安德森認知心理學及其啟示3知覺和模式識別課件

第三章知覺與模式識別一、知覺的根本過程二、模式識別知覺的概念人們通過感官得到了外部世界的信息，這些信息經(jīng)過頭腦的加工〔綜合與解釋〕，產(chǎn)生對事物整體的認識，就是知覺。感覺是人腦對直接作用于感覺器官的客觀事物的個別屬性的反映，它得到的信息，主要是滯留在感覺器官的感受器上的、未經(jīng)整合的各種具體信息；知覺是有組織的信息，它是確定人所接受到的刺激信息并給予它們意義和詮釋信息的過程。一般來說，知覺在感覺之后，但常常是重疊在一起，知覺的發(fā)生需要依賴人的感覺，也需要依賴于自己過去的知識和經(jīng)驗。知覺信息加工過程覺察〔detection):發(fā)現(xiàn)事物的存在，而不知道它是什么;類似與感覺分辨(discrimination):把一個事物或其屬性與另一個事物或其屬性區(qū)別開來。確認(identification):人們利用已有的知識經(jīng)驗和當前獲得的信息，確定知覺的對象是什么。知覺加工的幾種形式：自上而下VS自下而上的加工整體加工VS局部加工一自上而下的加工知覺依賴于感知的主體即知覺者。知覺者對事物的需要、興趣和愛好，一般知識經(jīng)驗，或對活動的預先準備狀態(tài)和期待，在一定程度上影響到知覺的過程和結果。這種加工叫自上而下加工(top-downprocessing)或概念驅動加工〔concept-drivenprocessing)。知識經(jīng)驗在知覺中的作用知覺是一種主動的和富有選擇性的構造過程。也就是說，在已貯存的知識經(jīng)驗的參與下，知覺將感覺信息組織成有意義的對象，并把握刺激的意義。心理學中早已發(fā)現(xiàn)的許多事實都說明了知識經(jīng)驗在知覺中的作用，如斑點圖，言語對知覺的影響等。Warren(1970年)的音素恢復實驗讓被試分別聽一個不同的句子，其中有某個字母缺失。Itwasfoundthatthe*eelwasontheaxle.Itwasfoundthatthe*eelwasontheshoe.Itwasfoundthatthe*eelwasontheorange.Itwasfoundthatthe*eelwasonthetable.*表示該位置的字母告缺失。被試通常將有缺失的字母聽成有意義的詞。(wheel-車輪;heel-足跟;peel-果皮;meal-飯菜)理解在知覺中的作用：用過去的知識經(jīng)驗，對知覺對象作出某種解釋，使它具有一定的意義。121314AC知覺的假設考驗說強調過去經(jīng)驗作用的知覺理論：知覺是一個包含假設考驗的構造過程，過去的知識經(jīng)驗總是以假設、期望或圖式的形式在知覺中起作用。知覺是一個積極的(active)和構建的(constructive)過程；知覺并不是由刺激輸入直接引起的，而是所呈現(xiàn)刺激與內部假設、期望、知識以及動機和情緒因素交互作用的終極產(chǎn)品。知覺有時可受到不正確的假設和期望的影響。因而，知覺也會發(fā)生錯誤。Gregory(1972)宣稱知覺是一個構建過程，即利用從一些來自感覺器官的不穩(wěn)定的數(shù)據(jù)片段和來自記憶的零碎信息去構建針對某一目標的知覺。因而，提供給感覺器官的時常是不正確的信息，被用作關于外部環(huán)境的推理和假設的根底。二自下而上的加工知覺依賴于直接作用于感官的刺激物的特性，對這些特性的加工叫自下而上加工(bottom-upprocessing)或數(shù)據(jù)驅動加工(data-drivenprocessing)。顏色和明度知覺依賴于光的波長與振幅；音調和音響知覺依賴于聲波的頻率與聲壓的水平；形狀知覺依賴于物體的原始特征和線條朝向；知覺字母首先確認字母的特征，如水平線、垂直線等。強調知覺只具有直接性質的特點，否認已有知識經(jīng)驗的作用。以Gibson為代表。Gibson認為，自然界的刺激是完整的，人完全可以利用這些信息直接產(chǎn)生與作用于感官的刺激相對應的知覺經(jīng)驗，根本不需要在過去經(jīng)驗根底上形成假設并進行考驗。強調個體在所處環(huán)境中的運動對知覺的影響。Gibson(1979)把他的理論稱為生態(tài)學理論(ecologicalapproach)。自下而上的加工：直接知覺范式整合上述兩種對立的知覺加工理論自上而下和自下而上加工對知覺的重要性取決于不同因素的影響。在良好的知覺條件下，知覺主要是自下而上的加工；不良知覺條件下，知覺主要是自上而下的加工。Gibson強調的是良好條件下的知覺，Gregory強調的是不良條件下的知覺。自下而上的加工和自上而下的加工二者結合而形成完整的知覺過程，或者說，知覺信息是現(xiàn)實刺激信息與過去的知識經(jīng)驗信息相互作用的結果。視覺加工有兩個主要的功能：一是目標知覺，即它是什么？二是空間知覺，即它在哪里？神經(jīng)心理學和認知神經(jīng)科學的研究說明，大腦中存在兩個獨立的知覺加工系統(tǒng)：what通路從枕葉初級視皮層向顳葉下行,主要負責加工視覺刺激的顏色、形狀和特性〔即刺激的身份或刺激是什么〕。where通路那么從枕葉初級視覺皮層向頂葉上行，主要負責位置和運動信息的加工。知覺加工過程的腦機制

