시각지각

Visual perception
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시각지각은 환경의 물체가 반사하는 가시 스펙트럼의 빛을 이용하여 광시력(낮 시각), 컬러시력(컬러시력), 스코토픽시력(밤 시각), 메소픽시력(트와일라잇시력)을 통해 주변 환경을 해석하는 능력입니다.이것은 사람이 얼마나 또렷하게 볼 수 있는지를 나타내는 시력(예를 들어 "20/20 시력")과 다릅니다.사람은 20/20 시력을 가지고 있더라도 시각적 지각 처리에 문제가 있을 수 있습니다.

그로 인한 지각은 시각, 시각, 또는 시력(시력, 광학, 및 시각)으로도 알려져 있습니다.시각에 관련된 다양한 생리학적 구성 요소들은 시각 체계라고 통칭되며, 언어학, 심리학, 인지 과학, 신경 과학, 분자 생물학에서 많은 연구의 초점이 되며, 이를 통칭하여 시각 과학이라고 합니다.

시각계

주요 기사:시각계

인간과 많은 다른 포유동물들에게서 빛은 각막을 통해 눈으로 들어오고 수정체에 의해 눈의 뒤쪽에 있는 빛에 민감한 막인 망막으로 집중됩니다.망막은 빛을 신경 신호로 변환시키는 변환기 역할을 합니다.이러한 변환은 빛의 광자를 감지하고 신경 자극을 생성함으로써 반응하는 로드와 콘으로도 알려진 망막의 특수한 광 수용 세포에 의해 이루어집니다.이 신호들은 망막에서 뇌의 중심신경절까지 시신경에 의해 전달됩니다.정보를 시각 피질로 전달하는 측면 유전자 핵입니다.망막으로부터의 신호는 또한 망막으로부터 직접적으로 우수한 콜리큘러스로 이동합니다.[1]

측방 유전자 핵은 줄무늬 피질이라고도 불리는 일차 시각 피질로 신호를 보냅니다.시각연상피질(visual association cortex)이라고도 불리는 체외피질은 서로 뿐만 아니라 선조체 피질로부터 정보를 받는 피질 구조의 집합입니다.[2]시각연상피질에 대한 최근의 설명은 두 가지 기능적 경로, 즉 복측 및 등측 경로로 구분되는 것을 설명합니다.이 추측은 두 스트림 가설로 알려져 있습니다.

인간의 시각계는 일반적으로 전자기 스펙트럼의 370 나노미터에서 730 나노미터 사이의 파장 범위에서 가시광선에 민감하다고 여겨집니다.[3]하지만, 어떤 연구는 인간이 340 나노미터 이하의 파장으로 빛을 인지할 수 있다고 제안하는데, 특히 어린 사람들이 그렇습니다.[4]최적의 조건에서 이러한 인간의 지각 한계는 310 nm(UV)에서 1100 nm(NIR)까지 확장될 수 있습니다.[5][6]

스터디

참고 항목:이류 가설

시각적 인식의 가장 큰 문제는 사람들이 보는 것이 단순히 망막 자극의 번역이 아니라는 것입니다.따라서 지각에 관심이 있는 사람들은 시각적 처리가 실제로 보이는 것을 만들기 위해 무엇을 하는지 설명하기 위해 오랫동안 고심해 왔습니다.

초기연구

시각적 등쪽 스트림(녹색)과 복쪽 스트림(보라색)이 표시됩니다.인간의 대뇌 피질의 대부분은 시력에 관련되어 있습니다.

시력이 어떻게 작동하는지에 대한 원시적인 설명을 제공하는 두 개의 주요 고대 그리스 학파가 있었습니다.

첫 번째는 시각에 대한 "방출 이론"으로, 시각은 눈에서 광선이 방출되고 시각적인 물체에 의해 차단될 때 발생한다고 주장했습니다.만약 물체를 직접적으로 보았다면, 그것은 '광선의 수단'으로 눈에서 나와 다시 물체 위에 떨어지는 것이었습니다.그러나 굴절된 상은 눈에서 나온 '광선의 수단'으로도 볼 수 있었는데, 눈에서 나온 빛이 공기를 가로질러 굴절된 후 눈에서 나온 광선의 움직임으로 보이는 물체에 떨어졌습니다.이 이론은 유클리드의 광학과 프톨레마이오스의 광학을 따르는 학자들에 의해 옹호되었습니다.

