시각심리학 총론

시각은 눈을 통해 인지하는 빛 자극을 말한다. 인간은 눈을 통해 주변에서 들어오는 가시광선을 해석하여 주변 사물에 대한 정보를 얻는다. 시지각은 인간의 오감 중 가장 많이 연구되었고, 이제는 기본적 수준에서 연구할 주제가 별로 많지 않을 정도로 광범위한 지식을 얻었다.

 

시각 과정

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우리 눈으로 전달된 빛은 최종적으로 대뇌로 흘러간다. 눈에 도착한 빛은 신경신호로 전환되고, 망막에서 기본적으로 처리된 뒤에 시신경을 거쳐 LGN으로 들어간다. LGN은 정보를 약간 가공하여 후두엽으로 보내고, 후두엽의 신경기둥에서 세세하게 처리한 다음에 위치나 운동에 관한 정보는 두정엽으로, 물체나 색, 의미에 관한 정보는 측두엽으로 보낸다. 눈이 받아들인 정보는 2가지 채널을 통해 대뇌로 흘러가며, 정보는 최종적으로 전두엽에서 통합된다.

 

 

1.색지각

색은 인간 시각에서 필수적인 요소중 하나이다. 굳이 색이 사는데 필요하지 않더라도 우리가 형형색색의 색깔들을 보며 얻는 즐거움은 설명이 필요 없으리라. 인간은 정확한 물체 재인을 위해 색지각을 진화시켰다. 나무위에서 사는 영장류는 후각보다는 시각이 중요했고, 특히 저 멀리 있어 냄새는 잘 안나지만 눈으로는 볼 수 있는 과일을 잘 지각할수 있어야 했다. 과일은 보통 뚜렷한 색을 가지고 있어 색을 지각하는 능력은 과일을 배경에서 구별하는데 도움이 되고, 게슈탈트 원리인 similiarity가 작용하면 같은 색의 물체를 쉽게 과일로 분류할수 있어 생존에 유리하다. 이러한 선택압은 인간이 7가지의 색을 볼 수 있도록 진화시켰다. 

 

색상환. 모든 색은 저 원 어딘가에 위치한다. 중심을 기준으로 반대편에 위치한 색을 보색이라 한다.

색은 명도(brightness)와 채도(saturation)로 분류할 수 있다. 명도는 색의 밝기를 나타낸다. 명도가 높으면 색이 밝아져 흰색에 가까워진다. 반면에 명도가 낮으면 색이 어두워져 검은색에 가까워진다. 명도가 색의 밝기를 나타낸다면 채도는 색의 진함을 나타낸다. 같은 빨강이라도 얼굴에 핀 홍조와 앵두의 빨강은 진함이 다르다. 채도가 높은 색은 색이 진한 반면 채도가 낮으면 색이 옅어 희미하다. 채도가 극도로 높은 색을 우리는 원색이라 부른다. 

 

보통 자연에서 볼 수 있는 색은 원색이 아니라 혼합된 색이다. 한 물체의 색은 그 물체가 반사하는 빛의 파장에 의해 결정된다. 엽록체가 하나의 예다. 엽록체는 광합성을 일으키는 세포소기관으로 나뭇잎에 많이 분포한다. 그런데 엽록체는 빨간빛을 주로 흡수한다. 즉 나뭇잎의 초록색을 만드는 분자들 대다수는 빨간빛을 흡수하고 초록빛을 반사한다. 나뭇잎에 쬐어진 빛 중에서 빨간빛은 잎에 흡수되고 초록빛만 반사되어 우리 눈에 보이기 때문에 우리는 나뭇잎이 초록색이라고 본다. 나무 잘 자라라고 초록색 빛을 쬐어준다면 그만한 멍청한 짓도 없을 것이다. 다른 물체들도 어떤 빛은 반사하고 어떤 빛은 흡수하는데, 가시광선 내의 파장에 대한 반사율을 조사해서 그래프로 그리면 이 물체가 어느색일지 알 수 있다. 이렇게 그린 그래프를 reflectance curve라 한다.

 

reflectance curve. 보면 물은 빛을 푸른색 영역에서 약하게 반사한다. 물이 가까이서 보면 투명하고 멀리서 보면 푸른 이유다.

어떤 물체는 색이 없다. 왜냐하면 아무 빛도 반사하지 않기 때문이다. 위 그래프에서 물을 보라. 물은 푸른 영역에서 약하게 반사할 뿐 대부분의 파장에서 빛을 반사하지 않는다. 물과 비슷한 액체들은 빛을 반사하지 않고 그대로 통과시켜 버린다. 이를 심리학에서는 selective transmisson이라 한다. 한편 simultaneous color contrast는 주변의 물체 배치에 따라 물체의 색이 달라지는 현상이다. 같은 회색 판도 감싸고 있는 사각형의 색을 바꾸면 색이 바뀐다. 보통 명도가 낮은 사각형 안에 두면 회색 판이 어두워지고, 명도가 높은 사각형 안에 두면 반대가 일어난다. simultaneous contrast는 색지각에서도 일어나며, 원인도 마찬가지로 대뇌의 해석이다.

 

색을 담당하는 뇌부위는 하나만 있지 않다. 가장 기본적인 색지각은 V2에서 담당하지만 V2만으로는 색을 지각할 수 없다. V1,V4도 색지각에 관여하며 밑에서 서술할 3원색과 보색은 망막의 추상체와 신경절세포, LGN이 개입한다. 이처럼 색지각에 참여하는 다양한 뉴런들은 모두 다른 위치에 있지만 공통적으로 모양과 방향을 처리하는 parvo 채널에 속해있다. 

 

3원색^[각주:1]​

실제 가시광선은 연속된 파장이지만 사람들은 각각의 색을 특정 색깔의 조합으로 여긴다. 인간의 색지각의 근원이 되는 3개의 색을 3원색(trichromatic theory, three primary color)이라 부른다. 3원색은 빨강, 초록, 파랑인데, 19세기에 실행된 오래된 실험에 따르면 사람들은 3원색을 조정하여 모든 색을 만들수 있었으며, 단색광에서 나온 색과 3원색을 섞어 만든 색을 구별하지 못했다. 이 실험에서 특이한 점은 어떤 사람은 2개의 색으로만 모든 색을 만들었으며 이들이 재현한 색은 실제 색과 다른 경우가 있었다는 점이다. 이들은 나중에 3원색 중 하나를 지각하지 못한다는 것이 밝혀졌고 색맹(color blind, color blindness) 또는 색각 결함(color deficiency)^[각주:2]으로 불리게 된다. 색맹은 색지각의 이상으로 인해 3원색 중 하나 이상을 보지 못하는 질병이며, 주로 남성에게 많다.

 

3원색은 시각과정 중에서 색의 지각을 담당하는 추상체에 의해 생긴다. 추상체는 모양이 서로 다른 3개의 종류가 있는데 각각 적,녹,청색 대의 스펙트럼을 잘 흡수한다. 인간의 색지각은 기본적으로 세가지 추상체가 각기 입력받은 정보를 토대로 색을 합성하여 만들어진다. 과학자들은 서로 다른 파장의 빛들을 적절히 섞어 특정 파장의 빛과 비슷하게 만든 metamer와 실제 그 파장을 가진 단색광을 인간에게 실험했는데, 인간은 단색광과 metamer를 구분하지 못했다. 이는 단색광이든 metamer든 추상체에서 같은 신호를 출력하기 때문이다. 

 

인간이 지각하는 색은 3원색의 조합으로 모두 표현할 수 있다.^[각주:3] 예를 들어 빨강과 초록을 섞으면 노랑을 만들수 있다. 빛의 3원색을 다 합치면 하얀색이 되는데, 인간이 보는 빛의 파장 대역이 넓어질수록 반사되는 빛이 많아져 더 밝게 보인다. 그래서 3원색을 다 섞으면 빛이 하얗게 보인다.

 

한편 빛의 3원색이 있듯이 물체의 색의 근원이 되는 색의 3원색도 존재한다. 위에서도 말했지만 물체의 색은 반사된 빛이기 때문에, 색의 3원색은 빛의 3원색이 2개씩 섞인 색이다. 만약 어떤 물체가 빛의 3원색에 대응되어 빨간 빛만 흡수한다면 초록과 파랑만 반사될 것이다. 이런 원리로 물체에 흡수된 적,녹,청은 각각 남색(cyan,시안), 자홍(magenta, 마젠타), 노랑을 남긴다. 이 세가지 색의 3원색은 서로 조합하여 빛의 3원색을 만들수 있으며 반대로 빛의 3원색을 조합해도 색의 3원색을 만들 수 있다. 다른 색을 섞으면, 섞인 색이 반사하는 파장 대역이 증가하기 때문에 색이 어두워진다. 그래서 색은 빛과 달리 많이 섞을수록 검은색을 띈다.

 

그렇다면 왜 인간은 색을 3가지로 지각할까? 3원색은 인간이 자연에 부여한 질서이며, 칸트가 말한 선험적 틀이자, 쉽게 말하면 그냥 착각이다. 색맹은 세상을 2가지 색으로 본다. 또한 다른 동물들도 3가지 이하나 이상의 색을 본다. 그렇다면 왜 인간은 2가지나 4가지가 아닌 3가지 색을 보게 되었을까? 명확한 사실은 1가지 색으로는 색을 제대로 볼 수 없다는 사실이다. 같은 양의 빛을 쬐면 하나의 수용기로도 여러 색을 구분할 수 있겠지만 빛의 양이 다 같은 건 아니다. 빛의 양이 다르면 색지각을 왜곡할 수 있다.

