[강의 리뷰] The Background of Perception (1)

[Perception 강의 리뷰] 1주차: The Background (1)

 

* YAI 9기 김동하, 박준영님이 Perception 강의팀에서 작성한 글입니다.

 

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About the Course

Visual Perception and the Brain 강의의 가장 주요한 목적은 “우리가 보는 것을 과연 시각 시스템은 어떻게 만들어낼까?”라는 의문에 대해 이해하고자 하는 것이다. 1960년대 이래로 사람들은 ‘주요 시각 경로에서의 뉴런의 전기생리학적 및 해부학적 특성에 대한 정보’로부터 ‘뇌가 어떻게 망막 자극을 인식하고 시각에 기반한 (visually-guided) 적절한 행동을 이끌어내는지’ 알 수 있게 될 것이라고 생각했지만, 50년 동안 이는 충족되지 않았다. 이 두 가지 개념 사이에서, ‘물리적 속성을 알 수 없는 자극‘이 그럼에도 불구하고 어떻게 성공적인 인식과 행동을 일으킬 수 있는지에 대한 이해가 결여되었던 것이다.

시각에 대한 대부분의 개념은, 그것이 명시적이던 암묵적이던 공통적으로 제안하는 점이 있는데, 그것은 “성공적인 시각적 행동은 알 수 없던 자극 속성의 원천을 직접적 혹은 통계적 추론 과정에 의해 복구하는 것으로부터 가능하다” 고 제안하고 있다. 하지만 실제로 비전 시스템이 세계의 물리적 특성에 접근할 수 없다는 점에서, 이러한 프레임워크는 비전의 ‘생물학적인’ 행동적 성공을 설명할 수 없다.

이에 대해 “시각 시스템은 세계의 특성을 회복하기보다, 단순하고 반복적인 자극 패턴을 생식 성공(reproductive success)과 자동으로 연결한다”는 대안을 생각해볼 수 있는데, 이러한 전략은 객관적 세계와 주관적 경험 사이의 관계를 연구하는 다른 방법을 제공하며, 특징 감지, 뇌 이미지 표현, 확률적 추론 등 없이도 시각 회로의 작동 원리를 이해하는 방법을 제공한다.

Visual Perception and the Brain 강의에서는 앞으로 위와 같은 방식을 기반으로,

• 지각 현상학 (Perceptual Phenomenology) 을 소개하고,
• 이 현상학을 어떻게 설명할 수 있을지를 다루며,
• 뇌 기능에 대한 어떤 설명이 가능할지를 고려할 것이다.

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1. What We Actually See

1-1. Definitions

우선 몇 가지 정의를 짚고 넘어가자.

• Perception (지각):
  • What we are aware of. 즉 우리가 세상을 볼 때 실제로 aware 하는 것, 즉 알아차리는 것이다.
  • 우리가 무언가를 볼 때 집중하는(focus on) 것을 알아차리지 않는가? 라고 생각할 수도 있다. 일반적으로는 우리는 무언가를 보고, 우리가 보는 것을 알아차린다고 여길 수 있다.
  • 즉, 굉장히 주관적인 것이다.
• Physical measurements
  • Ruler, Protractor, Photometers, much more complicated instruments...
  • 위와 같은 물리적 기구들로 “측정"되는 것을 말한다.
  • 객관적인 성격을 가진다.
• Psycholophysical measurements
  • Psycholophysical measurement는 우리가 실제로 보는 것에 대한 측정을 말한다.
  • Physical measurement가 객관적인 반면, 우리가 보는 것은 상당히 주관적이기에 Psycholophysical measurement는 실제로 측정할 방법이 없어 보인다.
  • 그러나, 상대적인 측정은 가능하다. (19세기 독일 비전 과학자들과 심리학자들이 최초) 표준 자극제(stimulus)에 대해 다른 사람에게 또 다른 자극제와 맞춰가도록 하는 과정을 통해 상대적인 측정을 할 수 있다.
  • 이와 같은 방법으로 Psycholophysical measurement를 수행할 수 있지만, Psycholophysical measurement와 Physical measurement와의 차이를 이해하여야 한다.

