模式识别以及模式识别理论假设1

知觉认知中几种主要的模式识别理论表征

及加工分析

“模式”是指刺激的空间组合和时间组合，或说由若干元素按一定关系集合在一起组成的一种结构。如视觉模式、听觉模式、嗅觉模式等。一个物体、一个单词、一种语音，甚至一种特定芳香都是模式。复杂的模式往往由若干元素按一定的关系组成的一种结构。

模式识别就是确认模式是什么，并把它同其它模式区分开来，或说把输入模式的信息同长时记忆中有关信息进行匹配，并辨认出该刺激属于什么范畴的过程。

人的模式识别的特点

（1）对言语识别的能力是人所特有的

动物也能进行模式识别，如分辨有害和无害刺激、选择伴侣、构筑巢穴，但这些模式识别都是低级的，只是为了适应环境和维持生存。人由于能识别语言，因此可以进行人的劳动和创造。

（2）人的模式识别具有复杂性

人能区分各种不同的模式，从简单的线条到复杂的物体形状，从自然界的花草树木、虫鱼鸟兽到人类自身，从宏观结构到微观结构，人类能识别的刺激模式，其数量是无法估量的。

人还能在模式出现广泛变异的情况下完成识别任务。如邮局里分信的工作人员，能识别千差万别、形状、大小各异的文字。

模式识别过程

模式识别过程包括分析、比较和决策三个基本环节。

1．分析：识别过程的第一个阶段是分析。即把感觉记忆中的信息分解成它的各个组成部分，如把字母A分解成左斜线、右斜线和一条水平线三个组成部分。这种分析过程非常简单，在这个过程中提取出来的信息根感觉记忆中内容没有什么变化。

2．比较：模式识别的第二个阶段。即把分析阶段抽取出来的信息与长时记忆中已有的信息进行比较，比较的方式有两种——串行加工和平行加工。

串行加工（序列加工）：即输入的模式与长时记忆中的编码一个接一个地进行比较，然后再确定与哪一个编码匹配的最好。这种加工是耗费时间的。经验告诉我们，人的模式识别往往进行的很快，因此，识别系统把刺激与记忆编码比较时，可能采取了另一种加工方式。

平行加工（并行加工）：是指许多独立的比较同时进行，就是说，在模式识别中，刺激可以同时地与许多内部记忆编码进行比较，而整个过程所需的时间，差不多等于刺激与单个记忆编码进行比较的时间。这种加工方式是节省时间的，如在众多物体中识别自己熟悉的一个物体往往采用平行加工。

3．决策：模式识别的第三个阶段。即判定哪个记忆编码同刺激模式是最佳的匹配，决策之后就达到了对模式识别的完全识别。这时，一般地可给刺激“命名”，如看到“大”这个刺激模式时，给出它的发音。模式识别的简单模型可以很清楚的说明模式识别的过程。

模式识别过程的两种加工

在模式识别过程中，信息的流程不是单向的，而是双向的。它既依赖于外部的刺激模式，又依赖于记忆系统中的信息。即它既有自下而上的加工，又有自上而下的加工。

所谓自下而上的加工是指人脑直接接受由感觉输入的信息，经过编码，产生各种内部表征。所谓自上而下的加工是指人脑根据已有的知识结构，组织和调节外部输入的信息。人的模式识别就是两种加工相互作用的结果。模式识别中自下而上的加工，可以用特征提取来说明。在知觉几何图形时，是一个由部分到整体的过程自上而下的加工，完成句子中所缺的词。

