速度知觉实验报告

速度知觉实验报告

（浙江大学心理与行为科学系，311010 ）

摘要：速度知觉是运动知觉的一种，是能否正确估计物体的运动速度的能力。实验中通过

让被试对碰撞时间进行估计，通过测量估计误差从而测量被试速度知觉准确性。碰撞时间 ( TTC, Time to collision 或Time to Contact)是指运动物体到达某一特定点所需要的时间。对TTC的估计与速度，运动方向，视觉变量等多种因素有关，本实验旨在利用遮挡法，通过对被试估计误差的测量，研究物体运动的速度和方向类型对速度知觉的影响，结果发现物体运动速度和方向类型对时间的估计都有着显著的影响。同时对速度知觉以及实验本身设计改善进行了讨论。

关键词：速度知觉 碰撞时间（TTC） 运动速度 运动方向类型

1 引言

知觉在认知心理学中被看作是感觉信息的组织和解释,也即获得连续阶段的信息加工过程,它依赖于过去的知识和经验。速度知觉是运动知觉的一种，是能否正确估计物体的运动速度的能力。实验中通过让被试对碰撞时间进行估计，通过测量对碰撞时间的估计误差来测量被试速度知觉准确性。

碰撞时间 ( TTC, Time to collision 或Time to Contact)是指运动物体到达某一特定点所需要的时间。例如司机估计从当前位置运动到障碍物的碰撞时间，从而在合适的时间进行刹车作业，避免碰撞的产生。

对TTC的估计要考虑到运动物体当时的速度、距离以及运行轨迹。人对TTC的估计因素大致分为以下几类：

（一）视觉变量（相对扩张率倒数τ）： Lee 在1976年提出, 对运动物体的TTC知觉是由视觉变量决定的, 即: 物体光学影像相对扩张率 ( relative rate of optical expansion) 的倒数τ决定了人们对其 TTC 的判断。1983年Mclead 和Ross 与驾驶相关的 TTC 实验研究结果也支持了直接知觉法, 表明TTC直接由光阵(optic array) 决定。尽管很多此类实验支持了τ在完成TTC任务中的作用, 越来越多的研究结果表明 TTC 判断还受限制于场景、阈限因素和认知操作, 而且是以多种信息源为基础的。在物体的辐射运动( radial motion) 中, τ变量是主要的时间线索。

（二）物理信息（运动速度，距离等）: 在物体的横向运动(transverse motion)中, 由于物体视觉影像扩张率不变, 视觉变化近似于线性, 观察者使用不同的信息源进行TTC判断。物体进行横向运动时, 不存在视觉扩张信息, 仅存在视觉边界的收缩信息。因此, 影响其TTC估计的因素除了视觉信息之外, 还有物理信息。刘瑞光和黄希庭(1999) 在研究中使用正方形图形作为运动对象, 采用遮挡范式, 考察了物体大小、运动速度、运动距离和加速度等因素对 TTC 估计的影响。结果表明, TTC 知觉线索是视觉信息和物理信息( 速度、距离) 的统合。而郭秀艳等(2000) 使用知觉测试仪在遮挡范式下考察了运动速度和距离对碰撞时间估计的影响, 也发现速度的提高会导致TTC估计的准确性提高。

（三）概念信息（运动物体的概念特征）：Kiefer等（2006）以及黄端等（2008）使用不同类别的交通工具（汽车和三轮车）的图片为运动物体, 针对职业驾驶员被试开展了遮挡范式下的TTC估计实验，发现驾驶员对不同概念物体的 TTC 估计存在显著差异——对两种不同交通工具( 小轿车和三轮车) 图片的 TTC估计存在显著差异，即便是当这两个物体具有相同视觉边界收缩信息和运动速度时, TTC 估计的差异仍然存在——表明除了视觉信息和物理信息以外, 概念信息也对驾驶员的 TTC 知觉产生了一定影响。

