骨骼形状是快速识别物体的关键

眨眼之间，人类的视觉系统就能处理一个物体，在几毫秒内就能判断出它是杯子还是袜子，而且似乎毫不费力。众所周知，物体的形状是帮助眼睛和大脑完成这一动作的关键视觉线索。然而，一项新的研究发现，虽然物体的外部形状对快速识别很重要，但物体的内部“骨架”可能发挥更重要的作用。

科学报告发表了埃默里大学心理学家的一项研究，表明物体识别的一个关键视觉工具是物体的中轴，或其骨骼几何形状。

“当我们想到一个物体的形状时，我们通常会想象其外部轮廓，”该论文的第一作者、埃默里大学心理学博士候选人弗拉迪斯拉夫·艾森伯格(Vladislav Ayzenberg)解释说。“但骨骼几何学还描述了形状更深、更抽象的特性。我们的研究表明，这种内在的、看不见的机制可能对如此迅速地识别物体至关重要。”

“你可以把它想象成儿童用棍子画的人，”该研究的资深作者、埃默里大学心理学副教授斯特拉·洛伦科补充说。“用简笔画来代表一个人给了你基本的视觉信息，你需要立即感知这个人物的意义。”

Lourenco实验室研究人类视觉感知，认知和发展。

当光线照射到我们的眼睛时，物体就会以二维图像的形式投射到视网膜的感光细胞上，从而开始对物体的视觉感知。Ayzenberg说:“眼睛和大脑之间的许多内部机制在70毫秒内促进感知和识别。”“我对这一过程中的神经计算非常着迷。”

尽管大多数人认为这是理所当然的，但物体识别是一项了不起的成就。“你可以通过指给两岁的孩子一只真狗或给他看一本书中的图片来教他狗是什么，”Lourenco说。“在看到这些例子之后，孩子们可以迅速而轻松地认出其他狗是狗，尽管它们各自的外表不同。”

尽管诸如轮廓、大小、纹理和颜色等一类物体发生了变化，但人类的物体识别能力仍然很强。在这篇论文中，研究人员开发了一系列实验来测试骨骼几何结构在这一过程中的作用。

在一项实验中，参与者在电脑上看到150个抽象3d物体的成对图像。这些物体有30种不同的骨骼结构。每个对象被渲染为五种不同的表面形式，以改变对象的可见形状，而不改变底层的骨架。参与者被要求判断每一对图片上的物体是相同的还是不同的。结果发现，骨骼相似性是一个重要的预测正确的反应。

第二个实验，以其中三个物体的适应性为基础，测试了比例变化对骨骼形状的影响。在骨骼变化的各个层面上，参与者能够准确地预测物体的相似度，其比率显著高于概率。

第三个实验测试了一个物体是否骨架比表面形状更能预测物体的相似性。当每个线索单独呈现时，参与者可以通过其骨骼结构或表面形式成功匹配物体。然而，当这些线索相互冲突时，它们表现出了一种偏好，即通过它们的骨骼来匹配物体，而不是它们的表面形态。

研究结果表明，视觉系统不仅对物体的骨骼结构高度敏感，而且这种敏感性在形状感知方面可能比物体轮廓发挥更大的作用。

“骨骼几何学似乎比我们之前意识到的更重要，但它肯定不是用于物体识别的唯一工具，”Lourenco说。“可能是视觉系统开始于骨骼结构，而不是一个物体的轮廓，然后将其他属性，如纹理和颜色映射到它上。”

除了增加人类视觉系统的基础知识，这项研究还可能对人工智能(AI)能力的提高提供见解。例如，快速准确的物体识别对自动驾驶汽车上的人工智能系统至关重要。

“机器学习系统的最佳模型可能是人类学习系统，”Ayzenberg说。“人类的视觉系统已经解决了对象识别通过进化，适应得很好。”

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