Психофизиологические особенности зрительных механизмов пространственного группирования в задаче обнаружения модуляции текстур

На правах рукописи

БОЖИНСКАЯ Марина Александровна

ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ЗРИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ ПРОСТРАНСТВЕННОГО ГРУППИРОВАНИЯ

В ЗАДАЧЕ ОБНАРУЖЕНИЯ МОДУЛЯЦИИ

ТЕКСТУР

Специальность 19.00.02 – «Психофизиология»

(психологические науки)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата психологических наук

Ростов-на-Дону

2007

Работа выполнена на кафедре психофизиологии и клинической психологии факультета психологии Южного федерального университета

Научный руководитель - доктор биологических наук

Бабенко Виталий Вадимович

Официальные оппоненты: доктор психологических наук,

доктор медицинских наук, профессор

Рыбников Виктор Юрьевич;

кандидат психологических наук, доцент

Эксакусто Татьяна Валентиновна

Ведущая организация - Московский государственный университет

имени М.В. Ломоносова

Защита диссертации состоится «29» мая 2007 г. в 16 часов 15 минут на заседании диссертационного совета Д - 212.208.04 по защите диссертаций на соискание ученой степени кандидата психологических наук при Южном федеральном университете по адресу: 344038, г. Ростов-на-Дону, пр. Нагибина, 13, факультет психологии, ауд. 222.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Южного федерального университета по адресу: 344006, г. Ростов-на-Дону, ул. Пушкинская, 148.

Автореферат разослан «27» апреля 2007 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат психологических наук,

доцент Тащёва А.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность исследования. В первой половине ХХ века М. Вертхеймер, К. Коффка, В. Келлер и ряд других представителей гештальт-психологии обнаружили в зрительной системе человека перцептивную организующую тенденцию воспринимать мир в виде когерентных, целостных форм, доминирующих над восприятием их элементов. Этот факт положил начало многолетнему противостоянию двух подходов к решению проблемы целостности восприятия: управляется ли данный процесс «снизу», то есть свойствами самой зрительной сцены, или же направляется «сверху» путем выдвижения и проверки гипотез.

В результате многолетних исследований ряда авторов была сформирована общая точка зрения, заключающаяся в том, что процесс зрительного восприятия можно условно разделить на два этапа. Первый осуществляется параллельно по всему полю зрения и состоит в выделении «первичных признаков», отражающих локальные свойства изображений. В психологической литературе этот досознательный этап восприятия, направляемый «снизу», обозначается как «сенсорная регистрация» [Broadbent D.E., 1957; Deutsch J.A., Deutsch D., 1963; Kahneman D., 1973]; или «перцептивная инициация» [Бехтель Э.Е., Бехтель А.Э., 2005]. На следующем этапе, направляемом «сверху», избирательное внимание, выполняющее функцию селективного фильтра, последовательно пропускает информацию с выхода преаттентивного этапа обработки на уровень опознания.

Очевидно, что именно при переходе от параллельной стадии анализа к последовательной происходит объединение локальной информации в когнитивные блоки, что и обеспечивает целостность восприятия. Но до сих пор остается не ясным, каким образом организован этот процесс, управляется он «снизу» или «сверху», реализуется преаттентивно или с помощью избирательного внимания.

Нейрофизиология внесла неоспоримый вклад в понимание организации этапов локальной зрительной обработки, но при попытках решения вопросов, связанных с глобальным описанием сцен, столкнулась с очевидными методическими трудностями. Необходимость изучения процессов восприятия на системном уровне выводят сегодня на первый план психофизиологию и психофизику. Проблема объединения локальной информации в целостный перцептивный образ становится, по мнению многих авторов, ключевой в понимании принципиальных вопросов, связанных с организацией зрительного восприятия [напр., Ганзен, 1974; Кроль, 1998, Ledgeway T. et al., 2005; Kennedy G.J., 2006]. Без ее решения невозможно понять, из каких когнитивных блоков формируется образ, что собой представляют хранящиеся в памяти эталоны, как обеспечивается константность восприятия, как организован сам процесс узнавания.

Удобным инструментом изучения механизмов пространственного группирования являются модулированные текстуры. Зрительная система человека объединяет пространственно распределенные сигналы естественных сцен, чтобы получать информацию о расположении и удаленности объектов (модуляции контраста), структуре их поверхностей (модуляции ориентации), об их пространственной глубине (модуляции пространственной частоты).

