[논문]과밀 효과와 양안 경합의 이심률별 상관관계

김상래; 정상철

doi:10.19066/cogsci.2010.21.2.001

문제 정의

과밀 효과와 양안 경합의 상관관계가 발견됨에 따라 거대한 복잡계로서의 시각 시스템과 특히 의식의 측정치로서의 두 현상의 관계에 대해 규명할 수 있는 발판을 제공하였다. 두 현상은 의식의 측면일 뿐이고, 현상의 척도를 측정하는 일은 의식을 수치화해서 계측하는 것이기 때문에, 두 현상의 상관관계와 상호작용이 존재하는 것은 결국 단일한 메커니즘으로서의 의식을 가정하였을 때 당연한 일일 것이다.
관찰자의 과제는 모니터 중앙에 제시되는 십자 응시점을 바라본 상태에서, 짧게 제시되는 Landolt C의 방위를 키보드로 보고하는 것이었다. 자극은 어두운 회색 바탕(29 cd/m²)에 검은색(0.
만약 수치상으로 상관관계가 발견된다면, 인간의 시각은 행동실험 패러다임의 종류에 무관한 통일적인 기제라는 것, 그리고 방법들은 내재한 기제로서의 시각의 능력을 측정하는 상이한 도구에 불과하다는 것을 말해 준다. 본 연구는 두 가지 방법이 시각장에서 어떻게 상관을 갖는지를 연구한 것이며, 중심와에서의 주변부까지의 이심률을 독립변수로 하는 상관관계의 변화를 관찰하였다. 이심률의 수준은 2˚, 5˚, 10˚ 세 가지였는데, 2˚는 중심와와 부중심와(parafovea) 사이의 구간이며, 중심와의 특성을 가지고 있으면서도 과밀 효과를 관찰할 수 있는 구간이라 선택하였다.
중심와와 부중심와 사이인 이심률 2°에서 과밀 효과와 양안 경합이 정적 상관관계를 보인다는 본 연구 결과는 과밀 효과와 양안 경합의 관계를 밝히는 최초의 연구이다.
하지만, 그것들의 관계에 대해서는 말해주는 바가 없다. 지금까지의 많은 연구들이 이러한 관점에 대해 소홀히 했으며, 본 연구는 이를 본격적으로 조사하는 연구였다. 서로 다른 두 가지의 행동측정치가 어떤 관계를 갖지 않는다고 밝혀지면, 단일한 메커니즘으로서의 시각 능력에 대해 논의를 하기 어려운 상황에 처한다.

