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1、第三章第三章 感知觉与模式识别感知觉与模式识别o感知觉感知觉历来是心理学的一个重要研究领域。o知觉:感觉信息的组织和解释也即获得感觉信息的意义的过程。o当前认知心理学关于知觉的研究主要集中在模式识别模式识别的问题上，实验研究主要集中在视觉方面。第一节 感觉信息加工o一、感觉信息加工概述o（一）什么是感觉？o人脑对客观事物的各个属性、某种具体特征的直接反映。o它是某一分析器活动的结果，受人的解剖生理特点的制约。o受客观事物各种物理特性与属性的影响。o（二)感觉信息加工的原理 来自体内外的刺激作用于感受器，引起感受器产生神经冲动，经传入神经传导到相应的神经中枢（大脑皮层相应的感觉区），并激活中枢神
2、经元，信息在这里进行分析、综合，于是便产生了相应的感觉。o其特点是：时间短、容量大、无意识。o信息加工方式：“自下而上”的加工二、感觉的作用o首先，感觉是人们认识世界的开端。o通过感觉，人们既能认识外界事物的颜色、响度、气味、软硬等属性，也能认识自己机体内部的状态。o其次，感觉还给人们带来愉快、痛苦等情绪体验。o感觉是人的情绪情感等高级心理过程的重要先导和基础。o再次，感觉是维持正常心理活动的重要保障。o实验表明，在动物个体发育的早期进行感觉剥夺，会使动物的感觉功能产生严重缺陷；人类也无法长时间忍受全部或部分感觉剥夺。感觉剥夺会使人的思维过程混乱，出现幻觉，注意力不能集中，甚至还会有严重的心理
3、障碍。三、感觉的特点 o1.感觉反映的是当前直接接触到的客观事物，而不是过去的或间接的事物。o2.感觉反应的是客观事物的个别属性。o3.感觉是客观内容和主观形式的统一。o从感觉的对象和内容来看，它是客观的，即反映着不依赖于人的意识而独立存在的客观事物。从感觉的形式和表现来看，它又是主观的。四、感受性及其发展o对刺激物的感觉能力叫感受性。感受性的大小是用感觉阈限来度量的。o（1）社会生活条件和实践活动是感受性发展的基本条件。o（2）有计划的练习可以提高感受性。o有研究者曾对不懂音乐的人的听觉进行训练，以提高他们对音高的分辨能力。o（3）感觉器官的机能补偿作用。o当感觉器官有缺陷或受损伤，其他没有
4、缺陷或没被损伤的感觉器官在生活实践中经过特殊训练，其感受性明显高于一般人，从而对有缺陷或受损伤的器官起补偿作用。第二节 知觉信息加工知觉（perception）概念是整个心理学领域最重要、最核心的概念之一（查普林）。知觉：感觉信息的组织与解释，即获得感觉信息意义的过程知觉：感觉信息的组织与解释，即获得感觉信息意义的过程.o知觉是把感觉提供的信息综合起来加以解释，形成对直接作用于感官的事物整体的反映。o当信息进入人的认知系统时，它便被登记在感觉记忆中，这些感觉记忆包含对视觉信息的映像记忆和对于听觉信息的声像记忆等。o人的知觉是十分复杂的，它不仅依靠外部环境的信息，而且也依靠知觉者自身原有的信息。
5、（一）建构感知与直接感知一）建构感知与直接感知 建构感知观，或结构主义知觉理论：知觉是一个积极构建的过程。知觉并不是由刺激输入直接引起的，而是所呈现刺激与内部假设、期望、知识以及动机和情绪因素交互作用的产物。知觉有时可受到不正确的假设和期望影响，因而也会发生错误。一、一、关于知觉过程的一些对立性观点The Muller-lyer illusionThe Ames room illusiono直接感知观，以Gibson为代表，认为环境可提供的信息足以产生知觉，知觉并不需要内部过程和表征的参与。o刺激眼睛的光线模式是一个结构性的光学分布；o这种分布能提供空间中目标分布特征的明确或恒定信息；对两种知
6、觉观的评论o建构知觉观建构知觉观强调人主观能动性大多数实验和演示都用了人工或非自然刺激o直接知觉观直接知觉观强调环境信息大多数实验采用自然刺激（二）自下而上与自上而下加工（二）自下而上与自上而下加工o自下而上（自下而上（bottom-upbottom-up）加工）加工:指由外部刺激开始的加工，通常是说先对较小的知觉单元进行分析，然后再转向较大的知觉单元，经过一系列连续阶段的加工而达到对感觉刺激的解释。o自上而下（自上而下（top-downtop-down）加工）加工:由有关知觉对象的一般知识开始的加工，由此可以形成期望或对知觉对象形成假设，这种期望或假设制约着加工的所有阶段或水平，从调整感受器
