存在于運動中的視覺深度距離信息

高峰

摘 要 人類的視知覺系統可用多種線索對深度距離進行判斷。本文將提出一種新的深度知覺線索，此線索存在于雙眼視差在物體運動過程中所表現出的變化模式中，在這種線索下的深度距離的計算公式為 = ，它只涉及雙眼距離I及視差 變化的信息，因而具有被主體直接利用作出深度判斷的可能。本文通過心理物理法初步探索了人類主體利用這種信息做出深度判斷的能力，結果表明，觀察者對運動中的雙眼視差信息是不敏感的。

關鍵詞 雙眼視差 運動 深度知覺

中圖分類號：B842 文獻標識碼：A

A Potential Visual Depth Information Existing in Motion

GAO Feng

（Southwest University Faculty of Psychology， Chongqing 400715）

Abstract The human visual system can use different methods to get depth information of objects in the environment. The present research raised a new cue for the visual system to do the depth judgment. This cue bases on a dynamic changing pattern of the binocular parallax caused by the oncoming object and the instant depth can be calculated by formula： = . Because the formula is defined by the I（distance between two eyes） and the information related to （binocular parallax）， so the observer has the potential to get the depth information directly. The research tried to test the subjects' ability to employ the new cue. The result showed that observers were not sensitive to the new proposed depth cue.

Key words binocular parallax ，motion， depth perception

0 引言

通過二維網像的信息就能產生對真實世界中的深度知覺也許是人類視覺系統中最令人驚嘆的能力了。大量的研究已經表明人可利用多種視覺線索來幫助他們進行深度判斷，①如線條透視，遮擋關系，運動視差，雙眼視差等。除運動視差外，這些深度知覺線索都是處于靜止情景中的，這也是自然的，因為深度本身就更像是一種靜態的概念。本文提出進行深度判斷的另一種方式：通過借助物體在深度中運動所產生的信息，將有可能對深度進行準確的判斷，不同于運動視差線索的是，此線索將不需借助背景作為參照。

1 對相撞路徑上的運動物體的深度知覺：理論上的可能性

圖1 TTC判斷的雙眼視差線索

在對相撞路徑上運動物體的知覺關注最多的指標是碰撞即將發生的時間TTC（time to collision）。在對TTC的知覺的研究中，已積累的大量的數據。在有些實驗中，被試不僅報告了有關時間的信息，也報告了對于速度與距離的感知。②在單眼條件下，被試似乎能夠分辨這些不同速度及距離，但并不具有理論上的可能性，所以那可能只是被試自己的一種錯覺，但在雙眼條件下，就有實現這種判斷的可能性了。

在依據雙眼視差進行TTC判斷的研究中，如圖1所示，③觀察者注視點為M，p為在相撞路徑上做勻速直線運動的物體。其中，為左眼視差，為右眼視差，總視差為 = + ，I為兩眼間距離，D為物體到兩眼間中點的距離，此時即將發生碰撞的時間T將可由以下兩個公式表示：④

= ， =

消去公式中的T，則得到距離D的表達式： =

這樣對于D的知覺完全可由網像信息直接推斷出。當然，具有做出這種推斷的理論基礎不能表明人就具有做出這種推斷的能力，只是具有這種潛力。一般需要通過心理物理法來確定觀察者對不同D的分辨力。

2 實驗方法

圖2 實驗模擬圖

實驗采用立體投影儀作為視覺刺激呈現設備，如圖2，當觀察者左右兩眼（EYEl，EYEr）分別注視屏幕上的Ol和Or時，注視點將被感知為O，此時Pl Pr兩點將產生相應的視差，其深度將被知覺為處于P處。在一定的范圍內，這種視差信息將可用來作為相對深度的判斷。當此兩點連續向中心靠攏時，觀察者應產生P在深度上進行運動的感知。

