（心理学专业论文）变化觉察中的“拓扑结构”变化与明度变化.pdf

浙江大学硕士论文 变化觉察中的“拓扑结构”变化与明度变化 摘+ 要 变化盲是视知觉中的一种普遍现象，它往往是由于变化发生的过程中同时伴 随了某些外部视觉刺激的干扰，从而导致人们错过很明显的情景变化。这种现象 揭示出在视知觉过程中，人们对客观世界的内部表征至少在意识层面上是很不完 整的。在本研究中，我们主要采用变化觉察的实验范式，通过三个实验来探查拓 扑差异与明度变化对视知觉的影响，特别是视知觉是否敏感于强烈的明度变化。 实验一通过操纵不同类型的客体变化，结果表明人们对客体的空间结构和拓扑结 构的变化觉察成绩显著优于对客体形状的变化觉察。实验二通过操纵客体的不同 明度变化，结果表明人们对明度变化大的差异更容易觉察。在分散注意条件下， 实验三的成绩虽然普遍低于实验二，但两者的整体结果模式是一致的。最后，根 据这些实验结果我们讨论了视觉表征的本质，并提出视知觉对拓扑差异表征的其 他可能解释对明度对比度差异的表征。 关键词：变化盲变化觉察空间结构拓扑差异明度对比 塑望奎兰婴主堡兰一 t w oc u e so fc h a n g ed e t e c t i o n ： t o p o l o g i c a ls t r u c t u r eo rb r i g h t n e s sc o n t r a s t a b s t r a c t p e o p l eo f t e nf a i lt od e t e c tb i gc h a n g e st os c e n e s ，p r o v i d e dt h a tt h ec h a n g e s o c c u r d u r i n gav i s u a ld i s r u p t i o n t h i sp h e n o m e n o nw a sk n o w na s “c h a n g eb l i n d n e s s ”t h e p e r v a s i v e n e s so ft h ei n a b i l i t yt od e t e c tc h a n g e si sc o n s i s t e n tw i t h t h et h e o r e t i c a l n o t i o nt h a tw ei n t e r n a l 3 ，r e p r e s e n tr e l a t i v e l yl i t t l ei n f o r m a t i o nf r o mo u rv i s u a lw o r l d f r o mo n eg l a n c ea tas c e n et ot h en e x t ，i nt h i ss t u d yac h a n g e - d e t e c t i o np a r a d i g mw a s u s e dt oe x p l o r et h en a t u r eo fi n f o r m a t i o nu s e dt or e c o g n i z et o p o l o g i c a ls t n l c t l l r ei n t h r e ee x p e r i m e n t si np a r t i c u l a r , w h e t h e rw ew e r es e n s i t i v et oc h a n g e si nb r i g h t n e s s c o n t r a s t ，e x p e r i m e n t o d e sr e s u l t ss h o wt h a ts p a t i a lc o n f i g u r a t i o no rt o p o l o g i c a l s t r u c t u r ec h a n g e sm a d et ot h eo b j e c tp a r t sa r es i g n i f i c a n t l ye a s i e ra n dq u i c k e rt o d e t e c tt h a nc h a n g e sm a d et ot h es h a p eo fo b j e c tp a r t s e x p e r i m e n t2s h o w st h a t c h a n g e si n c l u d i n gt h es t r o n g e rc o n t r a s t i nb r i g h t n e s sa r es i g n i f i c a n t l ye a s i e ra n d q u i c k e rt od e t e c t t h a nt h o s ei n c l u d i n gt h ew e a k e rc o n t r a s ti nb r i g h t n e s s t b er e s u l t s o f e x p e r i m e n t3u s i n gd i v