Overview
Fonte: Laboratorio di Jonathan Flombaum—Johns Hopkins University
La visione umana dipende da neuroni sensibili alla luce che sono disposti nella parte posteriore dell'occhio su un tessuto chiamato retina. I neuroni, chiamati bastoncelli e coni a causa delle loro forme, non sono distribuiti uniformemente sulla retina. Invece, c'è una regione al centro della retina chiamata macula dove i coni sono densamente imballati, e specialmente in una sottoregione centrale della macula chiamata fovea. Al di fuori della fovea non ci sono praticamente coni e la densità dell'asta diminuisce considerevolmente con una maggiore distanza dalla fovea. La Figura 1 schematizza questa disposizione. Questo tipo di disposizione è replicato anche nella corteccia visiva: molte più cellule rappresentano la stimolazione alla fovea rispetto alla periferia.
Figura 1. Rappresentazione schematica dell'occhio umano e della distribuzione delle cellule recettrici sensibili alla luce sulla retina. La pupilla è l'apertura nella parte anteriore dell'occhio che consente alla luce di entrare. La luce viene quindi focalizzata sulla retina, un tessuto neurale nella parte posteriore dell'occhio che è fatto di bastoncelli e coni, cellule sensibili alla luce. Al centro della retina c'è la macula, e al centro della macula c'è la fovea. Il grafico schematizza la densità dei recettori del bastoncello e del cono sulla retina in funzione della loro posizione. I coni, che sono responsabili della visione dei colori, si trovano quasi esclusivamente nella fovea. I bastoncelli, che supportano la visione in condizioni di scarsa illuminazione, sono raggruppati in modo simile più pesantemente vicino alla fovea, con densità che cadono rapidamente al di fuori della macula.
Il risultato: vediamo molto bene nella parte dello spazio che i nostri occhi puntano direttamente, la parte dello spazio che stimola la fovea; ma in realtà non vediamo molto bene nella periferia. In realtà non ce ne accorgiamo però, perché i nostri occhi si muovono costantemente, costruendo una rappresentazione dello spazio da molte fissazioni individuali.
Un modo per studiare le proprietà della visione periferica è con un fenomeno noto come affollamento. 1 L'affollamento si riferisce all'incapacità di riconoscere gli oggetti nel disordine e sperimentiamo l'affollamento in modo particolarmente forte quando gli oggetti sono mostrati nella periferia. La Figura 2a è un esempio in cui dovresti essere in grado di sperimentare l'affollamento: guarda la croce al centro e vedi se riesci a segnalare la lettera che si trova al centro del pacchetto a destra. Probabilmente è piuttosto difficile. Ora nella Figura 2b prova a riportare la lettera a sinistra. Molto più facile! In questa figura la lettera non è affollata e non c'è disordine intorno ad essa, quindi è più facile da riconoscere.
Figura 2a. Stimolo affollato. Fissa la croce al centro e vedi se riesci a riconoscere la lettera al centro del pacchetto a sinistra. Dovrebbe essere difficile, perché le lettere sono nella periferia e la lettera centrale è affollata dalle lettere intorno ad essa.
Figura 2b. Stimolo poco affollato. Questo stimolo è identico alla Figura 2a, tranne per il fatto che la lettera G è poco affollata, senza altre lettere che la circondano. Anche fissando la croce, la lettera dovrebbe essere facile da riconoscere, anche se è tanto nella periferia quanto la G nella Figura 2a.
Questo video dimostrerà come progettare e implementare un esperimento di affollamento con lettere come stimoli.
Procedure
1. Stimoli e Design
- Le prove coinvolgeranno tutte le consonanti inglesi, scritte in nero e mostrate in caratteri Helvetica a 36 pt.
- Ogni prova dell'esperimento inizierà con una croce di fissazione presentata al centro del display per 500 ms, seguita da stimoli presentati a destra o a sinistra della croce per 500 ms, e infine seguita da una schermata di risposta. La Figura 3 schematizza la sequenza sperimentale.
Figura 3. Sequenza di prova. La sequenza di eventi in una singola prova dell'esperimento è la seguente: il partecipante fissa la croce centrale e preme la barra spaziatrice per avviare la prova. Dopo 500 ms, lo stimolo di prova appare a destra oa sinistra della fissazione, comprese tre lettere. Il partecipante dovrebbe evitare di fare movimenti oculari, ma dovrebbe cercare di identificare la lettera al centro del gruppo. Le lettere scompaiono dopo 500 ms, a quel punto al partecipante viene richiesto di inserire una risposta riportando la lettera che ha visto nel mezzo del gruppo.