제안 방법

과밀 효과가 실제로 발생했는지를 검증하기 위해 2(과밀 자극 대 비과밀 자극) × 3(이심률: 2˚, 5˚, 10˚) × 8(방위)의 삼원 분산분석을 수행하였다.
그 후 전체 실험 기간에 목표 자극을 지각한 기간의 비율을 척도로 정하였다. 과밀 효과의 척도와 양안 경합의 척도는 이심률 별로 구분되었고, 후에 통계적 처리를 통해 상관관계가 있는지를 조사하였다.
이 역치가 의미하는 바는, 만약 이 크기로 자극을 제시했을 때 관찰자가 50% 확률로 Landolt C의 방위를 맞출 수 있다는 것이다. 관찰자가 다음 시행의 크기에 대한 예측을 방지하기 위해, 모든 계단법은 역치를 얻기 위한 시행 두 개를 묶어 교대로 제시하여서 한 회기당 두 개의 역치를 얻도록 설계하였다.
독점적 지각 비율에 따라 크기가 적절히 조절된 양안 경합 자극 중 어느 한 쪽의 자극에 주의를 집중하게 한 후에, 그 자극이 보일 때마다 키보드를 통해 추적하게 하였다. 그 후 전체 실험 기간에 목표 자극을 지각한 기간의 비율을 척도로 정하였다. 과밀 효과의 척도와 양안 경합의 척도는 이심률 별로 구분되었고, 후에 통계적 처리를 통해 상관관계가 있는지를 조사하였다.
한 회기당 95초가 걸렸으며, Landolt C의 방위는 70%의 확률로(즉, 65번) 1초에 한 번씩 바뀌었다. 급격한 변화가 양안 경합 양상에 영향을 끼치는 것을 방지하기 위해 자극의 변화가 서서히 일어나도록(250ms 동안 먼저 제시된 Landolt C는 서서히 사라지고, 곧 제시될 Landolt C는 서서히 나타나도록, 그리고 이 두 과정이 겹쳐져서 동시에 일어나도록) 하였다. 이에 비해 반대쪽 눈에 제시되는 방해 자극은 변화없이 동일한 모양으로 계속해서 모니터에 제시되었다.
양안 경합의 효과를 측정하는 방법은 다음과 같다. 독점적 지각 비율에 따라 크기가 적절히 조절된 양안 경합 자극 중 어느 한 쪽의 자극에 주의를 집중하게 한 후에, 그 자극이 보일 때마다 키보드를 통해 추적하게 하였다. 그 후 전체 실험 기간에 목표 자극을 지각한 기간의 비율을 척도로 정하였다.
두 가지의 서로 다른 패러다임으로 측정한 의식의 척도가 어떤 연관을 가졌는지를 알아보기 위해 각각의 관찰자별로 이심률 2°, 5°, 10°에서의 두 척도(과밀 효과의 시각 척도와 양안 경합의 시각 척도)의 상관계수를 구하였다.
시각장 내의 24개의 위치(3 단계의 이심률 × 8 가지의 방위, 그림 1)에서 과밀 효과와 양안 경합의 효과를 측정한 후 이심률 별로 상관관계를 구하였다.
각 시행 전에 과밀 효과의 실험과 동일하게, 흰색 십자 응시점이 눈을 고정하게 할 위치에 제시되었다. 양 눈의 이미지가 잘 융합되게 하기 위하여 십자가가 응시 점의 위와 아래에 십자 응시점과 동일한 길이의 세로 보조선을 제시하였다. 이 보조선은 적록안경을 통해 보면 각각 한쪽 눈에만 지각되어서 관찰자가 직접 정렬상태를 확인하여 양 눈의 융합을 도와주는 자극이었다.
양안 경합 실험은 각 눈에 다른 자극을 보여주기 위하여 적록안경을 이용하였다. 모니터에 다른 색의 자극을 동일한 위치에 제시하고 관찰자가 적록안경을 통해 보면 양 눈에 각각 다른 색으로 제시된 자극이 교대로 보이게 되며, 양안 경합의 상황이 만들어지게 된다.
과밀 효과를 측정하는 방법은 다음을 이용하였다. 우선, 과밀 자극이 없는 조건(비과밀 조건)과 과밀 자극이 존재하는 조건(과밀 조건)에서 자극 크기의 역치를 모두 구한 후, 비과밀 조건의 역치에서 과밀 조건의 역치를 나누어 주었다. 비과밀 조건의 역치를 고려한 이유는 이심률마다 다른 해상력을 보정해 주기 위해서였다.
Hess와 그 동료들[5]은 중심부와 주변부의 과밀 효과 차이는 생리학적인 이유가 아니라, 자극의 물리적 성질, 특히 결정적인 영향을 주는 공간주파수의 분포에 따라 결정되는 것이라고 하였다. 이 연구는 많은 반박을 받았는데, 특히 Levi와 그 동료들은 동일한 공간주파수 분포를 가지는, 중심부에 제시된 자극이 조건에 따라서로 다른 과밀 효과를 보일 수 있음을 밝혀내어 Hess의 결론을 반박하였다. 특히 이들은 중심와의 과밀 효과 역치 증가량이 차폐 효과의 그것과 비슷한 양상을 보인다는 것을 발견하고, 주변부의 과밀 효과와는 다르게 중심부의 과밀 효과는 주변 자극에 의한 차폐 효과라고 주장하였다[6,7].
자극의 역치는 시각장 내의 3개의 이심률(중심와로부터 2°, 5°, 10° 떨어진 거리), 8개의 방위(45° 간격), 총 24개의 위치에서 각각 측정되었다(그림 1). 한 위치당 각 조건(비과밀 조건과 과밀 조건) 별로 6개의 역치를 얻기 위해 3번의 회기를 시행하여서, 한 관찰자당 총 144번의 회기를 시행하였다.
실험을 시작하기 전에 관찰자는 암실에서 5분 동안 암순응을 하였다. 한 회기 시작 직전에 흰 십자 응시점이 모니터 중앙에 나타나면서 실험의 시작을 알리며, 이번 회기에서 자극이 제시될 위치에 빨간 십자가가 잠시 나타나 관찰자가 자극 제시 위치를 알고 실험의 시작을 대비할 수 있게 하였다. 관찰자는 흰 십자 응시점을 바라본 상태에서 빨간 십자가가 나타났던 위치에 주의를 집중해 Landolt C의 방위를 맞추라는 지시를 받았다.

