Assessing successful reproduction of egocentric and allocentric spatial representations using virtual reality / Оценка успешности воспроизведения эгоцентрических и аллоцентрических пространственных репрезентаций при использовании систем ВР

Menshikova G.Ya., Savelyeva O.A., Kovyazina M.S. (2018) Assessing successful reproduction of egocentric and allocentric spatial representations using virtual reality National Psychological Journal, [Natsional’nyy psikhologicheskiy zhurnal], 11(2), 113–122 / Меньшикова Г.Я., Савельева О.А., Ковязина М.С. Оценка успешности воспроизведения эгоцентрических и аллоцентрических пространственных репрезентаций при использовании систем виртуальной реальности // Национальный психологический журнал. – 2018. – №2(30). – С. 113–122

Способность адекватно оценивать пространственные свойства окру­жающей среды играет важную роль в повседневной жизни, поскольку позволяет человеку без затруднений пе­ремещаться в знакомой и незнакомой местности, оценивать взаимное распо­ложение объектов и запоминать их ло­кализацию. Формирование пространст­венных представлений является базовой когнитивной функцией, лежащей в ос­нове не только восприятия, но и других когнитивных процессов: пространствен­ной памяти (spatial memory), пространст­венного интеллекта (spatial intelligence), пространственного внимании (spatial attention) и др. Изучение психологиче­ских закономерностей, обеспечиваю­щих успешное кодирование пространст­венной информации, является одной из важных задач многих отраслей психоло­гической науки: психологии обучения, когнитивной и социальной психологии, психологии спорта. В частности, в по­следнее время резко возросла необходи­мость разработки методов диагностики и коррекции нарушений пространствен­ных представлений в области психо­логической реабилитации (Dobrushina, Varako, Kovyazina, 2016; Ковязина, Варако, Рассказова, 2017).

Впервые предположение об особом типе интеллекта, ответственном за вос­приятие пространства, было высказано Э. Терстоуном (Thurstone, 1924). Этот тип был назван пространственным фактором интеллекта и определен как способность оперировать мысленными пространст­венными образами, схемами и моделями реальности. Функционально выделенный фактор отвечал за успешность и скорость восприятия пространственных отноше­ний, а также за способность мысленно манипулировать зрительными образами. Позднее понятие пространственного интеллекта было развито в работах Х. Гар­днера (Gardner, 1996), в которых он по­нимался как способность воспринимать и модифицировать пространственную информацию, а также воссоздавать зри­тельные образы без обращения к реаль­ным стимулам. Отмечалось, что характерными свойствами мысленных образов является их трехмерность и способность подвергаться мысленному перемещению и вращению. Для изучения пространст­венных свойств мысленных образов была сформулирована проблема перцептивной конгруэнтности, суть которой состояла в выявлении закономерностей метриче­ской соотнесенности реальных простран­ственных сцен и их ментальных образов. Ее изучением занимались многие запад­ные (Марр, 1986; Ричардсон, 2006; Kosslyn et al., 2006) и отечественные исследователи (Веккер, 1998; Величковский, 2006). Они экспериментально показали, что мыслен­ные репрезентации не являются точным слепком реальных сцен, и их пространст­венные свойства зависят от многих пси­хологических факторов. Например, было показано, что метрика пространственных репрезентаций искажается в зависимости от того, насколько знаком путь прохожде­ния, а также под действием фактора конфигурации окружающих ориентиров (Ве­личковский и др., 1986). Другим примером является исследование формирования когнитивных карт пространства в вирту­альных средах, где был выявлен феномен «сжатия» пространства под воздействием негативных эмоциональных состояний субъекта (Меньшикова и др., 2014).

В научной литературе выделяют два типа пространственных репрезента­ций, кодирующих информацию о рас­положении объектов: эгоцентрические репрезентации (ЭР) и аллоцентриче­ские репрезентации (АР) (Klatzky, 1998). В первом типе положение объектов кодируется относительно наблюдателя, при этом точка начала координат распола­гается на теле наблюдателя. Во втором типе местоположение объектов кодиру­ется друг относительно друга, а локализа­ция объектов осуществляется безотноси­тельно позиции наблюдателя. Основные принципы кодирования пространствен­ной информации в ЭР и АР блоках про­странственной памяти представлены на рис. 1.


Рис. 1. Кодирование пространственной информации в аллоцентрическом (слева) и эгоцентрическом (справа) блоках пространственной памяти.

Актуализация информации посред­ством данных каждого из блоков тесно связана с выполняемыми субъектом зада­чами. Так, данные блока ЭР, как правило, более важны в таких задачах, как «достать рукой» или «присесть на стул». Однако в задачах «дойти из пункта А в пункт Б» или «переставить вазу в другое место» бо­лее важную роль должны играть данные аллоцентрической системы кодирования.

Разработка моделей кодирования про­странственной информации проводилась при изучении процессов долговременной памяти. В одних моделях пространствен­ной памяти предполагалось, что локали­зация и взаимная ориентация объектов кодируется сначала в блоке ЭР, а затем пересчитывается в блок АР с учетом измене­ния положения наблюдателя при навига­ции в среде (Wang, Spelke, 2000). Позднее была предложена модель параллельной обработки пространственной информа­ции в ЭР и АР блоках, причем, предпола­галось, что соотношение их вкладов ди­намически меняется в зависимости от решаемой субъектом задачи (Burgess, 2006). Позднее были высказаны предпо­ложения о приоритете блока АР, которые основывались на современных поведен­ческих, нейропсихологических и нейро­физиологических данных о кодировании пространственной информации (Filimon, 2015). В настоящее время большинст­во исследователей согласны с тем, что в процессе обработки актуальной про­странственной информации одновремен­но участвуют оба типа кодирования. Од­нако мнения исследователей расходятся относительно роли тех факторов, кото­рые определяют вклад каждого из блоков в процесс кодирования пространствен­ной информации в долговременной па­мяти. Проведенный нами анализ научной литературы показал, что вопрос о роли ЭР и АР блоков в процессе формирования образов в кратковременной памяти не ис­следовался.

