Palmer Cap 10

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Le teorie sul movimento che abbiamo trattato finora riguardano il movimento dell'immagine 2D: come possono essere percepiti nel tempo i cambiamenti nella distribuzione di luminosità nella retina. Questo è solo il primo passo nella percezione del movimento, per la quale quello che è fondamentale è l'informazione su come gli oggetti si muovono all'interno dell'ambiente 3D. Per un predatore che cerca di catturare la preda che sta scappando - e per la preda che cerca di sfuggire al predatore che la sta attaccando - percepire il movimento nell'immagine 2D della retina è assolutamente insufficiente.
Per risultare utile, il movimento dell'immagine deve essere decifrato per fornire l'informazione sul movimento (o sulla sua mancanza) degli oggetti nell'ambiente. Questo richiede di integrare il movimento dell'immagine con l'informazione di come l'occhio si stia muovendo e la distanza dagli oggetti in movimento per raggiungere la costanza del movimento : la percezione veritiera del movimento di oggetti fisici nell'ambiente nonostante i cambiamenti del movimento dell'immagine dovuti agli agenti della vista quali gli occhi, la testa e i movimenti del corpo. Solo allora l'osservatore ha accesso all'informazione evolutivamente utile su come gli oggetti si stanno muovendo nel mondo.
Stiamo considerando il movimento come un argomento a parte in questo capitolo, ma è strettamente intrecciato alla struttura della percezione spaziale. Come abbiamo affermato nel Capitolo 5, il movimento relativo fornisce importanti informazioni sulla profondità, inclusi la parallasse del movimento, i gradienti del movimento e l'accrescimento e la cancellazione della struttura dovuti al movimento dell'osservatore, dell'oggetto o di entrambi.
L'informazione sul movimento ha anche una grande importanza nell'organizzazione della percezione visiva, in modo particolare attraverso il principio della Gestalt del "destino comune", che indica chiaramente quali regioni dell'immagine sono viste come oggetti unificati di percezione.
In questa sezione esamineremo le questioni relative a quanto la profondità e l'organizzazione influenzino l'interpretazione degli oggetti in movimento.

 

 

10.2.1 PERCEPIRE LA VELOCITA' DEGLI OGGETTI

Come si percepisce la velocità di un oggetto? E' determinata dalla velocità prossimale del movimento sull'immagine retinica o dalla velocità distale nell'ambiente?
Una semplice dimostrazione fornirà una chiara evidenza che non è la velocità retinica: sollevate il vostro dito indice e muovetelo di fronte al vostro viso mentre lo seguite con i vostri occhi. Ciò che percepite è il vostro dito (e la vostra mano) che si muove lateralmente in un ambiente che è invece stazionario. Ma questo non è l'evento che accade nell'immagine sulla vostra retina. Dal momento che avete seguito il dito con gli occhi, l'immagine del dito (e della mano) sulla retina è essenzialmente immobile e il resto del mondo visivo si estende attraverso il campo visivo nella direzione opposta ai movimenti del vostro occhio. Notate che questo stato di cose della retina è sotto molti aspetti l'opposto di ciò che avete percepito: l'oggetto stazionario sulla retina (il vostro dito) è stato percepito come in movimento e gli oggetti che si muovono sulla retina (lo sfondo) sono stati percepiti come stazionari.
La conclusione ineluttabile di questa semplice dimostrazione è che la percezione degli oggetti in movimento deve essere determinata in concomitanza con il movimento dell'immagine e i movimenti dell'occhio. Il risultato è la costanza approssimativa di movimento, è raggiunta nello stesso modo della costanza di posizione che abbiamo discusso a tratti nel Capitolo 7. Non dovrebbe sorprendere che la percezione visiva si risolva nella costanza approssimativa di movimento. Per evitare di essere investiti da un'auto dovete conoscere la sua direzione e la sua velocità nell'ambiente, non quella della sua immagine sulla vostra retina.
La semplice esperienza supporta l'esistenza di almeno un'approssimativa costanza di velocità: la velocità dell'oggetto, piuttosto che la velocità dell'immagine, è il maggiore determinante della velocità percepita. Se guardate il traffico su un'autostrada da una distanza di alcune centinaia di metri, tutte le automobili sembrano muoversi più o meno alla stessa velocità. Quelle più vicine non sembrano muoversi notevolmente più veloci delle più lontane, anche se questo è ciò che sta accadendo nelle immagini 2D che sono proiettate sulla vostra retina.
Esperimenti attentamente controllati hanno mostrato come la percezione della velocità produca di fatto la costanza approssimativa (Rock, Hill & Fineman, 1968). Alcuni soggetti osservarono due oggetti che si muovevano verticalmente, uno dei quali quattro volte più avanti dell'altro. Venne loro chiesto di regolare la velocità di quello più avanti in modo tale che apparisse uguale a quella del più vicino. Quando i soggetti osservarono il fatto binocularmente, in modo tale da poter avere una buona informazione di profondità, assegnarono la velocità dell'oggetto più lontano a circa la stessa velocità reale dell'oggetto più vicino. Questo risultato quindi dimostra la costanza di velocità.
Quando i soggetti osservarono gli stessi oggetti senza buone informazioni di profondità (chiudendo un occhio), assegnarono la velocità reale dell'oggetto più distante di quasi quattro volte più veloce dell'oggetto più vicino.
Questo risultato sarebbe prevedibile misurando direttamente le velocità sulla retina, perché quando entrambi gli oggetti si muovono alla stessa velocità nel mondo reale, l'oggetto più lontano si sposta solo di un quarto in più sulla retina rispetto all'oggetto più vicino nello stesso periodo di tempo. Accelerare l'oggetto più lontano di un fattore di quattro, dunque, eguaglia la loro velocità sulla retina. I risultati di questo esperimento mostrano quindi che finché l'osservatore ha buone informazioni sulla distanza di un oggetto, egli percepisce la sua velocità nel mondo reale, presumibilmente tenendo conto della distanza dall'oggetto.
Tuttavia, come nella costanza di grandezza, l'informazione relazionale può servire anche per la costanza di velocità. Se un piccolo oggetto si muove davanti ad uno più grande, ad esempio un'auto che passa davanti ad una casa, la quantità di tempo che impiega per attraversare l'oggetto più grande non cambia con la distanza dell'osservazione.
Sotto condizioni controllate di laboratorio, i soggetti uguagliano la velocità di un oggetto-test attraversando un'apertura rettangolare in modo da impiegare circa lo stesso tempo per attraversare l'apertura (Brown, 1931; Wallach, 1939). Questo risultato è interamente simile alla spiegazione della proporzionalità (o misura relativa) della costanza di grandezza descritta nel Capitolo 7.1.1. Non è incompatibile con la spiegazione che prende in considerazione la costanza di velocità, ma è ad essa complementare.
Come in altre forme di costanza, la costanza di velocità si esaurisce in condizioni estreme. Auto che corrono lungo l'autostrada sembrano correre molto più velocemente quando si vedono da pochi metri di lontananza, per esempio, rispetto a quando si vedono da qualche chilometro. Questa discrepanza nella costanza di velocità può essere spiegata dallo stesso insuccesso della costanza di grandezza che riguarda le lunghe distanze, come discusso nel Capitolo 7. Se ad esempio la distanza ambientale che percorre l'automobile in un dato intervallo di tempo viene sottostimata, la sua velocità sarà analogamente sottostimata, e la costanza di velocità ne risentirà. Nota che la velocità relativa non predice facilmente questo insuccesso nella costanza di velocità, perché quest'ultima non varia con la distanza.

