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

Восприятие положения и движения собственного тела формируется на основе нескольких источников сенсорной информации - проприоцепторов, вестибулярной системы, зрительной системы, кожных рецепторов, а также эфферентных копий моторных команд (Большой психологический словарь под ред. Б. Г. Мещерякова, В.П. Зинченко, 2003). Проблема того, какие из предложенных признаков являются определяющими для процесса восприятия положения и движения тела, неоднократно обсуждалась в различных теоретических подходах. Одно из ее решений было предложено в предположение, что в восприятии движений собственного тела решающая роль отводится зрительным кинестезиям. Зрительные кинестезии – это способность при помощи зрения получать информацию о движениях собственного тела. Согласно теории Дж. Гибсона, основную информацию о свойствах объектов внешнего мира и движениях наблюдателя мы получаем благодаря структуре объемлющего оптического строя (ООС) в точке наблюдения. Было рассмотрено несколько типов изменений ООС, связанных с движениями наблюдателя. К ним относятся характерные появления и исчезновения ООС на периферии поля зрения, изменения ООС при введении в поле зрения собственных конечностей, а также глобальные перемещения всех элементов ООС. Если изменения ООС происходят со всеми включенными в поле зрения структурами, то эти изменения воспринимаются как изменения, связанные с собственными движениями наблюдателя. Для демонстрации данных теоретических положений была сконструирована летающая комната, которая глобально вращалась вокруг неподвижного наблюдателя (Lishman, Lee, 1973). В этих условиях наблюдатель воспринимал собственное вращение, а не вращение комнаты.

Типичными ощущениями, возникающими после окончания вращения комнаты, являлись отсутствие стабильности видимого мира, тошнота, головокружение и плохая координация движений, что характерно для случая вращения самого наблюдателя. Иллюзия не возникала, если в начале стимуляции наблюдатель закрывал глаза, поскольку в этом случае отсутствовала главная причина ее формирования - зрительные кинестезии. В русскоязычной литературе эта иллюзия получила название иллюзии индуцированного движения (ИИД), в англоязычной литературе - «induced self-motion illusion» или «vection illusion». Типичными формами движения, которые использовались для исследования ИИД, являлись вращение или приближение/отдаление окружения (circual or linear vection). Для оценки выраженности ИИД использовались несколько методов. Наиболее часто применяемым был метод прямой оценки, при котором наблюдатель оценивал свое функциональное состояние числом из заданной шкалы до и после эксперимента. Однако этот метод давал достаточно сильный разброс оценок. Другой более объективный метод оценки ИИД, названный методом обнуления, был предложен в работе Карпентера-Смита (Carpenter-Smith et al., 1995). Сила ИИД оценивалась по тому, с какой скоростью надо было вращать наблюдателя в обратную сторону после окончания эксперимента, чтобы иллюзорное вращение прекратилось. Изучение выраженности ИИД показало, что она основана на амодальных механизмах. Например, в исследовании Дж. Лакнера иллюзию создавали не на основе зрительной кинестезии, а на основе звуковой кинестезии (Lackner, 1977). Наблюдателя, который сидел неподвижно с закрытыми глазами, стимулировали «вращающимся» звуком в течение нескольких минут. После отключения звука он открывал глаза, и ему казалось, что внешнее окружение вращается вокруг него. Позже было показано, что иллюзия ИИД может усиливаться при совместном воздействии зрительной и звуковой стимуляции (SchultePelkum et al., 2005). Новые данные о ИИД появились, когда для ее инициации стали использовать системы ВР. Введение этой технологии позволило резко упростить экспериментальную установку для создания оборудование, симулирующее вращающееся окружение. В системах ВР возможно было создавать глобальное смещение виртуальных объектов, что, согласно теории Гибсона, должно вызывать впечатление собственного движения наблюдателя. Кроме того, появилась возможность при помощи программного обеспечения легко изменять параметры стимуляции (яркость, текстуру, скорость вращения окружения), а также усложнять способы вращения виртуального окружения. Например, в работе Бонато и его коллег при помощи HMD технологии исследовалась выраженность ИИД для более сложных типов движения окружения (Bonato et al., 2009). Основная идея исследования заключалась в сравнении ИИД в 2 ситуациях: виртуального вращения вокруг одной оси и виртуального вращения одновременно по двум осям. Первый тип вращения являлся характерным для классических исследований ИИД. Результаты показали, что при усложнении траектории виртуального вращения выраженность ИИД возрастала. Среди трех параметров, по которым тестировалось изменение ИИД (тошнота, дезориентация, окуломоторные нарушения), ощущение тошноты возрастало наиболее значимо. В работе Б. Рике (Riecke et al., 2006) была высказана гипотеза о том, на выраженность ИИД могут влиять не только физические свойства стимуляции («bottom-up» факторы), но и когнитивные параметры стимуляции («top-down» факторы). Для доказательства этой гипотезы предъявлялись 3 типа окружения: изображение естественной 3D сцены, изображение той же самой сцены, но разрезанное на кусочки и перемешенное, а также перевернутое изображение той же сцены. Последние два типа не воспринимались как что-то осмысленное. Было показано, что более выраженное ИИД возникает для осмысленной 3D сцены. Авторы предположили, что зрительная система использует когнитивное правило, согласно которому при предъявлении естественной сцены возникает гипотеза о том, что она «должна быть стабильной и не может передвигаться», что и приводит к интерпретации сетчаточных перемещений как движений своего тела. Таким образом, были получены новые данные о механизмах, опосредующих иллюзию ИИД, при использовании технологии ВР.

';

Иллюзия искажения воспринимаемого пространства. Одной из проблем зрительного восприятия является проблема восприятия пространственной ориентации и формирования ментальной карты пространства. Успешность их решения связана с новыми способами моделировать, формировать и искажать его параметры. Такие способы ореализуются и апробируются в системах ВР. Первые исследования свойств виртуального пространства показали, что оно обладает специфическими чертами. Например, ранее были получены данные, согласно которым в виртуальном пространстве расстояния систематически переоцениваются. В некоторых работах были предприняты попытки создать виртуальные среды, которые максимально точно соответствовали свойствам реальной среды, однако они не увенчались успехом (Thompson et al., 2004). В работе Р.

Мессинга и Ф. Дургина изучались различные зрительные признаки, влияющие на оценку расстояния в виртуальном пространстве (Messing, Durgin, 2005). Было показано, что для компенсации переоценки расстояния наиболее эффективно использовать такой зрительный признак, как положение линии горизонта. Манипулируя ее видимым положением, они смогли полностью компенсировать ошибку в оценке расстояния в виртуальном пространстве. Дальнейшие исследования оценки расстояний в ВР пространстве (Geuss et al., 2012), проведенные с помощью HMD оборудования, подтвердили этот результат. Авторы сравнивали успешность оценки расстояний в 3-х экспериментальных ситуациях (ЭС). В каждой ЭС участники видели виртуальные объекты, а затем должны были с закрытыми глазами дойти до одного из них (эгоцентрическая метрика) или пройти воображаемое расстояние между двумя виртуальными объектами (аллоцентрическая метрика). В первой ЭС удаленность до объекта была представлена по глубине, а расстояния между объектами – по ширине. Во 2ой и 3-ей ЭС они оценивали относительные расстояния между объектами, представленными по глубине. Во 2-ой ЭС им предлагалось пройти расстояние между воображаемыми виртуальными объектами, а в 3-ей – бросить погремушку на соответствующее расстояние. Результаты 1-го тестирования показали, что расстояния в эгоцентрической метрике переоцениваются, тогда как в аллоцентрической – оцениваются адекватно.

Данные 2-го и 3-го тестов показали переоценку относительных расстояний и в аллоцентрической метрике. В целом, было показано, что виртуальной пространство анизотропно – оно «растянуто» по глубине и адекватно представлено во фронтальных координатах.

При использовании ВР систем были проведены исследования ориентации в виртуальном пространстве и роли выполнения реальных движений для ее адекватного формирования. Поскольку чувство ориентации является интегральной характеристикой, зависящей от зрительных, звуковых, проприоцептивных и вестибулярных признаков, оно должно ослабевать в виртуальных средах из-за ограничения или отсутствия реальных движений. Это выражается в увеличении времени реакции ориентировочных движений, а также увеличении ошибок при тестировании направления движения. В исследовании с помощью HMD шлема изучалась роль реальных движений для формирования ментальной карты виртуальной среды (Ruddle, Lessels, 2006). Было показано, что для успешной навигации в виртуальной среде необходимы не только зрительные кинестезии, задаваемые движением джойстика, но и реальная физическая ходьба, которая может осуществляться при помощи специальных платформ. В работе Б. Боденхаймера и коллег также проводилось изучение способности ориентироваться в виртуальных средах при реализации разных типов локомоции (Bodenheimer et al., 2009). Локомоция (перемещение и вращение) задавалась либо реальной ходьбой наблюдателя, либо при помощи джойстика во время физического вращение наблюдателя, либо при помощи джойстика при полной неподвижности наблюдателя. Результаты показали, что локомоции, реализованные при помощи реальных движений, эффективнее тех, которые реализованы посредством джойстика. Кроме того, было показано, что длина «проходимого» виртуального пути была больше при локомоции, реализованной при помощи джойстика. В работе К.

Граманна и коллег (Gramann et al., 2012) исследовались условия использования аллоцентрических и эгоцентрических зрительных признаков для навигации в виртуальном пространстве. Было показано, что навигация осуществляется более точно в горизонтальном, чем в вертикальном направлении. При этом наблюдатели формируют индивидуальные стратегии использования аллоцентрических и эгоцентрических зрительных признаков.

Например, при вертикальной навигации некоторые наблюдатели (39% всей выборки) опирались, в основном, на аллоцентрические признаки, тогда как остальные использовали эгоцентрические признаки.

При помощи технологии HMD были проведены исследования опознания объектов, представленных в различных ракурсах относительно наблюдателя. Проблема того, как формируется представление о внешнем виде объектов с другой воображаемой точки зрения, является на настоящий момент актуальной в связи с развитием направления исследований, связанного с созданием человекоподобных роботов. Для формирования образа объекта из воображаемой точки зрения в зрительной системе должны учитываться одновременно аллоцентрические и эгоцентрические копии видимой сцены, с помощью которых осуществляются ментальные перспективные преобразования. Адекватно сформированные представления помогают осуществлять безошибочную навигацию и действия с объектами.

Например, одно из исследований, проведенное с помощью HMD технологии, было посвящено изучению роли собственных движений наблюдателя при опознании новых объектов (Teramoto, Riecke, 2010).

