![]() Главная страница Случайная страница КАТЕГОРИИ: АвтомобилиАстрономияБиологияГеографияДом и садДругие языкиДругоеИнформатикаИсторияКультураЛитератураЛогикаМатематикаМедицинаМеталлургияМеханикаОбразованиеОхрана трудаПедагогикаПолитикаПравоПсихологияРелигияРиторикаСоциологияСпортСтроительствоТехнологияТуризмФизикаФилософияФинансыХимияЧерчениеЭкологияЭкономикаЭлектроника |
Пространственные частоты
Любой участок поля зрения, образованный контрастными светлыми и темными участками, можно проанализировать и трансформировать в его пространственную частоту — в число вариаций светимости на определенном участке пространства. Для большей наглядности пространственную частоту можно определить как число циклов чередования темных и светлых полос на данном участке поля зрения. Чем больше полос приходится на единицу площади паттерна, тем выше его простран- 1 Шиффман X. Ощущение и восприятие. СПб.: Питер, 2003. С. 243-253. Тема 17. Экспериментальные исследования восприятия Рис. 1, Типы решеток, под каждым из них представлен соответствующий ему профиль светимости: А — решетка синусоидального типа; Б — синусоидальная решетка с той же частотой, что и А, но менее контрастная; В — решетка квадратурно-волнового типа; Г — синтез квадратурной волны с помощью синтеза Фурье. Сложение компонентов Фурье приводит к аппроксимации квадратурной волны (f представляет собой частоту исходной синусоиды, соответствующей одному циклу) Шиффман X. Анализ пространственной частоты ственная частота. Следовательно, паттерны с высокими пространственными частотами состоят из мелких деталей, паттерны с низкими пространственными частотами — из крупных элементов. На практике пространственной частотой называют число циклов изменения светимости на один градус угла зрения (циклов/градус). Подобное определение связывает единицы измерения пространственной частоты со специфической единицей измерения величины образа на сетчатке — углом зрения <...> и устраняет необходимость специально оговаривать связь между величиной конкретных контрастных участков и расстоянием, с которого они воспринимаются. Решетчатые паттерны и контраст. Решетчатыми паттернами называются паттерны, состоящие из примыкающих друг к другу светлых и темных полос. Они используются в качестве «строительных блоков» при создании сложных зрительных композиций, и в этом заключается их практическая ценность, Примеры типичных решетчатых узоров представлены на рис. 1, А, Б, В. Под каждым узором приведены соответствующие им распределения интенсивности света, называемые профилями светимости. Обратите внимание на то, что полосы решеток, представленных на рис. 1, А и Б, не имеют четких, хорошо очерченных краев, их заменяет постепенный переход от светлых участков к темным. В соответствии с этим профили светимости этих паттернов представляют собой синусоиды, а подобные решетки называются синусоидальными, или синусоидально-волновыми (sine-wave) решетками. Известны также и паттерны, профили светимости которых больше похожи на изломанные прямые, чем на кривые. На рис. 1, В представлен такой паттерн, называемый квадратурно-волновой решеткой. Квадратурно-волновый профиль светимости соответствует серии регулярно повторяющихся темных и светлых полос с четкими краями. Кривая распределения интенсивности, представленная профилем светимости паттерна решетки (под каждым паттерном приводится его профиль светимости), отражает степень контраста, характерную для всего паттерна. Обратите внимание на то, что все узоры, представленные на рис. 1, имеют одинаковое количество циклов, или одинаковую пространственную частоту, но отличаются друг от друга распределением интенсивности, или контраста. Слово «контраст» в данном контексте употребляется для обозначения разницы в светимости темных и светлых полос. Чем больше разница, тем больше и контраст. Ряд Фурье. Каким образом сложная зрительная картина связана с паттернами синусоидальных решеток, о которых мы только что рассказали? Прежде всего вспомните, что визуальный образ представляет собой паттерн освещенностей, т.е. он представляет собой сумму ряда простых компонентов. Используя специальный математический прием, называемый анализом Фурье, можно трансформировать сложное пространственное распределение освещенности всей зрительной картины в 98 Тема 17. Экспериментальные исследования восприятия синусоидальные волны ее простых компонентов, называемые компонентами Фурье, Этот прием основан на теореме Фурье, математическом принципе, сформулированном в начале XIX в, французским физиком и математиком Жаном Батистом Фурье (1768—1830). Коротко ее суть можно сформулировать следующим образом: любой сложный паттерн, состоящий из простых повторяющихся элементов, может быть представлен рядом простых синусоидальных волн. Как сказано выше, ряд Фурье позволяет проанализировать любой паттерн, или зрительный образ, независимо от степени сложности как совокупность синусоидальных волн его/ее компонентов. Точно так же возможно и обратное действие — суммирование синусоидальных волн компонентов для получения сложного паттерна. Этот