三维动静态场景下返回抑制的扩散 *

刘艳艳 李 杰 赵起超 陈贝贝 张 禹

(1 北京体育大学心理学院，北京 100084) (2 杭州师范大学附属医院认知与脑疾病研究中心，杭州 311121) (3 杭州师范大学心理科学研究院，杭州 311121) (4 北京津发科技股份有限公司，北京 100085) (5 天津师范大学，天津 300387)

1 引言

关于注意的研究发现，当线索与目标之间的时间间隔大于约300 ms时，个体对之前关注过的位置或客体再次关注时，反应变慢。研究者将这种现象称为返回抑制（inhibition of return） （Posner &Cohen, 1984）。返回抑制产生的实质为阻碍个体的注意返回到之前注意过的位置，从而可以使注意指向其他新异的空间位置（张阳 等, 2013; Posner &Cohen, 1984）。因此，也可将其视为一种提高视觉搜索效率的机制，其具有生物适应性（Höfler et al.,2011; Klein, 2000），产生过程可源于知觉抑制（Reuter-Lorenz et al., 1996）、反应抑制（Taylor &Klein, 1998），或二者的共同作用（Chica et al., 2010）。

返回抑制不仅存在于某一具体的位置，其效应还存在扩散。早期研究大多考察2个空间位置中仅线索化的位置受抑制情况，当研究使用4个位置或更多时，返回抑制不仅出现在线索化位置，还会扩散至线索化同侧的位置，且随着与线索化距离的增加，抑制作用减弱，这表明返回抑制存在空间的梯度效应（王丽丽 等, 2010; Bennett & Pratt,2001; Maylor & Hockey, 1985; Taylor et al., 2015; Wang et al., 2014）。

传统的返回抑制研究大都基于二维平面（彭姓等, 2019; 唐晓雨 等, 2020; Redden et al., 2018），有少量研究进行了三维空间线索和扩散的探讨（王爱君 等, 2015; 王爱君 等, 2017; Bourke et al., 2006;Wang et al., 2016; Wang et al., 2015）。人类视觉系统最重要的特性之一就是感知深度线索（王爱君,2016）。现实生活中的视觉环境是立体的并存在深度，日常生活中人们所接触到的物体也都是三维立体的。从功能角度看，返回抑制通常被视为“觅食促进者（foraging facilitator）”，作为提高视觉搜索效率的机制，如果其对深度线索不敏感，那么它并不具备生态适应性（Casagrande et al.,2012）。关于返回抑制是否敏感于深度线索，仅有少数研究进行探讨，且结果并不一致。Theeuwes和Pratt（2003）利用双眼视差原理创设深度空间，在前后两个深度平面上分别水平放置两个客体，结果发现当线索化的位置被抑制时，其同侧不同深度位置也受到同等程度的抑制，研究者认为返回抑制在不同深度上存在等量的扩散。与之相对，王爱君等人（2015）采用3D眼镜创设三维场景，使线索和目标出现在不同深度的两个位置上时，发现不同深度受到的返回抑制程度不等量，说明返回抑制可能敏感于深度线索。然而，在王爱君等人（2015）的实验设置中，虽呈现了两种深度上的四个空间位置，但线索和目标总是固定出现在两个不同深度的空间位置上，存在空间位置与线索有效性两变量的混淆。例如，当线索出现在远处空间时，在有效线索条件下，目标总是出现在远处，在无效线索条件下，目标总是出现在近处。被试对出现在不同深度各空间位置上的刺激的反应时本身可能存在差异，因而该研究中发现的不同深度的不同返回抑制效应，可能反映的仅是刺激空间位置的不匹配。类似的设计问题也曾出现在情绪维度的返回抑制研究中，较早研究（Chao, 2010）提出人存在对负性情绪的返回抑制，但后来研究发现该效应可能仅反映了线索化和非线索化两个情绪刺激间效价的不匹配（Poliakoff et al., 2016）。为解决上述由线索有效性与空间位置变量混淆而导致的条件间刺激不匹配的影响，本研究设置线索与目标随机出现在四个空间位置，即无论是线索化条件还是非线索化条件，所有的线索刺激均随机出现在四个空间位置上，同样所有的目标也均随机出现在四个空间位置上，匹配了空间位置本身对目标刺激可能产生的影响，并可进一步探讨三维空间不同方向上的返回抑制效应及其效应如何扩散。此外，前人研究结果之间的差异还可能与其深度线索呈现方式的不同有关，3D眼镜呈现的深度感好于双眼视差式，但与其他深度沉浸感更高的设备还略有差别，有研究曾提出头戴式显示器（HMD）相比于其他呈现方式会产生更好的空间感、存在感（Kober et al., 2012）。因此，本研究采用深度感呈现更优的头戴式显示器。

