陈霖的拓扑性质知觉理论
陈霖的拓扑性质知觉理论*
北京大学心理系朱滢
2005年是中国心理学的丰收之年，虽然现在还不到
6月，却已经传来了令人振奋的好
消息。第一，心理学第一次有了自己的国家重点实验室，这就是“脑与认知科学国家重点实
验室”和“认知神经科学与学习国家重点实验室”。第二，陈霖的拓扑性质知觉理论获得世
界声誉，这是
1949年以来首位中国心理学家关于知觉的理论的重大成就。
2005年第四期的
“Visual Cognition”的全部内容都是关于拓扑性质知觉理论的。它包括
三部分，首先是陈霖长达
88页的 “重大主题论文” (major target article)；然后是包括
R.
Desimone，S. He，E. P.eppel，J. Todd和
J. Wolfe等
10位在视知觉和注意、认知神经科学、
时间组织、分布认知、计算机视觉和数学心理学等领域的知名学者对陈霖的主题论文的评论
文章；最后是陈霖对这些评论的回答。
“Visual Cognition”的主编
Humphreys(1999)在邀请陈
霖撰写这篇主题论文时说：“在西方科学中，多数视觉研究不强调知觉的拓扑性质方面。我
的目的是，通过这篇‘重大主题论文’，把拓扑学的知觉研究方向的重要性带给广大西方读
者。”[1]。中国心理学家和心理学的学生大多数只知道
Treisman的“特征整合理论”，而对
近在身边的拓扑性质知觉理论知之甚少。如果现在是西方读者应该了解拓扑性质知觉理论的
时候了，那么，中国读者更有理由这样做。
2005年第四期的
“Visual Cognition”给我们带来了拓扑性质知觉理论的最新版本。陈林
对他的理论是这样概括的：“知觉组织的拓扑学研究基于一个核心思想和包括两个方面。核
心思想是，知觉组织应该从变换（
transformation）和变换中的不变性（
invariance）知觉的角
度来理解。两个方面是，第一方面强调形状知觉中的拓扑结构，这就是，知觉组织的大范围
（global）性质能够用拓扑不变性来描述；第二方面进一步强调早期拓扑性质知觉，这就是，
拓扑性质知觉优先于（prior）局部特征性质的知觉。“优先”有两个严格的含义：第一，由
拓扑性质决定的整体组织是知觉局部几何性质的基础；第二，基于物理连通性（physical
connectivity）的拓扑性质知觉先于局部几何性质的知觉。”[2]。
限于篇幅，我仅对拓扑性质知觉理论的几个论点作简要的介绍。
*
原载：心理科学
, 2005, 28（5）: 1031-1034
141
1 拓扑性质的早期知觉（
early perception）
“视觉过程是从哪里开始的[3]”；或者用认知科学的术语来说，“什么是视知觉的基本表
达（primitives）[4]”。在日常生活中，我们看见一个人在公园
散步，他的背景是一片小树林
和草地；在图画里，我们看见花瓶里的一束鲜花，它的背景是它摆放的桌子，等等。视觉究
竟是如何开始把图形与背景分离开来，进而看到物体的？当我们看一件东西，比如一个面孔
或一束鲜花，我们必须首先把它从它的背景上分离出来。我们的视觉系统是根据物体的什么
性质把图形和背景分离开来? 拓扑性质知觉理论认为，是拓扑不变性质的早期辨别把把图形
和背景分离开来。
拓扑学描绘在橡皮薄膜似的变形时图形仍然保持不变的性质，例如“连通性”和“洞的
个数”。当物体平滑地改变形状（不破裂或融合）时，“连通性”和“洞的个数”这些性质保
持不变。例如，一个三角形可以变成正方形或圆，但其连通性（作为一个连通的整体这个性
质）保持不变，连通性就是一种拓扑性质。另外，一个连通的圆形中有没有洞或者有几个洞
这种性质也是一种典型的拓扑性质。炸面饼圈与咖啡杯在拓扑性质上是等价的，因为它们都
有一个洞；而空心的长方形和十字形在拓扑性质上不等价，因为一个有洞一个没有洞。
决定图形与背景分离的拓扑性质辨别在视觉过程中发生得最早。图
1是
Pomerantz等人
（1977）报告的结果
[5]。它表明，三角形与箭头的辨认需要
749ms（RT）（A）；而把一个小
黑点与实心正方形辨认出来也需要
724ms（B），两者间的差别没有达到统计意义。三角形
与箭头的差别是有洞（三角形）与无洞（箭头）的差别，这个差别相当于“有东西”（实心
A B
RT = 749 ms RT =724 ms
图
1 Pomerantz,1977,JEP:Human perception and performance,3,422-435
142
正方体）与“无东西”（短暂呈现并要求尽快报告的小黑点）的差别。有洞与无洞是拓扑结
构的差别，有(东西)与无(东西)也是拓扑结构的差别，两类辨认都发生在拓扑性质知觉同样
原始的（
primitive）水平上。因此它们的反应时相同，从拓扑性质早期知觉的角度来看是自
然的。
图
2的结果（
Chen，1982）再次强有力地证明了视觉对拓扑结构觉察的敏感性
[4]。在三
对刺激中，圆圈带有一个洞，其拓扑性质不同于实心方块、实心三角形和实心圆，但后三者
在拓扑性质上倒是等价的。实验中要求被试辨认每对刺激中两者是否相同。呈现每对刺激的
时间为
5ms。结果表明，拓扑结构有差别的圆圈与实心圆的辨认率最高，并且与其他两对刺
激的结果达到显著差异。
% Area
