三維動靜態場景下返回抑制的擴散 *

劉艷艷 李 杰 趙起超 陳貝貝 張 禹

(1 北京體育大學心理學院，北京 100084) (2 杭州師范大學附屬醫院認知與腦疾病研究中心，杭州 311121) (3 杭州師范大學心理科學研究院，杭州 311121) (4 北京津發科技股份有限公司，北京 100085) (5 天津師范大學，天津 300387)

1 引言

關于注意的研究發現，當線索與目標之間的時間間隔大于約300 ms時，個體對之前關注過的位置或客體再次關注時，反應變慢。研究者將這種現象稱為返回抑制（inhibition of return） （Posner &Cohen, 1984）。返回抑制產生的實質為阻礙個體的注意返回到之前注意過的位置，從而可以使注意指向其他新異的空間位置（張陽 等, 2013; Posner &Cohen, 1984）。因此，也可將其視為一種提高視覺搜索效率的機制，其具有生物適應性（H?fler et al.,2011; Klein, 2000），產生過程可源于知覺抑制（Reuter-Lorenz et al., 1996）、反應抑制（Taylor &Klein, 1998），或二者的共同作用（Chica et al., 2010）。

返回抑制不僅存在于某一具體的位置，其效應還存在擴散。早期研究大多考察2個空間位置中僅線索化的位置受抑制情況，當研究使用4個位置或更多時，返回抑制不僅出現在線索化位置，還會擴散至線索化同側的位置，且隨著與線索化距離的增加，抑制作用減弱，這表明返回抑制存在空間的梯度效應（王麗麗 等, 2010; Bennett & Pratt,2001; Maylor & Hockey, 1985; Taylor et al., 2015; Wang et al., 2014）。

傳統的返回抑制研究大都基于二維平面（彭姓等, 2019; 唐曉雨 等, 2020; Redden et al., 2018），有少量研究進行了三維空間線索和擴散的探討（王愛君 等, 2015; 王愛君 等, 2017; Bourke et al., 2006;Wang et al., 2016; Wang et al., 2015）。人類視覺系統最重要的特性之一就是感知深度線索（王愛君,2016）。現實生活中的視覺環境是立體的并存在深度，日常生活中人們所接觸到的物體也都是三維立體的。從功能角度看，返回抑制通常被視為“覓食促進者（foraging facilitator）”，作為提高視覺搜索效率的機制，如果其對深度線索不敏感，那么它并不具備生態適應性（Casagrande et al.,2012）。關于返回抑制是否敏感于深度線索，僅有少數研究進行探討，且結果并不一致。Theeuwes和Pratt（2003）利用雙眼視差原理創設深度空間，在前后兩個深度平面上分別水平放置兩個客體，結果發現當線索化的位置被抑制時，其同側不同深度位置也受到同等程度的抑制，研究者認為返回抑制在不同深度上存在等量的擴散。與之相對，王愛君等人（2015）采用3D眼鏡創設三維場景，使線索和目標出現在不同深度的兩個位置上時，發現不同深度受到的返回抑制程度不等量，說明返回抑制可能敏感于深度線索。然而，在王愛君等人（2015）的實驗設置中，雖呈現了兩種深度上的四個空間位置，但線索和目標總是固定出現在兩個不同深度的空間位置上，存在空間位置與線索有效性兩變量的混淆。例如，當線索出現在遠處空間時，在有效線索條件下，目標總是出現在遠處，在無效線索條件下，目標總是出現在近處。被試對出現在不同深度各空間位置上的刺激的反應時本身可能存在差異，因而該研究中發現的不同深度的不同返回抑制效應，可能反映的僅是刺激空間位置的不匹配。類似的設計問題也曾出現在情緒維度的返回抑制研究中，較早研究（Chao, 2010）提出人存在對負性情緒的返回抑制，但后來研究發現該效應可能僅反映了線索化和非線索化兩個情緒刺激間效價的不匹配（Poliakoff et al., 2016）。為解決上述由線索有效性與空間位置變量混淆而導致的條件間刺激不匹配的影響，本研究設置線索與目標隨機出現在四個空間位置，即無論是線索化條件還是非線索化條件，所有的線索刺激均隨機出現在四個空間位置上，同樣所有的目標也均隨機出現在四個空間位置上，匹配了空間位置本身對目標刺激可能產生的影響，并可進一步探討三維空間不同方向上的返回抑制效應及其效應如何擴散。此外，前人研究結果之間的差異還可能與其深度線索呈現方式的不同有關，3D眼鏡呈現的深度感好于雙眼視差式，但與其他深度沉浸感更高的設備還略有差別，有研究曾提出頭戴式顯示器（HMD）相比于其他呈現方式會產生更好的空間感、存在感（Kober et al., 2012）。因此，本研究采用深度感呈現更優的頭戴式顯示器。

