人脑是怎样认知图像的？——视觉拓扑理论（最新模式识别之五）

早期的理论（特征分析理论、视觉计算理论和相互作用激活理论）的共同基本点：模式识别开始于对组成模式的简单部分或其局部性质的识别，然后才识别由这些简单部分构成的模式的结构关系。

20世纪70年代初 Weistein & Harris  发现客体优势效应（object superiority effect）。

实验：

①     目标线段单独出现在注视点附近的不同方向上；

②     将目标线段镶嵌在另一有结构的图形中，目标线段与注视点的相对位置与前一条件相同。

结果：被试对镶嵌在有结构的图形中的目标线段，比对单独呈现的目标线段，正确报告率明显要高些。

特征分析理论很难解释客体优势效应。线段作为一个基本特征，不论是单独存在还是镶嵌在某一图形中，都将激活同一特征检测器，因此视觉系统对它们的检测不应该存在差别。另外，特征分析还假定，对个别特征的分析发生在前，而对由这些特征构成的结构关系的检测发生在后，因此对后者的识别需要更多的加工过程，也就要比识别个别线段更困难些。这显然和客体优势效应相矛盾。

由于客体优势效应，知觉系统的功能对客体的某些整体特性的依赖性。

80年代初（1982，1984，1985），陈霖提出视觉拓扑理论（visual topological theory）。该理论认为，在视觉处理的早期阶段，人的视觉系统首先检测图形的拓扑性质；它对图形的大范围拓扑性质敏感，而对图形的局部几何性质不敏感。

图形的拓扑性质（topological properties）：指在拓扑变换下图形保持不变的性质和关系，如连通性（connectedness）、封闭性（closedness）、洞（hole），都是典型的拓扑性质，而大小、角度、平行性等几何性质则不是拓扑性质。

按照人们的直觉经验，圆盘、三角形和正方形是明显不同的图形；但按拓扑学的观点，由于它们都是实心图形，因而在拓扑性质上是等价的。相反，圆盘和圆环按直觉经验是相似的，而按其拓扑性质讲，则是不等价的。

陈霖认为，图形的封闭性、连通性、洞都是图形的拓扑学性质。图形的具体形状可能千差万别，但只要它们的拓扑性质相同，就可以说它们是拓扑性质等价的图形。在视觉早期信息加工中，视觉系统对这些大范围的拓扑学性质更加敏感。视觉系统先加工图形的拓扑性质，然后才加工它的局部性质。近年来，陈霖用神经心理学和电生理学的实验技术，进一步证明了视觉系统的这一特点。

评论：

视觉拓扑理论是和特征分析理论针锋相对的。特征分析理论强调模式识别以特征分析作基础。先有特征分析，然后才出现对模式的识别(其实质是由局部性质到大范围性质)。相反，视觉拓扑理论则强调模式识别开始于对模式的大范围拓扑性质的提取，然后再进行特征分析(其实质是由大范围性质到局部性质)。这两种理论目前存在着激烈的争论，问题需要进一步研究解决。

                                                                       (作者：刘建忠    http://hi.baidu.com/liujianz ）