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二维模式专家化识别的加工机制初探 中英文摘要 二维模式专家化识别的加工机制初探 摘要 本文从行为和脑功能两方面考察了专家化训练对一种特殊的二维模式一 字符识别的影响，探讨了以往研究中揭示的视知觉三维物体识别的专家技能作为 视知觉中普遍适用的认知规律的可能性，这种专家技能指的是专家对专长领域内 物体的视觉信息的组织倚重整体性结构编码。从而一方面将专家技能的研究扩展 到了二维模式识别领域，另一方面也给被认为是面孔“特殊”的双侧梭状回中部 的f f a 区的激活其实质与视知觉早期对信息采用结构编码策略的相关性提供了 实验支持。实验结果表明：1 、对二维英文字符进行专家化训练后，在行为上表 现出类似其它三维物体专家化识别和面孔识别中的“倒置”效应。2 、二维字符 的专家化识别涉及f f a 区的激活。因此，本研究的结果支持了专家系统论观点： 所谓的面孔识别的“特殊性”，不过是专家技能的一个特例，而且这种专家技能 具有视知觉共性，不仅适用于三维物体识别，同时也为二维模式知觉所共享。 关键词 专家化二维模式识别结构编码f m r i ap rim a r yr e s e a r c ha b o u tt h em e c h a nis mo ft w o 。dim e n sio n p a t t e r nr e o o g nitio nf o re x p e r t a b s t r a o t t h ep r e s e n ts t u d yf o c u s e so nh o wt h ee x p e r t i s ea f f e c t s2 d p a t t e r nr e c o g n i t i o nb a s e do nb o t hb e h a v i o r a le x p e r i m e n t sa n df m r i t h e p o s s i b i l i t yo fc o n f i g u r a lp r o c e s sa sag e n e r a lr u l ei nv i s u a lp a t t e r n r e c o g n i t i o nf o rp e r c e p t i o n a le x p e r t sw a sa l s od i s c u s s e d t h es t u d yn o t o n l ye x t e n d e dt h eu n d e r s t a n d i n ga b o u tp e r c e p t i o ne x p e r t i s et o2 dp a t t e r n s b u ta l s oo f f e r e de v i d e n c e st os u p p o r tt h eo p i n i o nt h a tt h ef f a ，w h i c h l o c a t e si nt h em i d d l ef u s i f o r mg y r u sa n dp o s t u l a t e da sf a c es p e c i a l ，h a d b e e nn o ts p e c i a la ta l lb u tc o m m o n l yi n v o l v e di nc o n f i g u r a lp r o c e s s t h e r e s u l t ss h o w ：f i r s t ，t h e r ew a sa n i n v e r t e de f f e c t ”，w h i c hh a db e e n c o n s i d e r a t e da sap h e n o m e n o nr e l a t e dt ot h ee x p e r t i s e ，i n2 dl e t t e r p a t t e r n sr e c o g n i t i o nj u s ta so b s e r v e di n3 do b j e c tr e c o g n i t i o ni ns u p e r i o r 4 二维模式专家化识别的加工机制初探 s t u d i e s ：s e c o n d ，t h ef f aa c t i v a t i o nw a sc o r r e l a t e dt oe x p e r t i s ea b o u t2 d p a t t e r n sr e c o g n i t i o n ，a n di tw a ss i g n i f i c a n t l ys t r o n g e ra s s o c i a t e dw i t h e x p e r t s a st h ec o n c l u s i o n ，t h er e s u l t ss u p p o r tt h et h e o r yo fe x p e r t i s e t h e “s p e c i a l i t y ”o ff a c er e c o g n i t i o ni so n l yas p e c i a le x a m p l eo fe x p e r t s k i l l 一一e x p e r ta p p l i e sh o l i s t i c 、c o n f i g u r a lc o d ea b o u tp e r c e p t i o n a l i n f o r m a t i o n t h i ss k i l li sg e n e r a l ，a n dc a nb ea p p l i e dt ob o t hi n3 d p a t t e r nr e c o g n i t i o na n d2 d s k e yw o r d s e x p e r t i s e 2 dp a t t e r nr e c o g n i t i o nc o n f i g u r a lp r o c e s sf m r i 二维模式专家化识别的加工机制初探 1 模式识别中的争论 1 1 部分加工和整体优势 知觉是一个极其复杂的过程，心理学对知觉的了解也远未达到理想的程度。 几乎有关知觉的所有研究都有互相矛盾的观点对立存在着，其中对知觉早期编码 阶段的加工方式到底是特征的还是整体的争论也一直没有停止过。 支持局部加工的理论很多，比如模式识别的特征说理论，认为识别的过程 是从基本特征开始到模式突现的底一顶过程；而三维物体识别的r b c 理论”1 ，其实 质和特征说一致，认为客观世界中的三维物体可以解构成数量有限的几何子 ( g e o n s ) 和相互关系结构描述( s t r u c t u r ed e s c r i p t i o n ) ，物体识别基于 几何子的获得。此外，在人工智能中成功模拟并且得到广泛应用的计算视觉理论 “1 假设一系列表征( 也就是描述) 提供了关于视觉环境逐渐精细的信息，从简单 到复杂从平面到立体，分别有初级简图、2 5 d 简图和3 d 模型表征，其本质也同样 是从部分( 特征) 到整体的自下而上的分析和识别。另外，h u b e l 和w e i s e l 用微 电极细胞电位记录法发现在初级视皮层存在特征功能柱“，也有力地支持了局部 分析的理论。 然而格式塔心理学认为，整体大于部分之和，整体决定着部分的知觉，照这 种观点来看，整体是先于部分知觉的。上世纪7 0 年代后期到8 0 年代这段时间内有 一些经典的行为学实验验证了这种假设，例如n a v o n “1 的实验。实验采用视觉的 字母识别任务，刺激材料包括两种特征：总体特征和局部特征，特征又分为s 、h 和口，这样就组合成的9 个不同的刺激，被试的任务是直接指出要求注意的整体 或局部的字母。结果表明，当要求被试注意整体时的反应速度要显著快于注意局 部时的速度；当要求注意局部且当整体与局部相冲突时的反应时最长。根据这些 结果，n a v o n 认为总体特征的知觉快于局部特征，当人注意局部特征时，不能排 除总体特征的干扰，但是注意整体时却不受局部特征的干扰。也就是说，总体特 征总是先于局部特征被知觉的，总体加工是处于局部分析之前的一个必要阶段。 其它一些著名的知觉现象，比如字词优势效应、客体优势效应等，尽管有各 种不同的解释，比如对字词优势效应的解释，有人认为这是由于字母和词的编码 方式不同引起的，字词是语音编码的，而单个字母是视觉编码；另外还有人，比 方式不同引起的，字词是语音编码的，而单个字母是视觉编码；另外还有人，比 二维模式专家化识别的加工机制初探 _ _ _ _ _ _ _ _ _ 。_ 。_ _ _ _ _ _ _ 。- _ _ _ - _ 。_ 。_ 。_ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ - - _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ - _ 1 。一i 。o 。一 如联结主义认为这是由于过去经验为基础的自上而下的a n t 所导致的影响，但也 有人认为这是整体加工和局部加工的区别，字词可以得到整体加工，而单个字母 却没有。客体优势效应相对来说具有更多的知觉意义，在一系列的研究中，心理 学家们发现识别一个“客体”图形中的线段要优于识别结构不严的图形中的同一 线段或单独该线段“1 ；识别一个完整图形要优于识别图形的一个部分，这似乎也 可以用整体加工来解释。 但是k l e i n 等人发现客体优势效应与掩蔽刺激相关。他们发现当掩蔽刺激是 随机图形时，并没有出现客体优势效应，而当不用掩蔽刺激或用规律的掩蔽刺激 时却出现了同样的效应。k l e i n 认为这是由于随机的掩蔽刺激中可能包含与刺激 图形本身相同的成分而干扰了“客体”的作用。因而他推测可能存在两个知觉系 统，一个是特征系统，它对基本特征如方位、位置等敏感，对靶子线段起反应， 易受掩蔽刺激影响，但不受周围上下文图形的影响；另一个系统是客体系统，该 系统不表征单个特征，而是把诸特征粘合成一个有意义的整体，可被结构严谨的 刺激所激活。1 。 