При изучении особенностей функци­онирования пространственной памяти активно дискутировался вопрос о точно­сти кодирования пространственной ин­формации. Основные результаты в этом направлении были получены при изуче­нии особенностей формирования когни­тивных карт пространства в долговремен­ной памяти (Tolman, 1948; Найссер, 1981; Wang, Spelke, 2002; Rinck, Denis, 2004). При использовании методов прямой и кос­венной реконструкции воспринимаемо­го пространства было выявлено, что мен­тальные карты пространства (особенно знакомого пространства) достаточно точ­но отображают свойства окружающего пространства. Эти данные позволили вы­сказать предположение о том, что меж­ду окружающей средой и ее ментальным отображением существует структурное подобие, обозначенное как изоморфизм второго порядка (Shepard, Chipman, 1970). Наличие механизма изоморфного ото­бражения показывает значимую роль ко­дирования не только топографических, но и метрических свойств среды. Были по­лучены и многочисленные данные о сис­тематических искажениях при запомина­нии пространственных отношений между объектами. Так, было показано, что ког­нитивные карты пространства носят скорее обобщенный и схематичный харак­тер. Это проявляется, в частности, в том, что в ментальных образах более адекват­но представлена топологическая и менее точно метрическая информация (Велич­ковский, 2006). Были высказаны пред­положения о том, что несоответствия в оценке расстояний и направлений могут быть связаны с когнитивными принци­пами организации информации (Tversky, 1992). Одним из источников ошибок мо­жет являться иерархическая структура когнитивных карт, согласно которой бо­лее точно отображаются пространствен­ные факторы, занимающие в иерархии более высокое положение (ориентиры, пересечения, направления), тогда как фак­торы, относящиеся к низкой иерархии, могут отображаться менее точно. Также причиной искажений пространственных репрезентаций может являться неадекват­ная интерпретация признаков глубины и удаленности. Следует отметить, что ука­занные ошибки принципиально не могут быть нивелированы, из чего следует, что любая мысленная репрезентация облада­ет неточностями.

В ряде работ изучались характери­стики кодирования пространственной информации в кратковременной памя­ти при использовании специальной ме­тодики мысленного вращения (Shepard, 1971). Полученные результаты позволи­ли сделать вывод о том, что зрительные образы хранятся, скорее всего, в виде зрительных кодов, сохраняющих метри­ческие свойства реального пространства, их можно мысленно сканировать, при­чем, время сканирования зависит от воспринимаемых размеров образа и слож­ности его пространственной структуры. Процессы кодирования пространствен­ной информации в кратковременной памяти рассматривались в работах Поз­нера и его коллег (Posner, Boies, 1971). Ре­зультаты проведенных им исследований позволили выделить самостоятельный блок визуально-пространственной ма­трицы, имеющей две составляющие: ви­зуальную (яркость, форма, цвет, размер) и пространственную (местоположение, взаимное расположение). Согласно пред­ложенной модели, осуществляется коди­рование пространственной информации о взаимном расположении объектов сце­ны. Возникает вопрос о том, какие меха­низмы используются в кратковременной памяти для кодирования пространственной информации? Существуют ли в кратковременной памяти рассмотрен­ные выше ЭР и АР типы пространствен­ных репрезентаций? Ответ на этот во­прос может быть утвердительным, если обратиться к теории уровней переработ­ки информации, предложенной Ф. Крэй­ком и Р. Локхардом (Craik, Lockhart, 1972). Авторы высказали гипотезу о том, что не существует кратковременной и дол­говременной памяти в виде отдельных структур со своими специфическими за­кономерностями обработки информа­ции, напротив, структура памяти едина и имеет общие механизмы функциони­рования. Используя эту гипотезу, можно предположить, что в кратковременной памяти (так же, как и в долговременной) формируются эгоцентрические и аллоцентрические репрезентации, которые могут отличаться по точности кодирова­ния пространственной информации. Это предположение основано на гипотезах о временных ограничениях обработки информации в кратковременной памяти, а также о функциональных особенностях работы эгоцентрического и аллоцентри­ческого блоков кодирования. Например, в модели долговременной пространст­венной памяти Р. Ванга и Е. Спелке (Wang, Spelke, 2000), точность формирования аллоцентрической репрезентации зави­сит не только от эффективности коди­рования эгоцентрической информации, но и от эффективности работы промежу­точного модуля, в котором обрабатыва­ется информация об особенностях изме­нения эгоцентрических репрезентаций в процессе навигации. В модели под­черкивалась важность этого модуля, по­скольку предполагалось, что именно он отвечает за точность перекодирования эгоцентрических репрезентаций, сфор­мированных на более раннем сенсорном уровне, в более поздние абстрактные ал­лоцентрические репрезентации.

Для изучения процессов кодирова­ния пространственной информации в ЭР и АР блоках необходимо найти ме­тоды оценки точности кодирования и дальнейшего воспроизведения информации, сохраненной в ЭР и АР блоках кратковременной памяти. Для этого на этапе планирования эксперимента были разработаны: во-первых, метод предъ­явления объектов в задаче запоминания и последующего воспроизведения слож­ных трехмерных сцен, во-вторых, метод оценки успешности воспроизведе­ния пространственных репрезентаций и, в-третьих, метод анализа успешности воспроизведения пространственных ре­презентаций.

В последнее время для изучения ког­нитивных процессов (восприятия, вни­мания, памяти) все чаще стали ис­пользоваться современные цифровые технологии, среди которых одной из на­иболее эффективных считается техноло­гия виртуальной реальности (Zinchenko et al., 2015; Smith, 2015; Menshikova et al., 2017). Ее применение позволило най­ти новые способы решения научных и прикладных задач, которые было не­возможно или затруднительно решать при помощи классических методов пси­хологического исследования. Мы пред­положили, что наиболее адекватным для предъявления объектов в задачах запо­минания и последующего воспроизве­дения трехмерной сцены является ис­пользование технологии виртуальной реальности, поскольку она обладает ря­дом неоспоримых преимуществ при ре­шении наших задач. К ним следует отне­сти высокую экологическую валидность, возможность предъявления трехмерных сцен, возможность манипуляции вирту­альными объектами, широкий обзор зре­ния и др. (Зинченко и др., 2010).

