Visual completion in an illusory figure

The visual systems of humans and animals represent physical reality in a modified way, depending on the specific demands that the species in question has for survival. The ability to perceive visual illusions is found in independently evolved visual systems, from honeybees to humans. In humans, the ability emerges early, at the age of four months. Thus the perception of illusion is likely to reflect visual processes of fundamental importance for object perception in natural vision. The experiments reported in this thesis employed various modifications of the Kanizsa triangle, a drawn configuration composed of three black disks with missing sectors on a white background. The sectors appear to form the tips of a triangle. The visual system completes the physically empty area between the disks, generally called inducers, with giving the perception of an illusory triangle. The illusory triangle consists of an illusory surface bounded by illusory contours; the triangle appears brighter than and to lie above the background. If the sectors are coloured, the colour fills the illusory area, a phenomenon known as neon colour spreading . We investigated spatial limitations on the perception of Kanizsa-type illusions and how other stimuli and viewing parameters affected these limitations. We also studied complex configurations thick, bent, mobile and chromatic inducers - to determine whether illusions combining several attributes can be perceived. The results suggest that the visual system is highly effective in completing a percept. The perception of an illusory figure is spatially scale invariant when perceived at threshold. The processing time and the number of fixations modify the percept, making the perception of the illusion more probable in various viewing conditions. Furthermore, the fact that the illusion can be perceived when only one inducer is physically present at any given moment indicates the potential of single inducers. Apparently, modelling illusory figure perception will require a combination of low-level, local processes and higher-level integrative processes. Our studies with stimuli combining several attributes relevant to object perception demonstrate that the perception of an illusory figure is flexible and is maintained also when it contains colour and volume and when shown in movement. All in all, the results confirm the assumed importance of the visual processes related with the perception of illusory figures in everyday viewing. This is indicated by the variety of inducer modifications that can be made without destroying the percept. Furthermore, the illusion can acquire additional attributes from such modifications. Due to individual differences in the perception of illusory figures, universal values for absolute performance are not always meaningful, but stable trends and general relations do exist.

Visual search and eye movements: Studies of perceptual span

In visual search one tries to find the currently relevant item among other, irrelevant items. In the present study, visual search performance for complex objects (characters, faces, computer icons and words) was investigated, and the contribution of different stimulus properties, such as luminance contrast between characters and background, set size, stimulus size, colour contrast, spatial frequency, and stimulus layout were investigated. Subjects were required to search for a target object among distracter objects in two-dimensional stimulus arrays. The outcome measure was threshold search time, that is, the presentation duration of the stimulus array required by the subject to find the target with a certain probability. It reflects the time used for visual processing separated from the time used for decision making and manual reactions. The duration of stimulus presentation was controlled by an adaptive staircase method. The number and duration of eye fixations, saccade amplitude, and perceptual span, i.e., the number of items that can be processed during a single fixation, were measured. It was found that search performance was correlated with the number of fixations needed to find the target. Search time and the number of fixations increased with increasing stimulus set size. On the other hand, several complex objects could be processed during a single fixation, i.e., within the perceptual span. Search time and the number of fixations depended on object type as well as luminance contrast. The size of the perceptual span was smaller for more complex objects, and decreased with decreasing luminance contrast within object type, especially for very low contrasts. In addition, the size and shape of perceptual span explained the changes in search performance for different stimulus layouts in word search. Perceptual span was scale invariant for a 16-fold range of stimulus sizes, i.e., the number of items processed during a single fixation was independent of retinal stimulus size or viewing distance. It is suggested that saccadic visual search consists of both serial (eye movements) and parallel (processing within perceptual span) components, and that the size of the perceptual span may explain the effectiveness of saccadic search in different stimulus conditions. Further, low-level visual factors, such as the anatomical structure of the retina, peripheral stimulus visibility and resolution requirements for the identification of different object types are proposed to constrain the size of the perceptual span, and thus, limit visual search performance. Similar methods were used in a clinical study to characterise the visual search performance and eye movements of neurological patients with chronic solvent-induced encephalopathy (CSE). In addition, the data about the effects of different stimulus properties on visual search in normal subjects were presented as simple practical guidelines, so that the limits of human visual perception could be taken into account in the design of user interfaces.