纵观这些研究，仍不能使我们对知觉的整体加工和局部加工产生清晰的认 识。目前结构优势效应也未能有效地计算机模拟，相反，基于局部特征分析的知 觉加工理论不仅得到了大量心理学实验的支持，并且在人工智能上得到了广泛的 应用。看起来似乎支持局部到整体的理论暂时占据了主流。然而，有关面孔识别 中呈现出来的“特殊性”的大量研究的兴起，使这个领域的争论再次突现。 1 2 面孔识别、结构编码和专家技能 1 2 1 面孔识别的“特殊性” 1 2 1 1 特殊性的多方面证据 近年来有关面孔的认知心理学研究方兴未艾，之所以研究的热情持续高涨， 一方面是因为面孔对人类来说具有非常重要的社会学意义；另一方面则是由于面 孔的复杂性，面孔可以提供给人们相当复杂的信息，比如我们可以轻松从一张面 孔上获得个体的性别、年龄、种族、情绪状态等信息，喜欢玩弄玄机的人甚至可 7 二维模式专家化识别的加工机制初探 以告诉你说：他可以从面相上获悉你的过去，预言你的未来。然而尽管人们有非 常强大的识别面孔的能力，与此同时人们又发现了另一种奇怪的现象，就是俗语 所说的：翻脸不认人，研究者发现一旦把面孔上下颠倒，人们识别它们的能力就 急剧下降了。在早些时候，有研究者认为面孔识别之所以会呈现这样的特点，是 由于我们总是f 着看人，倒立的人脸对人们来说是一个很不熟悉的刺激物，因此 ： 别的绩效会差。但是同样总是正立呈现，又具有类似结构复杂程度的物体比如 房子，却没有呈现类似的倒立效应。这个奇怪的现象引起了大量的研究，以后研 究者从发展心理学、比较心理学、单细胞记录、心理电生理学、脑成像( f m r i 、 p e t ) 以及脑损伤患者等各个角度进行研究所得到的结果都在行为学和脑神经机 制层面表明面孔是“特殊的”，具体的证据主要有以下几方面： 一、因脑损伤导致的面孔失认症( p r o s o p a g n o s i a ) 病人不能识别熟人甚至 自己的面孔但保持相对完好的识别普通物体的能力；相反，忽视症( a g n o s i a ) 患 者往往可以有相当完美的认脸能力，却不能识别日常物体。 二、当被试面对人脸识别的任务时，可在双侧的枕颞复合区记录到一个早期 放大的负向波n 1 7 0 。 三、在脑成像研究( f m r i 或p e t ) 中，被试只是注视人脸就可以在梭状回的 前、中部( t h ef a c ef u s i f o r ma r e a ， f f a ) 产生明显激活，与普通物体差别显著。 胞。 四、单细胞记录法发现颞下回t e a 和t e m 区存在只对面孔刺激产生响应的脑细 五、出生后仅9 分钟的婴儿对抽象的面孑l 样刺激有偏好。 对此国内已有很好的综述性文献。“”。 1 2 1 2 “特殊性”的有关理论及结构编码 对于面孔识别的“特殊性”有各种理论试图对此进行解释。其中比较经典的 有格式塔说“，认为面孔识别中表现出来的特殊性是因为面孔是作为一个完形被 表征的，面孔的各个组成部分在知觉时被同时加工。两种特征说“，认为面孔包 含两种水平的特征，第一个水平的特征包括互相分离的面孔组成部分如眼、鼻、 口等，而第二个水平r h o d e s 称之为结构性特征( c o n f i g u r a t i o n a lf e a t u r e s ) ， 包括第一个水平的特征间的相互关系，以及它们相对于面孔轮廓的位置，很明显 二维模式专家化识别的加工机制初探 这种假说中的第二个水平的特征是粘合在一起的。空间频率说“，该假说认为空 侧频率中的低频成分对人脸的识别至关重要，而高频成分只有附加的功能。由于 低频部分空间信息几乎囊括了面孔的大体结构，因而这个假说在某种意义上说只 是格式塔假说的一种变形。两种关系说“3 1 把面孔信息区别为两种水平的关系，认 为第一层次的关系是相对于另一种物体来说的部分间的空间关系，这种关系用于 普通物体间的区别，比如区分台灯和猫。第二层次的关系只存在于那些拥有共同 的基本成分和基本结构的物体之间，比如面孔。这种部分间的空间关系是相对这 类物体的模板中的位置关系而言的。举个例子，对于面孔，眼耳口鼻的基本空间 关系，眼在鼻上，鼻在口上是第一层次的关系，对于识别出这是一张脸而不 是其它的任务来说这些信息已够足够。第二层次关系是一张具体的面孔的部分间 相对于面孔模板( p r o t o t y p e ) 的空间位置，用于识别出某个具体的面孔。 综上所述，可以发现尽管这些理论对人们在抽取有效的面孔信息的性质有不 同的观点，他们都强调面孔各个部分之间的关系在面孔识别中的重要性，认为被 表征的面孔不是孤立特征的简单排列而是各个成分组织成一个粘着的总模式， 即，人们对面孔的加工更倾向整体的、结构的编码，而普通物体的识别基于物体 组成部分的认知0 1 ，编码方式是局部、特征的。 所谓结构编码( c o n f i g u r a lp r o c e s s ) 是指知觉加工不仅编码特征的信息， 而且还加工特征间的相互关系，因而是一个整体性的编码方式，在这种方式里部 分间的相互关系非常重要“”。由于面孔识别的特殊性，结构编码也被当作是面孔 特殊的知觉加工方式。在行为学上，结构编码效应主要根据s t r o o p 效应来呈现： 自动化的结构编码方式将妨碍因情境变化而必须通过区别部分而达成的任务的 作业成绩。