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        反應時和動態(tài)視野測量研究

        2013-09-08 10:17:00于曉雅呂勝富吳景龍宮本修平
        計算機工程與設計 2013年10期
        關鍵詞:定義測量實驗

        于曉雅,呂勝富,吳景龍,宮本修平

        (1.北京工業(yè)大學 計算機學院 國際WIC研究院,北京100124;2.北京教育學院 信息與遠程教育學院計算機系,北京100120;3.崗山大學大學院自然科學研究科,日本 崗山700-8530;4.香川大學大學院工學研究科,日本 香川761-0396)

        0 引 言

        隨著研究手段和測量儀器的發(fā)展,人工智能領域已經(jīng)不滿足于機器模擬人腦功能的單向黑盒研究,更多的研究者期望通過對人腦的直接探查來揭示大腦功能的神經(jīng)機制,由此出現(xiàn)了一門新的交叉學科——腦信息學[1],把人腦作為一個 信息處理 系統(tǒng) (human information processing system,HIPS)來理解其原理和機制,期待解決腦機接口中人腦信號與高級認知活動之間的對接問題,建立同時模擬高級認知過程與人腦信號模式的認知模型[2-4]。在計算機的幫助下,腦信息學的研究上取得巨大進展,特別是腦功能成像技術的發(fā)展,人們已經(jīng)可以實時動態(tài)地研究腦的結(jié)構和功能的關系,人腦的精神活動亦可以用實驗方法進行研究,這些研究又反過來有力的推進了腦信息學的發(fā)展。視覺信息的腦處理機制研究就是熱點問題之一[5,6]。為了了解人腦如何產(chǎn)生高級視知覺,就必須先清楚人腦中樞的初級視覺信息加工機制。除了生理和物理研究方法外,ERP腦波測定和功能核磁共振fMRI是近年來認知神經(jīng)科學領域腦功能研究的主要手段,其主要方法是采集被試完成行為實驗過程中的腦波或血液活動情況的數(shù)據(jù),進行數(shù)據(jù)處理,完成直觀的功能活動圖像。在這些研究中,合適巧妙的設計行為實驗,正確的數(shù)據(jù)處理都是保證功能性實驗測定結(jié)果的重要基礎條件。

        人的反應時間一直是實驗心理學中常用的反應變量之一。早在1868年,荷蘭生理學家唐德斯 (Donders,1868)將反應時間引入心理學領域,利用反應時間測量各種心理活動所需的時間,并發(fā)展了3種反應時間任務,即唐德斯反應時間 ABC,即簡單反應時 (simple reaction time)任務、選擇反應時 (choice reaction time)任務和辨別反應時(recognition reaction time)任務。唐德斯認為簡單反應時是基礎反應時間,是任何作業(yè)都必須具有的。辨別反應時是在簡單反應的基礎上多一個辨別的時間,而選擇反應時則是在辨別的基礎上增加選擇的時間[7]。人在看見外部刺激時做出判斷并采取適當?shù)男袆?,我們把做出判斷的時間稱為判斷時間,而響應時間主要指刺激出現(xiàn)后開始采取行動的時間。對于簡單刺激的響應時間,判斷時間非常短,在這種情況下的響應時間可近似為簡單反應時間 (simple reaction time,SRT)[7,8]。研究表明,這種個體簡單反應時間相對穩(wěn)定,和遺傳、年齡等個體因素有關,不受完成任務的內(nèi)容、被試的疲勞程度等客觀因素的影響[9-11]。簡單反應時間不需要辨識和判斷差異,可以被認為是人的行為特征。

        由于反應時測量被廣泛地應用到心理實驗之中,所以準確的定義它,對提高研究的準確性有非常重要的意義。為此本研究針對人視覺功能中動態(tài)視野測定時所用的反應時所包含的成分進行了深入分析,發(fā)現(xiàn)了傳統(tǒng)的動態(tài)視野測量中的,視覺特征評價指標中混有行為特征的問題,繼而通過對該實驗過程中的反應時進行了分析,在此基礎上重新定義了動態(tài)視野的范圍。通過實驗數(shù)據(jù)分析可知,這種新的動態(tài)視野定義方法由于減除了傳統(tǒng)定義中的行為成分,能夠更加準確的評價人的動態(tài)視野這一基礎視覺特征。這種新定義對于減少交通意外事故[12]、為仿真駕駛環(huán)境以及仿真環(huán)境中駕駛員安全預警等提供基礎視覺研究方面的依據(jù)都有重要的意義[13-15]。

