（应用心理学专业论文）自然纹理前注意和注意知觉特性的比较研究.pdf

浙江人学硕士学位论文自然纹理前注意和注意知赏特性的比较研究 内容提要 纹理信息是人类认识世界的基础。同时纹理具有物体和表面视觉图像的特性，纹理 识别的问题也就是一种比较复杂的图象识别问题，因此进行纹理的研究对揭示人的图像 知觉机制，以及更深入研究人的信息加工机制是极有理论价值的。本研究以b l 瑚l a t z 纹 理库中的自然纹理图片为实验材料，让1 2 名被试进行相似性评价和6 个特征判断两个实 验任务，通过控制两个时间阶段( 前注意阶段和注意阶段) 来研究自然纹理的前注意和 注意之间的关系以及它们不同的知觉特性。我们希望通过对前注意和注意关系的比较研 究，加深对纹理知觉的理解，并为计算机的图形识别提供依据。本研究得到的结论是： ( 1 ) 有一些共同的因素影响着前注意与注意阶段纹理的相似性知觉。这些因素是纹理 的物义、形状、灰度及灰度的空间分布。在相似性评价中，两个注意阶段其知觉特性上 的差异是：前注意阶段获取的是图像的整体、全局信息，注意阶段则能在前注意阶段的 基础上获取图像更多局部区域和细节的信息；注意阶段有助于对纹理进行深层的物义信 息加工。 ( 2 ) 前注意和注意两阶段在本研究所选取的6 个特征上关系密切，它们在特征知觉上 表现出不同的知觉特性是：前注意阶段能够对表征纹理图的整体、全局、大视野的纹理 特征( 如特征方向性、复杂性、稀疏性) 或者能够被其充分觉察的纹理特征( 如线状性) 进行很好的判断，如果纹理特征是从局部细节的角度来表征某张纹理图片( 如特征对比 度和元素清晰性) ，那么注意阶段就会对前注意阶段的判断结果进行调整、修正和完善。 ( 3 ) 自然纹理是千姿百态的，目前对于自然纹理一般更多地偏向于宏观纹理特征的分 析，对于简单的纹理图片，宏观的纹理特征可以很好的表征纹理，而对于复杂的纹理就 表现出表征的粗糙性。所以说应加强对能表征纹理的物义、纹理元素形状等的微观特征 的研究，此外，也应区别在纹理识别中不同纹理特征的权重系数。 ( 4 ) 在自然纹理的相似性和特征知觉任务中，前注意阶段是平行、大视野和粗略加工， 而注意阶段是系列、局部和精细的加工。前注意是注意的基础，注意是在盲口注意知觉的 基础上，对前注意知觉的结果再进行修正、调整和完善。它们所表现出的知觉特性上的 差异与其所具有的认知资源有关，这支持了纹理特征的分级观点。 关键词：自然纹理前注意阶段注意阶段 浙江人学碗j j 学位论文 自然纹理翦注意和注寇知觉特性的比较研究 a b s t r a c t t e x t u r ei sab a s i so f u n d e r s t a n d i l l gw o r l d , 翘w e l l t e x l u r eh a s 删s t i co f t h eo b j t s a n dm a t e r i a l so f t h ev i s u a lw o r l d 1 1 摇q u e s l i o no f t e x l md i s e r i m i r 锄 o ni sa l s oa q u e s t i o no f i l l l a g ed i s c r i m i n a t i o n s oi ti sw e l lw o r t hr e s e 眦h i n gt e x t u r e i no u re x p e r i m t s , 、eu s e d n a t u r a lt e x t u l e sf r o mb r o d a t z a l b u m 1 2s u b j e c t sw e a ea s k e dt op e r f o r ms i m i l a r i l ya n d6f e a t u r e s j u d g e m t e a c he x p e r i m e n th a st w ot i m es t l i g 嚣；i 舵a t t e n l j v ea n da t 嘲肌w ew i s ht h e r e s e 龇h0 1 1 印伐曲酬0 na n da t t e n l i o n sr e l , a t i o nc a l ld e e p e nt h eu n d e z s t a r d i n go ft e x t u r e p e l 唧t j o r la n dp r o v i d ep r o o f so f c o m p u t e r s 协1 a g ed i s e f i m i m l i o r l t h er e s u l t sw e r ea sf o l l o w s ： ( ) s o m ec d m i l l o r lf a c t o r sa f f e c t 弘瑚搬赫a r i da t t e a l t i o n ss i m i l a r i t yp e r e 删o n t h e s e f a c t o r sa 咒t h em e a n i n go f o b j e e