Виртуальная реальность: как мозг замечает изменения?

от

Автор: Денис Аветисян

Новое исследование показывает, что способность замечать изменения в виртуальных окружениях зависит от сложности сцены и глубины восприятия.

Пока крипто-инвесторы ловят иксы и ликвидации, мы тут скучно изучаем отчетность и ждем дивиденды. Если тебе близка эта скука, добро пожаловать.

Купить акции "голубых фишек"
В ходе исследования изучалась способность испытуемых обнаруживать изменения в расположении объектов на игровой доске <span class="katex-eq" data-katex-display="false">6 \times 6</span>, расположенной на расстоянии 3,4 или 4 метра, при этом высота доски подстраивалась под уровень глаз каждого участника, что позволяло оценить скорость и точность обнаружения изменений после поворота головы.
В ходе исследования изучалась способность испытуемых обнаруживать изменения в расположении объектов на игровой доске 6 \times 6, расположенной на расстоянии 3,4 или 4 метра, при этом высота доски подстраивалась под уровень глаз каждого участника, что позволяло оценить скорость и точность обнаружения изменений после поворота головы.

Оценка роли преаттентивных признаков в обнаружении изменений в виртуальной реальности, включая влияние визуальной сложности и пространственного разделения.

Несмотря на возрастающую реалистичность виртуальной реальности, способность пользователя быстро и точно обнаруживать изменения в сложной 3D-среде остается проблемой. В работе ‘Evaluating Preattentive Features for Detecting Changes in Virtual Environments’ исследуется влияние преаттентивных признаков на эффективность обнаружения изменений в иммерсивных VR-окружениях, учитывая визуальную сложность, атрибуты объектов и их пространственную близость. Полученные данные демонстрируют, что выделение измененных объектов за счет их пространственной изоляции значительно улучшает производительность обнаружения изменений, снижая когнитивную нагрузку. Возможно ли, используя эти принципы, создавать более интуитивные и эффективные VR-приложения, оптимизированные для восприятия пользователя?

Пределы Предельного Восприятия

Зрительная система человека способна с поразительной скоростью анализировать основные характеристики объектов, такие как размер, углы и глубина, — эти процессы известны как предварительная обработка. Однако эта эффективность имеет свои пределы, особенно в сложных визуальных сценах. Когда количество объектов и деталей увеличивается, способность мозга быстро и точно определять изменения в этих базовых признаках снижается. Перегрузка информацией приводит к тому, что даже незначительные отличия могут остаться незамеченными, поскольку ресурсы внимания распределяются между множеством стимулов. Это явление подчеркивает, что зрительное восприятие — это не просто пассивное получение информации, а активный процесс, требующий от мозга фильтрации и приоритизации визуальных данных.

Выявление изменений в динамично меняющейся среде требует не только первоначальной обработки визуальной информации, но и активного вовлечения ресурсов устойчивого внимания и рабочей памяти. Исследования показывают, что мозг не просто регистрирует базовые визуальные стимулы, но и постоянно обновляет их представление, сравнивая текущее состояние с недавними «снимками» окружения. Этот процесс требует значительных когнитивных усилий, поскольку рабочая память удерживает информацию о предыдущем состоянии сцены, позволяя обнаружить даже незначительные отклонения. Если ресурсы внимания и рабочей памяти перегружены или нарушены, способность эффективно отслеживать изменения в динамичной обстановке снижается, что может приводить к ошибкам в принятии решений и снижению общей ситуационной осведомленности.

Понимание ограничений предварительной обработки визуальной информации имеет решающее значение при разработке эффективных интерфейсов виртуальной реальности и когнитивных тестов. Исследования показывают, что способность быстро обнаруживать изменения в динамичной среде зависит не только от первоначальной обработки базовых характеристик, но и от ресурсов устойчивого внимания и рабочей памяти. При проектировании виртуальных сред необходимо учитывать эти ограничения, чтобы избежать перегрузки пользователя и обеспечить эффективное восприятие информации. Аналогично, при создании когнитивных тестов, оценивающих способность к обнаружению изменений, важно учитывать, что пределы предварительной обработки могут влиять на результаты, и необходимо использовать методы, позволяющие оценить как скорость, так и точность восприятия. Оптимизация этих факторов позволит создавать более реалистичные и информативные виртуальные среды, а также более надежные и валидные когнитивные оценки.

