사물 재인(object recognition) 2002-2 인지과학 입문

I. 패턴 재인 2차원적 패턴 재인 : 주로 문자와 숫자 핵심 이슈는 인간 지각 시스템의 융통성 : 방향, 문자타입, 크기, 글씨체 형판이론/ 세부 특징 이론/ 구조 묘사 이론 : 패턴 재인이 시각 자극 정보와 기억에 저장된 정보와의 매칭을 포함시킨다는 점에서는 공통적.

형판 이론(template theories) : 우리가 알고 있는 시각적 패턴 각각에 대응하는 작은 복사본 내지는 형판이 장기 기억에 존재한다는 것. 그러나 아주 다양한 변형을 가지는 시각 자극이 하나의 형판에 대응된다는 것이 비현실적. 보완적 이론

자극의 표준화 가정 : 시각 자극에 맞는 형판을 찾기 이전에 자극이 표준화 처리를 거친다는 것. 즉, 표준적인 위치, 크기 등등을 갖춘 내적 표상을 만든다는 것. 문자와 숫자에 대한 패턴 재인에 관해 적절한 설명이 될 수도 있을 듯하나 적절한 형판과의 일관적인 매칭을 산출해 낼 수 있다는 보장이 없음.

2) 다수 형판 가정 : 각 문자나 숫자에 해당하는 형판이 하나 이상 존재한다는 것. 다양한 변형을 갖는 시각 자극의 재인을 가능하게는 하나 형판의 개수가 무한해 이론이 매우 거추장스러워짐.

3) 한계 : 형판 이론은 결국 사람이 패턴 재인에서 보여주는 융통성을 설명해 주지 못함. - 특히 자극이 어느 범주에 드는 것인지 불분명한 경우.

2. 세부 특징 이론(feature theories) : 패턴은 특정 자질의 집합으로 이루어짐. (얼굴 – 코 하나, 눈 둘, 입 하나, 턱 하나…) 시각 자극으로부터 세부 특징 추출  세부 특징들을 조합  기억에 저장된 정보와 비교 예) A : 두 개의 사선, 그것을 연결해주는 가로선

크기, 방향 및 세부 사항에서 다양하게 변화하는 시각 자극을 동일한 패턴으로 재인하는 융통성에 대해 적절한 설명 제공. : Neisser (1964)의 실험 - 직선을 특징으로 갖는 문자 (W, V) 속에서 vs. 곡선을 특징으로 갖는 문자 (O, G) 속에서 “Z” 탐지 속도 비교. 후자에서 빠름.  자극의 세부 특징이 패턴 재인에서 모종의 역할을 함.

2) 한계 (1) 패턴 재인에서의 맥락 효과와 기대 효과를 간과함. (형판 이론, 구조 기술 이론도 마찬가지) : Weisstein & Harres (1974)의 대상 우선 효과 (object-superiority effect) – 완전한 모양새를 갖춘 3차원 형태의 선이 완전하지 못한 3차원 형태의 선보다 잘 탐지됨.

(2) 각 세부 특징들 간의 관계를 간과함. : 패턴 재인은 자극의 세부 특징들을 단순히 나열하는 데 달린 문제가 아님. 중요한 것은 그 특징들의 관계를 밝히는 것. (3) 3차원 자극에서의 겹침 문제 해결 못함. : 3차원 자극이 겹쳐져 있어 하나 이상의 주요 세부 특징이 가려져 있을 때에도 성공적으로 수행되는 대상 재인 문제를 설명하지 못함.

3. 구조 기술 이론 (structural description) : 구조 기술은 명제를 구성함. 이 명제는 의미의 가장 작은 단위. 이러한 명제들은 구성 요소 및 배치의 특성을 기술하고, 이러한 부분들의 구조적인 배열을 명시함. - 예) T : 두 부분으로 됨, 한 부분은 수평선, 다른 한 부분은 수직선, 수직선이 수평선을 지지, 수직선은 수평선을 양분함. - 자극의 핵심적 측면에 초점을 둠. (T에서 수직, 수평선의 길이는 포함하지 않음.)