——來自認知神經(jīng)科學的證據(jù)Haxby(1994)的PET腦功能成像研究實驗一，從兩張面部圖片中選擇與靶圖片相匹配的圖片(物體識別任務)實驗二,從兩個由一個點和兩條線組成的圖形中選擇一個由靶圖形旋轉而來的圖片〔空間任務〕實驗結果：1、兩個實驗中枕葉皮層均有顯著激活，說明視覺加工皮層的參與；2、實驗一導致顳葉中下部顯著激活；而實驗二導致頂葉皮層的顯著激活。

Stephan等(2003)經(jīng)典的fMRI研究實驗材料：由德語名詞〔每個單詞包含4個字母〕組成，其中第2或第3個字母是紅色實驗任務：1字母判斷任務：被試需要忽略紅色字母的位置，通過按鈕判斷單詞中是否包含目標字母“A〞。2視空間判斷任務：被試需要忽略詞語中跟語言相關的特性，判斷紅色字母在中心位置的左側或右側。結果1字母判斷與視空間判斷相比，顯示出強烈的的左側一側化激活，包括標準語言區(qū)〔比方，左側布羅卡區(qū)〕；視空間判斷與字母判斷相比，顯示出在右側頂葉皮層的一側化激活疑問？上述分析沒能弄清的問題是：決定某一側半球加工特定信息的神經(jīng)機制是什么？由于刺激中同時包含字母和視空間信息，這需要被試主要關注和加工對當前任務有意義的信息，而抑制對其他信息的加工。功能連通分析當ACC與其他腦區(qū)的聯(lián)結通過PPIs進行分析時，發(fā)現(xiàn)了顯著的半球間功能別離：左側ACC在進行字母判斷時，與左側IFG〔一個重要的語言區(qū)〕的聯(lián)結特異性增加；而右側ACC在進行視空間判斷任務時，與右側頂葉〔參與了空間判斷〕的聯(lián)結特異性增強。沒有其他腦區(qū)顯示出跟左側或右側ACC顯著的任務-決定的功能聯(lián)結性變化。三整體加工和局部加工自然界中的許多物體是以等級結構的形式組成。人類的知覺系統(tǒng)如何加工等級結構的物體，是長期以來研究爭論的熱點。Navon(1977)開創(chuàng)性地采用等級刺激的范式來研究人類的等級加工過程。Navon(1977)：聽覺的字母識別作業(yè)整體加工和局部加工實驗程序視覺刺激80ms，其中開始呈現(xiàn)后40ms給聽覺呈現(xiàn)H或S，聽覺刺激持續(xù)300ms，要求判定聽到的是哪個字母，按鍵記錄反響時。整個實驗中，被試始終注意視覺刺激〔視、聽有40ms的重疊〕。聽覺刺激與視覺刺激整體的字母有3種關系：一致、無關、沖突；聽覺刺激與視覺刺激局部的字母有3種關系：一致、無關、沖突；聽覺區(qū)分反響時依賴于聽覺刺激與視覺刺激的整體的一致關系；而聽覺區(qū)分反響時在3種局部的一致關系下并無顯著差異。視覺的字母識別作業(yè)視覺刺激材料同前；每次只呈現(xiàn)一個刺激；兩組實驗：注意整體〔要求被試指出所看到的大字母是H還是S〕；注意局部〔要求被試指出所看到的小字母是H還是S〕實驗過程：先注視光點，呈現(xiàn)刺激40ms，呈現(xiàn)掩蔽刺激，要求盡快作出判定，且盡可能保證準確。