第六章視覺實驗

第六章視覺實驗視覺刺激視覺的基本現(xiàn)象顏色視覺空間頻率第一節(jié)視覺刺激一、視覺的物理刺激視覺的適宜刺激：光的三個特征：波長、純度和振幅心理特征：色調(diào)、飽和度和明度能發(fā)光的物體叫光源，可分為自然光和人造光源。光可分為混合光和單色光國際單位制（SIE單位制）的光度單位二、光刺激的物理測量光強度（luminousintensity）:用I表示，單位是坎德拉（candela,cd）光通量（luminousflux）:用φ表示，單位是流明（lumen,lm）光照度（illuminance）:用E表示，單位是勒克斯（Lux,lx）反射系數(shù)（reflectancefactor）：用R表示光亮度（luminance）：用L表示，單位是尼特（Nit）。入射光（incidentlight）為照度，反射光(reflectionlight)為亮度(brightness)。亮度＝反射系數(shù)×照度，L=R×E，Nit=1cd／m2亮度的其他單位：毫朗伯（millilambert,ML），呎朗伯（footlambert,ftL）。1ML=0.929ftL=3.183燭光／平方米（c／m2）=10阿普熙提(apostilbs)。視覺實驗中也常用視網(wǎng)膜照度來表示刺激的物理強度，其單位是楚蘭德（troland），楚蘭德＝刺激強度（cd／m2）×瞳孔面積（mm2）亮度和照度關(guān)系示意圖光度學(xué)（photometry）光度量的測量和計算以心理學(xué)對人的視覺系統(tǒng)感覺特征的研究為基礎(chǔ)，視覺心理的研究則要應(yīng)用光度學(xué)的知識和測量技術(shù)。光度學(xué)度量的原始標(biāo)準(zhǔn)是以特定規(guī)格制成的一支蠟燭作光源的。特定的一支蠟燭放在離屏幕（s）的一段距離（d）處，屏幕以一定的比例（R）反射投射到其表面的光。入射光是照射到屏幕表面上的照度（E），以呎燭光為單位，這個值等于光源的燭光數(shù)（c）除以從光源到屏幕的距離（d）即：E=c/d2（呎燭光）一門研究可見光的計算和測量的科學(xué)，主要包括兩個方面：①研究各種光度量及其相互關(guān)系，常見的光度量有光通量、發(fā)光強度、照度、亮度等。②設(shè)計與制造各種光度量及其有關(guān)光特性測量的儀器，規(guī)定相應(yīng)的測量方法，光度測量的儀器有照度計、亮度計、色度計等。如果光源移近一個表面，則表面受到較強的照明。一個人在c處所看到屏幕上的亮度（L）與屏幕反射系數(shù)關(guān)系為：L=cR/d2，可見不論距離表面遠(yuǎn)近，屏幕上的亮度保持不變對比辨認(rèn)（亮度對比）亮度對比C常用表達(dá)式為：或亮度對比是指視場中對像與背景的亮度差和背景（或?qū)ο螅┝炼戎热绻麑ο蠛捅尘安灰状_定，如等距的黑白條紋刺激物，需任意指定對象與背景，此時，為了方便，可用下式表達(dá)：C=△L／L背景，式中△L為任意定出的對象和背景的亮度差。如果△L是視覺恰可覺察的亮度差異，則上式所表達(dá)的對比就是在一定背景亮度下的亮度差別閾限。式中的L高與L低分別為高亮度和低亮度。一般情況下，刺激物面積比較大的部位作為背景，面積比較小的觀察物作為對象。式中的分母指背景的亮度。如果對象亮度大于背景亮度，用第一個表達(dá)式。常用與發(fā)光體對比的計算，如黑白電視機屏幕的對比的計算。如果對象亮度小與背景亮度，則用第二個表達(dá)式計算，如白背景上的黑視標(biāo)或白紙上的黑印刷體的對比的計算。