t ，b 印e g r a ya n di t ss p a c ed i s t r i b u t i n g d i f f e r e n c e so ft w o a t t e n t i v es t a g e si ns i m i l a r i t yp e r c e p t i o ni sp r e a t t e n t i v es t a g eo b t l i i ng l o b a li n f o r m a l i o n ；址c e n t i v e s t a g e 咖e a p l l a r em o l ep a r ti n f o r m a t i o n0 1 1t h eb a s eo f p r e a t t e n t i o n ；a t t 蹦l i o ns t a g ec a np r o t ：e $ s s e m a n t i ci n f o n n a l i o n ( 2 ) 3 h er e l a t i o no f p r e a t t e n l i o na r i da t t e n t i o n o n6t e x t u r ef e a t u r e si sc l o s e d i f f e r e r i e eo f t w o a t t e n d v es t a g e si nf e a t u r ep e r c e p t i o ni s ：p r e a t t e n t i o nc a n j u d g ef e a t u r e sw h i c hr c p r e s e r l tg l o b a l ，a l a r g ev i s u a lf i e l di n f o r m a t i o n ( o r i e n t a t i o n , c o m p l e x i t y , e o a r 蛐_ e s s ) o rc a nb ed i s e l i m i n 删o i n e l i k e n e s s ) ；a l 把n t i o nc 孤j u d g e f e a t u r e sw h i c hl 捌p r e s e n t p a r ti n f o n n a t i o n ( e o n t r a s t a n d i n t e u i g i b t u t y ) a n da d j u s t , r e v i s e , i m p r o v e 珥翻t 删0 i l sd i f f e r e n c e j u d g e m e n t o ) n a t u i a ll 船c t t n - eh a sa l lk i n d so f 曲：邺l t a i n g s n o wt h ea n a l y s i so fn a t u r a lt e x t u l ! ei s f o c u so nm a e r o t e x l j 1 r ef e a t u r e , f o r 矗 n p l ep i e t m x t t u ee a r lr e l m 缀i tw e l l f o rc o m p l e x p i e t t a e ，旭p f 洲b a d l y t h er e s e 甜e ho n m i e r o t e x t u r ef e a t u r e , s u c ha s , s e m a n t i c ，t e x t u r ee l e m e n t s l a p e ，s h o u l d 锄嘲】g l h 胁皿讲伽m 毛s h o u l dd i s i i i l l p | i s l ld i f f e r e n tw e i g h te o e t 矗e i e n to ft e x t u r e f e a t u r e ( 4 ) i n e x - - l 岫e l l t s o f s i m i l a r i t y a n d 白血e p 朗。c 她p r e a t t e n t i o n i s l 盥a l l e k a l a r g e v i s u a l f i e l dp r o e e s s ，a t t e n t i o ni ss e r i a l ，p a r tp r o c e s s 珥髑啦硼i sf o u n d a t i o no fa t t e n t i o n , a l 搬l t i o n a d j u s t , 嗽i m p r o v e 珥地埘v c j u d g e 唧蚍d i 位嗽雠so f 伽o a t l c l l l j v es t a g e si np e r e e p d o n d u et oc o g n i t i v ec a p a c i t y , t h i so p i n i o ns u p p o r tt e x t u r ef e a t u r ei sg r a d e d 4 l t t t “v c 1 引言 人类生活的环境可以说是一个充满纹理的环境，纹理作为现实世界图景的表征，是 可见表面的基本特性。