correct difference
response (mm2)
43.5% 220
38.5% 292
64.5% 254
图
2 测量视觉对拓扑结构觉察的敏感性的三对刺激，以及对每对刺激的正确反
应和面积
差。近年来陈霖及其同事获得了新的证据来支持拓扑知觉理论
近年来陈霖及其同事获得了新的证据来支持拓扑知觉理论。
蜜蜂虽然脑子很小，但它能够知觉到图形之间的拓扑性质差别。这是陈霖等人（
Chen.，
Zhang，and Srinivasan，2003）发表在美国科学院学报上的研究证实的
[6]。蜜蜂被放置在一
143
个
Y形迷宫里，圆圈图形在一侧
S形在另一侧。虽然在面积、周长和其他非拓扑特征上两
者类似，但它们在拓扑结构上是不同的：圆圈有一个洞，而
S形则没有。首先训练蜜蜂对
圆圈作反应，即飞向圆圈可得到糖水作奖赏。然后，在测验中改变图形，放置叉形与正方形；
或空心圆与实心圆；或空心圆与有
4个小洞的圆，每对图形中的图形拓扑性质都是不同的。
蜜蜂顺利地通过了测验，仍然表现出对“洞”（包括空心正方形）的偏向。最后放置圆圈与
空心正方形（两者都有一个洞）让蜜蜂辨认，这时它犯糊涂了，没有表现出任何偏好。蜜蜂
的实验结果表明，蜜蜂能辨别拓扑结构上的差别。蜜蜂的脑子很小，因而有理由推测拓扑知
觉对所有视觉系统来说都是基本的。
2 知觉物体的定义
怎样准确地定义“知觉物体”（perceptual object）的概念是拓扑性质知觉理论关心的主
要问题之一。我们说看见一个物体，把该物体从它的背景上分离出来，那么，什么叫做知觉
物体？选择性注意选择什么？陈霖认为（Chen，2005）选择性注意选择的是知觉物体，而
且知觉物体可以定义为拓扑变换中的不变性[2]。例如，当一个实心圆变成空心圆时，按照知
觉物体的拓扑知觉理论的定义，我们说产生了新的物体，因为其拓扑结构发生了变化；然而，
当一个物体由红色变成绿色时，或由长方形变成正方形时，我们说没有产生新的物体，因为
其拓扑结构未变。
物体的各种几何性质可以用变换中的不变性来定义，从而为描绘形状性质（form
properties）提供了统一的语言。换句话说，从不变性知觉的观点来看，拓扑性质和其他几何
性质是各种不同稳定性水平的形状性质。那么，“不同稳定性水平”又是什么意思呢？各种
形状性质可以由不同层次的几何学加以描述，即由欧几里得几何学、仿射几何学、射影几何
学和拓扑学来加以描述。这样的几何学的分类是由克莱因的爱耳浪根纲领（
Klein’s Erlangen
Program）提出来的。各种几何学性质中，最为稳定的是拓扑性质。所谓的拓扑性质是拓扑
变换下（即一对一的连续变换下）的不变性质。一对一的连续变换可以被形象地想象成橡皮
薄膜的任意变形，只要不把薄膜剪开或不把薄膜的任意
两点粘合起来，这样的变换是最一般
的变换，因此拓扑性质最稳定。射影变换、仿射变换、欧氏变换依次是约束越来越强的变换，
也就是越来越特殊的变换；相应的射影性质、仿射性质、欧氏性质的稳定性也越来越弱，欧
氏性质（如，朝向）是最不稳定的几何性质。
卓彦等人新近发表在
Science（Zhuo et al.，2003）上的文章
[7]，为上述各种稳定性水平
的形状性质是视觉信息的基本表达提供了认知神经科学的证据。运动知觉领域中，各种行为
144
实验结果所得到的一个普遍接受的结论是，似动和真实运动是等价的。如果这种观点正确，
那么大脑背侧通路（dorsal pathway）的
MT区就很可能是与似动相关的区域，因为大量的
包括来自
PET和
fMRI的实验证据都表明
MT区是专司运动的，不论是真实运动还是运动错
觉（如运动后效）。另一方面，大量的研究还表明，形状知觉是由腹侧通路（
ventral pathway）
负责的。我们知道，我们能看见两个不同形状的图形（如圆和方形）之间仍然产生似动，因
而可能会认为形状可能对似动知觉不那么重要。但卓彦等人关于形状在长距离（
long-range）
似动中的作用的
fMRI研究带来了令人吃惊的结果：腹侧位置上的颞下回和颞中回前部
（anterior temporal gyrus）有显著激活，而公认的运动区——背侧
MT区却没有被激活。
↑图
3 显示长距离似动的
5
对刺激
→图
4 颞下回和颞中回前部
在不同刺激对时信号变化的
时间过程（C），以及激活程
度和信号变化的幅度（D）
卓彦等人的实验使用了
5对刺激以显示长距离似动（图
3）。B到
E对的两个图形之间
的差别代表着形状稳定性的不同水平，对应着克莱因的爱耳浪根纲领提出的几何学分类，其
145
中
E对代表的拓扑性质差别是最稳定的。从图
4中可以看出，在知觉到这些图形对之间产
生似动时，颞回前部的激活随着两图形间结构差异的稳定性的增大而线性上升。
E对刺激结
构差异最大（有洞和无洞的差别），激活程度最高。其余依次为
D、C、B对刺激，且彼此
间的差别均达到显著水平。卓彦等人发现的意义在于：第一，形状在似动中起作用；这是由
颞回前部的激活证明的；第二，形状性质用变换中的不变性来定义且具有功能层次的思想得
到证明，即
E对刺激形状差别最大，颞回激活程度最高，其余依次差别逐步变小，相应的
颞回激活程度也逐步变小。
3 拓扑性质知觉理论的意义
拓扑知觉理论开辟了视觉研究的新方向。Visual Cognition主编
