Чувствительность зрения человека к нарушениям в периодических узорах: результаты исследования

Введение в исследование зрительной чувствительности

Математики на протяжении сотен лет проявляли интерес к узорам, которые покрывают плоскость. Например, можно рассмотреть работу Иоганна Кеплера, математика и астронома XVI и XVII веков. В своей книге 1619 года "Harmonices Mundi Libri V" Кеплер обсуждает регулярные узоры, покрывающие плоскость, и приводит отличные примеры. В одном особенно интересном примере (на таблицах после страницы 58) он показывает, как можно покрыть плоскость, используя комбинацию пятиугольников, перевернутых пятиугольников, десятиугольников и звезд.

Определение того, какие геометрические узоры будут покрывать плоскость, представляет собой fascinating problem in mathematics (увлекательную проблему в математике). Известный экспериментальный психолог Фред Аттнив (известный применением теории информации к изучению зрительного восприятия) разработал алгоритм, который производил регулярные узоры, покрывающие плоскость. Пример такого узора, сгенерированного его методом, показан на левой панели Рисунка 2. Процедура Аттнива создает визуальные узоры, которые сильно напоминают традиционное искусство как в Центральной Африке (народ Куба), так и в Шотландии VIII века (искусство пиктов).

Чувствительность к отклонениям от регулярности

Специалисты по зрению давно знают, что некоторые отклонения от однородности/регулярности легко обнаружить, а другие - нет. Трейсман, например, продемонстрировала, что различия в цвете, ориентации и кривизне особенно salient (заметны) и обнаружимы. В качестве примера чувствительности человека к коллинеарности (и отклонениям от коллинеарности) можно рассмотреть эксперимент, проведенный Норманом, Шапиро, Сандерсом и Шером.

Они использовали стимулы, подобные тем, что изображены на Рисунке 3. Фон на обеих панелях состоит из случайно ориентированных точечных сегментов линий. На обеих панелях однородность фона нарушается включением небольшой прямоугольной области, где точечные "сегменты линий" больше не являются коллинеарными, а изогнуты под углом. Когда угол изгиба достаточно велик, легко заметить deviant texture elements (отклоняющиеся элементы текстуры), формирующие прямоугольник. Напротив, если отклонение от регулярности слишком мало, то перцептуальное разделение не происходит.

Фундаментальные исследования текстуры

Мы уже знаем из существующих исследований, охватывающих десятилетия, что человеческие наблюдатели чувствительны к некоторым конкретным отклонениям от однородности/регулярности в различных паттернах. В то же время также верно, что существует множество других текстурных и стимульных irregularitie (нерегулярностей), которые просто не обнаруживаются человеческим зрением. Это интересная дихотомия - некоторые отклонения стимулов highly salient (чрезвычайно заметны) для человеческого зрения, в то время как другие нельзя увидеть вообще, даже though they are physically present (хотя они физически присутствуют).

В настоящее время мы практически ничего не знаем об обнаруживаемости отклонений от perfectly regular patterns (идеально регулярных узоров), которые покрывают плоскость. Основная цель текущего эксперимента состояла в том, чтобы восполнить этот недостаток знаний. Сколько изменения элементов паттерна необходимо, чтобы visibly violate (видимым образом нарушить) периодичность узоров, покрывающих плоскость? Будут ли небольшие неоднородности в периодических узорах highly detectable (легко обнаруживаемыми)? Ответ в настоящее время essentially unknown (практически неизвестен).

Методология исследования

В исследовании использовался Apple M1 iMac с 24-дюймовым дисплеем Retina 4,5K для генерации экспериментальных стимулов и записи суждений наблюдателей после каждого испытания.

Экспериментальные стимулы

Стимульное изображение в любом данном испытании представляло собой либо "regular" pattern (регулярный узор), сгенерированный алгоритмом Аттнива, либо один из узоров Аттнива, который был altered (изменен) путем поворота некоторого процента его составляющих сегментов линий на 90 градусов (таким образом нарушая периодичность). Узоры были двух типов: low density (низкая плотность) и high density (высокая плотность).

