Name: 在受控实验室条件下呈现真实物体的方法 (视频) | JoVE Journal
Uploaded: 2019-06-21T14:30:00.000+00:00
Duration: 6 min 54 s
Description: 学习在受控实验室条件下呈现真实物体及其匹配二维图像的方法，用于决策任务研究。该方法有助于深入理解自然视觉中的感知、注意力和记忆机制。

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本研究获得了美国国立卫生研究院国家眼科研究所（NIH）资助号 R01EY026701、国家科学基金会（NSF）[资助号 1632849] 以及临床转化研究基础设施网络 [资助号 17-746Q-UNR-PG53-00] 向 J.C. Snow 提供的资助。本内容仅由作者负责，不一定代表 NIH、NSF 或 CTR-IN 的官方观点。

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作者无任何利益冲突需要披露。

本文的主要目标是通过提供在受控实验条件下呈现大量真实世界物体（及图像）的详细方法，促进未来对“真实世界”物体视觉的研究。我们提出了一种生态效度较高的方法，用于研究影响饮食选择和食物价值判断的因素。本文描述了近期一项人类决策研究7中所采用的实验方法，该研究考察了以真实物体形式呈现的零食与以二维图像形式呈现的零食在价值评估上是否存在差异。在我们的实验7中，饥饿的大学生对一系列日常零食进行货币出价。采用被试内设计，每位被试所看到的刺激中，一半以真实食物呈现，另一半则以高分辨率彩色二维照片呈现。真实食物与食物图像在表观大小、距离、背景、视角和照明条件上均进行了严格匹配。与以往研究7的重要区别在于，不同呈现方式下的环境条件和刺激呈现时间完全一致。实验过程中，使用定制的旋转平台装置对每种呈现方式中的试次顺序进行随机化。在测试开始前，参与者对60种不同的诱人零食（以图像形式呈现）进行偏好度和熟悉度评分。在主实验中，被试对这60种零食分别表明其支付意愿（WTP），这些零食以真实物体或二维图像的形式依次呈现。每种...

