Детерминация фиксационных поворотов глаз

Описание

Для того, чтобы корректно интерпретировать окулограммы, необходимо знать природу регистрируемых форм глазодвигательной активности и обстоятельства, влияющие на ее характеристики. В данном разделе будут рассмотрены детерминанты фиксационного поворота глаз, сопровождающего восприятие комплексных объектов. Используя фотоэлектрический метод регистрации движений мы покажем, как меняются амплитуды саккад, и соответствующие им распределения точек фиксации в зависимости от конфигурации поверхности объекта, его локализации в поле зрения, социокультурных навыков наблюдателя и требований решаемой задачи.

↑ Основные детерминанты

Решение любой зрительной задачи (рассматривание изображения, поиск заданного элемента, ориентировка в новой обстановке и др.) предполагает выполнение фиксационного поворота глаз, включающего по крайней мере одну саккаду, В каждом конкретном случае направление, амплитуда и точность саккад оказываются различными, подчиняясь разнообразным, часто неожиданным, обстоятельствам.

Существует несколько типов детерминант, определяющих параметры произвольных, вернее, целенаправленных, саккадических движений глаз.

Пространственные свойства объектов. Аплитуда саккады в первую очередь зависит от того, где относительно исходной точки фиксации расположен воспринимаемый предмет (целевой стимул). Если он удален на расстояние до 10°, распределение амплитуд имеет выраженный центр, или эксцесс, соответствующий дистанции до предмета. При расстоянии большем 10° саккады имеют меньшую амплитуду, чем дистанция до предмета, а финальная позиция глаз корректируется дополнительной саккадой. С увеличением расстояния до целевого стимула амплитуда и/или число коррекционных саккад увеличивается (Weber, Daroff, 1971; Митрани, 1973; Bahil, Adler, Stark, 1975). Распределение амплитуд произвольных саккад носит вероятностный характер и, как правило, захватывает зону в несколько угловых градусов перед и позади фиксируемого точечного элемента среды. При дистанции до предмета (40') в 6 лишь 60% саккад имеют амплитуду 6 ± 0,5°, при дистанции 15 количество «точных» саккад снижается до 20% (Гуревич, 1971: Митрани, 1973).

Контролирующая роль позиции, или зрительного направления целевого стимула, учитывается практически всеми исследователями окуломоторной активности и заложена в процедуру калибровки и анализа движений глаз. За исключением прямых методов (кино- и телесъемка) все используемые способы регистрации дают относительную информацию о направлении глаз (а, следовательно, и об амплитуде саккад), допуская, что зрительный угол, под которым видна калибровочная точка, и угол поворота глаз, необходимый для ее фиксации, совпадают.

На величину амплитуды саккад оказывают влияние и нецелевые стимулы, удаленные от целевого до ±5°. В этом случае позиция глаза после скачка располагается между целевым и нецелевым стимулами, как бы в «центре тяжести» образуемой фигуры, а амплитуда саккад может быть соответственно больше или меньше расстояния до цели (Coren, Hoenig, 1972; Findlay, 1980, 1981; Coren, 1986). Воздействие нецелевого стимула на амплитуду фиксационных саккад асимметрично; зона влияния нецелевого стимула, расположенного ближе к исходной точке фиксации, в несколько раз превышает величину зоны, расположенной за целевым стимулом. Тем ие менее, в области ±2-4 зависимость «центра тяжести» от позиции целевого стимула близка к линейной (Coren, 1986). Субъективно фиксационный поворот выполняется испытуемым точно на цель, а систематическое отклонение глаза не замечается. Данный эффект, не зависящий от требований задачи и величины объекта, постепенно снижается лишь в ходе многочисленных повторений (Findlay, 1980). Он сохраняется при восприятии случайного распределения множества точечных объектов (Шанэ, Паюс, Чесна, 1978) и контурных фигур (Kaufman, Richards, 1969; Richards, Kaufman, 1969).