 

예를 들면 노란빛(550nm)과 주황빛(590nm)은 각자 에너지량이 다르기 때문에 수용기를 각기 다른 강도로 자극한다. 그래서 둘다 같은 양의 빛(광자 100개로 하자)을 수용기에 쬐이면 노란빛은 100개, 주황빛은 50개의 수용기만 활성화 시킨다. 둘의 빛의 양이 같다면 수용기의 활성화를 통해 색을 구별하는 게 충분히 가능하다. 하지만 주황빛의 양이 다르면 어떨까? 만약 주황빛이 노란빛보다 더 많아서 광자 200개를 수용기로 보낸다면 활성화되는 수용기도 더 많아져 2배인 100개가 될 것이다. 색을 지각하는 수용기가 하나밖에 없다면 좀 더 밝은 주황빛을 노란빛과 구별할 수 없다. 그래서 추상체는 최소 2개 이상이 필요하다. 같은 파장이 빛에 각기 다르게 반응하는 수용기가 있다면, 서로가 입력받은 정보를 조율해서 밝기에 의한 착각을 수정할 수 있기 때문이다.

 

그렇다면 왜 추상체는 2가지가 아닌 3가지일까? 물론 추상체가 2개뿐인 색맹도 나름대로 색을 잘 본다. 하지만 색맹보다는 일반인이 색을 더 잘 구별한다. 더 많은 종류의 추상체가 더 정확하게 색을 볼 수 있게 해주기 때문이다. 영장류는 냄새가 희미하고 시각이 중요한 환경에서 진화해왔다. 그래서 추상체가 3개인 유전자는 2개인 유전자보다 생존에 더 유리했고 더 잘 살아남을 수 있었다. 하지만 너무 많은 추상체는 복잡한 정보처리와 그에 상응하는 에너지 소모가 필요하다. 결국 호모 사피엔스는 너무 큰 에너지 소모와 더 좋은 색지각을 적절히 조율해 3원색을 선택했다.

 

보색에 관한 이론

opponent-process 이론은 19세기 초 독일의 정신물리학자 헤링(Hering)이 제안한 이론으로, 이 이론은 인간이 어떤 색을 서로 반대된다고 지각한다고 한다. 헤링은 초록-빨강이나 파랑-노랑, 하양-검정같은 경우 인간이 각 색에 반대로 반응한다고 하였다. 즉 어떤 뉴런은 초록을 보면 활성화되는 반면 빨강을 보면 크게 억제된다는게 헤링의 주장이었다. 이 이론은 필연적으로 보색을 예견하는데, 보색은 서로 대비되는 색을 말한다. 이 이론에서는 서로 보색 관계인 색이 사실은 빛과 어둠처럼 서로 반대되는 반응을 유발하는 색이라고 설명한다. 밝음과 어두움이 하나의 기준에서 양극단인 것처럼 다른 색도 하나의 기준에서 양극단이라는 것이다. 헤링은 이러한 보색처리가 망막에서 일어날 것이라고 주장했다.

 

이 이론은 당시에도 알고 있던 행동적 증거들을 잘 설명했다. 우리가 보는 잔상(afterimage)은 우리가 실제로 본 것과 모양은 같지만 색은 아닌 경우가 많다. 우리가 밝은 윤곽을 계속 보다가 하얀 면을 쳐다보면 잔상에는 마치 색이 '반대로' 된 것처럼 윤곽이 어둡게 보인다. opponent process 이론은 이처럼 잔상에서 보이는 색이 실제로 우리가 원래 본 색의 반대색이며, 한쪽 색을 계속 보느라 피로해진 뉴런의 활동이 저하되면서 자연히 물체를 반대극단인 반대쪽 색으로 지각하게 되는게 잔상에서 보이는 색의 반전이라고 설명한다. 또한 색맹은 보통 하나의 색이 아니라 두가지 색을 구별하지 못한다. 예를 들어 어떤 색맹은 초록과 빨강을, 다른 색맹은 파랑과 노랑을 구별하지 못한다. opponent process 이론에 따르면 초록과 빨강은 하나의 뉴런에서 담당하며, 활동이 크게 나타나면 초록, 크게 억제되면 빨강인 식으로 지각한다. 그래서 그 뉴런이 망가지면 뉴런이 담당하는 두 색 모두 지각이 불가능해진다. 색이 밝기처럼 서로 반대되는 양극단이라면 아마 색지각에서도 simultaneous contrast가 일어날 것이다. 실제로 학자들은 하양과 검정뿐만 아니라 서로 보색인 색에서도 simultaneous contrast가 나타남을 발견하였다.

 

현대의 생리학자들은 이 이론이 맞는지 검증하였다. 연구자들은 이를 검증하기 위해 하나의 뉴런에 전극을 연결하고 활동을 관찰하였다. 그 결과 이론대로 서로 보색인 색은 하나의 뉴런을 크게 억제하거나 활성화시켰다. 한 예로 어느 뉴런은 쬐이는 빛의 파장이 파랑에 가까울수록 활동이 늘어났지만, 노랑에 가까울수록 활동이 줄어들어 기저선 밑으로까지 떨어졌다. 연구자들은 보색처리가 망막과 LGN에서 일어난다는 사실을 밝혀냈다.

 

opponent process 이론과 3원색 이론은 얼핏 대립되는 것 같다. 한쪽은 색이 각기 다른 추상체에서 받은 정보라고 한다. 다른 쪽에선 색이 뉴런에서 받은 입력의 활성화 정도라고 한다. 그렇다면 빨강과 초록은 서로 다른 추상체에서 입력되는 서로 다른 색일까, 아니면 하나의 뉴런의 활동의 높고 낮음의 결과일까? 둘 다 어느정도 맞다. 현대에 정립된 색상표는 3원색과 보색을 모두 반영한다. 생리적으로 보면 분명 추상체에는 적색과 녹색이 서로 다른 색으로 입력된다.(3원색 이론) 하지만 입력된 색이 추상체에서 신경절세포로 내려보내지고 LGN을 거치면서 빨강색 정보와 초록색 정보가 서로 대립되는 색인 것처럼 정보가 처리된다.(opponent process theory) 실제로 뉴런이 아래와 같이 연결되면 3가지 추상체로 보색을 만들어낼 수 있다. 이 만들어진 보색은 후두엽에서 더 심도깊게 처리된다. 우리가 보는 색은 추상체에선 3원색, LGN에선 보색, 대뇌에선 색상표로 나타나는 듯 하다. 

색 관련 뉴런의 구조. 밑의 막대는 한 기준에서의 양극단을 보여준다. 위처럼 신경회로를 조작하여 3가지 추상체로 보색 효과를 만들수 있다.

색채 항등성(color constancy)

색채 항등성(색채 항상성, 색채 불변성)은 물체가 반사하는 빛의 실제 파장이 바뀌어도 인간이 물체의 색을 같은 것으로 인지하는 현상으로, 색채에서 일어나는 지각 항등성이다. 우리는 보통 물체가 고정된 색을 가지고 있고, 이 색이 변하지 않는다고 느끼지만 실제로 물체가 반사하는 빛의 파장은 계속 변한다. 태양빛은 맑음과 흐림에 따라 계속 변하고 저녁이 되면 특정 파장만 조사된다. 게다가 밤이 되거나 건물 안에 들어가서 보게 되는 인공광들은 모두 저마다 다른 파장의 빛을 조사한다. 이를 고려하면 우리는 구름 한점 움직일때마다 물체의 색이 변하는 모습을 봐야 하지만, 노을이 져서 세상이 빨갛게 되어도 우리가 느끼는 물체의 색은 변하지 않는다. 이러한 일종의 착시는 오랫동안 지각심리학자의 관심 대상이었다.

 

학자들은 주로 색순응(chromatic adaptation)으로 색채 항등성을 설명한다. 색순응은 하나의 색을 오래 보면 해당 색을 지각하는 수용기가 피로해져 해당 색을 덜 지각하게 되는 현상이다. 빨간색과 파란색 셀로판으로 만든 3D 안경을 쓴 사람은 처음에는 세상을 빨강과 파랑이 섞인 이상한 색으로 물든 것으로 보지만, 시간이 지나면 평상시와 큰 차이를 느끼지 못한다. 이런 현상을 색순응이라 말하는데, 물체를 비추는 광원이 바뀌어 물체의 색이 바뀌어도 색순응이 일어나면 사람이 변화를 일으킨 광원의 빛 파장에 적응하기 때문에, 마찬가지로 물체에 일어난 색 변화도 작게 인식하게 된다. 만약 당신이 노란 옷을 입은 용의자를 취조실에서 심문하고 있다고 하자. 갑자기 부하가 들어와 꺼져가는 전구를 빨간색으로 바꾸면 용의자의 색도 빨간색에 가깝게 바뀔 것이다. 하지만 색순응이 일어나면서 당신의 눈은 빨강에 순응할 것이고, 용의자의 색 변화(빨강)에도 둔감해져 곧 전구를 갈아끼우기 전의 용의자와 색깔이 다르지 않다고 여길 것이다.

