視覚刺激(読み)しかくしげき(英語表記)visual stimulus (英),optischer Reiz,Sehreiz(独)

最新 心理学事典の解説

しかくしげき
視覚刺激
visual stimulus (英),optischer Reiz,Sehreiz(独)

視覚刺激とは,視覚系に活動変化を惹起する外界の物理的実体一般のうち視覚系以外の生体メカニズムを経由しないものを指し,狭義には眼に入る可視光線のみを指す。視覚系に属する神経回路を電気そのほかの方法で刺激しても反応を惹起することがある。

【適刺激adequate stimulus】 視覚系は,外界の視覚情報を受け取り,さまざまな計算の結果として心的に視覚世界を作り上げるという目的で進化した。したがってそのハードウェアとしては,外界からの光を受容する器官である眼と,情報処理装置としての網膜および脳内の視覚神経メカニズムから成り立っている。このような系が自然に受け取る適切な入力信号,すなわち適刺激は,いうまでもなく眼に入る光である。

 可視光線visible lightは,さまざまな波長の電磁波スペクトルのうちのごく一部であり,人間の視覚系が感度をもつとされる380~780㎚(ナノメートル,10-9mのこと)の波長範囲を指す。この範囲において,ごく小さな範囲の波長だけ含む単色光monochromatic lightを長波長から短波長へとずらしながら呈示すると,橙,黄,緑,青,紫というように色相が連続的に変化する。可視光線の範囲を超えて波長が長いと赤外線になり,短いと紫外線になる。

 太陽光などの自然照明はさまざまな波長の光が混ざったもので,波長の関数としてどれだけの光強度があるかを示す分光分布spectral distributionを見ると,大きな広がりのある形をもつ。自然界に存在する光のほとんどは,広い分光分布の放射をもつ光源からの照明が,ある程度の広さの分光分布の反射率・透過率・吸収率をもつ物体において,反射・透過・吸収作用を受けた結果であるため,多かれ少なかれある程度の広さの分光分布をもつ。これらの光は,プリズムや回折格子などから成る分光器を通すことにより波長分解できる。単色光の代表例はレーザー光であるが,発振波長が限られる。実験室で限られた波長の光を作り出すには,白色光を通過帯域の狭い色フィルターやモノクロメータに通す方法がある。

【不適刺激inadequate stimulus】 光以外で,視覚応答や視覚体験を起こす刺激を,視覚系にとっての不適刺激という。たとえば,眼球に圧を加えたり化学刺激を与えたりしても,光覚が生じることがある。このように人工的な手段で視覚系を刺激する事態は,近年の視覚研究においては基礎・応用の両面でしばしば有用である。その例である人工視覚visual prosthesisにおいては,光受容の機能を失った視覚系を人工的に刺激して視覚機能を再建するため,網膜や脳表面などに電極を置いて神経組織を電気刺激することにより,ある程度の形態覚を生じさせるという技術が開発されつつある。また,経頭蓋磁気刺激transcranial magnetic stimulation(TMS)は,頭蓋骨の外に設置したコイルに大電流を流して磁場パルスを脳内に与え,神経組織内に瞬間的な誘導電流を惹起させる方法である。大脳皮質の一次視覚野を刺激すると閃光phospheneが見えたり,視覚刺激が伝わるタイミングで刺激するとTMS誘発性暗点が視野上に生じ,その領域内部に実際に呈示されていた視覚刺激の検出が阻害されたりする。このようなTMS実験は非侵襲であるとされ,健常観察者において正常な情報処理が人工的に阻害された際に,システムの挙動がどのようになるかを調べるために有効である。類似の刺激方法としては,経頭蓋直流電気刺激transcranial Direct Current Stimulation(tDCS)という頭蓋骨越しに直流電流を流すことにより脳部位を電気的に刺激する方法もある。

