2013.12.10 知覺心理學 (十) Perceiving Depth and Size

Outline

• Perceiving Depth
• Oculomotor and Monocular cues
• Binocular depth information
• The Physiology of Binocular Depth Perception
• Perceiving Size
• Visual illusions

Perceiving Depth：神經學研究有限，動物實驗無法取得動物陳述其知覺。

• Depth Perception：
• 屬於三維空間的知覺，用以判斷物件之遠近。
• 投影於retina上的影像為二維圖片，視覺系統如何將此二維系統轉變為三維的空間，並且判斷遠近？
• Cue approach to depth perception：
• Cue Approach：如何將二維圖片以三維空間概念解讀，可能的策略維仰賴視覺訊息中的「提示」。透過圖片中某些特質協助判斷遠近，佐以過往對於空間的知識、經驗，從而推測之。
• 遮蔽(Occlusion)：遮蔽是一個常用且有效的策略，應用範圍廣泛，可用以判斷二物件之間的前後關係。然而，儘管其適用範圍廣泛，但限制為遮蔽只能讓觀察者知道相對前後，卻無法判斷相聚距離。
• 成長的過程中，透過看到的影像與動作建立空間概念，從而累積與空間相關的知識與經驗。
• 此學習為自動化過程，需透過反覆暴露之方式習得，換言之如果剝奪其學習機會，則可見其缺乏相對應的反應乃至相關神經元的作用。
• 共有三種線索：
•  眼動線索(oculomotor)：指眼球方面的動作，又可分為眼球轉動與晶體調節二種。
• 眼球轉動(convergence)：指眼球內轉收斂，當目標物靠近時使雙眼朝內側旋轉(internal rotation)；相對之下目標物在遠方時，則眼球朝向外側旋轉(external rotation)。
• 晶體調節(accommodation)：此指睫狀肌與晶體厚薄的調節。
• 單眼線索(monocular)：指單眼可見來自於圖片本身的提示與訊息，如上述的遮蔽、相對大小等，往下將詳述。
• 雙眼線索(binocular)：透過雙眼視差造成的深度知覺，如透過目標物在雙眼視網膜的相對移動，或者位置之間的關係從而得知，往下將詳述。

單眼線索(Monocular)：單眼所能獲得的資訊，於不同距離有不同對應策略，並且有其適用距離之限制，可參考總整理表。

• 圖像資訊(Pictorial cues)：從二維影像中取得的深度線索，如大小、遮蔽、水平線區分；儘管二維資訊可協助建構三度空間的概念，但也可能產生相關的幻覺，後將描述。
• 相對高度(Relative height)：以水平線為界，越靠近水平線的物件其越靠近自己，越遠離水平線的物件則相對遙遠。
• apparent distance theory：可用以解釋moon illusion的問題，其描述在水平面所見的月球比起在空中的月球，相較於在空中的月球為大，乃因我們傾向將落在水平面的東西視為遙遠，而在空中的物件視為靠近。
• 相對大小(Relative size)：較大的物體被理解為較靠近，較小的物體被理解為較遠。
• 此相對大小的概念，也可用於判斷大小的恆常，如將已知大小的物件納入圖片中，可作為對照校標以衡量其他物件的大小。
• 收斂線索(Perspective convergence)：假定已知二線段平行，則線段收斂處象徵其與自己的距離遙遠，如道路或者鐵軌的圖像。
• 相同大小的物件，放在二線段的不同處，基於三度空間的概念，會將較遙遠處的物體視為較大者，此也是二度空間推測三度空間造成的幻覺限制。
• 熟悉尺寸(Familiar size)：藉由對實際物體的知識，從而判斷物體之遠近。
• 存在經驗法則，已知靠近的物體知覺的尺寸較大，遙遠的物體知覺尺寸較小。
• Exp：1960年代的實驗，將不同尺寸的銅板放大為等尺寸，受試者傾向認為尺寸小的銅板被放大(靠近)，而尺寸大的銅板被縮小(較遠)。
• 大氣知覺(Atmospheric perspective)：遙遠的物件相對較為模糊，而靠近的物件看起來較為清晰，反之，如果缺乏此霧化的效果，則難以判斷遠近。
• 密度線索(Texture gradient)：較遠的物件其密度看起來較高，而在靠近處的物件密度較低，如人潮與花海。
• 陰影(Shadows)：陰影的資訊可協助判別物件的遠近。
• Albert Yoans and Carl Granrud (2006)的研究，對於嬰幼兒的孩子進行研究，以便了解孩子對於陰影的理解，結果發現5個月的嬰兒對於有陰影的物件判斷正確率為50%，但7個月的嬰兒則上升到59%，顯示此階段可能正在發展相關能力。
• 然而上述研究受到研究設計以及認知功能的限制，如嬰兒是否理解那個陰影，或者只是背景的黑塊，因此不能百分之百地確認嬰兒是否真的可應用陰影。

