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Lecture 8

PSYC 330 - Lecture 8 - Visual Search & Eye Movements - March 18th, 2014 .docx

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Simon Fraser University
PSYC 330
Richard Wright

PSYC 330 March 18 , 2014 Lecture Eight: Visual Search and Eye Movements Part I: When Does Searching Require Attention? Visual Search ­ Attentional processing plays an important role in the efficiency of search and also the  visual perception of objects ­ Attentional processing + Visual Search  ▯depends on the type of target object we are  looking for • Easy to find targets does not require much of our attention • Difficult to find targets can be attentionally demanding  • Easy to find targets have a unique feature that surrounding objects do not  have  The principle of feature uniqueness underlies hypothetical  problems, large­scale emergencies, and also searches for items  during the course of everyday life Where’s Waldo? ­ Complex drawing with characters  ­ Goal: Finding Waldo ­ Hard to find because he doesn’t have any unique features Searching for hard­to­find targets ­ Targets with unique features are easier to find ­ “Camouflage” • Animals that blend in with their environment (survival) • Military ­ Standing Out • Safety gear  • Night (Bright Colours) Part II: Serial and Parallel Search Visual Search Experiment (1892) ­ Visual board with characters ­ Subjects were exposed to a letter and were asked to find it within the board of  characters Ulric Neisser ­ One of the first to study visual search using controlled laboratory experiments ­ Experiments involves the search for certain target letters positioned in between non­ target letters (distractors) • When a target was sufficiently different and stood out amongst the  surrounding distractors (target pop out), then subjects were usually able to  PSYC 330 March 18 , 2014 find them very quickly – whether they were present or absent on a given  trial Neisser’s Search Task (1964) ­ Where is the “Z”? Task  ­ Methods: Two boards with characters • Right board has angular letters • Left board has roundish letters ­ Results: It was easier to detect the letter “Z” on the left board • Right: Difficult because the non­target distractors in the right have similar  features to the “Z” due to the angular properties of the letters. • Left: Easy because the non­target distractors in the left have different  features compared to the “Z” due to the roundish properties of the letter. ­ Findings: Targets with unique line components popped out but those without unique  features did not • Neisser suggested that this is evidence that two separate stages for  processing are involved in visual search • Rapid search  ▯mediated by an  earlier preattentive stage of processing  (enables almost immediate target detection without the need of effortful,  serial inspection) • Slower search  ▯mediated by a  later stage of processing (involves  alignments of focused attention to different items in the search array in  order to locate a target) • When a target “pops out”  ▯preattentive processing is carried out in  parallel on all search display items at the same time • Search for targets more difficult  ▯involve attentional processing • A unique­feature target  ▯detectable on the basis of preattentive analysis of   this unique feature   A target is unique by virtue of a particular combination of features  also present elsewhere in the visual scene is usually detectable  (only if preattentive analysis is then followed by serial attentive  analysis of items until the target is found) Pop Out! ­ Target that is immediately spotted  ­ Targets with unique features pop out ­ Colours are the easiest to distinguish ­ Targets without a unique feature does not pop out ­ Serial searching amongst targets that are similar in colour but different in shape ­ More control using geometrical shapes instead of letters like Neisser ­ Odd­Man­Out Task  • Find the item that is different and that doesn’t belong   Search for Texture Boundaries PSYC 330 March 18 , 2014 • Boundaries pop out because of the feature differences • A boundary between distinct regions is immediately apparent • Preattentive analysis of the items would allow the boundary to pop out  It is possible for entire regions of objects that share a common  unique feature to pop out • When objects differ in terms of shape, orientation, size and etc. (textural  properties), the process of determining boundaries between regions of  objects  ▯ Texture Segregation Texture Segregation ­ Objects in different regions that share the same features but in different combinations • Makes searching for boundaries between these regions is usually slower,  more effortful, and requires attention ­ Searching for a single target that is unique through its particular combination of features • Makes searching for a boundary between regions also requires serial,  attentional analysis ­ Objects in different regions that share the same features but in different combinations +  increasing the number of items  ▯increases the time required to find boundaries between  these regions  • Accurate boundary localization would require serial analysis of objects to  determine where one region ends and another begins Serial Versus Parallel Search ­ Serial Search: • One­at­a­time search (one location at a time) • Serial traffic  ▯multiple cars merging into one lane ­ Parallel Search: • Has some aspects of processing all locations at the same time • All locations