深度知觉的测定
摘要 深度知觉是指对物体远近距离即深度的知觉。本实验用ABBA法分别作单眼、双眼深度知觉测试，并对数据进行了深度阈限视差角计算以及差异显著性检验，验证了双眼视差比单眼线索提供更多的判断深度的信息。本研究结果也可以被运用到现实生活的各个领域。
关键词：深度知觉 双眼视差 深度阈限 视差角 显著性差异
1 引言
深度知觉是指人对物体远近距离即深度的知觉。由视网膜上所感知的二维图像信息，人们将其加以组织成为三维的知觉，形成深度知觉。作为深度知觉的线索主要有两类：1）单眼线索：主要有遮挡、线条透视、空气透视、明暗和阴影、运动级差、结构级差等。2）双眼线索包括水晶体调节和双眼视轴的幅合两种。其中，双眼视差是深度知觉的主要线索。当人看远近不同的平面物体时，由于两眼相距约65mm，两眼视像便不完全落到对应部位，这时左眼看物体的左边多些，右眼看物体的右边多些，它都偏向鼻侧。这样，不在同一平面上的物体在两眼视网膜上的成像就有了差异，这一差异便称为双眼视差。双眼视差为判断对象的相对距离提供了重要的线索，由此可以得出，双眼观察比单眼观察有更多的深度线索可以参照，因此双眼的深度知觉准确性要优于单眼。这一点无论是以往资料和生活实际经验都能得到。
深度阈限就是双眼视差的最小的辨别阈限。该阈限的测定是对深度线索的敏感程度的综合评定。以往对于深度阈限的测定主要有以下两种方法：1）三针实验。该实验以两针为标准，被试在一定距离外，调节第三根针，使之与前两针在同一平面为止。实验由黑姆霍兹设计，证明像差阈限小于60角度秒。2）霍瓦-多尔曼深度实验。该实验用深度知觉测量仪来代替三针实验。本实验采用霍瓦-多尔曼深度实验的方法。
本实验的目的在于：
1）验证双眼视差比单眼线索在判断相对距离时有更显著的作用；
2）用调整法比较双眼和单眼(优势眼)在辨别深度中的差异；
3）学习使用深度知觉测试仪测量深度知觉阈限。
2 方法
2.1 被试
本实验采用被试为复旦大学心理系本科学生12名，视力或矫正视力正常，均无双眼斜视和弱视等疾病。
2.2 仪器
EP503深度知觉测试仪，华师科教仪器厂生产。
2.3 程序
2.4 误差控制
3 结果
3.1 计算各被试在双眼观察情况下，深度阈限的视差角。利用公式：
b=
D=
△ D=视察距离，即判断误差（平均数）
得到表格如下。
|
表1 双眼观察条件下的深度阈限视差角 |
||
|
被试 |
双眼平均深度阈限（厘米） |
视差角（弧秒） |
|
1 |
1.14 |
6.79 |
|
2 |
1.28 |
7.62 |
|
3 |
0.63 |
3.72 |
|
4 |
1.27 |
7.53 |
|
5 |
0.37 |
2.19 |
|
6 |
1.33 |
7.92 |
|
7 |
1.33 |
7.92 |
|
8 |
0.78 |
4.65 |
|
9 |
0.80 |
4.78 |
|
10 |
0.72 |
4.26 |
|
11 |
1.67 |
9.91 |
|
12 |
0.42 |
2.50 |
|
平均值 |
0.98 |
5.82 |
3.2 单眼观察和双眼观察的差异比较
单眼与双眼条件下，实验结果数据如下表。
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表2 单、双眼观察条件下的深度阈限表（厘米） |
||
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|
单眼观察 |
双眼观察 |
|
平均值 |
4.560 |
0.863 |
|
标准差 |
1.955 |
0.478 |
首先对数据进行方差齐次检验：F=16.76，Fα/2=4.07 < F，P<0.01两组数据方差差异显著。
进行t检验：
t'=6.623
t'(α)=4.221
t' > t'(α)
4 讨论
4.1 假设验证
双眼和单眼观察情况下深度知觉的准确性存在非常显著的差异，双眼观察的准确性远远高于单眼，实验假设得到验证。
4.2 双眼视差
