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視覚

視覚的知覚は、環境内のオブジェクトによって反射される可視スペクトルの光を使用して、周囲の環境を解釈する能力です。これは、人がどれだけはっきりと見えるかを示す視力(たとえば、「20/20 視力」)とは異なります。人は、20/20 の視力を持っていても、視覚的知覚処理に問題がある可能性があります。

得られた知覚は、としても知られて視力、視覚、または視力（形容詞形：視覚的、光学的、又は眼）。視覚に関与するさまざまな生理学的要素は、視覚システムと総称され、言語学、心理学、認知科学、神経科学、および分子生物学における多くの研究の焦点であり、これらを総称して視覚科学と呼んでいます。

視覚系

ヒトおよび他の哺乳動物の数では、光が通って眼に入り、角膜によって集束されるレンズに網膜、眼の後ろの感光性膜。網膜は、光を神経信号に変換するためのトランスデューサーとして機能します。この伝達は、光の光子を検出し、神経インパルスを生成することによって応答する、 by rod体および錐体としても知られる網膜の特殊な光受容細胞によって達成されます。これらの信号は、によって送信された視神経網膜の上流側から中央に、神経節における脳。外側膝状核に情報を送信し、視覚野。網膜からの信号も、網膜から上丘に直接伝わります。

外側膝状体は、線状皮質とも呼ばれる一次視覚野に信号を送ります。視覚連合皮質とも呼ばれる外線皮質は、一連の皮質構造であり、線条皮質から、また互いに情報を受け取ります。[1]視覚連合皮質の最近の説明では、腹側経路と背側経路という 2 つの機能経路への分割が説明されています。この推測は、2 つのストリームの仮説として知られています。

人間の視覚系は、一般に、電磁スペクトルの370 ～ 730 ナノメートル (0.00000037 ～ 0.00000073 メートル) の波長範囲の可視光に敏感であると考えられています。[2]しかし、一部の研究では、人間、特に若者は 340 ナノメートル (UV-A) までの波長の光を知覚できることが示唆されています。[3]最適な条件下では、人間の知覚のこれらの限界は 310 nm ( UV ) から 1100 nm ( NIR )まで拡張できます。[4] [5]

調査

視覚認識における主な問題は、人々が見るものは網膜刺激 (つまり、網膜上の画像) の単なる翻訳ではないということです。したがって、知覚に関心のある人々は、実際に見えるものを作り出すために視覚処理が何をするのかを説明するのに長い間苦労してきました。

初期の研究

視覚的な背側皮質視覚路(緑) と腹側皮質視覚 路(紫) が表示されます。人間の大脳皮質の多くは 視覚に関係しています。

古代ギリシャには 2 つの主要な学派があり、視覚がどのように機能するかについての原始的な説明を提供していました。

1つ目は、光線が目から発せられ、視覚的な物体によって遮られたときに視覚が発生すると主張する視覚の「放出理論」でした。物体が直接見られた場合、それは「光線の手段」によって目から出て、再び物体に落ちることによるものです。しかし、屈折した像は「光線の手段」によっても見られ、それは目から出て、空気を通り抜け、屈折した後、光線の動きの結果として目に見える物体に落ちた.目から。この理論はの信者だった学者によって擁護されたユークリッドのオプティクスとプトレマイオスのオプティクス。

2 番目の学校は、物体を表す目に入る何かから視覚が来ると見なす、いわゆる「導入」アプローチを提唱しました。その主な宣伝者であるアリストテレス( De Sensu )、[6] Galen ( De Usu Partium Corporis Humani ) とその信奉者[6]この理論は、ビジョンが実際に何であるかについての現代の理論といくらか接触しているように見えますが、それは単なる憶測に過ぎませんでした。実験的基礎が欠けています。(18 世紀のイギリスでは、アイザック ニュートン、ジョン ロック、その他の人々が、視覚は、実際の物質で構成された光線が、目に見える物体から発せられ、見る人の心に入るプロセスに関係していると主張することによって、視覚の導入理論を前進させた/目の開口部からの感覚。) [7]