Dynamics of contour, object and face processing in the human visual cortex

The neural basis of visual perception can be understood only when the sequence of cortical activity underlying successful recognition is known. The early steps in this processing chain, from retina to the primary visual cortex, are highly local, and the perception of more complex shapes requires integration of the local information. In Study I of this thesis, the progression from local to global visual analysis was assessed by recording cortical magnetoencephalographic (MEG) responses to arrays of elements that either did or did not form global contours. The results demonstrated two spatially and temporally distinct stages of processing: The first, emerging 70 ms after stimulus onset around the calcarine sulcus, was sensitive to local features only, whereas the second, starting at 130 ms across the occipital and posterior parietal cortices, reflected the global configuration. To explore the links between cortical activity and visual recognition, Studies II III presented subjects with recognition tasks of varying levels of difficulty. The occipito-temporal responses from 150 ms onwards were closely linked to recognition performance, in contrast to the 100-ms mid-occipital responses. The averaged responses increased gradually as a function of recognition performance, and further analysis (Study III) showed the single response strengths to be graded as well. Study IV addressed the attention dependence of the different processing stages: Occipito-temporal responses peaking around 150 ms depended on the content of the visual field (faces vs. houses), whereas the later and more sustained activity was strongly modulated by the observers attention. Hemodynamic responses paralleled the pattern of the more sustained electrophysiological responses. Study V assessed the temporal processing capacity of the human object recognition system. Above sufficient luminance, contrast and size of the object, the processing speed was not limited by such low-level factors. Taken together, these studies demonstrate several distinct stages in the cortical activation sequence underlying the object recognition chain, reflecting the level of feature integration, difficulty of recognition, and direction of attention.

Temporal acuity in developmental dyslexia across the life span : Tactile, auditory, visual, and crossmodal estimations

