認(rèn)知心理學(xué)模式識(shí)別ppt課件

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第三章 知 覺,第二節(jié) 模式識(shí)別（pattern recognition）,1,一、模式識(shí)別 模式（事物）是由若干元素或特征按照一定的關(guān)系組合在一起構(gòu)成的，比如： 漢字有8種筆劃和251類偏旁等特征； 英文字母有水平線、斜線、垂直線、直角、銳角、連續(xù)曲線和不連續(xù)曲線7種基本特征。 音樂旋律 中國(guó)好味道,2,模式識(shí)別：是指人把輸入刺激（模式）的信息與長(zhǎng)時(shí)記憶 中的信息進(jìn)行匹配，并辨認(rèn)出該刺激屬于什么范疇的過程。 因此，對(duì)物體、圖像、語(yǔ)音、符號(hào)或人臉的識(shí)別過程，即為模式識(shí)別。 模式識(shí)別依賴于人的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)，離開個(gè)體已有的知識(shí) 經(jīng)驗(yàn)，就無法理解輸入信息的意義。,3,模式識(shí)別是人的一種基本認(rèn)知能力，當(dāng)代認(rèn)知心理學(xué)的知 覺研究主要涉及模式識(shí)別，特別是視知覺的模式識(shí)別。 模式識(shí)別受到計(jì)算機(jī)科學(xué)家的關(guān)注，為進(jìn)一步開發(fā)人工智 能，人們正試圖將人類的模式識(shí)別過程及其能力賦予計(jì)算機(jī)， 使其具有像人一樣的認(rèn)知活動(dòng)和人工智能。,4,二、模式識(shí)別過程：分析、比較和決策 分析：把感覺登記中短暫滯留的感覺信息的物理特征與屬性抽取出來，并把這些信息分解成各個(gè)組成成分。 如：把“A”分解成2條斜線、1條水平線。 比較：把這些特征或?qū)傩耘c長(zhǎng)時(shí)記憶中儲(chǔ)存的各種知識(shí)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行比較。 決策：比較后，對(duì)刺激信息模式與哪一種記憶信息編碼最為匹配作出判斷，從而了解模式的意義并賦予模式名稱，使刺激信息模式得到識(shí)別，即識(shí)別了某個(gè)事物。,5,三、模式識(shí)別理論 模板匹配理論（Template-matching Theories） 原型匹配理論（Prototype Theories） 特征匹配理論（Distinctive-Feature Theories） 計(jì)算途徑（computational approach),6,1、模板匹配理論（Template-matching Theories） 在人長(zhǎng)時(shí)記憶所編碼的信息中，存儲(chǔ)著各式各樣的 來自個(gè)體過去的各種外部模式的拷貝或復(fù)本，即模板， 它們與外部的刺激模式存在著一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。當(dāng)一個(gè) 刺激作用于人的感覺器官時(shí)，刺激信息得到編碼并與頭 腦中所存儲(chǔ)的模板進(jìn)行比較和匹配，確定哪一個(gè)模板與 刺激信息最為吻合，就把該刺激信息確認(rèn)為是與頭腦中 的某個(gè)模板相同，即產(chǎn)生模式識(shí)別效應(yīng)。 模式識(shí)別是刺激信息與腦中某個(gè)或某些模板產(chǎn)生最 佳匹配的過程。,7,模板匹配理論的缺陷： 強(qiáng)調(diào)刺激信息與腦中模板的最佳匹配，如果刺激信息稍有變化，就無法與模板最佳匹配，無法完成模式識(shí)別。 要求在長(zhǎng)時(shí)記憶中存儲(chǔ)無數(shù)個(gè)模板，會(huì)給記憶帶來沉重負(fù)擔(dān)，也會(huì)使人在識(shí)別事物時(shí)缺少靈活性。 