Описание исследования

В качестве метода оценки успешно­сти воспроизведения пространственных репрезентаций нами был выбран метод реконструкции, модифицированный в соответствии с нашими целями и задачами. Классический метод реконструк­ции состоит в оценке правильности вос­произведения зрительно предъявленного ряда стимулов при использовании раз­личных приемов экстериоризации рас­положения объектов среды. Мы модифи­цировали этот метод для оценки ошибок воспроизведения ЭР и АР при использо­вании CAVE технологии виртуальной ре­альности. Суть нашего метода состояла в том, что наблюдателю сначала предъ­являлась трехмерная виртуальная сцена, состоящая из 7 объектов, потом обозна­чался ракурс мысленного наблюдения этой сцены, а затем при помощи библи­отеки виртуальных объектов ему предла­галось воспроизвести мысленный образ в соответствии с заданным ракурсом на­блюдения. Успешность воспроизведения предполагалось тестировать в зависимо­сти от ракурса мысленного наблюдения сцены. Были выбраны три ракурса «спе­реди», «слева» и «сверху». В задаче «вос­произвести сцену спереди» участник должен был реконструировать сцену из оригинального ракурса, т.е. так, как он видел ее при предъявлении. Предполага­лось, что в этой задаче будет актуализи­рована эгоцентрическая система кодиро­вания пространственной информации. Задача «воспроизвести сцену слева или сверху» требовала воссоздать трехмер­ный образ сцены в аллоцентрической системе кодирования, а затем мысленно перенести ракурс наблюдения так, что­бы мысленный образ воспринимался из позиции «слева» или «сверху». Оценку ошибок при воспроизведении мыслен­ных репрезентаций сцены в зависимости от заданного ракурса (эгоцентрического «спереди» или аллоцентрических «слева» или «сверху») предполагалось проводить комплексным методом. Мы выделили три параметра для оценки точности воспро­изведения локализации объектов сцены:

  • Топологический, отражающий точ­ность воспроизведения взаимного рас­положения всех объектов сцены;

  • Метрический, отражающий метриче­ские характеристики воспринимаемых расстояний между объектами;

  • Параметр глубины, отражающий точ­ность воспроизведения расположения объектов по глубине.

Целью нашего исследования явля­лось изучение успешности воспроизве­дения пространственных эгоцентриче­ской и аллоцентрической репрезентаций в кратковременной памяти.

Гипотеза исследования заключалась в том, что успешность воспроизведения трехмерной сцены зависит от того, какая из систем кодирования пространства – аллоцентрическая или эгоцентрическая – используется для воспроизведения. По­скольку эгоцентрическая репрезентация (ракурс воспроизведения «спереди») пер­вична и формируется на более ранних этапах обработки пространственной ин­формации, ее формирование и воспро­изведение будет подвержено меньшим искажениям. Напротив, искажения в вос­произведении более абстрактных алло­центрических репрезентаций (ракур­сы воспроизведения «сверху» и «слева») будут более выраженными в силу того, что они формируются на более позд­них стадиях в условиях ограниченного временного диапазона переработки ин­формации в кратковременной памяти. В частности, мы предположили, что ра­курс «сверху» будет воспроизводиться более точно относительно ракурса «сбо­ку» в силу более развитых способностей человека к двумерному картированию трехмерного пространства из ракурса «сверху». Оценку искажений воспроизве­дения мысленных репрезентаций сцены предполагалось проводить комплексным методом, основанным на оценке точно­сти воспроизведения объектов сцены, а также точности воспроизведения их ло­кализации по параметрам топологии, ме­трики и глубины.

Участники. В эксперименте принима­ли участие 36 добровольцев (18 женщин и 18 мужчин, средний возраст 23±2 года). Все испытуемые обладали нормальным или скорректированным до нормально­го зрением, все они не имели нарушений вестибулярного аппарата и травм голов­ного мозга.

Аппаратура. Исследование проводи­лось на базе научного центра «Виртуаль­ная реальность» факультета психологии МГУ имени М.В. Ломоносова. Для изуче­ния особенностей кодирования пространственной информации в кратков­ременной памяти использовалась CAVE технология виртуальной реальности Barco Ispace 4, позволяющая создавать виртуальные трехмерные среды с контр­олируемыми параметрами. Система CAVE представляет собой четыре боль­ших плоских квадратных экрана (каж­дый 2,5м×2,5м), соединенных в куб (рис. 2). Для формирования стерео-эффек­тов в виртуальной среде использовались активные затворные очки CrystalEyes 3 Stereographics. Для управления положе­нием виртуальных объектов, а также для перемещения наблюдателя в виртуаль­ном пространстве использовался флай­стик Flaystick 2. Положение наблюдателя и флайстика в виртуальной среде отсле­живалось системой трекинга A.R.T. GmbH, состоящей из 8 инфракрасных камер ART track 2\CIR. Виртуальные сцены разраба­тывались при помощи программного приложения VirTools 4.0.


Рис. 2. Общий вид CAVE системы виртуаль­ной реальности.

Стимулы. Было разработано 6 вирту­альных сцен, в каждой из них размеща­лись 7 различных объектов в виртуальном объеме (1,5м×1,5м×0,5м), зрительный угол которого составлял 20°×20°. Угло­вой размер каждого объекта составлял 2°×2°. Средняя яркость объектов незна­чительно варьировала в пределах 15–20 кд/м2. Для обеспечения относительного постоянства угловых размеров запоми­наемых виртуальных объектов участника просили находиться в неизменной позиции (2,3 м) относительно фронтального экрана. Объекты располагались на фоне, который представлял собой темное трех­мерное пространство, в котором равно­мерно были размещены маленькие ша­рики белого цвета с угловыми размерами 0,5°×0,5°. Их плотность размещения по пространству составляла 6 ед./угл. град.

