СЕНСОРНО-ПЕРЦЕПТИВНЫЕ ПЮЦЕССЫ 1 страница

Г

Структура главы:

3.1 Пространство и время восприятия

3.1.1 Зрительная пространственная локализация

3.1.2 Восприятие движения и времени

3.1.3 Перцептивные взаимодействия и маскировка

3.2 Взлет и падение «иконы»

3.2.1 Иконическая память

3.2.2 Эхоическая память

3.2.3 Микрогенез как альтернатива

3.3 Распознавание конфигураций

3.3.1 Традиционные психологические подходы

3.3.2 Влияние нейронаук и информатики

3.3.3 Роль предметности и семантический контекст

3.4. Восприятие и действие

3.4.1 Сенсомоторные основы восприятия
(и наоборот)

3.4.2 Уровни восприятия

3.4.3 Развитие и специализация восприятия

Изучение восприятия началось с описания перцептивных иллюзий и яв­лений константности, то есть относительной независимости восприни­маемых параметров объектов — положения, ориентации, размера, цве­та и т.д. — от физических условий стимуляции. Это позволило в 19-м веке выделить данную область как отличную от сферы интересов опти­ки и акустики. Гештальтпсихологи Вертхаймер, Кёлер и Коффка описа­ли затем эффекты перцептивной организации, подчеркнув, что воспри­ятие имеет собственные закономерности и не сводится к памяти и мышлению. К началу когнитивной эпохи в области восприятия сосуще­ствовало два основных подхода. Для первого — непрямого или конструк­тивистского — исходной осталась задача интерпретации ощущений. По­скольку ощущения как проксимальные отображения объектов явно аконстантны, исследователи вынуждены были постулировать процессы их внутренней коррекции с помощью памяти или мышления, напри­мер, гельмгольцевских «бессознательных умозаключений». Точку зре­ния прямого восприятия сформулировал в середине 20-го века ученик Коффки Джеймс Джером Гибсон. Он описывал восприятие как процесс сбора информации о дистальных объектах, осуществляемый с помощью локомоций и предметных действий. Получаемая при этом Информация адекватна объектам и не требует коррекции.

Первые модели переработки информации человеком в когнитив­ной психологии имели конструктивистский характер. Их неизменным компонентом были блоки «иконической» и «эхоической» памяти, со­держание которых выполняло роль зрительных и слуховых ощущений. Не случайно один из авторов, много сделавший для объяснения вос­приятия, писал в эти годы: «Безусловно, Гельмгольц почувствовал бы себя на знакомой почве, посети он нас после 80-летнего отсутствия» (Epstein, 1977, IX). Когнитивное сообщество вначале игнорировало последователей Гибсона с их лозунгом «Не спрашивай, что внутри тво­ей головы, а спрашивай, внутри чего твоя голова». Затем ситуация из­менилась. Для решения практических задач пришлось перейти к изуче­нию восприятия в естественной среде и в условиях подвижности наблюдателя. Эта среда стала интенсивно изучаться и моделироваться, в результате чего возникла технология виртуальной реальности. Были выявлены группы нейрофизиологических механизмов, в различной сте­пени зависящие от ситуации и от наших представлений о ней. Склады­вается впечатление, что сторонники альтернативных подходов пыта­лись описать процессы, разворачивающиеся на разных эволюционных уровнях восприятия.

3.1 Пространство и время восприятия

3.1.1 Зрительная пространственная локализация

Среди других перцептивных процессов восприятие пространства выде­ляется множественностью (избыточностью) своих операций, а также тем, что оно специально настроено на функционирование в нормаль­ных условиях жизнедеятельности: стабильности большинства предме­тов, независимости их размеров от расстояния до наблюдателя, продол­жения существования предмета, частично или полностью вышедшего из поля зрения, и т.д. Легкость, с которой воспринимаемые простран­ственные отношения определяются искусственными, но экологически правдоподобными стимульными ситуациями, неоднократно давала по­вод для сравнения механизмов восприятия пространства с изученными этологами врожденными механизмами, запускающими видоспецифи-ческие формы поведения. С этой точки зрения, восприятие простран­ства могло бы служить примером модулярной системы (Fodor, 1983), если бы не его высокая пластичность и интермодальность, которые явно противоречат некоторым из критериев модулярности (см. 2.3.2 и 3.4.3).

