視覺系統(tǒng)前級時間特性的研究.pdf

1、視覺系統(tǒng)加工時空信息的過程通常被分為三個主要階段：1，信號轉(zhuǎn)換階段； 2，特征提取階段；3，信息使用階段。在信號轉(zhuǎn)換階段，視覺系統(tǒng)前級(early stageof visual system)將視網(wǎng)膜上的光學(xué)圖像轉(zhuǎn)換為感覺響應(yīng)，進(jìn)一步的高級認(rèn)知活動都是基于這一響應(yīng)。 視覺信息包括兩個方面，一方面是亮度在空間上的分布；另一方面是這一分布隨時間的變化。視覺系統(tǒng)的時間特性對于其處理亮度變化的信息具有重要意義。 以視覺系

2、統(tǒng)的整合時間為例：一方面，整合時間不能太短，因為光是由光子組成，本質(zhì)上是離散信號，視覺系統(tǒng)必須要將適當(dāng)時間內(nèi)射入的光子整合成為圖像，然后將圖像轉(zhuǎn)換成感覺表征；另一方面，整合時間也不能太長，否則，先后出現(xiàn)的視覺刺激將很容易相互干擾?？梢?，視覺系統(tǒng)必須有合適的時間特性，才能在形成穩(wěn)定而連貫的場景的同時，又避免不同圖像發(fā)生疊加而相互干擾。 為了弄清楚視覺系統(tǒng)前級的時間特性并對其建立模型，人們進(jìn)行了大量的研究。在對人類視覺進(jìn)行建模的研究

3、中，人們發(fā)現(xiàn)可以將視覺系統(tǒng)前級看作是一個線性濾波器。 我們知道，求一個復(fù)雜信號作用于線性系統(tǒng)后的零狀態(tài)響應(yīng)，可以先把這個復(fù)雜信號分解成許多沖激函數(shù)。求系統(tǒng)的響應(yīng)時，將這些沖激函數(shù)分別施加于系統(tǒng)并分別求出其解，然后再利用迭加原理求得總響應(yīng)?？梢姡獪?zhǔn)確地對視覺系統(tǒng)前級建立線性模型，最重要的就是要得到其沖激響應(yīng)函數(shù)。然后，根據(jù)線性系統(tǒng)的性質(zhì)，就能計算出任意輸入條件下視覺系統(tǒng)前級的響應(yīng)，進(jìn)而合理地解釋和預(yù)測基于該響應(yīng)而做出的行為反應(yīng)。

4、 為了得到視覺系統(tǒng)前級的沖激響應(yīng)函數(shù)，人們利用雙脈沖視覺刺激實驗進(jìn)行了大量的研究。實驗中，兩個視覺脈沖刺激以某一時間間隔(Inter Stimulus Interval,ISI)先后呈現(xiàn)，而在空間上完全重合。根據(jù)線性濾波器模型，它們所引起的兩個響應(yīng)將會迭加形成一個總響應(yīng)。如果調(diào)節(jié)兩個脈沖刺激間的ISI，迭加所得總的感覺響應(yīng)將會隨之改變，由于進(jìn)一步的加工都是基于這一響應(yīng)，因此，被試完成認(rèn)知任務(wù)的成績會出現(xiàn)相應(yīng)的變化。研究者根據(jù)被試

5、的成績，就可以判斷出兩次脈沖響應(yīng)相互作用的性質(zhì)與強度，進(jìn)而推測單個沖激響應(yīng)函數(shù)(Impulse-ResponseFunction，IRF)的形態(tài)。研究發(fā)現(xiàn)，在探測、字符識別、明度知覺等認(rèn)知過程中普遍存在著時間抑制，這意味著，視覺系統(tǒng)前級的沖激響應(yīng)中有負(fù)相波。 現(xiàn)有研究的著眼點集中于一定刺激強度條件下，視覺系統(tǒng)前級沖激響應(yīng)的形態(tài)特征，特別是負(fù)相波的存在性及其數(shù)量。一個更為基本的問題是：不同的視覺刺激作用下，視覺系統(tǒng)前級的沖激響應(yīng)將

6、受到怎樣的影響。這一問題直接關(guān)系到將視覺系統(tǒng)前級看作是線性濾波器這一基本理論假設(shè)。我們知道，線性系統(tǒng)必須同時具有齊次性和迭加性。傳統(tǒng)的探測任務(wù)實驗、字符識別實驗都無法直接對上述性質(zhì)進(jìn)行檢驗。Manahilov 采用明度匹配實驗，通過引入假設(shè)，測量了視覺系統(tǒng)前級的沖激響應(yīng)和階躍響應(yīng)。所引入的假設(shè)為：人知覺到的明度大小取決于視覺系統(tǒng)前級響應(yīng)的最大值。根據(jù)線性系統(tǒng)的特性，如果系統(tǒng)的沖激響應(yīng)是三相波，那么該系統(tǒng)的階躍響應(yīng)應(yīng)當(dāng)是有正負(fù)極的雙相波形

7、，Manahilov的實驗結(jié)果表明： 視覺系統(tǒng)前級的沖激響應(yīng)與階躍響應(yīng)的形態(tài)特征確實符合上述預(yù)測。這證明了視覺系統(tǒng)前級具有迭加性。但是，迄今為止，視覺系統(tǒng)前級是否具有齊次性還沒有得到實驗驗證。 為此，本文借鑒Manahilov的明度知覺實驗，對視覺系統(tǒng)前級的沖激響應(yīng)進(jìn)行了一系列的研究，取得了如下成果： 1．測量得到了人類視覺系統(tǒng)前級的整合時間，為雙脈沖視覺刺激實驗時間參數(shù)的選擇提供了依據(jù)。 2．利用明度比