第7章 感觉：感觉是认知的起点
7.1 感觉是认知的起点
如果要模拟人的感知与认知，首先必须回答一个最基础的问题：
人究竟是从什么地方开始认识世界的？
通常人们会直接说：
人通过视觉、听觉、触觉等方式认识世界。
这句话没有错，但它仍然没有进入认知工程的层面。
因为“视觉”“触觉”“听觉”只是感觉系统的名称，并没有说明：
感觉系统到底产生了什么。
更没有说明：
这些产生出来的信息，如何进入后续的感知、对象识别、属性判断和认知匹配。
因此，在模拟人的感知与认知理论中，必须把“感觉”从一个生理概念进一步转换为一个可以进入工程系统的概念。
本书将“感觉”定义为：
个体与外部环境发生物理或信息交互后，由感觉系统产生的原始变化响应。
这里有几个关键词：
个体、环境、交互、变化、响应。
感觉并不是一个已经完成解释的数据。
例如，一个人用手触摸一个鸡蛋。
手接触到鸡蛋以后，皮肤上的压力感受发生变化。
这个变化本身就是感觉。
但是：
“这是一个鸡蛋。”
并不是感觉本身。
同样：
“这个鸡蛋很脆。”
也不是感觉本身。
甚至：
“我不能用力。”
仍然不是感觉。
这些都是后续的感知、属性形成、关系匹配和认知结果。
因此必须把几个层次严格区分：
外部对象
↓
物理变化
↓
感觉
↓
感知
↓
感知元素
↓
对象与属性
↓
认知这也是本书后续理论能够成立的第一道边界。
7.2 感觉不是“认识”
人在生活中经常把感觉和认识混在一起。
例如：
“我看到了一只杯子。”
从语言上看，这似乎只是一个简单的感觉。
实际上，这句话已经跨越了多个认知层级。
真正发生的过程可能是：
光线进入眼睛
↓
视觉系统产生变化响应
↓
产生视觉感觉
↓
形成颜色、轮廓、亮度、位置等感知信息
↓
这些信息形成若干感知元素
↓
元素之间发生组合
↓
形成一个对象
↓
对象被识别为“杯子”因此：
“看到”并不等于“感觉”。
“看到”这个词在自然语言中通常已经包含了感觉和感知两个过程。
为了建立工程理论，我们必须把它们拆开。
可以暂时表示为：
Sensation
↓
Perception
↓
Cognition其中：
- Sensation：感觉
- Perception：感知
- Cognition：认知
三者不能简单地视为同一个过程。
7.3 感觉来自交互
感觉不是凭空出现的。
必须存在某种交互。
例如：
光 → 眼睛
声音 → 耳朵
压力 → 皮肤
温度 → 皮肤
气味 → 嗅觉系统
味道 → 味觉系统但是从理论工程角度看，还可以进一步抽象。
感觉的产生可以表示为：
Environment
↓
Interaction
↓
Physical Change
↓
Sensor Response
↓
Sensation也就是说：
感觉是交互之后产生的响应，而不是对象本身。
例如，一个鸡蛋放在桌面上。
鸡蛋本身不是“压力感觉”。
只有当人的手指接触鸡蛋，并且产生压力变化时，感觉系统才产生相应的压力感觉。
因此：
鸡蛋 ≠ 压力感觉
接触鸡蛋
↓
产生压力
↓
压力发生变化
↓
感觉系统响应
↓
压力感觉这个区分非常重要。
因为如果机器人系统直接把：
Egg = Pressure作为静态知识，它实际上已经跳过了感觉过程。
而真正的模拟人认知系统必须能够处理：
对象
+
交互
+
变化
+
感觉7.4 感觉具有变化性
感觉最重要的特征之一，是：
感觉不是一个永远不变的值。
人的感觉通常来自变化。
例如：
手慢慢接近鸡蛋。
开始：
压力 = 0接触瞬间：
压力 > 0继续施力：
压力 ↑如果鸡蛋发生轻微变形：
形变 ↑如果手指开始滑动：
摩擦状态发生变化因此，感觉更接近：
S(t)而不是：
S也就是说：
感觉应该被理解为随时间变化的响应过程。
可以表示为：
Sensation(t)进一步，可以关注：
S(t)
ΔS
dS/dt
Trend(S)分别表示：
- 某一时刻的感觉状态
- 感觉发生了多少变化
- 感觉变化的速度
- 感觉变化的趋势
这为后面的动态属性理论打下基础。
7.5 感觉的强度
感觉并不是只有“有”和“没有”。
很多感觉存在强弱。
例如压力：
无接触
↓
轻微接触
↓
正常接触
↓
较大压力
↓
过大压力可以用一个连续变量表示：
P(t)其中：
P = Pressure但是这里需要特别注意：
压力感觉的数值并不等于“危险程度”。
