多目标视觉追踪中物体属性加工的眼动研究

张滨熠　丁锦红

摘要 采用多目标视觉追踪任务（MOT），探讨物体颜色特征对视觉追踪的影响，同时记录被试的眼动情况，探讨追踪过程中颜色特征对眼动模式的影响。结果发现，视觉追踪机制能够对物体的颜色特征进行加工，但加工程度受制于目标物与分心物之间的特征竞争关系。在物体颜色特征条件下，视觉系统采用知觉组织加工策略，以被追踪目标构成的多边形中心为注意中心。在对物体颜色特征的加工中，内源性注意与外源性注意相互影响。

关键词 多目标视觉追踪，物体特征，眼动模式。

分类号 B845

1 引言

对多个运动目标的视觉追踪是现实生活中人们经常遇到的一种视知觉现象，例如在观看体育比赛时，人们需要对某一球队中的某几个运动员的活动同时进行追踪，才能了解比赛进行的情况；在玩电脑游戏时同样需要对屏幕上呈现的多个目标同时进行追踪，因此，对多目标视觉追踪（multiple-object-track-ing，MOT）的研究有助于更加全面地认识视觉信息的加工机制。

多目标追踪是基于客体的注意加工过程，因此，客体的属性特征会对追踪过程产生一定影响，而研究者对于客体的属性特征在视觉追踪中的作用机制持有不同观点。视觉索引理论就明确指出（Pyly-shyn，2001），视觉索引机制只对物体的空间位置信息进行编码，而不加工物体的属性信息。Scholl（1999，2004），Pylyshyn（2004）等人基于标准MOT任务的研究都发现，虽然被试能够成功地追踪物体，但对物体的特征属性（如颜色或形状等）是不能进行编码加工的，而对物体的位置和运动方向等空间信息则能够有效地加工。

当然，在某些视觉加工任务中，如在似动、隧道效应等现象中，空间位置信息的确是优先得到加工，而颜色、形状等属性特征则很少发挥作用（He，Pat-rick，& James，1997）。然而，在现实环境下，刺激物往往具有一定的身份信息，如果仅根据目标的空间位置信息，而不对物体的特征信息进行加工，我们怎能知道“谁是谁”呢？因此，客体档案理论（Noles，School，& Mitroff，2005）则认为，当客体被注意到时，关于这个客体的位置、特征、语义等信息都会进入到客体档案中，即使客体特征在运动过程中发生改变，通过客体档案，仍能知觉到连续的物体。Horowitz和Wolfe（2001）研究发现，在物体运动过程中，物体之间的相互遮挡会破坏追踪成绩，当用颜色特征将目标物与分心物区别开时，这种物体间遮挡对追踪成绩的破坏作用消失。Oksama（2004，2007）、Horowitz（2007）等在研究中采用了具有不同身份信息的刺激材料，结果表明，刺激物的身份特征能够得到加工，只是身份信息与位置信息在加工容量方面存在差异。Klieger，Wolfe（2004）以及Mak-ovski等（2009）研究也发现，物体的颜色特征可用来加强注意追踪，尤其用颜色特征将目标物和分心物区别开时，这种优势更加突出。

显然，物体的时空特性在动态变化环境下具有较强的不确定性，而属性信息则相对稳定，它会在一定程度上对目标的保持和错误后恢复有所帮助。在追踪过程中，观察者不仅要对目标物体进行追踪，还要抑制分心物对目标物的干扰。因此，相对于空间信息的作用来说，属性信息对视觉追踪的影响比较复杂。尽管研究者在追踪任务中突出了物体的属性特征，但各自的研究方法不尽相同；在不同的物体特征条件下所得到的研究结论也不完全一致；以及在不同的属性特征条件下，注意是如何在目标之间、目标和分心物之间分配等问题研究较少。为此，本研究假设视觉追踪机制能够对物体的属性特征进行加工。为较好地控制刺激物在不同特征水平上的加工难度，本研究采用颜色作为物体的特征信息，拟深入探讨物体属性特征对视觉追踪的影响机制，以及视觉注意在物体不同属性特征加工条件下的分配特点。由于人类信息来源的80%都是通过眼睛获得的，眼睛运动模式能够为视觉加工提供大量直接信息，有助于人们了解视觉追踪的注意分配情况，而视觉追踪的大量研究都是借助于行为反应数据，而很少通过眼动信息来了解追踪的注意加工机制。因此，本研究也拟通过眼动信息来探讨追踪过程中的眼动基本模式以及特征变化对眼动模式的影响，为视觉追踪的注意加工机制提供生理学上的证据。