人类感知与认知领域基础研究的转化价值，取决于其研究结果在多大程度上可推广至真实世界中的刺激与情境。一个长期存在的问题是：大脑如何处理真实世界中的感官输入？目前，关于视觉认知的知识几乎完全建立在使用二维（2-D）图片作为刺激材料的研究基础之上，这些图片通常以计算机化图像的形式呈现。尽管在现代社会中，图像交互正变得越来越普遍，但人类本质上是主动的观察者，其视觉系统在进化过程中是为了感知和与真实物体互动，而非图像1。迄今为止，人类视觉研究中的普遍假设是：图像等同于真实物体，可作为真实物体展示的合适替代物。然而，目前我们却惊人地缺乏了解：图像是否能够有效触发与真实物体相同的潜在认知过程。因此，明确对图像的反应在多大程度上类似于或不同于其对应真实物体所引发的反应，具有重要意义。
真实物体与图像之间存在若干重要差异，这些差异可能导致大脑对这些刺激的处理方式不同。当我们用两只眼睛观察真实物体时，每只眼睛从略微不同的水平视角接收信息。这种不同图像之间的差异被称为双眼视差，大脑会将其整合，从而产生统一的深度感知2,3。来自立体视觉的深度线索，结合其他来源（如运动视差），向观察者精确传递关于物体的自我中心距离、位置、物理大小以及其三维（3-D）几何形状结构的信息4,5。物体的平面图像无法传递刺激物物理大小的信息，因为观察者只知道到显示器的距离，而不知道到物体本身的距离。尽管物体的三维图像（例如立体图）在视觉外观上更接近真实物体，但它们并不存在于三维空间中，也无法支持诸如用手抓握之类的真实运动操作6。
在实验环境中使用真实物体刺激的实际挑战 
与图像视觉研究中完全由计算机控制刺激呈现不同，使用真实物体会给实验者带来一系列实际困难。在整个实验过程中，物体呈现的位置、顺序和时间必须由人工手动控制。与使用图像不同，使用真实物体可能需要投入大量时间，因为需要收集7,8,9或制备10物体、在实验前设置刺激材料，并在研究过程中手动呈现物体。此外，在旨在直接比较对真实物体与图像反应的实验中，至关重要的是要尽可能使不同呈现方式下的刺激在外观上保持高度一致8,9。刺激参数、环境条件，以及真实物体与图像刺激的随机化和平衡设计，都必须严格控制，以分离出因果因素，并排除对观察结果的其他可能解释。
下文所述呈现真实物体（及匹配图像）的方法是在决策范式背景下进行描述的。然而，该通用方法也可进一步拓展，用于检验刺激格式是否会影响视觉认知的其他方面，如知觉、记忆或注意。
真实物体与图像的加工方式是否不同？来自决策研究的一个案例 
我们在现实场景中所接触的物体类型与实验室实验中研究的物体类型之间存在明显差异，这一点在人类决策研究中尤为突出。在大多数饮食选择研究中，参与者需要对以计算机屏幕上彩色二维图像形式呈现的零食进行判断11,12,13,14。相比之下，日常生活中关于进食选择的决策通常是在真实食物存在的情况下做出的，例如在超市或食堂。尽管在现代生活中我们经常接触到零食的图像（例如在广告牌、电视屏幕和在线平台上），但从进化角度来看，能够准确识别并适当响应真实高能量食物的存在可能具有适应性意义，因为它有助于促进生长、竞争优势和繁殖15,16,17。
在决策和饮食选择的科学研究中，研究成果已被用于指导旨在遏制肥胖率上升的公共卫生举措。然而，遗憾的是，这些举措似乎并未取得任何显著的可测量成效18,19,20,21。肥胖仍然是全球疾病负担的主要因素之一22，并与一系列相关健康问题密切相关，包括冠心病、痴呆、II型糖尿病、某些癌症以及总体发病率风险的增加22,23,24,25,26,27。近几十年来肥胖及相关健康状况的急剧上升28，被认为与廉价、高能量密度食品的广泛可得性有关18,29。因此，科学界对理解调控日常饮食决策的潜在认知与神经机制表现出浓厚的研究兴趣。
如果不同呈现形式的食物在大脑中的加工方式存在差异，这可能有助于解释为何公共健康领域对抗肥胖的措施一直未能取得成功。尽管如上所述，图像与真实物体之间存在差异，但令人惊讶的是，目前对于零食食物的图像是否与其真实对应物以相似的方式被加工，相关研究仍然十分有限。特别是，尚不清楚真实食物是否被认为比相同物品的图像具有更高的价值或更强的饱腹感。经典的早期行为学研究发现，幼儿能够在面对二维彩色零食图像时延迟满足30，但在面对真实零食时则无法做到31。然而，很少有研究探讨在成年人中，零食的呈现形式是否会影响其决策或价值判断12,32,33，迄今为止，仅有一项来自我们实验室的研究在刺激参数和环境因素跨形式匹配的条件下检验了这一问题7。本文中，我们介绍了一套创新的技术与装置，用于探究健康人类观察者的决策过程是否受到刺激呈现形式的影响。
我们的研究7受到Bushong及其同事12先前一项实验的启发，该实验要求大学生使用Becker-DeGroot-Marschak（BDM）出价任务34对一系列日常零食进行货币出价。Bushong及其同事12采用被试间设计，将零食以三种形式之一呈现：文字描述（例如“Snickers巧克力棒”）、二维彩色图像或真实食物。研究人员比较了三组参与者对零食的平均出价（以美元计）。令人意外的是，观看真实食物的学生愿意为这些物品支付的价格比仅看到相同刺激物的图像或文字描述的学生高出61%——作者将这一现象称为“真实暴露效应”12。然而关键的是，在文字和图像条件下，参与者在集体环境中完成出价任务，并通过个人计算机终端输入响应；相反，被分配到真实食物条件的参与者则与实验者一对一地完成任务。此外，真实食物与图像条件下的刺激物外观也存在差异：在真实食物条件下，食物被放置在银盘上呈现给观察者，而在图像条件下，刺激物则以裁剪缩放的形式呈现在黑色背景上。因此，参与者差异、环境条件或刺激物相关差异可能导致对真实食物的出价被高估。在Bushong等人12研究的基础上，我们考察了真实食物是否比食物的二维图像获得更高的估值，但关键在于，我们采用了被试内设计，严格控制了环境因素和刺激物相关变量。我们开发了一种定制设计的转盘装置，可在每次试验中随机交替呈现不同显示格式的刺激物。真实物体和图像试验中的刺激呈现方式和时间完全相同，从而降低了参与者在不同显示条件下采用不同策略完成任务的可能性。最后，我们严格控制了真实物体和图像条件下刺激物的外观，使真实食物与图像在表观大小、距离、视角和背景方面高度匹配。可能存在其他程序或机制可用于在试验间随机化刺激格式，但我们的方法能够以相对较快的速度连续交替呈现多种物体（及对应图像）。从统计学角度来看，这种设计比被试间设计更有利于检测到显著效应，具有更高的统计检验力。同样，结果也不会受到观察者之间支付意愿（WTP）先验差异的影响。当然，被试内设计确实存在引发需求特征的可能性。但在本研究中，参与者明确知道无论在出价任务中以何种显示格式出现，他们都有机会在实验结束时“赢得”某种食物。参与者还被告知，任意降低出价（例如针对图像）会减少他们赢得物品的机会，而赢得目标物品的最佳策略是报出自己真实的估值34,35,36。本实验的目的是使用BDM出价任务34,35比较人们对真实食物与二维图像的支付意愿（WTP）。

