空間知覺中的大地理論

龔小霞 陸思雨 董波

摘要|人類的生活離不開對周圍空間的知覺和解釋，這是人類生存繁衍的基本能力。基于以往的研究，人類在線索豐富的環境中能夠準確對自身和其它物體進行定位，對這種定位機制的理論和實驗研究一直是心理學家關注的熱點。空間知覺的大地理論是一種關于人類距離知覺解釋的前沿理論，在此理論基礎上研究者開展了大量實驗研究，筆者梳理了大地理論的背景與主要內容及理論延展，并指出未來研究的可能方向。

關鍵詞|空間知覺;距離知覺;大地理論

1??? 引言

個體對外界空間環境的知覺和理解能力影響生活的各個方面，這種能力使動作與行為的有效完成得以實現。個體能夠成功地在含有豐富線索的環境中進行自我定位、方位導航并生成對周圍環境的心理表征都依賴于空間知覺能力，甚至在完成搬桌子、躲避、接盤子等簡單動作時，都需要不斷地對外界環境進行知覺和信息提取。空間知覺為個體動作的完成提供所需的基本信息，同時動作又反作用于知覺過程以確保動作的正確完成。那么這一對人類至關重要的知覺過程是如何實現的呢？

Gibson于1950年提出了空間知覺的大地理論，以期對上述問題進行解答[1]。大地理論以自下而上的信息加工理論為核心提出了“情境支持”（Affordance）的概念。大地理論認為個體能形成準確的空間知覺離不開環境提供的豐富的信息資源，個體生理結構在與周圍環境的相互作用下進而產生了空間知覺。在知覺系統中，個體利用豐富多元的大地信息線索，以大地作為參照框架，對物體位置進行編碼，從而形成對外界環境的心理表征。

2??? 大地理論

2.1 理論背景

2.1.1??? 空間知覺

空間知覺是指包含對物體的距離、方位、形狀和大小等空間特性及其關系的知覺[2]。為了更好地在這個世界上生存和繁衍，人類必須認識到自身和所處空間環境間的相互關系，并據此指導自己的行為。在此過程中視覺系統至關重要，人類賴以認知世界的信息有80% 以上來自視覺系統，通過視覺系統人類可以建構出對知覺對象的三維表征，視覺系統中的網膜成像是二維的，這種二維到三維的轉換也一直是心理和生理學家所關注的熱點問題[3]。

在以往的空間知覺研究中，根據知覺對象與觀測者之間的距離將知覺空間劃分為三部分：0～2米為個人空間，即觀察者手臂可觸及的范圍;2～20 米為行為空間，即距離較大但又在觀察者投擲和行走的范圍內;超過20米的行為空間以外的為遠景空間[4]。隨著距離空間的增加，觀測者對距離線索的選擇和加工也會相應改變，從而確保產生精確的空間知覺。

2.1.2??? 理論提出

在第二次世界大戰開始時，出于現實需要，人們開始關注深度和距離感知，這種深度和距離知覺對飛機著陸時估算地面距離有重要意義。以心理學家從19世紀的系列實驗中獲取的知識為基礎，學者開始了對空間知覺的大量實驗研究，通過這些實驗得出了影響距離感知的知覺線索清單，且該清單受到了認可，例如知覺線索中的單眼和雙眼線索。這些實驗中有一些典型的實驗方法，例如使用立體鏡或一個深度感知裝置，給被試呈現一些光或類似的孤立刺激，要求被試判斷距離，實驗中呈現的點、線或物體通常用紅色標示。盡管學者們進行了大量的實驗，但實驗結果卻并不能用以解決實際問題，例如個體如何降落飛機。

直到戰爭快結束時，心理學家們才開始清楚地認識到，解決深度知覺問題的常用方法是不正確的，實驗需要在戶外進行，呈現的刺激物也應該是來自自然環境的物體。研究者們逐漸意識到自然環境的重要性，至此，一個大膽的假設也開始出現——如果沒有對一個連續的表面的感知，空間知覺就無法產生。這一假設被稱為“大地理論”，以區別于“空氣理論”，而后者是早期研究的基礎。這一假設的基本思想是視覺空間不應被視為空中的物體或物體陣列，而應被視為一個連續的表面，視覺世界的空間特征不是由其內的物體給出的，而是由物體的背景給出的。例如飛行員的空間，是由地面和地平線決定的，而不是由他飛行的空氣決定的。在戰爭結束前，Gibson 和他的合作者以“大地理論”為基礎，利用戶外環境、照片和電影進行了一些實驗，在這些實驗中，水平地面總是可見的。

