認知心理學(xué)模式識別ppt課件

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第三章 知 覺,第二節(jié) 模式識別（pattern recognition）,1,一、模式識別 模式（事物）是由若干元素或特征按照一定的關(guān)系組合在一起構(gòu)成的，比如： 漢字有8種筆劃和251類偏旁等特征； 英文字母有水平線、斜線、垂直線、直角、銳角、連續(xù)曲線和不連續(xù)曲線7種基本特征。 音樂旋律 中國好味道,2,模式識別：是指人把輸入刺激（模式）的信息與長時記憶 中的信息進行匹配，并辨認出該刺激屬于什么范疇的過程。 因此，對物體、圖像、語音、符號或人臉的識別過程，即為模式識別。 模式識別依賴于人的知識經(jīng)驗，離開個體已有的知識 經(jīng)驗，就無法理解輸入信息的意義。,3,模式識別是人的一種基本認知能力，當(dāng)代認知心理學(xué)的知 覺研究主要涉及模式識別，特別是視知覺的模式識別。 模式識別受到計算機科學(xué)家的關(guān)注，為進一步開發(fā)人工智 能，人們正試圖將人類的模式識別過程及其能力賦予計算機， 使其具有像人一樣的認知活動和人工智能。,4,二、模式識別過程：分析、比較和決策 分析：把感覺登記中短暫滯留的感覺信息的物理特征與屬性抽取出來，并把這些信息分解成各個組成成分。 如：把“A”分解成2條斜線、1條水平線。 比較：把這些特征或?qū)傩耘c長時記憶中儲存的各種知識經(jīng)驗進行比較。 決策：比較后，對刺激信息模式與哪一種記憶信息編碼最為匹配作出判斷，從而了解模式的意義并賦予模式名稱，使刺激信息模式得到識別，即識別了某個事物。,5,三、模式識別理論 模板匹配理論（Template-matching Theories） 原型匹配理論（Prototype Theories） 特征匹配理論（Distinctive-Feature Theories） 計算途徑（computational approach),6,1、模板匹配理論（Template-matching Theories） 在人長時記憶所編碼的信息中，存儲著各式各樣的 來自個體過去的各種外部模式的拷貝或復(fù)本，即模板， 它們與外部的刺激模式存在著一一對應(yīng)的關(guān)系。當(dāng)一個 刺激作用于人的感覺器官時，刺激信息得到編碼并與頭 腦中所存儲的模板進行比較和匹配，確定哪一個模板與 刺激信息最為吻合，就把該刺激信息確認為是與頭腦中 的某個模板相同，即產(chǎn)生模式識別效應(yīng)。 模式識別是刺激信息與腦中某個或某些模板產(chǎn)生最 佳匹配的過程。,7,模板匹配理論的缺陷： 強調(diào)刺激信息與腦中模板的最佳匹配，如果刺激信息稍有變化，就無法與模板最佳匹配，無法完成模式識別。 要求在長時記憶中存儲無數(shù)個模板，會給記憶帶來沉重負擔(dān)，也會使人在識別事物時缺少靈活性。 無法解釋為何有時能夠非常迅速地識別一個新的、不熟悉的事物。 沒有說明模板匹配的信息編碼形式，即外部刺激模式與腦中模板的比較是平行加工還是系列加工；是從局部開始還是從整體開始等。,,8,2、原型匹配理論（Prototype Theories） 原型：是一類事物所具有的基本的、共同的特征。 原型匹配理論：所有的外部刺激信息，都是以原型的表征方式存儲于人 的長時記憶系統(tǒng)中，任何具體事物都是通過原型及其一 系列變式存儲在人腦中的。人的長時記憶中，存儲著的 不是與外部客觀事物一一對應(yīng)的具體模板，而是一系列 客觀事物的原型，外部刺激信息或事物只要能與人腦中 的原型相匹配，即完成了模式識別。,9,10,Prototype Matching,11,例：各種不同形狀、型號的飛機，其原型是有2個翅膀的 長筒，機場停著的飛機和畫里的飛機，盡管差異很 大，但由于與腦中表征的原型相似，仍然能夠被識 別出來。 