视差的垂直梯度对Wheatstone-Panum极限情况匹配方式的影响

谢 莺，李华云，2，李羽欣，雷丽云

(1中南民族大学生物认知科学国家民委重点实验室，武汉430074;2华中师范大学心理学院，武汉430079)

Wheatstone-Panum极限情况通常又称为Panum极限情况［1-4］.它是指将单一一根直线呈现给一只眼，而成组的两根直线呈现给另一只眼，双眼融合后观察到两根处于不同深度直线的现象.尽管该现象从早期发现并报道［5，6］至今已过去 100多年，但关于其深度加工的机制，迄今却依然存在争论［3，4，7-10］.

通常认为，Wheatstone-Panum极限情况(W-P极限情况)的视差梯度就是 2［11，12］.但我们经过仔细分析发现_，实际情况并非完全如此［13］.根据构型中特征是否完全相同，可将W-P极限情况的研究构型分成两大类:一类为Panum类，指其中两对两眼间特征对都平行的构型［6，7，14］;另一类为 Wheatstone 类，指其中两眼间特征至少有一对不平行的构型［3-5，7，15，16］.两类构型分别具有两种不完全相同的视差梯度.对于Panum类构型，其视差的水平梯度(GH)为2，视差的垂直梯度(Gv)为零;但对于Wheatstone类构型，其GH为2，Gv不全为零.可见，通常所泛指的W-P极限情况的视差梯度为2，其实指的只是W-P极限情况的视差的水平梯度GH.对于W-P极限情况中的不同Wheatstone类构型而言，尽管它们的GH都相同，但其Gv会随构型中两眼间特征对的不平行程度变化而变化.

但是，由于通常认为W-P极限情况的视差梯度就是2，因此不同Wheatstone类构型的Gv存在差异的事实往往会被研究者所忽略.譬如，在先前几项有关W-P极限情况融合方式的研究中，研究者们就只考虑了视差对双眼性融合的限制，从而导致同样在小视差条件下，同样采用两对两眼间特征对都不平行的Wheatstone类构型，不同研究者却得出了截然相反的结论［3，4，7，16］.具体而言，Gillam 等采用如图 1(a)和1(b)所示的交叉构型和/或弧线构型发现，当Panum现象发生时，观察到的两根线段，都具有空间朝向，或空间弯曲，因此得出结论，W-P极限情况发生的是双重融合［7］.但是，利用如图1(c)所示的斜线刺激构型，Wang等却发现，当Panum现象发生时，在观察到的两根线段中，总是只有一根直线发生了空间朝向效应，因此他们认为，W-P极限情况还是遵循唯一性原则［3，16］.Frisby 利用如图 1(d)所示的波形构型，得出了与Wang等相同的结论［4］.

图1 原始Gillam等、Wang等、Frisby构型Fig.1 Original configurations used by Gillam et al，Wang et al and Frisby

分析上述构型的Gv可以发现，得出双重融合结论的刺激构型，无论是Gillam等采用的交叉构型还是弧线构型，它们的Gv都比较小，小于并接近于0.1;而得出唯一性融合结论的刺激构型的Gv相对较大:Wang等采用的斜线构型的Gv介于0.1和0.3之间，Frisby采用的波线构型的Gv接近于0.3.

有理由猜测，对Gv差异的忽略，可能是导致基于相同研究思路的不同研究得出不同结论的重要原因.

本研究将以原版Gillam交叉构型和弧线构型、Wang斜线构型和Frisby波线构型为基础，在保持小视差不变的条件下，改变各构型的Gv，考察Gv变化对P-W极限情况融合方式的影响.

1 实验部分

1.1 实验刺激

本实验所用刺激构型由Gillam等采用的交叉构型 (图1a)、弧线构型(图1b)、Wang等采用的斜线构型(图1c)和Frisby采用的波线构型(图1d)扩展而来.为便于比较，将Wang等采用的斜线构型(图1c)中倾斜程度较小类似于垂线的斜线改为了垂线.通过系统改变任一构型的Gv，我们构造了如图2所示的4个系列刺激构型，分别称作交叉构型系列(图2a)、弧线构型系列(图2b)、斜线构型系列(图2c)和波线构型系列(图2d).在每一构型系列中，由上到下，构型的 Gv分别为 0.1，0.3，0.6.构型的视差(对于斜线构型和波线构型而言)或最大视差(对于交叉构型和弧线构型)保持在13'.

图中所示的所有构型都将垂线特征放在左边，但在正式实验中，呈现给左右眼的特征可以调换，单一特征呈现给左眼成组特征呈现给右眼，还是成组特征呈现给左眼单一特征呈现给右眼的几率是相等的.

图2 以Gillam等、Wang等和Frisby采用的原始构型为基础扩展而来的具有不同Gv的构型系列Fig.2 Configuration serieswith different Gvs extended from the original configurations used by Gillam et al，Wang et al and Frisby

对于交叉构型、弧线构型以及斜线构型，当 Gv等于0.1时，特征的高度为112';当Gv等于0.3时，特征的高度为37';当Gv等于0.6时，特征的高度为19';而对于波线构型，当 Gv等于 0.1、0.3 和 0.6时，特征高度依次分别为295'、99'和50'.

