视觉搜索过程中的眼跳及其机制

心理科学进展 2006，14（3）：340~345Advances in Psychological Science视觉搜索过程中的眼跳及其机制*任延涛韩玉昌隋雪**（辽宁师范大学心理系，大连 116029）摘要该文对视觉搜索过程中的眼跳及其时间进程、神经机制及相关的理论与模型等方面研究进行了回顾。

发现内外源性眼跳得到了研究者的普遍关注，对眼运动记忆、返回抑制及眼跳时间进程的研究尚存在分歧。

关于眼跳的神经机制，额叶眼动区与上丘分别被认为是眼跳的关键区与指令发出者。

尽管不同的眼跳理论与模型对眼跳现象给出了各自的解释，但都不尽完善，尚需对这些理论进行整合或者提出新的解释模型。

文章还对未来的研究进行了展望。

关键词视觉搜索，眼跳，时间进程，理论与模型，神经机制。

分类号 B842视觉搜索是一种复杂的认知过程，是人获取外界信息进而进行加工的一种重要方式。

视觉搜索一般要求在某一刺激背景中找出特定刺激，具有较强的目的性。

从外显的行为看，视觉搜索是通过一系列的眼跳（saccades）与注视（fixation）获取外界的刺激信息，从而完成信息加工。

眼跳对视觉搜索有着极其重要的影响，眼跳问题也一直是视觉搜索研究的热点。

1 视觉搜索过程中的眼跳眼跳分为内源性眼跳与外源性眼跳。

外源性眼跳是由外源性刺激引起的眼跳，比如在边缘视觉区突然出现新刺激而引起的眼跳。

内源性眼跳是由个体主动发起的眼跳，比如按指导语要求进行的眼跳。

在对视觉搜索眼跳的早期研究中，大多倾向于外源性眼跳研究；而近期的研究，大多倾向于内源性眼跳研究。

1.1 视觉搜索过程中的外源性眼跳外源性刺激在视觉搜索中主要指前注意信息，是指刺激物所具有的基本特征，比如，颜色、大小、形状、方向、质地、弯曲、空间排列、深度、光泽等等。

对前注意信息的知觉是无意识的，不受意识支配，因而我们无法意识到前注意信息。

早期的研究者非常关注前注意信息对外源性眼跳的影响。

比如，在物体诸多的特征中，哪些可以影响眼跳，哪些不能影响眼跳；在多种特征共同影响眼跳的情况下，哪种特征对影响眼跳具有相对的优先性，哪种对影响眼跳有较大的贡献率。

收稿日期：2005-07-14* 教育部高等学校博士学科点专项科研基金资助项目（20050165002）；辽宁省高等学校人文社会科学重点研究基地科研项目（J05042）通讯作者：隋雪，E-mail：suixue88@起先，研究者发现颜色特征对眼跳影响最大[1]，利用颜色线索会大大提高搜索效率。

稍后，很多研究也得出了方向[2]、运动[3]、大小[4]、弯曲[5]、深度与立体[6]等特征对眼跳影响也很大。

但是，由于研究设计不同，不同研究得出不同的结论。

另外，物体特征程度上的差异大小也会直接影响眼跳，所以刺激特征差别量的大小引起了研究者的兴趣。

Nagy 等就考察了视觉搜索中能引导眼跳的颜色特征最小可觉察差别量（just noticeable difference，JND）[7]。

不同物体特征的前注意可觉察最小差别（pre- attentive just noticeable difference，pre-attentive JND）是不同的。

