2021年2月11日

物体透明度降低了人对三维形状的感知

日本丰桥工业大学发现，当人们判断一个物体的厚度时，具有玻璃般透明光学特性的物体被认为比其实际厚度更平。这一发现可能在日常应用中很有用，比如帮助视力低下的人走路或自动驾驶的设备。

计算机科学与工程系研究生Masakazu Ohara领导的研究团队;电子学科交叉研究所Koida Kowa副教授;和新南威尔士大学(澳大利亚)的副教授Juno Kim发现，当人们判断一个物体的厚度时，具有玻璃一样透明光学特性的物体被认为比它们实际的厚度更平。

以前人们知道，金属或光滑材料制成的物体会被认为比实际厚度更厚，但现在的研究发现，透明材料令人惊讶地具有相反的效果。对影响厚度判断的图像线索的分析结果表明，人类可能会根据图像特征以局部亮度对比度的区域变化形式来感知厚度。有了这个计算模型，3d物体的形状可能被人类误解的图像类型现在可以被预测出来，这可能在日常应用中很有用，比如帮助视力低下的人走路或自动驾驶的设备。

物体表面的纹理对产品开发也非常重要，因为它吸引人的感官(如视觉和触觉)。我们可以从纹理的外观推断出很多东西。例如，对地面滑的意识与光泽和对表面材料组成的感知有关，但如果这种感知估计错误，在走路或开车时就可能发生事故。此外，当表面光泽或透明度被误解时，地面上的凸起也可能被误解。人类只需瞥一眼就能识别物体表面的纹理和光学特性，尽管所需的神经处理过程将是复杂的。因此，理解眼睛和大脑为我们提供纹理体验的机制继续产生重大的兴趣。

当人类的大脑观察一个物体时，它试图处理和理解击中物体的光照、物体的三维形状和表面的光学特性。当然，图像是通过物理和精确地结合这三个元素而产生的。然而，研究视觉系统如何处理这三个元素仍然是一个根本性的难题。有许多报告指出，人们的看法不一定正确。例如，如果一个表面是有光泽的，与无光泽的哑光表面相比，据报道，物体上的凸起应该显得夸张(Mooney & Anderson, 2014;发表在当代生物学)。

光泽度是一种光学现象，与光从物体表面的反射有关。然而，透明折射的性质也是物体的一种光学现象。不管透明度是否是一种基本属性，关于透明属性和三维物体感知的研究还有待进行。因此，该研究小组比较了透明的特性与传统的哑光和光滑表面，以了解不同的材料如何影响三维形状的感知。

实验参与者观看计算机屏幕上显示的计算机生成的球形物体(图1)，并要求他们沿深度方向估计厚度。制作了许多不同厚度和表面材料的物体进行比较。结果是，用透明材料构造的物体被认为比形状相同但材质不同的物体更平坦(图2)。即使在以下情况下，这种效果也会持续发生:i)物体的形状有凸起，ii)虚拟照明环境发生了变化，iii)物体的大小发生了变化，iv)物体向左或向右移动，以及v)只用一只眼睛观察物体。上述结果表明，透明属性通过不同的扩散和镜面反射方式影响人对三维物体形状的感知。

研究小组还分析了图像，以确定物体图像中什么样的线索有助于感知厚度。导致对厚度感知的最准确估计的因素是图像中局部对比度的区域变化量。局部对比是图像小区域内像素的均方根(RMS)对比，这种计算类似于视网膜和大脑早期视觉区域的神经元进行的计算。区域变化是由上述均方根对比度值在大视场范围内的总和的变化计算出来的。

研究小组发现，透明材料的特性会导致物体的3d形状被低估。然而，目前尚不清楚这些误解是单纯的错误还是单独机制的间接影响。造成误解的原因需要在以后的研究中进行详细的研究。

预测厚度感知的计算模型不仅有助于理解人类视觉系统的神经机制，而且还与预测人类可能误解物体形状或纹理的条件有关。

对均匀度的解释上的错误表面或者表面结冰是否会导致走路或开车时发生事故。在光泽度，透明度，或三维碰撞的情况下对象可以被误解，可以预期计算模型可以用在辅助行走的设备上，比如智能眼镜，或在发生事故前提醒司机的半自动驾驶功能。