Miksi maailma on enemmän kupera kuin kovera?

Kirjoittelen juuri artikkelia näkymän kolmiulotteisesta havaitsemista ja olen miettinyt paljon, kuinka näkö hyödyntää varjoja näkymän rakenteen hahmottamisessa. Esimerkiksi alla olevassa kuvassa seinällä olevat varjot kertovat, että katsojan oikealla puolella näkökentän ulkopuolella on puita ja muita rakenteita.

WP_20150417_011

Havaintopsykologiassa varjoja on tutkittu yksinkertaisemmilla kuvilla. Paljon on käytetty kuvia, joissa on yksinkertaisia pallukoita ja kuoppia, kuten alla, jossa keskellä oleva kuoppa on pallukoiden ympäröimä.

Circular shape from shading patches

Mielenkiintoiseksi asiat muuttuvat, jos pallukkakuvan kääntää ylösalaisin, kuten seuraavassa kuvassa. Nyt keskellä on pallukka ja ulkokehällä kuoppia, tai ainakin suurin osa ihmisistä näkee kuvat näin. Jotkut ihmiset, kuten minä, eivät pysty näkemään ulkokehän ympyröitä kuoppina vaan näkee ne vain litteinä. Tämä on on jännä yksilöllinen ero, mutta se ei muuta ilmiön keskeistä pointtia: kuvan kääntäminen ylösalaisin muuttaa sen kolmiulotteisen tulkinnan. Tavallisestihan näin ei käy, vaan näemme kuvan rakenteen samalla tavalla riippumatta kuvan asennosta.

Circular shape from shading patches Inverted

Ilmiön selitys liittyy sen yksinkertaisuuteen. Koska kuvassa on vain tasaisesti muuttuvaa harmaasävyä ympyrän muotoisilla alueilla, on kuva on niin monitulkintainen, että näköaisti on vaarassa jäädä epävarmuuden tilaan. Tämä ei ole selviytymisemme kannalta hyvä vaihtoehto, joten havaintomekanismit runnovat kuvaan yksikäsitteisen tulkinnan keinoja kaihtamatta. Tässä tapauksessa näkö päätyy arvaamaan, että näkymässä on vain yksi valolähde, joka on kuvan yläpuolella. Arvaukset tekevät kuvan tulkinnan mahdolliseksi, mutta kolmiulotteisuus muuttuu kuvan asennon mukaan.

Ohio State Universityn tutkijat Baoxia Liu ja James Todd ovat ehdottaneet, että kahden valolähdeolettamuksen lisäksi näissä kuvissa vaikuttaisi kolmaskin olettamus, eli olettamus kuperuudesta. He perustelevat tätä sillä, että suurin osa maailmassa olevista asioista on kuperia eli siis ulkonevia esineitä eikä kuoppia. Lisäksi kuperat esineet ovat meille todennäköisesti kuoppia tärkeämpiä. Selvittääkseen ideaa kuperuusolettamuksesta he tekivät kokeen, jossa käytettiin tietokoneella mallinnettuja kuvia, jotka simuloivat tiettyä syvyyttä  (Liu & Todd, 2004). Tietokonemallinnetuissa kuvissa on enemmän vihjeitä kuin edellisissä kuvissa olleissa harmaasävypallukoissa, joten Liu ja Todd arvelivat niiden paljastavan kuperuusolettamuksen vaikutuksen havaitsemiseen.

Seuraavassa kuvassa on kaksi esimerkkiä heidän käyttämistään kuvista. Kummatkin ovat mattapintaisia versioita pallukoista. Vasemmanpuoleinen on kupera eli pallo ja oikeanpuoleinen on kovera eli kuoppa.

Liu 2004 Matte

Liu ja Todd halusivat kokeilla myös lisävihjeiden vaikutusta ilmiöön, joten joissakin kuvissa oli heittovarjoja, kiiltävyyttä ja heijastuksia. Tästä ovat esimerkkinä seuraavat kaksi kuvaa, joista vasemmanpuoleinen on pallo ja oikeanpuoleinen on puolipallon muotoinen kuoppa.

