（基础心理学专业论文）不规则几何图形识别中轮廓曲率极性加工的研究.pdf

不规则几何图形识别中轮廓曲率极性加工的研究 摘要 摘要轮廓曲率极性指的是轮廓曲率弯曲的方向，朝向图形中心弯曲的 曲率就是凹曲率，本研究中称为凹状，朝向背景弯曲的曲率就是凸曲率，本 研究中称为凸状。到目前为止，研究者对在轮廓曲率加工中个体对两个极性 中倒底哪一个更敏感还存在争论，对曲率的两个极性的敏感性的原因也没有 达成一致，有些研究者认为个体对轮廓曲率极性的敏感性是随着轮廓的结构 而改变的，如果凹状和凸状所在部分改变了轮廓的结构，那么个体对其二者 都敏感，如果没改变轮廓的结构，那么个体对二者都不敏感( 这里轮廓的结 构的改变是指原来是直线的地方变化成凹状或者凸状；轮廓结构不变指的是 原来是凹状的地方仍是凹状，原来是凸状的地方仍是凸状) 。 本研究从轮廓曲率的两个极性入手，采用眼运动追踪技术从即时的加工 过程角度来考察个体对曲率的两个极性凹状和凸状这两种轮廓的加工。实验 一的设计是在改变轮廓结构的前提下，探讨个体对曲率两个极性的加工是否 存在差异；实验二是在不改变轮廓结构的前提下，探讨个体对曲率两个极性 的加工是否存在差异。 通过对实验结果进行分析和讨论，得出如下结论： 1 2 3 在改变轮廓结构的前提下，从总注视时间、注视次数、眼跳距离等眼动 指标来看，个体对轮廓中的凹状的加工比对凸状的加工更敏感； 个体对轮廓中的凹状的敏感性并不是因为其改变了轮廓的部分结构的原 因，在其不改变轮廓部分结构的前提下，个体对凹状的敏感性仍然大于 对凸状的敏感性。 个体对轮廓中凹状的敏感性大于对凸状的敏感性的原因是凹状离图形的 中心要比凸状更近一些，个体只需要较小的眼跳距离、较少的注视时间 就可以对凹状进行识别，而凸状则需要个体花费更多的心理资源。 关键词曲率极性；图形识别；轮廓结构 不规则几何图形识别中轮廓曲率极性加工的研究 a b s t r a c t c o n t e n tt h ec u r v a t u r ep o l a r i t ym e a n st h ec u r v i n gd e g r e eo ft h ec o u n t e r , t h e c u r v a t u r et h a tt o w a r dt h ec e n t e ro ft h es h a p ei st h ec o n c a v i t y , i n s t e a d ，t h ec u r v a t u r e a w a yt h ec e n t e ro ft h es h a p ei st h ec o n v e x i t y s of a r , w h i c ho n e i sm o r es e n s i t i v ei s s t i l la na r g u m e n t ，a n dt h er e a s o nw h yi ti sm o r es e n s e t i v ei sa l s oa na r g u m e n t s o m er e s e a r c h e r si n s i s tt h a tt h es e n s i t i v i t yt ot h ec u r v a t u r ei sr e l a t e dt ot h ep a r t s t r u c t u r eo ft h ew h o l es h a p e ，i ft h ec u r v a t u r eh a sc h a n g e dt h es t r u c t u r e ，i tw i l l s e n s i t i v i t yt ot h eo b s e r v e r , o nt h ec o n t r a r y , i tw i l ln o t ( t h ec h a n g e ds t r u c t u r eo ft h e s h a p em e a n st h a tt h ec o n t o u rc h a n g e df r o ms t r a i g h tl i n et oc u r v e ds h a p e ，t h es t i l l n o tc h a n g e ds t r u c t u r em e a n st h a tt h ec o n c a v i t ya l s ot h ec o n c a v i t y , t h ec o n v e x i t y a l s ot h ec o n v e x i t yi no n es h a p e ，t h e c h a n g e do n ei s t h em a g n i t u d eo ft h e c u r v a t u r e ) t h i sr e s e a r c hg e ti n t ot h et o p i cf r o mt h ep o l o r i t yo ft h ec u r v a t u r e ，t h ep u r p o s e i st h a tw h i c hi sm o r es e n s i t