CC BY
35
ПСИХОФИЗИОЛОГИЯ И КЛИНИЧЕСКАЯ ПСИХОЛОГИЯ
УДК 159.9:612.821
ПОЛОСОВЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЗРИТЕЛЬНЫХ ФИЛЬТРОВ, ПРОПУСКАЮЩИХ МОДУЛЯЦИЮ ПРОСТРАНСТВЕННОЙ ЧАСТОТЫ
Мифтахова Майя Байрасовна Явна Денис Викторович Звездина Галина Павловна Ермаков Павел Николаевич Бабенко Виталий Вадимович
Работа выполнена при финансовой поддержке Южного федерального университета в рамках темы № 213.01-07-2014/15ПЧВГ (проектная часть внутреннего гранта ЮФУ) «Угрозы национальной безопасности в условиях геополитической конкуренции и модели агрессивного и враждебного поведения молодежи»
Известно, что на начальных этапах зрительной обработки сцена разделяется на множество локальных фрагментов, каждый из которых описывается параллельно и независимо. На следующем этапе локальные зрительные сигналы определенным образом группируются. Эта операция осуществляется так называемыми фильтрами второго порядка. Одна из важнейших характеристик фильтра - полоса пропускания. Цель настоящего исследования - определение полос пропускания зрительных фильтров второго порядка, чувствительных к модуляции пространственной частоты, по трем параметрам: ориентация оси модуляции, частота модуляции и фаза модуляции.
Исследование выполнено в психофизической парадигме обратной маскировки. Тестовым стимулом служила габоровская текстура с синусоидальной модуляцией пространственной частоты ее элементов. В качестве масок также использовались частотно-модулированные текстуры, в которых ориентация оси модуляции, частота модуляции или фаза модуляции менялись с определенным шагом относительно тестового стимула. Пороговая амплитуда обнаружения модуляции в тестовом стимуле определялась в условиях двухальтернативного вынужденного выбора. В результате была
определена полоса пропускания исследуемых фильтров второго порядка по частоте модуляции (около 3 октав). В то же время было обнаружено отсутствие избирательности этих фильтров к ориентации оси модуляции и фазе модуляции. На основании полученных результатов высказывается предположение о возможной организации рецептивных полей зрительных фильтров второго порядка, чувствительных к модуляции пространственной частоты. Наличие избирательности к частоте модуляции указывает на оппонентную организацию рецептивного поля, в котором возбудительный центр ограничен тормозными флангами. Отсутствие избирательности к ориентации модуляции может свидетельствовать о концентрической организации поля. А отсутствие избирательности к фазе модуляции указывает на существенную нелинейность рецептивного поля.
Ключевые слова: зрение, текстура, пространственная частота, модуляция, психофизика, маскировка, пороги обнаружения, фильтры, полоса пропускания, рецептивное поле.
Известно, что начальные этапы обработки информации в зрительной системе человека протекают параллельно и автоматизировано, без участия внимания и сознания. На уровне первичной зрительной коры зрительная сцена представлена в виде множества разрозненных градиентов яркости, характеризуемых пространственной частотой, ориентацией, локальным контрастом и положением в пространстве. Механизмы, осуществляющие разбиение зрительной сцены на градиенты яркости - это стриарные нейроны, получившие в моделях преаттентивной обработки название зрительных фильтров первого порядка (ЗФПП) [6].
На определенном этапе изучения стриарных нейронов на смену детекторной теории пришла теория фильтров [3]. То есть нейроны, избирательные к определенным характеристикам зрительного стимула, стали рассматриваться как полосовые фильтры, пропускающие информацию в определенном диапазоне характеристик сигнала. Одним из важных направлений исследования зрения стало определение полос пропускания этих фильтров по пространственной частоте и ориентации градиента яркости [15, 18, 20, 23], была показана фазовая избирательность фильтров [10]. Полученные результаты дали важную информацию для определения весовых функций ЗФПП и создания их математических моделей [16, 22].
