直接知觉理论及其发展5

直接知觉理论及其发展 禤宇明　傅小兰 (fuxl@psych.ac.cn) [摘要] Gibson 创立的直接知觉理论（direct perception）认为环境中的信息如此丰富，人对外部世界的知觉 可以是直接的而非整合的，并强调人与环境的交互。直接知觉理论已经成为知觉理论的一个重要分支。本 文介绍了直接知觉的基本概念，并着重从空间知觉、大小知觉、运动知觉三方面综述该理论的观点、实验 研究及其进展。 关键词：直接知觉 生态光学 不变性 提供量 自从 J. J. Gibson（1966，1979）奠定直接知觉理论的基础以来，直接知觉理论已经成为 知觉理论的一个重要分支。本文旨在介绍直接知觉的基本理论，并着重从空间知觉、大小知 觉、运动知觉三方面综述该理论的进展。 1. 直接知觉理论的基本观点 我们所熟悉的知觉的建构理论以 Helmholtz（1866/1963）的无意识推理为基础，知觉被 理解为感觉和概念的整合。但 Gibson（1966，1979）认为，环境信息是如此丰富，人对外 部世界的知觉可以是直接的而非整合的。也就是说，信息和外部世界之间有一种直接的关系， 因而人可以直接拾取环境中分布的信息，不需要心象、图式或者表征等作为中介。 1.1 生态光学（ecological optics） 物理光学概念是以能量为基础的，但 Gibson 认为，对人和动物来说能量没有很直接的意义，比 如说可见光以外波长的光，具有物理学上的意义， 但对人的视知觉没有任何贡献。因此，Gibson 引 入了生态光学理论，以强调知觉对动物在自然环境 下生存和发展的意义。（Gibson，1961）（1）。生 态指的是生物在一定的自然环境下生存和发展的 状态，也指生物的生理特性和生活习性。生态光学 就是基于生态水平的光学。Gibson 提出了环境光 （ambient optic）、环境光阵（ambient optic array）、 光流（optic flow）、光流阵（optic flow array）等 基本概念。环境光就是通常所说的照明，指充斥在环境中的经过多次反射的光线。环境光阵 则是指环境光所形成的结构信息，即环境中有无数个观察点，观察者在任何一点上观察，来 自四面八方的光强都会有差别。Gibson 认为结构信息是知觉的基础，因为对于人的知觉而 言，一个均质的、光强无任何差别的环境等同于一个完全黑暗的环境。 Gibson 以前的大部分知觉理论都建立在静止观察者的基础之上。但 Gibson 认为，建立 在静止观察者基础上的知觉理论忽视了知觉的很多关键信息，因为在自然环境中，人和动物 总是活动的观察者；而对于活动的观察者，环境光阵就变成了环境光流阵，如图 1 所示。 1.2 不变性（invariants） 如果知觉是直接的，那么知觉对象是什么呢？过去认为，知觉对象是知觉过程的结果， 是对刺激的自动反应；有的心理学家还对远体和近体刺激加以区分（Heider, 1930/1959; Koffka, 1935）。Gibson 不同意上述观点，认为知觉和刺激之间存在单值函数关系（Gibson， 图 1：光流阵示意图 1959）（2）。基于这个刺激-知觉假设，Gibson 提出了不变性的概念，认为不变性是动态刺激 流中的恒定模式，而知觉就是对这些恒定模式的直接拾取（pick-up）。比如说，从不同的 角度看，房间里各种家具的具体位置、大小等都会有所不同，但是家具的布局具有不变性。 1.3 提供量（affordance） Gibson 认为知觉应该以人与环境的交互为基础。他认为人与环境是互补的、不可分割 的两部分。他提出了提供量的概念，认为提供量是指人和环境的交互中环境所做的贡献，而 在这种交互中人的贡献就是人具备交互的能力。提供量的概念有三层含义：（1）提供量存 在于环境之中，不是知觉的产物；（2）知觉系统能获取的信息指出了提供量；（3）有机体 能觉察这些信息从而知觉到提供量（Michaels，1988）。