5.1　形状与图形视觉

5.1.1　轮廓的作用

轮廓是形状视觉中最基本的概念。人们之所以能看到物体的形状，是因为有一个可见的轮廓把它与视野的其他部分区分开来，在看到物体的形状以前，必定先看到它的轮廓。当视野中两个区域的亮度不同时，一个与其他部分亮度不同的轮廓把视野分成具有不同形状的两个区域。但是，如果两个区域的亮度相同但色调不同，一般不能引起清晰的形状知觉。再有，如果两个区域之间的亮度变化是渐变的，两者的轮廓线也将变得模糊，即两个区域的形状变得不确定。因此，产生形状视觉的基本要求是，在亮度不同的区域之间有一个线条分明的轮廓，或者说，轮廓是明度级差的突然变化。图5‐1所示，左边的白色圆环映衬在灰色背景上，构成明度的突变，可以很容易观察到其轮廓；中间的圆斑则因为明度渐变，与灰色背景融合，因此分辨不出轮廓；而如果将它移至右图的黑色背景上，其轮廓又变得一目了然。

图5‐1　轮廓:明度级差的突然变化

早在1865年，奥地利物理学家和哲学家马赫（Mach）就曾指出，分辨轮廓需要明度级差突然变化，渐变的级差不构成轮廓。例如可见光谱上波长从780nm到380nm逐渐减小，引起从红、橙色到蓝、紫色各种不同的色觉。但由于波长是渐变的，因此在各种颜色之间看不到明确的轮廓和分界线，如彩虹。当然，虽然轮廓对于形状非常重要，但是轮廓不等于形状。当视野中的两个部分被轮廓分开时，这两个部分虽然有着相同的轮廓线，却可以被看成很不相同的形状。图5‐2所示，请读者说出图中是6个不同的杯子，还是12张不同的人脸？答案当然是两可的。问题在于，与杯子对应的人脸具有相同的轮廓，而我们感受到的形状可以完全不同:人脸或是杯子。Rubin指出，当人们注意图形的形状时，倾向于固定注视某一部分，但当你注意轮廓时，是把轮廓看成了一条要追踪的路线。从轮廓到形状有一个“形状构成”的过程。当视野被轮廓分为图形与背景时，轮廓只给图形构成了形状，而背景似乎没有形状。通常一个轮廓倾向于对它所包围的空间发生影响，即轮廓一般是向内部而不是向外部发挥构成形状的作用的。

图5‐2　相同轮廓构成不同形状

当观察两块亮度不同的区域时，它们之间的轮廓一般表现得特别明显，有一种在边界处亮度对比加强的现象。这是早在一百多年以前就被马赫所发现的现象。但是对于它的产生机制，人们到本世纪50年代才从有关鲎（又名马蹄蟹）的复眼实验中得到较好的解释。鲎的复眼包括800～1000个小眼，它们和中间细胞相连接，这些细胞的轴突形成视神经。由于相邻小眼在视野中部分重叠，在受到光刺激时，它们之间就产生相互抑制的作用，称为侧抑制。当两个相邻的小眼同时被激发时，每一个小眼的神经冲动都比它单独接受同等大小的光强时小。小眼距离越远，侧抑制效应越小。侧抑制现象在很多动物身上都有发现，可以推断人眼视网膜上也存在类似的效应。当泛光照射整个视野时，所有视细胞彼此间都相互抑制，视觉感受的总体表现反而比较微弱；而在光强度发生变化的地方，如图形的边界部分，就会显示出十分有趣的视觉效应。例如，当我们观看一个黑白交界的图形时，在交界两侧，黑的地方显得更黑，白的地方显得更白，也就是在图形的轮廓边界部分发生了主观对比增强的现象，这个区域总是出现在亮度变化最大的地方，称为马赫带。如图5‐3所示，左图被黑色圆环包围的白环显得特别明亮，而它们的实际亮度与纸面完全一样，即产生了对比增强现象。同样，在右图的黑方块之间的白线条也显得特别明亮。此外，在第一章中曾经提到，这些白线条的交叉处还会出现一些时隐时现的灰色小点。我们认为，这也是由于视细胞之间的侧抑制造成的。位于交叉点处的视细胞，既受到交叉的白线条的侧抑制作用，同时又受到黑方块的侧抑制作用，因此，这些视细胞的感受值将是黑色方块和白色线条同时作用的结果，或者说是它们的平均值，即出现灰色小点。有兴趣的读者，不妨自行制作类似的图案，将黑色方块分别改成红色、绿色和蓝色等，看看交叉点处出现的又是什么颜色的小点。

