48、不同形状在三种运动感知中的动态视错觉与感知效果分析

不同形状在三种运动感知中的动态视错觉与感知效果分析

1. 三种运动感知的实验设计与样本

1.1 实验目的与样本模拟

实验旨在研究不同形状在三种运动感知（似动现象、诱发运动、运动后像）中的表现。实验样本采用不同金字塔和圆柱表面形成连续螺旋线，模拟三种运动感知。当形状快速连续旋转时，似动现象会产生连续运动的感知效果和整体连续线条图形的图案表达；诱发运动则产生同步爬升的感知效果和整体连续线条图形的图案表达；运动后像会产生呈现为残像的整体连续线条图形，但感知效果和图案表达会模糊。

1.2 实验方法与样本设置

• 实验方法 ：采用心理物理调整法进行实验，基于实验目标和条件，使用非概率判断抽样，共有20名受试者参与。实验设备为数字频率无线控制系统。
• 样本设置 ：
  1. 观察距离为1m时，根据视角公式“θ = 2 arctan (l⁄2d)”，得出最佳观看视角为14°（14.25）。
  2. 以标准最佳视角14°（14.25），通过公式“tan (θ⁄2) = l⁄2d”替换计算，得出圆柱高度为25cm。
  3. 人们在感知上偏好长宽比为2.1:1和2.3:1的圆柱，由此计算出圆柱和金字塔的宽度分别为11cm和12cm。
  4. 根据相关研究，连续线条图形的线宽应设置为10mm，15°角的连续平行螺旋线显示动态视错觉效果，即线条图形在不同旋转速度下仍保留动态视错觉。

2. 不同形状的三种运动感知结果

2.1 似动现象

形状	上绝对阈值（rpm）	下绝对阈值（rpm）	速度范围（rpm）
三棱锥	99.3	76.8	22.5
四棱锥	90.4	68.7	21.7
五棱锥	83.1	61.0	22.1
六棱锥	75.5	54.6	20.9
七棱锥	67.4	47.2	20.2
八棱锥	60.5	40.0	20.5
圆锥	-	-	-
三棱柱	88.3	69.6	18.7
四棱柱	79.5	61.6	17.9
五棱柱	72.0	53.7	18.3
六棱柱	65.2	48.4	16.8
七棱柱	57.9	42.0	15.9
八棱柱	51.2	36.0	15.2
圆柱	-	-	-

旋转的圆柱、圆锥和球体无法产生视觉分隔效果，从而无法产生似动现象。对于边数逐渐减少的圆柱和金字塔，下绝对阈值逐渐增加，边数越少，似动现象感知越晚；上绝对阈值也逐渐增加，边数越少，似动现象感知时间越长。此外，相同边数下，圆柱的下绝对阈值比金字塔出现得早，上绝对阈值比金字塔出现得晚。总体而言，金字塔在似动现象的运动效果上优于圆柱，三棱锥表现最佳。

2.2 诱发运动

形状	上绝对阈值（rpm）	下绝对阈值（rpm）	速度范围（rpm）
三棱锥	162.7	93.7	69.0
四棱锥	177.7	86.2	91.5
五棱锥	201.2	79.5	121.7
六棱锥	219.6	72.7	146.9
七棱锥	233.8	66.7	167.1
八棱锥	249.4	61.2	188.2
圆锥	266.1	53.3	212.8
三棱柱	176.2	82.7	93.5
四棱柱	206.9	73.8	133.1
五棱柱	228.3	67.1	161.2
六棱柱	242.7	62.6	180.1
七棱柱	259.1	58.0	201.1
八棱柱	275.8	52.7	223.1
圆柱	290.8	44.6	246.2

随着圆柱和金字塔边数逐渐减少，下绝对阈值呈扩大趋势，边数越少，诱发运动感知越晚；上绝对阈值呈扩大趋势，边数越少，诱发运动感知消失越早。相同边数下，圆柱的下绝对阈值比金字塔出现得早，上绝对阈值比金字塔出现得晚。总体而言，圆柱在诱发运动的运动效果上优于金字塔，圆柱表现最佳。