表面是物体的基本要素之一，这些表面图案在 、对视觉图象形成 结构或给出形式的过程中起作用，正是因为有了这些纹理信息才使我们能区别什么是石 头，什么是木头；哪里是好走的路，哪些是不好走的路。可以说，纹理信息是人类认识 世晃的基础。同时纹理具有物体和表面视觉图像的特性，纹理识别的问题也就是一种比 较复杂的图象识剐问题，因此进行纹理的研究对揭示人的图像知觉胡制，以及更深入研 究人的信息加工机制是极有理论价值的。另一方面，随着计算机科学和人工智能日新月 异，许多研究者在计算机领域对图像识别进行了深入和广泛的研究，毫无疑问，人有非 常强的图像识别( 包括纹理识别) 能力，深入揭示人的纹理识别的规律对加快新一代计 算机、机器人和实用计算机视觉系统的诞生，尤其是计算机图像识别技术的发展是极为 有益的。 1 1 纹理及其有关概念 由于所有物体的表面尽管互不相同，但都可以说有纹理，这就给定义形式上千变万 l 化的纹理带来了困难。纹理尽管有直观的意指，但精确的定义纹理是很困难的。很多研 究者甚至将此称之为“定义的问题”。5 0 年代，g i b s o n 最早提出了纹理的定义。他认为： 纹理是视觉世界中物体或材料的综台特征，包含在物体或表面视觉图象中的重要信息可 被看作是纹理性质或特征的函数。表征现实世界图景的纹理包含了 、对视觉图象形成结 构或给出形式的过程中可用韵信息。 在纹理定义中一个重要的、应注意的方面是它的元素、组成或粒子 ( a m a d a s ) m r d n g ，1 9 8 9 ：b e r g e n ，1 9 9 1 ) 。k e a d e r 认为纹理基元是纹理概念的核心。 个纹理元素是一个具有一定不变特性的视觉基元，该特性在给定区域内的不同位置上， 以不同的形交及不同的方向重复出现。象沙滩中的沙粒，图案中的“t ”、“l ”、“+ ”元 素。除了显而易见的术语“纹理元素恤加ee l e m e n t ) ”外，“纹理特征他x 啪f e a t u r e ) 、 “纹理基元( 把惑聪捌”、“微图案( m i c l 。p 越搬n ) ”，还有已被人们广泛接受的“纹理 子o e x t o n ) ”的概念，这些都是用来称呼简单的纹理组成成分。 塑坚查兰堡主兰堡兰茎望整鳖堡墅堡壁塑堡童垫苎鲎丝堕堕墼堕壅 1 引言 人类生活的环境可以说是一个充满纹理的环境，纹理作为现实世界图景的表征，是 可见表面的基本特性。表面是物体的基本要素之一，这些表面图案在人对视觉图象形成 结构或蛤出形式的过程中起作用。正是因为有了这些纹理信息才使我们能区4 什么是石 头，什么是木头；哪里是好走的路，哪些是不好走的路。可以说，纹理信息是人类认识 世界的基础。同时纹理具有物体和表面视觉两像的特性，纹理识别的问题也就是一种比 较复杂的图象识别问题，因此进行纹理的研究对揭示人的图像知觉机制，以及更深入研 究人的信息加工机制是极有理论价值的。另一方面，随着计算机科学和人工智能日新月 异，许多研究者在计算机领域对图像识别进行了深入和广泛的研究，毫无疑问，人有非 常强的图像识别( 包括纹理识别) 能力，深入揭示人的纹理识别的规律对加快新一代计 算机、机器人和实用计算机 见觉系统的诞生，尤其是计算机图像识别技术的发展是极为 有益的。 1 1 纹理及其有关概念 由于所有物体的表面尽管互不相同，但都可以说有纹理，这就给定义形式上千变万 化的纹理带来了困难。纹理尽管有喜观的意指，但精确的定义纹理是很困难的。很多研 究者甚至将此称之为“定义的问题”。5 0 年代，g i b s o n 最早提出了纹理的定义。他认为： 纹理是视觉世界中物体或材料的综台特征，包含在物体或表面视觉图象中的重要信息可 被看作是纹理性质或特征的函数。表征现实世界图景的纹理包含了人对视觉图象形成结 构或给出形式的过程中可用酌信息。 在纹理定义中一个重要的、应注意的方面是它的元素、组成或粒子 ( a 啪a d 姻m k h 埋，1 9 8 9 ；姊l ，1 9 9 1 ) 。k e n d 日认为纹理基元是纹理概念的核心。 个纹理元素是一个具有一定不变特性的视觉基元，该特性在给定区域内的不同位置上， 以不同的形变及不同的方向重复出现。象沙滩中的沙粒，图案中的“t ”、“l ”、“+ ”元 素。除了显而易见的术语“纹理元素( 把啦睇d e r n e a t ) ”外，“纹理特征和埔鹋f e a t t a t ) 、 “纹理基元( 昀曲m 删曲v e ) ”、“礅图案( 珥妇呷日蛳o ”，还有已被人们广泛接受的“纹理 子( t e 枷n ) ”的概念。这些都是用来称呼简单的纹理组成成分。 子( u ! x t o n ) ”的概念。这些都是用来称呼简单的纹理组成成分。 浙江大学硪_ ：学位论文自然纹理前注意和注意知觉特性的比较研究 对纹理元素的关注导致了两种基本的分析水平。