如何创建和使用双眼竞争

摘要

当双眼在同一位置接收到不同图像时，会发生双眼竞争：其中一个图像占主导地位，而另一个图像被抑制，且主导状态会周期性交替。双眼竞争可用于研究知觉选择和视觉意识。本文介绍了几种创建和使用双眼竞争刺激的简便方法。

摘要

我们的每只眼睛通常看到周围世界略有不同的图像。大脑能够将这两个图像合成为一个连贯统一的感知。然而，当两只眼睛接收到彼此差异足够大的图像时，会出现一种有趣的现象：大脑并不会将这两个图像融合为一个统一的意识感知，而是产生一种感知交替的模式，其中一个图像占据主导并被意识到，而另一个图像则被抑制；这种主导状态在两个图像之间交替出现，通常每几秒钟轮换一次。这种感知现象被称为双眼竞争。由于对每只眼睛输入的视觉刺激保持不变，却能引起视觉意识和感知的交替变化，因此双眼竞争被认为是在人类和动物模型中研究感知选择与意识的有用范式。要产生双眼竞争刺激，只需使每只眼睛在相同感知位置上看到不同的图像即可。实现这一目标的方法有多种，但初涉该领域的研究者往往不确定哪种方法最适合自己特定的研究需求。本文旨在介绍几种经济且简便的方法来创建和使用双眼竞争范式。我们将详细描述这些无需昂贵专用设备的方法，并说明每种方法的优缺点。所介绍的方法包括使用红-蓝眼镜、镜面立体镜以及棱镜眼镜。

方案

(1) 引言：什么是双眼竞争？

正常情况下，我们的每只眼睛看到的图像略有不同。大脑会整合来自双眼的信息，从而形成一个连贯的、三维的视觉场景。但如果人为地在两只眼睛的视网膜对应位置呈现完全无法调和的不同图像，会发生什么情况？这种刺激会引发怎样的意识感知体验？许多人的直觉认为，大脑仍会试图将这两个图像融合。然而事实并非如此。实际发生的情况是一种感知交替现象：在一段时间内，一只眼睛的图像占据主导地位并进入意识感知，而另一只眼睛的图像则被抑制；随后主导与抑制状态会周期性地相互转换，其间仅有短暂的混合感知阶段。这种现象被称为双眼竞争。

双眼竞争被认为是研究感知选择和视觉意识背后机制的一种有用方法，因为稳定的输入（即持续向每只眼睛呈现相同的图像）会导致交替的意识感知^1,2。因此，可以通过双眼竞争来探讨如下问题：

1. 意识的神经定位：在视觉加工层级的哪些阶段，神经活动与意识体验相关联？
2. 知觉选择：大脑如何解决不同刺激之间的竞争，并选择将哪一个带入意识？
3. 无意识加工：一个被抑制而无法进入意识的图像，其哪些方面仍可被加工，以及此类加工如何影响行为？

这些问题正是当前大量研究关注的焦点。
创建双眼竞争显示有多种简单方法，但该领域的许多初学者不确定如何选择并使用最适合其需求的方法。在本文中，我们概述了制作双眼竞争显示的一些最常用方法，包括每种方法的优点与局限性。我们还描述了在创建和使用双眼竞争刺激时需要注意的一些重要事项。

