优秀作业 | 离心率和刺激排列方向对视觉拥挤效应的影响

博雅哥今天给大家带来的是本学期核心通识课程“实验心理学”课上的优秀实验研究报告，作者是心理与认知科学学院的沙廷珺。

在本实验中，沙廷珺所在的小组通过拥挤指数与阈值两个衡量指标探究了离心率和刺激排列方向对视觉拥挤效应的影响。实验结果表明，在同一刺激排列方向条件下，离心率越大则拥挤效应越大；视觉刺激水平排列条件下的拥挤效应显著大于竖直条件。根据现有的研究成果，实验小组对实验结果作出了多种可能的分析与解释，并对实验中潜在的影响因素作了归纳与概括。

Vol.886

通识联播

离心率和刺激排列方向对视觉拥挤效应的影响

沙廷珺 | 心理与认知科学学院

摘要：视觉拥挤效应是指个体对外周视野内目标刺激的识别受到包围该刺激的无关刺激干扰的现象。为探究离心率和刺激排列方向对拥挤效应大小的影响，本实验基于经典的拥挤效应研究范式，采用2×2(离心率×刺激排列方向)混合设计，以拥挤指数作为衡量拥挤效应的指标。结果显示，在同一刺激排列方向条件下，离心率越大则拥挤效应越大；视觉刺激水平排列条件下的拥挤效应显著大于竖直条件。

关键词：视觉拥挤效应；离心率；刺激排列方向。

一

前言

视觉拥挤效应(visual crowding effect)是指个体对外周视野内目标刺激的识别受到包围该刺激的无关刺激干扰的现象(Pelli et al., 2007)，是客体识别(object recognition)的一个重要障碍。

对视觉拥挤效应的研究最早可追溯到1963年Flom等人的实验，他们将不同朝向的字母C作为目标刺激(target)，将条状边界或同样大小、朝向随机的字母C作为旁侧刺激(flanker)，通过要求被试判断字母C的缺口方向探究拥挤效应(Flom, Heath, & Takahashi, 1963)。经过改进的研究拥挤效应的经典实验范式则是，在屏幕中央呈现黑色十字注视点，并使目标刺激处于两个旁侧刺激之间，被试在判别目标刺激时须用周边视野观察。这是由于对普通人而言，其周边视野更容易受拥挤效应的影响，中央视野则基本不受影响(Levi, 2008)。

关于该效应，研究者提出许多不同的理论试图解释其产生的神经机制，其中主要包括两类假设。第一类假设侧重于特征加工，认为拥挤效应是发生在刺激特征加工整合阶段的干扰效应，包括错误整合模型(Pelli, Palomares & Majaj, 2004)和量化模型(Van den Berg, Roerdink & Cornelissen, 2010)等；第二类假设则认为刺激的特征间并未产生干扰，拥挤效应发生在特征加工之外的注意阶段或决策阶段，包括强制平均模型(Parkes et al., 2001)和注意分辨率不足假说(He, Cavanagh & Intriligator, 1996)等。

视觉拥挤效应的大小则主要通过临界间距(critical spacing)和强度(strength)这两个重要参数量化。其中，临界间距是指个体刚刚能分辨目标刺激时，目标刺激中心和旁侧刺激中心之间的距离。临界间距越大，对目标刺激的判断受旁侧刺激的影响就越小，这说明对应条件下的拥挤效应越弱。强度则是指个体识别目标刺激的正确率，或呈现旁侧刺激所导致的识别目标刺激的阈值提升程度(Levi & Carney, 2009)，其中拥挤指数(crowding index, CI)是衡量强度的常用指标。

许多后续研究都探究了影响视觉拥挤效应的因素，其中离心率和刺激排列方向的影响较为重要。Bouma(1970)发现视觉拥挤效应随离心率(eccentricity)的增大而愈发明显，由此提出Bouma定律，即临界间距大小与目标刺激的离心率成比例，而与目标刺激大小、刺激类别等无关(Pelli & Tillman, 2008)。刺激排列方向对视觉拥挤效应的影响则体现在其各向异性(anisotropy)上，以注视点为中心，径向分布的旁侧刺激比切向分布的旁侧刺激产生的拥挤效应更强。即当目标刺激与旁侧刺激水平排列时，其产生的拥挤效应比目标刺激与旁侧刺激竖直排列时更强(Feng, Jiang & He, 2015)。此外，刺激的相似性(Põder, 2007)、刺激间距离(Pellii & Tillman, 2008)、干扰刺激的大小与数量(Levi & Carney, 2009)等因素也对视觉拥挤效应有影响。