纹理元素，即微纹理口( 魍( 衄幻， 代表第一水平：这些元素的组织和模式，即宏纹理( m a a 傀删，代表第二水平 ( c r a g d o w i c z & m a ，1 9 8 5 ；d e w a e l e 垃o s t e r l i n c k ，1 9 8 3 ) 。纹理就是由这两个层次组成的 等级结构。 根据纹理图片的来源，一般可以将纹理分为抽象纹理( a b s t r a c tt e x m r e ) 和自然纹理 ( n a t u r a l 佃x v a e ) 。抽象纹理往往是由几个按不同模式排列的离散几何元素生成的，如： j u l e s z 等人在研究中所用的材料就是抽象纹理，由一些字母s 和数字“1 0 ”按不同的 方向排歹4 而成的( 见图1 1 ) 。自然纹理往往是实际的表面或物体的照片。如：1 9 9 3 年 r a o & l o h s e 研究中所用的实验材料就是b r o d a l z 纹理库中的自然纹理，这些纹理一般可 以用诸如：“水波纹”、“石头”、“树皮”等来命名。( 见图1 2 ) 目1 1 图1 2 1 2 以往研究回顾 纹理是视觉的个重要元素，几十年来被包括心理学和计算机视觉的很多研究者们 所分析和研究，下面我们就从前注意( 1 a 嘲 t e n t i o n ) 和注意( a t t e n t i o n ) 两个角度对以往 的纹理研究进行回顾。 1 ) 前注意的纹理知觉研究 大多数心理学家关于纹理知觉的实验集中在前注意方面，他们主要采用纹理分割 ( t e x a 鹏s 唱m e m a f i o n ) 、纹理突出性( t 曲他p o p - o u t ) 、纹理分组( 懒m 髓g r o u g n g 等 三种实验方法进行研究。所谓纹理分割就是将两张纹理图片叠加放在起，看两者胄旨否 区分开来。通过操作两张纹理图片在特征的不同来研究纹理分割任务中什么纹理特征 6 渐江大学硕士学位论文 自然纹理前注意和注意知觉特性的比较研究 是起作用的。纹理突出实验就是视觉搜索实验，通过操纵目标项与干扰项在某个特征上 不同来研究纹理特征。纹理分组实验让被试在一背景中辨认一些元素是否组成一完整图 案如三角形、圆形等。其假设是特征相似的元素应该分为一组，或组成一完整图案。三 种实验方法从3 个不同的角度，共同研究了在前注意纹理知觉任务中什么纹理特征是最 重要的。 最早进行纹理研究的是j m e s z , 4 也从纹理的统计梅| 生入手，采用纹理分割方法，通过 操作纹理图片在一阶统计、二阶统计甚至更高阶次统计的相同或不同来研究纹理特性。 纹理图片可由不同灰度的象素点组成，相邻象索点间的灰度差异构成一阶差异，相邻象 素点间灰度差异的差异构成二阶差异，其它阶次可依次类推。他通过研究发现：一个纹 理对，如果纹理在二阶统计上没有差异，尽管在三阶或更高阶上存在差异，人的视觉系 统也不能进行纹理识别。 1 9 7 8 年，j u l e s z 发现些二阶统计相同，甚至三阶统计相同的纹理也可产生纹理识 别。这些与他以前绐论不符的反例，使j u l e s z 认识到：纹理识别不能过分地依赖于纹理 的统计特性，而忽略纹理图片中微图案的图形特性。通过对反例纹理图的研究，他发现 这些二阶统计相同的纹理( i d e n t i c a l s e c o n d - o r d e rt e x t u r e ) 能够产生纹理识别是基于_ 堂 局部明显的特征，这些特征是：准线性( q u a s i - c o l l i n e a r i t y ) 、角( c o m e r ) 、封闭性( c l o s u r e ) 、 粒状性( g r a n u l a r i t y ) 和连续性( c o n n e c t i v i t y ) 。 1 9 8 1 年，j u l e s z 将这些特征归结为3 类：可具有不同的颜色、方向、宽度和长 度的拉长滴状( e l o n g a t e dn o b ) ；端点( 慨m i n a t o r ) ；交叉线( 1 i n ei n t e r s e c t i o n ) 。他 把这3 类特征称为纹理子( t e x t o n ) 。他认为纹理子是在纹理的前注意识别中起作用的特 征，两个纹理区域只要在纹理子密度间存在差异而不管它们的空间构造关系就可轻而易 举地加以识别。在此基础上，他提出了前注意纹理识别的纹理子理论。纹理子理论包括 3 个定理：人类视觉在两个相互区别的模式下运作：前注意视觉和注意视觉。前注意 视觉系统在纹理识别中是平行的( 不管元素数目) ，几乎同时运作，不需审视，覆盖大视 野，一般来说，前注意系统只能知道纹理子的差异在哪里，而不知道这些纹理子是什么。 注意视觉在一个小的集中注意范围内以1 5 5 0 毫秒的速度系列搜索。只有在此阶段，才 可知道纹理子是什么；前注意视觉系统仅能识别3 个纹理子，即：线、端点、交叉线， 它们对纹理识别起作用：前注意视觉指引注意视觉定位：在哪个位置上存在纹理子数 目差异，但忽略纹理子间的空间位置关系。根据该理论，“三角形和箭型”纹理图片可以 浙江大学硕士学位论文 自然纹理前注意和注意知觉特性的比较研究 识别，而“s 和1 0 ”纹理图片不能识别。这是因为前者具有不同的端点数目，存在纹理 予差异；后者不存在纹理子上的差异。 