i d e d a t t e n t i o na p p r o a c hs h o wt h es a m ep a t t e r na se x p e r i m e n t 2 ，t h o u g ht h ed e g r e eo fb l i n d n e s se n c o u n t e r e di sg e n e r a l l ym u c hh i g h e r t h a nt h e f o r m e r t h e s ef i n d i n g sa i ed i s c u s s e di nr e l a t i o nt ot h en a t u r eo fv i s u a lr e p r e s e n l a t i o n s a n dt o p o l o g i c a lp r o p e r t i e s w es u g g e s tt h a tt o p o l o g i c a ls t r u c t u r e i sa l t e r n a t i v e l y e x p l a i n e db yb r i g h t n e s sc o n t r a s t k e yw o r d s ：c h a n g eb l i n d n e s s ，c h a n g ed e t e c t i o n ，s p a t i a lc o n f i g u r a t i o n ，t o p o l o g i c a l s t r u c t u r e ，b r i g h t n e s sc o n t r a s t 2 浙江九学碗l 论文 1 。问题的提出与有关研究概述 1 1 问题的提出 知觉历来是心理学研究中的一个重要领域，也一直是我们特别关心的问题。 随着研究的深入，尽管我们对知觉的实质和过程的理解较过去有了进步，但是一 些重要的问题仍然没有得到解决。 “变化盲”( c h a n g eb l i n d n e s s ) 作为种有趣的知觉现象吸引了我们的注意， 它主要是指整个视觉情景虽然发生了很明显的变化，但是人们往往不能发现这种 变化的现象。大量研究已经表明，不管是在实验室情景下还是在实际生活中， 变化盲现象都是普遍存在的。这种现象揭示出这样一个事实，即尽管我们对客观 视觉世界的主观感觉是如此丰富但实际上我们对视觉世界的内部表征却是非常 不完整的，至少在意识层面上是如此“1 。因此，了解“变化盲”的机制应该对我 们理解知觉很有帮助。 鉴于此我们查阅了大量的有关研究，发现研究者在讨论什么信息变化更容易 导致变化觉察或变化盲时，有一个问题始终被忽略，那就是知觉对象的拓扑结构 变化是否是导致变化觉察的重要因素。因为拓扑结构在知觉中的重要作用从陈霖 ( 1 9 8 2 ) 的研究”1 开始，已是人们熟知的事实。然而当我们试图系统研究拓扑 结构的变化与变化觉察的关系时，却发现陈霖对拓扑结构的解释掘淆了明度对 比，虽然他也曾通过研究试图排除光通量与拓扑结构的混淆“1 ，但还是忽略了拓 扑结构变化导致明度对比( 或颜色对比) 变化的事实。 因此，本研究的主要目的在于，通过采用变化觉察的实验范式来探查拓扑结 构著异与明度变化对视知觉的影响，特别是视知觉是否敏感于强烈的明度变化。 进而探讨视知觉的本质，并提出视知觉对拓扑差异表征的其他可能解释。 进而探讨视知觉的本质，并提出视知觉对拓扑差异表征的其他可能解释。 浙江大学硕士论文 1 2 有关研究回顾 1 2 1 变化盲研究概述 请大家想象一下这样一个情景：在大街上，当一个陌生人跟你问路的时候， 如果一大群人从你们中间穿过，挡住了你的视线并打断了你们的谈话。在这个短 暂的过程中，那个问路的人已经被另一个人替换掉了，但是当你们继续刚才的对 话时，你有多大可能性发现这样的变化呢? 也许你会说这简直太容易了! 假如你正在观看一部电影，其中一个演员正在自助餐厅里就餐，他的肩上披 了一件夹克衫。然后镜头马上切换到他的一个特写，但此时他的夹克衫却挂在他 的座椅背上了也许你也会认为每个人大概都能注意到这种明显的剪辑错误! 但是，最近有关这方面的实验研究发现( 如后文所述) ，人们觉察这种变化 的能力是非常差的。我们把这种不能觉察变化的现象就称为“变化盲”。这里所 讲的变化不同于运动，因为运动主要是相对于位置的改变而言的。觉察变化主要 是指观察者对变化的首次察觉，它不仅涉及到正确地觉察( 报告变化什么时候发 生) 、还包括识别( 报告变化是什么) 以及定位( 报告变化在哪里) 。以往的大量 研究已经表明，在某些情景下，即使变化非常大，并被反复地呈现，甚至明确地 被观察者预期，但人们还是不能觉察到变化i l 6 1 。这种变化盲的产生往往是由于 变化发生的过程中同时伴随了某些外部视觉刺激的干扰，比如，由眼睛扫视所产 生的对视网膜像的干扰、图片的替换、快速的闪烁、眨眼、运动图片的剪切、甚 至发生在真实世界中的遮挡等。 1 2 1 1 实验研究范式 近年来，人们通过对变化盲现象的广泛研究深化了对视知觉的认识，这种认 识上的进步是与其研究技术上的革新是密不可分的。短短几年中，人们已经发展 了大量的研究方法。