陈霖的拓扑性质知觉理论

陈霖的拓扑性质知觉理论 朱 滢 (北京大学心理学系,北京,100871) 摘 要 2005年第四期 “Visual Cognition” 期刊专题讨论了拓扑知觉理论,包括陈霖的主题文章、 对这篇文章的评论以及陈霖对 这些评论的答复。本文从三个方面介绍了陈霖的拓扑性质知觉理论:拓扑性质的早期知觉、 知觉物体的定义以及拓扑性质知觉 理论的意义。 关键词:拓扑知觉理论 知觉物体 视知觉 2005年是中国心理学的丰收之年,虽然现在还 不到6月,却已经传来了令人振奋的好消息。第一, 心理学第一次有了自己的国家重点实验室,这就是 “脑与认知科学国家重点实验室” 和 “认知神经科学 与学习国家重点实验室” 。第二,陈霖的拓扑性质知 觉理论获得世界声誉,这是1949年以来首位中国心 理学家关于知觉的理论的重大成就。 2005年第四期 “Visual Cognition” 的全部内容都 是关于拓扑性质知觉理论的。它包括三部分,首先 是陈霖长达88页的 ” 重大主题论文”(major target article) ;然后是包括R. Desimone ,S. He ,E. P ? ep2 pel ,J. Todd和J. Wolfe等10位在视知觉和注意、 认知神经科学、 时间组织、 分布认知、 计算机视觉和 数学心理学等领域的知名学者对陈霖的主题论文的 评论文章;最后是陈霖对这些评论的回答。 “Visual Cognition” 的主编Humphreys(1999)在邀请陈霖撰 写这篇主题论文时说:“在西方科学中,多数视觉研 究不强调知觉的拓扑性质方面。我的目的是,通过 这篇 重大主题论文,把拓扑学的知觉研究方向的 重要性带给广大西方读者。 ” 1中国心理学家和心理 学的学生大多数只知道Treisman的 “特征整合理 论”,而对近在身边的拓扑性质知觉理论知之甚少。 如果现在是西方读者应该了解拓扑性质知觉理论的 时候了,那么,中国读者更有理由这样做。 2005年第四期 “Visual Cognition” 给我们带来了 拓扑性质知觉理论的最新版本。陈霖对他的理论是 这样概括的:“知觉组织的拓扑学研究基于一个核心 思想和包括两个方面。核心思想是,知觉组织应该 从变换(transformation)和变换中的不变性(invari2 ance) 知觉的角度来理解。两个方面是,第一方面强 调形状知觉中的拓扑结构,这就是,知觉组织的大范 围(global)性质能够用拓扑不变性来描述;第二方面 进一步强调早期拓扑性质知觉,这就是,拓扑性质知 觉优先于(prior)局部特征性质的知觉。 “优先” 有两 个严格的含义:第一,由拓扑性质决定的整体组织是 知觉局部几何性质的基础;第二,基于物理连通性 (physical connectivity)的拓扑性质知觉先于局部几 何性质的知觉。 ” 2 限于篇幅,我仅对拓扑性质知觉理论作简要的 介绍。 1 拓扑性质的早期知觉(early perception) “视觉过程是从哪里开始的3”;或者用认知科 学的术语来说,“什么是视知觉的基本表达(primi2 tives) 4” 。在日常生活中 ,我们看见一个人在公园 散步,他的背景是一片小树林和草地;在图画里,我 们看见花瓶里的一束鲜花,它的背景是它摆放的桌 子,等等。视觉究竟是如何开始把图形与背景分离 开来,进而看到物体的?当我们看一件东西,比如一 个面孔或一束鲜花,我们必须首先把它从它的背景 上分离出来。我们的视觉系统是根据物体的什么性 质把图形和背景分离开来?拓扑性质知觉理论认 为,是拓扑不变性质的早期辨别把把图形和背景分 离开来。 拓扑学描绘在橡皮薄膜似的变形时图形仍然保 持不变的性质,例如 “连通性” 和 “洞的个数” 。当物 体平滑地改变形状(不破裂或融合)时,“连通性” 和 “洞的个数” 这些性质保持不变。例如,一个三角形 可以变成正方形或圆,但其连通性(作为一个连通的 整体这个性质)保持不变,连通性就是一种拓扑性 质。另外,一个连通的圆形中有没有洞或者有几个 洞这种性质也是一种典型的拓扑性质。炸面饼圈与 咖啡杯在拓扑性质上是等价的,因为它们都有一个 洞;而空心的长方形和十字形在拓扑性质上不等价, 通讯作者:朱滢,男。E - mail :zhuy 本研究得到国家攀登计划项目 (95 - 专- 09)资助。 