На каждом испытании один из таких узоров предъявлялся в течение 0,5, 1,0 или 1,5 секунд. Узоры просматривались через circular aperture (круглую апертуру), которая сама была установлена в пределах окна 1000 на 1000 пикселей. Расстояние просмотра составляло 100 см.

Процедура эксперимента

Каждый наблюдатель участвовал в шести экспериментальных условиях, образованных ортогональной комбинацией трех величин perturbation magnitude (величины возмущения) и двух плотностей текстуры. Манипуляция величиной возмущения и плотностью текстуры была within subjects (внутри испытуемых), а манипуляция длительностью стимула была between subjects (между испытуемыми).

Для каждого наблюдателя проводился отдельный блок из сорока trials (проб) для каждого из шести условий. Задача наблюдателей для каждого блока просто consisted of indicating (состояла в указании) после каждого испытания, был ли представлен регулярный или измененный узор. В конце эксперимента каждый наблюдатель сделал в общей сложности 240 суждений. Обратная связь о производительности не предоставлялась наблюдателям до тех пор, пока они не завершили эксперимент.

Участники исследования

Наблюдателями были 21 взрослый из местного сообщества. Одна группа из семи наблюдателей просматривала стимульные узоры в течение 1,5 секунд, другая группа из семи наблюдателей просматривала стимульные узоры в течение 1,0 секунды, а последняя группа из семи наблюдателей просматривала узоры в течение 0,5 секунд. Все наблюдатели были completely naïve (полностью наивны) в отношении целей и деталей эксперимента.

Результаты исследования

Различные аспекты результатов наблюдателей показаны на Рисунках 6 и 7. Мы оценили способность наблюдателей к discriminat (различению) узоров в терминах d' (d-prime), меры перцептивной чувствительности signal detection theory (теории обнаружения сигналов).

Затем значения d' были подвергнуты three-way split-plot analysis of variance (трехфакторному дисперсионному анализу с разделенными plot-ами). Во-первых, был большой эффект pattern density (плотности паттерна). Также был значительный эффект magnitude of pattern alteration (величины изменения паттерна), хотя он был меньше по величине. Взаимодействие плотность × величина изменения не было значительным.

Потенциальный эффект длительности стимула не был значительным. Результаты для всех отдельных наблюдателей во всех экспериментальных условиях показаны на Рисунке 7. Средняя производительность различения численно увеличивалась по мере увеличения длительности стимула. Однако на Рисунке 7 также видно extensive amount of interobserver variability (обширное количество межиндивидуальной изменчивости) в производительности, которое произошло в каждом условии длительности.

Обсуждение результатов

В 1996 году Рао и Лосе провели fascinate (увлекательный) и важный эксперимент; их целью было определить, "какие текстуры features (особенности) важны в восприятии текстуры" и работать towards creating (над созданием) системы наименования текстур. Исследование Рао и Лосе демонстрирует, что человеческие наблюдатели perceptually sensitive (перцептивно чувствительны) к регулярности/повторяемости и отклонениям от нее.

В нашем текущем эксперименте наблюдателей просили различать perfectly regular visual patterns (идеально регулярные визуальные узоры), которые покрывают плоскость, и узоры, которые были изменены так, что регулярность/повторяемость была reduced (снижена) в varying degrees (разной степени). Рао и Лосе пришли к выводу, что они "identify the three most significant dimensions of texture (определили три наиболее значимых измерения текстуры)" на основе исследования. Таким образом, наблюдатели в нашем текущем эксперименте различали текстуры patterns that varied along one of the fundamental dimensions of human texture perception (узоры, которые варьировались вдоль одного из фундаментальных измерений человеческого восприятия текстуры).