Однако существуют операции, которые не могут быть реализованы ЗФПП. Речь может идти, например, о разделении текстур или об обнаружении пространственных модуляций их параметров. Эти задачи могут быть решены особыми механизмами, которые осуществляют пространственное группирование локальной информации и получили название зрительных
фильтров второго порядка (ЗФВП). Предполагается, что речь в данном случае идет об эксфастриарных клетках, объединяющих на себе выходы стриарных нейронов. Таким образом, преаттентивная автоматизированная обработка дополнилась вторым уровнем фильтрации.
Начиная с девяностых годов, внимание исследователей зрения все больше переключается на изучение ЗФВП. За последние 20 лет эти механизмы исследовались с помощью самых разных экспериментальных парадигм: oblique masking paradigm (симультанной наклонной маскировки) [1], critical-band masking (симультанной маскировки критической полосы) [21], различения на пороге обнаружения [17, 21] и др. В качестве стимулов, как правило, использовались текстуры, несущими для которых являлись габоровские пат-чи [7, 12], белый или отфильтрованный шум [1], реже - сложные составные стимулы [14]. Модулируемыми параметрами несущей были контраст [2, 19] или ориентация [1, 5, 8, 11, 12], и лишь в одной работе - пространственная частота элементов текстуры [1].
Благодаря этим исследованиям было обнаружено, что ЗФВП избирательны к ориентации и частоте модуляции параметров текстуры [5, 13]. А это вновь сделало актуальным вопрос о полосах пропускания, теперь уже применительно к ЗФВП. Было предпринято несколько попыток оценить полосы пропускания ЗФВП при использовании модуляции контраста [2] и ориентации [17, 21] несущей. Однако отличие используемых в этих работах стимулов и экспериментальных процедур было настолько существенным, что затрудняло сопоставление полученных результатов.
Мы задались целью исследовать полосовые характеристики ЗФВП для разных модулируемых параметров текстуры (контраст, ориентация и пространственная частота элементов) в единых экспериментальных условиях. Нами был применен метод обратной маскировки, ставший классическим при исследовании полос пропускания ЗФПП. В качестве стимулов использовались текстуры, составленные из габоровских микропаттернов, которые пространственно модулировались по одному из параметров. В предыдущей работе [2] мы представили результаты, полученные при использовании модуляции контраста. Цель данного исследования - определить полосы пропускания ЗФВП по ориентации, фазе и частоте модуляции, когда в качестве модулируемого параметра используется пространственная частота элементов текстуры.
Методика
Аппаратура. Основу экспериментальной установки составлял персональный компьютер с процессором Intel Celeron 2,5 гГц, видеоадаптером Intel Graphics Media Accelerator 900 и монитором LG Flatron FT 775 с диагональю 17". Размер экрана в пикселях был равен 1024 на 768, размер зерна - 0.24 мм,
частота кадровой развертки составляла 85 Гц. Применялся режим, позволяющий использовать 256 градаций серого. Монитор был откалиброван с помощью яркомера.
Стимулы. В качестве стимулов использовались текстуры, состоящие из габоровских микропаттернов, расположенных в шахматном порядке. Распределение яркости в микропаттерне описывалось следующим выражением:
при этом
х/ = х cos в + у sin
у/ = —х sin в + у cos
где
о - стандартное отклонение Гауссовой составляющей, А - длина волны косинусоидальной составляющей ядра функции, 0 - ориентация микропаттерна, Ф - фазовый сдвиг косинусоидальной составляющей, Y - «эллиптичность» функции,
b - параметр, связанный со скоростью «затухания» косинусоидальной составляющей.
Исходными для формирования тестовых и маскирующих стимулов служили текстуры, в которых все микропаттерны имели вертикальную ориентацию и одинаковую пространственную частоту (3,5 цикл./град.). Знак контраста элементов в строке чередовался (рисунок 1А). Средняя яркость изображения составляла 30 кд/м2. Контраст элементов равнялся 0,6. Общий размер текстуры составлял 14x10,5 угл. град. Размер условных клеток шахматного поля равнялся 0,44x0,44 угл. град. В текстурах, исходных для формирования тестовых стимулов, элементы располагались в нечетных клетках условного шахматного поля, для маскирующих стимулов - в четных.
