主动的、真实世界的视觉中的颜色知觉的限度

由北卡罗来纳州达勒姆杜克大学的Dale Purves编辑，并于2020年4月21日获得批准(2019年12月18日收到供审查)。

色彩点燃视觉体验，使世界充满意义、情感和丰富性。观察者一睁开眼睛，他们就会立即感受到一种丰富多彩的体验，这种体验涵盖了他们的整个视觉世界。在这里，我们表明这种印象出人意料地不准确。我们使用头盔虚拟现实(VR)将观察者置于身临其境的、动态的真实世界环境中，他们通过扫视和转头自然地进行探索。同时，我们通过头戴式眼球跟踪监视他们的凝视，然后系统地改变视觉环境，以便只有他们正在观看的场景的部分是彩色的，而场景的其余部分(即视觉外围)是完全不饱和的。我们发现，观察者往往完全没有意识到他们的视觉世界发生了这些剧烈的变化。在最极端的情况下，几乎三分之一的观察者没有注意到只有不到5%的视觉显示是彩色的。这种对知觉的限制不能用视网膜神经解剖学或以前使用更传统的心理物理方法对外围视觉处理的研究来解释。在第二项研究中，我们使用楼梯程序测量颜色检测阈值，同时有一组观察者有意地关注外围。尽管如此，我们发现观察者并没有意识到他们视野的很大一部分是不饱和的。总而言之，这些结果表明，在活跃的、自然主义的观看条件下，我们对丰富多彩的视觉世界的直观感觉在很大程度上是错误的。

色彩是感性体验的基本成分。当我们探索周围的世界时，我们有一种五颜六色的印象，包裹着视觉体验，一直延伸到我们的视觉外围。但是这种直觉有多准确呢？这个问题处于神经科学和心理学经典争论的前沿。一方面，大量使用变化盲(1，2)、疏忽盲(3，4)和视觉拥挤(5，6)的实证研究表明，观察者的意识比他们想象的要有限得多，特别是在视觉外围，我们对详细视觉世界的印象可能根本就是不正确的(7⇓-9)。另一方面，另一种观点认为知觉是丰富的，但观察者在他们能关注、记住并最终报告多少信息方面是非常有限的(10⇓-12)。颜色是这场争论的中心，围绕着观察者在世界上感知到多少颜色的问题展开了相当大的争论(13⇓-18)。

解决这场争论被证明是困难的，因为历史上一直不可能在积极的、真实的观看条件下探索感知意识。外周颜色知觉的经典研究包括要求头部受限的观察者辨别其外周孤立视觉目标的颜色(19⇓-21)。在这种情况下，对于小目标(21⇓-23)，颜色敏感度随偏心而下降，但当将外围刺激的大小调整到考虑皮质放大系数(15、18、21、24⇓-26)时，外围的颜色敏感度几乎与中心凹一样好。这些研究提供了理想视觉条件下颜色敏感度的重要基线测量。然而，目前还不清楚这些结果将如何转化为自然的视觉体验。与外围颜色感知的经典研究(其中注意力被秘密地从注视转移到外围目标位置)相反，在现实世界中，主动视觉期间的空间注意力通常与当前和即将进行的注视的位置紧密相连，可能对外围感知施加关键限制(27、28)。因此，一方面，我们可能期望在现实环境中外围颜色感知能力急剧下降。另一方面，真实世界的环境是复杂的，并且包含有助于颜色感知的统计规则(29⇓⇓-32)。因此，在自然主义视觉中，我们可能会期望周围的颜色意识丰富，这与我们对充满活力、丰富多彩的视野的直观感觉是一致的。尽管缺乏实验证据支持这场辩论的任何一方，但人们经常声称，丰富的色彩体验的直觉可能是被误导的(7，16，17)。因此，问题仍然存在，感性体验有多丰富多彩？

在这里，我们利用头盔虚拟现实(VR)的最新发展来确定观察者在自然视觉体验中感知到多少颜色。我们让观察者沉浸在各种真实的、动态的视听环境中(例如，交响乐彩排、描述历史遗迹的导游、在伦敦演出的舞蹈团)。

对于每个观察者，在关键试验期间以彩色显示的中心视野部分的半径为视角的10°、17.5°、25°或32.5°(图2)。要透视这些数字，在57厘米/1.87英尺的距离上，1°的视角大约是1厘米的大小，这大致相当于手臂的长度。因此，在臂长处，圆孔的半径估计为∼10、17.5、25或32.5厘米。在关键的试验结束后，观察者立即被问到一系列问题，以确定他们是否注意到前一次试验(材料和方法)的外围没有颜色。观察者多久会意识不到他们的视觉世界的很大一部分在几秒钟内完全没有颜色呢？