        1 傳統(tǒng)測量中動態(tài)視野的定義

        在視覺研究中,準確評價人的視覺特征、保證評價指標中不包含其它影響因素一直是研究者追求的目標。本研究發(fā)現(xiàn),在傳統(tǒng)的動態(tài)視野測量中,就存在把人的視覺特征和行為特征混在一起,來描述動態(tài)視野范圍,造成評價結(jié)果的偏差。我們知道,視野是指眼 (單眼或雙眼)固視正前方時所能感受到的外部空間范圍[16,17]。視野分為靜態(tài)視野和動態(tài)視野。動態(tài)視野主要指能看見的運動目標的范圍[18]。動態(tài)視野測量是用一刺激強度視標從某視野周邊向可見區(qū)域移動來探查不可見區(qū)與可見區(qū)交界點的方法,測繪出等視線,作為動態(tài)視野的范圍,如圖1所示,O為固視點,曲線為等視線。從圖1可以看出,影響動態(tài)視野的變量有兩個,即視覺感知時間 (consciousness time,CT)和簡單反應時間 (SRT)。在傳統(tǒng)的動態(tài)視野測量中[19-23],把反應時間 (reaction time,RT)定義為被試看到目標出現(xiàn)并做出響應的時間,據(jù)此作為繪制被試等視線的時間,此時的動態(tài)視野范圍如圖1中實線所示。這個過程包含了視覺和行為兩個過程,如果不減除被試的簡單反應時間,測量的動態(tài)視野中還包含按鍵的行為反應時間,以此作為評價人視覺感知功能的評價指標,不能正確評價被試的動態(tài)視野這一視覺功能[24-26]。例如老年人因為年齡的關系,其反應比較緩慢,行為比較遲鈍,但是有可能動態(tài)視野并沒有明顯變化,如果根據(jù)傳統(tǒng)的動態(tài)視野測量方法,就可能得出其動態(tài)視野變窄這一錯誤的結(jié)論。動態(tài)視野測量的主要目的是對被試的視覺特征進行評價,傳統(tǒng)的測量方法中因混有被試的行為特征,從而導致了這種評價的不精確性。如果能夠減除掉其中的SRT部分,則可得到擴大了的真實的動態(tài)視野,如圖1中的虛線所示。

        動態(tài)視野測量中CT、SRT、RT之間關系的等視線

        動態(tài)視野是一種非常重要的視功能,對于人的日常生活有著重要的意義,也是人腦功能研究的一個重要方面。在認知神經(jīng)科學領域,對于動態(tài)視野的研究[5-6],已經(jīng)得出一些結(jié)論,例如有關視標條件影響動態(tài)視野的[7-11]:視標尺寸和視標亮度大時,動態(tài)視野面積變得寬廣;視標移動速度快時,動態(tài)視野面積變窄;左右眼的動態(tài)視野面積沒有差異,等等。這些研究中,都沒有考慮被試個體簡單反應時間對測量結(jié)果的影響。本研究認為,如果考慮了被試簡單反應時間的差異,針對傳統(tǒng)動態(tài)視野測定中的問題,減除了被試個體簡單反應時間對動態(tài)視野測量的影響,就可以得到更加準確的動態(tài)視野定義。為此實驗首先測量了7個正常被試的簡單反應時間,然后測量了不同大小、不同亮度和不同顏色視標條件下被試的動態(tài)視野,并將考慮了簡單反應時的測量結(jié)果和未考慮簡單反應時間的測量結(jié)果進行比較,結(jié)果有顯著的差異,從而說明新的動態(tài)視野定義,比傳統(tǒng)的動態(tài)視野定義更具合理性:只有考慮了被試個體的簡單反應時間差異,正確定義動態(tài)視野,才能準確地評價動態(tài)視野對視標的大小依賴性、亮度依賴性以及顏色依賴性等因素,才能對被試的動態(tài)視野這一視覺特征得出更加接近實際的評價結(jié)果。