 

이 주장은 관찰자와 물체가 같은 광원 아래 있을 때에만 색채 항등성이 나타날 것이라고 예견한다. 실제로 학자들은 색채 항등성이 우리와, 우리가 보는 물체가 같은 빛에 노출될때만 나타난다는 것을 발견했다. 우치카와(uchikawa)와 동료들은 연구에서 피험자들에게 색종이를 보여줬는데 기저선(baseline) 조건에선 같은 형광등 아래에서 종이를 보여줬다. 그리고 다음에는 피험자에게 종이를 보여줄때 종이만 빨간 빛으로 비추거나, 빨간 형광등 아래서 종이를 보게 했다. 실험 결과 피험자들은 종이만 빨간 빛으로 비춰진 경우에는 종이의 색이 달라졌다고 보고했으나, 피험자와 종이 모두 빨간 형광등 아래에 있는 경우에는 색이 아주 약간만 달라졌다고 보고했다. 그러나 색순응 외에도 주변 맥락이나(simultaneous contrast에서 이런 일이 나타난다) 물체의 색에 대한 기억도 색채 항등성에 기여한다. 색채 항등성에 대한 연구는 아직 진행중이다.

 

색채 항등성만큼 특이한 현상이 밝기 항등성(lightness constancy)이다. 밝기 항등성은 물체의 명도가 유지되는 지각 항등성의 일종으로, 하양과 검정에 대한 색채 항등성이라 할 수 도 있겠다. 밝기 항등성을 연구하는 학자들은 인간이 하양과 검정을 절대적인 빛의 세기가 아니라 상대적인 세기로 판단한다는 것을 발견했다. 즉 어두운 골방에 놓인 체스판의 하얀 칸은 밝은 거실에 있는 체스판의 검은 칸보다 어둡지만, 바로 옆의 검은 칸과 비교하면 더 밝기 때문에 절대적인 빛의 세기와 관계없이 하양으로 인식된다는 것이다. 이 현상을 학자들은 ratio principle이라고 부른다.

밝기 항등성에 의한 대표적인 착시. 잘 알려졌듯이 A와 B는 같은 색이다. 하지만 A는 주변의 하얀 칸에 비해 어둡고, B는 주변의 검은 칸에 비해 밝다. 이러한 상대적인 빛의 차이는 우리가 A를 더 어둡게, B를 더 밝게 느끼도록 만든다.

ratio principle은 밝기 항등성을 잘 설명하지만 조건이 있다. ratio principle이 성립하기 위해선 두 물체가 실제로 같은 정도의 밝기를 가져야 한다. 형광등 아래에 있든 태양 아래에 있든 물체들이 모두 같은 양(even)의 빛을 받아야 한다. 하지만 현실은 어떤 물체는 다른 물체의 그림자에 가려지거나, 볕이 잘 안드는 구석에 숨어있다. 이런 경우에는 밝기 항등성이 깨지는가? 대신 인간의 뇌는 시야를 나누고 그 안에서 ratio principle을 적용한다. 뇌가 시야를 나누는 기준은 2가지인데, reflectance edge는 물체의 색에 따라 경계를 나누고, illumination edge는 물체의 밝기에 따라, 즉 그림자가 졌는지의 여부에 따라 경계를 나눈다. 이중 illumination edge가 다른 양의 빛 아래서 밝기 지각에 중요한 역할을 한다.

 

그림자를 지각하는 일은 물체의 원래 밝기와 색(이라고 사람이 느끼는 것)을 알게 해주어 물체 재인을 쉽게 하고, illumination edge를 긋는데 도움이 되기 때문에 매우 중요하다. 그렇다면 인간은 어떻게 그림자를 지각하는가? 어느 상황이나 그렇지만 상황적 단서가 그림자 지각에 영향을 준다. 나무 뒤에 나무 모양의 음영이 있으면 이거는 백퍼 그림자다. 상황적 단서는 인간이 그림자의 윤곽인 penumbra를 지각하는데도 도움을 준다. penumbra는 그림자로 인해 생기는 음영의 테두리로, 이 테두리 안의 물체는 무엇이든 밖의 것보다 어둡게 보인다. 인간은 게슈탈트 중 함축성의 원리에 의해 물체를 최대한 단순하게 지각하기 때문에, 갑자기 생겨난 이 검은 무리를 갑자기 나타난 유령이라기보다는 좀 더 자연스러운 해석, 즉 다른 물체에 의해 생겨난 그림자라고 인식하게 된다. 특히 방향(orientation)과 물체의 지각적 구성(perceptual organization)에 대한 지식이 있다면 음영을 더욱 더 그림자라고 해석한다. 이렇게 뇌는 함축성의 원리와 상황적 단서를 통해 penumbra 안의 음영을 그림자로 해석하게 되고, 해석을 정보처리에 반영하여 밝기 항등성이 유지되게끔 한다.

 

penumbra를 지각하면 그림자 지각이 수월해지지만, 상황적 단서도 그림자 지각에 큰 영향을 끼친다. 위에서도 얘기했지만 빛의 방향에 대한 정보는 앞에 보이는 음영이 실제로 빛깔이 어두워서 그런지, 아니면 그림자가 져서 그런지 판단하는데 큰 영향을 끼친다. 실제로 한쪽 면이 빛을 받는 삼각기둥을 제시했을때, 일부분만 보여주면 어두운 부분이 그림자가 져서 그런지 아닌지 잘 구분하지 못하지만 전체를 다 보여주면(빛의 방향을 알게 하면) 쉽게 구분한다. 한편 함축성의 원리 외에도 자극이 다른 게슈탈트 원리를 통해 묶이는 경우(grouping)도 밝기 지각에 영향을 준다. 밑의 그림에는 4가지 원이 그려져 있는데 얼핏 보면 안개낀 하늘의 4개의 달처럼 보인다. 하지만 3개를 가리고 다시 보면 그냥 안개낀 하늘에 검은색 반점(혹은 흰색 반점)을 배경으로 합성한 듯이 보인다. 원이 하나만 있으면 배경(상황적 단서)에 비추어 볼때 빛깔만 약간 합성한 부분으로 보는게 단순하지만, 원이 4개나 있으면 원이 서로에게 상황적 단서로 작용하여 서로를 원으로 보게 하기 때문이다.

안개낀 밤하늘에 뜬 4개의 달. 하지만 3개를 가리고 보면 그냥 사진에 장난친 걸로밖에 안보인다. 달이 4개씩 떠있어야 사람들이 '아, 옆에도 비슷한 달이 많으니까 이 원도 달이겠구나'하고 봐준다.

 

2.깊이 지각(depth perception)^[각주:4]

인간의 시각이 놀라운 점은 한쪽 눈으로도 거리를 가늠할수 있다는 점이다. 당연해 보이겠지만 자세히 생각해보면 말이 안된다. 멀리 있건 가까이 있건 빛은 망막에 동시에 들어와 같은 표면에 떨어지기 때문이다. 이 비슷한 두 빛이 원래 날아온 거리를 가늠하려면 복잡한 장치가 필요하고 우리는 실제로 머리에 그런 장치를 달고 있다. 학자들은 그 장치를 연구하여 인간이 깊이와 거리를 가늠하는 방법은 물론 크기를 가늠하는 방법(size perception)까지 포함하는 입체시(stereopsis)를 연구하고 있다.

 

입체시는 2차원적으로 수집한 이미지 정보로 입체를 구현하는 능력인데, 학자들은 입체경이나 3D 영화를 이용하여 인간의 입체시를 연구한다. 어떤 학자들은 random-dot stereogram을 이용하여 입체시를 연구하는데, random-dot stereogram은 그냥 보면 2개의 QR코드처럼 보이지만 양 눈으로 따로 보면 하나의 입체적인 물체가 나타나는 그림이다. 양 눈으로 각각의 이미지를 따로 보면 보이는 입체적인 도형은 원래의 이미지에도 존재하지만 연구자가 무작위하게 주위에 점을 찍어놔 은폐된다.

 

거리를 가늠하는 한가지 방법은 자율적인 안구운동을 이용하는 것이다. 보통 멀리있거나 너무 가까이 있는 물체는 앞만 보면 잘 안보인다. 그래서 인체는 망막에 상이 제대로 맺히도록 안구를 움직인다. 이러한 정보들로 물체의 거리를 가늠할 수 있다. 예를 들어 물체가 너무 가까우면 물체를 잘 보기 위해 두 눈을 가까이 모아야 한다. 또한 물체의 거리에 따라 수정체를 잘 조절해야 망막에 제대로 상이 맺힌다. 이렇게 상을 제대로 맺기 위한 무의식적인 안구운동은 그 자체로 거리에 대한 정보가 된다.

 

안구운동보다 많이 쓰이는 정보는 단안 깊이 단서(monocular depth cue)이다. 거리 지각에 가장 많이 쓰이는 단서는 양안 단서지만, 양안 단서가 제 기능을 발휘하지 못하는 경우에는 한 눈으로 거리를 가늠하는 단안 단서가 중요하게 쓰인다. pictorial cue는 거리와 깊이를 가늠하게 해주는 시각적 단서들로, 양안 단서를 쓸수 없는 회화나 사진 판독에서 사용된다. 단안 단서는 다음과 같은 것들이 있다. 