人在模式识别过程中，两种加工是相互联系相互补偿的。在模式识别的早期阶段，自下而上的加工起重要作用，而在后期阶段，自上而下的加工起主要作用。

模式识别的理论为了进一步描述的模式识别，人们的模式识别时使用的记忆编码及这些编码的使用等问题，作了一些探讨，提出了三种假设，这三种假设是：

模板匹配假设、原型匹配假设和特征分析假设

一、模板匹配说

这种假设认为，模式识别是将一个刺激模式提供的信息，与长时记忆中已经存储的该模式的表征相匹配。这种表征叫该刺激模式的模板。当刺激模式与模板完全匹配或重叠时，该刺激模式就被识别了。这就是模板假设的内容。通俗地说，墨半如同“拷贝”，它与刺激模式之间存在着一一对应的关系，即对我们识别的刺激来说，都有一个用来与它进行匹配的内部拷贝。根据这一假设，刺激的感觉形象经过第一阶段的分析后，基本上不变的被传送到第二阶段去加工。在这个阶段上，与长时记忆中的许多模板进行匹配。通过比较，某一模板可能与刺激感觉形象匹配的最好。于是，决策过程把这一获得最佳匹配的模板选出来。这时，模式也就被识别了。比如说：我们识别一个“大”字，根据模板假设的规定，在长时记忆中有了一个拷贝（模板），每当“上”字作为一个刺激呈现时，它的视觉形象就与长时记忆中的许多模板进行比较，比较结果，记忆中关于“上”字的模板获得最好的匹配，因此，人们就把这个模式识别为“上”。

模板匹配假设比较容易在计算机上加以实现，例如银行使用的提款机卡、图书借阅卡、饭卡等就是根据模板匹配的原理设计的。

模板匹配假设过于朴素和简单，难以解释人的模式识别。从这一假设本身来看，它认为为了识别每一个在形状、大小或方位上稍有变化的模式，长时记忆中就应该具备一个相应的模板。从人识别模式实际情况来看，人能在模式的物理属性广泛变化了的情况下进行模式识别。比如说，人可以识别不同手写体的字（汉王、计算机、手机手写板），当字形在大小、方向、清晰度等方面出现某些变异时，识别似乎困难。按严格的模板匹配假设，这只有在头脑中事先存储了各种模式的模板，识别才能进行，由于模式的变异较大，因而建立了相应的模板，其数量必然很大，依靠这种方式来识别的模式是不经济的。

为了克服模板匹配假设中的这一缺点，有人对模板匹配假设提出了修正，当刺激模式与模板不完全吻合时，必须经过一个预处理过程，将输入的信息加以调整，使之“正常化”，这就大大减少了某一刺激模式在头脑中相应的模板的数量。如图：识别一个不规则字母A。

修正后的模板匹配假设遇到了一个逻辑问题，如果要纠正刺激模式的方位和大小，就必须知道合适的方位是什么样子的。这就等于说“已经”知道刺激相当于什么模式了。这不是匹配之前预处理要做的事情，而恰恰正是模式识别本身要做的事情，即它应该是模式识别的结果，而不是识别的过程。当然，如果刺激模式变异过大，如A变异成R，此模式就会被当成一种不相识的模式而遭到拒绝。

为了克服模板匹配假设的局限性，一些心理学家提出了原型匹配假设。

二、原型匹配说

（一）什么是原型匹配假设

原型（prototype）是指头脑中存储着代表一组物体关键特征的表征，即表示一组物体基本成分的一种抽象的形式。如：树的原型可能是树干、树枝和树叶，狗的原型可能是两只眼睛、四条腿、尖的牙齿、身上有毛等。因此，在这个意义上，原型不仅是对一类刺激的概括，也是这类刺激在头脑中的最优代表。

原型匹配假设认为，存储在长时记忆中的信息不是模板，而是原型。原型与刺激模式不是一一对应的关系。因此，模式识别就是要确定一个物体是否同原型相匹配，如果匹配了，这个物体就被识别出来了。

（二）支持原型匹配假设的实验

1971年，弗兰克斯（J.J.Franks）和布兰斯福德（JDBransford）用实验证明了人的模式识别可能存在着原型匹配的过程。他们用一些稽核图形构成的原型，然后经过左右位置互换、内外位置互换、删掉一个几何图形等形式改变原型，这些改变了的图形即为变型，如图所示。实验时，先给被试呈现这些变型，然后让他们进行再认测验，测验的项目有些是被试看见过的变型，另一些是被试没有见过的新变型，以及这些原型本身，要求被试指出哪些项目是以前见过的并评价自己的确信度。结果发现，尽管被试以前没有见过原型，但对它的确信度评信度最高。这一实验表明，被试从一组有关模式的经验中，抽取了这组模式的原型，同时，也可以看到，被试在识别那些变型时，利用了这个原型，是把它们与原型进行比较。

三、特征分析假说

（一）什么是特征分析假设

特征分析假设认为，各种刺激在长时记忆中的表征是一张表，表上登记着该

种刺激所具有的那些特征的名称，这种表叫做“特征表”。人的识别系统在接受一个输入刺激的信息后，首先对它的特征进行分析，找出输入刺激具有哪些特征，然后把它们与长时记忆中的各种特征进行比较。一旦长时记忆中的某种特征表征与刺激特征获得最佳的匹配，这个刺激就被识别了。

