真实物体在突发与适应黑暗条件下相较于后像具有更优的大小-距离缩放稳定性

《Vision Research》：Real objects maintain superior size-distance scaling to afterimages under sudden and adapted darkness conditions

　　【编辑推荐】为探究黑暗环境中视觉系统如何维持大小恒常性，研究人员比较了真实物体与后像在突发黑暗与适应黑暗条件下的大小-距离缩放（Emmert‘s law）。发现真实物体的感知稳定性显著优于后像，暗适应仅能有限改善后像的缩放误差。亮度感知会干扰距离判断，提示环境深度线索对维持空间感知至关重要。这项发表于《Vision Research》的研究揭示了暗适应视觉的局限性，对夜间导航等现实场景具有启示意义。

　　

当夜幕降临，我们的视觉系统面临着严峻挑战。在光线微弱的夜晚驾驶时，前车尾灯的大小和距离判断直接影响行车安全；突然的停电或进入隧道时，视觉系统需要在瞬间适应黑暗环境。这种动态变化的光照条件如何影响我们对物体大小和距离的判断能力？这正是视觉科学研究中的一个核心问题——大小恒常性（size constancy），即尽管视网膜成像大小随距离改变，我们仍能感知物体真实大小的能力。

传统观点认为，视觉系统通过整合视网膜图像大小、深度线索和认知因素来实现大小恒常性。然而，大多数研究都在光照充足条件下进行，对低光环境下的感知机制了解有限。更关键的是，先前研究往往忽视了一个重要因素：黑暗适应（dark adaptation）的过程。现实中的低光环境通常属于中间视觉（mesopic vision）状态，即视杆细胞和视锥细胞同时活跃，而非完全的暗视觉（scotopic vision）。这种区别至关重要，因为暗适应可以提升视觉敏感度，可能帮助视觉系统利用黑暗中残存的微弱深度线索。

澳大利亚拉筹伯大学心理学、咨询和治疗系的Amy Siobhan Millard等人在《Vision Research》上发表的研究，首次系统探讨了黑暗适应对大小-距离缩放的影响，特别比较了真实物体和后像（afterimage）这两种刺激在不同黑暗条件下的表现。后像是当我们注视明亮物体后移开视线时，在视野中残留的图像痕迹，它是一种内部生成的刺激，固定在视网膜上，必须“投射”到环境表面上。根据Emmert定律，后像的感知大小应随其投射表面的表观距离而缩放。

研究人员设计了精巧的实验来回答这些问题。他们招募了20名视力正常的参与者，在严格控制的黑暗实验室环境中，比较真实物体和后像在突发黑暗与适应黑暗条件下的大小-距离感知。实验采用55英寸OLED显示屏呈现刺激，确保真正的黑色背景以避免杂散光影响。参与者需要判断在不同距离（2-6米）呈现的环形刺激的大小和距离，并通过匹配任务重现其感知体验。

研究发现，真实物体在大小和距离判断上都显著优于后像。真实物体的大小判断偏离Emmert定律约23%，距离判断偏离约34%；而后像的相应偏离高达60%和67%。这表明真实物体即使在黑暗中也保持较好的感知稳定性，而后像则更容易出现误差。

黑暗适应确实带来了改善，但效果有限。适应黑暗后，大小判断的准确性提高了约5%，其中后像受益更大（约10%）。然而，与预期相反，后像并未从适应中获得比真实物体更多的优势。这表明后像对深度线索的依赖超出了暗适应所能补偿的范围。

有趣的是，感知亮度也影响了距离判断。较亮的刺激与较大的距离误差相关，尤其是真实物体。这可能是因为在缺乏深度线索的环境中，亮度信号干扰了正常的空间处理机制。

研究人员还发现，大小和距离判断在黑暗环境中是相对独立的，两者之间没有显著相关性。这意味着视觉系统可能采用不同的机制来处理这两种空间属性。此外，暗适应缩短了刺激察觉时间，并延长了后像的持续时间，表明适应过程影响了基本的视觉处理效率。

主要技术方法

本研究采用两因素（刺激类型×黑暗环境）被试内设计，使用OLED显示屏呈现刺激，通过心理物理学匹配任务收集感知数据。关键技术创新包括：利用OLED的真黑特性消除背景光污染；采用PLATO视觉遮蔽眼镜精确控制视觉暴露时间；通过标准化的大小-距离偏离计算量化Emmert定律符合程度；结合HSV色彩空间分析感知属性。

3.1. 大小恒常性

真实物体的大小判断准确性显著高于后像，偏离Emmert定律的程度分别为23.20%和60.93%。黑暗适应使大小判断总体改善5.42%，但对后像的改善效果(9.48%)大于真实物体(1.56%)。距离判断方面，后像的误差(67.79%)是真实物体(34.98%)的近两倍，且不受黑暗适应影响。

3.2. 深度线索的相对贡献

回归斜率分析显示，真实物体在黑暗条件下仍能保持相对稳定的大小-距离缩放，主要依赖残存的视觉信息(87.27%)。后像的缩放则严重偏离Emmert定律，暗适应的贡献(9.48%)虽高于真实物体，但仍有36.97%的误差无法解释。

3.3. 其他感知属性

真实物体的察觉时间(1.89秒)显著快于后像(3.84秒)，黑暗适应进一步缩短了察觉时间。后像在适应黑暗条件下的观察时间延长至7.64秒。色彩感知方面，两种刺激均被感知为高饱和度的蓝色，但真实物体的亮度值(18.77%)显著高于后像(7.11%)。

这项研究揭示了黑暗环境中视觉感知的基本规律。真实物体凭借其环境锚定性和固有的深度结构，即使在低光条件下也能维持相对稳定的大小-距离关系。而后像作为内部生成的刺激，缺乏外部参照框架，更易受视觉环境质量的影响。黑暗适应带来的视觉敏感度提升虽然有益，但无法完全补偿后像对深度线索的高度依赖。

这些发现对理解现实世界中的视觉感知具有重要启示。夜间驾驶、紧急情况下的空间导航等场景中，视觉系统依赖有限线索进行快速判断。研究表明，在这种情况下，真实光源（如车辆尾灯）比短暂的后像或虚像更能提供可靠的空间信息。同时，亮度因素可能干扰距离判断这一发现，提示我们在设计低光环境下的视觉标志时需谨慎考虑对比度的影响。

该研究还指出了个体差异在黑暗感知中的重要性。不同参与者表现出显著不同的误差模式，特别是在后像判断上，这表明视觉系统在缺乏外部线索时可能依赖个体特有的内部空间模型。未来研究可进一步探索这些个体差异的认知神经基础，以及更长时间暗适应对感知稳定性的影响。

总之，这项研究不仅增进了我们对低光环境下大小恒常性机制的理解，还为改善夜间视觉界面设计、安全警示系统等应用提供了科学依据。在视觉科学从理想条件向真实世界条件拓展的过程中，这类研究架起了实验室发现与现实应用之间的重要桥梁。