視角與照度、對比的關(guān)系喻柏林（1979）用黑環(huán)／白背景視標(biāo)對視覺對象的視角、對比和照度的關(guān)系進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)無論大對比還是小對比，都有共同的變化趨勢：視角越大，要求照度越低；視角越小要求照度越高。視角遞減時，照度發(fā)生遞增變化，而且視角遞減的速度小于照度遞增速度。換句話說，照度的一個大的正增量才能適應(yīng)視角的一個小的負(fù)增量。同時，如果小視角和大視角在縱坐標(biāo)上發(fā)生同樣的變化，則照度在橫坐標(biāo)上分別引起的增量相差越大，前者大大高于后者，這種現(xiàn)象稱之為照明收效遞減律（lawofdiminishingreturns）。第二節(jié)視覺的基本現(xiàn)象一、視覺適應(yīng)的研究：暗適應(yīng)（darkadaptation）和明適應(yīng)（lightadaptation）明、暗視覺的特征特征明視覺暗視覺感覺細(xì)胞錐體細(xì)胞桿體細(xì)胞光化學(xué)物質(zhì)錐體色素視紫紅質(zhì)色覺正常的三色無色所在視網(wǎng)膜區(qū)域中心外圍即邊緣暗適應(yīng)速度快（8分鐘或更少）慢（30分鐘或更多）空間分辨能力高低時間分辨反應(yīng)快反應(yīng)慢照明水平畫光（1到107毫朗伯）夜光（10－6到1毫朗伯）空間總和小大光譜靈敏峰值555nm505nm暗適應(yīng)視紫紅質(zhì)暗光視黃醛＋蛋白質(zhì)不同色光的暗適應(yīng)比較根據(jù)Judd(1951)和Wald(1954)的研究資料，在幾種不同的適應(yīng)色光中，紅色光暗適應(yīng)保持得最好，尤其是600毫微米以上的視場中，視桿細(xì)胞的感受性比視錐細(xì)胞的感受性高得多。白光預(yù)先作用于視網(wǎng)膜不同部位的暗適應(yīng)中央視覺（0°）只適應(yīng)到一定程度后，感受性就不再提高了；越靠近視網(wǎng)膜邊緣，暗適應(yīng)速度就越快。明適應(yīng)二、視敏度（visualacuity）視敏度反映的是眼睛的空間辨別能力.視知覺查標(biāo)準(zhǔn)刺激物的存在和辨別物體細(xì)節(jié)的準(zhǔn)確性.αbaBAADtanα/2=A/2D當(dāng)α≤10°時，視角α的頂點作為圓心，把物體離視角頂點的距離作為半徑，把物體大小A看作圓周的弧，則可以用下面簡便公式：α=A/D，α如果用弧度表示，則：α=A/D×57.3(度)A為物體的大小，D為物體到視角頂點的距離。

視敏度的種類覺察（detection）不要求區(qū)分物體的細(xì)節(jié)，只要求發(fā)現(xiàn)物的存在。定位（localization）是覺察兩根線是否連續(xù)或是否錯位的能力。解像（resolution）是知覺某一模式（apattern）具體元素之間分離的能力。再認(rèn)（recognition）的物體是白色背景上的大小不同的黑色圖形，醫(yī)學(xué)上用的視力表就屬于再認(rèn)測試。醫(yī)學(xué)上常把視敏度叫做視力，是以視角的倒數(shù)來表達(dá)的，即：V=1/α，其中α為視角，用分表示。