比較視覺搜索任務(wù)中工作記憶最小化的眼動研究*

蘇 娟白學(xué)軍王 超陰國恩

（1教育部人文社會科學(xué)重點(diǎn)研究基地天津師范大學(xué)心理與行為研究院，天津 300074） （2內(nèi)蒙古財(cái)經(jīng)大學(xué)統(tǒng)計(jì)與數(shù)學(xué)學(xué)院，呼和浩特010070）（3麥克馬斯特大學(xué)心理神經(jīng)科學(xué)與行為系，加拿大 L8S 4L8）

比較視覺搜索任務(wù)中工作記憶最小化的眼動研究*

蘇 娟1,2白學(xué)軍1王 超3陰國恩1

（1教育部人文社會科學(xué)重點(diǎn)研究基地天津師范大學(xué)心理與行為研究院，天津 300074） （2內(nèi)蒙古財(cái)經(jīng)大學(xué)統(tǒng)計(jì)與數(shù)學(xué)學(xué)院，呼和浩特010070）（3麥克馬斯特大學(xué)心理神經(jīng)科學(xué)與行為系，加拿大 L8S 4L8）

采用比較視覺搜索任務(wù)和眼動追蹤技術(shù)，通過增加組成圖片的圖形數(shù)量和改變不同圖形的特征屬性，考察比較視覺搜索任務(wù)是否遵循工作記憶最小化原則以及圖形特征加工的優(yōu)先性問題。結(jié)果表明圖形數(shù)量的增加不影響平均每次注視的圖形數(shù)量，被試平均每次注視1.65個圖形，即比較視覺搜索任務(wù)仍遵循工作記憶最小化原則。不同圖形中顏色和形狀都不同的注視時(shí)間最短，顏色不同和形狀不同在注視時(shí)間上差異不顯著，表明比較視覺搜索任務(wù)中特征維度數(shù)量比特征性質(zhì)在引導(dǎo)注意上具有優(yōu)先性。事先不規(guī)定搜索路徑的情況下，被試主要采用系統(tǒng)搜索策略完成比較搜索任務(wù)。

比較視覺搜索任務(wù)，工作記憶最小化，眼動。

1 引言

生活中經(jīng)常需要對兩張相似的圖片進(jìn)行比較。比如，外科醫(yī)生通過對比患者手術(shù)前后的腦成像情況，判斷腫瘤是否成功摘除。鑒定專家通過比較兩種筆跡的特征，判斷是否由同一個人書寫而成。還有人們經(jīng)常玩的找不同游戲，都需要經(jīng)過快速的視覺搜索判斷兩張圖片相同還是不同。Pomplun等人（2001）提出的比較視覺搜索任務(wù)范式，與日常生活中的上述情況有關(guān)。他們在實(shí)驗(yàn)中同時(shí)呈現(xiàn)兩張圖片，圖片由不同顏色或形狀的圖形組成，通過比較左右兩張圖片中的圖形來判斷圖片是否相同。這一任務(wù)包括視覺搜索、眼動和視覺工作記憶等過程。其中，工作記憶在比較視覺搜索任務(wù)中的作用成為了爭論的焦點(diǎn)之一。有研究者認(rèn)為比較視覺搜索任務(wù)遵循工作記憶最大化原則，即實(shí)時(shí)的視覺表征是對當(dāng)前注意刺激的細(xì)節(jié)信息和3到4個相關(guān)刺激的抽象信息及其場景排列和結(jié)構(gòu)的總和表征（Hollingworth&Henderson,2002;Irwin&Zelinsky,1992）。另一些研究者認(rèn)為比較視覺搜索任務(wù)遵循工作記憶最小化原則，也就是說實(shí)時(shí)的視覺表征僅與當(dāng)前任務(wù)有關(guān)，目的是完成特定任務(wù)從環(huán)境中提取有關(guān)的視覺信息 （Ballard,Hayhoe,Pook,& Rao,1997;Hayhoe,Bensinger,& Ballard,1998; Wang,Matthew,Pavlo,Chen,& Marc,2016）。Pomplun等人的研究發(fā)現(xiàn)被試在執(zhí)行任務(wù)的過程中發(fā)生了很多 “檢查”的眼動，從而減少了需要記憶編碼的信息量。Gajewski和Henderson（2005）通過平均每次注視的圖形數(shù)驗(yàn)證工作記憶最小化和最大化模型。平均每次注視的圖形數(shù)是指眼跳到另一張圖片前被試注視圖形的個數(shù)。以后的研究在比較視覺搜索任務(wù)范式的基礎(chǔ)上，通過改變兩張圖片間的距離 （Vera,Markus,&Stephan,2011,2015; Bauhoff,Huff,&Schwan,2011）或者轉(zhuǎn)換為真實(shí)的場景 （Gajewski&Henderson,2005;Galpin& Underwood,2005;Bauhoff,Huff,&Schwan,2012）探討這一問題，結(jié)果均支持工作記憶最小化原則。