G. Humphreys（2003）
在接受陈霖的主题文章时给陈霖的信[8]写道：“这
篇文章是许多年来关于人类知觉信息的决
定性因素的研究的丰富和重要的总结。我相信，这个工作是对许多当前接受的关于知觉的观
点的重大挑战”,“我相信这篇文章将是对将来的开创性的贡献。”美国科学院院士
R.
Desimone（2005）认为：“陈的大范围到局部的知觉拓扑模型是和神经生物学体系一致的，
也是和心理学行为实验的物体基本表达的证据一致的。陈的模型激励神经生物学家对视觉系
统特征分析采取新的研究方向，即强调物体特征是变换下不变性质的研究方向。”[9]运动和
形状知觉关系研究专家
J. Todd（2005）说：“我赞成陈的总体的研究方向，这开始于我第一
次阅读到他
1982年在《科学》杂志上关于这个问题的论文”
[10]。著名德国认知神经科学的
专家
E. P.eppel（2005）承认：“我要提出一个研究方向。就我的观点，这个研究方向必须
基于陈霖提出的实验观察和理论概念。”[11]视觉搜索知觉研究权威，哈佛大学的
J.Walf(2001)
认为，“情形很可能是这样，即下一个
10年的研究将表明，陈是正确的轨道上而其他人不是。”
这里，“其他人”指那些坚持视觉过程是从“局部到整体”观点的人
[12]。拓扑性质知觉理论
对中国心理学界意味着什么？我认为，拓扑性质知觉理论是我们宝贵的精神财富，它向世人
证明，在科学技术高度交叉、迅猛发展的今天，中国心理学家有勇气、有能力挑战过时的理
论，提出自己的全新的理论。年轻的心理学家，努力吧！
致谢：作者感谢隋洁在写作中提供的帮助。
146
参考文献
1
Humphrey G W. . A letter to invite Lin Chen to contribute a major target article for Visual
Cognition. 1999
2
Chen L. The topological approach to perceptual organization. Visual Cognition, 2005, 12(4):
553-637
3
Pomerantz J R. Perceptual organization in information processing. In Kubovy M, &
Pomerantz J. Eds. Perceptual organization. Hillsdale, NJ: Lawrence Erlbaum Associates, Inc.
1981
4 Chen L. Topological structure in visual perception. Science, 1982, 218: 699-700
5 Pomerantz J R, et al. Perception of wholes and of their component parts: some configural
superiority effect. Journal of Experimental Psychology, Human perception and performance,
1977, 3: 422-435
6
Chen L, Zhang S W, & Srinivasan M. Global perception in small brain: Topological pattern
recognition in honeybees. Proceedings of the National Academy of Science, 2003, 100:
6884-6889
7
Zhuo Y, Zhou T G., Rao H Y, Wang J J, Meng M, Chen M, Zhou C, & Chen L. Contributions
of the visual ventral pathway to long-range apparent motion. Science, 2003, 299: 417-420
8
Humphreys G W. A letter to confirmed that Visual Cognition accepted Chen’s major target
artic
le, 2003
9 Desimone R. A neural basis for global object features. Visual Cognition, 2005, 12(4): 642-647
10 Todd J. Stability and change. Visual Cognition, 2005, 12(4): 639-642
11 P.eppel E. Complementarity as a generative principle in visual perception. Visual Cognition,
2005, 12(4): 665-670
12
Wolfe J M. A letter to president Yong-xiang Lu. Chinese Academy of Sciences, 2001
147