Studium účinků přirozených změn vizuální scény na typické vizuální vnímání dospělých

Pozadí

Přirozené vizuální prostředí je často složité, s jedinou vizuální scénou obsahující širokou škálu podnětů. Tyto podněty se mohou rychle a často měnit. Aby se věci ještě více zkomplikovaly, behaviorální význam jakéhokoli konkrétního podnětu nebo vizuálního rysu se také může v daném okamžiku změnit. Vizuální vnímání v realisticky komplexních vizuálních prostředích vyžaduje neustálé získávání podnětových informací relevantních pro daný úkol z množství irelevantních informací. Pochopení toho, jak se informace relevantní pro daný úkol používají k vedení chování v kontextu neustále se měnících vizuálních prostředí bohatých na funkce, je klíčovou složkou porozumění vnímání. To může platit zejména tehdy, je-li vizuální systém evolučně optimalizován tak, aby fungoval v realisticky komplexních prostředích, ve kterých se behaviorálně relevantní podnět nebo funkce mohou rychle a často měnit.

Cílem této studie je prozkoumat zastřešující předpověď, že vizuální systém je optimalizován tak, aby extrahoval vizuální informace zobecněným způsobem, který je flexibilní vůči široké škále neustále se měnících vizuálních prvků vyskytujících se v přirozeném prostředí. Konkrétně bude tato studie testovat hypotézu, že v kontextu realisticky složitých přírodních scén variabilita vizuálních rysů, která není relevantní pro úkol, negativně ovlivňuje schopnost účastníků rozlišovat vizuální rysy, které jsou relevantní pro daný úkol.

Metody

Účastníci

Experimentální protokoly jsou schváleny Institucionální revizní radou University of Pennsylvania. Účastníci budou vyzváni, aby se dobrovolně zúčastnili této studie. Účastníci poskytnou informovaný souhlas. Aby se zajistilo, že účastníci splní kritéria způsobilosti, před experimentem s nimi bude proveden pohovor a vyplní dotazník. Před experimentem budou také vyšetřeni na zrakovou ostrost pomocí Snellenovy oční tabulky a na barevné nedostatky pomocí Ishiharova destičkového testu. Před experimentem budou vyloučeni, pokud je jejich nejlépe korigovaná zraková ostrost horší než 20/40 v kterémkoli oku nebo pokud udělají nějaké chyby v Ishiharově destičkovém testu.

U zapsaných účastníků bude jejich práh pro rozlišení horizontální polohy (v kontrolním stavu bez jakékoli proměnlivosti irelevantní pro úkol; podrobnosti viz organizace relace níže) vypočítán na základě jejich výkonu na experimentálním úkolu během jejich prvního sezení. Účastníci budou vyloučeni po ukončení své první relace, pokud je jejich práh rozlišení horizontální polohy v kontrolním stavu vyšší než maximální hodnota 0,6 stupně zorného úhlu, a účastníci vyloučení v tomto okamžiku se nebudou účastnit žádných dalších experimentálních relací. Pokud toto kritérium splní velmi málo přihlášených účastníků, bude tato maximální prahová hodnota pro zařazení účastníka zvýšena. V případě, že se zvýší maximální prahová hodnota pro zahrnutí, účastníci, kteří byli dříve vyloučeni, nebudou do experimentu posthoc znovu zahrnuti.

Zařízení

Kalibrovaný barevný LCD monitor (27palcový NEC MultiSync PA271Q QHD Color Critical Desktop W-LED Monitor se SpectraView Engine; NEC Display Solutions) bude použit k zobrazení podnětů v jinak tmavé místnosti poté, co se účastníci v experimentálním testu adaptovali na tmu. místnosti po dobu minimálně 5 minut. Monitor bude pracovat s rozlišením pixelů 1920 x 1080, s obnovovací frekvencí 60 Hz a s 8bitovým rozlišením pro každý kanál RGB. Hostitelským počítačem pro tento monitor bude Apple Macintosh s procesorem Intel Core i7. Poloha hlavy každého účastníka bude stabilizována pomocí bradového pohárku (Headspot, UHCOTech, Houston, TX). Oči účastníka budou vycentrovány horizontálně a vertikálně vzhledem k monitoru. Vzdálenost mezi očima účastníka a monitorem bude 75 cm. Účastník zadá své odpovědi pomocí ovladače Logitech F310 gamepad.

