視覚のボトムアップ信号処理 : 奥行運動の知覚からの考察(第21回大会 シンポジウム2 視知覚研究のゆくえ)

The　fapanese　JouTnal　of　Psychonomic　SCiettce

2003

，

VoL　22

、

　No

．

1

，

94

−

101

圃

視覚

の

ボ ト

ム ア ッ

プ

信号 処

理

　 奥行

運

動

の

知 覚

か ら

の

考察

塩 　 入

諭

千 葉 大 学

Bottom

−up

　

processing

　

of

　

visual

　

information

−

_Aview



_from



_motion



_in



_depth



perception

一

Satoshi

　

SHIolRI

c

励 α翫

iversity

＊

　　The　first　major 　task　of　vision 　is　to　extract 　useful 　information　

frem

　the　retinal　signals 　obtained from　the　environment 　through　the　eye 　optics _（bottom　up 　signals _）

．

　I　attempt 　to　classify 　the　types

of　processing　

in

　the　

first

　stage　of　the　visual　

inforInation

　processing　

into

　four　categories ；informa

−

tiQn　reductiQn

，

　

information

　extractiQn 　

for

　_particular 　functions

，

　_{parallel　processing}

，

　and 　comple

・

mentary 　_processing

．

　Based　on 　the　classification

．

　the　

process

　of　motion 　

in

　

depth

　

perception

　

is

considered 　as　a　typical　visual　processing　that　contains 　all　of　the　four　types　of　proces＄

ing，

　 This

suggests 　that　therc　are　a　

limited

　number 　of　

basic

　strategies 　

to

　process　

bottom

　up　signal　jn　

the

visual 　systern

．

Key

　words ：

human

　vision

，

　

bottom

　up　signals

，

　visuai 　pathways

，

　parallel　processing

，

　motion 　

in

　 　 　 　

depth，

　stereo

，

　motion

1

．

は じ め に 　 我々 は

，

外の世 界か ら得ら れ る信 号に基づ き感 覚 器お よ び脳の処理 を 通 して

，

自身を取り巻く 環境にっ い て適 切な 理解を して い る

．

その 過程は

，

外の 世界につ い て の モ デル を頭の _巾に構 築す る作 業で あ り

，

知 覚と は その_結 果であると捉 えることがで きる

．

視 覚にっ い てい え ば

，

日の前に広が る 環境に対して網 膜 上に得ら れた像から外 界の モ デルを作ることで あ る

．

こ こ でい うモ デル は実物 に対 する推 定で あり近 似で あ る

．

2

次兀 の網 膜 像か ら

3

次 元の 世界 を 構 築 する必 要があ り

，

完 全に再 現 する ため に_必要な情報が得ら れ ない ことを考え る と推定が必要で ある し

，

完全 に再 現す る た めに必要な情 報を得ら れ な い

，

ま た得られた情 報すべ てを使う とは限ら ない こと か ら近 似である といえ る

．

本 稿で は

，

外 界 を 表 現 する モ デ ル を得る た めに視 覚 系が行う網 膜情報の処理につ いて

，

＊ _{Department 　of　Information　and 　Image}

Sciences，

　Chiba 　University

，

1

−

33　Yayoi

・

cho

，

　Inage

−

ku

，

　