Результаты измерения времени обнаружения демонстрируют значимое взаимодействие между типом признаков и их количеством, что визуализируется на двух графиках с различными масштабированием осей и отражает влияние комбинации этих факторов на скорость обнаружения.
Результаты измерения времени обнаружения демонстрируют значимое взаимодействие между типом признаков и их количеством, что визуализируется на двух графиках с различными масштабированием осей и отражает влияние комбинации этих факторов на скорость обнаружения.

Манипулирование Визуальной Сложностью для Обнаружения Изменений

В ходе исследования использовалась среда виртуальной реальности для систематического управления визуальной сложностью. Это достигалось путем варьирования количества изменяющихся признаков в сцене, что приводило к формированию трех экспериментальных условий: условие с одним изменяющимся признаком (Single Feature Condition), условие с двумя изменяющимися признаками (Double Feature Condition) и условие с тремя изменяющимися признаками (Triple Feature Condition). Такой подход позволял контролируемо исследовать влияние количества визуальных изменений на скорость и точность обнаружения этих изменений участниками эксперимента.

В основе нашего исследования лежала задача обнаружения изменений (“Change Detection Task”), в ходе которой участники идентифицировали измененные элементы в иммерсивной среде виртуальной реальности. Участникам предъявлялись визуальные сцены, содержащие различные объекты и характеристики, после чего вносились незначительные изменения в некоторые из них. Задача участников заключалась в максимально быстром и точном обнаружении и указании этих изменений. Данная задача позволила нам количественно оценить влияние визуальной сложности и типа изменений на скорость реакции и точность обнаружения в контролируемой VR-среде.

Увеличение визуальной сложности напрямую влияет на время обнаружения изменений и точность выполнения задачи. В ходе экспериментов было установлено, что по мере увеличения количества изменяющихся элементов в поле зрения, наблюдается снижение эффективности обнаружения. Более конкретно, увеличение числа отслеживаемых признаков приводит к увеличению времени реакции и росту количества ошибок при идентификации изменений, что подтверждает отрицательную корреляцию между визуальной сложностью и производительностью оператора в задачах, требующих внимания к деталям и быстрого анализа визуальной информации.

В ходе исследования влияния преаттентивных признаков на скорость обнаружения изменений, использовались модификации глубины, размера и угла объектов в виртуальной реальности. Результаты показали, что изменения глубины вызывали наиболее быструю реакцию — среднее время обнаружения составило 20.2 секунды. Это значение статистически значимо превосходит показатели, полученные при изменении размера или угла объектов, что указывает на приоритетную обработку изменений глубины зрительной системой человека.

Пространственное Разделение и Эффективность Обнаружения

В ходе исследования изучалось влияние пространственного разделения измененных объектов на скорость и точность их обнаружения. Экспериментальная установка включала два основных условия: “Изолированный”, где измененный объект располагался отдельно от других, и “Группированный”, где он находился в окружении других объектов. Полученные данные показали, что в “Изолированном” условии время обнаружения изменений было значительно меньше, а точность выше, чем в “Группированном”. Это указывает на то, что пространственный контекст, а именно степень визуальной загроможденности, оказывает существенное влияние на когнитивные процессы, связанные с обнаружением изменений.

Результаты исследования показали, что выделение измененного объекта на фоне остальных значительно улучшило как скорость обнаружения изменений, так и точность. В частности, время реакции на изменения было существенно меньше в условиях, когда измененный объект был пространственно изолирован. Более того, процент правильных ответов (accuracy) также повысился в этих условиях. Данные свидетельствуют о том, что пространственный контекст играет ключевую роль в процессе визуального обнаружения изменений, и что снижение визуального шума вокруг целевого объекта облегчает и ускоряет его идентификацию.