換了發(fā)型的張老師仍然能被識別出。 原型匹配理論的優(yōu)點：減輕記憶負擔(dān)，使人的模式識別 活動更加靈活。 缺點：沒有非常具體和詳細地描述刺激 與原型之間的匹配過程。,12,（3）特征匹配理論或區(qū)別性特征理論（Distinctive- Feature Theories） 特征匹配理論：任何模式都可以被分解成諸多特征或?qū)傩裕Ｊ阶R別就是通過對刺激信息特征的分析，抽取出該刺激模式的有關(guān)特征或?qū)傩约右院喜ⅲ倥c長時記憶中所存儲的各種刺激的特征進行比較，一旦獲得了最佳的匹配，來自外部的刺激信息模式就得到了識別。 例如：各種字體的同一個字，只要其基本特征保持不變，就可得到識別。,13,特征模型支持證據(jù),* 諾貝爾獎得主 Hubel和 Wiesel 的研究 將微電極插入動物視皮層的一系列神經(jīng)元中，呈現(xiàn) 簡單視覺刺激（垂直光柵），結(jié)果表明，每個神經(jīng)元只 對特定方向的光柵反應(yīng)特別強烈。一小塊視皮層包含了 各種各樣的神經(jīng)元，分別對垂直、水平、傾斜線條作出 反應(yīng)，視覺系統(tǒng)似乎有一些專門的特征檢測器，幫助我 們對字母和簡單模式的某些特征作出反應(yīng)。,14,feature detector,featural analysis model fits nicely with some neurophysiological evidence.,15,靜止網(wǎng)膜像（stabilized image）,16,EIMVWX XMZWVI VIEXWM WVXQIE,CDGORU RDQOCG GRDCOU DCURZG,奈塞爾的視覺搜索實驗：搜索字母“Z”,17,原因： 表1中干擾字母的直線特征與“Z”的直線特征相同。 表2中干擾字母的曲線特征與“Z”的直線特征不同。 心理學(xué)家從中得到啟示： 人在模式識別過程中，首先從刺激模式中抽取特征并加以編碼，然后再把目標(biāo)字母和背景字母加以比較。,18,* Gibson的研究表明： 當(dāng)一些字母共用很多關(guān)鍵特征（如P和R）時，判斷 這些字母是否相同需要花更長的時間。 字母G和M各自使用許多不同的區(qū)別性特征，對類似 于這樣的字母對，判斷的速度相對要快。,19,* 局部優(yōu)先效應(yīng)（Local precedence effect ，Martin, 1979)： 當(dāng)局部小字母的間距更寬時，整體優(yōu)先效應(yīng)反轉(zhuǎn)，出現(xiàn)局 部優(yōu)勢效應(yīng)，即對局部特征的識別優(yōu)先于整體特征的識別，當(dāng)局部 特征和整體特征不一致時，局部特征干擾整體的識別。 這說明：整體優(yōu)先效應(yīng)的出現(xiàn)有一些制約條件 —— 小字母的間距，刺激的大小。,20,“魔鬼城堡”模型（Pandemonium Model）（謝夫里奇） “魔宮”里群居著許多“鬼”，他們分屬于4個層次，每個層次的“ 鬼”執(zhí)行著某個特殊的任務(wù)，并依次工作，直到最終實現(xiàn)模式識別。 “映象鬼”——對外部刺激信息進行編碼，形成刺激模式的表象或映象。 “特征鬼”——從“映象鬼”得到的表象中搜索一定的特征，每個“特征鬼”都有 其特定的功能和任務(wù)，它們只搜索和選擇自己負責(zé)的那個特 征，找到后就喊叫或標(biāo)記出這種刺激特征及其數(shù)量。,21,“認知鬼”——每個“認知鬼”負責(zé)一個特殊的模式，它們在傾聽“特征鬼”的喊 叫中搜索自己負責(zé)的某個模式的有關(guān)特征，一旦發(fā)現(xiàn)有關(guān)特 征，就會大喊大叫，發(fā)現(xiàn)的特征越多，喊叫聲就越大。 “認知鬼”的喊叫聲表明它們已經(jīng)組合了某個字母。 “決策鬼”——聽取所有“認知鬼”的喊叫聲，判斷哪一個“認知鬼”的喊叫聲最 大，根據(jù)喊叫聲最大的“認知鬼”來決定并呈現(xiàn)出那個字母。,22,Selfridge’s Pandemonium model,23,特征模型不支持證據(jù),整體優(yōu)先效應(yīng)（Global precedence effect ）： 當(dāng)要求識別整體時，局部特征的性質(zhì)，即局部特征是 否與整體特征相匹配，并不影響整體的知覺。然而，當(dāng) 要求識別局部時，整體特征的性質(zhì)，即整體特征是否與 局部特征相匹配，影響局部的知覺。這提示知覺過程中 存在整體優(yōu)先。,24,特征匹配理論或區(qū)別性特征理論的優(yōu)缺點： 優(yōu)點: 更靈活有效地解釋人的模式識別過程。 缺點： 忽略了自上而下的加工過程。 一個模式識別理論，不應(yīng)只是簡單地羅列刺激中能夠發(fā)現(xiàn)的一 些特征，還必須描述特征之間的物理關(guān)系，如：T和L特征一樣，但 物理關(guān)系不一樣。 只能解釋相對簡單的字母識別，很難解釋更復(fù)雜的刺激的識別 過程。,25,(4) 計算途徑（computational approach) 主要目的在于發(fā)展一些基于計算機的理論。利用這 些理論，計算機能夠完成一些人類能夠完成的任務(wù)，如 快速和精確的三維客體識別。 目前已有幾個模式識別的計算途徑。其中一個是 Biederman 的成分識別理論。,26,成分識別理論： 一個特定觀察角度的物體，可以用一些簡單的三維形狀的排列 來表征，這些簡單形狀為幾何子。象字母一樣，幾何子可以構(gòu)成一 些有意義的東西。如，幾何子3和5可以形成具有不同意義的物體， 即茶杯和提桶。 本質(zhì)上為三維物體識別的區(qū)別性特征理論。,27,28,29,成分識別理論的支持證據(jù)： 迄今尚未得到廣泛檢驗，在正常人和特異性視覺缺陷的病人身上進行的一些早期研究，基本支持成分識別模型（Banks 和 Krajicek，1991)。,30,成分識別理論的不支持證據(jù)：,,Cave & Kosslyn, 1993的實驗：,任務(wù)：識別2種碎片，一種是與幾何子一致的“自然”碎片，一種是“非自然”的碎片。 結(jié)果：識別速度同樣快和準確。 表明：首先編碼整體，然后才對部分進行分析。,31,上面討論的模式識別理論主要集中在如何覺察孤立的客體。自下而上加工強調(diào)刺激本身在模式識別中的重要性，與刺激有關(guān)的信息來自感受器，這些信息觸發(fā)了模式識別過程，簡單的基礎(chǔ)水平特征的結(jié)合，使我們能夠識別更復(fù)雜的、整體的模式。但知識和期望也能幫助我們識別客體，除了自下而上加工外，模式識別還涉及另一個重要過程，即自上而下加工，這種加工強調(diào)概念和高水平過程對模式識別的影響。,32,四、自上而下加工和模式識別 1、背景和模式識別 字詞優(yōu)勢效應(yīng)：識別一個字詞中的字母，比識別一個單獨的字母的正確率要高。 客體優(yōu)勢效應(yīng)：識別一個客體圖形時，圖形中的線段要優(yōu)于識別結(jié)構(gòu)不嚴的圖形中的同一線段或單獨的線段。 構(gòu)形優(yōu)勢效應(yīng)：識別一個完整的圖形要優(yōu)于識別圖形的某一部分。,33,Word Superiority Effect (Reicher, 1969; Wheeler, 1970),D WORD D K WORD WORK,34,2、過去經(jīng)驗和模式識別 Schacter和他的同事（1991）證明，與物體有關(guān)的過去經(jīng)驗，的確能夠幫助人們識別物體。 Schacter等不可能圖形的實驗。,35,五、拓撲特征檢測,陳霖于1982年提出視覺拓撲理論（visual topological theory）。 