Визуальное пространство — это восприятие пространства сознательным наблюдателем . Это субъективный аналог пространства физических объектов. В философии, а позднее и в психологии существует долгая история работ, описывающих визуальное пространство и его связь с пространством физических объектов. Частичный список включает Рене Декарта , Иммануила Канта , Германа фон Гельмгольца , Уильяма Джеймса и многих других.
Местоположение и форму физических объектов можно точно описать с помощью инструментов геометрии. Для практических целей пространство, которое мы занимаем, является евклидовым . Оно трехмерно и может быть измерено с помощью таких инструментов, как линейки. Его можно количественно определить с помощью систем координат, таких как декартовы x, y, z или полярные координаты с углами возвышения, азимутом и расстоянием от произвольного начала координат.
Восприятия , аналоги в сознательном опыте наблюдателя объектов в физическом пространстве, составляют упорядоченный ансамбль или, как объяснил Эрнст Кассирер , [1] Визуальное пространство нельзя измерить линейками. Исторически философы использовали интроспекцию и рассуждения для его описания. С развитием психофизики , начиная с Густава Фехнера , была предпринята попытка разработать подходящие экспериментальные процедуры, которые позволяют разрабатывать и проверять объективные описания визуального пространства, включая геометрические описания. Пример иллюстрирует связь между концепциями объекта и визуального пространства. Две прямые линии представлены наблюдателю, которого просят установить их так, чтобы они казались параллельными. Когда это сделано, линии параллельны в визуальном пространстве. Затем возможно сравнение с фактически измеренным расположением линий в физическом пространстве. Хорошая точность может быть достигнута с помощью этих и других психофизических процедур у наблюдателей-людей или поведенческих процедур у обученных животных. [2]
Поле зрения , область или протяженность физического пространства, которая отображается на сетчатке, следует отличать от перцептивного пространства , в котором расположены визуальные восприятия, которое мы называем визуальным пространством . Путаница вызвана использованием Sehraum в немецкой литературе для обоих. Нет сомнений, что Эвальд Геринг и его последователи имели в виду визуальное пространство в своих трудах. [3]
Основное различие было сделано Рудольфом Карнапом между тремя видами пространства, которые он назвал формальным , физическим и перцептуальным. [4] Математики, например, имеют дело с упорядоченными структурами, ансамблями элементов, для которых правила логико-дедуктивных отношений имеют силу, ограниченные только тем, что они не являются внутренне противоречивыми. Это формальные пространства. Согласно Карнапу, изучение физического пространства означает изучение отношений между эмпирически определенными объектами. Наконец, есть область того, что студенты Канта знают как Anschauungen, непосредственные чувственные переживания, часто переводимые как « апперцепции », которые принадлежат перцептуальным пространствам.
Геометрия — это дисциплина, посвященная изучению пространства и правил, связывающих элементы друг с другом. Например, в евклидовом пространстве теорема Пифагора дает правило для вычисления расстояний из декартовых координат . В двумерном пространстве постоянной кривизны, таком как поверхность сферы, правило несколько сложнее, но применимо везде. На двумерной поверхности футбольного мяча правило еще сложнее и имеет разные значения в зависимости от местоположения. В хорошо организованных пространствах такие правила, используемые для измерения, называемые метриками , классически обрабатываются математикой, изобретенной Риманом . Пространство объектов принадлежит к этому классу.
В той степени, в которой оно достижимо с помощью научно приемлемых зондов, визуальное пространство, как оно определено, также является кандидатом для таких рассмотрений. Первый и замечательно провидческий анализ был опубликован Эрнстом Махом [5] в 1901 году. Под заголовком « О физиологическом как отличном от геометрического пространства » Мах утверждает, что «Оба пространства являются тройными многообразиями», но первое не является «...ни конституированным везде и во всех направлениях одинаково, ни бесконечным по протяженности, ни безграничным». Заметная попытка строгой формулировки была предпринята в 1947 году Рудольфом Люнебургом , который предшествовал своему эссе о математическом анализе зрения [6] глубоким анализом лежащих в основе принципов. Когда признаки достаточно единичны и различимы, нет никаких проблем с соответствием между отдельным элементом A в пространстве объектов и его коррелятом A' в визуальном пространстве. Можно задавать и отвечать на вопросы, например: «Если визуальные восприятия A',B',C' являются коррелятами физических объектов A,B,C, и если C лежит между A и B , лежит ли C' между A' и B' ?» Таким образом, можно приблизиться к возможности метричности визуального пространства. Если упражнение прошло успешно, можно многое сказать о природе отображения физического пространства на визуальное.
На основе фрагментарных психофизических данных предыдущих поколений Люнебург пришел к выводу, что визуальное пространство является гиперболическим с постоянной кривизной, что означает, что элементы могут перемещаться по всему пространству без изменения формы. Один из главных аргументов Люнебурга заключается в том, что, в соответствии с общим наблюдением, преобразование, включающее гиперболическое пространство, превращает бесконечность в купол (небо). Предложение Люнебурга породило дискуссии и попытки подтверждающих экспериментов, которые в целом не были в пользу этого. [7]
Основой проблемы, недооцененной математиком Люнебургом, является вероятный успех математически жизнеспособной формулировки взаимосвязи между объектами в физическом пространстве и восприятиями в визуальном пространстве. Любое научное исследование визуального пространства окрашено видом доступа, который мы имеем к нему, а также точностью, повторяемостью и общностью измерений. Можно задать проницательные вопросы об отображении визуального пространства в объектное пространство [8], но ответы в основном ограничены в диапазоне их обоснованности. Если физическая обстановка, которая удовлетворяет критерию, скажем, кажущегося параллелизма, меняется от наблюдателя к наблюдателю, или изо дня в день, или от контекста к контексту, то же самое происходит и с геометрической природой визуального пространства, а следовательно, и с его математической формулировкой.