另一方面，前人對返回抑制擴散效應的探討大都基于靜態場景（王麗麗 等, 2010; Bennett &Pratt, 2001; Taylor et al., 2015; Wang et al., 2014），返回抑制作為一個促進視覺搜索效率的機制，該機制是否會隨著客體的運動而發生轉移，目前尚不清楚。有研究者將靜態線索-靶子范式改為動態線索-靶子范式，使左右兩邊的方框在線索化后會進行90°或180°的順時針或逆時針旋轉，結果發現當目標出現在線索化客體運動后的位置時，被試的反應變慢，因而提出抑制會隨著客體的運動發生轉移（Tipper et al., 1991; Vivas et al., 2008），然而也有研究者認為返回抑制不會隨著客體的運動發生轉移（張明, 張陽, 2006; Redden et al., 2018; Schendel et al., 2001）。前人大都采用二維平面探討動態客體的返回抑制，二維平面的客體運動并不真實，而帶有深度的三維場景為實現真實的客體運動軌跡提供了可能。因此，本研究擬探討三維空間是否存在返回抑制，該抑制是否會隨著客體的運動發生轉移及如何轉移。

綜上，前人在探討返回抑制存在如下幾個方面的問題：第一，未控制線索有效性與空間位置變量的混淆；第二，深度呈現感不足；第三，未探討不同方向上多個空間位置的返回抑制及其擴散；第四，未探討三維動態返回抑制及擴散。因此，本研究使用沉浸式虛擬現實技術，在三維空間中設置4個位置，分別設置靜態與動態場景，考察返回抑制在三維空間中的擴散。本研究包括兩個實驗。實驗1為靜態場景，采用線索在4個空間位置隨機呈現的方式，探討返回抑制是否敏感于深度線索，返回抑制效應是否存在空間擴散現象。實驗2將靜止的場景改為在水平面上順時針或逆時針旋轉運動的場景，探討客體運動是否對返回抑制及其效應的擴散產生影響。

2 實驗1：三維靜態場景返回抑制的特點

2.1 研究方法

2.1.1 被試

選取北京某高校在校大學生22名，均為右利手，視力或矯正視力正常，無3D眩暈癥，之前均未參加過類似實驗。其中男生11人，平均年齡21.00±3.80歲。女生11人，平均年齡20.00±1.47歲。

2.1.2 實驗材料及工具

本研究采用完全浸入式虛擬現實頭戴式顯示器（HTC VIVE），該頭戴式設備刷新率為90 Hz，視場角為110°，顯示器的分辨率為2160×1200（單眼1080×1200）pixels，電腦桌面顯示設備采用DELL臺式計算機，該臺式計算機的顯卡為華碩rtx2060，6G顯存。通過該臺式計算機與HTC VIVE相連接，從而實現三維虛擬場景。通過PsyLAB IOR認知測試訓練系統（KingFar International Inc.）進行測試，Steam V R軟件實現程序的運行及數據記錄，VIVE手柄對目標做出反應。

使用的虛擬場景為7.00 m×5.00 m×2.50 m的立方體房間，其中房間的墻面為白色，被試的雙眼距離空間中前面兩個小球的距離為150 cm。試驗材料為四個藍色的立體小球和一個黑色的“+”，其中球的大小為 5.10 cm（1.90°×1.90°）。“+”的大小為 4.50 cm（1.70°×1.70°），高度范圍為1.19±0.10 cm，開始練習時，要求被試口頭報告中間的“+”是否在視野的中央，且與中間的“+”字保持水平。為避免遮擋，前方左右兩個小球之間的距離為44.40 cm，后方左右兩個小球的距離為42.80 cm。前后兩個球的距離為17.58 cm。

