Структурная теория информации - Structural information theory

Структурная теория информации (СИДЕТЬ) - это теория о человеческое восприятие и, в частности, о зрительной организации восприятия, которая представляет собой нейрокогнитивный процесс, который позволяет нам воспринимать сцены как структурированные целые, состоящие из объектов, расположенных в пространстве. Он был применен к широкому кругу исследовательских тем,[1] в основном в визуальном восприятии формы, но также, например, в визуальной эргономике, визуализация данных, и восприятие музыки.

SIT начиналась как количественная модель визуального классификация паттернов. В настоящее время он включает количественные модели восприятие симметрии и амодальное завершение, и теоретически поддерживается адекватной для восприятия формализацией визуальной регулярности, количественным расчетом зависимостей точек зрения и мощной формой нейровычислений.[2] Утверждалось, что SIT является наиболее определенным и наиболее успешным расширением Гештальт-идеи.[3] Это единственный гештальт-подход, обеспечивающий формальное исчисление что порождает правдоподобные перцепционные интерпретации.

Принцип простоты

Хотя зрительные стимулы, по сути, допускают множественную интерпретацию, зрительная система человека обычно отдает предпочтение только одной интерпретации. Чтобы объяснить это предпочтение, SIT представила формальную модель кодирования, исходя из предположения, что перцептуально предпочтительная интерпретация стимула - это интерпретация стимула. самый простой код. Простейший код - это код с минимальной информационной нагрузкой, то есть код, позволяющий реконструировать стимул с использованием минимального количества описательных параметров. Такой код получается путем захвата максимального количества визуальной регулярности и дает иерархическую организацию стимула в терминах целых и частей.

Предположение о том, что зрительная система предпочитает простейшие интерпретации, называется принципом простоты.[4] Исторически принцип простоты - это теоретико-информационный перевод гештальт-закона Прананца,[5] который был вдохновлен естественной тенденцией физических систем приходить в относительно стабильные состояния, определяемые минимумом свободной энергии. Кроме того, как и предложенный позже принцип минимальной длины описания в алгоритмическая теория информации (AIT), также известная как теория Колмогоровская сложность, это можно рассматривать как формализацию Бритва Оккама, согласно которому самая простая интерпретация данных является наилучшей.

Структурная теория против алгоритмической теории информации

С 1960-х годов SIT (в психологии) и AIT (в информатике) развивались независимо как жизнеспособные альтернативы Шеннона классический теория информации которые были разработаны в теории коммуникации.[6] В подходе Шеннона вещам назначаются коды с длиной, основанной на их вероятности с точки зрения частоты появления (как, например, в азбука Морзе ). Однако во многих областях, включая восприятие, такие вероятности вряд ли поддаются количественной оценке, если вообще поддаются измерению. И SIT, и AIT обходят эту проблему, обращаясь к описательной сложности отдельных вещей.

Хотя у SIT и AIT много общих отправных точек и целей, есть также несколько существенных различий:

  • SIT делает различие между структурной и метрической информацией с точки зрения восприятия, в то время как AIT этого не делает.
  • SIT кодирует ограниченный набор релевантных для восприятия видов закономерностей, тогда как AIT кодирует любую вообразимую регулярность.
  • В SIT соответствующим результатом кодирования является иерархическая организация, тогда как в AIT это только значение сложности.

Простота против вероятности

В исследовании зрительного восприятия принцип простоты контрастирует с принципом Гельмгольц принцип правдоподобия,[7] который предполагает, что предпочтительная интерпретация стимула является наиболее верной в этом мире. Как показано в Байесовская структура и с использованием результатов AIT принцип простоты будет подразумевать, что интерпретации восприятия являются достаточно достоверными (то есть правдивыми) во многих мирах, а не в высшей степени достоверными, как предполагает принцип вероятности, только в одном мире.[8] Другими словами, в то время как принцип правдоподобия предполагает, что визуальная система является системой специального назначения (т. Е. Адаптированной к одному конкретному миру), принцип простоты предполагает, что это система общего назначения (т. Е. Адаптирующаяся ко многим различным мирам). .