Taustaa Kehityksellinen dysleksia (lukivaikeus) on erityinen lukemaan oppimisen vaikeus, johon liittyy usein myös vaikeuksia kirjoittamaan oppimisessa. Lukivaikeuden oletetaan useissa tapauksissa johtuvan vaikeudesta käsitellä kielen äännerakenteita (fonologinen prosessointi). Tämä poikkeavuus voi olla joko lukivaikeuden perimmäinen syy tai vaihtoehtoisesti ongelmat äänteiden käsittelyssä voivat heijastaa jotain vielä perustavamman tason vaikeutta. Eräs tällainen ehdotettu perustavan tasoin syy on poikkeavuus aistien toiminnoissa, erityisesti aistien aikatarkkuudessa. Aikatarkkuudella tarkoitetaan kykyä ja rajoja siinä, kuinka nopeasti esitettyä aistitiedon virtaa henkilö kykenee vastaanottamaan ja käsittelemään. Monet arjen toiminnot lukemisen rinnalla edellyttävät aistien erittäin tarkkaa ajallista erottelukykyä (esimerkiksi kuulo puheen ymmärtämisessä, tunto pintamateriaalin tunnistamisessa). Aikatarkkuusvaikeuksien esiintyvyyttä lukivaikeudessa on tutkittu aiemminkin, mutta yksimielisyyteen ei ole päästy siitä, onko kaikilla lukivaikeuksisilla näitä ongelmia tai mihin aisteihin vaikeudet mahdollisesti rajoittuvat. Myöskään ei tiedetä, havaitaanko aikatarkkuuden ongelmia kaiken ikäisillä lukivaikeuksisilla vai vaihteleeko mahdollinen ongelmien kuva iän mukana. Lisäksi on epäselvää, kuinka aikatarkkuuden ongelmat itseasiassa ovat yhteydessä kielen käsittelyn ja varsinaisen lukemisen vaikeuksiin. Tutkimussarjan aihe Tässä tutkimussarjassa aikatarkkuutta tutkittiin kolmessa yksittäisessä aistissa, joita olivat tunto, näkö ja kuulo, sekä kolmessa aistien välisessä yhdistelmässä, joita olivat audiotaktiilinen (kuulo-tunto), visuotaktiilinen (näkö-tunto) ja audiovisuaalinen (näkö-kuulo). Aikatarkkuutta arvioitiin kahdella eri menetelmällä, jotta saataisiin lisää tietoa siitä, missä tietyssä aikatarkkuuden osa-alueessa lukivaikeuksisilla mahdollisesti on vaikeuksia. Ensimmäisessä tehtävässä tutkittavan tuli arvioida, ovatko esitetyt ei-kielelliset ärsykkeet samanaikaisia vai eriaikaisia. Toisessa tehtävässä koehenkilön tuli arvioida esitettyjen ei-kielellisten ärsykkeiden esitysjärjestys. Molemmissa tehtävissä määriteltiin millisekuntitasolla (sekunnin tuhannesosa) se esitysnopeus, jolla koehenkilö kykeni arvioimaan ärsykkeiden ajalliset suhteet oikein. Englanninkielinen demonstraatio aikatarkkuustehtävistä löytyy internetistä (http://www.helsinki.fi/hum/ylpsy/neuropsy). Itse aikatarkkuustehtävien lisäksi tutkimussarjassa arvioitiin tutkimushenkilöiden päättelykykyä, kielellisiä toimintoja ja lukemista. Tutkimushenkilöt Tutkimuksiin osallistui 53 lukivaikeuksista ja 66 sujuvaa lukijaa, jotka oli jaettu kolmeen pääikäryhmään: lapset (8-12 vuotta), nuoret aikuiset (20-36 vuotta) ja ikääntyneemmät aikuiset (20-59 vuotta). Ikääntyneempien aikuisten ryhmä oli edelleen jaettu ikävuosikymmenluokkiin, mikä mahdollisti sen tutkimisen, vaikuttaako lisääntyvä aikuisikä lukivaikeuksisten aikatarkkuuteen (20-29, 30-39, 40-49 ja 50-59 -vuotiaat). Tutkimussarjan tulokset Aikatarkkuuden ongelmat lukivaikeuksisilla olivat yleistyneitä yli iän, aistien ja tehtävien Lukivaikeuksiset kaikissa pääikäryhmissä (lapset, nuoret aikuiset, ikääntyneemmän aikuiset) tarvitsivat samanikäisiä sujuvia lukijoita hitaamman esitystahdin, jotta he kykenivät arvioimaan ei-kielellisten ärsykkeiden ajallisen esitystavan oikein. Tämä aikatarkkuuden ongelma havaittiin lukivaikeuksisilla kaikissa aisteissa (tunto, kuulo, näkö) ja niiden yhdistelmissä (audiotaktiilinen, visuotaktiilinen, audiovisuaalinen). Lukivaikeuksisten aikatarkkuusongelmat ilmenivät edelleen molemmissa tehtävätyypeissä (samanaikaisuuden ja järjestyksen arvioinnissa). Aikatarkkuus ja sen ongelmat olivat yhteydessä äänteiden käsittelyyn Aikatarkkuus oli yhteydessä äänteiden käsittelykykyyn (fonologiseen prosessointiin), niin lapsilla kuin aikuisillakin, kaikissa aisteissa, niiden yhdistelmissä ja tehtävätyypeissä. Yhteys ei-kielellisen aikatarkkuuden ja kielellisten toimintojen välillä oli kuitenkin selkeämpi lukivaikeuksisilla kuin sujuvilla lukijoilla. Tämä tarkoittaa, että etenkin lukivaikeuksisilla ryhmätason huono aikatarkkuus oli yhteydessä huonoon äänteiden käsittelyyn (fonologiseen prosessointiin) ja päinvastoin. Suoraa yhteyttä lukemisen ja aikatarkkuuden välillä ei