三維圖形的視空間工作記憶容量研究*

吳文春，徐　學，鄭允佳

(1.韓山師范學院教育科學學院，潮州 521041；2.廣東金融學院應用心理學系，廣州 510521)

1　引言

視覺工作記憶(visual working memory)容量是近二十年來工作記憶領域的研究焦點。Luck和Vogel(1997)首先采用變化覺察范式(change detection paradigm)對視覺工作記憶的容量進行考察。實驗的基本程序是，首先給被試快速呈現一組由若干個客體(如顏色框)組成的樣本刺激，900ms空屏間隔之后呈現檢測刺激，要求被試判斷檢測刺激中的客體與樣本刺激中的客體是否發生變化。結果表明，被試能在視覺工作記憶中保存約4個單特征或多特征客體(如單顏色塊、雙色嵌套方塊或顏色-朝向結合的線段)。進一步的實驗發現，視覺工作記憶的容量只受樣本刺激的客體數量影響，而與客體中所包含的特征數目無關(Vogel，Woodman，& Luck，2001)。

對于視覺工作記憶容量約為4個客體這一結論，多數研究結果與其基本一致。Trick 和 Pylyshyn(1993)采用追蹤任務進行實驗，結果發現，被試能夠將4個項目同時置于注意范圍之內進行加工，當項目數量超過 4 個時，計數過程中就需要轉換注意，進行序列加工；“多目標追蹤”范式的結果也顯示，被試只能同時追蹤 4 個圓點。沈模衛等人也采用客體追蹤范式對動態情境下視覺客體信息的存儲容量進行測定，結果表明客體運動速度的工作記憶容量約為3個(沈模衛，李鵬，郎學明，陳碩，2007)。最近，吳文春和孫悅亮(2013)采用單探測變化覺察范式，考察了單特征圖形的客體和空間工作記憶容量，結果發現，被試在視覺工作記憶中能存儲3～4個客體信息和4～5個空間位置，空間工作記憶容量大于客體工作記憶容量；采用兩維雙特征圖形為識記材料的實驗結果也顯示空間工作記憶容量大于客體工作記憶容量，但與單特征圖形相比容量值偏小，為2～3個項目和3～4個空間位置(吳文春，2013)。

不過，對于容量的影響因素，多數研究得出的結果與其并不一致。Olson 和 Jiang(2002)在其實驗中同樣采用雙色嵌套方塊和單色塊(分為大空心單色塊和小單色塊)作為刺激材料，結果發現，在客體數量相同的情況下，被試對記憶雙色嵌套方塊的正確率要顯著低于單色方塊，即同一維度內特征數量的增多會導致所能存儲的項目數量的減少；研究還發現，當特征數量相同時，提高特征種類的異質性會提高記憶準確率，如記憶三條顏色-朝向線段的記憶成績優于記憶六個顏色(或朝向)。Wheeler和Treisman(2002)也得出與Olson 等(2002)一致的結果。為此，他們認為，記憶容量受制于客體數量和客體所含特征數量兩個因素，當客體在同一種類特征上具有不同值時，記憶容量取決于特征值的數量而非客體數量。此外，Xu(2002)還發現，同一客體內部各特征間的綁定關系影響記憶成績，當要求被試記憶由多個部分構成的客體時，需記憶的特征整合于客體同一部分的記憶成績比其分布于客體不同部分更好，同時也表明視覺工作記憶容量受客體特征的結合形式所影響。Alvarez和Cavanagh(2004)的研究發現，視覺工作記憶容量受客體的信息負荷影響，記憶容量隨客體在知覺編碼階段加工難度的增大而減小。Eng，Chen和Jiang(2005)采用簡單和復雜刺激為實驗材料考察其對視覺工作記憶容量的影響，結果顯示，被試對于簡單特征的刺激(顏色方塊、字母)的存儲容量要大于復雜特征的刺激(立方體、面孔)。沈模衛等(沈模衛，徐青，高在峰，余喻，尹軍，孫忠強，水仁德，2009)以對側延遲活動(contralateral delay activity，CDA)的幅值為腦電指標，對視覺工作記憶中可存儲的客體數目進行探討，結果也證實視覺工作記憶的容量受客體復雜度所影響。最近，Brady和Alvarez(2015)的研究還表明，刺激呈現方式也會影響視覺工作記憶容量，空間集合表征(Spatial ensemble representations)可提高被試對復雜客體的工作記憶容量。

