Введение к работе
з
Актуальность исследований. Проблема сегментации изображения, т.е.,
разделение его на отдельные объекты, является одной из важнейших проблем
зрительного восприятия. Применительно к техническим системам, разработанным
для инженерных задач передачи оптической информации, методы сегментации
используют свойства избыточности изображения. Для того, чтобы
идентифицировать объект, предварительно необходимо его выделить среди остальных элементов изображения. В технических системах обработки изображений для выделения объектов обычно используют яркостные признаки (Александров. Горский, 1985). На основе яркостных методов строятся методы сегментации по текстурным и цветовым признакам. Применительно к зрительной системе человека процессы сегментации традиционно исследуются с применением текстурированных изображений, где цвет является вторичным признаком.
Один из подходов к сегментации любых, необязательно текстурированных изображений, предложили гештальт-психологи и сформулировали общие принципы группирования отдельных элементов объекта в целое, гештальт (Kofflca, 1935), такие как принципы близости (proximity), схожести (similarity), принцип "хорошего продолжения" (good continuity) и принцип "общей судьбы" (common fate). И хотя экспериментальных данных, подтверждающих принципы группирования, много, сами принципы в основном критикуют потому, что они являются интуитивными и качественными описаниями, которые не указывают на механизмы, лежащие в основе этих принципов. При использовании цифровых методов обработки изображений и низко-частотной фильтрации основные принципы группирования, сфомулированные гештальт-психологами, были формализованы, и была показана их справедливость (Ginsburg, 1971).
Представления о зрительной системе, как о наборе частотных фильтров (Campbell, Robson, 1968; Glezer et al., 1973; Ginsburg, 1971) позволили сформулировать основные положения разделения изображений в зрительной системе на основе пространственно-частотного анализа (см., например, обзоры в Шелепин и др., 1992; Глезер, 1993; Левашов, 1989; Кропотов, 1989; Caelli et al., 1978). В работах Гинзбурга (Ginsburg et al., 1976) был также выдвинут тезис о том, что ограниченного набора низкочастотных фильтров достаточно для описания формы изображения.
Другой подход к сегментации зрительных изображений, также использующий идею о том, что изображение как гештальт описывается ограниченным числом элементов, был предложен в опубликованных ранее работах (Кемпбелл, Шелепин, 1990; Шелепин и др., 1995). В этих работах было показано, что на пределе разрешения зрительной системы изображение как гештальт описывается функциональным элементом, который отождествляется с модулем зрительной коры
(Ilubel, Wiesel, 1962; Глезер, 1993). Тем самым была отмечена важность соотношения размеров элементов разбиения зрительной системы и размеров всего изображения.
Однако в этих экспериментах не учитывали два фактора: во-первых, не исследовали процесс сегментации изображений больших размеров, и во-вторых, не принимали во внимание тот факт, что реальный мир не черно-белый, а цветной. Естественно возникает вопрос о формировании функциональных элементов для описання окрашенных изображений и об изменении размеров этих элементов при изменении размеров зрительных объектов. Известно,что цвет играет важную роль в задачах на зрительный поиск (Braun, Sagi, 1990; Harms, Bundesen, 1983), что говорит о том, что цветовые отличия объекта от окружающих его дополнительных объектов упрощают его выделение. Однако зависимость размера функциональных элементов от окраски изображений не исследовали.
Целью данной работы явилось изучение влияния размера и цвета тестовых объектов и их окружения на контрастную чувствительность и разрешающую способность наблюдателя, а также на его способность выделять объект из окружения, которые обеспечивают восприятие отдельного тестового объекта. Для решения поставленной задачи в качестве тестовых объектов использовали распространенные в офтальмологической практике оптотипы - кольца Ландольта. Предъявление этих стимулов позволило впервые использовать такую зрительную задачу, как хорошо известный краудинг-эффект, в качестве модели сегментации зрительной сцены. Краудинг-эффект можно определить как ухудшение распознавания тестового объекта, окруженного рядом расположенными дополнительными объектами или контурами. Сам термин "краудинг-эффект" образован от английского слова "crowd" -толпа - и достаточно хорошо отражает сущность данного явления.
