测量有无立体视觉线索时对视角变化的敏感性

摘要

我们讨论一种用于视觉刺激视点旋转的新方法，并通过镜面立体镜演示深度旋转的三维感知。该技术可用于研究立体视觉线索在编码视点旋转图形中的作用。

摘要

视角的变化会损害物体识别的速度和准确性，表明人类观察者对该变换具有敏感性。本文讨论一种用于模拟物体在深度方向旋转后外观的新方法，并阐述透视投影与正交投影之间的差异。接下来，我们描述一种测量人类对深度方向旋转敏感性的方法。最后，我们介绍一种能够产生三维深度旋转 vivid 感知的装置——惠斯通八镜立体镜。通过这些内容，我们揭示了一种评估立体视觉线索在区分视角旋转的形状与物体中所起作用的方法。

引言

大量研究表明，视角的变化会降低物体识别的速度和准确性^1-7例如，当面部处于正面对称平面时，人脸识别效果最佳， 即 "正面"，并且当面部从正对观察者的平行平面逐渐向深度方向旋转时，识别准确率会系统性下降。视角的变化可能源于观察者自身移动，或被观察物体的移动。重要的是，当向观察者提供立体视觉线索时，视角变化带来的识别代价通常会降低^1-4,6,8然而，区分三维物体与平面物体的旋转至关重要。前者在旋转过程中可能展现出新的纹理或结构信息，而平面物体则不会出现这种情况。本文讨论了一种用于模拟平面形状和物体在深度方向旋转（rotation-in-depth, RID）后外观表现的方法。我们描述了一种装置，该装置基于惠斯通镜式立体镜（Wheatstone mirror stereoscope），可将RID图像的二维投影转化为生动的三维（three-dimensional）RID知觉。⁹最后，我们报告了一种心理物理学方法，用于确定立体视觉（3D）线索是否会影响我们对视点变化的敏感性。 视频 1 演示形状的外观如何因视点变化/RID 而发生改变。

模拟视点变化

当一个物体受到相对图像变形（RID）时，其本身的身份或形状当然不会发生物理变化。但从观察者的角度来看，其形状确实发生了改变。例如，当....

方案

1. 预筛选

1. 测试前，须从每位参与者处获得书面知情同意。
2. 询问受试者是否具有正常视力或矫正至正常的视力（即 眼镜）。
3. 使用简易手持式立体视检测工具验证受试者的立体视锐度。

2. 在立体镜中实现双眼融合

1. 让受试者坐在镜子立体镜前的桌旁，并调整椅子高度以确保舒适。
2. 关闭灯光，使受试者暗适应至少 3 分钟。视觉系统在适应当前光照条件后表现最佳。
3. 让受试者通过立体镜观察。他们将看到显示器上每只眼睛各有一个十字。受试者必须调整固视十字的水平位置，直到视野中央仅看到一个十字为止。如果看到两个 十字，则说明分离不正确，需要进行水平调节。目标刺激在显示时以十字为中心，此步骤可确保在正确距离上实现视觉融合。
4. 受试者现在已准备好开始实验。

3. 观察者的任务说明

1. "在每次试验中，您将看到两条具有深度旋转（RID）的曲线。您需要判断哪一条曲线的深度旋转程度更大，即哪一条曲线相对于您的视角旋转得更远。如果第一条刺激的深度旋转更大，请按鼠标左键；如果第二条曲线的深度旋转更大，请按鼠标右键。"
2. "这是一个强制选择任务，必须对前一次试验作出反应后，才会开始下一次试验。"

结果

图4展示了此类实验获得的示例结果。每个图的y轴表示受试者选择测试图案具有更高相对倾斜度（RID）的比例。该数值以比例形式呈现，而非选择次数的绝对值。x轴表示测试图案的实际相对倾斜度（RID）；需注意，此处参考图案的RID保持恒定在45°。数据点代表在一系列不同实际RID条件下，受试者判断测试图案具有更高RID的选择比例。计算机仅记录测试图案被选为具有更高RID的次数；这意味着“理想”观察者的数据应在0到1之间：当测试图案的RID小于参考图案时，从不选择测试图案（值为0）；当测试图案的RID大于参考图案时，始终选择测试图案（值为1）。

根据绘制的这些数据，我们可以确定观察者对相对内倾角（RID）变化的敏感性。为此，我们使用统计软件包将数据拟合到累积高斯函数（见材料部分）。该拟合可用来估计观察者判断RID的精确度或敏感性。从图中每幅子图中实线的陡峭程度可以明显看出，观察者对RID角度的变化高度敏感。这表明观察者对平面物体（此处为一条弯曲轮廓）的RID操控极为敏感。然而，在我们的实验范式中，我们还选择比较两种条件下的表现.......

讨论

本文所讨论的方法可供任何希望研究与视角旋转物体的辨别和/或识别相关问题的研究人员使用。重要的是，透视投影方法不仅限于本文所展示的刺激材料，而是可广泛应用于从线条到复杂物体图片等多种实验刺激。我们的引言部分介绍了如何使用自定义软件或MATLAB等库函数软件来实现这种转换。

人们对于如何在不同视角下识别物体具有浓厚的兴趣。需要注意的是，有多种方法可以模拟表面和物体三维结构与方向的变化，包括利用明暗或亮度变化^6,14以及遮挡¹¹。事实上，视角的变化通常与这些属性的变化相关联，因此未来的研究必须分别以及联合考察不同类型线索所起的作用。我们的方法为实现这一目标提供了一种途径。

我们的方法对视觉感知和认知领域以外的研究人员也具有应用前景。例如，研究人员已开始探讨视点变化对多种不同行为维度的影响，包括对姿势摇摆¹⁵的影响，以及对计算机显示屏上呈现材料的阅读过程的影响¹⁶。本方法提供了一种在这些任务中控制呈现给观察者的二维和三维信息的手段，有助于更深入地理.......

材料

本文使用的材料清单

姓名	公司	目录编号	评论
立体视觉测试	http://www.stereooptical.com/products/stereotests	Titmus 立体蝇测试	手持式测试设备
预制立体设备	http://www.stereoaids.com.au	预制立体镜	适用于台式机和笔记本电脑
镜面立体镜	定制；或 Edmundoptics	8 面镜立体镜	www.edmundoptics.com
显卡	NVidia		推荐使用 NVidia 或 ATI
实验控制软件	MATLAB		推荐使用 MATLAB、Python、C++、Visual Basic
实验控制软件	Psychtoolbox.org	Psychtoolbox	可免费下载，但需配合 MATLAB 使用
统计分析软件	Graphpad	Prism V5	http://www.graphpad.com/
统计分析软件	Palamedes	心理物理学指南	http://www.palamedestoolbox.org
3D 投影技术文档	Wikipedia		http://zh.wikipedia.org/wiki/3D投影