3차원 자극을 위한 기술은 따로 필요. 2차원 자극에 대한 구조 기술로는 3차원 자극의 재인을 설명 할 수 없음.

구조 기술 은 형판이나 세부 특징 리스트보다는 패턴 재인에 대해 더 적절한 설명을 제공 이론으로서 부족한 점 (1) 시각 자극으로부터 추출된 정보가 기억 속에 저장된 관련 구조 기술과 어떻게 매치되는지 설명해야 (2) 맥락 정보에 대해 설명해야

II. 사물 재인 1. 사물 재인 (Humphrey & Bruce, 1989) (1) Early visual processing (2) Viewpoint-dependent object descriptions (3) Perceptual classification : 사물에서 추출된 시각적 정보와 저장된 구조적 기술과의 매칭 과정 포함. (4) Semantic classification : 기능 정보 및 해당물과 관련된 것에 대한 정보의 회상 포함. (5) Naming : 사물의 이름 회상 포함.  각 과정은 앞선 과정이 완성되기 전에 시작됨.

2. 인지 신경심리학적 증거 : 손상된 사물 재인 시스템의 부분에 따라 다른 장애 특성을 보일 것임. Perceptual classification 장애 (1) HJA (뇌졸중) 대부분의 사물을 재인하지 못함. 하더라도 20-30초 걸림. 진짜 사물의 선과 조작된 사물(일부 바꿈)의 선을 구분하지 못함. 사물을 베껴 그리기는 가능.

(2) Herpes simplex encephalitis 환자 사물의 의미 지식은 온전해 보임. (사물의 정의를 잘 내리고, 기억 속의 사물을 정확히 그림) 시각 정보의 통합(integration)에 문제가 있는 것. (선으로 그려 주면 실제 사물과 비사물을 구분하지 못해도 실루엣으로 보여주면 수행 좋음.) (2) Herpes simplex encephalitis 환자 시각적으로 주어진 사물 확인에 어려움. 사물의 정의를 내리지 못함. (아마도 지각적 특질이 대부분의 사물 정의에 중요하기 때문인 듯. 예를 들어 바나나의 ‘노람’, 오랜지의 ‘둥긂’)

2) Semantic classification 장애 (1) Optic aphasia 특히 시각적 정보가 강조된 정의를 주어 사물의 이름을 말하기 < 기능적 정보가 강조된 정의를 주어 사물의 이름을 말하기 사물의 시각적 지식을 잃었거나 사용할 수 없게 됨. 2) Semantic classification 장애 (1) Optic aphasia 보고 사물의 이름 대기 어려움. 만지고 사물 이름 대기 능력 좋음. 시각적 제시된 사물의 사용을 흉내낼 수 있음.

(2) JB (optic aphasia 환자) 시각 지식은 온전하나 의미 지식에의 access가 어려움. (2) JB (optic aphasia 환자) 실제 사물의 선인지 비사물의 선인지 정상으로 구분. (perceptual classification 정상) 만졌거나 정의가 주어진 사물의 이름을 댐. (사물의 이름 대기에 대한 다른 문제는 없음) 시각적으로 제시된 3개의 사물 중 함께 사용되는 2개를 선택하는 과제 수행의 저조. 사물의 이름으로 제시했을 때는 정상적 수행. 사물과 연관된 의미 정보를 기억할 수 있음에도 불구하고 사물을 기억해서 그리지는 못함.

시각 정보와 의미 지식을 연결시키는 데 문제가 있음. 시각적으로 제시된 사물의 사용을 흉내냄.(칼을 보고 자르는 시늉) 이는 어떤 의미 지식이 시각 정보로부터 access됨을 보임. 시각 정보와 움직임 동작 사이의 직접 연관이 있을 것임. (Riddoch & Humphrey, 1987)

(3) Pre-senile dementia 그림을 바른 방향으로 배열할 수 있음. 사물에 대한 연합적(시각-의미) 또는 기능적 지식을 요구하는 과제는 극히 저조한 수행. (과제례 : 같은 범주에 속하는 사물 선택 과제)  사물에 대한 연합적 지식과 기능적 지식 자체를 잃은 것.

