知覺對象的拓?fù)湔J(rèn)知

知覺對象的拓?fù)湔J(rèn)知

“大優(yōu)先權(quán)”的拓?fù)浞椒▏?yán)格關(guān)系到認(rèn)知對象的定義，即不變性。知覺對象的直觀概念——形狀變換下保持整體的一致性——可以刻畫為拓?fù)洳蛔冃?。行為學(xué)研究表明,盡管對象的一致性在多種非拓?fù)渥儞Q下得到保持,拓?fù)渥儞Q——圖形上洞的變化——擾亂了對象的一致性,使之被感知為新出現(xiàn)的對象。進(jìn)一步,功能磁共振成像數(shù)據(jù)揭示了前顳葉參與知覺對象的形成。要建立關(guān)于任何過程的科學(xué)理論,一個(gè)基本問題是該過程其上的基本單元的本質(zhì)。對認(rèn)知科學(xué)來說,最基本的問題則在于,認(rèn)知過程運(yùn)作的基本單元是什么?特別地,基于對象的理論還宣稱,注意力運(yùn)作的基本單元是對象。某一知覺對象愈受注意,所有與其性質(zhì)或其組成單位相關(guān)的反應(yīng)愈遭易化。比如,當(dāng)你注意到一個(gè)直角三角形,它所有的特征,包括三條邊和直角,都被注意到。換言之,你只注意它的某些特征,比如線段、顏色,而忽視其他。這個(gè)問題看起來很直接。然而如何回答則成了認(rèn)知科學(xué)許多領(lǐng)域中最為核心且富于爭議的題目。經(jīng)過幾十年的努力,我們?nèi)匀徊磺宄降资鞘裁词紫缺淮_定為一個(gè)對象。對象的定義是直觀的,也是模糊的。如果不給這直觀的概念一個(gè)精確定義,狹至選擇性注意,泛至認(rèn)知過程的運(yùn)作,都無法得以驗(yàn)證,并且很有陷入循環(huán)論證的危險(xiǎn)。我們可以借助于分析一些普遍的現(xiàn)象來領(lǐng)會(huì)知覺對象的概念,比如形狀改變和表觀運(yùn)動(dòng)。眾所周知,存在真實(shí)運(yùn)動(dòng)和表觀運(yùn)動(dòng)這兩類運(yùn)動(dòng)。理解表觀運(yùn)動(dòng)的核心在于匹配問題:在感知表觀運(yùn)動(dòng)時(shí),人必須在某種程度上建立一種匹配,以便確認(rèn)不同時(shí)間框內(nèi)相繼出現(xiàn)的哪些刺激部分或?qū)傩源硗晃矬w。因此,要研究表觀運(yùn)動(dòng),必得先回答如下問題:刺激的哪些組分被視覺系統(tǒng)用來完成匹配任務(wù),確認(rèn)兩幅圖像代表同一物體。感知表觀運(yùn)動(dòng)時(shí),人所感知的并不僅僅是剛體的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。如果表觀運(yùn)動(dòng)是由兩個(gè)不同形狀的圖像產(chǎn)生的,人就還會(huì)感知到“塑性形變”。比如,我們在屏幕左側(cè)呈現(xiàn)一個(gè)三角形,而在右側(cè)呈現(xiàn)另外一個(gè)。它們交替出現(xiàn)時(shí),我們就感知到剛體的平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)。如果我們呈現(xiàn)的是一個(gè)三角形和一個(gè)圓盤,就不只有平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng),還有形狀的變化會(huì)被感知到。也就是說,三角形一邊運(yùn)動(dòng)一邊改易形狀成為圓盤,或者反之。