j u l e s z 的纹理子理论提出后，很多研究者对此理论提出了质疑，并且得到了一些与 纹理予理论不相符合的结论。 1 9 8 6 年e n n 对j u l e s z 的“三角形和箭型”和“s 和l o ”两张纹理图片的识别提出了 不同的看法。他认为这两对纹理图片在识别上的差异并不是因为纹理子的差异，而是因 为两张纹理图片在非共享纹理元素上的突出程度存在差异。所以他n g x 立_ 改变这两对纹理 图片中非共享纹理子( 线) 的长短来研究不共享特征突出程度对纹理识别的影响。他重 新调整“三角形和箭型”和“s 和1 0 ”两张纹理图片非共享元素的突出程度，得到了与 j u l e s z 完全相反的结论。也就是“s 和1 0 ”也可以识别。由此e l m 认为：一对纹理元素 非共享特征的突出程度决定了纹理分割。如果纹理元素的非麸享特征不突出，即使对 纹理元素在端点的数目上存在差异，也不能产生纹理分割。并且他在研究中发现：闭合 线也可象纹理予一样起作用，但t r e i s m a n ( 1 9 8 6 ) 等人的研究结果又表明：在某些情况 下，闭合线不能象纹理子一样起作用。所以e l m s 对j u l e s z 提出的纹理子理论产生了质疑， 他认为：纹理子不是以全或无的方式起作用，它们具有情境依赖性和等级特性。 g u m s e y 和b r o w s e 两人发现j u l e s z 提出的纹理子理论并没有考虑纹理元素的构造 对纹理识别的影响。1 9 8 7 年他们在控制纹理元素构造的条件下，研究了纹理子在纹理识 别中所能发挥的作用。他们设计了几组不同的纹理元素，这些纹理元素在纹理子的差异 和空间构造上有的相同，有的不同。如果纹理子理论在控制元素构造的情况下，还同样 正确的话，那么不管纹理元素的构造相同还是不同，只要纹理予存在差异，就可进行纹 理识别。但结果并没有证明这一点。他们发现：微图案构造的一致性干扰了纹理识别。 微图案空间构造上的不同比纹理子的不同更重要。此外，e l m s 还发现纹理识别的非对称 现象，即：纹理识别的难易程度还依赖于纹理刺激对中哪个作前景，哪个作背景。 1 9 8 8 年b e r g e n 和a d e l s o n 通过增加或缩短纹理元素的长度，调整纹理元素的大小对 j u l e s z 的纹理子理论也提出了不同的看法。结果发现当纹理元素的长度增大时，纹理识 别变容易；长度缩短时，就变的难以识别。所以，他们由此认为：对于特定的一套纹理 来说，识别力能从调整大小的机制的活动中得到有效的预测，而不需要依赖于纹理元素 特征的差异。 t r e i s m a n 采取非对称性搜索实验的方法研究了在6 0 注意阶段哪些特征被加工。她于 浙江大学硕士学位论文 自然纹理前注意和注意知觉特性的比较研究 1 9 8 5 、1 9 8 6 年的研究中发现了很多有趣的现象。比如：她发现：在以圆为背景中搜索带 有一竖宜线的圆要显著快于在以带有一竖直线的圆为背景中搜索一个圆；从短线中搜索 长线快于从长线中搜索短线：从单线中搜索双线靶子要比从双线中搜索单线靶子需时较 少，从直线中搜索斜线显著快于从斜线中搜索直线，三角形靶子的搜索快于角，根据她 的这些发现她提出了前注意阶段加工的几条原则即：前注意阶段表征“特征有”，而不表 征“特征无”；表征“特征多”，而不表征“特征少”；表征偏离特征：而不表征标准特征。 前注意阶段加工封闭性。1 9 8 8 年t r e i s m a n 运用封闭圆和开口圆作靶子分别进行搜索实 验发现：开口圆的搜索显著快于封闭圆：这表明：前注意阶段也加工非封闭特征。除了 视觉搜索实验外，t r e i s m a n 还做了一些纹理分割实验。结果发现颜色、形状、线段朝向 及大小等刺激特征能在前注意阶段加工，同时她还发现特征结合不能在早期阶段被加工， 这有力的支持了她所提出的特征整合论。 在研究前注意知觉现象的过程中，很多研究者对于纹理分割、分组的起因有不同的 看法，有些研究者认为：如果元素间具有相似的特征，那么他们就是同质的，不可被分 割。还有一些研究者认为：纹理分割是因为纹理元素与其它背景元素的非相似性，而不 是因为纹理元素间的相似性。为了研究相似性在前注意视觉中的作用，n o t h d u r f t 在1 9 9 2 年设计了纹理分割、纹理突出、纹理分组3 个知觉任务的实验，这个实验的精巧之处在 于，实验所用的每张图片都有两个参数所定义。这两个参数是：背景线元素间线方向 的变化，用b g 表示，代表背景线元素间的相似程度，当a b g = 0 时，元素间完全相似： 目标线元素条与背景线元素闻的方向变化，用t g 表示，代表目标线元素条与背景元 素的非相似性。当t g 越大，目标线元素条与背景线元素越不相似。这样就可以通过操 作这两个参数来研究相似性和非相似性在视知觉中的作用。结果n o t h d u r t t 发现：不管是 什么纹理知觉任务，其识别能力，都依赖于目标线元素与背景线元素的方向对比度，即 目标线元素与背景线元素在方向上的非相似性，而与线元素本身的方向的相似性无关。 他接下来的研究还证明：这些结论还同样适用于其它的刺激特性象运动。