Liu 2004 Glossy

Tutkijat vaihtelivat pintojen ominaisuuksia, vihjeiden määrää ja valolähteen suuntaa ja pyysivät koehenkilöitä arvioimaan kuvion kokoa erityisellä tasaisesti muunnettavalla käyrällä, jonka kuva on alla. Koehenkilö pystyi siis nuolinäppäimien avulla joko suurentamaan tai pienentämään kaarevan osan kokoa – tai muuttamaan sen ulkonevasta pallukasta kuopaksi. Tällä tavoin koehenkilöt viestivät havaintokokemuksensa kussakin tilanteessa.

Lie 2004 probe

Kokonaistulokset osoittivat, että kuviot nähtiin useimmiten kuperana riippumatta siitä, olivatko ne kuperia vai koveria. Myös olettamus yläpuolella olevasta valolähteestä vaikutti havaintoihin, mutta sen vaikutus oli pienempi kuin kuperuusolettamuksen.

Tulokset osoittivat myös, että kuvioiden havaittu syvyys seurasi tietokonemallinnusta. Kokeessa simuloitiin tehtiin kolme erilaista pallukkaa. Matalin niistä simuloi 35 senttiä korkeaa pallukkaa, keskikokoinen 50 senttiä korkeaa pallukkaa ja korkein 66 senttiä korkeaa pallukkaa. Toisissa kuvissa oli vastaavan syvyiset kuopat. Ideana oli selvittää, kuinka hyvin koehenkilöt näkevät erilaisten kumpujen ja kuoppien syvyydet.

Alla olevan kuvan oranssi käyrä osoittaa, että havaittu syvyys yliarvioitiin kumpujen tapauksessa, esimerkiksi 35 cm:n simuloidulla syvyydellä ihmiset näkivät yli 50 cm:n syvyyden. Sama jatkui myös 50 cm:n ja 66 cm:n simuloiduilla syvyyksillä. Yliarviointi saattaa liittyä mittausmenetelmään eli koehenkilöiden saattoi olla vaikeaa arvioida simuloidun kuvan oikeaa syvyyden määrää muunnettavalla käyrällä, jota kokeessa käytettiin. Olennaista oranssissa käyrässä on se, että havaittu syvyys muuttuu simuloidun syvyyden mukaan. Jos tietokoneella yritettiin saada aikaan suurempi syvyys, koehenkilöt myös näkivät suurempia syvyyksiä.

Sen sijaan kuoppien havaittu syvyys, jota kuvataan harmaalla käyrällä, ei vastannut kovinkaan hyvin yrityksiä simuloida erilasia syvyyksiä. Ensinnäkin, kuopan havaittu syvyys pysyy koko ajan vakiona noin 25 cm:n paikkeilla, eli syvyyden määrää aliarvioidaan paljon. Toiseksi, havaittu syvyys ei muutu vaikka simuloitu syvyys muuttuu. Kuoppia on siis jollakin tavalla vaikeampi havaita.

Liu Tuloskuva

Tuloskuva Liun ja Toddin artikkelista. X-akselilla on tietokoneella simuloitu syvyys ja y-akselilla on syvyys, jonka koehenkilöt kokeessa näkivät. Oranssi käyrä kuvaa kumpujen havaittua syvyyttä ja harmaa käyrä kuoppien havaittua syvyyttä.

Selkeyden vuoksi olen jättänyt edellisestä tuloskuvasta pois käyriä, jotka kuvaavat vihjeiden määrän vaikutusta syvyyden havaintoon. Ne osoittavat, että havaittu syvyys vastasi simuloitua syvyyttä sitä paremmin, mitä enemmän kuvassa oli vihjeitä. Kuopat sen sijaan arvioitiin aina liian mataliksi eikä niiden havaittu syvyys lisääntynyt vaikka sitä yritettiin varjoilla viestiä. Lisäämällä kuviin kiiltoa ja heijastuksia havaittu syvyys kasvoi hiukan.

Liu ja Todd huomauttavat artikkelissaan, että kokeessa saattaa olla visuaalinen vihje, joka vähentää todennäköisyyttä sille, että kuvio tulkitaan kuopaksi. Vihje on terävärajainen reuna kuvion ja taustan välillä. Esimerkiksi alla olevassa kuvassa vasemman kuvan pitäisi olla kumpu ja oikean kuoppa. Oikea ei välttämättä näytä kuopalta vaan sen voi nähdä myös litteänä esineenä. Eräs syy tähän saattaisi olla se, että kuopan terävä reuna vihjaa siitä, että kyseessä on esine.