即使我們呈現(xiàn)的是不規(guī)則圖案,位置的離散改變照樣能造成形狀變化(的印象)。在剛體的平動(dòng)中,線段可以保持其一致性,因而能夠被用作匹配的記號(hào)。而對于塑性形變,由于形狀的改變,比方三角形變成圓形,線段喪失了一致性,也就很難想象用它們作為匹配的記號(hào)了。于是,這種改易形狀的變換提出了一個(gè)問題:哪些不變量可以不受這種變換影響,可以一直被視覺系統(tǒng)用作匹配的記號(hào),無論代表同一對象的兩個(gè)圖像一致與否。實(shí)際上,這種變換在生活中是常見的。我們視覺環(huán)境中的物體,比如飛鳥和行人,都經(jīng)常由于自身運(yùn)動(dòng)或照明改變而改易其形狀。給人的印象是,無論他(它)們的哪種性質(zhì)發(fā)生了什么改變,人或鳥雀都還是他(它)自己。為了進(jìn)一步體會(huì)知覺對象的概念,我們將訴諸Kahneman和Henik提出的一個(gè)思想實(shí)驗(yàn):設(shè)想具有各種形狀顏色的若干圖樣隨機(jī)散布在空間中,一邊運(yùn)動(dòng),一邊逐漸扭曲變色。這種情景可以描述為,一組對象在運(yùn)動(dòng)中改變。給人的印象是,如果性質(zhì)的轉(zhuǎn)變足夠平滑,每個(gè)對象都能保持其一致性。下面是關(guān)于這一看似簡單的實(shí)驗(yàn)的示范。具有各種顏色的若干矩形散布于屏幕空間。每個(gè)矩形都在運(yùn)動(dòng),同時(shí)經(jīng)歷扭曲或者變色。給人的印象,無論它的什么性質(zhì)發(fā)生了嚴(yán)重(但是平滑的)轉(zhuǎn)換,每個(gè)對象都能保持其一致性。這個(gè)實(shí)驗(yàn)提示對象的表征本質(zhì)上是動(dòng)態(tài)的。似乎我們必須得從對象一致性在“合理轉(zhuǎn)換”下的保持這個(gè)角度來理解知覺對象。這個(gè)問題也就是怎么定義對象的概念,或者如何定義“足夠平滑的轉(zhuǎn)換”和(或)“逐漸扭曲變化”,抑或如何定義“足夠平滑的轉(zhuǎn)換下的一致性”。現(xiàn)在該是介紹拓?fù)鋵W(xué)的時(shí)候了。拓?fù)渥儞Q可以被想象為任何一種橡膠片式的扭曲,除了不能撕破與融合,什么形狀改變都可以發(fā)生。經(jīng)過這種扭曲,連通性、洞的數(shù)目、內(nèi)外關(guān)系將保持不變,所以,這些就是拓?fù)洳蛔兞?而在這種扭曲后被改變了的局部性質(zhì),如方向、尺寸、形狀,都不是。基于豐富的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),過去二十多年來,我們發(fā)展了一套“大范圍優(yōu)先”的拓?fù)渲X理論。這一理論主張,視覺系統(tǒng)的一項(xiàng)基本功能是感知拓?fù)湫再|(zhì)。形式感知所需的時(shí)間系統(tǒng)性地關(guān)系到這些形式在變換下的穩(wěn)定性,其方式類似于Klein的幾何學(xué)層次結(jié)構(gòu)。特別是(基于物理連通性的)拓?fù)渲X優(yōu)先于其他幾何性質(zhì)被感知。按照從大范圍到局部的順序,各幾何層次的不變量,包括:拓?fù)鋷缀蔚摹⑸溆皫缀蔚?、仿射幾何的和歐幾里德幾何的(相當(dāng)于對象的簡單組分如線段),是形式視知覺的主要元素。這一框架幫助我們回答了一個(gè)基本問題,視覺過程是從哪里開始的,“從局部到大范圍”還是“從大范圍到局部”。我們可以數(shù)學(xué)化地定義這一問題:視覺過程從拓?fù)鋵W(xué)還是從歐幾里德幾何開始?