Фурье–анализ зрительного восприятия

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство Высшего Образования, НАУКИ И ИННОВАЦИЙ Республики Узбекистан

Национальный Университет Узбекистана имени МИРЗО Улугбека

ФАКУЛЬТЕТ СОЦИАЛЬНЫХ НАУК

КАФЕДРА ПСИХОЛОГИИ МАРАИМОВА ГУЛДАНА

Курсовая работа

Фурье - анализ зрительного восприятия

Научный руководитель:

Абдурахмонова Р.И.

Ташкент 2024 г



Оглавление

Введение

1. Фурьер-анализа зрительного восприятия и понятие психофизического оператора

2. Нейронные механизмы анализ пространственных частот

Заключение

Список использованной литературы



Введение

Актуальность курсовой работы. Данная курсовая работа посвящана исследованию применения Фурье - анализа для изучения зрительного восприятия человека. В работе рассматриваются теоретические основы Фурье - анализа, его использование в области психофизики, а также практические примеры применения данного метода для анализа зрительных стимулов и процессов восприятия.

Фурье - анализ может привести к новым открытиям в нейробиологии, психологии и когнитивной науке, позволив нам лучше понять, как работает зрительная система человека. Понимание Фурье - анализа зрительного восприятия может иметь множество практических применений, таких как разработка более эффективных методов сжатия изображений, улучшение систем распознавания образов и создание новых технологий виртуальной и дополнительной реальности. Исследования в этой области могут привести к новым открытиям, расширяющим наше представление о том, как люди воспринимают и обрабатывают визуальную информацию.

Соответствие приоритетам развития Узбекистана: Президент Шавкат Миромонович Мирзиёев неоднократно подчёркивал важность развития образования и науки в стране. Изучение актуальных тем, таких как Фурье - анализ зрительного восприятия, соответствует этому курсу и способствует прогрессу научных исследований в Узбекистане.

Результаты исследований в этой области могут внести вклад в модернизацию промышленности, развитие инновационных технологий и повышение конкурентоспособности страны на мировом рынке.

Степень изученности проблемы Фурье - анализа зрительного восприятия: тема Фурье - анализ зрительного восприятия активно изучается в последние десятилетия. Опубликовано множество научных статей и книг, посвящённых этой теме.

Основные направления исследований в этой области:

Разработка моделей Фурье - анализа зрительного восприятия: Учёные предложили различные модели, описывающие влияние различных частотных компонентов изображения на его восприятие человеком.

Проводятся экспериментальные исследования, направленные на изучение того, как люди воспринимают изображения с различными частотными характеристиками.

Разрабатываются новые методы обработки изображений и системы компьютерного зрения, основанные на принципах Фурье - анализа.

Вы убедитесь, что математика может быть не только сложной, но и красивой. Большинство распростроняющихся в природе колебаний механических, электрических, гравитационных имеет гармонический характер. Общими словами можно сказать что преобразование Фурье используется в тех областях где изучаются колебательные процессы, это и химия, и физикоплазма и полупроводниковых материалов, радиолокация, сейсмология, океанология, медицинские обследования, также проебразование Фурье помогло определить форму двойной спирали ДНК, а позже и других органических молекулах.

Многогранная тема преобразование Фурье, эту теорему выдвинул французский математик Жан Батиста Фурье который жил на рубеже XVIII и XIX веков (1768-1830гг.). Обычное преобразование Фурье это такая операция которые некоторые функции ставит в соответвтии её спектр или Фурье образ, проще говоря, это преобразование берёт одну фнукцию и раскладывает её на несколько более простых

Преобразование Фурье:

F (f) =f

Есть ещё обратное преобразование, оно из этих простых функций собирает исходную, есть его простой физический аналог, разложение солнечного луча на спектр, призма играет роль приобразователя Фурье, она получает на вход солнечный луч, или вот эту сложную функцию и раскладывает её на спектр набор более простых синусоидов. У каждого синусоида есть своя чистота и совя фаза, то есть начальная точка.

А теперь о применении: с помощью метода Фурье например повышают чёткость изображений небесных тел сфотографированных с космических аппаратов, информация от этих аппаратов поступает на землю в виде последовательности радиосигналов, компьютеры эти сигналы кодируют, раскладывают на набор синусоид, потом уже другими методами эти синусоиды обрабатывают, очищают от помех и вот у нас красивое, чёткое изображение без помех. фурье психофизика зрительный нейронный

Цель данной курсовой работы - является в глубинном изучении теории Фурье - анализа зрительного восприятия, анализ, его применения к зрительному восприятию и рассмотрение практических приложений Фурье - анализа в области обработки изображений и компьютерного зрения.

Задачи курсовой работы:

Анализ визуальных стимулов через применение методов Фурье-анализа для понимания восприятия цвета, формы или движения, как различные частоты влияют на восприятие изображений или на внимание.

Исследование влияния аномалий в частотном спектре изображений на восприятие, например, как изменение низких или высоких частот может повлиять на восприятие контрастности или текстуры изображения рассмотреть, как изменения в частотном спектре воздействуют на распознавание объектов или на эмоциональную реакцию зрителя.

Критический обзор теории в зрительном восприятии с учетом разнообразия мнений.

Завершение курсовой работы с применением данной теории в настоящее время в разных сферах.

Методология курсовой работы: Сбор данных о восприятии различных визуальных стимулов и их анализ научных исследований с использованием Фурье-анализа, полученных данных.

В качестве источников были использованы работы следующих авторов: Гусев А. Н.

Теоретическое значение работы: разложить сложные визуальные стимулы на более простые составляющие понимание частотных характеристик: помогает исследователям определить, какие частоты являются наиболее значимыми для различных аспектов визуального восприятия, таких как цвет, форма и движение. Изучение восприятия: Фурье-анализ позволяет исследовать, как различные частоты влияют на восприятие изображений, включая их контрастность, текстуру, остроту и т.д. Это помогает расширить наше понимание того, как мы воспринимаем мир через зрительные стимулы.Механизмы визуального восприятия: Анализ частотного спектра визуальных стимулов позволяет более глубоко понять механизмы работы зрительной системы человека. Это включает в себя изучение внимания, распределения внимания, обнаружения движения и других аспектов визуальной переработки. Применение в других областях: Понимание Фурье-анализа в зрительном восприятии может иметь широкий применительный потенциал в таких областях, как медицина (например, в диагностике заболеваний глаза), инженерия (например, в оптимизации изображений для улучшения качества видео и фотографий) и компьютерная графика (например, в разработке алгоритмов компьютерного зрения).