2.2 大地理論的初步假設

第一，個體對視覺世界的基本印象是表面和邊緣的印象，對于理解空間，這些基本印象是必不可少的。對連續表面的印象可以理解為視覺空間中的背景，而邊緣的印象可以理解為背景中的輪廓或圖形，這些元素根據抽象的幾何坐標從右到左、從上到下、從近到遠排列。

第二，刺激中總是有一些變量（不管發現和分離有多困難）對應于空間世界的一個屬性。也就是說，即使是復雜的知覺品質也必須有刺激，這是心理物理對應原理在視覺感知中的一種延伸。這條規則還表明，對表面的印象可以找到一種相應的“刺激”，它可能是一張有紋理的視網膜圖像。對于連續表面上的距離或深度的印象，刺激也應該是可發現的，它也許是沿著視網膜圖像的軸線逐漸改變的，例如圖像紋理密度的增加或減少。同樣，對邊緣或輪廓以及輪廓的深度印象，刺激應該也是可發現的，它也許是視網膜圖像梯度的跳躍或中斷。

第三，與視覺空間中三維物體對應的比率圖像中的刺激變量只需要與該物體本身相關，而不是其副本相關。例如，堅固性和深度的質量在二維視網膜圖像中沒有任何復制品，但它們很可能與外界物體的某個屬性相關。在幾何學中的一個類似假設是，當一個三維物理世界以光學方式投影時，其傾斜度、形狀等屬性在投影中會經過數學變換，但這些屬性不會因此消失。

第四，可以運用數學方法對視網膜圖像的不均勻性進行分析，將視網膜圖像順序或圖案的不同視為一種刺激。

第五，對個體如何感知視覺世界的問題可以從兩個方面來考慮：首先，個體對實體或空間世界的感知;其次，個體對通常關注的有用和有意義的事物的世界的感知。前者是由顏色、紋理、曲面、邊緣、坡度、形狀等組成的世界。后者是個體更熟悉的世界，由物體、地點、人、信號和文字符號等組成。

2.3 核心觀點

2.3.1??? 生態學取向

Gibson于1950年提出空間知覺大地理論（theGroundTheoryofSpacePerception），他將空間知覺與生態環境結合起來，這是大地理論的主要指導思想。該理論認為個體的信息加工過程是自下而上的，其理論重點在于情景支持（Affordance）概念，他指出，空間知覺是在個體與環境的相互作用下產生的，復雜的環境能夠保證視覺系統能從外部環境中獲取豐富的信息資源，同時個體具有提取整合與加工信息的知覺能力，兩者的相互作用協助人們形成精確的空間知覺。情境是由觀察者及其周圍的環境共同構成的，因此，環境或者觀察者任何一方有改變，觀察者所知覺的整個情境就會發生變化。換句話說，觀察者及其周圍環境是互補的，一組觀察者及其共同環境也是如此。

2.3.2??? 表面

表面是大地理論重要的基本概念。自然環境中最大的表面是地面，即在平均水平面上的表面，或者說是一個垂直于重力的水平面。地面本身是由許多不同的單元構成的，這些單元相互嵌套而且在整個地球表面重復。例如沙粒的大小在任何地方都是一樣的，卵石和巖石也是一樣的;草葉或多或少都是相似的，草叢和灌木叢也是如此。這些自然單元不像人行道上的人造瓷磚那樣完全統一，然而，即使它們的重復是隨機，它們仍舊呈現出均勻分布。同時，Gibson所提出的表面不僅僅指地面，它還是物理環境中最重要的通用物理特征之一，它是大多數動作所在的位置。表面是光被反射或吸收的地方，而不是物體的內部;表面是被接觸的地方，而不是物體的內部。表面是自然環境中最普遍的存在，是具有普遍意義的概念。

對于表面，Gibson還曾提出地表生態規律的規則，包括以下九點：

（1）所有持久性物質都有表面，所有表面都有布局。

（2）任何表面都有抗變形能力，這取決于物質的粘度。

（3）任何表面都有抗崩解的能力，這取決于物質的凝聚力。

（4）任何表面都有其特有的紋理，這取決于物質的組成。它通常既有布局紋理又有顏料紋理。

（5）任何表面都有其特有的形狀或大規模布局。

（6）表面在光線或陰影下可有強光或弱光。

（7）光照度極小的表面可吸收落在其上的照明。

（8）根據物質的不同，表面具有特定的反射率。

（9）根據物質的不同，表面具有對不同波長的光的反射率的特征分布。

2.4 核心內容

2.4.1??? 參照系和編碼

人類的陸地生存狀況決定著我們始終依賴地面，地面不僅提供了從人腳到地平線的距離信息，而且還為個體以及個體經常接觸的其他物體提供支撐[5]。以地面作為參照系來表示空間是“大地理論”的基礎，大地作為陸地環境中最為普遍的通用視覺表面，為個體提供了在三維場景中有關位置的關鍵信息。在知覺系統中，個體利用豐富的環境線索，以大地作為參照系，進而對物體位置進行編碼，最終形成對外界環境的心理表征。

