動態離散刺激的時空協同編碼及其解離

王雨瑩,陳云云,郭 森,董超武,晏碧華

(1.陜西師范大學心理學院,西安 710062;2.北京師范大學心理學部,北京 100875)

1 引言

自動態刺激的時間空間知覺研究伊始,大量研究側重于時間和空間在知覺組織過程中對彼此的影響。早期,Benussi(1913)發現對空間距離的判斷會隨時間間隔變化而不同,當空間位置固定而時間間隔變化時,被試對空間距離的判斷會隨時間間隔增減而被高估或低估,Helson(1930)將這一現象命名為“Tau效應”。對于時間間隔的感知也會受空間因素影響,時間間隔固定而空間距離變化時,對時間間隔的判斷會隨距離增減而被高估或低估,Cohen,Hansel 和 Sylvester(1953)將其命名為“Kappa效應”。Droit-Volet,Clement 和 Fayol(2008)讓被試進行時間、數目或長度判斷任務,結果發現當刺激相繼呈現時,被試在時間和長度任務中的操作成績無顯著差異,后續實驗發現重復刺激對長度和時間加工的影響一致(Droit-Volet,2010)。在以動物為被試的研究中,被試同時加工時間和空間信息時,時間加工和空間距離判斷存在相互影響(Merritt,Casasanto,& Brannon,2010)。此外,在對時間和空間加工的過程中存在時空影響的不對稱,即時間知覺受距離變化的影響較大,而空間知覺受時間變化的影響則較小(Casasanto &Boroditsky,2008)。

也有研究關注動態模式中多個客體間的空間位置關系或多個客體的空間構型在知覺組織中的作用。Blalock和Clegg(2010)通過對同時呈現和順序呈現的刺激的空間構型表征結果的比較,發現對于同時呈現的刺激整合更具有優勢,而對于順序呈現的刺激整合效果較差。Papenmeier和Schwan(2012)發現無論靜態還是動態場景,在探測階段呈現整體空間構型要比呈現部分空間構型時能更好地檢測目標位置變化。

以上研究主要關注在刺激動態呈現過程中,時間或空間因素中一個因素對另一個因素的影響或其中一個因素的突出作用,較少探索二者共同在知覺組織中的作用。若要對此問題進行綜合研究與探討,則需要通過實驗對“時間和空間編碼處于共同的編碼系統,但是會因其中一個因素的顯著存在產生時空編碼的解離”這一假設進行驗證。實驗1假設動態離散刺激的知覺編碼為時空協同編碼,即在多個相同的客體隨著時間進程依次呈現的過程中,時間和空間因素在編碼過程中同樣重要,且二者的編碼過程是相互結合而非各自獨立的。通過借鑒前人研究中再現、部分再現和錯誤再現動態刺激的空間位置關系來探究刺激整合方式的方法(Blalock &Clegg,2010;Papenmeier &Schwan,2012),首次在刺激動態呈現結束后,呈現空間表征(突出強調客體空間位置關系的簡化構型)和時空表征(客體的呈現時間和空間位置因素都被突出的簡化構型)兩種圖形(見圖1),讓被試選擇與刺激呈現過程更為匹配的圖形,進而探索動態離散刺激知覺組織過程的時空編碼特征。

圖1 實驗1中實驗流程示意圖實驗1第一部分(上)和實驗1第二部分(下)

Fahle和Koch(1995)研究發現在圖形-背景分離過程中,大腦會在諸多信息中綁定一些屬性并將其識別為單獨的物體,這一過程中極小的空間位移即可對圖形的顯著性造成影響,而較大的時間差異則無顯著影響。可以假設,時空因素在知覺編碼過程雖相互結合,但在知覺過程中,二者的作用強度可能會在不同條件下有所變化,突出的空間因素會增強知覺組織過程的空間編碼而削弱時間編碼,即出現時空協同編碼的解離,實驗2以這一假設為基礎進行研究。在實驗2中,通過改變多個刺激的呈現規則來改變空間因素,分三種呈現方式:不規則呈現、朝向相同的呈現方式和構成主觀輪廓的呈現方式,主觀輪廓即多個客體的呈現形成的整體構型中包含一個明顯的圖形(Coren &Theodor,1975),以此探究空間因素尤其是主觀輪廓對時空協同編碼的影響。