        2 減除簡單反應時間的動態(tài)視野新定義

        傳統(tǒng)的反應時間RT定義包括了感知時間CT和簡單反應時間 (SRT)。如圖2所示,假設ts為視標開始出現(xiàn)的時間,tc為視標被感知的時間,tr為按鍵響應時間。反應時間RT是對整個目標的響應時間 (RT=tr-ts)。傳統(tǒng)動態(tài)視野測量記錄的反應時刻為tr,當視標從遠處以一個固定速度向被試運動時,被試精確識別出運動目標的時刻為tc,tc就應當是被試真實的動態(tài)視野記錄點。但是視標繼續(xù)運動,至我們記錄的被試做出按鍵響應的時間tr,顯然這個結(jié)果已經(jīng)不是真正的視覺感知點了,而有了一段行為反應時間。我們進行動態(tài)視野測量的主要目的是對被試的視覺特征進行評價。以前通過記錄tr來測量動態(tài)視野的做法,由于混入了簡單反應時 (SRT=tr-tc)的行為過程,所以研究者認為這種測量的結(jié)果使得動態(tài)視野的視覺功能評價不夠接近被試實際動態(tài)視野。

        圖2 簡單反應時間 (SRT)與反應時間 (RT)的關系

        定義1 反應時間 (RT)定義為從被試看見目標出現(xiàn)到按鍵響應的時間。

        將傳統(tǒng)的KVA記作KVAold,靜態(tài)視力記作S,則有

        式中:S(tr)——視標在tr時刻的靜態(tài)視力。

        從定義1可以看出,測量動態(tài)視力和動態(tài)視野而不考慮簡單反應時,就會造成把人類視覺行為和動作行為混在一起來評價這樣的問題,就有可能會出現(xiàn)錯誤的結(jié)果。例如,如果一個人因為年齡的關系,其反應比較緩慢,行為比較遲鈍,但是動態(tài)視野并沒有變化,那么根據(jù)傳統(tǒng)的動態(tài)視野測量方法,由于其按鍵響應的時間 (SRT=tr-tc)較長,就會得出其動態(tài)視野變窄這一錯誤的結(jié)論;另外,如果一個人因為腦損傷而傷害了行為的反應能力,傳統(tǒng)的動態(tài)視野測量可能會得出動態(tài)視野受損的錯誤結(jié)論。所以傳統(tǒng)的把包含了簡單反應時間 (SRT)在內(nèi)的動態(tài)視野作為被試真實動態(tài)視野來評價這一視覺特征是有問題的。

        為了解決過去的研究以及現(xiàn)在的醫(yī)學檢查設備的問題,本研究重新定義了動態(tài)視力和動態(tài)視野的概念。在重新定義的動態(tài)視野測量中,使用和上面動態(tài)視力定義相同的方法,但是通過把簡單反應時考慮進去,就能夠?qū)討B(tài)視野范圍做出新的定義。

        定義2 感知時間 (CT)就是被試感知到視標的時間(tc-ts)。

        例如初速度為零的帶點粒子處于加速電場中,因自身帶電而受到電場力的作用,根據(jù)牛頓運動第二定律可知,物體此時具有和電場方向相同或相反的加速度。有:

        定義3 簡單反應時間SRT就是在感知到目標之后到按鍵做出響應的時間 (SRT=tr-tc)。

        將新的KVA記作KVAnew,則有

        式中:S(tc)——視標在tc時刻的靜態(tài)視力。

        由于tc不能直接測得,所以式 (2)新定義的KVA不能用來測量動態(tài)視力。然而,由于反應時 (RT)能夠測量,如果簡單反應時 (SRT)也能測得,那么感知時間(CT)可以通過下面的式 (3)計算得到,于是新定義的KVA就可以根據(jù)隨后的式 (4)計算得到

        由于傳統(tǒng)的KVA包含了簡單反應時,所以我們發(fā)現(xiàn),KVAold≤KVAnew。

        下面通過實驗來驗證這個定義的正確性。

        3 動態(tài)視野測量實驗和數(shù)據(jù)分析結(jié)果

        3.1 實驗過程

        7名正常被試,年齡從21-27歲,皆為男性。右眼靜態(tài)視力從0.5至2.0,沒有戴眼鏡的矯正視力者。實驗使用的6種視標的亮度、尺寸、顏色條件詳細情況見表1。視標以5 [deg/s]、10 [deg/s]、15 [deg/s]這3種速度移動。

        表1 視標條件

        實驗中所采用的動態(tài)視野測量裝置,是研究者以前開發(fā)出來的。如圖3所示,圖3(a)是手動的Goldman視野計經(jīng)過改造,安裝了電動滑桿,用與其連接的個人計算機程序控制電動滑桿的移動,實現(xiàn)視標移動的自動控制。為了使簡單反應時間測量和動態(tài)視野測量的條件相同,實驗室自己制作了LED信號控制連接部分,圖3(b)所示,SRT測量裝置由動態(tài)視野測量裝置、LED信號控制線、控制SRT測量儀的個人計算機三部分構成。