 

 


10.2.2 PROFONDITA' E MOVIMENTO

Nel Capitolo 5 si è visto come il sistema visivo sia in grado di utilizzare le informazioni dell'immagine 2D per recuperare la terza dimensione spaziale della profondità. Molti di questi fattori sono abbastanza indipendenti dal movimento, per esempio la posizione, la convergenza, la disparità binoculare, la proiezione prospettica, i gradienti di struttura, l'interpretazione del contorno, le sfumature, eccetera, ma altri derivano direttamente dal movimento, inclusi il parallasse del movimento relativo, i gradienti di movimento, e l'aumento/cancellazione della struttura. Ora considereremo più strettamente qualcuno dei fattori che permettono al sistema visivo di interpretare il movimento dell'immagine in termini di oggetti in un ambiente spaziale 3D.

 

Movimento rigido in profondità

La costanza di velocità riguarda tipicamente una situazione in cui le fonti statiche delle informazioni sulla profondità sono indipendentemente disponibili per determinare la distanza degli oggetti. Ma per quanto riguarda i casi in cui ciò non accade, casi cioè in cui è presente solo l'informazione del movimento? Il sistema visivo interpreta i diversi movimenti in termini di profondità? E, se è così, in quali circostanze?
Studiando la percezione del movimento in semplici disegni 2D consistenti in coppie di punti di luce continuamente in movimento, lo psicologo svedese Gunnar Johannson (1950) scoprì dei potenti effetti della profondità nella percezione del movimento. In un disegno due punti si muovevano avanti e indietro contemporaneamente mentre si muovevano anche avvicinandosi ed allontanandosi come mostrato in Figura 10.2.1A. Ci si aspetterebbe che questo semplice modello del movimento retinico sia ciò che gli osservatori avrebbero dovuto percepire, ma molti non lo percepivano. Invece, essi vedevano i due punti che si muovevano avanti e indietro in profondità, come se fossero state luci fissate alle estremità di un rigido bastone verticale (Figura 10.2.1B).
Altri esempi produssero effetti simili di profondità. Accadeva ogni volta che un modello di un movimento 2D poteva essere percepito come un movimento rigido in profondità. Questo comprende diversi casi interessanti, come ad esempio quello mostrato in Figura 10.2.1C. Il disegno consiste semplicemente in due luci che attraversano lo stesso percorso rettangolare su lati opposti, ma questo non è ciò che gli osservatori percepivano. Piuttosto, essi percepivano le luci che si muovono come se fossero fissate alle estremità di un bastone rigido che ruota in uno spazio 3D, producendo un complesso pattern di movimento in profondità mostrato in Figura 10.2.1D.
Questi risultati suggeriscono che vi sia qualcosa di speciale sulla rigidità nel percepire il movimento di oggetti: in ogni altra situazione simile, se c'è un'interpretazione in cui possa essere percepito un movimento rigido, esso verrà percepito. La chiameremo l'euristica della rigidità. Vedremo come gioca un ruolo importante nel capire la relazione tra profondità e movimento, benché ci siano casi in cui altri fattori la annullano.