無法解釋為何有時(shí)能夠非常迅速地識(shí)別一個(gè)新的、不熟悉的事物。 沒有說明模板匹配的信息編碼形式，即外部刺激模式與腦中模板的比較是平行加工還是系列加工；是從局部開始還是從整體開始等。,,8,2、原型匹配理論（Prototype Theories） 原型：是一類事物所具有的基本的、共同的特征。 原型匹配理論：所有的外部刺激信息，都是以原型的表征方式存儲(chǔ)于人 的長(zhǎng)時(shí)記憶系統(tǒng)中，任何具體事物都是通過原型及其一 系列變式存儲(chǔ)在人腦中的。人的長(zhǎng)時(shí)記憶中，存儲(chǔ)著的 不是與外部客觀事物一一對(duì)應(yīng)的具體模板，而是一系列 客觀事物的原型，外部刺激信息或事物只要能與人腦中 的原型相匹配，即完成了模式識(shí)別。,9,10,Prototype Matching,11,例：各種不同形狀、型號(hào)的飛機(jī)，其原型是有2個(gè)翅膀的 長(zhǎng)筒，機(jī)場(chǎng)停著的飛機(jī)和畫里的飛機(jī)，盡管差異很 大，但由于與腦中表征的原型相似，仍然能夠被識(shí) 別出來。 換了發(fā)型的張老師仍然能被識(shí)別出。 原型匹配理論的優(yōu)點(diǎn)：減輕記憶負(fù)擔(dān)，使人的模式識(shí)別 活動(dòng)更加靈活。 缺點(diǎn)：沒有非常具體和詳細(xì)地描述刺激 與原型之間的匹配過程。,12,（3）特征匹配理論或區(qū)別性特征理論（Distinctive- Feature Theories） 特征匹配理論：任何模式都可以被分解成諸多特征或?qū)傩裕Ｊ阶R(shí)別就是通過對(duì)刺激信息特征的分析，抽取出該刺激模式的有關(guān)特征或?qū)傩约右院喜ⅲ倥c長(zhǎng)時(shí)記憶中所存儲(chǔ)的各種刺激的特征進(jìn)行比較，一旦獲得了最佳的匹配，來自外部的刺激信息模式就得到了識(shí)別。 例如：各種字體的同一個(gè)字，只要其基本特征保持不變，就可得到識(shí)別。,13,特征模型支持證據(jù),* 諾貝爾獎(jiǎng)得主 Hubel和 Wiesel 的研究 將微電極插入動(dòng)物視皮層的一系列神經(jīng)元中，呈現(xiàn) 簡(jiǎn)單視覺刺激（垂直光柵），結(jié)果表明，每個(gè)神經(jīng)元只 對(duì)特定方向的光柵反應(yīng)特別強(qiáng)烈。一小塊視皮層包含了 各種各樣的神經(jīng)元，分別對(duì)垂直、水平、傾斜線條作出 反應(yīng)，視覺系統(tǒng)似乎有一些專門的特征檢測(cè)器，幫助我 們對(duì)字母和簡(jiǎn)單模式的某些特征作出反應(yīng)。,14,feature detector,featural analysis model fits nicely with some neurophysiological evidence.,15,靜止網(wǎng)膜像（stabilized image）,16,EIMVWX XMZWVI VIEXWM WVXQIE,CDGORU RDQOCG GRDCOU DCURZG,奈塞爾的視覺搜索實(shí)驗(yàn)：搜索字母“Z”,17,原因： 表1中干擾字母的直線特征與“Z”的直線特征相同。 表2中干擾字母的曲線特征與“Z”的直線特征不同。 心理學(xué)家從中得到啟示： 人在模式識(shí)別過程中，首先從刺激模式中抽取特征并加以編碼，然后再把目標(biāo)字母和背景字母加以比較。,18,* Gibson的研究表明： 當(dāng)一些字母共用很多關(guān)鍵特征（如P和R）時(shí)，判斷 這些字母是否相同需要花更長(zhǎng)的時(shí)間。 字母G和M各自使用許多不同的區(qū)別性特征，對(duì)類似 于這樣的字母對(duì)，判斷的速度相對(duì)要快。