另一方面，前人对返回抑制扩散效应的探讨大都基于静态场景（王丽丽 等, 2010; Bennett &Pratt, 2001; Taylor et al., 2015; Wang et al., 2014），返回抑制作为一个促进视觉搜索效率的机制，该机制是否会随着客体的运动而发生转移，目前尚不清楚。有研究者将静态线索-靶子范式改为动态线索-靶子范式，使左右两边的方框在线索化后会进行90°或180°的顺时针或逆时针旋转，结果发现当目标出现在线索化客体运动后的位置时，被试的反应变慢，因而提出抑制会随着客体的运动发生转移（Tipper et al., 1991; Vivas et al., 2008），然而也有研究者认为返回抑制不会随着客体的运动发生转移（张明, 张阳, 2006; Redden et al., 2018; Schendel et al., 2001）。前人大都采用二维平面探讨动态客体的返回抑制，二维平面的客体运动并不真实，而带有深度的三维场景为实现真实的客体运动轨迹提供了可能。因此，本研究拟探讨三维空间是否存在返回抑制，该抑制是否会随着客体的运动发生转移及如何转移。

综上，前人在探讨返回抑制存在如下几个方面的问题：第一，未控制线索有效性与空间位置变量的混淆；第二，深度呈现感不足；第三，未探讨不同方向上多个空间位置的返回抑制及其扩散；第四，未探讨三维动态返回抑制及扩散。因此，本研究使用沉浸式虚拟现实技术，在三维空间中设置4个位置，分别设置静态与动态场景，考察返回抑制在三维空间中的扩散。本研究包括两个实验。实验1为静态场景，采用线索在4个空间位置随机呈现的方式，探讨返回抑制是否敏感于深度线索，返回抑制效应是否存在空间扩散现象。实验2将静止的场景改为在水平面上顺时针或逆时针旋转运动的场景，探讨客体运动是否对返回抑制及其效应的扩散产生影响。

2 实验1：三维静态场景返回抑制的特点

2.1 研究方法

2.1.1 被试

选取北京某高校在校大学生22名，均为右利手，视力或矫正视力正常，无3D眩晕症，之前均未参加过类似实验。其中男生11人，平均年龄21.00±3.80岁。女生11人，平均年龄20.00±1.47岁。

2.1.2 实验材料及工具

本研究采用完全浸入式虚拟现实头戴式显示器（HTC VIVE），该头戴式设备刷新率为90 Hz，视场角为110°，显示器的分辨率为2160×1200（单眼1080×1200）pixels，电脑桌面显示设备采用DELL台式计算机，该台式计算机的显卡为华硕rtx2060，6G显存。通过该台式计算机与HTC VIVE相连接，从而实现三维虚拟场景。通过PsyLAB IOR认知测试训练系统（KingFar International Inc.）进行测试，Steam V R软件实现程序的运行及数据记录，VIVE手柄对目标做出反应。

使用的虚拟场景为7.00 m×5.00 m×2.50 m的立方体房间，其中房间的墙面为白色，被试的双眼距离空间中前面两个小球的距离为150 cm。试验材料为四个蓝色的立体小球和一个黑色的“+”，其中球的大小为 5.10 cm（1.90°×1.90°）。“+”的大小为 4.50 cm（1.70°×1.70°），高度范围为1.19±0.10 cm，开始练习时，要求被试口头报告中间的“+”是否在视野的中央，且与中间的“+”字保持水平。为避免遮挡，前方左右两个小球之间的距离为44.40 cm，后方左右两个小球的距离为42.80 cm。前后两个球的距离为17.58 cm。