2.1.3 實驗設計

采用單因素被試內設計，線索類型為自變量，有4個水平：有效線索、X-無效線索、Z-無效線索、X-Z無效線索。反應時和返回抑制量為因變量。

有效線索，提示線索與目標均出現在同一側相同的深度（如圖1a）；X-無效線索，提示線索與目標處在同一深度，但是不在同一側（如圖1b）；Z-無效線索，提示線索與目標出現在同一側，所處的深度不同（如圖1c）；X-Z無效線索，提示線索與目標出現在不同側且深度不同（如圖1d）。返回抑制量的計算方法：有效線索的反應時分別減去三類無效線索的反應時所得的差值。

圖1 線索類型示意圖

2.1.4 實驗流程

實驗開始前先講解指導語，被試理解后按動手柄板機開始練習試次，練習完畢進入正式實驗，實驗完成后，填寫三維空間操縱檢查問題，檢驗本研究設置的三維場景是否成功。具體流程如下。

首先在屏幕上呈現4個立體藍色小球和一個中央“+”，其中前面與后面各放置兩個小球，呈現時間為500 ms，之后，其中一個藍色小球變成紅色，呈現時間300 ms，此階段為線索化階段，之后紅色小球恢復成藍色，200 ms后中間的“+”號變成紅色，呈現時間300 ms（該階段為二次線索化階段，目的是讓被試將注意從之前的線索化位置脫離出來，返回到中央注視點）。大約間隔150 ms或250 ms后，屏幕上四個位置的小球隨機有一個變成紅色，呈現時間為250 ms，要求被試看到任意位置的小球變成紅色后快速用右手拇指按動手柄觸控板下側（為避免因按動位置造成反應時不同，要求所有被試按動觸控板的下側），如果沒有小球變成紅色，則不需要按鍵，等待該試次結束。被試按動手柄或未做反應1500 ms后，出現白色空屏，表示該試次結束，1000 ms后，屏幕中再次出現4個藍色小球和一個“+”，表示新的試次開始。如圖2所示，左邊呈現的是有效線索情況，提示線索與目標出現的位置是一樣，右邊呈現的是三種無效線索條件。

圖2 實驗1流程圖

實驗共計168個試次，其中練習試次16個，幫助被試熟悉實驗流程和適應三維情景。正式實驗144個試次，每種線索條件下36個試次，捕獲試次占總次數的5%，共8個試次。

2.2 結果

被試未按鍵反應的試次不納入數據分析，本研究采用探測反應時，任務簡單，漏報率為0.85%，另外，剔除反應時小于100 ms或大于1000 ms的試次（王愛君 等, 2015），剔除率為0.79%，在此不做詳細分析。為檢驗本研究對深度是否操縱成功，設計了兩個5點計分的問題：您是否能感覺到這些小球是立體的？您是否能感覺到前后兩個小球是有縱深的？1表示“完全感覺不到”，5表示“完全感覺到”。問題1得分的平均值為4.00±1.15，對問卷2得分的平均值為3.23±1.57。表明本研究設計可以用來研究三維情境。

以反應時作為因變量，線索類型作為自變量，進行單因素重復測量方差分析。結果發現線索類型的主效應顯著，F(3, 63)=14.845，p＜0.001，η2=0.414，表明線索類型不同，被試的反應時也不同。如圖3所示。事后檢驗結果表明：有效線索的反應時顯著大于Z-無效線索的反應時（382 ms vs.374 ms,p=0.035）、X-Z無效線索的反應時（382 ms vs.360 ms,p＜0.001）、及 X-無效線索的反應時 （382 ms vs.361 ms,p＜0.001），表明三種線索類型條件下均產生了返回抑制效應。對比三種無效線索類型的反應時發現：Z-無效線索的反應時顯著高于X-Z無效線索的反應時（374 ms vs.360 ms,p＜0.001）；Z-無效線索的反應時顯著高于X-無效線索的反應時（374 ms vs.361 ms,p=0.003）。