自提供量的概念被提出后，它已被 大量用于对情景的描述。 总之，直接知觉理论认为知觉是直接的，动态的，并强调人和环境的交互（即强调情景 的作用）。Gibson 及其后继者做了不少工作以支持和发展直接知觉理论。下面我们着重从 空间知觉、大小知觉、运动知觉等方面综述直接知觉理论的观点，实验研究及其进展。 2. 空间知觉 传统的知觉理论认为，视网膜像是两维的，因此深度信息就丧失了。人必须利用深度线 索来弥补所丧失的第三维信息。二战期间 Gibson 受命帮助训练飞行员，结果他发现飞行员 无法利用深度线索来帮助飞行。Gibson 从此逐渐摒弃深度线索的观点。他认为“三维坐标” 是纯粹的数学抽象，但对实际知觉没有任何贡献。Gibson 认为人看到的都是物体的表面， 所以知觉的基础是对物体表面布局的知觉；环境光阵中的结构密度信息已包含了所有的三维 信息，因此根本不存在单独的深度知觉。 为了证实以上观点，Gibson 等人（1955）做了一个很有趣的“伪通道”（pseudotunnel） 实验。实验使用了一些大的塑料薄片，每片中央都开有一个 30 厘米左右的孔。塑料片有黑 白两种，实验中最多使用了 36 片。塑料片如图 2 放置，被试在一个隔开的小房间往孔里看。 实验结果如下：当所有的塑料片同颜色时，被试 报告 软件系统测试报告下载sgs报告如何下载关于路面塌陷情况报告535n,sgs报告怎么下载竣工报告下载 什么也看不到；当 36 片塑料片黑白相 间时，所有被试都报告看到了一个连续的、平滑的通道，没有被试报告看到了塑料片中央孔 的边缘；当黑白相间的塑料片数减少时，报告看到连续平滑通道的被试越来越少，而越来越 多的被试报告看到了塑料片中央孔的边缘；Gibson 对这三个结果的解释是：现实世界中的 任何物体表面均有一定的纹理，也就是说包含有结构信息，对物体表面的知觉取决于环境光 阵中的结构信息。塑料片同颜色时环境光阵中缺乏结构信息，所以被试报告看到的是一团雾 或者什么都不是；同理，一块完全透明的玻璃也是因为缺乏纹理而让人觉察不到它的存在。 塑料片黑白相间时就形成了不连续信息，而且塑料片足够多时就可以让被试觉察不到塑料片 之间的间隔，这些不连续信息就被误认为是伪通道的表面纹理信息。 图 2 Gibson et al （1955） 的伪通道实验 为了证明环境光阵中含有距离信息，Purdy & Gibson（1955）在室外做了一个实验。他 们在草地上放置了一些标志物，最远的标志物离被试达 320 米；要求被试平分两个标志物之 间的距离或者是平分自己和某个标志物之间的距离。结果发现所有的被试都能较精确地毫不 费力地完成实验任务。Higashiyama（1994）在日本海面上让被试目测船和海岛之间的距离 （距离范围 0.4-15.3 千米），结果也证明了知觉距离信息的直接性——在这么远的距离下， 所谓的深度线索也都失效了。 E. J. Gibson 等人（1960）的视崖实验也强有力地支持了直接知觉理论。因为不管是用 新生婴儿、动物幼子还是出生后即予以视觉剥夺的成年动物来做实验，结果发现他们爬到（或 走到）“悬崖”边上时都会停下来。这说明深度知觉是直接的，是一种天生的本能。Gibson （1979）还用提供量的概念对此实验进行了解释——“悬崖”的一边提供了支持的表面，是 安全的；而另一边让人觉得会掉下去，是危险的。 3. 物体大小 对于物体的大小判断，传统知觉理论的解释主要基于视网膜像的大小和对距离的判断。 而直接知觉理论认为环境光阵中的信息足以说明物体的大小，人们可以通过眼高和地面纹理 密度信息直接感知物体的大小。下面我们主要介绍有关眼高 标准 excel标准偏差excel标准偏差函数exl标准差函数国标检验抽样标准表免费下载红头文件格式标准下载 的一些实验。 Sedgwick（1973）最早提出了人用来知觉物体高度的地平线比例关系（Horizon ratio relation）和眼高标准（Eye Height Scaling）。