7、官到引导对细节的注意。Tulving,Mandler&Baumal的实验o 自变量自变量n上下文情况：无上下文、4字上下文、8字上下文（考察自上而下加工）n靶子词呈现的时间：0140ms，以20ms变化（考察自下而上加工）o 因变量：因变量：n靶子词识别率o 结果：结果：n随呈现时间增加，靶子词识别率上升。n有上下文的始终优于无上下文的，但两者差距随呈现时间延长而缩小（三）整体加工与局部加工o整体加工：对于一个刺激客体，先知觉其整体，然后再知觉各部分的加工方式。o局部加工：对于一个刺激客体，先知觉其各部分，进而再知觉整体的加工方式。整体加工与局部加工的实验a（Navon，1977）视觉材料80
8、ms 40ms听觉材料300ms 自变量：总体的一致性关系与局部的一致性关系 因变量：反应时间（听到的是哪一个字母，做按键作反应）实验结果：总体的一致性关系有主效应总体的一致性关系有主效应：一致无关冲突 局部的一致性关系无主效应局部的一致性关系无主效应：一致无关冲突整体加工与局部加工的实验b（Navon，1977）o自变量：两个n不同指导语（注意整体、注意局部）n大字母与小字母的一致性关系（冲突、无关、一致）o实验程序：预警信号视觉刺激（40ms）掩蔽反应o实验结果实验结果：n大字母识别快于小字母n在注意整体的指导语下，小字母是否与大字母冲突并不影响反应时，冲突无关一致n在注意局部的指导语下，
9、大字母是否与小字母冲突则会影响到反应时，两者冲突时，对小字母的反应时最慢。实验结果o总体特征的知觉快于局部特征的知觉。o当有意识注意总体特征时，知觉加工不受局部特征的影响。o当注意局部特征时，首先要先知觉总体特征。o总体特征优于局部特征被知觉，总体加工是处于局部分析之前的一个必要的知觉阶段，这种知觉加工的顺序，称为总体特征优先。知觉四种加工方式之间的关系知觉四种加工方式之间的关系o1、一般都承认，在良好的知觉条件下，知觉主要是自下而上的加工，而随着条件恶化，自上而下加工的参与也将逐渐增多。2、知觉加工过程中存在总体特征优先现象。即在知觉加工的过程中，总体加工快于局部特征加工。o当小字母达到8度
10、视角时，它比总体特征（大字母）更易识别。由此可以得出结论：有着最佳大小的对象首先被加工。第三节 模式与模式识别o1 什么是模式（pattern）？由若干元素或成分按一定关系形成的某种刺激结构（也叫刺激的组合）。现实生活中，作用于我们感官的刺激，不是个别的光点、纯音色调等，而是由各种刺激元素集合在一起组成的一种结构。2 什么是模式识别（pattern recognition）？人们运用记忆中已经储存的信息，对当前出现的刺激模式作出有效解释的过程。模式传递着外部世界的信息，当一个模式作用于我们的感官时，便在人脑中产生一系列复杂的活动。人们能够觉察到模式的存在，把一个模式与另一个模式进行分辨，并进而
11、确认它是什么。模式识别就是对模式的觉察、分辨和确认的过程。o3 模式识别的种类o按感觉通道的性质划分：视觉、听觉、嗅觉等。o按模式本身的特点划分：物体及图像的识别、表情识别和语言识别等。4 模式识别的意义 模式识别是动物和人的基本能力之一，在动物和人类的生活中具有重要作用。模式识别是人的一种基本的认知能力或智能，在人的各种活动中都有重要的作用。5 知觉和模式识别的关系o人们对一个熟悉的事物的重新知觉，称为识别（或再认）recognition。在认知心理学中这两个概念常常通用。从研究范围看，二者仍有区别：知觉心理学的研究范围很广（空间知觉、时间知觉、运动知觉），而模式识别主要是研究对各种刺激模式