i v et ot h eo b s e r v e r , t h ec o n c a v i t yo rt h ec o n v e x i t y 7 t h e f i r s te x p e r i m e n ti si nt h ec o n d i t i o no ft h ec h a n g e dc o n t o u rs t r u c t u r e ，p r o b et h e d i f f e r e n c eb e t w e e nt h et w oo n e s ；t h es e c o n de x p e r i m e n ti si nt h ec o n d i t o no ft h e c o n t o u rs t r u c t u r ed o e s n tc h a n g e ，p r o b et h ed i f f e r e n c eb e t w e e nt h et w oo n e s 。 f r o mt h ea n a l y s i sa n dt h ed i s c u s s i o no ft h ee x p e r i m e n t ，w ec r m et ot h e c o n c l u s i o nt h a t ： lw h e nt h ec u r v a t u r ec h a n g e dt h ec o n t o u rs t r u c t u r e ，f r o mt h et o t a lf i x a t i o n t i m e ，t h ef i x a t i o nt i m e sa n dt h ed i s t a n c eo ft h es a c c a d e ，w ec o c l u d et h a t ：t h e o b s e r v e ri sm o r es e n s i t i v et ot h ec o n c a v i t y 2w h e nt h ec u r v a t u r ed o e s n tc h a n gt h ec o n t o u rs t r u c t u r e ，t h eo b s e r v e ri s a l s om o r es e n s i t i v et ot h ec o n c a v i t y 31 1 1 er e a s o nw h yt h eo b s e r v e ri sm o r es e n s i t i v et ot h ec o n c a v i t yi st h a t ，t h e c o n c a v i t yi st o w a r dt h ec e n t e ro ft h es h a p ew h e r e a st h ec o n v e x i t yi sf a r a w a yt h ec e n t e ro ft h es h a p e ，o b s e r v e rn e e ds m a l ls a c c a d ea n dl e s sf a x i t i o n t i m et op e r c e i v et h ec o n c a v i t y , b u tt h eo b s e v e rn e e dm o r em e n t a lr e s o u c e s t op e r c e i v et h ec o n v e x i t y k e y w o r d s c u r v a t u r ep o l a r i t y ；p i c t u r er e c o g n i t i o n ；c o n t o u rs t r u c t u r e i l 不规则几何图形识别中轮廓曲率极性加工的研究 学位论文独创性声明 本人承诺：所呈交的学位论文是本人在导师指导下所取得的研究成果。 论文中除特别加以标注和致谢的地方外，不包含他人和其他机构已经撰写或 发表过的研究成果，其他同志的研究成果对本人的启示和所提供的帮助，均 已在论文中做了明确的声明并表示谢意。 学位论文作者签名：唯教f 怒 日 期：妒夕f t 妒 学位论文版权的使用授权书 本学位论文作者完全了解辽宁师范大学有关保留、使用学位论文的规定， 及学校有权保留并向国家有关部门或机构送交复印件或磁盘，允许论文被查 阅和借阅。本文授权辽宁师范大学，可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库并进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编 学位论文。保密的学位论文在解密后使用本授权书。 学位论文作者签名：鼢恕 3 7 指导教师签名：z 分l - 5 e l期：矽，工w 不规则几何图形识i i , j e v 轮廓曲率极性加工的研究 己l 吉 i 目 在人的感觉器官中，眼睛是最活跃的器官，眼睛的运动在视知觉中起着 重要的作用，对它们进行分析可以揭示有关知觉过程的加工机制。