 |
BMe Kutatói pályázat |
|
BME Pszichológiai Doktori Iskola
BME TTK, Kognitív Tudományi Tanszék
Témavezető: Kovács Ilona; külső konzulens: Geier János
Látási alapjelenségek megismerése vizuális illúziókon keresztül
A kutatási téma néhány soros bemutatása
A vizuális illúziók árulkodnak a humán látórendszer információfeldolgozásának belső folyamatairól. Vizuális rendszerünknek egyetlen kapcsolata a fizikai külvilággal a retinákra eső fényeloszlás, ebből mégis háromdimenziós, színes modellt épít fel, amely lehetővé teszi a vizuális térben való tájékozódást, cselekvést. Eközben mégis mintegy hibákat vét látórendszerünk: percepciónk gyakran eltér a fizikai fényeloszlástól. Munkám során ezeknek a hibázásoknak, a vizuális illúzióknak szisztematikus vizsgálatával próbálom feltárni a látórendszeri alapműködések fontosabb tulajdonságait. Ezen hibázások törvényszerűségeiből ugyanis következtethetünk az észlelés működési módjára. Ezáltal a fiziológiai kísérletek alternatívájaként, pszichofizikailag mérhető jelenségek szabályszerűségeinek feltárásával és modellezésével nyerhetünk betekintést a látórendszer működésébe. Kutatásom során a világosság- és színészlelést vizsgáló pszichofizikai kísérleti eredményeimet egy látórendszerben végbemenő, neurális aktivitásterjedést szimuláló modell keretében értelmezem (Geier, 2009). A látórendszer dinamikájáról árulkodó jelenségekkel kapcsolatos eredményeket és a sztereólátás megértéséhez közelebb vivő binokuláris rivalizáció jelenségét pedig neurális adaptáción alapuló modellekkel (pl. Pastukhov és Braun, 2011) próbálom megragadni.
A kutatóhely rövid bemutatása
Kutatásaim két kutatóhelyhez kapcsolódnak: a BME Kognitív Tudományi Tanszékén a kognitív tudomány széles körében zajlanak kutatások, a kontúrészleléstől az alvás tanulásra gyakorolt hatásain keresztül a pszicholingvisztikáig. Külső kutatóhelyem a Stereo Vision Kft, mely az emberi látás alapfolyamatainak kísérleti kutatását és számítógépes modellezését végzi, és az innovatív képfeldolgozó algoritmusok kifejlesztésénél gyakorlatban alkalmazza.
A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása
A világosságillúziók kontraszt/asszimilációs (1-2. ábra) jelenségekre oszthatók. Kontraszt jelenségeknél a világos környezetű terület látszólag besötétedik, míg a sötét környezettel körülvett, fizikailag azonos intenzitású terület kivilágosodik. Az asszimiláció ezeknek ellenkezője. Ezen jelenségeknek máig nincsen egységes magyarázatuk. A kontrasztjelenségeket tradicionálisan a laterális gátlás elvével magyarázzák (4. ábra, Baumgartner, 1960), amely az asszimilációs jelenségekre nem alkalmazható. Alacsony szinten egyfelől konvolúciós modellekkel (Blakeslee és McCourt, 2004) próbálják ezeket egységesen megragadni, melyeknél a kép minden pontját az adott pont környezetének adott módon súlyozott intenzitás-átlagával helyettesítik; másfelől a kitöltési modellek megközelítésében (Cohen és Grossberg, 1984) a határélek által körülzárt területek kitöltési folyamatát modellezik. Mások az értelmezés szerepét hangsúlyozzák (Adelson, 1993). A színillúziókra sincs általánosan elfogadott, egységes modell.
Normál látásnál a két szembe vetülő képek nagyban átfednek, és a minimális eltérés teszi lehetővé a térlátást. Működésének jobb megismerése érdekében a rendszert provokálhatjuk a két szembe vetített két különböző ábrával: ekkor észlelhető a binokuláris rivalizáció jelensége: a látott kép vagy egy dinamikusan változó mozaik (ami fizikailag nincs jelen, tehát a binokuláris rivalizáció is tekinthető illúziónak), vagy a két szembe vetített két képet spontán váltakozva látjuk. Ezt korábban a monokuláris sejtek kölcsönös gátlásával magyarázták (Blake, 1989). Kovács et al (1996) azonban kimutatta magasabb szintű vizuális területek szerepét. Pastukhov és Braun (2011) neurális adaptációs modell alapján értelmezi a jelenséget.