因而，各个研究中往往操作被知觉物的结构，破坏特征间的相互关系， 然后通过比较结构完整和破坏后的作业绩效差异，来推断加工是否采用结构编码 方式。常用的操作手段有，倒置，组合( 把一张面孔的一部分换成另一张面孔的) ， 分离( 分离出眼、耳、口、鼻等部分) 等。g a u t h i e r 等人认为，分离并非是一个 检验结构编码的良好操作，因为不具有面孔特异性。“，而且在专家化训练中也未 观察到专家和新手的区别。至于倒置效应，研究者认为那是由于原来的二级空间 关系被破坏，识别面孔不能再依赖结构编码，但是我们仍能认出那里一张脸，而 此时针对脸的自动化结构编码方式将严重干扰必须基于特征分析的任务，因而作 二维模式专家化识别的加工机制初探 业的绩效显著降低，与普通物体识别中的情形差异显著。由于倒置操作方便，被 广泛使用。 1 2 2 专家技能和专家化知觉 1 2 2 1 专家技能的早期研究 有关专家的早期研究大多数集中在问题解决领域。d e g r o o t 最早比较了5 位特 级大师和5 位一般专业选手对短暂呈现的他们面前的各种实战棋盘，凭记忆对它 们进行复盘的成绩。结果发现大师的回忆成绩远远好于新手，但是对于随机棋子 的棋盘，大师与普通选手的没有显著差异。由此，d e g r o o t 推测大师之所以棋下 得更好，是因为他们拥有更多的领域特殊性知识“”。c h a s e 和s i m o n 改进了设计， 他们让被试可以在看第一块棋盘的条件下在第二块棋盘上进行复盘，记录每次注 视第一块棋盘后在第二块棋盘上恢复棋子的数目和所需的时间。研究发现，大师 和新手在每次注视后复盘的棋子数目上区别显著，大师恢复的棋子数要高于普通 选手，因而c h a s e 和s i m o n 认为大师与新手的关键差别在于他们对信息的组块能力 上”。不仅如此，c h i 、f e l t o v i c h 和g l a s e r 对物理学专家与初学者对物理问题的 分类研究中发现，物理学专家和初学者对物理问题分类的标准是不同的，初学者 倾向于把具有相同表面特征的问题聚成一类，比如根据问题是不是用了滑轮和斜 面来分类，而专家却根据问题的深层结构来分类，比如问题是不是用相同的原理 来解决。因而专家与新手不仅在知识的量上而且在对知识的组织分类也存在质的 不同m 1 。 专家技能不仅仅存在于各种抽象问题解决领域，在日常生活中经常可以看到 另外一类专家，他们能够很精确地区别同类事物，比如爱好鸟类的鸟专家、酒吧 里的调酒师、钢琴调音师、牌桌上的各种摸牌高手，这些人是各个特殊领域 内的知觉专家。同问题解决领域内发生的情形类似，这些知觉专家不仅拥有比一 般人更多的专长领域内知识，而且这些知识的组织方式也与一般新手有着截然不 同的特点。t a n a k a 和t a y l o r 让1 2 个狗专家和鸟专家同时对狗和鸟进行特征列表 ( 列出图片中狗或鸟的特征) 、命名( 给图片中的动物命名) 、样例确认( 要求被 试判断呈现的图片是否是先行概念，如鸟或知更鸟，的样例) 三个任务。结果表 二维模式专家化识别的加工机制初探 明，领域内专家与非专家在这三个任务中的差别显著，专家给动物列出更多次级 ( s u b o r d i n a t e l e v e l ) 概念属性；更多地使用次级概念( 如知更鸟) 给图片中的 动物命名，而非专家使用基本水平( b a s i cl e v e l ) 的概念( 如鸟) ：专家对专长 领域内样例确认的绩效在前行概念是次级水平时最高，但当前行概念是基本水平 时，对非专长领域内的样例确认绩效更高。因而，知觉专家与非专家在表征特定 领域内事物的基本水平( b a s i cl e v e l ) 不同“。r o s c h 等人认为人们对事物的 知觉、想象、对事物有关信息的组织和操作等方式决定基本水平“。因而，反过 来也可以说专家和非专家表征一类事物的基本水平不同反映了他们对事物信息 的不同组织方式和不同知觉方式。 1 2 2 。2 专家技能的模板理论 针对象棋大师表现出来的不同于普通选手的问题解决特点，有几个理论试图 对此进行解释，其中长时工作记忆理论和模板理论得到了广泛影响力。长时记忆 理论在某种程度上跟模板理论相似，认为长时记忆中存贮的比实际棋局情形更抽 象和概括的图式搜索结构是决定成绩的关键啪1 ，图式在模板理论中被称为“模 板”，一个模板能编码一些恒定残局信息并且为其他能转变成当前棋局的残局保 留空间。”。这两个模型都能相当完美地解释国际象棋专家技能研究领域中所发现 的众多现象，更重要的是模板或者图式所固有的提取结构不但有助于解释国际象 棋选手评价棋局本质方面的不同，而且有可以外延地解释物理学专家与初学者之 间对物理学问题组织分类的不同。 由此我们可以做一个简单的类比，前言中曾提到，知觉一直被默认为是对 感觉的无意识的假设考验的结果，在某种意义上知觉可被看作是一个问题解决的 过程，而如果说象棋大师的专家技能是因为长时记忆中存储了高度抽象和概括的 模板，那么知觉专家用于领域内物体识别的专家技能是不是也是“模板”? 面孔 是人类群体成员的个性标签，具有重大的社会学意义，正常环境下成长的人们都 能识记成百上千张面孔并精细地区别他们，无疑人们都是“面孔专家”，这也得 到了实验证明“。