2.3 运动后像

在运动后像中，当出现下绝对阈值后，在无上限的持续增加旋转速度的情况下，所有形状的感知响应和现象会持续不断，因此记录上绝对阈值和旋转速度阈值没有意义。随着圆柱和金字塔边数逐渐减少，下绝对阈值呈逐渐降低趋势，边数越少，运动后像感知越早。相同边数下，金字塔的下绝对阈值比圆柱出现得早。总体而言，金字塔在运动后像的感知效果上优于圆柱，三棱锥表现最佳。

3. 两种视觉干扰现象的产生

3.1 旋转产生的视觉干扰

每个形状旋转时，会产生不同程度的“旋转角度”和不同面积的“动态虚拟形状”。旋转角度会使螺旋中的连续线条图形产生锯齿线现象，即线条图形在旋转过程中会出现抖动和不光滑的图案；“动态虚拟形状”会导致圆柱周围出现“线条残像”，即圆柱左右两侧的连续线条残像。这两种现象会造成一种视觉干扰。

3.2 不同形状的视觉干扰差异

三棱锥和三棱柱是整体形状中两种明显的视觉干扰类型，它们边数最少，会产生最大的“旋转角度”和“动态虚拟形状”。圆柱和圆锥有弧形，没有边数或角度的设计特征，因此不会产生锯齿线现象或线条图像保留现象。随着圆柱和金字塔边数减少，两种视觉干扰现象增加，反之亦然。此外，两种视觉干扰在圆柱中比在金字塔中更明显，主要原因是圆柱长轴的间距宽度相等，而金字塔长轴从下部到上部逐渐减小，旋转角度的强度逐渐降低。

graph LR
    A[形状旋转] --> B[旋转角度]
    A --> C[动态虚拟形状]
    B --> D[锯齿线现象]
    C --> E[线条残像]
    D --> F[视觉干扰]
    E --> F

4. 不同形状与旋转速度的相互关系

4.1 边数少且速度慢

当边数较少（旋转角度大，动态虚拟形状大）且旋转速度逐渐减慢时，线条残像现象尚未形成，但锯齿线现象开始出现，主要的视觉干扰由锯齿线现象引起。

4.2 边数少且速度快

当边数较少但旋转速度逐渐加快时，线条残像已经形成，并且锯齿线现象更严重，会出现由线条残像和锯齿线现象引起的两种视觉干扰。

4.3 边数多且速度慢

当边数较多（旋转角度小，动态虚拟形状小）且旋转速度逐渐减慢时，线条残像现象未形成，锯齿线现象也未出现，视觉干扰轻微。

4.4 边数多且速度快

当边数较多但旋转速度逐渐加快时，线条残像和锯齿线现象已经形成，虽然会出现两种视觉干扰，但相对于边数少的情况，旋转角度和动态虚拟形状较小，视觉干扰不太严重。

5. 形状、旋转速度与三种运动感知的因果关系

5.1 似动现象

• 边数增加且速度增加 ：线条残像从无到有形成，锯齿线现象从不完全形成到完全形成，视觉干扰现象从最轻微变为线条残像和锯齿线现象的严重双重视觉干扰。此时，下绝对阈值呈下降趋势，八棱柱和八棱锥的下绝对阈值最早出现（36.05 rpm；40.05 rpm）；上绝对阈值也呈逐渐下降趋势，八棱柱和八棱锥的上绝对阈值随着边数增加而更早出现（51.2 rpm；60.55 rpm）。
• 边数减少且速度增加 ：线条残像现象从不完全形成到完全形成，锯齿线现象从出现趋势到危险状态，视觉干扰从锯齿线现象的单一干扰变为两种视觉干扰现象。此时，下绝对阈值呈上升趋势，三棱柱和三棱锥的下绝对阈值最晚出现（69.6 rpm；76.85 rpm）；上绝对阈值呈上升趋势，三棱柱和三棱锥的上绝对阈值最晚出现（88.35 rpm；99.35 rpm）。