Chiba

　263

−8522

　e

−

mai1 ：shioiri＠

faculty

．

chiba

−

u

．

jp

基 本 的な方 略が あ る とすれ ばど ん な もの であるかにっ い て考察したい

，

処理 過程を考え て も機能を考え ても視 覚 処理は多岐にわ たる こと か ら

，

こ こで _{般 的}な法則の よ うな ものを考え る ことに意 味が あるかは疑 問も感じる

．

そ れを考え る人 間の思 考 過 程の反 映で しか ないかも しれ ない

，

し か し な が ら

，

その よ う な 疑 問 はこ こで の試みを 取 りやめ る理 由には な ら ないで あ ろ う

．

視 覚の よ う な複 雑なシス テ ムにつ い て の研 究を する場 合に は何ら かの枠 組み を持っ こと は有効で あ ろ う

．

こ こ で は

，

視 覚 特 性と 物理 量の対応を明確化す ること か ら明らか に な る点を中 心に

，

外 界を表 現 するモ デル_{構 築}の た めの _{視覚 処}理の基 本 的な方略にっ いて考 えて み ることにする

．

2

．

視覚 入力 　視 覚へ の入 力は

，

い うまで もなく左 右 眼の網 膜 像で あ り

，

視 覚 処理 は網 膜 像か ら始ま る とい うことに異 論はな い で あ ろ う

．

た だ し， 実際に は その網膜 像を得るた め に 眼球 や 頭や体の動き が あ る わ けで あり

，

網 膜像か らすべ て が始ま る とい い きる ことは妥 当とは いえ ない

．

こ こ で は

，

視 覚 神 経 系の処 理 を 行 動 と切り離 して考え

，

網 膜 像

か ら光受容体が信号を取 り入れる過 程か ら話を始める こ とにする

．

網 膜 像は光の分布で ある の で

，

2次 元の座 慓 の波 長ごと の光の強 度と な る

．

そこに時問変 化を加え る と3次 元の座 標の 関 数 と な り

，

さ らに 2っ の_{網 膜}が あ る

．

し た が

っ

て

，

1（κ

，

y

，

t

，

　V

，

λ｝で網 膜 情 報すべ てを表 現 で きる _（Adelson ＆ Bergen

，

1991）

．

こ こ で

，

　x

，

y は空 間 位 置， tは時 間，　 V は左右網膜のいずれ か， λ は光の波長 を示す

．

こ の表現で は，

5

っ の変数で網 膜にあ る情 報が 表せる こと を 意味 するが

，

こ れ は決し て少な い情 報 量で ある ことを意 味しな い

、

空 間 位 置につ いていえ ば

，600

万 以 上の 錐 体 と

1

億 以 上の 杆 体がそ れ ぞ れ異な る入 力 を 受 け と ることにな る

．

時 間にっ い て は

，

例え ば 1秒 間 に 10 コ マ の静［ヒ画 像の処 理 を した として も1時 間で

3

万6千コ マ に な る

．

そ こ に 3種 類の錐 体の 区 別と左 右網 膜 像の 次元 が加わ るこ とにな る

．

1 時間の _間に視 覚系が 取り扱う情 報は

，1G

の

13

乗の数にお よ ぶ信 号とにな る

．

1時 間の問に得られた網 膜 情 報を正 確に表 現し た け れば

，

10 の 13乗 次 元の空 間の中の座標とし て あ ら わす 必妛 が あ るこ と に な る

．

こ こ で時 問に関する部分は

，

ま

っ

たく不 適 切な考え方で あ る か もし れ ないが

，

静 止し た網 膜 像にっ い て の みを考えて もそ の次 元の高さ は変わ ら な い

．

っ ま り1億 次 元 を超え る直感 的に言っ て これ は 我々 の_視覚が直接 的に扱っ ている情報量で は な い

．

ボ ト ム ア ッ プ信 号の _処理 に は

，

少なくと も情 報の低 減が行わ れて い る であろ うし

，

お そ らくは そ れ 以上の処理 が行わ れて いる

，

以 ドで は

，

情 報の低 減に加えて機 能 分 化 的 処 理

，

相 補的 処 理

，

並 列 処 理 にっ いて考え るこ とにす る

．

これ ら は完 全に別 個の _処理 と はいえ ない が

，

少なくとも 異なる側 面を持ち

，

ボトム ア ッ プ信 号の処 理 過 程の特 徴 を考え る上で意 味のある分 類と考え ら れ る

．

3． 視

覚

情報

の分 離 抽 出 　 視 覚のポ トムア ッ プ信 号の処 理は

，

基 本 的に は網 膜 像 にある情 報か ら何 らかの意 味で有 効な情 報 を分 離

，

あ る いは 抽 出 す る 過 程で あ る といえ る

，

有 効 な 情報と は 何で あ る か は問題で あ る が

，

こ こ で は実 際に行わ れて い ると みなせ る事 柄を材 料に考え る ことにする

．

　3

．

1　 視 覚 情 報の低 減 　

1

億次元 を超え る 入力 情 報は

_，

眼球か ら出 力さ れ る時 点で

100

万 次 元 程 度 まで低減 さ れて い る

．

視 神 経の_数

，

つ _{まり神 経 節 細 胞}の軸 索の数は 100 万 本 程 度で ある か らで ある

．

この情 報 低 減は解 像 度の低 ドともい え るが

，

その よ うに単純に捉え るこ と はで き ない

，

も し そ うであ る な ら ば， 光受容 体の レ ベ ル で

1

億以上の数が必 要であ るとは思 え ない

，

神 経 節 細 胞の重 要な特 徴の 1っ は そ の

Figurc　1

．

　 Two 　circled 　arcas 　havc　thc　samc

　luminance 　but _↓he　_area　in　

the

　shadow

　apPeared 　to　be　lighter

．

受容野が中心周辺拮 抗型で あ るこ とであ る

．

これによ

っ

て

，

光 受 容 体の応答 値が変 化す る部 分で顕 著に大き な応 答をする こ と に な る

．

っ ま り神 経 節 細 胞レ ベ ルの処理で は局所的なコ ン トラス トの_{検 出}あ るいはエ _ッ ジ_{抽 川的}な 処理 を しな が ら

，

空 間的解像度の低減を行って い る よ う にみ える

，

局 所 的なコ ン ト ラ ス ト検 出は

，

明る さの対 比 に関 わり

，

照 明 光や影に よ る反 射 光の変 化を取り除いて 面の 反射を知 覚す る ために も有 効で あ り う る

，

Figure　l は市松 模様の〔「い マ ス の反射光が影によっ て黒いマ ス の 反 射 光とほぼ同じになる状 況を示 す

．

こ のと き我々 は黒 いマ _スを黒く

，

_白いマ _{スを白く知覚 す}る

．

もし

，

影の部 分と その外 側の明る さの 絶 対 値 を 直 接 比 較で き ればこ の

2

っ の マ ス は［司じ明 度に感 じ ら れ る は ずで あ る が

，

そ う は ならない _（Adelson

，

1993_）

，

_{局 所 的}なコ ン ト ラス トの 処 理は

，

こ の よ うな広い範 囲で の明 度よ りも近 傍の領 域 の_{相対 的}な明る さ を重点的に処理 す るこ とを意味す る

．

Figure

　

