Feature integration in human vision

The earliest stages of human cortical visual processing can be conceived as extraction of local stimulus features. However, more complex visual functions, such as object recognition, require integration of multiple features. Recently, neural processes underlying feature integration in the visual system have been under intensive study. A specialized mid-level stage preceding the object recognition stage has been proposed to account for the processing of contours, surfaces and shapes as well as configuration. This thesis consists of four experimental, psychophysical studies on human visual feature integration. In two studies, classification image a recently developed psychophysical reverse correlation method was used. In this method visual noise is added to near-threshold stimuli. By investigating the relationship between random features in the noise and observer s perceptual decision in each trial, it is possible to estimate what features of the stimuli are critical for the task. The method allows visualizing the critical features that are used in a psychophysical task directly as a spatial correlation map, yielding an effective "behavioral receptive field". Visual context is known to modulate the perception of stimulus features. Some of these interactions are quite complex, and it is not known whether they reflect early or late stages of perceptual processing. The first study investigated the mechanisms of collinear facilitation, where nearby collinear Gabor flankers increase the detectability of a central Gabor. The behavioral receptive field of the mechanism mediating the detection of the central Gabor stimulus was measured by the classification image method. The results show that collinear flankers increase the extent of the behavioral receptive field for the central Gabor, in the direction of the flankers. The increased sensitivity at the ends of the receptive field suggests a low-level explanation for the facilitation. The second study investigated how visual features are integrated into percepts of surface brightness. A novel variant of the classification image method with brightness matching task was used. Many theories assume that perceived brightness is based on the analysis of luminance border features. Here, for the first time this assumption was directly tested. The classification images show that the perceived brightness of both an illusory Craik-O Brien-Cornsweet stimulus and a real uniform step stimulus depends solely on the border. Moreover, the spatial tuning of the features remains almost constant when the stimulus size is changed, suggesting that brightness perception is based on the output of a single spatial frequency channel. The third and fourth studies investigated global form integration in random-dot Glass patterns. In these patterns, a global form can be immediately perceived, if even a small proportion of random dots are paired to dipoles according to a geometrical rule. In the third study the discrimination of orientation structure in highly coherent concentric and Cartesian (straight) Glass patterns was measured. The results showed that the global form was more efficiently discriminated in concentric patterns. The fourth study investigated how form detectability depends on the global regularity of the Glass pattern. The local structure was either Cartesian or curved. It was shown that randomizing the local orientation deteriorated the performance only with the curved pattern. The results give support for the idea that curved and Cartesian patterns are processed in at least partially separate neural systems.

Tulokset sekä havaitsemiskykyä mittaavista psykofysiikan että solutason toimintaa mittaavista neurofysiologian tutkimuksista viittaavat siihen, että ihmisen näkötiedon prosessoinnin varhaisin taso muodostuu ärsykkeen paikallisten alkeispiirteiden koodaamisesta. Kuitenkin esimerkiksi jo ääriviivojen, konfiguraation tai pintojen havaitseminen vaatii useiden alkeispiirteiden informaation yhdistämistä. Integraation mekanismit ovat olleet viime aikoina intensiivisen tutkimuksen kohteena. Tässä väitöskirjassa esitellään neljä kokeellista psykofysiikan tutkimusta piirteiden integraatiosta. Kahdessa osatutkimuksessa on käytetty viime aikoina kehitettyä psykofysiikan luokittelukuva-menetelmää jolla voidaan ensi kertaa suoraan kartoittaa ja visualisoida, mitkä ärsykkeen piirteet ovat kriittisiä havaintotehtävässä. Väitöskirjassa menetelmää on kehitelty edelleen. Ensimmäisessä osatutkimuksessa tutkitaan visuaalisen kontekstin vaikutusta piirteen havaitsemisessa. Osa kontekstin aiheuttamista vaikutuksista on varsin monimutkaisia, eikä tiedetä millä näkötiedon prosessoinnin tasolla ne tapahtuvat. Konteksti, esimerkiksi juovaston sivuille asetetut paikalliset juovastot, parantaa keskellä olevan juovaston havaittavuutta ainoastaan ääriviivamaisessa asetelmassa. Kontekstin aiheuttamaa havaittavuuden paranemista tutkittiin näköjärjestelmän varhaisen tason toimintaa heijastavassa paikallisen juovaston detektio- tehtävässä luokittelukuva-menetelmällä. Tulokset osoittivat, että konteksti lisää näköjärjestelmän herkkyyttä juovaston päässä olevalle näköinformaatiolle. Tulokset viittaavat siihen, että kontekstin aiheuttama havaittavuuden parantuminen tapahtuu jo varhaisella näköinformaation prosessoinnin tasolla. Toisessa osatutkimuksessa tutkittiin miten visuaaliset piirteet integroidaan pinnan kirkkauden havainnossa. Monet teoriat olettavat, että kirkkaushavainto perustuu pinnan reunojen piirteiden analyysiin. Tutkimuksessa oletusta testattiin ensimmäistä kertaa suoraan. Tulokset osoittivat, että sekä tasaisen pinta-ärsykkeen että nk. Craik-O Brien-Cornsweet-illuusion pinnan kirkkaus integroidaan yksinomaan reuna-informaation perusteella. Kolmannessa ja neljännessä osatutkimuksessa tutkittiin kokonaismuotojen havaitsemista pelkistä satunnaispisteistä muodostuvissa Glass-ärsykkeissä. Orientaatiorakenteen erotuskyky mitattiin koherenteilla konsentrisillä (ympyrän muotoisilla) ja suorilla Glass-ärsykkeillä. Tulokset osoittivat, että kokonaismuoto voitiin havaita paremmin konsentrisillä ärsykkeillä. Neljännessä tutkimuksessa tutkittiin kuinka havaittavuus riippuu ärsykkeen säännönmukaisuudesta. Paikallinen rakenne oli joko kaareva tai suora. Paikallisen orientaation satunnaistaminen heikensi vain kaarevien muotojen havaitsemista Tämä antaa tukea näkemykselle, jonka mukaan kaarevat ja suorat muodot integroidaan ainakin osin eri neuraalisten järjestelmien avulla.