 

• 중첩(occlusion,interposition): 한 물체가 다른 물체를 가린다면 가려진 물체가 더 뒤에 있다.
• 상대적 높이relative height, 상에서 상대적 높이): 물체가 시야에서 높이 위치할수록 더 멀리 있다.
• relative size: 물체가 더 크면 더 가까이 있다. 이는 우리가 물체의 원래 크기를 이미 알고 있을때 작동한다.
• 선형 조망(perspective convergence,linear perspective): 서로 평행인 선은 저 멀리에서 서로 만난다. 이를 회화에서는 소실점이라 한다.
• familiar size: 원래 크기를 알고 있는 물체로 거리를 가늠할 수 있다. 코끼리가 매우 작아보인다면 누구나 코끼리가 멀리 있다고 알 수 있다.
• atmospheric perspective: 멀리 있는 물체는 약간 흐릿하고 푸른 빛을 띤다. 왜냐하면 멀리 있을수록 중간에 빛을 흡수하는 공기중 먼지가 많기 때문이다.(역시 공기중 먼지는 빨간빛을 잘 흡수하기 때문에 빛이 푸른빛을 띤다.)
• 결 기울기(texture gradient): 거리가 가까워질수록 잘 보이지 않던 세세한 모양들이 서로 멀어진다. 야구공 위의 실밥은 눈을 가까이 가져다 델 수록 틈이 벌어져 보인다.
• shadows: 그림자는 물체가 어디있는지에 대해 직접적인 정보를 준다.

단안 단서는 이외에도 신체의 움직임을 통해 거리를 가늠하기도 한다. 움직임을 이용한 단안 단서는 다음과 같다.

 

• motion parallax: 내가 움직일 때 가까운 물체는 크게 움직이지만 먼 물체는 작게 움직인다.
• delation and accretion(occlusion in motion): 내가 움직일때 가려지는 물체가 있다면, 그 물체는 가리는 물체보다 멀리 있다.

단안 단서도 거리를 가늠하는데 중요하지만 인간은 주로 양안 단서(binocular disparity, 양안 부등)를 활용하여 거리를 가늠한다. 양안 단서는 두 눈의 차이를 이용하는 방법인데, 두 눈은 위치가 달라 같은 물체를 보아도 이미지가 약간 다르다. 이 차이로 인해 생긴 두 눈의 이미지 차이는 대뇌에서 통합되는데, 대뇌에서 이 차이를 이용해 거리를 지각한다. 이미지 간의 차이는 정확히 말하면 두 눈이 보는 물체가 특정한 위치에 있을때 명확해 지는데, 이 위치의 기준이 되는 선을 horopter라 한다.

horopter. horopter에 위치하는 물체는 정확히 두 안구의 같은 위치에 떨어진다. 이론상 horopter는 원이 되어야 하지만 모종의 이유로 실제 horopter는 타원이다.

horopter는 시야에 그은 가상의 선으로, 여기에 위치한 물체는 각 안구의 같은 위치의 망막에 비춰진다. 예를 들어 한 물체가 horopter 위에 있는데 초점 기준으로 왼눈 망막의 좌측 1도에 위치한다면, 오른눈에서는 역시 초점 기준으로 좌측 1도에 위치한다. 즉 horopter 위에 있는 물체가 비춰지는 위치는 양 안구가 같다. 그래서 horopter 위에 위치한 물체는 보통 두 눈에서 보는 시각 차이가 없지만, 모든 물체가 horopter 위에 있진 않다. 양안 단서가 이용하는 것은 바로 물체의 위치와 horopter 간의 차이로, 물체의 위치가 horopter와 어긋난 정도를 통해 물체의 위치를 지각한다. 예를 들어 어떤 물체가 horopter 앞에 있다면, 왼눈 망막에 비친 물체는 horopter에 있을 경우에 비해 더 오른쪽에 있을 것이다. 이 더 오른쪽에 있는 각도(angle of disparity)를 통해 사람은 물체가 어느정도 앞이나 뒤에 있는지 가늠할 수 있다.

 

horopter는 우리가 인간의 양안 단서는 이해하게 해주지만, 양안 단서가 왜 가능한지는 얘기해주지 않는다. horopter에 대한 물체의 상대적 거리가 깊이 지각을 유발한다고 하자. 그런데 우리 눈은 어떻게 horopter를 구성할까? 애초에 서로 다른 눈에서 들어온 정보가, 분명히 다른 모습임에도 불구하고, 왜 하나의 물체인 것으로 지각될까? 이 문제를 correspondence problem이라 하는데, 아직까지 correspondence problem을 설명하는 이론은 없다. 어떤 학자들은 두 개의 눈에서 본 물체의 독특한 특성이 두 이미지의 물체를 하나로 인식하게 만든다고 주장한다.(feature-based) 그러나 다른 학자들은 그들의 가설이 random dot stereogram에는 맞지 않다고 비판한다. 지금까지도 컴퓨터과학자를 포함한 많은 학자들이 이 문제를 풀기 위해 고심하고 있다.

 

인간이 거리를 가늠하는 방법을 이해하는 것은 인간이 크기를 가늠하는 법을 이해하는데도 중요하다. 왜냐하면 거리에 대한 지각과 크기에 대한 지각이 서로 연관되어 있기 때문이다. 어떤 물체가 작게 보인다면, 이것이 거리가 멀어서 그런 것인지 실제로 물체가 작아서 그런지 분간할 필요가 있다. 이를 분간하려면 거리만큼이나 크기에 대한 지각도 중요하다. holway와 boring은 실험에서 피험자에게 시각도(visual angle), 즉 망막에서 차지하는 크기가 같은 원 여러개를 보여줬는데, 이 원들의 위치는 제각각이었다. 실험에서 원을 자유롭게 관찰한 집단은 원의 크기를 잘 유추했지만, 구멍을 통해 보느라 단안 단서와 같은 깊이 지각 단서를 보지 못한 집단은 크기를 잘 유추하지 못했다. 이는 크기 지각에서도 거리 지각이 중요함을 보여준다.

 

크기 항등성(size constancy)은 우리가 실제로 보는 크기가 달라도 같은 크기를 지각하는 일을 말한다. 우리가 휴대폰으로 보는 셀카 속 친구는 실제 친구에 비해 매우 작지만 우리는 그것을 잘 느끼지 못한다. 이것은 친구의 크기가 항등성을 갖기 때문이다. 크기 항등성에는 2가지 요소가 영향을 주는데 이를 수식으로 표현하면 다음과 같다.

 

S=kRD

S=지각된 크기

R=망막상 크기

D=대상과 관찰자의 거리

 

이 식이 의미하는 바는 실제로 지각된 크기와 거리 지각이 서로 영향을 준다는 것이다. 만약 우리가 멀리서 여기로 걸어오는 친구를 보았다고 하자. 친구가 사실은 190이 넘는 거인이라도 멀리 있는 친구의 망막상 크기는 매우 작다.(실제 이미지가 작기 때문) 그러나 망막상 크기가 지각된 크기를 결정하기 전에 거리 지각이 개입한다. 거리에 대한 정보는 망막상 크기의 영향력을 상쇄하여 떨어진 거리만큼 친구의 크기를 키운다. 결국 거리 지각이 망막상 크기가 주는 왜곡을 상쇄하기 때문에 우리는 친구의 크기를 제대로 지각하고 항등성을 유지할 수 있다. 에머트의 법칙(emmert's law)은 여기서 파생한 법칙으로, 잔상의 크기는 우리가 지각한 잔상의 위치에 따라 결정된다는 법칙이다. 만약 우리가 무언가를 오래 쳐다보다가 고개를 돌려서 잔상을 경험하게 된다면, 아마 고개를 돌렸을때 나온 배경에 따라 잔상의 크기가 달라질 것이다. 우리가 고개를 돌린 곳이 침대 옆의 벽이라면 잔상은 꽤 작아보일 것이고, 반면 고개를 돌린 곳이 저 푸른 하늘이라면 잔상은 구름만큼 커 보일 것이다. 이는 실험으로 입증되었다. 

 

3.운동 지각(perceiving movement)^[각주:5]​

색이나 물체, 깊이를 지각하는 일도 중요하지만 생존에 필수적이지는 않다. 그래서 많은 동물들은 색지각이나 물체 재인을 하지 못한다. 개구리를 예로 들면 개구리는 세상을 흑백으로 지각한다. 물체 재인도 매우 초보적이고 반사적으로 이뤄진다. 개구리가 보는 세상은 혼탁한 안개속 세상으로, 움직이는 무언가만이 보인다. 즉 개구리는 색은 볼수 없을지 몰라도 무언가의 움직임은 볼 수 있다. 운동을 지각하는 일은 거의 모든 척추동물이 가능한 일이고, 그만큼 생존에 중요하다. 특히 인간의 경우 움직임에 대한 지각은 2차원적 이미지를 3차원적으로 지각하게 만들어 지각을 돕기도 한다. 이를 kinetic depth effect라 하는데, 평면 그림에서 입체감을 그려낸 피카소는 이 효과를 매우 잘 이용한 화가이다.

 

운동을 지각하지 못한다는게 무슨 의미인지는 잘 알수 없다. 색맹은 흑백사진을 보는 것처럼 이해할 수 있지만 운동맹(motion agnosia)이 운동을 어떻게 느끼는지는 아직까지 직감적으로 알 수 없다. 대신 우리는 운동맹을 관찰하여 운동을 지각하지 못하면 무슨 일이 일어나는지 알 수 있다. 운동맹은 주로 기억에 관여하는 MTL이나 medial superior lobe, 또는 두정엽의 손상으로 일어나는데, MTL이나 medial superior lobe처럼 측두엽이 손상되어 일어나는 운동맹은 사물 개개의 움직임을 지각하지 못한다. 운동맹은 정상적인 생활과 때로는 창의적인 혁신이 가능한 색맹과 달리 일상생활에 매우 큰 지장을 겪는다.