大字母識別快于小字母；3種關系條件下，大字母識別反響時無顯著差異；小字母的識別有差異，其中沖突條件下最慢。知覺加工的總體特征優(yōu)先總體特征知覺先于局部特征被知覺，知覺過程開始于總體組織，然后才開始對局部特征的分析。當人有意識看總體特征時，知覺加工不受局部特征影響，但當人注意看局部特征時，知覺加工受總體特征影響，否那么無法解釋小字母識別在沖突條件下最長。整體加工和局部加工主要針對刺激的物理特征而言；自上而下的加工與自下而上的加工更多針對意義特征而言。第二節(jié)模式識別模式是指有假設干元素或成分按一定關系形成的某種刺激結構，也可以說模式是刺激的組合。比方：幾個線段組成一個字母或圖形，幾個筆畫組成一個漢字、一個人頭像，幾個音素組成一個音節(jié)等。什么叫做模式？什么叫模式識別？定義：當人能確認他所知覺的某個模式是什么，并與其他模式區(qū)分開來，這就是模式識別。模式識別也就是指當人們把接收到的有關客觀事物或人的刺激信息，與他在大腦里已有的知識結構進行比較和匹配，從而區(qū)分和確定該刺激信息意義的過程。存在各種感覺通道的模式識別：視覺的、聽覺的、觸覺的、味覺的、和嗅覺的模式識別。模式識別是人的一種根本的認知能力或智能，在人的各種活動中都有重要的作用。假設能將模式識別賦予計算機〔機器識別〕，那么將具有重要作用，此即人工智能的一個重要研究領域。模式識別的作用模板匹配模型原型匹配模型特征分析模型有關模式識別的理論假說理論：在人的長時記憶中儲存著各式各樣的過去在生活中形成的外部模式的袖珍復本，這些袖珍副本被稱為模板〔Template)。當刺激作用于人的感官時，刺激信息得到編碼并與各種模板進行比較，哪一個模板與刺激有最正確的匹配，就把該刺激確認為與那個模板相同，從而得到識別。模板匹配模型模板說存在的證據(jù)Phillips(1974)讓被試判斷兩個先后呈現(xiàn)棋局模式的異同，兩個模式的空間關系有兩種情況〔1〕重疊：兩個模式在同一位置上出現(xiàn)；〔2〕位移：第二個模式相對于第一個模式做水平方向的位移。結果：當兩個模式呈現(xiàn)的時間間隔短于300毫秒時，重疊條件的正確率高于位移條件，但是當時間間隔長于600毫秒時，出現(xiàn)相反的結果.這說明，在視覺儲存的時間內，兩個模式的空間重疊是有利于識別的，也就是說模板匹配在模式識別中是起作用的。Warren(1974)聲音異同判斷實驗：當兩個聲音刺激的持續(xù)時間嚴格匹配時，聲音上下的異同判斷成績要優(yōu)于持續(xù)時間不一致的情況。實踐應用證據(jù)：用模板技術制作一些特殊的數(shù)字，用于支票的銀行帳戶、信用卡、提款卡等的編號。計算機可以成功的作出識別。這些實驗結果說明，模板說在一定的條件下可以解釋人們的模式識別。條形碼分為4個局部：

