Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Обзор литературы 9
1.1. Зрительные геометрические иллюзии и история их изучения 9
.1.2. Теории возникновения иллюзий 14
1.3. Методы исследования иллюзий 21
1.4. Измерения силы и объяснения иллюзии Мюллера-Лайера 22
1.5. Общие представления о механизмах константности восприятия размера 25
1.6. Возрастная динамика механизмов константности 27
1.7. Современное состояние исследования геометрических зрительных иллюзий 29
ГЛАВА 2. Методы исследования 34
2.1. Характеристика испытуемых 34
2.Т. Оценка остроты зрения с использование таблиц повышенной точности 35
2.3. Оценки точности глазомера и силы геометрических зрительных иллюзий методом постоянных стимулов с использованием одновременного предъявления модифицированных изображений 37
2.4. Компьютерная реализация метода уравнивания для оценки точности глазомера и силы геометрических зрительных иллюзий 39
2.5. Оценки точности глазомера и силы геометрических зрительных иллюзий методом постоянных стимулов с использованием последовательного
предъявления модифицированных изображений 42
ГЛАВА 3. Возрастная динамика глазомера и геометрических зрительных иллюзий, связанных и не связанных с механизмами константности восприятия размера 46
3.1. Результаты пилотных экспериментов 46
3.2. Результаты оценки точности глазомера и силы геометрических зрительных иллюзий методом постоянных стимулов с использованием одновременного предъявления модифицированных изображений 47
3.3. Результаты компьютерных экспериментов по оценке точности глазомера
и силы геометрических зрительных иллюзий 57
ГЛАВА 4. Индивидуальная вариабельность глазомера и геометрических зрительных иллюзий 64
4.1. Данные многократного тестирования отдельных испытуемых 64
4.2. Данные индивидуального длительного тестирования 70
ГЛАВА 5. Дифференциальные пороги различения длины в условиях возникновения геометрических иллюзий 76
Обсуждение результатов 83
Выводы
Список литературы 90
- Зрительные геометрические иллюзии и история их изучения
- Оценка остроты зрения с использование таблиц повышенной точности
- Результаты оценки точности глазомера и силы геометрических зрительных иллюзий методом постоянных стимулов с использованием одновременного предъявления модифицированных изображений
- Данные многократного тестирования отдельных испытуемых
Введение к работе
Термин «зрительные иллюзии» объединяет широкий круг феноменов, касающихся различных аспектов зрительного восприятия и отражающих явные ошибки в оценке зрительной системой человека каких-нибудь свойств или пространственных параметров рассматриваемых объектов - цвета, формы, размеров, локализации, характера движения и т.д. К геометрическим зрительным иллюзиям относят систематические отклонения геометрии воспринимаемого образа от объективных параметров рассматриваемой геометрической конфигурации. Эти отклонения, или искажения, могут касаться размеров (ошибки в оценке длины или площади), наклона или кривизны (искаженное восприятие ориентации, кажущееся искривление прямых линий), взаимного расположения деталей (кажущееся смещение) и пропорций [Толанский, 1967; Артамонов, 1961; Грегори, 2002; Клике, 1965;. Block, Yuker, 1984; Gregory, 1990, 1997; Ninio, 2000 и др.].
В принципе, некоторые ошибки присутствуют в зрительном восприятии постоянно, так как работе зрительных механизмов мешают внутренние и внешние шумы, а также неопределенность, связанная с неоднозначностью сетчаточных изображений. Зрительная система человека обладает способностью быстрого «исправления» многих ошибок с помощью различных приемов, в частности с помощью движений глаз и головы. Отличием иллюзий от обычных ошибок является их большая величина, устойчивость, неподвластность усилиям избавиться от них, что является, свидетельством их связи с самыми базовыми механизмами зрительного восприятия. Таким образом, невозможно разобраться в основных принципах зрительного восприятия, не поняв механизмы иллюзий.
Важность решения вопроса о механизме геометрических иллюзий понимали еще в позапрошлом веке: казалось, что иллюзии опровергают принципы психофизики, а именно закон Фехнера о трансформации одних величин (внешних воздействий) в другие (внутренние психические состояния). Но исследования данного направления опирались на слабую
методическую и материально-техническую базу (Оппель-Кундт, Целлнер, Тьерри).