【クラシフィケーション・イメージclassification image】 通常の視覚実験においては,光信号を呈示し,その検出や弁別などの成績を測定する。しかし,信号を呈示せずにノイズだけを呈示したときの観察者の反応を利用して視覚特性を測る方法がある。たとえば,ある人物の顔が見えるか否かを答えるyes/no課題を行なうとして,半数の試行では実際に顔画像を含んだグレースケールのランダム・ノイズを用い,半数の試行ではランダム・ノイズのみを呈示する。ノイズに対する「yes」反応は,信号検出理論signal detection theoryにおける誤警報false alarmであり,顔がない画像に対して顔が見えたと反応することになる。このような試行を数千~数万回繰り返し,誤警報反応が出たときのノイズ画像を重ねて加算したとき,観察者の反応が画像と無関係であれば一様に灰色になるはずのところ,なんらかの構造をもつ画像が得られることがある。この画像はクラシフィケーション・イメージとよばれ,観察者が当該課題を遂行するに当たり知覚的な雛形として使う心的な画像が可視化されたものととらえられている。

【ディスプレイdisplay】 コンピュータ駆動のディスプレイを用いれば,①画素pixelを最小空間単位として任意の場所に,②リフレッシュ・レートrefresh rateの逆数を最小時間単位として任意の時刻に,③後述する発色可能な範囲での任意の色を呈示することができる。ディスプレイ上に呈示したさまざまな刺激を,固定した観察距離から自然視で観察する場合,眼科用の顎台と額当てで顔面固定し,光点を中心視しながら任意の刺激を観察すれば,網膜上の定まった位置に刺激を呈示できる。この関係を確かめるためには眼球運動測定を同時に行ないながら実験をする。

 画素配列は,たとえば1024×768pixelsなどの,決まった大きさをもつ2次元の発光素子配列である。コンピュータのソフトウェアから見れば記憶領域上の抽象的な数値データにすぎず,ハードウェアとしてはビデオカード上に実装されたフレームバッファというメモリ領域に蓄えられ,適時にディスプレイに転送される。現代のビデオカードではフレームバッファは2画面分以上用意され,1画面分を表示している間にもう1画面分の非表示のオフスクリーン・バッファに対して描画を行ない,描画終了後にその内容全体をディスプレイの呈示フレーム切り替わり(リフレッシュ)のタイミングでディスプレイに転送する。

 古くはオシロスコープの短残光タイプのブラウン管cathode ray tube(CRT)に対し,特定のx,y座標にビームを発して描画する手法が用いられたが,およそ1980年代以降はビデオカードからの画素配列をアナログ電圧値として出力してCRTディスプレイに走査表示する方法が主流となった。CRT内部では電圧値に従い強度を変えながら,電子銃から画面の蛍光体に電子ビームを当てて発光させる。電子ビームは1ライン水平走査してから1ライン下がりまた水平走査し,このように上から下まで順次走査して最低ラインへ到達したら最高ラインへ垂直帰線する。毎秒の垂直帰線回数をリフレッシュ・レートといい,単位はヘルツ(㎐)で表わす。各画素の発光は電子ビームが当たった瞬間から数ミリ秒しか持続せず,リフレッシュ・レートの周波数で画面がつねにちらついている。マルチスキャン・ディスプレイではビデオカードから送られる多様な周波数に応じて走査でき,さまざまな表示解像度とリフレッシュ・レート(60~120㎐程度)で画面を表示できる。フレームバッファに蓄えられた画素の数値は,現在の主流の方式では8ビット(コンピュータが扱う情報の最小単位),すなわち256通りの色を指定する色番号を表わす。各色番号をどの色に変換するかを表わすカラールックアップテーブルcolor lookup table(CLUT)とよばれる変換表を通過して光の強さを表わすデジタル値に変換した後,デジタル・アナログ変換により電圧値に変換して出力する。