拓撲學(xué)是數(shù)學(xué)的一個分支，它主要研究不受形狀或大小變化影響的幾何圖形或固體物體的特點。 圖形的拓撲性質(zhì)是指在拓撲變換下圖形保持不變的性質(zhì)與關(guān)系。 典型的拓撲性質(zhì)包括：連通性（connectedness）、封閉性（closeness）、洞（hole）等。 圖形的大小、角度、平行等幾何特性在拓撲變換下會發(fā)生變化，因而不是拓撲特征。,36,莫比爾斯帶,一種單側(cè)、不可定向的曲面。每一張紙均有兩個面和封閉曲線狀的棱，如果有一張紙它有一條棱且只有一個面，使得一只螞蟻能夠不越過棱就可以從紙上的任何一點到達其他任何一點，這有可能嗎？只要把一條紙帶半扭轉(zhuǎn)，再把兩頭貼上就行了。這是德國數(shù)學(xué)家莫比爾斯在1858年發(fā)現(xiàn)的。,37,陳霖認為，視覺處理的早期階段檢測的是圖形大范圍的、整體的拓撲性質(zhì)，以后才處理圖形的局部特征。 用速示器成對呈現(xiàn)這些圖形5ms，讓被試判斷圖形的異同，就可以推測視覺早期加工是否對拓撲性質(zhì)敏感。,,,,,,,,64.5%,38.5%,43.5%,報告成對圖形不同的百分數(shù),38,陳霖等人（2003）發(fā)表在美國科學(xué)院學(xué)報上的研究發(fā)現(xiàn)，蜜蜂雖然腦子很小，但它能夠知覺到圖形之間的拓撲性質(zhì)差別。 蜜蜂被放置在一個Y形迷宮里，圓圈圖形在一側(cè)，S形在另一側(cè)。雖然在面積、周長和其他非拓撲特征上兩者類似，但它們在拓撲結(jié)構(gòu)上是不同的: 圓圈有一個洞，而S形則沒有。 首先訓(xùn)練蜜蜂對圓圈作反應(yīng)，即飛向圓圈可得到糖水作獎賞。,39,40,然后，在測驗中改變圖形，放置叉形與正方形；或空心圓與實心圓；或空心圓與有4個小洞的圓，每對圖形中的圖形拓撲性質(zhì)都是不同的。 蜜蜂順利地通過了測驗，仍然表現(xiàn)出對 洞 ( 包括空心正方形) 的偏向。 最后放置圓圈與空心正方形( 兩者都有一個洞)讓蜜蜂辨認，這時它犯糊涂了，沒有表現(xiàn)出任何偏好。 蜜蜂的實驗結(jié)果表明，蜜蜂能辨別拓撲結(jié)構(gòu)上的差別。,41,陳霖在《Visual Cognition》 2005年第四期，概括其了拓撲性質(zhì)知覺理論：知覺組織的拓撲學(xué)研究基于一個核心思想，包括兩個方面： 核心思想是，知覺組織應(yīng)該從變換( transformation) 和變換中的不變性( invariance) 知覺的角度來理解。 第一方面強調(diào)形狀知覺中的拓撲結(jié)構(gòu)，就是知覺組織的大范圍( global) 性質(zhì)能夠用拓撲不變性來描述； 第二方面進一步強調(diào)早期拓撲性質(zhì)知覺，就是拓撲性質(zhì)知覺優(yōu)先于( prior) 局部特征性質(zhì)的知覺。,42,優(yōu)先有兩個嚴格的含義： 第一，由拓撲性質(zhì)決定的整體組織是知覺局部幾何性質(zhì)的基礎(chǔ)； 第二，基于物理連通性( physical connectivity) 的拓撲性質(zhì)知覺先于局部幾何性質(zhì)的知覺。,43,陳霖認為( Chen, 2005) ，選擇性注意所選擇的是知覺物體，而且知覺物體可以定義為拓撲變換中的不變性。 當(dāng)一個實心圓變成空心圓時，按照知覺物體的拓撲知覺理論的定義，我們說產(chǎn)生了新的物體，因為其拓撲結(jié)構(gòu)發(fā)生了變化；然而，當(dāng)一個物體由紅色變成綠色時，或由長方形變成正方形時，我們說沒有產(chǎn)生新的物體，因為其拓撲結(jié)構(gòu)未變。 物體的各種幾何性質(zhì)可以用變換中的不變性來定義，從而為描繪形狀性質(zhì)( form properties) 提供了統(tǒng)一的語言。