В функционировании зрительной системы человека

Рассмотрим рис. 4. Левая верхняя решетка (рис. 4, А) имеет сравнительно низ­кую пространственную частоту (широкие полосы), а нижняя — высокую (узкие полосы). Пространственные частоты (ширина полос) решеток на рис. 4, В идеи-

Шиффман X. Анализ пространственной частоты

Рис. 4. Паттерны, рассматриваемые испытуемым, А и тес­товые паттерны Б, используемые для доказательства нали­чия в зрительной системе специализированных каналов, предназначенных для восприятия пространственной часто­ты. Методика проведения эксперимента описана в тексте¹

тичны и занимают промежуточное положение между пространственными часто­тами решеток, представленных на рис. 4, А. Прикройте решетки на В и не менее 60 с внимательно рассматривайте решетки на А, переводя взгляд слева направо и обратно вдоль горизонтальной линии фиксации, разделяющей два паттерна. Пос­ле завершения периода адаптации переведите взгляд на точку фиксации между двумя решетками (средняя пространственная частота) на Б. Пространственные частоты теперь уже не будут казаться идентичными: пространственная частота верхнего паттерна будет казаться выше пространственной частоты нижнего.

Иными словами, снижение чувствительности к определенной пространственной частоте (или нескольким определенным пространствен­ным частотам) вследствие их избирательного воздействия подтверждает наличие в зрительной системе отдельных каналов, воспринимающих раз­ные пространственные частоты.

Большинство объектов, воспринимаемых зрительной системой, мо­жет быть проанализировано с точки зрения их пространственной часто­ты. Описанный ниже анализ пространственной частоты сложных форм — еще одно подтверждение роли анализа Фурье в обработке зрительной ин­формации.

¹ См.: Blakemore С, Sutton P. Size adaptation: A New Aftereffect // Science. 1969. 166. P. 245.

Тема 17. Экспериментальные исследования восприятия

Обработка зрительной информации: блок-портреты

Пример, иллюстрирующий роль анализа пространственной частоты в восприятии формы, представлен на рис. 5, А.

Фотография, так называемый блок-портрет, президента США пред­ставляет собой результат специальной компьютерной обработки традици­онного портрета. Исходный портрет после обработки на компьютере был поделен на маленькие квадраты, или блоки, причем каждый из этих блоков был так воспроизведен типографским способом, что соответству­ющие участки исходного портрета сохранили присущую им среднюю интенсивность света и тени. Иными словами, светимость каждого блока одинакова (однородна) на всей его площади, т.е. она была поэлементно усреднена, или оцифрована¹. Таким образом исходный портрет был пре­вращен в набор примыкающих друг к другу светлых и темных блоков. При этом портрет лишился многих деталей и первоначальной четкости, поскольку вследствие поэлементного усреднения светимости всех блоков

Рис. 5. А — блок-портрет, полученный на компьютере; В — тот же самый портрет после удаления высокочастотного шума

¹ См.: Harmon L.D. The recognition of faces // Scientific American. 1973. 229. P. 70-82; Harmon L.D., Julesz B. Masking in visual recognition: Effects of two-dimensional filtered noise // Science. 1973. 180. P. 1194-1197.

Шиффман X. Анализ пространственной частоты

оригинала были удалены высокие пространственные частоты. Одно­временно с этим резкие границы между блоками стали причиной возник­новения своего рода высокочастотного шума — нежелательного послед­ствия процесса усреднения светимостей блоков. Этот шум тоже маскиру­ет многие информативные низкочастотные компоненты, оставшиеся от оригинального портрета.

В результате при прямом и пристальном взгляде на портрет на нем не сразу разглядишь легкоузнаваемое лицо. Узнавание значительно об­легчается, если портрет оказывается не в фокусе, т.е. если смотреть на него с некоторого расстояния или сбоку. Очевидное объяснение этого явления заключается в том, что при искусственной «расфокусировке» блок-портрета избирательно отфильтровывается большая часть высокоча­стотного шума, образовавшегося в процессе создания блок-портрета, и общий уровень шума понижается. В результате появляется возможность воспринимать многие из оставшихся низких частот. Иными словами, при тех условиях, при которых портрет оказывается не в фокусе, уменьша­ется видимость искусственных резких границ между однородными квад­ратами, или блоками, которые образовались в результате оцифровки пос­ледних. Устранение привнесенных оцифровкой высокочастотных деталей делает видимыми низкочастотные информативные детали, что и облег­чает узнавание лица. Графически это представлено на рис. 5, Б.

Пространственная частота и острота зрения

Анализ функционирования зрительной системы, учитывающий ее чувствительность к светлотному контрасту, является основой для выра­ботки более информативного и полного критерия оценки остроты зре­ния, например остроты разрешающей способности глаза, <...> оцененной исключительно при одной пространственной частоте и при одном уров­не светового контраста. Например, у человека может быть средняя чув­ствительность к одним пространственным частотам и чувствительность ниже средней — к другим. Известно, что возраст по-разному влияет на контрастную чувствительность к разным пространственным частотам: чувствительность к высоким частотам значительно снижается, а чувствительность к низким остается практически неизменной¹. Следова­тельно, в результате старения утрачивается способность различать мел­кие детали.