Процедура. Участнику последователь­но предъявлялись 6 оригинальных сцен, каждая по 3 раза. Последовательность предъявления имела квазислучайный ха­рактер. Время предъявления каждой сце­ны – 25 сек. Задачей участника было за­помнить объекты и их локализацию, а затем воспроизвести запомненную сцену в виртуальной среде сразу после предъявления. Воспроизведение прово­дилось по следующему алгоритму. После окончания предъявления сцены перед участником на 3 сек. появлялась стрелка. Ее ориентация в пространстве показыва­ла, из какого ракурса наблюдения участ­ник должен был мысленно представить себе, а затем воспроизвести 3D сцену, которую он только что видел. Стрелка предъявлялась в трех ориентациях: «спе­реди», «слева» и «сверху». Ориентация «спереди» означала, что участник должен был воспроизвести сцену из оригиналь­ного ракурса наблюдения. Ориентации «слева» и «сверху» означали воспроизведе­ние сцены, используя мысленные ракур­сы в аллоцентрической системе кодиро­вания, т.е. так, как увидел бы ее участник, если бы он находился слева или сверху от предъявленной сцены. Затем участни­ку предъявлялся интерфейс, представляющий собой библиотеку из 21-го объекта, в которой были представлены незнако­мые объекты, а также объекты, только что предъявленные ему в виртуальной сцене. На этом этапе задачей наблюдателя было при помощи джойстика «взять» из библи­отеки запомненные объекты сцены и рас­положить их в виртуальном пространстве в соответствии с указанным ракурсом. Для этого участник должен был, нажав кноп­ку на флайстике, «захватить» виртуаль­ный объект, «перетащить» его, а затем, от­пустив кнопку, оставить на нужном месте. Регистрировались точность идентифика­ции и локализации объектов в воспроиз­веденной сцене. После воспроизведения первой сцены участнику предъявлялась вторая сцена и процедура повторялась. Перед проведением эксперимента проводилась серия тренировочных заданий, в которых участник знакомился с виртуаль­ной средой и учился управлять виртуаль­ными объектами при помощи флайстика. Средняя длительность воспроизведения сцены составляла 20–30 с. Время проведе­ния тренировочных заданий и основного эксперимента для одного участника зани­мало в среднем 16–20 мин.

Обработка результатов. Оценка успеш­ности воспроизведения объектов (объем пространственной кратковременной па­мяти) проводилась в соответствии с мо­дифицированным методом Джекобсона и рассчитывалась как среднее по выборке число правильно воспроизведенных объ­ектов сцены отдельно для каждого ракур­са воспроизведения. Оценка успешности локализации объектов рассчитывалась раздельно по трем параметрам: тополо­гии, метрике и глубине.

Результаты

В качестве независимой переменной выступил мысленный ракурс воспроиз­ведения сцены: «спереди» – мысленный ракурс воспроизведения сцены из ориги­нального ракурса (эгоцентрическая си­стема кодирования), «слева» и «сверху» – мысленные ракурсы воспроизведения сцены (аллоцентрическая система коди­рования).

Анализировались четыре зависимые переменные:

  • успешность идентификации объектов;

  • успешность локализации объектов (то­пология);

  • успешность локализации объектов (метрика);

  • успешность локализации объектов (глубина).

Успешность идентификации объек­тов. Для каждого участника рассчитыва­лось число правильно воспроизведен­ных объектов по всем сценам отдельно для каждого ракурса. Затем оценивались усредненные по выборке значения веро­ятности P правильно воспроизведенных объектов отдельно для каждого ракурса воспроизведения. Усредненные значения вероятности воспроизведения и стан­дартные отклонения для ракурсов «спе­реди», «слева» и «сверху» представлены в таблице 1.

Табл. 1. Средние значения вероятности P и стандартные отклонения SD переменной «успешность идентификации объектов».

Успешность идентификации Тип ракурса

P

SD

Спереди

0,94

0,11

Слева

0,91

0,11

Сверху

0,93

0,09

Представленные в таблице 1 дан­ные успешности идентификации объ­ектов отдельно по ракурсам «спереди», «слева» и «сверху», усредненные по всей выборке участников, отражены на ди­аграмме (рис. 3). По оси абсцисс пред­ставлена успешность идентификации в процессе воспроизведения, по оси ординат – ракурсы воспроизведения сцены.


Рисунок 3. Успешность идентификации объ­ектов в зависимости от ракурса воспроизве­дения сцены.

Использование процедуры сравне­ния средних по Т-критерию Стьюден­та для независимых выборок показало, что не обнаружено статистически зна­чимой разницы между средними значе­ниями успешности идентификации для ракурсов «спереди»–«слева» (t = 0,89; df = 35; р = 0,38), «слева»–«сверху» (t = -0,95; df = 35; р = 0,35) и «сверху»–«спереди» (t = -0,01; df = 35; р = 0,99). Мы также проанализировали данные успешности идентификации отдельно по мужской и женской выборкам. Для мужской вы­борки значение успешности идентифи­кации составило P(муж) = 0,93± 0,05, для женской – P(жен) = 0,92± 0,07. Статисти­чески значимой разницы между значе­ниями P(муж) и P(жен) не обнаружено (t = -0,27; df = 31; р = 0,79). Полученные нами результаты успешности идентифи­кации объектов при воспроизведении выявили, что участники успешно воспро­изводили 6–7 объектов вне зависимости от того, из какого мысленного ракурса – эгоцентрического или аллоцентриче­ских сцена воспроизводилась, а также независимо от гендерной принадлежно­сти участников. В процессе воспроизве­дения все участники делали мало оши­бок – в среднем по одной в каждой сцене. Полученные данные согласуются и с их самоотчетами – большинство участни­ков на вопрос о том, сколько предметов удавалось уверенно запомнить, ответили: «шесть» или «семь». Учитывая, что создан­ные виртуальные сцены содержали семь объектов, полученные нами результаты хорошо согласуются с классическими данными по оценке объема кратковре­менной памяти. Неоднократно было по­казано, что при одновременном показе отдельных объектов участники способны запомнить «магическое число» 7±2, де­монстрирующее ограниченность объема кратковременной памяти (Miller, 1956).