(2) 创建双眼竞争显示

创建双眼竞争显示非常简单。任何将完全不同图像呈现至两眼视网膜对应位置的方法都会引发竞争。

1. 维持稳定的辐辏：在介绍产生竞争的具体方法之前，有必要指出稳定辐辏这一重要问题，该问题在下文所述的所有方法中均需重点考虑。
   正常情况下，我们的眼睛会进行转动（即辐辏运动），使同一注视图像落在每只眼的中央凹上。然而，成功的辐辏依赖于双眼看到相同的内容。如果每只眼被呈现完全不同的图像，辐辏将受到干扰，因为大脑无法获得足够的信息来确定正确的辐辏角度。这可能会破坏双眼竞争，导致两个图像无法落在视网膜对应的位置上。因此，除了不同的图像外，显示内容中还应包含双眼相同的元素。这些共有元素可使眼睛在竞争图像存在差异的情况下仍能维持稳定的注视。
   1. 通常，用于稳定辐辏的相同元素包括位于竞争图像中央的注视点以及环绕图像的边框；边框可以是均匀的（图1A），也可以是有纹理的（图1B；一些研究者认为有纹理的边框更能有效防止非辐辏性的眼球运动）。边框可采用任意形状，只要在两只眼中完全相同即可。
   2. 水平方向的非相关眼球运动比垂直方向更常见。因此，可在每个图像两侧使用有纹理的竖条代替完整的边框（图1C；参考文献^3,4）。
   3. 最后，在某些研究中可能不希望使用边框（例如，当实验要求刺激呈现在均匀背景上时）。在这种情况下，可以使用非ius线（从多个方向指向图像中心的线条）和/或位于刺激更外围的图像，例如飞镖盘环（图1D；参考文献⁵）。
      
      
      图1：不同类型的共有元素增强稳定辐辏的双眼竞争显示示例。所有图中，左眼呈现垂直光栅，右眼呈现水平光栅。不同类型的共有元素包括：（A）注视点和实线边框。还显示了意识感知交替的时间线；（B）注视点和有纹理的边框；（C）注视点和有纹理的竖条，以减少非辐辏性的水平眼球运动；（D）注视点、非ius线和飞镖盘环。
      
      
2. 诱导双眼竞争的方法：目前有几种常用的方法可用于创建双眼竞争显示。本文将介绍三种成本低廉且操作简便的选项：使用彩色眼镜、镜面立体镜和棱镜眼镜。
   1. 红-蓝眼镜：这是一种广受欢迎的方法，因其实施最简单且成本最低，受到许多研究者的青睐。所需仅是一副红-蓝赛璐玢眼镜，可在大多数玩具店购得（本文说明将以红-蓝眼镜为例，尽管也可使用其他颜色组合，如红-绿）。
      1. 使用该方法的主要工作在于刺激准备。刺激无需一定呈现在计算机屏幕上（一些双眼竞争研究使用印在纸板上的打印图像），但通常最简便的方式是在显示器上呈现图像。准备一幅仅由显示器的蓝色电子枪（或打印机的蓝色墨盒，若刺激为纸质打印）显示的图像，以及另一幅在同一屏幕位置仅由红色电子枪（或红色墨盒）显示的图像（例如参考文献⁷）。每种镜片仅允许通过其中一幅图像，因此两幅不同图像将落在双眼视网膜的对应位置上并开始相互竞争（图2）。
         
         
         图2：红-蓝眼镜显示。图像由仅含红色的人脸图像和仅含蓝色的房屋图像组成。通过红-蓝眼镜观察时（此处为示意图表示），两幅图像应发生竞争。
         
         
      2. 需注意，两幅图像应包含相同的信息——例如边框和注视十字——尽管刺激在物理上重叠，仍必须确保稳定的辐辏（见上文）。这些共有元素应使用两种镜片均能透过的颜色，例如黑色。
      3. 使用红-蓝眼镜的主要优缺点。
         优点：
         1. 设备成本极低，刺激准备非常简便。
         2. 红-蓝眼镜可轻松与所有神经影像方法（包括MRI）结合使用。
         3. 使用红-蓝眼镜无需固定头部，也无需为每位观察者单独调整观察装置。
         缺点：
         1. 每幅图像只能包含单一颜色的色调——无法呈现彩色（多色）刺激。
         2. 镜片并非完全理想（即使比玩具店出售的镜片昂贵得多的镜片，其透过的光波长范围仍会略有重叠）；因此总会存在一定程度的“串色”——每只眼会看到部分另一只眼的图像。这使得声称被抑制图像完全未被感知变得困难。
         3. 红-蓝眼镜与大多数当前的眼动仪配合效果不佳。
   2. 镜面立体镜：可通过简单设置镜子，将不同图像分别传递至观察者的每只眼。
      1. 刺激：准备两幅具有某些相同元素的不同图像（以维持稳定辐辏，如上所述）。与红-蓝眼镜类似，刺激无需一定呈现在计算机屏幕上，但通常最简便的方法是将图像并排呈现在显示器上。
      2. 镜面立体镜由四面镜子组成（图3A）。可购买商业生产的立体镜，也可自行构建。构建方法为：将两面镜子分别置于靠近每只眼的位置，并与该眼的视线成45°角（使用下颌托以固定观察者头部位置）；在前两面镜子的每一侧再各放置一面镜子，使其与刺激呈45°角（图3B）。此设置可使每幅图像落在每只眼视网膜的对应位置上。此时，两幅不相似的图像应开始相互竞争。
      3. 每位观察者的眼睛略有差异，因此在将观察者置于显示装置前时，可能需要调整镜子的角度以实现稳定辐辏。尽管大多数镜面立体镜在镜子固定时即可正常工作，但允许镜子旋转和/或前后滑动（图3B中的蓝色箭头）可增强对每位观察者眼睛的适应性。
         