2 研究方法

2.1 被试

16名大学生参加实验，其中男生5名，女生11名，年龄19--24岁，视力（或矫正视力）正常，色觉正常，均为右利手。

2.2 实验仪器与材料

眼动数据通过SMI High-speed型眼动仪记录，屏幕距被试约65cm，所有刺激物呈现在屏幕中央25.99°×19.64°的矩形内。

本实验使用MOT范式（Pylyshyn，1988），刺激物为10个圆点（0.7°视角），呈现在黑色背景上，用闪烁方式标记为目标。刺激物的起始位置和运动方向是随机的，运动轨迹为直线，平均运动速度为5.6°/s。

2.3 实验设计与程序

本实验采用3×3的被试内设计。屏幕上呈现10个刺激物，其中5个为目标物，5个为分心物。自变量一是目标物颜色特征的呈现条件，有3个水平（见表1）。刺激物的颜色特征是在数量固定的条件下呈现，即在每种实验条件下，刺激物的颜色只有两种，即颜色A和颜色B，其中5个物体的颜色一致，且都为颜色A，另外5个物体的颜色一致，且都为颜色B。具体来说，目标颜色呈现条件1是：目标物中颜色A的物体数量为1个，颜色B的物体数量为4个，与之对应，分心物中颜色A的物体数量为4个，颜色B的物体数量为1个；目标颜色呈现条件2是：目标物中颜色A的物体数量为2个，颜色B的物体数量为3个，与之对应，分心物中颜色A的物体数量为3个，颜色B的物体数量为2个；目标颜色呈现条件3是：目标物中颜色A的物体数量为5个，颜色B的物体数量为0，与之对应，分心物中颜色A的物体数量为0，颜色B的物体数量为5个。此外，还单独设置了所有刺激物颜色都一样的条件，以便全面分析物体颜色特征对视觉追踪的影响。

自变量二是再认时的刺激物颜色，有3个水平，分别是：（1）再认时，所有物体颜色为目标物颜色；（2）再认时，所有物体颜色为分心物颜色；（3）再认时，所有物体颜色既非目标物颜色，也非分心物颜色，即无关颜色灰色。

刺激物有10种备选颜色，分别是红色、黄色、绿色、蓝色、橙色、粉色、金黄色、青色、深紫色、浅蓝色。实验开始时，首先在屏幕中央出现“+”字，持续2000ms，之后10个有颜色的圆点呈现在屏幕上，其中5个物体闪烁10次（3000ms），以此被标记为目标物，其余没有闪烁的为分心物，之后所有物体开始随机运动。物体运动持续5s，要求被试追踪目标。5s后，所有物体变为目标物颜色或分心物颜色，或灰色，再继续运动1s，1s后所有物体静止在屏幕上，要求被试用鼠标点出所有目标物（实验流程见图1）。相同，且与5个分心物颜色有所区别时，被试的追踪成绩最好（88%），当分心物与目标物中颜色一致的物体数量接近时，追踪成绩最差（70%）。