例如：
压力 = 2本身没有足够意义。
还需要知道：
对象是什么？
对象能够承受多少压力？
当前是否发生滑移？
对象是否正在变形？
目标是什么？所以：
感觉值只是后续认知所需要的一个输入。
它不能直接等于：
认知结果7.6 感觉的方向性
某些感觉不仅有强度，还有方向。
例如触觉。
手指接触物体时，不仅可以感觉到压力大小，还可能感觉到：
- 压力方向
- 摩擦方向
- 移动方向
- 振动方向
- 物体相对运动方向
因此：
Pressure可能进一步成为：
PressureVector类似地，视觉也不仅仅是“看到颜色”。
还存在：
位置
方向
距离
运动
变化所以，感觉系统产生的并不是一个简单的单值。
它更接近一个动态状态集合：
S(t) =
{
intensity,
direction,
position,
frequency,
change,
time
}当然，这并不意味着人的大脑真的以这样的程序结构存储感觉。
这里是在进行理论工程抽象。
7.7 不同感觉通道
人的感觉并不是单一通道。
至少可以从工程角度划分为：
视觉
听觉
触觉
温度
嗅觉
味觉
平衡
空间
时间不同感觉通道具有不同的信息来源和响应方式。
例如：
视觉
主要涉及：
光
颜色
亮度
轮廓
位置
运动听觉
主要涉及：
声音
频率
强度
时间
方向
变化触觉
主要涉及：
接触
压力
摩擦
振动
形变
位置温度感觉
主要涉及：
温度
温差
升温
降温
变化速度但是这些感觉并不是彼此完全独立的。
人拿起一个杯子时，可能同时产生：
视觉
+
触觉
+
温度感觉
+
空间感觉
+
运动感觉因此，模拟人的感知不能简单设计成：
一个传感器
→
一个判断而应该考虑：
多个感觉通道
↓
同时变化
↓
感觉协同7.8 感觉不是知识库
这是认知工程中一个非常容易产生错误的地方。
传统系统往往喜欢把大量知识预先写进去：
鸡蛋
压力范围：X
摩擦系数：Y
抓取速度：Z然后机器人遇到鸡蛋，就直接读取这些数据。
这种方法可以解决一部分工程问题，但它存在明显局限：
它把动态环境中的实际感觉，退化成了静态知识。
现实中的鸡蛋并不是完全一样的。
不同鸡蛋可能存在：
大小不同
重量不同
表面湿度不同
表面粗糙度不同
蛋壳强度不同
温度不同
位置不同
姿态不同即使是同一个鸡蛋：
刚开始抓取和：
已经被抓住其状态也不同。
因此：
知识可以提供先验，但不能代替当前感觉。
这也是后面“个体认知”和“动态认知匹配”能够成立的重要原因。
7.9 感觉与当前状态
感觉具有一个重要特点：
它描述的是当前交互状态，而不是对象的全部知识。
例如机器人手指碰到鸡蛋。
当前感觉可能是：
Pressure = 0.8
Slip = 0.1
Vibration = 0.02
Temperature = 24这些数据只能说明：
当前发生了什么。
它们并不能单独告诉机器人：
应该怎样做。
真正的认知需要继续向后发展：
感觉
↓
当前状态
↓
对象
↓
对象属性
↓
动态变化
↓
关系
↓
匹配
↓
认知因此，本章讨论感觉时必须坚持一个原则：
感觉提供信息，但不直接提供完整认知。
7.10 感觉的时间性
人的感觉始终存在时间维度。
同一个对象，在不同时间产生的感觉可能完全不同。
例如：
t1：未接触
t2：刚接触
t3：开始施力
t4：压力增加
t5：出现滑移
t6：调整力量
t7：保持稳定如果只保存：
Pressure = 3那么大量信息都会丢失。
而如果记录：
Pressure(t)则可以看到：
0
↓
0.5
↓
1.0
↓
1.8
↓
2.1
↓
1.6这时系统才能知道：
压力正在增加，随后又下降。
因此：
时间不是感觉之外的附属信息，而是感觉本身的重要维度。
7.11 感觉的变化比感觉值本身更重要
假设两个时刻：
t1：压力 = 2
t2：压力 = 2如果只看数值：
2 = 2似乎没有变化。
但是如果进一步观察中间过程：
t0：1
t1：3
t2：2那么系统会发现：
压力曾经快速增加，然后下降。
这可能意味着：
- 手指进行了调整；
- 物体发生了移动；
- 出现了滑移；
- 控制动作发生了变化。
因此，在模拟人的认知中：
状态值本身只是一个截面，变化过程才可能揭示真正的行为信息。
这正是本书后面提出动态属性理论的基础。
7.12 多感觉共同描述一个对象
人在认识一个对象时，很少只使用一种感觉。
