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面孔识别的眼动研究

樊倩 隋雪
摘要：采用眼动记录法探讨面孔识别的加工过程。在实验一中，通过记录被试识别面孔图片和非面孔图片时的即时加工过程，考查被试在知觉面孔与一般物体时的眼动差异。在实验二中，考察被试在知觉熟悉面孔与陌生面孔时的眼动差异与时间进程的差异。结果表明：(1)个体在加工面孔时倾向于首先在双眼间平移而后向嘴巴运动，完成面孔识别，而在识别物体图片时则没有固定的运动轨迹。(2)在知觉熟悉面孔时被试倾向于只注视眼睛，而在知觉陌生面孔图片时则与实验一的面孔图片眼动轨迹相似。

关键词：面孔识别 眼动
1.引言
面孔是人类最显著的外部特征，面孔识别是人类社会生活中的一项重要功能，它能帮助我们在缺乏外部线索的情况下，对他人面孔的熟悉度、情绪状态、社会地位、性别、年龄和种族等方面有一个清晰的、正确的认识，从而更有助于人们进行正常的社会交往和适应周围的环境。人类这些非凡的面孔识别能力是如何出现的呢？一些研究者认为，由于面孔与人类密切的关联性，进化中自然选择的作用使得人类先天就具有了面孔识别的相关信息，另一些研究者则认为，生活中与面孔广泛的、长时间的接触才是真正的原因，它逐渐使人类成为了面孔识别的专家。
人类为什么对面孔有着这些独特的感知能力，人类是如何对面孔进行识别的？1986年，根据以往研究成果，提出了著名的面孔加工的多阶段识别模型。他们认为，对面孔识别加工应分为两个阶段：第一阶段是对面孔的知觉结构编码，这个阶段会进行面孔特征和空间结构的分析，包括两种编码方式：一种是静态的图形编码，比如面孔照片的亮度、质地等；另一种是动态的结构编码，主要指的是对面孔空间结构的编码。第二阶段是一条支路把面孔结构表征与存储在面孔再认单元里的面孔表征进行比较，特征匹配时将激活相应的单元并且获得有关面孔的语意记忆，完成最终的面孔识别；而另一条支路根据面孔的特征进行性别和表情的加工。
1.1面孔识别的特殊性
随着科学的进步，使用PET、ERP和fMRI等脑成像技术所进行的研究，为面孔识别的特异性提供了更为可靠的证据。传统上，面孔识别加工的特殊性主要通过与物体识别加工相比较而获得。Farah提出了三个标准以衡量面孔识别与物体识别差异。第一是脑定位标准：执行面孔识别与物体识别功能的脑结构与脑机制不同；第二是加工系统标准：两个系统独立运作而不依靠另外一个系统；第三是信息处理方式标准：两个系统按照不同的方式来处理信息。
首先，从脑定位标准出发：对恒河猴细胞电活动与损毁研究表明，恒河猴选择性加工面孔的脑区位于下颞叶及颞上沟的边沿。这两个部分包括许多面孔神经元，它们对面孔有着强烈的反应而对非面孔物体则只有微弱的反应或不反应。使用电生理、脑成像以及对脑损伤病人进行神经心理学检查等手段，研究者已经找到人类选择性地对面孔刺激进行加工的脑区，即梭状回面孔区。面孔加工的功能一侧化也是面孔特殊性加工的重要证据。许多研究都证实了面孔加工的右半球优势，而物体加工则未表现出功能一侧化的倾向。
其次，从加工系统标准来看：许多研究发现存在面孔和一般物体识别两个独立功能的模块，其中最有力的证据来自脑损伤病人识别功能的双重分离。脑损伤病人所表现出的面孔失认是一种由于腹侧颞枕皮层损伤（通常双侧，少数为右侧）而形成的面孔加工紊乱。病人对物体识别是正常的，却无法识别面孔。而物体失认症的病人无法识别物体，对面孔的识别却是正常的。因而，许多人认为大脑中存在面孔和一般物体识别两个功能独立的系统。
最后，从信息处理方式标准人手：在物体识别中，整个物体外形常常被表征为各部件的外形，已有很多研究表明，面孔的表征很少是基于部分的，更多的是基于整体的。如Tanaka与Farah研究发现，被试在对整个面孔和整所房子的识别的绩效并没有明显的差异，但对面孔的部件识别却显著差于对房子的部件的识别。正常人会出现面孔识别的倒置效应，即在面孔倒置时，对面孔的识别难度会增加的现象。一种观点认为，这是因为面孔倒置时破坏了面孔的整体结构，从而使面孔难以辨认。
1.2面孔的知觉方式
