Оценка успешности воспроизведения эгоцентрических и аллоцентрических пространственных репрезентаций при использовании систем ВР

Меньшикова Галина Яковлевна Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

Ковязина Мария Станиславовна Федеральный научный центр психологических и междисциплинарных исследований, Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Научный центр неврологии

Савельева Ольга Александровна Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова

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