Известно, что время реакции и число ошибок резко увеличивается при опознании новых объектов по сравнению со знакомыми объектами. Это ухудшение связано с тем, что в памяти еще не сформированы эгоцентрические копии трансформации нового объекта при движениях наблюдателя или при движениях самого объекта. В. Терамото и Б. Рике (Teramoto, Riecke, 2010) попытались выявить, какие движения являются более значимыми для опознания нового объекта - наблюдателя вокруг объекта или вращения самого объекта. Они использовали объекты, представляющие собой трехмерные конструкции из кубиков, аналогичные тем, которые использовались в эксперименте Р. Шепарда и Дж. Мецлера по исследовании проводилось сравнение успешности опознания этих объектов в ситуации трансформационных (передвижение наблюдателя вокруг неподвижного объекта) и сетчаточных (вращение объекта при неподвижном наблюдателе) признаков. Согласно предыдущим исследованиям, ожидалось, что более успешное опознание происходит при передвижениях наблюдателя вокруг опознаваемого объекта. Однако, было показано, что улучшение опознания одинаково успешно для двух указанных экспериментальных ситуаций. Это позволило высказать предположение о том, что для процесса опознания необходимы динамические зрительные признаки, которым в классических моделях опознания (Biederman, 1987) не придавалось большого значения.

Иллюзия погружения в ВС (Presence effect). Самой впечатляющей новой иллюзией, которая формируется при использовании систем виртуальной реальности, является сама виртуальная среда, состоящая из виртуальных объектов, локализованных в виртуальном пространстве.

Основная гипотеза создания такой среды состоит в том, что возможно, манипулируя зрительными, тактильными, слуховыми и т.д. признаками, вызвать ощущения, аналогичные ощущениям, возникающим от воздействия реальной среды. Можно сказать, что виртуальная среда является иллюзией нового класса, представленной не на экране монитора или на листе бумаги, а в виде виртуальных объектов, окружающих наблюдателя со всех сторон.

Анализ иллюзий, полученных при использовании технологии ВР, показал, что можно конструировать новые типы иллюзий, которые невозможно было получить, используя классические технологии, а также при на качественно более высоком уровне изучать классические иллюзии. В следующем параграфе булет представлено исследование нового типа иллюзии, проведенное нами при помощи HMD технологии ВР.

§5.5. Исследование иллюзии искажения пространства при помощи HMD системы виртуальной реальности Введение. Проблема адаптации к сенсорным искажениям является классической проблемой зрительного восприятия. Применение технологии ВР для изучения классических феноменов восприятия представляет особый интерес. Во-первых, на классических феноменах можно отрабатывать методические вопросы адекватности использования технологии ВР для психологических исследований. Поскольку классические феномены достаточно хорошо изучены, можно проводить детальный анализ результатов, полученных при помощи технологии ВР с результатами, полученными при помощи классических методик. Во-вторых, технологии ВР позволяют наблюдателю активно передвигаться в процессе решения зрительных задач. Эта особенность приближает процедуру проведения эксперимента к реальной ситуации зрительного восприятия, и, таким образом, значительно повышает экологическую валидность таких исследований. Описанное свойство в корне отличает эту методику от классических методик, разработанных в рамках конструктивистского подхода (Грегори, 1972, Рок, 1980). Так, в большинстве исследований наблюдатель, как правило, оценивает какое-либо качество объекта, находясь в неподвижной точке наблюдения. Стационарность положения наблюдателя является следствием имплицитного предположения о том, что многие когнитивные процессы (опознание и различение объектов, распределение внимания и др.) протекают очень быстро и движения наблюдателя, протекающие значительно медленнее, не влияют на их результат. Другой точки зрения придерживается основатель экологического подхода Дж.

Гибсон (Гибсон, 1988). Согласно ей, движения наблюдателя являются важной составляющей процесса восприятия. Процесс восприятия какоголибо качества объекта не возможен без активных движений наблюдателя, а также без использования динамических (а не только статических) зрительных признаков. В-третьих, круг классических исследовательских задач может быть расширен при помощи использования технологии ВР. В качестве примера можно привести классические эксперименты с искажениями сетчаточного образа, в которых при помощи специальных устройств (псиевдоскопа, инвертоскопа и др.) создавались искажения типа инверсии, реверсии, изменения знака диспаратности сетчаточного образа.

Используя технологию ВР, можно реализовать гораздо более разнообразные и сложные искажения, что позволит уточнить и обогатить теоретические представления о процессе восприятия.

В теоретических подходах к исследованию восприятия можно найти различные точки зрения по вопросу о том, как можно определить понятие «воспринимающая система». В конструктивистском подходе зрительная система рассматривается в рамках модели «глаз-мозг»: предполагается, что приходящий из внешней среды свет активизирует фоторецепторы сетчатки, возбуждение которых передается в высшие корковые отделы головного мозга, где и осуществляется интерпретация этих сигналов на основе прошлого опыта субъекта. Эта точка зрения в корне отлична от экологического подхода, в рамках которого воспринимающая система рассматривается как целостная активная система «глаз- голова- тело». Эта система состоит из нескольких органов, которые настроены на извлечение определенной информации и образуют целостную иерархическую структуру. Например, один глаз - это нижний уровень, два глаза (бинокулярный орган) – это второй уровень, подвижная голова с двумя подвижными глазами образуют третий уровень, и последний высший уровень состоит из головы и тела, способных извлекать информацию при перемещениях наблюдателя. Глаза являются лишь частью этой системы, они подвижны и расположены на голове, которая сама может поворачиваться относительно тела, которое, в свою очередь, может перемещаться в пространстве. Эта система активизируется при наличии стимульной информации и является целостной и взаимосогласованной. Под целостностью воспринимающей системы понимается согласованность между движениями наблюдателя и изменениями зрительной информации, вызванными этими движениями. Для получения экологически валидной информации о свойствах внешней среды необходима активизация всей системы в целом, что подразумевает необходимость движения не только глаз, но также головы и тела наблюдателя. Кроме того, эти движения порождают соответствующий паттерн изменений структуры оптического потока, который и несет наблюдателю информацию о свойствах объектов среды, а также о его собственных движениях. Если структура оптического потока будет меняться не в соответствии с обычными движениями головы и тела наблюдателя (система «глаз-голова-тело» будет рассогласована), это приведет к нарушению процесса восприятия – к невозможности адекватного извлечения информации о внешней среде. Следует отметить, что одним из важных аспектов адекватного восприятия является наблюдение конечностей собственного тела.

Представляет интерес исследовать роль целостности этой системы в процессе восприятия. Изменится ли восприятие, если целостность сложной согласованной системы «глаз- голова- тело» будет нарушена? Этот вопрос тесно связан с вопросом о методах, при помощи которых можно нарушить работу этой системы. Мы предложили методику, в которой нарушения согласованности работы системы осуществлялись посредством системы ВР.

Целью настоящего исследования являлось изучение изменений восприятия при нарушениях системы «глаз-голова-тело», реализованных посредством технологии ВР (Меньшикова, Козловский, Полякова, 2012).

Общая схема искажений сенсорной информации состояла в следующем:

регистрация внешней сцены проводилась при помощи веб-камеры, сигнал с которой подавался на мониторы шлема ВР. В данной схеме веб-камеру можно рассматривать как «виртуальные» глаза наблюдателя, а ее положение относительно головы может задавать степень искажения сенсорных сигналов. В нашем исследовании тестировались два типа сенсорных искажений. Для первого типа веб-камера была приподнята на 30 см над головой наблюдателя и жестко с нею связана (рис. 54а). При этом «виртуальные» глаза Рисунок 54. Типы сенсорных искажений а) «виртуальные» глаза над головой; б) «виртуальные» глаза на колене, в) «виртуальные глаза»

соответствуют локализации реальных глаз.

«приподнимались» над системой «глаз - голова» и их движения были согласованы с движениями головы в соответствии с прошлым опытом наблюдателя. Для второго типа веб-камера крепилась на колено наблюдателя (рис. 54б), что приводило к необычному ракурсу наблюдения внешней сцены: «виртуальные» глаза сильно «опускались» вниз, причем их перемещения осуществлялись в соответствии не с движениями головы, а с движениями нижней конечности. Подобного типа трансформации сенсорных сигналов сильно затрудняли движения наблюдателя, выраженности эффектов указанных типов искажений проводились контрольные исследования, в которых веб-камера крепилась на уровне глаз наблюдателя (рис.54в).

Степень влияния двух типов искажений оценивалась на материале исследования константности восприятия размера и феноменологии ощущений наблюдателя в начальном периоде адаптации.

Гипотеза нашего исследования состояла в том, что для первого типа искажений, где «виртуальные» глаза «приподнимались» над головой и были жестко с нею связаны, нарушения целостности системы «глаз-голова-тела»

должны быть незначительны. В ситуации же «вынесения» виртуальных глаз на колено, нарушения должны быть существенными, поскольку в этом случае система «глаз-голова-тело» не согласована и не обеспечивает предположили, что оценкой степени нарушений системы «глаз-голова-тело»

могут быть, во-первых, описания испытуемыми тех ощущений, которые они испытывают на начальной стадии адаптации к искажениям и, во-вторых, суждения о размерах окружающих объектов.

Испытуемые. В эксперименте принимали участие 16 человек ( мужчин и 10 женщин) в возрасте от 17 до 25 лет с нормальным или скорректированным зрением.

Аппаратура. Эксперимент осуществлялся при помощи технологии ВР, основными элементами которой были очки eMagin Z800 3D Visor, состоящие из двух дисплеев, имеющих разрешение 800х600 пикселей, частоту обновления 60 Гц и размеры 60х40 угл. градусов по горизонтали и вертикали соответственно. На видеомониторы очков ВР подавались изображения с выносной веб-камеры Logitech Portable QuickCam C905, которая была по-разному локализована относительно головы испытуемого.

План эксперимента. Эксперимент состоял из трех серий. В первой и второй экспериментальных сериях веб-камера прикреплялась соответственно над головой или на колене испытуемого, а в контрольной третьей серии - на уровне его глаз. Длительность каждой экспериментальной серии составляла не более 5 минут, в течение которых испытуемый мог произвольно двигаться в пределах пространства 3х3 метра.

В каждой серии испытуемые выполняли 2 задания. Согласно Заданию 1, они отвечали на вопросы экспериментатора: «Как Вы воспринимаете размеры своего тела? Изменились ли размер и форма ваших рук и ног? Насколько сложно для Вас осуществлять движения? Оцените рост человека, стоящего рядом с Вами, Насколько реальными кажутся Вам окружающие предметы?»

и т.д. В соответствии с Заданием 2 они оценивали размеры 5 предметов методом прямого шкалирования. Величины предметов менялись в пределах от 3,5 до 13 см. Ответы испытуемых протоколировались.

Результаты. Был проведен качественный и количественный анализ ответов испытуемых, которые они давали, выполняя Задание 1. Его результаты представлены в таблице 1. В первом столбце указаны ответы, которые наиболее часто давались испытуемыми, во втором и третьем столбцах – процентное соотношение таких ответов соответственно для первого («виртуальные глаза» над головой) и второго («виртуальные глаза»

на колене) типа искажений.

Анализ распределения ответов испытуемых показал, что искаженная зрительная сцена воспринимается нереальной и отчужденной; части собственного тела – чужеродными; ориентация в пространстве затруднена, появляются трудности поддержания равновесия при ходьбе, причем в большей степени для второго типа искажений. Описанные феноменальные свойства окружающего мира наблюдались и для такого типа сенсорных искажений, как инвертированное зрение (Stratton, 1897; Логвиненко, 1981).