2.1.3 实验设计

采用单因素被试内设计，线索类型为自变量，有4个水平：有效线索、X-无效线索、Z-无效线索、X-Z无效线索。反应时和返回抑制量为因变量。

有效线索，提示线索与目标均出现在同一侧相同的深度（如图1a）；X-无效线索，提示线索与目标处在同一深度，但是不在同一侧（如图1b）；Z-无效线索，提示线索与目标出现在同一侧，所处的深度不同（如图1c）；X-Z无效线索，提示线索与目标出现在不同侧且深度不同（如图1d）。返回抑制量的计算方法：有效线索的反应时分别减去三类无效线索的反应时所得的差值。

图1 线索类型示意图

2.1.4 实验流程

实验开始前先讲解指导语，被试理解后按动手柄板机开始练习试次，练习完毕进入正式实验，实验完成后，填写三维空间操纵检查问题，检验本研究设置的三维场景是否成功。具体流程如下。

首先在屏幕上呈现4个立体蓝色小球和一个中央“+”，其中前面与后面各放置两个小球，呈现时间为500 ms，之后，其中一个蓝色小球变成红色，呈现时间300 ms，此阶段为线索化阶段，之后红色小球恢复成蓝色，200 ms后中间的“+”号变成红色，呈现时间300 ms（该阶段为二次线索化阶段，目的是让被试将注意从之前的线索化位置脱离出来，返回到中央注视点）。大约间隔150 ms或250 ms后，屏幕上四个位置的小球随机有一个变成红色，呈现时间为250 ms，要求被试看到任意位置的小球变成红色后快速用右手拇指按动手柄触控板下侧（为避免因按动位置造成反应时不同，要求所有被试按动触控板的下侧），如果没有小球变成红色，则不需要按键，等待该试次结束。被试按动手柄或未做反应1500 ms后，出现白色空屏，表示该试次结束，1000 ms后，屏幕中再次出现4个蓝色小球和一个“+”，表示新的试次开始。如图2所示，左边呈现的是有效线索情况，提示线索与目标出现的位置是一样，右边呈现的是三种无效线索条件。

图2 实验1流程图

实验共计168个试次，其中练习试次16个，帮助被试熟悉实验流程和适应三维情景。正式实验144个试次，每种线索条件下36个试次，捕获试次占总次数的5%，共8个试次。

2.2 结果

被试未按键反应的试次不纳入数据分析，本研究采用探测反应时，任务简单，漏报率为0.85%，另外，剔除反应时小于100 ms或大于1000 ms的试次（王爱君 等, 2015），剔除率为0.79%，在此不做详细分析。为检验本研究对深度是否操纵成功，设计了两个5点计分的问题：您是否能感觉到这些小球是立体的？您是否能感觉到前后两个小球是有纵深的？1表示“完全感觉不到”，5表示“完全感觉到”。问题1得分的平均值为4.00±1.15，对问卷2得分的平均值为3.23±1.57。表明本研究设计可以用来研究三维情境。

以反应时作为因变量，线索类型作为自变量，进行单因素重复测量方差分析。结果发现线索类型的主效应显著，F(3, 63)=14.845，p＜0.001，η2=0.414，表明线索类型不同，被试的反应时也不同。如图3所示。事后检验结果表明：有效线索的反应时显著大于Z-无效线索的反应时（382 ms vs.374 ms,p=0.035）、X-Z无效线索的反应时（382 ms vs.360 ms,p＜0.001）、及 X-无效线索的反应时 （382 ms vs.361 ms,p＜0.001），表明三种线索类型条件下均产生了返回抑制效应。对比三种无效线索类型的反应时发现：Z-无效线索的反应时显著高于X-Z无效线索的反应时（374 ms vs.360 ms,p＜0.001）；Z-无效线索的反应时显著高于X-无效线索的反应时（374 ms vs.361 ms,p=0.003）。