那么基于地面的位置編碼又是如何實現的呢？通過使用以地面為參照系的 2D 坐標系來表示公共表面上的對象，對象之間的相互關系可以在2D 坐標中進行處理。有研究者將這種方案稱為準二維編碼方案，Sinai等人通過研究人類在感知絕對距離和視覺定向動作任務中的心理生理表現也支持了這種編碼方案[6]，并且將其作為對Gibson大地理論的更鮮明的表述。根據該準二維編碼方案，可以通過兩個的階段來描述編碼對象位置的機制。第一階段先定義用作參考框架的公共表面，第二階段再定義每個單獨對象相對于參考系的坐標。因此，當將對象之間的相對視差轉換為度量深度表示時，將根據對象與參考表面的關系以及參考表面與觀察者的空間關系來縮放它們[7]。

2.4.2??? 公共面

空間中的物體擁有共同的表面，這是我們生存的陸地環境的客觀規律。例如，我們能夠走在公共地面上;在桌面上可以擺放各種物品;墻面上可以懸掛我們最喜歡的畫，這些都是因為物體之間享有共同的表面。有學者提出，視覺系統正是利用這種規律性而將共同表面作為一個參照系來編碼物體的距離。通過對公共表面的處理，視覺系統還可以減少其編碼冗余，并將其加工資源轉移到表示其他信息上。因為公共面是我們視覺世界中的規律性事件，而我們的大腦具有利用現存規律來減少編碼冗余的顯著能力，對于中距離空間感知，當有共同地面時，絕對距離判斷最為準確。有研究者還進一步研究了公共表面在近距離判斷中的作用，He 等人研究了公共表面是否也可以作為參照系來處理雙眼視差信息，雙眼視差信息是近距離空間感知的一個主要線索。研究結果發現，具有線性雙眼視差梯度的表面的斜度被低估[8]。

2.4.3??? 紋理線索

由于使用了大量的深度線索，視覺可以判斷物體的空間位置，這些深度線索不僅包含觀測者內部的生理線索還包括來自外部環境的深度線索。Cutting在1995年對空間知覺所利用的線索進行劃分。聚合調節、雙眼視差、運動視差屬于自身生理線索。而相對大小、紋理、空氣密度等屬于外部環境線索。這些線索具有不同的作用范圍，在空間知覺中發揮的作用也各不相同。根據空間知覺大地理論，生理線索作用范圍為個人空間（2 ～3 米）這類近距離空間，而外部線索主要作用于 2 至 20 米范圍內的行為空間。在形成近地面表征的基礎上，遠距離范圍的外部紋理線索被用于形成對遠地面的心理表征，從而產生對整個地面的完整表征。視網膜感知的紋理梯度是線索之一，該梯度是在一個后移或歪斜的表面上根據紋理元素的相對大小以及各元素之間的空間而形成的投影圖像。紋理元素的密度提供了距離感知的信息，元素密度的增長率提供了斜度感知的信息[9]。自大地理論提出以來，大量的研究都證實了地表紋理與斜度感知和距離感知之間的關系。

Gibson的“大地理論”還有一個重要預測，當公共地面破裂時，即紋理漸變不均勻時，視覺系統將無法建立可靠的參考系，因而無法獲得正確的絕對距離。Sinai等人的研究結果為共同地面在絕對距離判斷中的作用提供了證據，支持了Gibson的設想，但Sinai等人還發現，紋理漸變也可以影響絕對距離的判斷，地面上的紋理漸變可以為視覺系統建立參考框架提供深度線索。He 等人在檢驗地面充當視覺系統參考框架的假設時進一步證實，當地面被縫隙打亂或被不同的紋理（混凝土和草皮）覆蓋時，觀察者無法做出準確的自我中心距離判斷。只有當地面連續且質地均勻時，才能準確地做出自我中心距離判斷，連續且均勻紋理的地面對于視覺系統形成準確的空間知覺至關重要[8]，同樣的結果在其他研究者的實驗中也得到了印證[10]，甚至有研究發現當存在均勻連續的大地信息時，盲走至先前觀測過的知覺對象位置的準確性也將增加[11-13]。

