對立體視覺中對稱性假設的檢驗

謝 鶯,石薔薇,李 彬，王元平，周佳奇

(中南民族大學 生物醫學工程學院, 武漢 430074)

由于人眼之間存在大約6.3 cm的間隔，外部世界投射到兩側視網膜上所成的像并不完全相同.正是左右眼圖像的微小差異，提供了雙眼從2D網膜像恢復出3D世界的信息[1].

在左右眼圖像中，人們認為，深度信息的一個來源是視差[1]，即兩眼圖像中對應特征、又稱配對特征的相對位置差；深度信息的另一個來源來自于單眼性特征，又稱非配對特征[2].這些特征僅在一只眼圖像中呈現，被認為起源于遮擋，根據定義，在對側眼中沒有匹配對象，因此不能產生視差信號.盡管在過去相當長的一段時間內，人們主要關注雙眼性視差在深度知覺中的作用[1,3-5]，但近年來，越來越多的研究者開始關注單眼性特征在深度知覺中的重要作用[6-10]. 人們認為，單眼性特征在揭示深度不連續性、以及深度定位上都發揮了重要作用[11].

為了鑒定雙眼性視差和其他不同于視差的因素對立體深度的貢獻，研究者提出了一種認為非常簡便有效的技術，即交換左眼和右眼圖像[10,12,13].這一技術的提出是基于當前立體視覺理論中的一種隱性對稱性假設，即認為兩眼中圖像的匹配與哪只眼觀察哪一圖像無關，而僅取決于兩眼映像特征的相似性[4,5].也就是說，人們認為，當交換左眼和右眼的立體圖像時，兩幅圖像包含的信息是不變的，所改變的只是接收給定圖像的眼睛. 因此，原來兩幅圖像形成的匹配不會因為交換而發生改變，所發生的僅僅只是位置視差值符號的顛倒，它導致圖像中所有配對特征的深度發生顛倒；相反，如果交換了兩只眼的圖像但某個區域的立體深度不顛倒，他們認為，那必定是某種匹配之外的因素對映像的知覺深度起了作用[10,12,13]. 譬如，研究者認為，單眼性特征在對側眼中沒有匹配，因此它們的深度在圖像交換前后不應該顛倒，而是遵循“最遠表面原則”[2,6,10,12-14]總是處于最遠處. 因此，交換左眼和右眼圖像這樣一種簡單的實驗操作，被認為提供了一種非常簡便有效的技術，用于鑒定雙眼性視差和其他不同于雙眼性視差的因素對立體深度的貢獻.

本文采用2∶2直線型刺激構型,證明上述觀點是錯誤的.在前期的研究中，我們采用2∶2直線型刺激構型，發現了常規立體視中的雙重融合現象[15].本文將采用同樣的構型，證明匹配的選取不僅僅取決于兩眼映像特征的相似性，還與哪只眼觀察哪一圖像有關；并證明，交換左眼和右眼圖像后深度是否顛倒，并不是判斷深度是來源于匹配視差還是其他因素的依據.

1 實驗

1.1 實驗刺激

本實驗采用兩種2∶2直線型刺激構型，分別都是由一邊間隔較寬、另一邊間隔較窄的直線對組成.其中，呈現給一只眼的間隔較寬的兩根直線的間隔相等，都是17.3分弧度(即17.3′)；而呈現給另一只眼的間隔較窄的兩根直線，在第1種刺激構型中為12.1′(如圖1(a)所示)，在第2種刺激構型中為5.2′(如圖1(b) 所示).所有直線的高度均為69.2′，寬度為3.5′.為了清楚描述直線之間的匹配關系，將間隔較寬的兩根直線命名為WL、WR；而將間隔較窄的兩根直線命名為NL、NR.

為了顯示直線之間的匹配對應關系，在直線的上下方均引入一對雙眼性探針.每一對探針分別與左右眼直線中任意一對直線在垂直方向對齊.對于每一刺激構型,探針組合方式有16種.但與直線的對齊方式只有4種, 即分別與直線NL和WL、NR和WR、NL和WR或NR和WL對齊.

(a) 第1種刺激構型；(b)第2種刺激構型圖1 實驗中采用的刺激構型及探針的圖示Fig.1 Schematic diagrams for the stimulus configurations and the binocular probes used in the experiment

1.2 被試

被試共8名,視力或矯正視力正常.在正式實驗前,均通過觀察隨機點立體圖以確定立體視正常.

1.3 實驗儀器

實驗刺激圖形由Window NT 圖形工作站產生,呈現在三維液晶顯示器上(SD2320MW,美制).顯示器分辨率為1280×1024,刷新率為75Hz.呈現給左右眼的兩根直線分別呈現到上下顯示器中央.實驗時被試需戴上正交偏振濾光鏡獲取相應的分視信號，即左眼只看到下顯示器、右眼只看到上顯示器的圖像.實驗在低照度環境中進行.觀察距離為60 cm.