L'effetto cinetico di profondità

I risultati di Johannson che indicano la percezione del movimento rigido in profondità furono ottenuti con pochi semplici punti di luce. Questa semplicità è importante nella percezione del movimento rigido in profondità, oppure simili preferenze dovrebbero essere spiegate con disegni più complessi di oggetti connessi?
Wallace e O'Connell (1953) risposero a questa domanda usando una tecnica di shadow-casting per mostrare agli osservatori immagini 2D di oggetti costituiti da fili metallici angolari 3D, come illustrato in Figura 10.2.2A. Quando l'oggetto era fermo, gli osservatori riportarono di vedere cosa gli veniva effettivamente mostrato: una figura 2D sul piano della parte posteriore dello schermo proiettivo. Non appena il filo metallico iniziava a ruotare, tuttavia, la loro percezione cambiava radicalmente in quella di un oggetto di filo metallico 3D che ruota in profondità. Questo fenomeno, conosciuto come effetto cinetico di profondità (KDE: kinetic depth effect), dimostra come gli osservatori umani siano effettivamente sensibili all'informazione che un oggetto complesso stia rigidamente ruotando in profondità.
Di fatto, l'impressione della profondità e della rigidità nel KDE è molto più potente che nel semplice esempio di Johannson di poche luci disconnesse, che tende a produrre un'ambigua percezione della profondità che varia da osservatore ad osservatore.
La percezione del movimento rigido non capita per tutti gli oggetti a queste condizioni. Se l'oggetto è un filo metallico curvato armonicamente, piuttosto che costituito da spigoli vivi, la rotazione rigida in profondità spesso non è percepita. Gli osservatori riportano invece di vedere curve 2D plasticamente deformate sul piano dello schermo proiettivo (Figura 10.2.2B). Questo indica che ci sono dei limiti nell'abilità del sistema visivo nell'utilizzo di informazioni riguardo alla rigidità nella percezione del movimento in profondità. Punti unici, come ad esempio i vertici e i punti finali (ma non i punti di incrocio) sembrano giocare un ruolo importante nelle condizioni richieste per una percezione veritiera del movimento rigido.


L'euristica della profondità e il problema della corrispondenza

E' stata proposta un'analisi computazionale per spiegare il KDE e i fenomeni relati basati sull'euristica della rigidità. Lo scienziato della visione Shimon Ullman (1979) ha esaminato la geometria degli oggetti che si muovono rigidamente da una serie di immagini distinte. Egli dimostrò matematicamente che se si conosce la corrispondenza di punti da ciascun punto di osservazione al successivo e se si assume che l'oggetto è rigido, allora è possibile dedurre sia la posizione 3D sia il movimento dell'oggetto da quattro punti su piani diversi in tre distinte proiezioni ortografiche.
Questo teorema della struttura-dal-movimento, come è chiamato, procura quindi un test interno per la rigidità tra i quattro punti su piani diversi. Un sistema computazionale basato su esso può quindi discriminare il movimento rigido da quello non rigido per ogni possibile situazione di quattro punti su piani diversi da tre punti di osservazione diversi, purché le corrispondenze tra i quattro punti siano ben note.
E' interessante notare che gli osservatori umani sono capaci di riconoscere la profondità e la struttura 3D da solo due punti di osservazione usando le dimostrazioni del movimento apparente, e che l'aggiunta di altri punti cambia di poco le loro percezioni (vedi Todd, 1995, per approfondimenti).
Come è possibile che questo accada se sono logicamente richiesti tre punti di osservazione? Una possibilità è che l'analisi dei tre punti di osservazione di Ullman non renda le condizioni minime. La successiva analisi computazionale, ad esempio, ha dimostrato che con la proiezione prospettica (piuttosto che la proiezione ortografica, vedi Sezione 1.2), la struttura rigida può essere dedotta da cinque punti in soli due punti di osservazione, e l'aggiunta di un sesto punto rende unica la soluzione ottenuta (Faugeras & Maybank, 1990).
Sono necessari solo due punti di osservazione con la proiezione prospettica perché essa fornisce vincoli aggiuntivi nella struttura in profondità che non sono disponibili nella proiezione ortografica. Gli osservatori umani sono in grado di percepire la profondità e la struttura da solo due punti di osservazione del movimento rigido, anche senza l'informazione prospettica, quindi questo risultato di analisi non spiega la performance ottimale degli osservatori. Un'altra possibilità è che il sistema visivo umano applichi qualche tipo di euristiche di percezione (Braunstein, 1976). Abbiamo già incontrato molte volte in questo libro questo tipo di spiegazione, ma in questo caso non vi è un generale accordo sulla forma di queste euristiche. Una terza possibilità è che il sistema visivo umano recuperi solo l'informazione sulla profondità relativa (piuttosto che assoluta), una possibilità che è conforme con l'informazione geometrica contenuta in solo due punti di osservazione (Todd, 1995).
A prescindere da come sia risolta questa controversia, è importante tenere conto che tutte le analisi matematiche sulla struttura da movimento si basano sull'assunzione che si conosca la corretta corrispondenza dei punti dai diversi punti di osservazione. Questa assunzione è importante in quanto la giusta corrispondenza non dipende direttamente dalle due diverse immagini sulle quali si basa l'analisi. Piuttosto, il sistema visivo deve risolvere da solo questo problema di corrispondenza. Se viene risolto in modo non corretto, allora il test sulla rigidità potrebbe fallire anche quando lo stimolo è effettivamente un oggetto rigido in movimento. Questo risulta importante per capire come il KDE intervenga prontamente con oggetti di fili metallici costituiti da spigoli vivi, ma non con quelli curvati armonicamente.
La differenza cruciale, illustrata in figura 10.2.3A, è quella che quando un spigolo vivo ruota in profondità, il suo vertice è un unico punto in tutte le sue proiezioni, ad eccezione dei due per i quali l'angolo degenera in una linea retta. Di conseguenza questo unico punto può essere accuratamente identificato in ogni momento.
Quando una curva armonica ruota, come mostrato in Figura 10.2.3B, non c'è un punto chiaramente unico che può essere riconosciuto con molta precisione. Ad esempio, prendere i punti della massima curvatura delle sue diverse proiezioni 2D per i punti corrispondenti dell'oggetto 3D, è spesso una soluzione sbagliata per il problema della corrispondenza. Qualsiasi test di rigidità che si basa su una corrispondenza sbagliata fallirà, e l'osservatore percepirà qualche tipo di movimento non rigido.