В ходе исследования было выявлено, что показатель времени ожидания ответа (‘Timeout Rate’) значительно возрастал в условиях группировки измененных объектов. Это указывает на то, что визуальный шум и перегруженность поля зрения затрудняют и замедляют процесс обнаружения изменений. При этом, изменения глубины (depth changes) демонстрировали наименьший показатель времени ожидания, что свидетельствует о том, что данный тип изменений легче идентифицируется, вероятно, из-за более выразительных визуальных признаков или меньшей степени влияния окружающего контекста. Полученные данные подтверждают, что высокая плотность визуальной информации негативно сказывается на скорости и точности обнаружения изменений.

Эффективность обнаружения изменений напрямую зависит от минимизации визуальных помех и максимизации заметности измененных объектов. Исследования показали, что при наличии визуального шума и группировки измененных объектов, время обнаружения увеличивается, а точность снижается. Увеличение показателя ‘Timeout Rate’ в условиях группировки подтверждает, что перегруженность визуальной информацией затрудняет и замедляет идентификацию изменений. Таким образом, для оптимизации процесса обнаружения изменений необходимо обеспечить четкую визуальную дифференциацию измененных объектов от окружающего фона и других элементов изображения, снижая уровень визуальной интерференции.

Анализ частоты таймаутов выявил значимое взаимодействие между количеством признаков и их типом (A), а также между степенью разделения и количеством признаков (B), о чём свидетельствуют представленные стандартные ошибки.
Анализ частоты таймаутов выявил значимое взаимодействие между количеством признаков и их типом (A), а также между степенью разделения и количеством признаков (B), о чём свидетельствуют представленные стандартные ошибки.

Значение для Дизайна VR-Интерфейсов и Перспективы Будущих Исследований

Исследование подчеркивает критическую важность минимизации визуального шума и продуманной организации элементов в интерфейсах виртуальной реальности для повышения эффективности обнаружения изменений. Работа демонстрирует, что перегруженные визуально интерфейсы существенно снижают способность пользователя быстро и точно идентифицировать новые или измененные объекты. Особое внимание уделяется необходимости стратегического размещения элементов, учитывающего принципы когнитивной психологии и визуального восприятия, для оптимизации процесса обработки информации. Стремление к минимализму в дизайне VR-интерфейсов, в сочетании с продуманной компоновкой, способно значительно снизить когнитивную нагрузку и повысить общую эффективность взаимодействия пользователя с виртуальной средой.

Использование перспективы, меняющейся при повороте головы пользователя (“Head-Turned View”), значительно усложняет задачу быстрой обработки визуальной информации в виртуальной реальности. Исследование показало, что динамическое изменение угла обзора требует от мозга более эффективной организации и приоритезации визуальных элементов. Это подчеркивает критическую важность оптимизации пространственного расположения объектов в интерфейсе, чтобы обеспечить быстрое и точное обнаружение изменений. В частности, необходимо учитывать, как расположение элементов влияет на время реакции и точность восприятия, поскольку динамическая перспектива требует от пользователя постоянной адаптации к меняющейся визуальной среде. В результате, продуманное проектирование интерфейса с учетом перспективы “Head-Turned View” становится ключевым фактором для снижения когнитивной нагрузки и повышения общей эффективности взаимодействия в виртуальной реальности.

Дальнейшие исследования должны быть направлены на изучение взаимосвязи между визуальной сложностью, пространственным разделением элементов и индивидуальными когнитивными особенностями пользователей. Необходимо установить, как различные уровни визуального шума и конфигурации расположения объектов в виртуальной среде влияют на скорость и точность обнаружения изменений у людей с разными способностями к обработке информации. Понимание этих взаимодействий позволит создавать адаптивные интерфейсы, которые оптимизируются под конкретного пользователя, минимизируя когнитивную нагрузку и повышая эффективность взаимодействия с виртуальной реальностью. Изучение влияния индивидуальных различий в когнитивных способностях на восприятие визуальной информации в VR-среде представляется ключевым шагом к разработке действительно интуитивных и персонализированных интерфейсов будущего.