<table><tbody><tr><td>EOS Rebel T2i 机身相机</td><td>Canon&amp;nbsp;</td><td>4462B001</td><td></td></tr><tr><td>MATLAB</td><td>MathWorks&amp;nbsp;</td><td>R2017b</td><td>计算机编程软件。请下载此额外的免费工具箱：PsychToolbox 3.0.14</td></tr><tr><td>Photoshop</td><td>Adobe</td><td>CS6</td><td></td></tr><tr><td>PLATO 视觉遮蔽眼镜</td><td>Translucent Technologies Inc.&amp;nbsp;</td><td>不适用</td><td></td></tr><tr><td>SPSS</td><td>IBM</td><td>版本 22</td><td>统计分析软件</td></tr><tr><td>ToTaL Control 系统（USB）</td><td>Translucent Technologies Inc.&amp;nbsp;</td><td>不适用</td><td>ToTaL Control 系统&amp;nbsp;用于控制&amp;nbsp;PLATO&amp;nbsp;眼镜</td></tr></tbody></table>

在受控实验室条件下呈现真实世界物体的方法

Methods for Presenting Real-world Objects Under Controlled Laboratory Conditions

人类对物体视觉的认知几乎完全基于以计算机生成的二维（2-D）图像作为刺激物的研究。然而在日常生活中，人类主要与真实世界中的实体物体互动，而非图像。目前，我们尚不清楚物体图像是否能引发与真实物体相似的行为或神经活动。本文介绍将真实世界带入实验室的方法，详述了在严格控制的观察条件下呈现丰富且具有生态效度的真实世界刺激物的技术。我们描述了如何紧密匹配真实物体与其图像在视觉外观上的相似性，以及一种新颖的装置和实验流程，可用于在交替试次中依次呈现真实物体和计算机化图像。我们以决策范式为例，比较人们对真实零食与相同物品的二维图像的支付意愿（WTP）。结果显示，当食品以真实物体形式呈现时，其支付意愿比呈现为高分辨率二维彩色&#160;图像时高出6.6%，表明真实食物被认为比其图像更具价值。尽管在受控条件下呈现真实物体刺激对实验者存在若干实际挑战，但这一方法将从根本上拓展我们对自然视觉背后认知与神经机制的理解。

本实验的代表性结果如下所示。关于结果的更详细描述以及后续研究，可参见原始出版物7。我们采用线性混合效应模型进行分析，因变量为出价（Bid），自变量包括呈现形式（Display Format）、偏好（Preference）、热量密度（Caloric Density）和估计热量（Estimated Calories）。与预期一致，并且与以往研究结果相符12,14，偏好评分与出价之间存在显著的正相关关系（F(1,1655) = 1803.69, p &lt; .001），即偏好每增加一个单位，出价增加0.15美元（β = .15, t(1655) = 42.47, p &lt; .001; d = 8.03）。热量密度对出价也存在显著的主效应（F(1, 1649) = 6.87, p &lt; .01）。热量密度每增加一个单位，出价增加0...