臨床醫(yī)學(xué)上常用下面公式來計算視力：V=D′/D，D′為標(biāo)準(zhǔn)觀察距離，一般為5米，D為視覺能分辨的視標(biāo)的細(xì)節(jié)單位與眼睛呈1分視角時所在的距離，視標(biāo)細(xì)節(jié)單位在我國常用的是“E”字的開口，國際上常用的是“C”型視標(biāo)，又叫蘭道環(huán)（Landoltring）。組成圖形的黑線寬度和缺口大小，均為圖性邊長或直徑的1／5，相同大小的圖形排在同一行內(nèi)，被試在一定距離能正確分辨一般圖形時，其視敏度就是與該行圖形缺口大小相應(yīng)視角的倒數(shù)。把不同D下都呈1分視角的視標(biāo)按大小排成行即構(gòu)成了視力表，實際測試視力時，是在標(biāo)準(zhǔn)距離下能看見哪一行的視標(biāo)“E”，就用“E”字旁的數(shù)字代表視力。影響視敏度的因素1.視網(wǎng)膜不同部位視敏度是不同的。（視野visualfield是指當(dāng)頭部不動時，眼睛注視正前方某一點所能知覺的空間范圍，以度為單位。）中央視敏度與邊緣視敏度是不同的。2.照度對視敏度的影響上左圖為喻柏林（1979）所研究的不同照度條件下所能辨認(rèn)的視角大小，將其實驗結(jié)果按照1／α作圖，即得到右邊的視敏度曲線。3.刺激物與背景亮度的對比關(guān)系對視敏度的影響Guth&McNelis(1968)的實驗結(jié)果，上面的實線為4分視角開口蘭道環(huán)的分辨閾限曲線，下面的實線為同一蘭道環(huán)的覺察閾限曲線，中間虛線是Blackwell-Smith的4分視角圓盤的覺察閾限。荊其誠（1980）通過對視覺辨認(rèn)中照度、視角、對比度三個變量之間關(guān)系的研究，得出的一組視覺功能曲線（visualperformancecurves）。Wilcox(1951)用一對平行長方形作為刺激來檢查視敏度所得出的實驗結(jié)果。4.其它因素眼睛的光學(xué)系統(tǒng)的缺陷如近視或散光都能造成視敏度的下降。眼睛的疾病如白內(nèi)障、視網(wǎng)膜癥狀等也會造成視敏度的下降。年齡——視敏度隨年齡的增長而下降。曝光時間：如果眼睛短時間曝光，必須符合光度學(xué)中的Bunsen-Roscoe定律：光的強度（I）和時間（T）的乘積決定其效果。Sperling等（1965）研究表明，為了觀察一個小而亮的圓盤所需的光能量對所有短時間的曝光來說是一個常數(shù)，即所需的能量是時間和亮度的乘積，這符合Bunsen-Roscoe定律，并在研究中找到了一個臨界時距，超過這個時距，上述規(guī)律失效。在很長的時距里，強度本身決定著覺察閾限。瞳孔的大?。貉芯勘砻?，瞳孔直徑在增至1毫米之前，視敏度與瞳孔保持一種線性關(guān)系，瞳孔再增大，瞳孔只有很小的改進(jìn)。在直徑從2.5增到5毫米這一范圍內(nèi)，視敏度維持著近似恒定的高數(shù)值，這正是對高的和中等的明視亮度水平的瞳孔直徑的正常范圍。眼睛并不是一個完善的光學(xué)系統(tǒng)，（如果是，衍射將導(dǎo)致在瞳孔直徑增加時視敏度會呈線性增加，因為衍射作用的大小與瞳孔直徑成反比。）所以，眼睛會有各種各樣的光學(xué)像差：當(dāng)一個單個的點發(fā)出的光線從瞳孔的不同部分進(jìn)入眼睛時，并不能聚焦在視網(wǎng)膜上的一個點上，造成象的失真。瞳孔直徑增加，失真更加嚴(yán)重。看一看，是不是覺得，左邊的灰色方塊要淺一點，亮一點？其實，兩個灰色方塊是完全一樣的。不信？遮住周圍的區(qū)域你再看看。