Понятие «центра тяжести» воспринимаемых объектов не имеет строгого значения. Это — тенденция преимущественного расположения точек фиксации относительно поверхности объекта. Например, при восприятии контурных фигур (окружностей, квадратов, треугольников, углов, стрел иллюзии Мюллера-Лайера и др.) точки фиксации группируются в определенной зоне внутри очертания фигуры; при этом они могут совпадать, а могут и не совпадать с ее геометрическим центром. Нередки случаи, когда зона спонтанных фиксаций располагается между геометрическим центром фигуры и ее контуром, в частности, между центром и линией окружности. Чем больше угловой размер фигуры, тем больше может быть их несовпадение и тем больше разброс точек фиксации (Ярбус, 1965; Richards, Kaufman, 1969; Kaufman, Richarrds, 1968). Если учесть зависимость зон распределения точек фиксации от индивидуальных особенностей наблюдателя, то предсказать их расположение в каждом конкретном случае зрительного восприятия довольно трудно.

По мнению Дж. Финдли (Findlay, 1980, 1981, 1983), эффект «центра тяжести» связан с особенностями процесса переработки-зрительной информации: локальному выделению целевого стимула всегда предшествует его «глобальное» (недифференцированное) восприятие в единстве с непосредственным окружением. Перцептивная спецификация цели происходит на более поздних стадиях зрительного процесса, сопровождаясь дополнительной, или коррекционной, саккадой. Это предположение соответствует и другим данным. Так, Х.Кофф (Koeffe, 1987) обнаружил, что визуальный анализ объектов, локализованных в области будущего местоположения глаз, начинается до выполнения саккады. В ходе анализа последовательно включаются каналы все более высоких пространственных частот и сужается зона внимания. Точность саккады зависит от того, на какой стадии зрительного процесса принимается решение о движении. Следовательно, ключ к повышению точности саккад лежит в организации таких условий восприятия, при которых зрительный анализ в течение предшествующей фиксации осуществляется максимально полно. Как показала З. Капоула (Kapoula, 1983), платой за точность саккады является увеличение продолжительности предшествующей фиксации. По-видимому, процесс подготовки и выполнения саккады постоянно открыт для текущей зрительной информации (Robinson, 1977). Появление нецелевого стимула во время выполнения саккады приводит к изменению либо ее амплитуды, либо структуры фиксационного поворота в целом (Андреева, Вергилес, Ломов, 1975; Otts, Van Gisbergen, Eggermont, 1984).
[banner_centerrs] {banner_centerrs} [/banner_centerrs]

Более отдаленное окружение целевого стимула, или фон, также оказывает влияние на параметры саккад. Влияние фона проявляется, например, в асимметрии фиксационных саккад, выполняемых в условиях сочетания нулевой и положительной зрительной обратной связи ГДС (Барабанщиков, Зубко, 1980). Направление и амплитуда саккад в процессе поиска заданного элемента зависит от формы панели информации. При восприятии прямоугольной панели (40 х 40 ) преобладают горизонтальные и вертикальные скачки, при восприятии круглой и эллиптической формы — наклонные и радиальные. Скачки, совпадающие с направлением большей оси фигуры (прямоугольника или эллипса), имеют большую амплитуду. От формы панели зависит и плотность распределения фиксаций (Митькин, 1974).

Существенным фактором саккадических поворотов глаз является конфигурация поверхности воспринимаемого объекта. П.Лoшe и Р. Ноди (Locher, Nodin, 1987), предъявляя испытуемым рисунки разной степени симметричности и комплексности, обнаружили, что при симметричных конфигурациях рисунка точки фиксации локализуются преимущественно в области одной из его половин, а при фиксации несимметричных — распределяются равномерно. Можно полагать, что фактор симметрии-асимметрии объекта является одним из ключевых элементов его зрительной композиции, который выступает в качестве системы отсчета, направляющей движения глаз наблюдателя (Арнхейм, 1974, 1994).

Как правило, наибольшее скопление фиксаций соответствует таким областям объекта, где существует либо наибольшая вероятность обнаружения целевого стимула, либо возможность-получения прогностической информации (Macworth, Morandi, 1967; Prinz, 1983). При больших (свыше 10°) угловых размерах объекта восприятия точки фиксации распределяются на его «выдающихся» деталях: резких изменениях кривизны контура, контрастах, необычных цветовых или фигуративных элементах и др. На прямоугольном поле (13 х 20), разделенном на темную и светлую части, зона фиксаций локализуется в непосредственной близости от границы смыкания частей и мало зависит от их соотношения (Kaufman, Richards, 1969).