对追踪正确率的重复测量方差分析，结果显示，目标物颜色呈现条件的主效应显著，F（2，30）=168.506，p<0.001，即随着目标物与分心物中颜色相同物体的数量逐渐接近，被试能够追踪到的目标的正确率显著下降。这说明在追踪过程中，当刺激物借助属性特征，使目标物与分心物明显区别开时，对目标物的注意比较容易；当属性特征使目标物与分心物之间的干扰逐渐增大时，对目标物的追踪则比较困难，导致追踪成绩下降。

物体再认类型的主效应显著，F（2，30）=4.438，p<0.05，刺激物三种不同的再认类型对追踪成绩有显著影响。再认时，所有物体颜色为分心物颜色时的追踪成绩最好；其次是所有物体颜色为无关颜色时的追踪成绩；而所有物体颜色为目标物颜色时的追踪成绩最差。这是由于当再认时，物体都为目标物颜色，干扰了目标物之间的区分，使被试不能准确地选出目标。

目标物颜色呈现条件与再认类型的交互作用显著，F（4，60）=5.873，p<0.001，即在不同再认类型条件下，目标物颜色呈现条件对追踪成绩的影响有所不同，当分心物对目标物的干扰逐渐增大，再认刺激物的颜色为无关颜色时的追踪成绩最差。进一步分析表明，当目标中1个物体的颜色与分心物中4个物体的颜色一致时，再认类型对追踪成绩的影响不显著；当目标中3个物体的颜色与分心物中2个物体的颜色一致时，再认类型对追踪成绩的影响显著（p<0.05）；当目标中5个物体的颜色一致，而5个分心物都为另外一种颜色时，再认类型对追踪成绩也有显著影响（p<0.05）。

当所有刺激物的颜色都一致时，被试的平均追踪正确率为72%，将这种条件与3种不同的目标颜色呈现条件进行比较，发现当所有物体颜色都一致时，被试的追踪成绩要显著低于当目标物中的5个物体颜色都一致时的追踪成绩（p<0.001），同时也显著低于当目标物中的1个物体与分心物中的4个物体颜色一致时的追踪成绩（p<0.05）；而所有物体颜色都一致条件下的追踪成绩与当目标物中的3个物体与分心物中的2个物体颜色一致时的追踪成绩之间不存在差异。这说明当物体的属性特征能够比较有效地将目标物与分心物区别开时，被试会较多地依赖于属性特征对物体进行追踪，而当物体的属性特征干扰目标物与分心物的区分时，物体属性特征的作用减少，被试会根据物体的位置信息对目标进行追踪，因此，物体属性特征对视觉追踪的作用是有限的。

3.2 眼动数据分析

3.2.1 不同条件下眼动追踪模式

根据眼睛的注视位置，将追踪过程中的眼睛注视位置分为四种，分别是注视目标、注视分心物、注视五个目标构成的中心和注视与目标物颜色相同的五个物体构成的中心（zelinsky & Neider，2008）。结果显示，在目标物颜色变化的不同数量条件下，被试注视由目标物构成的几何图形的中心位置的概率都明显高于注视目标位置的概率，并且这种眼动模式不受再认类型的影响，这说明中心注视模式是多目标视觉追踪任务中的主要眼动加工方式，也表明了注意资源的有限性。

当追踪的5个物体颜色都一致且与分心物有所区别时，以及当所有物体的颜色都一致时，在这两种条件下，注视目标物中心与注视相同颜色物体中心是重合的，因此，单独对将这两种条件进行分析。

2×3×4的重复测量方差分析表明，目标物颜色呈现条件与眼睛注视位置的交互作用显著，F（3，45）=6.837，p<0.05，目标物颜色呈现的不同条件对眼睛注视位置的影响不同（结果见图3）。在注视目标水平上，目标物颜色呈现的两种条件对眼睛注视位置影响显著，F（1，15）=9.05，p<0.05，随着目标物颜色一致性的增加，对目标物的注视概率有所增加。在注视颜色相同物体中心的水平上，目标物颜色呈现的不同条件对眼睛注视位置有显著影响，F（1，15）=10.86，p<0.05，随着目标物颜色一致性的增加，对相同颜色目标物构成的中心的注视概率有所增加。在注视分心物以及注视目标物构成的中心的水平上，目标物颜色呈现条件对眼睛注视位置没有产生显著影响。