,19,* 局部?jī)?yōu)先效應(yīng)（Local precedence effect ，Martin, 1979)： 當(dāng)局部小字母的間距更寬時(shí)，整體優(yōu)先效應(yīng)反轉(zhuǎn)，出現(xiàn)局 部?jī)?yōu)勢(shì)效應(yīng)，即對(duì)局部特征的識(shí)別優(yōu)先于整體特征的識(shí)別，當(dāng)局部 特征和整體特征不一致時(shí)，局部特征干擾整體的識(shí)別。 這說明：整體優(yōu)先效應(yīng)的出現(xiàn)有一些制約條件 —— 小字母的間距，刺激的大小。,20,“魔鬼城堡”模型（Pandemonium Model）（謝夫里奇） “魔宮”里群居著許多“鬼”，他們分屬于4個(gè)層次，每個(gè)層次的“ 鬼”執(zhí)行著某個(gè)特殊的任務(wù)，并依次工作，直到最終實(shí)現(xiàn)模式識(shí)別。 “映象鬼”——對(duì)外部刺激信息進(jìn)行編碼，形成刺激模式的表象或映象。 “特征鬼”——從“映象鬼”得到的表象中搜索一定的特征，每個(gè)“特征鬼”都有 其特定的功能和任務(wù)，它們只搜索和選擇自己負(fù)責(zé)的那個(gè)特 征，找到后就喊叫或標(biāo)記出這種刺激特征及其數(shù)量。,21,“認(rèn)知鬼”——每個(gè)“認(rèn)知鬼”負(fù)責(zé)一個(gè)特殊的模式，它們?cè)趦A聽“特征鬼”的喊 叫中搜索自己負(fù)責(zé)的某個(gè)模式的有關(guān)特征，一旦發(fā)現(xiàn)有關(guān)特 征，就會(huì)大喊大叫，發(fā)現(xiàn)的特征越多，喊叫聲就越大。 “認(rèn)知鬼”的喊叫聲表明它們已經(jīng)組合了某個(gè)字母。 “決策鬼”——聽取所有“認(rèn)知鬼”的喊叫聲，判斷哪一個(gè)“認(rèn)知鬼”的喊叫聲最 大，根據(jù)喊叫聲最大的“認(rèn)知鬼”來決定并呈現(xiàn)出那個(gè)字母。,22,Selfridge’s Pandemonium model,23,特征模型不支持證據(jù),整體優(yōu)先效應(yīng)（Global precedence effect ）： 當(dāng)要求識(shí)別整體時(shí)，局部特征的性質(zhì)，即局部特征是 否與整體特征相匹配，并不影響整體的知覺。然而，當(dāng) 要求識(shí)別局部時(shí)，整體特征的性質(zhì)，即整體特征是否與 局部特征相匹配，影響局部的知覺。這提示知覺過程中 存在整體優(yōu)先。,24,特征匹配理論或區(qū)別性特征理論的優(yōu)缺點(diǎn)： 優(yōu)點(diǎn): 更靈活有效地解釋人的模式識(shí)別過程。 缺點(diǎn)： 忽略了自上而下的加工過程。 一個(gè)模式識(shí)別理論，不應(yīng)只是簡(jiǎn)單地羅列刺激中能夠發(fā)現(xiàn)的一 些特征，還必須描述特征之間的物理關(guān)系，如：T和L特征一樣，但 物理關(guān)系不一樣。 只能解釋相對(duì)簡(jiǎn)單的字母識(shí)別，很難解釋更復(fù)雜的刺激的識(shí)別 過程。,25,(4) 計(jì)算途徑（computational approach) 主要目的在于發(fā)展一些基于計(jì)算機(jī)的理論。利用這 些理論，計(jì)算機(jī)能夠完成一些人類能夠完成的任務(wù)，如 快速和精確的三維客體識(shí)別。 目前已有幾個(gè)模式識(shí)別的計(jì)算途徑。其中一個(gè)是 Biederman 的成分識(shí)別理論。,26,成分識(shí)別理論： 一個(gè)特定觀察角度的物體，可以用一些簡(jiǎn)單的三維形狀的排列 來表征，這些簡(jiǎn)單形狀為幾何子。象字母一樣，幾何子可以構(gòu)成一 些有意義的東西。如，幾何子3和5可以形成具有不同意義的物體， 即茶杯和提桶。 本質(zhì)上為三維物體識(shí)別的區(qū)別性特征理論。