12、的知觉，尤其是视觉刺激模式的知觉。6 模式识别的阶段或过程（1）感觉登记（2）知觉分析与综合 认知是由许多分析器或模块构成的，感觉分析器位于大脑皮层的感觉接受区。知觉分析器是比感觉分析器高一级的分析器。位于大脑皮层的联合区，周围环绕着各种感觉分析器，它接受来自感觉分析器的输入。视觉方面有人脸分析器、面部表情分析器、生物分析器、符号分析器、四肢姿势分析器等。听觉方面有声音分析器、音质分析器、言语分析器、音乐旋律分析器等。知觉分析与综合是在不同层次和水平上进行的。（3）语意分析与综合 包括对物体的命名、理解个别单词的意义、将物体分类等。（4）决策与核证 人的模式识别是一个主动、积极的加工过程。在需
13、要的推动下，产生模式识别的愿望，并按照愿望调节自己的行动，产生知觉期待和预测，将输入的信息与识别结果不断进行核对、校正识别结果。决策和核证是由大脑的额叶部位实现的。7 人类模式识别的特点o复杂性o适应性o可学习性o语言的作用第四节 模式识别的早期理论o模式识别可看作一个典型的知觉过程，它依赖于人已有的知识和经验。o认知心理学提出了模板说(模板匹配模型)、原型说(原型匹配模型)和特征说(特征分新模型)等理论进行说明。模板说o模板说模板说的核心思想是认为在人的长时记忆中，贮存着许多各式各样的在过去生活中形成的外部模式的袖珍复本。这些袖珍复本即称作模版，它们与外部的模式有一对一的对应关系。o当一个刺
14、激作用于人的感官时，刺激信息得到编码并与已贮存的各种模板进行比较，然后作出决定，看哪一个模板与刺激有最佳的匹配，就把这个刺激确认为与那个模板相同。这样，模式就得到识别了。模板说是一个简单的模型。它的基本思想就是刺激与模板匹配，而且这种匹配要求两者有最大程度的重叠。这种形式的匹配被称为模板式匹配。不同形状的椅子o 模板匹配说的基本观点 光反射物体并通过晶体而进入眼睛，当人注视该物体时，水晶体聚焦而使物体的倒像清楚地显示在眼球背后地视网膜上。视网膜由对光敏感的细胞覆盖。通过一系列的神经转换，从视网膜上接受到的信息经神经而到大脑，从而得到登记和传送。模型匹配说不能解释的现象o模板说面临着两大困难：1
15、、人的大脑中到底贮存有多少模板，这些模板的检索方式与速度如何？2、大脑中的模板与客观事物很难呈一一对应的关系，那么，对于一个客观事物来说，无法确定模板的数量及其变式。原型说o原型说原型说：o认为在记忆中贮存的不是与外部模式有一对一关系的模板，而是原型(Prototype)。原型不是某一个特定模式的内部复本。它被看作一类客体的内部表征，即一个类别或范畴的所有个体的概括表征。o这种原型反映一类客体具有的基本特征。因此，在模式识别的过程中，外部刺激只需与原型进行比较并达到近似的匹配即可。当刺激与某一原形有着最近似的匹配，即可得到识别。原原型型是是指指一一类类事事物物共共有有的的形形式式，它它表表现现
16、出出这这一一类类事事物物所所共共有有的的关关键键特特征征，却却并并不不表表示示任任何何特特殊殊的的物物体体。于于是是，模模式式识识别别就就是是去去确确定定一一物物体体是是否否是是与与原原型型中中基基本本形形式式匹匹配配。原型匹配模型原型匹配模型o优点：该模型比模板匹配说更加灵活、更富有弹性，并可以容纳模板匹配说。o缺点：该模型只含有自下而上的加工，而没有自上而下的加工。特征分析说o该假说认为刺激是一些基本特征的结合物。例如：A、G、B等字母。特征包括：水平线、垂直线，大约45度角的线、曲线等。o字母“A”的模式由这些线条加上它们结合在一起的形式所组成。o模式识别时，个体把知觉对象的基本特征与储
17、存在记忆中的特征相匹配以作出肯定或否定的决定。特征说认为外部刺激在人的长时记忆中，是以各种特征来表征的。在模式识别过程中，首先要对刺激的特征进行分折，也即抽取刺激的有关特征，然后将这些抽取的特征加以合并，再与长时记亿中的各种刺激的特征进行比较，一旦获得最佳的匹配，外部刺激就被识别了。模式可以分解为诸特征，特征和特征分析在模式识别中起着关键作用。特征与模板、原型都不相同。谢夫里奇（Selfridge，1959)提出的“鬼城”(Pandemonium)。这个模型以特征分析为基础，将模式识别过程分为4个层次，每个层次都有一些“鬼”来执行某个特定的任务，这些层次顺序地进行工作，最后达到对模式的识别。“