1

の_例は， そのよ う な 処 理 が世界を 適切に捉え る ことに貢献する こと を示 唆 する

．

　 時 間 方 向の変 化にっいても 同様に局 所 的 なコ _ン トラス ト処理の議 論が ・∫能_{であ る}

．

網 膜_で の神 経 系は

，

光 量の 時 間変 化 を取り 出 す よ う な 処 理 も して い る

．

時 間周波 数 特 性 が8Hz 付 近に感 度の最 大を持っ こと か ら

，

視 覚 系 は お よ そ 8 フ レ

ー

ム_{／秒 程 度}の 処理 を して い る と い え る か も し れ ない

．

_{空 聞解像}度と同様に時間 的な局 所コ _ン ト ラス トの_{検 出}を し な が ら情 報 低 減を行っ て い る と み な す こと もで き る

．

た だ し

，

錐 体の _{時 間 特 性}と神 経 節 細 胞の 時 間 特 性の問の差は

，

そ の数の羌に比べ _{れ ば 小さく}

，

_空 間 解 像 度の 場 合ほ どの影 響は考え に くい

．

3．

2

　 機 能 分 化 的処理 前 節で は入 力情 報の 部 を抽 出 する処 理が情 報 低 減を

96

基 礎 心 理 学 研 究　第 22 巻　第 1 号

意味することを述べ た

．

し か し

，

人力か らの_{情 報}の _{抽 出}

は 必 ず し も情 報量 の_低減 を伴わ ない

．

その_典型的な例

は

，

色 覚である

．

色 覚は 3種 類の錐 体の反 応か ら始 まる

た め

，

そ の入力は 3次元で あ る 〔Figure　2　top　left_）

，

方

，

色に対す る知 覚は色相

，

彩 度

，

明度の

3

_{属 性}で表現

口_∫能で あり

，

や はり

3

次 元であ る （

Figure

　

2

　top　right ）

．

さ らに そ の中 間 過 程に は赤 緑

，

青 黄の反 対 色と輝 度の 3

次 元での表 現が存 在す る〔

Figure

　

2

　top　center ＞

，

つ ま り

色 覚 過 程は

，

入 力か ら最終結果まで基本 的に 3次 元で あ る

．

そこ には情 報 低 減の要 素は ない

．

こ の ような3次 元 から3次 元へ の変 化に はどんな 意 味 が あるの であろう か

．

錐 休か ら反 対 色 過 程へ の変 換にっ いては

，

興 味深い 点が指摘さ れて いる （

Palmer，1999

）

．

　 今

，

L 錐 体

，

　M _{錐 体}の み につ い て考え る と

，

錐 体か ら L

−

M （L 錐 体と M 錐 体の応 答の差 をと る）で表 現さ れ る よ う な赤 ／緑 反 対 色 過 程へ の変 換は

，

給 湯シ ス テ ムと 対応づ けて考え ること がで き る

．

水と お湯の混合によ

っ

て湯 温を制 御 するシ ス テム において

，

水とお 湯の _{混 合}と い う こ と を直 接 的に実 現 する と

，

2っ の ノブに よ りそれ ぞ れの _水量 を制御す る もの が考え ら れ る 〔

Figure

　

2

　

bot−

tom　center ）

．

し か し体 験 的に も

，

こ の方 法が使いや すい とは い え な い こ と がわか る

，

もっ と使いやすい もの に

，

上 下 左 右に動くノ ブに よっ て水量 と水とお湯の混合比 を

独 立に制御す る もの が あ る（

Figure

　2　

bott

【）m 　right_）

．

適

当な湯温に_設定し た ま まその 量 を変える こと がで き大変

使い_易い

．

2つ の ノブに よる方 法は L

，

M の錐 体の 出力

を2次 元で表 現 することに

，．

h

下 左 右に動くノブに よる

方 法は 輝 度と反 対 色 過 程 を2次 元で表 現 す ることに対 応 す る（

Figure

　2　

bottom

　left_）

．

_{質 的}な 違い _（色）と 量的

な違い （光 強 度 ）を別々の軸で表 現 する とい う意 味で有 効であ ろ う

，

　光受容体は， 波長に依存し た感度 特性を持っ て いるこ と を考える と

，

原理的に_単

一

の_種類の錐 体や桿体で は_波 長の変 化と強 度の変 化は区 別で きない （1変 数の法 則）

，

これは受 光 とい う現 象の 物 理 的制 約 といえ る

，

我々は

，

3

種 類の錐体を持ち

，

その _出力を適当に変換す るこ と で

，

強 度の次 元と色 相の次 元を う まく分離 して取 り扱う ことに成 功し て い る

．

もと もと網 膜に あ る情 報を適 切な 形で抽 出して い る典 型 例 といえよ う

，

　