動態線索(Motion-produced cues)：

• 動態像差(Motion parallax)：藉由本體的移動製造像差，從而觀察物件在視網膜上之移動角度，判斷物件之遠近。儘管都是像差，但與雙眼像差的概念不完全相同，因雙眼像差考慮是在雙眼視網膜間的相對關係，而此動態像差指的是在單眼視網膜上移動的角度。
• 此外，遮蔽、相對大小等線索也在此時納入考量。
• 遮蔽與削去(Deletion and accretion)：透過物件移動以產生重疊、遮蔽之效果，從而判斷遠近，但此僅能用於20m之內的範圍。

雙眼線索(Binocular Depth information)：

• 雙眼深度覺(Stereoscopic perception)：雙眼像差造成之深度知覺。
• Differences between 2D and 3D movies：
• 2D：主要透過單眼資訊，取得平面的影像。
• 3D：二眼看到的影像將有些許差異，傳統的3D影片使用雙色眼鏡，讓左右眼接收到不同訊號，從而產生立體感，如果重疊位置剛好，則不會理解為二個不同影像，並且也不會有顏色差異。
  note：紅綠色重疊為其基本的原理，然而重疊的多寡可能與深度遠近相關。
• 斜視(Strabismus)：單眼因肌肉無力造成眼動困難，因而多以單眼線索理解世界。可參考Fixing my gaze書，描寫個案經治療後，由原本單眼視覺轉變為雙眼視覺的歷程。
• 這邊也提及，過去普遍相信需有雙眼視野重疊，方能建構立體知覺，然而實際上僅有單眼於生活中也可以產生相關知覺，並可達成與正常人相同的生活功能(儘管看到的世界仍有差異)。
• 雙眼視差(Binocular disparity)：雙眼視差所取得的資訊，可協助觀察者區分主題在背景中的相對位置與關係。
• Corresponding point：指使用雙眼視物的時候，雙眼視網膜上對象完全相同之位置。
• Horopter：當聚焦點決定時，所有影像於雙眼可落於Corresponding point之位置所建立的曲面，稱為Horopter。
• 與此影像於同一曲面者，其會投射到相同的corresponding point，如較此曲面靠近者，其投影位置將較為corresponding point為外側；反之，如較此曲面為遠者，其投影位置將較corresponding point內側。
• 絕對像差(Absolute disparity)：當聚焦於特定點時，不在Horopter上的影像將投影到非corresponding point的位置上，此位置與corresponding point之落差，稱為absolute disparity。
• 通常以角度描述absolute disparity之落差，則稱為angle of disparity，表不影像投射於視網膜的位置，與corresponding point的落差。
• 相對像差(Relative disparity)：當聚焦於特定點時，同時出現二個以上的物件且皆不位於Horopter上，則將二者之angle of disparity相減後得到二者相對的角度差，稱為relative disparity。
• 同樣的，也使用angle of disparity描述相對像差的角度。