Таким образом, теоретическое значение Фурье-анализа в зрительном восприятии для курсовой работы заключается в его способности расширить наше понимание механизмов визуального восприятия и его потенциала для применения в различных областях.

Предмет курсовой работы: Фурье - анализ зрительного восприятия.

Структура курсовой работы: введение, 2 параграфа, 2 вывода, заключение и список использованной литературы.



1. Фурьер-анализа зрительного восприятия и понятие психофизического оператора

Зрительный поиск - задача, имеющая высокую экологическую валидность. В самом деле, в повседневности мы нередко сталкиваемся с необходимостью найти некий целевой объект среди множества других, зачастую не слишком отличающихся от искомого. Какие механизмы обеспечивают возможность такого поиска и каково их строение?

Обобщая, можно утверждать, что экспериментальные схемы изучения зрительного поиска делятся на две основные категории:

1. Поиск целевого объекта, который отличается от дистракторов по одному признаку (например, поиск белой линии среди черных);

2. Поиск целевого объекта, отличающегося от остальных по двум и более признакам (например, поиск черной вертикальной линии среди черных горизонтальных и белых вертикальных).

Зрительный поиск нередко сочетается с опознанием целевого объекта; тогда отысканию подлежит объект, заданный ключевым признаком.

К числу первых феноменов, открытых в этой области, относится так называемый «эффект выскакивания», описанный примерно в одно время Б. Юлешом и Э. Трейсман [по 37]. Оно заключается в феноменальном «выскакивании» целевого объекта на фоне, составленном из объектов, отличающихся от целевого по одному лишь признаку. При этом круг признаков, обеспечивающий «выскакивание» строго ограничен.

Б. Юлеш, выявивший данный эффект в контексте восприятия текстуры, предложил соответствующую объяснительную схему. Согласно его гипотезе, текстура состоит из элементов, которые различимы по отличительным признакам - так называемым текстонам: форме, кривизне, линейным сегментам, включая ширину, высоту, соединения концов, углы наклона и их пересечения. Различие текстонов элементов передает и определяет различие текстур.

По Э. Трейсман, существуют две стадии перцепции. Начальная, т.н. стадия предвнимания, включает восприятие базовых, очень простых и заметных отличительных признаков объекта - перцептивных примитивов, элементов восприятия. За ней следует стадия сфокусированного внимания, связанная с центральным контролем.

Позднее Э.Трейсман была выдвинута теория интеграции признаков. Она была призвана объяснить в том числе и различие между скоростью зрительного поиска, зависящее от организации стимульного поля.

Общая закономерность такова: если целевой стимул отличается от дистракторов по одному лишь признаку, относящемуся к тому же к категории базовых (перцептивных примитивов), то скорость обнаружения целевого стимула не зависит от количества дистракторов. Возникает «эффект выскакивания», обусловленный параллельным сканированием зрительного поля. Однако же если целевой объект отличается от фоновых по двум признакам, время обнаружения последовательно возрастает на 10 мс с каждым новым объектом. Из этого делается вывод, что в случае отличия по двум и более признакам зрительный поиск осуществляется последовательно.

Трейсман и Саутер [по 31] был обнаружен феномен асимметрии зрительного поиска: перечеркнутый круг значительно быстрее и легче ищется среди неперечеркнутых, чем наоборот.

На основе этих данных была создана модель интеграции признаков, предложенная Э. Трейсман и Г. Джэлэйдом в 1980 г. и призванная объяснить процесс зрительного поиска, Предполагается, что после первичной обработки вся информация о признаках с сохранением знаний о расположении сводится на единую пространственную карту («главную карту мест»). При этом объекту, который отличается от всех остальных, соответствует единственный локус активации. На него немедленно обращается механизм внимания, выполняющий функцию связывания признаков.

До того, как вступает в действие сфокусированное внимание, зрительная система выстраивает ретинотопически организованные карты признаков, независимые друг от друга. Признаки, относящиеся к одному и тому же месту в зрительном поле, соединены с соответствующими пространственными позициями на главной карте местоположений. Только в результате направления внимания на одно из местоположений этой карты возможно восприятие соответствующего объекта.

С этой точки зрения феномен асимметрии зрительного поиска объясняется наличием или отсутствием единственной активированной области, ответственной за детекцию данного признака.

Данная модель предсказывает, что возможно создание условий, в которых нарушается корректная интеграция признаков. Очевидно, так как связывание признаков обеспечивается специальным механизмом внимания, следует ожидать появления эффектов «ошибки связывания» в условиях, когда обращение внимания на целевой объект затруднено или невозможно. Это было показано экспериментально.

В работах Трейсман и Шмидт провоцировались «иллюзорные соединения» признаков. Вместо зрительного поиска они использовали задачу опознания разноцветных букв, требующую сфокусированного внимания; однако требования задачи возможность направления внимания на буквы исключали (необходимо было также следить за цифрами на периферии зрительного поля). В результате в 40% ответов испытуемые ошибочно связывали цвет буквы с ее формой.

Сама Э. Трейсман видит за интеграцией признаков работу пространственного внимания, функционально схожего с клеем, а структурно с прожектором, который, «высвечивая» определенные места на карте зрительного поля, позволяет соединить все зрительные признаки, находящиеся там и на этом основании принадлежащие одному объекту.

Тем не менее, вскоре был получен ряд данных, не согласующихся с классической версией теории интеграции признаков.