В своей фундаментальной работе Клике обобщил массу накопленных в мировой науке экспериментальных данных по проблеме константности зрительного восприятия и оптико-геометрическим иллюзиям, [Клике, 1965]. Клике понимал важность применения математических методов в исследовании геометрических иллюзий. В своей работе он-детально описал подход Тьери к проблеме восприятия пространства, который ранее практически не освещался в литературе. Тьери считал, что рисунки, порождающие геометрические иллюзии, перспективно так организованы, что воспринимаемые расстояния-до предметов, которые объективно должны быть отражены- на рисунке, должны приниматься во внимание вместе с угловой величиной, так как мы строим наше суждение об абсолютной? величине предметов таким образом, что учитываем их угловые размеры наряду с их воспринимаемым удалением:
В 70-е годы прошлого века Грегори сформулировал гипотезу о том; что многие геометрические иллюзии являются результатом деятельности механизмов константности [Gregory, 2002]. В рамках этой гипотезы предполагается, при восприятии геометрических иллюзий механизмы константности используются неправомерно. Возникновение определенной иллюзии у испытуемого свидетельствует о наличии у него соответствующего механизма константности, а сила иллюзии отражает весомость вклада этого механизма в результирующий видимый образ.
До настоящего времени арсенал исследователей зрительных иллюзий был беден, а возможности получения данных и скорость их обработки в условиях отсутствия компьютерной техники были весьма ограниченными. Вышеизложенные трудности вынуждали авторов проводить исследование на малом числе испытуемых и варьировать ограниченное число факторов, вносящих вклад в возникновение иллюзии. Кроме того, не было получено обширного массива данных с использованием единой методики. В настоящее
6 время развитие компьютерных технологий позволяет более основательно подойти к исследованию данного сложного явления.
Таким образом, изучение геометрических иллюзий представляет собой актуальную задачу современной физиологии сенсорных систем, имеющую как общетеоретическое значение в плане углубления понимания общих проблем восприятия пространства, так и практическое значение в плане разработки различных диагностических программ для оценки особенностей зрительного восприятия и его развития в онтогенезе.
Актуальность изучения геометрических иллюзий^ в данный' момент обусловливается тем, что новые компьютерные методы исследования позволяют заново осмыслить и переработать представления об этом явлении, основываясь на обширном объёме данных.
ЦЕЛЬ ИССЛЕДОВАНИЯ. Цель работы - оценить возможность-использования геометрических иллюзий для изучения механизмов зрительного восприятия и их возрастной динамики.
Зрительные геометрические иллюзии и история их изучения
Несмотря на длительный период изучения геометрических зрительных иллюзий, до сих пор вопрос о механизмах возникновения большинства из них остается открытым.
Одной из самых сильных геометрических иллюзий является иллюзия Мюллера-Лайера, которая исследуется с тех пор, как её придумал немецкий психиатр Франц Мюллер-Лайер в 1889 году и до самого последнего времени.
В начале XX века, иллюзия Мюллера-Лайера пополнила нехитрую батарею тестов учёных-этнографов. В течение длительного времени исследователи, применявшие при изучении народов «слаборазвитых» культур стандартные «интеллектуальные тесты» и получавшие при этом показатели более низкие, чем у народов «развитых» культур, пытались доказать этим, что между этими народами лежит пропасть [Tylor, 1874]. Среди учёных бытовало мнение о том, что восприятие людей имеет прямую зависимость от уровня развития культуры. Одним из первых предположение о зависимости оптических иллюзий от условий культуры высказал Риверс [Rivers, 1905], указавший, что у исследованных им африканцев племени Тода значительно меньше зрительно-геометрических иллюзий, чем у европейцев. Этот же автор предположил, что существуют разные классы иллюзий, из которых одни больше зависят от условий культуры, а другие — меньше (так, иллюзия неравенства длины вертикальных и горизонтальных линий встречается у африканцев чаще, а иллюзия Мюллера-Лайера - реже, чем у европейцев). Хаддон в своей работе данного направления на туземцах Торресова пролива, получил данные, свидетельствующие о том, что островитяне, добывающие рыбу с помощью копья, гораздо меньше европейцев подвержены иллюзии Мюллер-Лайера, скорее всего, по заключению автора, вследствие своего уникального опыта, обращения с копьем [Haddon, 1901]. Более позднее этнографическое исследование показало, что оценка длины вертикальных линий у зулусов оказывается менее точной, чем у голландцев [Shwitzgebel, 1967]. В то же время европейцы уступают, скажем, американцам в точности оценки степени наклона вертикальных линий [Wober, 1967]. Точность непосредственной оценки количества и величины в практически применяемых измерениях у африканцев кпелле (Либерия), например, значительно превышает точность, с которой это делают европейцы [Coal et. al., 1972]. В то же время оценка изображения глубины и перспективы на рисунках (не применяемых в практике этих народов) вызывает явно выраженные затруднения, а иногда оказывается и вовсе недоступной для людей, живущих в условиях «отсталой» культуры [Thouless, 1933; Beweridz, 1935; Haddon, 1901; Turnbull, 1957].