有研究還考察了視覺搜索任務(wù)中刺激圖形的顏色、形狀、大小等特征的加工特點(diǎn)。Soto等人研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)不同維度的刺激對注意的捕獲能力存在差異，注意優(yōu)先效應(yīng)發(fā)生在特征顯著的目標(biāo)上，如對顏色的加工速度要快于對形狀的加工 （張豹,黃賽, 2013;張豹,黃賽,侯秋霞,2014）。Fournier，Eriksen和Bowd（1998）考察了特征維度數(shù)量對加工速度的影響，發(fā)現(xiàn)了目標(biāo)判斷的多特征優(yōu)勢，即判斷兩個或兩個以上特征聯(lián)合出現(xiàn) （如顏色、大小和形狀都不同）比判斷一個特征的出現(xiàn) （如顏色）更容易。以上研究結(jié)果尚缺乏比較視覺搜索任務(wù)下的實(shí)驗(yàn)證據(jù)。

那么在比較視覺搜索任務(wù)中被試是否總是遵循工作記憶最小化原則？如果增加圖片中刺激的數(shù)量，被試是否會改變搜索策略，采取工作記憶最大化原則？也就是說在增加圖片中刺激數(shù)量的情況下，被試通過增加工作記憶的負(fù)荷，減少在兩張圖片中掃描的次數(shù)完成比較搜索任務(wù)。其次，在比較視覺搜索任務(wù)過程中，對不同圖形的特征加工和已有視覺搜索任務(wù)的研究結(jié)果是否一致？當(dāng)特征的維度數(shù)量和特征的性質(zhì)同時(shí)進(jìn)行搜索比較時(shí)，哪一個更具有優(yōu)先性？因此，本研究采用眼動追蹤技術(shù)，在改進(jìn)Pomplun等 （2001）的研究范式基礎(chǔ)上，借鑒Gajewski和Henderson（2005）的計(jì)算方法，通過增加圖形的數(shù)量進(jìn)一步探究工作記憶最小化原則的適用范圍。同時(shí)匹配了工作記憶刺激與搜索刺激條件，包括顏色和形狀都不同、顏色不同或形狀不同三種條件。如果刺激特征的維度數(shù)量和特征性質(zhì)在比較搜索任務(wù)中具有優(yōu)先性，那么顏色和形狀都不同的加工速度最快，顏色不同次之，形狀不同的加工速度最慢。

2 方法

2.1 被試

來自內(nèi)蒙古某大學(xué)的18名學(xué)生參加實(shí)驗(yàn)。年齡在19－21歲，視力或矯正視力正常，無色盲。被試均不了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

2.2 儀器

使用EyeLink 2000記錄被試的眼動軌跡，取樣率為500Hz。刺激呈現(xiàn)在19英寸的DELL顯示器上，分辨率為1024×768。被試眼睛和屏幕間的距離為70cm。

