Изучение влияния естественных изменений визуальной сцены на типичное зрительное восприятие взрослого человека

Фон

Естественная визуальная среда часто бывает сложной, с одной визуальной сценой, содержащей широкий спектр стимулов. Эти стимулы могут меняться быстро и часто. Еще больше усложняет ситуацию то, что поведенческая значимость любого конкретного стимула или визуального признака также может измениться в любой момент. Зрительное восприятие в реалистично сложных визуальных средах требует постоянного извлечения релевантной для задачи стимульной информации из множества нерелевантной информации. Понимание того, как релевантная для задачи информация используется для управления поведением в контексте постоянно меняющихся, многофункциональных визуальных сред, является ключевым компонентом понимания восприятия. Это может быть особенно верно, если зрительная система эволюционно оптимизирована для работы в реалистично сложных средах, в которых поведенчески релевантные стимулы или признаки могут меняться быстро и часто.

Целью данного исследования является исследование всеобъемлющего прогноза о том, что зрительная система оптимизирована для извлечения визуальной информации в обобщенном виде, который является гибким для широкого спектра постоянно меняющихся визуальных характеристик, встречающихся в естественной среде. В частности, это исследование проверит гипотезу о том, что в контексте реалистично сложных природных сцен изменчивость визуальных признаков, не имеющая отношения к задаче, негативно влияет на способность участников различать визуальные особенности, имеющие отношение к поставленной задаче.

Методы

Участники

Экспериментальные протоколы одобрены Институциональным наблюдательным советом Пенсильванского университета. Участникам будет предложено добровольно принять участие в этом исследовании. Участники дадут информированное согласие. Чтобы убедиться, что участники соответствуют критериям приемлемости, перед экспериментом они проведут собеседование и заполнят анкету. Также перед экспериментом их проверят на остроту зрения с помощью таблицы Снеллена и на дефекты цвета с помощью пластинчатого теста Исихара. Они будут исключены до эксперимента, если их острота зрения с наилучшей коррекцией будет хуже 20/40 на любом глазу или если они допустят какие-либо ошибки в тесте с пластиной Исихара.

Для зачисленных участников их порог распознавания горизонтального положения (в контрольных условиях без какой-либо изменчивости, не относящейся к задаче; подробности см. в разделе «Организация сеанса» ниже) будет рассчитываться на основе их выполнения экспериментального задания во время их первого сеанса. Участники будут исключены после завершения их первого сеанса, если их порог распознавания горизонтального положения в контрольных условиях выше, чем максимальное значение 0,6 градуса угла зрения, и участники, исключенные в этот момент, не будут участвовать ни в каких дальнейших экспериментальных сеансах. Если очень немногие зарегистрированные участники удовлетворяют этому критерию, то это максимальное пороговое значение для включения участников будет увеличено. В случае увеличения максимального порогового значения для включения участники, которые ранее были исключены, не будут повторно включены в эксперимент постфактум.

Аппарат

Откалиброванный цветной ЖК-монитор (27-дюймовый настольный W-LED-монитор NEC MultiSync PA271Q QHD Color Critical с технологией SpectraView Engine; NEC Display Solutions) будет использоваться для отображения стимулов в темной комнате после того, как участники эксперимента адаптируются к темноте. комнате не менее 5 минут. Монитор будет работать с разрешением 1920 x 1080 пикселей, частотой обновления 60 Гц и 8-битным разрешением для каждого канала RGB. Главным компьютером для этого монитора будет Apple Macintosh с процессором Intel Core i7. Положение головы каждого участника будет стабилизировано с помощью чаши для подбородка (Headspot, UHCOTech, Хьюстон, Техас). Глаза участника будут центрированы по горизонтали и вертикали относительно монитора. Расстояние между глазами участника и монитором будет 75 см. Участник будет вводить свои ответы с помощью геймпада Logitech F310.