Более детальный анализ этнографических материалов показал, что величина иллюзий зависит не столько от расы, сколько от внешней среды обитания. Как показали исследования, одни иллюзии меньше зависят от условий жизни, другие - больше [Rivers, 1905]. Например, иллюзия Мюллера Лайера, обычная для людей, живущих в условиях цивилизации в «прямоугольной» зрительной среде («carpentered world»), почти отсутствует, у тех африканских племен, у которых хижины имеют не прямоугольную, а округлую форму [Segall et al., 1966 и др.]. О зависимости такого рода иллюзий от условий жизни и среды, а не от генетических («расовых») особенностей, говорит, в частности, и тот факт, что у зулусов, живущих в городе, иллюзия трапециевидного окна проявлялась в 64% случаев (как и у европейцев), а у зулусов, живущих в деревне, встречалась только в 14% случаев [Allport, Pettigrew, 1957].
Все это убедительно показывает, что к особенностям восприятия нельзя подходить без учета особенностей жизни людей, что.процессы восприятия также обусловлены многими факторами и в том числе жизненным опытом.
Другая хорошо известная иллюзия, связанная с оценкой размеров - это иллюзия вертикали-горизонтали, или Вундта-Фика. Можно предположить, что иллюзия может быть сильнее у людей, которые привыкли, что с увеличением расстояния угловые размеры прямых линий уменьшаются. Это может служить аргументом в пользу того, что люди, живущие в условиях
ограниченного пространства, например в лесу, которые не используют открытых пространств и редко имеют возможность видеть горизонт на большом расстоянии могут быть менее подвержены иллюзии вертикали-горизонтали, чем жители степей и пустынь. Действительно, Сигель с соавторами обнаружили, что люди, живущие в условиях открытых пространств более подвержены иллюзии Вундта-Фикка, чем другие [Segall et al., 1966]. В условиях открытого пространства вертикальные линии эффективно используются для оценки глубины механизмами бинокулярного зрения, основанными на различии сетчаточных изображений в правом и левом глазу вследствие различий углов наблюдения, и механизмами монокулярного зрения, использующими параллакс движения.
Антрополог Турнбал описывал интересный случай в Конго в 1950 г. с одним из пигмеев Bambuti, которые обычно живут в плотных реликтовых, лесах, имеющих незначительные просветы [Turnbull, 1957]. Когда пигмей вышел на открытое пространство, и увидел вдали быка, он принял его за насекомое. Зрение, ограниченное ближним пространством, привело к тому, что в жизненном опыте пигмея маленькие сетчаточные изображения связывались с маленькими размерами объектов, а не с их удалённостью.
В работе, представленной Хадсоном в 1960 г., исследовалось влияние культур на зрительное восприятие у Банту, европейцев, индийских рабочих и детей Южной Африки и Ганы [Цит. по: Lloyd, 1961]. Хадсон использовал набор карточек, каждая из которых включала слона, антилопу и человека с копьём. В каждой карточке копьё было ориентированно одновременно на слона и антилопу, но признаки глубины, такие как размер объектов, окклюзия и линейная перспектива чётко помогали интерпретировать, что копьё указывает на антилопу больше, чем на слона. Испытуемых спрашивали: «Что вы видите?», «Что делает человек?», «Кто ближе к человеку, слон или антилопа?».