2.3 實(shí)驗(yàn)材料

144對由紅、綠、藍(lán)三種顏色和圓形、正方形、三角形三種圖形組成的圖片。每個圖形大小為1°視角 （45像素），相鄰圖形間隔最小為1°視角（45像素），最大為2°視角 （90像素）。圖片大小為8.6°×12.9°（400像素×600像素），兩張圖片間隔1.1°（50像素）。每張圖片圖形數(shù)分別為12個、15個和18個，每對中兩張圖片總的圖形數(shù)分別為24個、30個和36個。相同或不同的圖片各72對，共144對。不同的圖片對中相同位置的兩個圖形不同，包括顏色不同、形狀不同以及顏色和形狀都不同三種情況。相同或不同的一對圖片隨機(jī)呈現(xiàn)，以避免被試形成反應(yīng)偏向。每對圖片中的圖形及不同圖形的位置隨機(jī)化處理，請5名大學(xué)生對相鄰顏色和形狀的圖形重復(fù)排列構(gòu)成的圖片篩選。

2.4 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)采用3×3的被試內(nèi)設(shè)計(jì)，自變量分別是組成每對圖片的圖形數(shù) （24，30和36個）和圖形特征 （顏色不同、形狀不同以及顏色和形狀都不同）。

2.5 程序

（1）每個被試單獨(dú)施測。 （2）被試坐在距眼動儀70cm處，下頜放在下頜托上，要求盡量在實(shí)驗(yàn)過程中保持不動。 （3）采用九點(diǎn)校準(zhǔn)。眼校準(zhǔn)成功后向被試呈現(xiàn)指導(dǎo)語： “下面將呈現(xiàn)一系列由不同顏色的三角形、正方形和圓形組成的圖片。每次同時(shí)呈現(xiàn)兩張圖片，請你仔細(xì)比較左右兩張圖片是否相同。若 ‘相同’請按F鍵，若 ‘不同’請按J鍵。請集中注意，又快又準(zhǔn)地做出判斷”。 （4）被試?yán)斫庵笇?dǎo)語后，按空格鍵翻頁。屏幕中央出現(xiàn)一個黑色圓點(diǎn)，要求被試注視黑色圓點(diǎn)并按空格鍵呈現(xiàn)實(shí)驗(yàn)圖片，呈現(xiàn)圖片后按 ‘F’或 ‘J’鍵進(jìn)行判斷，之后再次呈現(xiàn)黑色圓點(diǎn)，注視并按空格鍵進(jìn)行下一屏圖片判斷。 （5）6個練習(xí)結(jié)束后進(jìn)入正式實(shí)驗(yàn)，整個實(shí)驗(yàn)條件輪組。實(shí)驗(yàn)約持續(xù)40分鐘。

2.6 數(shù)據(jù)處理

采用SPSS16.0 for Windows對數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，總共剔除無效數(shù)據(jù)占總數(shù)據(jù)的1.7%。相同圖片作為填充材料不參與數(shù)據(jù)分析。

3 結(jié)果

本研究通過分析正確率、平均每次注視圖形數(shù)和目標(biāo)注視時(shí)間等眼動指標(biāo)，探討比較視覺搜索任務(wù)中的搜索策略、工作記憶容量以及目標(biāo)特征的加工特點(diǎn)。結(jié)果見表1。

3.1 圖形數(shù)量和特征對正確率的影響

判斷正確率的圖形數(shù)量主效應(yīng)不顯著，F(xiàn)（2,34）=1.43，p＞0.05。圖形特征的主效應(yīng)顯著，F(xiàn)（2,34）=17.08，p＜0.001。圖形數(shù)量和圖形特征的交互作用不顯著，F(xiàn)（4,68）=0.95，p＞0.05。Bonferroni多重比較后發(fā)現(xiàn)，形狀和顏色都不同的正確率顯著高于其他兩種條件，ps＜0.01。形狀不同和顏色不同的正確率差異不顯著，ps＞0.05。