眼运动追 踪技术是一种实时的眼运动记录技术，眼动实验具有较高的生态效度，眼动 的时空特征是视觉信息提取过程中的生理和行为表现，其与心理活动直接或 间接的关系是具有重要的科学意义的。在眼动实验中，可以通过分析各种眼 动指标来考察整个认知加工过程。 图形在人们的生活中无所不在，无论是现实中的高楼大厦，还是画家的 名著中，都有图形的影子。相对于文字来说，图形材料更加直观，一目了然， 它携带的信息量更大，一个图形就可以表达一个完整的含义。对图形的眼动 研究可以追溯到2 0 世纪7 0 年代，b u s w e l l 和y a r b u s 研究了人们在图画观看中 的眼睛运动模式，从更加及时的信息记录角度揭示了个体的潜在的心理加工 策略和机制。到目前为止，眼动方法越来越多地被应用于图形识别的理论研 究。 对轮廓曲率的研究是图形研究的一个方面，主要关注的是轮廓曲率对个 体在) j n - r _ 图形时所产生的影响。曲率就是曲线弯曲的程度，曲率不同，个体 在加工时所表现出来的兴趣也是不同的。以往的研究表明，个体对轮廓中高 曲率的轮廓部分比低曲率的轮廓部分更加敏感，如果把这些高曲率的轮廓部 分删除的话，个体对图形识别的正确率将大大降低，甚至不能识别。还有部 分研究者对轮廓的曲率极性( 凹状和凸状) 非常感兴趣，已有的研究发现曲 率极性的不同可以引起个体不同的加工方式，有些研究者认为个体对凹状的 加工会更敏感些，但是有的研究者认为个体对曲率极性的敏感性是取决于轮 廓结构的，如果凹状和凸状所在的部分改变了轮廓的整体结构，那么个体对 二者都敏感，如果凹状和凸状所在的部分没有改变轮廓的整体结构，那么个 体对其二者都不敏感。 那么个体对两种曲率的加工方式倒底是怎么样的呢? 本研究将采用眼动 技术，及时地跟踪个体的加工过程，从眼动的指标来分析个体对不同的曲率 极性的加工方式，探讨个体对其二者的加工是否存在差异。 不规则几何图形识别巾轮廓曲率极性加工的研究 第一章理论研究和文献综述 1 1 轮廓曲率极性的概念和相关研究 物体的轮廓是由线条构成的，可以称为轮廓线，是指一些构图中个体、 群体或景物的外边缘界线，是一个对象与另一个对象之间、对象与背景之间 的分界线。在一个具体的物体当中，构成轮廓的线条有直线也有曲线，这些 线条共同组合成图形。相对于直线来说，曲线是弯曲的，这个弯曲的程度就 是曲率，在一个物体的轮廓当中，线条弯曲的方向是不同的，有朝着图形中 心弯曲的，也有朝着背景弯曲的，我们把曲线的这两个属性称为曲率的两个 极性，朝着图形中心弯曲的曲率称为凹状，朝着背景弯曲的曲率称为凸状。 关于曲率和曲率极性的概念详细解释如下： 1 1 1 轮廓曲率的概念 曲率就是表示曲线弯曲程度的量，平面轮廓曲线的曲率就是针对曲线上 某个点的切线方向角对弧长的转动率，通过微分来定义，表明曲线偏离直线 的程度。曲率越大，表示曲线的弯曲程度越大。 。 1 ，0 )火7 ，o k 7 ( 4 。- 3 ) 1 1 2 轮廓曲率极性的概念 图1 轮廓曲率示意图 曲率极性( c o n 协u rc u r v a t u r ep o l a r i t y ) ，简称c c p ，是物体轮廓的一个特殊 属性，指的是物体轮廓的凹凸程度。我们大家都知道，极指的是物体的两个 极端，比如：南极一北极，在本研究中，轮廓中的曲率极性指的是凹极性和凸 极性。本研究中，我们称为凹状和凸状。在以往的研究中，有人把凸状表示 为“+ ，把凹状表示为“一 。这很形象的表示了两种不同的曲率极性所具有 2 不规则几何图形识别中轮廓曲率极性加工的研究 的特征。 图2 曲率极性不意图，“+ ”代表凸状，“一”代表凹状 在图2 中，“+ 部分代表的轮廓就是这个图形的凸状，而“一部分代表 的轮廓就是这个图形的凹状。轮廓的曲率极性在某个部分中的特征是非常明 显的，因为它在图形的部分结构中处于携带信息量最大的区域，在图形知觉 中，凸极性所在的区域( 凸状) 容易被知觉为图形，而凹极性所在区域( 凹状) 容易被知觉为背景瞳1 。 在轮廓的曲率研究中，对凹状和凸状的加工方式的研究非常重要，因为 这可以反应人脑潜在的加工方式。在本研究中为了探讨凹状和凸状加工方式 的不同，我们将采用不规则多边形作为研究材料，对其特定的某条边进行凹 状和凸状的变化，进而考察不同的曲率极性在加工中的策略方式。 在本研究中，我们采用不规则的多边形作为研究材料。图形如下图描述， 在这个不规则多边形中，相邻的两条边组成一个角，这个角有朝向图形中心 的，有远离图形中心的。我们把朝向图形中心的角定义为凹状，把远离图形 中心的角定义为凸状。 凹 状 图3 本研究中的凸状和凹状示意图 不规则几何图形识别中轮廓曲率极性加工的研究 1 1 3 轮廓曲率加工的研究历程 人们对物体的识别通常情况下是凭着物体本身的轮廓和边界进行的口1 ，这 个轮廓和边界把物体和它周围的背景区分开，所以视觉系统似乎是先对物体 的轮廓和边界进行加工，然后再加工物体其它的表面信息h 5 1 。这样一来，关 于轮廓就产生了非常有趣的问题：在轮廓上是否有其它的信息存在? 如果存 在的话，这些信息是否可以告诉我们个体对图形的视觉加工的潜在心理机 制? 在最近的研究中，很多研究者对轮廓的信息含量问题给予了高度的关注， 主要从实验和理论两个方面来对这个问题进行探讨。