Цифры, представленные в таблице 1, показывают, что для первого типа искажений наблюдалась недооценка размеров окружающих объектов, роста людей, а также размеров собственных рук и ног, тогда как для второго типа Таблица 1. Распределение ответов испытуемых при разных типах сенсорных искажений.

Чужеродность, отчужденность частей тела 52% 48% Несоответствие движений головы и «виртуальных» 0% 91% глаз резкого уменьшения (для ВГ на колене) своего роста увеличение (для ВГ на колене) размеров предметов и роста стоящих рядом людей увеличение (для ВГ на колене) размеров своих рук и ног «руки стали дальше» (для ВГ над головой) или поиск рук «где вообще руки?» (для ВГ на колене) – наблюдался обратный эффект - их сильная переоценка. Чтобы количественно оценить степень изменения воспринимаемых размеров объектов, были рассчитаны средние значения коэффициентов константности размера по всей выборке испытуемых отдельно для 1-ой, 2-ой и контрольной серий. Полученные значения и их стандартные отклонения представлены на рис. 55. По оси абсцисс отложены размеры предметов, оцениваемых испытуемыми, по оси ординат – значения коэффициентов константности.

Для того, чтобы выяснить, насколько значимо различаются величины коэффициента константности размера для разных серий, использовался непараметрический критерий Вилкоксона для связанных выборок.

Достоверными считались различия при р < 0,05. Значимые различия (р = 0,049) были выявлены только при сравнении 2-ой и контрольной серий, что Рисунок 55. Коэффициент константности в зависимости от размера предметов для 1-ой серии (ВГ над головой), 2-ой серии (ВГ на колене) и контрольной серии.

говорит о том, что второй тип искажений существенно влияет на процесс оценки размеров: происходит переоценка размеров окружающих предметов, размеров собственных конечностей и появляется эффект сверхконстантности. Для первого типа искажений константность восприятия размера нарушалась незначительно. Полученные результаты подтвердили высказанную нами гипотезу о влиянии целостности воспринимающей системы «глаз-голова-тело» на процесс зрительного восприятия.

Проведенное исследование позволяет сделать следующие выводы:

Технология ВР предоставляет уникальные возможности для экспериментальных исследований классических феноменов зрительного восприятия. С помощью этой технологии удалось создать новый тип сенсорных искажений - «вынесение» «виртуальных глаз» наблюдателя вне системы «глаз-голова».

Тестирование двух способов искажений - «вынесение виртуальных глаз» наблюдателя над головой и на колено - в разной степени влияют на функционирование системы «глаз-голова-тело».

константности размера для разных типов искажений показали, что целостность системы «глаз-голова-тело» значимо нарушается только в случае второго типа искажений, при которых происходит рассогласование координации «виртуальных» глаз с системой «голова-тело».

На основании теоретического анализа, а также экспериментальных исследований, описанных в данной главе, можно сформулировать несколько выводов:

1. Виртуальная реальность становится новым эффективным методом исследования в экспериментальной психологии, что может привести к пересмотру категориального аппарата психологической науки. Понятия и феномены, исследованные при помощи традиционных методов, могут быть технологии ВР.

психофизиологических исследований определяется эффективностью взаимодействия специалистов различных областей знаний – математиков, программистов, инженеров, физиологов, психологов.

особенностей, отличающих ее от методов традиционного психологического лабораторного эксперимента. Одни особенности методов ВР могут быть экспериментальной психологии, другие – как новые проблемы, требующие специального, в том числе и методологического анализа.

4. Технологии ВР открывают перед психофизиологией новые возможности в исследовании классической психофизической проблемы взаимоотношения души и тела, мозга и психики. Использование таких психофизиологических показателей как КГР, ЭЭГ, фМРТ позволяют объективно оценить степень погружения человека в виртуальную среду.

5. Экспериментальные исследования, проведенные с использованием технологий ВР, свидетельствуют о том, что при помощи технологии ВР возможно создание нового класса зрительных иллюзий, возникновение которых требует особых принципов организации стимульной среды.

6. Использование HMD технологии виртуальной реальности для изучения адаптации к сенсорным искажениям позволило создать и изучить новый тип сенсорных искажений - «вынесение» «виртуальных глаз»

продемонстрировали важную роль целостности воспринимающей системы «глаз-голова-тело» в процессе зрительного восприятия.

ГЛАВА ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕШТАЛЬТ-МЕХАНИЗМОВ

ФОРМИРОВАНИЯ ИЛЛЮЗИЙ

В данной главе будут представлены экспериментальные данные, тестирующие гипотезу о важной роли механизмов среднего уровня для формирования зрительных иллюзий светлоты. Необходимость исследования механизмов среднего уровня связана с задачами распознавания двумерных изображений. В настоящее время все больше внимания уделяется исследованию различных зрительных признаков группировки при восприятии 2D паттернов. Этот интерес связан с тем, что при наблюдении 2D изображений возникают стойкие зрительные иллюзии группировки, приводящие к неадекватной оценке его параметров. Одним из примеров являются ошибки в диагностике различных заболеваний, основанной на анализе изображений, отражающих пространственную активность мозговых или телесных структур (рентгенограммы, томограммы, электроэнцефаллограммы и т.д.). Стойкие ошибки могут также возникать при визуальном анализе аэрокосмических снимков поверхности земли, приводящие к переоценке или недооценке отдельных параметров дешифрируемого снимка (Зинчук, Меньшикова, 2004).

§6.1. Введение: постановка проблемы Для тестирования положений предложенной нами модели были выполнены экспериментальные исследования восприятия зрительных иллюзий на материале иллюзий светлоты. Выбор этого класса иллюзий был обусловлен следующими причинами. Во-первых, несмотря на то, что их изучение имеет долгую историю, проблема восприятия иллюзий светлоты до сих пор не имеет общепринятого решения. Для их объяснения были предложены различные механизмы, которые можно отнести, используя предложенную нами терминологию, к низшему, среднему или высшему уровням. Мы предполагали, что наши исследования помогут протестировать модели, предложенные другими авторами. Во-вторых, мы предполагаем, что проведенные нами исследования позволят верифицировать предложенную нами модель формирования зрительных иллюзий. В-третьих, данный тип иллюзий имеет сравнительно высокую степень выраженности. Например, в соответствии с полученными ранее данными величина выраженности иллюзий Вазарели и ОСК составляет, в среднем, 20-25 % (Adelson, 2000; Economou et al., 2007; Меньшикова, 2012). Следует отметить также, что для этого класса иллюзий достаточно просто создавать, модифицировать, а также контролировать стимульный материал как в естественных 3D сценах, так и на экранах мониторов.

Важность механизмов гештальт группировки для восприятия зрительных демонстраций, созданных психологами, разработавшими основы гештальт-подхода (см. ГЛАВУ 3, § 3.5). Влияние зрительных признаков группировки и принадлежности было вновь продемонстрировано в созданных недавно зрительных иллюзиях (Tse, 2005; Pinna, Brelstaff, 2000;

Kitaoka, Ashida, 2003).

Как отмечалось в ГЛАВЕ 4, для объяснения восприятия зрительных иллюзий были предложены несколько моделей, которые позволили объяснить отдельные виды иллюзий - иллюзии светлоты (Adelson, 2000), а также классические оптико-геометрические иллюзии (Coren, Girgus,1978). В указанных моделях были выделены гипотетические уровни обработки информации, условно обозначенные как сенсорный, кортикальный и когнитивный. Подобный подход позволил авторам единообразно объяснить несколько различных по виду зрительных иллюзий. Это, в свою очередь, позволило объединить эти иллюзии в отдельные классы по критерию влияния одних и тех же гипотетических механизмов. На основе открытия механизмов латерального торможения, было предложено объяснение нескольких зрительных иллюзий светлоты (Bksy Von, 1967), которое позволило обозначить их как сенсорные иллюзии. Действие этого механизма объясняется работой ON/OFF рецептивных полей ганглиозных клеток сетчатки. Под действием этого механизма формируется нейронный паттерн активности, имеющий максимальный отклик при стимуляции рецептивного поля резким перепадом яркости, и наоборот, незначительную активность при плавном изменении яркости в пределах рецептивного поля. В результате на перцептивном уровне формируется субъективное усиление контраста по яркости в тех участках паттерна, где имеются резкие перепады физической яркости. Если обратиться к иллюзиям светлоты, то было выделено сравнительно небольшое число иллюзий сенсорного уровня, которые объяснялись при помощи действия этого механизма. К ним традиционно относят полосу Маха (рис. 9), гармошку Маха (рис. 44), иллюзию Вазарели, иллюзию одновременного светлотного контраста (ОСК, см. рис. 20) и решетку Германна (рис. 23). Основной особенностью работы механизма латерального торможения является локальность его действия.

Наряду с иллюзиями сенсорного уровня были выделены иллюзии светлоты среднего уровня. Иллюзиями среднего уровня мы назвали те иллюзии, для которых иллюзорный эффект объясняется на основе механизмов группировки и принадлежности элементов паттерна (Меньшикова, Полякова, 2008; Меньшикова и др., 2011). Отметим, что в паттернах этих иллюзий должны отсутствовать монокулярные или бинокулярные признаки глубины, что позволяет, согласно нашей модели, классифицировать их как иллюзии среднего уровня. Действие механизмов среднего уровня распространяется в пределах всего изображения, т.е имеет не локальный, а глобальный характер.

Однако, в последнее время в ряде работ были получены данные, свидетельствующие о том, что некоторые сенсорные иллюзии - иллюзию ОСК, «Решетка Германа», а также полоска Маха не могут быть объяснены на основе только сенсорных механизмов (Logvinenko, Ross, 2005; Schiller, Carvey, 2005; Wallis, Gerogeson, 2012). В упомянутых работах было показано, что трансформация паттернов иллюзии, при которой локальные признаки изображений остаются без изменения, а глобальные признаки группировки его элементов изменяются, приводит к изменению выраженности иллюзий. Это означает, что даже в простых паттернах, составленных из элементарных перепадов яркости, присутствуют как признаки среднего уровня - конфигуративные эффекты элементов изображения, так и признаки высшего уровня – знания о свойствах объектов внешнего мира. А, следовательно, для их объяснения необходимо привлекать также и механизмы вышележащих уровней обработки зрительной информации, таких, например, как эффекты группировки, влияние кривизны линий, типов пересечения линий и др.

Для того, чтобы вычленить в паттерне яркости информацию об окраске и освещении, зрительная система использует несколько зрительных признаков, которые можно классифицировать как признаки среднего и высшего уровней. К зрительным признакам среднего уровня мы относим признаки группировки, принадлежности, пересечения в точке пространства нескольких контрастов, влияния дальнего окружения и др.

Согласно нашей модели, эти признаки активно работают в случае, когда паттерн иллюзии является двумерным (2D) изображением.

Эти данные хорошо согласуются с нашими гипотезами об основных механизмах, лежащих в основе формирования иллюзий. Одно из наших предположений (ГЛАВА 4, § 4.2) утверждает, что средний и высший уровни играют доминирующую роль в процессах формирования иллюзий.