두 번째 학파는 시각이 물체를 대표하는 눈으로 들어오는 것으로 보는 이른바 '침입' 접근법을 옹호했습니다.주요 전파자인 아리스토텔레스(De Sensu)와 [7]그의 추종자들과 함께,[7] 이 이론은 시각이 실제로 무엇인지에 대한 현대 이론과 약간의 접촉을 가지고 있는 것처럼 보이지만, 그것은 단지 어떤 실험적인 기초가 부족한 추측으로만 남았습니다.(18세기 영국에서 아이작 뉴턴, 존 로크 등은 시각은 가시광선(실제 신체 물질로 구성된 광선)이 물체에서 분리되어 눈의 구멍을 통해 선자의 마음/감각으로 들어가는 과정을 포함한다고 주장함으로써 시각 도입 이론을 발전시켰습니다.)[8]

두 학파 모두 "좋아요는 좋아요에 의해서만 알 수 있다"는 원칙에 의존했고, 따라서 눈은 가시광선의 "외부의 불"과 상호작용하고 시각을 가능하게 하는 어떤 "내부의 불"로 구성되어 있다는 개념에 의존했습니다.플라톤은 그의 대화 Timaeus (45b와 46b)에서, Empedocles (아리스토리아누스가 그의 De Sensu, DK frag에서 보고한 바와 같이)에서 이러한 주장을 합니다.B17).[7]

레오나르도 다빈치: 눈에는 중심선이 있고 이 중심선을 통해 눈에 닿는 모든 것들이 뚜렷하게 보입니다.

알하젠 (965–1040)은 시각 지각에 대한 많은 조사와 실험을 수행했고, 양안시에 대한 프톨레마이오스의 연구를 확장했으며, 갈렌의 해부학적 연구에 대해 논평했습니다.[9][10]그는 빛이 물체에 튕겨져 사람의 눈으로 향할 때 시력이 생긴다고 설명한 최초의 사람이었습니다.[11]

레오나르도 다빈치 (1452–1519)는 눈의 특별한 광학적 특성을 인식한 최초의 사람으로 여겨집니다.그는 "인간의 눈의 기능은 많은 저자들에 의해 특정한 방식으로 묘사되었습니다.하지만 저는 그것이 완전히 다르다는 것을 알았습니다."그의 주요한 실험적 발견은 시야의 선에 뚜렷하고 명확한 시야만이 존재한다는 것이었습니다. 즉, 중심부에서 끝나는 광학선입니다.비록 그가 문자 그대로 이 단어들을 사용하지는 않았지만, 사실 그는 망아지와 주변시 사이의 현대적 구분의 아버지입니다.[12]

아이작 뉴턴(Isaac Newton, 1642–1726/27)은 프리즘을 통과하는 빛의 스펙트럼의 개별 색상을 분리하여 실험을 통해 물체가 시각적으로 인지하는 색상이 반사되는 빛의 특성으로 인해 나타난다는 것과 이러한 구분된 색상이 다른 색상으로 변경될 수 없다는 것을 최초로 발견했습니다.과학적인 기대와는 반대되는 [3]일이었습니다

무의식적 추론

주요 기사:무의식적 추론

헤르만 폰 헬름홀츠는 종종 시각 인식에 대한 최초의 현대적 연구로 인정받고 있습니다.헬름홀츠는 인간의 눈을 조사했고 고품질의 이미지를 만들 수 없다는 결론을 내렸습니다.불충분한 정보는 시력을 불가능하게 만드는 것처럼 보였습니다.따라서 그는 시력이 오직 어떤 형태의 "무의식적 추론"의 결과일 수 있다고 결론지었고, 1867년에 그 용어를 만들었습니다.그는 뇌가 이전의 경험을 바탕으로 불완전한 데이터로부터 가정과 결론을 내리고 있다고 제안했습니다.[13]

추론은 세상에 대한 사전 경험을 필요로 합니다.

시각적 경험에 기초한 잘 알려진 가정의 예는 다음과 같습니다.