立體知覺(Stereopsis)：

• Stereoscope：透過雙眼視差造成的立體空間知覺，早期的技術透過色彩濾鏡讓左右眼分別接收不同畫面，從而造成立體織覺得效果，然而受限於當時的技術，看到的畫面較為粗糙且顏色單調而不受歡迎。近幾年有另外產品上市，分類如下：
• Passive method：使用Polarized glasses，將畫面切割為垂直與水平二方向，並且利用垂直水平二方向之眼鏡，讓觀察者左右眼看到不同的資訊。由於眼鏡並沒有主動的處理相關資訊，因此稱為passive method。
• Active method：使用electronic shutter glasses，將畫面分為左右眼看的畫面，透過眼鏡迅速輪替遮蔽左右眼造成影像像差，從而產生立體知覺。然而，此作法的缺點在於成本較高，且部分觀察者使用後會有暈眩、頭痛等症狀。
  note：此作法較仰賴視覺暫留(約60ms)，而眼鏡或可使用30Hz的頻率切換造成立體效果。
• Lenticular method：利用在螢幕上加裝微小之透鏡，讓光線投射到特定的眼睛，造成相差從而造成立體視覺，此作法的優點是不需要使用眼鏡，方便於生活中使用，但缺點是觀看的角度將影響品質，且部分觀察者出現頭暈、頭痛等症狀。
• Bela Julesz (1971)：有鑑於研究方法上，使用照片或者圖片可能隱含單眼訊息提示，從而影響研究結果，故開發隨機點的設計，排除二維提示的影響。
• Random-dot stereogram：利用黑點與白點方式呈現，因而沒有遮蔽、模糊、大小等線索可以判斷，可聚焦於像差對於立體知覺的影響。就結果而言，其可以觀察到中央的方塊浮起之現象。
• 研究中使用表格紀錄顏色的分配狀態，基本上：
• 以0,1代表黑、白點。
• 以a,b代表中間向右移動一格的區域。
• 以x,y代表被移動後空出來的區域，此區域將被隨機的點填滿。
• 此研究之結果顯示，觀察者可察覺中間區域有浮起之轉變，從而支持像差對於空間知覺的影響。

The Physiology of Binocular Depth Perception：此神經元需同時對雙眼影像反應，方能比較差異。

note：初次有雙眼視覺資訊交會處，應在V1 cortex之第二、三層部分(視覺訊息最早傳入第四層，後續往第三、第二層傳遞)，因此區域的神經排列方式重組，從而將左右眼的訊號彙整。

• Barlow et al (1967)、Hubel & Wiesel (1970)：
• Binocular depth cells(or disparity-selective celss)：對於特定的absolute disparity有最佳的反應性。
• Disparity tuning cure：描述cells對於absolute disparity之反應敏感度，結果顯示，此神經元細胞對於雙眼像差為+1度的時候有最佳反應。
• Parker (2007)：回顧文獻之整理，各腦區對於深度覺之關聯。
• Early visual areas
• V1
• V2
• Ventral areas
• V4
• TEs
• Dorsal areas
• V5/MT
• MST
• CIP
• Blake and Hirch (1975)：將剛出生的小貓交替遮蔽單眼，換言之於單一時間內其僅有單眼可用，並比較與正常貓的差異。
• 在正常生長的小貓，其大部分的神經皆為binocular cells。(No2~6)
• 在交替遮蔽的小貓，大部分的神經為monocular cells。(No1)
• 可見環境對於神經分配之影響。
• 另透過測量物件大小與閾值關聯性比較，發現正常小貓的單眼視覺，隨物件縮小而難以區辨，雙眼則否；反之，如果使用交替遮蔽隻小貓，其單眼視覺則與雙眼視覺相似，但非單眼能力提升，而是更不善於雙眼訊息的處理，而使雙眼能力下降。換言之，如果不常使用雙眼視覺，將造成其經驗累積的不足，從而不善於處理雙眼的資訊。
• DeAngelis (1998)之研究：
• 訓練猴子可判斷其深度，並以random-dot stereogram作為測驗。
• 使用電擊深入大腦至MT區，比較刺激前後猴子對於深度覺得轉變。
• 結果顯示，給予微小刺激使其神經活化區轉變，影響猴子對於深度覺得判斷。(如造成隨機點的位移)