当物体特征本身差别远大于该特征的可觉察最小差别时，该特征就会对眼跳产生直接的影响。

反之，则对眼跳影响较小或者没有影响。

所以，确定物体不同特征前注意最小差别量，有助于在视觉搜索眼跳研究中控制无关变量，从而得出更为科学的结论。

1.2 视觉搜索过程中的内源性眼跳内源性眼跳是个体主动发起的，是受个体自身第14卷第3期视觉搜索过程中的眼跳及其机制 -341-因素影响的。

视觉搜索过程中的内源性眼跳研究主要集中在眼运动记忆与返回抑制两个问题上。

两者之间存在一定联系，但也有很大差异。

1.2.1 眼运动记忆视觉搜索的很多模型中都假设大脑存在一种对先前注视过的目标的眼跳抑制，也就是说眼跳更趋向于指向新目标，而不是指向已经检查过的目标。

大量的眼动实验数据也证实了这一假设[8]。

这表明在视觉搜索的眼运动过程中存在一种眼运动记忆。

这种眼运动记忆对视觉搜索中眼跳有着一定的引导作用。

但对此研究一直存在着争论。

Gilchrist 等发现在视觉搜索中，对第一到第三次注视目标的再注视次数极少，但对后来的注视目标的再注视次数就会大大增加[9]。

所以他们认为在视觉搜索过程中存在着眼运动的记忆，但这种记忆的容量较小并且时间短暂。

但Peterson等却得出相反的结论，他们认为这种再注视即使过了很长时间仍然次数很少，这种眼运动记忆能够较长时间保存。

并且，他们的研究数据表明，这种记忆容量可以多达11个项目[10]。

Gilchrist与Peterson都只是粗略的对眼运动记忆的容量进行研究，他们的实验设计都对无关变量控制不尽完善，所以结果相差很大。

此后，McCarley 等[11]采用注视跟随搜索范式（gaze-contingent search paradigm）进行研究。

首先呈现一个注视点，然后呈现一个刺激，目标、非目标随机化，要求被试按键判断。

接下来在注视过的位置和一个随机的新位置同时呈现两个刺激，被试进行跟随搜索，按键反应后，又在注视点之前的注视位置和新位置呈现两个刺激，被试反应，直到实验结束。

研究发现眼运动记忆只能保存3到4项搜索记录。

并且这种记忆某种程度上是受到空间搜索轨迹的影响，被试的记忆内容是位置信息，而不管这一位置上是否存在可见物体。

同时，眼运动记忆也受到其它可见刺激的干扰。

1.2.2 返回抑制返回抑制（inhibition of return，IOR），是指当新目标呈现在先前注视过的位置时，眼跳重新指向新目标的反应时要大大增加。

返回抑制是一种特殊的眼跳现象，视觉搜索过程中的返回抑制研究主要集中在返回抑制对视觉搜索绩效影响上。

Posner等于1984年最早发现IOR现象。

这种现象表明，眼跳有一种指向新目标的偏向，从而高效的完成视觉搜索任务。

但这种观点必须建立在一定的假设基础上，那就是这种返回抑制必须同时发生在先前几个注意的位置[12]，这样才能提高视觉搜索效率。

很多研究都试图验证这一假设，但大多都得出了矛盾的结果。

有研究认为IOR可以同时发生在两个甚至四个位置[13]。

相反，也有研究者认为IOR同时只能在一个位置发生[14]，所以IOR并不能在视觉搜索中起到重要作用。

对于两种矛盾的观点，有人[15]做出了较为合理的解释。

首先，因为先前的许多实验被试事先知道下一目标一定会或者是可能会出现在IOR位置，使被试有较强的目的性。

其次，很多研究虽然能够看到多处IOR现象同时发生，但大多是因为这些IOR位置是可以群组成一个位置。

虽然这种争论仍没有明确的结果，但是大多研究者还是倾向于IOR对视觉搜索有较大作用这一观点[16]。

在视觉搜索研究中，IOR是一种较有意义的眼跳现象，对它的研究有待于进一步深入。

另外，IOR 与眼运动记忆存在着一定的关系，IOR现象可以被看作是一种特殊的眼运动记忆。

