第六章视觉实验

第六章视觉实验视觉刺激视觉的基本现象颜色视觉空间频率第一节视觉刺激一、视觉的物理刺激视觉的适宜刺激：光的三个特征：波长、纯度和振幅心理特征：色调、饱和度和明度能发光的物体叫光源，可分为自然光和人造光源。光可分为混合光和单色光国际单位制（SIE单位制）的光度单位二、光刺激的物理测量光强度（luminousintensity）:用I表示，单位是坎德拉（candela,cd）光通量（luminousflux）:用φ表示，单位是流明（lumen,lm）光照度（illuminance）:用E表示，单位是勒克斯（Lux,lx）反射系数（reflectancefactor）：用R表示光亮度（luminance）：用L表示，单位是尼特（Nit）。入射光（incidentlight）为照度，反射光(reflectionlight)为亮度(brightness)。亮度＝反射系数×照度，L=R×E，Nit=1cd／m2亮度的其他单位：毫朗伯（millilambert,ML），呎朗伯（footlambert,ftL）。1ML=0.929ftL=3.183烛光／平方米（c／m2）=10阿普熙提(apostilbs)。视觉实验中也常用视网膜照度来表示刺激的物理强度，其单位是楚兰德（troland），楚兰德＝刺激强度（cd／m2）×瞳孔面积（mm2）亮度和照度关系示意图光度学（photometry）光度量的测量和计算以心理学对人的视觉系统感觉特征的研究为基础，视觉心理的研究则要应用光度学的知识和测量技术。光度学度量的原始标准是以特定规格制成的一支蜡烛作光源的。特定的一支蜡烛放在离屏幕（s）的一段距离（d）处，屏幕以一定的比例（R）反射投射到其表面的光。入射光是照射到屏幕表面上的照度（E），以呎烛光为单位，这个值等于光源的烛光数（c）除以从光源到屏幕的距离（d）即：E=c/d2（呎烛光）一门研究可见光的计算和测量的科学，主要包括两个方面：①研究各种光度量及其相互关系，常见的光度量有光通量、发光强度、照度、亮度等。②设计与制造各种光度量及其有关光特性测量的仪器，规定相应的测量方法，光度测量的仪器有照度计、亮度计、色度计等。如果光源移近一个表面，则表面受到较强的照明。一个人在c处所看到屏幕上的亮度（L）与屏幕反射系数关系为：L=cR/d2，可见不论距离表面远近，屏幕上的亮度保持不变对比辨认（亮度对比）亮度对比C常用表达式为：或亮度对比是指视场中对像与背景的亮度差和背景（或对象）亮度之比如果对象和背景不易确定，如等距的黑白条纹刺激物，需任意指定对象与背景，此时，为了方便，可用下式表达：C=△L／L背景，式中△L为任意定出的对象和背景的亮度差。如果△L是视觉恰可觉察的亮度差异，则上式所表达的对比就是在一定背景亮度下的亮度差别阈限。式中的L高与L低分别为高亮度和低亮度。一般情况下，刺激物面积比较大的部位作为背景，面积比较小的观察物作为对象。式中的分母指背景的亮度。如果对象亮度大于背景亮度，用第一个表达式。常用与发光体对比的计算，如黑白电视机屏幕的对比的计算。如果对象亮度小与背景亮度，则用第二个表达式计算，如白背景上的黑视标或白纸上的黑印刷体的对比的计算。视角与照度、对比的关系喻柏林（1979）用黑环／白背景视标对视觉对象的视角、对比和照度的关系进行了研究，发现无论大对比还是小对比，都有共同的变化趋势：视角越大，要求照度越低；视角越小要求照度越高。视角递减时，照度发生递增变化，而且视角递减的速度小于照度递增速度。换句话说，照度的一个大的正增量才能适应视角的一个小的负增量。同时，如果小视角和大视角在纵坐标上发生同样的变化，则照度在横坐标上分别引起的增量相差越大，前者大大高于后者，这种现象称之为照明收效递减律（lawofdiminishingreturns）。第二节视觉的基本现象一、视觉适应的研究：暗适应（darkadaptation）和明适应（lightadaptation）明、暗视觉的特征特征明视觉暗视觉感觉细胞锥体细胞杆体细胞光化学物质锥体色素视紫红质色觉正常的三色无色所在视网膜区域中心外围即边缘暗适应速度快（8分钟或更少）慢（30分钟或更多）空间分辨能力高低时间分辨反应快反应慢照明水平画光（1到107毫朗伯）夜光（10－6到1毫朗伯）空间总和小大光谱灵敏峰值555nm505nm暗适应视紫红质暗光视黄醛＋蛋白质不同色光的暗适应比较根据Judd(1951)和Wald(1954)的研究资料，在几种不同的适应色光中，红色光暗适应保持得最好，尤其是600毫微米以上的视场中，视杆细胞的感受性比视锥细胞的感受性高得多。