双眼视差是当两眼注视于外界一点时，由于双眼观察角度不同而使两个视网膜象之间产生的差异。它是知觉立体物体和物体相对距离的重要线索。由于人的两眼相距大约65毫米，所以在观察一个立体对象的时候，两眼的视象便稍有差别，两眼视象就落在两眼网膜的非对应点上，是不重合的。两眼非相应部位的视觉刺激，以神经兴奋的形式传到大脑皮质，从而产生主体知觉。在用双眼观察远近不同物体时，也是由于双眼视差的原理，即远近不同物体的视象落在两眼网膜的非相应部位上，从而产生物体相对距离知觉。B.Julesz首创用计算机产生随机点立体图，他的实验结果表明：双眼视差是历史的主要信息，只要有双眼视差，就能产生深度感知。[1]正是由于双眼视差能够提供人们视觉观测中立体的信息，因此在深度知觉的判断中，双眼视差起着至关重要的作用。
另一方面，单眼观察所得到的线索有很大的局限性，例如根据对象的相对大小，相对清晰程度来判断对象距离。在本实验中，这些单眼线索能够提供的信息非常有限，因此在辨析远近的能力上，单眼条件观察的结果要比双眼观察差很多。在实际操作时，被试有时甚至分不清楚立柱的起始位置是究竟在靠远处还是靠近处，从而在调节其位置时，会向正确位置相反的方向调节，造成巨大的估计误差。
4.3 仪器缺陷
本实验中，所采用的深度知觉仪在设计上有一定的缺陷，会对实验结果造成一定程度的干扰。
在单眼观察时，实验需要尽可能地排除单眼线索以外的任何形式的提示距离或深度的线索。然而本实验用的深度知觉仪却会泄漏出额外的信息，而本次试验需要重复测量的次数较多，因此被试能够在熟悉实验过程的前提下很快发现这些额外信息，从而造成对实验结果的影响。
首先，在调节立柱位置时会仪器会发出声音，这样主试在调节起始位置时所发出声音的持续时间就给了被试宏观估计距离的可能。因此在操作上，主试应采用来回调节以及调节与停止相间隔的方式以避免对被试造成暗示。
此外，由于知觉仪本身长度有限，而当立柱碰到底端时，正前方的红灯会亮起以提示被试。然而，这一提示又可以成为被试估计距离的参照线索，他可以根据记忆中固定立柱与仪器底端的距离来大致调节，造成估计准确的假象。
因此作者建议对仪器作一些改进，去除调节立柱的声音以及立柱碰到底端的红灯提示。根据被试反映，在单眼观察时，有时即使按动按钮在调节立柱，然而观察上却不一定能感知到该立柱确实正在移动位置，往往不知不觉就碰到了仪器底端，于是就向反方向猜测性地移动一定距离。如果去除了上述两个干扰项，被试就无法从单眼线索以外的获取信息，造成对实验结果的影响。
最后一点是，本仪器需要主试从刻度尺上读取数据，而刻度尺的数据读取毕竟不够直观和精确，因而如果将仪器改成计算机读取距离误差并提供数字显示，以提高数据精度。
4.4 拓展探索
实验中有几位被试在单眼与双眼观察下的深度阈限差距不是很大，经过主试观察和被试自身报告，他们在单眼观察时会向两侧晃动头部。这个现象引起了作者的兴趣，根据现有关于单眼线索的理论，作者推论晃动头部会为被试增加一定的运动级差的单眼线索，从而提高了单眼观察的准确性。为了研究这一增加的线索能够多大程度上提高准确性，作者认为对本实验稍加改动，将自变量改变为双眼观察、单眼静止观察、单眼运动观察三类，测量这三种不同条件下的深度估计误差，加深对单眼线索和双眼线索的理解。这一新的实验假设运动级差能够为在深度知觉的单眼线索中能够提供许多信息，不过并不如双眼视差所提供的信息量多。由此得到的推论是，单眼运动观察所得到的深度阈限应小于单眼静止观察、大于双眼观察，它与另外两个条件下的结果差异应该达到显著水平。
4.5 实际应用
深度知觉研究在现实生活中有着广泛的应用。体育运动中，尤其是球类运动，要求运动员对赛场上各类情况予以高度关注，深度知觉是必不可少的。足球竞赛经常是在快速跑动中传接球，如果没有良好的深度知觉，直接影响运动员定点、定位传接球的准确性。[2]此外，深度知觉在安全驾驶领域也有着重要的实际意义。研究表明，深度知觉能力与司机安全行车状况有显著的正相关。[3]深度知觉也会导致儿童学习障碍[4]，这方面的研究对儿童教育与发展也起到了重要的影响。
5 结论
人双眼和单眼在辨别深度中存在显著差异，双眼视差是提供人脑立体信息的重要途径。
参考文献
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郭秀艳，杨治良（2004）.实验心理学.北京：人民教育出版社.