  • 빛은 위에서 나옵니다.
  • 일반적으로 아래에서 물체를 볼 수 없습니다.
  • 얼굴이 똑바로 보일 때(그리고 인식될 때),[14]
  • 더 가까운 물체는 더 먼 물체의 시야를 차단할 수 있지만, 그 반대의 경우는 차단할 수 없습니다.
  • 그림(즉, 전경 객체)은 볼록한 테두리를 가지는 경향이 있습니다.

시각적 환상(추론 과정이 잘못되었을 때의 경우)에 대한 연구는 시각적 시스템이 어떤 종류의 가정을 하는지에 대한 많은 통찰력을 제공했습니다.

또 다른 유형의 무의식 추론 가설(확률에 기초한)은 최근 소위 시각 인식에 대한 베이지안 연구에서 부활했습니다.[15]이 접근법의 지지자들은 시각 시스템이 감각 데이터로부터 인식을 도출하기 위해 베이지안 추론의 어떤 형태를 수행한다고 생각합니다.그러나 이 견해의 지지자들이 원칙적으로 베이지안 방정식이 요구하는 관련 확률을 어떻게 도출하는지는 명확하지 않습니다.이 아이디어를 기반으로 한 모델은 움직임의 지각, 깊이의 지각, 도형-지상 지각과 같은 다양한 시각적 지각 기능을 설명하는 데 사용되어 왔습니다.[16][17]"전적 경험적 인식 이론"은 베이지안 형식주의를 명시적으로 불러오지 않고 시각적 인식을 합리화하는 관련 있고 새로운 접근법입니다.[citation needed]

게슈탈트 이론

주요 기사:게슈탈트 심리학

1930년대와 1940년대에 주로 일하는 게슈탈트 심리학자들은 오늘날 시력 과학자들에 의해 연구되는 많은 연구 문제들을 제기했습니다.[18]

Gestalt 조직의 법칙은 사람들이 시각적 요소들을 많은 다른 부분이 아닌, 조직화된 패턴 또는 도매로 어떻게 인식하는지에 대한 연구를 안내했습니다."Gestalt"는 부분적으로 "전체 또는 출현 구조"와 함께 "구성 또는 패턴"으로 번역되는 독일어 단어입니다.이 이론에 따르면, 시각 체계가 어떻게 요소들을 패턴들로 자동적으로 그룹핑하는지를 결정하는 여덟 가지 주요 요소들이 있습니다: 근접성, 유사성, 닫힘, 대칭성, 공통적인 운명 (즉, 공통적인 움직임), 연속성 뿐만 아니라 좋은 게슈탈트 (규칙적이고 단순하며 질서 있는 패턴),[citation needed] 그리고 과거 경험.

안구운동 분석

참고 항목:안구운동
처음 2초간의 눈동자 움직임(야르버스, 1967)

1960년대 동안 기술적 발전은 읽기,[19] 그림 보기,[20] 그리고 나중에 시각적 문제 해결에서 그리고 헤드셋 카메라를 사용할 수 있게 되었을 때,[21] 운전 중에도 눈의 움직임을 지속적으로 등록할 수 있게 했습니다.[22]

오른쪽 그림은 육안 검사의 첫 2초 동안 발생할 수 있는 일을 보여줍니다.배경이 초점을 벗어나 주변 시야를 나타내는 반면, 첫 번째 눈 움직임은 남성의 부츠로 이동합니다(단지 시작 고정에 매우 가깝고 합리적인 대조를 가지고 있기 때문입니다).눈의 움직임은 주의 집중 선택의 기능을 수행합니다. 즉, 뇌에 의한 더 깊은 처리를 위해 모든 시각적 입력의 일부를 선택하는 것입니다.[citation needed]

다음 고정 장치가 얼굴에서 얼굴로 잽싸게 이동합니다.그들은 심지어 얼굴들 간의 비교를 허락할지도 모릅니다.[citation needed]

아이콘 얼굴은 주변 시야 내에서 매우 매력적인 검색 아이콘이라는 결론을 내릴 수 있습니다.포골 시력은 주변의 첫인상에 상세한 정보를 더해줍니다.