3．

3

　 相 補 的処理 　 情 報の_{抽 出}とい う点で も う 1つ _{別な観 点が あ}る

．

視 覚 系が対 応で きる網 膜 像の明る さの範 囲 を 考え ると

，

瞳 孔 径に よ る光 量の 調 整 を 考 慮して も 10の

7

乗 を 超え る と 推定さ れ る

．

そ れに対応 す る た めに， 我々 の網 膜には感 度の異なる錐 休と桿 体とい う2種 類の 光 受 容 体が存 在 する

，

桿 体は

，

光 量子数 個 レ ベ ル の非 常に暗い網 膜 像に も反応で きる が明るい_環境で は働かず， 錐体は桿 体の 働 く暗い_{環 境}での_{網 膜 像}には感 度を持た ないが

，

太 陽 光 下 Mcone 　activity ／ C Lcone　activity

luminance

I

　ue

Scone　acti　vity

hue

Mcone 　activi　

ty

（

lum

｝nance ）

dlgreen）

cone 　activity

Figure　2

，

　 Transformation 　of　color　space 　

from

　cone 　space 　

to

　

the

　space 　

for

　

final

　color　perception_（

top

倉

〉

距

。。 ⊆ Φ の

　　　　　

Spatial

　

resolution

Figure　3

．

　 Covered 　areas _bycones and

　rods　

in

　

Sensitivity

／Resolution　diagram

．

の視 環 境で の非 常に明るい網 膜 像に まで対応で き る

．

お

そ らく錐 休と桿体は感 度の差に起因して

，

両 者の_間に は

空 間解像度な どに も大き な差がある

．

例えば

，

空間解像

度を 比較す る と

，

錐 体の働 く明所 視で は

60cyc

／

deg

程 度で ある の に対し桿 体の_働く暗 所 視で は 10cyc _／deg 以 下に な る（vanNes

，

Koenderink，

Nas

，

＆Bouman

，

1967_）

，

こ の 空問視の_{解像 度}の差 は

，

高い感 度で 低 解 像 度の _{情 報} を抽 出 する処 理と低い感 度で高 解 像 度の_情報を抽 出 する 処理の 2っ で

，

視 環 境の広い光強 度変_化に対 応して い る こ とを意 味す る

．

錐体の密 度 が高い ことに加え て

，

_{明 所} 視で瞳 孔径が小さい ことや ス タ イ ル ズ クロ フ ォ

ー

ド効 果 （瞳 孔の _{巾 心}か らの光 線に高い感 度を 持っ 効_果で

，

結 像 にお ける迷 光の影響を_低減す る）な ど は

，

眼 球 光 学 系の 収 差や迷 光の影 響を取り除い て高い解 像 度の処 理に貢献 して い る （口本 視覚学 会 編

，

2000）

．

それに_対して暗所 視では 瞳孔 径が大きく

，

桿 体にス タ イル ズ クロ フ ォ

ー

ド 効 果が ほ と ん ど ない

．

これら よ り

，

桿 体系が高い感 度で 網 膜 像 を 処理 す ることに貢 献して い _る

．

_以

．

E

よ り

，2

つ の処理 は相補 的な役 割を果たして い るといえ る

．

Figure

3 は

，

この 2っ の処理系を概 念的に示 してい る

．

も ちろ ん実 際に は

，

様々な選 択 肢が あ り う る

．

単独の メ カニ _ズ ム_で広い光 強 度に高い解像度で対応 する こ と がで き れ ば そ れ は 最善か も し れ ない し

，

3っ以上の メ カニ ズムが 適 当に関 与する ことも可 能で あ ろ う

．

Figure

　

3

か ら読み取 る ことが で きる の は

，

我々の視 覚 系 は高感度で高解 像 度 の処理 を あ き らめ_{， 広}い _{光強 度}と明る い環 境での高 感 度 を実 現 して いることである

．

　同 様の二 重性は

，

初 期 視 覚の 2っ の経路

，

_{大 細 胞 経 路} と小 細 胞 経 路にも見ら れ る

．

この

2

つ の_経路は外 側 膝 状 体の細 胞の 分 類に基づ き

，

網 膜 神 経 節 細 胞か ら大 脳 視 覚 〉 。 ⊆ Φ ⊃ σ Φ

と

一

匹

o

Ω

∈

Φ ト

　　　　　　

Spatial

　

frequency

Figure

　

4．

　