（二）“群魔堂”模型

1959年，塞尔弗里奇（O.G.Selfridge）提出了一个计算机模型，即群魔堂模型，形象的说明了模式识别的特征分析系统。这个模型认为，识别一个模式要通过几个阶段或层次。在每一个层次上，都有一些小鬼，他们各自担负着不同的工作，起着不同的作用。第一层小鬼叫图像鬼，它的作用是把外界信号登记下来，第二层小鬼叫特征鬼，它对图像鬼保留下来的映像进行分析，找出他们的各种特征，以对字母的特征分析为例，有的特征鬼负责分析垂直线，有的负责分析水平线，有的负责分析角……一个特征鬼发现了正在寻找的某一特征时，它就喊叫起来。或发出信号，这个特征鬼分级的，第三层小鬼是认知鬼，认知鬼相当于前面说的特征鬼，认知鬼的任务是注意来自特征鬼的信号，寻找由特征组成的某一特定模式，因此，认知鬼代表一种模式，认知鬼如果发现许多作出反映的“特征鬼”是源于自己的特征，就大声地叫喊；否则叫喊的声音就小，或者不作声。例如：识别字母Q时，同时叫喊起来的认知鬼有Q\O\R等，其中Q的喊声音大。第四层小鬼交决策鬼，它要来自所有认知鬼的呼声，并决定谁发出的信号最多，因而识别出环境种出现的模式，还如上说，由于认知鬼Q的呼声最高，而O\R的呼声次之，因而识别出环境种出现的模式，还如上说，由于Q贝选中被认知出来，群魔堂型它似乎不够严肃，但有它合理的地方。

（三）特征分析的生理学和心理学依据

1.特征分析的生理学依据——感受野的研究

感受野（receptise field）,在感觉系统种，能够引起某一神经细胞反映的受刺激的区域，就是该神经细胞的感受野，1928年E.D阿林瑞恩在研究皮肤感受中提出感受野的概念。1940年H.K Harfline的研究又发现，刺激蛙的视网膜的某一特定区域时，与之有联系的神经纤维产生电反应，于是他把视网膜上这一特定区域，称为这个神经纤维的感受野。60年代由于微电极技术的发展，使这一领域的研究更加深入，H.K休伯尔和T.N.威瑟尔在研究猴的大脑皮层细胞的感受野时，把

大脑皮层细胞区分为简单细胞、复杂细胞和超复杂细胞，他的发现这些细胞具有不同的功能，如有的对直线反应，有的对角反应，有的对线条方向反应命他的把这些具有特征觉察功能的脑细胞称为特征觉察器。

根据休伯尔和威塞尔的研究，视觉系统是个特征分析系统，在视觉系统的不同层次或水平上存在着不同的特征觉察器。它的从外部输入的刺激中，提取不同的特征信息，实现对模式的识别。

2.特征分析的心理学证据

认知心理学的许多实验支持了特征分析说。

（1）Neisser（1963-1965）进行的视觉扫描实验，为特征分析说提供了证据，让被试快速扫描一系列的字母（每行6个共22行），并尽快搜索出靶字母如E。材料分成两组（据靶字母与组内其它字母的相似程度）：第一组－低相似组；第二组－高相似组。结果发现，在第一组材料中搜索靶子字母比第二组快，说明被试在扫描时使用了特征信息，只需确定某个字母是否具有曲线特征，就能确定它是不是E，这一实验结果时推翻模板说，因为如果被试对靶字母的识别时模板匹配，那么对两组材料来说，搜索靶字母的时间应该时相等的。

（2）王甦固定网像实验

上述研究表明，特征是知觉的单元，一些特征和单元的结合构成我们所识别的模式，特征的抽取和结合往往是意识不到的。

（四）特征分析说的特点及问题

特点：

1.依据刺激的特征和关系进行识别，就可以部受刺激的大小、方位等其他细节，避开预加工的困难和负担，是识别具有更大灵活性和适应性，

2.同样的特征可出现在许多不同的模式中，必然极大地减轻记忆的负担。

3.由于需要获得刺激的组成成分的信息，即抽取必要的特征和关系，在加以综合，才能识别，这使模式识别过程可带有更多的学习色彩。

问题：

特征分析说只强调自下而上的加工，缺少自上而下的架构，使一个典型的从局部加工到整体加工的理论。