К. Накаяма и Дж. Сильверман отмечают, что в отдельных случаях скорость поиска целевого объекта, заданного сочетанием признаков (то есть двумя или более) не зависит от общего числа стимулов в наборе. Примеры: цвет и глубинный план, направление движения и цвет, направление движения и форма. Во всех этих случаях наблюдается «эффект выскакивания».

Более того, «эффект выскакивания» возникает для таких сочетаний признаков, различие по которым между целевым стимулом и дистракторами достаточно велико. Этот факт нашел свое отражение в дополнении к теории интеграции признаков Трейсман, согласно которому места на главной карте, содержащие иррелевантные признаки, активно оттормаживаются.

Альтернативное объяснение изложенной группе явлений дает теория сходства, предложенная Дж.Дунканом и Г.Хамфрисом [40]. Это теория предполагает позднюю селекцию в механизме внимания, что делает возможным процессы дополнительной активации отображений стимулов.

По мнению этих авторов, нет нужды проводить жесткую границу между поиском объектов по одному признаку и по их сочетанию. Следует рассматривать единый континуум эффективности поиска - от явно отличимых до сливающихся с дистракторами. Скорость поиска при этом определяется степенью сходства.

Процесс поиска имеет три стадии:

1. Параллельное построение «перцептивного описания» зрительного поля («предвнимание» по Найссеру);

2. Сопоставление полученной информации с внутренними шаблонами (заданными характеристиками целевого стимула) и приписывание определенного «веса» (активации) отображению каждого из стимулов. Чем больше признаков, по которым стимул сходен с шаблоном, тем больший «вес» он получает и тем больше вероятность его дальнейшей обработки.

. Поступление информации в зрительную кратковременную память. Емкость ее строго ограничена, поэтому информация допускается туда избирательно на основе «веса» каждой из единиц, но, будучи допущенной, может быть осознана.

Особую роль в развитии теории интеграции признаков сыграла модель «управляемого поиска» Дж. Вольфе [56]. Однако она имеет дело преимущественно с контролируемыми процессами, и подробное рассмотрение ее означает уход от основной проблематики данной работы, а именно автоматических процессов детекции признаков в процессе восприятия, по определению являющихся в основном автоматическими.

Данные Б. Хоммеля выявляют взаимнооднозначную связь между интеграцией признаков и процессами реагирования, которая проявляется в специфическом выборе произвольных реакций при условии предшествующего обучения реагированию на определенные классы стимулов [43]. Это свидетельствует об изоморфизме систем восприятия и действия. Роль научения при задачах на связывание признаков сводится к выбору признаков при связывании и не оказывает прямого влияния на скорость и прочность интеграции.

Вместе с тем, показано, что конфигуративные эффекты в зрительном поиске могут даже приводить к ложному «эффекту выскакивания», возникающего в случае «выпадения» стимула из некой воспринимаемой (в том числе иллюзорной) конфигурации [39]. Однако мы обратимся к изучению восприятия и зрительного поиска в простейших, вырожденных случаях, требующих минимум центрального контроля. В соответствии с этим ограничением мы не обращаемся в том числе и к модели «управляемого поиска» Вольфе, так как в нашем случае испытуемый лишен возможности выработать какую-либо стратегию, улучшающую поиск целевого (отличающегося) стимула.

Проблему восприятия конфигурации мы рассмотрим отдельно, поскольку в качестве экспериментальной модели мы будем использовать восприятие полосок различной ориентации, из которых может быть составлен контур объекта.

Используя данные психофизиологии, современная наука о зрении выделяет два основных механизма зрительного восприятия. В некоторых случаях они рассматриваются как конкурирующие гипотезы описания изображений, в других - как взаимодополняющие нейрофизиологические механизмы. Первый - восприятие контуров и формы объектов, связанное с детекторными механизмами; второй - пространственно-частотный анализ поля зрения по вариациям освещенности (с ним связаны ганглиозные клетки сетчатки с концентрически организованными рецептивными полями, которые в зависимости от своей величины оказываются избирательно настроенными на ту или иную пространственную частоту; в психологии восприятия и особенно в психофизике часто используют Фурье-анализ зрительного восприятия, заключающийся в разложении сцены в периодический ряд с целью выведения сенсорного оператора). Существование избирательно настроенных детекторов пространственных частот подтверждается наличием эффекта селективной адаптации в опытах с предъявлением синус-решеток. Таким образом, можно говорить о детектировании пространственных частот, например, при восприятии градиента текстуры поверхности [26].

Перейдем к рассмотрению современных теоретических воззрений на восприятие конфигурации. В связи с этим прежде всего встает проблема детектирования контуров. Только используя знания о контуре объекта, зрительная система может делать предположения о его форме, размере и местоположении, а также о пространственных связях с другими объектами.

Очевидно, что контур объекта выделяется на основе перепадов освещенности в области края. Однако как следует использовать полученные данные? Ведь контур проецируется на плоскость, и свойства, характерные для трехмерного объекта, утрачиваются. Перед зрительной системой встает задача интерпретации контурного рисунка с целью извлечения информации об удаленности, форме и т.д. и т.п. Как она это делает, не имея априорных предположений о воспринимаемом объекте? Ответ на этот вопрос, ограничивающий знания системы лишь сведениями о контуре, дает Дж.Дж. Гибсон [4]. Зрительная система, по Гибсону, занимается поиском инвариантов или инвариантных соотношений в стимуляции, однозначно определяющих структуру дистального стимула. С этой точки зрения становится понятной необходимость постоянных изменений зрительного опыта: действительно, для поиска инвариантов необходимы вариации. Эксперименты с однородным полем (Ganzfeld) и полной иммобилизацией глаз, включающей микродвижения и тремор, убедительно доказывают эту точку зрения [по 37].

Выделенные инварианты являются отличительными признаками, которые будут использоваться в дальнейшем анализе. По А.Трейсман, существуют две стадии перцепции. Начальная, т.н. стадия предвнимания, включает восприятие базовых, очень простых и заметных отличительных признаков объекта - перцептивных примитивов, элементов восприятия. За ней следует стадия сфокусированного внимания, связанная с центральным контролем.

