Вираз «пропускна здатність зорового аналізатора» здається дещо невизначеним. Здавалося б, на рівні сітківки пропускна здатність становить десятки мільйонів двійкових одиниць у секунду (див. стор 141). В дійсності, як ми побачимо далі, пропускна здатність зорового аналізатора не перевершує декількох десятків двійкових одиниць у секунду. Суперечність ця уявна. Воно виникає тому, що не був визначений одержувач повідомлень. Ізольовано розглянута сітківка дійсно може пропустити великий потік інформації. Однак одержувачем повідомлень є вищі відділи зорового аналізатора. Саме ці відділи виробляють вибір з потоку повідомлень, що надходять з нижніх поверхів аналізатора. Крім того, треба мати на увазі, що повідомлення в нижніх відділах зорового аналізатора характеризуються значною статистичної надлишковістю і по мірі того, як проводиться статистичне кодування для передачі у верхні поверхи аналізатора, ці повідомлення представляються у все більш і більш економній формі.
«Число нейронних каналів, що беруть участь у передачі зорової інформації, з кожним кроком зменшується, причому інформація стає на один крок ближче до тій формі, в якій вона використовується і зберігається в пам'яті» (Wiener, 1948).
Ми будемо надалі розуміти під пропускною здатністю зорового аналізатора то гранична кількість інформації в секунду, яке може бути сприйнято зоровою системою в цілому.
Дослідження пропускної здатності зорового аналізатора зводиться до експериментального вимірювання швидкості зорового сприйняття. Досліди такого роду добре відомі в літературі з психології зору (Schlegel, 1929). На жаль, кількісна міра інформації встановлена лише нещодавно, тому багато хто з відомих експериментів були проведені таким чином, що отримати точні кількісні судження про пропускної спроможності за ним важко.
До таких досліджень відносяться досліди з визначенням обсягу зорового сприйняття. У них вже було відмічено значне обмеження швидкості зорового сприйняття. Якщо подбати про те, щоб не було умов для виникнення залишкових явищ в зоровій системі (типу эйдетических образів), то число одночасно сприйманих предметів за короткий проміжок часу (не більше часу критичної тривалості) виявляється дивно невеликим. Це число зазвичай має порядок семи [«магічне число 7 ± 2», по Міллера (Miller, 195В)J. Наприклад, якщо поставити перед піддослідним завдання визначити число точок, що висуваються на короткий час на однорідному фоні в центральному полі зрепия, то правильно помічається не більше 7-8 точок (Hunter. Sigler, 1940). Ймовірність правильної відповіді швидко розуміється зі збільшенням числа точок в цих межах при даній освітленості поля зору і даному часу пред'явлення. При цьому виявилося, що якщо ймовірність виявлення однієї точки (определявшаяся як відношення кількості правильних відповідей до повного числа випробувань) дорівнює p, то ймовірність одночасного виявлення n точок (n≤7) була рп (Casperson a. Schlosberg, 1950).
В інших дослідах можна було безпосередньо виявити зв'язок між кількістю інформації, що припадає на одне пред'явлення, і швидкість зорового сприйняття.
Хаймэн (Hyman, 1953) досліджував зміна часу психічної реакції в залежності від кількості інформації, яка містилась у світловому подразник. Подразниками служили спалахують точки, певним чином розташовані в полі зору. Кожній з точок давали своє найменування. Випробуваний повинен був назвати, яка з точок спалахувала. Вимірювався час, що минув від спалаху до відповіді випробуваного. Кількість інформації, того, що міститься в світловому сигналі, вимірювали трьома різними способами. У першій серії дослідів змінювали набір світлових точок, кожна з яких окремо пред'являлася спостерігачеві. Світлові точки виникали у випадковому порядку, і ймовірність спалаху була однаковою для кожної з них. Якщо могла спалахнути кожна з 8 точок, то на кожну спалах доводилося log 2 8=3 дв. од. інформації; якщо набір точок був обмежений чотирма точками, то кожна спалах містила log 2 4=2 дв. од. і т. д. Досвід, в якому спостерігач був сповіщений заздалегідь, що може спалахнути єдина точка, відповідав нульового приросту інформації (log2 1=0) і ставилося для визначення мінімального часу реакції. У другій серії дослідів ймовірності спалаху для різних точок були обрані різними, і спостерігачі були в ході спеціальних тренувальних дослідів ознайомлені з розподілом ймовірностей. У третій серії експериментів вводилася статистична залежність між спалахами різних точок. Наприклад, якщо вибір проводився з двох точок а і Ь, то умовні ймовірності були ра(b)=0.8 і ра(а) =0.2.
