Концепция гештальта и механизм получения информации. Схема чтения.(новый)

 

Билет 19

Чтение геоизображений как процесс получения

информации

Обращаясь к проблеме чтения геоизображений, целесообразно вновь опереться на опыт, существующий в картографии и дешифрировании аэрокосмических снимков. В этих областях выполнено значительное множество исследований, которые связаны с решением нескольких ключевых вопросов: изучением психофизиологических особенностей визуального восприятия графических

изображений, отбором наиболее эффективных параметров распознавания (дешифровочных признаков), исследованием механизмов чтения изображений человеком и попытками воспроизвести это механизмы в автомати-

ческих распознающих устройствах, поиском средств оптимизации изображений и др.

В картографии исследования психофизиологических особенностей процесса чтения карт осуществляются посредством разнообразных экспериментов и тестов. Обычно перед участниками тестирования ставят задачи распознавания на картах объектов, по-разному оформленныхи ориентированных, в других случаях - задачи подбора оптимальных, с точки зрения читателя, знаков, цвето-

вых шкал, штриховок для формирования тех или иных картографических образов. Иногда исследуют способность читателя визуально сопоставлять (коррелировать) картографические образы разной тематики на картах

различной сложности и по разному оформленных. Исследования ведутся на трех иерархическихуровнях:

• восприятие отдельных картографических образов;

• восприятие всего картографического изображения;

• сравнение и сопоставление разных карт.

Каждый уровень восприятия как бы входит составной частью в более высокий.

В итоге многочисленных экспериментов установлено, что картографические образы, их форма, цвет, размеры и другие элементы воспринимаются читателем не в статике, а в динамике, что вообще характерно для иконических образов. Это проявляется во взаимодействии, взаимном наложении, сравнении морфологических особенностей графических образов [5]. Для визуального восприятия знаковых изображений первостепенное значение имеет соотношение знаков (фигур) и фона (основы), то есть контрастность изобра-

жения, а также организация изобразительных планов,например, выделение некоторых важных элементов в яркой, броской форме, привлекающей внимание, и отведение других, менее существенных элементов содержания на второй план. Для лучшего восприятия желательно, чтобы картографическое изображение передавало типичные черты и характерные свойства реальных

объектов, их геометрическую форму, цветовую гармонию, то есть приближалось к реальному цвету объектов. Именно это стремление ведет ко все более широкому распространению фотокарт и фотопортретов местности.

Исследования, проведенные по картам и снимкам, выявляют способность читателей воссоздавать выпавший,искусственно исключенный, пропущенный или закрытый при съемке графический образ, то есть “домысливать”, “дорисовывать” изображение в тех местах, где оно должно быть, но отсутствует по каким-либо причинам,например, скрыто за облачностью. Справедливости ради отметим, что иногда такое “домысливание” служит причиной появления недостоверных и даже ложных образов.

На аэро- и космических изображениях главными дешифровочными признаками являются фотографический тон или оптическая плотность изображения, его цвет,форма или конфигурация объектов, размеры объектов в плане и по высоте (при стереоскопическом наблюдении). а также рисунок и структура изображения. Это — прямые дешифровочные признаки. Кроме того, существу-

ют косвенные признаки, среди которых главными являются пространственное положение объекта и его связи с другими объектами.

В процессе дешифрирования снимков, как и любых других геоизображений решаются три основные задачи[19]: а) распознавание и классифицирование объектов;

б) установление взаимосвязей между отдельными объ-

ектами и характерных особенностей их пространствен-

ного размещения;

в) распознавание и фиксация дина-

мических явлений и процессов.

Один из эффективных способов анализа механиз-мов чтения, восприятия, распознавания и дешифрирования графических образов - фиксация движений глаз читателей геоизображений. Этот метод заимствован из психологии и офтальмологии, изучающей анатомию и физиологию зрения. Суть метода состоит в том, что с помощью специальных фотографических камер после-довательно через короткие интервалы времени регистрирует положение зрачков человека, рассматривающего изображения, одновременно вычерчивая траекторию движения глаз. Далее эту траекторию подвергают количественному и качественному анализу, в ходе которого определяют элементы изображения, которые в первую очередь привлекают читателя, объекты, к которым он

неоднократно возвращается при разглядывании изображения, и участки, просматриваемые бегло или вообще исключаемые из наблюдения.

Глаз читателя совершает три вида движений:

- тремор, то есть высокочастотные и малоампли-

тудные колебания;

- дрейф - относительно медленные и плавные сме-

шения;

- скачки (или саккады) - резкие и дальние переме-

щения.