 色情報の指定法のうち,8ビットモードでは,各画素の色番号を256通りから選び,各色番号の対応するCLUT上のデジタル値に変換して出力する。変換表は256個の色番号分の要素をもち,各要素はRGBの3チャンネルあり各々8ビットのデジタル値を保持する。このモードでは約1677万色のうち256色を同時発色する。10ビットに高解像度化したデジタル値を保持するCLUTを用いると,約10億色のうち256色を同時発色する。24ビットモードでは,各画素のRGB値各々を256通りの色番号から選ぶので約1677万色を同時発色し,RGB各々の色番号から各1チャンネルのR用,G用,B用のCLUTに保持されたデジタル値に変換して出力する。いずれの場合もCLUTは抽象的な色番号と具体的な色との変換表なので,同じ画像データでも変換表の値を変更するだけで実際の発色が変わる。この特性を生かして画像データを変えずに画面上の光の位置を動かすことさえできるが,この技法をCLUTアニメーションという。

 発光強度は電圧値のベキ関数に従い,ガンマ値とよばれるベキ指数は2.1~2.5程度である。このガンマ特性を相殺するには,出力パイプラインのいずれかの段階(たとえばCLUT)でベキ関数の逆関数を通過させ,出力デジタル値に比例して輝度が変わるようにする。表示ハードウェア固有のガンマ特性に対抗して出力デジタル値と実際の輝度との関係を望みのものにする作業をガンマ補正とよぶが,とくに上記のように比例関係にする作業をガンマ特性の線形補正linearity correctionという。

 CRTディスプレイが2000年代に生産終了し,家電消費者の需要が液晶ディスプレイliquid crystal displayに置き換わったのに伴い,視覚研究でも液晶ディスプレイが徐々に採用されつつある。この方式では,偏光板・液晶パネル・色フィルタなどを通してパネル後部の光源からの光が透過する割合を,電圧に応じて変化させる。画素に与える信号の変化により液晶の開状態を変えて発光強度を変える原理から,画像を描き変えない限り持続的に発光しつづける。ただし,光源自体をリフレッシュ・レートに同期して点滅させる手法により,CRTのように発光を断続的にする製品もある。リフレッシュ・レートは60㎐の製品が主流で,120㎐に対応する製品も出ている。2010年代ではディスプレイ内部回路においてデジタル信号で表示モジュールを制御するものが多く,ビデオカードからデジタル通信端子を介してRGB各8ビットの画素配列のデジタル信号を転送する方式が主流となっている。

 ディスプレイのもう一例として,スクリーンに画像を投影するデータ・プロジェクタdata projectorが挙げられる。リフレッシュ・レートは60㎐の製品が主流で,120㎐に対応する製品もある。発色方式には,CRTタイプもあるが透過型液晶タイプが支配的であり,数千lmの光源を用いて液晶で透過率を制御する。DLP(商標名)という名で知られる,光源からの光路に鏡を置き,その傾きによって光のオン/オフ状態をマイクロ秒オーダーで制御することにより,細かな階調を実現できる方式もある。

【バーチャルリアリティ画像表示装置】 バーチャルリアリティの技術において,身体運動を計算に入れた視覚刺激を呈示する方法が実用化されている。簡便な装置としてはヘッドマウントディスプレイhead-mounted displayが挙げられる。ゴーグルを装着すると左右眼に独立の画像が表示され,別に設置した3次元位置計測装置で観察者の頭部の位置・角度を測定すれば,それらの情報を組み入れてオンラインで生成した画像をゴーグル内に呈示しつづけられる。また没入型の表示装置CAVEでは,数m立方の小部屋に観察者が入り,頭部の位置・角度に従って生成した画像が部屋の壁一面に表示される。

【光学系】 色覚研究で分光感度を測定したり,等色関数を決めたりするには単色光の呈示が必要になる。このように輝度・色度だけでなく分光分布まで厳密に制御して刺激光を作る場合や,数百cd/㎡以上の高輝度光が必要な場合,そして呈示時間をミリ秒オーダー以下で制御したい場合など,一般的なディスプレイでは不可能な刺激呈示には,目的に合った光を作れる装置が必要になる。専用のハードウェアを組み立てて光源からの光を光学系に通して瞳孔面に刺激を結像させる観察方法をマクスウェル視Maxwellian viewといい,そのためのシステムをマクスウェル視光学系Maxwellian view optical systemという。ディスプレイを用いる場合に対して,この方法では光学系の各パーツを厳密に配置する必要があり,最後のレンズからの光が観察者の瞳孔中心に垂直に入射するという配置条件も必要なため,バイトバーという歯形を実験中ずっとかみつづけて厳密に顔面固定する。

