая рука была прикрыта и не видна. Рядом с левой рукой помещалась искусственная рука, которая условно была названа «резиновая рука» (the rubber hand). Испытуемый видел сцену в очки ВР.

Применялась та же методика интеграции тактильных и зрительнох ощущений, которая использовалась в предыдущих экспериментах:

экспериментатор синхронно щекотал кисточкой реальную (не видимую) и резиновую (видимую) руку. В итоге испытуемый воспринимал резиновую руку как свою собственную. Этот вывод был сделан как на основании опросов после проведения эксперимента, так и при помощи дополнительного исследования, которое проводилось непосредственно после основного эксперимента. В дополнительном исследовании испытуемых просили выполнить с закрытыми глазами действие – коснуться указательным пальцем правой руки указательного пальца левой руки.

Испытуемые сначала тянулись к лежащей на столе искусственной руке, и только потом корректировали свое действие, дотягиваясь до своей реальной левой руки. Альнейшие эксперименты с использованием резиновой руки показали, что, когда реальную левую руку не закрывали и в поле зрения находились 3 руки (2 собственных и 1 искусственная), он воспринимал все как свои собственные (Guterstam, 2011). Исследования, посвященные иллюзии «out-of-body», являются новым типом зрительных иллюзий, проведенных с помощью технологий ВР. Они поднимают вопрос о важной роли полимодальной стимуляции в формировании субъективных представлений о собственном «физическом Я» и, более широко, о механизмах «саморефлексии» и «самосознания». Показано, что зрительная стимуляция, организованная при помощи HMD технологии, инициирует восприятие чужого тела как своего собственного, а дополнительное «включение» тактильных ощущений может усилить или ослабить этот иллюзорный феномен. Анализируя описанные эксперименты, можно сделать важный вывод о том, что не так уж сложно «заставить» мозг воспринимать чужое тело (или части тела) как свое собственное. При наличии противоречивой информации между местоположением и внешним видом собственного тела наше сознание использует когнитивные правила о его местоположении, усвоенные в прошлом опыте, и пластично и гибко когнитивные правила можно сформулировать следующим образом: «если в месте, где должно находиться мое тело (или часть тела), я вижу «нечто», похожее на тело, и при этом ощущаю прикосновения к нему, то это «нечто»

и является моим реальным телом».