рекомбинационный процесс называется синтезом Фурье. Пример синтеза Фурье, представленный на рис. 1, Г, показывает, как следует объединить синусоидальные волны f, 3f, 5f и 7f, чтобы образовался паттерн, распределение интенсивностей, или профиль светимости, которого приближается к квадратурной волне f + 3 f + 5 f + 7 f. Обратите внимание на то, что сходство этого распределения с распределением, представленным на рис. 1, В, возрастает по мере того, как надлежащим образом прибавляются более высокие частоты (например, 9f, 11f, 13f). Детекторы пространственной частоты. Предположим, что зрительная система выполняет анализ пространственной частоты сложного объекта. Скорее всего, этот объект, разложенный и проанализированный так, как описано выше, будет содержать участки с высокой и с низкой пространственной частотой и с высокой и низкой контрастностью. Четко просматриваемым, текетурированным участкам зрительного образа будут соответствовать высокие пространственные частоты (с многочисленными изменениями светимости), а участкам, содержащим более грубые, крупные и менее детализированные элементы, — низкие пространственные частоты (с немногочисленными изменениями светимости). Как мы скоро узнаем, есть доказательства существования в зрительной системе детекторов пространственной частоты — специализированных клеток, или каналов, «настроенных» на определенные изменения светимости. Иными словами, в зрительной системе есть некие нейронные единицы, максимально чувствительные к определенным пространственным частотам. Следовательно, исходя из данных об анализе пространственной частоты можно сказать, что наше восприятие любого сложного визуального образа является результатом анализа и синтеза зрительной системой образующих его пространственных частот. А это значит, что мозг реконструирует зрительный образ объекта, интегрируя информацию о разных пространственных частотах, получаемую по разным каналам, стимулируемым его компонентами. Шиффман X. Анализ пространственной частоты Функция контрастной чувствительности Как отмечалось выше, характерными особенностями любого паттерна являются его пространственная частота (т.е. число вариаций интенсивности или светимости) и контраст (различие в интенсивностях между элементами паттерна). Существует определенная связь между пространственной частотой и контрастом: при одном и том же контрасте некоторые пространственные частоты воспринимаются более четко, нежели другие. То, что одни пространственные частоты можно отличить от других при меньшем контрасте, свидетельствует о разной чувствительности визуальной системы к разным пространственным частотам. Это становится очевидным при рассмотрении паттернов пространственной частоты, имеющих разную светимость (рис. 2). На экране представлен неоднородный паттерн синусоидальных решеток, пространственная частота которых возрастает слева направо, а контраст — сверху вниз. Чтобы различить частоты, расположенные в правой части экрана, нужна большая контрастность, чем для того, чтобы различить частоты в левой части, т.е. порог восприятия этих частот
Рис. 2. Паттерн, содержащий синусоидальные решетки, пространственная частота которых увеличивается слева направо, а контраст — сверху вниз. Большинство людей лучше всего видят пространственные частоты в центре. Из-за недостатков полиграфии этот рисунок, на котором плохо видны или вовсе отсутствуют некоторые детали паттерна, может служить лишь приблизительной иллюстрацией Тема 17. Экспериментальные исследования восприятия
Рис. 3. Функция контрастной чувствительности Кривая отражает связь порога светового контраста и чувствительности зрительной системы к разным воспринимаемым ею пространственным частотам. На левой ординате отложены значения порогов восприятия контраста, соответствующие различению каждой частоты, на правой — значения, обратные световым порогам. Средние пространственные частоты видны при меньшем световом контрасте, чем низкие или высокие. Следовательно, зрительная система обладает наибольшей чувствительностью к средним пространственным частотам, равным примерно 3 цикла/градус (вывод сделан на основании определенного изученного интервала частот)1 выше, а чувствительность зрительной системы к ним — ниже. Иными словами, чем меньший контраст нужен для того, чтобы пространственные частоты были видимыми, тем выше чувствительность зрительной системы к этим частотам. Рассмотрим зависимость пороговых уровней контраста и пространственной частоты, характеризующую чувствительность зрительной системы к тому интервалу пространственных частот, для которого определена эта зависимость. Связь между пространственной частотой и пороговыми уровнями контраста называется функцией контрастной чувствительности. Зависимость контрастной чувствительности от пространственной частоты, определенная по данным рис. 2, представлена на рис. 3 в виде функции контрастной чувствительности. Для паттернов с низкими пространственными частотами (т.