Figura 4. Variabili per la manipolazione. Ci sono due variabili cruciali che possono essere manipolate in un esperimento di affollamento. Il primo è chiamato eccentricità, riferendosi alla distanza tra la croce di fissazione e lo stimolo target, in questo caso, la lettera al centro di un gruppo di tre. La seconda variabile è chiamata spaziatura inter-stimolo, che si riferisce alla distanza tra la lettera target e ciascuno dei suoi vicini. In un esperimento, queste due variabili saranno solitamente manipolate insieme, da una terza variabile derivata chiamata spaziatura relativa, definita come il rapporto tra la spaziatura relativa e l'eccentricità.
- Gli stimoli presentati in ogni prova arriveranno sempre in gruppi di tre. Due variabili saranno manipolate nell'esperimento: (1) la distanza tra la croce di fissazione e lo stimolo nel mezzo del gruppo di stimoli, una misura chiamata eccentricità; (2) la distanza tra lo stimolo medio nel gruppo e ciascuno degli altri due, una misura chiamata spaziatura inter-stimolo. La Figura 4 mostra uno studio di esempio e identifica queste due variabili.
- Durante la preparazione dell'esperimento, queste due variabili saranno effettivamente controllate da una terza variabile derivata dal loro rapporto. La chiameremo spaziatura relativa e la definiremo come la spaziatura inter-stimolo divisa per l'eccentricità. Poiché si tratta di un rapporto definito su due variabili con le stesse unità, si noti che la spaziatura relativa non ha unità.
- Ora, per sequenziare l'esperimento, programma una serie di 200 prove.
- Ogni prova apparterrà a una delle quattro condizioni di spaziatura relativa, con valori di 0,25, 0,4, 0,5 e 0,75. In pixel, i seguenti sono i valori che useremo per la spaziatura interstimolo e l'eccentricità in ciascuna condizione, rispettivamente: (100, 400); (50, 125); (75, 150); (600, 800). Ma nota, qualsiasi valore può essere utilizzato purché produca i rapporti desiderati.
- Mescola casualmente un numero uguale di studi dalle quattro condizioni. In ogni prova, scegli in modo casuale le tre consonanti da visualizzare, con la restrizione che nessuna lettera viene ripetuta in una singola prova.
- Programma anche l'esperimento per mostrare gli stimoli a destra della fissazione nella metà delle prove e a sinistra della fissazione nell'altra metà.
- Assicurati di programmare l'esperimento per riportare i risultati rilevanti, in minima parte per ogni prova: il numero di prova, le tre lettere mostrate, la spaziatura relativa, la risposta fornita dal partecipante e se quella risposta era giusta o sbagliata.
2. Esecuzione dell'esperimento
- Per eseguire l'esperimento, reclutare i partecipanti.
- Quando un partecipante arriva in laboratorio, assicurati di avere il suo completo consenso informato. Quindi sedere il partecipante a 60 cm dal monitor del computer.
- Per questo esperimento, è importante avere anche un mentoniera.
- Istruire il partecipante a posizionare il mento nel mentoniera e a resistere al movimento durante le prove. Fai sapere loro che l'esperimento è autogestito e che sono liberi di muoversi o riposare tra le prove a loro piacimento.
- Spiegare le istruzioni al partecipante come segue:
- "In questo esperimento, siamo interessati a studiare quanto facilmente possiamo riconoscere gli oggetti mostrati nella periferia visiva. Ad ogni prova, vorrei che ti fissassi sulla croce al centro dello schermo e facessi del tuo meglio per non muovere gli occhi. Quando si preme la barra spaziatrice per avviare una prova, dopo 500 ms, sullo schermo appariranno tre lettere a sinistra o a destra della fissazione. Rimarranno sullo schermo solo per 500 ms e potrebbero essere un po 'difficili da vedere. Il tuo compito è quello di fare del tuo meglio per riconoscere la lettera nel mezzo del pacchetto, cioè la lettera presentata tra gli altri due. Ricorda, cerca di non muovere gli occhi, anche quando appaiono le lettere. Dopo che sono scomparsi, inserisci la lettera che hai visto al centro usando la tastiera. Se non sei sicuro, indovina."
- Rimani nella stanza con il partecipante mentre completa alcune prove. Quindi lasciala completare l'esperimento.
- L'analisi dei dati in questo esperimento è semplice. Basta calcolare l'accuratezza media del riconoscimento delle lettere in funzione della spaziatura relativa. Quindi basta contare il numero di prove in cui il partecipante ha riconosciuto con precisione la lettera centrale in ogni condizione di spaziatura e dividere per 50, poiché c'erano 50 prove per ogni condizione di spaziatura.