1-3位：國家代碼〔由國際上分配，690--695都是中國的代碼〕；

4-8位：生產(chǎn)廠商代碼，由廠商申請，國家分配；

9-12位：廠內商品代碼，由廠商自行確定；

第13位：校驗碼，依據(jù)一定的算法，由前面12位數(shù)字計算而得到。

對模板說的質疑按照模板說的根本觀點，為了識別特定的模式，必須事先在記憶中存入與之對應的模板。如果兩個模板在外形、大小和方位等方面必須匹配才能得到識別的話，就需要在人的記憶中儲存不可計數(shù)的模板，這顯然不現(xiàn)實，也與人識別物體時表現(xiàn)出的高度靈活性不一致。對模板說的修改鑒于上面提出的質疑，有人模板匹配模型進行了修改，提出了一個預加工(Preprocessing)過程。即在模式識別的初級階段，預加工將刺激的大小、方位、外形等加以調整使之標準化。這樣就可以減少模板的數(shù)量。對模板匹配說的評價能解釋人的某些模式識別現(xiàn)象，但缺乏靈活性，人必須事先存儲相應的模板，才能識別一個模式。即使附加了預加工過程，這些模板的數(shù)量仍是巨大的。模板說不能完全解釋人的模式識別過程，只能充當識別過程中的一個方面或一個環(huán)節(jié)。原型說是基于模板說的缺乏根底上提出的。原型說認為在記憶中存儲的信息是以原型(Prototype)的形式存在的。模式識別就是要確定一個物體是否與在原型中找到的根本形式相匹配。原型不是某一特定模式的復本，而是同一類別或范疇的所有客體的概括表征，反映一類客體具有的根本特性。例如，帶著兩個翅膀的長筒可以作為飛機的原型。原型匹配模型是否存在原型？Posner(1967)利用9個點構成幾種根本模式，如三角形、字母M或F以及隨機點模式〔以下圖〕，這些根本模式被當作原型，然后對某些點加以移動構成四個畸變圖式。原型畸變的三角形實驗：第一步：要求被試看其中三種原型的畸變模型，并將每個畸變模式劃入某個范疇〔原型〕，即要求被試將每個原型的4個畸變模型歸為一類，每次歸類操作給予反響。此階段不給被試看原型。(學習階段)下一步：呈現(xiàn)給被試原型、原有的畸變模式和基于原型的一些新的畸變模型。要求被試將這些模式分別劃入上述3個范疇。

一個實驗〔Posner，1967〕結果：被試對原型和原有畸變模式分類正確率都為87%左右，對新的畸變模式的分類較差。該結果說明，被試在學習實驗中已經(jīng)形成了某種原型，因而在隨后的實驗中產(chǎn)生了明顯的遷移效應。原型匹配的特點原型是一種概括表征，只需要近似匹配即可。即使個體間存在外形、大小等方面的差異，也可以被相應的原型所識別。減輕人的記憶負擔，使模式識別更靈活，更適應環(huán)境的變化。Ehrsson〔2007〕靈魂出竅體驗〔Out-of-BodyExperiences〕在科學史上，有許多瀕臨死亡的病人在被搶救回來后，報告說他們感到自己漂浮在空中，或是看到醫(yī)生搶救自己的情景。英國和瑞士的兩組科學家，日前通過技術手段，分別在健康人身上模擬了這種感覺,證明“意識離開身體〞不過是大腦的一種錯覺。在實驗中，參與者都戴著一副虛擬現(xiàn)實眼鏡，它與一臺對準參與者自身的攝像機相連。研究人員在將一根塑料棒移向攝像機鏡頭的同時，準確地在參與者的胸部刺了一下。在這種情況下，參與者很強烈地認同了攝像機中的位置，并且認為他們自己的位置就處于那里。而且，這種感覺與他們平常觀看其他人并無二異。Ehrsson表示，人們通常感受到自己處于身體之內。不過，新的實驗設計讓大腦所得到的信息與這種通常觀念不符，才發(fā)生了體外經(jīng)歷。他說，“大腦會騙自己，因為它要讓各種感官信息變得有意義。如果這些信息是有缺陷的，那么它就會產(chǎn)生錯誤的認識。〞這種幻覺的出現(xiàn)可能源于特定大腦區(qū)域的故障，比方整合感官信息的大腦顳頂皮層〔tempoparietal