Senstivity

　of　parvo

−

and 　magno

−

　pathways 　

in

　the　spatiotemporal 　frequen

−

　cy　

domain ．

野の_{各 領 野}で処 理にわた り

，

並 列 的な処理 過程で あ る と

考え られて い る （Livingstone ＆Hube ユ

，

1988；Merigan ＆ Maunsell

，

1993_）

，

_両者の_独立性につ い て は疑 問 も多 いが

，

外 側膝状体の レベ _{ル では分 離 した処 理であり}

_，

時 間特性

，

空間 特 性

，

波 長 選 択 性な どで顕 苦 な 差 が あ る時 空間 周 波 数 特 性につ い て は

，

お お ま かに以 下の よ うにま と め るこ とがで きる

．

大 細胞 経路の処理で は時 問 的に は 高 周 波まで感度を持っ の に対 して

，

空 間 的に は低周波に 感 度を持っ

．

_逆に小 細 胞 経 路の処理 で は空 間的に は高周 波まで感 度を持っ の に対して

，

時間 的に は低 周 波に感 度 を持っ

．

Figure　

4

に時 空 間 周 波 数 領 域で の感 度の概 略 を 示 す

．

両者の感度は対 角 線

E

に位 置し

，

高い空 間 解 像 度 を得るた めに時 間 解 像 度 を

，

高い時間 解像度 を得る た め に空 間 解 像 度 を 犠牲に して い る よ うにみ え る

，

相 補 的 な 機 能 を 持っ

2

っ の メ カニ ズ ムで で きるだけ 広い時 空 間 周波数の 刺 激に対応 して い る意味で

，

錐 体と桿 体の_場合 〔

Figure

　3_）と よ _く似た関係が見て取れ る

．

　3

．

4　 並 列 処理 　大 脳 視 覚野で の 処理に対 する作 業 仮 説として

，

色

，

輝 度

，

両眼視 差

，

運 動な ど を独 立な経 路で処 理して いる と い う もの が ある

．

こ の考え は

，

た とえ ば等 輝 度の_{色 差 刺} 激に対 する運 動 印 象

，

両眼立体視によ る奥 行

，

毛観 的 輪 郭 な ど が 非 常に弱ま る とい っ た現 象に よっ て ある程 度 支 持さ れ る

．

こ の_{仮 説}は単 純 す ぎる であろ う が

，

情報 抽 出 にお け る 重要な側 面を表 して いる

，

今

，

網 膜上の_{情 報}か ら運 動 方 向と色 度を取 り出す こと を考え る

．

運動 方 向

，

色 度 をそ れ ぞ れ

10

点で代 表さ せ た と して も

，

両 者の組 み合わ せ は 100 と なる

．

各 網 膜 位 置につ い て

100

の組 み合わ せの う ちの ど れ か を割り振るこ とに な る

．

し か

98 基 礎 心 理 学 研 究 　 第22 巻 　 第

1

号

愚

_Figure　5

．

_Segregation

総

　1_〕y　texture　differences

、

し

，

も し運動方向と色 度が独 立に処理 さ れて い る と す れ ば

，

各 位 置で は 10方 向の ど れ か と 10色 度の ど れ か を 割 り振れ ば よい ことになり取り扱う値は

20

で済む

．

も ちろ ん こ の場 合は

，

ある色が特 定の連動方 向に運動して い る場合と別の色が_同じ_{方 向}に運 動して い る場 合を 運動 の処理過 程で は区 別で き ない とい う問 題はある