Оценка остроты зрения с использование таблиц повышенной точности
Нёкорригированную бинокулярную; и монокулярную остроту зрения детей и, взрослых испытуемых определяли стандартным способом, но с использованием таблиц повышенной точности для расстояний- 0:5 -5:0 м. Таблицы были? разработаны в И1111№ РАН! птотипами: служили, стандартные, знаки Снеллена (Ш) в 4-х ориентациях. Верхний предел измеряемых значений остроты зрения для: наименьшего расстояния 0;5; м составлял 2.0; а для 5 м - 4,0; что соответствовало минимальному углу разрешения 0.25 (утл/мин): Шаг изменения? размера знаков от строки к строке соответствовал 0.1 в диапазоне 0.1-1.0 и 0:2 в диапазонеЛ.0-4.0:
Общая структура офтальмологических таблиц,, изготовленных нами для измерения остроты, зрения с разных расстояний, соответствовала распространенным;в отечественной; практике таблицам Головина-Сивцева и аналогичным таблицам; описанным - в учебном- пособии (Рожкова; Токарева;; 2001). В ряде случаев; измерения дублировали; используя для оценки5остроты зрения коммерческую таблицу с Леа-символами (Lea-screener производства фирмы Precision Vision) и черно-белые решетки разной пространственной частоты, распечатанные на лазерном принтере HP 1200: Решетки предъявляли в круглом окне диаметром 8 см на сером фоне, светлота которого соответствовала средней светлоте тестовой решетки. Чтобы облегчить уравнивание светлоты фона и решетки, в действительности, в качестве фона использовали не однородную серую поверхность, а другую решетку, пространственная частота которой существенно превосходила пороговую частоту.
Таблицы равномерно освещали таким образом, чтобы уровень освещенности соответствовал 1000 ± 50 лк, что регулярно контролировали при помощи цифрового фотометра (люксметра-яркомера) модели «ТКА-04/3». Испытуемого усаживали на нужном расстоянии от таблицы и просили называть тестовые знаки, отмечая строку с наименьшими знаками, которые испытуемый смог правильно узнать, сделав не более одной ошибки. При оценке монокулярного зрения неработающий открытый глаз прикрывали-окклюдором из светорассеивающего пластика. Закончив измерения на одном расстоянии, переходили к другому. Расстояния чередовали в случайном порядке.
Когда остроту зрения оценивали при помощи решеток, тестовую решетку размещали за непрозрачным экраном с круглым окном, а фоновой решеткой покрывали поверхность экрана. Тестовую решетку попеременно устанавливали горизонтально либо вертикально, выбирая ориентацию в случайном порядке. Испытуемый должен был правильно указать ориентацию в пяти предъявлениях. Поскольку число решеток было ограниченным, подходящую пороговую решетку удавалось подобрать не для каждого стандартного расстояния. В связи с этим, в эксперименте, как правило, определяли остроту зрения не точно- для- стандартных расстояний, а поблизости от них, сдвигая подобранную для определенного стандартного расстояния «наилучшую» решетку (самую близкую к пороговой) ближе к испытуемому или дальше от него, чтобы точно определить порог. Соответственно, кривые зависимости остроты зрения от расстояния строились в этом случае по другим значениям аргумента.
Каждый тестовый лист содержал семь модификаций исходного тестового изображения с различной степенью искажения. На рис. 10 представлен тестовый набор модифицированных изображений для исследования иллюзии Геринга. В этом случае испытуемых просили указать то изображение, где иллюзия обращена, т. е. жирные линии кажутся параллельными.
Для дополнительного контроля и оценки вариабельности ответов испытуемых все тестовые изображения предъявляли испытуемым 4 раза в разных ориентациях: I - как на рис 9; II, III, IV - с поворотом по часовой стрелке на 90, 180 и 270 соответственно (рис. 10).