Non sempre vediamo chiaramente gli oggetti che ci circondano, specialmente se si trovano alla periferia del nostro campo visivo.
Durante il giorno, un individuo muoverà gli occhi per guardare direttamente oggetti diversi e distinti, come elementi di un dipinto in un museo.
Quando ciò accade, l'oggetto studiato da vicino, come una mela, viene posizionato al centro del campo visivo dell'osservatore e, di conseguenza, viene visto chiaramente.
Al contrario, un oggetto lontano dal lato della mela – in questo caso, un cane – si trova nella periferia del campo visivo ed è percepito come sfocato.
Tale pigrizia può effettivamente peggiorare in un fenomeno chiamato affollamento visivo. Qui, se l'oggetto periferico è circondato da "disordine" – come più canini che un artista canaglia ha deciso di dipingere – sarà irriconoscibile.
In questo video, esploriamo come indagare sull'affollamento utilizzando un approccio basato su lettere. Non solo spieghiamo come progettare stimoli e raccogliere e interpretare i dati di visione periferica, ma notiamo anche come i ricercatori stiano studiando il concetto in altri contesti, come il modo in cui influisce sulla sicurezza di guida.
In questo esperimento, ai partecipanti viene chiesto di identificare le lettere che vengono consegnate al loro campo visivo periferico.
Ciò si ottiene facendoli prima concentrare su una piccola croce di fissazione presentata nel mezzo del monitor di un computer, dopo di che appaiono gli stimoli delle lettere.
Durante questa fase, una fila di tre consonanti inglesi equamente distanziate e maiuscole, come JXW, vengono mostrate su un lato della croce, e quindi sono viste solo con visione periferica. Le vocali sono specificamente escluse, in quanto potrebbero formare parole brevi che potrebbero interferire con la raccolta dei dati.
Sebbene tutti questi caratteri siano della stessa dimensione e tipo di carattere, due variabili chiave sono manipolate in questi stimoli – eccentricità e spaziatura inter-stimolo – per comprendere meglio i fattori che influenzano l'affollamento.
La prima, l'eccentricità, è la distanza in pixel dalla lettera centrale all'intersezione delle linee nella croce, che si riferisce a dove nella periferia del campo visivo vengono consegnati gli stimoli; maggiore è l'eccentricità, più periferica è la presentazione delle lettere.
Al contrario, la spaziatura inter-stimolo è definita come la distanza, anche in pixel, tra la consonante centrale e ciascuna delle lettere che la confinano. Questa misurazione valuta quanto i fiancheggiatori devono essere vicini al personaggio centrale, per fornire il disordine necessario per l'affollamento visivo.
I numeri scelti per queste due distanze in un dato stimolo sono in realtà controllati da una terza variabile definita come il rapporto tra spaziatura interstimoli ed eccentricità, chiamata spaziatura relativa.
Quattro diversi valori – 0,25, 0,4, 0,5 e 0,75 – sono testati per valutare specificamente se la spaziatura inter-stimolo deve essere di una certa dimensione, in relazione all'eccentricità, per avere un effetto di affollamento sulla visione periferica.
Ad esempio, se un trio di lettere ha un valore di spaziatura relativa di 0,75, ciò significa che la distanza interstimolante è di tre quarti della dimensione dell'eccentricità. Quindi, le consonanti fiancheggianti si trovano relativamente lontano dal carattere centrale.
Dopo che lo stimolo scompare, viene mostrata una schermata di risposta, che spinge i partecipanti a digitare ciò che hanno percepito come la lettera centrale.
Vengono eseguiti duecento di questi studi, in cui vengono presentati in modo uguale, ma casuale, stimoli con diversi valori di spaziatura relativa.
Qui, la variabile dipendente è la percentuale di prove in cui la lettera centrale è correttamente identificata.
Sulla base del lavoro precedente, ci si aspetta che i partecipanti saranno in grado di riconoscere con precisione solo i caratteri centrali negli stimoli con una spaziatura relativa di 0,5 o superiore.
È importante sottolineare che questo indica che la spaziatura inter-stimolo deve essere almeno la metà della dimensione dell'eccentricità per prevenire l'affollamento, una clausola nota come regola di Bouma.
Saluta il partecipante quando arriva e fagli firmare materiali per il consenso informato. Quindi, siediti davanti al monitor di un computer con una tastiera.
Posizionare il mento nell'apparecchio posizionato a circa 60 cm dallo schermo.