那么众多试图解释面孔“特殊性”的理论所强调的面孔区别于 一般普通物体识别的表征方式面孔以一个粘着的总模式方式表征，是不是就 是专家技能所基于的模板? 二维模式专家化识别的加工机制初探 1 2 3 面孔“特殊性”的专家系统论解释 因而，针对面孔识别的“特殊性”，专家系统论支持者提出了不同的看法。 他们认为，面孔除物理结构特点外，还在以下三方面区别于其它普通物体：l 、 每个面孔都有共同的基本成分和基本结构；2 、面孔都在个体水平上区分；3 、人 们都是面孔识别的专家。因此，专家与新手在认知方式上的显著不同；人们都是 面孔专家；对其它普通物体的识别没有一致的专家化，上述事实的存在，使专家 化成了面孔识别“特殊性”的潜在自变量。专家论支持者对此进行了实验验证并 取得了一系列有意义的结果。 1 2 - 3 1 专家在物体识别中采用结构编码策略 d i a m o n d 和c a r e y 比较了狗专家与新手在识别倒立狗照片中的行为，发现专家 表现出了明显的倒置效应而新手没有“。由于自然形成的专家因为变量难以控 制、被试数量少等原因对心理学实验来说并不是完美的被试，因此，g a u t h i e r 等人构造了人造物g r e e b l e s ( 图1 1 ) ，这些g r e e b l e s 模拟了人脸特征，有共同的 基本成分和基本结构以及不同的范畴水平：“性别”、“家族”、“个体”，通过测定 被试在不同训练阶段不同范畴水平的识别速度操纵专家化水平。研究发现，改变 g r e e b l e s 的基本结构并不影响新手识别g r e e b l e s 中的部分的准确率和速度，但是 专家在反应时上表现出了明显的“旧结构”( 训练过程中不变的基本结构) 的优 势，而且这种优势只出现在g r e e b l e s 正立的条件下。”，内省报告也表明有更多专 n a l l i v o m s i b i f af o d ak i m oj e w t 一 l o m uh a f t m u p a s u b o 图1i 部分g r c c b l e s 样例n a l l i 、v o m s i 为家族水平的名字，b i f a 、f o d a 、k i m o 等为个体水平的名字 二维模式专家化识别的加工机制初探 因此，结构编码的特点并非厩孔专有，对面孔以外的物体识别专家化后，视 知觉加工采用与面孔识别同样的编码方式。 1 2 3 2 专家系统与面孔加工系统间存在竞争 面孔失认病人( p r o s o p a g n o s i a ) 常表现为面孑l 识别能力的显著损害，而保 持相对正常的对其它物体的识别能力。“，因此许多心理学家认为面孔加工系统独 立于物体加工系统而呈现特殊性。f a r a h 的病人l h 对倒立的人脸的识别远好于正 立人脸“”，而m o s c o v i t c 的病人c k n 冈t 好相反1 。这些研究结果一直是面孔识别 系统和物体识别系统互相分离的最佳证据。然而d eg e l d e r 等人却戏剧性地发现 前述的l h 对倒立的鞋子也表现出更好的识别成绩。”! 由于脑损伤定位的精确性、 损伤脑区与其它脑区的关联性对脑功能的影响都不能十分精确地估计，也由于脑 损伤患者的非常态性等原因，有关脑损伤的研究的方法论本身也存在着不少争 论。 g a u t h i e r 等人巧妙地利用正常被试的双任务设计对加工系统的分离假说进 行了检验。他们假设如果汽车专家加工面孔和汽车都依赖与结构编码相关的一般 机制，那么汽车专家对面孔的识别会受到汽车刺激的干扰，而且这样的干扰应该 随着汽车专家化水平的提高而加强。实验中被试都是汽车专家，把面孔及汽车图 片切分成上下两部分，并进行组合，其中一半汽车图片的上半部分倒转，构成面 孔识别任务中不同背景( 正常或者变形) 。汽车和面孔刺激交替呈现，要求被试 判断当前呈现的图片中的下半部分与最近的另一次同类刺激的下半部分是否相 同，结果证明了假设。通过e r p 技术比较处于正常汽车与变形汽车中的面孔引发 的n i t o 的幅度差别得出的电生理意义上的干扰指数也与汽车专家化程度显著相 关”。汽车专家加工汽车所依赖的系统与面孔加工系统存在竞争。此外随着汽车 专家化的程度提高而干扰加强，似乎也提示面孔加工系统与物体区别的“特殊 性”，可能不过是因为它们是视觉物体识别的加工机制受专家化水平调适的转变 过程连续体中的一极。 1 2 3 3 专家共享面孔识别的脑神经机制 面孔识别“特殊性”的大量证据还来源于对面孔识别的脑神经机制研究， 二维模式专家化识别的加工机制初探 如面孔失认症、脑成像研究中双侧梭状回的面孔敏感区，灵长类动物单细胞记录 中主要存在于颞下回t e a 和t e m 的选择性面孔识别细胞。 然而这些证据同样受到了质疑。一些面孔失认症患者的研究结果表明损害并 非局限于面孔，其他一些物体如：汽车、衣服、厨具等的识别也发生了困难。 d a m a s i o 认为困难来源于一类物体间的相似性而不是结构上的复杂程度。利用 专家一新手范式对正常成人被试识另u g r e e b l e s 、鸟、汽车等任务时的脑功能成像 ( f m r i ) 研究发现，这些领域内的专家激活的区域梭状回面孔识别区( f f a ) 和枕叶( o f a ) 。