cortex〕。

模式是有假設干個元素按照一定的關系構成的，特征說把這些元素和關系稱為特征(Feature)，并認為模式可以分解為特征。例如，一個大寫的英文字母“A〞可以被分解為：兩條斜線、一條水平線和三個銳角。三：特征分析模型特征分析的過程在模式識別過程中，首先要對刺激的特征進行分析，也即抽取刺激的有關特征，然后將這些抽取的特征加以合并，再與長時記憶中的各種特征進行比較，一旦獲得了最正確匹配，外部刺激就被識別了。實驗證據(jù)之一：字母特征混淆Neisser(1964)比較了由直線組成的干擾字背景〔如W、V〕和由圓形特征組成的干擾字母〔如O、G〕中檢測出字母Z的時間。

詞表1詞表2

IMVXEWODUGQRWVMEIXGRODUQVXWIEMDUROZGMIZWVXRGOUDQ……實驗程序：1、呈現(xiàn)6個一行的英文字母，要求被試盡快搜索特定的靶子字母“Z〞2、兩組刺激材料的不同之處在于，靶子字母和其他字母在特征上的相似程度?！哺呦嚓P和低相關〕3、結果說明低相關條件下，搜索靶子較快。這可能是因為，干擾字母和“Z〞沒有多少共同特征的緣故4、該結果說明，在人的模式識別中，特征分析是一個必經(jīng)的階段。實驗證據(jù)之二：

支持特征說的有力證據(jù)還來自生理學的研究。許多生理實驗發(fā)現(xiàn)，動物的視覺系統(tǒng)含有一些專門化的神經(jīng)細胞，它們只對一定的特征作出反響。比方Hubel和Wiesel(1959)發(fā)現(xiàn)，貓和猴的一些視覺皮層細胞分別只對視野中的垂直光條和水平光條發(fā)生反響。后來還發(fā)現(xiàn)分別存在著對邊界、線條、甚至對成直角的刺激圖形發(fā)生反響的特定細胞。1、依據(jù)刺激的特征和關系進行識別，就可以不管刺激的大小、方位等細節(jié)信息及預加工2、同樣的特征可以出現(xiàn)在不同的模式中極大減輕記憶的負擔。3、抽取刺激的特征再加以綜合，使模式識別過程帶有更多的學習色彩。特征說的優(yōu)點“鬼城〞模型Selfridge(1959)提出了一個更為具體的特征分析模型——“鬼城〞模型“鬼城〞是形象的比喻，原意是指一個夢想國度中的一個喧囂而又混亂的城市。這里，所謂的“鬼〞是指具有某種特定功能的機制。本來是針對機器的模式識別提出來的，后來用于人的模式識別。該模型將模式識別分為四個層次，每個層次有一些“鬼〞來執(zhí)行某個特定的任務，這些層次按順序進行工作，最后到達對模式的識別。第一層次由“映象鬼〞對外部刺激進行編碼，形成刺激的映象。然后由第二層次的“特征鬼〞對刺激的映像進行分析，既將它分解為各種特征：在分析過程中，每個“特征鬼〞的功能是專一的，只負責一種特征。并需要對刺激是否具有相應特征進行報告。第三個層次的“認知鬼〞始終監(jiān)視各種特征鬼的反響，它們從特征鬼的反響中尋找各自負責的那個模式的有關特征，當發(fā)現(xiàn)特征時，就會喊叫，發(fā)現(xiàn)特征越多，喊叫聲越大。最后“決策鬼〞根據(jù)這些認知鬼的喊叫，選擇叫聲最大的那個認知鬼所負責的模式進行識別。