但几乎所有的方法都是基于一个共同的基本原理：在正常观 察条件下，变化会产生一个能吸引人们注意的瞬时信号。但是当变化发生的时候， 4 浙江大学硕= b 论文 如果引入一个视觉上的干扰，这种瞬时信号就会被消除或者阻挡 1 。变化盲的研 究正是基于这样的一种思想来设计的。干扰可以是整体的。也可以是局部的；当 然，也可以通过持续的缓慢变化来实现，从而把干扰降低到最小程度。 整体干扰 眼睛扫视( s a c c a d i c c o n t i n g e n t ) ：变化发生在观察者眼睛扫视过程中。触发 人们对变化盲产生兴趣的第一个实验就是这样做的“1 ，让观察者在计算机屏幕上 观察一些彩色的同常视觉情景，同时记录他们的眼动。计算机能根据观察者的注 意对象对情景做功能性变化。也即在眼动过程中，计算机诱导出情景的变化。比 如，当观察者的注意力从房间中的门转移到窗户的时候，窗户会发生某种方式的 变化：它或者消失、或者被另外的物体取代、或者改变颜色、或者改变位置等。 类似的研究还有很多，比如g r i m e s ( 1 9 9 6 ) t 射以及h e n d e r s o n 和h o l l i n g w o r t h ( 1 9 9 9 ) “，研究结果都表明如果变化发生在眼睛定像过程中就能被觉察，但是在眼睛 扫视过程中发生的变化却不易被觉察。视觉信息仿佛在跟腈扫视过程中被掩蔽。 插入白屏( g a p c o n t i n g e n t ) ：也许你会认为由眼睛扫视所引起的变化盲现象 大概存在某种生理机制上的原因，但是后来研究者通过巧妙的实验设计也模仿出 了这种现象，使得我们在眼睛注视时也产生了变化盲。即通过在原始刺激( a ) 和变化刺激( b ) 交替呈现的短暂闯隙中，插入一个空自屏幕( b 1 ) 作为干扰刺激根 据刺激呈现的次数的不同，这种方法又可以分为两种范式”： 一种被称为单循环或者迫选范式( o n e s h o to rf o r c e dc h o i c ep a r a d i g m ) ，它是 指在每次试验中刺激只呈现一次，即a - b 1 b 的顺序( 如图1 1 所示) 。被试必需 对变化发生与否作“是”或“否”的反应。这种方法把眼动和长时记忆降低到了 最小程度，可同时分析被试的乐确率和反应时。 另一种被称为闪烁范式( f l i c k e r p a r a d i g m ) ，其中刺激循环往复地呈现，直到 被试觉察到变化或者整个试验结束( 通常每次试验最长持续6 0 秒) 为止，即 a b l b b 1 a b lbb l 的顺序( 如图1 2 所示) 。成绩主要通过反应时来测量。如果 说迫选范式还存在受观察时问局限的置疑的话，那么闪烁范式却允许被试有充分 浙江大学硕l 论文 的时间来加工刺激，因此这里变化盲的结果排除了从记忆中提取信息失败的可 能。使用这种范式的研究已经产生了三个主要的结论川1 ：l ，即使变化没有同步 于眼睛扫视，被试也出现了变化盲。2 ，在第一个交替循环中，被试很少觉察到 变化，而且有的变化甚至在持续一分钟的交替循环中也没有被发现。3 ，相对于 情景边缘或者非注意中心的变化来说，发生在注意中心的变化( 通常与情景的主 题有关) 更容易被觉察。表明注意更容易集中在中心客体，而且反应更快，因而 能够更快地觉察到变化。 图1 1 迫选范式图1 2 闪烁范式 ( 引自r e n s i n k 2 0 0 0 ) 镜头切换( c u t - c o n t i n g e n t ) ：这种方法主要涉及到影视作品中镜头的剪辑， 其中变化发生在一个镜头与另一个镜头的切换过程中。l e v i n & s i m o n s ( 1 9 9 7 ) 做了这个研究2 1 ，他们在实验中让被试看一段录像( 其中有9 处连贯性的错误) ， 看完后要求他们回答是否注意到了其中的变化，然后再让他们看第二遍，并作回 答。结果表明看第一遍的时候，只有一个被试报告看见了一处变化。看完第二遍 后，被试也平均只注意到了两处变化。此外，他们还进一步研究了当时空信息变 化的时候，发生在主要客体身上的变化是否更容易被觉察。他们让4 0 个被试观 看部主要演员发生了变化的录像，结果只有3 0 的人觉察到了这种变化。说 明对于觉察变化而言，注意是必要的但并不是充分的。 遮挡( o c c l u s i o n - c o n t i n g e n t ) ：变化发生在事物被遮挡的过程中。最著名的例 浙江大学硕：| = 论文 于是s i m o n s & l e v i n ( 1 9 9 8 ) 在真实生活中所做的研究”。在大街上，实验者向一 个行人( 被试) 问路，正当他们对话时，另外有2 个人抬了一块门板从他们之间 穿过，无礼地打断了他们的谈话。当被试的视线被门板阻断时，其中一个人取代 了实验者，并继续与行人对话。结果发现只有5 0 的人注意到了这个变化，甚 至两个实验者穿着不同的衣服，有不同的高度和体形，不同的发型以及明显不同 的声音! 进一步分析发现这5 0 的人都是与实验者年龄相仿的学生，那么这是否 说明人们对属于相同社会群体的人的观察更敏锐呢? 后来把实验者都装扮成建 筑工人，结果表明这些学生被试对他们的变化觉察率显著降低了。 