側(cè)抑制過程也能解釋上面這種錯覺，中間的兩個方塊反射同樣多的光到眼中，只是由于對比效應(yīng)它們的視覺效果才不相同，不信遮住周圍的區(qū)域你再看看。很多魔術(shù)師都用這種對比效應(yīng)來隱藏他們的道具。比如他們想隱藏物體的支持物時，魔術(shù)師就在周圍使用明亮的物體，象金屬物或白布等等，這樣黑色背景下的道具顯得更暗，觀眾就看不出其中的奧秘。Hermann柵格錯覺看到交叉處的灰點了嗎？仔細(xì)看看，它并不存在。交叉處四周都是明亮的白條，而白條的周圍只有兩處黑色區(qū)域。所以，注視交叉處的視網(wǎng)膜區(qū)域比注視白條的區(qū)域受到更多的抑制，這樣交叉處顯得比其它區(qū)域暗一些。在交叉處就能看到灰點。生理學(xué)上的解釋你的視網(wǎng)膜由許多小的神經(jīng)細(xì)胞組成，它們是光的感受器。這些細(xì)胞在視網(wǎng)膜上排成列。許多科學(xué)家都認(rèn)為單獨一個細(xì)胞的激活是不可能的，某個細(xì)胞的激活總會影響它鄰近的細(xì)胞。他們發(fā)現(xiàn)刺激某個細(xì)胞得到較大的反應(yīng)，而再刺激它鄰近細(xì)胞時反應(yīng)會減弱，這也就是周圍的細(xì)胞抑制了它的反應(yīng)。這種現(xiàn)象被稱之為側(cè)抑制,它發(fā)生在視網(wǎng)膜上一種叫做側(cè)細(xì)胞叢的結(jié)構(gòu)上。在Hermann網(wǎng)格圖中，交叉處的四邊都是亮的，而白條只有兩邊，所以注視交叉處的視網(wǎng)膜區(qū)域比注視白條的區(qū)域受到了更多的抑制，這樣交叉處顯得比其它區(qū)域暗一些。你在交叉處就能看到灰點。這種效果在視野周圍更顯著一些，因為側(cè)抑制在更遠(yuǎn)的距離上發(fā)生作用。眼睛跟著粉紅點移動，你看到的是粉紅點在閃動；盯著中心看，你會看到綠色點在閃動；長時間盯著中心看，你會發(fā)現(xiàn)粉紅點不見了，只剩下綠色點在閃動。視覺刺激的空間交互作用——馬赫帶（Machbands）白黑Lateralinhibition：是指抑制性神經(jīng)元沖動能抑制附近神經(jīng)元活動的現(xiàn)象。Machbands：指馬赫發(fā)現(xiàn)的一種明度對比現(xiàn)象，是一種主觀的邊緣對比效應(yīng)。當(dāng)觀察兩塊亮度不同的區(qū)域時，邊界處亮度對比加強，是輪廓表現(xiàn)得特別明顯。三、閃光臨界融合頻率物理上閃爍的光在主觀上引起的感覺介于閃爍與穩(wěn)定之間時的頻率叫做臨界閃光頻率，即剛剛產(chǎn)生閃光融合感覺的閃光頻率（criticalflickerfrequency）或臨界融合頻率(criticalfusionfrequency，簡寫為CFF)，反映的是人眼對光刺激時間分辨能力的指標(biāo)。當(dāng)其它條件相同時，CFF越高，說明眼睛對于時間上明暗變化的分析能力越強，時間的視敏度越好。Talbot-Plateaulaw：間斷的閃爍光，當(dāng)其閃爍頻率達(dá)到或超過融合頻率后，人眼對融合光的感覺，和對相應(yīng)的全周期均勻一致的光流所產(chǎn)生的感覺完全一致。融合后的亮度同融合前的閃光的亮度比較，其亮度或明度均要下降，而實際上達(dá)到CFF的閃光明度的強度卻與穩(wěn)定光的強度相同。盡管高頻率的間斷光和連續(xù)光都能引起穩(wěn)定光的感覺，但只有當(dāng)它們的光總量即光的呈現(xiàn)時間×光強完全相等時，二者的明度才能相匹配。