面孔识别研究中的另一个重要问题是：我们对面孔进行识别时，是如何加工的？是基于面孔的局部的成分特征，还是基于面孔的整体结构。至今，大部分研究结果支持的是面孔识别是基于面孔的整体结构。
在面孔认知研究中，目前主要存在三种理论，即特征说、结构说和整体说。特征说认为面孔加工过程主要对特征信息进行加工，特征信息是指面孔上相对独立的器官，如眼睛、鼻子、嘴巴等；而结构说则认为面孔加工过程除了特征信息加工之外，更主要是结构信息的加工，结构信息是指面孔上特征之间的空间关系及版面布局信息。面孔认知研究中一直存在着局部和整体加工方式之争。部分研究者认为，面孔主要以局部特征信息进行加工，整体面孔只不过是各特征的简单总和。[4]而且这些特征信息在面孔加工过程中具有不同的相对重要性，从大到小依次为内轮廓、外轮廓、眼部、嘴巴和鼻子。很显然，特征说支持的是面孔的局部加工方式。在支持结构说的研究者当中，研究者通常把结构加工等同于整体加工。然而，也有部分研究者认为在面孔加工过程中起关键作用的是特征之间的空间关系，而不是整体模板。如有人考察了局部结构信息（两眼间的距离）在正向和倒置面孔中的作用，发现局部结构信息在面孔加工中起着关键作用，而无须进行整体加工。
那么，人们是如何识别面孔的呢？人们在知觉面孔图片与非面孔图片时的即时加工过程有何不同？面孔图片的熟悉与否是如何影响面孔识别的呢？这是本研究关心的问题。对于这些问题的探索，眼动记录法是一项很好的技术，它可以考察面孔识别的即时加工过程。有研究发现，在各种认知任务中对眼睛注视的控制起着巨大的作用，注视的位置和注视的时间与所进行的认知加工任务具有一定的锁时性。在面孔识别过程中，主体也是通过眼睛的运动来完成对不同图片识别所需信息的搜集，然后对这些信息进行加工进而完成识别，这个过程是伴随信息搜集逐步完成的，也叫即时加工过程。通过分析这一即时加工过程，可以更好地了解面孔识别过程的实质。本研究通过记录被试面孔识别过程中的眼动数据，来探讨面孔识别的即时加工过程，识别面孔的眼动模式如何，以及对面孔不同部位信息的依赖程度如何。在实验一中，利用眼动记录法记录被试识别面孔图片和非面孔图片的即时加工过程，考查被试在知觉面孔与一般物体时的眼动差异，并假设加工面孔时的眼动轨迹有一定的规律性，并且时间进程不同在实验二中，考察被试在知觉熟悉面孔与陌生面孔时的眼动差异与时间进程差异，假设在加工熟悉面孔与陌生面孔时，眼动模式发生根本性改变。
2．实验一：面孔图片与非面孔图片的眼动差异实验
2.1方法
2.1.1被试
随机选取辽宁师范大学20名研究生，男女各半，年龄在23~ 25岁之间，所有被试视力（或矫正视力）正常，且均为自愿参加。
2.1.2设计与材料
采用“识别一判断”实验范式考察面孔识别的即时加工过程。实验为单因素重复测量实验设计。自变量为图片类型，包括面孔图片和非面孔图片两个水平。因变量为反应时、正确率和各项眼动指标。
共选取20张图片作为正式实验材料，包括10幅西方人物面孔图片和10副物体图片，所有图片都经过数字化处理，图片为彩色，亮度和对比度一致，面孔图片均为肩部以上的正面图片。20副图片随机排列，用PowerPoint呈现。
2.1.3实验仪器及程序
本实验由一台PentiumⅣ2.8G计算机控制，刺激呈现在19英寸彩色显示器中央。屏幕分辨率为1024 x768，刷新频率为100Hz。被试眼睛与屏幕中心的距离为60cm。用ASL504型眼动仪记录被试的眼动情况，数据采集频率为60Hz。眼睛在一个点停留16ms记录为一个凝视点(gazepoint)，眼睛在一个点停留lOOms记录为一次注视(fxation)，两次注视之间的眼动过程记录为眼跳(saccade)。用gazetraker 3.12软件运行实验程序并同时记录被试的反应时、正确率和眼动数据。正式实验之前给予适当练习，让被试熟悉实验条件。