Решаемая задача. Любой сложный объект обладает множеством свойств и потому в каждый момент времени оказывается информативно избыточным. Что и как будет воспринято (зрительно выделено) зависит от стоящей перед наблюдателем задачи. Именно задача, или цель, данная в определенных условиях, дифференцирует существенное (информативное) и несущественное (неинформативное) в объекте восприятия и предъявляет определенные требования к отражению выделяемых свойств и отношений. Позиция (направленность) глаз, собственно, и обеспечивает оптимальные условия восприятия информативных элементов, которые содержат полезные и нужные в данный момент сведения. Если стоит задача описать отношения персонажей, изображенных на картине, эта позиция может быть независимой от контура, числа мелких деталей, перепадов яркости, цвета элементов, подчиняясь в первую очередь смысловому содержанию или композиции картины. Движения глаз здесь мало похожи на движения рук слепого, ощупывающего контур незнакомого объекта. Однако, если задача потребует от наблюдателя рассмотреть и/или изобразить скульптурный портрет Нефертити, совокупное распределение фиксационных позиций окажется изоморфным контуру воспринимаемого объекта (Ярбус, 1965).

Анализ окулограмм позволяет судить о том, к каким элементам, когда и как часто обращается наблюдатель. Так, наиболее выразительные элементы лица — глаза и губы человека — больше всего привлекают внимание наблюдателя и являются основными областями распределения точек фиксации.

В отличие от эффектов фона или «центра тяжести», влияние задачи на движение глаз связано не столько с процессами приема информации, сколько с формами ее организации. Именно в этом, последнем, смысле говорят о разумности глаза (Пушкин, 1965; Тихомиров, 1969; Грегори, 1972), связывая паттерны фиксаций с опытом и знаниями наблюдателя. Как правило, при повторных восприятиях сложных объектов одним и тем же наблюдателем структуры окуломоторной активности в целом сохраняются (Ярбус, 1965; Нотон, Старк, 1974).

Сложность окулографического анализа перцептивного процесса во многом определяется многозначностью отношений между направленностью глаз и зрительным направлением предмета восприятия. Для того, чтобы выполнить перцептивную задачу, например, найти в колонке цифр подходящее значение, достаточно лишь нескольких фиксаций. Во время каждой фиксации воспринимается не один элемент (число), а констелляция элементов, различно локализованных в поле зрения. Данная способность наблюдателя получила название функционального (оперативного, полезного) поля зрения (Гиппенрейтер, 1978; Белопольский, 1978; Mafckworth, 1975). В зависимости от характера задачи функциональное поле зрения меняет свою локализацию и величину. Если, например, требуется рассмотреть мелкую деталь изображения, оно сужается до нескольких угловых минут, если требуется лишь обнаружить некоторый элемент — расширяется и в пределе может соответствовать величине морфологического поля зрения. При этом выполнение зрительной задачи допускает некоторую совокупность направлений глаз, или оперативную зону фиксаций, которая также имеет определенную величину (от нескольких угловых минут до десятков градусов) и локализацию (в пределах моторного поля глаз). Например, для того, чтобы обнаружить тест-объект, появляющийся на дальней периферии, изменение позиции глаз не требуется (этой задаче может соответствовать любое положение глаз); при опознании же этого тест-объекта, целенаправленный поворот глаз необходим (Гиппенрейтер, 1978; Edwards, Goolkasian, 1974). Обе зоны могут находится в разных соотношениях (перекрываться, включать друга и т. п.), причем точность произвольной саккады определяется не метрическим положением глаз относительно предмета восприятия, а его положением относительно оперативной зоны фиксации (Барабанщиков, 1990). При амбивалентной стимуляции перемещение глаз из одной оперативной зоны фиксации в другую становится условием переключения альтернативных способов восприятия (Гиппенрейтер, Седакова, 1970).