Хотя механизмы сенсорного уровня важны, они, с нашей точки зрения, не значимы для процессов формирования иллюзий. Главным аргументом в пользу превалирования механизмов среднего уровня является тот факт, что большинство зрительных иллюзий представляют собой 2D изображения, а, значит, в них всегда представлены признаки группировки, принадлежности и т.д. Отсюда можно предположить, что зрительные иллюзии, скорее всего, формируются под действием законов конфигурации. Мы задались вопросом, насколько конфигуративные эффекты могут влиять на выраженность иллюзий, которые традиционно относят к классу сенсорных иллюзий.

§6.2 Исследование влияния геометрии линий на выраженность иллюзий Вазарели и одновременного светлотного контраста Для того, чтобы протестировать предположение о том, что так называемые сенсорные иллюзии светлоты не могут объясняться при помощи механизмов низшего уровня, мы провели исследование двух иллюзий сенсорного уровня – иллюзии ОСК и иллюзии Вазарели. Выбор данных иллюзий был связан с тем, что они рассматриваются многими исследователями как иллюзии сенсорного уровня, формируемые под действием низкоуровневых механизмов. Однако, в паттернах этих иллюзий имеются конфигуративные признаки, которые могут влиять на иллюзорный эффект. Одним из них может являться признак геометрии линий, образующих контуры элементов указанных иллюзий. Этот признак не является явным, однако именно на его основе формируется основное свойство изображения – контуры фигуры. В обеих иллюзиях, которые были выбраны нами, фигурой, светлота которой оценивается, являются два квадрата (для иллюзии ОСК) или несколько вложенных квадратов (для иллюзии Вазарели). Идея эксперимента состояла в том, чтобы изменить геометрию образующих контуров, оставив без изменения те участки изображения, которые играют основную роль в формировании этих иллюзий. прямизны границы перепада яркости. Предположим, что в зрительной системе для формирования контура фигуры интегрируется информация о локальном наклоне линий, из которых формируется контур фигуры. Если все локальные наклоны линий, из которых состоит контур, одинаковы, то контур представляет собой прямую линию. Если же локальные наклоны линий не одинаковы, а представляют собой спектр разных наклонов, тогда контур состоит из плавной или ломаной линии.

Процессы формирования контура фигуры могут влиять на процессы оценки светлоты или яркости образованной контурами фигуры. Можно предположить, что зрительная система группирует линии, имеющие разный наклон, из которых состоит контур фигуры. Например, если граница перепада яркости состоит из линий одного наклона (прямая линия), то эффекты группировки очень малы. Если же – из линий разного наклона, то эффекты группировки играют более существенную роль, что может приводить к изменению оценки светоты/яркости, что, в свою очередь, может привести к изменению выраженности иллюзий.

Идея важности прямой границы перепада яркости для оценки светлоты поверхности дискутировалась в ряде современных работ (Logvinenko et al., 2005; Soranzo, Logvinenko, 2005) В них было высказано предположение, что чем более прямой является граница перепада яркости, тем с большей вероятностью зрительная система интерпретирует эту границу как границу освещения. В ситуации, когда границы перепада яркости является не прямой линией, а изогнутой или ломаной линией, зрительная система, вероятнее всего, интерпретирует границу по яркости как границу окраски. Согласно полученным данным, изменение геометрии границы приводит к тому, что окраска фигуры, составленной из ломаных линий, кажется более светлой, чем окраска фигуры, сформированной из прямых линий. Однако, следует отметить, что эффекты интерпретации прямой границы перепада яркости эффективны для иллюзий, где эта граница пересекает все изображение, а не его отдельные части.

Возникает вопрос, как можно изменить геометрию линии контура?

Существует несколько способов его трансформации. Один из приемов изменения конфигурации контуров использовался в работе П. Шиллера и К.

Карвея (Schiller, Carvey, 2005) для доказательства того, что одна из сенсорных иллюзий - иллюзия «Решетка Германна» - не может быть рассмотрена как иллюзия низшего уровня. В указанной работе были исследованы различные модификации иллюзии «Решетка Германна», в которых геометрия линий, образующих иллюзию изменялась различным образом. На рис. 61 представлены некоторые модификации, в которых прямые линии, образующие классический паттерн иллюзии (рис. 56а), заменяются волнообразными (рис. 56б) или пилообразными линиями (рис.

56в).

Рисунок 56. а) - классический дисплей иллюзии «Решетка Германа»; б), в) - модификации иллюзии с волнообразными и пилообразными линиями соответственно [по: Schiller, Carvey, 2005] Иллюзорный эффект классического дисплея состоит в том, что на пересечениях прямых белых полос воспринимаются серые пятна, которых физически не существует. Трансформация геометрии линий (прямые волнообразные или прямые пилообразные) приводит к тому, что иллюзорный эффект полностью исчезает. Подобный эффект исчезновения иллюзии при замене прямых линий на криволинейные (см. рис. 6 а, б) был получен и для иллюзии мерцающей решетки (Geier et al., 2004).

Общепринятое объяснение классической иллюзии «Решетка Германа»

(Jung, Spillman, 1970) состояло в том, что активность рецептивных полей ON-типа ганглиозных клеток, на которые проецировались участки белых и участки пересечений белых полос, была различна. А именно, активность клеток, на рецептивные поля которых проецируются белые полосы, является более высокой, чем активность клеток, на рецептивные поля которых проецируются пересечения белых полосок. В результате полосы кажутся нам «белыми», тогда как их пересечения воспринимаются «серыми» (Baumgartner, 1960). Однако, были выявлены ряд фактов, которые не могли объясняться при помощи предложенного сенсорного механизма.

Так, было показано, что:

• Иллюзорный эффект не зависит от размера изображения;

• Иллюзия «работает» и для негативного паттерна;

организации;

• Пространственные размеры рецептивных полей ганглиозных клеток сетчатки не соответствуют размерам физической стимуляции;

• Иллюзия не уменьшается после предварительной световой адаптации;

Эти, а также ряд других фактов заставили исследователей пересмотреть классическое объяснение иллюзии «Решетка Германна» и выдвинуть гипотезу о том, что в ее формировании главную роль играют не ганглиозные клетки сетчатки, а нейронные ансамбли более высокого уровня, например, ориентационные нейроны первичной зрительной коры V1. Группировка их откликов вдоль прямой линии белых полос приводит к эффекту усиления воспринимаемой яркости, тогда взаимодействие их откликов на пересечениях коридоров – к уменьшению воспринимаемой яркости.

Мы задались вопросом, насколько конфигуративные эффекты подобного типа могут влиять на выраженность других, так называемых сенсорных иллюзий - иллюзии Вазарели и иллюзии ОСК.

Паттерн иллюзии Вазарели состоит из наложенных друг на друга квадратов (рис. 57). Каждый квадрат уменьшается по размеру и увеличивается по яркости на небольшую заданную величину. Иллюзорный эффект состоит в том, что наблюдатели воспринимают яркий светящийся крест, локализованный по диагоналям квадрата, которого физически не существует. Эта иллюзия ранее объяснялась механизмами только сенсорного уровня (Hurvich, 1981).

Рисунок 57. Иллюзия Вазарели (Vasarely illusion, 1966).

Предполагалось, что ганглиозные клетки сетчатки по-разному отвечают на различные участки паттерна Вазарели: их отклик больше, если на рецептивное поле клетки проецируется угол квадрата и меньше, если на рецептивное поле проецируется сторона квадрата. На рис. 57 выделены два указанных типа перепадов яркости. Для первого типа (рис. 57, справа) распределение яркости в пределах рецептивного поля состоит из двух половинок – яркостей соседних квадратов. Для второго типа (рис. 57, слева) распределение яркости состоит из различных яркостей, заполняющих и площади рецептивного поля. Согласно DOG модели работы рецептивных полей сетчатки, отклик ганглиозных клеток на перепад яркости второго типа выше отклика на перепады первого типа. Именно поэтому, согласно классическому объяснению, области вокруг углов квадратов воспринимаются более яркими, чем все другие области паттерна иллюзии.

Характерными зрительными признаками данной иллюзии являются признаки группировки отдельных элементов иллюзии: а) наличие прямых углов в паттерне иллюзии, б) прямые линии перепадов яркости, соединяющие прямые углы, в) градуальность изменения яркости: яркость каждого вложенного квадрата изменяется на малую постоянную величину и г) наличие не менее 15 квадратов в паттерне иллюзии. Требование большого числа вложенных квадратов необходимо для того, чтобы процесс заполнения яркостью промежутка между соседними углами квадратов носил непрерывный характер. Если вложенных квадратов достаточно много (больше 10) и их границы расположены близко друг к другу, включается механизм заполнения (filling-in process), состоящий в том, что промежутки локальных очагов активизации ганглиозных клеток распространяются вдоль линии их активации. Эти нейронные процессы переживаются в субъективном опыте в виде феномена светящегося креста, равномерно распределенного в пространстве по диагоналям квадратов. Для создания этого эффекта важна градуальность изменения яркости квадратов, поскольку процесс заполнения резко уменьшается в случае, если перепады яркости распределены в пространстве не градуально, а случайно. Все перечисленные характерные зрительные признаки очень важны и изменение любого из них может привести к уменьшению (или полному исчезновению) выраженности иллюзии.

Паттерн иллюзии ОСК состоит из двух одинаковых серых квадратов, расположенных на светлом и темном фоне (рис. 58). Иллюзорный эффект состоит в том, что наблюдатели воспринимают верхний квадрат, расположенный на белом фоне, более светлым, нежели нижний, расположенный на черном фоне.

Гипотеза исследования. Наша гипотеза состояла в том, что восприятие иллюзий Вазарели и ОСК не может объясняться работой только механизмов низшего уровня, а является результатом действия механизмов среднего уровня – механизмов группировки. Мы предположили, что изменение геометрии линий, составляющих стороны квадратов, может привести к изменению воспринимаемой яркости креста Вазарели, а также к изменению светлоты тестовых квадратов иллюзии ОСК. Эти изменения могут происходить по следующему правилу: чем сильнее искажена прямая линия, тем сильнее может меняться иллюзорный эффект, и наоборот.

Рисунок 58. Иллюзия одновременного светлотного контраста.

Задачей экспериментального исследования являлось использовать такой зрительный признак группировки, как геометрию линий, соединяющих благодаря которым, во-первых, возможно изменить выраженность иллюзии и, во-вторых, невозможно объяснить эти изменения сенсорными механизмами. Среди зрительных признаков указанных иллюзий был рассмотрен один из основных – геометрия линий, соединяющих углы любого квадрата. Для оценки влияния этого признака на выраженность иллюзий предполагалось построить порядковые шкалы, отражающие вероятность предпочтения выраженности иллюзорного эффекта в зависимости от типа геометрии линий.

Испытуемые. Пятнадцать испытуемых (10 женщин и 5 мужчин в скорректированным до нормального зрением приняли участие в данном исследовании.