本实验目的在于利用遮挡法，通过对被试估计误差的测量，研究物体运动的速度和方向类型对速度知觉的影响。

2.主试指导被试阅读指示语，说明反应方法（认为时间到了即按反应键），然后开始测定。每次测定之后都有反馈，被试可以对照调整自己以后的估计。

3.被试共做4次实验，每个速度做两次。实验按照被试内平衡，采用ABBA平衡顺序效应。

2 实验方法

2.1 被试

浙江大学心理系11级本科生50名，其中18名男性，32名女性，平均年龄为20.22±0.71岁。视力或矫正后视力良好。

3 结果分析

本实验中,由于总时间未知，误差百分数无法计算，所以因变量为绝对误差AE,指被试的反应与实际TTC间绝对误差的平均值。

统计结果见表3.1，柱形图见图3.1，经重复度量多因素方差分析，速度的主效应显著（F(1，49)=239.64，P

同时，对性别差异进行了检验，统计表见表3.2，结果发现，男女之间在任何实验条件下并无显著差异。

2.2 仪器与材料

计算机一台，PsyKey心理教学系统

2.3 实验设计与流程

实验采用遮挡范式，遮挡一段固定的距离，让被试

估计光标在通过该段距离所用的时间。整个实验中，光标的宽度和光标移动的总距离不变。屏幕背景为黑色，光标为黄色。

1.本实验有两种变量：运动速度（40点/秒和100点/秒），三种运动类型（水平、垂直和平面运动）。为克服方向带来的误差，每种运动类型又有两种相反方向（左右、上下和里外），这样就组合成12种任务，每种任务测两次，共24次。各类测定随机呈现。

表3.1 不同速度与方向类型估计误差统计表（s）

估计误差均值 估计误差绝对

值均值 绝对值标准误

右

2.8 3.5 0.2

左

2.2 3.4 0.2

40点/秒 上 下

0.8 2.9 0.2

1.8 3.0 0.2

扩大

0.2 1.8 0.1

收缩

0.3 1.5 0.1

右

0.3 1.0

左

0.3 1.0 0.1

100点/秒 上 下

-0.3 1.2 0.1

0.3 1.0 0.1

扩大

-0.2 0.6 0.0

收缩

-0.1 0.6 0.1

0.1

表3.2 不同性别各条件下估计误差统计表(s)

右

女（32） 男（18）

均值 SE 均值 SE

3.7 1.6 3.1 1.6

左

3.5 1.7 3.0 1.3

40点/秒 上 下

3.0 1.5 2.7 1.1

3.1 1.4 2.7 1.0

扩大

1.9 1.0 1.6 0.8

收缩

1.6

0.9 1.2 0.5

右

1.1 0.6 0.8 0.2

左

1.1 0.6 0.8 0.4

100点/秒 上 下

1.3 0.8 0.9 0.5

1.0 0.4 0.9 0.3

扩大

0.7 0.3 0.6 0.3

收缩

0.7 0.6 0.5 0.3

4 讨论

4.1 速度知觉准确性的影响因素

1.运动类型：实验结果可以看到，不同运动类型（平移或者平面运动）或者不同运动方向（水平或者垂直）之间存在显著差异，说明不同运动类型对速度知觉具有影响。并且推测在不同运动类型之间存在着不同的速度知觉的机制，在平面运动（扩张或收缩）中，由于相对扩张率改变，所以被试更多的是利用直接知觉，对速度进行感知；而在平移运动时，由于相对扩张率不变，所以被试只能通过物理信息对速度进行感知，从而可能是通过间接知觉，通过T=S/V，并对S以及V分别进行估计，再计算出估计TTC，而这种方法的估计误差较大（图3.1可看出）；而水平和垂直之间的差异可能是由于人眼的阅读习惯等因素造成；

2.运动速度：实验结果可见，物体运动速度可影响对物体速度知觉的准确性，且速度大时，对碰撞时间估计误差越小，速度知觉更准确。首先，从直接知觉角度出发，由于速度大时相对扩张率也大，所以知觉其的准确性也增大；同时，从间接知觉角度，由于S不变，在速度V增大时，同样的知觉误差下对V的误差率降低，从而更准确的估计了速度，也进而提高了对TTC的估计；

3.运动距离：此因素本实验并未作为自变量进行研

究，因为并不知道每次光标消失（被遮挡）时所距离目标的距离。但从现实生活经验来讲，当相隔距离越近时，被试能更清楚地掌握目标位置与当前位置的情况，所获得的视觉信息也就更加详细，大脑对于环境的综合加工会更加迅速，做出的判断也就更加准确。

4.是否反馈：本实验中每次试验后都有反馈，有利于被试通过反馈调节，如增加对V的估计等方式改善自己的速度知觉的准确性。所以猜想反馈对于速度知觉准确性应该起着重要的作用。