대상 데이터

031°가 되었다. 자극은 MATLAB과 Psychophysics Toolbox[21,22]로 제작되었다. 시각장 내의 24개의 위치(3 단계의 이심률 × 8 가지의 방위, 그림 1)에서 과밀 효과와 양안 경합의 효과를 측정한 후 이심률 별로 상관관계를 구하였다.
관찰자의 과제는 모니터 중앙에 제시되는 십자 응시점을 바라본 상태에서, 짧게 제시되는 Landolt C의 방위를 키보드로 보고하는 것이었다. 자극은 어두운 회색 바탕(29 cd/m²)에 검은색(0.5 cd/m²)으로 제시되었다(그림 2-가). Landolt C의 방위는 언제나 무선적으로 제시되었다.
자극의 역치는 시각장 내의 3개의 이심률(중심와로부터 2°, 5°, 10° 떨어진 거리), 8개의 방위(45° 간격), 총 24개의 위치에서 각각 측정되었다(그림 1).
첫 저자가 포함된 네 명의 관찰자가 실험에 참여하였다. 모두 정상 시력 또는 교정된 정상 시력을 가졌다.

데이터처리

두 가지의 서로 다른 패러다임으로 측정한 의식의 척도가 어떤 연관을 가졌는지를 알아보기 위해 각각의 관찰자별로 이심률 2°, 5°, 10°에서의 두 척도(과밀 효과의 시각 척도와 양안 경합의 시각 척도)의 상관계수를 구하였다. 이 값들은 평균하여 단일 표본 t-검정을 통해 분석하였다. 그 결과 중심와에서 2˚ 떨어진 곳의 상관계수가 평균 0.