映象鬼特征鬼認知鬼決策鬼刺激編碼分解為各個特征檢測特征鬼選擇叫聲最大的線段、直角等發(fā)現(xiàn)特征喊叫的鬼負責的模式“鬼城”模型的發(fā)生過程對特征分析模型的評價特征分析模型是目前最受關注的一個模型，和模式識別模型相比較，具有更加靈活的特點。但它只是自下而上的加工模型，缺少自上而下的加工。特征分析模型一個最大的問題，就是關于整體加工和局部加工的問題。特征優(yōu)先還是整體優(yōu)先？特征加工認為視覺加工過程是從局部分析再到整體的過程。然而，Navon(1977)等的實驗表明，整體加工優(yōu)先于局部加工。影響等級加工的因素知覺因素〔如視角、離心率、知覺組織〕注意因素〔如重復啟動效應〕人格因素〔如謹慎型、激進型〕情緒因素〔如沮喪、開心〕結構優(yōu)勢效應過去的經(jīng)驗對知覺有重要作用，并常表現(xiàn)為上下文效應。這說明模式識別并不是孤立的，而是處在和其他模式或刺激的相互聯(lián)系中?，F(xiàn)在已經(jīng)發(fā)現(xiàn)了字詞優(yōu)勢效應、客體優(yōu)勢效應、結構優(yōu)勢效應和字母優(yōu)勢效應。

定義：識別一個字詞中字母的正確率高于識別一個單獨的同一個字母。

Reicher(1969)的實驗

刺激材料：

他用速示器給被試呈現(xiàn)一組刺激材料，激材料分三類：一類為一個或兩個單獨字母；一類為一個或兩個由四個字母組成的字詞；第三類為一個或兩個由四個字母組成的非字詞。之一：字詞優(yōu)勢效應：實驗程序首先給被試呈現(xiàn)一個注視點，然后呈現(xiàn)上述刺激材料中的一種，刺激的呈現(xiàn)時間分為短、中、長三種.緊接著呈現(xiàn)掩蔽刺激和供選擇的兩個字母。要求被試答復這兩個字母中的哪一個是剛剛刺激材料中這個位置上看見過的，記錄正誤。實驗結果無論事先告不告訴所供選擇的字母，識別字詞中一個字母要優(yōu)于單個字母或者非字詞中的字母。顯示出了字母識別中的字詞優(yōu)勢效應。對字詞優(yōu)勢效應的解釋一：推論說Rumelhart和Siple(1974)指出，對字詞中的字母只要看到這個字母的一局部就可以排除其他選擇，得到正確識別。這種解釋是借助上下文進行推理來解釋字詞優(yōu)勢效應的。例如，在字詞WORD中，最后一個字母D，被試只要看到后部的曲線，就能正確識別它為D，而對于單個字母D，被試即使看到同樣的曲線，他也不能確認這個字母是D，Q，或O。這種解釋強調以過去知識經(jīng)驗為根底的自上而下的加工和綴字規(guī)律知識的應用。二：編碼說〔字詞和字母的不同編碼〕

Mezrich(1973)發(fā)現(xiàn)，被試在作出反響之前常有將字詞讀出的傾向。他發(fā)現(xiàn)如果在反響之前要求被試把所有字詞和單個字母都讀出來，那么字詞效應將消失。對字詞優(yōu)勢效應的解釋另外，Johnston等發(fā)現(xiàn)如果在Reicher的實驗中，不用掩蔽刺激，就不會出現(xiàn)字詞優(yōu)勢效應。這說明字詞優(yōu)勢效應是由于字詞和單個字母的不同編碼所造成的：字詞是語音編碼，而單個字母是