Тестовые стимулы были сформированы путем синусоидальной модуляции пространственной частоты элементов исходной текстуры. Функция модуляции была ориентирована горизонтально, частота модуляции составляла 0,3 цикл./град. (рисунок 1Б). Амплитуда модуляции в тестовых стимулах была переменной.
Маскирующие стимулы также были получены в результате синусоидальной модуляции пространственной частоты. Было сформировано 3 набора масок. Примеры маскирующих стимулов показаны на рисунках 1В и 1Г.
Рисунок 1. Примеры стимулов А - исходная (немодулированная) текстура, Б - тестовый стимул (модуляция пространственной частоты), В - маска с изменением оси модуляции относительно теста на 22,5 град., Г - маска с изменением (снижением) частоты модуляции относительно теста на 1,5 октавы.
А
Б
Первый набор масок состоял из 4 текстур, которые отличались от тестовых стимулов только сдвигом фазы модуляции с шагом 0,25 п. Второй набор состоял также из 4 текстур, которые отличались от тестовых ориентацией функции модуляции (с шагом 22,5 град.). Четыре текстуры из третьего набора масок имели различную пространственную частоту модуляции, которая отличалась от тестовой в сторону ее увеличения и уменьшения с шагом в 1,5 октавы. Кроме того, в каждом наборе масок также присутствовал пятый стимул, который полностью повторял тестовую текстуру (за исключением расположения микропаттернов в клетках шахматного поля). Амплитуда модуляции во всех масках была постоянной и составляла 1 октаву.
Чтобы исключить возможность решения задачи на уровне локальных механизмов, использовался случайный синхронный сдвиг фазы теста и маски (-0.25 п, 0, +0.25 п).
В каждой экспериментальной серии использовался один тестовый стимул и один набор масок. Всего было проведено 3 серии экспериментов:
в каждой серии определялась полоса пропускания по одному из параметров огибающей.
Процедура. Для оценки полос пропускания ЗФВП по фазе, ориентации и частоте модуляции использовался метод обратной маскировки. В качестве независимой переменной выступал варьируемый параметр маски: сдвиг фазы модуляции, ориентации оси модуляции или частоты модуляции. В каждой экспериментальной серии менялся только один параметр маски. Зависимой переменной была пороговая амплитуда модуляции текстуры (разница между частотой самого высокочастотного и самого низкочастотного элемента текстуры).
Испытуемый располагался таким образом, чтобы расстояние от монитора до глаз составляло 130 см. Экран был заполнен однородным серым фоном, яркость которого составляла 30 кд/м2 и соответствовала средней яркости стимулов.
Испытуемый самостоятельно запускал подачу стимулов путем нажатия соответствующей клавиши. В первом временном окне длительностью 250 мс мог появиться тестовый стимул или исходная (немодулированная) текстура (выбор производился случайно). Следующее временное окно такой же длительности заполнялось маской из определенного набора. Затем следовала пауза, когда в течение 750 мс экран снова заполнялся однородным серым полем. После этого вновь на 250 мс показывался либо тестовый стимул (если в первом временном окне была исходная текстура), либо немодулированная текстура. Этот стимул вновь сменялся на 250 мс той же самой маской. После этого экран вновь становился серым, а испытуемый в условиях двухальтер-нативного вынужденного выбора должен быть решить, в каком временном окне (первом или втором) перед маской был показан тестовый стимул (модулированная текстура). Время принятия решения не ограничивалось. Нажатие соответствующей клавиши являлось одновременно ответом испытуемого и запуском очередного предъявления.
Для определения пороговой амплитуды модуляции использовалась методика сдвоенной лестницы: амплитуда модуляции возрастала на 1 шаг (0, 25 дБ), если испытуемый три раза подряд делал правильный выбор; амплитуда снижалась на 1 шаг при каждом неправильном выборе. В ходе эксперимента фиксировалось и усреднялось 6 значений амплитуды, при которых осуществлялся «поворот» на лестнице: снижение амплитуды сменялось увеличением и наоборот. Параллельно использовалось 5 лестниц (по числу масок в корзине). В ходе одного эксперимента определялась пороговая амплитуда модуляции при использовании каждой из масок. По каждому испытуемому для каждого варьируемого параметра маски усредняли результаты не менее 20 экспериментов.
