視覚空間

視覚空間とは、意識のある観察者による空間の体験です。これは、物理的物体の空間の主観的な対応物です。哲学、そして後に心理学において、視覚空間と物理的物体の空間との関係を記述した著作には長い歴史があります。その一部を挙げると、ルネ・デカルト、 イマヌエル・カント、ヘルマン・フォン・ヘルムホルツ、ウィリアム・ジェームズなどが挙げられます。

物理的な物体の位置と形状は、幾何学のツールを使って正確に記述できます。実用上、私たちが占める空間はユークリッド空間です。これは 3 次元であり、定規などのツールを使って測定できます。デカルト座標のx、y、z などの座標系や、任意の原点からの仰角、方位角、距離を含む極座標を使って定量化できます。

知覚は、意識のある観察者が物理空間内の物体を意識的に経験するものであり、秩序だった集合体を構成する。あるいは、エルンスト・カッシーラーが説明したように、^[1] 視覚空間は定規で測ることはできない。歴史的に、哲学者は内省と推論を用いて視覚空間を説明してきた。グスタフ・フェヒナーに始まる心理物理学の発展に伴い、幾何学的記述を含む視覚空間の客観的記述を開発し、テストできる適切な実験手順を開発する努力がなされてきた。物体と視覚空間の概念の関係を示す例がある。2本の直線が観察者に提示され、観察者はそれらの直線が平行に見えるように配置するよう求められる。これが行われると、それらの直線は視覚空間内で平行になる。次に、物理空間内で実際に測定された線の配置と比較することができる。これらの手順やその他の心理物理学的手順を人間の観察者に対して、または訓練された動物の行動学的手順を用いて、良好な精度を達成することができる。^[2]

視野、つまり網膜上に映し出される物理的空間の領域または範囲は、視覚が位置する知覚空間（視覚空間）とは区別されるべきである。ドイツ語文献では、 Sehraumが両方に使用されているため混乱が生じる。エヴァルト・ヘリングとその追随者たちが著作の中で視覚空間を意味していたことは間違いない。 ^[3]

ルドルフ・カルナップは、形式的、物理的、知覚的と呼んだ3種類の空間を根本的に区別しました。^[4]たとえば、数学者は、論理演繹関係の規則が成り立つ要素の集合体である秩序立った構造を扱います。これらの要素は、自己矛盾がないことだけに限定されます。これらが形式的空間です。カルナップによると、物理的空間を研究することは、経験的に決定されたオブジェクト間の関係を調べることを意味します。最後に、カントの研究者がAnschauungen として知っている、直接的な感覚的経験の領域があります。これは「統覚」とよく翻訳され、知覚空間に属します。

幾何学は、空間と、要素同士を関連付ける規則を研究する学問分野です。たとえば、ユークリッド空間では、ピタゴラスの定理により、直交座標から距離を計算する規則が与えられます。球面のような曲率が一定である 2 次元空間では、この規則はいくぶん複雑ですが、どこにでも適用できます。フットボールの 2 次元表面では、この規則はさらに複雑で、場所によって値が異なります。行儀のよい空間では、測定に使用されるこのような規則は測定基準と呼ばれ、リーマンが発明した数学によって古典的に扱われます。物体空間はそのクラスに属します。

科学的に許容される探査によって到達可能な範囲で、定義された視覚空間もそのような検討の候補となる。最初の、そして驚くほど先見性のある分析は、 1901 年にエルンスト マッハ^{[5]によって発表された。マッハは「}生理学的空間と幾何学的空間の区別について」という見出しで、「両方の空間は三重多様体である」が、前者は「...どこでも、すべての方向に同じように構成されているわけではなく、範囲が無限でもなく、境界がないわけでもない」と述べている。厳密な定式化の注目すべき試みは、1947 年にルドルフ リューネブルクによってなされた。彼は視覚の数学的分析に関する論文^{[6]に先立って、基礎となる原理の徹底的な分析を行った。特徴が十分に特異で明確である場合、物体空間の個々の項目}Aと視覚空間の対応する項目A'との対応について問題となることはない。 「視覚的知覚A'、B'、C' が物理的オブジェクトA、B、Cの相関関係にあり、 C がAとB の間にある場合、C' はA'とB'の間にあるか」などの質問をして答えることができます。このようにして、視覚空間が計量的である可能性に近づくことができます。この演習が成功すれば、物理的空間を視覚空間にマッピングする性質について多くのことが言えます。

リューネブルクは、前世代の断片的な心理物理学的データに基づいて、視覚空間は一定の曲率を持つ双曲的であり、要素は形状を変えずに空間全体にわたって移動できるという結論を下した。リューネブルクの主な議論の 1 つは、一般的な観察と一致して、双曲的空間を伴う変換により無限がドーム (空) になるというものである。リューネブルクの命題は議論と実験の裏付けの試みを引き起こしたが、全体としては支持されなかった。^[7]

