文献总结：估计碰撞时间——速度与时间的整合

陈开明 

西南大学 心理学部 时空认知实验室

一、研究假设及目的

为了在动态环境中协调事件的运动，大脑必须预测这些事件何时发生。以TTC估计（一个物体移动到一个目标的时间）为例，目前有两种策略来解释人们对TTC估计，其一为根据运动学变量进行估算，其二不依赖运动学变量，仅根据时间线索进行计算。然而速度与时间的估计都具有内在的不确定性，并且人脑具有结合不同信息源的能力，因此还可能通过整合速度信息和时间线索来进行TTC估计。本文的研究目的即为使用贝叶斯模型系统地评估个体在进行TTC估计时，是否整合了速度信息和时间线索。

二、研究理论

1. TTC估计是根据运动学变量估算的，即假设大脑使用距离、速度和加速度信息来确定物体何时到达目标。在该假设中，TTC=距离/速度。该假设与物理常识相同，然而却与大脑计算TTC的方法并不相同，因为除了运动学变量还存在一个时间线索潜在地影响TTC估计。

2. 时间线索将影响TTC估计。当物体的运动学变量，例如对速度和位置地估计不可靠时，人们可以从时间结构，例如声音的远近来进行判断。

3. 个体通过整合多种形式的信息来进行行为相关的估计。在以往的研究中发现，个体可结合视觉信息与触觉信息来估计物体的大小，由此假设，个体将结合从视觉信息中获取的运动学变量和根据物体出现在不同位置的时间所推算出的消耗时间来进行TTC估计。

三、研究方法及结果

1. 实验1：在三种条件下让被试判断屏幕上以某一固定速度运动的长条从左侧目标移动到右侧目标所需要的时间。第一种条件下，运动的长条在刚开始时可见，随后被遮挡，这种条件被称为可见-遮挡。第二种情况下，移动条在整个路径中都被遮挡，但是在移动到屏幕中央的注视点时，会进行一次闪烁，这种条件被称为遮挡-闪烁-遮挡。第三种条件下，移动条刚开始时可见，而当移动到注视点时，会进行一次闪烁（与条件1不同之处），随后被遮挡，这种条件被称为可见-闪烁-遮挡。

实验1 的结果发现，在三种条件下，TTC估计均会受益于明确的时间线索，在遮挡-闪烁-遮挡条件下，没有速度线索的明确提示，而在可见-遮挡和可见-闪烁-遮挡这两种条件下，被试综合了速度信息和明确的时间信息来估计TTC。

2. 实验2：从实验1中可发现TTC估计受益于隐含的时间线索，即个体可利用时间信息，即使它不是以一个明确的位置的形式出现。为了验证这种隐含的时间线索是否用于估计TTC，研究者设计了可见-遮挡条件的一种变体，改变了可见段和遮挡段的比率，并推断，当可见和遮挡的时间间隔具有相同的持续时间时，受试者会发现时间信息更可靠，并为估计TTC给予更多权重。

实验2的结果发现，当可见部分于遮挡部分有相同的时间时，时间的统一性有助于被试提高他们对TTC的估计，也就是说被试除了利用速度线索外，还利用时间结构来提高他们对时间的估计。

3. 实验3：实验2清楚地表明，当路径的可见部分和遮挡部分相同时，TTC估计是最精确的。然而，当可见段和遮挡段的长度相同时，也有可能是由于受试者可以更精确地估计距离，所以性能得到提高。换句话说，受试者可能受益于距离同一性(相同的长度)而不是时间同一性(相同的持续时间)。虽然遮挡长度在所有实验中都是固定的，研究者还是进行了一项额外的实验来评估这两种属性中的哪一种有助于受试者评估TTC。由于距离和持续时间是通过速度联系在一起的，分离两者的唯一方法是使路径的可见部分和遮挡部分之间的速度不同。因此，研究设计了一种变型的可见-遮挡条件，在这种条件下，被试不知道，遮挡部分的速度比可见部分的速度快1.25倍。非同一性速度使距离和时间同一性分离。在一种情况下，可见距离和遮挡距离相同，但相应的持续时间不同，此条件为距离一致性条件。另一个条件为持续时间相同，为时间同一性条件。

实验3的结果表明，依赖于时间同一性的被试在估计TTC时，更为准确，说明被试受益于时间同一性。虽然该实验并没有排除距离同一性潜在的补充作用，但强调了时间信息在TTC中的重要作用。

4. 贝叶斯模型整合：实验1和实验3 证明了被试依赖速度和时间策略来估计TTC。而实验1中的外部时间线索、实验2中的内隐时间条件及实验3中的控制条件，均表示，除了受到速度和时间信息的影响外，被试还依赖于在实验中习得的先验知识。故假设被试反应遵循贝叶斯模型的预测，该模型将速度和时间信息与先验分布结合在一起。

为了检验该假设，研究者结合了来自路径可见部分的两个条件独立的测量值，一个与杆的速度相关，另一个与可见段的持续时间相关，并通过已经数据中估计出比例常数，来预测被试的行为并建模。通过贝叶斯模型估计，导出时间间隔的“主观”先验。这一公式并没有改变本研究关于速度和时间信息整合的主要结论，但提供了一个更好的整体行为拟合，表明被试者依赖经验观察样本形成了他们对时间间隔先验。

四、研究结论

1. 总的研究结果显示，个体进行TTC估计时，不仅取决于运动学变量的测量，还会利用从环境中收集到的时间信息来进行时间估计，并且自动地将时间策略与运动学信息结合起来，从而得到更准确的时间信息。

2. 实验1的结果表明，在明确时间线索可用时，个体会将时间信息与速度信息相结合，以获得更准确的TTC估计。

3. 研究二得结果显示，当去掉显性时间线索，被试可能会从环境中的隐形时间线索，即依赖时间的同一性结构来进行估计。

4. 该研究同样揭示了个体还有将感官信息与先验预期结合起来的能力。这种整合是在贝叶斯模型背景下进行的，它形式化了个体是如何整合先验预期与感觉线索来使时间估计更为准确。

五、研究意义

1. 现有理论表明，个体对动态刺激的反应是依靠对运动变量的内部估计来实现的。然而当动态信息不可靠时，个体还可能会依赖时间线索。该研究为此假设提供了证据，即证明了个体会依赖时间线索，并自动地将他们与运动学新信息结合起来，以优化性能。该发现揭示了大脑计时机制在感觉运动中的的重要作用。

2. 研究了物体被遮挡部分的时间估计。在现实生活中，对于遮挡部分的时间估计包括运动启动和根据感觉运动反馈进行调整两部分。物体何时开始运动是由其需要多少时间运动到目标的预测来决定，此阶段与TTC估计直接相关。本研究具体说明了大脑如何计算运动启动时间，并表明，认知或运动阶段的异常行为很可能时对环境中的时间信息特别敏感。

参考文献

Chang, C.-J., & Jazayeri, M. (2018). Integration of speed and time for estimating time to contact. Proceedings of the National Academy of Sciences, 115(12), E2879–E2887. https://doi.org/10.1073/pnas.1713316115