Введение к работе
Актуальность проблемі. Важное место в изучении принципов обработки зрительной информации у человека занимают исследования . механизмов зрительного восприятия движущихся объектов. Актуальность втих исследований становится все более очевидной в связи с задачами, стоящими перед исследователями в области естественного и искусственного интеллекта. Известные принципы переработки информации о движущемся объекте могут применяться при разработке робототехнических устройств, а также могут способствовать повышению эффективности работы человека-оператора в решении задач слежения за движущейся целью."
Наблюдая передвигающиеся относительно нас объекты, мы замечаем, что их образы трансформируются при увеличении скорости их движения. Чем больше скорость движения объекта, тем более "размазанными" они воспринимаются. При описании феноменальных трансформаций образа движущегося объекта мы имеем в виду такие изменения образа как утрачивание мелких деталей, подавление видимого контраста, изменение воспринимаемой яркости объекта и, в предельном случае, когда скорость высока, превращение обра?" движущегося объекта в гсімогенную полосу, размазанную вдоль траектории движения. Описанные-феноменальные трансформации назовем смазыванием образа движущегося объекта. В процессе трансформации образа мбкно выделить фазы частичного.смазывания (Brown,1931), характеризующиеся незначительном ухудшением опознания движущегося объекта, а также фазу полного смазывания (Сегтоак, Kofika,1922; Smith,1961), в которой наблюдатель не может опознать движущийся объект. Наша работа была предпринята с целью выяснить, насколько ухудшается опознание движущихся изображений в зависимости от '-'степени их смазывания. Этот вопрос, несмотря на его практическую значимость, остается малоисследованным. В експериментальном плане интенсивно Исследовались лишь скоростные пороги опознания движущихся объектов (di . Silva,1929; Brown, 1958; lilller.Lud-vigh,1962j Graham,1965). Традиционно, вти работы относятся к разделу динамической остроты зрения. Гипотезы для объяснения ушудшения опознания объектов при увеличении скорости их движения (Miller, Ludvigh,1962) сводились либо к неточному огелеамьанию
движущегося объекта, либо к различию в разрешающей способности периферических и фовеальных областей сетчатки. Однако, ети предположения оказались неудовлетворительными, поскольку не выявляли причин, обуславливающих ухудшение динамической остроты зрения. Естественно предположить, что ухудшение динамической остроты зрения происходило вследствие смазывания тех деталей движущегося изображения, по которым наблюдатель производил его опознание, пбвтому проблема динамической остроты' зрения сводится к проблеме смазывания движущихся изображений. В настоящее время не существует строго формализованной модели смазывания движущихся изображений, .проверенной в експерименте.
Предлетал исследовании являются феноменальные трансформации образа движущегося изображения при увеличении скорости его . движения.
Целью исследования является изучение ухудшения успешности опознания движущихся изображений в зависимости от степени их смазывания при помощи классических психофизических методов. Для ВТОГО нам небходимо было а) разработать модель смазывания, дающую возможность количественной оценки феноменальных трансформаций, которые претерпевает образ в процессе движения, б) исследовать ухудшение опознание движущихся изображений и попытаться объяснить полученные результаты на основе предложенной модели. Гипотеза исследования! Наша гипотеза состоит в том, что ухудше-'ние динамической остроты зрения опосредовано феноменальными трансформациями образа движущегося изображения при увеличении скорости его передвижения, то есть смазыванием. Для решения проблемы количественного описания смазывания движущихся изображений необходимо найти 'способ представления образа движущегося изображения. За последние 30 лет успешно развивалось направление исследований сенсорных механизмов зрения, основанное на-линейном частотном анализе. (De Valole, . De Valoie.1980: Kelly, Bur-beok,1984). Возникает вопрос, нельзя ли в рамках втого направле-, ния аналитически описать, а затем експериментально оценить смазывание движущегося изображения? Для ответа на него в проблемной лаборатории восприятия была разработана линейная теория смазывания (Логвиненко и др.,1982). Количественная оценка смазывания, согласно втоя теории, достаточно сложна. Однако в случав, когда движение равномерное и прямолинейное, в стимул является мало-
3 .
контрастным изображением, вту оценку моямо получить в явном виде. Ограничение на велічхшу контраста 'изображения позволяет осуществись линеаризации зрительной системы. В линейных системах анализ изображений эффективное проводить не в пространственно-временных координатах, а в частотных координатах. Это означает, что движущееся изображение момет быть представлю но как суммь движущихся синусоидальных решеток (гармоник), каждая из которых имеет свою амплитуду. ьроетТ'їнеттзеттиуіо и временную частоту и ориентацию. Совокупность частотних гармоник изображения называется его спектром. В технике изменение (усиление иди -подавление) а;.лд:1Г7Д пг'-істреттотр^ннч'ї гармоник спектра изображения называется 2лльтрпштзС. Но»т Г5илп рндимнутн .і'Шіиіеаь, опционе которсЯ, при введенных выше допущениях, смазывание мокет быть представлено как пространственная фильтрация зрительной системой движущихся изображений. Для проверки выдвинутой гипотезы проводилось вкспериментальное исследование смазывания движущихся изображений (человеческие лица). Экспериментальный замысел состоял в сравнении успешности опознания неподвижных изображений, предварительно отфильтрованных согласно линейной теории, смазывания, с успеш-ноот:.;п опознания отих же движущихся нефилъч'рованнкх изображений. Ее.м гипотеза смазывания как процесса пространственной фильтрации правомерна, то успешность опознания долхзій быть один* -свой ь обоих случаях. Для проведения предложенного эксперимента нам потребовалось исследовать ряд других вопросов: 1) количественно описать вид фильтра, при помощи которого необходимо траноформи ровять изображения; 2) определить влияние изменения амплитуд пространственных гармоник спектра изображения на его опознание; 3) провести контроль движений глаз наблюдателя для решения вопроса о том, скорость дистального или проксимального стимула необходимо учитывать при оценке смазашюети движущегося изображения .
