Мещеряков. Кинетические эффекты временной суммации

Б. Г. Мещеряков

КИНЕТИЧЕСКИЕ ЭФФЕКТЫ ВРЕМЕННОЙ СУММАЦИИ

Пожалуй, ни одна из иллюзий движения не привлекала к себе так много внимания, как иллюзия непрерывного движения, часто называемая стробоскопическим движением1. Она возникает (в простейшем случае) при последовательной экспозиции двух неподвижных пятен света или контурных фигур, расположенных на некотором расстоянии друг от друга в поле зрения. Предполагалось, что исследование этой иллюзии могло бы указать «путь к общей теории восприятия движения и, вообще, открыло бы некоторые из тайн функционирования мозга» (Рок, 1980, с. 215). Другой немаловажной причиной значительного интереса к этой иллюзии является тот факт, что на ней основывается передача человеку информации о движении средствами кино и телевидения.

Проведено огромное число экспериментов в целях изучения влияния разнообразных факторов, описания и систематизации богатой феноменологии стробоскопического движения, но понимание его механизмов является неудовлетворительным (Rock, Ebenholtz, 1962; Kolers, 1972). Необъяснимыми остаются не только различные функциональные зависимости характеристик кажущегося движения от стимульных переменных, но и само возникновение непрерывного квазиреального движения.

Наиболее удивительным в стробокинетическом эффекте является то, что видимое движение имеет место в условиях существенно дискретной пространственно-временной стимуляции. Поэтому основная проблема его объяснения заключается в разработке теории такого механизма, который бы осуществлял трансформацию стимульной дискретности в феноменальную непрерывность. Одной из попыток решения данной проблемы была гипотеза «короткого замыкания» (Wertheimer, 1912). Предполагая изоморфизм между феноменальными и нейродинамическими процессами, М. Вертгеймер постулировал существование в зрительной коре процесса непрерывного распространения возбуждения между пунктами, активированными неподвижными стимулами. Хотя эта гипотеза и вызвала сильный резонанс, выражавшийся в многочисленных попытках как опровергнуть, так и доказать ее (см. Рок, 1980; Rock, Ebenholtz, 1962; Kolers, 1972), однако реального механизма распространения возбуждения, на основе которого можно было бы количественно предсказывать феноменальные характеристики стробокинетического эффекта, гипотеза М. Вертгеймера не предполагает. В нашей статье на примере особой разновидности стробокинетического эффекта будет показано, что в роли такого механизма может выступать временная суммация (или, точнее, пространственно-временная, но для эффектов, описываемых ниже, достаточно учитывать только временную суммацию).

Ранее, изучая зрительную временную суммацию в ситуации последовательного предъявления двух идентичных по пространственной

частоте и ориентации гетерофазных синусоидальных решеток, мы обнаружили, что при некоторых условиях наблюдается ясное впечатление движения (Мещеряков, Назаров, 1982). Этот же феномен обнаружили М. Грин и Р. Блэйк (Green, Blake, 1981), в экспериментах которых изучался слишком узкий диапазон условий, благоприятствующих появлению видимого движения, что не позволило им обнаружить ряд уникальных особенностей этого эффекта и предложить модель механизма его возникновения. Напомним главные особенности данного эффекта (Мещеряков, Назаров, 1982): 1) отчетливое кажущееся движение наблюдается даже при интерстимульном интервале (ИСИ), равном 3 мс (асинхронии включений 6 мс); 2) для того, чтобы кинетический эффект оставался максимально выраженным при возрастании ИСИ, требуется уменьшать величину относительного фазового сдвига, эквивалентного пространственному смещению одной решетки относительно другой, а не увеличивать, как предписывает третий закон Корте для классического стробоскопического движения, наблюдаемого при экспозиции световых пятен; 3) видимое движение возникает и в тех случаях, когда контраст каждой решетки, входящей в экспозиционную пару, в 1,5 раза меньше контраста, необходимого для обнаружения отдельной решетки; 4) обнаружение пары решеток и обнаружение движения происходят одновременно на уровне порогового контраста. Последний факт сообщается и в работе М. Грина и Р. Блэйка, в которой также показано, что этот эффект не возникает при дихоптических условиях предъявления решеток.