心理科学 Psychological Science 2005 ,28(5) :1031 - 10341031 因为一个有洞一个没有洞。 决定图形与背景分离的拓扑性质辨别在视觉过 程中发生得最早。图1是Pomerantz等人(1977)报 告的结果5。它表明,三角形与箭头的辨认需要 749ms(RT) (A) ;而把一个小黑点与实心正方形辨 认出来也需要724ms(B) ,两者间的差别没有达到统 计意义。三角形与箭头的差别是有洞(三角形)与无 洞(箭头)的差别,这个差别相当于 “有东西”(实心正 方体)与 “无东西”(短暂呈现并要求尽快报告的小黑 点)的差别。有洞与无洞是拓扑结构的差别,有(东 西)与无(东西)也是拓扑结构的差别,两类辨认都发 生在拓扑性质知觉同样原始的(primitive)水平上。 因此它们的反应时相同,从拓扑性质早期知觉的角 度来看是自然的。 图1 Pomerantz ,1977 ,J EP:Human Perception and performance ,3 ,442 - 435 图2的结果(Chen , 1982)再次强有力地证明了 视觉对拓扑结构觉察的敏感性4。在三对刺激中, 圆圈带有一个洞,其拓扑性质不同于实心方块、 实心 三角形和实心圆,但后三者在拓扑性质上倒是等价 的。实验中要求被试辨认每对刺激中两者是否相 同。呈现每对刺激的时间为5ms。结果表明,拓扑 结构有差别的圆圈与实心圆的辨认率最高,并且与 其他两对刺激的结果达到显著差异。 图2 测量视觉对拓扑结构觉察的敏感性的三对刺激,以及对每对刺激的正确反应和面积差近年来陈霖及其同事获得了新的证据来支持拓扑 知觉理论。 蜜蜂虽然脑子很小,但它能够知觉到图形之间 的拓扑性质差别。这是陈霖等人(Chen. , Zhang , and Srinivasan ,2003)发表在美国科学院学报上的研 究证实的6。蜜蜂被放置在一个Y形迷宫里,圆圈 图形在一侧S形在另一侧。虽然在面积、 周长和其 他非拓扑特征上两者类似,但它们在拓扑结构上是 1032 心 理 科 学 不同的:圆圈有一个洞,而S形则没有。首先训练蜜 蜂对圆圈作反应,即飞向圆圈可得到糖水作奖赏。 然后,在测验中改变图形,放置叉形与正方形;或空 心圆与实心圆;或空心圆与有4个小洞的圆,每对图 形中的图形拓扑性质都是不同的。蜜蜂顺利地通过 了测验,仍然表现出对 “洞”(包括空心正方形)的偏 向。最后放置圆圈与空心正方形(两者都有一个洞) 让蜜蜂辨认,这时它犯糊涂了,没有表现出任何偏 好。蜜蜂的实验结果表明,蜜蜂能辨别拓扑结构上 的差别。蜜蜂的脑子很小,因而有理由推测拓扑知 觉对所有视觉系统来说都是基本的。 2 知觉物体的定义 怎样准确地定义 “知觉物体”(perceptual object) 的概念是拓扑性质知觉理论关心的主要问题之一。 我们说看见一个物体,把该物体从它的背景上分离 出来,那么,什么叫做知觉物体?选择性注意选择什 么?陈霖认为(Chen , 2005)选择性注意选择的是知 觉物体,而且知觉物体可以定义为拓扑变换中的不 变性2。例如,当一个实心圆变成空心圆时,按照知 觉物体的拓扑知觉理论的定义,我们说产生了新的 物体,因为其拓扑结构发生了变化;然而,当一个物 体由红色变成绿色时,或由长方形变成正方形时,我 们说没有产生新的物体,因为其拓扑结构未变。 物体的各种几何性质可以用变换中的不变性来 定义,从而为描绘形状性质(form properties)提供了 统一的语言。换句话说,从不变性知觉的观点来看, 拓扑性质和其他几何性质是各种不同稳定性水平的 形状性质。那么,“不同稳定性水平” 又是什么意思 呢?各种形状性质可以由不同层次的几何学加以描 述,即由欧几里得几何学、 仿射几何学、 射影几何学 和拓扑学来加以描述。这样的几何学的分类是由克 莱因的爱耳浪根纲领( Kleins Erlangen Program)提 出来的。各种几何学性质中,最为稳定的是拓扑性 质。所谓的拓扑性质是拓扑变换下(即一对一的连 续变换下)的不变性质。一对一的连续变换可以被 形象地想象成橡皮薄膜的任意变形,只要不把薄膜 剪开或不把薄膜的任意两点粘合起来,这样的变换 是最一般的变换,因此拓扑性质最稳定。射影变换、 仿射变换、 欧氏变换依次是约束越来越强的变换,也 就是越来越特殊的变换;相应的射影性质、 仿射性 质、 欧氏性质的稳定性也越来越弱,欧氏性质(如,朝 向)是最不稳定的几何性质。 