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[1] Julesz B. (1960). Binocular depth perception of computergenerated patterns. The
[2] 金元甲，柳松赞，李晓阳（2002）. 延边青少年足球运动员速度知觉和深度知觉测试分析.延边大学学报, 28, 304-308.
[3] 张建东，黄义，刘志宏，侯其训（1995）. 汽车司机是深度知觉研究. 中国心理卫生杂志, 9, 132-133.
[4] 郭靖，陶德清，黎龙辉（2001）. 学习障碍儿童深度知觉能力的研究. 心理科学, 24, 751-752.
附录
（原始数据从略）
由速度知觉测定验证知觉生态理论
摘要 本实验采用遮挡范式测定速度知觉的差别阈限，以探讨视觉信息对时间估计的影响。实验采用遮挡距离和移动速度为自变量，测量不同条件下被试对碰撞时间估计的差别阈限。实验结果表明速度对碰撞时间估计有显著的影响，速度越快时间估计准确性越高，而遮挡距离对时间估计的影响不大。该结果验证了知觉的生态学理论，并在预防交通事故等实际应用领域有一定的参考价值。
关键词：碰撞时间 差别阈限 光线分布 遮挡范式
1 引言
速度知觉反映了每个人对速度感觉的差异。速度知觉也是各项劳动实践中和各项体育运动中不可缺少的技术指标。驾驶员超车要估计前面车子的速度，要估计对面来车的速度，要估计前面横越车子、行人的速度，足球运动员在赛场上要对足球滚动的速度，与其他运动员跑动速度作出敏捷正确的判断，所以速度知觉是工作操作时间和各项体育运动中不可缺少的技术指标。
仅以司机为例，避免碰到路上的行人、车辆及其它障碍物，为了防止这样的问题出现，司机要尽可能调整好或协调好开车和刹车两个动作。要做好这些只得依赖于对即将发生碰撞的时间作出精确的估计，通常称碰撞前持续的时间为碰撞时间（Time-to collision,简称TC），这个时间对于司机控制好刹车或驾驶行为至关重要。
一般情况下，司机判断碰撞时间有一定难度，因为他们无法得到障碍物的连续视觉信息。司机在开车时必须的将视觉注意分配于环境的其他方面，转弯时障碍物还会暂时的被隔绝于司机的视野之外。因此司机的时间估计线索只能是障碍物遮住之前的视觉信息。
有关这些视觉信息，目前有两种解释方法。
计算或认知的方法(computational or cognitive approach)认为，移动物体的运动速度(v)和障碍物与观察者的相对距离(s)构成这些视觉信息，当观察者感知到这些信息后，运用公式TC=v/s，就计算出碰撞时间。
另一种是目前偏向的知觉的生态学理论(ecological approach) (Gibson)。其TC估计的视觉信息是指可直接由移动物体的光线变化范围获得。Ｇibson认为自然环境中不同大小和位置的物体受到各种方向的光线照射，同时这些物体又 不同地反射出光线，因此人在任何一个位置上观察周围空间时，都有其特定的光线分布，在周围空间的每一个点上的光线分布都含有一定的差别，光线分布的结构和 表面质地的密度和物体的视网膜都是按视角规律而变化的，因此人可以直接知觉距离，即知觉系统从流动的系列中抽取不变性。许多实验研究都已经证明了这点。
鉴于此，本实验想进一步探究视觉信息对时间估计的影响，以确定究竟哪一种方法更科学，采用的范式为遮挡范式。本实验采用双自变量，即以速度v和遮挡距离s作为自变量，以被试估计TC和实际值之间的绝对误差AE为因变量，研究TC估计中，TC, s, v的相对重要性。
如果TC直接由光线分布决定，那么速度的提高会导致估计的准确性提高，而距离则没有影响（假设a）；如果TC是由认知计算得来的，那么距离的减短会导致估计的准确性提高，而速度的作用则不显著（假设b）。