Многочисленными экспериментами установлено, что главным фактором, определяющим движение глаз, является характер решаемой задачи [27]. Чтение всякого геоизображения - это всегда целенаправленный поиск,формирование и оценка графических образов ради получения необходимой читателю информации.

Можно сделать ряд предположений о механизме чтения геоизображений. По-видимому, формируя графический образ, читатель, прежде всего, обращает внимание, на скопления знаков и объектов, на своеобразные “экстремальные зоны” изображения, характерные пересечения линейных элементов. Они становятся как бы узлами, вокруг которых он строит весь графический об-

раз. Далее читатель фиксирует характерные линии графического рисунка, зоны максимумов, определяет их особенности, выделяя, скажем, ветвящиеся или параллельные конфигурации, решетчатые или концентрические системы и т.п. Эти линии, определяющие общий рисунок графического образа, назовем структурными.Наконец, для формирования графического образа очень важны резкие рубежи, означающие смену одного рисунка другим, разграничение конфигураций, области смены градиентов и т.п. Эти линии можно назвать рубежными.

Именно узлы, структурные и рубежные линии — наиболее устойчивые инвариантные элементы графического образа. Их читатель распознает и интерпретирует в первую очередь, вокруг них формирует (организует) весь

графический образ, определяя его иерархическое положение в системе других соседних графических образов.

Выделение на геоизображении графических образов,их распознавание - это лишь один из этапов чтения.Далее наступает следующий этап - получения информации об изображенном объекте, иначе говоря, содержательное осмысление и истолкование графического образа.

Зрительная система человека построена на единстве глаза и мозга, а сетчатку глаза часто рассматривают как “вынесенную наружу часть мозга”, поскольку процессы зрительного восприятия, происходящие в зрительном

анализаторе, - неотъемлемая часть деятельности мозга[63]. Процессы взаимодействия в системе “глаз - мозг” еще недостаточно изучены и поняты, тем паче в такой специфической сфере, как чтение геоизображений и получение по ним содержательно значимой информации. Во всяком случае, не подлежит сомнению, что чтение геоизображений — это основа всех способов извлечения качественной и количественной информации, будь то простое ориентирование на местности, вычисление морфометрических показателей, получение статистических выборок или математическое моделирование с ис-

пользованием ЭВМ. Всегда все начинается с визуального просмотра геоизображения. В этом процессе условно можно выделить три этапа:

• предварительный просмотр геоизображения и по-

лучение начальной информации, то есть “первое чте-

ние”;

• уточнение и детализация графического образа

и полученной информации;

• окончательная фиксация графического образа

и содержательная интерпретация информации.

М.К. Бочаров, специально исследовавший механизмы чтения изображений, отводил особое место процессу узнавания объектов. “Процесс узнавания - писал он,есть процесс восстановления временных связей в результате повторного зрительного восприятия предметов.

В основу некоторых современных теорий опознавания предметов положен принцип сравнения двух образов. Первоначальное зрительное восприятие предметов (их внешнего вида, формы, контура) подвергается обработ-

ке и преобразованию. В результате такого процесса в мозгу накапливаются эталоны предметов, которые и называются образами. Опознавание данного предмета происходит на основе сравнения его образа с хранящимися в мозгу эталонными образами. Совпадение двух образов регистрируется и осознается как факт опознавания предмета. Предмет не узнается, если мы не видели его раньше или в результате нарушения временных условных связей и полного стирания в памяти эталонного образа. В других случаях через некоторое время в памяти восстанавливаются связи, и мы узнаем предмет. Нередко

сравнение двух образов ведет к неопределенности опознавания.... В тех случаях, когда мы наблюдаем предмет, который раньше не видели и не имели его образа в своей памяти, фактически происходит не узнавание предмета,

а отнесение его к какому-либо классу предметов, известных нам ранее. В этом случае происходит подбор и сравнение признаков образа предмета с накопленными образами в мозгу человека” [18, с. 116].

Именно такие ситуации часто возникают при работе с картами, снимками и другими геоизображениями, когда ставится задача исследовать неизвестные объекты, получить информацию о малоизученных территориях, провести сравнительные оценки или установить корреляции между разными объектами.