Liu 2004 Matte

Liu ja Todd he päättivät tehdä kokeen kuvioilla, joiden reunoja on hiukan sumennettu. Vasen kuvio näyttää edelleen kummulta, mutta nyt oikean kuvio näyttää huomattavasti enemmän kuopalta. Mittaukset osoittivat, että juuri näin kävikin eli kuoppien oikea havaitseminen lisääntyi selvästi. Reunan terävyys on siis yksi vihje esinemäisyydestä.

Liu blurratut kuviot

Tähän mennessä kaikki esittämäni kuvat ovat olleet suoraan havaitsijan edessä olevalla tasolla. Arkielämässä useimmat tasot ovat kuitenkin jollain tavalla kallellaan suhteessa meihin. Esimerkiksi edessämme oleva lattia viettää meistä poispäin. Tein kuvan, jossa siniaallon muotoinen aaltomuoto on sijoitettu lattiatasolle. Kun muutan kuvan harmaasävyjä, se käyttäytyy samalla tavalla kuin aikaisemmat kuvatkin eli kummut vaihtuvat kuopiksi ja päinvastoin. Asian näkee selkeimmin keskellä olevasta nyppylästä, joka muuttuu oikeanpuoleisessa kuvassa pieneksi kuopaksi.

Varjostettu funktio tuplana

Ilmiö muuttuu tosi mielenkiintoiseksi, jos teen vastaavan kuvan ilman varjoja. Seuraavassa kuvassa on varjojen sijasta mustavalkoinen kuviointi. Kuvan kääntäminen ylösalaisin muuttaa edelleen kolmiulotteisuustulkinnan. Tämä johtuu siitä, että näköjärjestelmä olettaa kuvan alaosan olevan lähempänä havaitsijaa ja kuvan yläosan olevan kauempana havaitsijasta. Toisin sanoen kuvan oletetaan olevan perspektiivinäkymä, jossa kuviot sijoittuvat lattiamaiselle havaitsijasta poispäin viettävälle tasolle. Tämähän ei viimeisimmissä kuvissa ole ainoa mahdollinen tulkinta, vaan kuvat olisi mahdollista nähdä lattian sijasta kattoina. Jos keskityt viimeisimmän kuvaparin oikeanpuoleiseen kuvaan, saatat hetkellisesti nähdä sen kattomaisena tasona, jossa kuvan yläosa on lähempänä kuin alaosa. Samalla kuvan kummut muutuvat kuopiksi ja päinvastoin. Tätä havaintoa on kuitenkin vaikea pitää yllä, koska lattiatulkinta on voimakkaampi.

Näkymien havaitseminen hyödyntää siis monia olettamuksia selvittääkseen näkymän rakenteen. Olettamusten perusajatuksena on välttää epävarmuus ja paremman puutteessa arvata jokin tulkintavaihtoehto aikaisempien kokemusten perusteella.

Viivoitettu funktio cropped tupla

Lähteet

Liu, B. & Todd, J.T. (2004) Perceptual biases in the interpretation of 3D shape from shading. Vision Research 44, 2135-2145. (Maksumuurin takana)

Reichel, F. D., & Todd, J. T. (1990). Perceived depth inversion of smoothly curved surfaces due to image orientation. Journal of Experimental Psychology. Human Perception and Performance, 16(3), 653–64. doi:10.1037/0096-1523.16.3.653

Tietoja jukkahakkinen

Työskentelen Käyttäytymistieteiden laitoksella, Helsingin yliopistossa. Tässä blogissa käsittelen havaitsemiseen liittyviä teemoja perustutkimuksesta visuaaliseen ergonomiaan.
Kategoria(t): havaitseminen, kolmiulotteisuus, näkymien havaitseminen, varjot Avainsana(t): , , , , . Lisää kestolinkki kirjanmerkkeihisi.

2 vastausta artikkeliin: Miksi maailma on enemmän kupera kuin kovera?

  1. Paluuviite: Signaali & Kohina

  2. Paluuviite: Hengittävää valoa | Signaali & Kohina

Vastaa

Täytä tietosi alle tai klikkaa kuvaketta kirjautuaksesi sisään:

WordPress.com-logo

Olet kommentoimassa WordPress.com -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Twitter-kuva

Olet kommentoimassa Twitter -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Facebook-kuva

Olet kommentoimassa Facebook -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Google+ photo

Olet kommentoimassa Google+ -tilin nimissä. Log Out / Muuta )

Muodostetaan yhteyttä palveluun %s