Перцептивные навыки. Включаясь в процесс зрительного восприятия, фиксационный поворот глаз выступает как окуломоторный навык — умение выполнить зрительную задачу с заданной эффективностью (точностью и скоростью). Он вырабатывается индивидом с самого рождения и имеет предпосылки в фило- и социогенезе (Ананьев, 1960; Запорожец, Багнер, Зинченко, Рузская, 1967; Митькин, 1988). Окуломоторный навык целесообразен, адекватен тем условиям, в которых был выработан, носит обобщенный характер и переносим в различные ситуации. На разных этапах онтогенеза, а также в случае патологии, фиксационный поворот глаз на целевой стимул выполняется по-разному. У месячного младенца — посредством цепочки саккад примерно одинаковой амплитуды (Митькин, Козлова, Сергиенко, Ямщиков, 1978); у нормального взрослого — посредством одной-двух саккад, ведущих к «точной» установке глаз; у взрослых с измененными оптическими свойствами глаз — посредством совокупности саккад различной амплитуды и ускоренного дрейфа, постепенно приводящих к фиксации стимула (Барабанщиков, 1978; Белопольский, Вергилес, 1979). В силу пластичности окуломоторной системы возрастные либо функциональные отклонения от оптимальной амплитуды или траектории выполнения движений носят кратковременный характер.

Поскольку в каждый момент времени зрительная активность либо складывается заново, либо воспроизводится в новых условиях, она совершается как процесс научения. Данный процесс побуждается потребностью в экономичном способе получения зрительной информации и проходит два основных этапа: 1) поиск решения перцептивной задачи и 2) оптимизация найденного решения. Вновь найденное решение нередко носит неустойчивый диффузный характер, сопровождается избыточной активностью и при некотором изменении условий далеко не всегда ведет к требуемому результату. При повторных актах восприятия (упражнении) найденное решение постепенно обобщается, теряет избыточные звенья (свертывается) и выполняется наиболее экономичным путем. В процессе научения реконструируется и укрупняется информационное содержание (оперативные единицы) восприятия, оптимизируется стратегу и тактика его вычленения. Задача, решение которой первоначально требовало значительного объема движений, организованных в довольно сложную структуру, после некоторой практики может быть решена посредством одной единственной саккады (Зинченко, 1964; Запорожец, Венгер, Зинченко, Рузская, 1967; Подольский, 1977). Оптимизация перцептивного приобретения субъекта достигается посредством видоизменения его ориентировочной основы и структуры исполнения; существенную роль в этом процессе играют механизмы обратной связи.

Влияние перцептивных навыков на выполнение отдельной целенаправленной саккады обычно связывается с двумя моментами: а) с наличием индивидуально-типических особенностей строения и функционирования зрительной системы человека и б) с существованием социокультурных норм решения зрительных задач, в частности, чтения и письма. Оба момента так или иначе проявляются в способе восприятия и фиксируются в тактиках окуломоторной активности (Senders, 1976). Примером первого может служить асимметрия латентных периодов горизонтальных саккад (Владимиров, Хомская, 1980). Примером второго — альтернативность направлений первых саккад у представителей европейской и арабской культур при выполнении таких задач, как «чтение» приборов на мнемосхеме, поиск цифр на экране дисплея, осмотр картин и др. (Ломов, 1966; Митькин, 1974).

Таким образом, фиксационный поворот глаз, несмотря на кажущуюся простоту, является функцией многих переменных, каждая из которых действует в определенном диапазоне и оказывает на параметры движений глаз неравнозначное влияние.

Проблема детерминации глазодвигательной активности человека содержит немало «белых пятен». В первую очередь это касается восприятия сложноорганизованных объектов. Неясно, например, сохранится ли «центр тяжести» контурной фигуры, если внутри нее находится асимметрично расположенный целевой стимул? Зависит ли распределение точек фиксации от толщины (выраженности) контура или от геометрической формы целевого стимула? Как конкретно влияют социокультурные навыки наблюдателя на способ выполнения зрительных задач? Является ли асимметрия фиксационных поворотов проявлением лишь индивидуально-типологических особенностей наблюдателя? Как соотносятся различные типы детерминант? Ответы на эти и некоторые другие вопросы мы попытались получить в ходе специального исследования. Его главная цель — дифференцированный анализ системы детерминант фиксационных поворотов глаз, реализующих восприятие комплексных объектов.

