視差的垂直梯度對Wheatstone-Panum極限情況匹配方式的影響

謝 鶯，李華云，2，李羽欣，雷麗云

(1中南民族大學生物認知科學國家民委重點實驗室，武漢430074;2華中師范大學心理學院，武漢430079)

Wheatstone-Panum極限情況通常又稱為Panum極限情況［1-4］.它是指將單一一根直線呈現給一只眼，而成組的兩根直線呈現給另一只眼，雙眼融合后觀察到兩根處于不同深度直線的現象.盡管該現象從早期發(fā)現并報道［5，6］至今已過去 100多年，但關于其深度加工的機制，迄今卻依然存在爭論［3，4，7-10］.

通常認為，Wheatstone-Panum極限情況(W-P極限情況)的視差梯度就是 2［11，12］.但我們經過仔細分析發(fā)現_，實際情況并非完全如此［13］.根據構型中特征是否完全相同，可將W-P極限情況的研究構型分成兩大類:一類為Panum類，指其中兩對兩眼間特征對都平行的構型［6，7，14］;另一類為 Wheatstone 類，指其中兩眼間特征至少有一對不平行的構型［3-5，7，15，16］.兩類構型分別具有兩種不完全相同的視差梯度.對于Panum類構型，其視差的水平梯度(GH)為2，視差的垂直梯度(Gv)為零;但對于Wheatstone類構型，其GH為2，Gv不全為零.可見，通常所泛指的W-P極限情況的視差梯度為2，其實指的只是W-P極限情況的視差的水平梯度GH.對于W-P極限情況中的不同Wheatstone類構型而言，盡管它們的GH都相同，但其Gv會隨構型中兩眼間特征對的不平行程度變化而變化.

但是，由于通常認為W-P極限情況的視差梯度就是2，因此不同Wheatstone類構型的Gv存在差異的事實往往會被研究者所忽略.譬如，在先前幾項有關W-P極限情況融合方式的研究中，研究者們就只考慮了視差對雙眼性融合的限制，從而導致同樣在小視差條件下，同樣采用兩對兩眼間特征對都不平行的Wheatstone類構型，不同研究者卻得出了截然相反的結論［3，4，7，16］.具體而言，Gillam 等采用如圖 1(a)和1(b)所示的交叉構型和/或弧線構型發(fā)現，當Panum現象發(fā)生時，觀察到的兩根線段，都具有空間朝向，或空間彎曲，因此得出結論，W-P極限情況發(fā)生的是雙重融合［7］.但是，利用如圖1(c)所示的斜線刺激構型，Wang等卻發(fā)現，當Panum現象發(fā)生時，在觀察到的兩根線段中，總是只有一根直線發(fā)生了空間朝向效應，因此他們認為，W-P極限情況還是遵循唯一性原則［3，16］.Frisby 利用如圖 1(d)所示的波形構型，得出了與Wang等相同的結論［4］.

圖1 原始Gillam等、Wang等、Frisby構型Fig.1 Original configurations used by Gillam et al，Wang et al and Frisby

分析上述構型的Gv可以發(fā)現，得出雙重融合結論的刺激構型，無論是Gillam等采用的交叉構型還是弧線構型，它們的Gv都比較小，小于并接近于0.1;而得出唯一性融合結論的刺激構型的Gv相對較大:Wang等采用的斜線構型的Gv介于0.1和0.3之間，Frisby采用的波線構型的Gv接近于0.3.

有理由猜測，對Gv差異的忽略，可能是導致基于相同研究思路的不同研究得出不同結論的重要原因.

本研究將以原版Gillam交叉構型和弧線構型、Wang斜線構型和Frisby波線構型為基礎，在保持小視差不變的條件下，改變各構型的Gv，考察Gv變化對P-W極限情況融合方式的影響.

1 實驗部分

1.1 實驗刺激

本實驗所用刺激構型由Gillam等采用的交叉構型 (圖1a)、弧線構型(圖1b)、Wang等采用的斜線構型(圖1c)和Frisby采用的波線構型(圖1d)擴展而來.為便于比較，將Wang等采用的斜線構型(圖1c)中傾斜程度較小類似于垂線的斜線改為了垂線.通過系統改變任一構型的Gv，我們構造了如圖2所示的4個系列刺激構型，分別稱作交叉構型系列(圖2a)、弧線構型系列(圖2b)、斜線構型系列(圖2c)和波線構型系列(圖2d).在每一構型系列中，由上到下，構型的 Gv分別為 0.1，0.3，0.6.構型的視差(對于斜線構型和波線構型而言)或最大視差(對于交叉構型和弧線構型)保持在13'.

圖中所示的所有構型都將垂線特征放在左邊，但在正式實驗中，呈現給左右眼的特征可以調換，單一特征呈現給左眼成組特征呈現給右眼，還是成組特征呈現給左眼單一特征呈現給右眼的幾率是相等的.

圖2 以Gillam等、Wang等和Frisby采用的原始構型為基礎擴展而來的具有不同Gv的構型系列Fig.2 Configuration serieswith different Gvs extended from the original configurations used by Gillam et al，Wang et al and Frisby

對于交叉構型、弧線構型以及斜線構型，當 Gv等于0.1時，特征的高度為112';當Gv等于0.3時，特征的高度為37';當Gv等于0.6時，特征的高度為19';而對于波線構型，當 Gv等于 0.1、0.3 和 0.6時，特征高度依次分別為295'、99'和50'.