核心的觀念是,知覺建構(gòu)應(yīng)該從變換和感知變換下不變量的角度來理解。拓?fù)湫再|(zhì),包括連通性、洞的數(shù)目、內(nèi)外關(guān)系,組成了基本知覺建構(gòu)的形式描述。這些建構(gòu)包括分解視覺情景為可能的對象,區(qū)別圖像和背景,以及其他大范圍、格式塔式的運(yùn)作。拓?fù)渲X的“大范圍優(yōu)先”理論是要給知覺對象一個(gè)定義。從拓?fù)鋵W(xué)的角度,表觀運(yùn)動(dòng)中觀察到的足夠平滑的變換可以形式化地描述為拓?fù)渥儞Q。一個(gè)知覺對象可以被理解為保持其拓?fù)湫再|(zhì)一段時(shí)間的某物。拓?fù)淅碚摪阎X對象聯(lián)系到拓?fù)渥儞Q下的不變量,而知覺對象的核心直觀概念——改易形狀的變換下的整體一致性——可以被精確地刻畫為拓?fù)洳蛔兞?如連通組件。拓?fù)渲X理論已經(jīng)被采用各種實(shí)驗(yàn)范式和方法,在多種認(rèn)知水平上得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)所檢驗(yàn)。所有數(shù)據(jù)都一致支持該理論。例如,在表觀運(yùn)動(dòng)的研究中,我們采用運(yùn)動(dòng)競爭的方法,先呈現(xiàn)一個(gè)圖像,再呈現(xiàn)另外兩個(gè)。被試被要求報(bào)告(先出現(xiàn)的)中間圖像朝哪個(gè)方向運(yùn)動(dòng)。我們發(fā)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)偏向于(被報(bào)告)發(fā)生在拓?fù)涞葍r(jià)的圖像之間。一個(gè)系統(tǒng)性的對照實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步確證了拓?fù)涞葍r(jià)圖像之間運(yùn)動(dòng)的高親和力。然而,知覺對象的這種拓?fù)浞治鋈匀皇沁`背直觀的,并且看似跟視知覺的一般知識(shí)不符。例如,JeromeWolfe提出下面的實(shí)驗(yàn)來挑戰(zhàn)拓?fù)涠x:假設(shè)某對象在運(yùn)動(dòng)中出現(xiàn)了一個(gè)洞。這是否會(huì)干擾該對象的連續(xù)性呢?直觀想來,就像一個(gè)對象改變其顏色時(shí),觀察者會(huì)說:“那東西本來是紅的現(xiàn)在變綠了”一樣,他會(huì)說“那個(gè)實(shí)心的東西出了個(gè)洞”,而不會(huì)感知到出現(xiàn)了一個(gè)新的對象。Jerome進(jìn)一步評論說,我敢打賭多一個(gè)洞改變拓?fù)湫再|(zhì)并不要緊。然而,從對象的拓?fù)鋵W(xué)定義來說,拓?fù)渥兓?如洞的數(shù)目,必然擾亂對象在運(yùn)動(dòng)中的連續(xù)性,使之被感知為一個(gè)新的對象。而顏色或者其他局部性質(zhì)的改變并不如此。Jerome的這一挑戰(zhàn)被改編自多物體追蹤的實(shí)驗(yàn)范式驗(yàn)證。(在11個(gè)行為學(xué)實(shí)驗(yàn)和三個(gè)功能磁共振成像實(shí)驗(yàn)中,我們操縱運(yùn)動(dòng)物體上洞的變化,對比各種局部性質(zhì)如光通量和顏色的變化,來研究運(yùn)動(dòng)中的拓?fù)渑で欠駮?huì)改變被注意對象的表征。)