 

우리가 지각하는 움직임(movement)은 4종류가 있다. real movement는 실제 움직임이다. 사실 이것을 지각하지 못한다면 운동 지각은 쓸모가 없다. real movement가 실생활에 도움이 된다면 apparent movement는 우리의 문화생활에 도움이 된다. 가현 운동(apparent movement, apparent motion)은 서로 약간씩 다른 이미지가 연속해서 나타날때 보인다. 만화의 원리가 정확히 apparent movement를 일으킨다. apparent movement는 인간 시각의 한계로 인해 일어나며, 대신 인간의 영화, 만화, 영상물, 그리고 매우 빠른 속도로 깜빡이지 않는 형광등을 선사해준다. induced movement는 말 그대로 추론되는 움직임인데, 한 물체의 움직임을 다른 물체의 움직임으로 착각하는 현상이다. 달리는 차 안에서 표지판과 먼 산을 보면 마치 표지판이 빠르게 산을 지나치는 것처럼 보인다. 그러나 사실 움직이는 건 자신이고, 자기 기준에서 보아도 표지판이 산을 지나쳐 가진 않는다. 더 정확한 예시로 구름에 쌓인 밤에 떠있는 달을 보면 마치 달이 구름 사이를 흘러가는 듯이 보인다. 그러나 사실은 구름이 움직이는 것이다. 시인 박목월은 시 <나그네>에서 그런 현상을 다음의 시구로 표현했다.

 

강나루 건너서 

밀밭길을

 

구름에 달 가듯이 

가는 나그네.

 

movement aftereffect는 induced movement의 특수한 경우다. 이 현상은 우리가 움직이는 무언가를 볼때 일어난다. 무언가가 한 방향으로 이동하다가 갑자기 멈추면 우리는 그것이 아주 약간, 잠깐 동안 반대방향으로 이동한 것 같은 착각을 느낀다. 대표적인 movement aftereffect는 폭포 착시(waterfall effect)이다. waterfall effect는 폭포를 바라보다가 갑자기 멈추면 폭포가 아주 잠깐 동안 위로 올라간 듯이 보이는 현상이다. 유투브#에서 이를 확인할 수 있다.

 

운동에 관한 정보는 시각신호의 점진적 이동에 대한 정보를 수집한 망막에서부터 magno 채널을 거쳐 두정엽까지 흘러가지만, 주요 정보처리를 담당하는 곳은 medial temporal cortex(MT, middle temporal visual area)인것 같다.^[각주:6] 실제로 사람들이 폭포 착시를 경험할 때도 이 영역이 활성화된다.^[각주:7] 학자들은 여러 개의 점들 중에 일부 점이 한쪽으로 움직이는 영상을 보여주고 원숭이에게 점이 움직이는 방향을 맞추도록 지시했는데, 흘러가는 점의 양이 많을수록 원숭이 뇌의 medial temporal cortex가 활성화되었다. 또한 정상적인 원숭이는 점의 1-2%만 흘러가도 운동을 지각할 수 있었지만 medial temporal cortex가 손상된 원숭이는 점의 10-20%가 움직일 때까지 운동을 지각하지 못했다.^[각주:8] 

 

신기한 점은 사람의 경우점들이 무작위나 직선으로 움직일 때보다 사람모양으로 움직일때 더 잘 지각된다는 것이다. 학자들이 biological motion이라고 명명한 이 움직임은 마치 생물이 움직이는 것처럼 보이는데 대표적인 예시인 pint-like walker stimulus#는 마치 사람이 걷는 것처럼 보인다. 이런 움직임은 다른 움직임에 비해 훨씬 잘 지각되는데 신경과학에 따르면 biological motion은 superior temporal sulcus 주위 영역에서 처리된다.

 

가짜 움직임 알아내기

물체가 움직이면 망막에 비친 물체의 이미지도 움직이기 때문에 운동은 쉽게 지각될 수 있다. 그러나 이것만으론 부족하다.^[각주:9] 만약 우리가 주위를 살펴보려고 고개를 돌려도 망막에 비친 풍경은 움직인다. 반대로 포식자가 사냥하려는 먹잇감의 움직임을 눈으로 계속 쫓고 있으면 망막 상의 먹잇감은 움직이지 않는다. 이런 지각은 생존에 별로 좋지 못하고 실제로 그렇게 지각하지도 않는다. 학자들은 무엇이 저 둘을 움직임으로 지각하지 않게 하는지 연구하였다.

 

이 현상을 설명하는 이론 중 하나는 깁슨(gibson)이 주장했다. 깁슨은 게슈탈트와 휴리스틱의 존재를 부정했는데, 그는 움직임 지각을 시야의 개념에서 설명했다. 그에 따르면 인간은 항상 여러 표면, 질감, 물체 등으로 구성된 optic array의 형식으로 시각을 경험하는데, 가끔씩 optic array의 일부가 변형되기도 하고 optic array 전체가 변형되기도 한다. 깁슨은 optic array가 일부만 변경되면 사람이 이를 움직임으로 지각하고 optic array 전체가 변경되면 이를 자신의 움직임을 지각한다고 주장한다. 그러나 이 이론은 설득력이 크지 않다.

 

현재 이 현상을 설명하는 가장 좋은 이론은 corollary discharge theory다. 이 이론은 움직임과 관련해서 3가지 신경 신호가 발생한다고 주장하는데, motor signal은 안근육의 강도를 통제할때 보내는 신호로 운동피질에서 망막으로 전해진다. motor signal이 망막에 도달하면 시신경은 받은 정보를 복사하여 다시 신호를 보내는데 이를 Corollary Discharge Signal(CDS)이라 한다. 한편 이와 별도로 망막에서 움직임이 감지되었을때 망막이 뇌에 보내는 신호를 Image Movement Signal(IMS)이라 한다. 이론은 3가지 신경신호 중에서 CDS와 IMS가 뇌로 올라가는데, 올라가는 과정에서 어느 comparator에서 수렴된다고 말한다. 중요한건 이 부분으로, comparator는 CDS와 IMS가 올라오면 이를 다시 뇔 보내지만, CDS와 IMS가 동시에 오면 뇌에 억제신호를 보낸다. 

 

CDS와 IMS가 같이 온 상황은 다음과 같은 상황이다. 사람이 제자리에서 고개를 돌리면 망막 상에서 움직임이 일어난다. 그러면 IMS가 송신되며, 동시에 눈을 움직이면서 새로운 시야에 적응하는 과정에서 안근육이 움직이고 이게 CDS를 송신한다. 즉 사람이 고개만 돌린 상황에서 이 메커니즘은 움직임을 느끼지 않도록 한다. 반면에 특정 물체의 움직임을 눈으로 쫓고 있는 경우, 망막상의 목표는 상대적으로 안움직이기 때문에 IMS는 송신되지 않는다. 반면 눈을 계속 움직이기 때문에 CDS는 지속적으로 송신된다. 따라서 이런 경우엔 물체의 움직임을 지각할 수 있게 된다. corollary discharge theory는 이런 식으로 두 신호간의 조율이 움직임 지각을 결정한다고 한다.

 

학자들은 comparator가 medial superior temporal area일 것이라고 보고 있다. 이 부위는 측두엽에 위치하는데 측두엽에서도 위치 정보를 받아들이는 부위이다. 이 부위가 손상된 환자들은 단순히 고개만 돌릴때도 세상이 움직인다고 보고한다. 비슷하게 원숭이의 medial superior temporal area를 연구한 바에 따르면 이 부위에 IMS만을 받아들이는 real-movement neuron이 존재한다.  

 

겉보기 운동

medial superior temporal area가 가짜 움직임을 잘 잡아내지면 모두를 잡아내지는 못한다. 겉보기 운동(apparent motion)은 실제 움직임은 아니지만 인간이 움직임으로 지각하는 자극들을 말한다. 겉보기 운동은 망막을 속이는 방식을 넘어 인간의 다른 지각 기제를 건드리는데, 겉보기 운동을 유발하는 기제들은 모두 진화적으로 유리했기 때문에 선택된 기제들이다. 겉보기 운동은 occlusion heuristic에 의해 촉발되는 겉보기 운동과 눈의 한계에 의해 촉발되는 겉보기 운동, 그리고 측두엽에서 만들어지는 implied motion이 있다.

 

occlusion heuristic은 작은 물체가 큰 물체를 가릴때 큰 물체가 조각난게 아니라 작은 물체 뒤에서 연결된 것으로 가정하도록 하는 휴리스틱으로, 게슈탈트 원리 중 Good continuation와 유사하다. occlusion heuristic은 운동지각에서도 나타난다. 라마찬드란(ramachandran)과 anstis의 연구에서 연구자들은 피험자에게 아래와 같은 두 두형을 먼저 보여준 후 짧은 시간차를 두고 다음 도형을 보여줬다. 그리고 피험자에게 무엇을 보았는지 얘기하도록 했다. 

 

실험 자극

대부분의 피험자들은 아래쪽 사각형이 위로 이동하여 삼각형으로 가렸다고 보고했다. 단순히 사각형의 위치만 바뀌었을 뿐인데도 피험자들은 사각형이 움직였다고 지각했으며, 이 겉보기 운동은 occlusion heuristic을 따라 일어났다. 다른 실험에서도 겉보기 운동이 occlusion heuristic을 따라 일어났는데, 아래의 2번째 상황에서 피험자들은 아래쪽 점이 사각형 뒤로 숨었다고 보고했다.

실험에서 사용한 그림. b 조건과 달리 c 조건에서는 아래쪽 점의 자리에 사각형이 나타났다. 화살표는 피험자가 보고한 움직임의 방향이다.