признака, как геометрия границ перепадов яркости в 2D изображениях иллюзий светлоты были созданы модификации паттернов, в которых прямые линии заменялись волнообразными и пилообразными линиями. Для обеих иллюзий были созданы 4 модификации классического дисплея, которые осуществлялись по следующим правилам:

• изменялась только конфигурация линий между углами. При этом все остальные параметры изображения - форма углов квадратов, изменения яркости между квадратами, средний уровень яркости изображения оставались неизменными. Сохранение формы углов, а также перепадов яркости во всех модификациях паттернов иллюзий было необходимо для того, чтобы сохранялись одинаковые локальные стимульные условия на углах квадратов как для классического, так и для модифицированных изображений. При этом отклики ганглиозных клеток сетчатки, на которые проецировались углы квадратов оставались бы неизменными, а, следовательно, оставалась бы одинаковой выраженность иллюзорного эффекта, если в ее основе лежат сенсорные механизмы;

• изменение кривизны границ перепадов яркости было проведено так, чтобы площадь квадратов при этом оставалась неизменной;

• угловые отклонения амплитуды колебания кривизны линии для всех изображений были равными и составляли 15 % от размера квадрата.

Мы предполагали, что, если при изменении геометрии линий иллюзорный эффект не изменится, то иллюзии Вазарели и ОСК можно объяснить механизмами низшего уровня. Если же иллюзии изменят выраженность, то необходимо привлечение механизмов среднего уровня обработки зрительной информации.

Классический паттерн иллюзии Вазарели показан на рис. 57.

Изменение геометрии линий для классического паттерна производилось следующим образом: для первого типа трансформации прямые линии заменялись плавными волнообразными линиями (Рис. 59, крайнее слева изображение); для трех следующих типов трансформации прямые линии заменялись пилообразными линиями, зубчики которых были составлены из тупых (120°), прямых (90°) и острых уголков (30°) соответственно. На рис.

59 эти типы показаны на 3-ем, 4-ом и 5-ом слева изображениях.

Рисунок 59. Классический паттерн иллюзии Вазарели (второй слева) и его модификации: крайнее слева – изображение, в котором прямые линии заменялись на волнообразные; 3-е, 4-ое и 5-ое слева изображения, в которых прямые заменялись на пилообразные линии, зубчики которых были составлены из тупых (120°), прямых (90°) и острых уголков (30°) соответственно.

Изменение геометрии линий для иллюзии ОСК выполнялось по аналогичным правилам. Были созданы 4 варианта классической иллюзии ОСК (рис. 65), в которых прямые линии замещались волнообразными линиями (рис. 65, 2-е слева изображение), а также пилообразными линиями, зубчики которых были составлены из тупых (120°), прямых (90°) и острых уголков (30°). На рис. 65 эти трансформации отражены на 3-ем, 4-ом и 5-ом слева изображениях.

Аппаратура. Для предъявления стимулов использовался персональный компьютер IBM PC на базе процессора Athlon 2000, видеокарта NVidia GeForce 4MX, монитор Samsung SyncMaster 757 DFX, 17". Время послесвечения фосфора для монитора не превышало 2 мс. Использовался следующий режим работы монитора: разрешение – 1024х768 pxl, частота Рисунок 60. Классический паттерн иллюзии ОСК (2) и 4 его модификации: 1 – изображение, в котором прямые линии заменялись на синусообразные; 3,4,5 – на пилообразные линии, зубчики которых были составлены из тупых, прямых или острых уголков соответственно.

развертки – 85 Гц, операционная система – Windows 2007. Испытуемые сидели на расстоянии 57 см от монитора. Стабилизация головы испытуемого осуществлялась с помощью штатива, осуществляющего фиксацию его подбородка и лба. Угловые размеры квадратов иллюзии Вазарели составляли величину 15ох15о для максимального квадрата и 3ох3о соответственно для минимального. Угловые размеры остальных квадратов уменьшались пропорционально от максимальной до минимальной величины с равным шагом в 0.6о. Яркость квадратов в иллюзии Вазарели увеличивалась в диапазоне от минимальной -2 кд/м2 до максимальной - 68 кд/м2 с равным шагом в 0.33 кд/м2. Для иллюзии ОСК угловые размеры тестовых квадратов были равны 5ох5о, а угловые размеры темного и светлого фона были равны 15ох15о. Яркость тестовых квадратов, а также темного и светлого фонов была равна 46 кд/м2, 3 кд/м2 и 72 кд/м соответственно. В лабораторной комнате не было никаких других источников света кроме экрана монитора, на котором предъявлялись стимульные изображения. Перед проведением исследования испытуемые в течение 10 минут находились в темноте для адаптации к условиям эксперимента.

Процедура. Эксперимент состоял из 2-х частей. В первой части предъявлялись иллюзия Вазарели и ее модификации, во 2-ой иллюзия ОСК и ее модификации. До начала эксперимента проверялось, воспринимает ли испытуемый тестируемые зрительные иллюзии. Затем на экране монитора предъявлялись попарно все созданные модификации иллюзий, включая классический паттерн иллюзии. Для оценки выраженности иллюзий использовался метод парных сравнений Терстоуна. Испытуемым предлагалось оценить, на каком из двух предъявленных изображений иллюзия выглядит более выраженной. В первой части ему предлагалась следующая инструкция: “Вам будут одновременно предъявляться иллюзии Вазарели. Оцените, на какой из них крест кажется Вам более ярким и четким. Нажмите клавишу 1, если левый более яркий и 2, если правый”. Во второй части предлагалась аналогичная инструкция для тестирования выраженности иллюзии ОСК: “Вам будут одновременно предъявляться 2 иллюзии ОСК. Оцените, на какой из них различие 2-х тестовых квадратов кажется Вам более выраженным. Нажмите клавишу 1, если левая пара тестовых квадратов различается сильнее и 2, если правая пара”. Испытуемого предупреждали о том, что ответы должны даваться быстро, в соответствии с первым впечатлением. В первой и второй частях эксперимента предъявлялось 200 пар, каждая пара по 20 раз. Из предъявлений каждой пары в 10 случаях оцениваемый стимул находился справа от центра экрана, и в 10 случаях – слева. Пары предъявлялись в случайном порядке. Время предъявления каждой пары составляло 1 с., межстимульный интервал составлял 0,5 с. Общее время первой части эксперимента составляло 15 минут, затем делался перерыв в 10 мин., после чего проводилась вторая часть эксперимента (15 минут). После окончания эксперимента испытуемого просили дать самоотчет о том, по какому критерию осуществлялось сравнение паттернов иллюзий, и насколько трудно было сделать выбор между двумя вариантами. На основании ответов испытуемого строилась шкала предпочтений выраженности иллюзий. Статистическая обработка данных проводилась при помощи арифметические вероятности предпочтения, а также среднеарифметические отклонения по всей выборке испытуемых.

Результаты и обсуждение результатов.

В результате проведенного эксперимента были получены порядковые шкалы выраженности иллюзий Вазарели и ОСК в зависимости от содержащей различные типы геометрии линий, рассчитывалась вероятность предпочтения выраженности иллюзии по всей выборке испытуемых.

Результаты представлены на гистограмме (рис. 61).

Рисунок 61. Вероятность предпочтения выраженности иллюзии в зависимости от типа линии, образующей стороны квадратов.

По оси X отложены типы линий, образующих стороны квадратов, по оси Y – значения вероятности предпочтения выраженности иллюзии Вертикальными линиями отмечены стандартные отклонения.

Сразу следует отметить, что как для иллюзии Вазарели, так и для иллюзии ОСК изменение геометрии линий привело к одним и тем же изменениям выраженности иллюзии. Результаты шкалирования выявили порядок предпочтения выраженности иллюзий, который был следующим (в направлении от сильной к слабой выраженности): более выраженными иллюзии казались для паттернов, составленных из волнообразных линий, затем – из прямых линий (классический паттерн). Далее по степени выраженности шли иллюзии, составленные из пилообразных линий, причем в определенной последовательности: более выраженными были паттерны, составленные из линий, образующих тупые углы (120°), затем образующих прямые углы (90°), и, наконец, острые углы (30°).

Для того, чтобы выбрать критерий оценки значимости парных различий, была проведена проверка соответствия формы распределения нормальному, используя критерий Колмогорова-Смирнова. Поскольку этим условиям удовлетворяла лишь часть эмпирических данных, проверку гипотезы о равенстве генеральных средних для всех типов линий проводили с помощью U-критерия Манна-Уитни для независимых переменных. Нулевую гипотезу отвергали для p < 0,05. Оценку разности между значениями вероятности проводили с помощью t-критерия Стъюдента. На основании статистического анализа были выявлены значимые различия восприятия иллюзий Вазарели, составленных из следующих типов линий: «прямая - волнообразная» (t (30) =2.84, p 0.01), «прямая – пилообразная 120°» (t (30) = 2.77, p 0.01), «прямая – пилообразная 90°» (t (30) = 3.52, p 0.005), «прямая – пилообразная 30°» (t (30) = 5.72, p 0.001). Для восприятия иллюзий ОСК с различными типами линий были выявлены следующие различия: «прямая - волнообразная» (t (30) =2.77, p 0.01), «прямая – пилообразная 90°» (t (30) = 2.93, p 0.01), «прямая – пилообразная 30°» (t (30) = 3.44, p 0.05). Не было значимых различий между вероятностями предпочтений для иллюзий ОСК, паттерны которых были составлены из прямых и пилообразных линий с тупыми углами (t (30) = 1.86, p = 0.07).

Полученные шкалы выраженности иллюзорного эффекта показали, что воспринимаемая яркость по диагоналям квадрата для иллюзии Вазарели, а также различия в светлоте тестовых квадратов иллюзии ОСК зависят не только от локальных параметров паттерна иллюзий (различное локальное распределение яркости на углах квадратов и по сторонам квадратов), но и от геометрии линий, связывающих углы квадратов между собой.

Полученные данные показали, что, чем более сильно искажалась прямая линия, на основе которой формировались фигуры в иллюзиях Вазарели и ОСК, тем менее выраженной становится иллюзия. Характер изменения кривизны линий (волнообразный или пилообразный) вносит различный вклад в процесс восприятия иллюзий: линии, составленные из разных по ориентации зубчиков, разрушают иллюзорный эффект, тогда как плавные, медленно меняющиеся по ориентации линии, усиливают иллюзию. Например, для той модификации иллюзии Вазарели, в которой прямые заменялись пилообразными линиями, имеющими острые углы, воспринимаемая яркость креста иллюзии Вазарели уменьшалась наиболее сильно. Этот же вывод можно сделать и для иллюзии ОСК, которая «прямаяпилообразная с острыми углами». В случае, когда прямые линии были менее искажены, а именно, когда прямые заменялись волнообразными линиями, иллюзорный эффект немного увеличивался как для иллюзии Вазарели, так и для иллюзии ОСК.

Большие значения среднеквадратичных отклонений для значений межиндивидуальных различий в их восприятии. Для иллюзии ОСК подобные разбросы в оценках наблюдались и в других исследованиях (Matthews, Welch, 1997; Меньшикова и др., 2013).

