作者:Jeff Johnson

“心理学家和神经生理学家一直都很忙碌,他们的努力也在很大程度上提高了人类对于感知和认识的理解。”

为了让我的新书《认知与设计》能够反映出人类在感知与认识领域的最新理解,我也得修正一下自己在这方面的知识。我上一次认真地钻研心理学已经是30多年前的事了。当然,人类的感知和认识在过去的30年中没有改变——甚至可以说在过去的3000年都没怎么变。但是在我完成心理学学位之后的这30年中,心理学家和神经生理学家一直都很忙碌,他们的努力也在很大程度上提高了人类对于感知和认识的理解。

在UXmatters发两篇文章后,我会总结一些在为新书收集信息过程中学到的新知识。第一篇文章聚焦在视觉感知。而第二篇文章会主要集中在阅读、记忆,以及认知时间常数上。

现代工业化社会已经让我们的视网膜圆柱细胞变得过时

在大学和研究生院,我学到了以下关于人类视觉的内容:

视网膜——眼睛在其表面成像——是在眼睛后面的,它有两种受光细胞:圆柱细胞和圆锥细胞。

圆柱细胞探知光线级别,而非颜色,圆锥细胞感知颜色。

有三种圆锥细胞,它们分别对红、绿、蓝敏感,说明人类对于颜色的视觉就是对红绿蓝三色像素的混合编码,就像是计算机和数码相机对颜色编码的原理。

“现如今生活在工业化社会的人们并不常用他们的视网膜圆柱细胞。圆柱细胞是为了让人类的先人在动物王国里昏暗的环境中看清物体而应运而生的……”

但是,我直到现在才知道的是——从Colin Ware的书《设计的视觉化思考》(Visual Thinking for Design)中——现如今生活在工业化社会的人们并不常用他们的视网膜圆柱细胞。 圆柱细胞是为了让人类及先人在动物王国里昏暗的环境中看清物体而应运而生的——比如,黄昏时,拂晓时,在夜里,或在乌漆抹黑的山洞里。我们——人类和动物——都在照明不太好的地方呆了很久,直到19世纪,那时电灯才发明出来并在发达国家得到了广泛应用。但是我们视网膜的圆柱细胞只有在光线水平较弱的地方才有用。亮光——甚至正常日光——使它饱和,产出的满分信号并不会产生有用的信息。

今天,我们当中生活在发达国家的人只有在吃烛光晚餐,经历夜间电力故障,在黑夜中野营,或月下漫步的时候才会用到圆柱细胞。在明亮的日光下或者人造光照环境中——我们多数时间在这里度过——圆柱细胞就完全达到最大值了。所有,视觉感知一般完全来源于圆锥细胞。

很多动物也能看见颜色

“真的没法知道动物到底能看到什么颜色,因为颜色并不是世界的一种客观属性,而是感知的衍生品——一种大脑制造出来用来分辨不同光线频率东西。”

虽然《认知与设计》是关于人类的书,为了筹备这本书我所阅读的材料让我了解了很多关于动物视觉的知识。比如,知道了我所了解的很多关于动物颜色视觉的事情都是不正确的。

我在少年时读到的所有关于动物视觉的书都指出灵长类动物——狐猴、猴、猿,以及人类——是唯一能看见颜色的动物。所有其他动物,我一直这样认为,只有感知亮度的细胞——即圆柱细胞——所以无法分辨颜色。这是错的!

事实上很多动物界中的不同种动物都可以识别颜色。但是,这并不能说明它们颜色视觉的工作原理和我们的相同,或者它们和我们看见的颜色也相同。真的没法知道动物到底能看到什么颜色,因为颜色并不是世界的一种客观属性,而是感知的衍生品——一种大脑制造出来用来分辨不同光线频率东西。所以说,很多动物也能感知颜色的意思是它们也可以分辨颜色。通常,这些颜色都是那些对于它们生存来讲至关重要的。而有些动物甚至可以分辨出比人类还多的颜色。

感知——意思是,分辨——颜色的能力要求动物的眼睛要有多于一种的光线感知器,其中每个都对不同频率的光敏感。如果所有动物的光线感知器都对同一范围内的光频敏感,那么动物就只能辨别明亮的程度,而非颜色。颜色的样本只有色调的不同,如图1所示,对于动物来说看起来也是同样的。

图1:上面三个样本只有色调的不同。下面三个展示出如果某种动物只有一种光感受器看起来会是什么样子。

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如果某个动物有两种以上的光感细胞,每个都对不同范围内的光频敏感,那么那种动物可能可以区分不同颜色。(我这么说是因为就算有些动物具有不同种类的光感细胞,它们的行为看起来也好像无法区分颜色似的。)令人惊奇的是,很多种动物,从昆虫到哺乳动物,都有两种以上种类的光探测器。

可以看见颜色的动物包括以下种类:

蜜蜂的眼中有三种颜色探测器,这样它们就可以分辨颜色了。与人类的不同,它们的光探测细胞对低频光完全不敏感,比如红光,但是对紫外线光却很敏感——比人类可以接受的频率还要高。所以说,蜜蜂可以看见我们看不见的颜色,反之亦然。

一些蝴蝶有4到6种光感受器,所以可以比我们看见的颜色种类更多。这说的通——蝴蝶的一生都在寻找有更多花蜜的花。

很多鱼和鸟都有4种光感受器,它们也能够比灵长类动物分辨出更多种的颜色。

狗的眼中有两类圆锥细胞。它们圆锥细胞的敏感性有点像人类的红绿色盲。所以,不要期待一只狗可以分辨出红色和绿色。

看不见颜色的动物如下所示:

公牛看不见斗牛士的红斗篷。像所有的家畜一样,公牛眼中只有圆柱细胞,所以它们不能感知颜色。在斗牛时,公牛只对斗牛士的动作有反应。只因为斗篷的传统颜色是红色,其实它也可以是紫色、粉色,或者绿色。想象一下绿色的斗牛斗篷!

