파이 현상

파이 현상(Phi phenomenon)이라는 용어는 두 개의 인접한 광학 자극이 비교적 높은 주파수로 번갈아 제시될 때 관찰되는 가현 운동을 좁은 의미로 사용한다. 낮은 주파수에서 볼 수 있는 베타 운동과는 달리, 자극 자체는 움직이는 것처럼 보이지 않는다. 대신, 확산되고 무정형의 그림자 같은 것이 자극 앞에 나타나 일시적으로 가리는 것처럼 보인다. 이 그림자는 배경색과 거의 동일한 색을 띠는 것처럼 보인다. 막스 베르트하이머는 1912년에 출판된 그의 교수 자격 논문에서 이러한 형태의 가현 운동을 처음 기술했으며, 이는 게슈탈트 심리학의 탄생을 알렸다.

더 넓은 의미에서, 특히 복수형인 파이 현상이 사용될 때, 이는 두 개의 인접한 광학 자극이 번갈아 제시될 때 볼 수 있는 모든 가현 운동에도 적용된다. 여기에는 특히 베타 운동이 포함되는데, 이는 영화와 애니메이션에서의 움직임 착시로 간주되어 왔지만, 베타 운동이 영화에서 볼 수 있는 단거리 가현 운동보다는 장거리 가현 운동을 나타낸다고 주장할 수도 있다. 실제로 베르트하이머는 1912년에 "φ-현상"이라는 용어를 도입하면서 자신의 논문에 기술된 모든 가현 운동에 이 용어를 적용했으며, 높은 교대 주파수에서 관찰되는 대상 없는 움직임에는 "순수 φ"라는 용어를 사용했다. 그럼에도 불구하고 일부 해설자들은 그가 그리스 문자 φ를 순수하고 대상 없는 움직임을 위해 유보했다고 주장한다.

 실험적 시연 
베르트하이머의 고전적인 실험은 순간노출계를 사용하여 두 개의 빛나는 선이나 곡선을 반복적으로 차례로 제시하는 방식이었다. 특정의 비교적 짧은 자극 간격과 적절한 자극 간 거리를 사용했을 때, 그의 피험자들(그의 동료였던 볼프강 쾰러와 쿠르트 코프카)은 순수한 "대상 없는" 움직임을 보았다고 보고했다.

그러나 파이 현상을 안정적이고 설득력 있게 시연하는 것은 어려운 것으로 밝혀졌다. 이 현상을 더 쉽게 시연하기 위해 21세기 심리학자들은 두 개 이상의 자극을 사용하는 더 생생한 실험 배열을 고안했다. "매그니파이(Magni-phi)"라고 불리는 이 시연에서는 동일한 원반들이 원형으로 배열되어 있고, 빠른 순서로 원반 중 하나가 시계 방향 또는 반시계 방향으로 숨겨진다. 이는 베르트하이머가 발견한 그림자 같은 움직임을 더 쉽게 관찰할 수 있게 한다. 매그니파이 시연은 타이밍, 크기, 강도, 원반의 수, 시청 거리와 같은 매개변수의 변화에 강하다.

더 나아가, 음의 자극 간 간격 (즉, 두 요소가 보이는 기간이 약간 겹치는 경우)이 사용되면 두 요소만으로도 현상을 더 안정적으로 관찰할 수 있다. 이 경우, 시청자는 두 개체를 정지 상태로 보고 무의식적으로 한쪽의 자극 재현이 그 위치에 이전에 표시된 개체가 다시 나타났음을 의미한다고 추측할 수 있으며, 베타 운동에서 관찰되는 것처럼 반대쪽 개체가 새로운 위치로 이동한 것이 아님을 추측할 수 있다. 이러한 지각의 핵심 요인은 각 측면에서 자극의 불연속성이 짧다는 것이다. 이는 순수 파이 현상을 발생시키기 위해 두 가지 매개변수를 적절히 선택해야 한다는 관찰에 의해 뒷받침된다. 첫째, 각 측면의 간격 절대 지속 시간은 약 150ms를 초과해서는 안 되며, 둘째, 간격 지속 시간은 자극 기간의 40%를 초과해서는 안 된다.

 연구의 역사 
1912년 논문에서 베르트하이머는 다음과 같이 기호 φ(파이)를 도입했다.

"최적 운동"(나중에 베타 운동이라고 불림)과 두 물체의 부분 운동 외에도, 베르트하이머는 "순수 운동"이라고 부르는 현상을 기술했다. 이에 대해 그는 피험자들의 설명을 다음과 같이 요약했다.

베르트하이머는 이러한 관찰에 큰 중요성을 부여했는데, 그의 의견으로는 이는 움직임이 직접적으로 지각될 수 있으며, 약간 다른 시간과 약간 다른 장소에서 두 개의 광학 자극을 개별적으로 감지하는 것으로부터 반드시 추론되는 것이 아님을 입증했기 때문이다. 그의 논문의 이 측면은 게슈탈트 심리학을 시작하는 데 중요한 계기가 되었다.