이론/모형

실험의 주된 목적은 관찰자가 일정한 정도로 방위를 보고할 수 있는 자극의 크기(역치)를 측정하는 것으로, 그 방법은 수행의 정도에 따라 자극의 크기가 달라지는 계단법(staircase procedure)을 사용하였다. 50% 적중률의 역치를 측정하기 위해 1-up 1-down 방법을 사용하였다[23]. 관찰자가 Landolt C 자극의 방위를 맞추면 자극의 지름이 10% 감소하였고, 틀리면 10% 증가하여서, 관찰자는 맞추면 점점 더 작아지는 자극 크기 때문에 방위를 맞추기가 점점 어려워지며, 틀리면 자극이 커져 방위 맞추기가 수월해진다.
시각장 내의 24개의 위치(3 단계의 이심률 × 8 가지의 방위, 그림 1)에서 과밀 효과와 양안 경합의 효과를 측정한 후 이심률 별로 상관관계를 구하였다. 과밀 효과 실험과 양안 경합 실험 모두 Landolt C를 자극으로 사용하였다(그림 2). 이 자극은 반지 모양의 얇은 동심원에 네 방향 중 어느 한 쪽(위, 아래, 왼쪽, 오른쪽)으로 구멍이 뚫린 형태였다.
모니터에 다른 색의 자극을 동일한 위치에 제시하고 관찰자가 적록안경을 통해 보면 양 눈에 각각 다른 색으로 제시된 자극이 교대로 보이게 되며, 양안 경합의 상황이 만들어지게 된다. 실험 전에 각 관찰자에게 Porta 검사(엄지손가락으로 멀리 떨어진 어떤 물체를 겹치게 한 후 눈을 번갈아 감아서 겹쳐져 보이는 쪽이 어느 쪽인지 측정하는 방법)[24,25]나 Miles 검사(엄지손가락 대신 손가락으로 고리를 만들어 측정하는 방법)[26]를 이용해 우세안을 결정하도록 하였다. 우세안에는 Landolt C가 제시되고 비우세안에는 Landolt C의 방위를 잘 가릴 수 있도록 설계된 방해자극이 제시되었으며, 방해자극은 양안 경합 시에 Landolt C의 방위를 잘 지각하지 못하게 만드는 역할을 하였다(그림 2-나).
Landolt C의 방위는 언제나 무선적으로 제시되었다. 실험의 주된 목적은 관찰자가 일정한 정도로 방위를 보고할 수 있는 자극의 크기(역치)를 측정하는 것으로, 그 방법은 수행의 정도에 따라 자극의 크기가 달라지는 계단법(staircase procedure)을 사용하였다. 50% 적중률의 역치를 측정하기 위해 1-up 1-down 방법을 사용하였다[23].

성능/효과

단순한 Landolt C 자극의 방위를 판별하는 데에 있어서, 정확도 50%로 일관 되게 맞추는 Landolt C의 크기를 나타내는 것이기 때문에, 이 값이 작으면 작을수록 그 위치에서의 해상도가 높다는 의미가 된다. 결과적으로, 중심와에 가까이 다가갈수록 해상도가 높고(혹은 역치가 낮고), 주변부로 갈수록 해상도가 낮다(혹은 역치가 높다)는 것을 알 수 있다.
과밀 자극 대 비과밀 자극에서의 주효과(F(1,6)=511.351, p<0.01), 이심률에서의 주효과(F(2,9)=141.657, p<0.01), 방위에서의 주효과(F(7,24)=14.816, p<0.01)가 모두 발견되었다.
50% 적중률의 역치를 측정하기 위해 1-up 1-down 방법을 사용하였다[23]. 관찰자가 Landolt C 자극의 방위를 맞추면 자극의 지름이 10% 감소하였고, 틀리면 10% 증가하여서, 관찰자는 맞추면 점점 더 작아지는 자극 크기 때문에 방위를 맞추기가 점점 어려워지며, 틀리면 자극이 커져 방위 맞추기가 수월해진다. 이렇게 자극의 크기가 오르내려서 17번의 반전점(reversal point)이 생기면 하나의 역치를 얻기 위한 회기가 완료되었다.
그 결과 중심와에서 2˚ 떨어진 곳의 상관계수가 평균 0.40으로 통계적으로 유의미하였다(t(3)=3.952, p<0.05).
두 가지의 방법을 이용하여 정의한 시각 척도는 1에 가까워질수록 과밀 효과나 양안 경합의 방해 효과에도 불구하고 목표 자극을 잘 지각할 수 있었다는 것을 의미하는 값이었다. 시각 척도를 거꾸로 정의할 수도 있는데, 가령 과밀 효과의 실험에서는 과밀 역치를 비과밀 역치로 나누어 준 값으로 정의하거나, 과밀 역치에서 비과밀 역치를 빼는 값으로(혹은 그 값에 log를 취한 값으로) 정의할 수 있으며, 양안 경합의 실험에서는 총 기간에서 비우세안 기간이 차지하는 비율로도 정할 수 있다.
또한, 과밀 자극 대 비과밀 자극과 이심률에서의 상호작용 효과가 발견되었으며(F(2,18)=20.058, p<0.01), 이는 이심률이 증가할수록 과밀 자극과 비과밀 자극의 역치 차이가 점점 증가하였다는 것을 뜻한다(그림 3).
이심률 2˚에서 유의미한 정적 상관관계가 관찰되었으며, 이심률 5˚와 10˚의 위치에서는 유의미한 상관관계가 발견되지 않았다.
이렇듯 과밀 효과는 주변부로 갈수록 큰 효과를 보이고, 양안 경합은 중심부로 갈수록 정밀하게 측정할 수 있었으며, 이 반비례 관계는 서로의 상관관계 측정을 어렵게 만들었다. 하지만, 실험 1의 이심률 2˚ 조건에서는 중심와와 가깝지만 유의미한 과밀 효과가 관찰되었고 양안 경합 시 지각 경험보고도 가능하였기 때문에 유의미한 정적 상관관계를 발견할 수 있었다.