at the same time search • Parallel traffic  ▯multiple cars and multiple lanes Single­Target Search Paradigm ­ When searching for a stimulus array to determine whether a target is present or absent,  the influence of the number of items in the array on response times is called “Set­Size  Effect” Set­Size Effect ­ If the target does not pop out and must be searched for serially, then increasing the  number of items typically increases the response times • When the target does not stand out from the distractors  ▯increased  response time  • When the target does pop out from the distractors  ▯virtually no set­size  effect PSYC 330 March 18 , 2014 • A positive relationship between the number of search set items and target  present/absent response times (set­size effect) implies that items are being  serially inspected (one­by­one) to determine whether or not they are the  target ­ When searching for a texture boundary between regions of objects that do not possess a  unique feature, observers must serially inspect a number of items before they can  determine where the boundary is  ­ When searching for a single target, we have a clearer idea about how many items were  inspected prior to the response, and particularly on target­absent trials Search for a Target defined by a Combination (Conjunction) of Two Features  ▯ Difficult ­ White pin with a blue top example ­ An item with a combination of two features  ­ Key Point: Set Size Effect that occurs for hard to find targets (not for pop out targets) • If something is hard to find and you add more distractors  ▯it will take  longer to find the target  The more distractors there are, the longer it takes to respond to the  target • There is no set size effect for pop out targets, no matter how many  distractors are added • It takes twice as long to respond when the target is absent  We do not know that the target is not there, unless we search  everywhere (exhaustive search)  Sometimes when the target is present it’s often in the place we  looked at first Exhaustive Search: Serial inspection of entire array occurs on target­absent trials Serial Self­Terminating Search ­ Even though not all of the distractor items have been inspected, the search ends when  the target is located and a response is made ­ Finding the target faster ­ If the target is not present, however, the entire array must be searched to determine this  and search is said to be exhaustive ­ Experiments involving single targets allow us to estimate the speed at which attention is  shifted during serial search • Target­present trials involving 30 items  ▯mean search time is likely to be  1500 ms (only ½ of the items will be inspected before the item is found) Part III: Gluing Features Together (Attention is a glue metaphor) Feature Integration Theory – Treisman and Gelade (1980) ­ Visual Search Model • At the preattentive stage, spatially parallel analysis of the visual scene was  said to be carried out by separate feature analysis modules (E.g. Colour) PSYC 330 March 18 , 2014  If the target being searched for has a unique feature, then the  relevant feature module will signal its presence  If the target does not have a unique feature and is instead different  from the distractors only on the basis of a unique colour/shape  combination  ▯no single feature analysis module can signal the  target’s presence - Instead the feature modules associated with each item  would have to be accessed in a serial manner to determine  whether or not the item has the feature combination  associated with the target • Involves an attentional spotlight (focusing attention)  ▯“ glues” things  together Parallel Search vs. Serial Search ­ Feature Maps (Colour, Orientation, Size) ­ Master Maps (Locations) in the Parietal Cortex ­ Parallel Search: • Feature maps sending information to the master map to make it easier to  find because features are distinct and pop out ­ Serial Search: • Feature maps sending information to the master map to make it easier to  find but features are not unique in terms colour, orientation and size ­ Attention is like glue when we concentrate on stimuli, our brain processes the  information for related to that specific stimulus (physical properties) • The brain processes information (Parietal Cortex) coming from your eyes into  the visual cortex  Stores information about the object’s shape in one place  Stores information about the object’s colours in another place ­ Once attention is brought to the target, the features become unglued Guided Search ­ One way that search could be made faster  ▯eliminating the items from the search set by  mentally labeling them as having low probability of being the target ­ Saves you from having to serially search for the target ­ Shape and Colour feature maps are able to send information to the master map about all  the items that are not target  ▯guides the master map on where not to look Global and Local Perceptual Analysis of Objects ­ One aspect of feature­integration theory is that when attention is directed to different  locations within the master map, the size of the attentional focus can change ­ Study • Method: Subjects were shows bi­level stimuli that were large letters made up  of small letters  ▯ Navon’s Study  The single large letter was referred to as the global level and an  individual small letter was referred to as the local level • Results: PSYC 330 March 18 , 2014  When subjects were required to identify either global letters or local  letters, the global