2 實驗1動態離散刺激的時空編碼特征

2.1 目的

采用啟動-匹配范式探索動態離散刺激的時間和空間編碼特征,以無意義點圖為啟動刺激,考察動態離散刺激的編碼特征是否為時空協同編碼,以及呈現速度是否會影響該編碼特征。

2.2 方法

2.2.1 被試

自愿參加實驗的高校學生35名(其中男性15名,年齡M=20.63,SD=1.85),視力或矯正視力正常,無色弱或色盲,均為右利手且未參加過類似實驗,實驗結束后獲得一定報酬。

2.2.2 實驗材料與實驗設計

實驗通過顯示屏為13.9英寸的計算機呈現,屏幕為LED背光,刷新率57Hz,分辨率1920×1080 pixels,被試距離計算機顯示屏約60cm。實驗程序用E-prime 2.0設計運行。實驗刺激材料為無意義點圖(40×40 pixels)。刺激呈現后在屏幕中央隨機呈現空間表征圖形或時空表征圖形(150×150 pixels)。空間表征圖形和時空表征圖形分別設置為封閉圖形和非封閉圖形兩類(見圖1),此外,在進行實驗前也隨機選取了36人觀看了刺激呈現過程,并隨后對兩種表征圖形進行意義性判斷,所有人都表示空間表征圖形只反映了多個刺激間的位置關系,而時空表征圖形不僅能夠反映刺激間的位置關系,還能夠反映刺激的呈現順序。

刺激和表征圖形為黑色,呈現背景為白色。整個實驗包括前后兩部分,第一部分是探測被試對兩種表征圖形是否存在反應傾向性,第二部分正式考察動態離散刺激的編碼特征。實驗第一部分的4個點圖和表征圖形均呈現在屏幕中央,點圖的呈現分為完全相同的四個點圖和不完全相同的四個點圖兩種,實驗第二部分的4個點圖的位置坐標有四個:(462,334)、(562,334)、(462,434)、(562,434)pixels。兩部分實驗分別包含32和144個試次,共176個試次,所有試次分別在兩個部分隨機呈現。實驗的自變量包括刺激呈現速度(快、慢)、圖形表征類型(空間表征圖形、時空表征圖形)。每個試次先依次呈現4個刺激圖形作為啟動刺激,之后呈現表征圖形,被試需要對表征圖形進行判斷。4個刺激和2種表征圖形的呈現方式分為6種:2種呈現規則×3種刺激組合方式,表征圖形與呈現規則相對應,每一種呈現規則對應一個時空表征圖形和空間表征圖形。

2.2.3 實驗流程

試驗流程:(1)被試依指導語提示按空格鍵開始實驗;(2)首先在屏幕中央呈現“+”號500ms,之后根據自變量設置在屏幕上呈現刺激和表征圖形,每個刺激呈現時間均為250ms,在快速條件下,呈現間隔時間為150ms,在慢速條件下,呈現間隔時間300ms;(3)被試判斷:看到非封閉圖形按“F”鍵,封閉圖形按“J”鍵。一次試驗完成,進入下一次試驗。整個實驗持續約10分鐘,實驗程序將自動記錄反應數據。

2.3 結果與分析

實驗中記錄正確率和反應時。依據匹配范式要求,需對正確反應時進行分析。剔除錯誤反應和平均反應時3個標準差之外的數據,實驗的兩個部分分別剔除所有被試的總試次中的61和182個試次,分別占第一部分和第二部分總試次的5.44%和3.61%。

對實驗第一部分反應時進行2(呈現速度:快速、慢速)× 2(圖形表征類型:時空表征、空間表征)重復測量方差分析,使用Bonferroni法進行校正(下同),各個主效應和各因素間的交互效應均不顯著。