地平线比例关系是指相同高度的物体被地平线 切分而成的上下两部分的比例是相同的，眼高就是人的眼睛离地面的高度。显然，地平线与 人眼的水平视线会在无穷远处相重合。但实际上，由于物体或者建筑物的阻隔，地平线常常 并不明显，比如在室内时，人就是靠环境光阵中的其他信息来弥补缺失的地平线信息。这些 环境光阵信息包括光流域的扩展中心、地板和墙壁的纹理密度变化。眼高在环境中的投射则 被称为有效眼高（effective eye height，即 EEH）（Wraga, 1999）。 早期的研究发现人无需手脚并用就可以一步直接踏上的最大高度为腿长的 0.88 倍 （Warren，1984），但 Mark（1987）将这一比例纠正为眼高的 0.45。以后有关眼高标准的 实验主要集中在研究 EEH 对大小判断的影响，并取得了比较一致的结果（如 Warren & Whang，1987；Stoper，1990；Stoper & Bautista，1992； Wraga & Neisser，1995；Wraga， 1999）。限于篇幅，这里只简述 Wraga（1999）的工作。 Wraga（1999）区分了涉及大小判断的两种实验任务：一种是内在任务，即心理物理任 务，要求被试对比标准刺激和比较刺激；当标准刺激和比较刺激同时呈现时，被试只需要比 较两种刺激的视网膜象的大小；而当标准刺激不在视野范围之内时，被试需要做的是把比较 刺激和记住的标准刺激进行比较；这两种条件下都不涉及提供量的拾取。另一种任务为外在 任务，也称为提供量任务，要求被试与环境有交互动作（如要求被试判断能否踏上台阶，能 够通过洞口），这就需要被试以身体部位来衡量物体大小。实验沿用了 Warren（1987）的 “伪地板”（false floor）范式来直接操纵 EEH。“伪地板”是指在被试未察觉的情况下， 用某种装置垫高了判断目标（如图 3 所示）。伪地板的作用在于降低眼高的投射位置（即 EEH）。 Wraga（1999）一共设计了 4 个实验。前三个试验包括一个内在任务和一个外在任务； 实验四包括两个外在任务。在实验一中，Wraga 让被试判断是否可以以正常方式（无需手脚 并用）踏上某个台阶（3），并判断台阶高度是否大于一根标准棍棒的长度。被试可以一直看 到作为标准刺激的棍棒。在实验二中，被试除了判断是否可踏上台阶外，还要判断台阶高度 是否大于 24 英寸（事先已记住的标准）；在实验三中，被试需要判断能否无需侧身就可以 通过一个洞口（3），还要判断洞口宽度是否大于 18 英寸（事先已记住的标准）；在实验四中， 被试要判断台阶高度是否大于 18 英寸（事先已记住的标准），还要判断洞口宽度是否大于 18 英寸（事先已记住的标准）。这四个试验均有两种实验条件，即有伪地板与无伪地板。 实验发现，伪地板影响了实验一、二中的所有任务，即被试低估了判断目标大小；但是只影 响实验三、四中的外在任务。也就是说，EEH 在外在任务和内在任务中均作为判断物体高 度的标准；而对物体宽度的判断只有在外在任务中才以 EEH 为标准。 4. 运动知觉 知觉研究中对运动知觉的研究本来开展得比较少，但直接知觉理论对活动观察者的强调 使得心理学家对运动知觉的研究逐渐增加，研究内容主要包括两个方面：一方面是研究对运 动方向的判断；另一方面是研究对运动物体碰撞时间的估计。研究结果有的支持直接知觉理 论，而其他一些则支持知觉建构理论。 4.1 运动方向的判断 直接知觉理论认为环境光阵中的信息对人的活动起导航作用。为什么呢？因为环境光阵 至少提供两个方面的信息：运动方向信息和环境布局信息（Strelow, 1985）。运动方向信息 从图 2 上可以很直观地看出来：当活动的观察者的视线方向和运动方向一致时，光流从运动 方向向周围对称地扩展开来，并在离开方向上会合（Gibson, 1958）。