         
         图3：镜面立体镜。（A）观察者通过商用镜面立体镜观察。（B）镜面立体镜的示意图。实线代表镜子，虚线代表视线，蓝色箭头代表镜子位置（直箭头）或角度（弯箭头）的可能调整。为简化起见，每种箭头仅在一侧显示，但两侧均可进行相同调整。
         
         
      4. 使用镜面立体镜时，必须确保每只眼只能看到其对应的图像，且该图像仅在与另一图像发生竞争的位置可见。然而，在许多情况下，每只眼也可能直接看到另一眼的图像（图4A）。为阻断这条非期望的视线，可在立体镜中线处、观察者双眼之间，向显示中心延伸一个隔板（例如硬纸板），使其阻挡对另一眼刺激的视线（图4B）。隔板可由任何材料制成，只要能实现此功能即可。但建议使用哑光材料，因为反光材料会反射显示器发出的光，造成眩光。
         
         
         图4：阻断对另一眼刺激的视线。每只眼可能清晰地看到为另一眼设计的刺激。（A）粗黑虚线代表每只眼对其应有刺激的视线，细灰虚线代表对另一眼刺激的视线。（B）可通过隔板（粗实线）阻断对另一眼刺激的视线。
         
         
      5. 可能出现的另一个问题是，每只眼可能通过镜子和直接路径两次看到其应看到的图像（图5A）。这将导致每个刺激在竞争发生位置旁额外出现一个图像。为避免此问题，可调整图像位置与观察者距屏幕距离之间的关系（图5B）。
         
         
         图5：确保每只眼仅有一条通向其刺激的视线。（A）除通过镜子的视线（粗黑虚线）外，每只眼可能还有一条直接通向其目标刺激的视线（细灰虚线），导致刺激被看到两次。（B）通过调整立体镜的相对位置和刺激的放置可避免此问题。
         
         
      6. 为在实验开始前完成上述调整，可准备一幅仅显示两幅图像共有部分的图像，并在呈现竞争刺激前用于为每位观察者设置立体镜。
      7. 使用镜面立体镜的主要优缺点。
         优点：
         1. 独立图像允许使用彩色（多色）刺激。
         2. 图像完全分离，不会像红-蓝眼镜那样“相互串色”。
         3. 刺激准备简便——任何两幅并排呈现的图像均可发生竞争。
         4. 立体镜可与眼动追踪技术结合使用。
         缺点：
         1. 立体镜仅允许呈现相对较小的刺激，因为每幅图像只能使用半个视野，且维持稳定辐辏的需求使得难以呈现超过几个视觉角度的刺激。
         2. 立体镜难以在MRI扫描仪中使用，因为其所有部件必须为非磁性材料，且设置还需考虑扫描仪中通常用于观察刺激的镜子的额外倾斜角度。镜面立体镜在狭小的扫描仪环境中也可能过大。然而，立体镜可与EEG、MEG和NIRS等其他方法兼容。
         3. 立体镜需要固定头部，并为每位观察者单独调整。
   3. 棱镜眼镜：这是立体镜概念的一种变体，使用镜片为棱镜而非镜子的眼镜。与镜面立体镜类似，图像并排呈现（通常在显示器上）。
      1. 棱镜镜片可从任何商业光学供应商处购买，通常配有塑料镜架。
      2. 每个棱镜会弯曲光线，使侧边的物体看起来位于正前方（图6）。两个方向相反的棱镜作用与镜面立体镜相同——它们创造出一种错觉，使实际上并排的两幅图像在空间上重叠⁶。
         