“吣“与面孔激活区域相似，不仅如此，右侧梭状回( f f a ) 的 激活程度与专家化水平相关。”，表明是分类的层次以及专家化的程度而不是物体 的表面特征决定f f a 的特殊反应。比较领域专家( 鸟、狗) 在专长领域和其它非 专长领域对物体进行分类时的e r p 发现：相对非专长领域，当专家在专长领域内 对物体进行分类时，梭状回区域有一个放大的早期负向波( n 1 7 0 ，1 6 4 m s ) ，结果 同样提示专家与新手对事物的加工有不同的脑神经机制，而且专家的脑电生理反 应与面孔识别有很高的相似性”1 。 对于来自动物单细胞记录的证据，g r o s s 认为面孔细胞之所以比其它的颞下 回细胞看起来对面孔刺激更具选择性，有可能仅仅是因为面孔识别碰巧是需要个 体水平区分的特例，而且对于非人类灵长目动物来说面孔可能是生命过程中唯一 的特例。”。l o g o t h e t i s 等人让猴子学会区别一类物体中( 电线弯成的框架和阿米 巴细胞样物) 的个体，单细胞记录的结果表明专家化的猴子视皮层中的部分神经 元选择性地对刺激的整体结构敏感，而且这些神经元大多数位于前颞下皮层1 ， 因此对于神经编码来说，曾经被认为是面孔特殊的加工机制也可能为专家视知觉 加工所共享。 所有这些研究似乎都说明面孔“特殊性”是专家化识别的一个特例，那么这 是一个普遍适用的人类认知规律吗? 随着专家化水平的提高，识别物体的加工策 略出现了改变，从对局部编码策略转向整体的结构编码? 到目前为止研究都是针 对三维物体的，那么二维图形的识别呢? 字词是二维图形的特例，它们是否遵循 同样的规律? 4 二维模式专家化识别的加工机制初探 1 3 字词物体一人脸连续体 有些研究者( f a r a h ，秦速励等) 认为存在沿着被识别物的物理特征不同( 字 词一物体一面孔) 而由局部表征、混合表征向整体结构表征过渡的连续体。对于面 孔识别整体表征是必需的而局部表征是无效的，而字词识别恰恰相反，普通物体 介于这两者之间既可整体表征又可局部表征”“。这种观点的提出也是基于众多 的实验结果的，面孔与物体识别不再赘述，关于字词识别经典而又广泛运用的理 论莫过于特征说，而其中鬼域模型中的特征鬼的叫唤给人以深刻印象。组成字母 的特征( 直线、曲线、夹角等) 决定了字母的识别，因而这似乎是一个比较纯粹 的局部特征编码的例子。 另外，f a r a h 等人对各种失认症病人面孔失认、物体失认、和字词失认 进行了一项元分析发现单纯的物体失认而不伴有任何面孑l 识别障碍或字词 识别困难的病例是极其罕见的，反之亦然。另外，面孔失认同时而又伴随字词失 读的病例也很少见，因而字词一物体一人脸连续体的解释似乎是合理的”1 。同时， 这种区分也与k l e i n 关于两个知觉系统的假设一致，即存在一个特征系统，它对 基本特征如方位、位置等敏感；一个客体系统，该系统不表征单个特征，而是把 诸特征粘合成一个有意义的整体”1 。 但是，从专家系统论角度看，字词的识别看起来完全依赖局部编码可能只是 因为字词从不需要专家意义上的识别，字词间的差别太大，每个字词都有独立且 唯一的组成部分，所以才会呈现局部编码占绝对优势的情况。 2 少量关于二维模式专家化识别的研究 关于二维模式的专家化识别，相关研究极少，m a r l e n eb e h r m a n n 等人在2 0 0 3 年做过触觉专家化模式识别的有关实验。实验中采用6 个由l m 宽，2 m m 高，6 4 m m 或9 1 m m 长的细小木条组成面积约1 9 x1 _ 9 c m 大小的触觉二维模式，并对这些模 式进行命名( 如图2 1 所示) 。让被试蒙眼分两天学习约2 个小时后，观察被试在 三种条件下( 正立整体、倒立整体、部分) 识别的速度和准确率。实验结果表明， 无论是在反应时还是正确率上专家化程度与实验条件之间的交互作用显著。新手 在不同任务条件下，反应时和正确率没有差异；相反专家在正立整体呈现的实验 二维模式专家化识别的加工机制初探 条件中的正确率和反应时成绩都好于倒立和部分条件，后两个条件之间没有差异 ”1 。看起来触觉二维物体识别也呈现类似于视觉中物体识别专家化后所导致的加 工方式改变 a c l 队 步 tl 今 一 、夕乙 b v - ， r 3 卜 飞 v矿x 产弋l l e ：一 仅咚 弋l 么 图2 i 实验中采用的刺激a 为整体，b 为倒置的整体；c 为从整中中抽取出来的部分，这 些部分是独特的 然而，这个实验本身是有缺陷的，如专家化的程度难以鉴定。训练两小时， 正确率达至i j 9 2 后能否认为被试已达到专家化的水平? 其次，模式不是闭合的， 格式塔心理学认为这样的图形不是一个“完形”，不利于知觉加工，而且因为不 符合现实生活中的情形，研究结果也难以推广，生态效度差。第三，无法排除结 果中的训练本身的影响，也就是说，对于一个完全陌生的模式，知觉并没有方向 性选择，但是一旦加以强化学习，学习过程中的状态，会对记忆提取产生易化或 阻碍作用，方向选择可能不过是熟悉程度的函数，而与专家化无关。 