letters were identified faster  It also took longer to identify local letters when they differed from the  global letter they comprised (incongruent) than when there the same  (congruent)  It did not take longer to identify global letters when they differed from  the local letters they were comprised of than when the global and local  letters were the same  This asymmetric pattern of interference and the overall faster  identification of global letters was thought to indicate that the  attentional focal point is, by default, set to a large (global level) spatial  extent  ▯ “Global Precedence Proposal” Global Precedence Proposal ­ Navon’s Study: Large letters made of small letters ­ Global visual analysis occurs before and takes precedence over local visual analysis  ­ When we visually analyze an object, we first focus our attention on its overall “global”  shape and its coarse details • This low­resolution analysis is then followed by analyses at progressively  higher resolutions that yield information about the object’s finer details • Object recognition initially involves a broad distribution of attention across  the global shape of an object • Attention is focused more finely on the smaller details of interest • Findings:  Under certain conditions a local­level analysis was more efficient than  a global­level analysis  When subjects has just performed a task involving global­level visual  analysis, the current spatial extent of their attentional focus would  remain global, and this allowed them to perform a subsequent task  involving global­level analysis faster than they could perform a  subsequent task involving local­level analysis (and vice versa)  ▯ Level­ Readiness Effect Level­Readiness Effect ­ There is no default setting for the spatial extent of attentional focus, and that it may  remain at its current setting (narrow or broad) until an adjustment is required to perform a  new analysis ­ The nature of just­completed tasks is not the only factor that controls the spatial extent  of our attentional focal point ­ We can also adjust it voluntarily whenever we want to focus on the overall shape of  objects or whenever we want to focus on their finer details ­ Global properties of objects (shape and colour) are recognized accurately compared to  local properties of objects (lettering and profile)  We only focus on global properties   We don’t spend time looking at the local properties,  PSYC 330 March 18 , 2014  The processing of simple global properties are only required to  help us to tell objects apart  ▯resulting in having poor memories of  the local details Illusory Conjunctions ­ Feature­integration theory holds that when we perceive an object, attention is involved  in the binding of its features (but attention is not always required) • Treisman: Feature­integration can sometimes occur in the absence of  attention if we are familiar with the objects and therefore know what features  are typically associated with them  You do not always need to explicitly attend to familiar objects, in  order to conjoin their shapes and colours   Explicitly attending to an object, features can integrated through  general knowledge and familiarity • Interesting Finding: When objects are not explicitly attended to and are not  familiar, you may perceive objects with incorrect conjunctions (combinations)  of features ­ Perceptual Errors = Illusory Conjunctions  • E.g. You see two people walking down the street and you mistakenly see a  woman with a beard ▯  but in reality you realize that somehow the beard  belonging to the man has been incorporated to you perception of the woman ­ When attentional analysis is limited, features of different objects in the visual scene can  sometimes be miscombined  • These incorrect junctions are said to be illusory because their perception is  quite compelling just as illusions are Illusory Conjunction Study ­ Task: People make mistakes (illusory conjunctions) ­ Subject is presented with visual targets followed by a “noise mask” in order to prevent  the visual trail of the targets to be present (iconic memory) • Primary Task: Identify the digits  • Secondary Task: Identify the object that was present in the location of probe  bar ­ Results: • Subjects that got the task wrong presented that the colour and the shapes that  they were exposed to (not making things up)  They are miscombining features  There’s not enough time to glue the right features together Treisman’s Illusory Conjunction Task ­ Method: Presented subjects with stimuli that was either given “noncommittal” names  (E.g. Blue Ellipse, Brown Rectangle, Orange Triangle) or names associated with familiar  objects that constrained the expected colour/shape combinations (E.g. Blue Lake, Brown  Log, Orange Carrot) • Results: PSYC 330 March 18 , 2014  The constraining names helped to reduce illusory conjunctions when  the objects were presented in their expected colours and shapes (E.g.  lake shown as a blue ellipse)  When the objects were not presented in their expected colours and  shapes (E.g. lake shown as a red ellipse), subjects’ familiarity with the  correct feature combination (E.g. the lake should be blue in colour &  have an ellipse shape) did not increase the probability of illusory  conjunctions - Familiarity with an object helped to reduce the probability  of illusory conjunctions, but it did not increase the  probability of illusory conjunctions that served to “correct”  the combination of features of anomalous objects o