3.2 圖形數(shù)量和特征對平均每次注視圖形數(shù)量的影響

平均每次注視圖形數(shù)量只對回答正確的項(xiàng)目進(jìn)行分析。以圖片為單位劃分兩個興趣區(qū)。根據(jù)公式：平均每次注視圖形數(shù)=總的注視圖形數(shù)/進(jìn)入興趣區(qū)總次數(shù)，平均每次注視圖形數(shù)量在圖形數(shù)量上的主效應(yīng)不顯著，F(xiàn)（2,34）=3.72，p＞0.05，每張圖片平均每次注視1.65個圖形。圖形特征的主效應(yīng)顯著，F(xiàn)（2,34）=7.66，p＜0.05。Bonferroni多重比較后發(fā)現(xiàn)，形狀和顏色都不同的平均每次注視圖形數(shù)量顯著多于形狀不同的條件，ps＜0.05。其他條件在平均每次注視圖形數(shù)量上兩兩差異均不顯著，ps＞0.05。圖形數(shù)量和圖形特征的交互作用不顯著，F(xiàn)（4,68）=1.49，p＞0.05。

表1 不同圖片在圖形數(shù)量和特征上的眼動特征

3.3 圖形數(shù)和目標(biāo)圖形特征對目標(biāo)注視時(shí)間的影響

以兩張圖片中不同的一對目標(biāo)刺激為單位劃分興趣區(qū)，分別為目標(biāo)1興趣區(qū)和目標(biāo)2興趣區(qū) （以下簡稱目標(biāo)1和目標(biāo)2）。興趣區(qū)被定義為以目標(biāo)刺激為中心，邊長為1.2°視角的正方形區(qū)域。目標(biāo)注視時(shí)間指目標(biāo)1和目標(biāo)2的注視時(shí)間之和。目標(biāo)注視時(shí)間上選擇回答正確的項(xiàng)目，且只對目標(biāo)1和目標(biāo)2均進(jìn)行注視的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。結(jié)果表明目標(biāo)注視時(shí)間在圖形數(shù)量上的主效應(yīng)不顯著，F(xiàn)（2,34）= 0.23，p＞0.05。目標(biāo)圖形特征的主效應(yīng)顯著，F(xiàn)（2,34）=4.72，p＜0.05。Bonferroni多重比較后發(fā)現(xiàn)，形狀和顏色都不同的目標(biāo)注視時(shí)間顯著少于其他兩種條件，ps＜0.05。形狀不同和顏色不同的目標(biāo)注視時(shí)間差異不顯著，ps＞0.05。圖形數(shù)量和目標(biāo)圖形特征的交互作用不顯著，F(xiàn)（4,68）=0.94，p＞0.05。

4 討論

比較視覺搜索任務(wù)包括注視一個或者多個圖形并保存在工作記憶中，引導(dǎo)眼跳使得新圖形進(jìn)入工作記憶和工作記憶中已有的圖形進(jìn)行比較。這一搜索、存儲和比較的過程多次重復(fù)直到發(fā)現(xiàn)不同的兩個目標(biāo)或者搜索窮盡，然后做出判斷。本研究從工作記憶最小化原則、目標(biāo)特征加工特點(diǎn)和視覺搜索策略三個方面進(jìn)行討論。