Результати дослідів на одному з чотирьох піддослідних показано на рис. 61. Залежність часу реакції tr від кількості інформації в стимулі виражалася емпіричною формулою
, (72)
де t0 - час реакції в тому випадку, коли стимул не несе інформації; цей час в середньому було близько 0.2 сек., Н - кількість інформації в стимулі (дв. од.). Параметр С1, усереднений за даними дослідів з чотирма випробовуваними, як і tQ, був близько С1≈6 дв. од./сек. Величина С1 має сенс кількості інформації, прийнятої і переробляється в даному досвіді за одиницю часу. Таким чином між кількістю інформації в світловому стимулі і часом реакції є чітко виражена лінійна залежність. Здавалося б, це доводить, що можна говорити про певної постійної швидкості зорового сприйняття.
Однак обчислити пропускну здатність зорової системи за даними таких дослідів не можна хоча б тому, що час реакції істотно перевершує час власне зорового сприйняття.
Пряме експериментальне вимірювання пропускної здатності зорової системи було зроблено Сиклаи (Sziklai, 1956). Він використовував для пред'явлення зображень телевізійну апаратуру. Випробуваному показували на телевізійному екрані один «чергове» зображення. З допомогою електронного комутатора воно заміщувалося на короткий час зображенням, яке повинне бути пізнано. Після цього на екрані знову виникало «чергове» зображення. Воно було необхідно для стирання пред'являється зображення в зоровій системі. Час пред'явлення зображень могло змінюватися від одного кадру (у американському телебаченні - 1/30 сек.) до декількох десятків кадрів.
В одній групі дослідів випробуваний повинен був впізнавати прості зображення, наприклад, рибу, ножиці і т. п. Випробуваний не знав, які предмети йому можуть бути пред'явлені. Отже, він робив вибір з усього можливого -«алфавіту» (набору) відомих йому предметів, які можна зобразити. Число таких предметів має порядок однієї тисячі. Правильне пізнання одного предмета відповідає прийому Н=log2 1000≈10 дв. од. інформації. Кількість предметів входить під знак логарифма. Тому навіть значна помилка у встановленні числа таких предметів істотно не змінює оцінки кількості інформації. Наприклад, якщо предметів було б 2000, то кількість інформації на предмет становило б log2 2000≈11 дв. од.
В іншій групі дослідів випробуваного заздалегідь знайомили з обмеженим набором предметів (5-8), на розрізнення яких він був добре натренований. Тепер, якщо вибір виробляли, наприклад, з 8 можливостей, кількість інформації на правильно пізнаний предмет дорівнювало Н=log28=3 дв. од. Пропускна здатність по дочитывалась як
(73)
де Т - час пред'явлення, а n - число предметів, правильно упізнаних за цей час, N - кількість предметів в наборі.
При опознавании предметів, вибраних з меншої кількості N, час пізнання зменшувалася приблизно пропорційно log2N, так що величина З залишалася приблизно постійною. Пропускна здатність була оцінена в цих дослідах величиною порядку декількох десятків двійкових одиниць у секунду (від 20 до 50).
Рис. 61. Залежність часу реакції від кількості інформації в світловому стимулі.
Кількість інформації в стимулі задавалося трьома різними способами (I, II, III).