1.2 觀察者

4名觀察者自愿參加實驗，視力或矯正視力正常.他們對實驗無任何了解，但在正式實驗前通過隨機點立體圖測試以確定立體視正常.實驗后獲取少量報酬.

1.3 實驗裝置和程序

實驗刺激圖形由Window NT圖形工作站產生，呈現在三維液晶顯示器上(SD2320MW，美制).顯示器分辨率為1920×1200，刷新率為75Hz.實驗時觀察者需戴上正交偏振濾光鏡獲取相應的分視信號，即左眼只看到下顯示器、右眼只看到上顯示器的圖像.實驗在低照度環(huán)境中進行.觀察距離為115cm.觀察者在參加實驗前進行少量練習，以確定他們明白指導語，且能夠判斷特征是否具有視差彎曲效應或視差朝向效應.

每一次試驗中，單一特征或成組特征呈現給哪只眼是隨機的.呈現給每位觀察者的刺激有24種(4種構型×3種Gv×2只眼)，每種情況重復10次.要求觀察者在雙眼融合后報告觀察到的具有深度朝向或深度彎曲的曲線或斜線的數目.

2 實驗結果和討論

4名觀察者對具有不同Gv的各種刺激構型報告發(fā)生雙重融合現象頻率的實驗結果如圖3所示.對于任一構型，左右眼特征交換的立體圖的實驗結果相近，故將兩者的實驗結果進行了合并.

圖3 4名觀察者的實驗結果Fig.3 Experimental results of four observers

從圖中可以清楚地看到，盡管不同觀察者對不同刺激構型報告發(fā)生雙重融合現象的實驗結果存在一些差異，但Gv確實是影響能否觀察到雙重融合現象的重要因素.對于任一P-W極限情況刺激構型，當Gv較小時，實驗結果可能是支持雙重融合的，而當Gv較大時，實驗結果又可能是支持唯一性融合的.譬如，對于弧線構型，當Gv等于0.1時，所有觀察者在雙眼融合后均能觀察到兩個呈反方向彎曲的曲線，即所有觀察者都能觀察到雙重融合現象;但是，隨著Gv增加到0.3，觀察者報告雙重融合的頻率出現了不同程度的降低;而當Gv等于0.6時，則幾乎沒有觀察者還能夠觀察到雙重融合現象.其他構型的實驗結果盡管存在一些差異，但也表現出相似的變化趨勢，即隨著Gv增加，報告雙重融合的頻率降低.方差分析結果顯示，Gv的主效應顯著(F(2，4)=8.677，P=0.017).這證明了我們的猜想，表明P-W極限情況的融合方式受到Gv的限制.可見，先前Gillam等、Wang等和Frisby的實驗結果，都只是在小視差條件下，可能支持也可能反對雙重融合觀點的特例.如果不考慮Gv的影響，將很難理解同樣在小視差條件下，基于Wheatstone類刺激構型的實驗結果為何會得出不同的結論.

值得注意的是，在同一Gv條件下，特別是當Gv較小時，不同刺激構型之間報告雙重融合現象的頻率存在顯著差異.譬如，當Gv等于0.1時，盡管對于交叉和/或弧線構型，所有觀察者都能觀察到雙重融合現象，但對于斜線構型和波線構型，已有部分觀察者不能觀察到雙重融合現象;而當Gv等于0.3時，在部分觀察者對于交叉和/或弧線構型報告雙重融合的頻率還較高的情況下，對于斜線或波線構型，觀察者即很難觀察到雙重融合現象.這些結果表明，除了Gv，應該還存在其他某些因素，會影響雙重融合的發(fā)生［20］.

由于本文的目的主要是分析先前為學者們所忽視的P-W極限情況的視差梯度的分化，并揭示視差的垂直梯度Gv對P-W極限情況融合方式的影響，因此本文只是簡單改變了先前的研究者采用的刺激構型的Gv，而并沒有對構型的其他方面進行調整.不過，由于本文中的交叉構型和斜線構型都同樣由垂線和斜線特征組成，因此兩構型系列實驗結果的差異已能為上述猜測提供部分線索.

對比交叉和斜線構型系列(圖2a和2c)可以發(fā)現，在交叉構型中，垂線特征只有1個，非垂線特征有2個，且兩個成組的非垂線特征呈鏡像對稱排列;而在斜線構型中，非垂線特征只有1個，垂線特征有2個，且兩個成組的垂線特征呈平行排列.可見，兩構型系列雖然具有相同的Gv，但它們無論在特征組成還是排列方式上均存在差異.兩構型系列相應的實驗結果的差異提示，除了Gv，構型的特征組成和排列方式的不同，也會影響P-W極限情況的融合方式.通過對構型的特征組成以及成組特征的排列方式進行單一性地改變，并比較實驗結果的相應變化，將能夠更清晰地揭示上述因素對雙眼性融合的影響.這些工作留待今后進一步進行.

3 結語

本研究通過改變先前幾項有代表性研究的刺激構型的Gv，本研究發(fā)現，無論對于哪一種W-P極限情況刺激構型，僅當構型的Gv較小時，才能觀察到雙重融合現象;而當Gv較大時，即使在小視差下，也不可能觀察到雙重融合現象.從而證明，對于基于Wheatstone類刺激構型的W-P極限情況，除了視差，Gv也是影響融合方式的重要因素.

此外，本文的實驗結果還提示，構型中特征組成以及成組特征排列方式的差異，可能也會影響W-P極限情況的融合方式.關于這些問題的探索，有待今后進一步開展.

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