Испытуемые. В исследовании приняли участие 3 испытуемых в возрасте от 22 до 34 лет с нормальным или скорректированным до нормы зрением. Все они убеждались в безопасности исследования для здоровья и участвовали добровольно. Все испытуемые участвовали во всех трех сериях экспериментов.
Результаты
Были проведены 3 экспериментальные серии, в которых определялись полосы пропускания ЗФВП, чувствительных к модуляциям пространственной частоты. Пропускная способность определялась для: а) ориентации оси модуляции, б) пространственной частоты модуляции и в) фазы модуляции.
Определение полосы пропускания ориентации оси модуляции. Исследование избирательности ЗФВП к ориентации оси модуляции не выявило значимых отличий порогов обнаружения теста в условиях маскировки текстурами с разным наклоном оси модуляции относительно тестового стимула (см. рисунок 2).
Рисунок 2. Зависимость порога обнаружения модуляции пространственной частоты элементов текстуры от угла наклона оси модуляции в маске Представлены данные 3 испытуемых. По оси абсцисс - угол наклона оси модуляции в маске относительно теста (в град.), по оси ординат -пороговая амплитуда модуляции (дБ). Вертикальными отрезками обозначены 95 % доверительные интервалы.
Полученные результаты однозначно указывают на отсутствие избирательности ЗФВП к ориентации оси модуляции пространственной частоты.
Определение полосы пропускания частоты модуляции. Результаты, полученные при использовании масок с переменной частотой модуляции, показаны на рисунке 3.
Рисунок 3. Зависимости порога обнаружения модуляции пространственной частоты элементов текстуры от разницы в частоте
модуляции маски и теста Представлены данные 3 испытуемых. По оси абсцисс - разница между частотой модуляции маски и теста (в октавах), по оси ординат -пороговая амплитуда модуляции (дБ). Вертикальными отрезками обозначены 95 % доверительные интервалы.
Из графиков следует, что наиболее выраженную избирательность демонстрирует испытуемый ММБ, в то время как пороги для испытуемого ЯДВ не сильно отличаются друг от друга. Тем не менее, полученные зависимости демонстрируют четкую тенденцию к снижению порогов при расхождении частоты модуляции теста и маски. Усреднение данных по всем испытуемым позволяют получить кривую, по которой можно оценить полосу пропускания ЗФВП по частоте модуляции пространственной частоты (см. рисунок 4). Полоса пропускания зрительного механизма стандартно оценивается по ширине «купола» на половине его амплитуды.
Исходя из полученной усредненной зависимости, полосу пропускания ЗФВП по частоте модуляции можно оценить на уровне ±1.5 октавы. Таким образом, ЗФВП демонстрируют избирательность к частоте модуляции пространственной частоты при полной ширине настройки фильтра 3 октавы.
—i—i—i—i—|—i—i—i—i—|—i—i—i—i—|—i—i—i—i—|—i—i—i—i—|—i—i—i—i—| -3_00 -1_50 OJIO 1_50 3_00
ПЧ модуляции наски (октавы)
Рисунок 4. Усредненная зависимость порога обнаружения модуляции пространственной частоты элементов текстуры от разницы в частоте модуляции маски и теста Обозначения осей те же, что и на предыдущем рисунке. Горизонтальная штриховая линия демонстрирует значение усредненного порога обнаружения теста в условиях маскировки немодулированной текстурой. Стрелками показана полная полоса пропускания ЗФВП по пространственной частоте огибающей.
Определение полосы пропускания фазы модуляции. Результаты экспериментальной серии, посвященной исследованию избирательности ЗФВП к фазе модуляции, представлены на рисунке 5.
Как видно из приведенных графиков, расхождение фаз в тесте и маске существенно не меняет пороги обнаружения теста ни для одного из испытуемых. В результате можно констатировать, что ЗФВП не избирательны к фазе модуляции пространственной частоты элементов текстуры.