为探究离心率和刺激排列方向对拥挤效应大小的影响，本实验基于经典的拥挤效应实验范式，采取2×2(离心率×刺激排列方向)混合设计。实验以拥挤指数作为衡量拥挤效应的指标，利用阶梯法测量被试在不同离心率和刺激排列方向条件下辨别出目标刺激的阈值。根据前人的理论基础，预期的实验结果如下：目标刺激的离心率与刺激排列方向对拥挤效应均有显著影响，离心率越大则拥挤效应越大，视觉刺激在水平排列条件下的拥挤效应显著大于竖直排列条件。

二

方法

1

被试

本实验共17名被试(男11人)，均是来自北京大学的本科生。被试年龄为18-22(M=20.00,SD=1.00)岁，视力或矫正视力均正常。本实验无报酬。

2

仪器和材料

本实验的视觉刺激为从“C、D、H、K、N、O、R、S、V、Z”中随机挑选的大写英文字母，均在白色背景下呈现。拥挤条件(crowding)下视觉刺激字母的起始大小均为80 arcmin，基线条件(baseline, B)下刺激字母的起始大小均为30 arcmin。

屏幕中心为黑色注视点，视觉刺激(包括目标刺激和旁侧刺激)在注视点的两侧呈现。其中，目标刺激与旁侧刺激的边长大小(size)相等；目标刺激中心和黑色注视点之间的距离称为目标刺激的离心率；两个旁侧刺激中心相隔的距离称为间距(spacing)，且间距等于边长的2倍(如图1所示)。

图1 刺激材料相关信息示意图

实验配备20-in ViewSonic 显示器，分辨率为1920×1080，刷新频率为60Hz，所有程序均由装载Psychtoolbox-3工具包的MATLAB 2017b软件运行。

3

实验设计

本实验采用2×2混合设计，其中组间自变量为“离心率”(分为“5°”与“10°”两个水平)，组内自变量为“刺激排列方向”(分为“水平”与“竖直”两个水平)。因变量为拥挤指数，操作性定义为拥挤条件下被试辨认出目标刺激的阈值和基线条件下被试辨认出目标刺激的阈值之比，计算公式为：

正式实验共分为9组(水平、竖直和基线条件各3组)，所有被试均按同一顺序“BHVHVBVBH”完成实验。根据被试编号的尾号分配不同的离心率条件，尾号为奇数的被试进行离心率为5°的实验；根据被试所在组号分配不同的刺激呈现视野，所在组号为奇数的被试所观察的视觉刺激均呈现于屏幕左侧。

实验中，视觉刺激排列方式的三种条件具体为：基线条件下，屏幕上仅单独呈现目标刺激；水平(horizontal, H)条件下，目标刺激处于两个旁侧刺激之间，且三个刺激同时水平排列呈现；竖直(vertical, V)条件下，目标刺激处于两个旁侧刺激之间，且三个刺激同时竖直排列呈现(如图2所示)。其中，水平条件与竖直条件统称为拥挤条件。拥挤条件下的目标刺激与旁侧刺激均从10个字母材料中随机选取，且保证每个试次中呈现的三个字母互不相同。

图2 三种刺激排列条件示意图

(以刺激呈现于屏幕右侧、目标刺激为D、旁侧刺激为C和S为例)

此外，视觉刺激的大小采用三下一上阶梯法(3-down-1-up staircase)进行调整，即当被试对目标刺激的判断连续3次正确后难度下降一个梯度，出现1次错误后难度上升一个梯度，变化梯度均为0.05log unit。每个试次在10个转折点(即刺激大小改变的趋势出现改变的点)后停止，并取后6个转折点的几何平均值为该试次所测得的阈值。

同时，为控制潜在的额外变量，所有被试均须在正式实验前进行一次基线条件下的练习，且该练习结果不进入数据分析，以避免被试对实验的熟悉度不同的影响；水平、竖直和基线三种条件采用平衡排列方式进行，以避免实验顺序对结果产生影响；根据被试组号的奇偶性决定刺激在注视点的左侧或右侧呈现，以避免左右眼差异的干扰。

