基于特征关系的注意选择：理论与展望

胡志伟

摘 要：我们如何从复杂的视觉环境中选择相关信息？当前的注意和眼动的控制理论假设了一个特征检测器的框架，使我们可以注意到可能的重要信息并忽视无关信息。每个特征检测器假设对环境中的单一的基本特征反应并且可以通过搜索特别特征的意图来调节。而视觉搜索的特征关系理论则质疑了特征检测器的观点，认为视觉搜索过程中，特征是以一种依赖上下文的方式相对于周围的其他特征来编码的。注意和眼动被有着适当相对特征的项目吸引，不论它们的颜色特征值。

关键词：注意；眼动；视线；关系理论；视觉搜索

一、引言

在复杂的视觉场景中，不同的物体并非都是被立即评估的，一个场景中的所有信息都是并行加工的。視线在视觉场景中的不同位置移动，获得连续的信息，从而使我们对场景的丰富的心理表征连贯起来[1]。假设对场景的有意识的评价是一个系列的费时的过程，那么找出我们第一眼注视了什么物体是很有必要的。以往研究表明，眼动明显取决于注意对刺激物的分配：在视觉搜索执行之前，内隐注意已经转向搜索目标的方向。即使观察者被引导内隐地搜索完全相反的方向，注意仍会指向意图搜索的方向。这表明，注意总是指向意图搜索的方向。尽管可能在不转移视线的情况下内隐地注意转移，但是这种内隐地注意转移只有在视线保持固定的条件下才何必发生，并且会导致停留时间的延迟以及下一次搜索的延迟，因为不可能搜索一个无意的方向，并且内隐的注意转移是费时的。鉴于注意和眼动的相关性，什么因素可以决定我们的注视行为和我们如何分配注意的问题密切相关。

根据以往的注意理论，对视觉注意的自上而下的控制是通过调节对所谓的特征检测器或者特征地图的反映收益来获得的，这些特征检测器或者特征地图是对特异特征值如颜色或者方向反应的组织神经元。注意被所有特征检测器的总的信号所引导，而我们有一个致力于可以被预先注意区分所有特征值的特征检测器；包括不同的方向、颜色以及运动方向[2]。搜索特别特征值的意图会加强特征检测器对目标反应的反应收益，并且减弱特征检测器对无关特征反应的反应收益。目标激活和非目标抑制允许限制选择目标相关特征。

最近的视觉搜索研究表明，特征是以一种依赖上下文的方式相对于周围的其他特征来编码的。注意和眼动被有着适当相对特征的项目吸引，不论它们的颜色特征值。这些发现质疑了特征检测器的观点，为了更好地解释视觉搜索的机制，Becker等人提出了注意和眼动的关系理论[3]。

二、理论模型和实验证据

（一）理论模型

关系理论认为注意和眼动是有特征关系所决定的。特征关系指定了搜索项目的特征如何与不相关的上下文特征不同。根据关系理论，定义的目标特征并不是独立于非目标的特征被加工的，而是相对于它们来被加工的，从而导致对所有特征的依赖上下文的加工过程。注意转向目标的相对属性，而项目吸引注意是由于匹配了目标和非目标特征之间的特征关系[4]。

关系理论认为注意是由相对属性而不是绝对的特征值所引导的。在关系向量理论中，不同颜色的特征是在一个连续的特征空间里呈现，所定的特征与其他特征的不同的方向是通过每个特征对其他特征的向量指向的方向来描述的。当搜索一个特定的颜色时，注意不会限制在那些和目标有着完全相同的颜色的项目上，而是那些和目标有着同样相对颜色的项目。例如，在搜索橙色项目时，当项目被认为或期望出现在黄色项目的背景下，注意可能偏向更红的项目，或者最红的项目；而当背景被认为或者期望包含大部分红色项目时，注意将会偏向更黄或者最黄的项目。视觉选择偏向于目标的相关属性的一个重要因素就是我们容易选择极端特征，因此，当注意偏向于更黄时，会偏向视野中最黄的项目，而当视觉选择偏向于更红时，会偏向视野中最红的项目。

特征关系理论认为，注意和视觉搜索是由特征关系所决定的。特征关系指定了搜索项目的特征如何与不相关的上下文特征不同。定义的目标特征并不是独立于非目标的特征被加工的，而是相对于它们来被加工的，从而导致对所有特征的依赖上下文的加工过程。注意转向目标的相对属性，而项目吸引注意是由于匹配了目标和非目标特征之间的特征关系。

（二）应用及证据

关系理论的一个优点是它不需要为自上而下选择的每个特征值假定一系列不同的特征检测器，即被认为是特征检测器理论的主要的问题。值得注意的是，视觉选择是相当精细的并且特征检测器理论要求大量的特征检测——可能超过了合理地期望有助于注意引导[5]。关系理论的第二个优点是它似乎提供了一个在自然环境的各种条件下的更为灵活和适应的搜索标准。有着特异的大小、颜色或者亮度值的同一客体在不同的光照条件，观看角度和观察者与客体的距离时看起来都非常不同，而相对属性通常不因这样的改变而变化[6]。对于不同大小的客体这尤其正确：一个客体的大小随着观察者与客体间的距离变化而变化，而物体与其他物体的相对大小通常不会随着距离而变化。因此，看起来编码客体的相对颜色，大小或者亮度提供了一种在各种不同且不可预料的环境下比编码客体的特征值更为有力且通用的 “自上而下”的转向策略。第三，特征关系同样可以帮助解释对控制注意收益的学习过程。迄今为止，我们如何习得转向注意到适当的特征通常是不清楚的；或者换句话说，如何建立自上而下的从“搜索特征的意图” 到加强“对神经元群的反应收益”之间的联系是不清楚的[7]。然而，假设有大量的特征检测器，依赖于特异的颜色值和特征检测器之间联系的一种解释会面临着挑战，因为潜在的组合激增。特征关系可以成功地运用于多种不同的背景并且因此可能提供一种更加丰富的方法来理解如何在学习中建立这样的联系。