         
         图6：棱镜眼镜。每个棱镜镜片弯曲光线，使物理上并排的刺激看起来位于同一空间位置。注意需要使用隔板以防止额外的视线。
         
         
      3. 使用棱镜眼镜时仍需使用隔板（见图4），因为每只眼可能看到另一只眼的图像。但无需像镜面立体镜那样（见图5）调整显示的距离和大小，因为每幅图像到每只眼仅有一条视线。
      4. 棱镜眼镜的优缺点与镜面立体镜相似，但有一个重大区别：棱镜眼镜易于在MRI扫描仪中使用，因为眼镜和镜片可由塑料制成，且比镜面立体镜更紧凑。
         优点：
         1. 独立图像允许使用彩色（多色）刺激。
         2. 图像完全分离，不会“相互串色”（与红-蓝眼镜不同）。
         3. 刺激准备简便——任何两幅并排呈现的图像均可发生竞争。
         4. 棱镜眼镜可轻松用于MRI扫描仪。
         5. 棱镜眼镜可与眼动追踪技术结合使用（尽管由于镜片对瞳孔图像的畸变，眼动仪校准可能较困难）。
         缺点：
         1. 棱镜眼镜仅允许呈现相对较小的刺激，因为每幅图像只能使用半个视野，且维持稳定辐辏的需求使得难以呈现超过几个视觉角度的刺激。
         2. 对于大尺寸刺激或远离注视点呈现的刺激，棱镜呈现可能导致图像畸变。
         3. 棱镜眼镜需要固定头部。
   4. 其他方法（本文不详细讨论）可能需要昂贵的专用设备。这些方法包括：
      1. 快门眼镜：这是液晶眼镜，其每片镜片可独立变为不透明。通过快速交替镜片的不透明状态，并与显示器上同一位置交替呈现的图像同步，可产生双眼竞争。
      2. 显示眼镜：每只目镜配备独立的显示屏。通过在每个屏幕的同一位置显示不同图像，可产生双眼竞争。

(3) 代表性结果 A：创建双眼竞争显示时的注意事项

该领域内的许多出版物面向的读者群体已对双眼竞争现象非常熟悉，因此这些论文通常不会详述与竞争体验相关的某些细节。这对于初学者而言可能造成误解。因此，本文将明确描述双眼竞争的一些特征。

1. 抑制不完全：在涉及对比度大致相等图像的普通双眼竞争中，抑制通常并非完全彻底。被抑制的图像往往仍能部分可见。
   1. 片段式竞争：抑制不完全可能表现为被抑制图像的小区域暂时占据主导地位，这种现象称为“片段式竞争”（图7；参考文献⁸），其发生概率通常随竞争图像尺寸增大而增加。在此类情况下，观察者通常根据哪个图像的主导区域总和覆盖面积更大来报告其主导性。此时，判断图像主导性的标准在不同观察者之间可能存在显著差异。避免片段式竞争的最佳方法是使用较小的刺激（例如，视觉角度不超过1°）。
      
      
      图7：片段式竞争。在某些情况下，一个刺激在图像的部分区域占据主导，而另一个刺激在其他区域占据主导。此类片段式竞争可能作为某一刺激完全主导期间的过渡阶段出现，也可能持续存在，使得两个刺激均无法完全占据主导。
      