A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések
Kutatásom célja a világosság-és színészlelés, valamint a binokuláris látás szabályszerűségeinek kutatása illúziókkal végzett pszichofizikai kísérletek segítségével. A világosság- és színészlelés témakörében a legfőbb megoldásra váró probléma az asszimilációs és kontraszt jelenségek egységes magyarázata. Vizsgáljuk továbbá a neurális adaptáció formáit és hatását dinamikus illúziók és a binokuláris rivalizáció segítségével.
Az illúziók különböző paraméterektől való függésének tisztázása közelebb vihet ahhoz, hogy egységes magyarázó modellt adhassunk az ismert világosság- és színillúziókra, és ezáltal a látás alapfolyamataira. Az egységes modell azért kulcskérdés, mivel a jelenség szintjén ellentétesnek látszó hatások (hol a sötét, hol a világos környezetű inger látszik világosabbnak) ellenére sem tételezhetjük fel, hogy az idegrendszer a képet felismerve „átkapcsol” egyik üzemmódról a másikra. Feltehetőleg ugyanazokat a folyamatokat használja a kontraszt- és asszimilációs jelenségeket előidéző képek és valós képek nézésekor is.
Az eddigi jelenségek és elméletek egyszemes látás esetén is működnek. Látórendszerünk rendszerszintű viselkedésének megértéséhez szükséges azonban a kétszemes látás tanulmányozása is. Kísérleti eredményeinket Pastukhov és Braun (2011) perceptuális bistabilitási jelenségeket leíró modelljében értelmezzük, amely neurális adaptációt tételez fel e jelenségek mögött. Ennek paramétereiben szignifikáns különbségeket találtunk: a gyerekek a felnőtteknél gyorsabb és erősebb adaptációs hatást mutattak, valamint gyorsabban alternáltak. A fejlődési görbe azonban még nem teljes, a serdülő korosztályon érdemes tovább vizsgálni az adaptációs hatást.
Módszerek
Világosságillúziók
A pszichofizikai kísérletekben az egyes illúziók variálásával megvizsgálom, hogy mely paraméterek szükséges/elégséges feltételei az egyes illúzióknak, és hogyan befolyásolják azt. Ehhez leginkább a nullázásos technikát alkalmazom. Ennél a kísérleti személynek egy monitoron bemutatott ábrán lévő illuzórikusan megváltozott képtartományt fizikailag olyan mértékben kell módosítania a kísérleti programmal, amelynél már megszűnni látja az illúziót. Ezzel az egyes illúziók erősségét mérem a paraméterek változásainak függvényében.
Az élek szerepének vizsgálata külön hangsúlyt kap, mivel ez a modell szempontjából kulcskérdés. Így tovább vizsgálom az élek szegmentáló hatását az általunk bemutatott rámpás Chevreul illúzió (Geier, Séra, Bernáth és Hudák, 2006; Geier és Hudák, 2011) variálásával (Hudák és Geier, 2011). A White hatás és a szimultán kontraszt különböző változatait – mint például az általunk (Hudák és Geier, 2009) felfedezett, határél nélküli White hatást – is vizsgálom, hogy milyen körülmények között vált át az asszimiláció kontraszt jelenségbe.
Színillúziók
A színillúziók modellezésére korábban a piros, zöld és kék csatornánkénti feldolgozás elvét alkalmaztuk. Ez a színes Hermann rács, a Lotto illúzió (R. Beau Lotto, http://www.lottolab.com/) és a színkontraszt illúzió esetén sikeres volt; a színes Hermann rácsra ezt kísérletileg is alátámasztottuk (Hudák és Geier, 2007). Azóta azonban megállapítottuk, hogy a csatornánkénti független feldolgozás nem minden esetben modellezi a White illúzió színes változatát, valamint a Pinna illúziót. A színes modellt pszichofizikai kísérleti vizsgálataim eredményei segítségével szeretnénk újragondolni, hogy egységesen modellezze az ismert színillúziókat.
Binokuláris rivalizáció és adaptáció
A kétszemes illúzió vizsgálatára is pszichofizikai kísérleteket végzek, melyhez a paradigmát nemzetközi együttműködésben fejlesztettük (Hudák, Gerván, Friedrich, Pastukhov, Braun és Kovács, 2011). Itt a kísérleti személyek joystick segítségével indikálják, hogy melyik képet látják éppen, illetve hogy mikor válik a látvány mozaikszerűvé. Ezzel a módszerrel a binokuláris rivalizáció dinamikája és a mögöttes adaptációs hatások is vizsgálhatók különböző populációkban.
