1.2　人类的视觉系统和视觉功能

在日常生活和工作中，人们常常用各种赞美的语言来描述和形容自身的眼睛或视觉。如水汪汪的大眼睛、眼睛是心灵的窗户、要像爱惜自己的眼睛那样爱惜珍贵的物品、眉清目秀、眉目传情、目光炯炯、目光如炬，以及一目了然、一目十行等。足见眼睛及视觉对人类的重要性。人眼为什么能从不完整的轮廓中识别出有意义的图案；能够分辨微小的细节；能够感知各种绚丽的颜色；可以获得空间立体知觉？又为什么能够看到钟表秒针的运动而分针和时针看起来不动？这些问题，涉及人眼的轮廓与形状视觉、图形视觉、视敏度、颜色视觉、立体视觉、运动视觉等功能，参见图1‐1。

图1‐1　人眼的各种视觉功能

图1‐2所示的辐射状图案，无论怎样聚精会神去观察，整个图案看起来总是不稳定的，或晃动，或闪烁，或沸腾。这是因为眼睛总是在不断地搜索和微调。注视图1‐3的灯丝图形约一分钟，然后将目光快速移开到旁边的白纸上，又是另外一幅奇妙的景象:原来白色的灯丝变成了黑色，而黑色的地方却变成了白色背景。稍后我们会知道，这种黑白色或彩色反转的像称为视觉后像，将在以后的章节中讨论后像产生的原因。

图1‐2　视觉不稳定图案

图1‐3　奇妙的后像

俗话说，“耳听为虚、眼见为实”，指的是听到的不一定准确，而亲眼看到的才是真实可信的。而事实上，眼睛感觉到的也不一定都是准确无误的。请看图1‐4所示例子，左边的图形看起来歪歪扭扭，其实每一条横线都是平行线，此类错觉是由背景的干扰而引起的，这也提示我们在作装璜与工程设计时必须充分考虑视觉的特点和规律。在注视右图中心黑点的同时，将身体以一定速度向前倾或向后仰，可以感觉到内外两个圆环在转动，而且转动的方向相反，这一现象可以归类为一种特殊的运动视错觉。

图1‐4　图形视错觉与运动视错觉(www.daowen.com)

视觉系统在结构上可分为视觉光学系统和视觉神经系统两部分。视觉光学系统指的是从角膜到视网膜的眼球光学系统，包括角膜、房水、晶状体和玻璃体等光学元件。此外还有一个可迅速改变直径的瞳孔，用以调节进入眼球的光通量，相当于照相机的光圈，位于眼底的视网膜的作用则相当于照相底片。整个视觉光学系统类似于一架照相机，但前者的功能又远非照相机可比拟。视觉光学系统的作用并不仅仅是将周围景物如实地成像到视网膜上，而且具有更高级的信息接收、转换、传递和分析功能。视觉神经系统则包括从视网膜到大脑视皮层的视觉通路的各级神经元。这些神经元的轴突或树突在纵向形成复杂的突触结构，将视觉信息逐级向上传递和处理，同时在横向也形成一定的突触连接，以利于信息的整合，使人眼感知的景物构成完整的整体，并使我们获得立体视觉、运动视觉等高级视觉功能。事实上，即使在大脑视皮层，视觉信息也存在由低到高、由简单到复杂的逐级传递、整合和处理的过程。比如，位于大脑功能定位区的17、18和19区的视皮层中，存在简单型神经细胞、复杂型神经细胞、超复杂型神经细胞乃至“教皇”细胞等层次。借助于复杂和完善的视觉系统，我们获得了无与伦比的视觉功能。

人眼能接收的光亮度（Brightness）具有很大的动态范围。研究发现，一个光子的强度即可引起视觉系统的反应；而在夏日正午炽热的阳光下，我们依然具有良好的视觉。在光度学上，往往采用绝对黑暗、一个光子、星光、月光、月面、白昼、日光到日面等来描述亮度的不同等级。人眼可以在其中的绝大部分亮度下均获得适宜的视知觉，亮度值跨越从10^－6mL（毫朗伯，1mL＝3.183cd/m²）到10⁸mL的广阔区域，即100万亿倍。视觉的这种接收和分辨能力，是听觉等其他感觉所不能比拟的。在不同的光亮度下，我们拥有不同的视觉。从10^－6mL（绝对刺激阈）到1mL（月光下的白纸）表现为暗视觉，在1mL和10⁷mL之间为明视觉，暗视觉和明视觉之间由间视或混合视觉过渡。超过10⁷mL的亮度，如中午的日面，可能对视觉系统造成损伤，不过，那已经是自然界所存在的个别极端亮度。在现实生活和工作中，人眼对光亮度的动态接收范围，已经足以保证我们观察和欣赏这个生机勃勃的世界了。

我们生活在一个色彩斑斓的世界中，为此拥有十分完善的颜色视觉功能。人眼可见的光谱范围大约在波长380～780nm（纳米，1nm＝10^－9m）之间，虽然这一范围在整个电磁波谱（从10^－14m的宇宙射线到10⁶m的无线电波）中显得微不足道，但却包含了太阳光谱中最主要的波长范围，因此已足以感受日常生活和工作中的几乎全部颜色。如波长380～400nm的光被感知为紫色，435nm的光为蓝色，此外还有蓝绿色或青色（500nm），绿色（540nm），黄色（590nm），橙色（620nm），红色（700nm）等。其中红、绿、蓝为一切色光的基本色，称为三原色，利用不同比份的三原色可以混合匹配出任何颜色。据计算，人眼可以区分数百万种不同的颜色，或者说能够区分出它们之间的差别，在现实中，大多数人大约能分辨数万种颜色。