L'effetto stereo-cinetico

Ci sono anche casi in cui gli osservatori percepiscono il movimento di un oggetto in profondità anche quando l'effettiva dimostrazione è quella di un oggetto che ruota rigidamente sul piano frontale. L'esempio più famoso è l'effetto stereo-cinetico (Musatti, 1924). Può essere sperimentato fotocopiando la parte interna della copertina di questo libro, tagliando la figura e ponendola su un tavolo girevole a 33 1/3rpm (giri al minuto). Guardandolo coprendo un occhio per un po', si sperimenterà il movimento di un oggetto 3D. Saranno visibili due diverse percezioni di profondità: un cono rotante che protrude fuori del tavolo girevole verso l'osservatore o un tunnel conico rotante che recede dentro il tavolo girevole. Entrambi producono le intense impressioni della profondità da movimento. Questo sembra essere un fenomeno che lascia perplessi rispetto all'ipotesi sulla rigidità in quanto la figura è sottoposta effettivamente ad una rigida rotazione 2D. Perché il sistema visivo non dovrebbe preferire questa veritiera interpretazione 2D ad una illusoria interpretazione in profondità?
Ancora, l'elemento cruciale è che se un movimento dato è rigido o no, dipende in modo critico dalla natura della corrispondenza che viene assegnata durante il movimento. Si guardi il problema della corrispondenza che emerge dall'effetto stereo-cinetico mostrato in Figura 10.2.4. La parte A indica la dimostrazione dello stimolo iniziale, le parti B e C mostrano le due corrispondenze alternative dopo che il tavolo girevole ha compiuto una rotazione di 90°.
L'interrogativo è: quali punti nel secondo disegno corrispondono ai punti mostrati nel primo? Gli effettivi punti corrispondenti sono quelli mostrati nella parte B, perché l'intero disegno è ruotato rigidamente. Ma i cerchi nel disegno non contengono punti unici, e quindi non c'è una prova che sostenga questa particolare corrispondenza nei confronti di altre. Un'altra possibilità è mostrata nella parte C: se il sistema visivo interpreta i cerchi come se facessero un semplice movimento di traslazione in percorsi circolari (piuttosto che come se ruotassero attorno al punto centrale), allora i punti più alti dei cerchi corrisponderebbero sempre ad essi stessi, come indicato nella corrispondenza A-C. Ci si aspetterebbe questo se il sistema visivo preferisse semplici traslazioni alle rotazioni in assenza di prove specifiche di rotazione.
L'osservazione importante nel comprendere perché emerga l'effetto stereo-cinetico è che, benché nella corrispondenza A-B vi sia davvero rigidità nel piano del disegno, questo non accade nella corrispondenza A-C. Il semplice fatto che i punti siano più lontani in C che in A dimostra che questa corrispondenza non riflette il movimento rigido sul piano frontale. Potrebbe tuttavia essere rigido, se questi punti fossero posizionati a profondità diverse, e questo è ciò che normalmente si percepisce dopo aver visto il movimento per poco tempo. Quindi, il modo particolare in cui il sistema visivo percepisce inadeguatamente il movimento rigido 2D è stranamente coerente con l'euristica della rigidità. La percezione è quella di un oggetto in movimento rigido, ma in 3D piuttosto che in 2D.
Se una soluzione sbagliata al problema della corrispondenza è responsabile dell'effetto stereo-cinetico, allora esso dovrebbe venire soppresso dai cambiamenti degli stimoli che permettono al sistema visivo di raggiungere corrispondenze chiare e corrette. La prova di queste ipotesi è alquanto confusa. Se i cerchi sono sostituiti con altre figure aventi punti unici - per esempio esagoni o quadrati -, l'effetto stereo-cinetico solitamente scompare e gli osservatori percepiscono il disegno di un piano rotante (Rock). I vertici permettono che il problema della corrispondenza sia risolto correttamente, rendendo una percezione veritiera della rotazione 2D.
Tuttavia, non si otteneva lo stesso risultato quando i cerchi erano costituiti da linee a puntini che avrebbero lo stesso fornito dei punti unici (Musatti, 1975; Proffitt, Rock, Hecht, & Schubert, 1992).
Invece di guardare la rotazione veritiera su un piano di cerchi costituiti da puntini inseriti l'uno nell'altro, gli osservatori riportarono di aver visto un cono rotante in profondità mentre i puntini giravano attorno ai contorni! Anche la spiegazione di questo fenomeno non è chiara, è possibile che la percezione della rotazione globale e della profondità sia governata dalle informazioni della bassa frequenza spaziale (vedi Paragrafo 4.2) e la rotazione locale dei puntini dall'informazione dell'alta frequenza spaziale (Proffitt, Rock, Hecht, & Schubert, 1992).