20세기 중반부터 과학 문헌에서 파이 현상이 정확히 무엇인지에 대한 혼란이 발생했다. 한 가지 이유는 영어를 사용하는 과학자들이 독일어로 출판된 베르트하이머의 논문을 이해하는 데 어려움을 겪었을 수 있다는 것이다. 베르트하이머의 문체도 독특하다. 더욱이 베르트하이머의 논문은 "순수 운동"이 어떤 매개변수 하에서 관찰되었는지 정확하게 명시하지 않는다. 또한 이 현상을 재현하기 어렵다. 1942년에 처음 출판된 에드윈 보링의 영향력 있는 감각 및 지각 심리학사는 이러한 혼란에 기여했다. 보링은 베르트하이머가 관찰한 현상들을 나열하고 자극 간 간격의 길이에 따라 분류했다. 그러나 보링은 파이 현상을 잘못된 위치, 즉 상대적으로 긴 자극 간 간격을 갖는 것으로 분류했다. 사실, 그렇게 긴 간격에서는 피험자들이 움직임을 전혀 지각하지 못하고, 단지 두 개체가 연속적으로 나타나는 것을 관찰할 뿐이다.

이러한 혼란은 아마도 "오메가 운동", "잔상 운동", "그림자 운동"과 같은 다른 이름으로 파이 현상이 "재발견"되는 데 기여했을 것이다.

 역파이 착시 
두 개의 정지된 유사한 광학 자극이 서로 옆에 높은 주파수로 연속적으로 제시될 때 인간의 시각 시스템에 의해 가현 파이 움직임이 지각되는 것처럼, 이러한 움직임의 역방향 버전인 역파이 착시도 있다. 역파이 착시는 파이 현상의 일종으로, 양의 방향에서 변위된 음의 방향으로 희미해지거나 사라져서 인간이 지각하는 가현 운동이 실제 물리적 변위와 반대되는 현상이다. 역파이 착시는 종종 흑백 패턴과 함께 나타난다.

역파이 착시는 실제로 밝기 효과이며, 밝기가 역전되는 그림이 망막을 가로질러 움직일 때 발생한다고 여겨진다. 이는 시각 수용장 모델의 메커니즘으로 설명할 수 있는데, 시각 자극이 공간적으로 합산되는 과정(공간 미분과 반대되는 과정)이다. 이 공간 합산은 윤곽선을 약간 흐리게 하여 지각되는 밝기를 변화시킨다. 이 수용장 모델에서 네 가지 예측이 확인되었다. 첫째, 중심와의 역파이 현상은 변위가 중심와 수용장 너비보다 클 때 깨져야 한다. 둘째, 역파이 착시는 중심와보다 주변 망막에서 더 큰 변위에서 존재하는데, 이는 주변 망막의 수용장이 더 크기 때문이다. 셋째, 수용장에 의한 공간 합산은 초점 이탈 렌즈로 화면에 투영된 역파이 착시의 시각적 흐림에 의해 증가할 수 있다. 넷째, 역파이 착시의 양은 양의 그림과 음의 그림 사이의 변위가 감소함에 따라 증가해야 한다.

실제로 우리의 시각 시스템은 순방향 및 역방향 파이 현상을 동일한 방식으로 처리한다. 우리의 시각 시스템은 연속적인 프레임에서 해당 밝기의 개별 점들 사이에서 파이 현상을 지각하며, 파이 운동은 전역적 기반 대신 밝기에 의해 매개되는 국소적, 점대점 방식으로 결정된다.

 역파이 현상에 대한 민감도를 뒷받침하는 신경 메커니즘 
출처:

 T4 및 T5 운동 감지 세포는 역파이 행동에 필수적이고 충분하며, 역파이 운동에 대한 회전 반응을 생성하는 다른 경로는 없다.
 접선 세포는 역파이 운동의 자극에 부분적인 전압 반응을 보인다.
 하센슈타인-라이히하르트 감지기 모델.
 T4 수상돌기에서는 역파이에 대한 상당한 반응이 나타나고, T5 수상돌기에서는 미미한 반응이 나타난다.

 파이 현상과 베타 운동 
섬네일|베타 운동의 예
파이 현상은 오랫동안 베타 운동과 혼동되어 왔지만, 게슈탈트 심리학 학파의 창시자인 막스 베르트하이머는 1912년에 이 둘의 차이를 구별했다. 파이 현상과 베타 운동은 더 넓은 의미에서 같은 범주로 간주될 수 있지만, 실제로는 상당히 다르다.

첫째, 차이는 신경 해부학적 수준에 있다. 시각 정보는 위치와 움직임을 처리하는 경로와 형태와 색상을 처리하는 경로의 두 가지 경로로 처리된다. 객체가 움직이거나 위치를 변경하면 두 경로를 모두 자극하여 베타 운동의 지각을 유발할 가능성이 높다. 반면, 객체가 너무 빠르게 위치를 변경하면 파이 현상과 같은 순수 움직임의 지각을 유발할 수 있다.

둘째, 파이 현상과 베타 운동은 지각적으로도 다르다. 파이 현상의 경우, 두 자극 A와 B가 연속적으로 제시될 때, A와 B를 가로지르는 어떤 움직임을 지각한다. 반면, 베타 운동의 경우, 여전히 두 자극 A와 B가 연속적으로 제시되지만, 객체가 실제로 A 위치에서 B 위치로 이동하는 것을 지각한다.