후속연구

지금까지의 시각 방해 효과에 관한 연구들은 효과들 간의 관계에 대해 특별히 관심을 두지 않았다. 하지만 Vickery와 그 동료들이 최근 연구에서 과밀 효과와 차폐의 상호작용을 연구한 이후에[28], 앞으로 계속해서 시각 경험의 방해 효과 간의 관계에 대한 연구가 시도될 것으로 보인다. 인간 시각 체계가 가진 복잡한 구조와 그 안에 내재하고 있는 상호작용을 고려한다면, 효과 간의 관계에 관한 연구는 중요하다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	양안 경합은 어떤 현상인가?	과밀 효과란, 목표 자극의 주위에 다른 방해 자극들을 제시함으로써 목표 자극의 지각 경험을 방해하는 것이다. 양안 경합은 양 눈에 다른 형태의 자극을 제시했을 때, 겹쳐져서 보이거나 하지 않고, 의식 내에서 교대로 보이게 되는 현상이다. 이 두 현상의 상관관계를 측정하기 위해 실험을 수행하였다.
	과밀 효과의 차이는 순전히 양적 차이 중 두 가지의 변수에 의해 결정되는 것으로 주장한 연구가 있는데 이 두 가지 변수에 관하여 설명한다면?	이렇게 중심부와 주변부의 질적 차이가 과밀 효과의 차이를 발생시킨다는 관점이 있는 반면, 과밀 효과의 차이는 순전히 양적 차이, 특히 이심률과 결정적 간격(critical spacing)이라는 두 가지의 변수에 의해 결정된다는 것을 주장한 연구도 있다[8]. 결정적 간격이란, 과밀 효과가 관측되기 위해 필요한 목표 자극과 방해 자극 사이의 최대 간격이며, 그것보다도 더 크면 과밀 효과가 발생하지 않는다. Bouma의 연구[2,12]에 의하면, 결정적 간격은 이심률에 비례한다. 이심률이 0이거나 매우 작은 중심부에서는 결정적 간격 자체도 0에 수렴하기 때문에, 목표 자극과 방해 자극을 매우 가까이 붙여 놓아야 겨우 과밀 효과가 관측될 수 있을 뿐이며, 이심률이 큰 주변부에서는 이심률에 비례하여 결정적 간격도 커지기 때문에 과밀 효과가 쉽게 발생한다는 것이다.
	과밀 효과란 무엇인가?	과밀 효과란, 목표 자극의 주위에 다른 방해 자극들을 제시함으로써 목표 자극의 지각 경험을 방해하는 것이다. 양안 경합은 양 눈에 다른 형태의 자극을 제시했을 때, 겹쳐져서 보이거나 하지 않고, 의식 내에서 교대로 보이게 되는 현상이다.

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