．

しか し

，

視 覚 系に と

っ

て は それ ぞ れの_{位 置}で の色と運 動 方 向 が わ か ればそ れで十 分かもしれない

．

考 慮 する刺 激 属 性 の数が増え る と組み合わせ は指 数 関 数 的に増 加 するの で

，

並列 処理にお け る情 報低 減の効 果は指 数 関 数 的に大 き くなる

．

　並 列 処 理の 役 割 は

，

網 膜 情 報に混 在す る異な る情 報を 分 離す るこ とで も あ る

．

ヒ記の色 覚に お い て輝 度と色 度 を分 離 し た よ うに

，

そ れ ぞ れの刺 激属性を分 離 するこ と は機能的に も 重 要で あ る

，

た と え ば

，

異な るテ クス チャ

ー

間の境界を検 出するこ とを 考えてみる

．

Figure　5 か ら線 分の傾き が 異 な る領域 間の分 割は

，

視 覚に とっ て 容 易で あるこ と が わ か る

．

し か し網 膜 像に， テ クス チャ

ー

の境 界に対 応 する線はない

．

こ の境 界線は

，

明示 的に示さ れて はいない とい う意 味で は錯 視 的で もある

．

し か し

，

そ れ は網 膜 像にその_{情 報}が ない こ とを意 味 する わ けで は な い

．

テ ク ス チ ャ

ー

の _{境 界}を検出す るこ と は

，

適 当な_画像処理 に よっ て （っ ま り ボ トム ァ ッ プ的処 理の みで）可能であ る（

Landy

＆

Bergen，

1991＞

．

こ の処理過 程で は

，

テ クス チ ャ

ー

の要 素であ る各線 分の検出が 必要 で あ る が

，

最 終 的な テクス チ ャ

ー

境 界に は線 分その もの 形状は関与し ない

．

別の 言い方をする と網 膜 像にあ る各 線 分は

，

その _{線 分}の _形状の情報と テ クスチ ャ

ー

領 域の形 状の両 方を含んで い て

，

視 覚 処理 は そ れ らを分離 抽 出し て い る とい うこ と である

，

そ れ に よ り面の属性と み な せ るテクスチャ

ー

を 構 成 する要 素の形 状 と

，

面の端に対 応 するとみな せる テ クス チャ

ー

の 輪 郭は並 列 的に処 理され て い る とい え る

，

4

． 奥行

運 動の処理 前 節で は

，

視 覚にお け るボ トム ア ップ信号の処理過 程 の 特 徴にっ い て の考 察で あっ た

．

本稿で は情報低 減

，

機 能分化的処理1 相捕 的処理

，

並 列 処理は

，

視 覚の ボ トム ア ッ プ信 号処 理の基本的な特徴で あ ると提 案 したい

．

し か し

，

そ の

一

般 性につ いて は十 分な根拠 が あ る わ けでは ない

，

こ こ で は

，

奥行 運 動 知 覚の_例を とり

，

そこに これ らの特 徴が見られるこ とを 示 したい

．

　奥 行 運 動 知 覚は静 的な奥行知覚の メ カニ ズム と独 立な 処 理 過 程がある と考え ら れて い る〔

Regan，1991

；

Regan ，

Beverley

_，

＆ Cynader

，

1979_）

．

原理的に は_静的な奥行手 掛りの_{時間 変 化 を捉}え るこ とが で きれ ば

，

奥行 運 動は知 覚で きる はずで あるが

，

実 際に確 認さ れて い るもの は そ

れほ ど多 くない 〔Shioiri

，

Morinaga

，

＆

Yaguchi，

2002b

｝

，

本 稿で は

，

比 較 的よ く理 解 されて い る両 眼 性 手 掛 りの処

理 過程につ い て考 察 す る

，

両眼性の奥 行 運 動 手 掛り と し

て は

，

両 眼 視 差の_{時 間変 化}と両眼間 速 度 差の 2つが あ る

〔CuInming ＆ Parker

，

1994；

Shioiri

，

　

Saisho，

＆

Ya −

guchi

，

2000 _）

．

前 者は

，

奥 行 手 掛りである視 差が時 間と と もに_変化す ること か ら奥行運 動 手掛りとな ることであ り

，

当 然といえる

，

後者は奥行方 向に運動 する対 象で は 左 右眼の網 膜 像の運 動 速 度が異なるた め

，

その_{速 度}差 が 奥行運動の 手 掛 りにな る とい う もの で ある

．

観 察 者に まっ す ぐ向か

っ

て く る物 体の網 膜像は

，

右眼で見ると左 方 向に

，

左 眼で見る と右方向に運動す るこ と に な る し， 遠ざ か る場 合は逆に な る

．

したがっ て左右 眼の速度差か ら対 象の奥_行運動の_方向が わか る ことに な る

．

手 掛り が 存 在 すること と

，

視 覚 系が そ れ を実 際に利用することは 別の問 題であるが

，

近 年 両 手 掛 りと も利 用さ れて い るこ とを 示 す 実 験 事 実 が 蓄 積 さ れて い る 〔Brooks

，2001

；

Brooks ＆

Mather，

　

2000

_；

Brooks，

2002a_；Brooks

，

2002

b

；

Shioiri

　et　al

．

，

2002b ；

Shioiri

，

　

Nakajima，

＆ Yaguchi

，

2001；Shioiri　et　al

．

，

2000 ）

．

而 眼 視差の_{時 間変}化を利用 す る ため に は ま ず両眼視 差 を検 出し

，

そ の時 間 変 化を求 め るメカニ ズム が 必要で あ り

，

両眼間 速 度 差 を 利 用 する Motl  1n　depth

小

Te叫 x）raldcrLvattve

春

DiSlvaritY　detect1［m Motion　ln　depth

个

V擘1  ty　difference

　　　　卒

rnotien

　

detection

春

mot 旧n

　

tiffteeti［｝n

奩

驪

　 奩

驪

  di・凶 しy　d  宮e 　i醐 me _{（B ）血tErmmlar}　veL。city 　d正fferen

・

es Figure　6

．

　 Two 　mechanisms 　for　seeing 　motion

　

in

　

depth

：

disparity

　change 　

in

　

time

_（

A

_）and

た めには ま ず各 網 膜 像で速 度を検 出 し

，

その 差 を 求め る メ カニ _ズム が必 要で あ る _（Figure　6_）

．

　

4．

1　 情 報 低 減 　 情報の低減 とい う観点で は

，

奥 行や運 動に対して は

，

実 際に網 膜 像か ら再 現で きる もの よ りも少な い情 報のみ を扱っ て い る こ とは明 らかである

．

たとえば立体視 力の 奥 行 変 調の空 間 周 波 数へ の 依 存 性 を 見 る と

，

最 大の感度 が

0．

5cyc

／

deg

程 度の_{帯 域 通 過 型}で あり

，

それよ りも高 周 波で も低 周 波で も 感 度が低 ドする _（Shioiri　et　aL

_，

2002b _＞

，

理由は ともか く

，

網 膜 像に_含ま れ る両 眼視差情 報の

．

一

・

_部のみを使っ ている と い え よ う

．

運 動 視にっ い て も同様であ り

，

た と え ば速 度が 正弦 波 状に変 化 する刺 激 において その _{速 度 変 化}の検 出 感 度は や は り

0．

5cyc

／

deg

付 近の 周 波 数の 刺 激で 最 大に なる と報 告さ れて い る

｛

Golomb ，

　

Andersen，

　