n o t h d u r f t 的这 一结论也得到了其他研究者的证实。前文e r m 于1 9 8 6 年研究发现纹理子在某些情况下 会失效和1 9 8 8 年t r e i s m a n 发现搜索的非对称性在一定条件下会消失。都说明前注意知 觉的很多现象不是孤立进行的，而应考虑知觉现象所在的情景。 2 ) 自然纹理的知觉研究 自然纹理与抽象纹理在很多方面存在极大的差别。除了自然纹理的元素特征没有抽 浙江大学硕士学位论文 自然纹理前注意和注意知觉特性的比较研究 象纹理那么容易描述、定义外，自然纹理与抽象纹理还在一些知觉特点上存在差异。比 如：自然纹理在知觉上可以存在触觉描述，而抽象纹理就不大可能会有。另外，大部分 场景都是由自然纹理组成的，对自然纹理的研究就更有实际应用价值。在计算机视觉领 域，研究与人类视觉感知特性有明确对应关系的纹理特征对纹理相似性判另i 和基于纹理 特征的图像检索应用中有重要意义。所以有许多研究者分别从人的视觉感知特性和计算 机的纹理特征计算特性的角度进行了研究。 t a m u r a ( 1 9 7 8 ) 使用从b r o d a t z 纹理库中挑选的1 6 张自然纹理图片进行研究，其目 的是研究与人类视觉特性相对应的纹理特征，以及这些特征的估计方法。他先指定了6 个纹理特征，即：粗糙一精细；高对比度一低对比度；方向性一非方向性：线状性一滴 状性；规则性一不规则性；粗度一平滑。他使用基于共生矩阵的方法来估计计算这些纹 理特征；被试使用对偶比较法来判断基于上面6 个特征的纹理图对的相似性。然后将人 的视觉度量与计算度量进行比较分析。实验结果发现：线状性与方向性相关最高；与人 的感知特性最相符合的特征有：粗糙度、对比度和方向性。 、对线状陛、规则性、粗度 这3 个特征的分类判断与计算机的技术分类相似性不高。 1 9 8 9 年a m a d a s u n 也使用b m d a t z 纹理库的十张自然纹理图片，对纹理计算特征和 人的感知特征的相似性进行研究。他指定5 个纹理知觉属性：粗糙性、对比度、繁忙度、 复杂度和强度，他使用与t a m u r a 不同的特征估算方法一一基于领域灰度差别矩阵 ( n g t d m ) 来计算这5 个特征。在实验中，计算机用定义好的特征进行相似性实验任 务，被试根据这5 个特征对1 0 张纹理图片进行分级排序任务，然后将被试的感知度量结 果与计算机的计算度量结果进行比较。结果发现：粗糙度和强度、对比度和复杂度间的 相关均很高：1 0 幅纹理的分级排序的计算度量和人类视觉度量具有较好的相似性。这说 明：纹理特征在某种程度上与人类的视觉感知特性相似。 因为t a m u r a 、a n a d a s t l r l 两人的研究都发现某些纹理特征之间存在很大的相关，并 且以往对纹理的研究过多关注于对前注意纹理识别较低水平的确认，所以1 9 9 3 年r a o 和l o h s e 进行研究的目的是寻找能最好描述纹理变异的、不相关、数量最少的高水平纹 理特征，并且期望这种完全从心理学实验的角度提出的纹理特征能够为特征的计算度量 提供基础。从而使计算机基于纹理特征的图像检索更好的模拟人类视觉感知特性。 他们使用最大变异法从b m d a t z 纹理库中挑选3 0 张最具代表性的自然纹理作为实验 材料，让被试对这些纹理图片进行分类，实验使用自下而上的分组任务，自下而上的分 浙江大学硕士学位论文 自然纹理前注意和注意知觉特性的比较研究 组任务不同于自上而下的分组任务，前者是数据驱动，关注的是纹理之间的相似性；后 者是概念驱动，关注的是纹理之间的差异。被试在分类时，不限制被试判断标准，不限 制被试分组数及分组时间。通过这种任务，收集被试的相似性数据，然后对数据进行多 维测量和等级聚类分析。他发现：当使用3 维度多维测量时，这三个维度解释了总变异 的9 5 5 ，并且他将这3 个维度分别命名为：重复性、方向性和复杂性，同时他又将自 己的实验结果与t a m u r a 、a m a d a s u n 两人的实验结果进行比较，发现有些特征是重合的， 有些则不同，r a o 和l o h s e 将这种不同归因于他们的实验材料更为丰富、更有代表性。 由此他们认为：就象颜色有3 个成分表征一样( 如：红、绿和蓝) ，自然纹理可用3 个特 征即重复性、方向性和复杂性来表征。 抽象纹理的前注意纹理分割、分组等过程受到人们大量的关注，而注意分割的过程 受到的关注却不多。h e a p 和h a n d e l 两人意识到这一问题，于1 9 9 9 年以自然纹理作为实 验材料，对自然纹理的相似性和特征进一步作了全面的研究。其目的是寻找能最好概括 自然纹理注意相似性的模型。他们以m i t 纹理库中2 4 张自然纹理作为实验材料，先让 被试对2 4 张纹理图片进行分组和描述任务，然后使用r a o 和l o h s e 两人所用的3 个纹理 特征以及根据被试描述总结的其它9 个纹理特征共1 2 个纹理特征( 即纹理的重复性、纹 理的方向性、纹理的复杂性、纹理的连续性、纹理的深度、纹理的结构、纹理的坚硬性、 纹理的线性、纹理的自然性、纹理的粗糙性、纹理的形状、纹理的大小) 让被试根据这 些特征进行划分等级任务：对分组任务收集的相似性数据进行等级聚类分析和多维测量 分析。