        圖3 測量系統(tǒng)

        本研究中,動態(tài)視野測量在暗室內(nèi)進行,用殺菌紗布覆蓋被試左眼,只對被試的右眼進行動態(tài)視野面積的測量。另外,被試的頭被固定在視野計裝置上,視野被視野計裝置的半球型覆蓋,半球型的背景亮度是10[cd/m2]。動態(tài)視野測量過程中,6種視標條件的移動速度有5[deg/s]、10 [deg/s]、15 [deg/s]這3種。動態(tài)視野測量時,以固視點為中心,太陽穴的水平方向為0[deg],每隔15[deg],總共24個方向為視標移動子午線方向進行測量,為了避開盲點,在水平方向沿子午線挪動了5°進行測量(如圖4所示)。每條子午線上測量4次,取其平均值作為閾值測量結(jié)果。

        圖4 動態(tài)視野測量方向

        簡單反應時測量環(huán)境與動態(tài)視野測量環(huán)境相同,LED的尺寸有30 [mm]、角度6 [°],9 [mm]、角度3.4[°],0.6 [mm]、角度0.2 [°]這3種,亮度117 [cd/m2],黃色。其中9的視標條件和測量V動態(tài)視野的相同,0.6的大小則和I相同。被試坐在動態(tài)視野測量裝置前,進行3分鐘的光適應以后,用右眼注視設置在動態(tài)視野測量裝置背景屏幕上的SRT測量儀的LED部。LED燈亮后,被試按下應答開關,LED熄燈,此后隨機地相隔200[ms]到600[ms]之間LED燈再次亮起。記錄下被試多次從LED燈亮到按下應答開關的SRT 30次,取其平均值作為被試的簡單反應時。測量時間每人不超過兩分鐘。

        3.2 實驗數(shù)據(jù)分析

        表2是7個被試的簡單反應時間測量結(jié)果的平均值。

        表2 被試個人簡單反應時間測量結(jié)果

        為定量研究動態(tài)視野,本研究引入動態(tài)視野面積的概念,即用被試動態(tài)視野所圍成的多邊形內(nèi)的面積來定量描述被試的動態(tài)視野:把固視點設置為偏心角度0(deg),被試的等視線看作多邊形,通過計算多邊形內(nèi)部面積的方法求得動態(tài)視野的面積。據(jù)此先針對視標大小和視標亮度有差異的視標條件的動態(tài)視野面積進行了對比,得到了視標尺寸越大,視標亮度越高,動態(tài)視野越寬廣的實驗結(jié)果,這和前人的研究結(jié)果一致,表明經(jīng)過改良的動態(tài)視野測量裝置效果良好,被試的人數(shù)滿足實驗要求,能夠根據(jù)實驗結(jié)果正確估計整體趨勢。

        現(xiàn)在對考慮了簡單反應時間和未考慮簡單反應時間條件下的動態(tài)視野進行對比分析。如圖5所示,分別是考慮和未考慮被試個人簡單反應時間條件下,7位被試在6種視標條件下平均的動態(tài)視野面積。其中每組柱狀圖中左邊柱體為沒有減除RT之前被試的平均動態(tài)視野面積,右邊柱體為已經(jīng)減除RT后被試的動態(tài)視野面積。

        從圖5知,考慮了簡單反應時間以后,被試的動態(tài)視野面積都有所增加。研究又針對6視標條件,3視標移動速度的組合條件,根據(jù)是否考慮簡單反應時間,對產(chǎn)生的動態(tài)視野面積,進行了T校驗。結(jié)果表明,根據(jù)是否考慮被試個人的簡單反應時間,6種視標條件下的動態(tài)視野面積都有顯著的差異,說明反應時間對動態(tài)視野的定義影響重大,從而證明了新定義的動態(tài)視野方法的有效性。