在实验1中，我们发现观察者往往没有意识到他们的大部分视觉世界没有任何颜色。在最极端的情况下，近三分之一的观察者没有注意到，只有围绕凝视中心的视角半径为10°的圆形光圈是彩色的(图2)。需要提醒的是，10°视角大致对应于半径为10 cm的圆，半径约为一臂长，且不到整个视野的5%。没有注意到这种影响的观察者的百分比随着视野的饱和部分而增大(χ2=20.31P<；0.001；图2B，见SI附录，表S1和S2，了解更多关于观察者响应的详细分析和对每个单独视频圈的分析)。我们最大的光圈，视角半径为32.5°，绝大多数观察者没有注意到环境颜色的变化。重要的是，这些结果是在观察者自然地参与到场景中而不知道研究的主要目标时获得的。相比之下，在关键的试验结束后，每个观察者都看到了外围刚刚发生的事情，每个观察者都报告说，他们可以清楚地看到饱和的外围，并惊讶地发现他们以前没有注意到这一点。这表明实验1的结果代表了自然视觉中颜色意识的空间限制，而不是视觉处理的硬连线限制(例如，视网膜上视锥细胞的分布)(34)。

实验1表明，在自然主义的观察条件下，观察者意识到他们的视觉外围几乎没有颜色。这些发现提出了一个自然的问题：当观察者将他们的注意力引导到外围，并且他们预计会发生变化时，他们可以检测到外围降低饱和度的阈值是多少(35)？

为了回答这个问题，在实验2中，我们要求观察者(n=20)广泛分散他们的注意力，并有意识地寻找外围的去饱和度。然后我们使用阶梯程序来找出空间阈值，在这个阈值上，观察者不再能可靠地辨别出他们周围颜色的变化。具体地说，在实验2的每一次试验中，凝视条件效应的外部限制是不同的(1-上，1-下楼梯)，以确定参与者能够以50%的准确率检测周边颜色的空间阈值(材料和方法)。在观察者熟悉了效果的两次初步练习试验之后，楼梯开始了。每个测试试验持续20秒，并且总是有一个简短的时间段，在这段时间内，外围以黑白(材料和方法)呈现。在试验的2到8秒之间的随机时间点，外周颜色在4s的间隔内逐渐降低饱和度，完全消失1s，并通过视条件刺激再现在2s的间隔内再次逐渐恢复。观察者被指示在注意到减饱和期后立即按下按钮。只有当观察者在特定的时间窗口内按下按钮时，减饱和度检测才被登记为准确的，并且测试试验中夹杂着没有发生效果的捕捉试验，因此效果是不可预测的(材料和方法)。

楼梯手术的结果如图3所示。总体而言，我们发现观察者可靠地未能检测到超出∼37.5°视角的周边去饱和度(t[1，19]=5.22P<；0.001，与天花板45°相差45°)。平均在减饱和开始后4.67s(+/−0.36SD)，再饱和开始前检测到减饱和度。正如下面进一步讨论的，37.5°并不对应于视网膜或神经解剖学施加的已知限制。结合实验1，这些结果表明注意对周边颜色知觉的空间范围有很大的影响。然而，还应该强调的是，在日常观看中，包括37.5°视角的圆形区域占据的视觉世界不到三分之一。因此，即使在积极寻找的时候

第三，我们的发现是否突出了知觉、记忆或可获得性的局限性？换句话说，有没有可能观察者在试验过程中意识到他们周围的颜色不饱和，但在他们被探测时干脆忘记了这一点[即疏忽健忘症(38)]？或者，也许观察者在试验过程中意识到了外周饱和度的降低，但在探测时，他们的意识不能被其他机制如注意力或工作记忆所获得[即，无意识的不可获得性(13)]。总体而言，在像我们这样的范例中，在经验上区分疏忽失明、健忘症和不可及性在逻辑上可能是不可能的，因为在我们的范例中，意识是基于观察者可以接触到的信息进行评估的，并且可以事后报告(13，17)。然而，如果观察者能够意识到超过95%的视觉世界的颜色持续、显著地下降，然后立即忘记这一点，那将是令人惊讶的。这会令人惊讶的一个原因是，在之前旨在判断疏忽失明和健忘症之间的研究中，对基于计算机的范例中视觉意识失败的描述一直都能找到有利于疏忽失明的证据(39⇓-41)。因此，虽然我们认识到区分这些可能性的逻辑难度，但我们倾向于将我们的发现解释为自然主义环境中知觉的失败，而不是记忆的失败。

如果现实世界中的颜色感知确实像我们的研究结果所显示的那样稀疏，那么要考虑的最后一个问题是如何做到这一点。为什么我们的数据表明我们看到的很少，为什么直觉上感觉我们看到了这么多颜色呢？虽然我们不能提供一个明确的答案，但在未来的研究中可以探索几种可能性。一种可能性是，当观察者花时间在一个环境中时，他们的大脑最终能够“填充”周边许多物品的颜色(42，43)。当然，为这一解释提供直接证据是具有挑战性的，因为很难区分主体知道对象的颜色的场景(即，“我知道我身后的树是绿色的，尽管我目前看不到绿色”)和主体在线体验该对象的颜色的情况(即，“我此时此刻可以看到绿色”)。或者，有些人会争辩说，没有必要填补我的空缺。

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