在没有明度差别的情况下，由于某种原因人们也可以看到轮廓和形状，这种轮廓知觉被称为主观轮廓或错觉轮廓。图5‐4中画出的是两种典型的主观轮廓图。在左图人们可在两个半圆形之间看到一个具有左右两侧轮廓的完整白色柱形，而在右图可以看到一个完整的白色三角形，而且三角形区域比明度相等的背景显得更亮一些。这些例子说明，在客观上一致的白色部分之间，人眼主观地给它们添上了一条轮廓线。

图5‐3　图形的对比增强现象

图5‐4　主观轮廓

关于主观轮廓的形成，多数学者都提出认知性的解释。认为它们是在一定感觉信息基础上进行知觉假设的结果，并认为视野中某些不完整因素是主观轮廓形成的必要条件。以图5‐4的右图为例，图中三个扇形圆盘和三个角在某种意义上都不完整，大多数人都把它们看成一个盖在三个黑圆盘上的三角形及一个被压在下面的黑边三角形。显然这种组织在简单、稳定和正规性方面占有优势。为了使这种知觉组织更符合现实，中央的白三角形必须被看成是压在另一个三角形上的不透明三角形；又由于三角形一定有边界，视觉就根据推论主观地提供了必要的轮廓。实验证明，只有不完整因素提供了必要的深度线索时，主观轮廓才能够产生。

5.1.2　图形的组织与发展

19世纪中叶，传统的构造心理学派（Structuralism）认为知觉是由许多感受单元构成的，即许多感觉加到一起就是知觉。人知觉到的外界事物就是这些感觉的组合。构造心理学家把复杂的事物看成是许多孤立的简单事物相加的观点，显然不能说明实际的知觉现象。例如，一个正方形是由四根线条组成的，但我们肯定不会把它看成是四根孤立的线条，而是看成一个有四条边的正方形整体。为此，格式塔心理学派（Gestalt Psychology）认为，知觉是按照一定的规律形成和组织起来的。图形组织的原则和规律主要有以下几个方面。

1.图形与背景的分离。在一个复杂的图形中，只有一种知觉组织结构是主导的，并且这种主导结构必定要作为图形呈现出来，其余部分就构成了背景。在图5‐5的例子中，中间的一些汉字“图”构成了一个大的“工”字图形，以此为视觉目标时，旁边的汉字“工”便充当了背景的角色。因为当某个图形在视觉上突显出来时，其余部分就退而成为背景了。这种图形与背景的分离，是人类视觉的基本特性。

图5‐5　图形与背景的分离

图5‐6　图形的接近性

2.接近性。图形在空间上比较接近的部分在视觉上易形成一个整体。图5‐6中的黑色小圆，在空间关系上，（a）图中竖行的圆比横行的圆更加接近，所以容易把圆看成是竖行而非横行排列的；同样，（b）图中的圆可看成是横行排列的；而（c）图的圆在斜线方向比较接近，因此往往看成是斜行排列的，而且既可看成是左倾斜，也可看成是右倾斜排列的。