(1) 위의 예를 보면, 성공적인 이름 대기는 관련된 시각적, 의미적 정보가 먼저 access되어야 함을 알 수 있음. 3) Naming 장애 (1) 위의 예를 보면, 성공적인 이름 대기는 관련된 시각적, 의미적 정보가 먼저 access되어야 함을 알 수 있음. (2) JCU (anomia 환자) 사물 이름의 첫 음소나 음절을 제시해 주지 않으면 그림으로 제시된 사물의 이름 대기 수행 저조. 단서가 사물과 관련된 것일 때 틀린 대답  사물의 의미 지식에 부분적으로만 access.

3. 전체 vs. 부분 처리 1) 전체  부분 시각 처리는 사물이나 패턴의 전체적/일반적 분석이 우선 이루어지고 점차로 구성 요소에 대한 더 세밀한 분석으로 나아감. 전체가 세부 요소보다는 변형의 다양성이 덜하기 때문에 전체 우선 분석의 이점이 있음.

2) 실험적 증거 (1) Navon (1977) 작은 s자로 쓴 큰 H 제시 작은 글씨가 s?H?/ 큰 글씨가 s?H? 판단 작은 글씨와 큰 글씨가 다를 때 작은 글씨 판단 시간이 길어짐. 큰 글씨 판단은 작은 글씨의 영향을 받지 않음.  지각 처리는 시간에 따라 이루어짐. 전체적 구조로부터 세부적 분석으로. 장면은 분석되는 것이지 축조되는 것이 아님.

(2) Kinchla & Wolfe (1979)의 반증 큰 글씨가 아주 큰 경우에, 작은 글씨의 처리가 큰 것보다 먼저 이루어지는 것을 발견. 전체 처리가 세부 처리보다 먼저 이루어지는 것은 사물이나 패턴의 전체 구조가 한번의 초점 두기로 파악될 때에만.  Kimchi (1992): 완전히 결론을 내릴 수는 없지만, 전체 구조 분석이 초기 지각 처리에서 일어나는 듯하다. 어떤 증거는 감각적 측면의 기제임을 보이나 어떤 증거는 주의 기제임을 시사하기도 한다.

4. Marr의 계산 이론 2.5-D 스케치는 사물을 재인하는 데 부족함. 관점 중심적이기때문. 3-D model representation은 관찰자 독립적인 정보 포함. 사물 재인에 필요. 3-D representation의 기준 Accessibility: 표상은 쉽게 구성되어야 함. Scope & Uniqueness: scope – 표상이 주어진 범주내의 모든 형태에 적용될 수 있는 범위

2) 사물을 기술하는 기초 단위 uniqueness – 모든 상이한 관점에서 같은 표준 표상을 생성하는 것. (3) Stability & Sensitivity: stability – 표상이 사물간의 유사성을 반영함. sensitivity – 표상이 두드러진 차이점은 반영함. 2) 사물을 기술하는 기초 단위 : 주축을 갖는 원통. (주축은 관찰자의 시점과는 독립적이기 때문) - 기초 단위들은 위계적으로 조직됨. (상위 수준 단위는 사물의 형태에 대한 정보를, 하위 수준 단위는 더욱 정밀한 정보를 제공)

인간 형상의 위계적 구조

3) 시각 자극 정보와 기억에 저장된 정보 간의 매칭. 사물 재인은 시각 자극으로부터 얻어진 3-D model representation과 기억에 저장된 3-D model representation의 매칭을 포함함. 시각 자극의 주축 확인이 선행되어야만 함. Concavities를 먼저 확인하고 이에 의해 각각의 부분으로 분할됨.  최종적으로 각 부분의 주축이 확인됨.