Familiarity can reduce the frequency of illusory  conjunctions but not cause them when we see objects  with unexpected feature combinations ­ Findings: • The features themselves were processed, but that the attentional overload due  to performing the digit task and the object­identification task disrupted the  accuracy of feature­integration of the objects • Illusory conjunctions can lead to the perception of “new” features that are not  actually present in the visual scene  • People who have difficulty focusing their attention, not surprisingly, have  difficulty searching for objects  The parietal lobe appears to be responsible for maintaining focused  attention and for the feature­integration processes  If feature­integration theory is valid, then the location map thought to  be involved in feature binding may be found in the posterior parietal  cortex Object­ and Location­Based Processing ­ Assumption of Feature Integration Theory: We pay attention to locations (in a master  map) in order to bind together the features objects • Findings: It is difficult to identify an object unless its location can also be  reported correctly  Attention is directed to objects rather than to locations in visual space  In overlapping figure experiments, attention was clearly directed to  individual objects rather than to the space they occupied  Duncan (1948): Attentional processing can be both object­based  (limited to a restricted number of objects) and space­based (limited to  a fixed part of space)  Attentional processing can be object­based are that subjects are faster  in reporting several features or properties if they are associated with  the same object  When subjects are asked to attend to a stimulus display that could be  perceived as either a single object or two objects, they were faster at  PSYC 330 March 18 , 2014 reporting object properties (i.e. height of vertices) when they were  thought to be part of the same object  Attention appeared to “spread” more rapidly within an object than  between two objects   Object­based attentional processing has even been found with infants  as young as 8 months of age Can we Divide Attention across Regions? ­ Subjects are asked to find the large white circle but told to look only in the red areas ­ Can only pop out if we selectively attend to the two red regions • We seem to be able to divide attention between the two red regions Split­Brain Visual Search ­ Due to seizures (epilepsy)  ▯have two separate attentional focal points ( spotlights) ­ Hemispheres working independently  ­ Two separate attention systems (left and right) Part IV: Why Do We Move Our Eyes and How? Eye Movements and Attention ­ We are accustomed to aligning them together and it takes effort to separate them ­ When we point our eyes toward objects of interest while inspecting a visual scene, we  align retinal images of these images of these objects with a central region of the retina  (fovea) ­ Fovea • A small depression • 0.2 mm in size • Contains photoreceptors called cones (centre of the retina) and rods (retinal  region outside the fovea)  Cones: Enable finely detailed visual input to be perceived clearly - Colour vision (high acuity processing vision)  Rods: Initiate visual analysis at much lower resolution - Night vision (low acuity processing vision) - Spread around our periphery of our retina • The limited spatial extent of the foveal region means that much of the visual  field falls within the non­foveal region • Tasks involving analysis of fine details of a visual scene are performed more  efficiently if the visual input is received primarily by foveal receptors  ▯ Inspection of the visual field usually involves a number of eye movements  that foveate objects of interest ­ The human retina is structured so that there is a trade­off between our capacity for  resolving fine details and our sensitivity to changes in the visual scene • The greater acuity provided by foveal receptors (opposed to peripheral  retinal receptors), which comes as the cost of decreased sensitivity to  changes in light intensity and positions of objects PSYC 330 March 18 , 2014 • The neural architecture that enables foveal optic nerve fibres to have small  receptive fields, and therefore high acuity, also limits the number of  photoreceptors that provide input to these nerve fibres  This results in a decrease in their overall sensitivity to stimulus onsets  and to motion  Optic nerve fibres originating in the retinal periphery have much larger  receptive fields, many more photoreceptors contribute to their  activation  Retinal periphery nerve fibres are significantly more sensitive to  stimulus onsets and to motion than are foveal nerve fibres  It is easier to detect a faint visual stimulus when looking “sideways out  of the corner or the eye”  ▯this retinal organization is efficient because  it allows us to carry out high­acuity analysis of foveated stimuli while  remaining vigilant and sensitive to stimulus events that may occur in  the visual periphery ­ Some species have restricted eye movement • Barn Owls  ▯eyes don’t move but have flexible necks (360 degrees) • Woman with immobilized eyes  ▯not able to make saccades What is a Feature? ­ Anne Treisman  ▯By studying the types of objects that pop out in visual search  experiments, we may be able to develop a diagnostic or indicator of what object  properties may be considered features Types of Eye Movements: ­ We make a variety of different eye movements including: saccades, smooth