Pszichológiai Doktori Iskola

Kognitív Tudományi Tanszék

Témavezető: Kovács Ilona, külső konzulens: Geier János

 Világosság- és színillúziók

A kutatási téma néhány soros bemutatása

A világosságillúziók árulkodnak a humán látórendszer fényintenzitás-feldolgozásának belső folyamatairól, a színillúziók pedig a színfeldolgozás folyamatába adhatnak betekintést.

Kutatási témám a külső konzulensem, Geier János által kifejlesztett  és finomítás alatt álló komputációs modellhez kapcsolódik (absztrakt: Geier, 2009, cikk előkészületben), amely a világosságillúziók egységes értelmezésére hivatott: az alkalmazott szimulációs algoritmus egységes paraméterekkel képes a humán percepciónak megfelelően modellezni a jelenleg ismert világosságillúziókat ( az asszimilációs és kontraszt jelenségeket egyaránt), valamint valós képeket.

Kutatásaimban ezen illúziók szabályszerűségeinek felderítésével foglalkozom, pszichofizikai kísérletek segítségével.

A kutatóhely rövid bemutatása

Kutatásaim két kutatóhelyhez kapcsolódnak: a BME Kognitív Tudományi Tanszékén a kognitív tudomány számos tématerületén folynak kutatások, a kontúrészleléstől az alvás tanulásra gyakorolt hatásain keresztül a pszicholingvisztikáig. Külső kutatóhelyem a Stereo Vision Kft., amely innovatív képfeldolgozó algoritmusok fejlesztése céljából az emberi látás alapfolyamatainak kísérleti kutatását és számítógépes modellezését végzi és gyakorlatban alkalmazza.

A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása

A világosságillúziók közös jellegzetessége, hogy az észlelt világosságviszonyok eltérnek a fizikai fényintenzitás-viszonyoktól. Az illúziók információkat közvetítenek a normális vizuális észlelés alapfolyamatairól; mivel ezek a látórendszer „hibázásai”, törvényszerűségeikből következtethetünk az észlelés működési módjára. Ezáltal a fiziológiai kísérletek alternatívájaként, pszichofizikailag mérhető jelenségek szabályszerűségeinek feltárásával és modellezésével nyerhetünk betekintést a látórendszer működésébe.

 A világosságillúziók kontraszt (1. ábra), illetve asszimilációs (2. ábra) jelenségekre oszthatók. Kontraszt jelenségek esetében a világos környezetbe helyezett terület látszólag besötétedik, míg a sötét környezettel körülvett, fizikailag azonos intenzitású terület kivilágosodik. Az asszimiláció ennek az ellenkezője: itt a középszürke terület világosabbnak látszik, ha környezete is világos, és sötétebbnek, ha környezete sötét.  

Napjaikban nincs egységes modell az asszimilációs és kontraszt jelenségek leírására. A kontraszt jelenségeket hagyományosan a laterális gátlás elvével magyarázzák (3. ábra). Eszerint egy kis retinális területen belül a szélen lévő világos részek gátolnak, a középen lévők pedig serkentenek (Baumgartner, 1960; Goldstein, 2009). Az asszimilációs jelenségekre viszont ez nem alkalmazható. Alacsony szinten egyfelől konvolúciós modellekkel (pl. Blakeslee és McCourt, 2004) próbálják ezeket is megragadni, melyek a kép minden pontjának intenzitását az adott pont szűk környezetének adott módon súlyozott intenzitásátlagával helyettesítik. Másfelől a kitöltési modellek megközelítésében (pl. Cohen és Grossberg, 1984) először a határéleket keresik meg a képen, majd kitöltik az általuk körülzárt területet. Mások az értelmezési folyamatok szerepét hangsúlyozzák (pl. Adelson, 1993).

A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések

Kutatásom célja a világosság- és színillúziók szabályszerűségeinek feltárása pszichofizikai kísérletek segítségével. Ezek eredményei külső konzulensem, Geier (2009) komputációs modelljének pszichofizikai validálását és a modell továbbfejlesztését szolgálják.

A világosságészlelés témakörében a legfőbb megoldásra váró probléma az asszimilációs és kontraszt jelenségek egységes modellbe foglalása.

Az egyes világosságillúziók erősségének mérése és a kép különböző paramétereitől való függésének kutatása közelebb vihet, illetve ötletet adhat ahhoz, hogy a modell képes legyen paramétereinek változtatása nélkül szimulálni a ma ismert összes világosságillúziót, beleértve a jelenségek mindkét fő csoportját.