他们与r a o 和l o h s e 所做研究的一个不同之处是：被试在进行分组任务时，对分 组数进行限制( 不能多于六组少于三组) ，因为他们认为被试总是倾向于过多的分组，以 至于刺激物间的相对相似性难以判断。结果发现：自然纹理分组有许多不同的方法，图 片的视觉特征、触觉特征、物质、微纹理的大小特征都会影响图片的分类。但这些分类 总是在一定程度上重叠起来的。每一类都没有不同于其他类的独特特性。所以他们由此 认为：分组的主要依据取决于构成任务情景的整个图片的特征；自然纹理好象是依据家 族相似性组织起来的。具体的说，相似性判断的基础依赖于情景，在各套纹理中类间的 相似性不是因为不变的纹理特征而是因为由所有纹理图片创造的情境的等同性。 浙江大学硕士学位论文 自然纹理前注意和注意知觉特性的比较研究 1 3 本研究的目的和内容 从以匕对抽象纹理及自然纹理研究的回顾发现：对于抽象纹理其研究的主要目的是： 寻找在前注意水平上，在知觉上能够把视野分割成离散区域的那些元素的几何特性。对 于自然纹理，其研究目的是寻找在注意水平上，宏纹理的特征和结构模型。换句话说， 在以往的研究中，前注意与注意的研究是以不同性质的纹理图独立分别进行的。但已有 研究表明：前注意和注意是纹理知觉过程的两个不可分割的过程，并且前注意和注意两 个水平和两个水平间的交互作用都与说明结构和组织在视觉中是怎样形成有关 ( p a l m e r & r o c k ，1 9 9 4 ) 。由于现实生活中人所接触的大多数都是自然纹理，因此，从应 用的角度，采用自然纹理作为研究对旁，深入探讨它的整个时间知觉过程( 前注意与注 意) ，是很有实用意义。 另一方面，我们发现：以往对纹理的研究，要么是研究可区分不同纹理的特征，要 么是研究纹理i 强形的相似性以揭示哪些特征对纹理相似性判断起作用，要么就是研究纹 理特征与相似性之间的关系。他们研究的目的实际上是要找出能够对纹理识别有贡献的 特征，以及评价用这些特征识别纹理的准确程度。本研究也是围绕这些方面进行的。 本研究的构思见图1 - 3 。从图1 3 可知：我们研究的主要目的是通过系统的实验研究， 以自然纹理为实验材料，采用相似性评价和特征判断两个实验任务，通过控制两个时间 阶段( 前注意阶段和注意阶段) 来研究自然纹理的前注意和注意之间的关系以及它们不 同的知觉特性。我们希望通过对前注意和注意关系的比较研究，加深对纹理知觉的理解， 并为计算机的图形识别提供依据。 孓时间阶段 前注意阶段注意阶段 觥、 实验任奔 目的 、 、 相似性 、 l 、蒿鏊嘉翌篱藿j 评价 、， f 特征判断 1 图1 3 研究构思 1 2 浙江大学硕士学位论文 自然纹理前注意和注意知觉特性的比较研究 2 实验研究 2 1 实验一：自然纹理的相似性知觉判断研究 2 1 1 实验目的 本实验控制纹理图片的呈现时间，要求被试对自然纹理图对作相似性判断，以此研 究前注意和注意两阶段人对自然纹理的相似性知觉特点。 2 1 2 纹理材料的选择 本实验的自然纹理材料取自于b r o d a l z 的纹理集。我们从纹理的形状、物义、简单、 复杂、宏观、微观等多角度挑选纹理图。此外，还挑选了一些纹理图作为控制刺激，穿 插在整个实验序列中，使整个实验序列更随机化，这些纹理图的判断结果不作计分。共 选择纹理图6 6 张，具体选图如下( 详见附录1 ) ： 1 从物义和形状相似性角度，选择了砖墙、竹编、木纹、石纹、石块和编织物等纹 理图，组成1 6 个图对。具体选图为：d 2 6 、d 9 4 、d 9 5 、d 6 4 、d 6 5 、d 6 9 、d 7 0 、d 7 1 、 d 9 7 、d 6 2 、d 3 l 、d 1 8 、d 8 2 、d 9 9 、d 9 8 。 2 从相同纹理角度，选择了纹理相同但形- 基黑白反向( 即白纹黑底对黑纹自底) 的5 对1 0 幅纹理图：d 1 0 1 、d 1 0 2 、d 1 0 3 、d 1 0 4 、d 1 0 7 、d 1 0 8 、d 1 0 9 、d 1 1 0 、d l l l 、 d 1 1 2 ；另外，选择了d 1 、d 8 7 、d 1 0 幅组成3 对完全相同的纹理图。 3 从宏观和微观特征考虑，选择了2 4 幅纹理图，其中多数是纯纹理图形，组成了 2 1 个图对：d 3 2 、d 3 3 、d 1 2 、d 1 3 、d 2 、d 7 、d 9 、d 2 4 、1 9 4 、d 5 7 、d 8 0 、d 8 1 、d 5 2 、 d 6 7 、d 9 3 、d 3 、d 2 0 、d 9 1 、d 5 8 、d 5 9 、d 6 1 、d 2 8 、d 1 5 、d 6 8 。 4 挑选了7 对1 4 幅控制纹理图。它l i g 是：d 3 2 、d 3 3 、d 5 2 、d 6 7 、d 1 、d 1 2 、d 1 3 、 d 8 8 、d 1 l 、d 2 1 、d 4 3 、d 1 9 、d 3 9 、d 8 7 、d 4 5 、d 4 8 、d 4 7 、d 4 0 、d 3 8 、d 3 7 、d 6 8 、 d 6 7 、d 5 9 、d 1 0 、d 7 9 、d 8 。 