この問題の根本にあるのは、数学者リューネブルクが過小評価していた、物理空間内の物体と視覚空間内の知覚との関係を数学的に定式化できる可能性である。視覚空間に関する科学的調査は、視覚空間へのアクセス方法や、測定の精度、再現性、一般性によって左右される。視覚空間を物体空間にマッピングすることについて洞察に満ちた疑問を投げかけることはできるが^[8]、その答えはほとんどの場合、妥当性の範囲に限られている。たとえば、見かけの平行性という基準を満たす物理的設定が観察者ごとに、あるいは日ごとに、あるいは状況ごとに異なる場合、視覚空間の幾何学的性質、ひいては視覚空間の数学的定式化も変化する。

これらすべての議論にもかかわらず、物体空間におけるアイテムの位置と視覚空間におけるそれらの対応物の間には大きな一致があります。私たちがこの世界で非常に効果的に移動することは十分に真実ですが、そのような状況からの逸脱は特別な考慮を必要とするほど顕著です。視覚空間失認は認知された神経学的状態であり、幾何学的光学的錯覚と呼ばれる多くの一般的な歪みは広く実証されていますが、影響は小さいです。

創始者のグスタフ・テオドール・フェヒナーは、精神物理学の使命を精神世界と物質世界（この場合は視覚空間と物体空間）の機能的関係であると定義したが、彼は中間段階を認めており、それが現代神経科学の主要な事業へと発展した。フェヒナーは、内的精神物理学と外的精神物理学を区別する際に、物理的刺激が生物の感覚系と神経系に作用して知覚を生み出すことを認識した。したがって、その本質が物体と知覚の間の弧であることを否定することなく、この研究は視覚空間の神経基盤に関心を向けることができる。^[要出典]

ここでの議論の枠組みは、19 世紀半ばにまで遡る 2 つの主要な概念によって定められました。ヨハネス ミュラーは、神経経路で重要なのは神経経路が形成する接続であると強調し^[要出典]、ヘルマンロッツェは心理学的観点から、局所的徴候の原理を明言しました^[要出典]。^[要出典]現代の神経解剖学用語でまとめると、これらは、固定された網膜の位置からの神経線維が、そこに映し出された眼の視野内の位置における刺激の存在について、脳内の標的ニューロンに指示することを意味します。網膜の位置の整然とした配列は、網膜から脳への経路で保持され、一次視覚皮質に適切にも「網膜トピック」マッピングと呼ばれるものを提供します。したがって、まず第一に、脳の活動は物体の相対的な空間的順序を保持し、視覚空間の神経基質の基礎を築きます。

残念ながら、シンプルさと透明性はここで終わります。視覚信号は、最初から位置だけでなく、明るさ、色、方向、奥行きなど、他の多くの属性についても並列チャネルで個別に分析されます。単一のニューロン、さらにはニューロンの中心や回路でさえ、ターゲットの特徴の性質とその正確な位置の両方を表すことはできません。観察者として私たちが自動的に経験する内部矛盾や不一致なしに、オブジェクト空間を一貫した視覚空間に統一的にマッピングするには、神経系のいくつかの部分での共同活動の概念が必要ですが、これは現在、神経生理学の研究の範囲を超えています。

視覚空間の経験が生まれるプロセスの詳細は不明瞭なままですが、驚くべき発見は将来の洞察に希望を与えています。海馬と呼ばれる脳構造には、動物が環境内の特定の場所にいるときにのみ活動を示す神経ユニットがあることが実証されています。^[10]

天文学的な規模においてのみ、物理空間とその内容は相互に依存します。一般相対性理論のこの主要な命題は、視覚には関係ありません。私たちにとって、物体空間の距離は物体の性質とは無関係です。

しかし、視覚空間ではこれはそれほど単純ではありません。少なくとも、観察者は暗い視野内のいくつかの光点の相対的な位置を判断します。これはオブジェクト空間からの単純な拡張であり、これにより、Luneburg は視覚空間の幾何学についていくつかの発言を行うことができました。より豊かなテクスチャの視覚世界では、さまざまな視覚知覚が以前の知覚的関連を持ち、それが相対的な空間配置に影響を与えることがよくあります。物理空間での同一の分離は、それらを区切る特徴によってはまったく異なって見える場合があります (視覚空間ではまったく異なります)。これは特に奥行き次元で当てはまります。これは、3 番目の視覚次元の値を割り当てる装置が、オブジェクトの高さと幅の装置とは根本的に異なるためです。

生理学的には 2 次元しかない単眼視覚でも、大きさ、遠近感、相対的な動きなどの手がかりが、知覚に奥行きの違いを割り当てるために使用されます。数学的/幾何学的な問題として見ると、2 次元のオブジェクト多様体を 3 次元の視覚世界に拡張することは「不適切」、つまり合理的な解決が不可能ですが、人間の観察者によっては非常に効果的に達成されます。

両眼視によって立体視による相対的な奥行きの実際の判定が可能になると、この問題はそれほど不適切ではなくなるが、他の 2 次元での距離の評価との関連性は不確かである (立体視による奥行きの表現を参照)。したがって、日常経験の単純な 3 次元視覚空間は、物体の物理的世界の生理学的表現に重ねられた多くの知覚的および認知的層の産物である。