Az egységes paraméteregyüttes alkalmazása elméleti megfontolásból kulcskérdés, hiszen a jelenség szintjén ugyan ellentétesnek látszó hatásokra derül fény (hol a sötét környezetbe, hol a világos környezetbe helyezett inger látszik világosabbnak, és máig tisztázatlan, hogy pontosan mely körülmények között melyik jelenség áll elő (Gilchrist, 2006)), mégsem tételezhetjük fel, hogy a képet felismerve az idegrendszer mintegy „átkapcsol” egyik üzemmódról a másikra. Feltehetően ugyanazokat a folyamatokat használja a kontraszt és az asszimilációs jelenségeket előidéző képek, valamint a valós képek nézésekor is.

Pszichofizikai kísérleteimben tanulmányozni szeretném ezen illúziók színinformációt tartalmazó változatait is, hogy a szimulációs modellt kiterjeszthessük a színes illúziókra és valós színes képekre is. Ezáltal egységesen próbáljuk megragadni az emberi látórendszer világosság- és színészlelését, az illúziókban megmutatkozó hibák pontos szimulációját is beleértve.

Módszerek

1. Világosságillúziók

A pszichofizikai kísérletekben az egyes illúziók paramétereinek variálásával vizsgálom, hogy mely paraméterek szükséges vagy elégséges feltételei az egyes illúzióknak, és mely paraméterek hogyan befolyásolják azt. Ehhez főleg a nullázásos technikát alkalmazom, amelyben a kísérleti személynek a számítógép monitorán bemutatott ábrán kell a kísérleti program segítségével egy illuzórikusan megváltozott képtartományt olyan mértékben módosítania fizikailag, amelynél már megszűnni látja az adott illúziót. Ezzel az egyes illúziók erősségét mérem a paraméterek változásainak függvényében. A White effekt esetében például megvizsgálom többek között azt, hogy milyen vonalszélesség esetén erősödik az illúzió, milyen hatással van rá a vonalszélesség és a ráhelyezett szürke téglalap mérete közötti arány, valamint hogy milyen körülmények között vált át a jelenség szimultán kontrasztra. A White effekt és a szimultán kontraszt különböző változatait, rokonait, például a körkörös White effektet, a Bull’s eye illúziót vagy az általunk (Hudák és Geier, 2009) újonnan felfedezett, határél nélküli White effektet is megvizsgálom ebből a szempontból. Az élek szerepének vizsgálata külön hangsúlyt kap vizsgálataimban, a modell szempontjából ez ugyanis kulcskérdés. Így például tovább vizsgálom az élek szegmentáló hatását az általunk bemutatott rámpás és dupla rámpás Chevreul illúzió (Geier, Séra, Bernáth és Hudák, 2006) variálásával. A világosságillúziók közül fontos szerepet kap majd a Craik-O’Brien-Cornsweet illúzió, amelyben a kép minden tartománya fizikailag egyformán szürke, az illuzórikus sötétedést-világosodást csupán a határolóélek speciális, átmenetes világosságprofilja okozza.

2. Színillúziók

A színes illúziók modellezésére korábban a piros, zöld és kék csatornánkénti független feldolgozás elvét alkalmaztuk. Ez sikeres volt a színes Hermann-rács, a Lotto illúzió és a színkontraszt illúzió esetén; a színes Hermann-rácsra ezt kísérletileg is alátámasztottuk (Hudák és Geier, 2007). Azóta azonban megállapítottuk, hogy a három színcsatornán történő független feldolgozás elve nem modellezi minden esetben a White illúzió színes változatát, sem a Munker illúziót minden színösszeállítás esetén, illetve nem a percepciónak megfelelő eredmény mutatja a Pinna illúzió esetén. A Pinna illúzióban a teljes kép fehér, amelyen a határélek lila-sárga átmenetesek. Ennek köszönhetően egyes képtartományok sárgásnak látszanak, míg mások fehérek maradnak. A színes modellt pszichofizikai kísérleti vizsgálataim eredményeivel szeretnénk úgy kiegészíteni vagy újragondolni, hogy egységesen legyen képes modellezni az ismert színillúziókat.

Eddigi eredmények

Az új, egységes modell megalkotásának és köztudatba emelésének első lépése a régi, széles körben elfogadott modell egyértelmű cáfolata. Fentebb ismertettem a laterális gátlást, melyet 1960 óta a retinális receptív mezők működésével azonosít a szakirodalom. A tankönyvek vele magyarázzák a kontraszt jelenségek nagy hányadát, erre alapoznak a fenti konvolúciós modellek is, valamint néhány, magasabb rendű folyamatokat feltételező tudós (például Gilchrist, 2006) erre vezet vissza asszimilációs jelenségeket, csoportosítási elvek feltételezésével.