4

实验程序

实验全程中，被试须一直紧盯屏幕中央的注视点，用周边视野观察目标刺激并做出相应判断。在正式实验前，被试须进行一次基线条件下的练习。正式实验共分为9组，以“BHVHVBVBH”的顺序进行。

每组实验的每个试次中，屏幕中央首先呈现一个黑色十字注视点500ms，接着呈现视觉刺激200ms。刺激消失后，被试须进行判断并在键盘上按下自己所观察到的相应目标刺激的字母，在被试按键前屏幕将一直呈现注视点。在被试按键后，实验程序给予自动反馈：若判断正确，十字注视点变为绿色；若判断错误，则十字注视点变为红色；若被试误按到10个字母材料以外的字母对应的按键，则程序无反应。判断结束后，呈现500ms的空屏并进入下一试次(如图2所示)。在被试连续3次判断正确后，下一试次的刺激将变小；判断错误1次后，下一试次的刺激会变大。当刺激大小经过10个转折点时，实验进入下一组。

两组实验间有短暂的休息时间。

图3 实验流程示意图

(以刺激水平排列且呈现于屏幕左侧、目标刺激为D、旁侧刺激为C和S为例)

三

结果

1

拥挤指数的数据分析

在两种离心率水平下，分别检查水平和竖直两种条件下的拥挤指数数据，未发现三个标准差以外的极端值。各条件下拥挤指数结果如表1所示。

表1 两种离心率水平下的水平条件和竖直条件下的拥挤指数结果(M±SD)

对拥挤指数进行2×2(离心率×刺激排列方向)两因素重复测量方差分析(α=0.05)，由于无法进行Mauchly’s Test of Sphericity，采用Greenhouse-Geisser校正自由度。结果显示，离心率的主效应显著，F(1,15)=17.073, p=0.001, partial η2=0.532；刺激排列方向的主效应显著，F(1,15)=32.418, p<0.001, partial η2=0.684；离心率与刺激排列方向的交互作用显著，F(1,15)=18.273, p=0.001, partial η2=0.549。

由于交互作用显著，首先对“刺激排列方向”这一变量进行简单主效应分析。结果显示，离心率为5°时，水平排列条件下与竖直排列条件下的拥挤指数无显著差异，F(1,15)=1.223, p=0.286, partial η2=0.075；离心率为10°时，水平排列条件下的拥挤指数显著大于竖直排列条件，F(1,15)=42.231, p<0.001, partial η2=0.738(如图4所示)。

图4 不同离心率下刺激排列方向对拥挤指数的影响

(注：误差线为标准误差；***表示 p<0.001)

再对“离心率”这一变量进行简单主效应分析。结果显示，刺激水平排列时，离心率为10°的条件下的拥挤指数显著大于离心率为5°的条件，F(1,15)=18.393, p=0.001, partial η2=0.551；刺激竖直排列时，离心率为10°的条件下的拥挤指数亦显著大于离心率为5°的条件，F(1,15)=6.040, p=0.027, partial η2=0.287(如图5所示)。

图5 不同刺激排列方向下离心率对拥挤指数的影响

(注：误差线为标准误差；*表示 p<0.05, ***表示 p<0.001)

2

阈值结果的数据分析

在两种离心率水平下，分别检查水平、竖直和基线三种条件下的阈值数据，剔除三个标准差以外的极端数据，并以系列均值代替缺失值后，各条件下的阈值结果如表2所示。

表2 两种离心率水平下的水平、竖直和基线三种条件下的阈值结果(M±SD, arcmin)

对阈值进行2×3(离心率×刺激排列条件)两因素重复测量方差分析(α=0.05)，数据不满足Mauchly’s Test of Sphericity，采用Greenhouse-Geisser校正自由度。结果显示，离心率的主效应显著，F(1,15)=21.357, p<0.001, partial η2=0.587；刺激排列条件的主效应显著，F(1.03,15.37)=37.716, p<0.001, partial η2=0.715；离心率与刺激排列条件的交互作用显著，F(1.03,15.37)=22.279, p<.001, partial η2=0.598。