,什么叫做知覺物體? 注意選擇什么?,44,各種幾何學(xué)性質(zhì)中，拓撲性質(zhì)最穩(wěn)定，射影變換、仿射變換、歐氏變換依次是約束越來越強的變換，也就是越來越特殊的變換；相應(yīng)的射影性質(zhì)、仿射性質(zhì)、歐氏性質(zhì)的穩(wěn)定性也越來越弱；歐氏性質(zhì)( 如朝向) 是最不穩(wěn)定的幾何性質(zhì)。 B到E對的兩個圖形之間的差別代表著形狀穩(wěn)定性的不同水平，對應(yīng)著上述幾何學(xué)分類，其中E對代表的拓撲性質(zhì)差別是最穩(wěn)定的。,45,研究表明，人們能看見兩個不同形狀的圖形( 如圓和方形) 之間產(chǎn)生似動，由此可以認為形狀對似動知覺不那么重要。 而各種幾何學(xué)性質(zhì)中，拓撲性質(zhì)最穩(wěn)定，射影變換、仿射變換、歐氏變換的穩(wěn)定性依次越來越弱。 可以假設(shè)：穩(wěn)定性不同的幾何學(xué)形狀對似動可能有影響。,46,運動知覺領(lǐng)域中，各種行為實驗結(jié)果所得到的一個普遍接受的結(jié)論是，似動和真實運動是等價的。 如果這種觀點正確，那么大腦背側(cè)通路( dorsal path-way) 的MT區(qū)就很可能是與似動相關(guān)的區(qū)域，因為大量的包括來自PET 和fMRI 的實驗證據(jù)都表明MT區(qū)是專司運動的，不論是真實運動還是運動錯覺( 如運動后效) 。 但是，大量的研究還表明，形狀知覺是由腹側(cè)通路( ventral pathway) 負責(zé)的。 那么，由不同形狀幾何圖形間產(chǎn)生的似動，會激活什么腦區(qū)？MT？顳區(qū)？,47,卓彥等人發(fā)現(xiàn)，形狀在長距離( long- range) 似動中作用（fMRI）的結(jié)果： 腹側(cè)位置上的顳下回和顳中回前部( anterior temporal gyrus) 有顯著激活，而公認的運動區(qū)-背側(cè)MT區(qū)卻沒有得到激活。,The time course of signal changes,Activation patterns responding to each of these activation stimulus pairs.,48,在知覺到這些圖形對之間產(chǎn)生似動時，顳回前部的激活隨著兩圖形間結(jié)構(gòu)差異的穩(wěn)定性的增大而線性上升。 刺激對結(jié)構(gòu)差異最大( 有洞和無洞的差別)時 ，激活程度最高。,The histograms of activation volumes and amplitude of signal change, averaged over the 11participants in the anterior temporal lobe for each of these activation stimulus pairs.,49,卓彥等人發(fā)現(xiàn)的意義在于： 第一，幾何形狀在似動中起作用，顳回前部的激活說明此點； 第二，幾何形狀性質(zhì)用變換中的不變性來定義且具有功能層次的思想得到證明，即一對刺激形狀差別越大，顳回激活程度越高。,50,拓撲性質(zhì)知覺理論的意義,美國科學(xué)院院士R. Desimone( 2005) 認為: 陳霖的大范圍到局部的知覺拓撲模型是和神經(jīng)生物學(xué)體系一致的，也是和心理學(xué)行為實驗的物體基本表達的證據(jù)一致的。 拓撲性質(zhì)知覺模型將會激勵神經(jīng)生物學(xué)家對視覺系統(tǒng)特征分析采取新的研究方向，即強調(diào)物體特征是變換下不變性質(zhì)的研究方向。,51,謝謝！,52,