ERP系统中的人脸识别技术研究

面孔是人们日常生活中最常见的事物，通过面孔认知（Face Recognition and Perception）这种基本而重要的社会行为，我们可以获得人的许多重要的社会信息（如年龄、性别、种族和情绪等）。对面孔认知的研究，不但有助于使我们从本质上了解面孔认知加工的基本规律和特点，对许多与面孔认知有关的现象（如面孔认知的发展、面孔认知的倒置效应、跨文化效应等）进行解释；而且有助于我们对人类一般知觉加工模式规律的认识。近30年来，有关面孔认知研究的方法主要有两类：一类是采用传统的实验心理的方法进行研究；另一类是采用ERP（事件相关脑电位，Event Re lated Brain Potential）、fMRI（功能性核磁共振成像）、PET（正电子发射计算机断层扫描）等脑成像技术进行研究。本节将对面孔认知ERP研究及其目前新进展进行探讨。

面孔认知的ERP研究始于20世纪60年代，其研究的重点是想通过ERP技术来揭示面孔认知现象的内在规律和机制。1965年Sutton采用对脑电的平均叠加法发现了与心理因素相关的内源性成分的P300认知电位后，Allision、Bentin等人开始通过ERP这种研究方法对人的面孔认知机制进行研究，这些研究成果主要有：①当给被试对象呈现各种面孔刺激时，能激发一个负向波（N170），而给被试对象呈现非面孔刺激时则不能；②在后颞叶（Posteri-or Temporal）的N170波幅最大，而且右半球要比左半球的波幅大；③当面孔被倒置呈现时，N170在时间上会有延迟，但波幅没有明显变化；④当单独呈现眼睛时，激发的N170波幅明显大于呈现整个面孔时的波幅。而单独呈现鼻子和嘴时，激发的N170波在时间上会有约50ms的延迟；⑤面孔内部特征发生扭曲时，引发的N170波形与正常面孔相似。根据以上结果，广大研究者认为N170波是反映面孔认知过程的重要的神经机制指标。

最近几年来，研究者在以往结果的基础上，又进行了大量的ERP研究，主要包括以下几个方面：

1.有关对面孔认知加工阶段的研究

早在1986年，Bruce和Young根据以往研究成果，提出了著名的面孔加工的多阶段认知模型。他们认为，对面孔认知加工应分为两个阶段：第一阶段是对面孔的知觉结构编码，这个阶段会进行面孔特征和空间结构的分析，包括两种编码方式：一种是静态图形编码，比如面孔照片的亮度、质地等；另一种是动态结构编码，主要指的是对面孔空间结构的编码。第二阶段，一条支路把面孔结构表征与存储在面孔识别单元（FRU）里的面孔结构表征进行比较，特征匹配时将激活相应的单元，并且获得有关面孔的语意记忆，完成最终的面孔识别；而另一条支路根据面孔的特征进行性别和表情的加工。

随后，许多研究者采用ERP的研究手段进行了大量的实验，对多阶段认知模型进行验证。

2.N170波

1996年，Bentin等人在对正立的面孔、倒置的面孔、扭曲的面孔、孤立的面孔特征以及非面孔刺激引发的ERP进行比较的实验中发现，只有刺激的是面孔时，才会在腹侧颞叶后部和脑部电极T5及T6处引发一个N170波，而汽车、手、家具等的刺激均不能产生N170波，而且N170波不但在正立的面孔中出现，在倒置的面孔或孤立的面孔特征中也能出现。因此他们认为，N170波反映了在面孔识别中的知觉编码阶段的特征，而不是后期的知觉加工阶段的特征。2000年，Bentin等人在对熟悉、不熟悉的面孔引发的ERP进行比较的实验中发现，在腹侧颞叶的N170波幅和潜伏期并不受面孔熟悉度的影响。这证明N170波反映的是面孔早期的预分类结构编码的特征。

Eimer在2000年的研究发现，从面颊和背面方向看，引发的N170波同从正面和侧面的相比有明显的削弱，这表明N170波并不是仅仅由整个头部知觉所引起的。缺乏内部特征的面孔引发的N170波同缺乏外部特征的面孔引发的N170波均会出现波幅削弱和潜伏期延迟，这说明除了内在特征，N170波还对面孔的外部特征也同样敏感。Cauquil等人在2000年采用面孔和非面孔图片为刺激的研究记录了被试对象注意单个眼睛或者闭眼的面孔时的N170波。他们的实验结果表明，N170波对于面孔的潜伏期是150ms左右，而对于眼是174ms。然而不管是眼睛或面孔的刺激，N170波的潜伏期和振幅均不受目标/非目标的影响。这个发现表明，N170波代表的面部加工的早期阶段是自动的和不受选择性注意影响的。