图3 三维静态场景四种线索类型反应时

以返回抑制量为因变量，以线索类型为自变量，进行单因素重复测量方差分析。结果发现线索类型的主效应显著，F(2, 42)=8.416，p＜0.001，η2=0.286，表明不同线索类型下的返回抑制量是不同的。事后检验结果发现：Z-无效线索的返回抑制量显著小于X-Z无效线索的返回抑制量（p＜0.001）和X-无效线索的返回抑制量（p＜0.001）。

3 实验2：三维动态场景返回抑制的特点

由实验1结果可知，三维静态场景下，返回抑制敏感于深度线索，且该抑制效应存在空间扩散。实验2将实验1中的静止客体改为在水平面上顺时针或逆时针旋转，运动方式参考Redden等人（2018）的研究。进一步探讨深度线索下客体运动对返回抑制及空间扩散的影响。

3.1 研究方法

3.1.1 被试

选取北京某高校在校大学生28名，均为右利手，视力或矫正视力正常，无3D眩晕症，之前均未参加过类似实验。其中男生16人，平均年龄22.00±2.38岁。女生12人，平均年龄23.00±2.15岁。

3.1.2 实验材料及工具

同实验1。

3.1.3 实验设计

同实验1。

3.1.4 实验流程

实验流程仅当呈现中央二次线索化时，前后两侧的小球同时在水平面上顺时针或逆时针旋转运动，例如，顺时针运动下，左侧小球以半圆弧轨迹形式向右侧运动，右侧小球同样以半圆弧轨迹形式向左侧运动。其他同实验1。如图4所示。

图4 实验2流程图

3.2 结果

总漏报率为0.62%，剔除反应时小于100 ms或大于1000 ms的试次，剔除率为0.99%，在此不做详细分析。三维空间操纵问题1得分的平均值为4.04±1.20，对问卷2得分的平均值为3.50±1.31。表明本研究设计可以用来研究三维情境。

以反应时作为因变量，线索类型作为自变量，进行单因素重复测量方差分析。结果发现：线索类型的主效应不显著，F(3, 81)=2.177，p=0.097，表明线索化客体运动到新位置后并未发生返回抑制现象。四种线索类型的反应时见图5所示。为了进一步探讨动态返回抑制及其扩散效应，对运动前线索化的位置进行了分析，研究发现，线索类型的主效应仍不显著，F(3, 81)=2.177，p=0.097，表明客体运动后，破坏了返回抑制效应。

图5 三维动态场景四种线索类型反应时

由于实验2线索类型的主效应不显著，不再对返回抑制量进行详细分析。

4 讨论

本研究采用沉浸式虚拟现实技术，构造三维空间场景，通过操纵四个不同空间位置的客体运动与否，探讨加入深度线索后，动静态场景变化对返回抑制效应的影响。从实验1结果可知：三维静态场景下，三个无效线索条件均产生了返回抑制现象，不同空间位置产生的返回抑制效应不同，表明返回抑制对深度敏感且对线索化位置的抑制在三维空间中存在扩散现象。实验2将静态的场景变为在水平面上顺时针或逆时针旋转运动时，四个空间位置的反应时无差异，并未产生基于动态的返回抑制现象，表明当客体发生运动后，抑制并没有随着客体的运动发生转移，注意在四个空间位置等量分配。

三维静态场景中，三个空间位置均发生了返回抑制现象，表明返回抑制敏感于深度线索，进一步推进了返回抑制在三维空间中的探讨。王爱君等人（2015）的研究虽也得出返回抑制敏感于深度线索，但该实验中可能存在线索有效性与空间位置变量混淆而导致线索化与非线索化刺激不匹配。而本研究设置了线索与目标随机出现在四个空间位置点上，线索有效性与目标深度两变量是独立正交关系，即线索化后，目标既可出现在同一深度，又可以出现在不同深度，从而可分离两变量的影响。在数据分析中，由于线索与目标可以随机出现在四个空间位置，因此可以把有效线索条件和三种无效线索条件（Z-无效、X-Z无效、X-无效）放在一起相比较。王爱君等人在两个实验中分别考察了X-Z无效与Z-无效条件的返回抑制，而本研究通过同一个实验同时考察了各个深度不同方向上的返回抑制效应，进一步推进了三维空间中返回抑制的探讨。此外，Giannopoulos等人（2011）曾指出头戴式显示器（HMD）和虚拟环境系统（如CAVE）相较其他工具空间感较强。本研究使用的头戴式显示器（HMD）的深度呈现优于Theeuwes和Pratt（2003）研究中的双眼视差方式及王爱君等人研究中的Nvidia 3D快门式眼镜的呈现效果。由此，本研究结果表明三维空间中的返回抑制效应可能与三维深度线索呈现的明确程度有关。