Percezione del movimento non rigido

Ci sono altri esempi in cui l'ambiguità nella soluzione del problema della corrispondenza porta all'inattesa percezione di un movimento non rigido. Una dimostrazione è data dalle tre ellissi incassate una dentro l'altra (Figura 10.2.5) poste su un piano rotante. Quando esso gira, le ellissi girano rigidamente insieme ad esso. In un primo momento, si percepirà questa rotazione rigida; ma dopo una breve osservazione, la percezione probabilmente cambierà. Le ellissi inizieranno ad apparire come se fossero ellissi che subiscono delle distorsioni plastiche (allargamenti e schiacciamenti) come se si muovessero piuttosto che ruotare rigidamente (Wallach, Weisz, & Adams, 1956).
Ancora, queste diverse percezioni si possono spiegare attraverso diverse soluzioni al problema della corrispondenza. Se i punti di massima curvatura vengono considerati come corrispondenti nel tempo, come illustrato in Figura 10.2.5A, le ellissi verranno percepite come se ruotassero rigidamente. Tuttavia, se invece la corrispondenza è data dalla direzione dei punti rispetto al centro della figura (ad esempio, il punto più alto, come illustrato in Figura 10.2.5B), allora il movimento che verrà percepito sarà assolutamente non rigido. A differenza che nell'effetto stereo-cinetico, non c'è una soluzione di profondità che conservi la rigidità, e quindi è percepita la deformazione plastica sul piano frontale.
Un sostegno per questa spiegazione viene ancora dalla scoperta di cosa avviene con altre forme aventi punti unici non ambigui. Se le ellissi vengono sostituite con dei rettangoli, per esempio, i cui vertici cono unici e percepiti come corrispondenti nel tempo, la rotazione rigida viene percepita con nessun accenno di deformazione.
Tuttavia, se le figure rettangolari sono usate in una dimostrazione del movimento apparente, come mostrato in Figura 10.2.6, l'ambiguità del movimento ritorna. Senza le informazioni provenienti dagli orientamenti intermedi del rettangolo, ora c'è ambiguità per quanto riguarda la corrispondenza dei vertici. In una soluzione possibile, la rotazione apparente è percepita (Figura 10.2.6A), in un'altra sono percepiti gli apparenti allargamenti e schiacciamenti (Figura 10.2.6B). La percezione dominante dipende in parte dal rapporto lunghezza/larghezza del rettangolo. Come ci si può aspettare, più il rettangolo è vicino al quadrato, più è forte la tendenza a percepire la deformazione; più esso è allungato, più è forte la tendenza a vederlo ruotare (Palmer).
Appare quindi che nel capire la percezione degli oggetti in movimento vi siano due importanti fattori da considerare, cioè la rigidità dell'oggetto che subisce il movimento e la disponibilità di punti unici che possono essere usati per determinare la corretta soluzione al problema della corrispondenza. Quando due punti unici, come i vertici o le estremità delle linee, sono disponibili in modo continuo e non ambiguo, viene quasi sempre percepito il veritiero movimento rigido. Quando dei punti unici non sono disponibili (come nelle curve armoniche) o sono disponibili solo a intermittenza (come nelle dimostrazioni del movimento apparente), la soluzione al problema della corrispondenza è ambigua, essendo il risultato di diverse percezioni dello stesso oggetto impegnato in diversi movimenti in diversi momenti.

 

 

10.2.3 MOVIMENTO APPARENTE A LUNGO RAGGIO

Nella discussione sul movimento apparente all'inizio di questo capitolo, è stata fatta una distinzione tra i casi di piccola e di lunga portata (Braddick, 1974). Mentre il movimento apparente di piccola portata sembra coincidere con i processamenti del movimento a livello di immagini, il movimento apparente di lunga portata è associato con il processamento a livello di oggetti, che ora verrà considerato.


Rotazione apparente

Molti affascinanti fenomeni sul movimento apparente a livello di oggetti arrivano dagli esperimenti fatti nel laboratorio dello psicologo Roger Shepard alla Stanford University. Uno dei fenomeni più interessanti e ben studiati è quello della rotazione apparente.
L'indagine iniziale di Shepard e Judd (1976) dimostrava il fenomeno di base e rivelava che si tratta fondamentalmente di una percezione 3D basata sull'oggetto. Ai soggetti venivano presentati disegni diversi dello stesso oggetto 3D da differenti prospettive.
Come illustrato in Figura 10.2.7, le immagini erano disegni lineari di oggetti composti da una serie di cubi attaccati. Qualche coppia era costituita da rotazioni sul piano dello stesso oggetto (Figura 10.2.7A), e altre da rotazioni 3D di questi oggetti in profondità (Figura 10.2.7B). Quando queste coppie vengono presentate in modo alternato con un ritmo appropriato, esse danno origine ad una chiara e intensa percezione di un oggetto singolo che ruota rigidamente avanti e indietro. Quando sono alternate troppo velocemente, tuttavia, la percezione di una rotazione rigida crolla, o perché le due visioni sembrano essere sovrapposte e tremolanti, o perché la forma dell'oggetto sembra distorcersi quando mossa, piuttosto che restare rigida.
Per studiare i processi sottostanti la rotazione apparente, Shepard e Judd (1976) stabilirono il più veloce ritmo alternato al quale ciascun osservatore riferiva di vedere il movimento armonioso di un singolo oggetto. Le medie di questi risultati, mostrate in Figura 10.2.8, dimostrano che la durata più corta del disegno della rotazione rigida percepita aumenta in modo lineare con la differenza angolare fra le due prospettive.
Questo risultato suggerisce fortemente che il processo sottostante alla rotazione apparente sia un processo analogo, cioè un processo continuo che richiede del tempo per passare attraverso orientamenti intermedi, così come fanno gli oggetti reali quando ruotano (vedi anche Robins & Shepard, 1977).
I risultati dimostrarono anche che l'incremento lineare era di fatto identico per le coppie relative alle rotazioni sul piano e quelle in profondità. Questo indica che il movimento percepito dai soggetti non poteva essere adeguatamente descritto nei termini delle trasformazioni che si presentano nell'immagine 2D. Piuttosto, le trasformazioni devono avere luogo in una rappresentazione interna dello spazio tridimensionale.
Queste scoperte sulla rotazione apparente ricordano in modo straordinario la terza legge di Korte sul movimento apparente di due punti: man mano che la separazione tra le due luci aumenta, il ritmo alternato deve rallentare corrispondentemente (cioè la durata di ciascuna immagine deve aumentare). Le uniche differenze sono che la percezione è di una rotazione apparente piuttosto che di una traslazione apparente e che il relativo stimolo variabile è la differenza angolare nell'orientamento piuttosto che la differenza lineare nella posizione.
Sembra quindi che il sistema visivo rappresenti il movimento come se accadesse nel mondo esterno e che vi sia un certo ritmo massimo sotto il quale possono avere luogo certe trasformazioni spaziali interne. Nel caso della rotazione apparente, tuttavia, vi è il fatto interessante che la relazione rimane per le trasformazioni rigide che mantengono la forma dell'oggetto.
Perciò i risultati di Shepard e Judd forniscono un'ulteriore prova all'importanza dell'euristica della rigidità: la preferenza del sistema visivo a percepire il movimento rigido piuttosto che deformazioni plastiche.
Tuttavia, come abbiamo trovato in altri casi della percezione e del movimento potenzialmente rigido, questa preferenza per la rotazione rigida non è assoluta. A ritmi ad alternanza rapida, i soggetti di Shepard e Judd riferirono di un movimento sostanzialmente non rigido. Sembra quindi che la preferenza per il movimento rigido venga espressa percettivamente solo se c'è il tempo sufficiente per l'analogo processo sottostante a completare internamente la trasformazione appropriata. Carlton e Shepard (1990a, 1990b) hanno formalizzato questa relazione in un modello geometrico sulle seguenti tre idee che disegnano i movimenti degli oggetti in percorsi geometrici in uno spazio multi-dimensionale.