Наиболее известным примером восприятия пространства является бинокулярное восприятие глубины. Джордж Беркли, а затем Герман Гельмгольц дали классическое объяснение этому процессу, основанное на допущении возможности субъективного отображения и интерпрета­ции проксимальной стимуляции. Согласно этой конструктивистской трактовке, восприятие глубины начинается с того, что мы отмечаем различия — диспаратностъ — монокулярных ретинальных изображе­ний, обусловленные несовпадением положений левого и правого глаза в пространстве. Затем на основании этих видимых различий, положе­ний отображений на сетчатке и знаемого расстояния между глазами вы­числяется (этап «бессознательных умозаключений») относительная уда­ленность различных участков сцены.

Важным вкладом в психологию восприятия стали работы америка­но-венгерского исследователя Белы Юлеза (например, Julesz, 1995), доказавшего возможность бинокулярного восприятия глубины в ситу­ации, когда это классическое объяснение не работает¹. Идея его мето­дики возникла из практики аэрофотосъемки и стереоскопического ана­лиза участков земной поверхности, используемых для определения рельефа местности и при поиске замаскированных объектов. На рис. 3.1 показан пример созданных Юлезом случайно-точечных стереограмм. Для создания стереограмм использовалась матрица размером 100x100, ячей­ки которой случайно заполнялись с вероятностью 50%. Обе стереограм-мы идентичны за исключением небольшого центрального участка квад-

¹ Самые первые демонстрации этого рода были проведены советским исследователем
восприятия Б.Н. Компанейским еще в конце 1930-х годов. 165

Рис. З.1. Пример случайно-точечных стереограмм из работ Юлеза и схематическое по­яснение способа их построения.

ратной формы, который несколько смещен в сторону в одной из них. Из-за бесконтурности изображений и совпадения статистических характе­ристик текстур увидеть этот диспаратный участок при обычном рассмат­ривании стереограмм практически невозможно. Однако если они предъявляются с помощью стереоскопа, независимо левому и правому глазу, мы сразу видим участок квадратной формы, выступающий из ок­ружающего фона². Если поменять правое и левое изображения, то, в со­ответствии с заменой знака диспаратности, объект воспринимается как находящийся за поверхностью фона, дальше от наблюдателя. Восприя­тие глубины, следовательно, оказывается возможным, несмотря на от­сутствие объектов или контуров, которые можно было бы увидеть в мо­нокулярных полях зрения.

С традиционной, конструктивистской точки зрения, восприятие объектов или, по крайней мере, контуров в монокулярных полях зре­ния является предпосылкой бинокулярного восприятия пространства. В случайно-точечных стереограммах порядок событий оказывается прямо противоположным — пространственная локализация служит

166

² Здесь, правда, возможны индивидуальные различия. Примерно у 7% людей наблю­даются те или иные врожденные дефекты стереопсиса, причем, как и в случае нарушений цветовосприятия, они затрагивают в основном мужскую часть населения.

предпосылкой идентификации объектов. Кроме того, восприятие глуби­ны в подобных стереограммах требует значительно менее выраженных перепадов яркости (меньшего контраста), чем восприятие формы. По­этому типичными оказываются ситуации, при которых пространствен­ная удаленность объекта оценивается правильно, но его форма еще не может быть определена: он воспринимается как аморфное «нечто».

Каждая поверхность в зависимости от ее материала отражает спе­цифический рисунок распределения света. Поэтому для зрительного выделения объекта в пространстве необходимо наличие зернистости — текстуры — в видимом окружении. Если внутри некоторой области нет обладающих определенной зернистостью рельефов яркости, то она вос­принимается как пустое отверстие, не мешающее проникновению за его границы³. Значение текстур для восприятия в особенности подчеркивал в своих работах Джеймс Дж. Гибсон. Результаты Юлеза показывают, что восприятие пространственного положения основано не на интерпрета­ции ощущений, а на автоматических процессах параллельной обработ­ки (кросскорреляции) текстур.