↑ Методика исследования

Для изучения особенностей детерминации фиксационных поворотов глаз при восприятии комплексных объектов мы разработали методику, допускающую варьирование: 1) пространственных свойств объекта (формы фигуры, ее расположения внутри контурной рамки, выраженности контура, локализации комплексного объекта в поле зрения); 2) решаемой задачи (свободное восприятие тест-объекта, перцептивное выделение фигуры, фиксация геометрического центра контура) и 3) перцептивных навыков (чтение и письмо взрослых наблюдателей, воспитанных либо в европейской, либо в арабской социокультурной среде). Зависимая переменная — амплитуда первого целенаправленного скачка глаз, сопровождающего восприятие тест-объекта, или координата точки фиксации относительно поверхности тест-объекта. Последнее позволяло ввести еще один план исследования: изучение строения и динамики оперативной зоны фиксации.

В качестве стимульного материала использовался набор из 18 карточек (Рис. 2.1),






на которых изображались прямоугольная контурная рамка (40 х 40 мм) и смещенная относительно ее центра фигура (ширина — 16 мм). Контур рамки имел ширину либо 0,5 мм («слабая» рамка), либо 5 мм («сильная» рамка); фигура могла принимать одну их четырех форм — круга, квадрата, полукруга или полос. Фигура и рамка рисовались черной тушью на листе белого картона.

Регистрация движений глаз проводилась фотоэлектрическим методом (Митрани, 1973) на установке, сконструированной В. И. Козловым (Козлов, Подлеснова, 1992). Принцип ее работы заключается в следующем: на глаз испытуемого от двух светодиодов направляются пучки инфракрасного света так, чтобы осветить часть радужной оболочки и склеры справа и слева от зрачка (Рис. 2.2, а).





Отраженный свет попадает на два фотодиода, соединенные в мост. Свето- и фотодиоды крепятся с помощью специального устройства к оправе очков, а их направленность может быть изменена. В процессе настройки регистрирующего устройства свето- и фотодиоды устанавливаются таким образом, чтобы при фиксации точечных объектов, расположенных прямо перед испытуемым, в электрической цепи возникало нулевое напряжение, а при перемещении глаз вправо или влево от исходного — напряжение, пропорциональное повороту глаз. Усиленный электрический сигнал подается на вход чернило-пищущего прибора Н-327-3 (Россия).

Схематически центральное звено установки изображено на Рис. 2.2,б. Оно включает два регистрирующих мини-блока, каждый из которых состоит из соединенных и сопряженных между собой источников света — светодиода инфракрасного излучения AЛ 115 А(1) и приемника отраженного от глаза света фотодиода ФД-8К (2). Мини-блок закреплен на горизонтальном стержне (3), который вставлен в отверстие втулки (4) и может перемещаться вперед-назад, меняя расстояние от мини-блока до глаза. Втулка соединена с вертикальным стержнем (5) и может вращаться вокруг своей оси, изменяя тем самым угол ориентации мини-блока относительно глаза. Вертикальный стержень проходит через отверстие в ползунке (6) и вместе с втулкой перемещается вверх-вниз. Ползунки передвигаются по горизонтальной направляющей — основанию, которое жестко закреплено на оправе очков. Оптимальное положение стержней, втулки и ползунков, найденное в процессе настройки устройства, фиксируется с помощью винтов-барашков (7). Установка позволяет регистрировать горизонтальную составляющую движений одного из глаз с точностью до 30, диапазон линейности — ±12°.

Процедура эксперимента. Укрепив регистрирующее устройство на голове испытуемого, экспериментатор усаживал его перед белым экраном с калибровочной таблицей. Регистрирующие мини-блоки устанавливались около левого глаза; в оправу очков правого глаза вставлялась светонепроницаемая поролоновая маска. Голова испытуемого фиксировалась в подбороднике, я сам он располагался таким образом, чтобы центр экрана, или исходная точка фиксации, приходился напротив левого глаза. Расстояние от глаза до центра экрана — 450 мм. Экран равномерно освещался сверху неоновой лампой.