我们描述了在严格控制的实验条件下呈现真实物体及其匹配图像的方法。这些方法是在决策任务的背景下进行阐述的，但相同的真实物体研究方法可扩展至其他认知领域，如感知、注意和记忆。

我们对人类物体视觉的认知几乎完全基于以计算机生成的二维图像形式呈现刺激材料的研究……

本文介绍了将现实世界引入实验室的方法，包括如何准备和呈现真实物体，并在严格控制的观察条件下匹配这些物体的二维图像。目前关于人类视觉的认知主要来源于依赖计算机生成的二维图像作为刺激材料的研究。然而，目前尚不清楚物体图像是否与真实世界中的实体物体触发类似的潜在认知和神经过程。尽管在实验环境中使用真实物体存在诸多实际挑战，但这种方法将有助于深入理解自然视觉背后的机制。本文将在决策情境中比较真实物体与图像视觉的差异。然而，该通用方法可拓展用于研究其他认知过程，例如感知、记忆或注意力。首先制作一个直径为两米的圆形木质转盘底座，底座中央设有一个带20个插槽的圆形核心。制作20个分隔板，并将每块分隔板插入转盘中央核心，形成20个单元格。将核心部件放置在可旋转的圆柱体顶部，以便于旋转。在转盘与受试者之间设置一个垂直隔板，并将隔板置于距离转盘26厘米的位置，以便在隔板后方放置一台LCD计算机显示器。在隔板上构建一个可调节宽度的开口，确保在最终装置中，受试者每次只能看到转盘上的一个物品。接下来，在转台和隔板之间放置一个滑动平台和受试者显示器，以实现显示格式条件之间的快速切换。为实验者显示器使用一个小桌子或架子。将键盘托架固定在转台底座上，用于放置鼠标，位置位于隔板开口的正下方。然后，在转盘两侧与墙壁之间安装一个帘子，以防止受试者在实验过程中看到刺激物和实验人员。转盘组装完毕后，准备60种常见的零食食品。打开每种食品的包装，将包装袋和部分食物一同放在一个盘子上。接下来，将一份食物放在转盘上，并准备拍摄转盘上的刺激物，使二维图像中的刺激物背景与真实食物相对应。为此，将相机固定在三脚架上，置于转盘边缘50厘米处。真实物体及其匹配的图像必须位于受试者可触及的范围内。最后，在保持测试室内照明光源不变的情况下，使用光圈和快门速度恒定的相机拍摄转盘上的真实食物。尽可能使不同显示格式之间的整体亮度、明暗分布和镜面高光相匹配。首先使用实验软件编写一个程序，以随机交替呈现真实食物和图像试验。在实验开始前，准备好脚本清单，列出需放置在转盘上的真实物品及其摆放顺序。然后，按正确顺序将真实物品放置在转盘上。将显示器放入观察孔中，并确保所有其他物品及实验人员均不在受试者的视线范围内。接下来，让受试者坐在距离转盘约50厘米的位置，并在测试室内播放白噪声。给受试者戴上遮蔽眼镜，确保其处于闭合不透光状态。查看实验者监视器，以确定即将进行的试验属于何种条件。在真实物体试验中，通过滑动平台将参与者的显示器从观察孔处移开，使参与者能够看到转盘上的真实物体。通过按键发出计算机指令，触发眼镜的开启与关闭，使转盘上的真实食物可见三秒钟。当眼镜关闭后，将参与者显示器重新移回观察孔前方，并按下按键打开眼镜，以便参与者做出反应。当参与者输入其响应后，自动关闭眼镜。然后，检查实验者监视器，准备下一个试验的刺激，并按下一个键以进入下一个试验。对于二维图像试验，将液晶显示器放置在观察孔径内。让显示器保持在观察孔位置，按下一个键以打开眼镜，使受试者能够做出反应。确保下一个刺激已准备就绪可供观看，然后按下一个键进入下一次试验。最后，测试完成后，感谢受试者参与本研究，并询问他们是否有关于该研究的任何问题。结果表明，货币出价与食物偏好评分之间存在显著的正相关关系，即越喜欢的食物，出价越高。重要的是，呈现方式具有显著的主效应，被试对真实食物的出价高于对其匹配的食物图片的出价。同样，出价与食物的实际热量密度之间也存在显著的正相关关系，即热量密度越高的食物，出价越高。有效显示格式与热量密度之间无显著交互作用。在每次试验中，应尽可能使真实物体与图像的外观以及事件发生的时间保持一致。未来的研究可通过在单眼观察条件下呈现真实物体来评估立体视觉的影响，或通过调节刺激物的可触及性来探究该效应的机制。例如，使用类似的方法，我们已经证明，真实物体比匹配的二维或三维图像更能吸引注意力，但这种效应仅在真实物体处于可触及范围内时才会出现。