눈의 움직임에는 고정된 눈 움직임(미시강, 안구 드리프트, 떨림), 수렴 움직임, 사캐드 움직임, 추적 움직임 등 다양한 유형이 있다는 것도 주목할 수 있습니다.고정 장치는 눈이 놓이는 정적인 지점에 해당합니다.하지만, 눈은 절대로 완전히 움직이지 않고, 시선 위치는 표류하게 됩니다.이 드리프트들은 차례로 아주 작은 고정 눈 움직임인 마이크로세이크드에 의해 수정됩니다.변곡 동작은 이미지가 양쪽 망막의 같은 부분에 떨어지도록 하기 위해 양쪽 눈의 협력을 수반합니다.이렇게 하면 초점이 맞는 이미지가 하나로 나타납니다.사캐딕 움직임은 한 위치에서 다른 위치로 점프하는 눈 움직임의 한 종류이며 특정 장면/이미지를 빠르게 스캔하는 데 사용됩니다.마지막으로 추격운동은 부드러운 눈의 움직임으로 움직임이 있는 물체를 따라가는 데 사용됩니다.[23]

얼굴 및 객체 인식

얼굴과 물체 인식이 별개의 시스템에 의해 이루어진다는 상당한 증거가 있습니다.예를 들어, 친불감증 환자는 얼굴에서 결손을 보이지만 개체 처리는 결손을 보이는 반면 개체 불감증 환자(가장 눈에 띄는 환자 C.K. 환자)는 얼굴 처리를 제외한 개체 처리에서 결손을 보이는 것입니다.[24]행동적으로, 물체가 아닌 면은 반전 효과를 받는 것으로 나타났고, 이는 면이 "특별하다"는 주장으로 이어졌습니다.[24][25]또한 얼굴 및 객체 처리는 별개의 신경 시스템을 모집합니다.[26]특히, 일부 사람들은 얼굴 처리를 위한 인간 뇌의 명백한 전문화가 진정한 영역의 특수성을 반영하는 것이 아니라, 비록 후자의 주장이 실질적인 논쟁의 주제이지만,[27] 주어진 자극의 종류 내에서 전문가 수준의 차별의 더 일반적인 과정을 반영한다고 주장합니다.도리스 차오(Doris Tsao)와 동료들은 fMRI와 전기생리학을 이용해 마카크 원숭이의 뇌 영역과 얼굴 인식 메커니즘을 설명했습니다.[28]

하측두엽 피질은 서로 다른 물체를 인식하고 분화하는 작업에서 핵심적인 역할을 합니다.MIT의 연구에 따르면 IT 피질의 부분 집합 영역이 서로 다른 개체를 담당하고 있습니다.[29]피질의 많은 작은 부분의 신경 활동을 선택적으로 차단함으로써, 그 동물은 교대로 특정한 물체의 쌍을 구별할 수 없게 됩니다.이는 IT 피질이 서로 다른 시각적 특징에 반응하는 영역으로 구분되어 있음을 보여줍니다.비슷한 방식으로, 피질의 특정한 패치와 영역은 다른 물체 인식보다 얼굴 인식에 더 관여합니다.

일부 연구는 균일한 전역 이미지보다는 뇌가 이미지에서 대상을 인식할 필요가 있을 때 대상의 일부 특정 특징과 관심 영역이 핵심 요소라는 것을 보여주는 경향이 있습니다.[30][31]이러한 방식으로, 인간의 시각은 이미지의 작은 특정한 변화에 취약합니다. 예를 들어, 객체의 가장자리를 방해하거나, 텍스처를 수정하거나, 이미지의 중요한 영역의 작은 변화에 취약합니다.[32]

오랜 실명 후 시력이 회복된 사람들에 대한 연구는 그들이 반드시 물체와 얼굴을 인식할 수 없다는 것을 밝혀냅니다 (색, 움직임, 그리고 단순한 기하학적 형태와는 반대로).어떤 사람들은 어린 시절에 눈이 멀면 이러한 상위 단계의 작업에 필요한 시각 체계의 일부가 제대로 발달하지 못한다는 가설을 세웁니다.[33]고령의 환자들이 수년간 노출을 통해 이러한 능력을 향상시킬 수 있다는 2007년 연구에 의해 위험한 시기가 5세 또는 6세까지 지속된다는 일반적인 믿음이 도전을 받았습니다.[34]