1.4 實驗程序

在實驗中,具有16種探針組合的第1種刺激構型和第2種刺激構型分組塊隨機呈現,且間隔較寬的成組直線呈現給哪只眼(左眼或右眼)也是隨機的.觀察時間不限.被試的任務是,在雙眼融合穩定后報告直線及其上下方探針的情況，要求被試仔細分辨探針與相應直線之間的深度關系.

2 實驗結果和分析

2.1 第1種刺激構型

對于第1種刺激構型，所有被試都只能觀察到2根處于不同深度的直線.可以發現,當間隔較寬的直線呈現給左眼時(用L表示)，不管探針在直線上方還是下方，當一對探針分別與直線NL和WL對齊時,可觀察到融合后的探針與左邊直線處于同一深度(用Y表示探針與某一直線處于同一深度)；當探針與直線NR和WR對齊時,可觀察到融合后的探針與右邊直線處于同一深度；而當探針與直線NL和WR、或直線NR和WL對齊時,則觀察到融合后的探針與左右直線都不在同一深度(用N表示探針與任一直線都不處于同一深度). 以上結果見表1的左半部分.

表1 第1種刺激構型中的探針與直線的深度關系Tab.1 Depth relationship between the probes and the lines in the first stimulus configuration

當左眼和右眼的圖像進行交換，即當間隔較寬的直線呈現給右眼(由R指示)時，被試觀察到左右兩根直線的深度發生了顛倒，但探針實驗結果與間隔較寬的直線呈現給左眼的結果完全相同，還是直線NL和WL匹配,直線NR和WR匹配,直線NL和WR、或直線NR和WL之間沒有發生匹配融合.實驗結果見表1的右半部分.

這些結果證明，在第1種刺激構型下，左右眼直線之間形成的匹配是唯一的，且立體視覺中的隱性對稱性假設成立，即直線之間的匹配沒有因為左眼和右眼圖像交換而發生改變，所改變的僅僅只是位置視差值符號的顛倒，它導致匹配產生的兩根直線的深度發生了顛倒.

2.2 第2種刺激構型

對于第2種刺激構型，所有被試均觀察到3根處于不同深度的直線.可以發現，當間隔較寬的直線呈現給左眼時，不管探針在直線上方還是下方，當探針與直線NL和WL對齊時,可觀察到融合后的探針與左邊的那根直線處于同一深度；當探針與直線NR和WR對齊時,可觀察到融合后的探針與右邊的那根直線處于同一深度.實驗結果顯示在表2的左半部分.這些結果表明，在第2種刺激構型條件下,雖然被試觀察到3根直線，但左邊直線依然由直線NL和WL融合產生,右邊直線依然由直線NR和WR融合產生.但是,對于分別與直線NL和WR、或NR和WL對齊的探針,則雙眼融合后觀察到的探針與相應直線的深度關系則隨被試不同而有差異.具體而言，盡管所有被試都觀察到3根直線,但不同被試看到的中間第3根直線的深度是不一樣的：有的看到中間直線最淺,有的看到最深,還有的被試一會兒看到中間直線最淺,一會兒看到最深,但兩種情況不會同時看到.相應地,分別與直線NR和WL、或直線NL和WR對齊的探針隨被試觀察到中間直線的深度規律性地發生變化：對于觀察到中間直線最淺的被試,他們發現,與直線NL和WR對齊的探針與中間直線處于同一深度,而與直線NR和WL對齊的探針與任何一根直線均不在同一深度,表明在這種情況下中間直線由直線NL和WR融合產生；相反,對于觀察到中間直線最深的被試,他們發現,與直線NR和WL對齊的探針與中間直線處于同一深度,而與直線NL和WR對齊的探針與任何一根直線均不在同一深度,表明在這種情況下中間直線由直線NR和WL融合產生.而對于那些一會兒觀察到中間直線最淺、一會兒最深的被試，他們發現,當觀察到中間直線最淺時,與直線NL和WR對齊的探針與中間直線處于同一深度,而與直線NR和WL對齊的探針與任何一根直線均不在同一深度；相反,當觀察到中間直線最深時,與直線NR和WL對齊的探針與中間直線處于同一深度,而與直線NL和WR對齊的探針與任何一根直線均不在同一深度.這些結果表明，對于這些被試而言，中間直線既可由直線NL和WR融合產生，也可由直線NR和WL融合產生，但兩種情況不會同時出現. 值得指出的是,探針與直線不在相同深度的實驗結果,本身可作為對照,排除關于探針與直線處于相同深度是由于深度俘獲的可能疑問.

這些結果再次證明了常規立體視構型下的雙重匹配融合現象：即在第2種刺激構型下，直線NL除了與直線WL、還與直線WR發生了匹配融合，直線NR除了與直線WR、還與直線WL發生了匹配融合.只不過對于不同被試、甚至同一被試的不同時刻,發生雙重融合的直線可能是不同的.