どちらの学派も、「類似は類似によってのみ認識される」という原則に基づいており、したがって、目は可視光の「外部の火」と相互作用して視覚を可能にする「内部の火」で構成されているという概念に基づいていました。プラトンは、エンペドクレスと同様に、彼の対話ティマイオス(45b と 46b) の中でこの主張をしています(アリストテレスが彼のDe Sensu , DK frag. B17で報告したように)。[6]

レオナルド・ダ・ヴィンチ: 目には中心線があり、この中心線を通して目に届くものはすべてはっきりと見えます。

Alhazen (965 – c. 1040) は、視覚認識に関する多くの調査と実験を行い、両眼視に関するプトレマイオスの研究を拡張し、ガレノスの解剖学的研究についてコメントしました。[8] [9]彼は、光が物体に当たったときに視覚が生じると説明した最初の人物であり、その後、光が自分の目に向けられた. [10]

レオナルド ダ ヴィンチ(1452 年 - 1519 年) は、目の特別な光学的性質を最初に認識したと考えられています。彼は、「人間の目の機能は…多くの著者によって一定の方法で記述されていましたが、それは完全に異なることがわかりました」と書いています。彼の主な実験的発見は、視線には明確で明確な視覚しかないということでした。つまり、中心窩で終わる光学線です。彼はこれらの言葉を文字通りに使用しませんでしたが、実際には、彼は中心窩と周辺視野の現代の区別の父です。[11]

Isaac Newton (1642–1726/27) は、プリズムを通過する光のスペクトルの個々の色を分離することによって、実験を通じて最初に発見したものであり、物体の視覚的に知覚される色は、物体が反射した光の特性によって現れること、およびこれらの分割された色は、当時の科学的予想に反して、他の色に変更することはできませんでした。[2]

無意識の推論

ヘルマン・フォン・ヘルムホルツは、視覚認知に関する最初の近代的研究で知られています。ヘルムホルツは人間の目を検査し、高品質の画像を生成することはできないと結論付けました。情報が不十分だと、ビジョンが見えなくなるようです。したがって、彼は、視覚は何らかの形の「無意識の推論」の結果に過ぎないと結論付け、1867 年にその用語を作り出しました。彼は、脳が以前の経験に基づいて、不完全なデータから推測や結論を出していると提案しました。[12]

推論には、世界に関する事前の経験が必要です。

視覚的経験に基づく、よく知られた仮定の例は次のとおりです。

  • 光は上から来る
  • オブジェクトは通常、下からは見えません。
  • 顔は直立して見える (そして認識される)。[13]
  • 近いオブジェクトはより遠くのオブジェクトの視界を遮ることができますが、その逆はありません
  • 図形 (つまり、前景のオブジェクト) は、凸状の境界線を持つ傾向があります。

視覚的錯覚(推論プロセスがうまくいかない場合)の研究により、視覚システムがどのような種類の仮定を立てるかについて多くの洞察が得られました。

(確率に基づく) 別のタイプの無意識の推論仮説は、視覚認知のいわゆるベイズ研究で最近復活しました。[14]このアプローチの支持者は、視覚系が何らかの形のベイズ推定を実行して、感覚データから知覚を導き出すと考えています。ただし、この見解の支持者が、原則として、ベイズ方程式に必要な関連する確率をどのように導き出すかは明らかではありません。このアイデアに基づくモデルは、動きの知覚、奥行きの知覚、図と地面の知覚など、さまざまな視覚的知覚機能を説明するために使用されています。[15] [16]「知覚の完全に経験的な理論」は、ベイズの形式主義を明示的に呼び出すことなく視覚を合理化する、関連した新しいアプローチです。

ゲシュタルト理論

主に 1930 年代と 1940 年代に活動していたゲシュタルト心理学者は、今日の視覚科学者によって研究されている多くの研究課題を提起しました。[17]

ゲシュタルト組織の法則は、人々が視覚的要素を多くの異なる部分ではなく、組織化されたパターンまたは全体として認識する方法の研究を導いてきました。「ゲシュタルト」はドイツ語で、部分的に「構成またはパターン」と「全体または創発構造」に翻訳されます。この理論によると、視覚システムが要素をパターンに自動的にグループ化する方法を決定する8つの主な要因があります: 近接性、類似性、閉鎖性、対称性、共通の運命 (つまり、共通の動き)、連続性、および良いゲシュタルト (規則的なパターン、シンプルで整然とした）と過去の経験。