Полученные результаты позволяют разработать более интуитивные и эффективные приложения виртуальной и дополненной реальности, направленные на снижение когнитивной нагрузки и улучшение пользовательского опыта. Исследование продемонстрировало, что изменения глубины объектов в поле зрения пользователя обнаруживаются с существенно более высокой точностью — в среднем 84.1% — по сравнению с другими типами изменений, такими как цвет или размер. Это указывает на то, что при проектировании интерфейсов VR/AR необходимо уделять особое внимание использованию и оптимизации изменений глубины для привлечения внимания и быстрой передачи информации, что потенциально повысит эффективность взаимодействия и снизит вероятность ошибок.

Процедура создания композиции объектов заключается в выделении одного объекта, определении области группировки, случайном выборе в ней половины объектов и присвоении им визуальных признаков от невыбранных объектов, при этом отбраковываются и воссоздаются макеты, где выбранные объекты не имеют соседей среди себе подобных.
Процедура создания композиции объектов заключается в выделении одного объекта, определении области группировки, случайном выборе в ней половины объектов и присвоении им визуальных признаков от невыбранных объектов, при этом отбраковываются и воссоздаются макеты, где выбранные объекты не имеют соседей среди себе подобных.

Исследование показывает, что восприятие изменений в виртуальной среде тесно связано со сложностью визуальной информации и глубиной пространства. Как отмечал Джон фон Нейманн: «В науке нет места предрассудкам; только глупость и лень». Этот принцип применим и к проектированию виртуальных миров. Увеличение визуальной сложности, хотя и может создать ощущение реалистичности, негативно влияет на способность пользователя замечать изменения, особенно в условиях ограниченного внимания. Однако, грамотное использование пространственного разделения элементов может компенсировать эту негативную тенденцию, позволяя системе стареть достойно, сохраняя свою функциональность и информативность во времени. Ведь, как и любая система, виртуальная среда должна адаптироваться и эволюционировать, чтобы оставаться полезной и эффективной.

Что дальше?

Изучение преаттентивных признаков в виртуальной реальности, как показывает представленная работа, обнажает парадоксальную природу восприятия. Очевидно, что глубина, как фактор, наиболее эффективно сигнализирует об изменениях в сложной среде, однако возрастающая визуальная сложность не усиливает, а, напротив, ослабляет способность к обнаружению этих изменений. Это не ошибка измерения, а скорее напоминание о том, что системы, стремящиеся к максимальной информативности, рискуют утонуть в собственном шуме. Каждая задержка в обработке — это цена понимания, и игнорировать её невозможно.

Перспективы дальнейших исследований лежат не столько в оптимизации алгоритмов, сколько в более глубоком осмыслении границ человеческого восприятия. Пространственное разделение, как продемонстрировано, смягчает негативное влияние визуальной сложности, но является ли это универсальным решением? Или же существует предел, за которым даже самое продуманное разделение становится бесполезным? Необходимо исследовать, как динамические изменения в визуальной сложности влияют на адаптацию и, следовательно, на эффективность обнаружения изменений.

Архитектура без истории — хрупка и скоротечна. Понимание того, как мозг обрабатывает информацию во времени, как он строит иерархии важности, является ключом к созданию действительно адаптивных и интуитивно понятных виртуальных сред. Исследования должны быть направлены не только на повышение производительности, но и на создание систем, которые способны изящно стареть, сохраняя свою функциональность и значимость.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2601.14561.pdf

Связаться с автором: https://www.linkedin.com/in/avetisyan/

Смотрите также:

2026-01-23 05:11