Иллюзии размера: как мозг объединяет зрение и осязание

Автор: Денис Аветисян

Новое исследование показывает, что восприятие размера предметов меняется со временем под влиянием визуальных подсказок и осязательных ощущений.

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"

Модель тактильного сдвига демонстрирует, как восприятие размера изменяемого устройства смещается: конфигурация в 6 см воспринимается до изменения размера, а затем - конфигурация в 8 см, что указывает на адаптацию сенсорной системы к новым параметрам. — Модель тактильного сдвига демонстрирует, как восприятие размера изменяемого устройства смещается: конфигурация в 6 см воспринимается до изменения размера, а затем — конфигурация в 8 см, что указывает на адаптацию сенсорной системы к новым параметрам.

Разработана модель, описывающая динамические изменения в визуо-гаптическом восприятии и объясняющая принципы калибровки между различными сенсорными модальностями.

Восприятие размера объектов обычно представляется как стабильный процесс, однако современные исследования показывают, что оно подвержено динамическим изменениям. В работе ‘Modelling Visuo-Haptic Perception Change in Size Estimation Tasks’ исследуется, как меняется визуо-тактильное восприятие размера во времени и как на это влияют априорные ожидания и визуальные подсказки. Полученные данные демонстрируют, что восприятие размера дрейфует со временем и может быть смоделировано как саморегулирующаяся циклическая система, использующая механизмы визуального прайминга и проприоцептивной калибровки. Как понимание этих динамических процессов может улучшить реалистичность и интуитивность взаимодействия в виртуальной реальности и других интерактивных системах?

Иллюзии восприятия: Как мозг обманывает нас в оценке размеров

Восприятие размера объектов играет ключевую роль в повседневном взаимодействии с окружающим миром, однако этот процесс далеко не всегда точен. Исследования показывают, что даже при нормальном зрении и осязании, мозг склонен к систематическим ошибкам в оценке габаритов предметов. Эти ошибки возникают из-за сложного взаимодействия визуальных и тактильных сигналов, а также из-за внутренних механизмов, стремящихся оптимизировать восприятие в условиях неопределенности. Например, человек может недооценивать размер удалённого объекта или переоценивать размер объекта, к которому прикоснулся. Понимание этих искажений критически важно для разработки реалистичных виртуальных сред и интерфейсов, а также для изучения механизмов работы мозга, ответственных за формирование пространственного восприятия.

Традиционные подходы к изучению восприятия размера часто оказываются неполными, поскольку не учитывают сложное взаимодействие между зрительной и тактильной информацией. Исследования показывают, что мозг не просто суммирует данные от этих двух чувств, а динамически интегрирует их, разрешая возникающие противоречия. Например, если визуально объект кажется большим, но тактильно ощущается маленьким, мозг стремится к компромиссу, формируя единое, согласованное представление о размере. Игнорирование этой динамической интеграции приводит к неточностям в моделях восприятия и ограничивает возможности создания реалистичных виртуальных сред, где согласованность между визуальным и тактильным опытом имеет решающее значение для достоверности.

Разрешение несоответствий между зрительной и тактильной информацией играет ключевую роль в создании правдоподобных виртуальных взаимодействий. Исследования показывают, что мозг не просто суммирует данные от этих чувств, а активно интегрирует их, приоритизируя одно над другим в зависимости от контекста и ожиданий. Например, если зрительное восприятие указывает на большой объект, а тактильное — на маленький, мозг часто склоняется к зрительной информации, корректируя тактильные ощущения для создания единой, согласованной картины. Понимание этих механизмов необходимо для разработки виртуальных сред, в которых объекты ощущаются реалистичными и соответствуют ожиданиям пользователя, что критически важно для иммерсивных технологий, таких как виртуальная реальность и роботизированная хирургия. Отсутствие согласованности между зрительными и тактильными ощущениями может привести к дезориентации и дискомфорту, снижая эффективность и реалистичность взаимодействия.

Модель тактильного смещения для устройства фиксированного размера показывает, что визуальная информация о реальном (6 см) и искаженном (5 см) размере объекта влияет на восприятие его габаритов.