白光预先作用于视网膜不同部位的暗适应中央视觉（0°）只适应到一定程度后，感受性就不再提高了；越靠近视网膜边缘，暗适应速度就越快。明适应二、视敏度（visualacuity）视敏度反映的是眼睛的空间辨别能力.视知觉查标准刺激物的存在和辨别物体细节的准确性.αbaBAADtanα/2=A/2D当α≤10°时，视角α的顶点作为圆心，把物体离视角顶点的距离作为半径，把物体大小A看作圆周的弧，则可以用下面简便公式：α=A/D，α如果用弧度表示，则：α=A/D×57.3(度)A为物体的大小，D为物体到视角顶点的距离。

视敏度的种类觉察（detection）不要求区分物体的细节，只要求发现物的存在。定位（localization）是觉察两根线是否连续或是否错位的能力。解像（resolution）是知觉某一模式（apattern）具体元素之间分离的能力。再认（recognition）的物体是白色背景上的大小不同的黑色图形，医学上用的视力表就属于再认测试。医学上常把视敏度叫做视力，是以视角的倒数来表达的，即：V=1/α，其中α为视角，用分表示。临床医学上常用下面公式来计算视力：V=D′/D，D′为标准观察距离，一般为5米，D为视觉能分辨的视标的细节单位与眼睛呈1分视角时所在的距离，视标细节单位在我国常用的是“E”字的开口，国际上常用的是“C”型视标，又叫兰道环（Landoltring）。组成图形的黑线宽度和缺口大小，均为图性边长或直径的1／5，相同大小的图形排在同一行内，被试在一定距离能正确分辨一般图形时，其视敏度就是与该行图形缺口大小相应视角的倒数。把不同D下都呈1分视角的视标按大小排成行即构成了视力表，实际测试视力时，是在标准距离下能看见哪一行的视标“E”，就用“E”字旁的数字代表视力。影响视敏度的因素1.视网膜不同部位视敏度是不同的。（视野visualfield是指当头部不动时，眼睛注视正前方某一点所能知觉的空间范围，以度为单位。）中央视敏度与边缘视敏度是不同的。2.照度对视敏度的影响上左图为喻柏林（1979）所研究的不同照度条件下所能辨认的视角大小，将其实验结果按照1／α作图，即得到右边的视敏度曲线。3.刺激物与背景亮度的对比关系对视敏度的影响Guth&McNelis(1968)的实验结果，上面的实线为4分视角开口兰道环的分辨阈限曲线，下面的实线为同一兰道环的觉察阈限曲线，中间虚线是Blackwell-Smith的4分视角圆盘的觉察阈限。荆其诚（1980）通过对视觉辨认中照度、视角、对比度三个变量之间关系的研究，得出的一组视觉功能曲线（visualperformancecurves）。Wilcox(1951)用一对平行长方形作为刺激来检查视敏度所得出的实验结果。4.其它因素眼睛的光学系统的缺陷如近视或散光都能造成视敏度的下降。眼睛的疾病如白内障、视网膜症状等也会造成视敏度的下降。年龄——视敏度随年龄的增长而下降。曝光时间：如果眼睛短时间曝光，必须符合光度学中的Bunsen-Roscoe定律：光的强度（I）和时间（T）的乘积决定其效果。Sperling等（1965）研究表明，为了观察一个小而亮的圆盘所需的光能量对所有短时间的曝光来说是一个常数，即所需的能量是时间和亮度的乘积，这符合Bunsen-Roscoe定律，并在研究中找到了一个临界时距，超过这个时距，上述规律失效。在很长的时距里，强度本身决定着觉察阈限。瞳孔的大小：研究表明，瞳孔直径在增至1毫米之前，视敏度与瞳孔保持一种线性关系，瞳孔再增大，瞳孔只有很小的改进。在直径从2.5增到5毫米这一范围内，视敏度维持着近似恒定的高数值，这正是对高的和中等的明视亮度水平的瞳孔直径的正常范围。眼睛并不是一个完善的光学系统，（如果是，衍射将导致在瞳孔直径增加时视敏度会呈线性增加，因为衍射作用的大小与瞳孔直径成反比。）所以，眼睛会有各种各样的光学像差：当一个单个的点发出的光线从瞳孔的不同部分进入眼睛时，并不能聚焦在视网膜上的一个点上，造成象的失真。瞳孔直径增加，失真更加严重。看一看，是不是觉得，左边的灰色方块要浅一点，亮一点？其实，两个灰色方块是完全一样的。不信？遮住周围的区域你再看看。