1.3　视觉的研究成就及应用

生理光学（Physiological Optics）的研究最早开始于法国。近年日本和美国都投入大量的人力物力开展这方面的探索，在人眼的结构和功能的研究中取得了显著进展，并已将这些研究成果广泛应用于日常生活、工业生产、科学技术、军事国防及仿生学等领域。视觉的主要研究成就有以下几个方面。

图1‐5　看似转动的图案

1.眼球光学系统的构造。利用解剖学和光学方法揭示了眼球光学系统的结构及光学参数，以此为基础，对眼球光学系统的几何光学特性和光度学特性等有了深入而全面的了解。已经掌握眼球光学元件的光学常数，如角膜、房水、晶状体、玻璃体的曲率半径和折射率，瞳孔的直径等。这些参数决定了眼球光学系统的光学成像特性和调节特性。眼睛的光度特性则包括视网膜的感光和感色性能，瞳孔对光的反应速度，眼睛的各种阈限，包括最小视认阈、最小分离阈、最小符合阈、最小辨认阈等。这些特性为光学仪器的设计及视觉光学和眼科学的临床应用提供了依据。

2.视觉的神经生理学基础。借助神经生理学与解剖学的知识和技术，深入研究了从视网膜到视皮层的整个视觉通路的构造和主要功能，已经完全掌握视网膜上的两种光感受细胞的构造和机能，并对更高级的视皮层的结构和功能有相当的了解。采用解剖学和电生理方法，掌握了视觉通路各级神经元的结构和相互间的连接，揭示了各级神经元的电响应及其在视网膜上的感受野区域。结合生物化学、扫描电子显微术、显微分光光度计、X射线衍射、激光和超微探针的新技术，为阐明整个视觉神经系统的构造和全部视觉过程奠定了基础。

3.视觉的基本功能。包括视觉的时间和空间响应特性，对光亮度的接收范围，对光频率（颜色）的敏感特性，明视、间视和暗视，以及眼球运动等。

4.视觉的高级功能。如形状与图形视觉、图像识别、图形后效，以及联想、匹配、学习、记忆和认知。

5.视觉的特殊功能。包括立体视觉、颜色视觉、运动视觉等。已经对立体视觉和空间视觉的机制作出全面的揭示。对于颜色现象和颜色视觉机制，提出了较为完善的理论解释。有关运动视觉和运动视错觉的研究，已经初步掌握了视觉的空间和时间分辨特性，运动速度和运动方向感知特性等。(www.daowen.com)

视觉研究相关应用例证不胜枚举。近年来迅速发展起来的视觉光学，正是基于视觉光学系统的结构与功能研究的成果。在我国，青少年的近视发病率居高不下，近视的防治和矫正十分迫切。根据视觉光学系统的特点，人们发展了多种近视防治仪器及防治方法，以及用于测定眼睛屈光能力的各种主观和客观的验光仪器。正是因为对视觉光学系统的结构和功能有了深入了解，人们才采用凹透镜、凸透镜、柱面镜来分别矫正近视、远视和散光，后来还进一步发明了接触眼镜即隐形眼镜。近来，采用激光角膜手术方法矫正近视，也取得了相当的成功。白内障手术后植入的人工晶体，是根据人眼晶状体的结构与屈光特性而设计的。为了使这类病人获得更好的视觉，研究者在普通人工晶体的基础上发展出多焦人工晶体，植入眼内后，病眼可以完全像正常眼一样对远近不同的目标成清晰像，避免了普通人工晶体植入后需配戴高度远视镜的不便。

视觉系统的结构和功能研究及其仿生学应用，对现代工业、军事、国防和科学技术的各个方面起到了借鉴和推动作用。人们根据视觉神经系统的结构与功能，发展了多种神经网络技术，而计算机视觉和机器人视觉，则大多借鉴了视觉系统对信息的接收、编码、传输与处理方法。在仿生学方面，科学家根据蛙眼只对运动目标敏感而对静止目标熟视无睹的特点，发明了蛙眼雷达，大大节省了信息处理量，提高了反应速度，从而可以迅速地发现敌方飞机的入侵。参照蜜蜂和苍蝇的跟踪方式发展起来的导弹制导寻的系统，能够紧紧咬住敌方目标而一举摧毁它。此外，在工业流水线上，根据鸽眼对特定目标的识别能力特别强的特点而研制的工件识别系统，可以快速地发现不合格的产品，保证工件的质量。

在日常生活中，视觉研究成果的应用也比比皆是。照相机的原理，实际上与眼球光学系统完全一致，照相机的镜头相当于晶状体，镜头后面设置的光圈，对应于人眼的瞳孔，照相底片相当于视网膜。所不同的是，照相机是将目标机械而静止地记录在底片上，而眼睛则将周围世界的景物动态地反映到大脑，从而引起大小、远近、颜色及运动等视知觉。因此，照相机的结构和功能远远不及眼球光学系统那么完善。电影、电视的发明，其基本依据就是视觉系统对时间频率和空间频率的响应特性，通俗而言是基于对视觉残留现象的研究。电影的帧频是每秒24幅，按照这一速度放映的不连续画面，在人眼看来在时间上是连续的。当然，相邻画面中对应目标之间的空间变化间隔也应按照一定的规律变化，即应考虑人眼的空间分辨特性。画面的间隔太大，在人眼看来空间上仍不连续，而是呈跳跃状态，如某些制作质量不好的动画片。

由于视觉系统是大部分光学仪器的最终接收端，因此光学仪器的设计几乎都需要考虑视觉系统的结构与功能参数。放大镜和显微镜是为了把微小的物体放大到能符合眼睛固有分辨率的程度；望远镜是将远处目标对眼睛所张的视角放大到眼睛能清晰而舒适观察的程度，即将不能直接用肉眼观察到的远处目标的细节视角放大到人眼的极限分辨角以上。此外，水准仪、经纬仪、光度计、色度仪等传统光学仪器的研制，都考虑了视觉光学系统的视敏度、光度、色度及体视等功能特征。

借助于颜色视觉，我们看到了一个色彩缤纷的世界。同时，根据颜色视觉的原理，人们发展了各种各样的造福于人类、给人以美的享受的方法与技术。绘画中的颜料配置，是基于颜料三原色的相减匹配原理；彩色电视上合成的彩色，则是根据色光三原色的相加匹配原理。彩色电影与彩色照片技术的发明，同样考虑了它们的最终接收终端是视觉特别是颜色视觉的事实。在临床上，色觉研究的成就还为色盲的防治提供了依据。虽然目前要彻底矫正色盲还比较困难，但随着颜色视觉机制研究的深入，总有一天色盲者眼前那片灰蒙蒙的世界会变得一样色彩斑斓。

立体镜、立体照片、立体电视和立体电影等的发明，都是基于立体视觉的研究成果。当我们观察具有三维形状和深度的实际目标时，在双眼视网膜上可形成两幅基本相同的目标图像，这两幅图像之间存在一定的差别，即双眼视差。当图像信息传递到大脑视皮层时，大脑即可将这两幅图像融合成一幅完整的目标图像，并且从双眼视差信息中恢复出三维形状和深度信息。这就是立体视觉的机制。反过来，只要双眼同时看到同一目标的两幅有视差的图像，即使原来并不存在实际的目标，视觉系统仍然能够恢复并观察到立体的目标。这正是上述立体显示技术的基本原理，也是立体视觉的典型应用。

如前所述，对运动视觉的研究促进了在航空航天、交通及军事等领域的仿生学应用。目前，有关运动视觉的研究方兴未艾，随着视觉科学的发展，人们必将开拓出越来越多的视觉研究的应用领域。