研究員紹介
櫻井 研三
(教養学部教養学科人間科学専攻)
人間の視覚が奥行をとらえる仕組



 私の研究対象は、人間の視覚情報処理であり、その中でも奥行知覚のメカニズムの解明をめざしています。この研究は、知覚心理学や視覚科学、認知科学という専門領域に分類され、これらは神経科学や画像工学も関与する学際的な分野です。
 視覚情報処理の大きな目的は、外界の3次元構造を復元することですが、2次元の網膜像からそれをボトムアップ処理で復元するという不良設定問題を解決しなければなりません。視覚系はそのために両眼立体視と単眼立体視という2種類の立体視を使い分けています。

 両眼立体視は、最もよく知られている立体視能力であり、立体映画の基本原理として利用されています。右眼と左眼のそれぞれの網膜上に映る同一対象の映像にはズレ(両眼網膜像差)が生じますが、脳はそのズレを計算して奥行をとらえているのです。ところが、この機能は極めて複雑な計算を必要とします。脳の神経ネットワークは、処理能力の低い神経細胞同士を結びつけることで、全体として高い処理能力を実現していますが、それでも立体視の計算負荷は脳の視覚野には重い課題です。そのため、ランダムドットステレオグラムのような両眼網膜像差だけを手がかりとする立体映像は、実際に目にしてからそれが立体的に見えるまでに、少し時間がかかります。

 単眼立体視は、一般的には知られていない立体視能力ですが、どちらか一方の眼だけでも両眼立体視と同等の奥行感を得ることができます。観察者が静止した状態で観察対象が動く場合も、あるいは観察者が動いて観察対象が静止している場合も、対象の網膜像は時間経過とともに変化します。この時間的な網膜像の変化やズレ(運動網膜像差)を計算して奥行をとらえるのが単眼立体視です。対象の運動としても知覚されうる網膜像の変化を奥行として知覚するわけですから、知覚される運動と奥行の間にはトレードオフの関係が生じます。ランダムドットパタンを用いた単眼立体視のディスプレイを観察していると、最初は流動的なドットの集合に見えていた画面が、突然安定した凹凸面として知覚されることがあり、トレードオフを実感することができます。この場合も、立体視の成立に少し時間がかかることがあります。

櫻井先生の写真
(さくらい けんぞう)
1975年 宮城県仙台第一高等学校卒業
1980年 茨城大学人文学部文学科(心理学)卒業
1982年 東北大学大学院文学研究科前期課程(心理学)修了
1986年 東北大学大学院文学研究科後期課程(心理学)満期退学
1986年 東北学院大学教養部 助手
1988年 東北学院大学教養学部 助教授
1988〜1989年 カナダ宇宙地球科学研究機構客員研究員
1996年 東北学院大学教養学部 教授
2004年 博士(文学)東北大学

 このように、両眼立体視は観察者が静止状態で奥行を正確に把握できるという特徴を持つのに対し、単眼立体視は観察者自身や対象が運動していても奥行を把握できるという特徴を持ちます。これらの2種類の立体視を持つことで、観察者はどのような状態でも奥行を知覚できるわけです。

 しかし、どちらの立体視もその成立までに多少の時間を要するため、より高速な奥行復元を求められる現実の環境において、視覚系はトップダウン処理を用います。それを理解できる好例が凹面顔錯視です。凹面顔錯視とは、お面の裏側のように凹んだ顔形状を観察しても、凸面の顔が常に観察者の方を向いているように見えるという強固な視覚現象です。凹面顔を両眼で観察しても凸面に見えるということは、両眼立体視の奥行情報が正しく用いられていないことになります。また、凸面の顔が常に自分に向いているように知覚されるということは、単眼立体視の奥行情報が正しく用いられていないことになります。この現象を、視覚心理学の重鎮であるRichard Gregory は次のように説明しています。人間の視覚は仮説検証の過程であり、脳と視覚系は既存の知識を用いて現在の視覚情報に関する仮説を構築する。凹んだ顔というのは極めて稀な視覚体験であり、顔は凸面の構造を持つという知識を前提として、脳は網膜像を解釈しているのだ、というわけです。

 確かに、外界の3次元構造を2次元の網膜像から復元するという不良設定問題を早く解決するには、対象の形状に関する拘束条件を導入するのが効果的です。ボトムアップ処理を行なう2種類の立体視と上述のトップダウン処理によって、脳と視覚系は高速で正確な奥行処理を実現し、現実の環境に適応してきたと考えられます。

 人間の視覚情報処理を研究することは、外界の3次元空間という環境との相互作用によって様々な機能を獲得してきた、脳と視覚系の柔軟さを明らかにすることでもあります。視覚心理学や視覚科学の研究がしばしばNatureやScienceに掲載されるのは、この点が高く評価されるからです。最近は視覚と他の感覚との連携が注目されており、今後もこの分野での画期的な発見が続くことでしょう。

※ このページは、2005年3月刊行の『人間情報学研究 第10巻』に掲載された記事を元にしております。その後、略歴や所属等に変更がある場合がございます。


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