不同场景中的视觉工作记忆

孙妍妍

（山东师范大学 心理学院，济南 250014）

引言

工作记忆指一种对信息进行暂时性加工和存储的能量有限的记忆系统。这个模型将工作记忆分为中央执行系统和三个子系统：语音环路、情景缓冲系统以及视觉空间模板三个子系统[1][2]。视觉空间模板也叫做视觉工作记忆，是工作记忆的重要部分，主要处理一些视觉空间信息。视觉工作记忆分为两个部分：空间型视觉工作记忆和客体型视觉工作记忆。客体型视觉工作记忆是指对客体信息如形状、大小、颜色等进行暂时性的加工和存储；空间型视觉工作记忆是指对刺激物的空间位置和运动等信息进行暂时的加工和存储。

静态场景是指一个相对稳定不变的环境；动态场景是指一个相对不断变化的环境。以往的研究，大多探讨静态场景中的视觉工作记忆。但是，我们生活在一个不断变化的环境中，相比较而言，研究动态场景中的视觉工作记忆更有生态效度。

1 静态场景中的视觉工作记忆

1.1 静态场景中的视觉工作记忆的研究范式

静态场景中的客体视觉工作记忆研究普遍采用由Phillips提出的变化觉察范式[3]。该范式分为三个阶段：记忆、保持和检测。为了阻止被试对呈现的信息进行言语编码，实验中通常要求被试在记忆的同时进行发音。变化觉察范式有着各种各样的变式，通常在检测阶段会出现两种形式：全部检测项呈现和单一项检测项呈现。

1.2 静态场景中的视觉工作记忆的容量

通常我们认为客体视觉工作记忆的容量是有限的，短时间内能够存储3～4个客体。Luck等采用变化觉察范式[4][5]，首先在记忆阶段呈现具有颜色的方块，然后是900ms的间隔，随后在检测阶段呈现2000ms的目标刺激，让被试判断检测阶段的刺激是否与记忆阶段的刺激一样。结果表明，在刺激数目为3个范围时，被试判断的正确率几乎是100%，当刺激数目超过4个，被试的正确判断率也随之逐渐下降，表明人类的客体视觉工作记忆的容量是有限的。Cowan在研究中提出了工作记忆的容量可以为3～5个组块。

1.3 静态场景中的客体视觉工作记忆的存储方式

1.3.1“强客体说”

该理论强调客体视觉工作记忆的存储的单位为客体，将客体的各个维度特征整合，以客体的形式存储在工作记忆中，而并非以特征的形式分开存储，所以客体视觉工作记忆的容量应该以客体的数量进行计算，并不是通过特征的种类和数量决定的[6]。

Luck等人最早探讨了静态场景中视觉工作记忆的存储方式。关于单一特征的客体，在记忆阶段呈现具有颜色的方块，结果表明，在刺激数目为3个范围内时，被试的正确率几乎是100%，当刺激数目超过4个，被试的正确判断率也随之逐渐下降。说明了对于单一特征的客体，视觉工作记忆的存储单位为客体。关于多特征客体，Luck等人变化了实验材料，使用单色块和双色块(一个大的有颜色的方框里面包含一个与大方框的颜色不同的小方块)。结果表明四个含有八个颜色的客体正确率与四个客体含有四个颜色的正确率相似。该结果继续支持“强客体说”。

1.3.2“弱客体说”

视觉工作记忆容量不仅取决于客体数量，同时也受客体所含特征信息的复杂程度及相互之间的关系影响。此观点被Olson等人称为“弱客体说”[6]。

视觉工作记忆不仅受到客体特征信息的影响，还受到空间结构信息的影响。在工作记忆存储中不仅有客体的独立信息，还有客体间相互之间的信息，也就是所说的多客体空间构型。多客体空间构型是指视觉工作记忆中不同客体之间的空间位置关系，在一些条件下也可以提高视觉工作记忆的容量。Xu等人发现视觉工作记忆容量与客体之间位置的接近性和连通性有关。当来自于不同维度的基本特征(颜色和方向)都捆绑于同一客体的相同位置(干)时捆绑效果最好；当来自于不同维度的基本特征(颜色和方向)捆绑于同一客体的不同位置(颜色特征出现在圆，方向特征出现在干，圆和干相连接)时捆绑效果其次；当来自于不同维度的基本特征(颜色和方向)属于不同客体(颜色特征出现在圆，方向特征出现在干，圆和干分离)时很少能够进行捆绑。Xu还提出当特征间连接强时(代表颜色的圆和代表方向的干紧密连接)，捆绑效果最好。当特征间连接性比较弱时(代表颜色的圆和代表方向的干完全分离)捆绑效果最差。当特征间距离比较远时(代表颜色的圆在代表方向的干的上面)，捆绑效果比较差。当特征间距离比较近时(代表颜色的圆在代表方向的干的中间)，捆绑效果比较好。