圖2 實驗1第二部分不同條件下的反應時,誤差線為標準偏差

2.4 討論

實驗第一部分表明對兩種表征圖形的反應不具有任何傾向性。第二部分表明,快速呈現的反應更慢,可能是因為在快速呈現結束后需要調用更多的認知資源對刺激進行整合,此外,因為慢速呈現的時間更長,可能在其呈現過程中已經實現了一定程度的刺激整合,因此呈現結束后所需整合時間相對較短;根據啟動-匹配范式,如果以時空協同編碼方式進行知覺組織,被試對時空表征圖形的反應會更快,實驗結果表明對時空表征圖形的反應時更短,證實了這一假設,即動態離散刺激的編碼特征為時空協同編碼。

在速度和圖形表征類型的交互作用中,相比于慢速呈現,在快速呈現之后對空間表征圖形的反應時更長,而對時空表征圖形的反應時不受呈現速度的影響,可能是因為刺激呈現的啟動效應,當呈現與啟動過程不匹配的空間表征圖形時,需要更多的認知資源,呈現速度越快,前期整合越不完善,所需認知資源越多,則反應時越長。

3 實驗2主觀輪廓對動態離散刺激時空協同編碼的解離

3.1 目的

以缺口圓為啟動刺激材料,考察在不同刺激大小條件下,空間因素對動態離散刺激時空編碼特征的影響,特別是主觀輪廓的存在是否會造成時空協同編碼的解離。

3.2 方法

3.2.1 被試

自愿參加實驗的高校學生35名(其中男性14名,年齡M=20.83,SD=1.82),被試要求同實驗1。

3.2.2 實驗材料、實驗設計與實驗程序

實驗設備、設計與程序與實驗1基本一致,不同之處有:首先,實驗2的刺激材料為大小不同的缺口圓,小刺激和大刺激別為40 × 40 pixels和80 × 80 pixels,如圖3;其次,實驗2第二部分將刺激呈現的3種組合方式(不規則朝向,相同朝向和主觀輪廓,如圖4)作為空間因素的三個水平,并在實驗結束后進行數據分析;最后,實驗2不再考察速度的影響,僅取實驗1中的快速和慢速呈現方式來豐富刺激。

圖3 實驗2第二部分主觀輪廓呈現規則下的小刺激(左)和大刺激(右)呈現樣例

圖4 實驗2第二部分刺激呈現的組合方式：不規則朝向(左)、相同朝向(中)、主觀輪廓(右)

3.3 結果與分析

圖5 實驗2第二部分圖形表征類型和空間因素的交互作用,誤差線為標準偏差

圖6 實驗2第二部分刺激大小和圖形表征類型的交互作用,誤差線為標準偏差

圖7 實驗2第二部分空間因素和刺激大小的交互作用,誤差線為標準偏差

圖8 實驗2不同實驗條件下朝向規則和圖形表征的交互作用,誤差線為標準偏差

3.4 討論

實驗第二部分,主觀輪廓條件反應最快,朝向相同次之,不規則朝向最慢,可知規則朝向(相同朝向和主觀輪廓)比不規則朝向反應更快,說明規則朝向更有利于對于刺激的加工與組織;主觀輪廓比相同朝向反應更快,可能由于主觀輪廓的空間因素比起相同朝向更為突出,更容易將多個刺激組織為一個整體。

整體而言,對時空表征圖形的反應更快,但這一主效應伴隨較多的交互效應,表明時空協同編碼特征會受到多種因素的影響。此外,在空間因素的作用中,主觀輪廓條件下出現了與另外兩種條件截然相反的反應結果,證明了主觀輪廓突出空間編碼而削弱時間編碼,導致時空編碼的協同作用解離。

4 總討論

4.1 動態離散刺激的一般編碼特征

采用啟動-匹配范式探索動態離散刺激的時間和空間編碼特征,可測量視覺處理的早期過程(Schmidt &Haberkamp,2016),并避免反應結果過多受個體意識的影響。實驗1證明了時空協同編碼的假設。實驗2改變刺激材料進行實驗,得出了與實驗1一致的結果,并進一步說明了時空協同編碼是在多種條件下穩定存在的一般編碼特征。