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1-2. The Strange Way We See the Physical World

1-2-1. Discrepancy between Physical Measurement and Perception

이 부분에서는 Physical Measurement와 Perception의 차이에 대해서 다룬다. 물리적인 parameter인 Physical measurement가 존재하면 그에 상응하는 심리적 parameter인 Psycholophysical measurement 또한 존재한다. 예시를 Luminance와 Lightness를 통해 설명해보도록 하겠다.

• Luminance
  • The intensity of light, we measure with a photometer.
  • 즉, 휴대폰으로 사진을 찍을 때 휴대폰에서 감지된 빛의 강도를 말한다.
• Perception of Luminance: Lightness
  • Luminance에 대한 Response의 Phychophysical Subjective Definition은 상대적인 밝기(lightness or darkness) 로 내릴 수 있다.
  • 이는 우리가 보는 것의 주관적인 인상으로서, Physical Luminance에 대한 심리적인 응답이다.

1-2-2. Examples

위의 Luminance 및 Lightness의 관계를 아래 두 예시를 통해 살펴보자.

예시 1

첫 사례에서 두 circular patch는 same number of units of light intensity, 즉 동일한 Luminance를 가지고 있다. 우리 두 눈도 이 두 patch가 동일한 밝기를 가지고 있는 것 처럼 인지한다. 이제 양 patch에 배경을 칠해보자. 왼쪽 patch가 오른쪽 patch보다 더 밝아 보이지만, 실제 Luminance는 동일하다. 즉, 우리가 인지하는 것과 물리적인 속성 사이에 차이가 생긴 것이다.

 

예시 2

위의 예시도 마찬가지인데, 다섯 영역의 실제 Luminance는 동일하지만 Psychophysical Measurement인 밝기는 주변의 영향을 크게 받아 아래쪽 영역들이 더 어두운 것처럼 보인다.

다른 예시들을 통해서, Physical Measurement 및 Psychophysical Measurement의 차이를 계속 살펴보자.

 

예시 3

위의 예시는 Discrepancy in Color Perception을 보여준다. 동그라미 친 두 부분의 색깔을 유심히 관찰해보자. 왼쪽 그림에서 아래쪽 영역은 Brown 계열에서 위쪽 영역보다 살짝 Orange 계열과도 같아보이는데, 실제로 오른쪽 그림에서 알 수 있듯이 두 영역의 색은 같다.

 

예시 4

왼쪽 테이블의 세로, 오른쪽 테이블의 가로를 비교해본다면 무조건 전자가 길다고 할 것이다. 사실 두 길이는 오른쪽 그림에서 알 수 있듯이 같다.

 

예시 5

위의 사례는 Discrepancy in Angle Perception을 보여준다. 사실 모든 각은 직각이지만, 우리는 그렇지 않은 것처럼 인식하는 것이다.

 

1-2-3. Conclusion

우리는 지금까지 세계를 그럴듯하게 인식하고 이를 기반으로 행동을 취했지만, 현실을 측정되는 것과 동일하게 인식하는 것은 아니라는 것을 알 수 있었다.

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1-3. The Inverse Problem

1-3-1. What is Inverse Problem in Visual Perception?

Inverse Problem이란 원래 문제와 반대 문제를 말한다.

위의 Diagram은 Visual Perception Process 과정에서 경로를 나타낸다. 광원에서의 llumination → 사물에서의 Reflectance → 눈이 도달하기 까지의 Transmittance → 망막 및 시신경에서의 Retinal Stimulus 경로를 통해 Perception 과정, 즉 사물을 보고 인식하는 과정이 일어나게 된다.

이 여러 과정 속에서, 각각의 과정이 인식에 어떤 영향이, 그리고 영향이 얼마나 있는지를 알 수 없다는 것을 Perception에서의 Inverse Problem이라고 할 수 있겠다. Review Test에서는 이 Inverse Problem을 아래와 같은 문장으로 표현하였다.

$$
\text{When } z = xy \text{, we neither know } x \text{ nor } y \text{.}
$$