表2 第2種刺激構型中的探針與直線的深度關系Tab.2 Depth relationship between the probes and the lines in the second stimulus configuration

當間隔較寬的直線呈現給右眼時，第2種刺激構型的實驗結果顯示在表2的右半部分. 可以發現，在這種情況下，被試依然觀察到3根直線，左邊直線依然由直線NL和WL融合產生,右邊直線依然由直線NR和WR融合產生，而中間直線則有的由直線NL和WR融合產生，有的由直線NR和WL融合產生，還有的在兩種狀態之間變化. 似乎這種情況下的實驗結果與間隔較寬的直線呈現給左眼時完全一樣. 但是，通過對比同一被試在圖像交換前后的實驗結果可以發現，中間第3根直線與探針之間的對應關系其實發生了改變. 譬如，對于被試1、2和被試6，當間隔較寬的直線呈現給左眼時，他們觀察到，與直線NR和WL對齊的探針與中間直線處于同一深度,而與直線NL和WR對齊的探針與任何一根直線均不在同一深度,表明在這種情況下中間直線由直線NR和WL匹配融合產生；相反，當間隔較寬的直線呈現給右眼時，他們發現,與直線NL和WR對齊的探針與中間直線處于同一深度,而與直線NR和WL對齊的探針與任何一根直線均不在同一深度,表明在這種情況下中間直線由直線NL和WR匹配融合產生. 對于被試3和7，情況卻正好相反：當間隔較寬的直線呈現給左眼時，他們觀察到，與直線NL和WR對齊的探針與中間直線處于同一深度,而與直線NR和WL對齊的探針與任何一根直線均不在同一深度,表明在這種情況下中間直線由直線NL和WR匹配融合產生；相反，當間隔較寬的直線呈現給右眼時，他們發現,與直線NR和WL對齊的探針與中間直線處于同一深度,而與直線NL和WR對齊的探針與任何一根直線均不在同一深度,表明在這種情況下中間直線由直線NR和WL匹配融合產生. 匹配融合對象的改變，導致在雙眼圖像交換前后，被試觀察到中間直線的深度并沒有發生顛倒：那些觀察到中間直線處于最淺位置的被試，當圖像交換后，依然觀察到中間直線處于最淺位置；那些觀察到中間直線處于最深位置的被試，依然觀察到中間直線處于最深位置.

3 討論和結論

在當前的立體視覺理論中,人們隱性地假設,兩眼中圖像的匹配與哪只眼觀察哪一圖像無關.在此假設基礎上,研究者提出了一種通過交換左眼和右眼圖像,來鑒定雙眼性視差和其他不同于視差的因素,如遮擋，對立體深度的貢獻的技術.他們認為,配對特征的深度在圖像交換前后會發生顛倒;相反,如果某個區域的立體深度在圖像交換前后不發生顛倒,則必定是由于某種匹配之外的因素對映像的知覺深度起了作用.

本研究采用2∶2直線型常規立體視構型,并通過對比左眼和右眼圖像交換前后的直線融合情況,發現在發生唯一性融合的第1種刺激構型下,無論間隔較寬的直線呈現給左眼還是右眼,兩眼中直線NL和WL、直線NR和WR之間形成的匹配確實不會因為圖像交換而發生改變：總是直線NL和WL匹配,直線NR和WR匹配，且它們匹配融合產生的左右兩根直線的相對深度在圖像交換前后會發生顛倒,證明立體視覺研究中的隱性對稱性假設在這種情況下確實是適用的.

但是,對于發生雙重融合的第2種刺激構型,隱性對稱性假設卻并不成立. 在第2種刺激構型下,雖然直線NL和WL、直線NR和WR之間形成的匹配在左眼和右眼圖像交換前后沒有發生改變,且它們匹配融合產生的左右兩根直線的相對深度,在左右眼圖像交換前后發生了顛倒;但是,對于直線NL和WR、直線NR和WL之間形成的匹配而言,它們卻會因為左眼和右眼圖像交換而發生改變——在一種情況下是直線NR和WL之間發生匹配融合而直線NR和WL之間不形成匹配,在另一種情況下卻是直線NL和WR之間發生匹配融合而直線NR和WL之間不形成匹配,并由此導致匹配融合產生的中間第3根直線的深度,在左右眼圖像交換前后并不發生顛倒:有的被試在雙眼圖像交換前后都觀察到中間直線處于最淺位置;有的在雙眼圖像交換前后都觀察到中間直線處于最深的位置;還有的被試在圖像交換前后都是一會兒觀察到中間直線處于最淺、一會兒觀察到處于最深的位置,而并不是像遮擋理論的預期的那樣,遵循“最遠表面原則”總是處于最遠處.

可見,直線之間匹配的選取,并非與哪只眼觀察哪一圖像無關;在所有匹配特征均為完全相同直線的情況下,匹配融合的對象會根據較寬間隔直線呈現給左眼還是右眼而發生改變. 此外，由于3根直線的產生都是不同直線之間發生匹配融合的結果,因此,交換兩只眼的圖像但立體深度不顛倒,并不像某些學者所認為的,必定是某種匹配之外的因素對映像的知覺深度起了作用. 由此自然可以得出結論,交換左眼和右眼圖像后深度是否顛倒,并不是判斷其深度是來源于匹配視差還是其他因素的依據.

參 考 文 獻

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