겉보기 운동은 인간 시각의 한계에 의해 일어나기도 한다. 이를 잘 보여주는 예가 만화영화이다. 둘리는 겉으로 보면 스스로 움직이는 것 같지만, 사실은 약간의 차이만 있는 수십장의 그림을 순차적으로 넘긴 것에 불과하다. 하지만 사람은 0.2초마다 시각정보를 갱신하기 때문에(식역하지각은 0.2초 이하의 노출에서도 나타난다) 두 그림 사이의 시간차가 0.2초보다 작으면 지각되지 않는다. 둘리를 구성하는 그림들은 0.2초보다 짧은 속도로 지나가기 때문에 우리는 나열되는 수십장의 그림이 아니라 움직이는 그림을 보게 된다.

 

occlusion heuristic이 원인이든 0.2초 이하의 속도가 원인이든 발생한 겉보기 운동은 최단경로 제약(shortest-path constraint) 원리를 따른다. 최단경로 제약 원리는 겉보기 운동이 일어날때 물체가 가장 최단거리로 이동한 것처럼 겉보기 운동이 지각된다는 원리다. 위에 occlusion heuristic을 실험한 라마찬드란의 연구에서 사각형은 곧장 위로 올라간 것으로 지각되었다. 삼각형 주위를 돌아갔을수도 있고 지그재그로 갔을수도 있지만 사람들은 직선으로 이동했다고만 보고했다. 

 

Implied motion

implied motion은 정지된 이미지에서 느껴지는 움직임을 느끼는 것을 말한다. 다음 사진을 보라.

 

보기에도 아찔한 이 사진은 고정된 이미지지만 마치 금방이라도 맹수가 사람을 덮칠 것처럼 느껴진다. 이처럼 고정된 이미지에서 약한 움직임을 느끼는 현상을 implied motion이라고 하며, implied motion은 실제 운동지각에서 영향을 끼친다. reed와 vinson의 연구에서 연구자들은 피험자에게 아래와 같은 4장의 그림을 보여주었다. 먼저 연구자들은 앞의 두장을 보여주고 세번째 그림을 기억하라고 한 뒤, 조금 뜸을 들여 4번째 그림을 보여주었다. 그리고 4번째 그림이 3번째 그림과 차이가 있는지 질문하였다.

 

로켓처럼 보이는 그림

실험 결과, test 그림에서 제시된 로켓이 3번 사진과 같은 위치에 있을때 피험자는 test 그림의 도형이 약간 더 낮다고 보고했다. 즉 실제로는 같은 위치였지만 피험자들은 원래 그림의 도형이 더 위에 있었다고 느꼈다. 이는 피험자들이 연속되는 3장의 그림을 보면서 야기된 implied motion이 반영되어 3번 그림의 도형이 실제보다 약간 더 위로 올라갔다고 느꼈기 때문이다. 한편 같은 연구는 implied motion이 다르게 작동하는 현상도 발견했다. 연구자들은 도형을 철근 이미지로 바꾼 후에 다시 실험했는데 이번에는 그런 효과가 발생하지 않았다. 왜냐하면 철근이 연상하는 무거운 이미지가 위로 올라가는 implied motion을 억제했기 때문이다. 이처럼 표상에 의해 일어나는 implied motion을 representational momentum이라 한다.

 

fMRI 연구에 따르면 implied motion은 뇌의 medial temporal cortex와 medial superior temporal area에서 관장한다. 연구자들은 실험에서 피험자에게 implied motion을 일으키는 호랑이 사진과 아닌 호랑이 사진, 쉬는 호랑이 사진, 그리고 집 사진을 보여줬는데, implied motion을 일으키는 사진을 볼때만 medial temporal cortex와 medial superior temporal area가 활성화되었다. 이 영역이 운동지각을 담당함을 기억하라. 뇌는 implied motion과 진짜 운동을 잘 구분하지 않나 보다.

 

이 분야의 주요 연구자로는 발라야누르 라마찬드란(V. S. Ramachandran)과 J. Anstis가 있다. 라마찬드란은 환상지 연구로 유명한 뇌과학자이다.

 

4.동체시야

지금까지 다룬 시지각은 정지된 상태에서의 시각이었다. 피험자는 가만히 앉아서 눈금자에 초점을 맞추며 실험을 진행했다. 하지만 우리는 잠시도 가만히 있지 않다. 시각은 가만히 있을 때보다 뛰어다니며 사냥감을 활로 조준할때 더 중요했다. 그렇기 때문에 인간은 가만히 있을때 뿐만 아니라 움직이고 있을때도 시각을 사용하도록 진화했다. 움직이고 있을때는 가만히 있을 때보다 시각경험이 다르게 다가오는데, 지각심리학자들은 세상에서 가장 빠르게 움직이는 인간들인 항공기 조종사들을 통해 동체시야를 연구했다.

 

파일럿이 공항에 착륙할때 보는 공항은 정지된 드론이 촬영하는 공항과는 사뭇 다르다. 먼저 파일럿에게 보이는 공항은 움직이고 있다. 그것도 많은 것들이 파일럿을 지나치면서 지각된다.(optic flow) 움직이는 이미지들은 정확히는 파일럿이 움직이면서 생성하는 self-produced information이며, 일정한 규칙을 따라 흐르기 때문에 이를 지각하여 시각자극을 원할하게 처리할 수 있다.(규칙에 따라 변하는 정보를 invariant information이라 한다) 그 규칙중 대표적인 것이 gradient of flow로, 이 규칙에 따라 파일럿이 향하는 곳을 중심으로(이 점을 focus of expansion이라 한다) 가까운 곳은 느리게, 먼 곳은 빠르게 흘러간다. 이것은 마치 깊이지각에서의 motion paralex와 정반대처럼 보이는데, gradient of flow 상황에서 물체는 motion paralex와 달리 멀리 있을수록 빠르게 움직이며, 속도뿐만 아니라 물체의 표면도 멀수록 더 빠르게 변화한다. 

 

texture gradient는 깊이지각 뿐만 아니라 동체시야에서도 유용하게 사용된다. 인간이 움직이는 상태에서의 시야는 상술했듯이 한 방향으로 흐르기 때문에 쉽게 처리하기 힘들다. 하지만 texture gradient는 인간의 운동과 관계없이 멀고 가까운 물체를 구분하게 해주기 때문에 동체시야를 형성하는데 도움을 준다. texture gradient는 대표적인 invariant information이다. 한편 affordance는 동체시야에서 두드러진다. affordance는 어떤 물체나 시각적 대상의 유용성에 대한 인식으로, 물체의 유용성에 대한 평가는 전두엽을 동반하는 고차원적인 사고지만 affordance에 기반한 평가는 매우 직관적이고 빠르게 진행된다. 움직이고 있는 인간은 물체를 판단할때 affordance가 강하게 작용한다. 

 

optic flow는 인간의 움직임으로 인해 나타나지만 동시에 optic flow가 인간의 움직임에도 영향을 준다. 특히 균형감각은 전정기관뿐만 아니라 optic flow에도 영향을 받는다. 인간 아기를 대상으로 한 연구^[각주:10]에서는 아기들을 벽과 천장이 앞뒤로 움직이는 방에 넣었는데, 아기들은 평소와 달리 넘어지거나 앞뒤로 움직여 균형을 잡으려고 했다. 이러한 결과는 성인에서도 재현되었다.

 

5.결합 문제

결합 문제(binding problem)는 지각된 서로 다른 시각 자극들이 왜 하나의 단일한 상으로 구성되는지에 대한 문제이다. 앞서 보았듯이 인간은 물체의 색, 방향, 길이 등의 요소를 서로 떨어진 뉴런을 통해 지각한 후 이를 합친다. 문제는 이러한 정보를 어떻게 합쳐서 우리가 보는 완전한 상이 되는가에 대한 문제이다. 학자들은 착각적 접합을 통해 이를 주로 연구하며, FIT 이론이 결합문제를 잘 설명한다. FIT 이론은 그러한 정보의 결합이 주의를 통해 일어난다고 설명한다.

 

6.변화맹, 주의와 시지각

변화맹(change blindness)은 사람이 시각장면에서의 세부적 변화를 알아차리지 못하는 현상이다.^[각주:11] 이를 보여주는 대표적인 실험^[각주:12]에서 실험자는 대학 캠퍼스에 있는 아무나에게 길을 물었다. 그리고 아무나가 질문에 답하는 동안 문을 든 두명의 인부(로 위장한 실험자)가 사이로 지나갔다. 인부가 지나간 후 피험자는 대답을 마쳤으며, 길을 묻고 대답하는 과정에서 어떤 이상도 느끼지 못했다. 반전은, 길을 묻는 사람이 바뀌었다는 것이다. 인부들이 문을 들고 사이를 지나갈 때, 질문을 던진 실험자는 문과 함께 사라지고 다른 실험자가 대신 거기 서있었다. 이런 뻔뻔한 속임수는 15명 중 8명이 알아차리지 못했다.

 

왜 변화맹이 발생할까? 정답은 거기에 주의기 기울여지지 않았기 때문이다. 즉 변화맹은 주의가 시지각에 매우 중요한 역할을 함을 보여준다.^[각주:13] 실제로 변화맹은 사람이 변화한 대상에 주의를 잘 기울이지 못할 때 주로 나타나며, 주의를 잘 끄는 대상에서는 변화맹이 덜 일어난다.^[각주:14] 이는 무주의맹과도 비슷한데, 무주의맹(inattention blindness)은 주의가 기울여지지 않은 물체를 지각하지 못하는 현상이다.^[각주:15] 이 두 현상 모두 주의가 지각에서 얼마나 중요한지 잘 보여준다.