kuitenkaan havaittu. Lisääntyvä aikuisikä heikensi lukivaikeuksisten aikatarkkuutta suhteettoman paljon Tiedonkäsittelyn nopeuden on toistuvasti osoitettu hidastuvan normaalissa ikääntymisessä. Lisääntyvä aikuisikä (20-59 -vuotiailla) heikensikin sekä sujuvien että lukivaikeuksisten aikatarkkuutta. Toisin sanoen, mitä iäkkäämmästä aikuisesta oli kysymys, sitä hitaammin hänelle tuli esittää ärsykkeet, jotta hän kykeni arvioimaan niiden ajalliset suhteet oikein. Tämä ikään liittyvä tavanomainen hidastuminen oli kuitenkin yllättäen suhteettoman nopeaa lukivaikeuksisilla. Toisin sanoen, jo nuorilla lukivaikeuksisilla havaittu aikatarkkuuden vaikeus (ryhmäero verrattuna sujuviin lukijoihin) ei pysynyt saman suuruisena, vaan ryhmien ero kasvoi aikuisiän lisääntyessä. Tulosten merkitys Lukivaikeuden osoitettiin tässä tutkimussarjassa olevan yhteydessä yleistyneeseen vaikeuteen käsitellä ajassa nopeasti muuttuvaa ei-kielellistä aistitietoa (yli aistien ja niiden yhdistelmien, tehtävätyyppien, tutkittavien iän). Tämä osoittaa, että lukivaikeus ei ole ongelma, joka rajoittuu vain kielellisen materiaalin käsittelyn vaikeuksiin (äänteiden käsittely, lukeminen, kirjoittaminen). Nyt havaitut vaikeudet eivät myöskään rajoittuneet vain niihin aisteihin, jotka selkeimmin liittyvät lukemiseen (näkö) ja puhuttuun kieleen (kuulo); Ongelmia esiintyi myös muissa aisteissa (tunto). Lukivaikeuksisten lukijoiden ryhmätasolla havaittu aikatarkkuuden ongelma ei kuitenkaan heijastunut yksilötasolle; Jokainen lukivaikeuksinen ei ollut huono aikatarkkuustehtävissä. Näin ollen ei siis voida väittää, että kaikkien lukivaikeuksisten äänteiden käsittelyn tai lukemaan oppimisen vaikeudet voisivat selittyä aistien toimintojen poikkeavuudella. Aikatarkkuuden ongelmat eivät olleet yhteydessä varsinaiseen lukemiseen. Sekä lukivaikeuksisilla lapsilla että aikuisilla todettiin kuitenkin selkeä yhteys aikatarkkuuden ongelmien ja lukemaan oppimisen keskeisen ennakkoehdon, fonologisen prosessoinnin, välillä. Saattaa siis olla, että synnynnäinen aistien toimintojen poikkeavuus vaikuttaa yksilön suoriutumiseen jo ennen varsinaista lukemaan oppimista, kun ne taidot kehittyvät (fonologinen prosessointi), joille myöhempi lukemaan oppiminen perustuu. Ikäännyttäessä havaittu lukivaikeuksisten suhteettoman nopea aikatarkkuuden heikkeneminen osoittaa, että lukivaikeus ei voi olla ongelma, joka koskee vain lapsuusikää, tai vaikeus, joka johtuu vain kehityksen viivästymästä joka kurottaisiin iän myötä umpeen. Tulosten ymmärtämiseksi onkin muistettava kaksi seikkaa. Lukivaikeus on ensinnäkin yhdistetty synnynnäisiin, pieniin, poikkeavuuksiin aivojen rakenteissa ja toiminnoissa. Toisaalta tavanomaiseen ikääntymiseen liittyy se, että aivot kykenevät yhä huonommin korjaamaan ja kiertämään (kompensoimaan) pieniä vaurioita. Tämän perusteella tutkimussarjan tuloksista voidaan päätellä, että lukivaikeuksisten jo synnynnäisesti heikentyneet aivojen kompensointimahdollisuudet eivät ole yhtä tehokkaita puskuroimaan ikääntymisen tavanomaisia vaikutuksia kuin sujuvilla lukijoilla. Yllättävää kuitenkin on, että tämä korostunut heikkeneminen havaittiin jo suhteellisen nuorilla, työikäisillä, lukivaikeuksisilla, ennen 60 ikävuotta. Samanlaista ikäännyttäessä korostuvaa vaikeutta ei lukivaikeuksilla kuitenkaan havaittu päättelyssä, kielellisissä toiminnoissa tai itse lukemisessa. Vaikuttaakin siis siltä, että ne toiminnot, joita on harjaannutettu aktiivisesti, eivät heikkene kasvavan aikuisiän myötä yhtä suhteettomasti. Alkuperäiset artikkelit Laasonen M, Tomma-Halme J, Lahti-Nuuttila P, Service E, and Virsu V (2000) Rate of information segregation in developmentally dyslexic children, Brain and Language, 75(1), 66-81. Laasonen M, Service E, and Virsu V (2001) Temporal order and processing acuity of visual, auditory, and tactile perception in developmentally dyslexic young adults, Cognitive, Affective, and Behavioral Neuroscience, 1(4), 394-410. Laasonen M, Service E, and Virsu V (2002) Crossmodal temporal order and processing acuity in developmentally dyslexic young adults, Brain and Language, 80(3), 340-354. Laasonen M, Lahti-Nuuttila P, and Virsu V (2002) Developmentally impaired processing speed decreases more than normally with age, NeuroReport, 13(9), 1111-1113.