每次實(shí)驗(yàn)開始,有四個(gè)圓盤閃爍以提示它們是要被注意的對象,被試追蹤這些對象并且在實(shí)驗(yàn)最后報(bào)告那四個(gè)物體是原來的對象。在基準(zhǔn)條件下,所有的圓盤的運(yùn)動(dòng)是相關(guān)的,不可預(yù)測。運(yùn)動(dòng)過程中,它們保持形狀不變,沒有重疊。被試能夠以相當(dāng)高的準(zhǔn)確度完成這一追蹤任務(wù)。拓?fù)渥兓瘲l件下,一個(gè)圓盤在運(yùn)動(dòng)中變?yōu)閳A環(huán);其他方面它們都依照跟基準(zhǔn)條件下相同的速度運(yùn)動(dòng)。這一拓?fù)渥兓?確實(shí)降低了被試的追蹤成績。追蹤的準(zhǔn)確度顯著低于基準(zhǔn)條件下的。這一從圓盤到圓環(huán)的拓?fù)渥儞Q,也被對比于從白到紅的顏色變化——同樣的任務(wù),只是變化并非圓盤變?yōu)閳A環(huán),而是白盤化作紅盤。雖然這一變化在主觀上很是醒目,卻沒怎么降低追蹤成績。從圓盤到圓環(huán)的拓?fù)渥儞Q,還被對比于從圓到方的形狀變化。不像拓?fù)渥儞Q那樣,形狀變化沒有降低追蹤成績。從圓盤到圓環(huán)的變換,洞的產(chǎn)生,也可能改變了其他一些性質(zhì),比如光通量或是空間頻率組分。為了討論這一問題,我們使用了類似圖中卡通的S形圖像。我們調(diào)節(jié)S形圖像和圓環(huán),使之具有相同的局部性質(zhì),如空間頻率組分、光通量和其他。盡管這樣,從S形圖像到圓環(huán)的拓?fù)渥兓匀唤档土俗粉櫝煽儭Ｔ陬愃频膶?shí)驗(yàn)中,我們也檢驗(yàn)了相反的變化,從圓環(huán)變到S形圖像,追蹤成績照樣受到降低。這樣的拓?fù)浣忉屓匀皇艿劫|(zhì)疑。追蹤成績的降低可能不是由于拓?fù)渥兓?而是因?yàn)閺腟形到圓環(huán)的變化比從圓盤到方塊的更劇烈。于是,我們又做了一組對照實(shí)驗(yàn),S形到圓盤。這兩個(gè)圖像在形狀上極大地不同,在拓?fù)鋵W(xué)上卻是等價(jià)的。這一形狀變化沒有導(dǎo)致追蹤成績的降低。為了考察劇烈形狀變化的影響,我們進(jìn)一步檢驗(yàn)了方形到長方形的變化,從一個(gè)很小的方框到一個(gè)嚴(yán)重拉長的長方框。這一形狀變化主觀上看來十分劇烈,但這倆圖形都有一個(gè)洞,在拓?fù)鋵W(xué)上等價(jià)。這一變化并沒有降低追蹤成績。到這一步,還是可以說這樣劇烈的變化不足以形成一個(gè)新的對象。主觀上認(rèn)為的新對象出現(xiàn),也許是圓盤變成啞鈴——啞鈴有兩個(gè)圓球——這樣的情形。然而,從拓?fù)鋵W(xué)角度來看,圓盤和啞鈴是等價(jià)的對象。兩個(gè)球被短柄連接之后,就成為一整個(gè)新的物體了。因此,從圓盤到啞鈴的變化并不影響注意力追蹤?；谶@些系統(tǒng)性的對照實(shí)驗(yàn),我們進(jìn)行了功能磁共振成像的實(shí)驗(yàn)。我們發(fā)現(xiàn)了拓?fù)渥儞Q導(dǎo)致的對象表征形成的神經(jīng)關(guān)聯(lián)。在一組功能磁共振成像實(shí)驗(yàn)中,視覺刺激是從圓盤到圓環(huán)的變化。基準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)是圓盤到方塊的形狀變化。