圖3 三維靜態場景四種線索類型反應時

以返回抑制量為因變量，以線索類型為自變量，進行單因素重復測量方差分析。結果發現線索類型的主效應顯著，F(2, 42)=8.416，p＜0.001，η2=0.286，表明不同線索類型下的返回抑制量是不同的。事后檢驗結果發現：Z-無效線索的返回抑制量顯著小于X-Z無效線索的返回抑制量（p＜0.001）和X-無效線索的返回抑制量（p＜0.001）。

3 實驗2：三維動態場景返回抑制的特點

由實驗1結果可知，三維靜態場景下，返回抑制敏感于深度線索，且該抑制效應存在空間擴散。實驗2將實驗1中的靜止客體改為在水平面上順時針或逆時針旋轉，運動方式參考Redden等人（2018）的研究。進一步探討深度線索下客體運動對返回抑制及空間擴散的影響。

3.1 研究方法

3.1.1 被試

選取北京某高校在校大學生28名，均為右利手，視力或矯正視力正常，無3D眩暈癥，之前均未參加過類似實驗。其中男生16人，平均年齡22.00±2.38歲。女生12人，平均年齡23.00±2.15歲。

3.1.2 實驗材料及工具

同實驗1。

3.1.3 實驗設計

同實驗1。

3.1.4 實驗流程

實驗流程僅當呈現中央二次線索化時，前后兩側的小球同時在水平面上順時針或逆時針旋轉運動，例如，順時針運動下，左側小球以半圓弧軌跡形式向右側運動，右側小球同樣以半圓弧軌跡形式向左側運動。其他同實驗1。如圖4所示。

圖4 實驗2流程圖

3.2 結果

總漏報率為0.62%，剔除反應時小于100 ms或大于1000 ms的試次，剔除率為0.99%，在此不做詳細分析。三維空間操縱問題1得分的平均值為4.04±1.20，對問卷2得分的平均值為3.50±1.31。表明本研究設計可以用來研究三維情境。

以反應時作為因變量，線索類型作為自變量，進行單因素重復測量方差分析。結果發現：線索類型的主效應不顯著，F(3, 81)=2.177，p=0.097，表明線索化客體運動到新位置后并未發生返回抑制現象。四種線索類型的反應時見圖5所示。為了進一步探討動態返回抑制及其擴散效應，對運動前線索化的位置進行了分析，研究發現，線索類型的主效應仍不顯著，F(3, 81)=2.177，p=0.097，表明客體運動后，破壞了返回抑制效應。

圖5 三維動態場景四種線索類型反應時

由于實驗2線索類型的主效應不顯著，不再對返回抑制量進行詳細分析。

4 討論

本研究采用沉浸式虛擬現實技術，構造三維空間場景，通過操縱四個不同空間位置的客體運動與否，探討加入深度線索后，動靜態場景變化對返回抑制效應的影響。從實驗1結果可知：三維靜態場景下，三個無效線索條件均產生了返回抑制現象，不同空間位置產生的返回抑制效應不同，表明返回抑制對深度敏感且對線索化位置的抑制在三維空間中存在擴散現象。實驗2將靜態的場景變為在水平面上順時針或逆時針旋轉運動時，四個空間位置的反應時無差異，并未產生基于動態的返回抑制現象，表明當客體發生運動后，抑制并沒有隨著客體的運動發生轉移，注意在四個空間位置等量分配。

三維靜態場景中，三個空間位置均發生了返回抑制現象，表明返回抑制敏感于深度線索，進一步推進了返回抑制在三維空間中的探討。王愛君等人（2015）的研究雖也得出返回抑制敏感于深度線索，但該實驗中可能存在線索有效性與空間位置變量混淆而導致線索化與非線索化刺激不匹配。而本研究設置了線索與目標隨機出現在四個空間位置點上，線索有效性與目標深度兩變量是獨立正交關系，即線索化后，目標既可出現在同一深度，又可以出現在不同深度，從而可分離兩變量的影響。在數據分析中，由于線索與目標可以隨機出現在四個空間位置，因此可以把有效線索條件和三種無效線索條件（Z-無效、X-Z無效、X-無效）放在一起相比較。王愛君等人在兩個實驗中分別考察了X-Z無效與Z-無效條件的返回抑制，而本研究通過同一個實驗同時考察了各個深度不同方向上的返回抑制效應，進一步推進了三維空間中返回抑制的探討。此外，Giannopoulos等人（2011）曾指出頭戴式顯示器（HMD）和虛擬環境系統（如CAVE）相較其他工具空間感較強。本研究使用的頭戴式顯示器（HMD）的深度呈現優于Theeuwes和Pratt（2003）研究中的雙眼視差方式及王愛君等人研究中的Nvidia 3D快門式眼鏡的呈現效果。由此，本研究結果表明三維空間中的返回抑制效應可能與三維深度線索呈現的明確程度有關。