眼球運動の分析

目の動きの最初の 2 秒 ( Yarbus、1967)

1960 年代、技術開発により、読書中[18]画像閲覧中[19]視覚的問題解決中[20]およびヘッドセット カメラが利用可能になったときに、運転中の目の動きの継続的な登録が可能になりました。[21]

右の写真は、目視検査の最初の 2 秒間に何が起こるかを示しています。周辺視野を表す背景の焦点が合っていない場合、最初の視線の動きは男性のブーツに向けられます (開始点に非常に近く、適度なコントラストがあるためです)。

次の凝視は、顔から顔へとジャンプします。彼らは顔の比較を許可するかもしれません。

アイコンフェイスは、周辺視野において非常に魅力的な検索アイコンであると結論付けることができる。中心窩視覚は、周辺の第一印象に詳細な情報を追加します。

また、眼球運動にはさまざまなタイプがあることに注意してください。凝視眼球運動(マイクロサッケード、眼球ドリフト、震え)、輻輳運動、サッケード運動、追跡運動です。凝視は、目が置かれる比較的静的な点です。ただし、視線は完全に静止することはなく、視線の位置がずれます。これらのドリフトは、マイクロサッケード、つまり非常に小さな凝視眼球運動によって修正されます。仰向けの動きは、両方の網膜の同じ領域に画像が収まるように、両眼の協調を伴います。これにより、単一の焦点が合った画像が得られます。サッケードの動きは、ある位置から別の位置にジャンプするタイプの目の動きであり、特定のシーン/画像をすばやくスキャンするために使用されます。最後に、追跡の動きは滑らかな目の動きであり、動いているオブジェクトを追跡するために使用されます。[22]

顔と物体の認識

顔と物体の認識が異なるシステムによって達成されているというかなりの証拠があります。たとえば、相貌失認症の患者は顔面に障害を示しますが、対象物の処理は見られません。一方、対象物を認識しない患者 (特に、患者 CK )は対象物の処理に障害を示し、顔面の処理は行われません。[23]行動的には、オブジェクトではなく顔が反転効果を受けることが示されているため、顔は「特別」であるという主張につながります。[23] [24]さらに、顔と物体の処理は異なる神経系を動員する。[25]特に、顔処理のための人間の脳の明らかな特殊化は、真のドメイン特異性を反映しておらず、むしろ、与えられたクラスの刺激内の専門家レベルの識別のより一般的なプロセスを反映していると主張する人もいる[26]。クレームは実質的な議論の対象です。fMRI と電気生理学を使用して、Doris Tsao と同僚は、マカクザルの脳領域と顔認識のメカニズムを説明しました。[27]

下側頭回皮質は、さまざまなオブジェクトの認識と区別のタスクにおいて重要な役割を果たします。MIT の調査によると、IT 皮質のサブセット領域がさまざまなオブジェクトを担当していることが示されています。[28]皮質の多くの小さな領域の神経活動を選択的に遮断することにより、動物は、オブジェクトの特定のペアを交互に区別できなくなります。これは、IT 皮質がさまざまな特定の視覚的特徴に反応する領域に分割されていることを示しています。同様に、皮質の特定のパッチや領域は、他のオブジェクト認識よりも顔認識に関与しています。

いくつかの研究では、脳が画像内のオブジェクトを認識する必要がある場合、一様なグローバル イメージではなく、オブジェクトの特定の特徴と関心領域が重要な要素であることが示される傾向があります。[29] [30]このように、人間の視覚は、オブジェクトのエッジの破壊、テクスチャの変更、または画像の重要な領域の小さな変更など、画像に対する小さな特定の変更に対して脆弱です。[31]