2 动态场景中的视觉工作记忆

2.1 动态场景中的视觉工作记忆的研究范式

研究动态场景中视觉工作记忆，多采用Pylyshyn提出的多客体追踪的研究范式。[7]该范式包括三个阶段：标记、追踪和检测。

2.2 动态场景中的视觉工作记忆的容量

Trick和Pylyshyn采用追踪小圆点的任务，对动态场景中的视觉工作记忆进行研究。研究结果发现，被试只能追踪4个圆点，如果圆点的数目超过了4个，被试将不能完成准确的追踪。通过这个实验就能得出动态场景中工作记忆的容量为4个左右。沈模卫等通过研究客体运动的视觉工作记忆的容量[8]，发现视觉工作记忆能够存储2.85+0.44个客体。这同Cowan提出的工作记忆的容量可以为3～5个组块也相一致。

2.3 动态场景中的视觉工作记忆的存储方式

多数研究者认为动态场景中视觉工作记忆的存储单位是客体，将客体的各个维度特征整合，以客体的形式存储在工作记忆中，而并不会通过空间构型将各个客体整合起来，以整体的形式存储在视觉工作记忆中，这符合“强客体说”。

大多数研究者认为动态场景中的视觉工作记忆是以客体为单位进行存储的。VanMarle等人比较了被试对客体与不固定形态的流体刺激的追踪成绩，发现追踪客体的正确率显著高于不固定形态。[9]沈模卫等研究客体运动方向的视觉工作记忆，以若干个白色的圆环为实验材料，结果发现，客体运动方向的信息是以独立客体的形式存储在工作记忆中。[8]

3 静态与动态场景中视觉工作记忆研究的比较

3.1 关于研究范式的比较

尽管动态场景中视觉工作记忆的“多客体追踪范式”和静态场景中视觉工作记忆的“变化觉察范式”都可以划分为三个阶段，但是多客体追踪范式和变化觉察范式在每个阶段的任务上有所不同。第一阶段：变化觉察范式在第一阶段要求记住全部的刺激项目；而多客体追踪范式并不要求记住全部的刺激项目，只需要记住标记的目标项目就可以了。第二阶段：变化觉察范式在第二阶段不需要有新的视觉信息录入，只要维持原来的信息，不需要重新编码新的信息，不需要有注意资源的参与就可以完成；而多客体追踪范式在这一阶段需要录入新的信息，不断用新的信息来取代旧的信息，这个阶段就需要有持续的注意资源的参与。第三阶段：变化觉察范式和多客体追踪范式在第三阶段都完成记忆检测任务，尽管两者在这一阶段都有单一检测和全部检测的变式，但是仍然有区别。变化觉察范式是检测刺激是否为记忆的项目，而多客体追踪范式是检测刺激是否为第一阶段标记的项目。

3.2 关于工作记忆容量的比较

无论在动态场景中还是静态场景中，基本都认为视觉工作记忆的容量是一个有限的存储资源，都符合Cowan提出的在一般成年中，工作记忆的容量可以达到3～5个组块。然而，还有一些研究者对于静态场景中的视觉工作记忆的容量是有限的观点，存在一些争议，相对而说，对于动态场景中视觉工作记忆的容量是有限的观点，存在较少的争议。

许多研究者认为静态场景中视觉工作记忆的容量并不是恒定不变的。如：Song的研究表明工作记忆的容量并不是恒定不变的。[10]采用不同颜色的多边形作为实验材料，研究不同任务下的视觉工作记忆的容量。条件一：让被试只记住客体的一个特征(物体的颜色或形状)；条件二：让被试记住客体的两个特征(物体的颜色和形状)。结果表明，被试对于不同的客体特征的记忆容量是不同的。因为静态场景中的视觉工作记忆，不需要不断地更新加工时间和空间信息，这样就会有相对较多的注意资源来观察客体的一些特征信息，所以就会产生很多“弱客体说”。

在动态场景中的视觉工作记忆，在容量的有限性方面存在很少的争议。因为我们在完成追踪任务时，需要有持续不断的注意资源跟随目标刺激的运动，而同一时间的注意的范围是相对有限的，一般只能同时注意到1～4个独立要素，以致于有很少的文献认为动态场景中的视觉工作记忆的容量并不是相对有限的。

3.3 关于存储方式的比较

虽然静态场景中的视觉工作记忆和动态场景中的视觉工作记忆都有“强客体说”，但是静态场景中的视觉工作记忆有许多研究提出“弱客体说”，而动态场景中的视觉工作记忆则有相对很少的地方提出“弱客体说”。

静态场景中的视觉工作记忆的存储方式，在属于“强客体说”还是“弱客体说”方面存在较大的争议。针对这一争议，Wheeler和Treisman提出了双重存储机制：(1)视觉工作记忆系统是由众多各维度特征的子系统组成，客体的不同维度特征并行地存储在特定的维度特征的子系统中。(2)特征间通过捆绑，将各个维度特征的子系统连接成一个完整的客体，在这个过程中，虽然需要消耗注意资源，但是并不需要占用各维度特征的子系统的记忆容量。这一理论可以对多数容量方面的问题进行解释。[11]