Цель работы – изучение психофизиологических особенностей зрительных механизмов пространственного группирования, обеспечивающих обнаружение текстурных модуляций.

Объект исследования: процесс зрительного восприятия на этапе перехода от параллельного локального анализа зрительной сцены к ее глобальному описанию.

Предмет исследования - психофизиологические механизмы обнаружения модуляции контраста, ориентации, пространственной частоты.

Гипотезы исследования.

1. Группирование пространственно распределенной информации осуществляется в зрительной системе человека параллельно, автоматически, т.е. имеет преаттентивную природу.
2. Группирование пространственно распределенной зрительной информации осуществляется по определенному универсальному алгоритму путем объединения фильтров первого порядка на механизмах второго порядка.
3. «Сложность» зрительного поиска, определяемая пространственной вариативностью целевого стимула, находит отражение в особенностях пространственно-временной организации ЭЭГ.
4. В зрительном поиске целевых стимулов разной сложности задействованы различные области коры больших полушарий.

Задачи исследования.

Теоретические задачи:

1. Осуществить анализ литературы по проблеме целостного восприятия.
2. Провести аналитический обзор исследований, посвященных проблеме группирования локальной информации.
3. Проанализировать возможность применения методов зрительного поиска и анализа электрической активности мозга для исследования механизмов пространственного группирования.

Эмпирические задачи:

4. Используя задачу зрительного поиска, исследовать природу механизмов пространственного группирования локальной информации.
5. Определить, имеется ли связь между пространственными настройками фильтров первого и второго порядка.
6. Выявить особенности пространственно-временной организации ЭЭГ в зависимости от «сложности» задачи зрительного поиска.
7. Определить области коры, задействованные в решении задач зрительного поиска разной сложности.

Методологические и теоретические предпосылки исследования.

Теории сенсорно-перцептивной организации и теории восприятия [Ананьев Б.Г., Барабанщиков В.А., Бардин К.В., Ганзен В.А., Гибсон Дж., Глезер В.Д., Грегори Р., Забродин Ю.М., Запорожец А.В., Зинченко В.П., Марр Д., Найсер У., Хьюбел Д., Шехтер И.С.]; концептуальные модели организации механизмов пространственного группирования [Бабенко В.В., Chubb C., Graham N., Kingdom F.A., Malik J., Moulden B., Morgan M.J., Landy M.S., Sutter А., Sperling G., Treisman A.M., Wilson Н.Р. и др.]; теории ранней [Broadbent D.E.] и поздней селекции внимания [Deutsch J.A., Deutsch D.]; модельные представления когнитивной психологии о селективном внимании [Crick F., Hulbert A., Norman D.A., Posner M.I., Shulman G.L., Sperling G., Treisman A., Theeuwes J.]; ресурсный подход в когнитивной психологии [Kahneman D., Zohary E.], теория динамической мозговой организации высших психических функций [Лурия А.Р.]

Методы исследования: теоретический анализ литературы по проблеме исследования, лабораторный эксперимент, методы статистические обработки результатов.

Методический инструментарий исследования представлен психофизическими (метод постоянных раздражителей) и психофизиологическими методиками: зрительный поиск, регистрация и анализ электроэнцефалограммы, регистрация связанных с событием потенциалов (ССП), анализ локализации эквивалентных токовых диполей.

Основу экспериментальной установки составлял персональный компьютер с процессором Celeron 350 МГц, видеокартой Dimond A200, монитором ViewSonic G655 с диагональю 15”, а также сертифицированный электроэнцефалограф-анализатор «Энцефалан-131-03» версия «Элитная-М» 5.4-10-2.0 (20.04.2006), производства МТБ «Медиком», г. Таганрог.

Применялись стандартные методы математической статистики: метод линейной интерполяции Вундта, Z-преобразование Фишера, усреднение, регрессионный анализ, однофакторный дисперсионный анализ (ANOVA) [Владимирский Б.М., 2004; Сидоренко Е.В., 2006]. Расчеты производились с использованием пакета прикладных программ «EXCEL 7.0», «STATISTIKA 6.0», а также пакета математических и инженерных вычислений «MATHLAB 7».