Стимулы

Все стимулы являются вариантами одной и той же естественной визуальной сцены: квадратное изображение (растягивающее 8 градусов угла зрения как по ширине, так и по высоте), в котором центральный объект (банан, простирающийся примерно на 4 градуса угла зрения по высоте) представлен на приблизительно круглом массиве перекрывающихся фоновых объектов (охватывающих примерно 5 градусов угла зрения и состоящих из перекрывающихся ветвей и листьев). Центральный объект (банан) и/или то, что будет называться «фоновыми объектами» (ветви и листья), изменяются в горизонтальном положении, вращении и/или глубине в зависимости от различных стимулов. Центральный объект и фоновые объекты представлены в контексте других объектов, которые никогда не перемещаются по разным стимулам (уступ скалы, линия горизонта и три замшелых пня).

Естественная визуальная сцена была создана с помощью Blender, пакета для создания 3D-графики с открытым исходным кодом (https://www.blender.org, Версия 2.81а). Центральный объект и/или фоновые объекты были перемещены по горизонтали, повернуты и/или по глубине для создания различных стимулов с помощью iset3d, программного пакета с открытым исходным кодом (https://github.com/ISET/iset3d). который работает с модифицированной версией pbrt (https://github.com/mmp/pbrt-v3). Изображения были созданы с помощью iset3d с разрешением 1920 x 1920 с 100 отсчетами на пиксель, на 31 равноотстоящей длине волны от 400 нм до 700 нм.

Изображения, созданные с помощью iset3d, были преобразованы в изображения RGB с помощью специального программного обеспечения (Natural Image Thresholds; https://github.com/AmyMNi/NaturalImageThresholds). написан с использованием MATLAB (MathWorks; Natick, MA) и основан на программном пакете Virtual World Color Constancy (github.com/BrainardLab/VirtualWorldColorConstancy). Natural Image Thresholds зависит от подпрограмм из Psychophysics Toolbox (http://psychtoolbox.org), iset3d (https://github.com/ISET/iset3d), и isetbio (http://psychtoolbox.org). Чтобы преобразовать гиперспектральное изображение, созданное с помощью iset3d, в изображение RGB для представления на калиброванном мониторе, данные гиперспектрального изображения сначала использовались для вычисления возбуждений колбочек LMS. Затем возбуждения конуса LMS были преобразованы в метамерное визуализированное изображение в цветовом пространстве RGB монитора на основе данных калибровки монитора. RGB-изображение было гамма-корректировано с использованием общего масштабирования, которое приводило все RGB-изображения в наборе стимулов в цветовую гамму монитора.

Стимулы будут представлены на калиброванном мониторе в контексте психофизической задачи. Стимулы будут представлены на однородном сером фоне (~ 100 кд / м ^ 2), который будет отображаться на мониторе в течение всего экспериментального сеанса.

Психофизическая задача

Психофизическая задача будет использоваться для измерения способности участников различать горизонтальное положение центрального объекта, представленного в контексте фоновых объектов в естественной визуальной сцене. Задание будет состоять из двух интервалов с принудительным выбором, представляющих один стимул за интервал. Каждый интервал будет иметь продолжительность 250 мс. Каждый стимул будет представлен в центре монитора. Между двумя интервалами стимула в центре монитора будут последовательно отображаться две маски. Каждая маска будет представлена ​​в течение 400 мс для общего межстимульного интервала 800 мс (подробности маски см. в разделе «Организация сеанса» ниже).

Задача участника будет заключаться в том, чтобы определить, находится ли по сравнению с центральным объектом, представленным в первом интервале, центральный объект, представленный во втором интервале, левее или правее. После двух интервалов у участника будет неограниченное количество времени, чтобы нажать одну из двух кнопок ответа на геймпаде (верхний левый триггер для указания того, что центральный объект во втором интервале был слева, верхний правый триггер для указания что это было справа). После ввода ответа будет представлен один из двух тонов обратной связи, указывающий, был ли участник прав или неправ. Для испытаний, в которых нет разницы в положении центрального объекта между двумя интервалами, ответ, который получит правильный тон обратной связи, будет выбран случайным образом для каждого испытания. Испытания будут разделены интервалом между испытаниями примерно в 1 секунду.