对“刺激排列条件”这一变量进行事后检验。结果显示，水平条件下的阈值显著大于竖直条件，p<0.001；水平条件下的阈值显著大于基线条件，p<0.001；竖直条件下的阈值显著大于基线条件，p<0.001。

由于交互作用显著，首先对“刺激排列条件”这一变量进行简单主效应分析。结果显示，当离心率为5°时，刺激排列条件的主效应显著，F(2,14)=5.495, p=0.017, partial η2=0.440；当离心率为10°时，刺激排列条件的主效应显著，F(2,14)=26.250, p<0.001, partial η2=0.789(如图6所示)。

图6 不同离心率条件下刺激排列方向对阈值的影响

(注：误差线为标准误；*表示 p<0.05, **表示 p<0.01, ***表示 p<0.001)

再对“离心率”这一变量进行简单主效应分析。结果显示，刺激水平排列时，离心率为10°的条件下的阈值显著大于离心率为5°的条件，F(1,15)=22.277, p<0.001, partial η2=0.598；刺激竖直排列时，离心率为10°的条件下的阈值显著大于离心率为5°的条件，F(1,15)=17.753, p=0.001, partial η2=0.542；刺激按基线条件排列时，离心率为10°的条件下的阈值显著大于离心率为5°的条件，F(1,15)=14.520, p=0.002, partial η2=0.492(如图7所示)。

图7 不同刺激排列条件下离心率对阈值的影响

(注：误差线为标准误；*表示 p<0.05, **表示 p<0.01, ***表示 p<0.001)

四

讨论

本实验基于经典的拥挤效应实验范式，采取2×2(离心率×刺激排列方向)混合设计，以探究离心率和刺激排列方向对拥挤效应大小的影响。实验以拥挤指数作为衡量拥挤效应的指标，利用阶梯法测量被试在不同离心率和刺激排列方向条件下辨别出目标刺激的阈值得出。实验结果显示，在同一刺激排列条件下，离心率为10°时的视觉拥挤效应显著大于离心率为5°时；视觉刺激在水平排列条件下的视觉拥挤效应显著大于竖直条件排列下。所有实验结果均符合预期。

“视觉刺激在水平排列条件下的视觉拥挤效应显著大于竖直条件排列下”这一结果正验证了刺激排列方向对视觉拥挤效应在各向异性上的影响。

这可能是由于拥挤效应具有内外不对称性，即旁侧刺激相对目标刺激处于离注视点更远的位置时，其产生的视觉拥挤效应比其处于离注视点更近的位置时所产生的拥挤效应更强(Petrov & Meleshkevich, 2011)，而水平排列条件下的相对注视点较远的旁侧刺激与注视点的距离大于竖直排列条件下的两个旁侧刺激与注视点的距离。同时，由于大部分语言习惯于自左至右进行阅读，水平排列条件下的刺激加工过程比竖直排列条件下的更加自动而不易抑制，这也在一定程度上导致水平排列条件下的旁侧刺激的干扰更难被排除(Feng, Jiang & He, 2015)。此外，从神经机制角度而言，人类视皮层的径向放大因子大于切向放大因子，从而导致径向的拥挤效应比切向的拥挤效应更强(范真知，方方，陈娟，2014)。

然而进一步分析发现，离心率为5°时的水平排列条件下与竖直排列条件下的拥挤指数无显著差异，而离心率为10°时的水平排列条件下的拥挤指数显著大于竖直排列条件。这可能是由于在中央视野内，相邻的旁侧刺激代替了用来检测朝向的关键距离频带，并使不同朝向对拥挤效应的影响差异减小(Hess, Dakin & Kappor, 2000)，而离心率较小时的视觉刺激更接近于中央视野，这时旁侧刺激对提取目标刺激朝向信息的替代性更强，从而减弱刺激排列方向的影响。

对阈值进行分析的结果则发现，无论水平、竖直、基线条件，离心率为10°时的阈值均显著高于离心率为5°时，这一结果验证了Bouma定律，即离心率越大，辨别目标刺激的阈值越高(Bouma, 1970)。而无论离心率为5°还是为10°时，水平条件下的阈值最大、竖直条件下的次之、基线条件下的最小，这一结果也同样验证了拥挤效应的各向异性。