 

 

방추 얼굴 영역(Fushiform Face Area, FFA)

방추상회는 우측두엽 상부에 위치한 부위로, 얼굴 인지에 관여한다고 알려져 있다. 이에 대한 증거로 원숭이 연구나 인간 연구나 얼굴 자극을 제시하면 모두 방추상회에서 강한 반응을 보인다.^[각주:16] 원숭이의 피질을 대상으로 한 연구를 보면 얼굴 지각을 제시했을 때 방추상회의 97%가 반응했다. ERP를 이용한 인간 연구에서도 자동차 자극과 얼굴 자극을 제시할 때 방추상회에서 나타나는 뇌파가 다름을 확인했다. 다른 연구에서는 얼굴 구분과제와 동시에 젠더 구분과제를 제시했는데, 얼굴 과제와 달리 젠더 과제에서는 방추상회가 활성화되지 않았다. 방추상회가 손상되면 유명인의 얼굴을 구분하지 못하는 경우도 있고, 얼굴과 연관해서 개인사 정보를 떠올릴 때 방추상회가 활성화한다.

 

어떤 실험에서는 피험자에게 유명인의 얼굴과 평범한 얼굴, 그리고 아무 그림을 짧은 시간 보여줬는데 FFA는 얼굴 사진에 반응했고 특히 유명인의 얼굴에 더 반응했다. 이 모든 것은 이미 진화심리학에서 예측했는데, 진화심리학자들은 인간 정신이 여러 특수한 기능을 하는 모듈의 접합이며, 각 모듈은 진화적으로 유리한 특수 기능만 담당한다고 주장한다. 이들 중 일부는 사회적 협업의 이점을 들어 얼굴만 지각하는 본능이 있을 거라고 주장했다. 이 주장은 그럴듯해 보이지만 현재 논쟁이 있다.

 

한편 얼굴 지각에서 특성이 중요한지 전체적인 모습이 중요한지는 꽤 논쟁거리였다. 어떤 학자들은 얼굴의 특징(큰 코, 작은 눈 등)에 기반하여(feature-based) 얼굴이 지각된다고 주장한다. 반면 다른 학자들은 얼굴 부위의 전체적인 모습(configural coding)이 얼굴로 지각된다고 말한다. 물론 둘 다 필요하지만 이들은 어느 쪽이 더 중요한지, 각 요소가 어느 정도로 얼굴 지각에 영향을 주는지 싸운다. 이들은 실험으로 승패를 가리고자 했는데 실험에 사용된 사진은 다음과 같다.^[각주:17]

 

 

해당 사진에서 위쪽 열은 얼굴의 특성을 조작한 경우, 아래 열은 얼굴의 전체적인 조화를 조작한 경우이다. 셜록 홈즈라면 둘 다 무리없이 간파했겠지만 대부분의 피험자들은 아래 열에 비해 위쪽 열의 얼굴을 기준 얼굴과 비교하는 걸 힘들어했다. 이는 얼굴을 지각하는데 있어 각 부분의 미묘한 특징보다는 전체적인 모습이 더 중요함을 보여준다. 사실 우리가 얼굴을 지각할때 세세한 모습이 더 중요했다면, 눈깔괴물을 사람이라고 그려놓거나 이모티콘을 표정으로 알아보기는 힘들었을 것이다. 하지만 연구들은 특성이 덜 중요하지만 그래도 중요하다는 점을 일깨운다. 측두엽의 특정 뉴런의 활동 패턴을 분석하면, 다른 자극에는 반응이 없다고 몸통이나 얼굴, 때로는 몸통과 얼굴이 같이 있을때만 발현하는 뉴런이 존재한다. 사실 특정 속성만을 처리하는 뉴런 집단이 존재하지 않았다면 휴벨과 위젤이 노벨상을 받기는 힘들었다. 결국 우리는 세세한 얼굴의 특징 정보에 기초하여 그들의 전체적인 모습을 관찰한 후, 이 정보를 통해 얼굴을 지각하는 것으로 보인다.

 

FFA의 기능: 대체 얼굴이 무엇인가

보통 FFA는 얼굴 지각기관이라고 여겨진다. 그러나 inversion effect를 고려해보면 그러한 사실에 의문이 제기된다. inversion effect는 얼굴 지각에서만 나타나는 현상인데, 인간은 얼굴을 뒤짚으면 재인하기 힘들어한다. 후술하겠지만 사람은 얼굴의 전체적인 모습을 기초로 얼굴을 지각하기 때문에 전체적인 모습을 뒤짚어 버리면 얼굴 지각도 뒤짚혀 버린다.(이 경우 눈만 원래 방향대로 놓으면 효과가 약화된다) 이 효과는 다른 지각에서는 나타나지 않는데, 신기한 사실은 사람이 무언가에 전문적인 식견(expertise)이 있는 경우 그 무언가를 지각할 때에 효과가 나타난다. 쉽게 말하면, 자동차 딜러는 자동차를 볼때 inversion effect가 일어난다. 개 조련사는 개를 볼 때 inversion effect가 일어난다. inversion effect가 대상의 인종만 바뀌어도 사라진다는 사실을 고려하면 이는 고무적이다.

 

inversion effect는 우뇌가 손상되면 약해지는데 이는 자동차 딜러나 개 조련사도 마찬가지다. 심지어 이들이 자동차나 개를 지각할 때 역시 방추상회가 활성화된다는 증거도 있다. 이런 증거들을 토대로 다른 학자들은 방추상회가 얼굴 지각뿐만 아니라 우리가 변별학습을 한 자극을 지각한다는 within category 이론을 주장한다. 이들은 얼굴 지각도 그 예 중 하나라고 보는데, 이들은 영아의 얼굴 지각에 주목한다. 갓 태어난 아기는 인간은 물론 원숭이의 얼굴도 구분할 수 있다. 그러나 시간이 지나면 음소 지각이 약화되듯이 얼굴 지각도 약화되어 원숭이의 얼굴도 구분하기 힘들어진다. 학자들은 영아가 초기에는 얼굴의 세세한 특성에 기초하여 얼굴을 구분하지만, 이후 지속적으로 사람 얼굴만 보면서 사람 얼굴을 변별학습하게 되고, 이것이 얼굴 지각이 방추상회에서 처리되는 이유라고 주장한다.

 

이들은 기존 연구들이 잘못된 방법을 사용했다고 비판한다. 이들이 지적하는 것은 기존 연구가 사용한 도구들이다. 기존 연구들은 대개 한 번은 얼굴 사진만, 다른 번에는 동물, 차, 비행기, 식물 등 수많은 사진을 제시한다. 물체 사이의 차이는 얼굴 사이의 차이보다 아득히 크기 때문에 FFA에서 얼굴 사진에만 반응하는 결과는 당연하다. 연구자들은 이에 대한 대안으로 물체 사진도 비슷한 사진을 제시할 것을 요구한다. 각각의 새를 구분하도록 하거나 각각의 차를 구분하도록 해야 한다. 만일 FFA가 전문적인 식견을 발휘하는 기관이라면 물체에도 똑같이 반응할 것이다. 아니, 이것도 부족하다. 차 앞면이나 새의 얼굴은 '얼굴'로 지각될 수 있다. 이를 없애기 위해 새의 옆면과 차의 옆면을 보여줘야 한다. 실제 연구결과^[각주:18] 자동차 딜러나 조류 관찰자처럼 차와 새에 전문적 식견을 쌓은 사람들은 전문적으로 아는 물체를 구분할때 FFA가 활성화되었다.(자동차 딜러는 미약하게 활성화됬다) 좀더 엄격히 하기 위해 물체의 옆면을 사용한 연구^[각주:19]에서도 같은 결과가 나타났다.  

 

한편 신경과학자 Gauthier와 동료들은 다른 방법으로 논쟁을 끝내려 하였다. 그들은 이를 위해 아주 이상한 물체를 만들었다. 그리블(greeble)라는 물체는 이렇게 생겼다.

 

그리블

이 무슨 닭대가리처럼 생긴 놈들은 연구자가 얼굴이 아니나 변별학습이 필요한 물체를 제작한 것이다. 그리블은 생긴건 월레스와 그로밋에 나오는 새들처럼 생겼지만 이래봬도 생김새로 알 수 있는 성별(plok, glip)과 종족(samar, osmit, galli, radok, tasio)이 있다. 연구자들은 피험자들이 그리블의 성별과 종족을 알 수 있도록 피험자들을 변별학습시키고 결과를 살펴봤다. 실제로 연구결과 학습한 피험자들은 그리블을 재인할때 FFA가 활성화되었고, inversion effect까지 나타났다. 그러나 다른 연구자들은 그리블이 얼굴로 지각될 수 있으며,(솔직히 닭대가리 맞지않냐) 학습 여부와 관계없이 그리블이 FFA를 활성화시켰다고 주장했다.^[각주:20] 

 

방추상회는 얼굴 특화기관인가, 전문성 특화 기관인가? 아마 prosopagnosia 환자들이 여기 도움을 줄지 모른다. prosopagnosia는 일종의 실인증으로 환자들은 기억에도 이상없고 다른 물체도 구분할 수 있지만 얼굴만 구분하지 못한다. 이들에게 지나가는 사람이나 자신의 여자친구나 모두 같은 사람으로 보이며, 성과 나이로 대략 유추하는 경우만 약간 있다. 이들은 마치 셜록 홈즈처럼 헤어스타일, 옷, 목소리, 걸음걸이로 사람을 구분한다. 이들은 병의 원인에 따라 acquired(두뇌 외상이 원인)한 경우와 congenital(발달상 문제가 원인)한 경우로 나뉜다. 몇몇 prosopagnosia 환자들이 무의식적으로 친밀한 사람과 아닌 사람의 얼굴을 구분한다는 ERP 측정결과가 있지만 이들도 정보저장 구역과 다른 대뇌 부위가 끊어져 의식적으로 지각하기 힘들다. 그래서 얼굴만 인식하지 못하는 이들의 존재는 방추상회가 어떤 기관인지 알아보는데 매우 유용하다.