4.2本实验是否受练习效应的影响

由于本实验数据统计没有固定格式，导致被试在输入数据时并未统一按照实验顺序进行填写，所以不能对所有数据进行分析，进而无法进行方差分析以及标准误计算，只能通过某一组实验中每个运动类型5次试验的平均估计误差绘制图4.1，进行定性分析；

从图中可以看到：被试整体的估计误差随着试验次数增加而降低，说明应该存在练习效应，这与有反馈的实验设计有关，但不同任务之间波动比较大。而疲劳效应由于无法分析整个实验过程的数据，所以无法分析。同时，也有可能是由于疲劳效应与练习效应相互抵消，才导致了折线图的波动，练习与疲劳效应有待后续实验进行检验。

5.554.54

水平向右估计误差变化曲线水平向左估计误差变化曲线垂直向下估计误差变化曲线垂直向上估计误差变化曲线由里向外估计误差变化曲线由外向里估计误差变化曲线

平均估计误差/s

3.532.521.510.50

1

2

3

4

5

试验顺序

图4.1 不同任务在一组实验中的估计误差变化图

4.3实验结果是否能证明速度与运动方向、类型可以影响速度知觉

首先，由于每次实验的总位移是固定的，而每组实验的速度也是固定的，因而每次实验的总时间也是一样的，这就导致被试在策略选择时进行时间估计而非速度估计的效益最高，而实际在询问了部分被试之后，发现大多数被试都采取了数秒的方法进行总时间估计，而并非是通过对速度进行估计而推断光标移动到目标所需的TTC。这就导致实验结果的内部效度值得商榷，实验结论的正确性有待检验；

同时另一方面，由于速度的设置只有两档，所以运动速度对速度知觉的影响可能并非简单的线性关系，即速度增大，速度知觉准确性提高，而可能是具有一个拐点，分段的影响方式，而这些在本实验结果中均无法检验。

不定，总时间不定，这样可减少定势，并减少对总时间估计这一与本实验目的相违背的策略形成，增加实验的内部效度。

3.增加各变量的实验次数：本实验设计中每个运动方向在不同速度下仅10次实验，这并不能控制由于被试操作误差等带来的实验误差，并且易受极端数据的干扰；而如果从不同距离开始运动，则可缩短每次实验的时间，进而增加实验次数，使被试的随机误差得到控制。

4.改善组内平衡方式：本实验采取的组内随机平衡，但会出现连续的多次的相同任务操作，从而增大了练习效应或疲劳效应的产生可能性，建议采用ABBA的平衡方法，这样实验次数增加，但平衡效果改善。

5.可以增加的研究变量包括：遮挡运动距离、有无反馈、概念信息（外观）等，从而更全方面得对速度知觉（TTC的估计）进行研究。

4.4 实验具有哪些改进之处

从4.3及结果中的讨论中可以看出：本实验在很多方面可以进行改进：

1.数据统计方面：本实验可以利用移动总时间，遮挡时间等在数据输出时将被试的估计误差率（估计误差/总时间）表示出来，并且将遮挡（光标消失）时间进行统计，从而可分析运动距离对速度知觉的影响；同时在数据输出时可根据不同速度条件的时间先后顺序进行分组，进而方便分析练习效应及疲劳效应。

2.本实验应从不同的距离开始运动，从而使总位移

5结果

1. 运动速度以及运动类型对速度知觉准确性的影

响主效应显著，且两者之间的交互作用显著。 2. 不同任务之间并不存在性别差异。 3. 实验在多方面存在改进空间。

6参考文献

[1] 蔡玫. 运动的速度及方向对知觉的误差影响的研究. 科技创业家, 2013, 11: 115.

[2] 郭秀艳, 贡晔, 薛庆国, 等. 遮挡范式下对碰撞时间的估计. 心理科学, 2000, 23(1): 34-37. [3] 黄端, 张侃. 碰撞时间估计的影响因素研究. 心理科学, 2008, 31(6): 1284-1286. [4] 闫京江. 碰撞时间估计任务中不同线索的作用比较. 西南大学, 2011.

[5] Matthews W J. How do changes in speed affect the perception of duration?. Journal of experimental psychology: human

perception and performance, 2011, 37(5): 1617.

[6] Jin S, Huang Z, Tao P, et al. Car-following theory of steady-state traffic flow using time-to-collision. Journal of Zhejiang

University SCIENCE A, 2011, 12(8): 645-654.