本研究還發現，不同空間位置產生的反應時有差異，線索化位置反應時最大，Z-無效線索位置的反應時次之，X-無效線索與X-Z無效線索下的反應時較快，產生的返回抑制效應更大。根據返回抑制的梯度效應（Maylor & Hockey, 1985），線索化位置的反應時最長，其次為線索化相鄰的位置，線索化對角位置的反應時最短。實驗1中X-Z無效線索位置（360 ms）與X-無效線索位置（361 ms）處的反應時無顯著差異。該結果與二維平面結果不同，并未得出X-Z無效線索下反應時最快。原因可能與本研究加入深度線索后，空間注意轉移所耗費的時間更多，導致抑制效應優先沿著線索化同深度的位置擴散。本研究表明三維空間返回抑制并非僅發生在線索化的位置，同時會優先擴散至線索化同側。單側抑制假說更好地解釋了本研究結果，該假說認為，返回抑制效應不僅出現在之前線索化過的位置，還可以擴展到線索化位置的同一側，即與線索同側的反應時較長，而線索化的對側反應時較快（Pratt et al.,1999）。因此，本研究結果表明三維空間中返回抑制效應存在不等量擴散，且這種擴散形式有別于二維空間。

實驗2將靜態場景變為客體在水平面上順時針或逆時針旋轉運動的動態場景時，未發生動態返回抑制現象，表明客體發生轉移后，返回抑制并未隨著客體轉移至新位置，該結果與Redden等人（2018）研究結果類似。本研究雖使用了更加真實的運動軌跡，但仍未發現動態的返回抑制效應。原因可能為線索化后，前后的兩個小球同時發生運動，相比靜止靜態場景，動態的客體更易引起注意捕獲，導致線索化的作用變弱，破壞了返回抑制現象產生。在一篇探討客體返回抑制的綜述中，研究者認為有5個因素會影響動態客體返回抑制的產生：突出或明確的線索提示、客體的時空連續性、實驗流程不要混合促進和抑制、未參加過類似實驗的被試及線索位置返回至注視點要突出（Reppa et al., 2012），本研究的材料設置基本符合上述條件，但仍未發生返回抑制現象，后續研究可以進一步加強線索化的呈現方式、加入眼動控制等，更加全面地探討三維空間場景下動態返回抑制及擴散現象。還有，為了和實驗1范式匹配，且進一步探討動態場景下返回抑制的空間擴散特點，本研究采用Redden等人研究中使用的范式，即線索化后，左、右側小球進行180度的旋轉運動。該種旋轉方式可能會造成位置與客體的沖突，這與傳統的運動返回抑制范式不同（Tipper et al., 1991; Tipper et al., 1994），客體小球在水平面順時針或逆時針旋轉后，左側小球與右側小球的位置互換，這可能會導致線索位置與目標位置沖突，進而導致結果未表現出基于客體的返回抑制效應。后續研究可對研究范式加以改進，將位置與客體進行分離，進一步探討三維場景中動態返回抑制特點。此外，由實驗1結果可知，三維靜態下返回抑制存在擴散效應。因此，本研究對實驗2客體未運動前線索化位置為參照點進行分析，想要探討客體運動后，線索化的位置是否仍存在抑制，結果同樣未發生基于位置的返回抑制現象，結果表明客體運動后，使線索化作用消失，注意資源在四個空間位置等量分配，因而未產生返回抑制現象。

5 結論

三維靜態空間場景下返回抑制敏感于深度線索，抑制效應存在空間擴散。當靜態場景變為動態時，并未發生返回抑制現象，表明客體運動破壞了三維返回抑制的產生，使得注意資源在不同深度的各個空間位置上基本均衡分配。