Dinamika és adaptáció – különféle utóképek
A fényeloszlás dinamikusan változik a retinán, aminek következtében szintén a látórendszeri feldolgozás dinamikájáról árulkodó illuzórikus jelenségek lépnek fel. Vizsgáljuk a rövid bemutatási idő alatt is előálló utóképeket, amely mögött inkább előrejóslást, mintsem adaptációt tételezünk fel. Ebben a kísérletben a személy akkor állítja le a dinamikusan változó ingert, amikor annak kontrasztját nullának látja (homogén kép) (Geier, Séra és Hudák, 2007).
Akkor is előfordul koherens utókép, amikor a dinamikusan változó ingerben nincs adott pillanatban koherens mintázat. Ez a jelenség azt mutatja, hogy a látórendszer a dinamikusan változó fénymintázat időátlagára is képes adaptálódni, és abból koherens mintázatot kinyerni. Itt kötelező választásos módszert alkalmazunk: a személynek 4 betű közül kell kiválasztani, melyik lehetett elrejtve a random zajba (Anstis, Geier és Hudák, beadva).
Eddigi eredmények
A világosságillúziók új, egységes modelljének megalkotásához és köztudatba emeléséhez az első lépés a régi, széles körben elfogadott modell egyértelmű cáfolata. A 4. ábrán ismertetem a laterális gátlást, melyet 1960 óta a retinális receptív mezők működésével azonosít a szakirodalom. A kontrasztjelenségek nagy hányadát vele magyarázzák a tankönyvek, de erre alapoznak a fenti konvolúciós modellek is, továbbá egyes magasabb rendű folyamatokat feltételező tudósok (Gilchrist, 2006) erre vezetnek vissza asszimilációs jelenségeket, csoportosítási elvek feltételezésével.
A Hermann rácsra 2008-ban a Perception folyóiratban megjelent cikkünkben cáfoltuk e tankönyvi magyarázóelvet a rács meggörbítésével. Ebben modellünk kvalitatív leírását is megadtuk.
A modellt színes Hermann rácsokra is kiterjesztettük, melynek szimulációs eredményeit a 2007-es ECVP konferencián tartott előadásomban mutattam be.
A Chevreul illúzióra is cáfoltuk a tradicionális magyarázat és minden konvolúciós modell létjogosultságát (Geier, Séra, Bernáth és Hudák, 2006; Geier és Hudák, 2011; Hudák és Geier, 2011).
Az ismert világosságillúzióknak egységes paraméterekkel jelenleg 80%-át, a paraméterek kis változtatásával pedig 95%-át képes a humán percepciónak megfelelően szimulálni a külső konzulensem által fejlesztett modell, beleértve azokat is, amelyekhez mások magasabb kognitív folyamatok szükségességét feltételezik. (Geier, 2009; cikk előkészületben).
A binokuláris rivalizáció adaptációs hatásainak vizsgálatában szignifikáns különbségeket találtunk a 9 és a 21 éves populációk között Pastukhov és Braun (2011) modelljének keretében (Hudák, Gerván, Friedrich, Pastukhov, Braun és Kovács, 2011). Eredményeink szerint a gyerekek gyorsabban alternálnak, mint a felnőttek, ami összhangban van a korábbi szakirodalmi adatokkal (pl. Kovács és Eisenberg, 2005). A gyerekek emellett erősebb adaptációs hatást mutatnak, és gyorsabban alakul ki náluk a hatás, mint a felnőtteknél.
A neurális adaptációnak fontos szerepe van akkor is, ha nem csak illuzórikusan változik dinamikusan a kép, mint a binokuláris rivalizációnál, hanem az inger fizikailag is random zaj. Ha ebbe a zajba új rejtünk egy betűt, hogy a kísérleti személy nem is tudja beazonosítani azt az ingerlés során, akkor bizonyos adaptációs idő után homogén képernyőre nézve egyértelműen látja mégis a betű utóképét, ami azt mutatja, hogy a látórendszer a dinamikusan változó fénymintázat időátlagára is képes adaptálódni, és abból koherens mintázatot kinyerni. (Anstis, Geier és Hudák, beadva).
Dinamikusan változó kép rövid idejű nézésekor is előfordulnak utóképek, melyeket a rövid nézési idő miatt és kísérleti eredményeink alapján nem adaptációval, hanem a látórendszernek egyfajta előrecsatolásával magyarázunk (Geier, Séra és Hudák, 2007).