在實驗過程中，模擬的運動點將從Ps處出發做勻速直線運動，到Pe處消失，消失點Pe到I（觀察者）的距離D是需要被試進行判斷的距離，D大小會有所變化，但p由注視點O到Pe所劃過的視角，即角O-EYEl-p將保持不變，同時Ps的位置將保證角Ps-EYEr-Pe等于。這樣每次P運動中所產生的視差將一致，被試不能用視差線索對距離進行判斷。為減小尺寸線索作用的影響4，圓點p在運動過程中大小不變且尺寸很小。實驗中將設置7種不同的D：其中6種比較刺激D1～D6，其大小成等比例關系，D1=3米，之后每一項是其哪一項的1.1倍，最大的D6則為4.83米；1種標準刺激Ds，其值為D1～D6的幾何平均數3.81米，大小介于D3與D4間。7種D對應于7個不同的注視點，注視點分布于3到6米間，可避免輻合線索產生作用。實驗中控只保留了運動中的雙眼視差線索作為深度知覺的依據，所以，被試若能對比較刺激與標準刺激能進行分辨，則說明被試使用了這種深度線索。為使注視點易于保持，在與O相同深度的平面上增加了很多隨機點以利于控制，并且為使O點不至于被P點所遮掩，O實際上是具有淺灰色背景的較大的方框。

圖3 標準刺激與比較刺激分辨力實驗結果

因D與delta確定了圓點顯現出的運動路程，所以通過控制其呈現時間就確定其運動狀態，呈現時間有1s，1.5s，2.25s三種。這樣比較刺激共有6（距離）（呈現時間）=18種，比較刺激有1（距離）（呈現時間）=3種。

實驗過程采用經典的心理學物理法中的二項迫選范式。每次實驗會相繼呈現標準刺激與比較刺激（或反之），然后被試判斷哪一次的圓點在消失時的距離D更近。若被試能對不同距離進行分辨，則當隨比較刺激D逐漸增大時，其被判斷為比標準刺激Ds小的概率應減小。若不能進行分辨，則此概率值將平坦地集中于0.5的隨機水平。

實驗共有試次18（比較刺激）（標準刺激）（比較刺激在前或標準刺激在前）（重復2次）=216次。共4名被試參與實驗。

3 實驗結果及討論

實驗結果可用比較刺激消失時的距離判斷為比標準刺激消失時的距離更小的比率函數圖來表示，由圖3可以看出沒有趨勢表明被試對比較刺激與標準刺激的距離有分辨能力，除去D6未顯示出隨距離增加，有更少的可能判斷為比標準刺激近，從單一的數值上看，也只在隨機水平左右徘徊。至于所顯示出較高的分辨力，尚不能給出解釋，或許由于被試數量較少所導致的偶然誤差造成的。

初步的實驗結果未能證明運動中的雙眼視差線索被觀察者利用，至少在距離差為1.33倍時，被試仍不能利用此線索對距離進行有效的分辨。運動中的雙眼視差線索雖然在理論上可以作為深度知覺的信息來源，但實際上它是缺乏生態意義的，即其不能為主體提供對外在環境進行反應的有價值的信息，因為當主體對當前一刻的深度信息進行反應時，由于反應過程及執行過程（肌肉收縮）都需時間，所以當反應作出時運動物體早已不在當初所知覺到的狀態了。但在理論上對其進行探討仍然有重要的意義，因為即使主體尚未能表現出利用這種信息的能力，那這種能力依然有可能通過特定訓練在實驗室環境中得到強化。相關研究將對揭示人類知覺系統可塑性的潛力產生積極作用。

注釋

① Bruce， V.， Visual perception： Physiology， psychology， and ecology. 2003：Psychology Pr.

② Regan， D. and S. Hamstra， Dissociation of discrimination thresholds for time to contact and for rate of angular expansion. Vision research，1993.33（4）：447-462.

③ Gray， R. and D. Regan， Accuracy of estimating time to collision using binocular and monocular information. Vision Research，1998.38（4）：499-512.

④ Regan， D.， Binocular information about time to collision and time to passage. Vision research，2002.42（22）：2479-2484.