局部干扰 最常见的局部干扰技术就是通过泥点( m u d s p l a s h e s c o n t i n g e n t ) 来实现。即 变化发生的同时，通常会有几块小的斑点分布在图片表面上，看起来就像溅在汽 车挡风玻璃上的泥点一样，故称为泥点技术。相对于变化的范围来说，这种干扰 的范围是较小的，并且它通常并不与变化的位鼍冲突，因为变化是发生在整个情 景中。通过这种技术诱导的变化亩现象虽然不如其他方法明显，但仍然发生。 0 r e g a n 等人( 1 9 9 9 ) 的研究表明t 1 4 j 对于注意中心的客体，通常只要变化一出 现被试就能发现。但是对于注意边缘的客体，则不太容易觉察到变化。这种局部 干扰的实验表明即使变化本身并没有被完全遮挡，但是要发现这种变化仍然是困 难的。同时也说明掩蔽并非产生变化盲的必要条件。 渐进变化 这种方法是指原始刺激与变化刺激之间的变化是缓慢的，通常会持续几秒到 几十秒的时间，变化就在这个过程中渐进地发生。这种变化可以体现为情景中客 体的增减，或者是某个客体或某片区域色彩( 或明度) 的变化。s i m o n s 等人( 2 0 0 0 、 的研究表明 15 1 ，被试对客体增减这种变化的觉察率更高，对于色彩的变化通常 很难发现。这类渐进变化的研究表明干扰并不是产生变化盲的必要条件。 1 2 1 2 对空间结构的变化觉察 浙江火学硕士论文 s i m o n s ( 1 9 9 6 ) 研究了空间结构在变化觉察中的作用“”。这个研究以普通客体 的照片以及黑色的两维新异客体为实验材料，通过5 个实验检验了客体特征以及 空间结构变化对视知觉的影响。如果视觉表征抓住了客体特征和整个空间结构的 详细信息，那么被试应当敏感于这样的变化。实验采用迫选范式：连续呈现两幅 关于多个客体排列的图片，中间插入个白屏作为干扰刺激。连续呈现的两幅图 或者是一样的，或者以下列三种方式发生变化：1 ，一个客体被另一个新客体所 取代( 身份变化) ；2 ，现存排列中的两个客体交换一下位置( 交换位置) ：3 ，排 列本身的结构变化( 排列变化) ，其中一个客体被移动到了先前没有占有的空间， 即改变了图像的空间结构。 s i m o n s ( 1 9 9 6 ) 的实验结果表明，在所有实验中，被试对交换位置和身份变化 的觉察是困难的，但是对排列中客体的空间结构的记忆是非常好的。因此他认为 这些结果表明了空间结构和客体特征表征之间存在本质差别。特别是，由于对空 间结构变化的觉察是精确而迅速的，而且不受语言干扰的影响，这样的信息很可 能是在视觉上表征的，而不需要复杂的加工。但是，客体特征则可能是被知觉系 统认为总是保持恒定的，从而允许把客观世界作为一种外部记忆，当需要的时候 就能接近 1 7 1 。因此觉察客体特征的变化需要有意识地觉察客体的细节。 l 。1 3 对单一客体的变化觉察 w i l l i a m s 和s i m o n s ( 2 0 0 0 ) 研究了对三维的单一客体变化程度的效应1 1 8 发现 较小的变化( 根据客体变化部分的数量) 比较大的变化更难被觉察。一个部分的 变化比两个部分的变化更难察觉，反过来，两个部分的变化又比觉察三个部分的 变化更困难。因此，根据变化的程度，变化盲并不是一种“全或无”的效应。 我们敏感于情景和客体排列的空间关系的变化，那么是否我们也敏感于单一 客体的结构变化呢? 视觉加工中是否我们通常敏感于空间结构信息呢? s i m o n e 等人( 2 0 0 3 ) 研究了人们对三维新异客体的三种变化觉察1 9 1 0 他们自创了一类 三维新异客体，每个客体都由一个主干和附加的三个部件组成，类似于 s i m o n s ( 9 9 6 ) 的研究，变化主要发生在三个部件相对于主干的相互关系及其部件 本身的变化。他们定义三维客体的空间结构为部件所占有的空间位置，不同的客 体结构将占有不同的位置。一个客体的结构特征依赖于成分之间的关系，而不是 浙江大学硕士论文 成分本身1 2 0 l 。结果表明人们对客体结构的变化觉察是快速而准确的，而对交换 部件和部件被取代这种变化不敏感。因此，此结果与s i m o n s ( 1 9 9 6 ) 的实验结果是 一致的。 1 2 1 4 有关变化盲的神经机制研究 由于同一个实验情景既能产生变化觉察也能产生变化盲现象，因此对探测与 变化觉察相关的神经机制提供了很好的条件。b e c k 等人( 2 0 0 1 ) 跎采用在分散注 意条件下的双重实验任务，通过事件相关删r j 方法探察了与视觉上变化觉察相 关的神经机制。通过比较由同一刺激引起的变化觉察和变化盲所导致的大脑激活 区域的差异，能揭示出与有意识的变化觉察相关的脑区；相反，通过比较变化盲 与客体本身无变化的脑区激活情况，能反映出由刺激驱动的与无意识加工相关的 神经机制。脑成像的结果表明腹侧视皮层的分类选择区的活动在一定程度上“觉 察”到了变化，但是很不充分。要进行有意识的变化觉察必须要联合背侧视皮层 的顶叶和前额叶等相关脑区的活动。由于顶叶区的活动总是与注意密切相关的， 因此从这种解剖学联系的角度，此研究也说明注意对于有意识的变化觉察具有重 要作用。 