因此，一個連續(xù)光如果要和它在明度上相匹配，其強度只需間斷的閃爍光的一半就可以了。在視覺心理的實驗研究中，刺激的時空特征是重要的研究內(nèi)容，經(jīng)常使用到刺激的久暫、也經(jīng)常通過操縱面積大小用刺激的時間和空間變量進(jìn)行研究。（一）刺激的時間特征★曝光時間的長短與光線強弱有關(guān)，掌握了這一原理就能夠拍出好照片，同時也不知不覺地運用了Bunsen-Roscoelaw。表示光的強度（I）和時間（T）的乘積決定它的效果，即I×T＝C。光刺激的時間特征主要受感光色素轉(zhuǎn)換過程的制約。視紫紅質(zhì)的分解時可逆轉(zhuǎn)的，大約經(jīng)過50～200毫秒，就開始恢復(fù)。所以，Bunsen-Roscoelaw只在這個有限的時間區(qū)域內(nèi)起作用，一般定在100毫秒以下。如，由于某種原因刺激強度減弱，只要增加刺激持續(xù)時間，閾限水平仍能維持。但刺激強度減弱到閾限水平以下，增加持續(xù)時間就無效了。這一定律不再起作用?？傊?，在感光色素恢復(fù)開始之前，I×T決定刺激效果，當(dāng)刺激時間超過臨界時間，強度就成了效果的唯一決定因素。（二）刺激的空間特征Ricco’slaw：網(wǎng)膜受刺激的面積（A）越大，閾限（C）所要求的強度（I）則越小。如，兩塊面積不同但亮度相同的物體，看起來小的不如大的量。但里科定律適用于受刺激的網(wǎng)膜范圍較小的情況?？臻g因素對視敏度有重要影響，視覺的刺激強度和接受刺激的網(wǎng)膜區(qū)域大小的不同，都會導(dǎo)致視覺（絕對）閾限的變化。換句話，如果是絕絕對閾限一定，則刺激強度和刺激的網(wǎng)膜面積二者之間就具有一定的關(guān)系。對于網(wǎng)膜較大的受刺激范圍和刺激強度的關(guān)系，應(yīng)使用派帕定律Piper’slaw是里科定律的修訂。如果刺激強度減小一半，接受刺激的網(wǎng)膜面積需增大四倍方能保持絕對閾限的原值。里科定律最適宜說明中央凹受刺激時的情況，派帕定律最適合于說明網(wǎng)膜外圍受刺激時的情況。派帕定律的公式表達(dá)：（三）影響CFF的因素1.CFF隨光相的強度的增高而增高。Ferry-Porterlaw：n=alogI+b，其中n代表CFF，a、b為參數(shù)，因人因時間而定。圖為S·Hecht和C·D·Verrijp用強弱不同的、直徑為2°視角的白光刺激測定中央凹cff的實驗結(jié)果。2.CFF隨閃光照射區(qū)域的面積的擴大而增大。Granit&Harper(1930)認(rèn)為CFF與面積（A）的關(guān)系也是對數(shù)關(guān)系：n=clogA+d，其中c、d為參數(shù)。格拉涅用4個小點同時閃亮，測出融合頻率，再測1點閃亮?xí)r的頻率，結(jié)果4點比1點的融合頻率要高。如果4點比較靠近并刺激網(wǎng)膜邊緣，這種差別更大。說明空間上的積累具有增強間歇刺激相對強度的作用。圖為S·Hecht和C·D·Verrijp的實驗結(jié)果，曲線上標(biāo)明的度數(shù)指的是注視光點時網(wǎng)膜受刺激的面積。視網(wǎng)膜受刺激的面積從0.3°增加到19°，在低強度和高強度所產(chǎn)生的效果是不同的。低強度時，6°和19°各有一段低平曲線，且6°比19°的cff低，而0.3和2則無這段曲線。高強度時，在刺激強度相同的條件下，網(wǎng)膜受刺激的面積越大，cff越高。