 タングステン灯などの白色光源を用い,分光器や干渉フィルタで通過波長帯域を調節し,NDフィルタneutral density filterや絞りで光量を調節する。刺激のサイズを調整するにはアパーチャという小開口のある板を光路中の適切な位置に置く。空間パターンを作り出すには,刺激パターン面を光学系の最後のレンズの直前に挿入することによって行なう。観察者に複数の刺激を呈示するには,複数の光路を組み立てて光学的に合成する。刺激のオン/オフや複数刺激の継時提示は光学シャッターの開閉で行なう。

【測光量photometric quantity】 光に限らず,電磁波のエネルギーを示す物理量は数多く定義されており,総称して放射量radiometric quantityという。その代表例としては,1点の放射源から単位時間に放射される電磁波eの放射量,すなわちΦedQe/dtW(ワット)をもって放射束radiant fluxと定義され,単位立体角当たりの放射束,すなわちedΦe/ωW/㏛をもって放射強度radiant intensityと定義されている。ただし立体角solid angleとは,半径1の球の表面積のうち,中心から伸びる円錐によって切り取られる面積で表わされる量で,単位はステラジアンsteradian(㏛)である。光とは電磁波のうち光覚が生じる条件を満たすものであるので,放射量に人間の視感度を考慮した量が定義されている。それらを測光量という。放射束に対応するのが光束,放射強度に対応するのが光度といった具合に,放射量の各々の定義に対応する測光量の定義がある(表)。

 光度luminous intensityとはそのうちの一つで,点光源から放たれて単位立体角に照射される光エネルギーを表わし,単位はカンデラcandela(cd)である。カンデラは現在,国際単位系(SI)の7基本単位の一つである。放射強度を人間の視感度と掛け算して得られる。すなわち,波長λの分光の放射強度をe(λ)とおき,標準分光視感効率(標準比視感度)を(λ)とおけば,



により与えられる。ただし,最大視感効率m=683lm/Wとし,(λ)の定義域{λ12}={380,780}㎚とする。(λ)は単色光に対する視感度を0~1の相対値で表わしたものである。視感度には個人差があるが,(λ)は測光量を定義するためにヒト一般の特性を代表させて国際照明委員会Commission Internationale de l'Éclairage(CIE)が定めた関数である。

 光束luminous fluxとは,放射束に対応する光エネルギーで,光度との関係で述べれば,点光源から放たれて照射される範囲の立体角分だけ光度に対して掛け算し

たもの,すなわちΦV=∫Vである。単位はルーメン

lumen(lm)で,単位の変換を↔で表わすと,1lm↔1cd・㏛である。

 輝度luminanceとは,点光源でなく面積の面光源における単位面積当たりの光度,すなわちVdIV/dAを表わし,単位はカンデラ毎平方メートルcandela per square meter(cd/㎡)で,ニトnit(nt)とも書かれる。面光源から発散する光束が特定方向に向かうときの単位面積当たりに正射影する光度であるので,面の法線方向に対して角度差θ(rad)の方向における輝度は,V/cosθとなる。

 光束発散度luminous emittanceとは,面積の面光源における単位面積当たりの光束,すなわちVV/dAを表わし,単位はルーメン毎平方メートルlumen per square meter(lm/㎡)で,ラドルクスradlux(rlx)とも書かれる。面積単位を㎡でなく㎠,ft2に変えたものはそれぞれランベルトlambert(L),フットランベルトfoot-lambert(fL)という単位で表記する。面光源の光の強さを表わす他の単位である輝度との間には,1L↔1/πcd/cm2↔3183cd/㎡,また1fL↔1/πcd/ft2↔3.426cd/㎡の関係がある。