      
   2. 表观对比度降低：被抑制的图像有时也被报告为并非完全不可见，而仅仅是显得对比度降低。尽管有观点认为在视觉视野中的任意一点上仅能有一个图像占据主导⁹，但这些点可能足够小，从而整体上仍会产生看到完整但“较弱”版本被抑制图像的感觉。对于相同的竞争显示，某些观察者可能出现表观对比度降低，而另一些则不会。
   3. 后像效应：在某些情况下，被抑制眼所呈现的刺激可能形成后像。为避免此现象，在刺激呈现结束后可使用单眼掩蔽。或者，对于光栅刺激，可通过快速改变光栅相位（明暗线条的位置），随机变化或使光栅移动，以防止后像形成。
   4. 完全抑制的独立验证：鉴于上述三点，显然不能假设被抑制图像完全不可见。若需声明被抑制刺激不可见（例如，用于论证无意识加工的发生），则必须独立验证观察者确实无法看到被抑制图像。为此，应在每次试验后使用迫选问题（例如，“以下两张图像中哪一张刚刚出现过？”），以证明其正确率处于随机水平^3,4。由于即使在缺乏意识的情况下也可能出现高于随机水平的表现（例如，盲视现象，参考文献¹⁰），理想情况下还应采用额外测量手段，如置信度评分¹¹或准确性押注¹²。
2. 确保完全抑制：如果研究问题关注的是某种特定操作如何影响主导与抑制的持续时间，则前述类型的双眼竞争最为合适。然而，许多研究人员更关注被抑制图像内容是否能够被加工处理，而非主导与抑制的持续时间。如前所述，普通双眼竞争难以确保完全抑制。因此，针对涉及被抑制图像加工的研究问题，应采用一种更强形式的竞争，即连续闪现抑制（CFS）¹³。
   1. 构建CFS刺激的方法是：向一只眼呈现一个相对低对比度（但仍可见）的图像，作为被抑制图像；向另一只眼呈现一个高对比度、快速变化的图像，作为主导的CFS掩蔽刺激。为达到最大效果，CFS掩蔽刺激的变化频率应为10–20 Hz。
   2. CFS可采用上述所有构建竞争的方法实现。使用镜面立体镜或棱镜护目镜时，由许多小的彩色元素（“蒙德里安图案”）组成的CFS掩蔽刺激非常有效（图8）。使用红蓝护目镜时，CFS掩蔽刺激可由多个同色元素（矩形、椭圆、线条、点）组成¹⁴。
      
      
      图8：连续闪现抑制（CFS）。一只眼（此处为右眼）呈现高对比度动态刺激。在此示例中，该刺激由多种颜色的矩形组成（“蒙德里安”图案；为确保抑制效果，应以10–20 Hz的频率交替显示不同此类图像）。另一只眼则呈现低对比度图像，该图像可被长时间抑制（数分钟）。
      
      
   3. CFS可将较弱图像完全抑制很长时间（数分钟）。需注意，即使如此，被抑制图像仍可能偶尔“突破抑制”，尤其是当其为有意义的图像（如人脸）时。因此，务必在实验开始前调整被抑制图像的对比度，以最大化实现完全抑制的可能性。
   4. 如上文所述（代表性结果A：抑制不完全），为在CFS中得出关于被抑制图像无意识加工的结论，必须独立验证当询问观察者被抑制眼所呈现内容时，其回答正确率处于随机水平。
3. 竞争交替的体验：大多数关于竞争的已发表研究仅报告主导与抑制的持续时间，给人以主导与被抑制图像之间的交替是即时、全或无事件的印象。但事实并非如此：交替通常是渐进的，且可能相当缓慢，意味着相当一部分观察时间可能处于“混合”阶段。混合阶段的具体形式在不同观察者及不同刺激之间有所差异。以下是两种常见形式。
   1. 混合阶段可能表现为被抑制图像通过刺激区域内主导区域数量逐渐增加而逐步占据主导（即片段式竞争，参见代表性结果A：抑制不完全）。
   2. 混合阶段也可能表现为优势“波”在整个图像上蔓延。为诱导此类优势波，可在被抑制图像的特定区域引入对比度增强（图9；参考文献¹⁵）。
      
