深度视觉线索对物体视角表征的影响

Object recognition is an essential function of the human visual system. One remarkable ability of our visual system is that we can recognize objects even when we are looking at the same object from different viewpoints – as a result, the images that project on the retina are different. The method in which our visual system represents different viewpoints speaks to whether objects are represented as a 3D entirety (object-centered representation) or through a group of 2D templates, one for each viewpoint (viewer-centered representation). Evidence from single cell recording, psychophysics, brain imaging, and computational modeling suggests that there are neurons that each prefers a specific viewpoint. In other words, the evidence supports the viewer-centered representation theory. However, it is important to note that the majority of past research on viewpoint representation has used pictures of objects that were taken from different viewpoints as stimuli. The 2D images used in past visual research are different from the 3D objects that we see in our everyday life because 3D objects have ample depth information. It is possible that the rich depth information in 3D real objects facilitates the representation of 3D objects as an entirety. In this project, we will perform a series of psychophysical, brain imaging, computational, and patient studies to address how depth cues influence the representation of viewpoint and investigate whether the representation of the viewpoint of real objects in everyday life is different from previous findings with 2D images.

物体识别是视觉系统的最重要的功能之一。当我们观察物体的视角（viewpoint）不同时，物体投射到视网膜上的图像有很大差异，但我们的视觉系统仍然能够根据有限的视觉信息对物体的三维特征进行推理从而识别物体。视角的表征是物体识别研究领域的热点，因为通过研究视角的表征，我们可以推测大脑到底是在表征三维的物体，还是对每一个视角都有一个二维的模板，然后通过模板比对来识别物体。近年来，越来越多的证据证明在视觉系统中存在偏好各个视角的神经元，也就是支持二维表征理论。但是几乎所有这些研究的实验刺激都是呈现在电脑荧幕上的物体图片，而我们日常生活中看到的物体都是三维的，很可能三维物体丰富的深度线索有利于我们对三维物体本身（而非二维模板）直接进行表征。本研究将通过心理物理学、病人研究、计算模型和功能磁共振成像探索视角表征是否和物体本身的深度信息有关，进而推测日常生活中视觉系统对三维物体的表征到底是二维还是三维的

本项目主要研究大脑中的物体表征是二维还是三维的。以往研究大多支持物体的二维模板匹配理论。这些实验室研究多采用物体图片为实验刺激，将图片呈现在电脑屏幕上，让被试完成行为反应或记录被试的大脑激活。但是我们日常生活中看到的物体大多是三维的，三维物体丰富的深度信息很可能促进物体的三维表征。而且近年来越来越多证据表明在大脑的顶叶皮层存在对三维朝向选择性反应的神经元，进一步支持了三维表征的可能性。因此，本项目试图从视角表征的角度探讨二维和三维物体表征的可能性。根据以往研究，如果以真实的三维物体为实验刺激其视角适应后效会比二维图片的视角适应后效更小。. 为了验证该假设，首先，我们开发了呈现真实三维物体的实验装置和实验程序，对三维物体和二维图片的视角表征进行了比较。该实验装置创新性地实现了快速呈现三维物体且保证三维物体和二维图片低级视觉特征一致的要求，而且还可以将注视点呈现在三维物体上。第二，为了考察物体种类是否会影响研究结果，我们采用了面孔和茶壶两种实验刺激。研究结果发现，只在茶壶为实验刺激时，二维和三维视角的适应后效有微弱的差别。该研究结果和我们的预测不一致。为了进一步验证该实验结果，我们对实验刺激进行了更好的匹配。我们将三维物体替换成有双眼线索的立体图，然后比较其适应后效和二维图片的适应后效的差别。结果仍然发现三维立体图和二维图片的视角适应后效差异不显著。据此，我们的研究一致支持二维和三维图片在视角适应后效上没有差异，和我们的假设相反，但是正好为物体识别的二维模板匹配理论得到证据。. 考虑到行为结果没有显著差异，我们没有继续用脑电图和脑成像结果探讨二维和三维物体的视角适应神经机制的差别，转而从其他角度进一步探索三维物体和二维物体表征的差异。我们考察距离对物体表征的影响，二维和三维物体的瞳孔大小受物体大小的影响，以及抓取动作对三维物体表征的影响，共有六项研究成果发表。我们的研究揭示了三维空间对物体表征起着重要作用，而且动作也会影响物体的表征。