Nakayama ，

　MacLeod

，

＆ Wong

，

1985

＞

．

　奥 行 運 動につい て は

，

時 間 特 性におい て特に_{重 要}な点 が あ る

，

奥 行運動におい て も， 水平運動におい て も対 象 の運 動は網膜像の _移動と な る

．

網 膜 像で比較 する と

，

眼 前 1m で O

．

5　kmfh _（

〜

0

．

15m _／s_）の水 平 速 度の運動物 体と 10km _／h の奥 行 方 向の運 動 物 体が同 程 度の網 膜 像 の移 動 を もた らす

，

奥 行 運 動と して は非 常に_高速である が_{， 水平方向}で は 目常 的なもので あ る

，

おそ ら く

，

奥 行 運動処理に必 要な網 膜 像の速 度の ヒ限は

，

2次 元 運 動の もの に比べ てずっ と遅い もの で 十 分であ ろ う

．

実際

，

奥 行 運 動の時 間 解 像 度は

2

次元 運動の もの よ り も ずっ と 低い こ とが知ら れて る

．

当 然と もい えるが

，

網 膜 像か ら 検 出口」能_で あ

っ

_て も_{実 際に は}あ り え な_{い不 必要な情報は} 処理 されない

，

　4

．

2　 機 能分 化的処 理 　前 述の よ う に， 奥 行運動 検出の た めに は視 差 変 化 検 出 と速度差変化検出の

2

っ の メカニ _ズムがある と考 え ら れる

．

両 者とも奥 行 運 動の_検出 をして いる と す る と， そ の役 割にっ いての疑問が生じ る

、

全 く_同じ_{機 能}を_持つ な らば

一

方だ けで十 分か も し れ ない し

，

ある い は

一

方が補 助的な役 割のみ を果たす 可能 性 もある

，

　視 差 変 化に基づく奥 行 運 動の検 出 と速 度 差に基づ く奥 行 運 動の検 出の 間には機 能 的な差が あ るのであろ う か

．

両 者の処理 過程の特_徴か ら次の こ と が明 ら かで ある （

Figure

　7_＞

，

速度_差の_{場 合}は

，

3次 元で の運 動 方 向 を知る こと がで きるが

，

対 象の 3次 元 位 置は決定で き ない

．

_視 差 変 化の場 合は

，

対 象の

3

次 元 位 置 を 知ること がで き る が 運動 方向 を決定 す ること はで き ない

．

こ の ことは両 者 が異な る機 能を持

っ

て い る か

，

少なくとも持 ち うるこ と を 意味 して い る

，

実 際に

，

単 眼の運 動 残 効が奥 行 運動の

Potion　information　can 　be　　　　 　　　D⊥1eo しlon 　infmrmatio

］

1　Ltnn 　b

自

cvded 　in　Lh

巳

　dlsparl匸y　dctec

−

　　　　　（oded　in　the　、eloci しy　detec

−

tion　mechan15 皿　　　　　　　tio［〕tneohHtils皿

．

Figure　

7．

　

The

　

disparity

　nlechanism 　codes 　the 　position　with　discriminating　directions　Qnly

　

between

　

forward

　 and 　

backward．

　 　 The 　velocity 　 mechanism 　cQdes 　 the　direGtion　 in

　the　3D　space 　without 　position　information

．

方 向に影 響する と の報 告もあ る _（Brooks

_，

2002b _；

Shio−

iri

，

　Kakehi ，＆ Yaguchi

，

2002a ）

．

し た が

一

・

て速度 差によ る奥 行 運 動 知 覚が

3

次 元の運動 方 向の知 覚をもた ら し てい ることは確かで あろ う

，

ただし

，

こ の機 能の_分離に っ いて は注 意 も必 要である

．

3

次 元の運動 方 向は視差変 化 と2次 元の運 動 情 報 を 組み合わ せ るこ とで可能と な る し， 運動 対 象の

3

次 元 位 置は

，

速 度 差 于掛 りと静 止 立 体 手掛り との紅み合わ せ か ら知る こと が可 能で あるか ら で ある

．

　

4．

3

　相 補 的 処理 　錐体と桿体や大細胞 経 路と小 細 胞 経 路の場 合の よ う に

，

ある機 能に対して 2つ の メ カニ ズムを持っ ときに_両 者は異なる感 度 特 性 を 示 すことを 述べ た

．

我々の研 究 室 で は

，

奥 行運動に 関 わ る

2

つ の メカニ ズム につ い て も同 じよ うに_{相 補的}であ るこ と を示 すい _くっ _かの_{実 験 的 な 証} 拠を得て い る 〔Shioiri　et　aL 　2002b _{：懸 樋 大 介}

・

_{塩 入} 諭

・

矢口博 久

，

2001；中 島知彦

・

弓削公

一 ・

塩 入　諭 ・ 矢口博 久

，

2003）

，

1

っ _は

，

時空 間周_{波 数}特_性にっ いての 実験で ある

．

我々 はそれ ぞ れの手掛り を分 離した 2条 件 を設 定し

，

刺 激の時 間 周 波 数と空 間 視の周 波 数 を 変 数と して

，

奥 行 運 動に対 するコ ン トラ ス ト感 度を 測定し た

．

実 験 結果に基づ きそれぞ れの 条 件の 感 度の_{概 略}を Fig

・

ure　

8

に示す

．

顕著な違いは時 間 周 波 数 特 性であ り

，

速 度差于掛り条 件で は 1Hz 付 近に感 度の最 大を持っ 帯 域 通 過 型の特 性を示 すの に対して視 差手掛り条 件で は低 域 通 過 型で あ る