Согласно гипотезе Б.Юлеша, текстура состоит из элементов, которые различимы по отличительным признакам - так называемым текстонам: форме, кривизне, линейным сегментам, включая ширину, высоту, соединения концов, углы наклона и их пересечения. Различие текстонов элементов передает и определяет различие текстур.

Коннекционистский подход, авторство которого обычно приписывают Розенблатту [по 19], использует для объяснения восприятия реально существующие нейронные связи, в результате работы которых формируется устойчивый паттерн возбуждений, однозначно задающий образ восприятия. Элементарной единицы переработки информации является нейрон, а взаимосвязи и конкуренция между множеством элементов обеспечивают упорядоченность операций и вариативность выхода. М.М. Бонгард, критикуя персептроны Розенблатта, указывает на то, что разделение на классы (а восприятие может быть представлено как процесс классификации сенсорных возбуждений) невозможно в пространстве рецепторов [3]. Отсюда следует, что эта задача должна решаться с помощью выделения фундаментальных инвариантных характеристик.

Информационный подход тесно связан с такими направлениями в кибернетике, как искусственный интеллект и компьютерное зрение. Суть информационных теорий - управляемое систематическое дробление и многоступенчатая обработка информации с системой горизонтальных обратных связей .

Разъясним ряд специальных понятий, которые будут обширно использоваться в данной главе, воспользовавшись классификацией И.А. Шевелева [36].

Нейрон-детектор. Нервная клетка, которая способна выделять путем избирательной реакции сравнительно узкую полосу значений определенного признака внешнего сигнала; реакции на недетектируемые значения этого признака должны быть относительно и/или абсолютно ослаблены.

Детекторная система. Совокупность нейронов-детекторов, избирательно настроенных на разные значения определенного признака и перекрывающие достаточно широкую часть диапазона его значений, имеющую экологическое значение для данного вида животных.

Рецептивное поле нейрона (РП). Совокупность рецепторов и элементов всех промежуточных уровней системы, посылающих к нему свои сигналы непосредственно или через элементы промежуточных уровней.

Проекционное поле нейрона. Аналог РП для выхода нейрона со всеми сопутствующими терминологическими ограничениями.

Детектор ориентации. Клетка, способная избирательно реагировать на определенный угол поворота вспыхивающих в ее РП центрированных в нем световых или темновых полос оптимального размера, вращаемых вокруг центра симметрии.

Оптимальный стимул. Раздражитель, вызывающий в данных экспериментальных условиях максимальную реакцию нейрона.

Кодирование признаков сигнала. Способность нейрона или группы клеток существенно изменять свою импульсацию в соответствии с параметрами стимула.

Обнаружение сигналов. Совокупность операций, приводящих к принятию мозгом решения о появлении, исчезновении, а также смене стимула.

Рисунок 1. Полосы Маха: приграничные участки кажутся темнее или светлее, чем они

Выше показана принципиальная важность детекции контура для дальнейшего распознавания формы и конфигурации объекта. Физиологические механизмы, обеспечивающие этот процесс, начинаются еще на ретинальном уровне. Стоит особо указать на роль латерального торможения. Экспериментально впервые показанное Ф. Ратлиффом на материале сложного глаза Limulus (мечехвоста), состоящего из 1000 омматидиев [по 37]. На активность любой данной рецепторной единицы влияет освещение других, соседних омматидиев. Это влияние является чисто тормозным. Когда на данную рецепторную единицу действует несколько единиц, расположенных поблизости, их общее тормозное влияние количественно определяется простой суммой всех тормозных влияний каждой единицы. Интенсивность торможения прямо пропорциональна уровню возбуждения соседних рецепторов, их количеству и близости по отношению к тормозимому рецептору. Задолго до исследований Ратлиффа известный ученый Эрнст Мах исследовал явления восприятия контраста. В связи с этим появились так называемые полосы Маха (см. рисунок 1). Они также объясняются латеральным торможением в сетчатке.

Многие художники в своих работах также широко использовали резкие перепады освещенности. Вероятно, они интуитивно понимали, что зрительная система особо выделяет контуры за счет прилегающих участков.

Зрительная кора имеет гораздо более сложное строение по сравнению с предыдущими отделами зрительного анализатора. Рассмотрим классификацию РП коры по Хьюбелу и Визелу [33]. Они предлагают разделить РП на простые, сложные и сверхсложные.

Простые РП составлено 1-3 возбудительными зонами (on - для светового стимула, off - для затемнения), вытянутыми в определенном направлении. Увеличение площади стимула приводит к увеличению ответа, пока стимул не выходит за пределы возбудительной зоны; затем начинается торможение вплоть до полного подавления. Простое поле отвечает только на полосу определенной ширины и ориентации и является линейным.

В сложном поле узкая сравнительно с шириной поля полоса вызывает ответ в разных его участках, а ее расширение ведет к подавлению ответа. В большинстве случаев on- и off-зоны перекрыты, хотя могут быть и разделены.

В сверхсложном поле увеличение длины полосы ведет к подавлению ответа.

Вывод по §1

Вывод по данному параграфу краткое изложение основных результатов исследования, включая основные числовые показатели и выводы, полученные в процессе анализа данных. Объяснение полученных результатов с точки зрения теории и предыдущих исследований в области зрительного восприятия. Это включает в себя оценку значимости найденных закономерностей и паттернов в контексте общей теории визуального восприятия. Сводка основных выводов и значимости исследования в целом, а также подтверждение достижения поставленных целей и задач.

Таким образом, можно сделать вывод: Фурье-анализу зрительного восприятия становится ключевым элементом, который подводит итог курсовой работы исследовательской работы и выделяет ее вклад в развитие научного знания в области зрительного восприятия.

Эксперимент проводился в три серии. В первой серии проводилась апробация предлагаемой методики с целью построения субъективного пространства различения ориентационных полос. Во второй серии вводился дополнительный фактор - затруднение условий восприятия за счет снижения контраста сцены и времени экспозиции при сохранении тех же ориентаций линий. В третьей, контрольной серии испытуемые оценивали различия между отличающимися стимулами в тройках классическим методом прямого шкалирования. Опишем вначале первые две серии.