Решающее значение для последнего вывода имеет различие и интеграция независимых от точки зрения и зависимых от точки зрения факторов в видении, как это предлагается в эмпирически успешной модели амодального завершения SIT.[9] В байесовской модели эти факторы соответствуют априорным вероятностям и условным вероятностям соответственно. Однако в модели SIT оба фактора количественно оцениваются с точки зрения сложности, то есть сложности объектов и их пространственных отношений, соответственно. Такой подход соответствует нейробиология идеи о различии и взаимодействии между вентральным («что») и дорсальным («где») потоками в головном мозге.[10]

Против коннекционизма и теории динамических систем

Репрезентативная теория вроде SIT кажется противоположной теория динамических систем (DST), а коннекционизм можно рассматривать как нечто среднее. То есть коннекционизм заигрывает с DST, когда дело доходит до использования дифференциальные уравнения и заигрывает с теориями вроде SIT, когда дело касается представления информации. Фактически, различные операционные основы SIT, коннекционизма и DST соответствуют тому, что Марр называемые вычислительным, алгоритмическим и реализационным уровнями описания соответственно. Согласно Марру, эти уровни описания скорее дополняют, чем противоположны, таким образом отражая эпистемологический плюрализм.

Что общего у SIT, коннекционизма и DST, так это то, что они описывают нелинейное поведение системы, то есть незначительное изменение на входе может привести к серьезному изменению на выходе. Их взаимодополняемость выражается в том, что они сосредоточены на разных аспектах:

  • В то время как DST фокусируется в первую очередь на том, как состояние физической системы в целом (в данном случае мозг ) развивается с течением времени, и SIT, и коннекционизм сосредоточены в первую очередь на том, что система делает с точки зрения обработки информации (что, в данном случае, можно сказать, составляет познание ), и оба предполагают, что эта обработка информации основана на взаимодействиях между частями информации в распределенных представлениях, то есть в сетях связанных частей информации.
  • В то время как коннекционизм фокусируется на конкретных механизмах взаимодействия (ic, распространение активации) в сети с префиксом, которая, как предполагается, подходит для многих входов, SIT фокусируется на характере результата взаимодействий, которые, как предполагается, имеют место в переходных, зависимых от входа, сети.

Принципы моделирования

В формальной модели кодирования SIT возможные интерпретации стимула представлены строки символов, в котором одинаковые символы относятся к идентичным примитивам восприятия (например, капли или края). Каждая подстрока такой строки представляет собой непрерывную в пространстве часть интерпретации, так что вся строка может быть прочитана как рецепт реконструкции для интерпретации и, таким образом, для стимула. Затем эти строки кодируются (т. Е. Ищутся визуальные закономерности), чтобы найти интерпретацию с помощью простейшего кода.

Это кодирование осуществляется посредством манипулирования символами, что в психологии привело к критическим заявлениям типа «SIT предполагает, что мозг выполняет манипуляции с символами». Такие утверждения, однако, относятся к той же категории, что и утверждения типа «физика предполагает, что природа применяет такие формулы, как Эйнштейна E = mc2 или же Ньютона F = ma"и" модели DST предполагают, что динамические системы применяют дифференциальные уравнения ". То есть эти утверждения игнорируют саму концепцию формализация означает, что потенциально релевантные вещи представлены символами - не как самоцель, а как средство для фиксации потенциально релевантных отношений между этими вещами.