인지적 및 계산적 접근방식

1970년대에 데이비드 마(David Marr)는 여러 추상화 수준에서 시각의 과정을 분석하는 다단계 시각 이론을 개발했습니다.비전의 특정 문제에 대한 이해에 집중하기 위해, 그는 계산적, 알고리즘적, 구현적 수준의 세 가지 수준의 분석을 확인했습니다.Tomaso Poggio를 포함한 많은 비전 과학자들은 이러한 수준의 분석을 수용하여 컴퓨터적 관점에서 비전을 더욱 특성화하기 위해 사용했습니다.[35]

계산 수준은 고도의 추상화 수준에서 시각 시스템이 극복해야 하는 문제를 해결합니다.알고리즘 수준은 이러한 문제를 해결하는 데 사용될 수 있는 전략을 확인하려고 시도합니다.마지막으로, 구현 수준은 이러한 문제에 대한 해결책이 신경 회로에서 어떻게 실현되는지를 설명하려고 합니다.

Marr는 이러한 수준들 중 어느 것이라도 독립적으로 시력을 조사하는 것이 가능하다고 제안했습니다.Marr는 시각을 2차원 시각 배열(망막 위)에서 출력으로 세계를 3차원으로 묘사하는 것으로 설명했습니다.그의 시력 단계는 다음과 같습니다.

  • 가장자리, 영역 등을 포함한 장면의 기본 구성 요소의 특징 추출을 기반으로 하는 장면의 2D 또는 기본 스케치입니다.예술가가 빠르게 그린 연필 스케치와 컨셉의 유사성을 인상으로 주목하세요.
  • 장면의 21 ⁄2 D 스케치, 텍스처가 인식되는 등.깊이를 제공하기 위해 예술가가 장면의 영역을 강조하거나 음영을 주는 그림의 단계와 개념의 유사성에 주목합니다.
  • 장면이 연속적인 3차원 지도로 시각화되는 3D 모델.[36]

Marr의 21 ⁄2D 스케치는 깊이 맵이 구성되고 이 맵이 3D 형상 인식의 기초가 된다고 가정합니다.그러나 입체 및 회화적 인식은 물론 단안 시청에서도 3D 형상의 인식이 포인트의 깊이에 대한 인식에 앞서며 의존하지 않는다는 점을 분명히 합니다.기본적으로 어떻게 예비 깊이 맵을 구성할 수 있는지, 또한 이것이 어떻게 도형-지상 조직 또는 그룹화의 문제를 다룰 수 있는지는 명확하지 않습니다.Marr에 의해 간과된 지각 조직화 제약의 역할은 이중적으로 보이는 3D 객체로부터 3D 형상 지각을 생성하는 데 있어 3D 와이어 객체의 경우에 대해 경험적으로 입증되었습니다.[37][38]보다 상세한 논의는 Pizlo(2008)를 참조합니다.[39]

더 최근의 대안적인 프레임워크는 인코딩, 선택 및 디코딩의 세 단계 대신 비전을 구성할 것을 제안합니다.[40]인코딩은 시각적 입력을 샘플링하고 나타내는 것입니다(예: 시각적 입력을 망막의 신경 활동으로 나타내는 것).선택 또는 주의 선택은 추가 처리를 위해 입력 정보의 아주 작은 부분을 선택하는 것입니다. 예를 들어, 그 위치에서 시각 신호를 더 잘 처리하기 위해 물체나 시각적 위치로 시선을 이동시킴으로써 말입니다.디코딩은 선택된 입력 신호를 추론하거나 인식하는 것으로, 예를 들어 시선의 중심에 있는 물체를 누군가의 얼굴로 인식하는 것입니다.이 프레임워크에서 [41]주의력 선택은 시각적 경로를 따라 1차 시각 피질에서 시작되며, 주의력 제약은 시각 인식 또는 디코딩을 위해 중심 및 주변 시각장 사이에 이분법을 부과합니다.