,27,28,29,成分識(shí)別理論的支持證據(jù)： 迄今尚未得到廣泛檢驗(yàn)，在正常人和特異性視覺缺陷的病人身上進(jìn)行的一些早期研究，基本支持成分識(shí)別模型（Banks 和 Krajicek，1991)。,30,成分識(shí)別理論的不支持證據(jù)：,,Cave & Kosslyn, 1993的實(shí)驗(yàn)：,任務(wù)：識(shí)別2種碎片，一種是與幾何子一致的“自然”碎片，一種是“非自然”的碎片。 結(jié)果：識(shí)別速度同樣快和準(zhǔn)確。 表明：首先編碼整體，然后才對(duì)部分進(jìn)行分析。,31,上面討論的模式識(shí)別理論主要集中在如何覺察孤立的客體。自下而上加工強(qiáng)調(diào)刺激本身在模式識(shí)別中的重要性，與刺激有關(guān)的信息來自感受器，這些信息觸發(fā)了模式識(shí)別過程，簡(jiǎn)單的基礎(chǔ)水平特征的結(jié)合，使我們能夠識(shí)別更復(fù)雜的、整體的模式。但知識(shí)和期望也能幫助我們識(shí)別客體，除了自下而上加工外，模式識(shí)別還涉及另一個(gè)重要過程，即自上而下加工，這種加工強(qiáng)調(diào)概念和高水平過程對(duì)模式識(shí)別的影響。,32,四、自上而下加工和模式識(shí)別 1、背景和模式識(shí)別 字詞優(yōu)勢(shì)效應(yīng)：識(shí)別一個(gè)字詞中的字母，比識(shí)別一個(gè)單獨(dú)的字母的正確率要高。 客體優(yōu)勢(shì)效應(yīng)：識(shí)別一個(gè)客體圖形時(shí)，圖形中的線段要優(yōu)于識(shí)別結(jié)構(gòu)不嚴(yán)的圖形中的同一線段或單獨(dú)的線段。 構(gòu)形優(yōu)勢(shì)效應(yīng)：識(shí)別一個(gè)完整的圖形要優(yōu)于識(shí)別圖形的某一部分。,33,Word Superiority Effect (Reicher, 1969; Wheeler, 1970),D WORD D K WORD WORK,34,2、過去經(jīng)驗(yàn)和模式識(shí)別 Schacter和他的同事（1991）證明，與物體有關(guān)的過去經(jīng)驗(yàn)，的確能夠幫助人們識(shí)別物體。 Schacter等不可能圖形的實(shí)驗(yàn)。,35,五、拓?fù)涮卣鳈z測(cè),陳霖于1982年提出視覺拓?fù)淅碚摚╲isual topological theory）。 拓?fù)鋵W(xué)是數(shù)學(xué)的一個(gè)分支，它主要研究不受形狀或大小變化影響的幾何圖形或固體物體的特點(diǎn)。 圖形的拓?fù)湫再|(zhì)是指在拓?fù)渥儞Q下圖形保持不變的性質(zhì)與關(guān)系。 典型的拓?fù)湫再|(zhì)包括：連通性（connectedness）、封閉性（closeness）、洞（hole）等。 圖形的大小、角度、平行等幾何特性在拓?fù)渥儞Q下會(huì)發(fā)生變化，因而不是拓?fù)涮卣鳌?36,莫比爾斯帶,一種單側(cè)、不可定向的曲面。每一張紙均有兩個(gè)面和封閉曲線狀的棱，如果有一張紙它有一條棱且只有一個(gè)面，使得一只螞蟻能夠不越過棱就可以從紙上的任何一點(diǎn)到達(dá)其他任何一點(diǎn)，這有可能嗎？只要把一條紙帶半扭轉(zhuǎn)，再把兩頭貼上就行了。這是德國(guó)數(shù)學(xué)家莫比爾斯在1858年發(fā)現(xiàn)的。,37,陳霖認(rèn)為，視覺處理的早期階段檢測(cè)的是圖形大范圍的、整體的拓?fù)湫再|(zhì)，以后才處理圖形的局部特征。 用速示器成對(duì)呈現(xiàn)這些圖形5ms，讓被試判斷圖形的異同，就可以推測(cè)視覺早期加工是否對(duì)拓?fù)湫再|(zhì)敏感。