18、鬼城”模型的结构见图。从图中可以看出，第一个层次是由“映象鬼”对外部刺激进行编码，形成刺激的映象。第二个层次的“特征鬼”对刺激的映象进行分析，即将它分解为各种特征。在分析过程中，每个特征鬼的功能是专一的，只寻找它负责的那一种特征，如字母的垂直线、水平线、直角等，并且需要就刺激是否具有相应的特征及其数量作出明确的报告。第三个层次的“认知鬼”始终监视各种特征鬼的反应，每个认知鬼各负责一个模式(字母)，它们都从特征鬼的反应中寻找各自负 责的那个模式的有关特征，当发现了有关的特征时，它们就会喊叫，发现的特征愈多，喊叫声也愈大。“决策鬼”(第四个层次)根据这些认知鬼的喊叫，选择喊叫声最大的那个认知鬼所负
19、责的模式，作为所要识别的模式。例如，在识别字母时，首先由映象鬼分别报告所具有的一条垂直线，两条水平线，一条斜线，一条不连续的曲线和3个直角。这时一直注视特征鬼工作的许多认知鬼开始寻找与自己有关的特征，其中 P、D和R三个鬼都会喊叫，然而只有R鬼的叫喊声最大，因为R鬼的全部特征与前面所有特征鬼的反应完全符合，而P鬼和D鬼则有与之不相符合的特征，所以决策鬼就判定R为所要识别的模式。通过特征分析识别一个字母R 字母识别实验：当目标字母与矩阵中字母很相似时，从矩阵中识别目标字母所需要的时间会增长，反之则减短。这说明，在模式识别过程中，相似性特征加工具有心理真实性，即特征说具有心理真实性。特征说存在的证
20、据（行为实验）通过速示器每个字母分别在12、14、16、18和20ms的呈现时长呈现50次，每个字母总呈现的次数为250。该实验有两个结果：1、字母呈现的时间越长，被试正确辨认的次数就越多。2、两个字母特征越相似，被混淆的次数就越多。例如高相似字母O和C,被混淆次数为42次，C和D为44次。低相似字母如C与W,相互混淆的次数为0次。特征说的证据（神经生理学的证据）稳定映像的研究：o眼球有轻微的震动，称为生理震颤，它以3070周/秒频率出现。o眼睛看物体时也似乎瞟来瞟去的。o物体在视网膜上的映像并不是恒定的，它的位置总是在变化着。o如果用技术手段把映像固定在视网膜的确切相同的位置时，对物体的知觉
21、就消失了。o这似乎意味着，如果固定地使用网膜某处和固定地使用某些神经通路，则它们易出现疲劳而停止作出反应。这种结果从另一个角度证明，如果个体是严格按原型去知觉物体，则会因为映像的不断变化而使知觉难以正确进行，只是因为个体是采用特征分析才能克服映像变化的影响作用而仍然能够对模式进行正确定匹配。特征分析说的证据（神经生理学）q利用微电极技术，研究单个脑细胞的活动情况发现，脑对于输入的刺激的特征进行着广泛的分析。这些分析是通过许多不同类型的脑细胞去完成的，每一种细胞对特定的刺激特点发生反应。q林德赛和诺曼（lindsay&Norman，1977）：q简单细胞:是指，脑中那些对投射到眼睛视网膜上各种简
22、单的光线模式最为敏感地作出反应的细胞。来自神经生理学的支持o边界觉察器：对照射到眼视网膜一特定区域的光线的边界作出最好的反应。o这个神经细胞的感受域是指视网膜上的一个区域，这个细胞对这一区域敏感，反应是最好的。o图中显示有一个强光区域，他恰好是边界觉察器的感受域。o当有光亮时这个细胞反应最好。来自神经生理学的支持o裂缝觉察器：o对于由两块黑暗的区域包围着的明亮线条刺激反应最好。来自神经生理学的支持o线条觉察器：o与裂缝觉察器互补，它对由环绕着一条黑线的两块明亮区域刺激的反应最好。来自神经生理学的支持o复杂细胞：q复杂细胞的功能与简单细胞相同，但是它们不像简单细胞那样受视网膜上的位置的严重影响。
23、也就是说，如果一个复杂线条觉察器细胞要最好地作出反应，则只需要线条的方位和亮度合适，而线条在视网膜上的位置则并不重要。来自神经生理学的支持o超复杂细胞：q对简单细胞和复杂细胞不作出反应的那些刺激特征作出反应。特征分析经典实验o奈瑟（Neisser,1964）的视觉扫描实验ODUGQRQCDUGOCQOGRDQUGCDRURDGQODUZ ZGROUCGRODDQRCGUODUGQRQCDUGOCQOGRDQUGCDRURDGQOIVMXEWEWVMIXEXWMVIIXEMWVVXWEMIMXZ ZEWIVIMEXWIVMXEWEWVMIXEXWMVIIXEMWVVXWEMIMXVEWIa aB