1 2 1 5 对变化盲现象的解释 为什么我们对外部世界的视觉感知是如此之丰富多彩，但其有意识的内部表 征却是如此之稀少呢? 当前人们对变化盲现象比较公认的解释还主要归结于 s p e r l i n g 等人在2 0 世纪六七十年代所做的工作，即视觉信息的传递似乎需要通 过一个注意的“瓶颈”，只有极少部分的信息能进入视觉短时贮存，因为视觉短 时贮存的容量是非常有限的 2 2 1 。那么到底哪些信息被保留了呢? 是自动化的呢， 还是有意识加工的呢? 被编码的信息到底取决于观察者的注意状态昵，还是任务 要求昵，或者是观察策略呢? s i m o n s ( 2 0 0 0 ) 对变化盲现象提出了5 种可能的解释1 2 3 ： 第一，覆盖：如果第一个情景的信息还没有来得及被详细加工之前就被随后 的自屏或者是第二个情景所取代，那么就很容易出现变化盲。因为只有对被详细 加工了的客体才能产生成功的变化觉察。 浙江大学坝f + 论文 第二，第一印象：由于对原始情景的第一印象太深了，影响到对随后变化了 的情景的编码。因为人们知觉的目的首先在于觉察意义，如果情景变化并没有改 变这种意义，那么我们就不需要再重新检验变化后情景的特征，也就不必表征变 化后情景的细节信息 2 4 1 。 第三，什么也没保留：在两幅情景快速呈现之后，头脑中几乎没有保留什么 信息，即使有一些信息被保留，那也一定是极少的部分，而且通常是在特定环境 中有重要意义的那部分信息，而不包括所有的视觉特征细节。 第四，全部都保留了但是没有比较：人们的视觉认知系统可能会假定连续呈 现的两幅情景应当是致的，除非情景或客体的意义改变了，并激起了自动地比 较。因此，即使观察者保留了视觉情景中的所有信息，但是仍然会产生变化盲现 象。这种解释也暗示了这样一种可能，即人们内隐她保留了一个特征或客体的痕 迹，即使在他们并不能有意识知觉到的情况下。 第五，特征联合：来自于第一幅情景的部分客体或特征被保留了，来自于第 二幅情景的另一部分客体或特征也被保留了，这些特征结合在一起形成了一个新 的表征。 以往的研究结果对前四种假设都有支持，尤其以支持第一种假设的为多，但 对第五种假设还没有发现支持证据。当前也有部分研究者比较偏向于第四种假 设，比如s i m o n s 等人( 2 0 0 2 ) 的研究 2 5 3 他们也是通过采用生活中的变化盲实验， 但不是实验者本身被替换了，而是表现为实验者身上的某个客体的增减。结果表 明观察者虽然不能有意议地报告实验者身上所发生的变化，但是第一个情景中的 一些特征还是有所保留的。因为当实验者通过试探性提问以提供某种线索的时 候，被试好像“发现”了这种记忆，并能外显报告出变化客体的详细特征。但不 管怎样，目前还没有哪一种假设能解释所有的变化盲实验结果。 综上所述，变化盲研究已经聚焦在探讨各种不同类型的变化觉察和变化盲机 制，以及它与注意、记忆、知觉表征和意识之间的关系等。那么能否把这些研究 与视知觉中的其他典型现象结合起来呢? 浙江大学硕士论文 1 2 2 视知觉中的拓扑学研究 拓扑学研究的是在拓扑变换下图形保持不变的性质和关系1 2 6 | 。这种不变性 质和关系就称为拓扑性质。所谓的拓扑性质是一对一的连续变换，它可以被形象 地想象成橡皮薄膜的任意变形，而不把薄膜剪开或不把薄膜的任意两点粘合起 来。所以拓扑学又称为橡皮薄膜的几何学。例如，三角形可以变成正方形、圆或 其他任意不规则的图形，只要不把它剪开，作为一个连通的整体这个性质，即连 通性，是仍然保持不变的。所以连通性是一种拓扑性质。另外，一个连通的图形 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，具有一个洞的环可 以变形成非常不规则的图形，但是只要不把它剪开或粘合，洞是始终存在的。 陈霖在对多种典型视知觉实验结果进行分析后认为1 2 7j 视知觉组织的心理 现象是视觉过程初期检测大范围拓扑性质的普遍而基本的功能的反映。视觉系统 不仅能检测拓扑性质，而且与局部细节性质比较而言，视觉系统更敏感于大范围 的拓扑性质。并且其发生在视觉过程的初级阶段。陈霖用以下的实验证据支持了 他提出杓视知觉拓扑结构的假设， 1 2 2 1 视觉系统对拓扑差异的敏感性 根据人们的一般经验，圆、三角形和正方形看起来是很不相同的图形，但是 从拓扑学的角度来看，它们都是拓扑等价的、相同的。而圆和环，由于一个没有 洞、一个含有洞，因此它们是拓扑不等价的、不相同的。陈霖采用了三组刺激图 形用于这类实验乃，它们分别是实心圆和实心正方形、实心圆和实心三角形、实 心圆和环。实验时要求被试注视每幅图中心的黑点，每幅图呈现5 m s ，然后呈现 空白屏幕作为掩蔽刺激，干扰视觉系统对刺激图形的知觉。被试的任务是判断刚 才呈现的两幅图形是否相同。 实验结果表明，视觉系统确实更敏感于拓扑性质的差异，也就是更敏感于具 有一个洞的环和没有洞的实心圆之间的差别。对圆和环这组刺激图形的正确报告 率( 即报告它们是不一样的) ，要显著高于圆和三角形以及圆和正方形的正确报 告率。但是，拓扑性质等价的两对图形，圆和三角形与圆和丁f 方形，它们的正确 报告率的区别却没有达到显著性水平。 