Рисунок 5. Зависимость порога обнаружения модуляции пространственной частоты элементов текстуры от сдвига фазы модуляции
в маске
Представлены данные 3 испытуемых. По оси абсцисс - сдвиг фазы модуляции в маске относительно теста (в долях п), по оси ординат -пороговая амплитуда модуляции (дБ). Вертикальными отрезками обозначены 95 % доверительные интервалы.
Обсуждение результатов
Полученные нами результаты указывают на то, что ЗФВП, чувствительные к модуляции пространственной частоты, избирательны к частоте модуляции и не избирательны к ориентации модуляции и фазе модуляции.
Нам известна лишь одна ранее опубликованная работа, в которой использовалась модуляция пространственной частоты [1]. Ее авторы не ставили своей целью определить полосы пропускания ЗФВП, но указали на наличие избирательности этих механизмов к ориентации и частоте модуляции пространственной частоты. Наши данные согласуются с результатами этой работы в части, касающейся избирательности к частоте модуляции, и не совпадают в отношении избирательности к ориентации модуляции. В чем же может быть причина этого расхождения?
Первое, на что следует обратить внимание, это различия в использованных стимулах. В указанной работе применялись текстуры, несущая которых представляла собой шум, пропущенный через фильтр Габора. При этом
несущая и огибающая были коллинеарны. В ситуации, когда несущая и огибающая коллинеарны, в процесс решения задачи обнаружения модуляции может включаться не только механизм текстурного зрения (ЗФВП), реагирующий на особенности текстурной поверхности, но и механизм интеграции контура, реагирующий на близкорасположенные коллинеарные элементы и осуществляющий локальное объединение градиентов яркости. Включение в процесс обработки дополнительного механизма может существенно изменить пороги обнаружения модуляции. В нашем же исследовании использовались стимулы с ортогональными ориентациями несущей и огибающей, что исключало вовлечение в процесс обработки механизмов интеграции контура. Таким образом, мы полагаем, что обнаруженная Д. Arsenault et al. избирательность к ориентации модуляции пространственной частоты может отражать ориентационную избирательность механизмов интеграции контура, но не ЗФВП.
В предыдущем исследовании [2] в качестве теста мы использовали текстуру, модулированную по контрасту. ЗФВП, чувствительные к модуляции контраста, продемонстрировали избирательность ко всем переменным параметрам маски: ориентации оси модуляции, частоте модуляции и фазе модуляции. Отличия с текущими результатами очевидны, хотя в обоих исследованиях мы использовали одну и ту же исходную текстуру и процедуру эксперимента. Столь очевидное различие в результатах при смене модулируемого параметра текстуры может указывать на то, что модуляция контраста и модуляция пространственной частоты обнаруживаются разными механизмами, имеющими различную пространственную организацию. Так, модуляции контраста, по-видимому, обнаруживаются фильтрами, имеющими вытянутые, линейные, оппонентные по своей организации рецептивные поля [2]. Что же касается модуляции пространственной частоты, то отсутствие ориентационной избирательности реагирующих фильтров позволяет предполагать округлую организацию центральной области их рецептивных полей. Избирательность к частоте модуляции указывает на наличие тормозного окружения вокруг центральной возбудительной области поля. А отсутствие избирательности к фазе может указывать на нелинейность самого поля.
Заключение
В работе определены настроечные характеристики ЗФВП, чувствительных к модуляциям пространственной частоты. Полная полоса пропускания фильтров по частоте модуляции составила 3 октавы. Избирательность ЗФВП к ориентации оси модуляции и фазе модуляции не обнаружена. Полученные результаты позволили предположить концентрическую организацию рецептивных полей этих фильтров с нелинейной суммацией в пределах поля.
Литература
1. ArsenaultA., Wilkinson F., Kingdom F. Modulation frequency and orientation tuning of second-order texture mechanisms // Journ. of the Optical Society of America. - 1999. - V. 16. - pp. 427-435.
2. Babenko V., Yavna D., Solov'evA., Miftakhova M. Spatial selectivity of visual mechanisms sensitive to contrast modulations // J. Optical Technology. -2011. - V. 78. - no. 12. - pp. 771-776.