实验方面有d ew i n t e r 哺1 等人，理论研究有f d d m a n 、r e s n i k o 群7 8 1 等人。研究的结果主要有两个方面， 其一是一个非常古老的内容，就是对轮廓的曲率幅度进行研究，研究的结果 表明，在图形识别中轮廓上高曲率的的部分所携带的信息量要大于低曲率的 部分阳1 们；其二是对轮廓的曲率极性进行研究，研究结果表明，在图形识别中 轮廓上所含有的信息量是不相等的，一些地方含有的信息量要大于其它的地 方。到目前为止人们对于第一个研究结果已经达成一致，没有异议。但是对 于第二个研究结果的研究还有待深入，倒底轮廓中哪些部分( 指凹状和凸状) 携带的信息量大，哪些部分对于个体来说更加敏感，哪些部分是人们识别图 形的关键特征还没有定论，另外对于为什么有些部分比其它部分携带信息量 大的解释还存在不同的争论。 就像a t t n e a v e n 们所提出的主张，对一个图形的轮廓部分进行命名和指定 在我们对图形表征的心理操作中起着非常重要的作用。对图形的轮廓曲率进 行探究，可以使我们更多地了解形状的表征机制。通过对以往文献的分析， 本文对轮廓曲率的研究做一下理论概述： 1 1 3 1 轮廓曲率幅度的研究 对轮廓曲率幅度的研究可以追溯到1 9 5 4 年。a t t n e a v e n 们认为图形轮廓的 曲率大小是一个非常重要的心理维度。在他的研究中，他采用一幅猫的轮廓 图片，这幅图片是这样构成的：选择一些高曲率的轮廓点，然后把这些点用 直线连接起来，这样形成的幅猫的图片非常容易识别。a t t n e a v e 发现，被试 4 不规则几何图形识别中轮廓曲率极性加工的研究 对高曲率的轮廓部位非常感兴趣，对这些点给予了非常多的注视。下面这幅 图片就是大家所共知的a t t n e a v e 的“猫 。 图4a t t n e a v e 的“猫”图片 在呈现给被试包含多个物体的复杂图片时，被试存在视觉盲区，即对图 片发生的变化不能觉察到。在b i e d e r m a n 1 的研究中，让被试识别两种不同的 图形，第一种是删除高曲率的轮廓线后的图形，而另一种图形是删除低曲率 轮廓线的图形。结果发现，被试对删除高曲率的轮廓线的识别成绩要低于删 除低曲率轮廓线的成绩，也就是说高曲率轮廓线在图形的识别中占有着重要 的地位，是图形识别的关键特征，这也显示出高曲率值的轮廓部分在认知加 工中的作用。 近年来，衄率被发现有心理学上的重要意义，许多研究都开始关注曲率 在图形识别中的重要性。f c l d m a n 和s i n g h n 羽的研究表明曲率弯曲的最高点在 一个图形中是携带信息最大的部分。所以，在一个非常具体的图形中，这些 高曲率的轮廓携带的信息比图形其它任何一个部分携带的信息都要多。 1 1 3 2 轮廓曲率极性的研究 在f e l d m a n 和s i n g h 的研究中，他们发现，在一个封闭的图形当中，毫不夸 张地说，凹状携带的信息要比凸状多得多n 刳。h o f f m a n 等的研究发现在形状的 理论研究中，曲率极性具有非常重要的作用，个体在对凹状和凸状的加工中 存在着差异，在知觉部分结构的背景下，对凹状的敏感性要比对凸状的敏感 性更明显一些n 3 “4 1 。k o c n d e r i n k 和d o o m n 5 3 从美术史的角度引用的理论分析与 实践指出，正面的曲率部分( 凸状) 通常被视为具有“t h i n g l i k e 的特征，而 负曲率部分( 凹状) 被视为具有“g l u e l i k e 特征。h o f f m a n 和r i c h a r d s u 即在他 5 不规则几何图形识别中轮廓曲率极性加工的研究 们关于部分分割的开创性文章中提出，视觉系统使用负极小的曲率( 凹状) 来把形状分割成几个部分。因此，所有的曲率极性( 即凹状和凸状) 在心理 操作上均不能一视同仁，那些凹状获得特殊的地位，作为被知觉的图形部分 之间的边界来看待，而凸状则不是。在相当多的实验研究中已经表明，对凹 状和凸状的加工是不对称的，这两种曲率极性在图形识别中的作用是不能等 同的。这些实验包括：探头歧视( p r o b ed i s c r i m i n a t i o n ) n 7 1 、位置判断n 朝、 形状记忆n 9 1 、形状和背景的知觉呦1 、完形加工他、透明度知觉乜2 1 以及视觉搜 索2 3 2 4 3 等。 在一项视觉搜索非对称性研究中，实验材料包括两个部分，一部分是凹 状的实验材料，另一部分是凸状的实验材料。被试的任务有两个，一个是在 一堆凹状中搜索一个凸状，另一个任务是在一堆凸状中搜索一个凹状，结果 发现后一个任务比前一个任务更容易检测到乜2 2 3 。 1 2 图形识别的概念和相关的眼动研究 1 2 1 图形识别的概念 有人提出乜朝：人们利用已有的知识经验和当前获得的信息，确定知觉到 的图形是什么，叫做图形识别。毫无疑问，图形识别是识别并且对识别的图 形做出判断的一个过程。研究者为了探查图形识别的心理机制，从多个角度 进行了大量研究。 关于图形识别的研究最早可以追溯到1 9 世纪后期，格式塔学派曾提出一 些知觉原则，如知觉的相似性原则、知觉的接近性原则等。2 0 世纪6 0 年代以 后，由于认知心理学的兴起，图形识别的研究取得了重要的进展，研究者建 构了各种理论模型，对图形识别过程进行解释。