因而，该研究并不能有效地解释二维模式的专家化触觉识别的加工方式，不 能说明倒立所导致的认知损耗与自动化整体加工的因果关系。从而人类的知觉， 包括不同通道的知觉是否可能有一致的内在加工规则的疑问，也仍有待继续研 究。而有关视觉二维模式专家化识别的加工策略的研究会是有益的尝试。 二维模式专家化识别的加工机制初探 3 本研究的构思和研究目的 3 1 研究目的 基于以上研究的回顾，本研究的目的是探索一种特殊的2 d 模式一字符的专家 化识别的加工方式，检验专家化结构编码理论的普适性和字词一物体一人脸连续体 理论的解释力。本研究的意义在于理论上可以为解决人类视知觉的最基础性问题 之一局部加工和整体优势的争论提供另一条思路：探索人类的高级视知觉中存在 统一加工方式的可能性。在应用上，可给视知觉的人工模拟以启发。 3 2 研究构思 3 2 1 实验材料选择 在本研究中任务所使用的材料是2 4 个不同字体的大写字母a ( 见图3 1 ) ，之 所以做这样的选择，出于几方面的考虑。一是因为前面已提及的原因，是对字词 一物体一面孔连续体的检验。二是操作方便，由于专家化学习要求对一系列有共同 成分、基本结构的模式的区分，而不同字体是天然的好材料。第三，字母是参加 实验人员( 浙江大学和同济大学的在校学生) 非常熟悉的，而且一般情形下都是 正立的经验，比起新造的模式，专家化学习所导致的不同方向上的识别绩效差异 更有说明力。 3 2 2 专家化训练及专家化操作标准 专家技能只能从练习中获得，因此为了达到模式识别的专家化水平，必须给 与被试一定的学习训练。前言中提到，以往的研究表明，专家与非专家在专长领 域内对物体的表征的基本水平是不同的，相对于非专家，专家的基本水平是次级 水平( s u b o r d i n a t el e v e l ) “。因此，可以预测在确认任务中，当前行概念是 适当的基本水平时，被试有更短的反应时和更高的正确率。对于一个经过度学习 训练后逐渐专家化的被试，应该能看到不同水平的前行概念中确认绩效的一个转 变过程：从开始的基本水平的反应时和正确率远高于次级水平，到两者差异逐渐 二维模式专家化识别的加工机制初探 减少到无，甚至反超。因而，本实验的专家化操作标准是：两个范畴水平( 类水 平和个体也即样例水平) 的样例的命名正确率、样例的确认速度和正确率达到统 计上无差别，而且正确率达到稳定的高水平时，对该类模式的识别被认为达到专 家化。 专家化训练的时长视被试的作业成绩而定，达到操作标准后训练终止。 4 专家化字母识别的实验研究 为达到研究目的我们共设计了三个实验。实验1 ，通过对被试的训练，检验 训练前后字母匹配任务中的方向( 正立或倒立) 效应。实验2 ，检验实验1 中专家 而不是新手所呈现正立、倒立方向任务作业绩效分离是否可能仅仅只是过度学习 的结果。实验3 ，专家化字符识别的脑功能研究，考察f f a ( t h ef a c ef u s i f o r m a r e a ) 区在专家化前后的脑活动情况，以验证假设：f f a 区并非只是与“人脸特 殊性”有关，也非仅仅与三维物体识别特殊有关，而可能与视知觉整体结构编码 加工方式相关的一般性相关联。 4 1 实验一：专家识别字符的方向效应 4 1 1 实验目的 考察被认为基于特征分析的字符识别在经专家化训练后，行为学上会否呈现 类似其他普通物体的专家化识别的方向效应倒立模式的识别变得更为困难。 我们预测：如果专家化后知觉过程中的结构编码是面孔以及专长领域内物体识别 中“特殊”的倒置效应的原因这种专家系统论具有一般性，那么字符识别应该在 专家化训练后呈现方向效应。另外，如果被试经专家化训练后确实获得了编码方 式的转变，那么这种方式应该能够迁移到未曾学习过但具有与训练中的模式相同 的基本成分和基本结构的模式的识别中去，因而也应该呈现方向效应。 4 1 2 被试 共1 5 名，其中男性7 名，女性8 名，均为浙江大学在校学生，平均年龄2 4 二维模式专家化识别的加工机制初探 周岁，实验结束后付给被试费。 4 1 3 实验材料 刺激是2 4 个不同字体的大写英文字母a ，这2 4 个大写字母按照组成字母的 两条斜线的对称性以及是否在下端有突起分为两类：有突起的一类命名为g l o k ， 而无突起的一类命名为p l o k 。同时每个字母又分别被随机地赋以无意义的单音 节名字如：c i t 。r a b ，f a q 等( 见图4 1 ) 。把2 4 个字符随机分成两组，每组各 有6 个g l o k 和6 个p l o k 。其中一组字符给被试学习训练用，另一组作为新的类 内成员，用于评价专家技能的迁移性实验。刺激通过一台型号为a s 7 9 7 的显示器 呈现，呈现的刺激约6 5 c m x 6 5c m 大小，被试与显示器的距离约为6 0 公分。 整个实验在台p 4 处理器的清华同方计算机上运行。 g io k p io k 圈4 1 实验中部分材料样例。g l o k 、p l o k 为类水平的名字，而b e y 、r a b 等为样例个体水平的名字 4 1 4 实验设计 本实验分为两部分，两个都是两因素的被试内设计：专家化程度( 新手v s 专家) x 方向( 正立v s 倒立) 。实验1 a 中专家化前后的匹配任务中呈现的刺激 是一样的。