Успешность локализации объек­тов (топология). Под топологически­ми ошибками мы понимали ситуации, в которых наблюдатель изменял взаим­ное расположение любой пары из всех семи объектов при воспроизведении запомненной сцены. Для расчета это­го типа ошибок для каждого участника и для каждого ракурса подсчитывалось число правильно воспроизведенных вза­имных расположений объектов для лю­бой пары из всего набора объектов по всем сценам раздельно. Затем были рас­считаны значения успешности лока­лизации объектов по топологическому параметру и их среднеквадратичные от­клонения, усредненные по всей выборке участников. Эти значения составили для ракурса «спереди» P = 0,90±0,16, ракурса «слева» P = 0,79±0,19, а для ракурса «свер­ху» P = 0,68±0,21. Полученные данные показывают, что участники достаточно адекватно запоминали и воспроизводили взаимное расположение объектов сцены в задаче воспроизведения «спереди» (эго­центрическая система координат). Чи­сло топологических ошибок возрастало при воспроизведении сцены из ракур­сов «слева» и «сверху» (аллоцентрическая система координат), причем, их число было значимо выше в задаче воспроиз­ведения из ракурса «спереди», по сравне­нию с ракурсом «слева». Были выявлены статистически значимые различия между средними значениями успешности лока­лизации по параметру топологии между ракурсами «спереди»–«слева» (t = 3,01; df = 34; р = 0,005), «слева»–«сверху» (t = 3,57; df = 27; р = 0,001) и «спереди»–«сверху» (t = -4,80; df = 27; р = 0,001). Проведен­ный анализ показал, что успешность ло­кализации объектов по топологическому параметру высока, однако при воспро­изведении взаимного расположения объ­ектов в сцене большие трудности у участ­ников вызывает задача воспроизведения из ракурса «сверху».

Успешность локализации объектов (ме­трика). Под метрическими ошибками мы понимали отклонение координат объек­тов X0, Y0, Z0 в задаче воспроизведения сцены более, чем на 20% относительно ко­ординат объектов X1, Y1, Z1 в задаче за­поминания. Для оценки успешности воспроизведения локализации объектов по метрическому параметру для каждого участника рассчитывалось число откло­нений координат при воспроизведении каждого объекта во всех сценах, не превы­шающих 20% отклонение координат при запоминании объектов. Значения усредненной по всей выборке успешности вос­произведения локализации объектов по метрическому параметру были равны: для ракурса «спереди» P = 0,48±0,25, для ра­курса «слева» P = 0,44±0,23 и для ракур­са «сверху» P = 0,40±0,21. По Т-критерию Стьюдента для парных выборок не обна­ружено статистически значимых разли­чий в метрической точности для ракур­сов «спереди»–«слева» (t = 0,89; df = 35; р = 0,38), «слева»–«сверху» (t = 0,82; df = 35; р = 0,42) и «сверху» –«спереди» (t = -1,46; df = 35; р = 0,15). Полученные данные, с нашей точки зрения, свидетельствуют об относительно низком уровне кодирова­ния метрической информации в кратковременной памяти, что проявляется в вы­сокой вариативности данных по выборке при воспроизведении метрических пара­метров сцены.

Успешность локализации объектов (глубина). Под ошибками по глубине мы понимали ошибки порядка расположения объектов по оси Z в задаче воспроизведе­ния из ракурса «спереди», по оси X – из ракурса «слева», и по оси Y – из ракурса «сверху». К ним относились ситуации воспроизведения, в которых более далекий предмет воспроизводился как более близ­кий, изменив свой ранговый порядок по глубине. Была рассчитана успешность ло­кализации объектов по параметру глуби­ны для каждого участника, а затем средние значения по всей выборке участников. Они составили: P = 0,52±0,21 для ракурса «спе­реди», P = 0,42±0,17 для ракурса «слева» и P = 0,30±0,12 для ракурса «сверху». Ста­тистически значимые различия получе­ны для ракурсов «спереди» –«слева» (t = 2,05; df = 35; р = 0,05), «слева»–«сверху» (t = 3,43; df = 35; р = 0,01) и «сверху» –«спе­реди» (t = -5,30; df = 35; р = 0,01). Полу­ченные данные показывают, что точность воспроизведения локализации объектов по глубине достаточно низкая. При этом лучше всего воспроизводятся параметры глубины из эгоцентрического ракурса «спереди», хуже – из аллоцентрического ракурса «слева» и еще хуже – из аллоцент­рического ракурса «сверху».

Значения успешности воспроизве­дения локализации объектов по пара­метрам топологии, метрики и глубины P и стандартные отклонения SD для эгоцентрического ракурса «спереди», и аллоцентрических ракурсов «слева» и «сверху» сведены в таблицу 2.

Табл. 2. Усредненные по выборке значения успешности локализации P и стандартные отклонения SD переменных «успешность локализации объектов по параметрам топологии, метрики и глубины».

Успешность локализации Тип ракурса

Топология

Метрика

Глубина

P

D

P

D

P

SD

Спереди

0,90

0,16

0,48

0,25

0,52

0,21

Слева

0,79

0,19

0,44

0,23

0,42

0,17

Сверху

0,68

0,21

0,40

0,21

0,30

0,12

Данные таблицы 2 представлены гра­фически на рис. 4. По оси абсцисс отло­жены значения успешности воспроизведе­ния локализации объектов по параметрам топологии, метрики и глубины, по оси ор­динат – ракурсы воспроизведения сцены. Столбики серого цвета отражают топологическую точность воспроизведения, стол­бики светло-серого цвета – метрическую точность и столбики темно-серого цвета – точность воспроизведения по глубине.


Рис. 4. Успешность воспроизведения локализации объектов по параметрам топологии (столбики серого цвета), метрики (столбики светло-серого цвета) и глубины (столбики темно-серого цвета) в зависимости от ракурса воспроизведения сцены.