侧抑制过程也能解释上面这种错觉，中间的两个方块反射同样多的光到眼中，只是由于对比效应它们的视觉效果才不相同，不信遮住周围的区域你再看看。很多魔术师都用这种对比效应来隐藏他们的道具。比如他们想隐藏物体的支持物时，魔术师就在周围使用明亮的物体，象金属物或白布等等，这样黑色背景下的道具显得更暗，观众就看不出其中的奥秘。Hermann栅格错觉看到交叉处的灰点了吗？仔细看看，它并不存在。交叉处四周都是明亮的白条，而白条的周围只有两处黑色区域。所以，注视交叉处的视网膜区域比注视白条的区域受到更多的抑制，这样交叉处显得比其它区域暗一些。在交叉处就能看到灰点。生理学上的解释你的视网膜由许多小的神经细胞组成，它们是光的感受器。这些细胞在视网膜上排成列。许多科学家都认为单独一个细胞的激活是不可能的，某个细胞的激活总会影响它邻近的细胞。他们发现刺激某个细胞得到较大的反应，而再刺激它邻近细胞时反应会减弱，这也就是周围的细胞抑制了它的反应。这种现象被称之为侧抑制,它发生在视网膜上一种叫做侧细胞丛的结构上。在Hermann网格图中，交叉处的四边都是亮的，而白条只有两边，所以注视交叉处的视网膜区域比注视白条的区域受到了更多的抑制，这样交叉处显得比其它区域暗一些。你在交叉处就能看到灰点。这种效果在视野周围更显著一些，因为侧抑制在更远的距离上发生作用。眼睛跟着粉红点移动，你看到的是粉红点在闪动；盯着中心看，你会看到绿色点在闪动；长时间盯着中心看，你会发现粉红点不见了，只剩下绿色点在闪动。视觉刺激的空间交互作用——马赫带（Machbands）白黑Lateralinhibition：是指抑制性神经元冲动能抑制附近神经元活动的现象。Machbands：指马赫发现的一种明度对比现象，是一种主观的边缘对比效应。当观察两块亮度不同的区域时，边界处亮度对比加强，是轮廓表现得特别明显。三、闪光临界融合频率物理上闪烁的光在主观上引起的感觉介于闪烁与稳定之间时的频率叫做临界闪光频率，即刚刚产生闪光融合感觉的闪光频率（criticalflickerfrequency）或临界融合频率(criticalfusionfrequency，简写为CFF)，反映的是人眼对光刺激时间分辨能力的指标。当其它条件相同时，CFF越高，说明眼睛对于时间上明暗变化的分析能力越强，时间的视敏度越好。Talbot-Plateaulaw：间断的闪烁光，当其闪烁频率达到或超过融合频率后，人眼对融合光的感觉，和对相应的全周期均匀一致的光流所产生的感觉完全一致。融合后的亮度同融合前的闪光的亮度比较，其亮度或明度均要下降，而实际上达到CFF的闪光明度的强度却与稳定光的强度相同。尽管高频率的间断光和连续光都能引起稳定光的感觉，但只有当它们的光总量即光的呈现时间×光强完全相等时，二者的明度才能相匹配。因此，一个连续光如果要和它在明度上相匹配，其强度只需间断的闪烁光的一半就可以了。在视觉心理的实验研究中，刺激的时空特征是重要的研究内容，经常使用到刺激的久暂、也经常通过操纵面积大小用刺激的时间和空间变量进行研究。（一）刺激的时间特征★曝光时间的长短与光线强弱有关，掌握了这一原理就能够拍出好照片，同时也不知不觉地运用了Bunsen-Roscoelaw。表示光的强度（I）和时间（T）的乘积决定它的效果，即I×T＝C。光刺激的时间特征主要受感光色素转换过程的制约。视紫红质的分解时可逆转的，大约经过50～200毫秒，就开始恢复。所以，Bunsen-Roscoelaw只在这个有限的时间区域内起作用，一般定在100毫秒以下。如，由于某种原因刺激强度减弱，只要增加刺激持续时间，阈限水平仍能维持。但刺激强度减弱到阈限水平以下，增加持续时间就无效了。这一定律不再起作用。总之，在感光色素恢复开始之前，I×T决定刺激效果，当刺激时间超过临界时间，强度就成了效果的唯一决定因素。（二）刺激的空间特征Ricco’slaw：网膜受刺激的面积（A）越大，阈限（C）所要求的强度（I）则越小。如，两块面积不同但亮度相同的物体，看起来小的不如大的量。但里科定律适用于受刺激的网膜范围较小的情况。空间因素对视敏度有重要影响，视觉的刺激强度和接受刺激的网膜区域大小的不同，都会导致视觉（绝对）阈限的变化。换句话，如果是绝绝对阈限一定，则刺激强度和刺激的网膜面积二者之间就具有一定的关系。对于网膜较大的受刺激范围和刺激强度的关系，应使用派帕定律Piper’slaw是里科定律的修订。