例如模板匹配模型乜引、知觉 图式模型乜 、计算匹配理论乜引、启动模型啪1 等等。另外，关于图形识别的模 型还有从上到下和从下到上的加工模型、功能分离模型等等。 在图形识别的眼动研究中，一般要求被试对目标图形进行命名、再认、 匹配等作业任务。命名作业通常要求被试对呈现在面前的图形进行尽量快速 而准确的判断，对其命名；再认作业中作为实验材料的图形分为目标图形和 比较图形两种，一般在电脑上先呈现目标图形，相继呈现比较图形( 可能是 目标图形中的某个物体被删除或替代，或做某种改变等) ，被试的任务是判断 6 不规则几何图形识别中轮廓曲率极性加工的研究 比较图形与目标图形是否一致：匹配作业的作业任务是，先在屏幕上呈现目 标图形，接着呈现几个比较图形，被试的任务是判断比较图形中的哪个图形 与目标图形一致。 1 2 2 图形识别的相关的眼动研究 1 2 2 1 图形识别中眼跳目标的眼动研究 尽管人们体验外部世界时的视觉是连续的、详细的，但是这个知觉是产 生在变化的、不连续的输入信息基础上的。视觉高度敏锐的中央凹是相当有 限的，大概有2 。的视角。眼睛要解决图形中物体和兴趣点的细节问题，就必 须通过眼跳以每秒大概三次的比率从一个位置指向另一个位置m _ 。由于眼 跳目标是在视野之内被有代表性地进行选择的，所以对图形的知觉可以被刻 画成对外部世界的一系列重叠的快照，并利用眼动把外围的视觉带到视觉中 心来。 h e n d e r s o n 口2 1 提出在跨眼跳图形识别中两种表示法( 类型和表征) 的独立 作用。首先，储存在头脑中的物体表象促进图形的识别，这个促进是受到图 形类型的表象激活所驱策的，它在识别过程的系统中被抽象成表象。其次， 短期的、存在于时间与空间中的、图形表征的插话式的表象也促进图形的识 别。 g a j e w s k i 和h e n d e r s o n 口3 3 的实验中，他们发现不管预览图形的眼跳目标 状况如何，都能观察到场独立和场依赖预览的作用。这个结果说明，类型和 表征两种表象系统理论对图形识别中信息整合的贡献是独立的。 1 2 2 2 图形识别中知觉广度的眼动研究 图形的知觉广度是指一次注视中所获得的图形信息口钔。对图形中变化物 体识别的知觉广度的眼动研究主要集中在图形中的物体倒底在多大的视觉区 域内能够被迅速识别的研究上面。2 0 世纪7 0 年代p a r k e r 明得出了很重要的结 果。在他的研究中，图片中目标物体之间相距1 0 。，在进行图片认同的实验任 务时，被试能准确并快速的觉察出删除的目标物体，这意味着被试能觉察改 变而且很快的把注意力移动过去，p a r k e r 推断“这个结果意味着在图形识别中， 7 不规则几何图形识别中轮廓曲率极性加工的研究 信息是从一个很广的区域获得的，并且被用于指引眼睛的注视点和做出反应 决定上。 p a r k e r 的研究结果引起了很多争议。n e l s o n 和l o f t u s 哪3 发现，距离注视 点2 6 。以内范围的物体通常能被识别；不过，在某种程度上识别还取决于物 体的性质。他们认为，性质不同的信息应位于注视点1 5 。之内的区域才能被 识别。而在j o h n 等 的研究中，他们把p a r k e r 在实验中所用的图片换成是全 部带有颜色的复杂图片，并且每一幅图片只测试一次时，得到的结果是：在 记忆测验中对要识别物体的平均眼跳的广度在所有的情况下的视觉角度都小 于4 5 。，而且在跨条件下是平均4 1 。他们得出结论，图形中物体呈现和 识别的信息是被限制在目前注视点周围的一个相关很小的区域内的。 1 2 2 3 图形识别中加工策略的眼动研究 1 图形识别取样取样策略的眼动研究 “取样是工程学中的一个术语，人工智能专家b r o o k s 口8 1 认为人的主动性 取样行为是整个视觉动态行为系统的一个重要组成部分，它使视觉只在需要 时对所选定的信息以交互作用方式进行可调控的部分加工。在图形识别中， 被试不可能对图形的每一个细节都去进行比较识别，相反，在识别的过程中， 是有一个取样的过程的，通过这些取样特征进而识别图形。 曹立人通过对不规则几何图形的取样策略研究，提出图形识别是一个主 动的认知过程，这个过程由信息的扫视、取样、记忆提取、比较、决策、输 出( 或贮存) 等环节组成口引。 每一个形状都有不同的组成部分，那么哪些部分容易受到关注呢? 被试 感兴趣的区域是什么样子的呢? a n t e s 发现在视觉搜索中，被试先用较大的跳 动和较短的注视来选择信息密度大的区域。逐渐地，注视转移的频率降低， 最后用更长的时间去注视那些信息量较少的细节“制。曹立人h 妇在研究不规则 几何图形时，对其取样首视点进行了研究。作业任务有认同与匹配两种，显 示方式有良好与不良两种，绩效指标用反应时与错误指数两项。结果表明： 首视点的分布是非均匀的，落在轮廓部位的概率最大，落在中央或某特定边 的概率极小。首视点分布的均匀度与作业难度有关。在作业难度较大的情况 下，首视点分布趋于集中。多数情况下，首视点的位置对作业绩效的影响不 不规则几何图形识别中轮廓曲率极件加工的研究 大。曹晓华和曹立人h 羽在探讨不规则几何图形识别中取样的眼动特征时发现， 随作业难度加大，被试在认知加工中的有效取样时间比显著下降。