В нашем исследовании мы проверяли гипотезу о том, что успешность воспро­изведения трехмерной сцены зависит от типа систем кодирования простран­ственной информации (аллоцентриче­ской и эгоцентрической систем). Мы предположили, что эгоцентрические репрезентации в задаче кодирования про­странственной информации из ракурса «спереди» формируются и воспроизво­дятся значимо точнее относительно ал­лоцентрических репрезентаций, ре­конструированных из ракурсов «слева» и «сверху». Также мы ожидали, что ре­презентации из ракурса «сверху» будут воспроизводиться точнее по сравнению с репрезентациями из ракурса «сбоку». Полученные нами результаты подтвер­дили высказанную гипотезу: пространст­венная информация из ракурса «спереди» воспроизводится значимо точнее отно­сительно аллоцентрических репрезента­ций по параметрам топологии, метрики и глубины. Эти данные хорошо согласу­ются с многочисленными исследования­ми, в которых было выявлено более точ­ное воспроизведение эгоцентрических репрезентаций, по сравнению с аллоцен­трическими репрезентациями (Shepard, Metzler, 1971; Diwadkar, McNamara, 1997; Coluccia et al., 2007). Аналогично нашим данным, в указанных работах было пока­зано, что воспроизведение сцены ухудшается при увеличении угла, под ко­торым мысленно видится сцена – чем больше мысленный ракурс отличается от того, под которым сцена запомина­лась, тем хуже точность воспроизведе­ния. Таким образом, в нашей работе была подтверждена идея о том, что точность воспроизведения зависит от сложности пространственных преобразований, ко­торые необходимо мысленно произвес­ти со сценой.

Выводы

Проведенное нами исследование про­цессов воспроизведения мысленных трехмерных сцен при использовании технологии виртуальной реальности по­зволяет сделать следующие выводы.

  • Разработан метод оценки характери­стик пространственной памяти с по­мощью системы виртуальной реаль­ности CAVE, включающий разработку виртуальной среды, представляющей из себя библиотеку трехмерных пред­метов, разработку возможности манипулировать с объектами с помощью флайстика, а также первичный анализ пространственного положения вос­произведенных объектов.

  • Разработан оригинальный дизайн экс­перимента для изучения особенностей формирования эгоцентрических и ал­лоцентрических пространственных репрезентаций, включающий предъяв­ление и воспроизведение виртуальных трехмерных объектов из разных пространственных ракурсов.

  • Разработан метод анализа координат виртуальной сцены, реконструирован­ной из различных мысленных ракур­сов, позволивший оценить точность воспроизведения пространственных репрезентаций по параметрам тополо­гии, метрики и глубины.

  • Оценка успешности идентификации объектов при воспроизведении по­казала, что участники, независимо от гендерной принадлежности, с высо­кой вероятностью воспроизводили 6–7 объектов сцены, вне зависимости от того, из какого мысленного ракур­са осуществлялось ее воспроизведение.

  • Выявлены особенности кодирования пространственной информации в эго­центрическом и аллоцентрическом бло­ках кодирования пространственной информации по параметрам метрики, топологии и глубины. Эгоцентри­ческие репрезентации (ракурс «спе­реди») по всем параметрам (метрика, топология, глубина) формируются значимо точнее, чем аллоцентрические репрезентации (ракурсы «слева» и «сверху»), независимо от ракурса.

  • Топологические параметры простран­ства сохраняются в кратковременной памяти значимо точнее, чем параме­тры глубины, которые, в свою очередь, кодируются более точно, чем параме­тры метрики, независимо от ракурса.

  • Точность кодирования пространствен­ных представлений различается для двух типов аллоцентрических ракур­сов: ракурс «сверху» воспроизводится значимо точнее, чем ракурс «слева».

Полученные результаты позволяют уточнить современные модели кодиро­вания пространственной информации в кратковременной памяти человека. Раз­работанный нами метод может использоваться в клинической реабилитации для тестирования нарушений восприятия пространства, а также нарушений крат­ковременной памяти.

Благодарность

Исследование выполнено за счет гранта РФФИ (Грант № 17-29-02169). Работа выполнена с использованием оборудования, приобретенного за счет средств Программы развития Московского университета.

Литература:

Веккер Л.М. Психика и реальность: единая теория психических процессов. – Москва : Смысл, 1998. – 685 с.

Величковский Б.М., Блинникова И.В., Лапин Е.А. Представление реального и воображаемого пространства // Вопросы психологии. – 1986. – № 3. – C. 103–113.

Величковский Б.М. Когнитивная наука: основы психологии познания. В 2 тт. Т. 2. – Москва : Академия, 2006. – 432 с.

Зинченко Ю.П., Меньшикова Г.Я., Баяковский Ю.М., Черноризов А.М., Войскунский А.Е. Технологии виртуальной реальности: методологические аспекты, достижения и перспективы // Национальный психологический журнал. – 2010. – № 1(3). – С. 54–62.

Ковязина М.С., Варако Н.А., Рассказова Е.И. Психологические аспекты проблемы реабилитации // Вопросы психологии. – 2017. – № 3. – С. 40–50.

Марр Д. Зрение. Информационный подход к изучению представления и обработки зрительных образов. – Москва : Радио и связь, 1987. – 400 с.

Меньшикова Г.Я., Тетерева А.О., Пестун М.В. Влияние аффективных факторов на формирование когнитивных карт пространства // Естественно-научный подход в современной психологии / отв. ред. В.А. Барабанщиков. – Москва : Изд-во «Институт психологии РАН», 2014. – С. 542–548.

Найссер У. Познание и реальность. – Москва : Прогресс, 1981. – 230 с.

Ричардсон Дж.Т.Э. Мысленные образы: когнитивный подход. – Москва : Когито-Центр, 2006. – 175 c.

Burgess, N. (2006) Spatial memory: How egocentric and allocentric combine. Trends Cogn. Sci, 10(12), 551–557. doi: 10.1016/j.tics.2006.10.005

Coluccia, E., Iouse, G., & Brandimonte, M. (2007) The relationship between map drawing and spatial orientation abilities: A study of gender differences. Journal of Environmental Psychology, 27, 135–144. doi: 10.1016/j.jenvp.2006.12.005

Craik, F.I.M., & Lockhart, R.S. (1972) Levels of processing: A frame work for memory research. Journal of Verbal Learning and Verbal Behavior, 14-18.