Основной задачей данной работы явилось исследование краудинг-эффекта, в том числе:
-
изучение влияния формы дополнительных объектов на способность наблюдателя выделять информацию о тестовом стимуле;
-
изучение влияния изменения окраски тестового стимула и его окружения (т.е., окрашивание как тестового изображения, так и дополнительных объектов в спектральные цвета) на пространственные характеристики краудинг-эффекта.
Основные положения, выносимые на защиту. 1) При опознании формы тестового объекта, окруженного дополнительными стимулами, функциональные элементы, описывающие объект как целое, формируются в зависимости от размера объекта.
2) Размер функциональных элементов, описывающих объект как гештальт, определяется пространственными характеристиками (размером) тестового объекта и
5 _ ..
не зависит от цвета, т.е. окрашивания в спектральные цвета как тестового стимула. так и дополнительных объектов.
3) В условиях выделения тестового стимула, окруженного матрицей дополнительных объектов, формирование функциональных элементов происходит независимо от формы дополнительных объектов.
Научная новизна. Впервые был исследован вопрос о зависимости размера зоны тормозного взаимодействия, определяемой как такое расстояние между краями тестового и дополнительных объектов, при котором на опознание тестового стимула не влияют дополнительные объекты, от изменения окраски тестового II дополнительных объектов. Было показано, что внесение цветовых различий не изменяет размер зоны тормозного взаимодействия. Однако при наличии цветовых различий снижается разница между контрастным порогом обнаружения изолированного тестового стимула и стимула, окруженного дополнительными объектами.
В центре поля зрения исследована зависимость размера зоны взаимодействия между функциональными элементами (краудинг-эффект) от формы дополнительных контуров, окружающих тестовый объект. Было показано, что форма дополнительных объектов не влияет на размер зоны тормозного взаимодействия. Однако при изменении формы дополнительных объектов, форма кривых, описывающих этот вид тормозного взаимодействия как зависимость процента правильных ответов от расстояния между тестовым и дополнительными объектами, изменяется: при использовании в качестве дополнительных объектов полос получена U-образная функция; при использовании матрицы из колец Ландольта получена монотонно увеличивающаяся функция.
Теоретическая и практическая значимость. Полученные экспериментальные данные позволяют определить характеристики функционального элемента зрительной системы, используемого для выделения целостного объекта из фона,и дают представление о механизме сегментации зрительной сцены при создании систем обработки и передачи информации.
Краудинг-эффект является важным приемом исследования в оптометрии - науке, решающей практические задачи оценки функциональных возможностей органа зрения. Изучение краудинг-эффекта - это важнейшая проблема практической медицинской метрологии. Полученные данные могут быть использованы при создании новых оптотипов для исследования больных с рядом офтальмологических и неврологических заболеваний.
Полученные в работе экспериментальные данные могут быть использованы для решения практических задач сегментации изображений и выделения целостных
6 объектов из фона в различных системах представления зрительной информации, например, при организации рабочего места операторов видеоконтрольных устройств.
Апробация работы. Апробация диссертации состоялась на научном семинаре лаборатории физиологии сенсорно-моторных функций, лаборатории физиологии речи и лаборатории физиологии зрения Института физиологии РАН.
Результаты исследований были доложены на Конференции молодых ученых "Механизмы регуляции физиологических функций" (Санкт-Петербург, 1992), на 29-м совещании по высшей нервной деятельности (Санкт-Петербург, 1994), на 18-й Европейской конференции по зрительному восприятию (Тюбинген. Германия, 1995).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 работ.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, обзора литературы, описания методов исследования, результатов собственных исследований, их обсуждения, выводов, списка литературы и приложения. Диссертация изложена на 198 страницах, иллюстрирована 36 рисунками, 5 таблицами. Библиографический указатель включает 154 литературных источника, в том числе 27 на русском и 127 на английском языках.