2 1 3 实验装置 本实验的主要实验装置是奔3 计算机。纹理图由1 5 英寸的计算机显示屏配对并排呈 浙江大学硕士学位论文自然纹理前注意和注意知觉特性的比较研究 现，屏幕分辨率为1 2 8 0 ) 1 2 0 4 象素点，每幅纹理图大小为6 4 0 6 4 0 象素点。 2 1 4 实验设计与步骤 本实验采用被试内实验设计。整个实验分前注意纹理相似性知觉实验和注意纹理相 似性知觉实验两个阶段。先做前注意实验，再做注意实验。实验中，6 6 幅纹理图采用不 完全两两配对法，共形成5 2 个图对。为了消除纹理图的呈现顺序效应和图形空间位置效 应，5 2 个纹理图对随机排列成一个呈现序列，一半被试按此序列进行实验，另一半被试 按它的逆序列进行实验，并且左右纹理图交换位置。每一被试在前注意实验和注意实验 中的纹理图对呈现序列是不同的。 2 1 4 1 前注意纹理相似性知觉实验 正式实验时，计算机屏幕上呈现“开始”键，被试用鼠标点击此键后，在即将并列 呈现的两个纹理图交界线的中心位置出现一个“”的注视点，呈现时间为o 5 秒。紧接 着并列呈现两张纹理图，呈现时间为1 0 0 毫秒。纹理图消失后，在纹理圉下方的位置呈 现相似性5 点评价量表：( 1 ) 完全不相似；( 2 ) 略微有点相似；( 3 ) 有点相似；( 4 ) 比 较相似；( 5 ) 非常相似；被试将自己的评价结果用鼠标点击1 ，2 ，3 ，4 或5 数字键( 直 接呈现在相应的评价短语下方) 输入计算机。被试做出反应后，评价量表消失，屏幕上 出现3 个按钮：“修改”、“下一个”、“退出”。被试若击错数字键，可点击“修改”键， 重新呈现评价量表( 纹理图不再呈现) ，重作评价。点击“下一个”键，即开始了对另一 对纹理图的相似性评价。“退出”键用于实验中途中断实验之用。以上述方法，被试完成 5 2 个纹理图对的相似性判断。 正式实验前，每个被试都进行实验训练。主试先向被试说明实验方法和实验要求， 然后被试用非正式实验所用的1 0 对纹理图进行实验训练2 遍。训练的主要目的是让被试 熟悉实验的步骤，练习实验操作的方法，并通过练习，让被试确定比较合适、稳定的评 价标准，以保证正式实验结果的有效性。除了实验材料另选外，训练实验的程序和步骤 与正式实验完全相同。训练完毕后即开始正式实验。 2 i 4 2 注意纹理相似性知觉实验 本实验与前注意阶段实验的主要不同之处是：被试在进行相似性评价时，纹理图始终 呈现，被试可一直观察纹理图片，直到被试认为自己已经做出满意的评价而按“下一个” 键时，本次评价的纹理图对才会消失。其它方面两个实验的程序基本相同。本实验的具 浙江大学硕士学位论文自然纹理前注意和注意知觉特性的比较研究 体做法如下： 首先被试进行训练实验，训i 练过程与前注意实验相同。训练实验共有非正式实验所 用的l o 对纹理图，每个被试训练2 遍。训练完毕后即开始正式实验。 正式实验时，计算机屏幕上呈现“开始”键，被试用鼠标点击此键后，屏幕上立即 并列呈现两张纹理图，并同时在纹理图下方呈现相似性5 点评价量表：( 1 ) 完全不相似； ( 2 ) 略微有点相似；( 3 ) 有点相似：( 4 ) 比较相似；( 5 ) 非常相似。被试在仔细观察、 比较两张纹理图后作出相似l 生判断，然后将自己的评价结果用鼠标点击1 ，2 ，3 ，4 或5 数字按钮( 直接呈现在相应的评价短语下方) 输入计算机。被试做出反应后，评价量表 消失( 纹理图不消失) ，在评价量表的位置上呈现3 个按钮：“修改”、“下一个”、“退出”。 被试若击错数字键，可点击“修改”键，重新呈现评价量表，重作评价。点击“下一个” 键后。即开始对另一对纹理图的相似性评价。“退出”键用于实验中途中断实验之用。以 上述方法，被试完成5 2 个纹理图对的相似性判断。 2 1 5 被试 被试共1 2 名，均为浙江大学研究生，男生5 名，女生7 名，年龄为2 1 - 2 6 岁，双 眼裸眼视力或矫正视力正常，实验后付给定的报酬。 2 1 6 结果分析 本实验采用5 点评价量表研究在前注意和注意阶段各种纹理图对的相似性知觉特 点。5 点量表为：完全不相似；略微有点相似，有点相似，比较相似，非常相似；其得 分分别为1 5 分。表2 - 1 1 是4 5 对纹理图在前注意阶段和注意阶段的相似性评价分 数。如表2 1 1 所示，各个纹理图对的相似性分数不同，但前注意和注意两个阶段的 相似性分数有较高的一致性，相关分析结果表明，r = o 9 2 ，p = o 0 0 0 浙江人学倾i 。学位论文 自然纹理前注意和注意知觉特性的比较j i j l _ 究 表2 一l l实验一4 5 对纹理幽在前注意阶段莆j 注意阶段的相似性评价分 翻对0幽0 实验 1 均值标准差幽对峙i 兰| 呼 实验平均值 标准差 1d 3 2 前注意4 5 0 0 05 2 2 2 1 8d 1 0 4 前注意3 嘲71 0 7 3 1 1 ) 3 3 注意 4 ，1 6 6 78 3 4 8 d 1 0 3 注意4 3 35 1 4 9 2d 5 2 前注意2 4 1 6 77 9 3 0 1 9d 2 0 前注意 1o 咖o o c ) o d 6 7 注