ФИЗИОЛОГИЯ ЧЕЛОВЕКА, 2010, том 36, № 6, с. 41-47
УДК 612.821
ИНВАРИАНТНОСТЬ К РАЗМЕРУ ПРИ ВОСПРИЯТИИ ИЛЛЮЗОРНЫХ И ФРАГМЕНТИРОВАННЫХ КОНТУРОВ В ЗАВИСИМОСТИ ОТ ВОЗРАСТА НАБЛЮДАТЕЛЕЙ
© 2010 г. В. М. Бондарко, Л. А. Семенов, С. Д. Солнушкин, В. Н. Чихман
Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН, Санкт-Петербург Поступила в редакцию 01.10.2009 г.
Проведено исследование по изучению инвариантности восприятия к изменению размера изображений у школьников 7—17 лет и взрослых. Использовали два типа стимулов: фрагментированные контурные изображения общеизвестных предметов и круги с вырезанными секторами, при определенном положении которых возникал иллюзорный контур — иллюзия Каниши. Получено достоверное улучшение опознания фрагментированных изображений с увеличением возраста учащихся до 13—14 лет. У школьников 7—12 лет вероятность опознания фрагментированных изображений достоверно увеличивалась с уменьшением размера стимулов, а у остальных наблюдателей не зависела от размера. Полученные данные свидетельствует об отсутствии инвариантности к размеру у учеников 7—12 лет в этой задаче. При возникновении иллюзии Каниши отношения расстояний между кругами к их диаметрам были достоверно меньше для больших кругов. Эти отношения возрастали с увеличением возраста наблюдателей. Результаты исследования указывают на существование зависимости восприятия иллюзии Каниши от размера изображений.
Ключевые слова: иллюзия Каниши, инвариантность к размеру, опознание, фрагментированные контуры, онтогенез.
Инвариантность зрительного восприятия является ключевой проблемой в опознании изображений, привлекающей внимание многих исследователей. Опознание зрительных образов рассматривается в физиологии зрения преимущественно как задача классификации изображений. Один и тот же объект может дать на сетчатке множество неидентичных изображений, отличающихся по положению, размеру, освещенности, ориентации и т.п. Из всех воспринимаемых зрением качеств предметов наиболее постоянным является форма. В исследованиях [1, 2] показано, что при длительном предъявлении стимулов изменение размеров изображений практически не сказывается на опознании их формы, а при ограниченном времени инвариантность проявляется только в некоторых пределах изменения размеров. В условиях краткого предъявления показано, что ошибки распознавания и время реакции не зависят от размера [3, 4]. В противоположность этому в публикациях Л.И. Леушиной, А.А. Невской и М.Б. Павловской [2, 5] цитируются данные работ [6, 7] о зависимости времени реакции от размера изображений при применении методики "same-different". В поведенческих опытах, проведенных на обезьянах и кошках, даже при неограниченном времени экспозиции [8—11] процент правильных ответов существенно падает при изменении размера в два раза в большую или в меньшую сторону. У обезьян этот процент становится близким
к случайному уровню. В монографии В.Д. Глезера [10] отмечено, что проявление инвариантности зависит от выбранного алфавита стимулов и тренировки. Для алфавита, составленного из сильно различающихся изображений, их опознание возможно даже при значительном изменении таких параметров, как ориентация и размер. Таким образом, проявление инвариантности к размеру может зависеть от методики исследования, условий проведения экспериментов и алфавита стимулов.
При изучении механизмов инвариантности используются различные методы исследования, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки. Например, для изучения развития процессов обработки сигналов во времени стимулы предъявляют на короткое время, как правило, с предваряющей и последующей маскировками (так называемыми, прямой и обратной маскировками). Без маскировки вследствие законов суммации для обнаружения объектов большего размера и малого контраста требуется меньшее время, что сказывается на временных характеристиках опознания. Высококонтрастные изображения без маскировки опознаются практически при любом времени предъявления. Примером подобных изображений могут служить грозовые молнии. Поэтому для исследования временных зависимостей используют маскировку. Однако влияние маскировки на обработку зрительных стимулов до конца не изучено. Маскировки могут изменять
процесс обработки сигналов на разных уровнях зрительной системы [12].
Для оценки степени инвариантности применяют зрительные стимулы различного вида, включая контурные изображения [1, 2], точечные паттерны [13], а также неполные (фрагментированные) изображения [14, 15]. Часто при этом авторы приходят к различным выводам. Так, при изучении механизмов интерполяции Жербино и Фантони [16] использовали частично закрытые другими изображениями объекты. В этих условиях исследователи получили зависимость заполнения контура от исходного размера изображений, то есть выявили отсутствие инвариантности по отношению к размеру. При использовании фрагментированных изображений, предъявляемых по методике Голлин-теста, заключающейся в постепенном заполнении контура [14], минимальный процент длины контура, необходимый для опознания изображений, не менялся в широком диапазоне угловых размеров от 1 до 50 угл. градусов. Только в узком диапазоне от 0.19 до 1 угл. град была выявлена достоверная зависимость минимального процента длины контура от размера, что может быть связано с плохой видимостью отдельных участков контура при их малом размере.