实验1 b ，为了检验专家化技能的迁移性，每个被试在实验结束后又做 了一个匹配任务序列，这个任务中的刺激材料是十二个未学习过的模式，其它所 二维模式专家化识别的加工机制初探 有内容同l a 。 4 1 5 实验程序 整个实验分为前测、专家化训练及后测三个阶段，在正式测试前，每次给被 试一个8 次任务的练习。具体安排及训练过程如表( 表4 1 ) 所示： 表4 1 实验l 中的实验流程安排 任务次数任务内容 前测1 2 0字母匹配 序列1 1 熟悉( s e t1 ) 6 类水平识记( s e t1 ) 1 2 0 类别命名并反馈( s e t1 ) l 熟悉( s e t1 ) 6 个体水平识记( s e t1 ) 1 2 命名反应( s e t1 ) 1 2 0 个体水平命名并反馈( s e t1 ) 1 2 0 确认测试( s e t1 ) 序列2 1 熟悉( s e t 2 ) 6 类别探索( s e t 2 ) i 2 0 类命名反馈( s e t 2 ) 1 熟悉个体( s e t 2 ) 6 个体探索( s e t 2 ) 2 4 命名反应( s e t l 、2 ) 1 2 0 命名反馈( s e t l 、2 ) 1 2 0确认测试 序列3 、4 、5 1 2 0 类命名反馈( s e t l 、2 ) 1 2 0 命名反馈( s e t l 、2 ) 1 2 0 确认测试( s e t l 、2 ) 后测1 2 0 2字母匹配 任务说明 三丝堡苎童窒些望型盟垫三垫型塑堡 字母匹配：要求被试判断相继呈现的两个大写字母a ( 正立或倒置) 是否相同， 并按键反应，记录被试的反应时和正确率。任务中的刺激呈现过程见下图： 口口口 图42 字母匹配任务中的实验流程 熟悉：组内所有的刺激一次呈现。字母在上方，无意义音节组成的名字在字母下 方，呈现时间由被试自己决定，直到被试自己认为已经记住了为止。 命名反应：呈现字母及字母的无意义音节名字( 在字母下方) ，要求被试按名字 的首字母按键反应确认该字母的名字。 命名并反馈：屏幕只呈现字符a ，要求被试按该字符的无意义音节组成的名字的 首字母按键，确认该字母的名字。如果错误，系统将提示正确的名字，任务分成 类水平的命名和样例( 个体) 水平的命名两种。 确认测试：显示器上相继呈现名字一字符a 对，要求被试判断该配对是否正确。这 个任务的前行概念包括两个水平的字母名字：类水平或个体水平。刺激呈现如下 图所示： 日口口 图4 3 确认测试中的实验流程 4 1 6 结果与分析 4 1 6 1 专家化的训练 专家水平操作标准如前言所述，每位被试经过8 1 2 ，平均i o 4 个序列，分三、 四天的学习后均达到了专家水平。这个过程平均大约用去6 小时。由于每个被试 达到专家化水平的速度不等，训练的次数有多有少，因此很难做一个严格的统计 分析。以下的统计图( 图4 4 ) 是1 5 个被试在训练过程中，随着练习次数的增加两 二维模式专家化识别的加工机制初探 个水平样例平均确认速度的变化曲线。横坐标表示训练的序列数，前后各两个序 列分别记为第l 、5 学习阶段，中间的学习序列平分为3 个阶段。这些被试随着学 习次数的增加个体水平上的辨认的成绩迅速提高，最后达到与类水平一致。 命名任务因为是全程错误反馈的，而且反应键众多所以数据未做准确的分析，只 做了正确率统计( 练习的5 点分段法同前) 。结果图4 5 所示。图中不同被试在训 练的初始阶段命名任务的正确率都较低，直到训练的中后期才保持较高的正确 率，而类水平的命名从一开始正确率就达到了接近1 0 0 天花板效应。所以在确认 测试里，尽管不少被试在训练的初期就出现了两个水平反应时无差异的状态，但 对他们的训练并没有停止，一直到被试在命名任务中保持极高的正确率并且确认 测试中统计检验两个水平的任务的反应时没有差异为止。 书 岳 鼠 罄 将 练习练习 图4 41 5 + 被试的总平均反应时和正确率在专家化训练过程中两个水平确认测试中的变化曲线 a 巷， h 6 鬻s 4 b 书 苎 目 嘉 酱 杖试 被试 图4 51 5 个被试命名任务中的不同训练阶段的平均正确率 为样倒水平命名，b 为类水平类命名 4 1 6 2 实验1 a 专家化前后，正立或倒立呈现的字母匹配的绩效 专家和新手对不同方向呈现的字母匹配的平均反应时，经2 2 重复测量方差 分析，方向上的主效应显著f ( 1 ，1 4 ) = 1 5 7 9 5 ，p = o 0 0 1 。对正立呈现的字母的判 断要快于倒立呈现的字母。专家化训练的主效应显著，f ( 1 ，1 4 ) = 3 3 9 6 0 ， p = o 0 0 1 。随着训i 练，被试的反应速度加快。专家化与刺激呈现方向的交互作用 孵舛8：帅髓拍辨驼 二维模式专家化识别的加工机制初探 也显著，f ( 1 ，1 4 ) = 5 6 9 0 ，p = o 0 3 2 。简单效应检验表明，新手在两个方向的反 应时差异不显著，f ( 1 ，1 4 ) = 2 5 5 ，p = o 1 3 l ，因此是专家而不是新手对倒立模 式的识别，相比正立呈现的任务，产生了显著的延迟( 图4 6 ) 。 7 5 0 0 0 均5 0 0 0 0 厘 世 时 2 5 0