Виртуальная реальность: Лаборатория для изучения восприятия

Виртуальная реальность (VR) предоставляет контролируемую среду, позволяющую систематически манипулировать визуальными и тактильными стимулами, что критически важно для проведения научных исследований. В отличие от реального мира, где переменные трудно изолировать, VR позволяет исследователям точно настраивать параметры, такие как размер, форма, текстура и положение объектов, а также интенсивность и тип тактильной обратной связи. Это достигается за счет использования программного обеспечения и специализированного оборудования, которое обеспечивает точное управление отображаемыми визуальными элементами и передаваемыми тактильными ощущениями. Возможность контролировать и изменять эти стимулы позволяет исследователям изучать влияние различных факторов на восприятие, когнитивные процессы и поведенческие реакции в стандартизированных и повторяемых условиях.

Тактильные устройства являются неотъемлемой частью систем виртуальной реальности, обеспечивая пользователям возможность получать осязаемую обратную связь. Эти устройства преобразуют цифровые сигналы в физические ощущения, такие как вибрация, сила или текстура, позволяя взаимодействовать с виртуальными объектами более реалистично. Различные типы тактильных устройств включают в себя перчатки с обратной связью, экзоскелеты и тактильные дисплеи, каждый из которых предназначен для стимуляции определенных участков кожи или мышц. Эффективность этих устройств определяется точностью воспроизведения тактильных ощущений, скоростью отклика и диапазоном поддерживаемых ощущений, что критически важно для реалистичного и эффективного взаимодействия в виртуальной среде.

Комбинирование технологий виртуальной реальности (VR) и тактильной обратной связи (haptic technology) предоставляет исследователям уникальную возможность точного изучения процессов, лежащих в основе взаимосвязи между зрительным и тактильным восприятием — визуо-тактильного восприятия. VR создает контролируемые визуальные стимулы, а haptic устройства позволяют точно манипулировать тактильными ощущениями, предоставляя возможность исследования влияния тактильных характеристик объектов на зрительное восприятие и наоборот. Это позволяет, например, изучать, как изменяется зрительное восприятие формы или текстуры объекта при изменении силы или типа тактильного воздействия, или как мозг интегрирует несоответствующие визуальные и тактильные данные. Точный контроль над обоими типами стимулов обеспечивает возможность количественной оценки и анализа механизмов, участвующих в интеграции сенсорной информации.

Модель тактильного дрейфа для устройства фиксированного размера без визуальной стимуляции демонстрирует смещение восприятия при отсутствии визуальной обратной связи.

Моделирование интеграции зрительного и тактильного восприятия

Первичная система управления представляет собой вычислительную модель, предназначенную для анализа динамики визуально-тактильного восприятия. Данная модель рассматривает процесс как замкнутый контур обратной связи, в котором визуальные и тактильные входные сигналы непрерывно согласовываются для формирования единого представления о свойствах объекта. В рамках этой модели предполагается, что расхождения между визуальной и тактильной информацией инициируют корректирующие движения, направленные на минимизацию ошибки и достижение оптимального восприятия. Математически, динамика этой системы описывается дифференциальным уравнением первого порядка, отражающим скорость изменения восприятия в зависимости от величины расхождения и коэффициента усиления обратной связи.

Модель предполагает наличие обратной связи, в которой зрительные и тактильные входы непрерывно согласовываются для формирования единого перцептивного представления. Этот процесс включает в себя постоянное сравнение ожидаемых тактильных ощущений, основанных на визуальной информации, с фактически полученными тактильными ощущениями. Любые расхождения между этими двумя источниками информации приводят к корректировке перцептивного процесса, что позволяет системе поддерживать согласованность между визуальным и тактильным восприятием. Такая циклическая обработка позволяет учитывать как априорные знания, полученные визуально, так и текущие сенсорные данные, обеспечивая надежное и точное восприятие объектов и их свойств.