Методика:

Построение троек стимулов, параметры предъявления, измеряемые показатели и инструкция испытуемому были идентичны указанным в описании эксперимента №1, за исключением нескольких особенностей, оговоренных ниже.

Стимулы варьировались по ориентации (наклону) в полном диапазоне (от 0° до 180°) с шагом 15°. Таким образом, «алфавит стимулов» в основном исследовании состоял из 12 различно ориентированных полосок.

Каждый из 12 стимулов мог быть целью или дистрактором, а являясь целью, располагаться в левой или правой части экрана. Таким образом, из каждой пары стимулов можно было создать четыре принципиально различных изображения. Число возможных уникальных сочетаний стимулов с полным варьированием по локализации целевого стимула равнялось 12Ч12Ч2=288. Для повышения надежности измерения каждая из возможных уникальных комбинаций предъявлялась по два раза. Таким образом, общее число предъявлений каждому испытуемому составило 576.

В первой («нейтральной») серии в течение 500 мс предъявлялись белые полоски на черном фоне, после чего следовал черный фон. Во второй серии (с затруднением условий восприятия) в течение 250 мс предъявлялись черные полоски на темно-сером фоне, после чего следовал черный фон. Таким образом, во второй серии затруднение условий восприятия достигалось не только снижением вдвое времени экспозиции, но также резким понижением контраста и невозможности ориентироваться на послеобразы (так как черные полоски маскировались черным фоном).

В первой и во второй сериях приняли участие по 20 практически здоровых испытуемых.

Результаты

Был получен ряд показателей для каждого испытуемого: время реакции, реально нажатая клавиша (левая или правая), а также правильность ответа испытуемого. Эти показатели были представлены для всех 576 предъявлявшихся сочетаний стимулов для каждого из 40 испытуемых.

Обработка результатов

1. Каждой уникальной паре стимулов (определяемой позицией целевого стимула, номером целевого стимула и номером стимула-дистрактора) ставится в соответствие правильность ответа и время реакции для каждого из 40 испытуемых.

2. Проводится расчет медианного времени реакции для каждой пары цель-дистрактор по всем испытуемым.

. Рассчитывается общее число ошибок для каждой уникальной пары стимулов по всем испытуемым. Это число делится на общее число предъявлений, превращаясь в оценку вероятности ошибки. Для тех пар стимулов, где цель и дистрактор совпадают, вероятность ошибки приравнивается 0,5 (случайное угадывание).

. Полученные данные сводятся в две матрицы различий - по времени реакции и по вероятности ошибки поиска. Столбцам матрицы соответствует целевой стимул, строкам - дистрактор.

. Полученные матрицы анализируются неметрическим методом многомерного шкалирования по отдельности или вместе, при условии учета различия в масштабах (трансформации применяются к каждой матрице отдельно).

. Полученные многомерные пространства подвергаются ортогональному вращению для улучшения возможностей интерпретации.

Обсуждение результатов

Для того чтобы принять решение о размерности субъективного пространства различения, мы использовали графики зависимости stress от размерности пространства. Для того чтобы принять решение о размерности субъективного пространства различения, мы использовали графики зависимости stress от размерности пространства. Stress - мера несоответствия исходных данных о различиях данным, полученным в геометрической модели. Когда добавление новых размерностей не оказывает существенного влияния на stress, можно говорить, что вновь добавляемые размерности избыточны.

Рассмотрим графики stress для проведенных двух серий (см. рисунки 2, 3). Видно, что по данным «нейтральной» серии и серии с затруднением условий восприятия размерность пространства различения ориентаций равна трем. Это не соответствует классическим данным о двумерном пространстве различения ориентации линий [22].

Рисунок 2. Stress для первой серии («нейтральной»)



Рисунок 3. Stress для второй серии (с затруднением условий восприятия)

Пространства стимулов для серий 1 и 2 оказались практически идентичны, поэтому мы приняли решение не рассматривать их отдельно, а представить одно трехмерное пространство, полученное во второй серии с помощью методики «зрительного поиска» (рисунок). Сходство результатов, полученных в первой и второй сериях основного исследования, свидетельствует в пользу надежности предлагаемой нами методики: затруднение условий восприятия не влияет на итоговый вид субъективного пространства, реконструированного на основании показателей эффективности зрительного поиска.

Из рисунка 4 видно, что полученные пространства сферичны. Коэффициент вариабельности радиуса сферы невысок в обоих случаях: для данных, полученных во второй серии, он равен 9,73%, для первой серии («нейтральной») он несколько выше - около 14%. Сферичность полученных пространств согласуется с моделью векторного кодирования Е.Н.Соколова.

Оси Х1 и Х2 являются оппонентными для стимулов 0°-90° и 45°-135°. Это соответствует классическим данным. Однако третья ось Х3 видимо, также выполняет важную различительную функцию. Она упорядочивает стимулы как близкие к полюсу «косых» (45° и 135°) или «прямых» (0° и 90°). Оказывается, Х3 - также оппонентная ось, отражающая переходы между прямотой и наклонностью.

Рисунок 4. Пространство для второй серии (зрительный поиск с затруднением условий восприятия). Подписи на графике обозначают угол наклона ориентационной полоски по отношению к горизонтали.

Здесь возникает противоречие. Несмотря на частичную сходимость данных, различные методы дают расходящиеся результаты. Видно, что предлагаемый нами метод показывает наличие дополнительного по сравнению с классическим механизма различения ориентационных полосок, формально представленного в виде третьей оси в пространстве. Можно предположить, например, что этот механизм недоступен при прямом сравнении полосок на предмет сходства, однако включается в задачах, где необходимо тонкое их различение.