Diwadkar, V.A., & McNamara, T.P. (1997) Viewpoint dependence in scene recognition. Psychological Science. 8, 302–307. doi: 10.1111/j.1467-9280.1997. tb00442.x

Dobrushina, O.R., Varako, N.A., & Kovyazina, M.S. (2016) Integration of neurofeedback into holistic model of neurorehabilitation, 22(S2). doi: 10.1017/ S1355617717000030

Filimon, F. (2015) Are all spatial reference frames egocentric? Reinterpreting evidence for allocentric, object-centered, or world-centered reference frames. Frontiers in Human Neuroscience, 9 (648), 1–21. doi: 10.3389/fnhum.2015.00648

Gardner, H., Kornhaber, M.L., & Wake, W.K. (1996) Intelligence: Multiple Perspectives. Harcourt Brace College Publishers, 351.

Klatzky, R.L. (1998) Allocentric and egocentric spatial representations: definitions, distinctions and interconnections. Spat.Cogn, 1404, 1–17. doi: 10.1007/3-540-69342-4_1

Kosslyn, S.M., Thompson, W.L., & Ganis, G. (2006) The case for mental imagery. New York: Oxford University Press. Chicago. doi: 10.1093/acprof:o so/9780195179088.001.0001

Menshikova, G.Ya., Kovalev, A.I., Klimova, O.A., & Barabanschikova, V.V. (2017) The application of virtual reality technology to test the motion sickness resistance. Psychology in Russia: State of the Art, 10(3), 151–164. doi: 10.11621/pir.2017.0310

Miller, G. (1956) The magical number seven, plus or minus two: Some limits on our capacity for processing information. Psychological Review, 63, 81–97. doi: 10.1037/h0043158

Posner, M.I., & Boies, S.J. (1971) Components of attention. Psychological Review, 78(5), 391–408. doi: 10.1037/h0031333

Rinck, M., & Denis, M. (2004) The metrics of spatial distance traversed during mental imagery. Journal of Experimental Psychology: Learning, Memory, & Cognition, 30, 1211–1218. doi: 10.1037/0278-7393.30.6.1211

Shepard, R.N., & Chipman, S. (1970) Second-order isomorphism of internal representation: shapes of states. Cogn. Psychol, 1, 1–17. doi: 10.1016/0010- 0285(70)90002-2

Shepard, R.N., & Metzler, J. (1971) Mental rotation of three-dimensional objects. Science, 171, 701–703. doi: 10.1126/science.171.3972.701

Smith, J.W. (2015) Immersive Virtual Environment Technology to Supplement Environmental Perception, Preference and Behavior Research: A Review with Applications. Int. J. Environ. Res. Public Health, 12, 11486–11505. doi: 10.3390/ijerph120911486

Tolman, E.С. (1948) Cognitive maps in rats and men. Psychological Review, 55, 189–208. doi: 10.1037/h0061626

Thurstone, L.L. (1924) The Stimulus-Response Fallacy in psychology. In The Nature of Intelligence. London: Kegan paul, Trench Trubner&Co., 1–23. doi: 10.1037/11388-001

Tversky, B. (1992) Distortions in cognitive maps. Geoforum, 23(2), 131–138. doi: 10.1016/0016-7185(92)90011-R

Wang, R.F., & Spelke, E.S. (2000) Updating egocentric representations in human navigation. Cognition, 77, 215–250. doi: 10.1016/S0010-0277(00)00105-0

Wang, R.F., & Spelke, E.S. (2002) Human spatial representation: insights from animals. Trends in cognitive sciences, 6(9), 376–382. doi: 10.1016/S1364- 6613(02)01961-7

Zinchenko, Yu.P., Kovalev, A.I., Menshikova, G.Ya., & Shaigerova, L.A. (2015) Postnonclassical methodology and application of virtual reality technologies in social research. Psychology in Russia: State of the Art, 8(4), 60–71. doi: 10.11621/pir.2015.0405

En

Menshikova G.Ya., Savelyeva O.A., Kovyazina M.S. (2018) Assessing successful reproduction of egocentric and allocentric spatial representations using virtual reality National Psychological Journal, [Natsional’nyy psikhologicheskiy zhurnal], 11(2), 113–122

Ru

Меньшикова Г.Я., Савельева О.А., Ковязина М.С. Оценка успешности воспроизведения эгоцентрических и аллоцентрических пространственных репрезентаций при использовании систем виртуальной реальности // Национальный психологический журнал. – 2018. – №2(30). – С. 113–122

Keywords / Ключевые слова

short-term memory / кратковременная память ; accuracy of spatial representation cording / кодирование пространственных репрезентаций ; egocentric and allocentric systems / эгоцентрическая и аллоцентрическая системы ; technology of virtual reality / технология виртуальной реальности ; CAVE / CAVE системы

Abstract

Background. Currently in psychological rehabilitation the necessity of developing innovative methods for testing cognitive dysfunctions with via the modern sophisticated technology is becoming increasingly important. One of the urgent requests is associated with developing the methods of diagnostics and correction of spatial representations disorders, which are manifested by decreasing accuracy of spatial representations of the environment in particular.

Objective. To study this issue the method for evaluating the accuracy of spatial information using which the ability to memorize the three-dimensional complex scenes was developed. It was assumed that the accuracy of reproduction would differ significantly depending on the coordinate (egocentric or allocentric) system of mental reconstruction processing.

Design. The library of virtual objects and six unique virtual scenes were created. Each scene of seven objects was shown to the participants within the interval for 25 seconds. Thirty six subjects (aged from 18 to 26) participated in the experiment. They were told to memorize the objects and their locations, and then to reproduce the memorized scene using the given viewpoint of the scene. Three viewpoints were chosen: the "front" (to reproduce the scene from the egocentric position); the "left" and the" above" (to reproduce the memorized scene from on the left and above imaginary allocentric positions, respectively). To perform the task the participants chose objects from the library of virtual objects using the flystick 2 and placed them in virtual space in accordance with the memorized scene. The object locations in virtual space were recorded. Moreover, the accuracy of egocentric and allocentric representations in terms of measurements, topology and depth parameters were calculated.