Анализ субъективных самоотчетов испытуемых показал, что они использовали различные критерии принятия решения при выборе паттерна с более выраженным иллюзорным эффектом. Например, для иллюзии Вазарели часть испытуемых выбирала стимул, руководствуясь яркостью креста, распределенного вдоль всей диагонали квадрата, в то время как другая часть испытуемых акцентировала свое внимание на центральной части паттерна и оценивала различия яркости центрального участка креста.

Полученные результаты косвенно свидетельствуют о том, что в формировании иллюзий Вазарели и ОСК главную роль играют не механизмы латерального торможения ганглиозных клеток сетчатки, а нейронные механизмы более высокого уровня. Можно высказать предположение, что изменение иллюзорного эффекта обеспечивается взаимодействием ориентационных нейронов первичной зрительной коры V1. Взаимодействие их откликов вдоль прямой линии полосы стимульного перепада яркости приводит к эффекту усиления воспринимаемой яркости, тогда как отсутствие этого перепада на пересечениях полос – к уменьшению их откликов, а, следовательно, к уменьшению воспринимаемой яркости в месте пересечений. Если же прямая линия заменяется на волнообразную, взаимодействия ориентационных нейронов вдоль границы перепада яркости усиливается, что может привести к увеличению иллюзорного эффекта. Напротив, при замене прямой линии на пилообразную, единая ориентация вдоль всей границы перепада яркости заменяется на две оппонентные ориентации. Например, для пилообразной границы, составленной из линий, образующих 90°, это локальные линии с ориентацией в 45° и 135° относительно горизонтали, а для границы, составленной из линий, образующих 60°, это локальные линии с ориентацией в 60° и 120° относительно горизонтали. Наличие оппонентных ориентаций приводит к ослаблению взаимодействий ориентационных нейронов вдоль границы перепада яркости, что отражается в уменьшении выраженности иллюзий. Подобная гипотеза хорошо согласуется с данными по организации и взаимодействию ориентационных нейронов первичной зрительной коры (Хьюбел, 1990).

Наши данные, а также данные других исследователей показывают, что даже самые простые изображения (такие как иллюзия Вазарели, ОСК, Германа») уже являются перцептивно организованными «Решетка паттернами и не могут объясняться локальными механизмами сенсорного уровня.

Проведенное нами исследование позволяет ввести критерий, по которому можно определить принадлежность иллюзорного паттерна к среднему уровню. Если при помощи изменения контекста можно изменить выраженность иллюзии, то тогда ее нельзя классифицировать как иллюзию низшего уровня, а необходимо искать механизмы более высокого уровня для ее объяснения.

На основании экспериментальных исследований, описанных в данной главе, можно сформулировать несколько выводов:

1. Выявлена важная роль механизмов среднего уровня в процессах формирования двумерных зрительных иллюзий. Иллюзии Вазарели и ОСК неправомерно относить к разряду сенсорных иллюзий.

2. Доказано влияние геометрии линий, образующих контуры фигур, на выраженность иллюзий Вазарели и одновременного светлотного контраста.

Показано, что замена локальных прямых линий на волнообразную линию приводила к увеличению иллюзорного эффекта, тогда как трансформация прямой линии в пилообразную линию, составленную из прямых, тупых или острых углов уменьшала выраженность иллюзии. Для обеих исследуемых иллюзий иллюзорный эффект уменьшался сильнее при увеличении угла наклона пилообразной линии.

3. Изменение иллюзорного эффекта при изменении типа линий, образующих фигуру паттерна иллюзии, может объясняться на основе высокоуровневых нейронных механизмов, опосредующие процессы гештальт-группировки, а именно взаимодействиями ориентационных нейронов первичной зрительной коры V1.

ГЛАВА 7. ИССЛЕДОВАНИЕ КОГИТИВНЫХ МЕХАНИЗМОВ

ФОРМИРОВАНИЯ ИЛЛЮЗИЙ ПРИ ПОМОЩИ ТЕХНОЛОГИИ

ВИРТУАЛЬНОЙ РЕАЛЬНОСТИ

§7.1. Введение: постановка проблемы В данной главе будут представлены экспериментальные данные, тестирующие гипотезу о важной роли механизмов высшего уровня для формирования зрительных иллюзий на материале иллюзий светлоты. Для исследования влияния зрительных признаков высшего уровня был выбран зрительный признак глубины, благодаря которому двумерные (2D) паттерны классических иллюзий светлоты были трансформированы в трехмерные зрительные иллюзии. Мы называем трехмерными (3D) те зрительные иллюзии, в которых отдельные элементы (линии, участки разной яркости или цвета) расположены в трехмерном пространстве.

Исследование восприятия 3D иллюзий является одной из новых мало изученных задач. Однако, в последнее время проблемы, связанные с их восприятием, начали активно обсуждаться в научной литературе (Kitazaki, 2008; Redding, Vinson, 2010; Menshikova, 2012). Интерес, который вызывает этот тип иллюзий, связан с несколькими причинами. Во-первых, их исследование поможет понять различия между восприятием 2D и 3D стимуляции, что позволяет выявить особенности взаимодействия человека с виртуальными 3D объектами. Эта проблема является в настоящее время особо актуальной в связи с быстрым развитием и внедрением технологий 3D кино и телевидения. Учитывая эти особенности, возможно создание востребованных в настоящий момент в самых различных областях – производстве, медицине, бизнесе, образовании, индустрии развлечений. Вовторых, полученные данные помогут лучше понять процессы поэтапного формирования зрительных иллюзий, что, в свою очередь может способствовать пониманию нейронных механизмов различных зон мозга, лежащих в их основе. Это поможет создавать нейронные модели процессов восприятия, включив в них информацию о глубине. В-третьих, изучение трехмерных иллюзий позволит на качественно новом уровне проверить различные теоретические подходы к изучению процессов формирования зрительного образа.

В научной литературе исследованию 3D иллюзий уделялось мало внимания. Это связано с нашим повседневным опытом наблюдения окружающих объектов, который показывает отсутствие таких очевидных искажений размеров, формы илиисветлоты, которые возникают при наблюдении классических 2D иллюзий. Кроме того, в ряде работ по исследованию 3D иллюзий было показано, что внесение признаков глубины не влияет на выраженность иллюзии (Van Ittersum, Wansink, 2012; Dalby et al., 1995; Zaidi et al., 1997). Еще одна причина малочисленности работ по исследованию трехмерных иллюзий связана с методическими сложностями проведения экспериментов с 3D объектами. В реальных сценах измерение выраженности отдельного качества 3D объектов проводить достаточно сложно из-за взаимодействия различных зрительных признаков глубины, которое приводит к изменению одного из них при изменении выраженности других. В лабораторных условиях исследования стерео зрения проводились при помощи стереоскопа – прибора для формирования 3D изображений, изобретенного более 150 лет тому назад Ч. Уитстоуном. Стереоэффект возникал, если на каждый глаз наблюдателя предъявлялись незначительно отличающиеся друг от друга плоские изображения, называемые стереограммами (стереопарами). Эта технология позволила исследовать процессы стерео зрения как для элементарных зрительных сцен, состоящих из линий, контуров или простых геометрических фигур, так и для более сложных сцен. В настоящее время стали появляться новые технологии для визуализации трехмерных объектов анаглифические очки, технологии виртуальной реальности (ВР), развитие которых привело к появлению 3D кино и телевидения. С развитием ВР технологий появились новые возможности для исследования стерео зрения, в том числе и для исследования 3D зрительных иллюзий. Программное обеспечение систем ВР позволяет моделировать 3D виртуальные зрительные сцены, в которых различные параметры виртуальных объектов можно менять независимо при полном контроле всех других параметров сцены (Zinchenko et al., 2010). Это позволяет корректно изучать влияние заданного зрительного признака на оценку восприятия свойств 3D объектов.

сформулировать несколько актуальных задач. Представляет интерес узнать, изменится ли выраженность классических иллюзий, если трансформировать их внешний вид из 2D варианта в 3D вариант? Будет ли иллюзорный эффект ослабевать или усиливаться при трансформации 2D 3D паттерна иллюзии? Будут ли зависеть эти изменения от типа иллюзии или от сложности паттерна иллюзии? Какие гипотетические когнитивные механизмы могут лежать в основе этих изменений?

Если обратиться к немногочисленным работам и демонстрациям, посвященным трехмерным зрительным иллюзиям, то можно увидеть противоречивость и неоднозначность полученных результатов. Все исследования можно условно разделить на три группы.

К первой можно отнести исследования, в которых в паттерны иллюзии были добавлены монокулярные признаки глубины. Одни исследования этой группы показали, что добавление монокулярных выраженности иллюзии. Например, на рис. 62 (а,б) представлены изображения иллюзии Эббингауза в классическом 2D варианте, а также в монокулярных зрительных признаков глубины. Изображение иллюзии выглядит как реальная 3D сцена благодаря наличию таких признаков, как распределенные по поверхности шаров тени, отброшенные тени, блики и текстура фона. Сравнение этих рисунков показывает, что для варианта с монокулярными признаками глубины иллюзия выглядит такой же сильной, Рисунок 62. Иллюзия Эббингауза для а) двумерного и б) трехмерного варианта.

как и для 2D классического варианта. Аналогичный эффект устойчивости силы иллюзии при подобных трансформациях был получен в исследовании иллюзии Дельбефа (Van Ittersum, Wansink, 2012). В качестве стимулов использовались классический 2D дисплей иллюзии Дельбефа (рис. 63а), а Рисунок 63. Иллюзия Дельбефа для а) двумерного и б) трехмерного варианта [по: Van Ittersum, Wansink, 2012].

также его модификация, представляющая собой изображение реальных объектов - сэндвича на тарелке (рис. 63б). Иллюзорный эффект для изображений с реальными объектами остался таким же выраженным сэндвичи на маленькой тарелке выглядели большими по размеру, чем на большой.

Однако, в ряде других исследований и демонстраций было показано, что введение в паттерн иллюзии монокулярных признаков глубины уменьшает ее выраженность или может привести к полному исчезновению иллюзорного эффекта (Ярбус, 1950; Knill, Kersten, 1991). Уменьшение силы иллюзии наблюдалось в демонстрации Ярбуса (Ярбус, 1950), где в паттерн иллюзии добавлялись признаки трехмерности и предметности. На материале классической иллюзии Поггендорфа (рис. 64а), были созданы две модификации, в одной из которых в рисунок были внесены зрительные признаки перспективы (рис. 64б), а во второй - зрительные признаки текстуры (рис. 64в), позволившие воспринимать центральную часть рисунка как реальный объект (бревно).

Рисунок 64. Варианты иллюзии Поггендорфа а) классический;

б) с признаками перспективы; в) с признаками предметности.

Первая трансформация привела к уменьшению иллюзорного эффекта, тогда как вторая - к его полному исчезновению. Эта демонстрация позволила автору сделать следующие выводы о влиянии предметности на выраженность иллюзий: чем более реалистичными выглядят детали паттерна иллюзии, тем меньше ее выраженность. Анализируя этот эффект, А. Ярбус отметил важность процессов мышления, благодаря которым корректируются ошибочно воспринимаемые свойства объектов внешнего мира (Ярбус, 1950). Он отмечал, что возникающие иногда иллюзии носят в своей основе приспособительный характер и легко корректируются опытом, накопленным в процессе взаимодействия с внешней средой.