3.P350、N400、P600波(www.xing528.com)

1999年，Puce等人通过在皮层内记录ERP波的一系列研究在腹侧枕颞叶区域发现了与面孔识别相关的脑电成分。其中，在腹侧枕颞叶皮层处记录到的N200波形不会受到面孔熟悉性的影响，并且也没有表现出练习的习惯化效应，这表明N200波可能反映了面孔的预分类知觉分析阶段。而相反，在后侧和前腹侧颞叶皮层处记录到的更晚期的P350波幅会受到面孔倒置效应的影响，因此他们认为P350波产生于较晚期的面孔加工过程识别阶段。

在2000年，Eimer在实验中给被试对象呈现了熟悉的面孔、不熟悉的面孔、房子的图片，并且要求被试对象对偶然出现的信号——手的图片做出反应，记录被试对象看各种图片时的ERP成分，结果首先证实了Bentin在1996年得到的结果，同时他还发现，熟悉的面孔会在300～500ms之间潜伏期中引发一个N400波，随后在500ms后会出现一个P600波，这一现象在第一次出现熟悉面孔刺激时最明显，因为N400波和P600波对于面孔熟悉性的敏感，Eimer认为它们反映了面孔认知和识别的加工阶段。

综合以上结果可以看出，有关面孔认知加工阶段的ERP研究基本上支持了Bruce和Young的多阶段认知模型，证明对面孔的认知确实存在早期结构编码和晚期面孔认知的不同加工阶段。

4.有关对面孔认知倒置效应的研究

面孔倒置效应研究是面孔认知中的一个非常重要的方面。面孔倒置效应的ERP研究主要集中在面孔正立和倒置呈现时，对被试对象产生的N170、N400和P600三种波形进行比较。早在1996年，Bentin在实验中就已经发现，与正立的面孔刺激相比，倒置的面孔引发的N170波的潜伏期会有大约8ms的延迟。此后，Rossion等人在1999年以来的实验中也证实了这一结果，并且发现，对于倒置的其他物体则不会出现此延迟。因此，Rossion等人认为，这个N170波的延迟可能是由于倒置的面孔没有提供充足的结构信息。同样，在2000年，Liu等人采用灰白照片作实验材料，通过实验记录到面孔刺激比非面孔刺激在双侧枕颞叶（Bilateral Occipitotemporal）处引发的N170波具有更大的波幅；而且倒置的面孔与正立的面孔引发的N170波相比较，在波幅上没有显著差异，但是倒置的面孔引发的N170波的潜伏期有13ms的延迟，这一结果也与以往实验的结果基本一致。

2000年，Eimer采用正立、倒置熟悉的面孔和不熟悉的面孔以及房屋图片作为实验材料，探讨了面孔认知中倒置对N400和P600的波形效应。实验表明：与正立的不熟悉面孔相比，正立的熟悉面孔引发了N400和P600波，而倒置的熟悉和不熟悉的面孔通常均不能引发N400和P600波。

总之，对面孔认知倒置效应研究比较一致的结果是，由于倒置的面孔没有提供充足的结构信息，使倒置的面孔引发的N170波的潜伏期出现延迟。

国内外对面孔认知的ERP研究，通过探讨不同条件下对面孔识别的脑成分（波形）特性，验证和丰富了Bruce和Young提出的面孔识别模型，并提供了电生理学的实验证据。对于Bruce和Young在1986年提出的多阶段模型来说，面孔认知的事件相关电位研究结果能基本上支持这个模型，但由于这个模型中，认知系统本身具有模棱两可的不足，因此在今后的研究中，对这个模型的验证还需做进一步的探讨。比如在第二阶段中，对是否存在面孔言语分析和表情分析的平行加工，目前还少有研究，而且表情分析是否一定发生在结构编码时也有待证实。此外，以往的研究结果表明，梭状脑回对面孔的反应是以一种快速、强制的神经模式出现的。但这种模式是从人一出生就形成了的，还是在长期的生活经历中形成的，目前还没有得到实验数据的证实。最后，虽然以往面孔认知的研究中，已经对面孔认知中的结构信息和特征信息的不同作用、倒置效应、跨种族效应、儿童认知发展特点等问题进行了广泛的研究，但目前大多数研究都是通过行为实验，以正确率、反应时间作为实验指标进行的，而采用ERP技术，从脑、生理科学的层次来揭示面孔认知规律的研究相对较少。因此，总体来说，对面孔认知规律的ERP研究有助于从更深入的生理层次揭示其规律，值得进一步研究。