Может быть высказано предположение, что Х3 отражает не отклонение линии от вертикали и горизонтали само по себе, а субъективную оценку «места», занимаемого стимулом на экране. В самом деле, если рассматривать воображаемые прямоугольники, описывающие «прямые» и «наклонные» стимулы, мы обнаружим, что площадь таких прямоугольников минимальна для полосок 0° и 90° и максимальна для полосок 45° и 135°. Площадь такого воображаемого прямоугольника может быть связана с субъективной «заметностью» стимула, то есть доступностью его для зрительного поиска. Можно предположить, например, что процедура прямого оценивания различия в наклоне полоски не обращается к этому механизму, поскольку с ним не связаны наши навыки визуального измерения ориентации линии. Вместе с тем, этот механизм реально существует, однако он включается тогда, когда зрительной системе требуется эффективно производить различение, а не когда ей необходимо подготовить к вербализации информацию о различии.

Инструкция испытуемым звучала следующим образом: «Вам будут предъявляться тройки полосок. Эти полоски различаются только по одному параметру - наклону. Две полоски имеют одинаковый наклон. Третья от них отличается. Степень различия может быть очень разной: от явной до подпороговой. Та полоска, которая отличается, находится либо в левой, либо в правой части экрана, но никогда не посередине. Ваша задача - оценить различие между отличающейся полоской и одинаковыми по шкале от 1 до 9. Если различие кажется вам минимальным, нажимайте клавишу «1», если очень большим - «9». Вы можете использовать все промежуточные значения от 1 до 9».

В качестве измеряемого показателя выступила числовая оценка различия для каждой пары стимулов - целые числа от 1 до 9, вводимые с клавиатуры.

В третьей серии приняли участие 5 практически здоровых испытуемых.

Результаты третьей серии (матрицы субъективных оценок различий между стимулами) обрабатывались классическим методом. Данные всех пяти испытуемых проверялись на согласованность, после чего обрабатывались методом многомерного шкалирования.

Рисунок 5. Stress для третьей серии (прямое шкалирование).

Обсуждение результатов. Размерность полученного пространства равна двум (см. рисунок 5), что полностью соответствует классическим данным.

Пространство представлено на рисунке 10. Оси Х1 и Х2 являются оппонентными для стимулов 0°-90° и 45°-135°. Таким образом, предъявление стимулов тройками, а не попарно, не влияет на итоговый вид субъективного пространства при прямом шкалировании различий.

Рисунок 6. Пространство для третьей серии (контроль). Подписи на графике обозначают угол наклона ориентационной полоски по отношению к горизонтали

На рисунке 6 также видно, что оси Х1 и Х2 являются оппонентными для стимулов 0°-90° и 45°-135°, что соответствует классическим данным.

Можно сопоставить межстимульные различия, полученные с помощью предлагаемой методики, с субъективными оценками различий (рисунки 6, 7). Видно, что они носят монотонный, но нелинейный характер. Тем не менее, поскольку использовался неметрический ММШ, это не могло послужить причиной появления «артефактной» третьей оси в первых двух сериях. Данные о логарифмической зависимости времени ответа от вероятности различения двух стимулов были также получены ранее в работах Ендриховского [9] и Дворянчиковой [7].



Рисунок 7. Связь субъективного различия с эффективностью зрительного поиска

Рисунок 8. Связь субъективного различия с временем зрительного поиска

Таким образом, можно утверждать, что механизмы, представленные осями Х1 и Х2, выявляются как с помощью предлагаемой методики, так и классическим способом, а механизм, определяющий прямоту или наклонность воспринимаемой полоски, может быть найден только в первом случае. Причины этого могут быть различны, но наиболее вероятно, что процедура прямого оценивания различия в наклоне полоски не обращается к этому механизму, поскольку с ним не связаны наши навыки визуального измерения углов. Вместе с тем, этот механизм реально существует, однако он включается тогда, когда зрительной системе требуется эффективно производить различение, а не когда ей необходимо подготовить к вербализации информации о различии.

Таким образом, методика оценки величины различия между зрительными стимулами была апробирована на ориентационных полосках и дала осмысленные результаты. Согласно данным, полученным с помощью этой методики, в различении ориентационных полосок участвуют три оппонентных механизма. Первые два механизма соответствуют механизмам, выделяемым с помощью прямого шкалирования, и представляют собой оппонентные оси 0°-90°, 45°-145°. Третий механизм - также оппонентная ось, отражающая переходы между прямотой и наклонностью.



2. Нейронные механизмы анализ пространственных частот

Психофизиологическое исследование предполагает регистрацию работы тех механизмов, которые обеспечивают протекание исследуемого процесса. В данном случае мы будем изучать особенности вызванного потенциала (ВП) в задаче, описанной выше. В первую очередь нас будет интересовать вопрос о том, существуют ли в вызванном потенциале какие-либо показатели, которые отражают величину различия между целевым стимулом и дистрактором при выполнении испытуемым описанной нами в предыдущем параграфе задачи.

Методика. Задача, предлагаемая испытуемым, была тождественна использованной в первой серии второго эксперимента, за исключением ниже описанных особенностей. Использовалось две градации различия: различие между полосками 0° и 45° и различие между полосками 30° и 45°. Таким образом, предъявлялось четыре типа стимулов:

1. Поиск полоски 0° на фоне 45° (большое различие)

2. Поиск полоски 30° на фоне 45° (малое различие)

. Поиск полоски 45° на фоне 0° (большое различие)

. Поиск полоски 45° на фоне 30° (малое различие)

Стимулы как с малым, так и с большим различием по ориентации предъявлялись по 200 раз в течение 500 мс каждый. Во время предъявления записывалась 21-канальная ЭЭГ в полосе пропускания от 0,5 до 30 Гц, частота дискретизации - 250 Гц. ЭЭГ монтировалась по стандартной системе 10-20. Длина эпохи усреднения была выбрана равной 500 мс. Параллельно с ЭЭГ регистрировалась ЭОГ, которая использовалась для режекции глазодвигательных артефактов. Метка синхронизации для записи вызванного потенциала подавалась при предъявлении каждой «тройки» полосок.

В данном этапе исследования приняли участие 20 человек без черепно-мозговых травм и эпилепсии в анамнезе.