трансформации 2D паттерна иллюзии в 2D изображение с монокулярными признаками глубины был показан на материале иллюзии КрэйкаО’Брайена-Корнсуита в демонстрации Д. Книла и Д. Керстена (Knill, Kersten, 1991), обсуждение которой было проведено в §4.3 Главы 4 данной диссертации.

Ко второй группе исследований можно отнести эксперименты, в которых 2D паттерны иллюзий были трансформированы в 3D сцены при помощи добавления бинокулярных признаков глубины. Общие результаты этой группы также противоречивы. В ряде исследований было показано уменьшение выраженности иллюзии при внесении в сцену признаков диспаратности (Wolff, 1933; Kardos, 1934; Coren, 1969). Основной особенностью этих исследований являлся тот факт, что тестовый участок выдвигался вперед относительно фона, оставаясь копланарным (параллельным) ему. Подобные трансформации приводили к разрыву признака принадлежности теста фону, что могло являться причиной независимой оценки свойств тестового участка. В других исследованиях было показано, что изменение выраженности иллюзии при 2D3D трансформациях зависит от типа иллюзии. Например, в работе, выполненной А. Логвиненко и Дж. Кейном (Logvinenko, Kane, 2004) были использованы две иллюзии светлоты – иллюзия «индуцированная решетка»

(рис. 35) и иллюзия змеи («the Snake illusion», Adelson, 1993). Первая традиционно относится к типу сенсорных иллюзий, обусловленных механизмами низшего уровня, тогда как вторая – к иллюзиям когнитивного типа. Обе иллюзии были выполнены при помощи реальных 3D объектов и предъявлялись так, чтобы их сетчаточные проекции были полностью идентичны проекциям, которые формируется при предъявлении 2D изображений этих иллюзий. Было показано, что при 2D 3D трансформациях наблюдается уменьшение выраженности для иллюзии змеи и неизменность иллюзорного эффекта для «индуцированной решетки». Эти данные позволили авторам предположить, что при преобразовании паттернов зрительных иллюзий в реальные 3D сцены результаты изменения их выраженности несут информацию о том, какими механизмами (сенсорными или когнитивными) обеспечивается их формирование. Было предложено правило разделения зрительных иллюзий светлоты на 2 класса – иллюзии типа Геринга (т.е. сенсорные) и иллюзии типа Гельмгольца (т.е. когнитивные). Суть правила состояла в следующем:

если иллюзия изменяет свою выраженность при внесении в сцену признаков глубины, то иллюзию можно отнести к классу когнитивных иллюзий; если же она не изменяется, ее следует отнести к классу сенсорных иллюзий.

К третьей группе исследований можно отнести эксперименты, в которых иллюзии были составлены из реальных 3D объектов. Например, было обнаружено, что иллюзии Мюллера-Лайера и Понцо, составленные из палочек, расположенных в 3D пространстве, остается такой же выраженной (DeLucia, Hochberg, 1991). Подобный результат был получен и при восприятии иллюзии Поггендорфа, составленной из плоскостей, расположенных в 3D пространстве (Lucas, Fisher, 1969).

Возникает вопрос, с какими причинами могут быть связаны изменения выраженности трехмерных иллюзий? Было высказано несколько предположений. Одно из них основано на гипотезе о том, что в двумерных изображениях представлены только монокулярные зрительные признаки глубины, которые не являются однозначными (Gregory, 1968).

Недооценка или переоценка глубины отдельных элементов изображения может порождать неадекватное восприятие их параметров (длины, светлоты, цвета). Действительно, анализ классических иллюзий показывает, что они представляют собой элементарные 2D изображения, составленные из пересекающихся прямых линий или пятен различной светлоты и цвета. К таким элементарным изображениям можно отнести иллюзии Мюллера-Лайера, Понцо, Германа, одновременного светлотного контраста и многие другие. В этих картинках присутствуют различные монокулярные признаки, которые не позволяют однозначно реконструировать 3D образ, что и приводит к возникновению иллюзий.

Говоря другими словами, 2D изображения воспринимаются неадекватно в связи с тем, что зрительная система человека не приспособлена для этого процесса, поскольку ее задача заключается в воссоздании трехмерного образа внешнего мира. Согласно этой гипотезе, достаточно ввести в сцену однозначные признаки глубины для того, чтобы уменьшить или совсем нивелировать выраженность зрительных иллюзий. Общепринято, что для построения 3D образа зрительная система использует не только трансформационные и окуломоторные. Одним из наиболее значимых признаков глубины для построения 3D образа считается признак диспаратности, который определяется как разность сетчаточных изображений правого и левого глаз (Рок, 1980; Шиффман, 2003; Грегори, 1972). Данная гипотеза подтвердилась в ряде экспериментов, где было показно уменьшение иллюзорного эффекта при введении признака диспаратности в паттерн некоторых зрительных иллюзий (Gregory, Harris, 1975; Gregory, 1968).

Другое предположение об изменении выраженности трехмерных иллюзий связано с представлением о том, что возникновение иллюзий обусловлено механизмами сенсорного уровня. Если возникает идентичные сетчаточные проекции при воздействии 2D изображения или 3D сцены, то процессы обработки сенсорной информации будут идентичны для этих проекций, а следовательно, результатом будут одинаковые иллюзорные эффекты. Некоторые приведенные выше исследовани, показывающие неизменность выраженности иллюзии при 2D3D трансформациях, подтверждают эту гипотезу.

рассмотреть предложенную нами уровневую модель формирования иллюзий. Согласно этой модели, в процессах формирования зрительных иллюзий принимают участие механизмы среднего и высшего уровней. К первым относят механизмы гештальт-группировки отдельных элементов изображения, ко вторым - когнитивные механизмы, связанные со знаниями свойств окружающей среды (Меньшикова, 2006; 2007).

Предложенная модель предполагает, что вклад отдельных уровней в процессы формирования иллюзии определяется наличием определенных зрительных признаков в сцене: для 2D изображений доминируют механизмы среднего уровня, тогда как введение бинокулярных признаков глубины инициирует механизмы высшего уровня (Menshikova, 2006; 2007;

2012).

Высказанное предположение может быть протестировано в специальном исследовании, в котором сравнивается выраженность иллюзий для 2D и 3D изображений одной и той же иллюзии. Основная особенность этого исследования состоит в том, что сетчаточные проекции 2D изображения иллюзии, а также соответствующей ему 3D сцены должны быть идентичны. Это условие является определяющим, поскольку, благодаря ему, исключаются все другие различия 2D и 3D сцен иллюзии, кроме различия, состоящего в наличии/отсутствии зрительного признака диспаратности.

При помощи технологии создания стереоизображений можно ввести признак диспаратности в 2D изображение иллюзии, а именно, изменить ориентацию отдельных элементов паттерна иллюзии таким образом, чтобы они были по-разному локализованы в 3D пространстве. Когда в сцене появляются линии или поверхности различно ориентированные в пространстве, то зрительная система интерпретирует 3D сцену по другим правилам относительно правил, характерных для 2D паттерна. Изменение выраженности иллюзии может происходить по нескольким сценариям, основанным на гипотезах, описанных выше. В первом предполагается, что она может полностью исчезнуть. Это означает, что действие признака диспаратности приводит к подавлению зрительных признаков более низких уровней. В этом случае формирование иллюзии происходит по правилам когнитивного уровня, которые формируют адекватные нивелированию иллюзии. Во втором сценарии предполагается, что при 2D3D преобразовании иллюзия не изменит своей выраженности. Этот гипотетический результат покажет не значимость механизмов высшего уровня для процессов формирования данной иллюзии. В третьем сценарии 2D3D преобразование может привести к изменению выраженности иллюзий: она может уменьшиться или увеличиться в зависимости от действия механизмов высшего уровня. Тогда можно предположить, что включение более высоких уровней обработки информации вносит свой характерный вклад в процессы формирования иллюзии и осуществляется наряду с эффектами нижележащих уровней. Степень и направленность изменений позволит более детально рассмотреть роль когнитивных правил, которые проявляются при появлении признака диспаратности.

В данном исследовании предполагалось изучить когнитивные механизмы формирования 3D зрительных иллюзий на материале иллюзии одновременного светлотного контраста (ОСК). Одним из основных вопросов изучения 3D иллюзий светлоты является вопрос о том, какие 2D3D трансформации ее паттерна. В следующем параграфе будет рассмотрен один из возможных механизмов – механизм константности светлоты, который описывается при помощи перцептивного уравнения, освещенность, рельеф и светлоту.

поверхности, ее рельеф и воспринимаемую освещенность Изменение положения объектов окружающего мира относительно наблюдателя существенно изменяет структуру светового потока, попадающего на светочувствительную поверхность глаза – сетчатку, что приводит к изменению проекции величины объекта, его формы и яркости на сетчатке. Однако, несмотря на изменяющиеся условия наблюдения, мы адекватно воспринимаем присущие объекту качества - его форму, цвет и размер. Вопрос о том, каким образом, имея неоднозначные данные "на входе" зрительной системы, характеристики объектов окружающего мира продолжают восприниматься адекватно, изучался в течение многих лет в рамках различных теоретических направлений и известен как проблема константности восприятия. В психологии зрительного восприятия принято различать два уровня построения образа: сенсорный уровень (образ объекта на сетчатке) и перцептивный уровень (воспринимаемый образ объекта). В классической психофизике предполагается, что каждому параметру объекта в физическом мире можно найти соответствующий параметр на сенсорном уровне, который детерминирует, в свою очередь, параметр на перцептивном уровне. Схему восприятия отдельного параметра можно представить в виде: «физический параметр – сенсорный параметр – воспринимаемый параметр образа». Можно привести много примеров, которые показывают неоднозначность предложенной схемы.

Эта неоднозначность связана с зависимостью промежуточного сенсорного параметра не только от соответствующего физического параметра реального объекта, но и от условий наблюдения. Для объяснения явлений константности восприятия в классических теориях восприятия были предложены компенсаторные правила, с помощью которых зрительная система «исправляет» искажения сетчаточного образа (Boring, 1942;

Holway, Boring, 1941). Позже для объяснения феномена константности была предложена гипотеза инвариантных отношений (Epstein et al., 1961;

Epstein, Park, 1963; Epstein, 1982).

представлений, гипотеза инвариантных отношений не требует использования правил компенсации образа и предполагает, что сенсорный параметр может задавать не один, а соотношение сразу нескольких параметров образа. В рамках этой концепции классическая схема "физический параметр – сенсорный параметр - субъективный параметр образа" трансформируется в схему "два взаимосвязанных физических параметра объекта – сенсорный параметр – два взаимосвязанных воспринимаемых параметра образа". Согласно этой схеме, процесс построения образа представляется как нахождение наиболее вероятного воспринимаемой ситуации. Например, проекция объекта на сетчатке (сенсорный параметр) определяется отношением реальной величины объекта A к его удаленности D от наблюдателя. При построении зрительного образа этот же параметр может задавать отношение видимой величины объекта A к видимой удаленности объекта D. Тогда правило взаимодействия двух воспринимаемых величин A и D можно записать при помощи следующего перцептивного уравнения:

где к – коэффициент пропорциональности.