几内亚猪只有圆柱细胞——而非圆锥细胞——所以它们无法分辨颜色。

猫头鹰没有圆锥细胞,所以他们不能分辨颜色。事实上,很多夜行性动物都缺少颜色视觉。这在进化上也说得通:它们几乎没有运用颜色视觉的机会。

南美洲和中美洲的夜猴虽然是灵长类动物,只有一种视网膜细胞,而且,也看不见颜色。其进化上的原因和猫头鹰类似:夜行性生活习性。

猫科动物是一种奇怪的物种:虽然它们的眼睛有3种圆锥细胞,但是圆锥细胞和圆柱细胞的比例却比灵长类动物低很多。也许这是因为——至少在野外的时候是这样——它们主要在夜间活动。猫科动物的行为看起来就好像是完全的色盲,但是在特定条件下它们可以分辨出橙红色物体和蓝绿色物体。

在视网膜的外围视觉分辨率显著下降

“受光细胞的密度从视网膜的中心——也就是凹形中心——渐进地向边缘降低……。”

当我还是心理学研究生的时候,受光细胞的密度从视网膜的中心——也就是凹形中心——渐进地向边缘降低,如图2所示。在凹形中心,有超过14万个圆锥细胞装载在每平方微米里,而在视网膜的边缘每平方微米中只有1万左右的圆锥细胞。这可是相差了14倍之多。虽然在凹形中心几乎没有圆柱细胞,它们在中心的周围确是十分密集——每平方微米16万个圆柱细胞——并且密度向边缘降低。

图2——圆锥细胞和圆柱细胞在人类视网膜上的典型分布(Lindsay and Norman)

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成像受体——特别是圆锥细胞——密度在凹形中心和视网膜边缘的巨大分别,在于视野中心和边缘从人眼到脑的分辨率信号差别也很巨大。有一个说明这种不同的方法是用眼科医生的视觉敏感度表,如图3所示。这张表展示了有着正常视力的人都够分辨出的在中心的字母和在视野边缘的字母大小的对比。

图3——视野中心和视野边缘阅读敏感度对照(Anstis)

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还有一个常识就是凹形中心的圆锥细胞和传输视觉数据的神经元细胞是一对一连接的,但是在视网膜的其他部分,都是多个成像细胞——圆锥细胞和圆柱细胞——与一个神经元相连。这意味着视觉边缘的数据是被高度压缩且在向大脑的传输过程中有很大损失,而凹形中心的数据在向大脑传输过程中几乎是没有压缩的。

“我们视觉中心的分辨率——空间分辨率和色彩分辨率——其实比其他部分大得多。”

但是从眼到脑的信号只是一部分的原因。现如今,多亏有了功能性核磁共振成像这样的技术,它使研究者可以观测脑部不同部位对刺激的反应,我们都知道了大脑对视觉的处理主要来自于凹形中心的信号。凹形中心只不过占了整个视网膜的1%的区域,但是大脑后部的视觉皮层用了50%的区域——也就是神经细胞——来处理凹形中心的信号。

所以,根据Gerd Waloszek的说法,我们的视觉中心的分辨率——空间分辨率和色彩分辨率——其实比其他部分大得多。如果你伸出胳膊,看着拇指,指甲的大小大概和凹形中心区域所能感知的大小差不多。如果盯着你的拇指指甲,大概可以在你视野中的那个小区域解析300象素每英寸。与之相对的是,在你的视野边缘,每个“象素”的大小大概有你伸出手臂手持的葡萄柚那么大。听起来有些夸张,因为一直以来我们的印象都是周围被高像素的图像所包围。但是,请你记住,眼睛是时刻都在大脑认为重要的地方对我们周围的物理环境进行运动——至少每秒3次——取样及重新取样。同时也要知道大脑会填充很多你的眼睛实际并没有感知到的细节。

举例来说,就在你读这篇文章的时候,你眼睛来回扫视,扫描和阅读。不论你看的是文字的哪个部分,都感觉好像看了整个文本一样。

现在想象一下你在一台特殊的电脑上看这个页面,而这台电脑可以记录下你的凹形中心的聚焦点。想象一下,无论你在看哪里,电脑都会清晰地显示页面中你的凹形中心所对应的区域,而页面的其他所有地方,显示的都是随机而无意义的文本。当凹形中心掠过这个页面,电脑也会相应地快速更新凹形中心所停留之处的正确文本,而之前聚焦过的那个区域重又回到乱码状态。根据认知科学家Andy Clark的说法,人们在测试中对此毫无察觉。不仅人们可以正常地阅读,他们还相信一整页的内容都是有意义的文本。很明显,直到科技进步到可以支持这样的试验——快速显示和眼球跟踪设备——否则就无法进行这样的实验。

总结

“在过去的30年中,人类对于视觉工作原理的理解有了令人兴奋的增长。”

在过去的30年中,人类对于视觉工作原理的理解有了令人兴奋的增长。在准备《认知与设计》这本书的写作过程中,我曾经认为仅仅需要更新小部分的知识,但没想到的是,更新的部分竟是如此之大。我希望这个关于视觉的简短新知识抽样传递出了一些关于这份知识的可能性。我鼓励UX设计师们好好思考一下我们对于视觉的新理解如何可以为用户界面的设计提高和充电。

查看英文原文Updating Our Understanding of Perception and Cognition: Part I

本文参与iTran乐译项目。