,,,,,,,,64.5%,38.5%,43.5%,報(bào)告成對(duì)圖形不同的百分?jǐn)?shù),38,陳霖等人（2003）發(fā)表在美國(guó)科學(xué)院學(xué)報(bào)上的研究發(fā)現(xiàn)，蜜蜂雖然腦子很小，但它能夠知覺到圖形之間的拓?fù)湫再|(zhì)差別。 蜜蜂被放置在一個(gè)Y形迷宮里，圓圈圖形在一側(cè)，S形在另一側(cè)。雖然在面積、周長(zhǎng)和其他非拓?fù)涮卣魃蟽烧哳愃?，但它們?cè)谕負(fù)浣Y(jié)構(gòu)上是不同的: 圓圈有一個(gè)洞，而S形則沒有。 首先訓(xùn)練蜜蜂對(duì)圓圈作反應(yīng)，即飛向圓圈可得到糖水作獎(jiǎng)賞。,39,40,然后，在測(cè)驗(yàn)中改變圖形，放置叉形與正方形；或空心圓與實(shí)心圓；或空心圓與有4個(gè)小洞的圓，每對(duì)圖形中的圖形拓?fù)湫再|(zhì)都是不同的。 蜜蜂順利地通過了測(cè)驗(yàn)，仍然表現(xiàn)出對(duì) 洞 ( 包括空心正方形) 的偏向。 最后放置圓圈與空心正方形( 兩者都有一個(gè)洞)讓蜜蜂辨認(rèn)，這時(shí)它犯糊涂了，沒有表現(xiàn)出任何偏好。 蜜蜂的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，蜜蜂能辨別拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)上的差別。,41,陳霖在《Visual Cognition》 2005年第四期，概括其了拓?fù)湫再|(zhì)知覺理論：知覺組織的拓?fù)鋵W(xué)研究基于一個(gè)核心思想，包括兩個(gè)方面： 核心思想是，知覺組織應(yīng)該從變換( transformation) 和變換中的不變性( invariance) 知覺的角度來理解。 第一方面強(qiáng)調(diào)形狀知覺中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，就是知覺組織的大范圍( global) 性質(zhì)能夠用拓?fù)洳蛔冃詠砻枋觯?第二方面進(jìn)一步強(qiáng)調(diào)早期拓?fù)湫再|(zhì)知覺，就是拓?fù)湫再|(zhì)知覺優(yōu)先于( prior) 局部特征性質(zhì)的知覺。,42,優(yōu)先有兩個(gè)嚴(yán)格的含義： 第一，由拓?fù)湫再|(zhì)決定的整體組織是知覺局部幾何性質(zhì)的基礎(chǔ)； 第二，基于物理連通性( physical connectivity) 的拓?fù)湫再|(zhì)知覺先于局部幾何性質(zhì)的知覺。,43,陳霖認(rèn)為( Chen, 2005) ，選擇性注意所選擇的是知覺物體，而且知覺物體可以定義為拓?fù)渥儞Q中的不變性。 當(dāng)一個(gè)實(shí)心圓變成空心圓時(shí)，按照知覺物體的拓?fù)渲X理論的定義，我們說產(chǎn)生了新的物體，因?yàn)槠渫負(fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生了變化；然而，當(dāng)一個(gè)物體由紅色變成綠色時(shí)，或由長(zhǎng)方形變成正方形時(shí)，我們說沒有產(chǎn)生新的物體，因?yàn)槠渫負(fù)浣Y(jié)構(gòu)未變。 物體的各種幾何性質(zhì)可以用變換中的不變性來定義，從而為描繪形狀性質(zhì)( form properties) 提供了統(tǒng)一的語(yǔ)言。,什么叫做知覺物體? 注意選擇什么?,44,各種幾何學(xué)性質(zhì)中，拓?fù)湫再|(zhì)最穩(wěn)定，射影變換、仿射變換、歐氏變換依次是約束越來越強(qiáng)的變換，也就是越來越特殊的變換；相應(yīng)的射影性質(zhì)、仿射性質(zhì)、歐氏性質(zhì)的穩(wěn)定性也越來越弱；歐氏性質(zhì)( 如朝向) 是最不穩(wěn)定的幾何性質(zhì)。 