Результаты и их обработка. Общее усреднение вызванных потенциалов по всем испытуемым показало, что к величине различия может быть чувствителен компонент Р160, однако статистический анализ (ANOVA) опроверг это предположение. Вместе с тем, возможно, чувствительность угасает с числом предъявлений (здесь их 200 на один вызванный потенциал).

Рисунок 9. ВП на задачу зрительного поиска. По оси абсцисс - время в секундах, по оси ординат - потенциал в микровольтах, позитивность снизу

Представляет интерес некоторое запаздывание потенциала на малое различие в области поздних (300 мс и более) компонентов, которое хорошо согласуется с нашими предыдущими данными об увеличении времени, затраченного на зрительный поиск в том случае, если различие между целевым стимулом и дистракторами невелико. Вместе с тем, индивидуальные различия в строении ВП не позволяют применять четкий формализованный подход к выделению этих низкоамплитудных компонент.

Интерес представляет топика этого вызванного потенциала. Высокоамплитудная волна P160 имеет максимум в отведении Cz, но распространяется на все отделы, кроме инферотемпоральных (T5 и T6). Возможно, этот компонент как-то связан с принятием решения о локализации целевого стимула. К сожалению, у нас не было возможности сопоставить эффективность зрительного поиска и амплитуду этого компонента, поскольку регистрация ответов испытуемого во время записи ВП была затруднена на момент проведения данного исследования в связи с недоработкой программного обеспечения. Вместе с тем, связь этого ВП с эффективностью выполнения задач на зрительный поиск и поведение его в клинических условиях (при нарушениях восприятия, особенно «дорзального пути») представляет особенный интерес, поскольку позволяет подобраться к механизмам, обеспечивающим зрительный поиск вообще и «эффект выскакивания» в частности.

Во время выполнения задачи зрительного поиска не только вызванный потенциал обладает широкой топикой, но и вся спектральная активность ЭЭГ претерпевает масштабные изменения. Так, в большинстве отведений статистически значимо (критерий Вилкоксона) возрастает общая спектральная мощность ЭЭГ, особенный рост отмечается в полосе 12-18 Гц; во фронтоцентральных отведениях наблюдается рост медленного (4-6 Гц) тета-ритма, в центральных и отчасти в париетальных растет весь диапазон 4-10 Гц.

Таким образом, зрительный поиск массово перестраивает электрическую активность мозга, однако извлечь из этого содержательную информацию о характере этого процесса нам пока не удалось.

Обсуждение результатов. Механизм, лежащий в основе затруднения поиска предмета на фоне схожих с ним, может основываться на нескольких эффектах. Во-первых, это может быть своего рода селективное привыкание, вызываемое массой одинаковых дистракторов: система, ответственная за детектирование сигналов такого рода, оказывается излишне нагруженной, и не сразу может внести свой вклад в восприятие близкого по форме целевого стимула. Другой причиной может быть наличие механизмов, сходных с латеральным торможением в сетчатке на детекторном уровне - восприятие большого числа одинаковых форме стимулов может приводить к массовому возбуждению соответствующих детекторов, и, соответственно, близких по форме стимулов. Вполне вероятно, что «эффект выскакивания» является частным случаем ориентировочного рефлекса. В любом случае, каковы бы ни были механизмы, порождающие «эффект выскакивания» и затрудняющие его в случае сходства стимулов, проведенное нами психофизиологическое исследование показывает, что в осуществление этих процессов вовлечены очень многие отделы мозга. Из этого следует, что не исключено возникновение эффектов высокого уровня даже в «простом» зрительном поиске, осуществляющемся за счет эффекта выскакивания. Наличие таких эффектов позволило бы использовать предлагаемую методику для оценки зрительного различия между достаточно сложными стимулами.

Проведение данного эксперимента преследовало две цели: во-первых, обобщить результаты, полученные на ориентационных полосках, используя стимулы иного рода (цвет), а во-вторых, изменив методику записи вызванных потенциалов, найти электрофизиологические корреляты исследуемой зависимости.

Методика. Стимуляция. Испытуемый располагался на расстоянии 140 см перед CRT-монитором с диагональю 38,10 см, на котором предъявлялись стимулы. Угловой размер области стимуляции составил 12,4?. Три стимула равного размера (3?), расположенные в ряд по горизонтали, были отделены друг от друга двумя небольшими промежутками (1,1?), и отстояли от левой и правой границ экрана на 0,6?. По вертикали все три стимула имели среднее положение. Отличающийся (целевой) стимул находился либо в левой, либо в правой части ряда, два оставшихся стимула (дистракторы) были идентичны. Образец стимуляции представлен на рисунке 10.

Рисунок 10. Образец стимуляции. Целевой (отличающийся) стимул слева



Исследование проводилось в условиях темновой адаптации. Яркость всех стимулов была приблизительно уравнена и являлась максимальной для данного монитора (около 100 кд/м2), использовался черный фон.

Испытуемому давалась следующая инструкция: «Вам будут предъявляться тройки полосок одного цвета. В определенный момент времени одна из полосок изменит цвет. Та полоска, которая изменит цвет, будет находиться либо в левой, либо в правой части экрана, но никогда не посередине. Ваша задача - как можно быстрее определить положение отличающейся полоски. Если Вы увидите отличающуюся полоску слева, нажмите на левую кнопку мыши; если Вы увидите отличающуюся полоску справа, нажмите на правую кнопку мыши. Изображения будут предъявляться на короткое время и быстро сменяться следующими, поэтому старайтесь отвечать как можно быстрее и не обращать внимания на возможные ошибки».

Процедура отдельного измерения выглядела следующим образом: испытуемому предъявлялась тройка полосок одного цвета на период от 1000 до 1500 мс. Затем одна из полосок (либо левая, либо правая) мгновенно заменялась на полоску другого цвета, и измененная тройка полосок предъявлялась еще в течение 300 мс, после чего следовал черный фон. Задачей испытуемого было обнаружить изменение и отреагировать левой кнопкой мыши в том случае, если изменившаяся полоска располагалась слева, и правой кнопкой мыши в том случае, если изменившаяся полоска располагалась справа.