4.1 工作記憶最小化原則

Pomplun等人 （2001）的比較視覺搜索任務(wù)范式要求被試比較由各種顏色和形狀組成的兩張圖片是否不同。研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)兩張圖片間的掃視頻繁，由此推測被試通過不斷地左右掃視而不是增加工作記憶的信息量來完成比較視覺搜索任務(wù)。Gajewski和Henderson（2005）在此基礎(chǔ)上對真實(shí)場景中的比較視覺搜索任務(wù)進(jìn)行研究，通過計(jì)算平均每次注視的圖形數(shù)作為工作記憶量的指標(biāo)，進(jìn)一步驗(yàn)證了工作記憶最小化的研究假設(shè)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)平均每次注視圖形數(shù)量為1.7個圖形。本研究借鑒了Gajewski等人的計(jì)算方法，研究結(jié)果表明圖形數(shù)量的增加不影響判斷的正確率和平均每次注視的圖形數(shù)，每張圖片每次平均注視1.65個圖形。結(jié)果同樣符合工作記憶最小化模型的假設(shè)，表明工作記憶容量和搜索任務(wù)有關(guān)且是有限的。由于比較視覺搜索任務(wù)采用的是邊搜索邊加工的即時(shí)策略，使得視覺系統(tǒng)更傾向于表征的最小化。情景識別過程中眼動比將表征保存在工作記憶里更容易，也就是說，眼動比工作記憶更為經(jīng)濟(jì)可行。另一方面有研究表明中央凹視覺區(qū)在注視點(diǎn)周圍約1°視角的地方，副中央凹視覺區(qū)位于注視點(diǎn)10°視角 （注視點(diǎn)左右各5°視角）的地方，邊緣視覺區(qū)是副中央凹區(qū)外的所有視覺區(qū)域。中央凹處的視敏度最高，隨著與中央凹距離的增大，視敏度顯著降低，提取信息的能力也顯著下降 （Rayner,2012）。本研究材料每個圖形呈1°視角，圖形間隔最小為1°視角，即注視一個圖形時(shí)，相鄰圖形可能分布在該注視點(diǎn)的中央凹或副中央凹區(qū)域。圖形數(shù)增加對相鄰兩個圖形的視野分布影響不大，有可能是造成工作記憶容量沒有顯著差異的原因。研究結(jié)果還發(fā)現(xiàn)形狀和顏色都不同的平均每次注視圖形數(shù)量顯著多于形狀不同的條件，p=0.045。進(jìn)一步分析后發(fā)現(xiàn)，形狀和顏色都不同以及形狀不同的總的注視圖形數(shù)和進(jìn)入興趣區(qū)總次數(shù)差異均不顯著，p＞0.05。說明目標(biāo)特征對平均每次注視的圖形數(shù)量的影響并不明顯。

4.2 目標(biāo)特征的加工特點(diǎn)

有人 （Soto,Heinke,Humphreys,&Blanco, 2005;Soto,Humphreys,&Heinke,2006）在其研究中操縱了三種工作記憶表征與視覺搜索刺激之間刺激屬性的匹配條件。結(jié)果發(fā)現(xiàn)當(dāng)工作記憶刺激與搜索刺激的顏色與形狀都相同或顏色相同但形狀不同時(shí)，兩種條件下眼動指標(biāo)沒有顯著差異；和形狀相同而顏色不同條件相比，前兩種條件捕獲的首次注視點(diǎn)數(shù)更多。說明在工作記憶表征自上而下地引導(dǎo)視覺注意選擇過程中，刺激的顏色屬性比形狀屬性具有更大的優(yōu)先性。本研究匹配了三種工作記憶表征與視覺搜索刺激之間的條件，結(jié)果發(fā)現(xiàn)工作記憶刺激與搜索刺激的顏色和形狀都不同的正確率顯著高于顏色不同和形狀不同兩種條件，加工時(shí)間則顯著少于其他兩種條件。這表明目標(biāo)特征影響比較視覺搜索任務(wù)的正確率和加工時(shí)間，其中目標(biāo)特征的維度數(shù)量比特征性質(zhì)的影響更大。這一結(jié)果驗(yàn)證了Fournier，Eriksen和Bowd（1998）的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，即目標(biāo)特征維度的增加有利于引導(dǎo)注意，從而提高了加工速度。但顏色和形狀在比較視覺搜索任務(wù)中的 “顯著程度”是相同的，結(jié)果并沒有發(fā)現(xiàn)不同維度的刺激具有注意的優(yōu)先性。說明刺激的特征維度數(shù)量與特征性質(zhì)相比在引導(dǎo)注意上具有優(yōu)先性。另一方面也說明在需要辨識圖形或者記憶視覺細(xì)節(jié)的情況下，比較視覺搜索任務(wù)仍遵循工作記憶最小化的原則。