Perceiving Size：

• Holway and Boring (1941)：實驗大小知覺的產生。
• 研究設計：研究設計分為二部分，提供深度知覺與不提供深度知覺。
• 告知受試者，螢幕距離受試者的距離。觀察者做於二走廊的轉角處。
• 在受試者右手邊提供一個螢幕，距離受試者自10~120吋。
• 左邊比較的螢幕則維持不變。
• 受試者被要求調整右側刺激的大小，至與左邊刺激相同之時。
• 研究結果：
• 如有提供深度線索時，無論單雙眼都可正確判斷其大小。
• 如在沒有深度線索時，則評估精準度則明確下降。
• 研究意義：
• 整體而言，如果有深度提示，則會以過往的知識支持，而有較佳表現。
• 如果沒有深度線索，則單純依靠於視網膜上的大小與角度，此精準度則明確下降。
• Visual angle：物件投射到視網膜上所佔的角度，受到物體大小與遠近之影響。
• 影響visual angle的因素有二：
• 較大的物體，其visual angle則較大；較小的物體，其visual angle較小。
• 較近的物體，其visual angle則較大；較遠的物體，其visual angle較小。
• thumb technique：利用手指測量的簡略方法。
• 將單手伸直並且伸出拇指，其拇指的寬度所遮蔽的範圍約為visual angle 2度。
• 可用此方式簡易的測量出2度所包含的範圍。
• Sun and moon problem：儘管月球與太陽的實際大小不同，但其投影在視網膜上的角度皆為0.5度，故知覺到的物體大小相同，此可能與無法知覺其距離遠近有關。
• 二者之visual angle約為0.5度，大實際上大小、距離皆不相同。
• 如果距離越遠，則可理解為此物體越大，如果距離靠近，則可理解為此物體較小，似存在一相關性。
• Size constancy：對於實際上大小相似的物體，但在視網膜的投影大不相同，如何理解其為相同的大小？
• 當缺乏深度知覺時，將喪失大小比較之能力。(銅板及月球的例子）
• Size-distance scaling：
• S=K(R*D)：所以，在視網膜上的影像及距離知覺相關。
• S：大小知覺
• R：視網膜上的影像大小
• D：知覺的距離(非實際的距離)
• note：主要的概念為視角相等，但在不同距離時張開的大小也有所不同。
• Emmert's law：指在視網膜上具有相同visual angle的物件，投射在較遠屏幕上的時候其知覺尺寸越大，投射在較近的屏幕時，知覺尺寸越小。
• 其符合size-distance scaling的推測，大小與距離之關係，維持S=K(R*D)。
• Other information of size perception：
• 相對尺寸(relative size)：對比已知物體的大小，從而判斷其相關性，如在照片中的銅板，或者在建築物旁邊的人。
• 周邊材質(texture information oh the ground)：如使用地磚、磁磚等等環境的物件作為標準，比較其相對大小，如在不同距離但都佔一格磁磚的鐵罐，可視為相同大小。
• Visual illusion：
• Muller-Lyer illusion：線段末端的箭頭，影響對長短的判斷。
• Gregory (1966)：提出Misapplied size-constancy scaling，指出個體傾向以二度資訊建構三度空間產生的限制。
• 因外展的箭頭，看起來如突出的轉角，感覺其較為靠近自己；內收的箭頭，看起來如房間內的角落，相對較遠離自己。
• 上述對於凹凸的判斷，影響其遠近知覺，從而影響對於大小的判斷：S=K*R*D，當K、R不變的前提，S與D呈正比關係。
• 但是此理論無法解釋排除距離概念的幻覺，如末端為圈圈，或者書本對、背排。
• Conflicting cues theory (Day, 1989)：
• 認為對於長度的知覺因素有二：
• 實際線段大小。
• 該物件整體輪廓的大小。
• 因此，Muller-Lyer illusion的狀況，雖其實際線段長度相同，但因外圍輪廓較大，相對之下其知覺大小也較大。
• 對於其他形式的Muller-Lyer illusion也可解釋之。
• Ponzo illusion：相同物件放在鐵軌不同處，有不同的知覺。
• 基於假定為二平行的線段，則其交會於無限遠處，因此即便大小相同的圖案，在較靠近交會處的物件，將被視為較大。
• 可使用S=R*D解釋，但須注意其線段交會處與知覺距離(D)的關聯性。
• 在此狀況下，因為其在圖片上的大小相同，投影於視網膜上的角度一致(R)，但是因為知覺距離(D)不同，從而影響大小知覺的差異(S)。
• Ames Room：混淆空間概念的房間。