차이는 또한 인지적 수준, 즉 우리의 시각 시스템이 움직임을 해석하는 방식에 있다. 이는 시각 시스템이 지각 해석의 역 문제를 해결한다는 가정에 기반한다. 객체에 의해 생성된 인접한 자극에 대해 시각 시스템은 인접한 자극이 현실의 완전한 그림을 제공하지 않으므로 객체를 추론해야 한다. 우리의 시각 시스템이 해석할 수 있는 방법은 한 가지 이상이다. 따라서 우리의 시각 시스템은 고유하고 진정한 해석을 얻기 위해 여러 해석에 제약을 가해야 한다. 우리의 시각 시스템이 제약을 설정하기 위해 사용하는 원리는 종종 단순성과 가능성과 관련이 있다.

 하센슈타인-라이히하르트 감지기 모델 
섬네일|하센슈타인-라이히하르트 감지 모델
하센슈타인-라이히하르트 감지기 모델은 우리의 시각 시스템이 두 인접한 지점에서 빛의 강도의 시간적 교차 상관 관계를 감지하여 움직임을 추정한다는 최초의 수학적 모델로 간주되며, 간단히 말해 우리의 시각 시스템이 움직임을 추적하는 방법에 대한 이론적인 신경 회로이다. 이 모델은 파이 현상과 그 역버전을 설명하고 예측할 수 있다. 이 모델은 두 위치와 두 시각 입력을 포함하는데, 한 위치에서 한 입력이 감지되면 신호가 다른 위치로 전송된다. 두 시각 입력은 시간적으로 비대칭적으로 필터링된 다음, 한 위치의 시각 대비가 다른 위치의 시간 지연된 대비와 곱해진다. 마지막으로, 곱셈 결과는 빼서 출력을 얻는다.

따라서 두 개의 양수 또는 두 개의 음수 신호는 양수 출력을 생성한다. 그러나 입력이 하나는 양수이고 다른 하나는 음수이면 출력은 음수가 된다. 이는 수학적으로 곱셈 규칙에 해당한다.

파이 현상의 경우, 움직임 감지기는 망막의 한 지점에서 빛의 강도 변화를 감지하도록 발달하고, 우리의 시각 시스템은 그 변화와 망막의 인접한 지점에서 빛의 강도 변화 사이의 상관 관계를 짧은 지연과 함께 계산한다.

 라이히하르트 모델 
라이히하르트 모델은 가장 간단한 하센슈타인-라이히하르트 감지기 모델의 더 복잡한 형태로, 공통 2차 비선형성을 가진 쌍별 모델로 간주된다. 푸리에 방법이 선형 방법으로 간주되는 반면, 라이히하르트 모델은 다른 요소 위치에서의 밝기 변화에 대한 우리의 시각 반응이 결합될 때 곱셈적 비선형성을 도입한다. 이 모델에서 하나의 광수용체 입력은 필터에 의해 지연되어 이웃한 위치의 다른 입력과의 곱셈으로 비교된다. 입력은 곱셈 전과 곱셈 후 두 번 대칭적으로 필터링되어 2차 움직임 추정치를 제공한다. 이 일반화된 라이히하르트 모델은 곱셈적 비선형성 이전의 임의 필터와 비선형성 이후의 필터를 허용한다. 파이 현상은 종종 1차 움직임으로 간주되지만, 역파이는 이 모델에 따르면 1차 및 2차 모두일 수 있다.

 같이 보기 
 색 파이 현상
 운동 지각

 외부 링크 

 베타 운동과 파이 현상.

 각주 
Vebjørn Ekroll, Franz Faul, Jürgen Golz: Classification of apparent motion percepts based on temporal factors. In: Journal of Vision. Volume 8, 2008, Issue 31, pp. 1–22 (online).
Max Wertheimer: Experimentelle Studien über das Sehen von Bewegung. Zeitschrift für Psychologie, Volume 61, 1912, pp. 161–265 (online ;PDF-Datei; 8,61 MB).
Robert M. Steinman, Zygmunt Pizlob, Filip J. Pizlob: Phi is not beta, and why Wertheimer's discovery launched the Gestalt revolution. In: Vision Research. Volume 40, 2000, pp. 2257–2264 (online).
Martha Blassnigg: Time, Memory, Consciousness and the Cinema Experience: Revisiting Ideas on Matter and Spirit. Edision Rodopi, Amsterdam/New York 2009, , p. 126 (online).
Friedrich Kenkel: Untersuchungen über den Zusammenhang zwischen Erscheinungsgröße und Erscheinungsbewegung bei einigen sogenannten optischen Täuschungen. In: F. Schumann (ed.): Zeitschrift für Psychologie. Volume 67, Leipzig 1913, p. 363
Edwin Boring: Sensation And Perception In The History Of Experimental Psychology. Appleton-Century-Crofts, New York 1942 (online).

분류:착시
분류:1912년 도입
분류:시지각