Экспериментальные программы можно найти в пользовательском программном пакете Natural Image Thresholds (https://github.com/AmyMNi/NaturalImageThresholds). Они были написаны в MATLAB (MathWorks; Natick, MA) и основаны на программном пакете Virtual World Color Constancy (github.com/BrainardLab/VirtualWorldColorConstancy). Они полагаются на процедуры из Psychophysics Toolbox (http://psychtoolbox.org) и mgl (http://justingardner.net/doku.php/mgl/overview).

Организация сессии

Ожидается, что участники завершат этот пилотный эксперимент за шесть сессий. Первое занятие будет включать в себя процедуры регистрации участников (информированное согласие, проверка зрения и т. д.; подробности см. в разделе «Участники» выше), а также ознакомительные испытания (см. следующий абзац) и продлится примерно полтора часа. Сеансы со второго по шестой будут длиться примерно по часу каждый.

На первом занятии перед тем, как приступить к выполнению задания, участнику будут предоставлены инструкции по выполнению задания, и ему будет предоставлена ​​возможность потренироваться нажимать кнопки ответа. Только для первого сеанса участник начнет с 30 ознакомительных испытаний. Ознакомительные испытания будут включать в себя по порядку: 10 случайно выбранных легких испытаний (самые большие сравнения смены положения), 10 случайно выбранных испытаний средней сложности (4-е и 5-е самые большие сравнения изменения положения) и 10 случайно выбранных испытаний из всех возможных. сравнения с изменением положения. Ознакомительные испытания не будут включать какие-либо вариации, не относящиеся к задаче. Данные ознакомительных испытаний не будут сохранены. После ознакомительных испытаний будет перерыв, во время которого участнику будет предоставлена ​​возможность задать любые интересующие его вопросы. Перерыв закончится, когда участник покажет, что он готов (нажатием кнопки), и начнется эксперимент.

В каждом сеансе будет два условия: «условие» относится к контрольной позиции центрального объекта. Для каждой эталонной позиции будет 11 позиций «сравнения» для центрального объекта: пять позиций сравнения в положительном горизонтальном направлении, пять позиций сравнения в отрицательном горизонтальном направлении и позиция сравнения 0, указывающая на отсутствие изменений. В каждом испытании один интервал будет содержать эталонный стимул, а другой интервал будет содержать один из стимулов сравнения этого эталонного стимула. Порядок, в котором эти два стимула представляются в ходе испытания, будет выбираться случайным образом для каждого испытания.

«Блок» испытаний будет состоять из 2 состояний и 11 сравнений на состояние, всего 22 испытания. Испытания внутри блока будут запускаться в рандомизированном порядке. Блок будет завершен до начала следующего блока испытаний. Будет 14 итераций блока, всего 308 испытаний.

Этот набор из 308 испытаний составит единый «уровень шума». Один сеанс будет состоять из трех уровней шума: уровень шума 0, уровень шума 1 и уровень шума 2. Испытания для каждого уровня шума будут разделены на два «прогона» (154 испытания на прогон). Таким образом, каждый прогон будет содержать один уровень шума. Шесть запусков будут выполняться в случайном порядке за сеанс. Каждый забег будет разделен перерывом продолжительностью не менее одной минуты, во время которого участнику будет предложено встать или потянуться по мере необходимости. Каждый перерыв заканчивается, когда участник указывает, что он готов (нажатием кнопки).

Во всех шести заездах будет в общей сложности 924 испытания. Кроме того, каждое занятие будет начинаться с четырех практических испытаний (включая первое экспериментальное занятие, которому будут предшествовать ознакомительные испытания, как описано выше). Каждая сессия также будет включать в себя одно пробное занятие после каждого из пяти перерывов. Каждое практическое испытание будет выбрано случайным образом из набора простых испытаний (описанных выше) и не будет включать никаких не относящихся к задаче вариаций. Данные тренировочных испытаний не будут сохранены. Включая девять тренировочных испытаний, в общей сложности будет 933 испытания за сессию.