B到E對(duì)的兩個(gè)圖形之間的差別代表著形狀穩(wěn)定性的不同水平，對(duì)應(yīng)著上述幾何學(xué)分類，其中E對(duì)代表的拓?fù)湫再|(zhì)差別是最穩(wěn)定的。,45,研究表明，人們能看見兩個(gè)不同形狀的圖形( 如圓和方形) 之間產(chǎn)生似動(dòng)，由此可以認(rèn)為形狀對(duì)似動(dòng)知覺不那么重要。 而各種幾何學(xué)性質(zhì)中，拓?fù)湫再|(zhì)最穩(wěn)定，射影變換、仿射變換、歐氏變換的穩(wěn)定性依次越來越弱。 可以假設(shè)：穩(wěn)定性不同的幾何學(xué)形狀對(duì)似動(dòng)可能有影響。,46,運(yùn)動(dòng)知覺領(lǐng)域中，各種行為實(shí)驗(yàn)結(jié)果所得到的一個(gè)普遍接受的結(jié)論是，似動(dòng)和真實(shí)運(yùn)動(dòng)是等價(jià)的。 如果這種觀點(diǎn)正確，那么大腦背側(cè)通路( dorsal path-way) 的MT區(qū)就很可能是與似動(dòng)相關(guān)的區(qū)域，因?yàn)榇罅康陌▉碜訮ET 和fMRI 的實(shí)驗(yàn)證據(jù)都表明MT區(qū)是專司運(yùn)動(dòng)的，不論是真實(shí)運(yùn)動(dòng)還是運(yùn)動(dòng)錯(cuò)覺( 如運(yùn)動(dòng)后效) 。 但是，大量的研究還表明，形狀知覺是由腹側(cè)通路( ventral pathway) 負(fù)責(zé)的。 那么，由不同形狀幾何圖形間產(chǎn)生的似動(dòng)，會(huì)激活什么腦區(qū)？MT？顳區(qū)？,47,卓彥等人發(fā)現(xiàn)，形狀在長(zhǎng)距離( long- range) 似動(dòng)中作用（fMRI）的結(jié)果： 腹側(cè)位置上的顳下回和顳中回前部( anterior temporal gyrus) 有顯著激活，而公認(rèn)的運(yùn)動(dòng)區(qū)-背側(cè)MT區(qū)卻沒有得到激活。,The time course of signal changes,Activation patterns responding to each of these activation stimulus pairs.,48,在知覺到這些圖形對(duì)之間產(chǎn)生似動(dòng)時(shí)，顳回前部的激活隨著兩圖形間結(jié)構(gòu)差異的穩(wěn)定性的增大而線性上升。 刺激對(duì)結(jié)構(gòu)差異最大( 有洞和無洞的差別)時(shí) ，激活程度最高。,The histograms of activation volumes and amplitude of signal change, averaged over the 11participants in the anterior temporal lobe for each of these activation stimulus pairs.,49,卓彥等人發(fā)現(xiàn)的意義在于： 第一，幾何形狀在似動(dòng)中起作用，顳回前部的激活說明此點(diǎn)； 第二，幾何形狀性質(zhì)用變換中的不變性來定義且具有功能層次的思想得到證明，即一對(duì)刺激形狀差別越大，顳回激活程度越高。,50,拓?fù)湫再|(zhì)知覺理論的意義,美國(guó)科學(xué)院院士R. Desimone( 2005) 認(rèn)為: 陳霖的大范圍到局部的知覺拓?fù)淠Ｐ褪呛蜕窠?jīng)生物學(xué)體系一致的，也是和心理學(xué)行為實(shí)驗(yàn)的物體基本表達(dá)的證據(jù)一致的。 拓?fù)湫再|(zhì)知覺模型將會(huì)激勵(lì)神經(jīng)生物學(xué)家對(duì)視覺系統(tǒng)特征分析采取新的研究方向，即強(qiáng)調(diào)物體特征是變換下不變性質(zhì)的研究方向。,51,謝謝！,52,