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Research

科研

JoVE Journal

Behavior

行为

在受控实验室条件下呈现真实物体的方法

我们描述了一种用于创建具有精确特征变异的自然化三维物体及物体类别的新方法。我们利用形态发生和系统发育等生物过程的模拟，生成新颖且自然化的虚拟三维物体及物体类别，这些物体可进一步渲染为视觉图像或触觉物体。...

创建物体与物体类别以研究感知及感知学习

光悬浮是一种利用激光使微米级介电物体悬浮的方法。通过计算机和自动化系统，可以远程控制光悬浮实验。本文介绍了一套用于教学与科研的远程控制光悬浮系统。...

使用远程实验室进行带电液滴光悬浮的安全实验

本文介绍了一种构建自动装置的方案，该装置可引导猴子执行灵活的伸手抓握任务。该装置结合了三维平移装置和旋转台，能够在三维空间中的任意位置呈现多个物体。...

用于在三维工作空间中呈现可抓握物体的装置设计与使用

本方案提供了使用同一批大鼠进行四次重复的物体位置任务的详细步骤。弱编码和强编码可分别产生短期记忆和长期记忆。该方案通过重复设计提高了灵活性，对于涉及手术操作的研究而言，有助于节省时间和劳动力。...

使用物体位置任务的大鼠组内实验设计

本研究介绍了一种在线实验系统，该系统提供可视化实验，包括对理论、概念和公式的可视化，通过三维（3-D）虚拟试验装置对实验过程进行可视化，并利用图表和摄像头等控件对控制系统和监控系统进行可视化。...

面向工程教育与科研的交互式可视化在线实验系统

本研究展示了一种自然情境下的实验设置，该设置可使研究人员实时呈现动作刺激，在参与者每次刺激呈现后收集其反应时间和鼠标轨迹数据，并通过一套包含特殊透明有机发光二极管（OLED）屏幕和光线调控装置的独特系统，在不同实验条件下更换动作执行者。...

一种用于实验心理学与认知神经科学研究中呈现真实人物与实时行为的自然情境实验装置

本研究介绍了一种基于WebVR的在线虚拟现实（VR）实验室系统，该系统通过VR设备为用户提供沉浸式和交互式的实验功能。该系统不仅有助于增强用户参与在线实验的真实感，还可广泛适用于多种在线实验室框架。...

应用于控制工程教育的在线虚拟现实网络化控制实验室

为了模拟实验室环境，视觉任务的在线数据采集方法需要对刺激呈现进行严格控制。我们概述了使用网络应用程序收集两种视觉注意测试表现数据的方法。...

在线测试视觉注意力的方法

在实验室外无物理限制条件下监测大脑活动面临方法学上的挑战。本研究采用一种无线可穿戴式功能性近红外光谱成像（fNIRS）系统，在生态化前瞻性记忆任务期间测量大脑活动。结果表明，该系统可用于非实验室环境下的大脑活动监测实验。...

使用无光纤可穿戴式功能性近红外光谱技术监测真实世界认知任务中的大脑活动

开发用于实验小鼠的新优化策略是一项具有挑战性的任务，有助于实现3R原则。本方案将点击器训练作为一种认知丰富化项目引入实验小鼠的饲养管理中。...

将点击器训练引入作为实验小鼠的认知丰富化方法

学习在受控实验室条件下呈现真实物体及其匹配二维图像的方法，用于决策任务研究。该方法有助于深入理解自然视觉中的感知、注意力和记忆机制。

在受控实验室条件下呈现真实世界物体的方法

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