三層次分析?The Tri-Level Hypothesis

本期內(nèi)容旨在介紹這種分層分析方法。注意該方法現(xiàn)在仍廣為流程但也存在爭(zhēng)議，部分跨學(xué)科研究者認(rèn)為這三個(gè)層次不足以解釋問(wèn)題的所有方面。

Marr的三層次理論：

對(duì)于一個(gè)信息加工系統(tǒng)的研究?/ 研究認(rèn)知科學(xué)問(wèn)題，具有三個(gè)層次：

（1）計(jì)算層面?Computational (進(jìn)化)：系統(tǒng)正在解決信息處理問(wèn)題是什么 - 系統(tǒng)的目標(biāo)是？

（2）算法/表征層面?Algorithmic/Representation (認(rèn)知)：實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)需要哪些信息處理步驟和計(jì)算？

（3）物理實(shí)現(xiàn)層面?Implementation/Physical (神經(jīng)科學(xué))：物理設(shè)備，例如生物體，實(shí)際上是如何執(zhí)行這些信息處理步驟的？

該理論是在視覺(jué)科學(xué)的背景下開發(fā)的。

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舉例：鳥的飛翔

1. 計(jì)算層面：鳥在“飛”。

2. 算法層面：“扇動(dòng)翅膀”來(lái)達(dá)到“飛行”的目標(biāo)。

3. 實(shí)現(xiàn)層面：鳥的羽毛與身體構(gòu)造實(shí)現(xiàn)了物理上對(duì)“算法目標(biāo)”的實(shí)現(xiàn)。

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問(wèn)題舉例：視覺(jué)

1. 計(jì)算層面

????- 視覺(jué)的目的是什么？

????- 為什么生物體以這種方式感知世界？

????- 例如，為什么我們看到彩色？

2. 算法層面

????- 系統(tǒng)如何吸收能量并將其轉(zhuǎn)化為感知（主觀經(jīng)驗(yàn)）？

????- 我們是如何看到顏色的？

問(wèn)題：顏色恒常性

顏色恒常性Color Constancy：即使對(duì)象發(fā)出的光譜分布非常不同，它的顏色也往往被認(rèn)為是相同的。當(dāng)照射物體表面的顏色光發(fā)生變化時(shí)，人們對(duì)該物體表面顏色的知覺(jué)仍然保持不變的知覺(jué)特性。

對(duì)于某一個(gè)特定物體，由于環(huán)境（尤其是光照環(huán)境）的變化，使得該物體表面的反射譜不同。人類的視覺(jué)識(shí)別系統(tǒng)能夠識(shí)別出這種變化，并能夠判斷出該變化是由光照環(huán)境的變化而產(chǎn)生的，當(dāng)光照變化在一定范圍內(nèi)變動(dòng)時(shí)，人類識(shí)別機(jī)制會(huì)在這一變化范圍內(nèi)認(rèn)為該物體表面顏色是恒定不變的。

顏色知覺(jué)的恒常性與人的生活經(jīng)驗(yàn)密切相關(guān)，一個(gè)由于眼部疾病而從來(lái)沒(méi)有見(jiàn)過(guò)紅色的人，在眼疾治愈后的光亮中初次見(jiàn)到紅旗，可能確定它是紅色的。但是如果他在黑暗處初次見(jiàn)到紅旗，就不一定能把它“感知”為紅色。因此，顏色恒常性是指人對(duì)物體顏色的知覺(jué)，與人的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)、心理傾向有關(guān)，不是指物體本身顏色的恒定不變。

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如下圖：這個(gè)杯子的兩個(gè)箭頭處顏色一致嗎？

系統(tǒng)還將根據(jù)先前的經(jīng)驗(yàn)（學(xué)習(xí)）對(duì)顏色進(jìn)行“推斷”。

3. 實(shí)現(xiàn)層面

????- 視覺(jué)如何在人類中“實(shí)現(xiàn)”？

????- 視覺(jué)涉及哪些感覺(jué)器官和大腦的區(qū)域？

????- 人類的哪些部分進(jìn)行工作以合并來(lái)自以下世界（能量，波長(zhǎng)）的信息并依據(jù)以前的經(jīng)驗(yàn)引起知覺(jué)？【答案：眼睛（視網(wǎng)膜），視覺(jué)皮層（枕葉）】

三層次分析 - 視覺(jué)：

1. 計(jì)算層面（進(jìn)化）

????-?為什么我們要看到彩色？

????例答：因?yàn)轭伾梢詭椭覀兎直嬷匾奈矬w，例如食物。

????【這類答案通?；谶M(jìn)化論，看到顏色是進(jìn)化優(yōu)勢(shì)】

2. 算法層面（認(rèn)知）

????- 我們是如何看到顏色的？

????例答：來(lái)自世界的信息（能量、波長(zhǎng)）以特定的方式與先前的經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合。

????【描述涉及的所有“步驟”將構(gòu)成算法層面的解釋】

3. 實(shí)現(xiàn)層面（神經(jīng)科學(xué)）

????- 視覺(jué)涉及哪些感知器官和大腦的區(qū)域？

????例答：眼、視網(wǎng)膜、視皮層。

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Green的三層次分析：

Green’s Tri-Level Hypothesis

1. 行為Behavioral：一個(gè)人在某些任務(wù)task中的表現(xiàn)performance.