在不良视 觉条件下，图形信息的取样点数量显著减少，眼动扫视路径显著变短。在识 别旋转图形时，有效取样时间下降，取样点数量增加，眼动扫视路径增长。 图形信息的显示条件与显示方式的交互作用对图形识别的反应时、取样点数 量和眼动扫视路径长度的影响显著。 2 图形识别重复扫描路径策略的眼动研究 有人h 3 1 使用了随机几何图形为实验材料，研究被试在学习和再认两个阶 段中的眼动扫描轨迹。结果发现，无论随机几何图形的复杂程度如何，有半 数以上的眼动记录结果显示，在再认和学习阶段，再认和学习时对同一图形 的扫描轨迹是一致的。p a k a r 钔提出，在再认图画时，被试使用了边缘视觉和 副中央窝视觉所获得的信息。在实验中，分成两个阶段。前一个阶段为学习 阶段，后一个阶段为再认阶段。在学习阶段，给被试呈现一幅刺激图片，在 再认阶段有两种情况要求被试辨析。第一种是仍然看最初的刺激，也就是原 图片；第二种情况是让被试看经过修改的图片。实验结果发现：当再认阶段 看原来看过的图画时，则学习阶段和再认阶段的视觉扫描轨迹有较高的一致 性。当再认阶段所看到的图画是经过修改的时候，则被试常常放弃学习阶段 所采用的扫描模式，而眼跳到变化了的部分进行注视。这说明，边缘视觉和 副中央窝视觉是很重要的。这表明，存在着一种被试所偏爱的扫描轨迹，同 时还说明，学习的扫描轨迹在再认阶段并不是必不可少的因素。 1 3 眼动技术简述 眼动即眼球的运动。眼睛是心灵的窗户，通过考察人眼球的运动来研究 人的心理活动是早在1 9 世纪就开始的一种研究方法。眼动实验是指人们借助 某些仪器，对被试在进行操作时的眼睛活动情况进行记录，借此分析大脑的 思维过程。早期人们主要利用照相、摄影等方式来记录眼球运动情况，现在 利用眼动仪等先进工具，可以得到更加精确的记录。 眼动实验的原理主要是：在实验当中，主试利用一小束对人体无害的微 弱光束，射向被试的眼睛，这束从眼球表面反射回来的光就记录了眼球运动 的情况。对该光束进行分析，即可对人脑思维活动情况进行推测。 9 不规则几何图形识别中轮廓曲率极性加工的研究 眼球在眼眶里，有三对眼肌控制眼球的运动，它们协调活动控制着眼球 上下左右的运动，三对肌肉的协调活动可使眼球以角膜顶端后方1 3 5 5 r a m 处为 中心转动，每对眼肌控制眼球在一个平面上转动。当内直肌和外直肌收缩时， 眼球向内外方向转动；上直肌收缩，眼球向上内方向转动；下直肌收缩，眼 球向下内方向转动；上斜肌收缩，眼球向下外方回转；理斜肌收缩，眼球向 上外方回转。眼球运动的范围约为1 8 。，超过1 2 。时就需要头部运动的帮助 了。 人的眼球运动有三种基本的类型：注视、眼跳和追随运动。 注视( f i x a t i o n ) ：是为了物体成像在视网膜上而看清某一物体。这种将眼 睛对准对象的活动叫注视，注视的目的是将眼睛的中央窝对准某一物体。在 三种基本眼球运动形式中，只有在注视期间人们能够获得大量的有用信息。 因此，通过分析注视点的次数以及注视的时问，可以考察被试对于哪部分 注视的较多，对哪一部分注视较少或忽视，注视次数多、注视时间长的区域 一般为被试较为感兴趣的部分。 眼跳( s a c c a d e ) - 眼跳的功能是改变注视点，使下一步要注视的内容落在 视网膜最敏感的区域一一中央窝附近，这样就可以清楚地看到想要的内容了。 眼跳主要是眼睛从当前注视点移动到下一个注视点，跳动的距离即两个注视 点之间的广度，叫做眼跳距离，其单位是度。眼跳距离是反映知觉广度的一 个重要指标，眼跳距离大，说明被试一次注视所获得的信息量大。眼跳的过 程形成了眼球运动的轨迹，通过分析眼动轨迹，我们可以考察人们观看广告 的先后顺序以及对广告的信息加工的过程和规律。 追随运动( p u r s u i tm o v e m e n t ) ：当我们观看一个运动的物体时，如果头部 保持不动，为了使眼睛总是注视在这个物体上，眼睛就要追随这个对象移动。 还有一种追随运动情况，即当头部或身体运动时，为了注视一个运动的物体， 眼球要做与头部或身体运动相反的运动，这时眼球的运动实际上是在补偿头 部或身体的运动，所以这种眼动也称为补偿眼动( c o m p e n s a t o r ye y e m o v e m e n t ) 。 对眼动的记录可以为很多的心理加工提供理论依据，因此眼动的记录方 法便显得非常重要，伴随着b u s w e l l 和y a r b u s 的关于图画观看的经典眼动研 究，2 0 世纪7 0 年代以来，眼动方法便越来越多地被应用于图形识别的理论研 究，这些研究力图从眼动的各种指标上来揭示图形加工的策略。 1 0 不规则几何图形识别中轮廓曲率极性加工的研究 第二章问题提出 2 1 以往研究存在的问题 2 0 世纪3 0 年代，b u s w e l l 对图画观看进行了系统的研究，在他的研究中， 表明人们在观看图画时，并不是盲目注视图画的。大部分注视点集中在感兴 趣的区域上。他在实验中，要求被试观看一幅哥特式教堂的图画，并记录其 眼动轨迹。结果表明，他们的眼动轨迹与教堂的圆柱和拱形结构基本吻合， 也就是说眼动轨迹基本是沿着物体的轮廓进行扫描的。在另一项研究中，他 要求被试观看一幅以海浪为主题的画，被试的眼动轨迹与海浪的起伏基本吻 合，这也说明了轮廓在图形识别中的重要作用。 