本实验的目的在于：
1)测定人的速度知觉阈限；
2)观察速度和遮挡距离对知觉阈限的影响；
3)验证知觉生态学理论的预测性；
4)学习用调整法测定差别阈。
2 方法
2.1 被试
本实验被试为复旦大学06级心理系学生10人，视力或矫正视力正常。
2.2 仪器
EP509速度知觉仪，华师科教仪器厂生产。
2.3 程序
被视作在仪器正前方，眼睛平视右面的光点，注意前面光点的变化，主试按下仪器操作面板左下方的按键，使其工作在演示状态。主试按下启动键后，灯光自右向左运动，同时告诉被试：要仔细观察光点移动速度，当光点进入挡板，则灯光会立即被挡住，其移动速度仍按原速度移动到外面标志的终点位置，灯光才停止。主试可以分别将快、慢、远、近四组一一呈现给被试，让被试加深理解。
正式实验，主试按演示开关使其弹出呈实验状态，让被试端坐速度知觉仪前，距离1.2米，被视双眼和光点保持在同一水平上，右手拿反应建。主试按下复位按钮时，告诉被试准备。越1-2秒后，主试按下启动按钮，灯光自右向左移动，当灯光进入挡板，则灯光立刻被挡住了，被视应假设灯光以原速度仍在挡板后面移动，进而设想，当灯光正好到终点位置，用右手按下反应键。
本实验的自变量为速度和距离，分别有两种水平：快速和慢速；近距离和远距离，用ABBA法，近距离时，先测快速运动条件下速度估计10次，再测慢速运动条件下速度估计20次，最后再测快速运动条件下速度估计10次，共40次。改变挡板宽度，调节至远距离，用同样方法测试。总共80次。
记录每次实验结果，实验过程中，主试不将结果告诉被试。换被试，重复以上实验。
3 结果
3.1 整理和计算不同条件下的速度知觉差别阈限
本实验中，因变量为不同条件下的速度知觉差别阈限。差别阈限(AE)是指被试的估计时间和实际TC的绝对误差的平均值。计算公式为AE=∑|x-s|/N
整理结果如下表。
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表1 在不同速度和距离下的差别阈限表(秒) |
||||
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|
近、快 |
近、慢 |
远、快 |
远、慢 |
|
平均值 |
0.078 |
0.111 |
0.073 |
0.127 |
|
标准差 |
0.071 |
0.072 |
0.097 |
0.161 |
3.2 速度因素对差别阈限的影响
不同速度条件下，速度知觉差别阈限有显著性差异。仅以速度作为自变量，整理结果如下表。
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表2 在慢、快速条件下的差别阈限表(秒) |
||
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|
慢速 |
快速 |
|
平均值 |
0.288 |
0.208 |
|
标准差 |
0.111 |
0.078 |
首先做方差齐性检验F=2.00，Fα/2 = 4.03，F1-α/2 = 0.25。F1-α/2 < F < Fα/2 ，P>0.05，因此两组数据的方差差异不显著。
对数据作t检验，得t=1.787。在0.05水平上单侧检验，当df=18时，t0.05=1.734<t，P<0.05，两组数据存在显著差异。因此速度的提高会导致速度知觉差别阈限的减小。
3.3 遮挡距离因素对差别阈限的影响
挡板的遮挡距离不同，对速度知觉的差别阈限的作用不显著。
仅以遮挡距离作为自变量，整理结果如下表。
|
表3 在远、近距离条件下的差别阈限表(秒) |