A Perception című folyóiratban 2008-ban megjelent cikkünkben a rács meggörbítésével cáfoltuk a Hermann-rács e tankönyvi magyarázóelvét. 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), melyről hamarosan benyújtjuk cikkünket (Geier és Hudák előkészületben).

A tradicionális magyarázatot górcső alá vettem annak fiziológiai alátámasztottságát illetően is. Ehhez végigtanulmányoztam a retinális receptív mezők kiméréséről szóló fiziológiai szakirodalom legfontosabb publikációit, ám nem találtam bennük a klasszikus magyarázat alátámasztását (Hudák, cikk benyújtva).

A konzulensem által a humán percepciónak megfelelően fejlesztett modell jelenleg az ismert világosságillúziók 80%-át képes egységes paraméterekkel szimulálni, a paraméterek kis változtatásával pedig 95%-át, beleértve azokat is, amelyekhez mások szükségességét feltételezik (Geier, 2009; cikk előkészületben).

Várható impakt, további kutatás 

A klasszikus modellt cáfoló eredményeinket már nemzetközi szinten is elismerik (Anstis 2006, Bach & Poloschek, 2006; Hoffman, 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 csak az illúziók kisebb hányadát képesek megragadni, színes képekre pedig egyiket sem terjesztették még ki. További kutatásainkban szerepet kap majd a világosság- és színészlelés 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:

Nemzetközi folyóirat-publikáció:

Geier J., Bernáth L., Hudák M., Séra L. (2008):  Straightness as the main factor of the Hermann grid illusion. Perception 37(5) 651–665

Linkek:

http://www.perceptionweb.com/abstract.cgi?id=p5622

http://www.geier.hu/Hermann/index.html

Magyar nyelvű folyóirat-publikáció:

Hudák M. (benyújtva): Receptív mezők a retinán: a pszichofiziológiai mérési adatok kritikai áttekintése a klasszikus világosságillúziók magyarázatának szempontjából.  Pszichológia

 

Nemzetközi konferencia-előadás:

Hudák M. F., Geier J. (2007): Modelling with flying colours: The application of the RadGrad model to chromatic Hermann grids. Perception, 36, ECVP Abstract Supplement

Linkek:

http://www.perceptionweb.com/abstract.cgi?id=v070420

http://www.geier.hu/ECVP2007/CLR-HERMANN/index.htm

Nemzetközi konferencia-poszterek:

 

Hudák M., Geier J., (2009): White effect without physical edges, Perception, 38, ECVP Ab 51

Link:

http://www.perceptionweb.com/abstract.cgi?id=v090994

Geier J., Séra L., Bernáth L., Hudák M. (2006): Increasing and decreasing the Chevreul illusion by a background luminance ramp. Perception, 35, ECVP Abstract Supplement

Link:

http://www.perceptionweb.com/abstract.cgi?id=v060506

Geier J., Séra L., Hudák M. (2007): Whiter than white, blacker than black – overshoot in lightness perception. Perception, 36, ECVP Abstract Supplement

Linkek:

http://www.perceptionweb.com/abstract.cgi?id=v070418

http://www.geier.hu/ECVP2007/BRI-OVERSHOT/index.htm

Magyar nyelvű konferencia-előadások:

 

Hudák M., Geier J. (2009): White illúzió fizikai élek nélkül 15. Magyar Látás Szimpózium, 2009. december 18.

 

Link: http://sites.google.com/site/latasszimpozium/Home/kivonatok

Füzesiné Hudák M., Geier J. (2007): 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 L., Bernáth L., Geier J., Füzesiné Hudák M. (2007): 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 (2008): Receptív mezők, sűrű sötét erdők? 14. Magyar Látás Szimpózium, Pécs, 2008. augusztus 30.

Link: http://kognit.edpsy.u-szeged.hu/latasszimpozium/2008/absztrakt.htm

Magyar nyelvű konferencia-poszter:

Geier János, Séra László, Hudák Mariann (2008): A vizuális illúziók napjainkban Magyar Pszichológiai Társaság Nagygyűlése, Nyíregyháza

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

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

Gilchrist, A. (2006): Seeing black and white. Oxford University Press, New York

Goldstein, E.B. (2009): Sensation and perception. 8th ed., Wadsworth Cengage Learning, Belmont

Hoffmann, K. P. (2008): Faculty of 1000 Biology, 2008. augusztus 5.

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.

 

Lingelbach, B. és Ehrenstein, W. (2004): Neue sinusförmige Variante des Hermann-Gitters. Optikum, 2004. december 14.

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

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.