pursuit  movement, vengeance movements, and microsaccades  Vestibular Movements ­ Eyes within our head when we want to keep looking at something but we turn our heads ­ Eyes moving when we turn our heads so we can keep an object within our vision Vergence Movements ­ Eye movements when looking straight at something really close to you ­ E.g. Going cross­eyed when looking at something too close Microsaccades and Drifts ­ Rods and cones need to be constantly stimulated ­ We can achieve this by having eyes that constantly jiggle ­ Experiments – when eyes are immobilized and vision fades out Ganzfeld ­ Peoples’ eyes are immobilized ­ Seeing gray mist  ▯vision fades out Smooth Pursuit Movements PSYC 330 March 18 , 2014 ­ Another type of eye movement that is used frequently ­ Allow us to maintain foveations of moving objects ­ Characterized by a smooth motion without abrupt starts and stops ­ When tracking a moving object, our eyes move in correspondence with it in order to  maintain, as accurately as possible, the position of the object’s retinal image within the  foveal region (Our eyes are able to follow along right behind it) ­ General Purpose: To foveate objects of interest so that visual analysis of them can be  carried out with the greatest possible acuity Saccades ­ The most frequent eye movements ­ Rapid “jump and rest” foveations of objects that occur when we scan or read ­ “To Jerk”  ▯In between each jerk, there are fixation periods during which the eyes are  relatively still while visual analysis of the foveated object is carried out, and the  trajectory of the next saccade is calibrated ­ The speed of saccades makes them an efficient way to search and explore the visual  field in a rapid manner ­ Basically jumping from focal point to focal point (scan paths) ­ General Purpose: To foveate objects of interest so that visual analysis of them can be  carried out with the greatest possible acuity Foveation of Objects is mediated by 6 Oculomotor Muscles ­ These 6 muscles function as 3 pairs of antagonistic pairs • One pair is responsible for up­and­down movements • One pair is responsible for side­to­side movements • One pair is responsible for rotational movements ­ It is estimated we make over 100,000 eye movements during the course of a day ­ The oculomotor muscles are resistant to fatigue A number of Cortical and Subcortical Brain Areas are active when we make eye  movements ­ Superior Colliculus (SC) plays a critical role in saccade programming • Cells in this area are very active of topographically organized cells in its  upper layers that, while not very sensitive to shape or colour, are quite  sensitive to visual movement and location  • It also plays a role in mediating attention shifts Properties of Saccadic and Smooth Pursuit Movements Saccades ­ “Goal­Directed” Saccade  ▯The observer “allows” the saccade to be made to a  particular location corresponding to a sensory event • Saccades are initiated by sensory events such as abrupt­onset stimuli will  be referred to as stimulus­driven • Saccades initiated on the basis of the observer’s goals and intentions will  be referred to as goal­driven PSYC 330 March 18 , 2014 • The decision to initiate saccadic eye movements is generally under  voluntary control and we can suppress them when we want to ­ Adults can make saccades across a distance as large as 40° of visual angle • Maximum Speed of These Movement Range: About 600°/sec to  1000°/sec • The speed of saccades is not constant • At the beginning of a saccade, the eyes accelerate at a rate that can reach  2 40,000°/sec   • As the eyes near their destination, they have a comparable rate of  deceleration • A typical long saccade made by adults align the fovea with the destination  with an error of only 5% to 10% of the distance moved  ▯saccades are fast  and impressively accurate ­ The Speed of Saccades comes at a Cost • Before each saccade, there is a fixational pause called the Saccadic  Refractory Period  It usually lasts about 150 to 350 ms  During this time, the direction and magnitude of the saccade  trajectory from origin to destination is calibrated, and an  oculomotor program is prepared  When the saccade is initiated, a signal is sent to the oculomotor  muscles and the eyes are in motion for about 20 to 40 ms (this  is about 5% to 10% of the total viewing time of a typical  fixation)  The time required to calibrate and execute a saccade is roughly  220 ms  - We can usually make no more than 4 saccades per  second - Relative to the speed of other aspects of visual analysis,  saccade programming is a relatively slow process Stimulus­Driven Capture of Saccades Study ­ To study stimulus­driven capture of saccades once experimental subjects decide to make  an eye movement ­ Method: Subjects were asked to search for and make a saccade to a target of a  particular colour and, while they were doing so, another item sometimes appeared  abruptly in the visual field ­ Findings: • Saccades should have been made to the target location were sometimes  made in error to the irrelevant item with the abrupt onset • Saccades can be voluntarily suppressed (saccade programming can be  goal­driven and stimulus­driven) • Saccades are ballistic eye movements  ▯once a particular trajectory has  been calibrated and then the saccade is triggered, the eyes can be moved  without further programming PSYC 330 March 18 , 2014  Disadvantage of Ballistic Eye Movements: During programming,
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