      
      图9：优势传播波。当两个图像之一被抑制时，提高其某一局部区域的对比度，将引发优势从该区域向外扩散的波。在如图所示的环形图像中，优势将沿蓝色箭头所示方向传播。需注意，一旦引入对比度增强，即使随后对比度恢复至原始低水平，优势波仍可被触发。
      
      

(4) 代表性结果 B：双眼竞争中主导相的持续时间

双眼竞争的交替以随机的、相互独立的持续时间间隔发生。这意味着上一次主导阶段的持续时间无法预测下一次主导阶段将持续多久。如果将主导持续时间划分为等宽的时间区间（例如 500 毫秒），则表示每种长度的主导持续时间出现次数的直方图通常能很好地拟合一种称为伽马函数的偏态分布⁸。

通常情况下，实验操控对竞争持续时间的影响往往体现在最佳拟合伽马函数的形状上，这意味着在每种条件下会出现许多不同的主导持续时间，但这些持续时间出现的概率可能会因实验操控而改变。

对于同一刺激，不同观察者的最优伽马函数的具体参数存在差异（图10A），而对于同一观察者，不同刺激的最优伽马函数参数也有所不同。

已知两个图像的低级特征等因素会影响它们在主导期和抑制期的相对持续时间¹。例如，如果两个图像的对比度不同，通常情况下，对比度较高的图像将具有更长的主导持续时间，从而导致拟合的伽马分布中位数更大（图10B）。高级认知功能（例如对其中一个图像的注意力）对竞争中主导持续时间的影响仍存在争议¹⁶。

可以将伽马函数的参数作为实验中的因变量使用，但这些参数与分布形态之间的关系并不直观。因此，许多研究者更倾向于使用更易理解的集中趋势度量。由于伽马分布可能具有高度偏态，中位数持续时间往往比均值更能代表结果。在使用非高斯分布的中位数时还意味着，除非数据点数量足够多，否则应采用非参数统计检验方法。

图 10：优势持续时间的伽马分布。直方图表示分组的优势持续时间，曲线表示对每种颜色数据拟合最佳的伽马分布。相同的分布可说明两种不同可能的测量结果：（A）两名不同观察者对相同刺激的优势持续时间；或（B）不同刺激特征对优势持续时间的影响。本例中，红色边框的光栅具有更高对比度，导致更长的优势持续时间，因而其伽马分布的中位数更高。

讨论

我们已经描述了双眼竞争的性质、产生它的几种方法，以及使用它时必须考虑的因素。正如引言中详细所述，恰当地使用双眼竞争使得研究者能够通过实验来探讨意识、知觉选择和无意识加工的神经机制（或相关脑区）。然而，要正确开展此类研究，必须注意一些问题，例如维持稳定辐辏的重要性；如果研究无意识加工，则必须使用可能产生完全抑制的视觉刺激显示方式。

在选择用于产生竞争的方法时，必须考虑每种方法的优缺点。例如，如果需要使用多色刺激材料，则使用红蓝眼镜毫无意义；但另一方面，这种方法可能是最易于在磁共振成像（MRI）扫描仪中使用的方法。同样，镜像立体镜是一种非常可靠的确保不同图像落在对应视网膜位置的方法；但每位观察者均需单独调整，且将立体镜安装到MRI扫描仪中存在技术困难，这可能使该方法在某些研究中不具吸引力。

最后，为了采用适当的因变量测量方法，了解双眼竞争体验的特征非常重要。当研究问题涉及无意识加工时，必须独立验证参与者确实没有意识到被抑制的图像。当研究关注实验操纵如何影响主导和抑制持续时间时，相比于仅分析平均值或中位数等集中趋势指标，考察持续时间的（伽马分布形状的）分布特征可能提供更深入的见解；同时，明确观察者经历的是 abrupt（ sharp）还是渐进（piecemeal 或 wave-like）的主导转换过程也至关重要。

我们希望有意采用这一有趣现象的研究人员会发现本介绍有所帮助。

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
镜像立体镜
棱镜护目镜
红-蓝或红-绿赛璐珞护目镜
计算机显示器（可选）