1. Iperspazio del movimento. Le rotazioni rigide di un oggetto in tre dimensioni possono essere modellate come una superficie sferica a tre dimensioni (o ipersfera) all'interno di uno spazio multidimensionale (o iperspazio) di tutti i possibili movimenti. Ciascun movimento continuo può essere rappresentato come un percorso continuo all'interno dello spazio multidimensionale, ma il percorso si estenderà interamente sulla superficie dell'iperspazio rotazionale solo se la trasformazione è una rotazione rigida. Ogni parte del percorso che si estende fuori dalla superficie dell'iperspazio corrisponde al movimento non rigido.

2. Attraversamento del percorso. I due punti di percezione dello stesso oggetto in un disegno di rotazione apparente corrispondono a due punti all'interno dello spazio multidimensionale, ed entrambi si estendono nell'iperspazio della rotazione rigida. Il sistema visivo interpreta il movimento apparente attraversando uno dei molti percorsi possibili tra questi due punti. Diversi percorsi corrispondono a diversi movimenti percepiti.

3. Massima velocità. Il movimento rigido apparente sarebbe percepito se e solo se il ritmo alternato sarà sufficientemente lento da far sì che il percorso più corto lungo la superficie della rotazione rigida possa essere attraversato a o sotto una velocità massima nel tempo disponibile nell'intervallo tra gli inizi dei due disegni. Se questo tempo non è abbastanza lungo, sarà seguito un percorso più corto che non si estende sulla superficie, producendo di conseguenza la percezione di un movimento non rigido.

La Figura 10.2.9 dà una rappresentazione di queste idee. I due punti aperti rappresentano due punti di osservazione dello stesso oggetto posto sulla superficie dell'ipersfera rotazionale (il cerchio grigio). Le linee dritte segnate con a e b sono possibili percorsi lungo la superficie di rotazione rigida, dove a rappresenta la possibile rotazione rigida più corta e b quella più lunga. La linea tratteggiata c rappresenta una rotazione non rigida su di un percorso più corto che non si estende sulla superficie dell'ipersfera.
Secondo la teoria di Shepard (1981), la percezione preferita è quella di una rotazione rigida lungo il percorso a, ammesso che ci sia tempo sufficiente per attraversarlo. Tuttavia, se il ritmo dell'alternanza fosse troppo rapido, verrebbe percepito il movimento non rigido e più corto del percorso c.
Nel movimento apparente 3D risultano anche altre trasformazioni spaziali, specialmente dilazioni (cambi di misura). Usando tecniche simili a quelle di Shepard e Judd (1976), Bundensen, Farrell, e Larson (1983) dimostrarono che quando delle figure che differiscono solo nella misura sono alternate in un disegno di movimento apparente, gli osservatori di solito le percepivano come se si muovessero avanti e indietro in profondità, piuttosto che come se diventassero più grandi e più piccole. Quando era misurato il tempo minimo per raggiungere il movimento armonioso in profondità, esso risultava aumentare in modo approssimativamente lineare con la distanza nella terza dimensione.
Perciò abbiamo ancora una dimostrazione sulla terza legge di Korte, questa volta per quanto riguarda il movimento in profondità. In generale, sembra che man mano che aumenta la distanza trasformazionale, il tempo che intercorre tra le immagini debba aumentare in corrispondenza (cioè, il ritmo alternato debba decrescere).