如果刺激强度减小一半，接受刺激的网膜面积需增大四倍方能保持绝对阈限的原值。里科定律最适宜说明中央凹受刺激时的情况，派帕定律最适合于说明网膜外围受刺激时的情况。派帕定律的公式表达：（三）影响CFF的因素1.CFF随光相的强度的增高而增高。Ferry-Porterlaw：n=alogI+b，其中n代表CFF，a、b为参数，因人因时间而定。图为S·Hecht和C·D·Verrijp用强弱不同的、直径为2°视角的白光刺激测定中央凹cff的实验结果。2.CFF随闪光照射区域的面积的扩大而增大。Granit&Harper(1930)认为CFF与面积（A）的关系也是对数关系：n=clogA+d，其中c、d为参数。格拉涅用4个小点同时闪亮，测出融合频率，再测1点闪亮时的频率，结果4点比1点的融合频率要高。如果4点比较靠近并刺激网膜边缘，这种差别更大。说明空间上的积累具有增强间歇刺激相对强度的作用。图为S·Hecht和C·D·Verrijp的实验结果，曲线上标明的度数指的是注视光点时网膜受刺激的面积。视网膜受刺激的面积从0.3°增加到19°，在低强度和高强度所产生的效果是不同的。低强度时，6°和19°各有一段低平曲线，且6°比19°的cff低，而0.3和2则无这段曲线。高强度时，在刺激强度相同的条件下，网膜受刺激的面积越大，cff越高。从0.3°到6°受刺激面积从1增加到400，最高的cff从40Hz增到45Hz，受刺激面积增到19时，最高的cff达到58Hz。一般而言，锥体细胞的分析能力高于棒体细胞，故中央凹的cff比边缘部分高。但在刺激面积较大的情况下，网膜边缘会产生空间积累作用。影响CFF的因素（续一）3.在视网膜的不同部位，cff是不同的。图为S·Hecht和C·D·Verrijp的（刺激面积较小情况下）实验结果，两条曲线明显地分为两段，低强度时曲线低平，说明随logI的增加，cff较低而且变化不大；在中、高强度时，cff的变化和在中央凹受刺激时类似。因此这两段曲线表明了在低强度时是棒体细胞起作用，在中、高强度时是锥体细胞起作用。同时，在中、高强度范围内，刺激强度相同时，刺激部位在中央凹以外要比在中央凹的cff要低，同样说明了棒体细胞的分辨能力不如锥体细胞。影响CFF的因素（续二）4.光的色调对cff的影响。实验表明，用各种单色光的闪烁分别刺激中央凹以外5°的地方，刺激面积为2°视角，其结果如图所示。在强度相同时，cff由高到低的顺序为黄、橙、绿、红、蓝。除红光外，其他色调的闪光的cff，随着光刺激强度的增加曲线都分为两段，它们是棒体细胞和锥体细胞分别起作用的结果。红光曲线没有分成两段与红光没有光色距有关。其他研究还表明，当网膜照度水平是明视水平，照度在10个楚兰德以上时，cff主要依赖亮度而不依赖波长；只有当照度低于10个楚兰德时，强度相等条件下，短波的cff比长波的要高。这和眼睛在暗视水平时对短波比长波更敏感是一致的，说明照度在10个楚兰德以下时，cff曲线代表了棒体细胞的机能。影响CFF的因素（续三）5.研究表明，一些附加刺激的作用如声音、嗅觉、味觉等刺激均可改变cff。此外，年龄超过55岁、疲劳、缺氧等因素会降低cff。Кравок（1935）对暗适应过程中附加声音刺激对白光的cff的影响研究发现，足够响的乐音（2100Hz）使中央视觉的cff提高，使边缘视觉的cff降低。（参见左图）其他研究表明，各种单色光的cff在附加嗅觉、味觉及温度刺激也有同样的影响。M.N.Schaternikoff(1902)发现，暗适应可提高暗视觉的cff，但却降低明视觉的cff。Кравок（1938）对中央视觉的暗适应对各种单色光的cff的影响进行了研究，发现暗适应40分钟后，青和蓝光的cff降低得最多，橙和红光降低得少一些，绿光降得最多。如果以对暗适应30分钟后的cff比对暗适应5分钟时的cff降低的百分数作为cff降低的指标，各单色光对在暗适应过程中cff降低的情况如上图。第三节颜色视觉一、颜色现象（一）颜色的明度、色调和饱和度心理物理学概念亮度luminosity主波长Dominantwavelength纯度purity明度brightness色调hue饱和度saturation心理学概念颜色类别心理物理量心理量非彩色亮度明度彩色主波长色调纯度饱和度颜色的基本特性彩色系列非彩色系