浙江大学硕十论旦 1 2 2 2 拓扑不变性质和似动现象 陈霖采用“运动竞争技术”来研究拓扑不变性质和似动现象的关系，从而证 实拓扑学的解释的正确性，并排除其他解释性因素的影响。“运动竞争技术” 是指在实验中先后呈现2 幅刺激图形，在第一幅中包含一个位于正中的刺激图 形，第二幅包含位于两边的与中心等距离的两幅图形。对于每一位被试来说可以 调节两幅刺激图形各自呈现的时间和两者之间的时间间隔，以便被试在此实验条 件下产生似动知觉。被试在实验过程中的任务是判断中间的刺激图形看起来是向 左边的图形运动，还是向右边的图形运动。陈霖设计了两对刺激图形，两相比较， 只是中阀的图形有差别，一个是实心的圆，另一个是空心正方形，左右两边的图 形基本保持一致，都是实心正方形和环。研究表明实心圆有向实心正方形运动的 倾向，空心f 方形有向环运动的倾向，也即是中间的图形会倾向于拓扑结构一致 的图形运动。 但是，有人对以上实验结果的拓扑学解释提出过异议，比如有人提出空间频 率的低频成分在似动中起决定作用t 2 8 10 认为在第一对刺激图形中出现的结果是 由于它们都具有较多的空间低频成分。如果要坚持这种空间频率解释的一贯性， 那么对出现在第二对刺激图形中的结果就只能解释为它们具有较多的空间高频 成分。这样把对以上两者空间频率的解释结合起来看，就无异于用另一种说法来 说，“形状的相似性决定了似动”，然而，许多研究早已表明，形状的相似性对似 动的产生是不起作用的1 2 9 o 从而说明“空间低频决定似动”的解释并不符合所 有的实验事实。 除了空间频率之类的解释性因素以外，拓扑性质还普遍受到“光通量”因素 的置疑。即在第一个第二对刺激图形中，中间的图形向跟它拓扑等价的图形运动 的倾向性不是因为它们的拓扑性质丽是出于它们之间具有相似的光通量( 图形面 积) 。确实，有洞或无洞这类拓扑不变性质总是跟图形的面积有一定联系的，特 别是在图形设计中尽可能保持图形的外周尺寸相似的情况下，洞的有无就跟图形 的面积密切相关了，从而导致与光通量密切相关。为此，陈霖特别设计了一对图， 使其中一个图的两个小洞的面积之和跟另一个图的大洞的面积相等，从而使它们 具有相同的光通量，但具有不同的拓扑性质。结果却发现中间的环倾向于向包含 有一个洞的图形运动。因此这一结果否定了光通量的解释，并再一次证实了视知 浙江大学坝士论文 觉的拓扑结构的假设。 1 3 实验假设 本研究的实验假设主要在于： 1 、在觉察简单图形的各种变化情景中，应当发现与对复杂情景变化觉察一 样的现象，即人们最容易察觉的变化是图形整体排列结构( 布局) 变化，而最容 易忽视的是对客体特征性信息的变化。但是对某些凸显的客体特征应当例外，比 如客体拓扑结构的变化。 2 、所谓拓扑结构的变化与明度或颜色对比度有很大关系，或者说在以往的 实验研究中两者是混淆的。操纵对比度的变化应当能产生与拓扑结构变化一致的 效果。 浙江大学坝l 论文 2 实验一：对平面几何图形的几种变化觉察 2 1 实验目的： 验证人们对图形整体排列结构以及局部拓扑特征变化的觉察具有优势，而对 几何外形等其他局部特征性信息产生变化盲的现象。 2 2 实验设计： 单因素被试内设计。因素为变化类型，共有4 水平：无变化，空间排列变化， 几何外形变化，拓扑结构变化。 2 3 实验方法： 2 3 1 被试： 招募的被试为2 8 名浙江大学在校学生，1 2 男1 6 女自愿参加实验，所有被试 矫正视力正常，没有类似的实验经历，在安静的实验室内分别单独参加实验测试， 实验结束后付给被试费。 2 3 2 实验材料： 选用6 种大小基本一致( 外周直径均在3 c m 左右) 的平面几何图形：正方形、 圆、三角形、菱形、五边形、六边形( 分别包含空心和实心两类，所有空心图形 的外周直径与中心直径之比为2 ：1 ) ，所有图形均为黑色。按照每5 个图形为一组 进行随机组合，设计了1 0 张基本图片，图片的背景为白色，每张图片所包含的 5 个几何图形随机分布在9 个可能的位置( 类似3 x3 的矩阵) 上。然后再对这 1 0 张基本图片分别做3 种变化( 如图2 1 所示) ：空间排列变化( 随机选择一个 图形移动到先前不曾占有的空间位嚣) 、几何外形变化( 比如，三角形变成j 下方 形，圆变成五边形等) 、拓扑结构变化( 表现为图形的空心与实心之间的切换) ， 并相应再产生3 0 张图片，每张图片变化的部位随机。因此，本实验总共生成4 0 张图片，图像大小为6 0 0 6 0 0 像数。图片通过自编软件随机呈现在1 7 英寸电脑 显示屏中央，屏幕背景色采用白色。 浙江大学碳七论文 a 2a 3 图2 ，1 不同变化类型示例 ( 其中a 为原形，a 1 为排列变化a 2 为几何外形变化，a 3 为拓扑结构变化) 2 3 3 实验程序； 采用迫选范式，并根据预实验确定呈现时间。在每次试验开始之前，首先在 屏幕中央呈现5 0 0 m s “+ ”作为注视点，提示被试一次新的试验即将开始。紧接 着呈现第一幅图1 0 0 0 m s ，然后呈现空白屏幕5 0 0 m s 作为干扰刺激，最后呈现第 二幅图直到被试做出反应为止。第二幅图或者与第一幅相同，或者以上述3 种方 式发生变化。被试距屏幕的观察距离约为6 0 c m 。被试的任务是判断每次试验所 呈现的两幅图是否发生变化，并做按键反应。