目标物颜色呈现条件的主效应显著，F（1，15）=20.963，p<0.001，目标物颜色呈现的两种条件之间差异显著（p<0.001）。眼睛注视不同位置的主效应显著，F（3，45）=41.03，p<0.001，注视目标位置的概率显著高于注视分心物位置的概率（p<0.001）；注视目标构成中心的概率显著高于对其它位置的注视概率（p<0.001）；注视分心物位置的概率最低。注视目标位置的概率与注视颜色相同物体构成的中心位置的概率之间不存在显著差异，说明由分心物引起的外源性注意在追踪任务中的作用是有限的。

再认类型的主效应不显著；目标物颜色变化数量与再认类型的交互作用不显著；再认类型与注视位置的交互作用不显著；三因素的交互作用均不显著。

对5个目标物颜色一致，且与5个分心物有所区别的条件进行3×3重复测量方差分析，结果显示眼睛注视位置的主效应显著，F（2，30）=72.048，p<0.001，三种注视位置之间差异显著（Ps<0.001），即注视目标构成的中心位置的概率最多，其次是注视目标位置的概率，注视分心物位置的概率最少。再认类型的主效应不显著，再认类型与注视位置的交互作用不显著。

对所有刺激物颜色都相同的条件进行2×3的方差分析，结果显示，眼睛注视位置的主效应显著，F（2，30）=40.702，p<0.001，多重比较发现三种注视位置之间差异显著（p<0.001），即注视目标构成的中心位置的概率最多，其次是注视目标位置的概率，注视分心物位置的概率最少。再认类型的主效应不显著，再认类型与注视位置的交互作用不显著。

3.2.2 对不同颜色目标物加工的眼动特点

在目标物颜色特征不同的条件下，目标物共有两种颜色，是否目标的不同颜色会影响注意的分配呢？结果显示，对数量较多的颜色相同物体的注视概率要高于对数量较少的颜色相同物体的注视概率，这一趋势与行为数据的结果一致。分析表明，目标颜色呈现条件的主效应显著，F（1，15）=8.038.p<0.05，随着目标物中颜色相同的物体数量的增加，对颜色相同的数量多的物体的注视概率逐渐增加，目标颜色呈现条件2下的注视概率显著高于目标颜色呈现条件1下的注视概率（p<0.05）。

眼睛注视位置的主效应显著，F（1，15）=119.417，p<0.05，对颜色B的目标的注视概率显著高于对颜色A的目标的注视概率（p<0.001），即对于颜色一致的数量多的物体的注视概率高。目标变化数量与眼睛注视位置间的交互作用显著，F（1，15）=108.367，p<0.001（结果见图4），随着与目标变化数量颜色一致的物体的增加，被试对它们的注视概率随之提高，而对目标变化数量颜色不一致的物体的注视概率逐渐下降。

3.2.3 对不同颜色目标物加工的眼动特点

与目标物颜色条件相对应，分心物也有两种不同颜色，对不同颜色分心物的眼动数据分析，发现了与目标颜色呈现条件相同的变化趋势，即随着颜色相同的分心物的数量的增加，对这些相同特征物体的注视也随之增加。重复测量方差分析表明，眼睛注视位置的主效应显著，F（1，15）=75.301，p<0.001，对颜色B分心物的注视概率要高于对颜色A分心物的注视概率，即对于特征相同的数量较多的物体的注视概率高。分心物颜色呈现条件与眼睛注视位置的交互作用显著，F（1，15）=44.806，p<0.001（结果见图5）。在目标中1个目标与4个分心物颜色相同的水平上，眼睛对颜色不同的两种分心物的注视概率之间存在差异（p<0.001）；在目标中4个目标与1个分心物颜色相同的水平上，眼睛对颜色不同的两种分心物的注视概率之间存在差异（p<0.05）。分心物颜色呈现条件的主效应不显著。