 照度illuminanceとは,照らされている対象の側が面積をもつとき,その単位面積当たりに光源から受けている光束,すなわちVV/dAを指し,単位はルクスlux(㏓)で,1㏓↔1lm/㎡である。点光源から対象までの距離をδmとすると,VV2の関係がある。

 網膜面を照らす光の強さを表わす概念として網膜照度retinal illuminanceがある。自然視の場合は,刺激の輝度cd/㎡と瞳孔面積mm2との掛け算,すなわちとして計算でき,単位はトロランドtroland(td)である。この測光量により,同じ刺激を用いても瞳孔径の変化によって網膜に投影される光量が変化する様子を記述できる。逆に,瞳孔径によらず同じ刺激に対して網膜照度を一定に保つようにするには,瞳孔径の最小径より小さい人工瞳孔という小孔つき装置を観察者の瞳孔直前に置くことがある。マクスウェル視の場合は,光源像からδmの位置に置かれた反射率の完全拡散面の輝度Lを測定すれば,=104B・δ2/tdとして計算できる。

 平面上に呈示される視覚刺激の光の強さを記述するには,これらのうち輝度や照度がよく用いられ,それぞれ輝度計と照度計を用いて実測する。注意すべきは,これらの測光量を心理量である明るさbrightnessや表面の明度lightnessと混同しないことである。明るさや明度の感じ方には個人差があり,また同時対比・継時対比などで示されるように空間的・時間的相互作用がある。

 上記の輝度や照度には,明所視における分光視感効率(λ)が数式内に用いられている。明所視では,波長555nmの光に対して視感効率が最大となる。輝度0.01cd/㎡以下の暗い光に対しては桿体系のみが働くが,この状態を暗所視とよんで区別し,分光視感効率V′(λ)が別に定められている。V′(λ)では波長507nmの光に対して視感効率が最大となり,そのときの最大視感効率K′m=1700lm/Wに基づいて計算された輝度は,暗所視輝度scotopic luminanceとよばれる。

 刺激特性を記述するうえで輝度と同程度重要な概念に,コントラストcontrastがある。これは刺激にどれだけの輝度比があるかを,絶対輝度や平均輝度とは独立に記述するためのものである。たとえば,2刺激の輝度highlowの間に関してコントラストをhigh/lowとして定義できる。また,基準の輝度に対する輝度の増分Δに着目してwΔL/Lとしても定義できる。正弦波など最大・最小輝度をそれぞれmaxminとして変調する刺激に対してよく用いられるマイケルソン・コントラストMichelson contrastは,m=(maxmin)/(maxmin)によって定義される。

【空間・時間の単位】 視覚刺激の長さを表わすに当たって,観察距離δmだけ離れた実刺激の長さmは,網膜上の視角visual angleではθ=2tan-1/2δ)radの角度を張る。1rad↔180/πdeg=10800/πminと単位変換して,degやminの単位を用いる場合が多い。θ≈57.3(/δ)degなので,57.3cm離れた実サイズ1cmが近似的に視角1degである。ディスプレイでは画素により空間分解能が制約されるので,1pixel当たりの視角を明記したうえで,画素数を単位として空間長さを表記することもある。

 画像面におけるある方位軸上で周期的に変調する刺激に関して,視角1deg当たり何周期の輝度変調があるかを示すには,空間周波数spatial frequencyを用いる。単位はcycles/deg,c/deg,cpdと表記する。

 時間の長さに関する単位としては秒(s)を,時間的に変調する刺激の時間周波数に関しては単位㎐を用いる。ディスプレイではリフレッシュ・レートにより時間分解能が制約されるので,リフレッシュ・レートを明記したうえで呈示枚数を単位として時間長さを表記することもある。2刺激の間の時間差を表わす場合,前の刺激が消えてから次の刺激がつくまでの長さを刺激間時間間隔inter-stimulus interval(ISI)とよび,前の刺激がついてから次の刺激がつくまでの長さを刺激オンセット時間差stimulus onset asynchrony(SOA)とよぶ。 →明るさの知覚 → →刺激 →信号検出理論
〔村上 郁也〕

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