Во время настройки регистрирующего устройства испытуемый фиксировал центр калибровочной таблицы, а экспериментатор подбирал такое положение мини-блоков, при которых устанавливалось нулевое напряжение. Затем, по команде экспериментатора, испытуемый попеременно фиксировал то левую, то правую калибровочные точки (шаг — 2 ), возвращая взоp обратно в центральную позицию. В это время экспериментатор устанавливал подходящее усиление выходного сигнала и амплитуду отклонения пера чернило-пишущего прибора.

После завершения настройки аппаратуры и калибровки движений глаз калибровочная таблица заменялась экраном, снабженным специальными «карманами» (справа и слева от центральной точки фиксации), в которые последовательно по определенной программе экспериментатор вкладывал карточки с тест-объектами (угловое расстояние от центральной точки фиксации до центра контурной рамки — 7 , внутренний размер рамки — 5°х5°; ширина контура — 5 и 40 ; ширина фигуры — 2°, расстояние между центрами контура и фигуры — 1,3 ). В начале каждой пробы испытуемый фиксировал центральную точку черного цвета (диаметром — 15) и, заметив появление нового тест-объекта переводил на него взор. Согласно инструкции испытуемый должен был либо четко воспринять экспонируемый тест-объект (эксперимент 1), либо идентифицировать фигуру (эксперимент 2), либо фиксировать точку, расположенную в геометрическом центре рамки (эксперимент 3). После выполнения задачи он возвращал взор в центральную позицию, ожидая появления нового тест-объекта. Продолжительность каждой пробы — 7-10 секунд.

Стимульный материал экспонировался таким образом, чтобы каждый из 18 тест-объектов воспринимался испытуемым в случайном порядке по 10 раз в левой и правой частях поля зрения (всего 360 предъявлений). После серии из 72 проб делался пятиминутный перерыв. Каждая новая серия начиналась с процедуры калибровки.

Испытуемые. В экспериментах приняли участие 44 человека в возрасте 25-45 лет с нормальным зрением: 22 гражданина России и 22 гражданина Сирийской Арабской Республики (аспиранты, стажеры). Каждый из испытуемых имел высшее или незаконченное высшее образование и ранее в подобных экспериментах не участвовал.

Обработка данных. На основе полученных окулограмм (Рис. 2.3)





строились гистограммы амплитуд первой саккады применительно к каждому из 36 тестовых объектов (по отдельному испытуемому, социокультурной группе и всем участникам эксперимента вместе взятым), а также применительно к каждой из исследуемых детерминант 1) позиции тест-объекта в поле зрения, 2) ширины контура рамки, 3) относительной локализации фигуры, 4) ее формы, 5) задачи, выполняемой испытуемыми, 6) их социокультурной принадлежности. Для удобства анализа тест-объект разбивался на семь зон, размером (по ширине) около 1,2 :

Д0 — область, прилегающая к контурной рамке со стороны центральной фиксационной точки;

Р1 — область ближайшей к центральной фиксационной точке вертикальной составляющей рамки (не зависит от выраженности контура);

Ф1 — область локализации ближайшей фигуры (круга, квадрата, полукруга, полос), независимо от того, есть ли она на этом месте в действительности;

Ц — область геометрического центра контурной рамки;

Ф2 — область локализации дальней фигуры, независимо от того, есть ли она на этом месте в действительности;

Р2 — область отдаленной (относительно центральной точки фиксации) вертикальной составляющей контурной рамки;

ПО — область, прилегающая к контурной рамке с отдаленной или внешней стороны.

Данные об амплитуде первых саккад, или координатах точек фиксации (по всем испытуемым), вводились в компьютер и подвергались кластерному анализу 1.

В соответствии с программой исследований было проведено три эксперимента, различающихся задачей, которую выполняли испытуемые. Общая методическая идея заключалась в том, чтобы 1) определить «центр тяжести» латерально расположений контурной рамки и 2) по характеру его смещений — если они действительно имеют место — специфицировать влияние выделенных детерминант на амплитуду фиксационной саккады. Такой подход позволял более основательно разобраться и в самом феномене окуломоторного «центра тяжести».

----

Статья из книги: Окуломоторные структуры восприятия | Барабанщиков В.А.