Несмотря на все эти аргументы, существует большое соответствие между расположением предметов в объектном пространстве и их коррелятами в визуальном пространстве. Для нас вполне допустимо эффективно ориентироваться в мире, отклонения от такой ситуации достаточно заметны, чтобы заслуживать особого рассмотрения. Агнозия визуального пространства является признанным неврологическим состоянием, и многие распространенные искажения, называемые геометрически-оптическими иллюзиями , широко продемонстрированы, но имеют незначительные последствия.
Ее основатель, Густав Теодор Фехнер, определил миссию дисциплины психофизики как функциональное отношение между ментальным и материальным мирами — в данном случае, визуальным и объектным пространствами — но он признал промежуточный шаг, который с тех пор расцвел в главное предприятие современной нейронауки. Различая внутреннюю и внешнюю психофизику, Фехнер признал, что физический стимул порождает восприятие посредством воздействия на сенсорную и нервную системы организма. Следовательно, не отрицая, что его сущность — это дуга между объектом и восприятием, исследование может заниматься нейронным субстратом визуального пространства. [ необходима цитата ]
Две основные концепции, датируемые серединой 19 века, задают здесь параметры обсуждения. Иоганнес Мюллер подчеркивал, что в нейронном пути важна связь, которую он создает, [ требуется цитата ], а Герман Лотце , исходя из психологических соображений, сформулировал принцип локального знака [ уточнить ] . [ требуется цитата ] Объединенные в современных нейроанатомических терминах, они означают, что нервное волокно из фиксированного местоположения сетчатки инструктирует свои целевые нейроны в мозге о наличии стимула в месте в поле зрения глаза, которое там отображается. Упорядоченный массив местоположений сетчатки сохраняется при переходе от сетчатки к мозгу и обеспечивает то, что метко называется « ретинотопическим» отображением в первичной зрительной коре . Таким образом, в первую очередь активность мозга сохраняет относительное пространственное упорядочение объектов и закладывает основы для нейронного субстрата визуального пространства.
К сожалению, простота и прозрачность на этом заканчиваются. В самом начале визуальные сигналы анализируются не только по их положению, но также, отдельно в параллельных каналах, по многим другим атрибутам, таким как яркость, цвет, ориентация, глубина. Ни один нейрон или даже нейронный центр или цепь не представляют одновременно природу целевого признака и его точное местоположение. Унитарное отображение пространства объектов в связное визуальное пространство без внутренних противоречий или несоответствий, которые мы как наблюдатели автоматически испытываем, требует концепций совместной активности в нескольких частях нервной системы, что в настоящее время находится за пределами досягаемости нейрофизиологических исследований.
Хотя детали процесса, посредством которого возникает опыт визуального пространства, остаются непрозрачными, поразительное открытие дает надежду на будущие открытия. В структуре мозга, называемой гиппокампом, были продемонстрированы нейронные единицы , которые проявляют активность только тогда, когда животное находится в определенном месте в своей среде. [10]
Только в астрономическом масштабе физическое пространство и его содержимое взаимозависимы. Это основное положение общей теории относительности не имеет значения для зрения. Для нас расстояния в пространстве объектов не зависят от природы объектов.
Но в визуальном пространстве все не так просто. Как минимум, наблюдатель оценивает относительное расположение нескольких светлых точек в темном визуальном поле, упрощенное расширение пространства объектов, которое позволило Люнебургу сделать некоторые утверждения о геометрии визуального пространства. В более богато текстурированном визуальном мире различные визуальные восприятия несут с собой предшествующие перцептивные ассоциации, которые часто влияют на их относительное пространственное расположение. Идентичные разделения в физическом пространстве могут выглядеть совершенно по-разному ( совершенно по-разному в визуальном пространстве) в зависимости от особенностей, которые их разграничивают. Это особенно касается глубинного измерения, поскольку аппарат, с помощью которого назначаются значения в третьем визуальном измерении, принципиально отличается от аппарата для высоты и ширины объектов.
Даже при монокулярном зрении , которое физиологически имеет только два измерения, сигналы размера, перспективы, относительного движения и т. д. используются для назначения различий глубины восприятиям . Рассматриваемое как математическая/геометрическая задача, расширение многообразия двумерных объектов в трехмерный визуальный мир является «некорректно поставленным», т. е. не поддается рациональному решению, но выполняется довольно эффективно человеком-наблюдателем.
Проблема становится менее некорректной, когда бинокулярное зрение позволяет фактически определять относительную глубину с помощью стереоскопии , но ее связь с оценкой расстояния в двух других измерениях неопределенна (см.: стереоскопическая глубинная визуализация ). Таким образом, несложное трехмерное визуальное пространство повседневного опыта является продуктом многих перцептивных и когнитивных слоев, наложенных на физиологическое представление физического мира объектов.