Подібна методика була застосована в дослідах Глезера, Цуккермана і Цыкуновой (19616), проведених з великою групою спостерігачів. Спостерігачам пропонувалося пізнати окремо пред'являються телевізійні зображення простих предметів. Вибір також проводився з «абеток» різної величини. Пропускна здатність визначалася за формулою
(74)
де в цьому випадку Т - час, необхідне для правильного пізнання одного предмета.
Висувалися також прості сюжетні зображення. При цьому вдалося досить чітко показати, що в процесі зорового сприйняття приріст інформації відбувається в результаті послідовних виборів все більш і більш вузьких класів, як при русі по «кодового дерева» (див. рис. 28). Ось один із характерних прикладів такої послідовності виборів. Пред'являвся сюжет, показаний на рис. 62. При часу пред'явлення в один кадр (1/25 сек.) випробуваний нічого не побачив. При часу пред'явлення в 2 кадру випробуваний сказав дослівно наступне: «Хтось підняв щось на кого-то». За наступні чотири кадри випробуваний розрізнив сачок і «якась тварина», а після наступних 8 кадрів упізнав серед інших об'єктів лисицю.
Обробка експериментальних даних проведена методом дисперсійного аналізу, показала, що час впізнання може істотно залежати від того, який предмет пред'являється. У той же час немає статистично достовірної відмінності між значеннями пропускної спроможності окремих спостерігачів. Пропускна здатність мала порядок 50-70 дв. од./сек. *
Аналогічні кількісні висновки можуть бути зроблені з дослідів Авербаха і Шперлінга (Averbach a. Sperling, 1960), проведених без «чергового» зображення, суто тахистоскопическим методом. Спостерігачеві висували на короткий час (50 мсек.) групу чорних літер на білому полі яскравістю 750 асб.
Рис. 62. Приклад тест-зображення.
Виявилося, що спостерігач може правильно відтворити в середньому 4 5 букви на пред'явлення. Це відповідає приблизно 20 дв. од. інформації, так як на одну літеру алфавіту, використаного в дослідах, припадає в середньому 4.3 дв. од.
Потім були поставлені досліди, в яких негайно після закінчення пред'явлення групи букв близько місця, раніше займався який-небудь з літер, з'являлася мітка (штрих). Виявилося, що ймовірність правильного впізнання цієї букви була значно більше, ніж в досліді без мітки. ** Кількісний аналіз цих даних дозволив встановити, що існує короткочасна пам'ять, яка запасає набагато більше зорової інформації, що надходить потім для тривалого запам'ятовування. Було показано, що інформація в умовах цих дослідів зберігалася в короткочасної пам'яті без змін протягом 0.27 сек., а потім відразу зникала.
Ці дані дозволяють оцінити пропускну здатність зорової системи згідно з формулою (73). За час Т тут слід взяти 0.27 сек. - час, поки повідомлення зберігається в короткочасної пам'яті і як би пред'являється для здійснення вибору. Оскільки при одноразовому пред'явленні групи букв спостерігач сприймає в середньому 4.5 літери, кожна з яких містить 4.3 дв. од., то
дв. од./сек.
У дослідах з пред'явленням телевізійних зображень потрібно враховувати тільки істинне час пред'явлення, так як «чергову» зображення стирало з короткочасної пам'яті пред'являється зображення.
Процес стирання зорового образу розвивається в часі подібно процесу стирання простого світлового відчуття (див. стор 144). Якщо інтервал між пред'явленням букв і мітки малий, то вони сприймаються разом. З подовженням цього інтервалу виникає процес стирання. Частина букви поблизу мітки починає відрізнятися гірше, поки зовсім не зникне. При ще великих інтервалах букви і мітки сприймаються роздільно в часі. Можна припустити, що і в цьому випадку процес стирання є наслідком процесу гальмування.
Порівняємо тепер дані прямих вимірювань пропускної здатності з даними дослідів Хаймэна, приклад яких показаний на рис. 61. Здавалося б, швидкість зорового сприйняття в дослідах Хаймэна була значно менше, ніж, наприклад, в дослідах Сиклаи. Проте її не слід змішувати з пропускною здатністю зорової системи.