动态场景中的视觉工作记忆，会更多地强调“强客体说”。因为动态场景中的视觉工作记忆需要不断地更新时空信息，来完成追踪客体的任务，这样就需要有注意焦点的参与。注意焦点也就是注意的范围，它是一个容量有限的系统，一般有1～4个注意焦点。追踪任务时，每个注意焦点可以追随一个客体的运动。由于注意焦点在对信息进行存储时，是以客体为单位进行的，所以认为动态场景中的视觉工作记忆也是以客体为单位进行存储的。还有一种理论认为产生强客体现象的原因是由于客体信息获得的注意资源较少。因为研究发现完成追踪任务和客体识别任务时共用一个相同的注意系统，所以当我们在完成追踪任务使用较多的注意资源时，会有极少的注意资源留下来给客体信息进行编码。动态场景中的视觉工作记忆，会更多地忽视“弱客体说”。静态场景中的空间结构信息是稳定相对不变的，所以空间结构信息会从另外一个维度增加工作记忆的容量，所以我们会更多地注意静态场景中的弱客体说，而动态场景中的视觉工作记忆，由于空间结构信息不断地更新，使我们在加工和编码目标客体信息的同时，还要不断地更新这些空间结构信息，这样会给我们的认知系统带来强大的负担。因此，大脑会选择以一种相对容易的方式来追踪客体的运动，仅仅追踪目标客体的运动，忽视其它的一些信息会使完成任务相对容易一些。

4 结论及展望

(1)以前的一些研究中，过多地涉及静态场景中的视觉工作记忆，而只有相对较少的文献，以动态场景中的刺激物为研究对象来研究动态场景中的视觉工作记忆。

(2)以前的一些研究中，研究动态场景中的视觉工作记忆多使用多客体追踪范式，研究静态场景中的视觉工作记忆多使用变化觉察范式，我们仅仅使用这两种范式来研究不同场景中的视觉工作记忆，会造成一些研究的局限性，或许使用其它的研究范式将会产生不一样的结果。

(3)动态场景下，在视觉工作记忆容量有限性的论证中，将视觉工作记忆的容量与注意焦点理论结合一起的解释是否合适，仍需要证明。

(4)静态场景下，在视觉工作记忆容量的双重存储中，认为将各个子系统进行捆绑时需要注意资源，但是在这一阶段是否真有注意的参与，尚不明确。

(5)静态场景中的视觉工作记忆容量的“弱客体说”中，认为空间构型会增加视觉工作记忆的容量，但是客体之间是否会存在干扰作用，这种干扰作用是否会对视觉工作记忆的容量产生干扰，这个问题尚不清楚。

(6)关于空间信息和客体信息是否属于同一注意资源，这个问题尚没有被很多研究明确地证实。

[1]BADDELEY A.Working memory[J].Science，1992，255(5044)：556～559.

[2]BADDELEY A.Recent developments in working memory[J].Current Opinion in Neurobiology，1998，8(2)：234～238.

[3]PHHILLIPS W A.On the distinction between sensory storage and short term visual memory[J].Perception&Psychophysics，1974，16(2)：283～290.

[4]LUCK S J，VOGEL E K.The capacity of visual working memory for features and conjunctions[J].Nature，1997，390(66 57)：279～281.

[5]VOGEL E K，WOODMAN G F，LUCK S J.Storage of features，conjunctions and objects in visual working memory[J].Journal of Experimental Psychology：Human Perception&Performance，2001，27(1)：92～114.

[6]OLSON I R，JIANG Y.Is visual short-term memory object based？Rejection of the“strong-object”hypothesis[J].Perception&Psychophysics，2002，64(7)：1055～1067.

[7]PYLYSHN Z M，STORM R W.Tracking multiple independent targets evidence for a parallel tracking mechanism[J].Spatial Vision，1988，3(3)：179～197.

[8]沈模卫，王祺群，郎学明，等.客体运动方向的视觉工作记忆中的存储方式[J].心理科学，2007，30(3)：514～518.

[9]VANMARLE K，SCHOLL B J.Attentive tracking of objects versus substances[J].Psychological Science，2003，14(5)：498～504.

[10]SONG J H，JIANG Y H.Visual working memory for simple and complex features an FMRI study[J].Neuroimage，2006，30：963～972.

[11]WHEELER M E，TREISMAN A M.Binding in short-term visual memory[J].Journal of Experimental Psychology：General，2002，131(1)：48～64.

[12]COWAN N.The magical number 4 in short-term memory：A reconsideration of mental storage capacity[J].Behavioral and Brain Sciences，2001，24：87～185.

[13]XU Y.Limitations of object-based feature encoding in visual short-term memory[J].Journal of Experimental Psychology：Human Perception and Performance，2002，28：458～468.

[14]XU Y.Understanding the object benefit in visual short-term memory：The roles of feature proximity and connectedness[J].Perception and Psychophysics，2006，68：815～828.

[15]李鹏，沈模卫，郎学明，等.客体的视觉工作记忆研究进展[J].应用心理学，2007，(13)：3～10.