Существуют несомненные различия в характере чтения геоизображений при общем ознакомительном их просмотре, изучении отдельных графических образов и деталей, сопоставлении в пределах одного изображения или сравнении нескольких разных геоизображений, но в любом случае чтение геоизображений выполняется с onределенной, заранее поставленной целью. Эта цель бывает четко сформулирована или выражена интуитивно, но она

всегда присутствует в процессе чтения. Механизм (алгоритм) целенаправленного чтения геоизображения можно представить следующим образом

(рис. 20).Предварительно бегло просматривая изображение, перемещая взгляд от одного объекта или знака к другим, сравнивая их, возвращаясь к характерным деталям, прослеживая или “сканируя” отдельные элементы,

читатель оценивает объекты (или знаки), детали конфигурации, включает (или не включает) их в формируемый им графический образ, пытается уловить особенности рисунка. При это он одновременно решает две задачи: во-первых, старается составить представление об общем фоне изображения, а во-вторых, ищет и прослеживает инварианты графического образа. Его внимание

привлекают характерные структурные и рубежные линии, экстремальные области, он стремится уяснить принципы их организации, которые становятся основой для формирования первичного образа и получения первоначальной информации. Естественно, процесс чтения ускоряется, если читатель располагает какими-либо априорными (предварительными) представлениями илизнаниями об искомом объекте.

Далее осуществляется оценка полученной информации с точки зрения ее соответствия поставленной цели. Возможно, что внимание привлекла конфигурация, имеющая малое отношение к существу решаемой задачи,

тогда полученная информация отбрасывается и поиск возобновляется. Если же информация в какой-то степени соответствует цели, то читатель старается прочнее “зацепиться” за найденный графический образ, закрепить его в памяти. Он приступает к уточнению и детализации инвариантов, выстраивая их в систему и продолжая просмотр характерных объектов или знаков, ор-

ганизуя и отыскивая аналогичные образы. Сопоставление их между собой создает некий обобщенный графи- ческий образ, который служит читателю как бы эталоном при дальнейшем поиске. Значение эталонного образа, как было отмечено выше, чрезвычайно велико. Как только он сформирован, процесс чтения и распознавания существенно облегчается, ускоряется, и речь уже идет о сопоставлении графических рисунков с эталоном. Иначе говоря, распознавание образов на геоизображении связано с постоянным самообучением читателя, развитием у него навыков поиска и фиксации графических образов данного типа.

Получение новой дополнительной информации сопровождается ее оценкой: читатель все время решает,достаточна ли она для достижения поставленной цели.

Он сортирует и отбрасывает постороннюю и избыточную информацию, вновь и вновь уточняя и корректируя найденные графические образы.

Наконец, когда по мнению читателя, цель достигнута, происходит окончательное закрепление образа и его более или менее полная содержательная интерпретация. Еще раз уточняются и проверяются инварианты, оценивается однородность и контрастность рисунка, его

аномальность относительно остального изображения и другие морфологические особенности. Повторение этих этапов, самообучение читателя и итеративное совершенствование навыков постоянно направлены на распознавание и формирование целостной системы графических образов, отвечающей поставленной задаче. Видимо такой или примерно такой механизм чтения должен быть воспроизведен и в автоматических читающих устройствах, получивших название систем машинного видения — СМВ [33]. Основными функциями СМ В считаются обнаружение объектов, их считывание, идентификация и распознавание. При этом изображение формируется в памяти процессора в виде матриц отсчетов градаций яркости на рассматриваемом участке геоизображения.

Преимущества компьютерного анализа на этом этапе заключаются в возможности предварительной обработки изображения с целью улучшения его читаемости:снятия шумов, повышения контрастности, фильтрации и др. На этапе содержательного анализа составляются описания участков геоизображений, проводится их сегментация, выделяются пороговые области, обозначаются отдельные выделы. Далее, как и в случае простого визуального анализа, производится сравнение образа, опознанного СМ В, с эталоном, идентифицирование его и отнесение к тому или иному классу. Предложены раз-

ные алгоритмы и методики машинного чтения изображений, однако, почти все они идентичны в том отношении, что включают два этапа: этап обучения и этап распознавания графических образов (22, 33, 83 и др.]. Рассмотренные представления о механизмах чтения геоизображений позволяют сделать важный вывод: информация, получаемая читателем с любого геоизобра-

жения не равна числу показанных на нем объектов или графических элементов. Количество графических образов, которые способен сформировать читатель значительно превосходит количество объектов, графических элементов или знаков. Поэтому неверно говорить о более или менее информативных геоизображениях вообще. Правильно и практически целесообразно сопоставлять их информативность только в отношении какого-либо объекта или совокупности объектов. Если одно геоизображение содержит больше графических образов именно этих объектов, то оно более информативно по отношению к ним, хотя при этом может оказаться мало информативным

относительно других объектов.Порядок и количество информации, полученной

читателем (или читающим устройством) сданного геоизображения относительно некоторого объекта (множества объектов или геосистемы), равны порядку и числу формируемых и воспринимаемых систем графических

образов.

 

 

 

Рис. 20. Схема целенаправленного чтения геоизображения