同样，假如一个人可 以找到这个光流的扩展中心（focus of expansion，即 FOE），就可以知道自己前进的方向。 这样，前进过程中我们只要调整 FOE 对准我们要去的地方就可以了。 针对 Gibson 的这个观点，以后的心理学家开始研究运动方向判断问题。有的心理学家 （Llewellyn, 1971; Johnston et al 1973; Warren 1976; Regan & Beverly 1982）发现人对 FOE 的 判断误差达到 10 度，由此认为 FOE 不大可能作为运动导航的基础；但 Warren （1976）的 研究结果发现人对 FOE 的判断误差远小于 10 度；被试甚至可以根据光流信息推断出 FOE 所在。其他研究结果表明人对运动方向的判断精确度在几度以内（Warren & Hannon, 1988; Royden et al, 1992; van den Berg, 1993, 1994）。神经心理学家最近也发现短尾猿大脑的 MST 皮层区有可能是计算 FOE 的区域（Roy & Wurtz 1990; Duffy & Wurtz 1991; Schaafsma et al 1993; Bradley et al 1996; Britten & van Wezel 1998）。 Strelow （1985） 从盲人对自身的行为控制出发，认为人的活动控制不仅可以通过环 境光阵的视觉信息来完成，也可以通过非视觉信息和空间知觉学习（包括条件反射，图式和 认知地图）来完成。并认为人通过注意选择不同感觉道信息或者在知觉过程和认知过程之间 作出选择来控制自己的活动。Beusmans （1998） 通过改变中凹物体的轮廓尺寸使被试产 生凸起的错觉，并在计算机上模拟人经过这样的物体的光流信息，结果发现被试同样对运动 方向产生错误的判断。Beusmans 藉此认为环境结构的表征是必要的，因为它提供了解释光 流信息的背景（context）。 仔细审视这些反驳的论据，我们发现，Strelow 是以盲人的行为控制为出发点，而直接 知觉理论的主要基础是视知觉；Strelow 本人也没有否定环境光阵信息对人的活动起导航作 用。Beusmans（1998）用正常物体轮廓进行的实验中被试就没有对运动方向产生错误判断。 不仅如此，Beusmans 也看到 FOE 解释的优越性：首先，FOE 提供了一个运动控制的通用模 型；其次，FOE 模型不需要任何有关场景布局和结构的三维信息，而场景分析被认为是费 时而且难以实现的（Duchon, 1998）。 4.2 碰撞时间的判断 Schiff, Caviness & Gibson（1962）利用一个投射装置，在透明屏幕上使一个物体的轮廓 迅速扩大直至充满整个屏幕。被试感觉到的是一个巨大无比的物体扑面而来，而不是一个物 体的大小变化。Gibson（1979）认为这个实验说明了人对碰撞知觉的直接性：物体轮廓扩大 的速率让人意识到碰撞发生的紧急性。Lee（1976）发展了这一观点，认为物体视网膜像的 扩大速率的倒数，即τ，直接表示与物体的碰撞时间。Schiff & Detwiler（1979）和 Todd（1981） 在不提供给被试距离和速率信息的条件下，改变在电影或在计算机显示器上图象的扩大速 率，发现碰撞时间确实可以直接被知觉到。Lee et al（1983）还发现，物体在加速运动时（此 时τ值是不断变化的），被试根据τ值来调节自己的行动而不是根据实际的碰撞时间。也就 是说，被试屏弃了有关加速度的信息。Savelsberge 等（1991）使用泄气的球来做实验，发 现被试接球的时间调节取决于球的视网膜像的扩大速率。郭秀艳等（2000）采用遮挡范式的 实验也证明了对碰撞时间的估计依赖于全局光流变化率的作用。 另外一些研究结果发现碰撞时间不仅仅取决于τ。