При уровне шума 0 не будет никаких изменений фоновых объектов (ветвей и листьев). Уровень шума 0 будет контрольным условием и будет использоваться для определения порога участника для распознавания горизонтального положения центрального объекта без какого-либо не относящегося к задаче стимулирующего шума. Уровни шума 1 и 2 будут использоваться для определения порога участника для распознавания горизонтального положения центрального объекта в присутствии нерелевантного для задачи стимулирующего шума.

Уровень шума 1 будет состоять из не относящегося к задаче шума в одной не относящейся к задаче функции: вращении. Нерелевантная для задачи величина вращения будет применяться к каждому стимулу отдельно. Для каждого стимула случайным образом будет выбрана одна величина вращения из пула из 51 величины вращения, и все фоновые объекты в стимуле будут повернуты на эту величину вращения. Величина вращения будет выбрана отдельно (случайно с заменой) для каждого из двух стимулов, представленных в испытании (стимул эталонного положения и стимул положения сравнения). Пул из 51 величины вращения будет включать: одну нулевую величину поворота (без изменения фоновых объектов), 25 равноотстоящих величин вращения по часовой стрелке и 25 равноотстоящих величин вращения в направлении против часовой стрелки.

Уровень шума 2 будет состоять из не относящегося к задаче шума в двух не относящихся к задаче функциях: вращении и глубине. Для уровня шума 2 также будет пул из 51 величины шума, но каждая величина шума в пуле будет состоять как из величины вращения (те же 51 величина вращения, что и для уровня шума 1), так и из величины глубины. Будет 51 возможная величина глубины (одна равна нулю, 25 равноотстоящих величин глубины в направлении положения и 25 равноотстоящих величин глубины в отрицательном направлении). Для пула уровня шума 2 из 51 уровня шума одно из значений шума будет состоять из нулевого значения вращения и нулевого значения глубины. Для оставшихся 50 значений шума в пуле каждое из оставшихся 50 значений вращения будет случайным образом назначено (без замены) одному из оставшихся 50 значений глубины. Из этого пула уровня шума 2, состоящего из 51 уровня шума, один уровень шума будет случайным образом выбран (с заменой) для каждого из двух стимулов в испытании отдельно.

Наконец, как отмечалось выше (см. Психофизическое задание), в течение межстимульного интервала за одну попытку будут показаны две маски. Все маски для всех уровней шума будут взяты из одного и того же распределения стимулов (стимулы с уровнем шума 0, таким образом, не содержащие шума, не относящегося к задаче). Для создания каждой из двух масок в пробе: во-первых, будут определены положения центрального объекта в первом и втором интервалах пробы. Два стимула с уровнем шума 0, соответствующие положениям центрального объекта в первом и втором интервалах, будут использоваться для создания пробных масок. Для каждого из этих двух стимулов средняя интенсивность будет рассчитываться для канала RGB на блок стимула размером 16 x 16. Затем каждый блок маски 16 x 16 будет случайным образом взят из одного или другого стимула и будет состоять из равномерной средней интенсивности, рассчитанной для каждого канала RGB для этого блока выбранного стимула. Таким образом, каждая из двух масок, показанных для испытания, будет состоять из разных случайных розыгрышей для каждого блока 16 x 16.

Анализ данных

За сеанс порог участника для различения положения объекта будет измеряться для каждого уровня шума. Во-первых, для каждой позиции сравнения будет рассчитана доля испытаний, в которых участник ответил, что стимул сравнения расположен справа от эталонного стимула. Затем пропорция, выбранная для сравнения, будет соответствовать кумулятивной нормальной функции с использованием набора инструментов Palamedes (http://www.palamedestoolbox.org). Для оценки всех четырех параметров психометрической функции (порог, наклон, градиентная скорость и частота предположения) градиентная скорость будет установлена ​​равной частоте предположения и будет принудительно находиться в диапазоне [0, 0,05], а модель будет соответствовать данным с использованием метода максимального правдоподобия. Порог будет рассчитываться как разница между уровнями стимула при выступлениях (пропорция сравнения была выбрана справа), равная 0,7602 и 0,5, как определено кумулятивной нормальной подгонкой.