空间感知偏差反映的视觉感知与运动控制间相互作用机制的研究

There are systematic perceptual biases in space perception. Contemporary theories of space perception can only explain limited observations regarding these spatial biases. Recently, an Angular Expansion Theory was proposed by the grant applicant. This theory could quantitatively explain most of the existing spatial biases in terms of the biases in two angular variables. However, so far, no research has been done to examine why there are biases in perceived angular variables in the first place. One possibility is that these biases may reflect an efficient angular coding strategy. The purpose of the coding strategy is to improve the precision of action control. Whether this assumption is actually the case? How does the action system handle the spatial biases caused by the nonlinear angular coding? The present proposals aim to answer these questions. The proposed studies will focus on understanding the interactive mechanism between visual perception and action control. A behavior-perception model is proposed. This behavior-perception model can be used to provide suggestions for the design of human-machine interface for apparatus equipped with head-mounted displays. The highlights of the present proposals are that the theoretical foundation, the research ideas, and the experimental paradigms are all original, and the virtual reality techniques are used in some of the proposed studies.

以往研究显示，人类普遍存在显著的空间感知偏差。目前流行的空间感知理论大多只能各自单独解释少数空间感知偏差。项目申请人博后期间对空间感知偏差进行过系统研究，提出角度偏差理论，可定量解释许多空间感知偏差。该理论认为空间感知偏差源于对角度变量的感知偏差。截止目前，尚无研究深入探讨为何角度感知会存在偏差。一种猜测是，角度感知偏差可能反映了角度信息编码的非线性。这种非线性编码引起感知偏差，但却可能提高运动行为的控制精度。角度感知精度的提高真能改善运动控制精度？运动系统又如何应对空间感知偏差？本项目将围绕这些问题，在发展角度偏差理论的同时，重点研究视觉感知与运动控制间的交互作用机制，建立行为-感知模型。作为应用，本成果可指导应用日益广泛的头盔显示器系统的人机界面设计，提高相关设备的控制精度与培训效率。本项目的特色是，项目的理论基础、研究思路、以及实验范式均为原创，且研究中采用了最新的虚拟现实技术。

人对空间的感知并不准确，比如，正常人对距离的远近有明显的低估，对斜坡的坡度又存在严重的高估。项目申请人提出的“角度偏差理论”将产生这些空间感知偏差的原因归咎为人对两个角度变量（下倾视线角、光学倾角）的感知夸大。本项目研究进一步提供实验证据验证了“角度偏差理论”（实验五、六、七），同时提出一个猜想认为，对视觉感知角度的夸大有可能可以改善运动控制的精度，并对这一猜想进行了检验（实验一、二、三、四）。结果发现，提高视觉感知精度的确有可能改善运动控制精度，但这种机制只发生在具有在线反馈的闭环控制运动中，而在只有离线反馈的开环控制运动上没有观测到这一规律。本项目依据上述猜想，研究了视觉输入与运动输出间的交互机制，证实了视觉感知与运动控制之间存在一一对应关系的猜想（实验八），而且这种对应关系的数量可以通过学习增加，所以才会表现出视觉精度的提高能改善运动控制精度的特性。依据这一结论，本项目在运动学习的传统理论“图式理论”的基础上，构建了“行为-感知”交互模型。该模型认为动作学习主要依赖误差反馈。误差分三类：实际动作结果与期望动作结果间的差异、外部感觉（视听觉）与相应的感觉预期间的差异、本体感觉与相应的感觉预期间的差异。动作学习的过程就是构建新的或更新已有的“动作图式”以降低这三类误差。本项目依据这一“行为-感知”交互模型探讨了感知信息的特征对动作适应中新构建的“动作图式”的记忆保留时间的影响（实验九）。最后，本项目还对“行为-感知”模型在人机界面设计上的潜在应用进行了探讨（实验十），但因缺少对设备中存在问题的预判，未获得预期结果。总而言之，本项目在两个理论问题上取得了重要的学术进展。一是进一步验证与支持了“角度偏差理论”，并对产生角度偏差的原因提供了功能性解释；二是构建了“行为-感知”交互模型。这些研究成果对理解感觉与运动间的交互机制，以及动作学习的机制特性有重要的理论价值。