另外兩個(gè)實(shí)驗(yàn),被用來檢驗(yàn)功能磁共振成像結(jié)果的一般性。其一是對比S形到圓環(huán)和S形到圓盤;其二是對比S形到圓環(huán)和從白到綠的顏色變化。從抽象水平和數(shù)據(jù)分析的角度,圓盤到圓環(huán)、S形到圓環(huán),都是拓?fù)鋵W(xué)變化的例子;圓盤到方塊、S形到圓盤以及顏色變化都屬于局部變化。在前顳葉區(qū)域發(fā)現(xiàn)了這些實(shí)驗(yàn)共同的激活部位。另外兩組實(shí)驗(yàn)以更高的分辨率聚焦在共同激活的前顳葉區(qū),從而得到更好的DPI信號(hào),來觀察拓?fù)渥兓纳窠?jīng)關(guān)聯(lián)。這些實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步確證了前顳葉區(qū)的激活。這聽起來有點(diǎn)驚人,前顳葉區(qū)被認(rèn)為是形式視覺通路的終點(diǎn),支持復(fù)雜視覺信息的處理,而遠(yuǎn)離反映運(yùn)動(dòng)的內(nèi)側(cè)顳葉區(qū)。不過,這一結(jié)果跟我們對表觀運(yùn)動(dòng)的研究是一致的。行為學(xué)研究發(fā)現(xiàn),拓?fù)涞葍r(jià)對象之間的運(yùn)動(dòng)有較高的強(qiáng)度。在這一結(jié)果提示下,我們提出關(guān)于長距離表觀運(yùn)動(dòng)的生態(tài)功能的假說。我們主張長距離表觀運(yùn)動(dòng)的感知是靠抽提不變量進(jìn)行的,本質(zhì)上關(guān)系到形式的感知。如果這一描述正確,就意味著:長距離表觀運(yùn)動(dòng)與形式處理而非運(yùn)動(dòng)處理相關(guān),從而要激活腹側(cè)形式視覺通路而非內(nèi)側(cè)顳葉區(qū)。如果它是通過形式不變量的抽提而被感知,其激活模式應(yīng)該會(huì)受到形式的性質(zhì)變化影響。我們使用五對刺激來產(chǎn)生表觀運(yùn)動(dòng)。這是幾何學(xué)層次結(jié)構(gòu)的一個(gè)例子。這幾對刺激之間的區(qū)別分別是歐氏幾何的(方向性)、仿射幾何的(平行性)、射影幾何的(共線性)和拓?fù)涞?洞)。這些實(shí)驗(yàn)中,表觀運(yùn)動(dòng)的激活部位的確是前顳葉區(qū)。從這四組刺激造成的激活,可以得出刺激的形式穩(wěn)定性與激活程度的系統(tǒng)相關(guān):激活信號(hào)的變化隨著穩(wěn)定性層次的提高而單調(diào)增加,最高的激活是由拓?fù)渥兓瘜?dǎo)致的。我們進(jìn)一步的視覺搜索研究顯示前顳葉區(qū)參與拓?fù)浔嬲J(rèn)任務(wù)。干擾元素和目標(biāo)之間的區(qū)別同上面一樣代表了幾何學(xué)的各個(gè)層次結(jié)構(gòu):歐氏幾何的、仿射幾何的、射影幾何的和拓?fù)鋵W(xué)的。刺激的差別導(dǎo)致了任務(wù)完成的延緩,這一延緩系統(tǒng)性地相關(guān)于刺激的形式穩(wěn)定性,拓?fù)鋵W(xué)差異導(dǎo)致的延緩最多。這一視覺搜索任務(wù)中共同的磁共振激活部位也位于前顳葉,同樣支持表觀運(yùn)動(dòng)的感知系統(tǒng)性地相關(guān)于形式穩(wěn)定性。特別要指出的是,我們還在模糊形式代表區(qū)發(fā)現(xiàn)了系統(tǒng)性相關(guān)的激活,不過次序是反過來的。一組右