Movimento apparente curvo

Nel tentativo di spiegare gli esempi del movimento apparente discussi finora, l'analogia del movimento apparente dei due punti sul percorso più corto (cioè la linea retta) ha giocato un ruolo importante. Sono state analizzate altre trasformazioni come equivalenti, ed è stata in generale adottata l'assunzione del percorso più corto.
La questione che tratteremo ora è se il movimento apparente tra due punti segue necessariamente un percorso diritto o se ci sono condizioni che possono indurre alla percezione di un movimento curvo.
Abbiamo già trattato un fenomeno che implica il movimento apparente curvo: la rotazione apparente. Si consideri, ad esempio, un disegno di un movimento apparente in cui si alternano due linee a diversi orientamenti (Figura 10.2.10). Una percezione possibile sarebbe una traslazione lungo un percorso di una linea retta da sinistra verso destra, con una contemporanea rotazione in senso orario attorno al centro della linea (Figura 10.2.10A). Questa traiettoria minimizzerebbe il lavoro richiesto per muovere l'oggetto ma non produrrebbe delle traiettorie curve di punti. Una seconda possibilità sarebbe una rotazione globale intorno a un punto sotto le due linee in cui i punti della linea seguono i percorsi curvi (Figura 10.2.10B).Questa traiettoria minimizza il movimento nella geometria cinematica, come affermato dalla teoria di Carlton e Shepard descritta sopra. Le persone percepivano la seconda alternativa con traiettorie curve (Foster, 1975), una scoperta che dimostra che il movimento apparente curvo è effettivamente possibile e che ciò che viene minimizzato nel movimento apparente non è il lavoro.
In questo caso il movimento apparente curvo era provocato dalla rotazione. Ma può avvenire nella traslazione pura? Un modo è quando una "barriera", ad esempio un segmento, viene posta tra due punti che sono in apparente movimento sul piano (vedi Figura 10.2.11). Piuttosto che percepire i punti come passanti "attraverso" la barriera in una linea retta, il sistema visivo preferisce vedere il punto come se si muovesse in profondità attorno alla linea (Kolers & Pomerantz, 1971). Qui, il percorso curvo non è nel piano, ma nella terza dimensione.
Un altro modo per provocare un percorso curvo di traslazione è attraverso il movimento apparente guidato da un percorso (Shepard & Zare, 1983). In questo fenomeno, viene brevemente flashato un percorso grigio tra i due punti neri alternati, come illustrato nella Figura 10.2.12A. Ciò che risulta è un movimento apparente tra i due punti che segue il percorso creato dalla regione grigia. Se quel percorso è curvo, il punto segue il percorso curvo (Figura 10.2.12B).
Data la terza legge di Korte, non sorprende che più è lungo il percorso, più tempo è necessario per percepire il movimento armonioso continuo lungo il percorso, anche se i due punti sono separati da una distanza fissa di una linea retta.
I punti possono anche produrre un cerchio chiuso, cosicché le loro posizioni iniziali e finali sono le stesse, posto che vi sia un tempo sufficiente disponibile al sistema visivo per attraversare questo percorso più lungo (Figura 10.2.12C).
Shepard (1984) interpretò il risultato di questi studi sul movimento apparente come una prova che il sistema visivo abbia interiorizzato la struttura dei movimenti che gli oggetti subiscono nel mondo reale a un livello così alto da permettergli di completare il movimento più probabile nei disegni di movimento apparente. Per esempio, esso preferisce il movimento rigido a quello non rigido, probabilmente perché ha imparato dall'esperienza che i movimenti più probabili sono di fatto quelli rigidi (o almeno parzialmente rigidi).
In base a questo ragionamento, l'organismo impara la struttura del movimento del suo ambiente nello stesso modo in cui impara a dedurre la profondità dalle prove nelle immagini retiniche 2D.
Questo è un esempio di un approccio Helmoltziano sulla verosimiglianza nella percezione del movimento apparente: l'organismo deduce il movimento più verosimile che può essersi verificato date le due immagini che sono state di fatto presentate in modo alternato.
Tuttavia c'è una diversa interpretazione dei risultati nei termini del principio della Pregnanza della Gestalt: il percetto sarà più semplice più lo permetteranno le condizioni prevalenti. Esso riguarda la preferenza per la percezione del movimento rigido perché i movimenti rigidi sono più semplici dei non rigidi nel senso che richiedono meno parametri per essere descritti.
La difficoltà nel distinguere queste due ipotesi sorge dal fatto che il mondo in cui viviamo tende ad essere informativamente semplice. I movimenti rigidi, ad esempio, sono sia frequenti che semplici.
Una prova contro l'approccio della semplicità è il fatto che il movimento apparente curva in profondità attorno ad una barriera piuttosto che passare semplicemente attraverso di essa. Intuitivamente, almeno, questo movimento curvo sembra essere il più probabile delle due possibilità piuttosto che il più semplice, benché non siano chiari quali parametri addizionali sarebbero richiesti in una collisione con la barriera.
Una prova contro un severo approccio di verosimiglianza è che alcune limitazioni fisiche sul movimento reale, come ad esempio la velocità acquisita, non hanno grande effetto sul movimento apparente. Per esempio, se un rettangolo è presentato dapprima in orientamento verticale e poi in orizzontale, la rotazione apparente che ne risulta è logicamente ambigua: potrebbe ruotare sia in senso orario che antiorario attorno al proprio centro per arrivare alla seconda posizione.
Il fatto interessante è che non è importante in quale direzione viene percepito ruotare all'inizio, in quanto viene costantemente percepito come ruotante all'indietro sullo stesso percorso alla seconda presentazione del rettangolo verticale. Questo avviene raramente nel mondo fisico, in quanto ci si aspetterebbe che il rettangolo continuasse a ruotare nella stessa direzione dovuta alla velocità acquisita.*

Se il sistema visivo ha sicuramente interiorizzato le limitazioni ecologiche del movimento, non ha modellato tutti gli aspetti fisici del movimento, ma solo ciò che può essere percepito direttamente attraverso la vista. Shepard (1984) lo chiama il campo della cinematica visiva.

*C'è un fenomeno conosciuto come la velocità rappresentazionale acquisita che si verifica nella memoria
visiva per la posizione di oggetti appena visti; sarà discussa nella Sessione 12.1.5. La mancanza degli effetti della velocità acquisita nei disegni del movimento apparente deve essere tuttavia tenuta di conto contro le ipotesi che il sistema visivo abbia di fatto interiorizzato certi limiti fisici.