Как можно описать подобные процессы? Для чисто формального описания можно воспользоваться, например, подходом американского психофизика У. Юттала (Uttal, 1975), который разработал автокорреля­ционную модель обнаружения присутствия точечных конфигураций на фоне динамического шума. Автокорреляционная функция определяет­ся степенью перекрытия копии текстуры с исходным ее вариантом при сдвигах копии относительно вертикальной и горизонтальной осей. При высокой степени перекрытия, вызванной регулярностью конфигурации, на графике автокорреляции появляются пики. Успешность обнаружения конфигураций, согласно данным У. Юттала, хорошо описывается следу­ющим показателем:

F = [ii(AxA)/d_j]n (И),

1=1 j=l

где A_t — амплитуда 1-го пика, А — амплитуда у-го пика, d — евклидово расстояние между двумя пиками, а и — общее число пиков. Для описа­ния процессов параллельной обработки случайно-точечных стереограмм юлезовского типа автокорреляционный процесс может быть заменен

³ Речь идет в основном о перепадах яркости, а не цвета. Ученица Коффки Сузанна
Либманн (см. Konica, 1935) обнаружила следующий эффект. Если яркость двух примыка­
ющих друг к другу поверхностей выравнивается, так что они начинают отличаться между
собой только цветом (спектральным составом отраженного света), то граница этих по­
верхностей неожиданно теряет стабильность и определенность формы. Исследования с
применением равнояркостных стимулов выявили ряд разновидностей данного эффекта:
уплощение пространственных рельефов, замедление и даже исчезновение впечатления
движения объектов и т.д. (Livingstone & Hubel, 1987). Причина этих феноменов состоит в
том, что восприятие цвета — относительно поздний продукт перцептивной обработки
(частично связанный с зоной V4 зрительной коры). Пространственная локализация по­
верхностей, основанная на выделении текстур и перепадов яркости, является скорее ус­
ловием, чем следствием такого восприятия (см. 3.1.3). 167

точно такой же кросскорреляцией текстур в левом и правом монокуляр­ных полях зрения при их взаимных сдвигах относительно горизонталь­ной оси. Результатом будет обнаружение и определение степени сдвига повторяющегося диспаратного участка.

Для оценки нейрофизиологической реальности таких процессов сле­дует упомянуть еще одну важную линию исследований. В 1970-е годы, в исследованиях восприятия получили распространение теории, основан­ные на предположении, что зрительная система проводит Фурье-анализ ретинального изображения, то есть выделяет в его составе синусоидаль­ные компоненты разной пространственной частоты и амплитуды. Фу­рье-анализ изображений основан на использовании теоремы, доказан­ной в 1822 году французским математиком и физиком Жаном Батистом Фурье. Согласно этой теореме, любая аналитическая функция может быть приблизительно описана как сумма некоторого числа синусоидаль­ных компонентов, отличающихся частотой, амплитудой (контрастом) и фазой. В случае двумерных распределений яркости (к ним может быть отнесено ретинальное изображение) к этим трем параметрам добавляет­ся ориентация соответствующих синусоидальных решеток. Эти идеи, как и представления о корреляционном анализе частот, первоначально воз­никли в области анализа механизмов слухового восприятия. Несмотря на ряд трудностей (например, таких, как проблема сохранения инфор­мации о фазе), в рамках этих моделей удается описать процессы детек­ции акустических и зрительных стимулов типа синусоидальных и про­изводных от них решеток. Наличие в зрительной системе нейронов, селективно чувствительных к различным пространственным частотам изображения, подтверждается большим числом данных (Brace, Green & Georgeson, 2003).

Эти данные свидетельствуют о том, что кросскорреляционная обра­ботка текстур, лежащая в основе бинокулярного восприятия глубины, по-видимому, осуществляется только в перекрывающихся по простран­ственной частоте участках спектра. Иными словами, используя для об­ластей фигуры и фона каждой из предъявляемых одновременно стерео-грамм текстуры различной степени зернистости (то есть материал с разной пространственной частотой), можно создать ситуацию, обратную опытам Юлеза — диспаратные объекты сами по себе будут отчетливо видны в каждой из отдельно взятых стереограмм, но при их предъявле­нии независимо левому и правому глазу впечатление глубины будет пол­ностью отсутствовать. Следовательно, постулируемая классическим, конструктивистским подходом возможность феноменального восприя­тия объектов или, по крайней мере, контуров в монокулярных полях зрения не является ни необходимым, ни достаточным условием биноку­лярного восприятия глубины.