4 讨论

4.1 物体颜色特征变化下的注意加工特点

本研究结果表明，物体的颜色特征对视觉追踪成绩有显著影响，尤其当颜色特征将目标物与分心物明显区别开时，这时的追踪成绩最好；而当目标物与分心物中存在相同颜色的物体时，追踪成绩有所下降，当目标物与分心物中颜色相同的物体的数量比较接近时，追踪成绩最差，这一变化趋势说明，视觉注意是能够对物体的属性信息进行加工（Halad-jian & Pylyshyn，2007），但视觉追踪也是一个注意资源竞争的过程（Alvarez & Franconeri，2007）。在有限的资源容量内，当特征属性使得分心物能够较为容易的被排除在注意范围之外时，注意资源可以更多的用于对目标的追踪；当颜色特征使得分心物与目标物的区分比较困难时，能够用于追踪目标的资源就会减少，从而影响对目标的有效追踪。

此外，对所有物体颜色都相同的条件与其它3种目标颜色变化的条件进行比较，结果表明，当特征有助于突出目标物时，这时借助特征可以更为有效地对目标进行定位或错误后恢复，而不是仅仅依靠空间位置信息对目标进行追踪；而当特征信息将目标物与分心物混淆后，目标物与分心物无法有效区分，这时的追踪成绩与依赖于物体的位置信息进行追踪时的成绩之间没有差异，说明特征属性在视觉追踪中的作用是有限的。

本研究还考察了物体再认类型的作用，行为数据反映出再认类型对追踪成绩造成影响。当再认时，所有物体颜色为分心物颜色时的追踪成绩最好；而所有物体颜色为目标物颜色时的追踪成绩最差。这可能是由于当再认时，物体都为目标颜色，这对目标之间的区分造成了干扰，从而使被试不能准确地选出目标。

4.2 物体颜色特征变化下的眼动追踪模式

通过对物体颜色特征变化下的眼动数据进行分析发现，被试眼睛的注视点会更多地接近由5个目标形成的多边形的中心，这说明在追踪3个以上较多目标时，由于注意资源有限，要将注意同时分配给多个目标是困难的，为了尽可能不丢失目标，被试将多个目标知觉为一个多边形，通过注视多边形的中心以减小目标的偏心度，来保证在有限的资源范围内同时兼顾多个目标。这一结果为Fehd和Seiffert（2008）提出的注视中心的眼动模式在MOT任务中具有普遍性的观点提供了证据。

4.3 物体颜色特征变化下的内源性注意与外源性注意

通过对目标物与分心物的眼动数据的分析，可以看到被试对于颜色特征相同的物体的注视概率较多，说明物体的颜色特征能够引起较多的外源性注意，但从眼动追踪的总体模式中可以看出，尽管分心物中具有相同颜色的物体会吸引注意，但被试对于目标物的注视概率要显著高于对分心物的注视概率，这说明视觉追踪过程中，注意系统主要是对目标进行加工的控制过程，而当目标物具有明显的外源性线索时，会进一步促进对目标的加工。因此，在对物体颜色特征的加工过程中，内源性注意与外源性注意是相互影响的。

5 结论

目标物和分心物之间的颜色特征竞争关系说明，视觉追踪机制是能够对物体的颜色特征进行编码加工。当颜色特征将目标物与分心物区别开时，特征属性对视觉追踪的促进作用最大；当目标物与分心物的颜色特征相同时，特征属性的作用受到限制。在多目标视觉追踪任务中，视觉系统采用知觉组织加工策略，以被追踪目标构成的多边形中心为注意中心。物体的颜色特征能够引起一定的外源性注意，但分心物的外源性注意的作用是有限的，在对物体颜色特征的加工过程中，内源性注意与外源性注意是相互影响的。