Алфавит стимулов составили 15 цветов из разных участков спектра. Испытуемому предъявлялись все их возможные в данной задаче сочетания по четыре раза каждое, таким образом, общее число предъявлений составило 15Ч15Ч4 = 900. Появление целевого стимула слева или справа варьировалось в случайном порядке.

В качестве измеряемых показателей были выбраны время реакции (интервал от момента предъявления до нажатия испытуемым кнопки мыши) и относительная частота правильных ответов для каждой данной пары «цель-дистрактор». Мы будем также называть эти два показателя обобщающим термином «показатели эффективности зрительного поиска». Будем считать, что эффективность зрительного поиска тем выше, чем меньше время реакции и больше вероятность правильного ответа. Кроме того, регистрировалась 21-канальная электроэнцефалограмма в полосе пропускания от 0,16 до 30 Гц, частота дискретизации - 250 Гц. ЭЭГ монтировалась по стандартной системе 10-20. Длина эпохи усреднениям, в которую входило 100 мс предстимульного фона, была выбрана равной 1000 мс. Параллельно с ЭЭГ регистрировалась ЭОГ, которая использовалась для режекции глазодвигательных артефактов. Метка синхронизации для записи вызванного потенциала подавалась при замене цвета одной из крайних полосок в «тройке».

Эксперимент был проведен на 20 испытуемых с нормальным или скорректированным зрением.

Результаты

Для каждого из 20 испытуемых были получены следующие результаты: усредненное время реакции, число правильных ответов и вызванный потенциал по четырем пробам для каждого сочетания цель-дистрактор из заданного алфавита стимулов (15 цветов).

Обработка результатов

Способом, аналогичным описанным для эксперимента №2, были рассчитаны матрицы различий по показателям эффективности зрительного поиска - времени реакции и вероятности правильного ответа. Кроме того, был усреднен вызванный потенциал между испытуемыми.

После резекции всех артефактов и проб с ошибочными ответами испытуемых число усреднений для каждого вызванного потенциала стало составлять около 60, для проб с большим числом ошибок вследствие высокого сходства цели с дистрактором - около 40.



Рисунок 11. ВП на задачу зрительного поиска

По оси абсцисс - время в секундах, по оси ординат - потенциал в микровольтах, позитивность снизу Малое число усреднений вызвало неустойчивость базовой линии, которая хорошо заметна на рисунке 11. Это делает анализ амплитуд отдельных компонент мало осмысленным. Тем не менее, остается возможность анализа межпиковых амплитуд. На приведенном рисунке представлен вызванный потенциал на поиск полосок трех цветов - красного, зеленого и сиреневого на фоне референтной полоски синего цвета. Заметно, что амплитуда левого плеча P100 и правого плеча Р300 заметно ниже для поиска сиреневой полоски. Из этого может следовать, что амплитуды компонентов Р100 и Р300 отражают какие-то содержательные параметры выполнения задачи зрительного поиска. Методом корреляционного анализа мы сопоставили показатели эффективности зрительного поиска (вероятность ошибки и время реакции) с амплитудами этих и других компонент во всех отведениях. Была обнаружена отрицательные корреляции между временем поиска и амплитудами компонент Р100 (r=-0.61) и Р300 (r=-0.64), максимально выраженные в отведении Р3-А1. Ниже представлены соответствующие диаграммы рассеяния.

А. Н. Гусев.«Фурье - анализ зрительного восприятия» - научная статья 2010г.

Лущеков А. «Фурье - анализ зрительного восприятия» - Статья «Психологическое просвещение» 2023г.

Вывод по §2

Подводя итоги 2 параграфа позволяет сделать следующие основные выводы:Распределение частотных каналов в зрительной коре: Нейронные механизмы анализа пространственных частот предполагают наличие различных частотных каналов в зрительной коре, каждый из которых отвечает за обработку определенного диапазона пространственных частот. Это позволяет организовать эффективный анализ и восприятие различных структур и текстур визуальных стимулов.

Топографическая организация: Нейроны, чувствительные к различным частотам, распределены топографически в зрительной коре, что обеспечивает точечное отображение частотной информации в пространственной структуре коры. Это позволяет эффективно обрабатывать и анализировать пространственные особенности визуальных стимулов.

Интеграция и взаимодействие: Нейронные механизмы анализа пространственных частот предполагают интеграцию информации от различных частотных каналов для создания комплексного визуального восприятия. Это включает в себя механизмы взаимодействия между различными частотными каналами и между различными областями зрительной коры.

Роль Фурье-анализа в понимании нейрональных механизмов: Фурье-анализ является мощным инструментом для анализа пространственных частот и может быть использован для изучения нейрональных механизмов анализа пространственных частот в зрительной коре. Это позволяет получить более глубокое понимание того, как нейроны обрабатывают пространственную информацию визуальных стимулов.

Таким образом, анализ нейронных механизмов анализа пространственных частот с помощью Фурье-анализа зрительного восприятия подчеркивает важность этих механизмов для формирования визуального опыта и расширяет наше понимание нейрональных основ зрительной функции.

Заключение

Данная курсовая работа продемонстрировала, что применение Фурье - анализа является мощным подходом для исследования механизмов зрительного восприятия. Этот метод позволяет выявить частотные характеристики зрительных сигналов и изучить, как зрительная система человека обрабатывает и интерпретирует визуальную информацию. Полученные результаты открывают новые возможности в области компьютерного зрения, дизайна интерфейсов и реабилитации зрения. Дальнейшее развитие этого направления исследований, с учётом междисциплинарного подхода и использования новейших методов, позволит получить более глубокое понимание механизмов зрительного восприятия. Заключение для курсовой работы по Фурье-анализу зрительного восприятия может заключаться в том, что метод Фурье-анализа эффективен для анализа визуальной информации, позволяя выявить особенности восприятия изображений через частотные компоненты. Применение этой теории в жизни находит широкое применение в различных областях:Медицина: Анализ медицинских изображений, таких как снимки МРТ и КТ, может помочь в диагностике и лечении различных заболеваний.

...