回顾整个实验过程，如下因素或对实验结果产生了一定影响。

首先，本实验中选取的字母之间的相似性并没有经过量化，不同的字母组合可能会对被试辨别目标刺激带来不同程度的影响。相关研究表明，目标刺激和旁侧刺激具有相似属性时的拥挤效应更强，且相似点越多时，旁侧刺激对识别目标刺激的干扰越大(Põder, 2007)。

其次，水平排列条件与竖直排列条件的干扰程度不尽相同、各排列条件内的两个刺激的干扰程度也不尽相同，从而会对实验结果产生一定影响。相关研究表明，由于拥挤效应的内外不对称性(Petrov & Meleshkevich, 2011)，水平排列条件下的外侧的旁侧刺激对个体辨认目标刺激的干扰可能远大于内侧的旁侧刺激，呈现出非线性关系。而刺激呈现于上视野时产生的拥挤效应大于呈现于下视野时(He, Cavanagh & Intriligator, 1996)，故而竖直排列条件下的上侧的旁侧刺激与下侧的旁侧刺激对目标刺激辨认的干扰也有差异。

此外，虽然实验已对刺激在屏幕上的呈现侧作了一定程度上的平衡，但有关优势眼(dominant eye)的研究表明，个体在视觉观察过程中，总有一只眼在双眼竞争中占据优势地位(Mapp, Ono & Barbeito, 2003)，而这或许会导致不同优势眼的个体对于刺激的呈现侧有所偏好。未来的实验研究中，可着力于探究不同优势眼的个体，在视觉刺激呈现于优势眼侧或非优势眼侧时，其产生的视觉拥挤效应是否有所差异。

参考文献

Bouma, H. (1970). Interaction effects in parafoveal letter recognition. Nature, 226(5241): 177–178.

Feng, C., Jiang, Y., & He, S. (2015). Horizontal and vertical asymmetry in visual spatial crowding effects. J Vis, 7(2): 131.

Flom, M. C., Heath, G. G., & Takahashi, E. (1963). Contour interaction and visual resolution: contralateral effects. Science, 142(3594): 979–980.

He, S., Cavanagh, P., & Intriligator, J. (1996). Attentional resolution and the locus of visual awareness. Nature, 383(6598): 334–337.

Hess, R. F., Dakin, S. C., & Kapoor, N. S. (2000). The foveal ‘crowding’ effect: physics or physiology? Vision Research, 40(4): 365–370.

Levi, D. M. (2008). Crowding–an essential bottleneck for object recognition: a minireview. Vision Research, 48(5): 635–654.

Levi, D. M., & Carney, T. (2009). Crowding in peripheral vision: why bigger is better. Current Biology, 19(23): 1988–1993.

Mapp, A. P., Ono, H., & Barbeito, R. (2003). What does the dominant eye dominate? a brief and somewhat contentious review. Perception & Psychophysics, 65(2): 310–317.

Parkes, L., Lund, J., Angelucci, A., Solomon, J. A., & Morgan, M. (2001). Compulsory averaging of crowded orientation signals in human vision. Nature Neuroscience, 4(7): 739–744.

Pelli, D. G., Palomares, M., & Majaj, N. J. (2004). Crowding is unlike ordinary masking: Distinguishing feature integration from detection.Journal of Vision, 12: 1136– 1169.

Pelli, D. G., Tillman, K. A., Freeman, J., Su, M., Berger, T. D., & Majaj, N. J. (2007). Crowding and eccentricity determine reading rate. Ophthalmic & Physiological Optics, 7(2): 201–236.

Pelli, D. G., & Tillman, K. A. (2008). The uncrowded window of object recognition. Nature Neuroscience, 11: 1129–1135.

Petrov, Y., & Meleshkevich, O. (2011). Locus of spatial attention determines inward–outward anisotropy in crowding. J Vis, 11(4): 1.

Põder, E. (2007). Effect of colour pop–out on the recognition of letters in crowding conditions. Psychological Research, 71(6): 641–645.

Van den Berg, R., Roerdink, J. B., & Cornelissen, F. W. (2010). A neurophysiologically plausible population codemodel for feature integration explains visual crowding. PLoS Computational Biology, 6: e1000646.

范真知, 方方, 陈娟. (2014). 视觉拥挤效应的神经机制. 中国科学：生命科学, 5(5): 450–462.

鑫淼 编辑  /  香怡 校对

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