綜上所述，盡管不少研究表明視覺工作記憶的容量為3～4個項目，但它并不是一個恒定的數值，其大小受識記階段的刺激數量、刺激所含的特征數量、特征間的綁定關系及復雜程度等多種因素所制約。且已有研究基本上采用單維度特征或兩維度特征組成的平面圖形為材料，而生活中我們看到的大多是立體事物。立體事物與平面事物有著不同的形態，立體事物具有體積感和縱深感，其三維效果較之平面圖形具有更強烈的視覺沖擊力和視覺感受，還具有更多的視覺感知細節(陳妍，2012)。本研究者認為采用三維立體圖形作為刺激材料來考察視覺工作記憶的容量，將使實驗結果更具普遍性并提高其外部效度。為此，本研究將采用三維幾何圖形為材料，測定視覺工作記憶的存儲容量，并比較客體工作記憶和空間工作記憶容量的差異。實驗一考察由兩種基本特征組成的三維圖形的客體和空間工作記憶容量；實驗二考察由一種基本特征和一種細節特征組成的三維圖形的客體和空間工作記憶容量。

2　實驗1　兩基本特征組成的三維圖形的客體和空間工作記憶容量

2.1　方法

2.1.1被試

28名韓山師范學院本科生(男10名，女18名)自愿參加實驗，年齡在19～23歲之間，平均20.66歲。他們的視力或矯正視力正常，無色盲和色弱。實驗完成后獲得小禮品一份。

2.1.2儀器與材料

實驗刺激在17英寸電腦顯示器上呈現。屏幕背景色為白色。被試眼睛距離屏幕約60cm。實驗程序用E-prime1.1編制。實驗材料為由不同形狀和顏色組成的規則立體圖形，采用專業3-D制圖軟件Sketchup(中文名：草圖大師)8.0版本制作。8種備選形狀為：立方體、四棱柱、四棱臺、圓柱、三棱錐、六棱柱、圓錐體。7種備選顏色為：紅色(R=241，G=19，B=0)；綠色(R=37，G=241，B=0)；藍色(R=0，G=121，B=241)；黃色(R=241，G=219，B=0)；青色(R=0，G=221，B=224)；紫色(R=219，G=0，B=241)；褐色(R=167，G=107，B=73)。在同一組記憶項中，每個圖形的顏色和形狀不重復出現。每個圖形的視角約為2.5°×2.5°。

2.1.3實驗設計

采用3(識記項目數：3、4、6個)×2(任務類型：客體工作記憶任務、空間工作記憶任務)兩因素被試內實驗設計。其中，客體工作記憶任務包含顏色變化、形狀變化、顏色-形狀交換變化三種檢測變化方式，空間工作記憶任務只包含位置變化檢測方式。在識記項目階段，兩種任務的刺激圖形相同，但實驗指導語不同，且其出現順序隨機。樣本刺激系列由3個、4個或6個互不相同的三維圖形組成，它們隨機出現在屏幕上3×4矩陣中的幾個隱形方格中(吳文春，2013)。每個方格的大小與刺激圖形相同，相鄰方格的距離不少于1.8°(邊框到邊框計算)。檢測項目只呈現一個圖形，其大小均不變。在客體工作記憶任務試驗中，其位置固定在屏幕的中央，其顏色、形狀或形狀-顏色的結合方式可能發生改變，變化的概率為各處理條件下試驗次數的50%。在顏色變化條件下，檢測項目的形狀與識記項中的一個圖形相同，顏色改變為識記階段未出現的一種；在形狀變化條件下，檢測項目的顏色與識記項中的一個圖形相同，形狀改變為識記階段未出現的一種；在特征交換條件下，檢測項目由識記項中分屬于兩個不同刺激圖形的顏色和形狀組成。在空間工作記憶任務試驗中，檢測項目的形狀、顏色均不變，只是其呈現位置有50%的概率發生改變(吳文春，2013)。當位置發生改變時，檢測項目將隨機呈現在識記項目階段未出現過圖形的某一方格中。因變量為被試對檢測項目的檢測正確率。

實驗包含客體工作記憶任務和空間工作記憶任務2個區組，前者共有216個正式實驗試次(trial)和18個練習試次，后者有72個正式試次和6個練習試次。對2個區組的實驗順序進行平衡，各區組條件下的試次隨機呈現。正式實驗之前先進行練習實驗，直至被試熟悉實驗程序并完全理解實驗要求。完成整個實驗約需35分鐘。