• 透過扭曲房間的設計，從而讓相同高度的人看起來有顯著的身高差異。
• 房間設計上令人覺得是四方形的房間，但實際上其中一人相對於觀察者的距離是另外一人的二倍，並且透過偷窺孔的方式遮蔽此線索，從而影響觀察者的知覺距離(D)。
• 其可能與S=R*D相關：
• 因二人距離觀察者的實際距離不同，因此二人投影在視網膜上的角度(R)有所差異。
• 但是因為使用偷窺孔的關係，遮蔽觀察者對於距離的判斷(D)，因此觀察者將假定二人的知覺距離相同(D)，因此造成其中一人看起來明顯較小的情況。
• 其他資訊的線索：建立於既定的知識上。
• 二人對於旁邊窗戶的大小比例關係(假定相同)。
• 二人將房間填滿的程度，其中一人因房間設計關係，可見其幾乎頂天立地，也影響觀察者對於其身高的判斷。
• Moon illusion：當月亮靠近地平線的時候，感覺月亮很大；當月亮當空的時候，覺得月亮較小。
• 基於S=R*D，月亮在視網膜上的大小一致，換言之R一致。
• 因此原因為知覺到的距離不同，也就是D的問題：
• 因為在水平線附近的月球，有很多深度線索可以提供判斷。
• Angular size contrast theory：指觀察者傾向將被龐大背景圍繞的東西視為較小者，被微小東西圍繞的東西視為龐大的知覺。
• 月亮在空間圍繞的背景很大，但月亮在水平線附近的背景相對小，從而造成靠近水平線附近的月亮較大的錯覺。
• 也可能搭配解析度的概念，相信遠的東西比較模糊，近的東西比較模糊，而在空中看起來較清楚(靠近)，在水平面較為模糊(遮蔽，遠)。
• Across Species：此二難在於於，雙眼重疊範圍越大可擁有越多的雙眼像差知覺，但相對之下視野廣度受限；如雙眼並列於二側則可增加視野廣度，但相對下雙眼像差則受限。
• Frontal eyes：binocular cues較為重要，通常而言其有雙眼視覺，對於立體知覺感知較清晰，然限制為視野較小(但貓頭鷹可以轉脖子@_@")
• Lateral eyes：monocular cues較為重要，可擁有較廣的視野，但換言之深度不足。
• Infant Depth Perception：嬰兒的深度知覺
• Binucularly fixate：指雙眼可以聚焦於同一個物件，並且隨著物件遠近而調整眼球轉動。
• Aslin (1977)的研究：基於雙眼視覺的先決條件是可以雙眼聚焦於同一個物件上，因此做出相關研究，結果顯示。
• 1-2個月的孩子，開始出現些許聚焦的行為。
• 3-6個月的孩子，可以完整表現此雙眼聚焦。
• Binocular disparity：
• Fox et al (1980)：研究孩子對於雙眼知覺的發展時期，利用random-dot stereograms作為觀測物。
• 先決條件：孩子須能接收雙眼視覺資訊，並且整合為深度知覺，方能看到漂浮的方塊，否則只會看到隨機點的呈現。
• 研究讓孩子戴上眼鏡並且坐在母親的腿上，觀察此random-dot stereograms，並且假定如果孩子可以看到漂浮的方塊，則他會盯著此方塊移動。
• 結果顯示，3個月的孩子並不會追隨此方塊移動，但3個月後的孩子開始可以追隨方塊移動，顯示約3~6個月的孩子開始發展深度知覺，
• 人類發展中，3個月的孩子之前看到玻璃陷阱不敢通過，但3個月之後開始可以。
• Granrud, Haake and Yonas (1985)的研究：
• 研究方法：
• 提供二個玩具給孩子操弄，其中綠色的玩具其體積較小，並且讓孩子適應此關係。
• 正式測驗階段，在孩子玩過此二種玩具後，提供相同二形狀的玩具給孩子，但是綠色與黃色(另外一個)的體積相同。
• 假定孩子\孩子可以察覺相對大小，則他會預期綠色玩具較為靠近自己，從而伸手及物。
• Yonas and Hartman(1993)的研究顯示，2個月的孩子會伸手碰觸身邊的東西，5個月的孩子則極端傾向碰觸伸手可及距離的東西。
• 利用上述的發現檢驗孩子對於深度的知覺，發現如果使用雙眼提示，孩子正確判斷距離可以達100%，但是如果使用眼罩遮蔽一點，則正確判斷僅達60%。
• 結果發現，7個月的孩子可以正確伸手及物，但是5個月的孩子則沒有伸手及物。
• 研究意義：孩子發展物體相對大小的時間，可能在5-7個月大。
• 研究限制：此研究受限於孩子的認知以及記憶，包含孩子是否記得二者的不同等因素。
• Toans &  Granrud (2006)：
• 研究設計：同樣利用及物的方式，以孩子的行為判斷其知覺距離。
• 研究結果：發現5個月大的孩子，對於有陰影與無陰影物件伸手及物的機率為50%，但是7個月大的孩子對於有陰影物件的伸手機率達59%。
• 研究意義：可能5-7個月的時期，孩子開始會注意陰影。
• 研究限制：受限於認知記憶等影響。