Podněty

Všechny podněty jsou variantami téže přirozené vizuální scény: čtvercový obraz (omezující 8 stupňů zorného úhlu na šířku i na výšku), ve kterém je středový objekt (banán, přesahující přibližně 4 stupně zorného úhlu na výšku). prezentovány na přibližně kruhovém poli překrývajících se objektů na pozadí (spadajících přibližně pod 5 stupňů vizuálního úhlu a tvořených překrývajícími se větvemi a listy). Centrální objekt (banán) a/nebo to, co bude označováno jako „objekty na pozadí“ (větve a listy) se mění v horizontální poloze, rotaci a/nebo hloubce napříč různými podněty. Centrální objekt a objekty na pozadí jsou prezentovány v kontextu jiných objektů, které se nikdy nepohybují přes různé podněty (skalní římsa, panorama a tři mechem obrostlé pařezy).

Přirozená vizuální scéna byla vytvořena pomocí Blenderu, open-source sady pro 3D tvorbu (https://www.blender.org, Verze 2.81a). Centrální objekt a/nebo objekty na pozadí byly posunuty v horizontální poloze, otočení a/nebo hloubce, aby se vytvořily různé podněty pomocí iset3d, open-source softwarového balíčku (https://github.com/ISET/iset3d) který funguje s upravenou verzí pbrt (https://github.com/mmp/pbrt-v3). Obrázky byly vytvořeny pomocí iset3d v rozlišení 1920 x 1920 se 100 vzorky na pixel, na 31 rovnoměrně rozmístěných vlnových délkách mezi 400 nm a 700 nm.

Obrázky vytvořené pomocí iset3d byly převedeny na obrázky RGB pomocí vlastního softwaru (Natural Image Thresholds; https://github.com/AmyMNi/NaturalImageThresholds) napsané pomocí MATLAB (MathWorks; Natick, MA) a založené na softwarovém balíčku Virtual World Color Constancy (github.com/BrainardLab/VirtualWorldColorConstancy). Natural Image Thresholds závisí na rutinách z Psychophysics Toolbox (http://psychtoolbox.org), iset3d (https://github.com/ISET/iset3d), a isetbio (http://psychtoolbox.org). Aby bylo možné převést hyperspektrální obraz vytvořený pomocí iset3d na obraz RGB pro prezentaci na kalibrovaném monitoru, byla data hyperspektrálního obrazu nejprve použita k výpočtu excitací LMS kužele. Poté byly excitace LMS kužele převedeny na metamerický vykreslený obraz v barevném prostoru RGB monitoru na základě dat kalibrace monitoru. Obraz RGB byl gama korigován pomocí běžného škálování, které přeneslo všechny obrázky RGB v sadě stimulů do zobrazovacího gamutu monitoru.

Podněty budou prezentovány na kalibrovaném monitoru v kontextu psychofyzického úkolu. Podněty budou prezentovány na jednotném šedém pozadí (~100 cd/m^2), které bude prezentováno na monitoru po dobu trvání experimentální relace.

Psychofyzický úkol

K měření schopnosti účastníků rozlišit horizontální polohu centrálního objektu, který je prezentován v kontextu objektů pozadí v přirozené vizuální scéně, bude použit psychofyzický úkol. Úloha bude dvouintervalová vynucená úloha, která představuje jeden podnět na interval. Každý interval bude mít trvání 250 ms. Každý podnět bude prezentován ve středu monitoru. Mezi dvěma intervaly stimulů se ve středu monitoru postupně zobrazí dvě masky. Každá maska ​​bude prezentována po dobu 400 ms, s celkovým interstimulačním intervalem 800 ms (podrobnosti o masce viz Organizace relace níže).

Úkolem účastníka bude určit, zda ve srovnání s centrálním objektem prezentovaným v prvním intervalu je centrální objekt prezentovaný v druhém intervalu vlevo nebo vpravo. Po těchto dvou intervalech bude mít účastník neomezené množství času na to, aby stiskl jedno ze dvou tlačítek odezvy na gamepadu (levé horní spoušť označuje, že centrální objekt v druhém intervalu byl nalevo, pravé horní spoušť označuje že to bylo vpravo). Po zadání odpovědi se ozve jeden ze dvou tónů zpětné vazby, které označují, zda byl účastník správný nebo nesprávný. U pokusů, ve kterých není žádný rozdíl v poloze centrálního objektu mezi dvěma intervaly, bude odpověď, která obdrží správný tón zpětné vazby, náhodně vybrána na pokus. Pokusy budou odděleny intervalem mezi pokusy v délce přibližně 1 sekundy.