Continua a spiegare il compito, sottolineando che l'esperimento è autogestito e, per procedere, la barra spaziatrice deve essere premuta. Si noti inoltre che se in qualsiasi caso il partecipante non è sicuro dell'identità della consonante centrale, dovrebbe fornire la sua migliore ipotesi.
Quindi, guarda come il partecipante esegue diverse prove di pratica. Per ciascuno, assicurarsi che la croce di fissazione sia presentata per 500 ms, seguita da essa e dalle lettere, per lo stesso periodo di tempo. Controlla anche che il partecipante, quando richiesto, inserisca le proprie risposte premendo un pulsante consonantico sulla tastiera.
Una volta compreso il compito, lascia la stanza e consenti al partecipante di completare le 200 prove.
Per analizzare i dati, per ogni rapporto di spaziatura relativa, calcolare la percentuale di prove in cui i partecipanti hanno identificato correttamente la consonante centrale.
Si noti che, con l'aumentare della spaziatura relativa, la precisione è migliorata. In particolare, quando questo rapporto era 0,5, i partecipanti hanno dimostrato una performance del 75% e questo valore è salito a circa il 95% quando la spaziatura relativa era 0,75.
Tuttavia, con un rapporto di 0,4, i partecipanti hanno riconosciuto con precisione la consonante centrale solo nel 20% degli studi, e a 0,25 questo valore è sceso al 5%, una frequenza che corrisponde approssimativamente al caso, se la lettera centrale è stata indovinata in modo casuale.
Collettivamente, questi risultati indicano che l'affollamento si verifica solo se la spaziatura inter-stimolo è inferiore alla metà della dimensione dell'eccentricità - ad esempio, il 25% o il 40% di questa distanza, come testato qui - un'osservazione che supporta la regola di Bouma.
Ora che sai come la manipolazione dell'eccentricità e della spaziatura inter-stimolo può essere utilizzata per studiare l'affollamento, diamo un'occhiata ad altri modi in cui vengono esplorati gli aspetti della visione periferica.
L'affollamento è stato esaminato anche in relazione alla sicurezza automobilistica e se il numero di oggetti in un ambiente può influenzare ciò che un conducente vede.
Tale lavoro ha determinato che l'affollamento - diverse auto, coni di traffico o cartelli in un'area - può far sì che un conducente non percepisca efficacemente un pedone.
Ad esempio, una persona può osservare un oggetto sfocato in mezzo alle auto e pensare che sia una bici parcheggiata, fino a quando l'oggetto sfreccia in strada e si rivela essere un uomo che corre a prendere un treno.
Il lavoro sui limiti della visione periferica sta incoraggiando i ricercatori a trovare modi per migliorare la sicurezza dei pedoni e della guida, come la creazione di strisce pedonali chiare e ben illuminate.
Al contrario, gli sviluppatori web stanno anche applicando ciò che sappiamo sulla visione periferica per creare annunci pop-up efficaci.
A causa degli effetti dell'affollamento sulle lettere, tali banner sono progettati per non contenere molto testo, poiché queste parole non saranno distinguibili quando appaiono sul lato di un monitor, nella visione periferica di un utente di Internet.
Piuttosto, queste pubblicità contengono elementi luminosi e in movimento che attirano l'attenzione di qualcuno e li inducono a muovere gli occhi e fissarsi su questa promozione. Quindi, si spera, la persona farà clic su di esso e ordinerà tutto ciò che viene venduto.
Fino ad ora, ci siamo concentrati sull'affollamento nei partecipanti normali; tuttavia, i ricercatori stanno anche esaminando se questo fenomeno percettivo è correlato a difetti visivi associati a determinate malattie.
Ad esempio, alcuni lavori hanno coinvolto la presentazione di trii di lettere a distanza stretta ai pazienti con diagnosi di una condizione neurodegenerativa simile all'Alzheimer. È importante sottolineare che questi stimoli sono stati mostrati nel mezzo del monitor di un computer e quindi consegnati al centro del campo visivo.
È interessante notare che meno pazienti sono stati in grado di nominare la lettera centrale, rispetto ai controlli sani.
Collettivamente, questo lavoro fornisce prove dell'espansione dell'affollamento – normalmente solo un problema nella periferia – nella visione centrale e offre una possibile spiegazione per le difficoltà di lettura che alcuni pazienti neurodegenerativi sperimentano.
Hai appena visto il video di JoVE sull'affollamento periferico. A questo punto, dovresti capire come manipolare la spaziatura delle lettere per indagare su questo fenomeno e raccogliere e interpretare i dati di visione. Inoltre, dovresti capire come l'affollamento viene applicato ad altre aree, come la progettazione di annunci pop-up.