Várható impakt, további kutatás
A laterális gátlás modellt cáfoló eredményeink már most is nemzetközi elismertségnek örvendenek (Anstis 2006, Bach & Poloschek, 2006; Hoffmann, 2008; Howe & Livingstone, 2007; Lingelbach & Ehrenstein, 2004; Schiller & Carvey, 2005). Az új modell publikálása is valószínűleg nagy visszhangra tarthat majd számot, mivel a jelenleg ismert modellek az illúzióknak csak egy kisebb hányadát képesek megragadni, színes képekre pedig egyiket sem terjesztették még ki. További kutatásainkban szerepet kap majd a világosság -és színészlelés, valamint a binokuláris rivalizáció fejlődésének kutatása. Tervezzük továbbá a dinamikus jelenségek feltárását is, valamint a térlátás kutatását, melyeket jövőbeni pszichofizikai kísérleteink eredményeinek megfelelően szeretnénk egzakt komputációs modellbe foglalni.
Saját publikációk, hivatkozások, linkgyűjtemény
Saját publikációk:
Könyvfejezet
Folyóiratcikk
|
4. |
Geier J, Bernath L, Hudak M, Sera L Straightness as the main factor of the Hermann grid illusion. PERCEPTION 37:(5) pp. 651-665. Paper doi:10.1068/p5622. (2008) IF: 1.360, WoS link, Scopus link, 18605141, DOI: 10.1068/p5622 Folyóiratcikk/Szakcikk/Tudományos Független idéző: 13 Függő idéző: 1 Összesen: 14
| ||||||||||||||||||||||||||||
|
5. |
Geier J, Hudak M Changing the Chevreul Illusion by a Background Luminance Ramp: Lateral Inhibition Fails at Its Traditional Stronghold - A Psychophysical Refutation. PLOS ONE 6:(10) Paper e26062. (2011) IF: 4.411*, WoS link, Scopus link, DOI: 10.1371/journal.pone.0026062 Folyóiratcikk/Szakcikk/Tudományos WC: Biology
| ||||||||||||||||||||||||||||
|
6. |
M Hudak, P Gervan, B Friedrich, A Pastukhov, J Braun, I Kovacs Increased readiness for adaptation and faster alternation rates under binocular rivalry in children. FRONTIERS IN HUMAN NEUROSCIENCE 5: 7 p. Paper 128. (2011) IF: 1.940*, WoS link, 22069386, DOI: 10.3389/fnhum.2011.00128 Adatbázis-linkek: Google scholar link Folyóiratcikk/Szakcikk/Tudományos
| ||||||||||||||||||||||||||||
|
7. |
Anstis, S., Geier, J. Hudák, M., 2012, Afterimages from unseen patterns. i-Perception 3(8) 499-502
|
Konferencia absztrakt folyóiratban
|
8. |
Hudak MF, Geier J Modelling with flying colours: The application of the RadGrad model to chromatic Hermann grids. PERCEPTION 36: p. 173. (2007) IF: 1.617, WoS link Folyóiratcikk/Konferenciacikk folyóiratban/Tudományos WC: Psychology; Psychology, Experimental
előadás
|
|
9 . |
Geier J, Sera L, Bernath L, Hudak M Increasing and decreasing the Chevreul illusion by a background luminance ramp. PERCEPTION 35: p. 215. (2006) IF: 1.585, WoS link Folyóiratcikk/Konferenciacikk folyóiratban/Tudományos
|
|
10. |
Geier J, Sera L, Hudak M Whiter than white, blacker than black-overshot in lightness perception. PERCEPTION 36: p. 80. (2007) IF: 1.617, WoS link Folyóiratcikk/Konferenciacikk folyóiratban/Tudományos SU: S WC: Psychology; Psychology, Experimental
|
|
|
|
|
11. |
Hudak M, Geier J White effect without physical edges. PERCEPTION 38: p. 51. (2009) Folyóiratcikk/Konferenciacikk folyóiratban/Tudományos SU: S WC: Psychology; Psychology, Experimental
|
|
12. |
Geier J, Hudak M, Lingelbach B Two different illusory effects in the Spillmann-Levine grid. PERCEPTION 39: p. 165. (2010) IF: 1.293, WoS link Folyóiratcikk/Konferenciacikk folyóiratban/Tudományos |
|
13. |
Hudak M, Geier J, Lingelbach B Scintillation in the Spillmann-Levine grid. PERCEPTION 39: p. 166. (2010) IF: 1.293, WoS link Folyóiratcikk/Konferenciacikk folyóiratban/Tudományos SU: S WC: Psychology; Psychology, Experimental |
|
14. |
Hudák M, Geier János The segmenting effect of diagonal lines in the ramped Chevreul illusion. In: European Conference on Visual Perception. Toulouse, Franciaország, 2011.08.28-2011.08.30. p. 202. (Perception 40 ECVP Abstract Supplement) http://www.perceptionweb.com/abstract.cgi?id=v110565 Konferenciacikk/Absztrakt/Tudományos
|
Magyar nyelvű konferencia-előadások:
Hudák Mariann és Geier János: White-illúzió fizikai élek nélkül 15. Magyar Látás Szimpózium, 2009. december 18.