從0.3°到6°受刺激面積從1增加到400，最高的cff從40Hz增到45Hz，受刺激面積增到19時，最高的cff達(dá)到58Hz。一般而言，錐體細(xì)胞的分析能力高于棒體細(xì)胞，故中央凹的cff比邊緣部分高。但在刺激面積較大的情況下，網(wǎng)膜邊緣會產(chǎn)生空間積累作用。影響CFF的因素（續(xù)一）3.在視網(wǎng)膜的不同部位，cff是不同的。圖為S·Hecht和C·D·Verrijp的（刺激面積較小情況下）實驗結(jié)果，兩條曲線明顯地分為兩段，低強度時曲線低平，說明隨logI的增加，cff較低而且變化不大；在中、高強度時，cff的變化和在中央凹受刺激時類似。因此這兩段曲線表明了在低強度時是棒體細(xì)胞起作用，在中、高強度時是錐體細(xì)胞起作用。同時，在中、高強度范圍內(nèi)，刺激強度相同時，刺激部位在中央凹以外要比在中央凹的cff要低，同樣說明了棒體細(xì)胞的分辨能力不如錐體細(xì)胞。影響CFF的因素（續(xù)二）4.光的色調(diào)對cff的影響。實驗表明，用各種單色光的閃爍分別刺激中央凹以外5°的地方，刺激面積為2°視角，其結(jié)果如圖所示。在強度相同時，cff由高到低的順序為黃、橙、綠、紅、藍(lán)。除紅光外，其他色調(diào)的閃光的cff，隨著光刺激強度的增加曲線都分為兩段，它們是棒體細(xì)胞和錐體細(xì)胞分別起作用的結(jié)果。紅光曲線沒有分成兩段與紅光沒有光色距有關(guān)。其他研究還表明，當(dāng)網(wǎng)膜照度水平是明視水平，照度在10個楚蘭德以上時，cff主要依賴亮度而不依賴波長；只有當(dāng)照度低于10個楚蘭德時，強度相等條件下，短波的cff比長波的要高。這和眼睛在暗視水平時對短波比長波更敏感是一致的，說明照度在10個楚蘭德以下時，cff曲線代表了棒體細(xì)胞的機能。影響CFF的因素（續(xù)三）5.研究表明，一些附加刺激的作用如聲音、嗅覺、味覺等刺激均可改變cff。此外，年齡超過55歲、疲勞、缺氧等因素會降低cff。Кравок（1935）對暗適應(yīng)過程中附加聲音刺激對白光的cff的影響研究發(fā)現(xiàn)，足夠響的樂音（2100Hz）使中央視覺的cff提高，使邊緣視覺的cff降低。（參見左圖）其他研究表明，各種單色光的cff在附加嗅覺、味覺及溫度刺激也有同樣的影響。M.N.Schaternikoff(1902)發(fā)現(xiàn)，暗適應(yīng)可提高暗視覺的cff，但卻降低明視覺的cff。Кравок（1938）對中央視覺的暗適應(yīng)對各種單色光的cff的影響進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)暗適應(yīng)40分鐘后，青和藍(lán)光的cff降低得最多，橙和紅光降低得少一些，綠光降得最多。如果以對暗適應(yīng)30分鐘后的cff比對暗適應(yīng)5分鐘時的cff降低的百分?jǐn)?shù)作為cff降低的指標(biāo)，各單色光對在暗適應(yīng)過程中cff降低的情況如上圖。第三節(jié)顏色視覺一、顏色現(xiàn)象（一）顏色的明度、色調(diào)和飽和度心理物理學(xué)概念亮度luminosity主波長Dominantwavelength純度purity明度brightness色調(diào)hue飽和度saturation心理學(xué)概念顏色類別心理物理量心理量非彩色亮度明度彩色主波長色調(diào)純度飽和度顏色的基本特性彩色系列非彩色系