Нейрофизиологические основы

Существуют также нейрофизиологические свидетельства из данных functional magnetic resonance imaging (фМРТ) (см. Kohler, Clarke, Yakovleva, Liu, & Norcia). В contrast to (отличие) от корковой области V1, где нейроны реагируют на основные особенности изображения, такие как ориентированные контуры и цвет, Kohler et al. продемонстрировали, что extrastriate cortical areas (экстрастриарные корковые области), такие как V3, V4, VO1 и LOC (lateral occipital complex - латеральный затылочный комплекс) в human visual system (человеческой зрительной системе), чувствительны к регулярности/повторяемости периодических узоров, покрывающих плоскость.

Сравнение с предыдущими исследованиями

Существует небольшое количество preexisting research (предшествующих исследований) с участием различения периодических узоров, покрывающих плоскость. В Эксперименте 1 Ландвера он показывал наблюдателям четыре текстурированных узора, покрывающих плоскость. Один отличался от трех других по типу underlying pattern type (базового типа узора).

Хотя большинство наблюдателей Ландвера выполняли задачу различения периодических узоров выше chance levels (уровня случайности), его задача была quite challenging (довольно сложной). Производительность наших наблюдателей в текущем исследовании для высокоплотных узоров была much higher (намного выше).

Влияние плотности паттерна на восприятие

Самый большой эффект, полученный в текущем эксперименте (эффект плотности паттерна), очень похож на phenomenal demonstrations (феноменальные демонстрации), опубликованные Белой Джулесом в 1975 году. Джулес пришел к выводу, что "if the periodic distance is sufficiently reduced, the periodicity of random arrays can be perceived immediately (если периодическое расстояние достаточно уменьшено, периодичность случайных массивов может восприниматься немедленно)".

Наш эффект плотности (производительность для высокоплотных узоров намного выше, чем для низкоплотных узоров) согласуется с феноменальной демонстрацией, предоставленной Джулесом. В наших высокоплотных узорах periodic distance (периодическое расстояние) намного меньше, и поэтому повторение периодических узоров much more visible (намного более заметно), что приводит к much higher discrimination performance (намного более высокой производительности различения) со стороны наших наблюдателей.

Выводы и ограничения исследования

В этой оценке способности human vision (человеческого зрения) обнаруживать нерегулярности в periodic tiling patterns (периодических узорах покрытия) мы обнаруживаем, что производительность quite good (довольно хороша), пока соблюдаются ограничения стимулов, отмеченные Джулесом. Человеческие наблюдатели могут reliably discriminate (надежно различать) идеально регулярные периодические узоры, покрывающие плоскость, и те, которые были изменены, при условии, что периодическое расстояние между повторениями basic pattern (базового узора) sufficiently small (достаточно мало).

В то же время произошли large individual differences in performance (большие индивидуальные различия в производительности). Причина этих индивидуальных различий в производительности различения для одних и тех же экспериментальных условий остается unknown (неизвестной). Одна важная цель для future research (будущих исследований) будет состоять в том, чтобы исследовать и, hopefully understand (надеюсь, понять) такие индивидуальные различия в visual pattern discrimination (зрительном различении паттернов).

Важное открытие: Исследование демонстрирует, что человеческое зрение обладает умеренной чувствительностью к нарушениям периодичности в регулярных узорах, при этом наивысшая производительность достигается при малых пространственных масштабах повторения элементов паттерна.

Ограничения и перспективы будущих исследований

Возможно, что существует некоторый фактический эффект длительности стимула, но наш относительно небольшой sample size (размер выборки) и выбор манипуляции этой переменной between subjects (между испытуемыми) не позволили нам обнаружить его. Для оценки потенциального эффекта длительности потребуются будущие исследования, оценивающие длительность как within-subjects variable (внутрисубъектную переменную), или больший размер выборки.

Понимание механизмов, лежащих в основе обнаружения нарушений регулярности в визуальных паттернах, имеет важное значение для различных приложений, включая компьютерное зрение, дизайн интерфейсов и понимание fundamental principles of visual perception (фундаментальных принципов зрительного восприятия).