，

運動視が時間変化を捉え ることに始ま る こと を 考 え る と 納得で き る結 果であ る

．

視差条件で は

，

よ り遅い_処理 によっ て時 間 変 化が捉え られてい る が

，

視 差の検 出が

一

般 的に時 間が か か るもの との認 識と

一

致す る

．

空 間 特 性につ いて は， そ れ ほ ど明 確な 差 が得 ら れて はいない

，

_視差手掛り条 件で は低 周 波 通 過 型の特 性を示 し

，

速度差条 件で は ゆ る やかな感 度の最 大を持っ 帯 域 通

100

基 礎 心 理 学 研 究 　 第22巻 　 第

1

号 牌

匳

》 呂   」 σ

 

毳

一

丹 Q α EO ド Spatial　frequency Figure　8

．

む E   コ ワ

Φ

_」

一

一

巴 ◎ ユ ∈   ト

Spatlal　freq凵ency あ

り

⊆ O コ

σ

 

」

←

一

_帽

_」

9 露 EO ト 卸ati訓frequency

　 　 　 　 Shematic　view 　of　spatiotemporal 　fre

−

quency　characteristics 　of　contrast 　sensitivity

to　see　motion 　

in

　

depth．

　

Velocity

　condition

（left）

，

　disparity　cQndition _（center _＞and 　com

−

parison 　between 　the　two _（right_＞

．

過 型に特性を示し た

．

　速 度に対 する感度の _変化にっ いての実 験か ら も

，

速 度 差によ る奥 行 運 動 知 覚と視 差によ るもの と が異な る時 間 特性 を 持っ こ とが支 持さ れる

．

こ こ で もそれぞれの手 掛 りを分 離し た

2

条件を設 定し， 刺激 速 度を変 化して奥 行 運 動の検 出 能 力を測定し た

．

網 膜ヒでの速 度が

33min

／ s（1秒 当た り視 角で 33分 移 動 ）か ら 133min ／s まで変 化し た と き， 速 度 差 手 掛りのみの刺 激では運 動 方 向の 弁 別 課 題に対す る正 答率が や や ヒ昇し たのに対して

，

視 差 手 掛り条 件で は大 き く低 下 し た

．

これ は， 時 間 周波 数に 対 する感 度か らの 予 測と　 致 する

．

これ らの実 験の示 唆 す る ところ は

，

速 度差 に基づ く奥 行 運 動メ カニ ズ ム は高 速の運 動に

，

視差に_基づ _{く奥行運動}メ カニ ズム_は低速の 運 動に感 度を持っ という相 補 的な役 割を持っ とい うこと であ る

，

　

4．

4

　 並 列 処 理 　 2っ の 奥行 運 動メ カニ ズム の _{存 在}は

，

奥 行運動とい う 同 じ処 理 を並 列 的 な異なる過 程で行

っ

てい るこ と を意味 す る

．

こ の

2

っ の処 理の存 在は

，

上 述の複 数の刺 激 属 性 を並 列 処理する場 合と同 様な情 報 低減の_{効 果}が ある で あ ろ うか

．

そ の答え はFigure　7 _{か ら明ら か}で あ ろ う

．

も し

，

単 独の過 程で 奥 行 運 動の方 向とそ の位 置を処理 す る 場合を考え る と， そ れ ぞ れの位 置で そ れぞ れの方 向 を 知 る こと が必 要にな り

，

「位 置×_{方 向」}の_組み合わせを 処 理 する ことになる

．

しか し

，

方 向の処 理 と位置の処 理 を 分 離す るこ と は 「位 置＋方 向 」だけの数を扱え ば よい こと にな る

．

っ _{ま り}

，

_{機 能 分 化}で 考え た方 向と位 置が並 列 的 に処 理されて い て

，

その_{結 果 情 報}の _低減 が口∫能と な るこ とになる

．

5

．

おわり に 　本 稿で は

，

視 覚 処理にお けるボトム ア ッ プ信 号の処 理 に か か わ る基 本 的な方 略にっ い て検 討し

，

い くっ かの _枠 組み を提案し た

．

これ ら につ いての賛 否は ともかく

，

物 理量との対応 を考えて視覚特性を比 較 検 討 することで

，

処 理 過 程の特 徴が捉え やす くな ること は示せ た と 思 う

．

こ の よ う な 形で の視覚 特 性の検 討は

，

環境の与え る情 報 と関 連づ _けることで よ り重要な意味を持つ は ずで あ る

．

E

述の奥 行 運 動の現 実 的な速度と2 次元の 運 動の現 実 的な速 度の比 較は そ の

一

例であるが

，

日常生活で得ら れ る網膜 像の _中に含ま れ る情 報 を 視 覚 特 性 と比 較で きる形 で検 討する こ とで よ り詳 細な研 究が口∫能_で あ る

．

今 後 は

，

発 展 する情 報 処理技 術を積 極 的に活 用す るこ と か ら

，

さらに重 要 な成 果に結 びっ くこ と が期 待さ れ る

．

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