Результаты оценки точности глазомера и силы геометрических зрительных иллюзий методом постоянных стимулов с использованием одновременного предъявления модифицированных изображений
В основной серии экспериментов, проведенных с учетом полученных данных о диапазонах вариации силы иллюзий, по усовершенствованной методике была протестирована новая группа детей 6-7 лет и новая группа взрослых - студентов. Каждая группа включала более ста испытуемых. Для детального исследования на этом этапе было отобрано 5 комплектов тестовых изображений. Три комплекта включали элементы перспективного рисунка или линии, которые их напоминают (фигуры в туннеле, конфигурации Мюллера-Лайера и Геринга). Согласно представлениям Грегори [Gregory, 1972], такие элементы изображений могут приводить в действие шкалирующий механизм. константности восприятия размера, который будет компенсировать мнимое различие в расстоянии, порождаемое наличием сходящихся/расходящихся линий. Для противопоставления была взята геометрическая иллюзия неравенства длины горизонтального и вертикального отрезков (см. рис. 10, г), не имеющая отношения к перспективным преобразованиям. При наблюдении конфигурации рис. 10, г с двумя объективно идентичными отрезками вертикальный отрезок обычно кажется человеку длиннее, во-первых, по причине известного преувеличения вертикальных размеров, а во-вторых, вследствие преуменьшения длины.-горизонтального отрезка под влиянием «разделительной» вертикальной линии. Для контроля у всех испытуемых проверялась точность глазомера в. задаче деления отрезка пополам.
Что касается результатов сравнения глазомера у детей и взрослых, то между данными, полученными в ходе пилотажной и основной серии опытов, выявил тенденции к расхождению. Результаты обработки данных, полученных в ходе пилотажных экспериментов, как будто бы свидетельствовали о том, что глазомер у детей 6 — 7 лет развит не хуже, а скорее лучше, чем в группе взрослых: средние ошибки при делении отрезка пополам составили 3,7 и 5,7%, соответственно. В основной же серии экспериментов было получено обратное: по средней ошибке дети значительно уступали взрослым: у детей эта ошибка составила 2,6%, а у взрослых 1,1%. Из приведенных цифр видно, что противоречие связано, главным образом, с расхождением данных, полученных на двух группах взрослых. Если в основной серии опытов средние ошибки детей оказались меньше, чем полученные для их сверстников на предварительном этапе, всего в 1.4 раза, то ошибки взрослых уменьшились в 5 раз! По-видимому, это объясняется тем, что на предварительном этапе группа взрослых была неоднородной по возрастным и профессиональным показателям, а на основном этапе соответствующую группу составили только - молодые профессионалы с хорошо развитым глазомером. Это были студенты художественно-графического факультета, то есть взрослые, чья, специальность связана с изобразительным искусством. Естественно предположить, что механизмы оценки графических изображений у них развиты лучше; чем у других испытуемых. В возрастном отношении эта группа также была более однородной; чем протестированная на втором этапе, и вдобавок — моложе.
Если объединить результаты этих сериш получится, что средние показатели глазомера у всех исследованных детей и взрослых весьма близки (3:15 и 3.4%); поэтому можно считать, что в этом отношении «средние» дети не уступают «средним» взрослым. Тот факт, что взятая на третьем этапе группа-взрослых оказалась «элитной» с точки зрения глазомера, вынудил нас при обработке результатов учесть только детей с хорошим глазомером, чтобы уравнять сопоставляемые группы взрослых и детей по этому показателю. Из всего исходного списка детей (100 чел.), упорядоченного в соответствии с оценками глазомера, было отобрано 67 человек, у которых средняя ошибка получилась в точности равной средней ошибке взрослых испытуемых (1.1%).
На рис. 16 представлены гистограммы ошибок в оценке длины, полученные для взрослых испытуемых и отобранных детей- при исследовании глазомера и иллюзии Мюллера-Лайера в условиях предъявления тестового листа в ориентации I.