Для проверки предсказаний предложенной модели интеграции зрительно-тактильного восприятия использовались как активные, так и пассивные тактильные устройства. Результаты экспериментов показали высокую степень соответствия модели данным, о чем свидетельствует значение коэффициента детерминации $R^2$ равное 0.94 для условий без предварительного стимулирования (no-priming condition). Это указывает на то, что модель адекватно описывает динамику интеграции зрительной и тактильной информации в отсутствие предварительных эффектов, связанных с ожиданием или предсказуемостью стимулов.

Восприятие можно смоделировать как систему управления первого порядка, где сенсорные данные корректируют ошибки восприятия посредством обратной связи, что в конечном итоге приводит к усилению когнитивной дискриминации и более чёткому восприятию.

Перцептивный дрейф и калибровка сенсорной системы

Исследования показывают, что восприятие размера не является статичным и неизменным, а подвержено постепенной адаптации во времени. В начале эксперимента, среднее значение воспринимаемого размера объекта составляло 6,31 см, однако дальнейшее наблюдение выявляет тенденцию к смещению этого значения. Данное явление, получившее название перцептивного дрейфа, демонстрирует, что мозг не просто регистрирует физические параметры, но и активно корректирует их, формируя динамичное представление о мире. Этот процесс адаптации указывает на гибкость и пластичность зрительной системы, способной перестраиваться под воздействие поступающей информации и обеспечивать стабильное восприятие в меняющихся условиях.

Процесс сенсорной калибровки играет ключевую роль в адаптации восприятия, не будучи статичным, а динамически подстраиваясь к поступающей информации. Эта калибровка неразрывно связана с рабочей памятью, которая удерживает и обрабатывает сенсорные данные, формируя устойчивое представление о воспринимаемом объекте. Более того, кросс-модальная интеграция — взаимодействие различных сенсорных каналов, например, зрения и осязания — существенно влияет на точность калибровки. Взаимодействие этих механизмов позволяет мозгу постоянно корректировать восприятие, обеспечивая стабильность и согласованность ощущений даже при изменениях внешних условий или внутренних предубеждений. Таким образом, сенсорная калибровка представляет собой сложный нейрофизиологический процесс, обеспечивающий адаптивное и надежное восприятие окружающего мира.

Исследования показали, что зрительная подготовка, или прайминг, оказывает существенное влияние на скорость калибровки восприятия. В ходе экспериментов было установлено, что без предварительной зрительной стимуляции, время стабилизации восприятия размера составляет приблизительно 56.32 минуты. Однако, при использовании прайминга, этот показатель значительно сокращается до 24.49 минут. Это свидетельствует о том, что мозг способен быстрее адаптироваться к визуальным стимулам при наличии предварительной информации, что позволяет снизить эффект перцептивного дрейфа и обеспечить более стабильное восприятие окружающего пространства. Данный механизм имеет важное значение для поддержания надежной визуальной ориентации и эффективного взаимодействия с окружающей средой.

Анализ данных, полученных в условиях 3 и 4, показывает, что использование визуальных подсказок о физическом размере (6 см в условии 3 и 5 см в условии 4) влияет на пороги восприятия и точку субъективного равенства (PSE) во всех оценочных задачах, о чём свидетельствуют соответствующие параметры подгонки (a, b и McFadden <span class="katex-eq" data-katex-display="false">R^2</span>). — Анализ данных, полученных в условиях 3 и 4, показывает, что использование визуальных подсказок о физическом размере (6 см в условии 3 и 5 см в условии 4) влияет на пороги восприятия и точку субъективного равенства (PSE) во всех оценочных задачах, о чём свидетельствуют соответствующие параметры подгонки (a, b и McFadden $R^2$ ).

Измерение восприятия с высокой точностью: Метод принудительного выбора

Метод принудительного выбора предоставляет надежный способ количественной оценки перцептивных оценок. В рамках этой методики испытуемым предлагается сделать выбор между двумя или более альтернативами, которые отличаются по определенному признаку, например, длине или яркости. Этот подход позволяет исследователям не просто узнать, что воспринимает человек, но и измерить степень уверенности в этом восприятии, поскольку выбор делается даже в условиях неопределенности. В отличие от субъективных оценок, принудительный выбор дает объективные данные, которые можно статистически проанализировать, что делает его ценным инструментом в исследованиях восприятия и когнитивных процессов. Такая методология особенно полезна при изучении тонких различий в сенсорных стимулах и позволяет выявить границы человеческого восприятия, а также установить закономерности, лежащие в основе формирования перцептивных оценок.