1.2 观察者

4名观察者自愿参加实验，视力或矫正视力正常.他们对实验无任何了解，但在正式实验前通过随机点立体图测试以确定立体视正常.实验后获取少量报酬.

1.3 实验装置和程序

实验刺激图形由Window NT图形工作站产生，呈现在三维液晶显示器上(SD2320MW，美制).显示器分辨率为1920×1200，刷新率为75Hz.实验时观察者需戴上正交偏振滤光镜获取相应的分视信号，即左眼只看到下显示器、右眼只看到上显示器的图像.实验在低照度环境中进行.观察距离为115cm.观察者在参加实验前进行少量练习，以确定他们明白指导语，且能够判断特征是否具有视差弯曲效应或视差朝向效应.

每一次试验中，单一特征或成组特征呈现给哪只眼是随机的.呈现给每位观察者的刺激有24种(4种构型×3种Gv×2只眼)，每种情况重复10次.要求观察者在双眼融合后报告观察到的具有深度朝向或深度弯曲的曲线或斜线的数目.

2 实验结果和讨论

4名观察者对具有不同Gv的各种刺激构型报告发生双重融合现象频率的实验结果如图3所示.对于任一构型，左右眼特征交换的立体图的实验结果相近，故将两者的实验结果进行了合并.

图3 4名观察者的实验结果Fig.3 Experimental results of four observers

从图中可以清楚地看到，尽管不同观察者对不同刺激构型报告发生双重融合现象的实验结果存在一些差异，但Gv确实是影响能否观察到双重融合现象的重要因素.对于任一P-W极限情况刺激构型，当Gv较小时，实验结果可能是支持双重融合的，而当Gv较大时，实验结果又可能是支持唯一性融合的.譬如，对于弧线构型，当Gv等于0.1时，所有观察者在双眼融合后均能观察到两个呈反方向弯曲的曲线，即所有观察者都能观察到双重融合现象;但是，随着Gv增加到0.3，观察者报告双重融合的频率出现了不同程度的降低;而当Gv等于0.6时，则几乎没有观察者还能够观察到双重融合现象.其他构型的实验结果尽管存在一些差异，但也表现出相似的变化趋势，即随着Gv增加，报告双重融合的频率降低.方差分析结果显示，Gv的主效应显著(F(2，4)=8.677，P=0.017).这证明了我们的猜想，表明P-W极限情况的融合方式受到Gv的限制.可见，先前Gillam等、Wang等和Frisby的实验结果，都只是在小视差条件下，可能支持也可能反对双重融合观点的特例.如果不考虑Gv的影响，将很难理解同样在小视差条件下，基于Wheatstone类刺激构型的实验结果为何会得出不同的结论.

值得注意的是，在同一Gv条件下，特别是当Gv较小时，不同刺激构型之间报告双重融合现象的频率存在显著差异.譬如，当Gv等于0.1时，尽管对于交叉和/或弧线构型，所有观察者都能观察到双重融合现象，但对于斜线构型和波线构型，已有部分观察者不能观察到双重融合现象;而当Gv等于0.3时，在部分观察者对于交叉和/或弧线构型报告双重融合的频率还较高的情况下，对于斜线或波线构型，观察者即很难观察到双重融合现象.这些结果表明，除了Gv，应该还存在其他某些因素，会影响双重融合的发生［20］.

由于本文的目的主要是分析先前为学者们所忽视的P-W极限情况的视差梯度的分化，并揭示视差的垂直梯度Gv对P-W极限情况融合方式的影响，因此本文只是简单改变了先前的研究者采用的刺激构型的Gv，而并没有对构型的其他方面进行调整.不过，由于本文中的交叉构型和斜线构型都同样由垂线和斜线特征组成，因此两构型系列实验结果的差异已能为上述猜测提供部分线索.

对比交叉和斜线构型系列(图2a和2c)可以发现，在交叉构型中，垂线特征只有1个，非垂线特征有2个，且两个成组的非垂线特征呈镜像对称排列;而在斜线构型中，非垂线特征只有1个，垂线特征有2个，且两个成组的垂线特征呈平行排列.可见，两构型系列虽然具有相同的Gv，但它们无论在特征组成还是排列方式上均存在差异.两构型系列相应的实验结果的差异提示，除了Gv，构型的特征组成和排列方式的不同，也会影响P-W极限情况的融合方式.通过对构型的特征组成以及成组特征的排列方式进行单一性地改变，并比较实验结果的相应变化，将能够更清晰地揭示上述因素对双眼性融合的影响.这些工作留待今后进一步进行.

3 结语

本研究通过改变先前几项有代表性研究的刺激构型的Gv，本研究发现，无论对于哪一种W-P极限情况刺激构型，仅当构型的Gv较小时，才能观察到双重融合现象;而当Gv较大时，即使在小视差下，也不可能观察到双重融合现象.从而证明，对于基于Wheatstone类刺激构型的W-P极限情况，除了视差，Gv也是影响融合方式的重要因素.

此外，本文的实验结果还提示，构型中特征组成以及成组特征排列方式的差异，可能也会影响W-P极限情况的融合方式.关于这些问题的探索，有待今后进一步开展.

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