В нашей работе проверяется сформулированная в предыдущей статье гипотеза, согласно которой описанный кинетический эффект объясняется процессом временной суммации (Мещеряков, Назаров, 1982). В отличие от прежней работы, где теоретически была показана возможность возникновения кинетических эффектов на основе временной суммации, здесь будет представлено доказательство того, что модель временной суммации способна предсказывать экспериментально устанавливаемые количественные характеристики кинетических эффектов. В статье также описываются результаты трех серий эксперимента, служившие материалом для проверки модели.

Методика. Аппаратура. Комплекс электронной аппаратуры, предназначенный для предъявления на экране дисплея (фосфор P31, имеющий функцию угасания, которая достигает 10% уровня от максимума через 38 мкс вертикальных синусоидальных решеток, уже описывался (Назаров, 1980; Мещеряков, Назаров, 1982).

Стимулы. Длительность экспозиции каждой решетки составляла 3 мс. Временной интервал между парами решеток был равен 1 с. ИСИ варьировался в диапазоне 3÷123 мс с шагом 10 мс. Использовались 4 фазовых сдвига (Δφ): 0,2π, 0,4π, 0,6π, 0,8π. Фазовый сдвиг второй решетки относительно первой можно представить в виде Δφ±2π, где Δφ — так называемый минимальный фазовый сдвиг. Его направление соответствовало направлению справа налево относительно испытуемого. Решетки имели пространственную частоту 0,5 циклов на угл. градус (цикл./град.) и предъявлялись в прямоугольном окошке, угловые размеры которого при дистанции наблюдения 50 см составляли 4,6° по вертикали и 6,8° по горизонтали. Средний уровень яркости в пределах окошка равнялся 5 нит.

Испытуемые. В эксперименте принимали участие два испытуемых, один из которых имел нормальное зрение, а другой — небольшую миопию.

Процедура. Эксперимент состоял из трех серий опытов. В первых

двух (пороговых) сериях контраст решеток не превышал порогового уровня, в третьей он изменялся от 0 до 45%.

В 1-й пороговой серии, включавшей два опыта с каждым испытуемым, изучалось видимое движение в диапазоне ИСИ от 3 до 53 мс, во 2-й (по три опыта с каждым испытуемым) — от 63 до 103 мс2. Каждое сочетание ИСИ и Δφ в 1-й и 2-й сериях предъявлялось испытуемому не менее 9 раз в случайном порядке. Отдельная проба начиналась по команде экспериментатора, после которой испытуемый должен был медленно вращать ручку многооборотного потенциометра, управляющего контрастом решеток, до тех пор, пока не увидит на экране какие-либо пространственно-временные изменения. Если при этом возникало впечатление движения, то он должен был сообщать: направление движения, оценку качества (отчетливости) движения в категориях «плохое», «среднее» и «хорошее», оценку скорости движения по пятибалльной шкале. После этого проба заканчивалась, и испытуемый возвращал контраст к исходному нулевому уровню.

В 3-й серии при тех же значениях Δφ и ИСИ от 3 до 123 мс Δφ варьировался случайно, а ИСИ систематически менялся от меньших значений к большим. В каждой пробе испытуемый изменял контраст от 0 до максимума, давая одновременно формализованные описания воспринимаемых событий. С каждым испытуемым проведено по два опыта, включавших все 52 сочетания ИСИ и Δφ по одному разу.

Обработка данных. В статье сообщаются данные, касающиеся только характеристик видимого движения. Ответы испытуемых позволяют рассматривать четыре его характеристики: направление, частоту, качество, скорость. Частота определялась как отношение количества проб, в которых сообщалось о некотором виде движения, к количеству всех проб при данных условиях. Качество определялось как среднее арифметическое рангов, приписанных оценкам, которые испытуемые давали качеству видимого движения. Категории «хорошее» приписывался ранг 3, «среднее» — 2, «плохое» — 1. Пробы, в которых о движении не сообщалось, учитывались с рангом 0. Скорость определялась как среднее арифметическое ранговых оценок, даваемых испытуемыми, причем пробы, в которых видимое движение отсутствовало, учитывались с рангом 03.

