[學習筆記] 視覺與大腦 - 人眼視覺見到運動的方式 (Seeing Motion)

物理空間不同長度、距離、方位的竿子,投影到視網膜後,都是同樣的長度及方位。如此,觀察者如何得知物體真正的移動速度及方向?

定義


物理空間的運動導致視網膜上影像的運動,因此視覺空間的運動 = translation and/or rotation in 3D space.

視網膜上的物理速度 (physical speed) 和認知的速度 (perceived speed) 是兩回事。

視網膜上的方向 (physical direction) 和認知的方向 (perceived direction) 是兩回事。

需要解釋的現象


Apparent Motion (time)

Motion After Effects (tiring)

The flash-lag effect (speed)

Aperture effects (direction)

Apparent Motion


Apparent Motion = 由連續的靜態影像產生主觀認知的流暢運動。

這是我們觀看影片時會觀察到的現象。


上圖有 2 個燈,先閃 light 1,一段時間後,再閃 light 2。

如果時間間隔較長,會看到先閃 light 1,再閃 light 2。

如果同時閃 light 1 及 light 2,會看到它們同時閃。

如果時間間隔夠短,又不致於短到覺得同時閃,則會看到 light 1 移動到 light 2。

影片如果 frame rate 夠高,就會覺得畫面裡的動作是流暢的,如果不夠高,會覺得畫面裡的動作有頓挫感 (jitter)。

Motion After Effects



觀看上圖 (白底、紅色方形) 30 秒,再把視線移到白底畫面,會看到綠色方形。

這樣的現象稱為 Color After Effects。



如上方影片,觀看瀑布 30 秒,持續觀察水流受重力而往下落,再把視線移到瀑布旁的石頭,會覺得石頭往上移動。

這樣的現象稱為 Waterfall After Effect。

對於這樣的現象,一種解釋是正常情況下我們不會持續 30 秒盯著一個地方看,一般情況下,眼睛每秒會快速移動 3-4 次。當我們持續 30 秒盯著一個地方看,相關的神經元會疲勞,舉例來說,見到紅色的神經元,因此當視線移開後,其他的神經元相對來說會比較活躍,舉例來說,見到綠色的神經元。

The Inverse Problem for Motion


Apparent Motion, Motion After Effects 和 Inverse Problem 並沒有關聯,認知的速度及方向則和 Inverse Problem 有關。


如上圖所示,物理空間不同長度、距離、方位的竿子,投影到視網膜後,都是同樣的長度及方位。

如此,觀察者如何得知物體真正的移動速度及方向?

Perceived Speed: The Flash-Lag Effect



如上圖 (A) 所示,螢幕上呈現一個紅棒由左往右移動,當紅棒移動到圖示的白色閃光位置時,該位置會發出白色閃光。

如上圖 (B) 及 (C) 所示,當白色閃光發生時,看起來位置和紅棒的位置不同,看起來比紅棒晚一些才亮起。


上圖為 flash-lag effect 的測試方式。

受測者被要求調整白色閃光發生的位置,使得它能夠符合紅棒的位置。藉此,就能夠量測 lag 的幅度,並且能夠調整紅棒的移動速度,量測隨著紅棒移動速度的改變,lag 幅度的變化。


上圖為測試的結果。

An Empirical Explanation of the Flash-Lag Effect



首先,需要統計 frequency of occurrence of the speeds of moving objects projected on the retina. 但目前沒有合適的設備可以進行,因此需要以 computer graphics 模擬 3D 空間的各種物體移動,以及投射到視網膜上的情況,如上圖所示。


結果如上圖所示。


Perceived Direction: Aperture Effects


一條斜線 (從左下到右上),從左邊移到右邊。方向看起來是往右移動。

同樣的一條斜線,從左邊移到右邊,透過圓孔去看它,只看到線條中的一部分。方向看起來是往右下方移動。


設計實驗並發現這個現象的人是心理學家 Hans Wallach。

一條斜線 (從左下到右上),從左邊移到右邊。方向看起來是往右移動。

同樣的一條斜線,從左邊移到右邊,透過垂直形狀的孔去看它,只看到線條中的一部分。方向看起來是往下方移動。

An Empirical Explanation of Aperture Effects




如上圖所示,透過圓孔觀察,認知到的線條移動方向和線條是垂直的。





延伸閱讀


[Coursera] Organization of the Human Visual System - Seeing Motion, by Dr. Dale Purves, M.D, Duke University.