Стереопсис (или бинокулярный параллакс) — лишь один из множе­ства механизмов перцептивной оценки глубины и удаленности. Среди них есть и другие, столь же базовые механизмы, как бинокулярный па­раллакс, причем они явно присутствуют и у многих животных, не облада­ющих бинокулярным зрением из-за отсутствия фронтального расположе-168 ния глаз. К таким механизмам относится детекция параллакса движения

Рис. 3.2. Два примера градиентов величины и плотности: А. Уходящая вдаль поверхность; Б. Поверхность, глобальное расстояние от участков которой до наблюдателя не меняется.

(различия угловой скорости объектов в зависимости от их удаленности при движениях самого наблюдателя), перекрытия объектов (при этом фактически используется факт продолжения существования предметов, частично вышедших из поля зрения), воздушной перспективы (низкий контраст и голубоватая окраска далеких объектов), распределения света и тени (здесь для оценки знака рельефа поверхностей используется ин­формация об актуальном или типичном положении источника света), а также градиентов величины и плотности элементов текстуры (см. рис. 3.2). Наконец, к этой же группе базовых биопсихологических механизмов, по-видимому, относятся аккомодация и вергентные движения глаз (см. 3.4.1). Учет вергентных движений существенен для калибровки оценок удален­ности, так как в зависимости от степени конвергенции одной и той же диспаратности будут соответствовать различные значения глубины (это последнее утверждение время от времени ставится под сомнение — см. Logvinenko, Epelboim & Steinman, 2001).

Перечисленные выше механизмы восприятия глубины и удаленно­сти имеют различное значение внутри разных «срезов» эгоцентрическо­го окружения наблюдателя. В одной из классификаций (Cutting, 2003) предлагается рассматривать три вложенные друг в друга и довольно при­близительно очерченные сферы: персональное пространство (personal space), пространство действия {action space) и воспринимаемое про­странство {vista space). Механизмы перцептивной обработки конверген­ции и аккомодации работают практически только внутри персонального

пространства (1—2 м), тогда как признаки перекрытия, гибсонианских фадиентов и воздушной перспективы эффективны во всем диапазоне еще воспринимаемого человеком окружения, то есть при идеальных условиях наблюдения (подходящий угол и интенсивность солнечного освещения, соответствующие по размерам объекты и чистый горный воздух) пример­но до десяти километров и, если очень повезет, даже несколько больше.

Наряду со всеми этими механизмами имеются признаки глубины и, соответственно, процессы их перцептивной детекции и обработки, но­сящие выраженный культурно-исторический характер. Все они, без ка­кого-либо исключения, используются для решения задачи передачи и интерпретации глубины в двумерных изображениях. Следует отметить, что различные культурные традиции интерпретации глубины опирают­ся на отдельные аспекты более базовых нейрофизиологических механиз­мов. Эта ситуация в известной степени аналогична соотношению про­цессов цветонаименования и физиологических механизмов восприятия цвета, где историческое развитие соответствующей области лексикона постепенно выявляет более фундаментальные механизмы нейрофизио­логического кодирования информации о цвете, основанные, например, на контрастировании оппонентных цветов (см. 8.1.2).

Наиболее известным из числа таких «вторичных признаков глубины» является линейная перспектива, использующая работу механизма выделе­ния градиентов величины и плотности. Теория линейной перспективы была разработана и почти канонизирована европейским Возрождением. Тем не менее большие художники никогда не следовали ее предписаниям буквально, учитывая константность величины и формы, то есть относи­тельную независимость воспринимаемых размеров и очертаний предмета от его удаленности и ориентации в пространстве. Кроме того, даже следуя законам линейной перспективы, художники вводили в построение карти­ны несколько систем перспектив, соответствующих различным точкам зрения (этот прием начал применять Джотто, 1266—1337). В традицион­ной китайской и японской живописи, не знающей линейной перспекти­вы, основными приемами передачи удаленности являются имитация воз­душной перспективы (передача удаленных объектов более блеклыми и голубоватыми цветами) и так называемой параллельной перспективы (ва­рьирование положения на вертикальной оси: чем выше расположено изображение объекта на плоскости, тем больше его подразумеваемая уда­ленность). Размеры изображенных предметов при этом могут не менять­ся, как и должно было бы быть при 100% константности. В византийских и древнерусских иконах общим случаем является даже обратная перспек­тива, при которой размеры изображений объектов увеличиваются с пред­полагаемой удаленностью⁴.