Link: http://sites.google.com/site/latasszimpozium/Home/kivonatok
Füzesiné Hudák Mariann és Geier János: A RadGrad modell alkalmazása a színes Hermann-rács foltjaira. MAKOG XV. Eger. 2007. január 19-21.
Link: http://www.makog.cogpsyphy.hu/MAKOGprogram.pdf
Séra László, Bernáth László, Geier János, Füzesiné Hudák Mariann: A Chevreul illúzió változása a háttér rámpa változtatásával, avagy hogyan értelmezünk? MAKOG XV. Eger. 2007. január 19-21.
Link: http://www.makog.cogpsyphy.hu/MAKOGprogram.pdf
Hudák Mariann, Geier János: Receptív mezők, sűrű sötét erdők? 14. Magyar Látás Szimpózium. 2008. augusztus 30. Pécs
Link: http://kognit.edpsy.u-szeged.hu/latasszimpozium/2008/absztrakt.htm
Magyar nyelvű konferencia-poszter:
Geier János, Séra László, Hudák Mariann : A vizuális illúziók napjainkban Magyar Pszichológiai Társaság Nagygyűlése Nyíregyháza 2008
OTDK dolgozat (2. helyezés):
Hudák M. F. (2006). A színes Hermann rács foltjainak törvényszerűségei. OTDK dolgozat. OTDK 2007. Piliscsaba
Egyéb hivatkozott irodalom:
Adelson, E. (1993). Perceptual organization and the judgment of brightness. Science, 262 (5142), 2042–2044.
Anstis, S. (2006). In honour of Lothar Spillmann - filling-in, wiggly lines, adaptation, and aftereffects. Prog. Brain Res., 155, 93-208.
Bach és Poloschek, (2006). Optical illusions. Advances in Clinical Neuroscience and Rehabilitation, 6(2), 20-21.
Baumgartner, G. (1960). Indirekte Größenbestimmung der rezeptiven Felder der Retina beim Menschen mittels der Hermannschen Gittertauschung. Pflugers Archiv für die gesamte Physiologie, 272, 21-22.
Blake, R. (1989). A neural theory of binocular rivalry. Psychol. Rev. (96), 145–167.
Blakeslee, B. &. McCourt M E (2004). A unified theory of brightness contrast and assimilation incorporating oriented multiscale spatial filtering and contrast normalization. Vision Research, (44) 2483–2503
Cohen MA, Grossberg S. (1984). Neural dynamics of brightness perception: features, boundaries, diffusion, and resonance. Percept Psychophys., 36(5) 428-456.
Geier J, (2009). A diffusion based computational model and computer simulation for the lightness illusions. Perception (38) ECVP Abstract Supplement, 95
Link: http://www.perceptionweb.com/abstract.cgi?id=v090993
Hoffmann, K. P. (2008). Faculty of 1000 Biology, 5 Aug 2008.
Link: http://www.f1000biology.com/article/id/1118826/evaluation
Howe, P.,D.,L. & Livingstone, M. S. (2007). The use of the cancellation technique to quantify the Hermann grid illusion. PLoS ONE 2(2) e265.
Kovacs I., Papathomas T.V., Yang M., Feher A. (1996) When the brain changes its mind: interocular grouping during binocular rivalry. Proc Nat Acad Sci U S A 93: 15508-11.
Kovacs, I., and Eisenberg, M. (2005). “Human development of binocular rivalry,” inBinocular Rivalry, eds D. Alais, and R. Blake (Cambridge: MIT Press), 101–116.
Lingelbach, B. és Ehrenstein, W. (2004). Neue sinusförmige Variante des Hermann-Gitters. Optikum, 14. Dezember 2004.
Link: http://www.optikum.at/modules.php?name=News&file=print&sid=319
Otazu, X., Vanrell, M., Párraga, A. (2008) Multiresolution wavelet framework models brightness induction effects. Vision Research (48) 733–751
Pastukhov, A., and Braun, J. (2011). Cumulative history quantifies the role of neural adaptation in multistable perception. J. Vis. 1, 12.
Pinna, B. (1987). Un effetto di colorazione. In V. Majer, M. Maeran, and M. Santinello, Il laboratorio e la città. XXI Congresso degli Psicologi Italiani, 158.
Schiller P H, Carvey C E, (2005). The Hermann grid illusion revisited. Perception, (34) 1375- 1397
White M. (1979). A new effect of pattern on perceived lightness. Perception, 8(4), 413 – 416.