3.相似性。相似的图形，容易形成整体。如图5‐7所示，黑色的圆彼此相似，同样，空心的圆彼此相似，所以它们被看成各自形成整体而隔行排列。一个图形，如果接近性原则和相似性原则同时起作用，在一般情况下接近性原则的作用占主导地位。注意图5‐8的图形，根据接近性应该看成横行排列，根据相似性则应为竖行排列，观察时这两种知觉均可能发生，但接近性的作用更明显，即更容易看成横行。当然，由于相似性原则的影响，接近性也变得不甚稳定了。

图5‐7　图形的相似性

图5‐8　图形的接近性与相似性的关系

4.连续性。在一个按一定顺序组成的图形中，如果有新的成分加入，那么这些新成分容易被看成是原来图形的连续。在图5‐9中，a、b和c、d均为新出现的成分，虽然根据相似性原则，a、b和最后的黑点一样，且距离更近，但视觉肯定把c、d看成是这串黑点的延续，而不容易将a、b看成是图形的一部分。(www.daowen.com)

图5‐9　图形的连续性

图5‐10　图形的封闭性

5.封闭性。一个封闭的图形容易被看成是一个整体。例如人眼容易把图5‐10的图形看成是两个圆圈，而不会把它看成是一串连续的点构成的线。这一原则，也叫完美图形原则，因为人们总是把圆形看成是更完美的图形。

6.良好性。视野中的图形一般都可以说出它的意义，即人眼看到的总是可能出现的各种组合中最有意义的图形。如图5‐11所示，人们总是将它看成是由一个长方形和一个椭圆形交叉而成的。尽管按照图形的封闭性，可看成是由三个封闭的图形组成的，但因为后一种组合方式不够良好，因此不可能形成稳定的视觉结果。

图5‐11　图形的良好性

图5‐12　主观定势对图形识别的影响

7.心理学因素:定势与过去经验。这一因素与上述原则不同，是依照个人的主观条件而改变的因素，也可称为对图形组织的非刺激性因素。定势也称倾向，当组织原则不明显起作用时，使观察者自己能够在刺激图形中任意地从一组对象中看到各种不同的分组。如图5‐12所示的立方体图形，灰色的面既可看成位于最前面，又可看成位于最后面。这些不确定的视知觉取决于观察者的心理定势。但如果将某些边画成虚线，恐怕绝大多数人会认定灰色的面位于最前面了。此外，观察者的已有经验对于知觉对象的分组有很大的影响。例如，一行连续的中文字，字间间隔相等且没有标点符号，中国人一般能根据经验很快作出正确的分组，而初学汉语的外国人则几乎不可能做到。如图5‐13所示的线条列阵，很难说清箭头所指的是突起还是凹进的。当感觉突起的视觉定势占主导时，看起来就是突起的，反之则是凹进的。每个人的视觉都可以在这两种感觉之间转换，取决于视觉的定势。

图5‐13　视觉定势的作用

5.1.3　图形的掩蔽

图形的掩蔽是指知觉中一个刺激所处的状态可以因另一个刺激的影响而发生变化的现象。被掩蔽的刺激称为测验刺激（T），它与掩蔽刺激（M）既可同时出现，也可以有极短时间的先后差距。如果M在T之前出现，则称为顺行掩蔽，M在T之后出现则为逆行掩蔽。Werner在1935年研究图形的轮廓时发现了轮廓的掩蔽现象。他对同一个视网膜区域连续而迅速地呈现两个图形（图5‐14），A为一个黑方块，B为一个同样大小的白方块，但由黑框环绕四周。先呈现黑方块20毫秒，经过150毫秒的空白间隔，再呈现右边的白方块，这时会出现黑方块完全看不到的奇异现象，即黑方块受到了掩蔽。而如果将两种图形的呈现顺序对调，即先B后A，则两个图形都能够看到。而且，即使不是使用同一只眼睛看刺激目标，掩蔽现象仍然存在。这说明掩蔽是由大脑中枢而非视网膜实现的。