Grazie per l'attenzione!
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Results
Figura 5 Precisione dei grafici in funzione della spaziatura relativa. Man mano che la spaziatura relativa diventava più grande, le prestazioni miglioravano di molto. Ciò significa che le prestazioni ne traggono beneficio quando la spaziatura inter-stimolo è grande almeno la metà dell'eccentricità. In effetti, l'idea che la spaziatura debba essere la metà dell'eccentricità per prevenire l'affollamento è nota come regola di Bouma, dal nome dello scienziato che ha scoperto come il rapporto tra spaziatura inter-stimolo ed eccentricità controlli l'affollamento. Quando il rapporto è 0,5, come mostrato nel grafico, le prestazioni sono di solito intorno al 75% o superiori. Al di sotto di 0,5, la precisione è spesso vicina al caso. Si noti che anche con una spaziatura relativa di 0,4, le prestazioni in questo esperimento erano inferiori al 25% e con una spaziatura relativa di 0,25, era quasi casuale. Ci sono 21 consonanti in inglese, quindi indovinare produrrebbe la risposta giusta quasi il 5% delle volte.
Figura 5. Risultati dell'esperimento di affollamento. L'accuratezza del riconoscimento era molto scarsa e a volte vicina al caso nelle prove con una spaziatura relativa inferiore a 0,5. Ma per le prove con spaziatura di 0,5 o superiore, il riconoscimento era di solito migliore del 75% di precisione. 0,5 è generalmente la spaziatura relativa critica che impedisce l'affollamento.
Variazioni
Ora che conosci le basi dell'esecuzione di un esperimento di affollamento, puoi eseguire un esperimento per dimostrare che la spaziatura relativa è il determinante cruciale dell'affollamento. Ecco come: scegli quattro valori di eccentricità, ad esempio 50, 100, 200 e 250 px. Per ciascuno, identifica i quattro valori di spaziatura inter-stimolo che ti daranno i valori di spaziatura relativi dell'esperimento precedente, ovvero. 0,25, 0,4, 0,5 e 0,75. Ora hai quattro modi diversi per produrre gli stessi valori di spaziatura relativa ma con eccentricità diverse. Sono 16 condizioni in totale. Eseguire un esperimento con 50 prove di tutte le 16 condizioni e tracciare i dati come illustrato nella Figura 6. Dovresti scoprire che la spaziatura relativa è il determinante cruciale delle prestazioni (al contrario dell'eccentricità).
Figura 6. Risultati di un secondo esperimento di affollamento progettato per contrastare gli effetti dell'eccentricità e della spaziatura relativa sulle prestazioni. L'asse x visualizza i quattro valori di spaziatura relativi utilizzati e le diverse icone di colore rappresentano le diverse eccentricità. Se l'eccentricità fosse il vincolo principale sul riconoscimento, allora le icone con lo stesso colore tenderebbero a raggrupparsi in termini di precisione del riconoscimento. Ma invece, l'accuratezza sembrava essere governata dalla spaziatura relativa.
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Applications and Summary
Uno dei motivi per cui la comprensione dell'affollamento è importante ha a che fare con la degenerazione maculare. La degenerazione maculare è una condizione che colpisce soprattutto gli anziani, coinvolgendo la degenerazione della macula, la parte densamente popolata della retina che comprende la fovea. La degenerazione maculare è la principale causa di cecità negli Stati Uniti tra le persone sopra i 65 anni. Lascia le persone fortemente dipendenti dalla visione periferica. Pertanto, la ricerca sull'affollamento può aiutare gli scienziati a comprendere i limiti e le affordance della visione periferica, come migliorarla e, in generale, come progettare l'ambiente per prevenire l'affollamento in situazioni importanti.
Capire come funziona l'affollamento gioca anche un ruolo nel modo in cui ingegneri, grafici e sviluppatori web organizzano molti dei display con cui le persone interagiscono quotidianamente. Ad esempio, quando un pop-up o un banner pubblicitario appare nel tuo browser web, è spesso progettato per attirare la tua attenzione, ma non essere leggibile al 100% o risolvibile a causa dell'affollamento: le persone dietro le quinte vogliono che tu muova gli occhi e guardi l'annuncio dopo che ha catturato la tua attenzione.
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Acknowledgments
1. Whitney, D., & Levi, D.M. (2011). Affollamento visivo: un limite fondamentale alla percezione cosciente e al riconoscimento degli oggetti. Tendenze nelle scienze cognitive,15(4), 160-168.