Результаты. Первая пороговая серия. В общей сложности с двумя испытуемыми в диапазоне ИСИ 3÷53 мс проведено 533 пробы. В 256 (48,4%) пробах сообщалось о видении движения в направлении справа налево, в одной пробе — о видении движения слева направо и еще в одной — об одновременном движении из центра вправо и влево. Можно сделать вывод, что в данных условиях стабильно возникает движение, направление которого совпадает с направлением минимального фазового сдвига. Индивидуальные данные по каждой из трех

характеристик видимого движения оказались высококоррелированными. Коэффициенты ранговой корреляции Спирмена, p, между данными исп. А. Н. и Б. М. равны 0,88 для частоты, 0,91 — для качества и 0,87 — для скорости. Этот факт дает нам право в дальнейшем рассматривать объединенные данные испытуемых.

Высокие корреляции получены и при попарном сравнении характеристик видимого движения: для частоты и качества p=0,97, частоты и скорости p=0,98, качества и скорости p=0,95. При наличии таких высоких корреляций можно значительно упростить последующий анализ зависимостей характеристик эффекта от условий стимуляции, ограничив его анализом какой-нибудь одной из трех характеристик, а именно частоты видимого движения, значения которой приведены в табл. 1.

Таблица 1

Частота сообщений о видимом движении при разных сочетаниях Δφ (рад.) и ИСИ (мс)

При анализе табл. 1 легко обнаружить, что для всех Δφ, кроме 0,8π, при увеличении ИСИ частота видимого движения сначала возрастает, а затем уменьшается; для Δφ=0,8π при увеличении ИСИ от 3 до 23 мс она имеет слабую тенденцию к понижению, а затем резко становится нулевой. В проведенном ранее исследовании (Мещеряков, Назаров, 1982), в котором использовались Δφ, равные 0π, 0,3π, 0,6π и 0,9π, пространственные частоты 0,5 и 2,5 цикл./град. и такие же ИСИ, как и здесь, за исключением ИСИ=33 и 43 мс, были получены очень похожие результаты. Поэтому можно сделать выводы, что изучаемый эффект мало зависит от угловых размеров решетки (в предыдущем эксперименте они были почти в 4 раза больше), регистрация этого эффекта имеет хорошую воспроизводимость (интервал между экспериментами составляет 1 год), направление видимого движения совпадает с направлением фазового сдвига (в предыдущем эксперименте направление фазового сдвига и видимого движения было слева направо).

Рассмотрим данные о частоте видимого движения с точки зрения традиционного для психофизики вопроса о типе связи между параметрами стимулов при фиксированном значении переменной ответа. Имеющиеся данные не согласуются ни с одним из следующих трех теоретически возможных простых исходов: независимость ИСИ и пространственного сдвига, как это установлено для случайно-точечных паттернов (Lappin, Bell, 1976); прямая зависимость между ИСИ и пространственным сдвигом, как это утверждает третий закон Корте для классического стробоскопического движения; обратная зависимость. Ближе всего данные, содержащиеся в табл. 1, подходят к обратной зависимости, однако в строгой форме она не выполняется. Если бы она имела место, то максимальные значения частоты видимого

движения располагались бы вдоль диагонали, идущей из нижнего левого в верхний правый угол.

Так как частота видимого движения имеет высокую корреляцию с характеристиками качества и скорости, то все сказанное о частоте практически без уточнений справедливо и для других характеристик. В целом можно заключить, что кинетический эффект в диапазоне ИСИ 3—53 мс характеризуется непростой структурой зависимости его характеристик от основных параметров стимуляции, которая может стать серьезным испытанием для всех теорий, претендующих на достаточно полное объяснение и точное предсказание этого эффекта.

Вторая пороговая серия. В диапазоне ИСИ 63÷103 мс с двумя испытуемыми проведено 473 пробы, в 159 из них (33,6%) сообщалось о движении. Общая частота возникновения видимого движения у исп. А. Н. равна 0,30 (в 1-й серии 0,41), у исп. Б. М. — 0,38 (в 1-й серии 0,57). По сравнению с 1-й серией резкие изменения произошли в содержании сообщений о направлении и виде движения. О движении влево сообщалось только в 11 пробах (6,9%), а о движении в противоположном направлении — в 73 пробах (45,9%), в одной пробе сообщалось о двустороннем движении к центру, а в остальных 74 (46,5%) наблюдалось последовательное движение «туда-сюда». Таким образом, эффект видимого движения при ИСИ более 53 мс не исчезает, что можно было бы предположить, экстраполируя результаты 1-й серии, но как бы перерождается и предстает в новом виде, хотя и в 1,5 раза реже.