要求被试如果明确觉察到了变化， 就按“j ”键，否则就按“f ”键。在被试做出反应之后到下一次试验开始之前有 3 0 0 0 m s 的间隔。正式实验开始之前首先让被试进行8 次练习，并给以反馈，练 习成绩不参加最后的统计分析。待被试完全明白实验要求后开始正式实验，正式 实验总共由6 0 次试验组成，其中一半是相同的，一半是不同的( 每种变化方式 各有i 0 次试验) ，在电脑屏幕上随机呈现。每次试验完毕程序自动记录被试的正 确率和反应时。 实验结束后被试报告实验感受，或主试追加提问被试的实验感受，除了被试 对整个实验的体会外，主要还有两个方面的问题： 浙江大学硕士论文 1 在对图像的觉察中是否有不确定的情况? 在这种情况下，你是如何 进行按键反应的呢? 你认为是什么造成了这种不确定性呢? 2 在你所觉察到的这些变化类型中，你觉得哪种类型的变化最容易觉 察，或者说判断起来更自信? 2 3 4 数据处理： 采用s p s s l 0 0 软件进行数据统计，以实验记录被试的正确率和反应时为因 变量，分别对其进行重复测量方差分析。 2 4 结果与分析 2 4 1 被试在不同变化类型条件下反应正确率的方差分析 由于一个被试的数据不完整，故剔除。因此本实验结果基于对剩下2 7 个被 试的成绩的分析( 详见附表1 ) 。如图2 2 所示，在4 种不同变化类型条件下， 被试对排列变化的平均反应正确率最高( 9 5 - 1 - 0 7 ；m s d ) ，对几何外形的变化 觉察率最低( 5 8 1 0 ) 。单因素重复测量的方差分析表明( 参见附表2 ) ，变化 类型的主效应存在非常显著的差异，f o ，7 8 ) = 1 2 4 3 1 4 ，p 0 0 0 1 。 o 私e 。 塞 0 4 0 - 尤变化 几何外形变化 排列变化拓扑变化 变化类型 e r r o rf l a t ss h o wm n + ，一l 0s d 图2 2 被试在不同变化类型条件下的反应正确率 进一步对4 种变化类型条件下的平均反应正确率进行两两配对比较，结果如 表2 1 所示( 详见附表3 ) ，几何外形变化的平均反应正确率显著低于其他三种变 化类型，p 值均小于0 0 0 1 。但是，被试对无变化、排列变化以及拓扑结构变化 这三种变化类型之间的反应正确率却无显著差异( 无变化与排列变化之间， 浙江大学硕1 ：论文 p = 0 1 4 4 ；无变化与拓扑变化之间，p = 0 4 6 4 ：排列变化与拓扑变化之间，p = 0 2 3 2 ) 。 表2 1不同变化类型条4 - 1 ：下反应正确率的两两比较 注：”表示p 0 0 0 1 2 4 2 被试在不同变化类型条件下反应时的方差分析 被试在不同变化类型条件下的平均反应时如图2 3 所示( 详见附表4 ) 。对其 进行单因素重复测量的方差分析，结果表明( 参见附表5 ) ：变化类型的主效应 存在非常显著的差异，f ( 3 ，7 8 ) = 2 5 5 2 7 ，p 0 0 0 l 。 反 应 时 昌 囊i i i 无变化几何外形变化 排列变化拓扑变化 变化类型 e r r o rb a r ss h o wm e a n + ，1 0s d 图2 3 被试在不同变化类型条件下的平均反应时 表2 2 不同变化类型条件下反应时的两两比较 注： + 表示p 0 0 0 l 进一步对4 种变化类型条件下的反应时进行两两配对比较，结果如表2 2 所 示( 详见附表6 ) ，被试对“无变化”和几何外形变化的觉察反应都较慢，而且 1 7 浙江大学硕士论文 两者无显著差异，p = 0 3 9 7 。对整体排列变化的觉察最快( 7 4 3 - - - + 9 3 m s ；m s d ) ， 对拓扑变化的觉察次之( 8 0 6 9 5 m s ) ，统计检验表明，两者存在显著差异 ( p o 0 0 1 ) 。而且它们与“无变化”和几何外形变化之间的差异也都非常显著( 所 有p 0 0 0 1 ) 。 2 5 讨论： 在本实验中，为了更好地防止被试在反应过程中进行猜测，我们要求被试在 做“变化”反应时，必须采取较严格的反应标准。结果表明，这个控制是成功的， 所有被试的平均虚惊率只有8 。这个较低的虚惊率不仅表明被试对他们的反应 高度自信，而且说明他们的反应是基于对变化的充分意识的基础上的。实验后被 试的反馈也证实了这点。 同样，被试对“无变化”的反应正确率高，但反应时却较长，这也符合视觉 搜索任务中常见的一种典型情况，即由于对目标的期待，从而导致当目标没有出 现时的绩效往往比目标出现时的绩效更糟。 在发生变化的几种类型中，被试对整体排列变化的觉察率最高，而且反应最 快。这与s i m o n s ( 1 9 9 6 ) 的研究结果是一致的，也说明视知觉中整体加工的优势性。 同时，我们也可以看出，在对单个图形特征所做的两种变化类型中，被试对拓扑 特征的变化觉察成绩显著好于对几何外形的变化觉察成绩，甚至在正确率上与对 排列变化的觉察成绩无显著差异。由于它们同属于对客体特征性信息的改变，而 且变化的范围都是一样的，即都是在单个图形范围内所做的变化，按照前面有关 变化盲的研究理当预期对两者的觉察应当无差异才是，但结果却是出人预料的。 