关于轮廓曲率的研究可以追溯到1 1 世纪，a l h a z e n p l 讨论了曲率极值对图 形知觉的重要性问题，在他的研究中，实验材料是由高曲率和低曲率的轮廓 线条组成的图形，他发现如果把这些图片中的高曲率的曲线删除的话，对图 形的识别能力要比删除图形中低曲率的曲线识别的成绩要差，也就是说，高 曲率的轮廓在图形的识别中占有着主要的地位，凭着高曲率部分的特征可以 比较准确地识别图形，但是如果把这些高曲率删除，只留低曲率的部分的话， 则对图形的识别成绩要大大减弱，甚至不能识别。 曲率的高低也就是曲率的变化幅度对图形识别的影响很大，那么曲率的 极性是否也影响着图形识别的能力呢? 在目前的研究中，国外有一些研究者 曾经对凹状和凸状在轮廓中的作用进行了相应的研究，但是对于二者倒底谁 在图形中起得作用更大，个体倒底对谁更加敏感，对不同的曲率极性敏感的 原因是什么等问题还没有得出一个一致的结论来，国内目前对轮廓曲率方面 还没有研究。 f e l d m a n 和s i n g hh 们在他们的理论研究中指出了曲率极性的重要性。因为 图形的轮廓是一条封闭的曲线，要构成一个形状的话这条曲线就不可能没有 曲率，而在这些曲率当中，凸状的数目要大于凹状，这样才能组合成图形。 所以，在任何一个给定的封闭图形当中，个体对凸状的感知和期待要远远低 于凹状。 也有研究者认为，在图形识别中凹状的作用是否比凸状更加重要，并不 是由凹状本身决定的，而是取决于图形的形状，取决于凹状是否改变了图形 不规则几何图形识别巾轮廓曲率极性加工的研究 的部分结构。这个理论的代表是b e r t a m i n i 和f a r r a n t ，他们提出“方括号假设 ( b r a c k e t i n gh y p o t h e s i s ) h 5 1 ，这个假设认为个体对凹状和凸状的敏感并不是由 于二者本身固有的特性决定的，而是在于凹状和凸状所在的轮廓部分是否改 变了整个轮廓的结构。 对凹状和凸状这两种轮廓的敏感性的不同将会使潜在的图形表象清楚明 白地显示出来，但在以往的研究中对哪一种轮廓曲率更敏感还存在争论，究 其原因往往来自于实验设计中对无关变量的控制不够严格，因为图形识别过 程是一种非常复杂的认知行为，受到多种无关因素的影响。而且在研究的过 程中，大多使用行为实验，考察的因素只有反应时和正确率，得到的数据只 是行为的结果，而没有从行为的过程角度进行考察，也就是说不能从即时加 工的角度来揭示曲率加工的不同表征方式。而眼运动追踪技术在曲率加工的 过程中具有非常重要的作用，是识别图形的必要条件。眼动在图形识别过程 中必不可少，眼球运动客观地反映了大脑的信息处理过程。因此，我们不难 看出：即时眼动指标能够反映图形识别中形状表征的一些特征，可以作为探 讨图形曲率加工特性的有效手段。所以本研究采用眼动的方法记录各个能反 映不同加工阶段的眼动指标，来探索不规则多边形识别的曲率表征问题，也 希望从中可以找到一些凸状和凹状加工敏感性不同的眼动证据。对以前的研 究加以完善。 通过对以往文献资料的探讨和研究，本研究将从两个方面来探讨轮廓曲 率极性的加工。本研究的实验一，目的是考察在轮廓结构改变的前提下，个 体对曲率的两个极性的敏感性问题；本研究的实验二，目的是考察在轮廓结 构不改变的前提下，个体对曲率的两个极性的敏感性问题。 2 2 本研究的创新之处 人们对图形识别中轮廓曲率极性的加工方面的研究主要采用的方法是行 为实验，大多采取反应时与正确率作为指标。但随着研究内容的扩大以及实 验设计的高水平化，这一简单的行为实验方法就表现出较多的不足。这些行 为实验考察的因素只有反应时和正确率，考察的只是行为的结果，而没有从 行为的过程角度进行考察。在轮廓曲率极性的研究中，以往的研究者所注重 的都是研究的结果，而没有揭示出产生这种结果的即时心理加工机制，也就 1 2 不规则几何图形识别中轮廓曲率极性加工的研究 是说不能从即时加工的角度来揭示曲率加工的不同表征方式。 眼运动追踪技术是一种实时的眼运动记录技术，眼动实验具有较高的生 态效度，眼动的时空特征是视觉信息提取过程中的生理和行为表现，其与心 理活动直接或间接的关系具有重要的科学意义。在眼动实验中，可以通过分 析各种眼动指标来考察整个认知加工过程。将眼动信息与视景图像叠加后， 利用分析软件提取多方面的眼动时间数据，包括注视时间、眼跳时间、回视 时间、眼跳潜伏期、追随运动时间，以及注视过程中的微动时间。同时，可 以提取各种不同眼动的次数，主要是在不同视景位置或位置问的注视次数、 眼跳次数、回视次数等。这些时间和位置信息可用于精细地分析各种不同的 眼动模式，进而揭示各种不同的信息加工过程和加工模式。所以，眼运动追 踪技术与反应时实验结合将是目前最好的、最有效的研究方法。用眼运动追 踪技术研究图形识别的加工可以在多个指标中考察图形加工的策略和机制， 将潜在的心理操作用即时的数据表现出来。 本研究采用眼运动追踪技术，对轮廓曲率极性的加工进行研究，从即时 加工的角度来探索个体对曲率极性加工的不同，在以往研究的基础上，探索 个体对轮廓曲率的即时加工过程，探索个体对曲率极性加工的不同心理机制。 