2.1.4實驗程序

實驗在單被試實驗室內進行。具體流程與吳文春(2013)的研究基本相同，如圖1。首先在屏幕中心出現紅色注視點“+”1000毫秒(ms)。緊接著屏幕上出現4個互不相同的阿拉伯數字1000ms，要求被試用正常語速對其進行連續出聲復述，直至檢測項目出現，目的是排除言語復述的參與。間隔500ms后樣本刺激出現，時間為500ms。在客體記憶任務中要求被試努力記住每個圖形的形狀和顏色，而在空間記憶任務中則記住其空間位置。間隔900ms后出現一個檢測項目，直至被試做出反應；此時，要求被試盡量準確地判斷：檢測項目相對于記憶項目中的圖形是否發生改變，如未改變按“F”鍵，反之按“J”鍵。對于客體工作記憶任務，要求被試判斷檢測圖形的形狀和顏色是否與樣本刺激中的某個圖形完全相同；對于空間工作記憶任務，要求被試判斷檢測圖形的位置是否發生改變。

圖1　單次試驗流程圖

2.2　結果與分析

采用 SPSS16.0軟件對28名被試數據進行統計分析，被試在各實驗條件下的檢測正確率和標準差如圖2所示。

3×2兩因素被試內方差分析顯示，識記項目數的主效應顯著，F(2，54)=74.59，p<0.001，η2=0.73，客體和空間工作記憶檢測正確率均隨識記項目數的增加而顯著下降；任務類型的主效應顯著，F(1，27)=179.97，p<0.001，η2=0.87，空間工作記憶的正確率顯著高于客體工作記憶；識記項目數與任務類型的交互作用也顯著，F(2，54)=5.92，p<0.01，η2=0.18。

圖2　實驗1各條件下被試的平均正確率

采用Pashler(1988)提出的公式對客體工作記憶和空間工作記憶的容量進行測定，計算公式為：k=S×[(H-F)÷(1-F)]。其中，k為存儲容量，S為呈現的刺激數目，H為擊中率，F為虛報率。以該公式對每位被試在各記憶數目條件下的記憶容量進行估計，并計算其平均記憶容量。其結果如圖3。

圖3　實驗1不同條件下被試的平均工作記憶容量

由于該公式對客體呈現數目有一定的限制，即只在其超過存儲容量時該公式才有效，否則會造成對工作記憶容量的低估。實驗結果表明，當記憶項目數為6個時，客體工作記憶的存儲容量為2.62個客體，空間工作記憶的存儲容量為3.91個位置。

對記憶項目數為3、4、6個時的客體和空間工作記憶的容量分別進行相關樣本t檢驗，結果顯示，空間工作記憶的容量均顯著大于客體工作記憶的容量(t(27)=4.27，t(27)=7.68，t(27)=6.38，ps<0.001)。

3　實驗2　基本特征和細節特征組成的三維圖形的客體和空間工作記憶容量

3.1　方法

3.1.1被試

26名韓山師范學院本科生(男8名，女18名)自愿參加實驗，年齡在19～22歲之間，平均年齡20.54歲；視力或矯正視力正常，無色盲和色弱。實驗完成后獲得小禮品一份。

3.1.2實驗設備與材料

實驗設備、環境及編程軟件同實驗一。電腦屏幕背景為灰色。被試與屏幕的距離約為57cm。實驗材料為由不同側面顏色和頂部圖案組成的六棱柱，舉例如圖4。7種備選顏色同實驗一。任選一種顏色和圖案可構成一個刺激圖形。在同一組記憶項中，圖形的顏色和圖案均無重復。每個圖形的視角約為2.5°×2.5°。

圖4　實驗2中采用的8種頂部圖案舉例

3.1.3實驗設計與程序

Alvarez等(2004)的研究表明，被試對細節特征的記憶正確率更低，因此本實驗將記憶項的最大數目減小至5個。采用3(識記項目數：3、4、5個)×2(任務類型：客體工作記憶任務、空間工作記憶任務)兩因素被試內實驗設計。其中，客體工作記憶任務包含顏色變化、圖案變化、顏色-圖案交換變化三種檢測變化方式，空間工作記憶任務仍然只包含位置變化檢測方式。其它條件同實驗一。實驗程序方面，考慮到刺激圖形的頂部圖案為細節特征，知覺難度比基本特征大，因此，將識記項目的呈現時間延長至800ms。其它程序設置同實驗一。

3.2　結果與分析

采用 SPSS16.0軟件對26名被試數據進行統計分析，被試在各實驗條件下的檢測正確率和標準差如圖5所示。

圖5　實驗2各條件下被試的平均正確率

3×2兩因素被試內方差分析顯示，識記項目數的主效應顯著，F(2，50)=64.63，p<0.001，η2=0.72，客體和空間工作記憶檢測正確率均隨識記項目數的增加而顯著下降；任務類型的主效應也顯著，F(1，25)=33.20，p<0.001，η2=0.57，空間工作記憶的正確率顯著高于客體工作記憶；識記項目數與任務類型的交互作用也顯著，F(2，50)=4.51，p<0.05，η2=0.15。