장점 : Concavities 확인이 사물 재인에 있어서 중요한 역할을 한다는 증거가 있음 : face-goblet ambiguous figure

(2) 관찰자의 시점에 상관 없이 대부분 시각적 대상의 축의 길이와 배열을 계산 가능하게 함. (3) 축에 대한 정보는 사물 재인을 용이하게 함. (예: 고릴라 vs. 인간 = 팔>다리 vs. 다리>팔) 4) 인지 신경 심리학적 타당성 : Marr의 이론에 따르면, 뇌에 이상이 있는 사람의 경우 2.5-D 스케치에서 3-D 모형 표상으로 변환하지 못하기 때문에 사물 재인을 못할 수도 있음.

시각적으로 제시된 사물을 그릴 수는 있을 것. 의미 지식이 온전하다면 사물을 전형적인 시점에서 보여주면 재인도 할 수 있을 것. 그러나 전형적이지 못한 시점으로 보여주는 사물을 재인하기는 어려울 것임. Warrington & Taylor (1978)의 우반구 후두부 부상 환자 - 일반적 시점의 사물 사진/ 특이한 시점 사진  전통적 시점 사진의 사물은 쉽게 재인. 그러나 특이한 시점의 경우는 수행 저조. - 두 장의 사진 속의 시점 다른 사물이 동일한지를 판단하는 과제  수행 저조.

이 환자들은 특이한 시점의 사물을 적절한 3-D 모형 표상으로 전환하지 못해 재인에 어려움을 겪는 것. 그런데, 특이한 시점이라는 것도 두 가지 있을 수 있음. i) 사물이 foreshortened, 그래서 주축을 결정하기 어려운 경우 ii) 사물의 변별적 자질이 시점에서 가려진 경우

 Foreshortening이 3-D 모형 표상 형성을 특히 어렵게 함. 이는 이론과도 일치하는 자료. (2) Humphrey & Riddoch (1984,1985) - 변별적 자질이 모호한 특이 시점 사진 / foreshortened 특이 시점 사진 - 사진 속의 사물 이름 대기 또는 세 개의 사진 중 같은 사물 두 장 고르기. - foreshortened의 경우 수행 저조. 변별적 자질이 결여된 경우의 수행은 영향 받지 않음.  Foreshortening이 3-D 모형 표상 형성을 특히 어렵게 함. 이는 이론과도 일치하는 자료.

5. Biederman의 구성요소에 의한 재인 이론. (recognition-by-components T) 사물은 ‘geon (geometric ions)’이라 불리우는 구성 요소 또는 기본 형태로 구성됨. B은 블록, 원통, 구, 호, 꺽쇠 등 36개 구성 요소를 가정.

사물 재인 사물의 분할 : Marr와 동일하게 사물의 윤곽 함몰 부분을 통해 분할하는 것으로 가정 Edge 정보에서 불변 특질 추출 : 곡률, 평행, 동일 끝점, 대칭, 동일선/ 시각 대상의 구성 요소나 지온은 이러한 불변 특질로 구성됨. Non-accidental principle : 시각 이미지의 규칙성은 주어진 시점의 우연적 특성보다는 실제의 규칙성을 반영한다. (예: 시각 이미지의 2차원적 대칭성은 3차원적 사물의 대칭성을 의미함.)

- 이 원리는 사물 재인을 용이하게도 하나 착시를 일으키게도 함.  이상과 같은 과정을 거쳐 구성 요소 확인  기억 속에 저장되어 있는 사물의 표상이나 구조 모형(지온의 특성이나 방향, 크기 등등의 정보가 포함된)과 매치시킴. * B의 이론은 보통의 보기 조건에서의 사물 재인을 설명해 줌. 그러나 인간은 부적절한 조건(낮은 조도, 가리워진 사물 등)에서도 사물 재인을 훌륭히 수행함.

2) 부적절 조건하의 사물 재인 불변 자질은 edge의 일부만 보여도 탐지할 수 있음. 윤곽선의 굴곡을 볼 수 있으면, 윤곽선의 사라진 부분을 회복시키는 기제가 있음. 복잡한 대상물을 재인하는 데 사용 가능한 잉여 정보가 상당량 있음. 그래서 지온이나 구성 요소의 일부분이 없어졌어도, 대상물을 확인할 수 있음.