5.2 诱发运动

• 边数增加且速度增加 ：线条残像从无到有形成，锯齿线现象从不完全形成到完全形成，视觉干扰现象从最轻微变为线条残像和锯齿线现象的双重视觉干扰。下绝对阈值呈下降趋势，圆柱和圆锥的下绝对阈值较早出现（44.65 rpm；53.3 rpm）；上绝对阈值呈上升趋势，圆柱和圆锥的上绝对阈值最晚出现（290.85 rpm；266.1 rpm）。
• 边数减少且速度增加 ：线条残像现象从不完全形成到完全形成，锯齿线现象从出现趋势到危险状态，视觉干扰从锯齿线现象的单一干扰变为两种视觉干扰现象。下绝对阈值呈上升趋势，三棱柱和三棱锥的下绝对阈值最晚出现（82.75 rpm；93.75 rpm）；上绝对阈值呈下降趋势，三棱柱和三棱锥的上绝对阈值较早出现（176.25 rpm；162.75 rpm）。

5.3 运动后像

• 边数增加且速度增加 ：线条残像从尚未形成到已经形成，锯齿线现象也从尚未形成到已经形成，视觉干扰现象从最轻微变为线条残像和锯齿线现象的双重视觉干扰。下绝对阈值呈逐渐上升趋势，圆柱和圆锥的下绝对阈值最晚出现（315.1 rpm；281.45 rpm）。
• 边数减少且速度增加 ：线条残像现象从不完全形成到完全形成，锯齿线现象从出现趋势到危险状态，视觉干扰从锯齿线现象的单一干扰变为两种视觉干扰现象。下绝对阈值呈下降趋势，三棱柱和三棱锥的下绝对阈值较早出现（191.95 rpm；174.7 rpm）。

6. 形状差异及其运动模式导致的运动感知

6.1 不同形状的特征

在连续线条图形宽度限制为10mm、角度限制为15°的条件下，不同形状在“长度”“间距”和“数量”方面表现出不同程度的变化，且三种形状的特征之间存在相互关联。
|形状|长度|间距|连续线条图形数量|
| ---- | ---- | ---- | ---- |
|圆柱|相同|长轴宽度间距相同|4条|
|金字塔|从上到下逐渐变长|较小|7条|
|球体|随弧长变化|较大|2条|

6.2 不同形状的动态视错觉

• 圆柱 ：线性图形的运动模式会产生等速动态感知，“长度”“间距”和“数量”相互作用，线条图形之间会产生牵引效应，带动所有连续线条图形呈现向上爬升的感知效果。
• 金字塔 ：线性图形的运动模式由于非恒定速度，会使金字塔的形成从下向上加速。在“长度”“间距”和“数量”的相互作用下，线条图形之间会产生牵引效应，使所有连续线条图形呈现向上爬升的感知效果。
• 球体 ：线性图形的运动模式会导致球体顶部和底部加速，动态感知速度不相等，使球体顶部和底部的线条图形呈现加速感知效果。在“长度”“间距”和“数量”的相互作用下，线条图形之间会产生牵引效应，使所有连续线条图形呈现向上爬升的感知效果。

6.3 不同形状的感知效果差异

这种感知效果与“独特点运动”密切相关，因为各种形状的长轴边界线能提供足够的独特点，为受试者提供局部清晰方向的运动信息，从而形成向上爬升的感知效果。其中，圆柱的长轴边界线能提供足够的独特点和等速且完整的运动感知信息量，便于运动感知的响应和区分；金字塔的线条图形在顶部附近有加速感知效果，整体动态视错觉不如圆柱，但仍能为受试者提供足够的运动感知信息；球体由于连续线条图形间距最大、数量最少，长轴边界线提供的独特点不足以提供局部清晰方向的运动信息，运动感知的潜在方向有多种可能性，因此牵引效应强度和感知效果的显著性在所有形状中最低，整体动态视错觉以及受试者的运动感知响应和区分的运动感知信息量不如圆柱和金字塔。

graph LR
    A[不同形状] --> B[长度特征]
    A --> C[间距特征]
    A --> D[数量特征]
    B --> E[动态视错觉]
    C --> E
    D --> E
    E --> F[感知效果差异]