Conclusion. The results show that the egocentric representations (the "front" viewpoint) were more accurate for all parameters in comparison with the allocentric representations (the "left" and the "above" viewpoints), and the “above” representations were more accurate compared with the “left” ones. The topological accuracy was much better than the measurements and depth accuracy. Regardless of the viewpoints, the topological space parameters are stored in memory much more accurately than the depth parameters, which, in turn, are reproduced more accurately than metric parameters. It was also shown that the accuracy of spatial representations differs for different allocentric viewpoints: the "above" view is reproduced much more accurately than the "left" view.

The method developed made it possible to reveal the features of encoding spatial information in ER and AP blocks in terms of measurements, topology and depth parameters. It can be used in clinical rehabilitation to test impairments in the perception of space, and also violations of short-term memory. The results obtained allow refining the existing models of encoding spatial information.

Аннотация

Актуальность. В настоящее время в сфере психологической реабилитации возросла необходимость разработки инновационных методов тестирования когнитивных нарушений с помощью современных технологий. Одной из актуальных задач является разработка методов диагностики и коррекции нарушений пространственных представлений, которые, в частности, проявляются в снижении успешности запоминания пространственных свойств среды.

Цель. Для изучения этого вопроса мы разработали метод оценки точности кодирования пространственной информации, используя который исследовалась успешность воспроизведения трехмерных сложных сцен. Предполагалось, что точность их воспроизведения будет значимо различаться в зависимости от системы координат (эгоцентрической или аллоцентрической) мысленной реконструкция сцены.

Описание хода исследования. Были созданы библиотека виртуальных объектов и шесть уникальных виртуальных сцен. Каждая сцена включала семь объектов и предъявлялась на 25 секунд. Тридцать шесть человек в возрасте от 18 до 26 лет приняли участие в эксперименте. Их задачей было запомнить объекты и их местоположение, а затем воспроизвести сцену по памяти, используя заданный ракурс наблюдения. Предлагались три ракурса: «спереди» (из эгоцентрической позиции), «слева» и «сверху» (из воображаемых аллоцентрических позиций «слева» и «сверху»). Для выполнения задачи участники выбирали объекты из библиотеки виртуальных объектов и расставляли их в виртуальном пространстве в соответствии с запомненной сценой. Регистрировались их координаты в виртуальном пространстве. Затем рассчитывались точность воспроизведения сцены в ЭР и АР блоках кодирования пространственной информации по параметрам метрики, топологии и глубины.

Результаты. Показано, что эгоцентрические репрезентации (ракурс «спереди») по всем указанным параметрам формируются значимо точнее, по сравнению с аллоцентрическими репрезентациями (ракурсы «слева» и «сверху»). Независимо от ракурса, топологические параметры пространства сохраняются в кратковременной памяти значимо точнее, чем параметры глубины, которые, в свою очередь, кодируются более точно, чем параметры метрики. Также показано, что точность кодирования пространственных представлений различается для двух типов аллоцентрических ракурсов: ракурс «сверху» воспроизводится значимо точнее, чем ракурс «слева».

Выводы. Разработанный нами метод позволил выявить особенности кодирования пространственной информации в ЭР и АР блоках по параметрам метрики, топологии и глубины. Он может использоваться в клинической реабилитации для тестирования нарушений восприятия пространства и нарушений кратковременной памяти. Полученные нами результаты позволяют уточнить современные модели кодирования пространственной информации.

Author(s) / Автор(ы)

Menshikova, Galina Ya. / Меньшикова Г.Я. ; Kovyazina, M. S. / Ковязина М.С.  ; Savelyeva O.A. / Савельева О.А.

Author Affiliation / Основное место работы автора

Lomonosov Moscow State University / Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова (МГУ)

Country / Страна

Russian Federation / Российская Федерация

Categories / Рубрикатор

Attention / Психология внимания

Publication Type / Тип публикации

Journal article/ Журнальная статья

Source / Источник

National Psychological Journal / Национальный психологический журнал

Release Date / Год публикации

2015 - 2019 ; 2018

Pages / Страницы

113-122

DOI Number

doi: 10.11621/npj.2018.0212

Language / Язык публикации

Ru

Quotations / Авторские цитаты, отражающие содержание работы

…Изучение психологических закономерностей, обеспечивающих успешное кодирование пространственной информации, является одной из важных задач многих отраслей психологической науки: психологии обучения, когнитивной и социальной психологии, психологии спорта…

…Зрительные образы хранятся, скорее всего, в виде зрительных кодов, сохраняющих метрические свойства реального пространства, их можно мысленно сканировать, причем, время сканирования зависит от воспринимаемых размеров образа и сложности его пространственной структуры…

…Мы предположили, что наиболее адекватным для предъявления объектов в задачах запоминания и последующего воспроизведения трехмерной сцены является использование технологии виртуальной реальности, поскольку она обладает рядом неоспоримых преимуществ при решении наших задач…

There are new articles from the «Moscow University Psychology Bulletin»/ Новые статьи «Вестника Московского университета. Серия 14. Психология»

30.03.2015

We are glad to inform you that the new issue of the journal "Moscow University Psychology Bulletin" - 1, 2015 - was released. Carrent Issue: http://msupsyj.ru/en/articles/volumes/2015_1.php

Мы рады представить вам первый номер «Вестника Московского университета. Серия 14. Психология» за 2015 год. http://msupsyj.ru/articles/volumes/2015_1.php

There are new articles from the «National psychological journal»/ Новые статьи «Национального психологического журнала»

30.03.2015

We are glad to inform you that the new issue of the journal "National psychological journal" - 1(17), 2015 - was released. Carrent Issue: http://npsyj.ru/en/articles/volumes/17_2015.php

Мы рады представить вам первый номер «Национального психологического журнала» за 2015 год. http://npsyj.ru/articles/volumes/17_2015.php

About / О проекте New / Новое All material / Все материалы News / Новости Contacts / Контакты
© 2012 — 2018 Psychology. Online abstract digest of psychological sciences

/ ПСИХОЛОГИЯ. Реферативнй интернет-дайджест психологических наук