2. 認(rèn)知Cognitive：行為基礎(chǔ)背后的“設(shè)定的認(rèn)知”或“情感系統(tǒng)”

3. 生物Biological：指大腦的性質(zhì)。其中遺傳、環(huán)境和社會(huì)因素會(huì)影響并調(diào)節(jié)認(rèn)知系統(tǒng)。

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基本問(wèn)題：

- 對(duì)于正常的典型成年人，人類的X能力是什么？

- 正常的典型成年人如何（行使其能力達(dá)到）X？

- 正常的典型成年人的X能力與其 其余的認(rèn)知能力如何相互作用？

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計(jì)算假設(shè)Computational Assumption

（機(jī)械的，但不是還原性的）

- 鏈接假設(shè)：人的思想或大腦是一種計(jì)算設(shè)備（計(jì)算機(jī)）。因此，人類的認(rèn)知能力在很大程度上由計(jì)算能力系統(tǒng)組成。

- 系統(tǒng)假設(shè)：計(jì)算機(jī)是一種能夠通過(guò)輸入、存儲(chǔ)、操縱、輸出該信息?實(shí)現(xiàn)自動(dòng)輸入、存儲(chǔ)、操縱、輸出信息的設(shè)備?- 這些信息處理是根據(jù)一組有效的規(guī)則進(jìn)行的，這些規(guī)則在某種意義上在機(jī)器本身中是有效的。

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表征假設(shè)Representational Assumption

- 鏈接假設(shè)：人的思想或大腦是一個(gè)表征的裝置；因此，人類的認(rèn)知能力由表征能力系統(tǒng)組成。

- 系統(tǒng)假設(shè)：表征設(shè)備是具有狀態(tài)或內(nèi)部包含表征實(shí)體的設(shè)備。任何表征形式都必須具有四個(gè)基本方面。

（1）將由表征載體實(shí)現(xiàn)；

（2）將代表一個(gè)或多個(gè)表征對(duì)象；

（3）表征關(guān)系將以某種方式生成并深入；

（4）將由一些當(dāng)前存在的“解釋器”解釋（即，將作為其表示）。

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方法論假設(shè)Methodological Assumptions

- 基本問(wèn)題可以用狹義的信息處理術(shù)語(yǔ)來(lái)表達(dá)；

- 對(duì)人類認(rèn)知的研究可以側(cè)重于自然環(huán)境中的個(gè)體。文化和社會(huì)通過(guò)心理表征獲得影響；

- 認(rèn)知可以獨(dú)立于情感和個(gè)性來(lái)研究；

- 每個(gè)認(rèn)知能力可以獨(dú)立研究；

- 我們可以區(qū)分“正?！焙汀爱惓！闭J(rèn)知；

- 成年人足夠相似，足以談?wù)摗暗湫汀闭J(rèn)知。

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其它假設(shè)

- 認(rèn)知科學(xué)的解釋性策略是合理的；

- 科學(xué)方法規(guī)則（經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)）；

- 完整的認(rèn)知理論需要所有認(rèn)知科學(xué)子學(xué)科的貢獻(xiàn)；

- 基本問(wèn)題的信息處理答案受到神經(jīng)科學(xué)的限制。

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注意：Marr的理論與Green的理論等價(jià)：

1. 計(jì)算：行為、任務(wù) - 人們?cè)谔囟ㄈ蝿?wù)中會(huì)做什么？

2. 算法：認(rèn)知 - 認(rèn)知是行為的基礎(chǔ)。

3. 實(shí)現(xiàn)：生物、大腦 - 受遺傳、環(huán)境和發(fā)展因素影響的基本系統(tǒng)。

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小結(jié)：

認(rèn)知科學(xué)旨在理解世界上智能行動(dòng)的過(guò)程和表征。它是通過(guò)建立和測(cè)試這些過(guò)程的顯式模型來(lái)實(shí)現(xiàn)的。完整的模型至少具有3個(gè)級(jí)別：

- 計(jì)算（行為）；

- 算法（認(rèn)知）；

- 實(shí)現(xiàn)（生物）。

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本期內(nèi)容到此結(jié)束，感謝您的閱讀！下一期內(nèi)容將是思維的“自動(dòng)化”。

作者：離久-張所長(zhǎng)