Были проведены оригинальные экспериментальные исследования, подтвердившие гипотезу инвариантных отношений на материале константности размера (Kilpatrick, Ittelson, 1953; Epstein et al., 1961; Gogel, 1971). Известная иллюзия Эймса (Ames, 1951) с восприятием роста человека в трапециевидной по форме комнате наглядно показывает действие этого уравнения. Зрительные признаки общей сцены (форма окон, рисунок пола, форма часов на стене) были специально подобраны прямоугольную форму. В этих условиях видимая удаленность человека, стоящего в дальнем углу, кажется такой же, как и видимая удаленность человека, стоящего в ближнем углу комнаты. Как следствие, их видимый рост также изменяется: экспериментально показано, что он уменьшается во столько раз, во сколько раз уменьшается проекционный размер человека на сетчатке.

Еще одним примером того, как один сенсорный параметр задает соотношение двух субъективных параметров, является восприятие ахроматического цвета поверхности. Под ахроматическими традиционно понимаются цвета в бело-сеpо-чеpном континууме. Физическим параметром, характеризующим окрашенную в ахроматический цвет поверхность, является коэффициент отражения N, который определяется как отношение интенсивности Y отраженного поверхностью светового потока к интенсивности Е падающего. На сетчатку попадает отраженный от поверхности свет Y, интенсивность которого детерминируется не только коэффициентом отражения, но и интенсивностью падающего на поверхность света. Однако, в образе восприятия представлены субъективные корреляты физических параметров N и Е – это, соответственно, светлота N и воспринимаемая освещенность поверхности Е. В ряде экспериментов было показано, что оценка светлоты происходит с учетом воспринимаемой освещенности поверхности (Beck, 1972; Kozaki, Noguchi, 1976). Дальнейшие исследования этого взаимодействия с использованием иллюзии «обоев» (Logvinenko, Menshikova, 1994;

Menshikova, Luniakova, 1994), позволили сформулировать перцептивное воспринимаемую освещенность E:

где k – коэффициент пропорциональности.

В ряде экспериментов были получены другие инвариантные соотношения: отношение видимой формы и видимого наклона объекта, которое определяется формой проекции объекта на сетчатку (Epstein, Park, 1963; Beck, Gibson, 1955), отношение видимой скорости и видимой удаленности (Rock et al., 1968) и другие.

показывают, что воспринимаемый параметр может детерминироваться не только сенсорным параметром, но и другим воспринимаемым параметром. Его оценка осуществляется в результате «решения»

зрительной системой перцептивного уравнения, в котором неизвестными величинами являются воспринимаемые параметры образа, а известными сенсорные параметры. Процесс построения образа может быть рассмотрен как процесс последовательного решения целой системы перцептивных уравнений (Логвиненко, 1981). Гипотетически его можно представить в следующем виде: в зависимости от общего смыслового содержания видимой сцены зрительная система в качестве нулевого приближения «выдвигает предположение» о выраженности одного из воспринимаемых параметров – например, о воспринимаемой освещенности поверхности. С учетом яркости поверхности, представленной на сетчатке, «вычисляется»

светлота поверхности. Полученное с нулевым приближением решение должно быть непротиворечиво. Если воспринимаемая сцена выглядит не правдоподобно, выдвигается новая гипотеза и процесс решения уравнения продолжается. Когда зрительные признаки несут противоречивую информацию о сцене, система перцептивных уравнений не может быть решена и связность элементов сцены пропадает. Примером такого типа восприятия являются невозможные фигуры (см., например, рис. 40).

Для изучения количественных характеристик процессов взаимосвязей параметров образа необходимо специальным образом организовать экспериментальную ситуацию. Общая схема проведения эксперимента состоит в том, чтобы, оставляя неизменными сенсорные параметры, иллюзорно изменять один из воспринимаемых параметров.

Для этого используются различные зрительные иллюзии, которые дают возможность наблюдать изменение какого-либо параметра образа при иллюзорном изменении другого параметра.

В ряде работ были предложены модели работы зрительной системы, связывающие между собой не два, а три воспринимаемых параметра образа – светлоту, воспринимаемую форму и воспринимаемое освещение (Arend, 1994; Bergstrom, 1977). Общая идея этих работ заключалась в том, что связи между воспринимаемыми параметрами образа отражают связи между соответствующими физическими параметрами объекта. В физическом мире происходят сложные взаимодействия между трехмерной формой, ахроматической окраской, освещенностью поверхности и интенсивностью отражаемого ей светового потока. Сенсорные процессы слишком просты для того, чтобы достоверно отобразить сложные физические взаимодействия между светом, формой и отражательной способностью поверхности. Сетчаточное изображение по сути своей есть неоднозначная проекция внешнего физического мира. Для того, чтобы построить достоверный образ этого мира, зрительная система должна дополнять информацию с сетчатки предположениями о структуре окружающего мира. Эта структура и задается системой перцептивных уравнений, которые связывают характеристики образа восприятия и отражают закономерные связи между соответствующими физическими характеристиками объектов реального мира.

§7.3. Роль зрительного признака глубины при восприятии иллюзий светлоты Введение. В данном исследовании решалась задача выявления роли формирования иллюзий светлоты на материале иллюзии одновременного светлотного контраста (ОСК). В ГЛАВЕ 6 были рассмотрены несколько причин возникновения иллюзии ОСК. К наиболее активно обсуждаемым гипотезам следует отнести гипотезу копланарных отношений (Gilchrist et al, 1999), а также альбедо-гипотезу инвариантных отношений (Kozaki, Noguchi, 1976; Bergstrom, 1977; Logvinenko, Menshikova, 1994;

Меньшикова, 2005).

Первая гипотеза предполагает, что для оценки светлоты зрительная система использует отношение яркости оцениваемой поверхности к Работа поддержана грантом РФФИ № 09-07-00512а яркости окружающих поверхностей. Это отношение рассчитывается для равномерно освещенных участков поверхности. В естественных сценах, как правило, равномерность освещения наблюдается для объектов, лежащих в одной плоскости или в копланарных плоскостях, поэтому светлота оценивается как отношение яркостей для копланарных поверхностей.

Гипотеза копланарных отношений предполагает, что светлота поверхности может быть оценена через отношение ее яркости к яркости других поверхностей в сцене (Wallach, 1963; Land, McCann, 1971). Эта способность всех поверхностей сцены. Для оценки абсолютной отражательной способности в зрительной системе выполняется привязка (anchoring) одной из «вычисленных» относительных величин к некоторой абсолютной величине. Например, предполагается, что самая яркая поверхность сцены является белой (Land, McCann 1971; Wallach 1976;

Gilchrist et al., 1999).

светлота каждого объекта сцены. Однако описанная модель оценки светлоты выполняется только в том случае, если вся сцена освещена одним источником света. В противном случае, когда в сцене есть поразному освещенные поверхности, отношения яркостей будет зависеть не только от отношения окрасок, но и от соотношения интенсивностей хорошо освещенных и затененных поверхностей сцены. В связи с этим предполагается, что оценка светлоты в сложной сцене осуществляется на двух уровнях. На первом выделяются локальные рамки сцены, в пределах которых поверхности освещены одинаково, и в пределах которых производится локальная оценка светлоты в соответствии с «привязкой»

локальной рамки. На втором выделяются глобальные рамки, включающие разно освещенные участки поверхности, в пределах которых оценка осуществляется в соответствии с глобальной «привязкой». Оценка в глабальной и локальной рамках происходит одновременно. Основное отличие оценок состоит в том, что Различия в процессах оценки свеьлоты состоит в том, что в пределах локальных рамок устанавливаются отношения яркости теста к яркости примыкающего фона, а в пределах глобальных рамок - отношения яркости теста к яркости отдаленных участков поверхности. Общая оценка светлоты рассчитывается как средняя величина по локальным и глобальным оценкам. Эта гипотеза получила название гипотезы копланарных отношений (coplanar ratio hypothesis, Gilchrist, 1977), а зрительный признак группировки был назван признаком «копланарности». В ряде исследований показана важность этого признака для оценки светлоты (Taya et al. 1995; Wishart et al. 1997).

Вторая гипотеза, так называемая альбедо-гипотеза, предполагает (Helmholtz, 1866/1962; Kozaki, Noguchi, 1976; Bergstrom, 1977;

Logvinenko, Menshikova, 1994; Menshikova, Lunyakova, 1994; 1996).

Согласно ей, светлота поверхности и ее воспринимаемая освещенность взаимодействуют в процессе формирования образа восприятия. Правило взаимодействия гласит, что если, согласно каким-либо зрительным признакам, воспринимаемая освещенность поверхности переоценивается, то, как следствие, ее светлота недооценивается и наоборот. Этот принцип был использован Г. Гельмгольцем для объяснения иллюзии ОСК. Он воспринимаются как хорошо и плохо освещенные участки, что и приводит к недооценке и переоценке светлоты тестовых центральных квадратов.

Основная проблема этой гипотезы состоит в том, что необходимо объяснить, как зрительная система оценивает воспринимаемую освещенность. К сожалению, этот вопрос до сих пор остается открытым:

не были найдены нейронные механизмы для оценки общего освещения сцены, а также не подтвердились модели оценки общего освещения на основании интеграции локальных освещений. Поэтому остается неясным, каким образом реализуется механизм оценки освещения, который и влияет на оценку светлоты. Несмотря на указанные трудности, были получены данные, которые подтвердили влияние воспринимаемой освещенности поверхности на восприятие ее светлоты (Knill, Kersten, 1991; Logvinenko, Menshikova, 1994; Menshikova, Lunyakova, 1997;

Williams et al., 1998; Menshikova, Nechaeva, 2011).

исследовалось влияние глубины на оценку светлоты поверхности.

Основная идея этих исследований состояла в том, чтобы изменить признаки копланарности поверхностей при помощи изменения положения тестовых поверхностей относительно фона в 3D пространстве. Согласно гипотезе копланарных отношений, это должно привести к изменению оценки светлоты, поскольку локальные связи теста и фона будут нарушены. Некоторые работы по исследованию влияния глубины на предположения. Например, в одной из этих работ (Wolff, 1933) два одинаковых по отражательной способности теста располагались на различных по отражательной способности фонах. Если они были копланарны фоновой поверхности, тогда возникала иллюзия ОСК.

Однако, когда тестовые поверхности были отодвинуты от фона (т.е. были не копланарны фону), выраженность иллюзии ОСК уменьшалась. Эти данные показзали, что взаимодействие тестовой и фоновой поверхностей происходит только в том случае, если они копланарны друг другу. Более поздние работы также тестировали гипотезу копланарных отношений. В работе (Coren, 1969) исследовалось влияние глубины на восприятие светлоты поверхности, используя технологию стереоизображений.

поверхностью. Тестовый серый квадратик располагался рядом с крестом и воспринимался, в одном случае, расположенным в плоскости креста, а в другом – в плоскости фона. Испытуемого просили оценить светлоту теста.