在研究中，观察者不得不通过大小来搜索设定的目标：在一个组块中，目标是一个中等项目，呈现时混合在大型非目标项目中，而在另一组块中，是大型目标混合在中等非目标项目中。观察者不得不快速眼动到目标，并忽视经常呈现在目标从未出现过的无关位置上的凸显分心物。分心物可以是小的，中等的，大的或者是超大的。因此，一个分心物通常和目标是相同的大小，两个分心物有更多的特征并且和目标或者非目标共有相关属性，而一个分心物和非目标也是同样的大小。结果表明，观察者的视线经常被目标相似分心物所捕获，但是更频繁地被共有目标相关大小而不是完全大小的更相关分心物所捕获。具体而言，在搜索中等，较小相关目标时，小的分心物最能捕获眼动，而在搜索大目标时，超大分心物最能捕获注意和视线。这一发现显示，目标不相似分心物比目标相似分心物更能捕获视线，与关系理论一致，表明，视觉选择偏向目标的相关大小而不是目标的实际大小[8]。

以往研究采用空间线索范式已经检验并证实了这一观点。在实验的一个组块，观察者不得不在三个橙黄色非目标中搜索一个橙色目标。在搜索显示之前，我们呈现一个有特别颜色的单一分心物混合在其他不同颜色的三个背景中的画面。结果表明，和目标同色的单一分心物在它比背景分心物更黄的时候并没有捕获注意。相比而言，拥有非目标颜色或不相关颜色的单一分心物当它们和目标相关颜色混合时却捕获了注意。简而言之，单一分心物的注意捕获仅仅取决于它的相关颜色，以及单一分心物的颜色和背景分心物的颜色完全不同。综上所述，结果表明拥有目标相似颜色的分心物并没有捕获注意，而有无关特征的分心物或者非目標颜色的分心物却可以捕获注意。这些研究为关系理论提供了有力的证据，并且排除了基于特征的注意理论，因为这些理论不能解释非目标颜色分心物捕获注意的现象。

随后的研究采用了形状搜索任务来检验一个形状目标是否同样相对于非目标形状来编码，结果和颜色搜索任务的结果相仿。根据关系理论，极端分心物可以有效地驱动注意，因为它们匹配了大多数试次中目标的相对特征，同时比其他所有项目的突起更多，包括目标本身。与此相反，目标相似分心物和目标相等，使得注意对目标和目标相似分心物同样强烈的吸引。

特征关系已经表明可以解释搜索颜色、亮度、大小和形状时的转换代价。值得注意的是，实验重复了被经常报告的相似性效应，目标相似分心物比非目标相似分心物能更强烈地捕获注意。同时，更多极端分心物的结果表明假设的相似性效应并不取决于目标分心物的相似性，而是分心物是否匹配目标的相对颜色或者相对形状。这些结果为关系理论提供了有力的证据。事实上，检验关系理论的研究反对了特征特异性的观点，表明捕获取决于目标和分心物的特征关系而不是它们绝对的特征值。

三、小结与展望

注意优先偏向目标的相对属性的这一发现对特征检测器的观点提出了严重的挑战。注意在广泛的刺激条件下都偏向特征关系的发现表明关系搜索是一种普遍的引导原则。这有着重要的理论启示：首先，背景特征明显比以往所了解的起着更重要的作用。更重要的是，发现表明视觉选择并不总是独立于背景。相反，目标的特征值是相对于背景特征的编码的，从而导致了对匹配了目标的相对属性的对象的选择偏向。

特征检测器的观点在当前的神经生理学研究中产生的可能的影响最大：除了少数例外，大部分研究都假设对目标比非目标反应更强烈的感觉神经元是特征检测器，而它们在引导注意中起作用。鉴于当前的证据，这两个假设需要被重新检验。特别是，以后的研究需要仔细评估是否以及何种程度上神经元的响应特性取决于目标的特征与呈现在周围的特征[14]。如上所述，关系理论和先前解释支持了特征特异性选择理论的许多发现一致。为了了解视觉搜索，我们必须了解在神经元层面注意如何偏向特征关系。

参考文献：

[1]Posner， M. I. （1980） Orienting of attention. Quarterly Journal of Experimental Psychology， 32， 3-25.

[2]Lee， D. K.， Itti， L.， Koch， C.， & Braun， J. （1999）. Attention activates winner-take-all competition among visual filters. Nature Neuroscience， 2， 375–381.

[3]Becker， S. I.， Folk， C. L.， & Remington， R. W. （2010）. The role of relational information in contingent capture. Journal of Experimental Psychology： Human Perception and Performance， 36， 1460–1476.

[4]Becker， S. I. （2010）. The role of target-distractor relationships in guiding attention and the eyes in visual search. Journal of Experimental Psychology： General， 139， 247–265.

[5]Maunsell， J. H. R.， & Treue， S. （2006）. Feature-based attention in visual cortex. Trends in Neuroscience， 29， 317–322.

[6]Becker， S. I. （2013a）. Simply shapely： Relative， not absolute shapes are primed in pop-out search. Attention， Perception， & Psychophysics.

[7]hissar， M.， & Hochstein， S. （2004）. The reverse hierarchy theory of visual perceptual learning. Trends in Cognitive Science， 8， 457–464.

[8]Harris， A. M.， Remington， R. W.， & Becker， S. I. （2013）. Feature specificity in attentional capture by size and colour. Journal of Vision， 13， 1–15.