Experimentální programy lze nalézt ve vlastním softwarovém balíčku Natural Image Thresholds (https://github.com/AmyMNi/NaturalImageThresholds). Byly napsány v MATLABu (MathWorks; Natick, MA) a byly založeny na softwarovém balíčku Virtual World Color Constancy (github.com/BrainardLab/VirtualWorldColorConstancy). Spoléhají na rutiny z Psychophysics Toolbox (http://psychtoolbox.org) a mgl (http://justingardner.net/doku.php/mgl/overview).

Organizace relace

Očekává se, že účastníci dokončí tento pilotní experiment v šesti sezeních. První sezení bude zahrnovat procedury zápisu účastníků (informovaný souhlas, testy zraku atd.; podrobnosti viz Účastníci výše) a také seznamovací zkoušky (viz další odstavec) a bude trvat přibližně jednu a půl hodiny. Každé druhé až šesté sezení bude trvat přibližně jednu hodinu.

V první relaci, před zahájením úkolu, bude účastníkovi poskytnuta instrukce k úkolu a bude mu dána příležitost procvičit si stisknutí tlačítek pro odezvu. Pouze pro první sezení zahájí účastník 30 seznamovacích pokusů. Seznamovací pokusy budou obsahovat v tomto pořadí: 10 náhodně vybraných jednoduchých pokusů (největší srovnání změn polohy), 10 náhodně vybraných pokusů se střední obtížností (4. a 5. největší srovnání změn polohy) a 10 náhodně vybraných pokusů ze všech možných srovnání změn polohy. Seznamovací pokusy nebudou zahrnovat žádnou variabilitu nepodstatnou pro úkol. Data ze seznamovacích pokusů nebudou uložena. Po seznamovacích zkouškách bude následovat přestávka, během níž bude mít účastník možnost zeptat se na případné dotazy. Přestávka skončí, když účastník označí, že je připraven (pomocí stisknutí tlačítka), a experiment začne.

V každé relaci budou existovat dvě podmínky: "stav" odkazuje na referenční polohu centrálního objektu. Pro každou referenční polohu bude existovat 11 "srovnávacích" pozic pro centrální objekt: pět srovnávacích pozic v kladném horizontálním směru, pět srovnávacích pozic v záporném horizontálním směru a srovnávací pozice 0 indikující žádnou změnu. V každém pokusu bude jeden interval obsahovat referenční stimul a druhý interval bude obsahovat jeden ze srovnávacích stimulů tohoto referenčního stimulu. Pořadí, ve kterém jsou tyto dva stimuly prezentovány v rámci studie, bude vybráno náhodně pro každou studii.

„Blok“ pokusů se bude skládat ze 2 stavů a ​​11 srovnání na stav, celkem tedy 22 pokusů. Pokusy v rámci bloku budou probíhat v náhodném pořadí. Blok bude dokončen před začátkem dalšího bloku pokusů. Bude 14 iterací bloku, celkem tedy 308 pokusů.

Tato sada 308 pokusů bude tvořit jedinou „hladinu hluku“. Jedna relace se bude skládat ze tří úrovní hluku: úroveň hluku 0, úroveň hluku 1 a úroveň hluku 2. Zkoušky pro každou úroveň hluku budou rozděleny do dvou „běhů“ (154 pokusů na běh). Každý běh tedy bude zahrnovat jednu hladinu hluku. Těchto šest běhů bude probíhat v náhodném pořadí na relaci. Každý běh bude oddělen přestávkou, která trvá minimálně jednu minutu a během které bude účastník instruován, aby se podle potřeby postavil nebo protáhl. Každá přestávka skončí, když účastník oznámí, že je připraven (pomocí stisknutí tlačítka).

Ve všech šesti jízdách bude celkem 924 zkoušek. Kromě toho bude každé sezení začínat čtyřmi cvičnými pokusy (včetně prvního experimentálního sezení, kterému budou předcházet seznamovací zkoušky, jak je popsáno výše). Každé cvičení bude také zahrnovat jeden zkušební pokus po každé z pěti přestávek. Každý cvičný pokus bude náhodně vybrán ze souboru jednoduchých pokusů (popsaných výše) a nebude zahrnovat žádnou variabilitu nepodstatnou pro daný úkol. Data z praktických zkoušek nebudou uložena. Včetně devíti cvičných zkoušek bude celkem 933 zkoušek na jedno sezení.

Pro úroveň šumu 0 nedojde k žádným změnám objektů na pozadí (větví a listů). Úroveň hluku 0 bude kontrolní podmínkou a bude použita k určení prahu účastníka pro rozlišení horizontální polohy centrálního objektu bez jakéhokoli stimulačního šumu, který není relevantní pro úkol. Úrovně hluku 1 a 2 se použijí k určení prahu účastníka pro rozlišení horizontální polohy centrálního objektu v přítomnosti šumu podnětů, který není relevantní pro úkol.