Gibson的大地理論認為均勻連續的大地信息對空間知覺的判斷定位具有獨一無二的作用。提取關于距離和斜度的信息依賴地表連續紋理的存在，但環境表面并不總是覆蓋統一的紋理。自然環境中包含了含有草、沙子、鵝卵石和許多其他物質的地表，當由一種物質組成的區域與由另一種物質組成的區域接近時，地面表面的結構就存在不連續性。這也進一步提出了一個問題，地表紋理的不連續性將如何影響地表距離感知。

2.4.4??? 雙眼視差線索

Gibson于1950年提出“光學接觸”（theOpticalContact）這一概念，即在外部環境線索與雙眼視差和運動視差都缺失的條件下，僅利用單眼聚合調節線索來定位知覺對象，Gibson認為此時視線與背景的焦點將會是個體判斷的目標物的位置。雖然實驗中空間知覺的主要線索是單眼深度線索，例如紋理梯度、傾斜角度等與地面相關的線索，但對于近距離知覺而言，既保證可靠同時又具有高分辨率的主要線索仍舊是雙眼視差線索。這種利用不同線索進行中近距離空間知覺的多樣性表明，視覺系統可能在中近距離范圍使用不同的編碼機制。然而，我們有理由將繼續提問，這些可能的不同機制是否遵守相同的一般生態約束。具體而言，考慮到公共表面在中距離和近距離知覺中的重要性，可以產生以下假設：視覺系統在近距離知覺中仍舊使用公共表面作為參考框架來對雙眼深度信息進行編碼。

He 等人通過研究已經驗證了表面假設——公共表面被用作編碼雙眼深度知覺的參考框架。其實驗依賴于表面假設的一個關鍵預測，即如果作為參考框架的公共視覺表面被錯誤地感知，那么兩個物體在表面上或表面附近的相對深度間隔也將被錯誤地感知。為了驗證這一預測，He等人進行了實驗，結果表明，

公共表面上物體之間的深度間隔由于不能準確估計公共表面斜度而被壓縮或低估。其研究結果還發現，在立體加透視條件下，當公共表面的傾斜度被更好地估計時，公共表面上兩個物體之間的感知深度間隔增加。總的來說，其研究發現并強調了共同的視覺表面在雙眼深度知覺中的作用[14]。

2.5 理論延展

最近的研究為 Gibson的理論提供了實驗支持，并推動了大地理論的擴展應用。基于大地理論，有學者提出了一些新的空間知覺理論。

計算理論是Marr于1982年提出的一個基于Gibson空間知覺大地理論的著名理論。該理論認為計算一系列空間中視知覺表征的過程就是空間知覺的過程。大地理論認為信息加工整合的過程是自下而上的，因此，計算理論提出，計算的過程也是以自下而上的順序來對空間表征進行局部計算的。第一步是形成對客觀事物和空間分布的表象;第二步從個體自身的角度出發，利用各種線索形成對參照地面的表征;第三步將內部形成的空間知覺的準二維表征轉化為從目標物的角度出發的三維表征。計算理論認為，視覺加工的產物之一便是對地面的二維表征，這有助于準確認識并判斷空間距離以及對物體進行定位，還有助于對局部的空間表征的創造和穩定。因此，計算理論認為空間知覺就是對整個地面的表征的計算過程[15]。

連續地表整合加工假說即SSIP理論是He等人在大地理論的基礎上提出的，理論認為地面的整體表征是通過順序地面整合過程實現的。理論認為表征地表的過程是從近處向遠處擴展的，SSIP首先對近地面進行采樣，利用一系列近距離線索準確表征近地面。然后，在使用近地表征作為模板來整合更遠的地表時，由于近距離線索幾乎不起作用，此時主要依靠紋理梯度線索來進行表征。

3??? 總結和展望

幾十年來空間知覺的大地理論已經得到了許多研究支持，但就目前的發展重心來看，大多數研究是以SSIP理論為基礎來進行的。在地表信息線索方面各種研究都是以紋理梯度和雙眼視差為主，不存在單獨發揮作用的空間知覺外部線索，從我們的實踐經驗也可知，空間知覺外部線索并非單一作用，而是錯綜復雜相互影響的。在實際生活中，人們除去可以利用外部環境線索，還可以利用自身生理線索來定位，但兩者之間的關系也是同時存在且相互作用的。因此，在以后的研究中可以更多的關注紋理梯度是如何對空間知覺產生影響的，其機制如何，以及其他深度線索是如何影響地表表征形成的，以期對大地理論進行豐富和完善。