Визуальная регулярность

Для получения простейших кодов SIT применяет правила кодирования, которые фиксируют такие виды регулярности, которые называются итерацией, симметрией и чередованием. Было показано, что это единственные закономерности, которые удовлетворяют формальным критериям (а) являются голографическими закономерностями, которые (б) допускают иерархически прозрачные коды.[11]

Ключевое отличие от традиционно рассматриваемой трансформационной формализации визуальной регулярности состоит в том, что с голографической точки зрения зеркальная симметрия состоит из множества отношений между парами симметрии, а не из одного отношения между половинами симметрии. В то время как трансформационная характеристика может лучше подходить для распознавание объекта, голографическая характеристика кажется более совместимой с наращиванием ментальных репрезентаций в восприятии объекта.

Перцептивная релевантность критериев голографии и прозрачности была проверена в голографическом подходе к визуальной регулярности.[12] Этот подход обеспечивает эмпирически успешную модель обнаруживаемости отдельных и комбинированных визуальных закономерностей, независимо от того, нарушены они шумом или нет. Например, он объясняет, что зеркальная симметрия и стеклянные узоры примерно одинаково обнаруживаются и обычно лучше обнаруживаются, чем повторения. Это также объясняет, что обнаруживаемость зеркальной симметрии и стеклянных фигур в присутствии шума следует психофизическому закону, который улучшает Закон Вебера.[13]

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Леувенберг, Э. Л. Дж. И ван дер Хельм, П. А. (2013). Теория структурной информации: простота визуальной формы. Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета.
  2. ^ ван дер Хельм, П. А. (2014). Простота видения: мультидисциплинарный подход к организации восприятия.. Кембридж, Великобритания: Издательство Кембриджского университета.
  3. ^ Палмер, С. Э. (1999). Наука о видении: от фотонов до феноменологии. Кембридж, Массачусетс: MIT Press.
  4. ^ Хохберг, Дж. Э. и Макалистер, Э. (1953). Количественный подход к образному «добру». Журнал экспериментальной психологии, 46, 361—364.
  5. ^ Коффка, К. (1935). Принципы гештальт-психологии. Лондон: Рутледж и Кеган Пол.
  6. ^ Шеннон, К. Э. (1948). Математическая теория коммуникации. Технический журнал Bell System, 27, 379-423, 623—656.
  7. ^ фон Гельмгольца, Х. Л. Ф. (1962). Трактат по физиологической оптике (Дж. П. К. Саутхолл, пер.). Нью-Йорк: Дувр. (Оригинальная работа опубликована в 1909 г.)
  8. ^ ван дер Хельм, П. А. (2000). Простота против вероятности в визуальном восприятии: от сюрпризов до прецизалов. Психологический бюллетень, 126, 770—800. DOI: 10.1037 // 0033-2909.126.5.770.
  9. ^ ван Лиер, Р. Дж., ван дер Хельм, П. А. и Левенберг, Э. Л. Дж. (1994). Интеграция глобальных и локальных аспектов визуальной окклюзии. Восприятие, 23, 883—903. DOI: 10.1068 / p230883.
  10. ^ Унгерлейдер, Л. Г., и Мишкин, М. (1982). Две корковые зрительные системы. В Д. Дж. Ингле, М. А. Гудейле и Р. Дж. У. Мэнсфилде (редакторы), Анализ визуального поведения (стр. 549–586). Кембридж, Массачусетс: MIT Press.
  11. ^ ван дер Хельм, П. А., и Левенберг, Э. Л. Дж. (1991). Доступность, критерий регулярности и иерархичности кодов визуальных паттернов. Журнал математической психологии, 35, 151—213. DOI: 10.1016 / 0022-2496% 2891% 2990025-O.
  12. ^ ван дер Хельм, П. А., и Левенберг, Э. Л. Дж. (1996). Качество визуальных закономерностей: нетрансформационный подход. Психологическое обозрение, 103, 429—456. DOI: 10.1037 / 0033-295X.103.3.429.
  13. ^ ван дер Хельм, П. А. (2010). Поведение Вебера-Фехнера при восприятии симметрии? Внимание, восприятие и психофизика, 72, 1854—1864. DOI: 10.3758 / APP.72.7.1854.