3. Blakemore C., Campbell F. W. On the existence of neurones in the human visual system selectively sensitive to the orientation and size of retinal images // J. Physiol. - 1969. - V. 203. - no 1. - pp. 237-260.
4. Campbell F. W., Robson J. G. Application of Fourier analysis to the visibility of gratings // J. Physiol. - 1968. - V. 197. - no. 3. - pp. 551-566.
5. Ellemberg D., Allen H. A., Hess R. F. Second-order spatial frequency and orientation channels in human vision // Vision Res. - 2006. - V. 46. -pp. 2798-2803.
6. Graham N. Beyond multiple pattern analyzers modeled as linear filters (as classical V1 simple cells): Useful additions of the last 25 years // Vision Research. - 2011. - V. 51. - pp. 1397-1430.
7. Graham N., Wolfson S. S. Is there opponent-orientation coding in the second-order channels of pattern vision? // Vision Res. - 2004. - V. 44. -no 27. - pp. 3145-3175.
8. GrayR.,ReganD. Spatial frequency discrimination and detection characteristics for gratings defined by orientation texture // Vision Res. - 1998. - V. 38. -pp. 2601-2617.
9. Grigorescu C., Petkov N., Westenberg M. A. Contour detection based on Nonclassical receptive field inhibition // IEEE Transactions on Image Processing. - 2003. - V. 12. - no. 7. - pp. 729-739.
10. Huang P., Kingdom F., Hess R. Only two phase mechanisms, +/-cosine, in human vision // Vision Research. - 2006. - V. 46. - no. 13. - pp. 20692081.
11. Kingdom F., Keeble D. A linear systems approach to the detection of both abrupt and smooth spatial variations in orientation-defined textures // Vision Res. - 1996. - V. 36. - no 3. - pp. 409-420.
12. Kingdom F., Keeble D., Moulden B. Sensitivity to orientation modulation in micropattern-based textures // Vision Res. - 1995. - V. 35. - Issue 1. -pp. 79-91.
13. Kwan L., Regan D. Orientation-tuned spatial filters for texture-defined form // Vision Res. - 1998. - V. 38. - pp. 3849-3855.
14. LandyM. S., OrucI. Properties of second-order spatial frequency channels // Vision Res. - 2002. - V. 42. - pp. 2311-2329.
15. MostafaviH., Sakrison D. Structure and properties of a single channel in the human visual system // Vision Research. - 1976. - V. 16. - no. 9. - pp. 957-968.
16. OlzakL., Thomas J. Seeing spatial patterns // Handbook of Perception and Human Performance, Volume I: Sensory Processes and Perception / Ed. by K. Boff, L. Kaufman, J. Thomas. - Wiley-Interscience: New York, 1986.
17. ReynaudA., HessR. F. Properties of spatial channels underlying the detection of orientation-modulations // Exp. Brain Res. - 2012. - V. 220. - pp. 135-145.
18. Stromeyer C., Julesz B. Spatial-Frequency Masking in Vision: Critical Bands and Spread of Masking // Journ. of the Optical Society of America. - 1972. -V. 62. - no. 10. - P. 1221.
19. Sutter A, Sperling G., Chubb C. Measuring the spatial frequency selectivity of second-order texture mechanisms // Vision Res. - 1995. - V. 35. - pp. 915-924.
20. Thomas J. P., Gille J. Bandwidths of orientation channels in human vision // Journ. of the Optical Society of America. - 1979. - V. 69. - no. 5. - pp. 652-660.
21. WestrickZ. M., Henry C. A., Landy M. S. Inconsistent channel bandwidth estimates suggest winner-take-all nonlinearity in second-order vision // Vision Res. - 2013. - V. 81. - pp. 58-68.
22. Wilson H. R., Gelb D. J. Modified line-element theory for spatial-frequency and width discrimination // Journ. of the Optical Society of America. -1984. - V. 1. - no. 1. - P. 124.
23. Wilson H. R., McFarlane D. K., Phillips G. C. Spatial frequency tuning of orientation selective units estimated by oblique masking // Vision Res. -1983. - V. 23. - no. 9. - pp. 873-882.