例如一个人拿起一个杯子：
视觉告诉他：
轮廓
位置
大小
颜色触觉告诉他：
接触
压力
表面
摩擦温度感觉告诉他：
冷
温
热空间感觉告诉他：
位置变化
距离变化
方向变化这些感觉最终并不是各自形成一个独立世界。
它们需要进行组合。
可以抽象为：
Visual(t)
+
Touch(t)
+
Temperature(t)
+
Position(t)
↓
Multi-Sensation State但是此时仍然不能直接称为“认知”。
因为：
多感觉组合还只是感觉层面的综合。
下一步还需要形成：
感知元素这将成为第9章讨论的核心。
7.13 感觉与对象之间不能直接建立固定等式
这是整个理论体系中非常重要的一点。
不能简单建立：
感觉 → 对象例如：
压力大 → 鸡蛋这是错误的。
同样：
温度高 → 热水也不是必然成立。
因为一个感觉可能对应多个对象。
例如：
压力感觉
↓
鸡蛋
玻璃
塑料
金属
木头
人体反过来，一个对象也可以产生多种感觉：
鸡蛋
↓
视觉
触觉
压力
温度
空间
重量因此应该建立：
感觉 ←→ 元素 ←→ 对象而不是：
感觉 = 对象这就是为什么下一章必须引入“感知”。
7.14 感觉、感知、认知的第一层结构
到这里，我们可以建立本书最基础的三级结构：
第一层：感觉
外界变化
↓
感觉响应
第二层：感知
感觉
↓
信息组织
↓
感知元素
第三层：认知
感知元素
↓
对象
↓
属性
↓
状态
↓
关系
↓
动态匹配
↓
认知因此：
感觉不是认知的缩小版，而是认知系统的输入基础之一。
这一区分非常重要。
7.15 感觉工程化
如果把这一理论进一步工程化，一个感觉对象至少应该能够描述：
Sensation
{
channel
value
intensity
direction
position
time
change
source
}例如：
Touch
{
channel: "touch",
pressure: 1.8,
direction: "down",
position: [x, y, z],
time: t,
change: +0.4
}这里并不是说真实人的神经系统就是这样工作的。
而是为了建立：
能够被程序、算法和认知系统处理的理论结构。
这就是本书所说的“理论工程”。
理论必须能够逐步转换成：
概念
↓
变量
↓
状态
↓
关系
↓
结构
↓
算法否则理论无法进入工程。
7.16 感觉数据不应该直接决定行为
假设机器人检测到：
Pressure = 3不能直接得出：
Reduce Pressure因为系统还不知道：
对象是谁？
对象能够承受多少？
当前是否稳定？
是否正在滑移？
任务是什么？
之前发生了什么？所以正确过程应该是：
感觉
↓
感知
↓
元素
↓
对象
↓
属性
↓
状态
↓
变化
↓
关系
↓
认知匹配
↓
决策
↓
行为这与传统的：
Sensor
↓
Rule
↓
Action存在本质区别。
后者可以是一个控制规则。
前者才开始接近：
模拟人的感知与认知过程。
7.17 从“感觉值”走向“感觉状态”
因此，本书不把感觉简单定义成一个数字。
更准确地说：
感觉是个体在特定时间、特定位置、特定交互条件下产生的动态响应状态。
可以表示为：
S = f(
channel,
value,
intensity,
position,
direction,
time,
change
)而这个状态并不是最终结果。
它还需要进入下一层：
Sensation
↓
Perception也就是：
感觉如何被组织成可供认知系统使用的感知信息。
7.18 本章小结
本章建立了“感觉”在整个理论体系中的位置。
我们首先区分了：
感觉 ≠ 感知 ≠ 认知然后确定：
感觉来自个体与环境之间的交互。
感觉具有：
强度
方向
位置
时间
变化等特征。
感觉不是静态知识，也不是对象本身。
它是：
外部变化
↓
交互
↓
感觉响应形成的动态信息。
因此，模拟人的感知系统不能仅仅建立一个静态传感器数据库，而应该能够持续接收：
当前值
+
变化
+
时间
+
关系并将这些感觉组织成为更高层次的感知元素。
最终，本章形成第一条基础链：
环境
↓
交互
↓
变化
↓
感觉
↓
感知下一章将继续解决一个关键问题：
感觉只是原始响应，人是如何把这些感觉组织成“可感知的信息”的？