3) 실험적 증거 B & Ju & Clapper (1985) - 6-9개의 구성 요소를 갖는 복잡한 사물의 선 그림.  3-4개의 구성 요소만 제시되어도 약 90% 정확도의 사물 재인. (2) B (1987) - 사물의 선 그림. 부분 가려 제시  굴곡에 대한 정보를 주는 윤곽선을 가린 경우가 그렇지 않은 선을 가린 경우보다 사물 재인 어려움.

- 외곽선만 있는 그림 또는 보통의 컬러 사진 - 50~100msec 제시, 재인 시간 비교  컬러 사진의 확인 시간이 11msec 빨랐지만, 오반응률은 약간 더 높았음.  중요한 것은 edge 정보. 이론의 예견과 일치.

4) 반례들 B의 논의는 시각 이미지가 우선 구성 요소나 지온으로 분할되고, 이 지온이 사물 재인을 구성해 나간다고 하는 것. 이는 전체가 부분보다 먼저 처리된다는 Kimchi 등의 논의와 상반됨. Cave & Kosslyn (1993) : 사물을 부분으로 나누어도 사물 재인에는 거의 영향을 주지 않음. (B에 의하면, 지온을 탐지할 수 없도록 사물의 선 그림이 조각나 있을 때는 사물 재인을 할 수 없어야)

 결론적으로, B의 이론은 여러 가지 실험에 의해 지지되기는 하지만, 이론적 가정 (36개의 지온의 존재 등)이 직접적으로 증명된 것은 아님.

6. 평가 사물 재인 이론의 공통성  3차원 사물 지각에 대한 설명으로서 (이전 이론들에 비해) 현실적. edges의 탐지 그룹핑 또는 상위 특질로의 부호화 저장된 구조 지식에의 매치 의미 지식에의 access  3차원 사물 지각에 대한 설명으로서 (이전 이론들에 비해) 현실적.

2) 한계 (1) 이 이론들은 쉽게 구성 요소를 나눌 수 있는 사물의 경우에만 적용됨. 그렇지 않은 경우 (예: 구름)에는 잘 적용되지 않음. (2) 사물 중심적 표상의 강조, 그런데 반례. - Lawson, Humphrey, Watson (1994) : 두 개의 연속된 그림에 의해 동일 시점의 사물 표상이 활성화되었을 때 사물 재인이 가장 효과적이었음을 발견.

Perrett, Oram, Hietanen, Benson (1994) : 원숭이의 상측두고랑(superior temporal sulcus)의 face-sensitive cells 연구. 앞얼굴에 더 반응하는 세포들과 옆얼굴에 더 반응하는 세포들 발견. (몇몇 세포들은 다소 사물 중심적 방식으로 각기 다른 얼굴면 범주에 반응하기도 함.)  사물 중심적 표상과 시점 특정적 표상 두 가지가 사물 재인에서 보완적인 역할을 한다고 가정하는 것이 필요할 것.

(4) 사물 재인에서 맥락이 하는 중요한 역할을 간과. (3) 이 이론들은 상대적으로 덜 정교한 지각적 구분을 설명하기 위해 디자인됨. 따라서 동일 종류 내 사물의 정교한 지각적 구분을 설명하지 못함. (다양한 컵들) (4) 사물 재인에서 맥락이 하는 중요한 역할을 간과. - Palmer (1975)의 실험 : 사물 그림의 짧은 제시 뒤 장면 그림(부엌) 제시. 사물은 장면과 어울리거나(빵) 부적절하거나(우체통, 드럼). 아무 장면도 주어지지 않기도

 맥락이 사물의 정확한 재인에 체계적 영향을 미침. 적절한 맥락에서는 재인 수행 증진. 맥락 없을 때에는 중간 정도 수행  맥락이 사물의 정확한 재인에 체계적 영향을 미침. 적절한 맥락에서는 재인 수행 증진. 맥락 없을 때에는 중간 정도 수행. 적절하지 못한 맥락에서는 재인 수행 최하.