以往研究發現,時間和空間的加工具有共同的表征。在Kappa效應和Tau效應中發現空間加工和時間加工的相互干擾,大都可歸因于觀察者對移動刺激具有恒定速度的潛在假設(Jones &Huang,1982)以及周圍環境的影響(Alards-Tomalin,Leboe-McGowan,& Mondor,2013;Hubbard,2019;Masuda,Kimura,Dan,& Wada,2011),這同時也反映了二者可能存在共同的時空表征(畢翠華,黃希庭,2011)。根據量值理論(ATOM),因為需要共同處理外部的時空結構信息,時間和空間具有相似之處,并且具有相同的處理機制(Walsh,2003)。另外,Srinivasan,Carey(2010)和Lourenco,Longo(2010)發現,同時呈現線段和聲音,聲音的呈現分為兩種條件,一種是聲音呈現時間和線段長度一致,一種是聲音的音調高低和線段長度保持一致,結果發現時間和長度一致的條件下,被試的反應準確率更高,Srinivasan 和 Carey(2010)指出時間和空間距離的加工在結構上匹配以外,更可能存在功能上的重疊。

有關腦機制的研究也為時空協同編碼這一結論提供了證據,研究發現時間和空間知覺存在許多共同的腦區,右頂葉在時間知覺和空間知覺中都具有重要作用,且時間和空間編碼在右頂葉皮質可能存在連接(畢翠華,黃希庭,2011;Bueti,Bahrami,& Walsh,2008;Maguire,1997;Oliveri,Koch,& Caltagirone,2009;Walsh,2003)。Coull 和 Nobre(1998)發現,當被試同時注意刺激的時間和空間時,其右頂葉皮質的活動會有所增加。Nose,Inoue,Tsutsui 等(2001)要求被試進行三個離散刺激形成的兩個間隔距離或間隔時間是否相同的判斷任務時,發現時間和空間判斷兩種任務均激活了右頂葉下皮質和前額。在運動行為中,不同活動下的時空信息激活了一些相同的大腦皮質的現象(Assmus,Marshall,Noth,Zilles &Fink,2005)也可以對時空協同編碼提供支持。

4.2 主觀輪廓對動態離散刺激時空協同編碼的解離

實驗2中規則朝向比不規則朝向的反應更快,而在規則朝向中,主觀輪廓比相同朝向反應更快,可能因為主觀輪廓使多個刺激信息綁定為一個整體,進一步促進了信息加工(Fahle &Koch,1995)。此外,主觀輪廓的存在導致對空間表征圖形的反應更快,說明主觀輪廓導致了動態刺激時空協同編碼的協同作用解離。實驗2還通過刺激材料大小這一因素進一步探究了主觀輪廓顯著性(Pillow &Rubin,2002)對協同作用解離的效果,小刺激條件下,對于表征圖形的反應時無明顯差異,說明不太明顯的主觀輪廓也對時間編碼起到了一定的削弱作用,大刺激條件下,主觀輪廓特征更為明顯,對于空間表征圖形反應更快,空間編碼占主導。可見主觀輪廓的存在即可導致時空協同編碼的作用解離,主觀輪廓越明顯解離作用越大。

主觀輪廓對時空協同編碼的解離,實際上是空間因素的作用增強導致了時間因素的作用削弱。Casasanto 和 Boroditsky(2008)發現的時間因素對空間感知的影響和空間因素對時間感知影響的不對稱性,也反映了時間因素易受空間因素干擾和削弱。這種現象的產生,可能是由信息的顯著性不同(畢翠華,黃希庭,2011)所導致的,刺激間主觀輪廓越明顯則空間信息越顯著,對時間因素的削弱作用也就越強。

綜上所述,可得出如下結論:動態離散刺激的一般編碼特征為時空協同編碼;刺激間形成的主觀輪廓會突出空間編碼并削弱時間編碼,出現時空協同編碼的解離,主觀輪廓越顯著解離效果越明顯。