¹ См.: Owsley С, Sekuler R., Slemsen D. Contrast sensitivity throughput adulthood // Vision Research. 1983. 23. P. 689-699; Crassini В., Brown В., Bowman K. Age-related changes in contrast sensitivity in central and peripheral retina // Perception. 1988. 17. P. 315-332.

Тема 17. Экспериментальные исследования восприятия

Аналогично возрасту действует на контрастную чувствительность к высоким пространственным частотам и движение — оно ее понижает. Иными словами, при стимулировании движущимся раздражителем, об­разованным высокими пространственными " частотами, восприятие мел­ких деталей ухудшается¹. Обсудим практические последствия этого яв­ления для такого вида деятельности, как управление транспортным средством. Хотя способность видеть другие легковые автомобили и гру­зовики (низкие пространственные частоты) при движении в потоке ма­шин остается неизменной, способность различать надписи на дорожных указателях, а также растущие вдоль дороги деревья и кусты (высокие пространственные частоты) понижается. Как правило, подобные измене­ния остроты зрения не фиксируются ни с помощью <...> таблицы Снеллена, <...> ни с помощью таблицы, которая помогла установить, что у детей способность к распознаванию большинства пространственных час­тот выражена слабее, чем у взрослых².

Исследования, выполненные Гинсбургом, показывают, что острота зрения людей, чья профессия предъявляет к ней повышенные требова­ния, например острота зрения летчиков, измеренная традиционными методами, вполне может оказаться нормальной или средней, однако если оценить ее, учитывая и контрастную чувствительность, обнаруживают­ся весьма существенные индивидуальные различия³. Автор нашел, что некоторые летчики демонстрируют большую контрастную чувствитель­ность в случае низких пространственных частот, чем их коллеги, остро­та зрения которых по итогам теста Снеллена, в ходе которого предъ­является высокочастотный стимул ьный материал, была признана более высокой⁴. Подобная ярко выраженная избирательная чувствительность может проявляться в улучшении восприятия объектов при плохой види­мости, например в тумане, или объектов, находящихся на большом рас-

¹ См.: Long G.M., Homolka J.L. Contrast sensitivity during horizontal visual pursuit:
dynamic sensitivity functions // Perception. 1992. 21. P. 753-764; Long G.M., Kearns D.F.
Visibility of text and icon highway signs under dynamic viewing conditions // Human Factors.
1996. 38. P. 690-701.

² См.: Dobson V., Teller D.Y. Visual acuity in human infants: A review and comparison of
behavioral and electrpohysical studies // Vision Research 1978. 18. P. 1469-1483; GwiazdaJ.,
Brill S., Held R. New metods for testing infant vision // The Sigbtsaving Review. 1979. 49.
P. 61-69; Norcia A.M., Tyier C.W, Spatial frequency sweep VEP: Visual acuity during the
first year of life // Vision Eesearch. 1985. 25. P. 1399-1408.

³ См.: Oinsburg A.P. Spatial filtering and vision: Implications for normal and abnormal vision // Ь.Ргоеша, J.Enoch, A.Jampolski (Eds.). Clinical applications of psychophysics. N. Y.: Cambridge University Press, 1981; Ginsburg A.P. Spatial filtering and visual form perception // K.R.Boff, L.Kaufman, J.P.Thomas (Eds.). Handbook of perception and human performance. Vol. II: Cognitive processes and performance. N. Y.: John Wiley, 1986.

⁴ См.: Ginsburg A.P, Spatial filtering and vision: Implications for normal and abnormal vision // L. Proenza, J. Enoch, A. Jampolski (Eds.). Clinical applications of psychophysics. N. Y.: Cambridge University Press, 1981.

Шиффман X. Анализ пространственной частоты

стоянии. На основании результатов тестирования по Снеллену Гинсбург предположил, что от 10 до 15% населения имеет хорошую остроту зре­ния, но плохую чувствительность к низким и средним пространственным

частотам¹.

Роль анализа пространственной частоты

в зрительном восприятии

Какую роль в изучении зрительного восприятия играет анализ про­странственной частоты? Прежде всего он является простым и надежным способом описания и обобщения структурных деталей различных визуаль­ных объектов, а именно: высокие пространственные частоты кодируют информацию о деталях, обладающих наиболее тонкой текстурой, а низкие пространственные частоты — информацию о структурах, образованных паттернами крупных элементов. С его помощью можно также описать и общие принципы работы визуальной системы, связанной с анализом, сопо­ставлением и интеграцией активности огромного количества рецепторов и соотнесением этой активности со специфическим признаком физического раздражителя. Кроме того, мы убедились, что описание визуального раздражителя в терминах его пространственных частот полезно для оцен­ки остроты зрения и более информативно, чем оценка последней с помо­щью традиционной таблицы Снеллена. Анализ пространственной частоты не просто выявляет, какие именно количественные и дескриптивные ха­рактеристики может использовать зрительная система для кодирования сложной визуальной информации, подлежащей дальнейшей обработке, но играет в зрении более существенную роль.

¹ См.: GimburgA.P. Spatial filtering and visual form perception // K.R.Boff, L.Kaufman, J.P.Thomas (Eds.). Handbook of perception and human performance. Vol. II: Cognitive processes and performance. N. Y.: John Wiley, 1986; Ginsburg A.P., Cannon M.W., Evans D.W., Owsley C, Mulvaney P. Large sample norms for contrast sesitivity // American Journal of Optometry and Physiological Optics. 1984. 61. P. 80-84.