長い間失明した後に視力が回復した人々の研究は、必ずしも物体や顔を認識できないことが明らかになりました (色、動き、単純な幾何学的形状とは対照的です)。小児期に盲目であると、これらの高レベルのタスクに必要な視覚システムの一部が適切に発達するのを妨げるという仮説を立てる人もいます。[32]臨界期は 5 歳または 6 歳まで続くという一般的な考えは、高齢患者が何年にもわたってこれらの能力を改善できることを発見した 2007 年の研究によって異議を唱えられました。[33]

認知的および計算的アプローチ

1970 年代に、David Marrは、さまざまなレベルの抽象化で視覚のプロセスを分析した、複数レベルの視覚理論を開発しました。視覚における特定の問題の理解に焦点を当てるために、彼は 3 つのレベルの分析を特定しました:計算、アルゴリズム、および実装レベルです。Tomaso Poggioを含む多くの視覚科学者は、これらのレベルの分析を受け入れ、計算の観点から視覚をさらに特徴付けるためにそれらを採用しています。[34]

計算レベルのアドレスは、抽象度の高いレベルで、問題は、視覚システムは克服しなければならないこと。アルゴリズムレベルのこれらの問題を解決するために使用することができる戦略を識別することを試みます。最後に、実装レベルでは、これらの問題の解決策が神経回路でどのように実現されるかを説明しようとします。

マーは、これらのレベルのいずれかで視覚を独立して調査することが可能であることを示唆しました。マーは、視覚を (網膜上の) 2 次元の視覚配列から、出力としての世界の 3 次元の記述へと進むと説明しました。彼のビジョンの段階は次のとおりです。

  • A 2Dまたはプライマルスケッチ等エッジ領域、印象としてアーティストによって迅速描か鉛筆スケッチの概念の類似性に注意を含むシーンの基本的な構成要素の特徴抽出に基づいてシーンの、。
  • テクスチャが認識されているシーンの2 1 ⁄ 2 D スケッチなど。アーティストがシーンの領域を強調表示または陰影付けして深さを提供する描画の段階と概念が類似していることに注意してください。
  • 3次元モデルシーンが連続し、3次元マップに可視化されます。[35]

マーズ2 1 ⁄ 2 D スケッチは、深度マップが構築され、このマップが 3D 形状認識の基礎であると想定しています。ただし、立体視と絵の両方の知覚、および単眼視では、3D 形状の知覚が点の深さの知覚に先行し、それに依存しないことが明らかになります。原則として、予備的な深度マップをどのように構築できるか、また、これが図と地面の構成またはグループ化の問題にどのように対処するかは明らかではありません。知覚的組織の制約の役割、マー見落とし、両眼視3Dオブジェクトから3次元形状知覚の生産に例えば3Dワイヤー・オブジェクトの場合について実験的に実証されている[36] [必要な完全な引用]より詳細な議論について、Pizlo (2008) を参照。[37]

より最近の代替のフレームワークでは、視覚は次の 3 つの段階、つまり符号化、選択、復号化ではなく構成されていると提案されています。[38]エンコーディングとは、視覚入力をサンプリングして表現することです (たとえば、視覚入力を網膜の神経活動として表現すること)。選択、または注意による選択は、入力情報のごく一部を選択して、さらに処理することです。たとえば、対象物または視覚的位置に視線を移動して、その位置での視覚的信号をより適切に処理します。デコードとは、選択された入力信号を推測または認識することです。たとえば、視線の中心にあるオブジェクトを誰かの顔として認識します。このフレームワークでは、[39]注意の選択は視覚経路に沿った一次視覚野から始まり、注意の制約により、視覚認識または解読のために中央視野と周辺視野の間に二分法が課せられます。

形質導入

伝達は、環境刺激からのエネルギーが神経活動に変換されるプロセスです。網膜は、光受容体層、双極細胞層および神経節細胞層：三つの異なる細胞層を含みます。トランスダクションが発生する視細胞層は、レンズから最も離れています。rod rod体と錐体と呼ばれる感度の異なる光受容体が含まれています。錐体は色の知覚に関与し、赤、緑、青の 3 つの異なるタイプがあります。Ro Ro体は、暗い場所での物体の認識に関与しています。[40]光受容体には、光色素と呼ばれる特殊な化学物質が含まれています。これは、ラメラの膜に埋め込まれています。人間の 1 本の棒には約 1,000 万本が含まれています。光色素分子は、オプシン (タンパク質) とレチナール (脂質) の 2 つの部分で構成されています。[41]可視光のスペクトル全体に反応する 3 つの特定の光色素 (それぞれが独自の波長感度を持つ) があります。適切な波長 (特定の光色素が敏感な波長) が光受容体に当たると、光色素は 2 つに分裂し、双極細胞層に信号を送ります。視神経と脳に情報を送信します。遺伝子異常により特定の錐体細胞が欠損または異常な場合、色覚異常と呼ばれることもあります。[42]