Úroveň hluku 1 se bude skládat z hluku nerelevantního úkolu v jediné funkci, která není relevantní pro úkol: rotace. Velikost rotace, která není relevantní pro úkol, bude aplikována na každý podnět samostatně. Pro každý stimul bude náhodně vybrána jedna rotace ze skupiny 51 rotací a všechny objekty na pozadí ve stimulu budou rotovány o tuto rotaci. Velikost rotace bude nakreslena samostatně (náhodně s náhradou) pro každý ze dvou stimulů prezentovaných ve zkoušce (stimul referenční polohy a stimul srovnávací polohy). Soubor 51 velikostí rotace bude obsahovat: jednu velikost rotace nula (žádná změna objektů na pozadí), 25 rovnoměrně rozmístěných velikostí rotace ve směru hodinových ručiček a 25 rovnoměrně rozmístěných velikostí rotace ve směru proti směru hodinových ručiček.

Úroveň šumu 2 se bude skládat z hluku, který není relevantní pro úkol, ve dvou funkcích, které nejsou relevantní pro úkol: rotace a hloubka. Pro úroveň hluku 2 bude také skupina 51 úrovní hluku, ale každá úroveň hluku ve skupině se bude skládat jak z velikosti rotace (stejných 51 otáček jako v úrovni hluku 1), tak z velikosti hloubky. K dispozici bude 51 možných velikostí hloubky (jedna velikost hloubky nula, 25 rovnoměrně rozmístěných velikostí hloubky ve směru polohy a 25 rovnoměrně rozmístěných velikostí hloubky v záporném směru). Pro fond úrovně šumu 2 s 51 hodnotami šumu bude jedno z množství šumu sestávat z nulové rotace a nulové hloubky. Pro zbývajících 50 úrovní hluku v bazénu bude každá ze zbývajících 50 hodnot rotace náhodně přiřazena (bez náhrady) jedné ze zbývajících 50 úrovní hloubky. Z tohoto fondu úrovně hluku 2 s 51 úrovněmi šumu bude náhodně vybráno jediné množství hluku (s náhradou) pro každý ze dvou stimulů ve zkoušce samostatně.

Konečně, jak je uvedeno výše (viz Psychofyzický úkol), během interstimulačního intervalu budou ukázány dvě masky na pokus. Všechny masky na všech úrovních hluku budou čerpány ze stejné distribuce podnětů (podněty s úrovní hluku 0, takže neobsahují žádný hluk, který není relevantní pro úkol). Pro vytvoření každé ze dvou masek ve zkoušce: zaprvé budou určeny centrální polohy objektu v prvním a druhém intervalu zkoušky. Dva podněty s úrovní šumu 0, které odpovídají centrální poloze objektu v prvním a druhém intervalu, budou použity k vytvoření zkušební masky. Pro každý z těchto dvou stimulů bude vypočtena průměrná intenzita na RGB kanál na 16 x 16 blok stimulu. Dále bude každý 16 x 16 blok masky náhodně vybrán z jednoho nebo druhého stimulu a bude tvořen jednotnou průměrnou intenzitou vypočtenou pro RGB kanál pro tento blok vybraného stimulu. Každá ze dvou masek zobrazených na pokus bude tedy sestávat z jiného náhodného losování na blok 16 x 16.

Analýza dat

Pro každou relaci bude pro každou hladinu hluku měřen práh účastníka pro rozlišení polohy objektu. Nejprve se pro každou srovnávací pozici vypočítá podíl pokusů, ve kterých účastník odpověděl, že srovnávací stimul se nachází vpravo od referenčního stimulu. Dále proporce, pro kterou bylo srovnání vybráno jako vpravo, bude přizpůsobena kumulativní normální funkci pomocí Palamedes Toolbox (http://www.palamedestoolbox.org). Aby bylo možné odhadnout všechny čtyři parametry psychometrické funkce (práh, sklon, četnost přerušení a četnost odhadu), četnost přerušení bude nastavena na stejnou hodnotu jako četnost odhadů a bude nucena být v rozsahu [0, 0,05] a model bude přizpůsoben datům pomocí metody maximální věrohodnosti. Prahová hodnota se vypočítá jako rozdíl mezi úrovněmi stimulu při výkonech (proporce srovnání byla zvolena jako pravá) rovným 0,7602 a 0,5, jak je určeno kumulativním normálním fitem.