采用Pashler(1988)提出的公式對視覺工作記憶容量進行測定，計算公式為：k=S×[(H-F)÷(1-F)]。其結果如圖6。

圖6　實驗2不同條件下被試的平均工作記憶容量

實驗結果顯示，當記憶項目數為3個時，客體工作記憶的存儲容量達到最大值，為2.01個客體，而空間工作記憶的存儲容量在記憶項目數為5個時達到最大值，為3.34個位置。

對記憶項目數為3、4、5個時的客體和空間工作記憶的容量分別進行相關樣本t檢驗，結果顯示，空間工作記憶的容量均顯著大于客體工作記憶的容量(t(25)=6.00，t(25)=4.26，t(25)=4.90，ps<0.001)。

為檢驗三維圖形的特征類型是否影響其客體和空間工作記憶容量，對實驗1和實驗2中識記項目數為3個和4個兩種條件下的平均容量分別進行獨立樣本t檢驗。結果顯示，實驗1中的客體工作記憶容量均顯著大于實驗2(t(52)=3.40，p=0.001；t(52)=3.55，p=0.001)，而實驗1中的空間工作記憶容量僅在識記項目數為4個時顯著大于實驗2(t(52)=2.92，p<0.01)，當識記項目數為3時，兩個實驗的空間工作記憶容量無差異(t(52)=1.31，p=0.19)。這表明，總體而言，被試對由兩個異質基本特征組成的三維圖形的視空間工作記憶存儲數量要大于由一個基本特征和一個細節特征組成的三維圖形，即特征類型影響視覺工作記憶容量。

4　討論

本研究通過兩個實驗考察了三維圖形的視空間工作記憶容量，實驗一結果顯示，被試能在視覺工作記憶中存儲約3個由兩個異質基本特征組成的客體和4個空間位置，實驗二結果顯示，被試能存儲約2個由一基本特征和一細節特征組成的客體和4個空間位置。這一結果與靜態條件下視覺工作記憶容量的研究結果基本一致(Luck & Vogel，1997；Vogel et al.，2001；Fencsik，2003；吳文春，2013)。對于客體和空間工作記憶存儲容量有限這一結果，我們認為其主要受制于個體短時間內可用的注意資源是有限的。這里所說的“短時間內可用的注意資源”即Cowan(2001)提出的“注意焦點的容量”；Cowan(2001)認為它一次只能容納少量的信息，為3～5個組塊，這與本研究在排除言語復述條件下得出視覺工作記憶的存儲容量約為3個三維圖形和4個空間位置的結果基本一致。

另外，兩個實驗結果均表明，空間工作記憶容量顯著大于客體工作記憶容量。這一結果提示，人類的視空間工作記憶可分為客體記憶和空間記憶，與神經心理學、潛變量、雙分離、發展以及腦機制的研究提供的大量實驗結果一致(羅良，劉兆敏，林崇德，2007)。這兩種視覺工作記憶容量的差異，可能與其不同的編碼方式有關。Poster等(Poster，D’esposito，& Corkin，2005)認為，語音編碼對于客體工作記憶的表征是至關重要的，而空間工作記憶的表征則不需要言語編碼，其雙分離的N-back實驗結果證實，言語分心物對客體工作記憶成績的影響大于對空間工作記憶的影響。就本研究而言，兩個實驗均在視覺工作記憶過程中增加了言語負載任務，這一言語負載很可能阻礙了被試在客體工作記憶過程中起重要作用的言語編碼，降低了其記憶成績，但并不妨礙在空間工作記憶過程中起重要作用的視覺編碼。因此，客體工作記憶的檢測正確率顯著低于空間工作記憶，其容量也更小。

對兩個實驗的視空間工作記憶容量進行比較后發現，實驗一的客體工作記憶容量顯著大于實驗二的客體工作記憶容量。即被試對由兩個基本特征組成的三維圖形的存儲數量要大于對由一個基本特征和一個細節特征組成的三維圖形存儲數量。這表明，特征類型影響視覺客體工作記憶的存儲容量。而對于空間工作記憶容量的比較，結果只發現當識記項目數為4個時實驗一的容量顯著大于實驗二。對此，我們認為其主要原因在于，本研究的兩個實驗結果均已證實，空間工作記憶容量要顯著大于客體工作記憶容量，且其容量估計值分別為2～3個客體和3～4個空間位置。因此，在有效的空間工作記憶容量值大于3的情況下，樣本刺激的識記項目數為3個時的比較結果不具代表性。這表明，特征類型對視覺空間工作記憶的存儲容量也有顯著影響，但其效力比對客體工作記憶容量的影響相對更小。