認(rèn)知心理學(xué)模式識(shí)別課件

第三章知覺

第五節(jié)模式識(shí)別（patternrecognition）第三章知覺第五節(jié)模式識(shí)別（p1一、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。

一、模式識(shí)別2模式識(shí)別：是指人把輸入刺激（模式）的信息與長時(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。模式識(shí)別：是指人把輸入刺激（模式）的信息與長時(shí)記憶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。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。二、模式識(shí)別過程：分析、比較和決策。5三、模式識(shí)別理論模板匹配理論（Template-matchingTheories）原型匹配理論（PrototypeTheories）特征匹配理論（Distinctive-FeatureTheories）計(jì)算途徑（computationalapproach)三、模式識(shí)別理論6（1）模板匹配理論（Template-matchingTheories）在人長時(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。（1）模板匹配理論（Template-matchingTh7

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。模8（2）原型匹配理論（PrototypeTheories）

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。（2）原型匹配理論（PrototypeTheories）9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。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10（3）特征匹配理論或區(qū)別性特征理論（Distinctive-FeatureTheories）特征匹配理論：任何模式都可以被分解成諸多特征或?qū)傩?，模式識(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。

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。（3）特征匹配理論或區(qū)別性特征理論（Distinctive-11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)字母和簡單模式的某些特征作出反應(yīng)。特征模型支持證據(jù)

*諾貝爾獎(jiǎng)得主Hubel和12*what通路和where通路what通路從枕葉初級(jí)視皮層向顳葉下行,主要負(fù)責(zé)加工視覺刺激的顏色、形狀和特性（即刺激的身份或刺激是什么）。

where通路則從枕葉向頂葉上行，主要負(fù)責(zé)位置和運(yùn)動(dòng)信息的加工。為了識(shí)別外界環(huán)境中的物體和所發(fā)生的事件，特征信息至少要輸送到這兩個(gè)不同系統(tǒng)。

*what通路和where通路13V1V2V2V3V4V5MT頂葉顳下回What通路——Where通路V1V2V2V3V4V5頂葉顳下回What通路——Where14奈塞爾的實(shí)驗(yàn)結(jié)果:表1中找“Z”比在表2中找“Z”快。原因：表1中干擾字母的曲線特征與“Z”的直線特征不同。表2中干擾字母的直線特征與“Z”的直線特征相同。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。奈塞爾的實(shí)驗(yàn)結(jié)果:15*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。認(rèn)知心理學(xué)模式識(shí)別ppt課件16*局部優(yōu)先效應(yīng)（Localprecedenceeffect，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)局部優(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。*局部優(yōu)先效應(yīng)（Localprecedenceeffe17*謝夫里奇和奈塞爾根據(jù)特征匹配理論，設(shè)計(jì)了一套計(jì)算機(jī)程序讓計(jì)算機(jī)識(shí)別，這些字母區(qū)別于人用手寫的英文字母，結(jié)果計(jì)算機(jī)能夠很好地完成這個(gè)任務(wù)。*謝夫里奇和奈塞爾根據(jù)特征匹配理論，設(shè)計(jì)了一套計(jì)算機(jī)18

“魔鬼城堡”模型（PandemoniumModel）（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?！坝诚蠊怼薄獙?duì)外部刺激信息進(jìn)行編碼，形成刺激模式的表象或映象?！疤卣鞴怼薄獜摹坝诚蠊怼钡玫降谋硐笾兴阉饕欢ǖ奶卣?，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。“魔鬼城堡”模型（PandemoniumModel）（謝19“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?！罢J(rèn)知鬼”的喊叫聲表明它們已經(jīng)組合了某個(gè)字母?！皼Q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。“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“20特征模型不支持證據(jù)整體優(yōu)先效應(yīng)（Globalprecedenceeffect

）：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。特征模型不支持證據(jù)整體優(yōu)先效應(yīng)（Globalprecede21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)簡單的字母識(shí)別，很難解釋更復(fù)雜的刺激的識(shí)別過程。

特征匹配理論或區(qū)別性特征理論的優(yōu)缺點(diǎn)：22(4)計(jì)算途徑（computationalapproach)

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。

(4)計(jì)算途徑（computationalapproac23成分識(shí)別理論：一個(gè)特定觀察角度的物體，可以用一些簡單的三維形狀的排列來表征，這些簡單形狀為幾何子。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。

成分識(shí)別理論：24認(rèn)知心理學(xué)模式識(shí)別ppt課件25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)成分識(shí)別理論的支持證據(jù)：26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。成分識(shí)別理論的不支持證據(jù)：Cave&Kosslyn,127

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