Исследователи используют метод принудительного выбора для детального изучения взаимодействия между зрительными и тактильными ощущениями. Систематически изменяя характеристики визуальных и осязаемых стимулов в рамках этого метода, ученые могут построить карту динамики визуо-тактильного восприятия. Например, изменяя размер визуально отображаемого объекта и одновременно воздействуя на руку испытуемого различной силой, можно определить, как мозг интегрирует эти два типа информации для формирования единого представления об объекте. Это позволяет выявить закономерности в обработке мультисенсорной информации и понять, как мозг разрешает противоречия между разными органами чувств, что в конечном итоге приводит к формированию более точного и стабильного восприятия реальности.

Полученные результаты имеют значительные последствия для разработки более реалистичных и захватывающих виртуальных сред. Исследование демонстрирует, что продолжительное взаимодействие с мультисенсорными стимулами, даже без предварительной настройки, приводит к стабилизации восприятия объекта на отметке 6.71 см. Это свидетельствует о способности мозга к интеграции визуальной и тактильной информации, формируя устойчивое представление о мире. Понимание этих принципов сенсорной интеграции позволяет создавать виртуальные интерфейсы, которые максимально соответствуют естественному восприятию человека, повышая степень погружения и достоверности опыта, что особенно важно для таких областей, как обучение, реабилитация и развлечения.

Экспериментальная установка включает в себя физическую среду и соответствующие виртуальные сцены для задачи оценки и адаптационной игры.

Исследование демонстрирует, что восприятие размера объекта не является статичным, а подвержено постепенному смещению под влиянием визуальных сигналов и тактильных ощущений. Этот процесс, описанный в статье как «сенсорная интеграция», напоминает замкнутую систему управления, где визуальная информация корректирует тактильное восприятие, и наоборот. В этом контексте уместно вспомнить слова Винтона Серфа: «Интернет — это не технология, это способ мышления». Подобно тому, как интернет объединяет разрозненные данные, так и человеческое восприятие объединяет визуальные и тактильные сигналы, формируя целостную картину мира. Исследование показывает, что эта «система» постоянно калибруется и адаптируется, что подтверждает динамическую природу восприятия в интерактивных системах.

Куда же дальше?

Представленная работа демонстрирует, что восприятие, объединяющее зрение и осязание, не является застывшей величиной, а подвержено дрейфу со временем. Этот дрейф, как оказалось, не просто существует, но и поддается влиянию визуальной подготовки — то есть, систему можно “взломать”, подменив реальность на иллюзию. Моделирование этого процесса как замкнутой системы управления — шаг к пониманию, но, разумеется, не к окончательным ответам. Вопрос в том, насколько универсальна эта модель для других модальностей и насколько глубоко она укоренена в нейрофизиологических механизмах.

Очевидным ограничением является зависимость от конкретных параметров виртуальной реальности и тактильной обратной связи. Как изменится картина, если использовать более реалистичные, но менее контролируемые стимулы? Важно исследовать, как индивидуальные различия в проприоцепции и когнитивных способностях влияют на скорость и характер дрейфа. И, конечно, необходимо выяснить, можно ли намеренно управлять этим дрейфом, создавая системы, которые адаптируются к изменяющимся условиям или, напротив, поддерживают стабильное восприятие.

В конечном счете, исследование восприятия — это не просто изучение того, как мы видим и ощущаем мир, а попытка понять, как сама реальность конструируется в нашем сознании. И, как показывает эта работа, конструкция эта, по-видимому, не столь уж и надежна, как нам хотелось бы думать. Взлом системы начинается с понимания её уязвимостей.

Оригинал статьи: https://arxiv.org/pdf/2603.03614.pdf

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

Смотрите также:

2026-03-05 07:40