根据大爆炸理论，宇宙是一个四维的时空，其中的一维是时间，空间是三维的。为了适应这个三维的立体世界，人眼不仅具有明暗、颜色及形状视觉功能，而且还进化形成了良好的空间知觉和立体视觉功能。立体视觉功能得益于我们的双眼，它们在各自的位置同时观察周围的景物，获得两幅相同而又略有差别的视网膜像，这些差别称为双眼视差。大脑根据视差的大小将来自双眼的图像信息重新整合，使我们获得与实际景物一样的深度感。可见，大脑并不是将来自双眼的图像作简单的叠加，而是经过了光学、生理学乃至心理学的处理，最终形成立体视觉。尽管单眼利用景物的亮度、阴影、大小、颜色等暗示也可获得立体视觉，但这是日常经验型的立体视觉。真正的立体视觉，其基础是双眼视觉所包含的双眼视差，这已被随机点立体图对所证明。当双眼同时观察随机点立体图对时，只要左右图对中存在视差，同样可获得逼真的立体效果。而用单眼分别观看这些图形时，只能看到成百上千个毫无规律的随机点。

运动视觉是人类的另一种高级视觉功能。运动是自然界一切事物的永恒主题，世界总是处于不断的运动和变化之中，运动视觉也是动物为适应自然而不断进化的结果。对于某些动物如蛙类、猎鹰、蜜蜂及苍蝇而言，运动视觉是它们赖以生存和繁衍的最重要手段。实际上，蛙类几乎没有静止视觉，即使在它们的周围布满了昆虫，如果昆虫一直静止不动，蛙类也可能因看不见食物而饿死。与此相比，人类不仅具有完善的静止视觉，而且还具备良好的运动视觉，拥有对空间、时间、运动速度、运动方向的快速分辨和响应能力。也许人们都有这样的体会，在一片沙子中找一只静止的蚂蚁十分困难，而一旦蚂蚁爬动，我们就能立刻发现它。因为在这种情况下，我们仅需提取有用的运动信息，而对静止的目标视而不见，从而大大节约信息的处理量，保证我们能迅速找到它们的位置，并判断其运动速度和方向。在这些场合，运动目标的结构细节并不重要，只要能分辨它们的大致轮廓即可，重要的是它们的运动速度和运动方向信息。运动视觉的这种功能在军事上尤为重要，如我方飞机从空中搜索地面上的敌方坦克，如果坦克经过伪装且静止不动，就很难被发现；而当坦克移动时，就可轻而易举地发现并摧毁它。此外对于驾驶员等特殊职业的人员，运动视觉的作用也远远超过静止视觉。

人眼接收的光学信息中所存在的运动变化的物理刺激可以引起运动视觉，此时运动信息在空间和时间上均是连续的，所产生的运动视觉是真实的。但运动视觉的产生并不一定需要存在真实的运动物理刺激。空间上离散的目标，只要它们在适宜的时间内依次连续出现，同样可引起运动感。最典型的例子是城市中的霓虹灯。当一串灯泡被依此点亮时，在人们看来似乎是一个灯泡在向前运动；当两个间隔不远的灯泡被轮流点亮和熄灭时，其视觉效果似乎是一个灯泡在作往复运动，这种运动视觉称为表观似动或视在运动（Apparent motion）。此外，人眼还能产生许多运动视错觉。当一片云彩从月旁飘过时，我们往往认为云彩不动而月亮在动；理发馆门前旋转的彩条招牌，明明是在作水平旋转，看到的却是彩条在垂直方向运动；当你坐在静止的列车上通过车窗观察另一列从旁边缓缓驶过的火车时，可以明显感到是自己的列车在作反方向的运动而窗外的火车不动。运动视错觉有时可加以利用，如地面上的航空模拟器，只要在封闭的机舱前面设置一个显示屏作为观察窗，就可模拟飞机起飞、降落时的跑道情况及飞行时的飞行姿态，从而大大节约飞行员的培训费用，并降低危险性。但在某些场合，视错觉是又有害的，有些飞行员在云层间飞行时，明明飞机处在正常姿态，却常常发生飞机在倒飞的错觉，最终可能导致飞机失事。有关运动视觉的研究，将在第八章详细介绍。

在运动视觉中，还存在许多有趣的现象。当转动头部扫视周围景物时，尽管景物的视网膜像在作相应的移动，而在人眼看来景物并没有动，因为大脑已经对眼球的运动信息作出补偿。与之相反，尽管图1‐5所示的图形及其视网膜像并不存在转动，但当扫视该图形时，似乎感觉到其中的圆环在慢速转动。这种转动现象在图形为彩色时尤为明显。这可能是由于眼球的不经意扫视运动造成的，这种扫视运动使图形的像在视网膜上改变位置，但视觉系统并没有意识到这种改变，也不对此进行补偿，从而产生旋转的视知觉。如果双眼注视图形中央的黑点，使眼球保持不动，转动的现象就会基本消失。