IOR是以目标刺激物为基础的，没有纯粹的空间成分。

当撤销先前注视目标时，IOR现象随即消失，很多研究都能证实这一说法[17]。

2 视觉搜索过程中眼跳的时间进程眼跳的目的是使感兴趣的视觉信息落入中央窝，从而进行充分的加工。

对于每次眼跳来说，都是基于视觉信息加工的神经决定的结果。

以往的研究表明在眼跳执行之前，大脑的不同区域就已经产生了与眼跳准备相关的电活动。

但神经系统决定眼跳是否存在一定的时间进程呢？这是许多研究者所关心的问题。

因为视觉信息引起感觉转换以及眼肌运动路径延迟，所以在眼跳执行之前存在一段大约100ms的不应期。

在这一时期内的任何视觉信息是无法影响眼跳目标选取的。

这种不应期在视觉搜索中会对搜索成绩及搜索策略产生一定的影响。

整个搜索过程包含一系列的眼跳，如果每次眼跳都是由一连串彼此独立的神经决定产生的，并且每一次都有自己的不应期，那么整个搜索过程就变得异常复杂低效。

实际上，很多情况下都是以一系列快速眼跳，并行加工的方式进行的。

但这一系列眼跳的潜伏期是不相等的，后来的眼跳潜伏期明显短于最初的眼跳潜伏期[18]。

-342- 心理科学进展 2006年很多研究者对第一、二次眼跳进行了研究，发现在很多情况下，第一次眼跳后的视觉信息并不能有效制约第二次眼跳。

这种结果得到了神经生理研究上的支持：McPeek等对猴子脑区上丘进行的测查，发现在快速的系列眼跳时，与第二次眼跳相关的脑区活动会暂时性的与第一次眼跳的脑区活动相重叠[19]。

这表明，第一次眼跳后的视觉信息加工与第二次眼跳信息加工存在相对的独立性。

最近，Caspi等又对第一次和第二次眼跳进行了更为深入的研究[20]，发现第一次眼跳前的视觉信息不是用来准备第一次眼跳，而是被大脑存储并加工从而决定第二次眼跳，眼跳间隔一般在140ms至172ms之间。

另外，有人操纵眼跳间隔这一变量进行了神经机制研究也取得了一定成果[21]。

尽管眼跳的时间进程还是较为模糊，但基本可以认为：在刺激呈现与第一眼跳之间存在着大约100ms的不应期，进而出现第一次眼跳。

随后的一系列快速眼跳，都存在不同的不应期，但后来的眼跳不应期短于最初的眼跳不应期。

第一次眼跳前的信息加工直接影响第一次第二次眼跳。

3 与视觉搜索过程中眼跳相关的理论与模型在复杂的视觉搜索任务中，被试必须进行一系列眼跳选择注视目标，从而完成视觉搜索任务。

眼跳的选择性在视觉搜索中有着极其重要的地位，直接决定着视觉搜索的效率。

许多与视觉搜索过程中的眼跳相关的理论与模型都对眼跳选择机制做出了各自解释。

3.1 与视觉搜索过程中眼跳相关的理论3.1.1 特征整合理论早期有代表性的理论是Treisman等提出的特征整合理论（feature integration theory）[22]。

这种理论提出一种前注意特征地图（pre-attentive feature maps）。

前注意特征包括颜色、形状、方向等等。

在特征搜索（feature search）中，即当搜索目标物是在单一特征上与其它干扰物有显著不同时，前注意信息是平行加工的，眼跳能迅速的指向目标物。

比如在许多绿色的干扰物中寻找红色的目标物，眼跳可以迅速的指向红色目标物。

但在联合搜索（conjunction search）中，即当搜索目标物在某几个属性特征上与干扰物存在不同时，前注意信息是逐项比较系列加工的，眼跳按一定空间序列进行。

被试必须整合相应的属性地图信息，逐项进行比较直到找到目标，所以在联合搜索中，没有眼跳的选择性。

起初的特征整合理论与后来的许多研究结果存在诸多的不一致。

比如许多研究者发现，在联合搜索中也存在着高效地平行加工。

这与特征整合理论所认为的联合搜索中逐项的低效搜索相矛盾[23]。

甚至，在特征搜索中又出现了逐项的低效系列搜索。