        4 結(jié) 論

        本研究指出,傳統(tǒng)的動態(tài)視野測量中,因為沒有考慮被試個體的簡單反應時間的影響,在視覺特征的評價中混有行為特征,不能準確評價被試的動態(tài)視野。據(jù)此提出了一種解決方案,通過測量每個被試的簡單反應時間,通過公式計算,將傳統(tǒng)動態(tài)視野測量中簡單反應時部分減除的方法,重新定義了動態(tài)視野,并通過測定不同視標大小、亮度的動態(tài)視野面積,和前人的研究結(jié)果進行對比分析,驗證了這種新定義的準確性。實驗結(jié)果表明,新定義的動態(tài)視野比傳統(tǒng)定義的動態(tài)視野寬闊,這是因為新的動態(tài)視野定義方法沒有包括簡單反應時間這一人的行為特征,使得動態(tài)視野這一視覺特征的描述更接近被試真實的動態(tài)視野,使得對于動態(tài)視野的評價更加精確。

        圖5 考慮和未考慮被試個人簡單反應時間的動態(tài)視野面積差異情況

        這些研究結(jié)果,為交通安全仿真現(xiàn)實環(huán)境以及駕駛員反應時間測量、動態(tài)視野評價以及交通安全標識放置等研究提供一些基礎視覺方面的理論依據(jù)。

        5 討 論

        根據(jù)反應時間的定義,反應時間反映的是知覺或認知過程所需要的時間,與刺激特性、感覺通道、機體狀態(tài)等因素有關。人的動作時間反映的是肢體運動過程所需要的時間,與肢體運動的距離、目標難度等因素有關。因為知覺過程和運動過程是兩種性質(zhì)不同的心理活動過程,研究已經(jīng)證明,反應時間與動作時間的相關不顯著[27]。但正是由于反應時間的這種內(nèi)隱性,是不可能通過行為實驗準確測得的。簡單反應時的定義,本身就是忽略了一個很短的判斷得到的近似結(jié)果。還有人把這種已經(jīng)忽略了判斷時間的簡單反應時又分為反應時間和運動時間來測量人的反應靈敏性。針對這兩個難點,在我們的動態(tài)視野測量實驗中,通過簡單反應時間測量和動態(tài)視野測量的實驗環(huán)境完全相同這一巧妙安排,使得實驗所得的個人SRT中,雖然也包含了這兩部分,但是在RT-SRT中一并被減除,所以可以說此時用來描述動態(tài)視野的基本就是感知時間CT這一單純的視覺特征評價指標了。但是反應時方法不僅用來進行動態(tài)視野的測定,在幾年來比較熱門的內(nèi)隱聯(lián)想測驗中,主要是通過考察被試在相容與不相容反應時之間的差別,來實現(xiàn)對內(nèi)隱態(tài)度的測量。由于許多社會認知現(xiàn)象都與評價聯(lián)想有關,所以內(nèi)隱聯(lián)想測驗一經(jīng)提出就得到了迅速而廣泛的應用。在這些實驗中如何取得精準的反應時仍然需要根據(jù)具體的實驗目的和實驗條件設計實驗,所以反應時方法仍然有很大的發(fā)展空間。

        反應時實驗的計算機化是其今后發(fā)展的一個主要趨勢。計算機自動控制使得反應時可以記錄以毫秒為單位的時間,正是它的這一優(yōu)勢,才利用它來考察微觀的、不受意識控制的認知成分,并將結(jié)果以數(shù)量化的形式反映出來。在本研究的動態(tài)視野測量中,研究者自行開發(fā)的簡單反應時和動態(tài)視野測量裝置,都是利用計算機程序來控制視標的出現(xiàn),自動記錄響應時間,實現(xiàn)自動化的同時,使得反應時實驗結(jié)果更加精確,

        在研究交通安全的模擬駕駛中,研究駕駛員的反應時間和動態(tài)視野特性,對再現(xiàn)真實交通事件的準確性,研究交通安全設施放置等有實際意義[28]。為了取得更多的數(shù)據(jù),在完成基本心理學實驗的基礎上,本研究還將利用fMRI測定與動態(tài)視野相關的腦區(qū),從大腦功能機制上給出計算機視覺和仿真需要的研究結(jié)果。

        6 結(jié)束語

        反應時作為一種分析人的各種心理活動的指標,在實驗科學和實際應用中都有重要的研究價值。本研究重點探討了動態(tài)視野測量中反應時對測量結(jié)果的影響,解決了傳統(tǒng)測量方法中視覺特征與行為特征混為一體的不精確之處,提出了正確評價動態(tài)視野這一人的視覺特征的精確定義,并給出了多因素分析對比結(jié)果。該研究可為交通安全環(huán)境及虛擬仿真等提供基礎視覺方面的依據(jù)。

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