第三章研究假设、意义 3 1 研究假设 本研究将采取变化检测范式( c h a n g ed e t e c t i o n ) ，分为两个实验进行。变化 检测范式是由p h i l l i p s 和s i n g e r h 6 1 最先采用的，他们用这个范式来测量低水平的 短时觉察能力和短时记忆。在他们的研究中，被试所看到的是两张相继呈现 在电脑屏幕上的图片，被试的任务是报告第二张图片相对于第一张来说是否 发生变化。本研究中，将采用这种研究范式，在电脑屏幕上相继呈现两张图 片，我们把第一张图片称作目标图形，第二张图片称作比较图形，在比较图 形中会有轮廓曲率的变化，有的是凹状的变化，有的是凸状的变化，当然也 有一部分图形作为控制组，什么都没有改变。被试的任务是判断比较图形相 对于目标图形来说是否发生了变化。 通过对以往研究的分析，本研究将分为两个实验进行，在第一个实验中 不规则几何图形识别中轮廓曲率极性加工的研究 我们假设：在轮廓的结构发生改变的前提下，轮廓中的凹状相对于凸状携带 的信息量更大，个体对其更加敏感；在第二个实验中，我们假设在没有改变 轮廓局部结构的条件下，个体对凹状的敏感性仍然大于对凸状的敏感性。 3 2 研究意义 1 、人们在识别图形时，轮廓往往是最基本的识别依据。在轮廓中，曲率是非 常重要的属性。曲率的不同，凹状和凸状是如何影响人们的认知方式的，对 这两种轮廓曲率的研究有助于我们更好的探索图形识别中潜在的视觉加工机 制。 2 、图形识别是认知心理学和工程心理学研究中的一个重要课题。图形材料携 带的信息量大，对图形的识别是一个主动的信息加工过程，已有的研究发现， 被试对图形的扫视主要是沿着图形轮廓进行，因此，本研究对于完善图形的 认知理论的发展具有重要意义。 3 、对不规则几何图形的曲率极性进行研究可以应用到很多实际生活领域，比 如数学教学、建筑工程、广告设计等等方面。 第四章实验研究与结果 4 1 实验研究一 4 1 1 实验被试 辽宁师范大学本科生2 3 名，剔除无效被试3 名，保留有效被试2 0 名。6 名男生，1 4 名女生。他们的视力或矫正视力正常，均为右利手，年龄在2 0 - - 2 4 岁之间，平均年龄2 2 6 岁，无眼动实验经历。 4 1 2 实验设备 整个实验在辽宁师范大学眼动实验室进行。该实验室具有隔音、隔光等 功能，能够保证实验在比较安静、舒适的环境中进行。 使用美国应用科学实验室生产的5 0 4 型眼动仪。该仪器以每秒6 0 次的 速度记录被试的眼睛注视位置、注视时间、注视次数等眼动数据。微机两台， 1 4 不规则几何图形识别中轮廓曲率极性加工的研究 一台用来呈现实验材料，另一台用来执行控制命令和处理数据。 4 1 3 实验任务 实验的任务是图形认同。即在计算机屏幕上相继呈现两个图形，第一幅 呈现的图形称作目标图形，第二幅呈现的图形称作比较图形。在比较图形呈 现后，要求被试又快又准地按键判断比较图形与目标图形是否相同。 4 1 4 实验材料 实验材料为3 2 幅不规则多边形，这些多边形中有8 幅图形是基本图形， 另外的2 4 幅图形是这8 幅基本图形经过变化得来的。这些图形的共同特点是 能被一个对称轴为8 a m 和1 2 c m 的椭圆图形内切。这些不规则多边形在作为目 标图形时拥有1 0 个顶点，其中有两个顶点是凹点，其余的顶点是凸点。在作 为比较图形时这个多边形拥有1 1 个顶点，加入的这个顶点或者是凹顶点或者 是凸顶点。其中8 幅图形加入的是凹顶点，形成一个凹状；另外8 幅图形加 入的是凸顶点，形成一个凸状。这个顶点是这样加入的：如图5 所示，将目 标图形的一条边作为基线，沿着这条基线的中点进行垂直拉伸，朝向图形中 心的方向定义为凹状，朝向背景的方向定义为凸状，凹状和凸状变化的幅度 是相同的。 1 5 不规则几何图形识别中轮廓曲率极性加工的研究 变化为凹状- 、l 基线h 一 图形变化示例 变化为凸状 j j f 一变化的幅度相同 变化为凹状基本图形 变化为凸状 4 1 5 实验设计 图5 实验一实验材料示例 采用单因素被试内设计，这个因素为比较图形的边的曲率变化，有两个 水平，一个是变化为凹状，另一个是变化为凸状，凹状和凸状的变化幅度相 等，如图5 所示。2 0 名被试都要看3 2 幅图形，实验材料随机呈现，保证实验 的可靠性。 4 1 6 实验过程 实验中有两名主试，一名操作眼动仪( 眼动仪专业实验师) ；另一名操作 实验材料，( 研究者本人) 。每次对一名被试进行施测，具体的实验步骤是： 第一步：让被试熟悉实验室环境，向被试介绍有关实验的要求。 第二步：实验开始前，要求被试坐在距离实验材料6 5 c m 处的椅子上，下 颚放在一个u 型托上，固定头部。然后对被试进行头、眼校准。让被试注视 屏幕上的9 个圆点，当初次校准完毕后，在眼动仪的监视器上进行校准核实， 1 6 不规则几何图形识别巾轮廓曲率极性加工的研究 如果被试看的每一个点都落在圆圈中央的数字上，也就是说十字交叉线与数 字重合时，9 点校准完毕，可以开始实验。 第三步：向被试宣读指导语，“你好，我们要做的是一个图形识别的实验， 主要的目的是看你如何识别图形的。在屏幕上会相继出现两幅图片，你的任 务是判断第二幅呈现的图片和第一幅图片是否一样，一样按左箭头，不一样 按右箭头。要求按键又准又快，在整个试验中要保持下颚固定，头不要动。 第四步：呈现练习材料