Condizioni per il movimento apparente a lungo raggio

Discutendo sui modelli fisiologici e computazionali del movimento apparente di piccola portata, abbiamo esaminato la natura dei cosiddetti rivelatori di movimento: cellule che rispondono in modo selettivo al movimento in una direzione particolare.
Un'importante caratteristica di questi rivelatori è che la simulazione di posizioni certe sulla retina a certi ritmi di alternanza costituisce le condizioni necessarie e sufficienti perché si attivino. Accade lo stesso per il movimento apparente di lunga portata?
Anche se non conosciamo ancora il meccanismo sottostante al movimento di lunga portata, un classico esperimento di Rock e Ebenholtz (1962) ha dimostrato che lo spostamento retinico non è in effetti una condizione necessaria per il movimento apparente di lunga portata.
Fecero vedere ai soggetti un tipico disegno di movimento apparente, in cui due punti si accendevano e si spegnevano ad un ritmo alternato relativamente lento. Quando era visto in condizioni normali, questo disegno dava una chiara impressione (anche se non ottimale) del movimento apparente. Ma invece di chiedere ai soggetti di mantenere fisso il loro sguardo, come nelle normali procedure per il movimento apparente, Rock e Ebenholtz chiesero ai soggetti di muovere gli occhi avanti e indietro sul ritmo di un metronomo cosicché i punti che lampeggiavano alternativamente stimolassero sempre la fovea. Così non avveniva alcuno spostamento retinico quando i punti si alternavano. Nonostante ciò, quei soggetti che erano in grado di muovere gli occhi nel modo richiesto percepivano automaticamente il movimento tra i due punti.
Come è possibile vedere il movimento apparente quando non c'è spostamento retinico? Si può rispondere se si considerano il ruolo dei movimenti dell'occhio e della costanza di posizione propri di questa situazione. Si è visto nel Capitolo 7 che la posizione percepita di un oggetto dipende non solo dalla posizione della retina, ma anche dalla sua integrazione con le informazioni sulla posizione dell'occhio; quindi, sebbene non ci fosse uno spostamento retinico dei punti nelle condizioni dell'esperimento di Rick e Ebenholtz (1962), c'era tuttavia uno spostamento fenomenico, in quanto i meccanismi sottostanti la costanza di posizione integrano i movimenti oculari con la posizione della retina. Questo risultato dimostra quindi come il movimento apparente di lunga portata possa accadere dopo la costanza di posizione.
Le scoperte di Rock e Ebenholtz dimostrano che lo spostamento retinico non è necessario per la percezione del movimento apparente, ma è almeno sufficiente? Vale a dire, se due diverse posizioni retiniche vengono alternativamente stimolate con il ritmo adatto, il movimento apparente viene sempre percepito?
Sigman e Rock (1974) fecero un ingegnoso esperimento per rispondere a questa domanda. Essi dimostrarono che la stimolazione alternata di due diverse posizioni retiniche potrebbe produrre un movimento apparente solo se l'apparizione e la sparizione dei punti fosse altrimenti inspiegabile.
Per questo disposero delle condizioni stimolo in cui vi fosse una spiegazione migliore dell'apparizione e sparizione dei punti: venne mostrato un rettangolo che si muoveva continuamente avanti e indietro, che alternativamente copriva i due punti, come mostrato in Figura 10.2.13A.
Quando i soggetti vedevano i punti alternarsi da soli, percepivano un chiaro movimento apparente. Ma quando veniva aggiunto il rettangolo che si muoveva, essi non vedevano il movimento dei punti. Piuttosto, essi riportarono di percepire due punti spazialmente distinti che venivano alternativamente coperti e scoperti dal rettangolo quando esso si muoveva avanti e indietro.
Si sarebbe potuto obiettare che il bordo del rettangolo che si muoveva avanti e indietro sulle posizioni dei punti fosse in un qualche modo responsabile nel coprire il movimento apparente. Sigman e Rock (1974) obiettarono a questa supposizione usando un disegno in cui lo stesso rettangolo si muoveva avanti e indietro nello stesso modo, solo che si muoveva troppo velocemente, cosicché avrebbe dovuto scoprire ancora il punto quando tornava indietro (Figura 10.2.13B). Poiché non lo faceva, il movimento del rettangolo non ha più fornito una spiegazione dell'apparizione e sparizione dei punti, e i soggetti riportarono di aver visto un'altra volta un movimento apparente tra i punti.
Un'ulteriore prova del fatto che il bordo del rettangolo che copriva i punti non aveva responsabilità sull'ostruzione del movimento apparente era che veniva ottenuto lo stesso effetto con un rettangolo illusorio, come mostrato in Figura 10.2.13C. Qui non c'è per niente un bordo luminoso che copre i punti che si alternano, eppure il rettangolo illusorio è riuscito ad eliminare la percezione del movimento apparente.
Qualsiasi siano i meccanismi che sottostanno al movimento apparente di lunga portata, devono essere molto più complessi dei semplici circuiti sensibili al movimento che abbiamo discusso a proposito del movimento apparente di piccola portata.
Per essere coerenti con i fenomeni qui descritti, i meccanismi del movimento apparente di lunga portata dovrebbero essere sensibili a fenomeni che sembrano di alto livello, come la rigidità degli oggetti, la costanza di posizione e gli eventi di occlusione e disocclusione. Finora nessuno ha ideato una teoria di base sul movimento apparente di lunga portata che possa spiegare tutti questi risultati.

Collaborators

I am the leader of the Neuromorphics Lab, a highly collaborative lab with connections across both academia and industry.