е. образованных крупными или лишенными деталей участками) порог контраст- 1 См.: Howard LP. Human visual orientation. N. Y.: Wiley, 1982. Шиффман X. Анализ пространственной частоты ной чувствительности высок (левая ордината) и чувствительность относительно низка (правая ордината). Это значит, что для различения паттерна нужен большой контраст. По мере увеличения пространственной частоты (продвижение по экрану рис. 2 слева направо) световой порог, необходимый для различения паттерна, понижается и повышается чувствительность. Однако для паттернов с очень высокими пространственными частотами (они приблизительно представлены в правой части экрана рис. 2) величины световых порогов возрастают и чувствительность понижается. На рис. 3 представлена зависимость физического контраста, необходимого для различения решетки, от пространственной частоты визуального паттерна (или от изменений его интенсивности). Из этого рисунка следует, что число изменений интенсивности — для превращения паттерна решетки в видимый — должно соответствовать пространственной частоте, и эти изменения проявляются наиболее отчетливо в тех случаях, когда они происходят при средних значениях пространственных частот (максимальное число изменений интенсивности соответствует пространственной частоте, равной 3 цикла/град., что согласуется с данными рис. 2). Когда перемены в интенсивности происходят слишком часто (т.е. когда пространственная частота очень велика) или слишком редко (т.е. когда пространственная частота слишком мала), чувствительность к изменениям понижается. Следовательно, зрительная система менее чувствительна к очень низким и очень высоким пространственным частотам, чем к средним. Одна из причин повышенного интереса к пространственной частоте связана с тем, что, как уже отмечалось нами, любой визуальный образ может быть представлен сложным набором паттернов, каждый из которых имеет свою собственную пространственную частоту. Неструктурированные участки визуального образа имеют низкую пространственную частоту, а элементы и участки, содержащие мелкие детали, — высокую. Следовательно, можно сказать, что, в известном смысле, на определенном уровне зрительной системы выполняется Фурье-преобразование пространственных частот, содержащихся в визуальном стимуле, т.е. определяются компоненты Фурье его паттерна. Если такой анализ будет выполнен, визуальная система получит информацию об индивидуальных синусоидальных компонентах (о компонентах Фурье) сложного паттерна. Иными словами, в зрительной системе могут быть дискретные, независимые нейроны (или каналы), каждый из которых «настроен» на определенный, но ограниченный интервал пространственных частот, чувствительность к которому у него максимальна. Один из способов доказательства независимости каналов, обрабатывающих информацию о пространственной частоте, включает использование селективной адаптации. Тема 17. Экспериментальные исследования восприятия Селективная адаптация Наличие в зрительной системе специализированных каналов, воспринимающих пространственную частоту, может быть доказано методом, основанным на селективной адаптации, понятие о которой было введено <.., > при обсуждении феномена последействий. Метод селективной адаптации основан на том, что наблюдатель сосредоточивает свое внимание на определенных характеристических признаках какого-либо объекта (например, на его цвете, форме или присущей данному объекту специфической пространственной частоте). Считается, что пристальное «всматривание» в подобные признаки «утомляет» нейроны или нейронные структуры, стимулируемые ими. На восприятии это сказывается таким образом, что чувствительность к определенному, пристально рассматриваемому признаку предмета уменьшается. Ниже приводится описание эксперимента, доказывающего факт существования селективной адаптации к пространственной частоте. Можно предположить, что наблюдаемое явление — следствие влияния селективной адаптации. Предварительная фиксация взгляда на решетках (рис. 4, А) «утомила» каналы, настроенные преимущественно на восприятие низких пространственных частот (верхний паттерн на рис. 4, А). Это повлияло на восприятие средней пространственной частоты верхнего паттерна (рис. 4, В) таким образом, что она стала казаться выше пространственной частоты «адаптационной» решетки на рис. 4, А. Аналогичным образом адаптация, или усталость, каналов, наиболее чувствительных к высоким пространственным частотам (нижний паттерн на рис. 4, А), приводит к тому, что средняя пространственная частота нижней решетки на рис. 4, Б кажется ниже, чем пространственная частота той решетки, которую вы пристально рассматривали, — решетки на рис. 4, А. Следовательно, если каналы зрительной системы адаптируются (и вследствие этого становятся менее чувствительными) к паттерну с определенной пространственной частотой, восприятие решеток с аналогичными пространственными частотами изменяется именно так, как и следовало ожидать на основании допущения о существовании каналов, специализирующихся на восприятии пространственной частоты, а именно в направлении, противоположном пространственной частоте решетки, вызвавшей селективную адаптацию. Экспериментальное подтверждение
|