相手プロセス

形質導入には、光受容体から双極細胞、神経節細胞に送信される化学メッセージが含まれます。複数の光受容体が情報を 1 つの神経節細胞に送信する場合があります。神経節細胞には、赤/緑と黄/青の 2 種類があります。これらのニューロンは、刺激されていないときでも常に発火しています。これらのニューロンの発火率が変化すると、脳はさまざまな色 (および多くの情報とともに、画像) を解釈します。赤い光が赤い錐体を刺激し、それが今度は赤/緑の神経節細胞を刺激します。同様に、緑の光は緑の錐体を刺激し、緑の錐体は緑/赤の神経節細胞を刺激し、青の光は青の錐体を刺激して青/黄色の神経節細胞を刺激します。神経節細胞の発火率は、一方の錐体からの信号で増加し、もう一方の錐体からの信号で減少 (抑制) します。神経節細胞の名前の最初の色は、神経節細胞を興奮させる色であり、2 番目はそれを阻害する色です。つまり、赤い錐体は赤/緑の神経節細胞を興奮させ、緑の錐体は赤/緑の神経節細胞を抑制します。これは相手プロセスです。赤/緑の神経節細胞の発火率が上がれば、脳は光が赤であると認識し、発火率が低下すると、脳は光の色が緑であると認識します。[42]

人工視覚

視覚認識の理論と観察は、コンピュータ ビジョン(マシン ビジョン、またはコンピュータ ビジョンとも呼ばれます) の主なインスピレーションの源です。特別なハードウェア構造とソフトウェア アルゴリズムは、カメラやセンサーからの画像を解釈する機能をマシンに提供します。

たとえば、2022 年式のトヨタ 86 には、ドライバー アシスト テクノロジー用に同じスバルのアイサイト スイートが搭載されています。[43]

こちらもご覧ください

  • 色覚
  • コンピュータビジョン
  • 奥行き知覚
  • 内視現象
  • ゲシュタルト心理学
  • 横マスキング
  • 肉眼
  • マシンビジョン
  • 動きの知覚
  • 多感覚統合
  • 解釈（哲学）
  • 空間周波数
  • 錯視
  • 視覚処理
  • 視覚系

視覚障害または障害

  • 色覚異常
  • アキネトプシア
  • 知覚過敏
  • 連合性視覚失認
  • 色覚異常
  • 幻覚剤持続性知覚障害
  • 錯視
  • 相貌失認
  • 屈折異常
  • 失明からの回復
  • スコトピック感受性症候群
  • 視覚失認
  • ビジュアルスノー

関連分野

  • 認知科学
  • 神経科学
  • 眼科
  • 検眼
  • 精神物理学

参考資料

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参考文献

  • フォン ヘルムホルツ、ヘルマン(1867)。Handbuch der physiologischen Optik。3 . ライプツィヒ: ヴォス。引用は、Optical Society of America (1924–25): Treatise on Physiological Opticsによって作成された英語翻訳からのものです。

外部リンク

  • ウィクショナリーでのビジョンの辞書定義
  • 網膜と視覚系の組織
  • Wolfram Demonstrations Project のJon McLoone による視覚認知に対する詳細の効果。
  • 視覚知覚の喜び目の知覚能力に関するリソース。
  • ビジョンサイエンス。人間と動物の視覚の研究のためのリソース 視覚科学と知覚におけるリソースのコレクション。
  • ビジョンと精神物理学。
  • 社会理論と社会調査における可視性。可視性の認知的および社会的意味への探求。
  • Vision Scholarpedia Visionに関する専門家の記事
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