正式实验过程： (1)呈现指导语（首先开始第一个实验。屏幕上将呈现20张面孔图片和非面孔图片，当你看到面孔图片时请按“F”键，当你看到非面孔图片时请按“J”键，图片之间会穿插一些问题，请仔细看图片然后口头报告答案，实验过程中请保持头部不动。如果明白了，请按空格键开始）； (2)然后在屏幕中央呈现注视点，持续2s； (3)注视点消失，接着呈现一张图片；(4)被试对随机出现的面孔图片或非面孔图片进行识别； (5)被试识别后，按键作出反应，按键后，图片自动消失，一次试验结束。接着重复步骤，直到整个实验结束。
2.2结果与分析
2.2.1面孔识别的眼动轨迹
本实验中，被试识别面孔图片与非面孔图片的眼动轨迹有显著差异，在识别面孔图片时，被试倾向于首先在双眼间平移而后向嘴巴运动，完成面孔识别，而在识别物体图片时则没有固定的运动轨迹。这说明面孔识别需要特定信息，被试在搜集信息过程中，不是随机观看，而是有规律的。
2.2.2两类图片的反应时和正确率
单因素重复测量方差分析结果表明，图片类型对被试识别的反应时影响显著，但每种图片识别的正确率都在90%以上，两种类型图片之间差异不显著。
2.2.3面孔识别的眼动指标
对总注视时间、注视次数、注视点持续时间和瞳孔直径四个眼动指标进行统计，结果见表1，从表1以发现，两类图片的眼动数据存在一定差异，其中总注视时间、注视次数、瞳孔直径差异较大。

以总注视时间为因变量，进行单因素重复测量方差分析发现，图片类型主效应显著，F(1，19)=23.351，p< 0.001。以注视次数为因变量，进行单因素重复测量方差分析发现，图片类型主效应显著，F(1，19) =31.67，p< 0.001。以瞳孔直径为因变量，进行单因素重复测量方差分析发现，图片类型主效应显著，F(1，19) =2.970，ps<0.05。被试识别面孔图片时，瞳孔直径逐渐增大。
在面孔识别过程中对面部部件的依赖程度，依据空间位置确定了两个兴趣区：兴趣区1为眼睛、兴趣区2为鼻子和嘴。
对被试在这两个兴趣区上的两个眼动指标进行统计，结果见表2。

从表2可以发现，不同兴趣区的眼动指标存在较大差异。以注视时间为因变量，兴趣区主效应显著，F(1，19) =5.873，p< 0.05；兴趣区1的注视时间显著多于兴趣区2。以注视次数为因变量，兴趣区主效应显著，F(1，19) =7.432，p<0.05。兴趣区1的注视次数显著多于兴趣区2。
3．实验二：熟悉面孔与陌生面孔图片的眼动差异实验
3.1方法
3.1.1被试
同实验一
3.1.2设计与材料
采用“识别一判断”实验范式考察面孔识别的即时加工过程。实验为两因素重复测量实验设计。自变量为图片类[来自www.LW5u.coM]型，包括熟悉面孔和陌生面孔图片两个水平。因变量为反应时、正确率和眼动指标。
共选取24张图片作为正式实验材料，包括12幅名人面孔图片和12副普通人面孔图片，所有图片都经过数字化处理，图片为彩色，亮度和对比度一致，面孔图片均为肩部以上的正面图片。24副面孔图片排列，用PowerPoint呈现。
3.1.3实验仪器及程序
实验仪器同实验一
正式实验过程： (1)呈现指导语（下面开始第二个实验，屏幕上将呈现24张面孔图片，当你看到熟悉的面孔图片时按“F”键，按键的同时口头报告出他／她的名字，当你看到不熟悉的面孔图片时按“J”键，实验过程中请保持头部不动。如果明白了，请按空格键开始。）； (2)然后在屏幕中央呈现注视点，持续2s； (3)注视点消失，接着呈现一张面孑L； (4)被试对随机出现的面孔图片进行识别； (5)被试识别后，按键作出反应，按键后，图片自动消失，一次试验结束。接着重复步骤，直到整个实验结束。
3,2结果与分析
3.2.1面孔识别的眼动轨迹
本实验中，被试对熟悉面孔图片与陌生面孔图片的眼动轨迹有显著差异，在识别熟悉面孔图片时，被试倾向于只注视眼睛，而在识别陌生面孔图片时则与实验一的面孔图片眼动轨迹相似，首先在双眼间平移而后向嘴巴运动，完成面孔识别。这说明，被试在进行面孔识别时，对熟悉面孔需要的视觉线索相对陌生面孔来说要少。
3.2.2两类图片的反应时和正确率
单因素重复测量方差分析结果表明，图片类型对被试识别的反应时影响显著，识别熟悉面孔的反应时小于陌生面孔，识别两类图片的正确率都在90%以上，两种类型图片之间差异不显著。
3.2.3面孔识别的眼动指标