雖然目前依據大地理論對空間知覺的產生機制已經進行了一些深入的研究，對內部線索和外部環境線索進行了系統詳細的探討，并取得了顯著成績，但在以往的研究中觀測者和知覺對象均為靜態，而在自然環境中靜態并非是物體的常態，通常人們需要在動態條件下連續地對物體進行距離知覺，目前這些研究仍舊缺乏外部效度，缺乏在動態條件下對知覺對象和觀測者的深入研究，在實驗結果的對外推廣過程中仍舊會面臨一些問題。

此外，現代社會不斷向前發展，交通方式產生了多元變化，人們對美好生活的需求日漸提高，社會更重視道路便捷與行駛安全，交通運行過程中的距離估算會顯著影響道路安全，這需要大地理論的支持。

在建筑學、設計學中也需要大地理論的研究支持，如何使建筑物更具美感，如何在有限的空間內打造更復雜的視覺效果，這些都需要空間知覺領域的研究支持。空間知覺研究領域的實際意義與日俱增，我們未來的研究需要努力豐富完善大地理論，以期把現有的成果應用到更廣闊的領域。

參考文獻

[1]GibsonJJ.TheEcologicalApproachtoVisualPerception[M].Boston：HoughtonMifflin，1979.

[2]彭聃齡.普通心理學[M].北京：北京師范大學出版社，2001.

[3]周柳.基于固有偏差的視覺距離知覺研究[D].華東師范大學，2015.

[4]CuttingJE.Perceivinglayoutandknowingdistances：theintegration，relativepotency，andcontextualuseofdifferentinformationaboutdepth[J].HandbookofPerceptionandCognition，1995.

[5]SedgwickHA.VisualSpacePerception[M]//BlackwellHandbookofSensationandPerception.Oxford：BlackwellPublishingLtd.，2008.

[6]SinaiMJ，OoiTL，HeZJ.Terraininfluencestheaccuratejudgementofdistance[J].Nature，1998，395（6701）：497.

[7]HeZJ，OoiTL.Perceivingbinoculardepthwithreferencetoacommonsurface[J].Perception，2000，29（11）：1313-1334.

[8]HeZJ，WuB，OoiTL，etal.Judgingegocentricdistanceontheground：Occlusionandsurface integration[J].Perception，2004，33（7）：789.

[9]ArnheimR，GibsonJJ.ThePerceptionoftheVisualWorld[J].JournalofAestheticsandArtCriticism，1952，11（2）：172.

[10]FeriaCS，BraunsteinML，AndersenGJ.Judgingdistanceacrosstexturediscontinuities[J].Perception，2003，32（12）：1423-1440.

[11]LoomisJM，daSilva，JoséA，FujitaN，etal.VisualSpacePerceptionandVisuallyDirectedAction[J].JExpPsycholHumPerceptPerform，1992，18（4）：906-921.

[12]Ooi TL，Wu B，ZijiangJ.Distancedetermined bythe angulardeclinationbelowthe horizon[J].Nature，2001，414（6860）.

[13]Thomson J A.Is continuous visualmonitoring necessary in visuallyguided locomotion？[J].J Exp PsycholHumPerceptPerform，1983，9（3）：427-443.

[14]HeZJ，OoiTL.Perceivingbinoculardepthwithreferencetoacommonsurface[J].Perception，2000，29

（11）：1313-1334.

[15]MarrD.Vision：AComputationalInvestigationintotheHumanRepresentationandProcessingofVisual Information[M].SanFrancisco，Freeman&Company，1982.

TheGroundTheoryofSpacePerception

GongXiaoxia LuSiyu?? DongBo

Schoolof Education， Suzhou University of Science and Technology， Suzhou

Abstract：Theperceptionandinterpretationofthesurroundingspaceisessentialforhumanlife，whichis the basic ability of human survival and reproduction. Based on previous studies， human beings canaccuratelylocatethemselvesandotherobjectsintheenvironmentwithabundantclues.Thetheoreticaland Experimental Research on the mechanism of this localization has always been a hot topic forpsychologists.Thegroundtheoryofspaceperceptionisafrontiertheoryabouttheinterpretationof human distance perception. Based on this theory， researchers have carried out a large number ofexperiments.Inthispaper，thebackground，maincontentandtheoreticalextensionofthegroundtheoryareintroduced，andthispaperalsopointoutthepossibleresearchdirectioninthefuture.

Keywords：Spaceperception;Distanceperception;Groundtheory