Характер выборки. В исследовании приняли участие 25 испытуемых мужского и женского пола в возрасте от 18 до 50 лет с уровнем образования от неполного высшего до высшего. Широкий возрастной диапазон респондентов позволил выявить закономерности, не зависящие от этапов онтогенетического развития обследуемых.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Обнаружение модуляций текстур осуществляется параллельно (непреднамеренно и без ограничения ресурсов) с помощью механизмов пространственного группирования, имеющих преаттентивную природу.
2. Пространственное группирование информации в зрительной системе человека осуществляется путем универсального объединения фильтров первого порядка на фильтрах второго порядка. При этом пространственные настройки механизмов группирования и механизмов, осуществляющих локальный анализ изображений, взаимосвязаны. В результате область пространственного объединения (огибающая) определяется пространственно-частотной настройкой фильтров первого уровня (несущая).
3. По характеру пространственно-временной организации ЭЭГ поиск модулированных текстур занимает промежуточное положение между параллельным поиском немодулированных текстур и последовательным поиском «сложных» целей. Это отражает включение в процесс параллельного поиска специализированных механизмов пространственного группирования.
4. Корковая локализация фильтров второго порядка, обеспечивающих группирование локальных признаков, близка к локализации фильтров первого порядка, обеспечивающих обнаружение самих локальных признаков.

Научная новизна.

Впервые в задаче зрительного поиска получены доказательства преаттентивной природы зрительных механизмов пространственного группирования, обеспечивающих обнаружение модулированных текстур.

Впервые продемонстрирована универсальность правил группирования при объединении информации о пространственном распределении контраста, пространственной частоты и ориентации.

Выявлены особенности пространственно-временной организации ЭЭГ, связанные с процессами зрительного пространственного группирования.

Впервые с помощью метода локализации эквивалентных токовых диполей определены области коры, участвующие в решении задачи поиска модулированных текстур.

Теоретическая и практическая значимость исследования.

Полученные в работе новые факты позволили значительно расширить существующие представления о механизмах, обеспечивающих переход от локального к глобальному описанию зрительной сцены. Изучение правил пространственного группирования локальной информации является необходимым этапом в понимании того, как обеспечивается масштабная инвариантность описания, как формализовать понятие «точки интереса», из каких когнитивных блоков формируется образ, как организован сам процесс опознания.

Практическая значимость результатов работы определяется в первую очередь возможностью их использования при разработке новых информационных технологий. Определение алгоритма пространственного группирования является важным этапом создания нового поколения систем технического зрения. Результаты работы могут быть использованы в эргономике при решении вопросов оптимизации представлений визуальной информации, а также при разработке новых методов реабилитации слабовидящих путем специальной тренировки поиска «точек интереса».

Достоверность полученных результатов обеспечивается методологической обоснованностью общего замысла исследования, использованием адекватных исследовательских процедур в соответствии со стандартами современной экспериментальной психологии, достаточным объемом эмпирического материала, применением современных математических процедур обработки данных и анализа результатов, адекватных типу эмпирического материала и проверяемым гипотезам.

Апробация работы.

Материалы исследования были представлены на XXXI – XXXIII Неделях науки биолого-почвенного факультета Ростовского государственного университета (Ростов-на-Дону, 2003-2005гг.); на научно-технической конференции по «Технологии живых систем» (Москва, 2004); на Седьмой Всероссийской медико-биологической конференции молодых исследователей «Человек и его здоровье» (Санкт-Петербург, 2004); на первой ежегодной научной конференции студентов и аспирантов базовых кафедр Южного научного центра РАН (Ростов-на-Дону, 2005); на Всероссийской конференции молодых исследователей НЦ РАН «Физиология и медицина» (Санкт-Петербург, 2005); на четырнадцатой Международной конференции по нейрокибернетике, посвященной 60-летию Победы советского народа в Великой отечественной войне и 90-летию Ростовского государственного университета (Ростов-на-Дону, 2005); на научно-практической конференции факультета психологии Санкт-Петербургского государственного университета «Ананьевские чтения» (Санкт-Петербург, 2006); на 29-й европейской конференции по зрительному восприятию (ECVP) (Санкт-Петербург, 2006); на научно-практической конференции ИП РАН «Психофизика сегодня» (Москва, 2007); на юбилейной научной конференции ИП РАН «Тенденция развития современной психологической науки» (Москва, 2007).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 13 работ общим объемом 2,23 п.л. (в том числе 1 статья – в журнале, рекомендованном ВАК МО РФ, 1 публикация в зарубежном журнале, а также патент на изобретение А61В 3/113, № 2270598, от 27.02.2006 г.).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения; трех глав; обсуждения результатов исследования; заключения, включающего выводы и перспективы дальнейшего исследования проблемы; списка литературы (252 источника, в том числе 184 на иностранном языке) и 2 приложений. Объем основного текста диссертации составляет 122 страницы, текст иллюстрирован 52 рисунками и 17 таблицами, часть из которых вынесены в приложения.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность исследования; определяются его цель, объект, предмет; формулируются гипотезы, задачи; определяются методы; раскрываются научная новизна, теоретическая и практическая значимость исследования; выдвигаются положения, выносимые на защиту.