对总注视时间、注视次数、注视点持续时间和瞳孔直径四个眼动指标进行统计发现，两类图片的眼动数据存在一定差异，其中总注视时间、注视次数、瞳孔直径差异较大。
以总注视时间为因变量，进行单因素重复测量方差分析发现，图片类型主效应显著，F(1，19) =23.426，p< 0.001。以注视次数为因变量，进行单因素重复测量方差分析发现图片类型主效应显著，F(1，19)=31.76，p<0.001。以瞳孔直径为因变量，进行单因素重复测量方差分析发现，图片类型主效应显著，F(1，19)=6.209，ps<0.05。被试识别面孔图片时，瞳孑L直径逐渐增大。
对被试在这两个兴趣区上的两个眼动指标进行统计，结果见表3。

从表3可以发现，不同熟悉度、不同兴趣区的眼动指标存在较大差异。以平均注视时间为因变量，进行两因素（熟悉度×兴趣区）重复测量方差分析发现，面孔熟悉度主效应显著，F(1，19) =27.435，p< 0.001;兴趣区主效应显著，F(1，19)=6.436，p< 0.05;两者交互作用不显著。兴趣区1的注视时间显著多于兴趣区2。
以注视次数为因变量，进行两因素重复测量方差分析发现，面孔熟悉度主效应显著，F(1，19) =31.1240，p<0.001;兴趣区主效应显著，F(1，19) =7.432，p<0.05。两者交互作用不显著，兴趣区1的注视次数显著多于兴趣区2。
4.讨论
实验一发现个体在加工面孔与一般物体时的眼动差异，个体在加工面孔时倾向于首先在双眼间平移而后向嘴巴运动，完成面孔识别，而在识别物体图片时则没有固定的运动轨迹。这证明了我们的假设：加工面孔时的眼动轨迹有一定的规律性，并且时间进程不同。这种轨迹说明面孔识别需要不同部位信息，在对不同部位信息整合的基础上做出识别。不同的面孔不影响识别的眼动轨迹。我们认为尽管内部特征与外部特征在面孔识别中作用不同，但是面部识别以内部特征为主，依赖的信息也主要集中在眼睛和鼻子、嘴等部位。之所以在知觉面孔时有这样的眼动轨迹，我们可以这样理解：面孔识别主要以眼部信息为主，其他部位信息为辅，在时间短的快速判断过程中，嘴和鼻子部位信息对判断作用也较大，面孔识别是在整合眼部与嘴和鼻子部位信息的基础上完成的。这个过程通常先从提取眼部信息开始，然后转向鼻子和嘴，形成眼动轨迹。本实验还发现图片类型的主效应差异显著。被试对面孔图片的注视时间长、注视次数多和瞳孔直径大。证明了我们的假设：在反应时等指[来自www.lw5u.Com]标上，不同类型图片间存在差异。
在实验二中，我们发现了个体在知觉熟悉面孔与陌生面孔时的眼动差异与时间进程的差异，在知觉熟悉面孔时被试倾向于只注视眼睛，而在知觉陌生面孔图片时则与实验一的面孔图片眼动轨迹相似，首先在双眼间平移而后向嘴巴运动，完成面孔识别。这说明，被试在进行面孔识别时，对熟悉面孔需要的视觉线索相对陌生面孔来说要少。这证明了我们的假设：在加工熟悉面孔与陌生面孔时，眼动模式发生根本性改变。本实验还发现面孔识别对不同面部位置信息依赖程度不同，这支持了面孔识别以特征部件识别为主的观点。我们认为各部件信息都有利于面孔识别任务的完成，但研究结果说明识别熟悉面孔时依赖眼部信息就可以完成识别，也就是说不同部件信息的重要性不同，眼部信息是最重要的。这提示我们在完成与面孔识别有关的任务过程中要注意眼部信息的变化。我们的研究结果也得到了来自认知神经科学领域证据，国内学者张维、陈剑强的一项研究发现熟悉面孔识别主要激活了额颞区和梭状回等，陌生面孔识别主要激活了脑岛和梭状回，熟悉面孔与陌生面孔识别有其不同的区域；都有梭状回的视觉加工，但是激活的程度不同。
结合两个实验的结果，我们发现面孔识别的眼动过程是有规律的，眼动不是随意的，并且以部件信息为主，在整合部件信息的基础上做出识别，在面孔熟悉度高时，搜索信息则以眼部为主。
5．结论
(1)个体在加工面孔时倾向于首先在双眼间平移而后向嘴巴运动，完成面孔识别，而在识别物体图片时则没有固定的运动轨迹。
(2)个体在知觉熟悉面孔时倾向于只注视眼睛，而在知觉陌生面孔图片时则首先在双眼间平移而后向嘴巴运动，完成面孔识别。

-全文完-