Час реакції складається з часу проведення з сітківки в зорову кору - 65 мсек. при слабких стимулах (Monnier, 1952), часу tзр, яке знадобилося для прийому інформації в зоровій системі, часу tдв для формування рухової реакції у відповідь на отриману інформацію і часу на проведення цього сигналу за эфферентным шляхах до еффектору (в даному випадку до м'язів гортані); останнє має величину близько 75 мсек. (Venables, 1960).
Змінною величиною, що входить у прихований період реакції, є tзр + tдв. Замість (72) можна написати
H = C1(tзр + tдв) - B, (75)
де - стала величина в умовах досвіду. Але
tзр = H/C, (76)
де С - пропускна здатність власне зорової системи. З (75) і (76) випливає, що і tдв лінійно залежить від кількості інформації в стимулі Н. Здавалося б, С1 тоді можна витлумачити як загальну пропускну здатність спільно працюючих зорової і рухової систем.
Однак у більш пізніх роботах (Bricker, 1957) було показано, що величина С1 може збільшуватися по мірі тренування випробуваного. Виявилося також, що вона тим більше, чим більш природна зв'язок між стимулом і необхідним рухом випробуваного (наприклад, якщо на спалах світла зліва треба відповідати рухом лівої руки, а не правою). Більш того, Моубрей і Роді (Mowbray a. Rhodes, 1959) показали, що після значної тренування прихований період відповіді може не залежати від кількості інформації в стимулі. На рис. 61 цього відповідала б пряма, паралельна осі абсцис. Це означало б, що пропускна здатність нескінченно велика. Звідси робили висновок, що при аналізі дослідів такого роду теоретико-інформаційні методи незастосовні.
Насправді це удаване протиріччя, його можна пояснити наступним чином.
Безумовний рефлекс, вироблений в еволюції і виникає у відповідь на певний подразник. Шляхи, за якими здійснюється цей рефлекс, задані будовою нервової системи і закріплені генетично. Тому час реакції при безумовному рефлексі ніяк не пов'язане з вибором.
Дуга умовного рефлексу проторяется в процесі навчання. З робіт павлівської школи добре відомо, що при цьому прихований період рефлексу спершу великий, а потім коротшає, поки не досягає певної величини, на якій стабілізується.
Вироблення умовного рефлексу на стимул, надання стимулу сигнального значення можна пояснити з точки зору теорії інформації як введення цього стимулу до алфавіту джерела повідомлень. Поки дуга умовного рефлексу не усталилася, існує невизначеність взаємин між стимулами і реакціями, - те, що Леонард (Leonard, 1960) називає «невизначеністю кодування». Тому спочатку прихований період умовного рефлексу великий. Необхідно час на вибір потрібної рухової реакції. З зміцненням умовної зв'язку ця невизначеність все більш знімається. Між стимулом і реакцією встановлюється однозначна відповідність. Оскільки вибір рухової реакції тепер уже не проводиться, час рухової реакції перестає залежати від стимулу і пов'язаної з ним інформації.
Однак час вибору, який виробляє власне зорова система при розрізненні стимулів, продовжує залежати від кількості інформації в стимулі. У дослідах Моубрея і Родса порівнювані алфавіти були дуже малі. Вибір проводився тільки з 2 або 4 можливостей. Тому можна припускати, що невеликі відмінності в прихованому періоді просто не були уловлені. Але якщо це було б не так, то незалежність часу відповіді від кількості інформації можна пояснити тільки тим, що в ході тренування встановилися такі ж відносини між стимулом і чином в зоровій системі, як між образом і руховою реакцією. Такого роду відносини виявляються в рецептивних полях сітківки і кори, а також, по-видимому, в деяких механізмах, службовців для впізнання найпростіших зорових образів. До обговорення цих механізмів ми повернемося трохи далі.
** Цікаво, що краще розпізнаються середня і крайні букви ряду, ніж у проміжках, і верхній ряд, ніж нижній.