4.3 視覺搜索策略

視覺搜索可以分為結(jié)構(gòu)性視覺搜索和非結(jié)構(gòu)性視覺搜索。Pomplun（2001）首次確定了比較視覺搜索任務(wù)范式，圖形間用直線連接且規(guī)定了從左到右、從上到下的搜索模式，屬于結(jié)構(gòu)性視覺搜索。通常情況下，搜索者會嚴(yán)格采用系統(tǒng)搜索策略在結(jié)構(gòu)性視覺條件下進(jìn)行搜索作業(yè)。本研究屬于非結(jié)構(gòu)性視覺搜索任務(wù) （也叫自由視覺搜索），要求被試注視屏幕的中心，當(dāng)圖片出現(xiàn)時(shí)開始搜索并作出判斷。組成圖片的圖形沒有固定的排列格式，且事先不規(guī)定搜索路徑。Drury（1978）研究發(fā)現(xiàn)在自由視覺搜索任務(wù)中，搜索者既可能采取隨機(jī)搜索策略，也可能采取系統(tǒng)搜索策略，通常是介于兩者之間。本研究結(jié)果發(fā)現(xiàn)95.7%的項(xiàng)目被試采用了從左到右、從上到下的系統(tǒng)搜索策略。4.3%的項(xiàng)目被試采用了隨機(jī)搜索策略 （如從下到上、從右到左），且多發(fā)生在搜索的早期階段。部分被試開始可能使用隨機(jī)搜索的策略進(jìn)行圖片間的比較，當(dāng)熟悉了搜索任務(wù)后，轉(zhuǎn)為采用系統(tǒng)的搜索方式。多數(shù)被試采用從圖片呈現(xiàn)到所有任務(wù)結(jié)束都采用系統(tǒng)搜索的策略，這可能與搜索習(xí)慣有關(guān)。

5 結(jié)論

本研究結(jié)果表明： （1）比較視覺搜索任務(wù)中圖形數(shù)量的增加并不影響比較視覺搜索策略，被試仍遵循工作記憶最小化原則； （2）不同的圖片中顏色和形狀都不同的目標(biāo)注視時(shí)間最短，顏色不同和形狀不同在目標(biāo)注視時(shí)間上差異不顯著； （3）事先不規(guī)定搜索路徑的情況下，被試主要采用系統(tǒng)搜索策略完成比較搜索任務(wù)。

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Minimal Use of Working Memory in a Comparative Search for Feature Differences

Su Juan1,2,Bai Xuejun1,Wang Chao3,Yin Guo′en1
(1 Academy of psychology and behavior,Tianjin normal university,Tianjin 300074;2 Institute of Mathematics and Statistics,Inner Mongolia of Finance and Economics University,Hohhot010070;3 Department of Psychology,Neuroscience and Behaviour,McMaster University,Canada)

We manipulated the display size and object identities to investigate whether the comparative search task follows minimal use of working memory and priority for processing features using eye tracking.The number of fixations per scene glance suggested that on average,1.65 objects per fixation were encoded and maintained in visual working memory despite increased display size.Fixation times were shorter for redundant trials than for color-only and shape-only trials,and no difference between color-only and shape-only trials.These results demonstrated that the number of features is of greater attentional priority than feature characteristics.Participants mostly used systematic search strategy to complete the tasks when they were provided no instruction regarding the visual-spatial processing strategy they were to employ.

comparative search task,minimal use of working memory,eye movement.

B842.3

2016-11-14

天津市高等學(xué)校心理健康與行為調(diào)控創(chuàng)新團(tuán)隊(duì) （39）、天津市科技計(jì)劃項(xiàng)目 （12ZCZDSF07100）和國家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（81471629）。

陰國恩，E-mail:yinguoen@mail.tjnu.edu.cn。