24、 B特征分析说的评论特征分析说的评论 优点：避开预加工、减轻记忆负担、带有学习色彩。缺点：缺乏自上而下的加工过程。知识经验对知觉的作用知觉过程中的结构优势效应 知觉的机制为模式识别，不同的模式识别的理论或模型均注意到了知觉过程中的结构优势应。结构优势效应表明，在知觉过程，整体的结构在模式识别中可起到有利作用，位于整体结构中的对象的知觉速度快于结构不严密的组织中知觉对象的知觉速度。这种结构优势效应主要表现为字词优势效应、客体优势效应以及构型优势效应等。字词优势效应 字词优势效应实验表明：当字母位于一个有意义的单词环境中时，它有可能被快速知觉。而当字母位于背景杂乱无章的环境中时，知觉该字母所需的信
25、息加工时间明显加长。客体优势效应 在字词优势研究的推动，人们又把研究兴趣转向其它方面，结果发现，结构优势效应在许多方面都普遍存在。其中比较突出的是Weisstein和Harris线段和图形知觉研究（1974）。在一个结构严谨的三维图形中的线段识别起来要优于组织较差的图形的同一线段。这种现象类似于字词优势效应，他们将之称为客体优势效应。图形知觉的格式塔原则o接近性原则：靠近在一起的成分倾向于组成知觉单位。o相似性原则o良好性原则o闭合性原则o对称性原则第五节 模式识别的近期理论一、视觉计算理论1982年马尔（Marr）的视觉出版。视觉就是对外部世界的图像构成有效的符号描述。视觉从图像开始，经过一
26、系列的处理和转换，最后达到对外部世界的认识。表征和处理是该理论的两个核心概念。o视觉图像的形成分为三个阶段：o1、图像表征为具有二维特性的要素图（2-D sketch）。构成二维特性的要素图的基本单元为斑点、边缘、端点等。o2、图像表征为2.5维要素图。它是以观察者为中心的坐标框架建构起来的。2.5维要素图依赖于单一的观察点，它的作用在于揭示图像的表面特征。o3、3维模型表征。它的坐标系统是以物体为中心。3维模型表征包括容积、大小和形状。o人的视觉和计算机扫描是一致的，第一阶段为计算阶段，形成要素图。视觉系统根据广泛搜集到的特征，如斑点、边界和线条，组成一个对场景的描述。第二阶段通过符号处理，
27、将线条、斑点以不同方式组织起来，对要素图进行分析。第三阶段产生对一个物体的确认。o人脑中的知识经验在视觉处理的早期不起作用，只有在形状分析之后才会发挥作用。o加工方式：自下而上。o二、注意的特征整合理论o代表人物：特雷斯曼（1986）等。视觉加工分为两个阶段：第一阶段是特征登记，视觉系统从光刺激模式中提取特征。特征提取是一种平行的、自动加工过程。该阶段只能检测少数独立的特征，如颜色、大小、倾斜度等。这些特征处于自由漂浮状态，知觉系统对各维量的特征进行独立编码，不能检测特征之间的关系。该阶段处于前注意状态，第二阶段是特征整合阶段。知觉系统把独立的特征联系起来，形成位置地图。注意依次处理每个位置的
28、刺激。集中性注意就像胶水一样，把原始的、彼此分开的特征整合为一个完整的图像。该阶段是非自动化的序列处理。由于注意的分散和超载，单一物体的特征可能被分解，并再次成为自由漂浮状态，在一定条件下，可能产生错觉。o三、成分识别理论o成分识别理论（recognition by components theory，简称RBC理论）由比德曼于90年代初期提出。o一个物体的二维视觉图像是由一些简单的成分组成的。这些简单成分称为几何离子。几何离子是由一些边界联合组成的，如椎体、圆柱等。几何离子一旦得到分析，它们就和长时记忆中的表征进行匹配，匹配过程是极快的自动化过程，即使在不利条件下，也能产生正确的识别。o四、相互作用激活模型o代表人物：麦克利兰。语境作用下的字词知觉。o知觉和模式识别的过程本质上是一种自上而下和自下而上的加工相互作用过程，这种相互作用类似于神经元的兴奋激活和抑制激活。小结：认知心理学对“知觉”的解释作业1：模板说与原型说有何不同？作业2：在教学中怎样发挥知觉的优势效应？