Наряду с психофизическими исследованиями механизмов инвариантности, в нейрофизиологических исследованиях, проведенных на кошках, показано, что часть нейронов зрительной коры [17—19] одинаково реагируют на стимулы разного размера (углы, кресты, кресты с разрывами). Эти результаты могут служить основой для наличия инвариантности, наблюдаемой в психофизических и поведенческих экспериментах.
Зрительное восприятие существенно меняется в онтогенезе. Его изучению посвящены многочисленные исследования. Они представляют определенный интерес, поскольку позволяют провести сопоставление изменений в восприятии с данными по морфофункциональному созреванию отдельных структур головного мозга и результатами психофизиологических исследований с использованием регистрации вызванных потенциалов, методов компьютерной томографии позитронно-эмиссионной томографии (ПЭТ) и функциональной магнито-ре-зонансной томографии (фМРТ).
Можно полагать, что у человека механизмы инвариантного описания изображений начинают функционировать на сравнительно поздней стадии онтогенеза, а в раннем возрасте преобладает механизм конкретного описания. В экспериментах Д.А. Фарбер и ТГ. Бетелевой [20], выполненных на детях разных возрастов с предъявлением контурных изображений в правом и левом полуполях зрения, установлено, что дети способны классифицировать изображения по форме независимо от их размеров. Но характеристики классификации (время опознания и тип ошибок) отличаются от аналогичных ха-
рактеристик у взрослых и меняются с возрастом. Только примерно к 13 годам опознание становится подобным взрослому уровню и инвариантным к размеру. В своих исследованиях авторы [20] высказывают предположение, что характеристики опознания изображений как в правом, так и в левом полушарии у маленьких детей такие, которые у взрослых свойственны лишь правому полушарию, и лишь к 13 годам в левом полушарии развивается новый тип опознания по инвариантным признакам. Учитывая эти результаты, можно предположить, что при предъявлении стимулов в центральном поле зрения характеристики опознания также будут меняться с возрастом наблюдателей.
Настоящее исследование направлено на уточнение результатов, полученных при изучении восприятия изображений разного размера. Проведены психофизические эксперименты по изучению механизмов инвариантности у школьников в возрасте от 7 до 17 лет. Результаты этих экспериментов сравнили с данными, полученными в аналогичных условиях на взрослых наблюдателях.
МЕТОДИКА
В экспериментах приняли участие 62 школьника 7—10 лет, 50 школьников 11—12 лет, 48 школьников 13—14 лет, 44 ученика 15—17 лет и 25 взрослых с нормальной или откорректированной до нормального уровня остротой зрения.
При исследовании механизма опознания контурных изображений алфавит стимулов состоял из восьми общеизвестных объектов. Стимулы предъявляли на экране переносного компьютера (ASUS A8J) с размером матрицы 14", временем отклика 8 мс в режиме разрешения 1024 х 768. Из исходных изображений синтезировали фрагментированные изображения, образованные штрихами одинаковой длины. Промежутки между штрихами также имели одинаковую длину. Для каждого объекта были синтезированы изображения трех размеров, вписанные в окружности с диаметрами, равными 762, 508 или 254 пикселям. Таким образом, изображения занимали по высоте весь экран, 2/3 или 1/3 экрана. Для каждого размера толщина линий контура менялась пропорционально размеру и составляла величины 27, 18 или 9 пикселей. Длина штриха и промежутка для малого размера были равны 30 и 60 пикселям, для среднего размера — 60 и 120 пикселям, для большого размера — 90 и 180 пикселям (соответствует степени заполнения контура в 33%). Кроме того, для каждого размера стимула приготовили 3 варианта изображений одного объекта, отличающихся положением штрихов. Один из вариантов предъявляемых изображений показан на рис. 1. Контраст стимулов был равен 0.95. Наблюдатели не были предварительно ознакомлены с алфавитом стимулов. Применяли методику вынужденного выбора: ответ
А
е
Рис. 1. Примеры фрагментированных изображений. В верхнем ряду слева направо показаны изображения: медведь, человек, цветок, корова. В нижнем ряду — лист, ложка, бокал и поросенок.
"не знаю" разрешен не был. Регистрировали как правильные, так и неправильные ответы.
При изучении восприятия иллюзии Каниши в качестве образующих элементов использовали четыре круга с вырезанными четвертями, расположенные на одинаковом расстоянии от центра экрана. В половине случаев предъявления изображений круги имели случайную ориентацию (рис. 2, В), в остальной половине круги с вырезанными четвертями имели фиксированную ориентацию: эти четверти располагались в вершинах квадратов (рис. 2, А
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.