В первой главе «Непреднамеренное восприятие: организация и механизмы» в ходе аналитического обзора литературы последовательно рассматривается ряд вопросов.

В первом параграфе «Группирование пространственно распределенной зрительной информации как предпосылка перцептивной целостности» в качестве ключевого к решению проблемы целостного восприятия поднимается вопрос о механизмах группирования локальной информации в когнитивные блоки. Анализируются подходы к ее решению. При этом принципиальным является вопрос, на каком этапе реализуется пространственное группирование [Driver J. et al., 2001; Grossberg S., 1999; Julesz, 1975; Neisser U., 1973; Shiffrin R.M., Schneider W., 1977; Theeuwes J., 1993; Vecera S.P., Farah M.J., 1997]. Теоретически существуют два возможных варианта объединения «первичных признаков». Либо группирование происходит последовательно в результате направления внимания на ту или иную часть поля зрения, либо осуществляется параллельно на стадии довнимания. Подчеркивается дискуссионность вопроса о природе механизмов пространственного группирования и необходимость его решения.

Во втором параграфе «Нисходящий» подход к проблеме группирования пространственно распределенной зрительной информации» рассмотрены работы ряда авторов, получивших свидетельства в пользу положения о нисходящей направленности процессов группирования [Ben-Av M.B. et al., 1992; Sharikadze M. et al., 2005; Treisman A.M., 1982, 1988, 1993; Treisman A.M., Gelade G., 1980; Treisman A.M., Sato S., 1990; Wolfe J.M. et al., 1989, 1990, 1994; Wolfe J.M., 1996 и др.] Опираясь на теорию интеграции признаков [Treisman A.M., Gelade G., 1980], исследователи исходят из предположения, что объединение первичных (локальных) признаков изображения осуществляется с помощью избирательного внимания, направляемого эфферентно. А окончательное объединение признаков, попадающих в «прожектор внимания», происходит в так называемом «центральном интеграторе», который и управляет вниманием.

В третьем параграфе «Восходящий» подход к проблеме группирования пространственно распределенной зрительной информации» рассмотрен афферентный подход к проблеме пространственного группирования, который отстаивает возможность преаттентивного объединения локальных элементов изображения. В различные годы разными авторами высказывалось предположение, что процесс преаттентивной обработки, помимо перцептивной инициации, должен включать еще одну стадию – стадию формирования перцептивных единиц, когда происходит группирование элементов изображения [Beck J., 1966; Duncan J., 1984; Julesz B., 1980; Kahneman D., 1973; Neisser U., 1967]. Этот взгляд на проблему предполагал, что внимание само по себе не является инструментом объединения пространственно распределенной информации, а направляется к уже сформированным группировкам. Данный взгляд на проблему нашел подтверждение в трудах ряда авторов [Бабенко и др., 2001; Arsenault A.S. et al., 1999; Beutter B.R., 1996; Carrasco M. et al., 1998; Chubb C. et al., 2001; Grossberg S. et al., 1994; Hegde J., Felleman D.J., 1999; Hess, R.F., Wilcox, 1994; Kingdom F.A., Keeble D.R., 1996; Levin D.T. et al., 2001; Rieth С., Sireteanu R., 1994; Sutter A. et al., 1995; Wilson H.R., 1993 и др.]. Некоторыми из них были предложены конкретные модели того, как может быть организован этот преаттентивный процесс [Бабенко, 1989; Chubb, Sperling, 1988; Chubb C., Landy M.S., 1991; Duncan J., Humphrey G.W., 1989]. Именно с начала 90-х годов отмечается всплеск исследований, непосредственно направленных на поиск зрительных преаттентивных механизмов пространственного группирования.

На основе аналитического сравнения подходов к проблеме группирования высказано предположение о том, что объединение пространственно распределенной информации в зрительной системе человека может иметь преаттентивный характер.