Исходя из втого были поставлены следуицие конкретные эаОачи
исследования: ".
1. В рамках подхода, основанного на линейном частотном анализе, описать распределение субъективной яркости движущегося изображения. Найти вид психофизического фильтра (фильтр син:<ныь-ния), посредством которого возможна количественная оценки снизывания движущегося изображения.
2". Количественно определить степень влияния уменьшения амплитуд спектра изображения на его опознание. Проверялась гипотеза, состоящая в том, что опознание ухудшается только тогда, когда амплитуды гармоник становятся подпороговыми. Для решения втой'задачи определялись скоростные пороги различения синусои-. дельной и прямоугольной решеток. ' 3. Оценить успешность опознания неподвижных изображений, отфильтрованных по гипотетическим принципам фильтрации зрительной системой движущихся изображений. На основе полученных данных определить информативность частотных составляющих спектра для опознания таких сложных изображений как человеческие лица.
4. Исследовать успешность опознания движущихся нефильтрованных -изображений и сравнить ее с успешностью опознания неподвижных фильтрованных изображений. Выяснить, скорость дистального или проксимального стимула необходимо учитывать при оценке сма-занности движущегося изображения.
Научная новизна. Впервые предложена строго формализованная модель смазывания движущихся изображений. Показано, что смазывание может быть представлено как пространственная фильтрация зрительной системой движущихся изображений. Введено понятие фильтра смазывания, посредством которого возможно количественно оценить феноменальные трансформации образа движущегося ' изображения. ' Показано, что при допущении линейности и инвариантности зрительной системы фильтр смазывания идентичен временной передаточной функции зрительной системы. Сформулировано понятие информативного спектра изображения, определяемое как пространственные частоты, наиболее значимые 'для опознания изображений данного класса. Теоретическая значимость исследования. Предложено использование частотного подхода к анализу смазывания при восприятии движущихся изображений. Представленная линейная модель смазывания позволяет количественно определить бтепень смазанности движущихся изображений. В модели учитывается пространственное распределение яркости в стимуле, что открывает возможность применения методов Фурье-анализа для изучения смазывания любых по пространственной конфигурации стимулов.
Практическая вначилость исследования. Полученные в данном исследовании результаты могут быть использованы для повышения вффек-тивности работы операторов управления наземными и воздушными
средствами передвижения - летчикоё, водителей транспорта и т. п. Метод количественного оценивания смазывания актуален для решения зэдач проектирования телевизионных систем повышенной точности: с его помощью возможна компенсация негативных последствий смазывания движущихся объектов. Полученные наші результаты могут быть применены специалистами, работающими в области создания искусственного интеллекта, где знание психофизических законов смазывания может помочь в- разработке искусственных органов зрения. Материалы исследования могут быть использованы ітри чтении курсов "Ощущение и восприятие" и "Экспериментальные методы в психологии".
Аппроваи^ля результатов исследования' приводилась на заседании кафедры общей психологии ф-та психологии МТУ- 21 июня 1995 г. Основные результаты по теме диссертации были представлены на Всесоюзном семинаре по измерению в психологии (Звенигород, 1979), 1 Всесоюзной конференции . "Человеке- машинные обучевдие системы" (Телави, 1979) и ХХ11 Международном конгрессе по психологии (Лейпциг, 1980). Содержание работы отражено в 5 публикациях.
Структура дпссержщйи. Диссертация состоит из введения, 4 глав, выводов и библиографии. Ее общий объем составляет 109 стр. Работа содержит 19 рисунков. На защипу выносятся слеОухщіе положения:
-
В рамках линейного частотного анализа возможно аналитическое описание трансформаций образа движущегося изображения в зависимости от увеличении скорости движения. При введении ряда ограничений на параметры стимуляции смазывание можно представить как процесс пространственной фильтрации.
-
Ухудшение опознания движущихся изображений происходит тогда, когда амплитуды пространственных гармоник R их спектре уменьшаются до подпороговой величины.
3.-Опознание неподвижных изображений (человеческих лиц) ухудшается при фильтрации этих изображений посредством фильтра смазывания. Введено понятие информативного спектра изображения, определяемое как пространственные частоты, наиболее значимые для опознания изображений данного класса.
4. Сравнение успешности опознания неподвижных отфильтроыш-них изображений и тех же движущихся нефильтрованных изображений
показывает, что смазывание обусловлено пространственной фильтрацией движущегося изобракешя в зрительной системе. При оценке смазанности движущегося изображения необходимо учитывать скорость проксимального , а не дистального стимула.