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|
远距离 |
近距离 |
|
平均值 |
0.279 |
0.217 |
|
标准差 |
0.127 |
0.073 |
从表中看，近距离条件下的差别阈限平均值和标准差都比远距离条件下小，需对数据作进一步假设检验。
首先做方差齐性检验F=3.07，Fα/2 = 4.03，F1-α/2 = 0.25。F1-α/2 < F < Fα/2 ，P>0.05，因此两组数据的方差差异不显著。
对数据作t检验，得t=1.278。在0.05水平上单侧检验，当df=18时，t0.05=1.734>t，P>0.05，两组数据的差异不显著。因此尽管近距离条件下速度知觉的差别阈限要比远距离条件下小，但是两个条件下的差异不显著，挡板的遮挡距离对速度知觉差别阈限没有太大影响。
4 讨论
4.1 假设验证
通过对数据得分析可以发现，在快慢两种情况下速度知觉的差别阈限相差较大，有显著性差异，而遮挡距离的远近对此差别阈限的作用不大。即速度的提高会导致估计的准确性提高，而距离的改变对估计的准确性没有太大影响。认知计算理论认为，时间估计是由知觉到的速度和距离计算得出的，那么距离的缩短应该对准确性的提高有显著的影响，然而试验结果却否定了这一点。而速度对差别阈限的显著影响则表明，光线变化率在时间估计中起了关键的作用。由此作者推论，人对速度的知觉是由光线分布决定的，即接受了假设a，而拒绝了假设b。
本实验证实了在TC估计中速度的重要性，从而验证了认知的生态学理论。实验结果表明，光线的变化率是时间估计的重要因素，光线变化率越大，时间估计的准确性越高。可以认为，本实验很好地验证了前人的理论。
4.2 实际意义
尽管试验结果表明，知觉对象的运动速度越快，对碰撞时间估计越准确，然而在实际应用中，尤其是对于司机驾驶策略的应用上，作者并不建议司机不加以约制地提高驾驶速度。由于驾驶速度过快，在同等反应时的条件下高速行驶的车辆会拥有更大惯性，从而提高发生事故的概率。此外，一旦发生事故，高速行驶的车辆也具有更大的杀伤性。作者认为，实践中汽车事故与司机的速度知觉准确性关系并不大，因为交通事故的避免并不仅仅要求司机做出正确的碰撞时间估计。
然而，在实际应用的其他方面，尤其是高速碰撞并不会引起破坏性后果的方面，例如球类运动中的传球，依照本实验所验证的理论，可以尽可能地提高观察者与观察对象的相对速度，以获得更高的时间估计准确性。
5 结论
本实验表明在TC的估计中，速度对估计准确性具有显著的影响，而遮挡距离对结果的影响不大。该结果验证了知觉的生态学理论，即认为光线分布决定了TC的估计。
参考文献
Gibson, J. J. (1986). The Ecological Approach to Visual Perception.
Gray, R., & Regan, D (1998). Accuracy of estimating time to collision using binocular and monocular information, Vision Research, 38, 499-512
Gray, R., & Regan, D (1999). Adapting to expansion increases perceived time-to-collision. Vision Research, 39, 3602-3607.
杨治良、王新法（2004）.心理实验指导手册.上海：华东师范大学心理系.
郭秀艳、贡晔、薛庆国、袁晓芸（2000）.遮挡范式下对碰撞时间的估计.心理科学, 1, 34-37.
郭秀艳、杨治良（2004）.实验心理学.北京：人民教育出版社.
附录
（原始数据从略）