⁴ Причины подобной «сверхконстантности» как раз в случае иконописи остаются не вполне понятными (Раушенбах, 1980). Возможно, разгадку обратной перспективы следует искать скорее в особенностях зрительной памяти и воображения, чем собственно восприя­тия. При возникновении последовательных образов, а также в случае так называемой эйде­тической памяти (см. 5.3.1) размеры представляемых объектов увеличиваются при увели-170 чении их предполагаемой удаленности. Такая зависимость называется «законом Эммерта».

Таблица 3.1. Основные признаки глубины и удаленности, эффективные в процессах зри­тельного восприятия

Перечисление основных признаков восприятия глубины и удален­ности, используемых при зрительном восприятии пространства, дано в табл. 3.1. Как видно из таблицы, значительное большинство этих признаков может использоваться в монокулярных условиях. При этом вне зоны ближайшего пространственного окружения (пространство действия с включенным в него персональным пространством), где воз­можно непосредственное сенсомоторное взаимодействие с предмета­ми, зрение выделяет скорее относительную информацию о взаимной удаленности объектов. За пределами этой зоны (все еще воспринимае­мое пространство, vista space) абсолютные оценки удаленности объек­та помогает выносить опора на память, то есть на знаемые размеры предметов и известную (привычную) удаленность ориентиров. Нако-¹ нец, выделяемая стереозрением информация носит как порядковый (например, в случае очень мощного признака перекрытия поверхно­стей), так и количественный, метрический характер (бинокулярный параллакс).

Второй классической проблемой восприятия пространства являет­ся стабильность видимого мира. Дело в том, что оценка видимого на­правления не меняется при движениях глаз (и даже несколько улучша­ется при их наличии). Под движениями глаз в данном случае имеются в виду саккады — чрезвычайно быстрые, до 800°/с, скачки, переводя­щие глаза в новое положение для фиксации, то есть относительно не­подвижное состояние, во время которого и осуществляется сбор сен­сорной информации (см. 3.4.1). В среднем глаза совершают от 3 до 5 саккадических скачков каждую секунду, свыше 160 000 раз в течение каждого дня нашей жизни (мы не принимаем при этих подсчетах во внимание движения глаз во время так называемой REM-фазы сна). Воз­никающие во время саккад перемещения проекции объектов по сетчат­ке не воспринимаются нами и не ведут к ошибочным оценкам положе­ния этих объектов в физическом окружении.

Подобная стабильность видимых направлений представляет собой один из первых описанных в литературе феноменов восприятия, из­вестный уже Аристотелю. В 19-м веке были сформулированы два ос­новных объяснения, с небольшими вариациями встречающиеся в нейро-и психофизиологии до сих пор. Эрнст Мах предположил, что коррек­ция зрительного восприятия осуществляется на базе проприоцептив-ной информации, поступающей от рецепторов глазных мышц. Гельм-гольц выдвинул несколько более сложную гипотезу, согласно которой каждое произвольное движение глаз сопровождается прогнозом изме­нений зрительной стимуляции. Сравнение этого прогноза, связанного с эфферентной командой (или, в современной терминологии, «эфферен­тной копии»), с сенсорной ситуацией после осуществления движения («реафферентацией») позволяет судить о том, произошли ли в окруже­нии за время саккадического скачка глаза какие-либо фактические из­менения.

Возможность проверки этих предположений связана с обездвиже­нием глаз. С точки зрения теории эфферентного прогноза, но не про-приоцептивной коррекции, в такой ситуации можно ожидать иллюзор­ных скачков видимого мира при каждой попытке посмотреть в сторону. В последние десятилетия несколько исследователей попытались прове­рить эти классические гипотезы путем внутривенного введения себе яда кураре. Это вещество селективно блокирует нервно-мышечную переда­чу импульсов, временно вызывая паралич мышц тела. Система мышц, вращающая глазное яблоко в орбите, отключается при этом в последнюю очередь, поэтому такие опыты можно проводить лишь в клинических ус­ловиях, с использованием аппарата искусственного легкого. Получен­ные результаты свидетельствуют об отсутствии иллюзорного движения и скачков объектов в зависимости от интенции двигать глаза, и, следова­тельно, они не подтверждают гипотезу об активном прогнозе обратной

афферентации как основе видимой стабильности (Matin, 1986). Одно-172

временно в независимых экспериментах было показано, что проприоцеп-ция от мышц недостаточно точна, а главное, слишком медленна, чтобы ее можно было полноценно использовать для корректировки восприятия при саккадических движениях глаз. Поэтому в целом не подтверждается и альтернативная гипотеза проприоцептивной коррекции.