图5‐14　图形的掩蔽

图5‐15　认知性掩蔽实验

上述掩蔽现象的解释是，B图形的主要部分是黑框，当它继A图形而呈现时，A图尚未完全建立的轮廓就被B图的相反明度差别消除掉了，因而被视觉所忽视，即产生掩蔽现象。而当B图先呈现时，由于它内外两侧的双重对比特别强，可以在极短的时间内建立轮廓，因此不产生掩蔽现象。在视觉感知同时呈现或相继呈现的多种刺激时，引起人们情绪激动的“情绪性刺激”可以使之对其他刺激的觉察能力受到抑制性影响。这种在知觉中各刺激之间出现的干扰效应称为“认知性掩蔽”。如Appelbaum在1973年曾对一些犹太人做过一个实验，如图5‐15所示，当将八个中性符号与一个纳粹符号相继呈现时，被试者对周围的中性符号的识别能力明显下降，而如果中央的符号也换成中性，这种情况就不会出现了。这说明，具有象征意义的视觉刺激，会干扰视觉对其他临近刺激的感知能力。

5.1.4　图形的形状视觉理论

格式塔心理学派认为，图形视觉的组织性是大脑本身所具有机能的表现。在视觉刺激下，眼视网膜的感受细胞接受刺激，引起神经兴奋，这些兴奋传到大脑皮层，按照图形的组织原则产生力的吸引或排斥，形成一定的电动势图式。这个电场的分布图式表现为所看到的图形。因而，格式塔的理论叫做场的理论。这个理论的基本假设是，视知觉现象和脑中的电场是同形态的，二者服从相同的规律。知觉的组织性是脑的原始物理过程的体现。它是无须学习而自生的心理现象，属于先念论的范畴。

事实上，知觉的组织性是客观刺激物的规律性反映。外界事物本身具有接近性、相似性、连续性、封闭性等空间特性。它们不是脑中固有的原则。现代神经生理学还没有发现大脑中有形成知觉的场分布。知觉是客观刺激物的主观映象。此外，人的主观态度、过去的经验都在知觉中起着重要作用。

Hebb根据现代神经生理学材料，以及眼球运动的事实，提出了一个与格式塔理论相反的理论——“细胞联合”学说，认为知觉是后天学习得到的。他对盲人复明的材料进行了分析研究。这些材料表明，自幼失明的盲人经过治疗复明后，需要经过一段时间的学习才能获得图形视觉。神经生理学还发现，视网膜刺激与中枢神经兴奋之间有某种空间对应关系。据此Hebb提出细胞联合的假设。例如，在一个三角形图形的刺激下，眼睛按着三角形的扫描路线运动，连续地注视图形轮廓的特征，使相应的神经冲动传递到大脑。在脑内，神经过程也是按照三角形路线活动的。神经元A向神经元B，再向C，然后再向A传递冲动。形成了A—B—C—A—B—C—A…的闭合通路，也就是形成了A—B—C的细胞联合。当脑中经常活动的神经元建立起一个闭合通路系统，形成一组细胞联合时，这组细胞联合的整体活动就相当于三角形的简单知觉形象了。

当一组细胞联合建立起来以后，刺激一个神经元会引起整个细胞联合的响应。每一组细胞联可以独立地活动，也可以与其他细胞联合建立联系，因此一组细胞联合的活动也会引起另一组细胞联合的冲动。另外，即使没有外界刺激，细胞联合仍可以自主地振荡。这种活动就相当于复杂的视知觉和表象等心理活动。

感知过程都伴随着一定的动作。观察一个物体时必定伴随眼球的运动，同时视觉也曾伴随过手的触摸运动，所以这组细胞联合也和脑的外导系统建立联系。因而细胞联合的活动具有运动成分，有助于促成相应的动作实现。

应该指出，视觉过程涉及物理学、光学、神经生理学及心理学等方面的因素，是一个极为复杂的认知过程，人们对这个问题的认识还处于很初步的阶段。因此Hebb的学说在大多数方面仍然是过于简单化了。