本研究还发现，不同空间位置产生的反应时有差异，线索化位置反应时最大，Z-无效线索位置的反应时次之，X-无效线索与X-Z无效线索下的反应时较快，产生的返回抑制效应更大。根据返回抑制的梯度效应（Maylor & Hockey, 1985），线索化位置的反应时最长，其次为线索化相邻的位置，线索化对角位置的反应时最短。实验1中X-Z无效线索位置（360 ms）与X-无效线索位置（361 ms）处的反应时无显著差异。该结果与二维平面结果不同，并未得出X-Z无效线索下反应时最快。原因可能与本研究加入深度线索后，空间注意转移所耗费的时间更多，导致抑制效应优先沿着线索化同深度的位置扩散。本研究表明三维空间返回抑制并非仅发生在线索化的位置，同时会优先扩散至线索化同侧。单侧抑制假说更好地解释了本研究结果，该假说认为，返回抑制效应不仅出现在之前线索化过的位置，还可以扩展到线索化位置的同一侧，即与线索同侧的反应时较长，而线索化的对侧反应时较快（Pratt et al.,1999）。因此，本研究结果表明三维空间中返回抑制效应存在不等量扩散，且这种扩散形式有别于二维空间。

实验2将静态场景变为客体在水平面上顺时针或逆时针旋转运动的动态场景时，未发生动态返回抑制现象，表明客体发生转移后，返回抑制并未随着客体转移至新位置，该结果与Redden等人（2018）研究结果类似。本研究虽使用了更加真实的运动轨迹，但仍未发现动态的返回抑制效应。原因可能为线索化后，前后的两个小球同时发生运动，相比静止静态场景，动态的客体更易引起注意捕获，导致线索化的作用变弱，破坏了返回抑制现象产生。在一篇探讨客体返回抑制的综述中，研究者认为有5个因素会影响动态客体返回抑制的产生：突出或明确的线索提示、客体的时空连续性、实验流程不要混合促进和抑制、未参加过类似实验的被试及线索位置返回至注视点要突出（Reppa et al., 2012），本研究的材料设置基本符合上述条件，但仍未发生返回抑制现象，后续研究可以进一步加强线索化的呈现方式、加入眼动控制等，更加全面地探讨三维空间场景下动态返回抑制及扩散现象。还有，为了和实验1范式匹配，且进一步探讨动态场景下返回抑制的空间扩散特点，本研究采用Redden等人研究中使用的范式，即线索化后，左、右侧小球进行180度的旋转运动。该种旋转方式可能会造成位置与客体的冲突，这与传统的运动返回抑制范式不同（Tipper et al., 1991; Tipper et al., 1994），客体小球在水平面顺时针或逆时针旋转后，左侧小球与右侧小球的位置互换，这可能会导致线索位置与目标位置冲突，进而导致结果未表现出基于客体的返回抑制效应。后续研究可对研究范式加以改进，将位置与客体进行分离，进一步探讨三维场景中动态返回抑制特点。此外，由实验1结果可知，三维静态下返回抑制存在扩散效应。因此，本研究对实验2客体未运动前线索化位置为参照点进行分析，想要探讨客体运动后，线索化的位置是否仍存在抑制，结果同样未发生基于位置的返回抑制现象，结果表明客体运动后，使线索化作用消失，注意资源在四个空间位置等量分配，因而未产生返回抑制现象。

5 结论

三维静态空间场景下返回抑制敏感于深度线索，抑制效应存在空间扩散。当静态场景变为动态时，并未发生返回抑制现象，表明客体运动破坏了三维返回抑制的产生，使得注意资源在不同深度的各个空间位置上基本均衡分配。