卓彦等人新近发表在Science ( Zhuo et al. , 2003)上的文章7,为上述各种稳定性水平的形状性 质是视觉信息的基本表达提供了认知神经科学的证 据。运动知觉领域中,各种行为实验结果所得到的 一个普遍接受的结论是,似动和真实运动是等价的。 如果这种观点正确,那么大脑背侧通路(dorsal path2 way) 的MT区就很可能是与似动相关的区域,因为 大量的包括来自PET和fMRI的实验证据都表明 MT区是专司运动的,不论是真实运动还是运动错 觉(如运动后效)。另一方面,大量的研究还表明,形 状知觉是由腹侧通路(ventral pathway)负责的。我 们知道,我们能看见两个不同形状的图形(如圆和方 形)之间仍然产生似动,因而可能会认为形状可能对 似动知觉不那么重要。但卓彦等人关于形状在长距 离(long - range)似动中的作用的fMRI研究带来了 令人吃惊的结果:腹侧位置上的颞下回和颞中回前 部(anterior temporal gyrus)有显著激活,而公认的运 动区 背侧MT区却没有被激活。 卓彦等人的实验使用了5对刺激以显示长距离 似动(图 3) 。B到E对的两个图形之间的差别代表 着形状稳定性的不同水平,对应着克莱因的爱耳浪 根纲领提出的几何学分类,其中E对代表的拓扑性 质差别是最稳定的。从图4中可以看出,在知觉到 这些图形对之间产生似动时,颞回前部的激活随着 两图形间结构差异的稳定性的增大而线性上升。E 对刺激结构差异最大(有洞和无洞的差别 ) , 激活程 度最高。其余依次为D、C、B对刺激,且彼此间的差 别均达到显著水平。卓彦等人发现的意义在于:第 一,形状在似动中起作用;这是由颞回前部的激活证 明的;第二,形状性质用变换中的不变性来定义且具 有功能层次的思想得到证明,即E对刺激形状差别 最大,颞回激活程度最高,其余依次差别逐步变小, 相应的颞回激活程度也逐步变小。 3 拓扑性质知觉理论的意义 拓扑知觉理论开辟了视觉研究的新方向。Vi2 sual Cognition主编G. Humphreys(2003)在接受陈 霖的主题文章时给陈霖的信中8写道:“这篇文章是 许多年来关于人类知觉信息的决定性因素的研究的 丰富和重要的总结。我相信,这个工作是对许多当 前接受的关于知觉的观点的重大挑战”,“我相信这 篇文章将是对将来的开创性的贡献。 ” 美国科学院院 士R. Desimone(2005)认为:“陈的大范围到局部的 知觉拓扑模型是和神经生物学体系一致的,也是和 心理学行为实验的物体基本表达的证据一致的。陈 的模型激励神经生物学家对视觉系统特征分析采取 新的研究方向,即强调物体特征是变换下不变性质 的研究方向。 ” 9运动和形状知觉关系研究专家 朱滢:陈霖的拓扑性质知觉理论1033 图3 显示长距离似动的5对刺激 图4 颞下回和颞中回前部在不同刺激对时信号变化的时间 过程(C) ,以及激活程度和信号变化的幅度(D) J. Todd(2005)说:“我赞成陈的总体的研究方向,这 开始于我第一次阅读到他1982年在 科学 杂志上 关于这个问题的论文” 10 。著名德国认知神经科学 家E. P ? eppel (2005)承认:“我要提出一个研究方 向。就我的观点,这个研究方向必须基于陈霖提出 的实验观察和理论概念。 ” 11视觉搜索知觉研究权 威,哈佛大学的J. Walf (2001)认为,“情形很可能是 这样,即下一个10年的研究将表明,陈是在正确的 轨道上而其他人不是。 ” 这里,“其他人” 指那些坚持 视觉过程是从 “局部到整体” 观点的人” 12 。拓扑性 质知觉理论对中国心理学界意味着什么?我认为, 拓扑性质知觉理论是我们宝贵的精神财富,它向世 人证明,在科学技术高度交叉、 迅猛发展的今天,中 国心理学家有勇气、 有能力挑战过时的理论,提出自 己的全新的理论。年轻的心理学家,努力把! 致谢:作者感谢隋洁在写作中提供的帮助。 4 参考文献 1Humphrey , G. W. A letter to invite Lin Chen to contribute a major target article for Visual Cognition. 1999 2Chen, L. The topological approach to perceptual organiza2 tion. Visual Cognitio