Данные многократного тестирования отдельных испытуемых
Текущие результаты, полученные в процессе одного сеанса тестирования у четырёх испытуемых в условиях оценки глазомера (пунктир) и иллюзии Мюллера-Лайера (сплошные линии) для четырёх ориентации тестового изображения. По оси X - номер попытки и ориентация; по оси Y - величина ошибки в %. На рисунке видно, что даже для глазомера индивидуальный разброс текущих ошибок в оценке длины довольно велик. В отдельных измерениях ошибки могут далеко выходить за пределы значений, типичных для глазомера человека (например, 18% у испытуемого Г.М.). Устойчивой тенденции к снижению или нарастанию ошибок на протяжении сеанса не наблюдается: отклонения длины ТО от длины РО весьма нерегулярно меняются как по величине, так и по знаку.
Для иллюзии характерен еще более широкий диапазон колебаний оценок (например, разброс от -2 до 40% у испытуемого К.К.). Однако обращает на себя внимание сходство характера изменений оценок от попытки к попытке у всех испытуемых. Рассмотрим, к примеру, начальные части кривых рис. 20 — пять попыток, соответствующих первой ориентации стимулов (I). У всех испытуемых вторая оценка выше первой, третья — ниже второй, четвертая — выше третьей, пятая — выше четвертой. Эта же закономерность (с редкими сбоями) просматривается и далее при ориентациях II, III и IV. Чем это можно объяснить?
Очевидное различие между последовательными измерениями в нашюг экспериментах состояло в том, что от попытки к попытке автоматически немного менялась длина РО, причем с определенной регулярностью (40-36-44-42-40 мм), а также начальная длина ТО (см. выше - табл. 3). Возникает естественное предположение, что единообразие динамики оценок связано с зависимостью величины иллюзии от этих параметров. Усреднив по всем испытуемым данные, относящиеся к последовательным попыткам (первой, второй и т.д.), мы обнаружили, что зависимость, действительно, имеет место: величина иллюзии уменьшается с увеличением длины РО, причем весьма существенно (табл. 7). Средние значения величины иллюзии для самого большого (44 мм) и самого маленького (36 мм) РО у школьников составили 24.1 и 41.5%, соответственно, а у студентов - 10.7 и 26.5%, т. е. в обеих группах были заметно меньше в случае большего РО. Обращает на себя» внимание высокая чувствительность испытуемых к длине РО: разница в длине самого большого и самого маленького РО составляла всего 20%, а сила иллюзии различалась в 1.7-2.5 раза. С большой вероятностью можно утверждать, что в увеличение иллюзии при уменьшении длины РО в наших экспериментах вносило вклад то обстоятельство, что абсолютная длина порождающих иллюзию стрелок никогда не менялась, а значит — их относительная длина возрастала. Зависимость иллюзии Мюллера-Лайера от длины стрелок общеизвестна, она исследовалась в целом ряде работ [см., например, Булатов и др., 1995.]. Правда, обычно в экспериментах варьировали абсолютную длину стрелок, но и относительная их длина» при этом автоматически менялась в ту же сторону. В наших экспериментах отношение длины стрелою к длине РО менялось.в интервале от 0.34 до 0.42. Само по себе; такое изменение вряд ли могло обеспечить наблюдаемые резкие изменения силы иллюзии, но оно несомненно сказывалось на результатах.
Отметим, что удовлетворительного совпадения результатов в- двух попытках с равными по длине РО (40 мм: первая и пятая попытки) ни у школьников, ни у студентов не было. У школьников первая и пятая попытки дали 29.5 (а= 14.0%) и40.4% (а=11.8%), соответственно, а у студентов — 14:8 (а=7.2%) и 29.7% (а=9.0%). Разница между двумя значениями в обеих группах статистически достоверна (р 0.0001). Это означает, что результаты зависели не только от величины РО, но и от порядкового номера- попытки или начальной длины ТО. Данный факт заставляет сомневаться в возможности одноуровневого «физиологического» объяснения иллюзии свойствами рецептивных полей: для объяснения различия результатов- в случае идентичной стимуляции придется вводить зависимость рецептивных полей от целого ряда факторов и; в конечном итоге, — от влияния высших зрительных механизмов.
Таблица? Средние показатели глазомера- и иллюзии Мюллера-Лайера в: группах школьников и- студентов (ошибки уравнивания тестового отрезка с референтным отрезком в % по отношению к длине референтного отрезка), полученныепри одной; ориентации тестового образца (ориентация І) в пяти последовательных попытках;