7. 不同形状在三种运动感知中的错觉和感知效果方差分析

7.1 似动现象

• 速度慢时 ：影响似动现象下绝对阈值边界的因素是“旋转角度”，它是通过视觉屏蔽效应形成似动现象的主要条件。圆柱在形状特征差异和等速动态感知下，线条图形产生的运动感知牵引效应比金字塔的非等速动态感知相互作用更强，使圆柱的视觉间距屏蔽效应比金字塔更显著。在整体动态视错觉比金字塔更显著的情况下，圆柱的整体感知效果能为受试者提供更充足、具体的运动感知信息，使其对似动现象的下绝对阈值做出响应。
• 速度增加时 ：圆柱中的线条图形的牵引效应比金字塔更显著。在整体动态视错觉更显著的情况下，圆柱的整体感知效果能为受试者提供更丰富、具体的运动感知信息，使圆柱比金字塔更早达到运动感知切换的临界点。金字塔会更早从似动现象的感知状态转变为诱发运动的感知状态，因此金字塔的上绝对阈值边界比相同边数的圆柱出现得晚。

7.2 诱发运动

• 速度降低时 ：圆柱的线性图形在形状特征和等速动态感知的相互作用下，会表现出运动感知牵引效应和“独特点运动”因素，比金字塔在形状特征和非等速相互作用下的动态感更强、更明显，能驱动所有线性图形呈现比金字塔更明显的向上爬升感知效果。在圆柱整体动态视错觉比金字塔和球体更显著的情况下，综合感知效果能为受试者提供比金字塔和球体更充足、明确的运动感知信息，以产生诱发运动下绝对阈值的感知响应。
• 速度加速时 ：圆柱线条图形的运动感知效果和“独特点运动”因素引起的牵引效应比金字塔和球体更明显、更强，所有线条图形的向上爬升感知效果比金字塔和球体更显著。金字塔和球体在形状特征和非等速动态感知的相互作用下，会分别在不同部分诱发加速感知效果，导致视觉聚集效应，使运动感知效果更严重、剧烈，所有线条图形会更早出现残像和模糊的感知效果，从而更早达到运动感知切换的临界点，受试者会更早从诱发运动感知状态转变为运动后像感知状态。而圆柱的线条图形向上爬升感知效果仍然存在，会保持在诱发运动感知状态，因此圆柱形成的上绝对阈值边界比金字塔出现得晚。

7.3 运动后像

• 金字塔 ：由于非恒定速度，金字塔形成的图案从下向上加速，使金字塔顶部和底部的线条图形呈现加速感知效果。随着旋转速度增加，顶部会形成视觉聚集效应，增强运动感知，使所有线条图形更早出现残像和模糊的感知效果，更早达到运动感知切换的临界点，从诱发运动感知状态转变为运动后像感知状态。
• 球体 ：球体的形状特征随弧长变化，会导致顶部和底部加速，动态感知速度不相等，使球体顶部和底部的线条图形呈现加速感知效果。随着旋转速度增加，顶部和底部会形成视觉聚集效应，增强运动感知效果，使所有线条图形出现残像和模糊的感知效果。但球体的牵引效应和“独特点运动”因素比金字塔弱，当金字塔的边数等于或多于四棱锥的边数时，会达到运动感知切换的临界点，受试者会从诱发运动感知状态转变为运动后像感知状态。
• 圆柱 ：在等速动态感知的特征下，随着旋转速度增加，圆柱相对不容易出现视觉聚集效应，因此比金字塔和球体更晚出现残像和模糊的感知效果，更晚达到运动感知切换的临界点，感知状态更晚转变为运动后像感知状态。所以，相同边数下，金字塔产生的下绝对阈值边界比圆柱和球体出现得早。

8. 结论

8.1 不同旋转速度区的影响

对于不同的旋转速度区，每个形状自身运动模式引起的运动感知会影响其动态视错觉效果，并且每个形状在三种运动感知中会产生不同程度的感知效果。

8.2 形状旋转速度临界的转变

在圆柱和金字塔中，当各种形状的旋转速度达到临界点时，运动感知的反应和辨别会从一种感知状态转变为另一种感知状态。

8.3 不同形状在三种运动感知中的表现

• 似动现象：金字塔的效果优于圆柱，三棱锥表现最佳。
• 诱发运动：圆柱的效果优于金字塔和球体，圆柱表现最佳。
• 运动后像：金字塔的效果优于圆柱，三棱锥表现最佳。

综上所述，深入了解不同形状在三种运动感知中的动态视错觉和感知效果，有助于在相关领域（如设计、视觉艺术等）中更好地运用这些原理，创造出更具吸引力和表现力的作品。