而且实验后几乎所有的被试都认为他们对排列变化的觉察最为自信，其次就是对 拓扑结构变化的觉察( 按照被试的话来说就是仿佛是直接的、不需要太多的认 知努力) 。相反，绝大多数被试认为最难以觉察的是几何外形的变化，仿佛在还 没有记清楚它们的形状之前，就被后来呈现的图片掩蔽了，或者是只记住了部分 图形，但是后来变化的却不是这部分。因此它们之间的差异很明显反映出视知觉 对拓扑结构差异的敏感性，这似乎非常符合陈霖所提出的“视知觉拓扑结构”的 假说。但是我们发现在拓扑结构改变的同时，明度对比度也发生了很大的变化。 那么明度对比度的变化是否也能导致相同的结果呢? 浙江大学坝i 论立 3 实验二：对明度对比变化觉察的实验研究 3 1 实验目的： 通过改变图形的明度对比度，来研究人们对明度对比度差异变化的敏感性。 3 2 实验设计： 单因素被试内设计。因素为变化类型，共有5 水平：无变化，明度变化i ， 明度变化1 i ，明度变化i ，其他类型的变化。 3 3 实验方法： 3 3 1 被试： 招募的被试为2 8 名浙江大学在校学生，1 2 男1 6 女自愿参加实验，所有被试 矫正视力正常，没有类似的实验经历，在安静的实验室内分别单独参加实验测试， 实验结束后付给被试费。 3 3 2 实验材料： 选用6 种大小基本一致( 外周直径均在3 c m 左右) 的平面几何图形：f 方形、 圆、三角形、菱形、五边形、六边形( 分别包含空心和实心两类，所有空心图形 的外周直径与中心直径之比为2 ：1 ) ，所有图形均为黑色。按照每5 个图形为一组 进行随机组合，设计了1 0 张基本图片，图片的背景为白色，每张图片所包含的 5 个几何图形随机分布在9 个可能的位最( 类似3 3 的矩阵) 上。同时保证每 张图片都包含两个空心图形，并用5 0 的扶度色把其中一个图形的空心部分填 充。然后再对这1 0 张基本图片分别做4 种变化( 如图3 1 所示) ：明度变化i ( 把 中心灰度为5 0 的图形变为中心灰度为3 0 ) ：明度变化i i ( 把中心灰度为5 0 的图形变为中心灰度为0 ) ；明度变化i i i ( 把中心灰度为5 0 的图形变为中 心灰度为1 0 0 ) ；其他类型的变化( 实验一所产生过的变化类型，比如整体排 列变化、拓扑结构变化、几何外形变化等。设置此类变化类型的目的是防止被试 在本实验中只把注意力集中于图片的某些部分，其成绩仅作为衡量被试注意力分 配的一个参考，并不参与数据分析) ，并相应再产生4 0 张图片，每张图片变化的 部位随机。因此，本实验总共生成5 0 张图片，图像大小为6 0 0 6 0 0 像数。图片 浙江大学硕士论文 通过自编软件随机呈现在1 7 英寸电脑显示屏中央，屏幕背景色采用白色。 图3 1 不同变化类型示例 ( 其中a 为原形，a 1 为明度变化i ，a 2 为明度变化，a 3 为明度变化i i i ) 3 3 3 实验程序； 采用迫选范式，并根据预实验确定呈现时间。在每次试验开始之前，首先在 屏幕中央呈现5 0 0 m s “+ ”作为注视点，提示被试一次新的试验即将开始。紧接 着呈现第一幅图1 0 0 0 m s ，然后呈现空白屏幕5 0 0 m s 作为干扰刺激，最后呈现第 二幅图直到被试做出反应为止。第二幅图或者与第一幅相同，或者以上述4 种方 式发生变化。被试距屏幕的观察距离约为6 0 c m 。被试的任务是判断每次试验所 呈现的两幅图是否发生变化，并做按键反应。要求被试如果明确觉察到了变化， 就按“j ”键，否则就按f 键。在被试做出反应之后到下一次试验开始之前有 3 0 0 0 m s 的间隔。正式实验开始之前首先让被试进行8 次练习，并给以反馈，练 习成绩不参加最后的统计分析。待被试完全明白实验要求后开始正式实验，正式 实验总共由8 0 次试验组成，其中一半是相同的，一半是不同的( 每种变化方式 各有1 0 次试验) ，在电脑屏幕上随机呈现。每次试验完毕程序自动记录被试的正 确率和反应时。 浙江大学硕士论文 实验结束后被试报告实验感受，或主试追加提问被试的实验感受，除了被试 对整个实验的体会外，主要还有两个方面的问题： 1 在对图像的觉察中是否有不确定的情况? 在这种情况下，你是如何进行 按键反应的呢? 你认为是什么造成了这种不确定性呢? 2 ，在你所觉察到的这些变化类型中，你觉得哪种类型的变化最容易觉察， 或者说判断起来更自信? 3 3 4 数据处理： 采用s p s s l 0 0 软件进行数据统计，以实验记录被试的正确率和反应时为因 变量，分别对其进行重复测量方差分析。 3 4 结果与分析 3 4 1 被试在不同变化类型条件下反应正确率的方差分析 被试在5 种变化类型条件下的平均反应正确率如图3 ，2 所示( 详见附表7 ) 。 被试对“其他”变化类型的觉察率较高( 7 3 ，1 l ；m s d ) ，表明被试在观察过 程中，是把注意力放到了整张图片上的，而不是仅仅局限于某个部分。对剩余的 4 种类型进行单因素的重复测量方差分析( 参见附表8 ) ，结果表明。变化类型的 主效应存在非常显著的差异，f ( 3 ，8 1 ) = 1 8 4 4 3 1 ，p o 0 0 1 。 1,00一 l = r r o rb a r ss h o wm e a n + ，- 1 0