如 Tresilian（1990, 1994）发现了决 定碰撞时间的三个环境光阵 参数 转速和进给参数表a氧化沟运行参数高温蒸汽处理医疗废物pid参数自整定算法口腔医院集中消毒供应 ：物体与碰撞点之间的角距离、物体的角速度、局部τ； Bootsma & Oudejans（1993）则引入了一个更为泛化的τ；这些结果虽然和 Lee 的结果不尽 相同，但其相同之处在于指出碰撞时间可以直接从光学参数中判断出来。 Brenner 和 Smeets 对τ假说持怀疑态度，他们设计了实验要求被试击打一个活动的蜘蛛 模型。蜘蛛的背景是可动的，这巧妙地改变了被试对蜘蛛的知觉速度但不改变它的实际速度 和知觉距离。实验结果发现被试是根据知觉速度而不是绝对速度来击打蜘蛛（Brenner & Smeets，1994a，1994b；Smeets & Brenner，1995）。Smeets 等人（1996）的进一步研究发 现，碰撞时间取决于对物体的知觉距离和知觉速度的比率。 5. 讨论 直接知觉理论认为，知觉是直接的，它不需要任何心理加工过程。这显然偏离了认知心 理学的主流。但我们应该看到，直接知觉理论对建构理论的批驳有它的哲学基础。直接知觉 理论认为，假如知觉是中介的，那么知觉将失去合理的认识论基础。因为知觉依赖于知识而 知识本身又依赖于知觉，这将导致循环论证。知觉也就和猜想没什么区别。因此，我们对世 界的直接经验应该是认识的基础。更重要的是，不同理论的碰撞才能促进学科本身的发展。 我们认为，直接知觉理论对心理学领域的贡献在于： 1） 提出了一个关于知觉的新的、简单而直观的解释。没有 Gibson 的工作，我们对知 觉的解释基本上没有超越 Helmholtz（1866）的无意识推理的观点。 2） 开辟了从人与环境交互这个角度研究知觉的途径。认知心理学的最终目的是探讨人 的智能本质。知觉的生态理论避开了直接研究大脑这个黑箱，而通过研究人和环境的交互来 解释人的行为。这虽然有避重就轻的嫌疑，毕竟是一个可取的途径。仔细研究 Gibson（1979） 的著作，我们不难发现，Gibson 的生态理论在知觉水平上把人和动物等同了。道理很简单， 动物的知觉水平并不比人差，在某些方面甚至比人强。假如我们否认动物具有推理能力，那 么无意识推理对动物就不起作用，但动物照样活得很好。我们不能全然把动物的知觉能力归 于本能，而把人的知觉能力归于学习。Gibson 及其他生态心理学家的解释让我们看到了知 觉的智能共性：有机体对环境的知觉使有机体能够适应环境、控制自身的活动及对物体进行 操纵。 3） 强调了心理学实验的生态学效度。Gibson 认为，实验室研究不能仅仅为了能方便 实验控制而与实际生活完全脱节。这种观点后来演化成心理学研究的生态学效度的概念。基 于人的思维过程与特定情景有交互作用的观点，生态学效度指的是某个情景下（如实验室） 的实验结果推广到另一情景（如实际生活）的可能性。比如说，我们在实验室里把被试的头 固定住，让他们看速示器显示的符号或者图像；而在现实生活中，人不仅可以转动头，还可 以四处走动。因此，生态心理学家们不仅开始在户外做实验，而且强调实验的现实意义，如 本文中介绍的有关眼高的实验。其实，用身体部位来衡量物体大小是动物一种本能的行为。 日常生活中我们会说“这条鱼有四个手指那么大”，“这棵树恐怕两个人都抱不过来”，“从 这到那有几步远”……类似的说法数不胜数。其他动物也一样，比如猫会利用自己胡子的长 度来判断洞口的宽度。动物学家曾经剪短了猫的胡子，结果发现猫会往一些钻不进去的洞里 死命钻。这与伪地板实验范式十分类似。 注： （1）所以有人把直接知觉理论又叫做知觉的生态理论。 （2）Epstein 认为这是一种泛化的心理物理学假设，后来人们把 Gibson 的这种假设称为刺激-知觉假设。 （3）实验中用到了一系列的台阶高度和洞口宽度，具体请参考 Wraga（1999） 参考文献 Berg, A. 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