Отличительной чертой движения во 2-й серии является его амбивалентность. Если в 1-й серии основным видом движения было движение влево, то здесь 92,4% всех сообщений о движении состоят из однофазного движения вправо и двухфазного движения («туда-сюда»). Однако заметим, что в состав обоих видов движения входит движение вправо, причем, как отмечали испытуемые, в двухфазном комплексе оно было более заметно, чем обратное движение. Объединяя это с тем фактом, что однофазное движение влево теперь видится крайне редко, можно придти к выводу о доминировании в диапазоне ИСИ 63—103 мс движения вправо, т. е. в сторону, противоположную направлению фазового сдвига.

В силу амбивалентности эффекта вполне возможно, что испытуемые будут обнаруживать индивидуальные различия в частоте видения двухфазного движения и движения вправо. Действительно, исп. А. Н. из 69 сообщений о движении 44 раза (63,8%) сообщал о двухфазном движении и 15 раз (21,7%) — о движении вправо, тогда как другой испытуемый из 90 сообщений 30 раз (33,3%) говорил о двухфазном движении и 58 раз (64,4%) — о движении вправо4.

Разная склонность испытуемых к восприятию двух видов движения и двухфазный характер одного из них явились причиной отсутствия согласованности между испытуемыми в характеристиках частоты, качества и скорости. Корреляции между данными исп. А. Н. и исп. Б. М. без учета вида движения оказались близкими к нулю: для частоты p=–0,11, для качества p=0,05, для скорости p=–0,09. Иначе обстоит дело, если корреляции вычисляются отдельно по двум основным видам движения (см. табл. 2). Пять из шести вычисленных корреляций оказались высокими или средними, и это показывает, что кинетические эффекты, наблюдавшиеся во 2-й серии, имеют достаточно

стабильные свойства. Отрицательные корреляции для двухфазного движения объясняются, по-видимому, тем, что испытуемые оценивали разные компоненты двухфазного комплекса.

Фактически только для движения вправо мы могли бы проводить анализ зависимостей его характеристик от условий стимуляции, однако надежность анализа будет невысокой из-за малого количества наблюдений в каждом условии. Поэтому ограничимся сравнением самых общих особенностей видимого движения в двух сериях. 1. Во 2-й серии движение наблюдалось при всех сочетаниях ИСИ и Δφ, в 1-й серии оно совершенно отсутствовало в четырех условиях. 2. Частота и качество движения были более высокими в 1-й, а скорость — во 2-й серии (см. табл. 3). 3. Если во 2-й серии средняя скорость движения при Δφ=0,2π была выше, чем при Δφ=0,8π, то в 1-й серии — наоборот. 4. Несмотря на амбивалентность эффекта, более выраженным во 2-й серии было направление движения слева направо, в то время как в 1-й серии — справа налево.

Третья серия. Метод, с помощью которого в 3-й серии изучалось видимое движение, в известном смысле может быть назван микрогенетическим. Помимо прочего он позволяет приблизительно оценить влияние контраста на кинетические эффекты. Анализ ответов испытуемых показывает, что все основные виды кинетических эффектов, обнаруженные в пороговых условиях, наблюдаются и при вышепороговых уровнях контраста. Никаких новых видов движения не наблюдалось. Влияние контраста проявляется лишь в пространственно-временных условиях возникновения отдельных видов движения. В диапазоне ИСИ 3—23 мс при всех исследованных уровнях контраста наблюдалось только движение влево. В дипазоне ИСИ 33—83 мс при слабом контрасте видится однонаправленное движение, влево или вправо, а при более сильном контрасте — двухфазное движение, в котором, как правило, более отчетливым кажется определенный компонент. Начиная с ИСИ=93 мс, особенно при больших уровнях контраста, кинетические эффекты уступали место двойным и даже тройным последовательностям стационарных вспышек.

Обсуждение результатов. Полученные результаты показывают, что при последовательном предъявлении двух гетерофазных синусоидальных решеток, в остальном идентичных, возникает несколько феноменологически разных видов кажущегося движения. При низких уровнях контраста и ИСИ меньше 63 мс видится движение, совпадающее по направлению с направлением фазового сдвига, при ИСИ больше 63 мс