Не все авторы считают оправданным столь интенсивный интерес к стабильности видимого мира. Для Гибсона и его последователей (а ра­нее, конечно, и для гештальтпсихологов) — это всего лишь псевдопроб­лема. Зрительное восприятие, с их точки зрения, направлено на поиск инвариантных характеристик оптического потока. Воспринимаемое на­правление определяется при этом относительным положением объекта в окружении, которое не меняется при движениях глаз. Несколько иное объяснение предложил в начале 1970-х годов Дональд М. Маккай. По его мнению, в относительно стабильном мире стабильность положения большинства объектов автоматически принимается организмом в каче­стве «нулевой гипотезы», которая сохраняется до тех пор, пока не будет получено убедительных доказательств обратного⁵.

Но стабильность видимого мира не удается списать со счета просто так, как нечто само собой разумеющееся. Прежде всего она не сохраня­ется при нарушении в работе вестибулярных функций и, например, при алкогольном отравлении. Кроме того, с конца 1980-х годов стали широ­ко проводиться эксперименты, в которых предъявление информации зависело от одновременно регистрируемых движений глаз. Эти экспе­рименты показали, что примерно в течение первых 50—100 мс после на­чала зрительной фиксации однозначная и устойчивая локализация быс­тро предъявляемых тест-объектов отсутствует. Далее было установлено, что если во время саккадического скачка осуществляются сдвиги, пере­становки и даже подмена объектов, то испытуемые часто этого просто не замечают (о феномене «слепоты к изменению» см. подробнее 3.1.3 и 4.4.1). Данный факт противоречит традиционным теориям стабильнос­ти видимого мира, поскольку они предполагают существование деталь­ной «транссаккадической памяти» — либо в форме прогноза вероятных изменений зрительной стимуляции (Гельмгольц и многие последующие авторы), либо в форме образа ситуации, который может требовать (Мах), а может и не требовать (Маккай) дополнительной интермодаль­ной коррекции.

⁵ Независимость восприятия пространства от наших собственных движений под­
черкивал и H.A. Бернштейн: «Когда мы ходим, поднимаемся по лестнице, поворачи­
ваемся вокруг себя, мы не только знаем, но и ощушаем со всей наглядностью и непо­
средственностью, что перемещаемся мы, в то время как пространство с наполняющи­
ми его предметами неподвижно, хотя все рецепторы говорят нам обратное. Если мож­
но так выразиться, каждый субъект еще с раннего детства преодолевает для себя эго­
центрическую, птоломеевекую систему координат, заменяя ее коперниканской» ( 1947/
1991, с. 82). 173

Эти данные заставляют пересмотреть взаимоотношения восприя­тия, памяти и сознания. Если ранняя экспериментальная психология абсолютизировала роль сознания, то когнитивная психология первона­чально явно преувеличила роль памяти, заменив анализ процессов восприятия на представление о сохранении сенсорной информации в пе­риферических регистрах — иконической и эхоической памяти. Как бу­дет показано в следующем разделе, это представление создает больше проблем, чем решает (см. 3.2.1 и 3.2.2). Возможно, восприятие стабиль­ного окружения вообще не связано с существованием сколько-нибудь детального, удерживаемого в памяти образа. Дело в том, что запомина­ние и сравнение таких массивов данных потребовало бы от зрительной системы гигантского объема собственно когнитивных ресурсов, кото­рыми зрительная система не располагает. Вместо этого есть очень быс­трые, требующие, как правило, менее 100 мс процессы пространствен­ной локализации самих объектов. Эти процессы инициируются вновь и вновь после каждого саккадического движения глаз и, во-видимому, после каждого моргания (Bridgeman, Van der Heijden & Velichkovsky, 1994; Velichkovsky et al., 2002a).

3.1.2 Восприятие движения и времени