 

몇몇 prosopagnosia 환자는 within category 이론을 지지하는 것 같다. 어떤 농부는 소를 자기 농장의 소를 구분하지 못한다. 어떤 조류 관찰자는 prosopagnosia가 발병하자 더이상 새를 구분할 수 없었다. 그러나 대다수의 환자들은 그렇지 않았다. 많은 환자들은 자신이 변별학습한 범주내 물체(within-category objects)를 구분할 수 있었다. 다른 농부는 발병 후에도 자기 양을 잘만 구분하고 prosopagnosia를 앓는 어느 자동차 딜러는 병과 관계없이 잘만 일하고 있다. 그리고 위의 <s>못생긴</s>그리블을 prosopagnosia 환자들에게 학습시킨 결과 이들은 그리블을 잘만 학습했고 FFA는 활성화되지 않았다. 아직 FFA가 변별학습과 무슨 관계인지는 확실하지 않다. 다만 prosopagnosia 환자들을 대상으로 한 연구들은 FFA가 얼굴 지각기관임을 지지한다.

 

이 분야의 주요 연구자로는 Gauthier가 있다.

 

필자는 기본적으로 방추상회가 얼굴 지각기관이라고 주장한다. 얼굴 지각은 분명히 생존에 유리한 요소였다. 진화할 이유는 충분하다. 다만 세세한 특징과 전체적인 모습을 통해 대상을 구분하는 능력은 다른 분야에도 적용가능하기 때문에 다른 전문적인 식견에서도 사용된다는게 필자의 생각이다. 여기서 한가지 더하자면, 필자는 방추상회에서 처리되는 정보와 다른 정보가 다른 형태의 표상을 가진다고 추측한다. 최신의 연구는 우리의 표상이 어떤 원형에 기초한다기보다는, 우리가 본 모든 관련자극이라고 본다. 예를 들면 개의 표상은 어떤 추상적인 개가 아니라, 온갖 개를 한데 뭉친 집합이다. 그러나 우리가 지금까지 수만개의 얼굴을 봤을텐데 그 얼굴을 모두 기억하기는 무리다. 그리고 configural한 모습이 여러 개인 상황은 상상하기 힘들다. 얼굴 지각은 여러 모델을 비교한다기 보다는 하나의 기준을 놓고 지각한 자극이 어느 정도로 차이가 나는지 확인하는 걸로 보인다. 이런 경우 원형 이론이 더 맞는 것으로 보인다. 그리고 일반 자극은 소수의 다른 모델과 비교하여 표상하다가, 식견이 쌓여 모델이 너무 많아지면 아예 원형을 만들어서 비교하게 된다는 흐름이 자연스러워 보인다. 그래서 필자는 얼굴을 비롯한 전문적인 식견에 근거한 지각이 어떻게 표상되는지, 그게 다른 자극과 다른 유형의 표상인지 연구해볼 것을 제안한다.

 

 

착시(visual illusion)^[각주:21]​

착시는 시각에서 일어나는 착각으로, 실제 사물의 크기, 형태, 색과 인간이 지각한 것이 다른 경우를 말한다. 착시는 매우 흔하게 일어나는 일로, 우리가 아침에 일어나서 저녁에 잘 때까지 착시는 항상 우리와 함께한다. 원래 인간의 시각은 사물을 정확하게 지각하기보다는 유용한 정보를 뽑아내는게 목적이기 때문에 어떻게 보면 착시는 인간의 본능이다. 실제로 착시는 망막, LGN, 후두엽 등 인간의 시각에 관여하는 중요한 기관에서 의도적으로 생성된다. 이러한 특성 때문에 착시는 인간이 서로 다른 경로에서 입력된 문제를 어떻게 하나로 결합하는지(결합 문제,binding problem)를 연구하는데 중요한 도구가 되었다.^[각주:22] 착시는 일반인도 큰 관심을 가지고 있지만 이 중 3가지 착시가 대표적인 착시로 소개된다. 하나는 뮐러-라이어 착시(Muller-lyer illusion)로 아래의 그림이 뮐러-라이어 착시이다.

 

뮐러-라이어 착시

사람들이 보통 위의 선분을 보면 위쪽 선분이 아래쪽 선분보다 더 길다고 판단한다. 하지만 다수결이 진리가 아니듯, 이 경우에도 다수는 틀렸다. 실제로 자를 대보면 알 수 있겠지만, 두 선분의 길이는 같다. 이처럼 같은 선분임에도 위쪽의 선분이 더 길다고 느끼는 착시를 뮐러-라이어 착시라 한다. 왜 뮐러-라이어 착시가 나타나는지는 의견이 분분한데, 현재 학계의 주류는 뮐러-라이어 선분이 3차원적 특성을 반영한다는 가설이다. 이 가설에서는 사람들이 위쪽 선분은 움푹 파인 구석으로 보는 반면 아래쪽 선분은 튀어나온 모서리로 지각한다고 주장한다. 크기 항등성에 대한 지식을 응용하면, 움푹 파인 구석으로 보이는 위쪽 선분은 더 멀리 있는 것으로 지각될 것이고, 망막상 크기는 아래쪽 선분과 같지만 거리 지각(왜곡된)이 반영되어 위쪽 선분이 더 길 것이라고 지각될 것이다.

 

이 가설은 현재 인지심리학계의 정설이지만, 모서리나 구석을 유추할 수 없는 dumbbell 형태의 뮐러-라이어 착시에도 착시는 나타났고  실제 거리 지각이 작용하는 3차원 환경에서도 뮐러-라이어 착시는 사라지지 않았다. 무엇보다 수렵채집 생활을 영위하는 남아프리카의 부시맨들은 뮐러-라이어 착시를 보이지 않았는데,^[각주:23] 부시맨들 이외에도 학교 교육을 받지 않은 많은 비서구인들이 뮐러-라이어 착시를 보이지 않았다. 문화심리학에 따르면 뮐러-라이어 착시는 서구식 표현의 결과이며, 서구에서 모서리를 사용해서 3차원 공간을 그려내기 때문에 그러한 착시가 나타난다.

 

덤벨 모양의 뮐러-라이어 착시. 모서리로 인식될만한 테두리를 싹 밀었다. 하지만 착시는 변함이 없다.

뮐러-라이어 착시만큼 유명한 착시는 폰조 착시(ponzo illusion)이다. 아래의 기찻길을 보라.

 

폰조 착시

이 그림에서 괴상한 것은 철로 위에 놓인 달뿐만이 아니다. 언뜻 보면 두 달의 크기는 달라 보인다. 철로 위에 놓인 달은 매우 작아 보이지만 철로 위에 뜬 달은 거의 집채만해 보인다. 하지만 두 달의 크기는 사실 같다.(실제 크기로 말할 것 같으면, 애초에 달은 하늘 저 멀리 있어야 한다) 이처럼 평행선 위에 놓인 두 같은 물체중 위쪽에 놓인 것이 더 커보이는 현상을 폰조 착시라 한다. 폰조 착시는 크기 항등성에 의해 생겨난다.

 

뮐러-라이어 착시나 폰조 착시는 그나마 노력해서 보면 착시가 완화된다. 하지만 아래에 소개될 것은 적어도 필자는 아직도 이해가 잘 안간다. 보고도 안믿긴다는 말은 바로 이럴때 하는 말이다. 에임즈 방(ames room)은 아래와 같은 착시이다.

 

에임즈 방

위 사진은 언뜻 보면 오른쪽 아이가 왼쪽의 과학자(아마)보다 더 커보인다. 그러나 사실은 왼쪽의 과학자가 더 크다. 게다가 과학자가 오른쪽으로 자리를 옮기면 과학자의 키도 커져서 천장에 머리를 부딫힌다. 이처럼 이상한 공간 감각을 유발하는 ames room은 사실 애초부터 착시를 일으키기 위해 방이 특수설계되어 있다. 먼저 과학자가 위치한 왼쪽 자리는 실제로는 더 멀리 있다. 그리고 천장은 바닥과 평행하게 보이지만 사실 오른쪽으로 기울어 있다. 바닥의 체크무늬도 사실 정사각형이 아니라 평행사변형이다. 이러한 트릭들은 방이 의도한 각종 단안 단서들로 인해 은폐된다. 창문을 이용한 familiar size나 바닥의 평행선을 이용한 perspective convergence가 이 방에선 적절하게 왜곡되어 오히려 실제 사실을 지각하지 못하게 한다.^[각주:24] 

 

 

movement facilitate perception

movement facilitate perception은 움직임을 동반하여 선명해지는 지각 방식을 말한다. 인간은 현존하는 인공지능과 달리 한 측면에서만 물체를 봐도 물체 전체의 모양을 알 수 있지만, 모두 그렇지는 않다. 어떤 물체는 각도를 달리해서 보면 지각되는 모양이 아주 크게 달라지기도 한다. 

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2. 이 경우는 정상적인 색지각이 가능하나, 그 기능이 일반인보다 현저하게 떨어진다. [본문으로]
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