전환

주요 기사:시각광 변환

전환은 환경 자극으로부터 에너지가 신경 활동으로 전환되는 과정입니다.망막은 광수용체 층, 양극성 세포 층, 신경절 세포 층의 세 가지 다른 세포 층을 포함합니다.변환이 일어나는 광수용체 층은 렌즈에서 가장 멀리 떨어져 있습니다.그것은 막대와 원뿔이라 불리는 다양한 민감도를 가진 광 수용체를 포함하고 있습니다.원뿔은 색깔 인식을 담당하며 빨간색, 녹색, 파란색으로 표시된 세 가지 유형으로 되어 있습니다.막대는 낮은 빛에서 물체를 인식하는 역할을 합니다.[42]광 수용체는 그것들 안에 광 색소라고 불리는 특별한 화학 물질을 포함하고 있는데, 이것은 라멜라의 막에 박혀있습니다; 하나의 인간 막대는 대략 천만 개의 광 색소를 포함하고 있습니다.광 색소 분자는 두 부분으로 구성되어 있습니다: 옵신(단백질)[43]과 레티날(지질).가시광선 스펙트럼에 걸쳐 반응하는 3개의 특정 포토피그먼트(각각 고유의 파장 감도를 가짐)가 있습니다.적절한 파장(특정 광색소가 민감하게 반응하는 파장)이 광수용체에 닿으면, 광색소는 두 개로 쪼개지고, 이것은 양극성 세포층으로 신호를 보내고, 이것은 신경절 세포로 신호를 보내며, 신경절 세포는 축삭이 시신경을 형성하여 뇌로 정보를 전달합니다.유전적 이상으로 인해 특정 원추형이 없거나 비정상적인 경우 색맹이라고 불리는 색시력 결핍이 발생합니다.[44]

상대프로세스

변환은 광 수용체에서 양극성 세포로, 신경절 세포로 전달되는 화학적 메시지를 포함합니다.여러 개의 광 수신기들이 하나의 신경절 세포에 그들의 정보를 보낼 수도 모릅니다.신경절 세포에는 빨강/초록과 노랑/파랑의 두 종류가 있습니다.이 뉴런들은 자극을 받지 않을 때에도 계속해서 발화합니다.뇌는 이러한 뉴런들의 발화 속도가 변할 때 (그리고 많은 정보와 함께) 다양한 색을 해석합니다.붉은 빛은 붉은 원뿔을 자극하고, 이는 다시 붉은/녹색 신경절 세포를 자극은 다시 빨간색/녹색 신경절 세포를 자극합니다.마찬가지로 녹색 빛은 녹색/적색 신경절 세포를 자극하고 청색 빛은 청색/황색 신경절 세포를 자극하는 청색 원뿔을 자극합니다.신경절 세포의 발화 속도는 하나의 원뿔에 의해 신호를 받으면 증가하고 다른 원뿔에 의해 신호를 받으면 감소(금지)합니다.신경절 세포의 이름에서 첫 번째 색은 신경절 세포를 흥분시키는 색이고 두 번째 색은 신경절 세포를 억제하는 색입니다.빨간색 원뿔은 빨간색/녹색 신경절 세포를 자극하고 녹색 원뿔은 빨간색/녹색 신경절 세포를 억제합니다.이것은 상대 프로세스입니다.만약 적색/녹색 신경절 세포의 발화 속도가 증가하면, 뇌는 빛이 적색이라는 것을, 만약 그 속도가 감소한다면, 뇌는 빛의 색이 녹색이라는 것을 알게 될 것입니다.[44]

인공시각지각

시각적 인식에 대한 이론과 관찰은 컴퓨터 비전(기계 비전 또는 컴퓨터 비전이라고도 함)에 대한 영감의 주요 원천이었습니다.특수 하드웨어 구조와 소프트웨어 알고리즘은 카메라나 센서에서 나오는 이미지를 해석할 수 있는 기능을 기계에 제공합니다.

예를 들어 2022년형 도요타 86은 운전자 보조 기술에 스바루 아이사이트 시스템을 사용합니다.[45]

참고 항목

시력결핍 또는 장애

관련규율

참고문헌

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추가열람

  • Von Helmholtz, Hermann (1867). Handbuch der physiologischen Optik. Vol. 3. Leipzig: Voss. 인용문은 Optical Society of America (1924–25)에서 제작한 영어 번역본에서 가져온 것입니다.생리광학에 관한 논문 2018년 9월 27일 웨이백 머신에서 보관.

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