8.4　深度方向运动及其视觉检测机制

既然视网膜是二维平面结构，只能接收与检测二维平面内的光信息，或者说人眼只能直接感知二维目标及二维运动，那么视觉又如何从二维光信息中获得深度方向运动（Motion in depth）知觉呢？

立体视觉的产生，基于双眼间有一定的距离以及由此引起的视差，所以人类双眼具有较好的立体视觉功能，而单眼没有这种能力，只能凭直觉或暗示猜测深度。问题是，我们的研究发现，单眼也具有良好的深度运动知觉功能。另外，如果深度运动检测功能也仅取决于双眼视差，那么对于蜜蜂与苍蝇等双眼间距极小的昆虫，微小的双眼视差显然不足以支持它们良好的深度运动检测能力，而众所周知的是，蜜蜂和苍蝇都具有极好的相互跟踪能力。为此，必须探讨另外的检测机制来解释深度运动知觉。

8.4.1　单眼性的深度运动检测机制

日常的视觉经验表明，在不存在视觉暗示时，单眼没有立体知觉，却仍具有良好的深度运动检测能力。说明存在单眼性的深度运动检测机制，如图8‐11所示，在计算机屏幕上产生矩形图案，并使它们的各边以图示的方向在平面内运动，从（a）和（b）图，被试者感知到矩形分别在水平和垂直方向拉伸，两种情况都没有深度运动存在。而若将两者组合，使矩形（c）的左右边与上下边同时在水平与垂直方向按箭头指向运动时，被试者即使以单眼观察，也可感知到明显的深度运动:矩形由远而近向屏幕前驶来。与此类似的现象很多，比如中央电视台新闻联播开始时，可看到一个地球由远而近向观众迎面而来，而实际上在任何时刻地球都处在电视屏的平面内。

图8‐11　一维相对运动和二维相对运动

（a）和（b）感知拉伸变形；（c）感知深度方向运动

实验表明，二维运动的视觉效果并不是两个一维运动视觉效果的简单组合，因为视觉具有从二维运动恢复深度运动的能力。考察图8‐12所示的一般情形，一个宽L和高W的矩形，在深度D处沿与视轴成θ角方向以速度V运动。对于深度方向的速度分量Vcosθ，人眼无法直接检测。设矩形各边因深度运动而引起的在视平面内的运动速度分别为V_L、V_R、V_M和V_N（参见图8‐11）。经推导可得:

（V_L－V_R）＝（L/D）・（Vcosθ）　　　　　（8‐5）

（V_M－V_N）＝（W/D）・（Vcosθ）　　　　　（8‐6）

图8‐12　深度方向运动示意图:对应于单眼性检测机制

实验结果与（8‐5）、（8‐6）两式都表明，在单眼视觉时深度运动速度Vcosθ被编码在视平面内的二维相对运动中。因此，视觉系统中可能存在对相对运动（V_L－V_R）及（V_M－V_N）敏感的检测器对，实现深度运动速度的检测，检测器对的响应与目标的速度成正比。

深度运动的方向主要由θ角决定。由推导得到:(www.daowen.com)

V_L/V_R＝［tanθ＋tan（α/2）］/［tanθ－tan（α/2）］　　　　　（8‐7）

式中α为运动目标的视张角。上式给出了单眼视觉时深度运动方向θ与相对运动速度比V_L/V_R的定量关系。据此我们认为，视觉系统中存在对速度比V_L/V_R敏感的检测基元，这些基元的响应只与深度运动方向有关，而与深度运动的速度大小无关，它们在深度运动的方向检测中起着主要作用。

8.4.2　双眼性深度运动检测机制

此前的视觉理论未能对双眼性的深度运动检测机制作出完整解释。某些学者提出的双眼通过检测双眼视差变化而获得深度运动知觉的观点，也缺乏说服力。需要对此作进一步研究。我们设计了图8‐13实验，物点Z和Y在计算机屏上作速度为VZ和V_Y的平移，通过双目筒让左右眼各自看到一个物点，受试者可将两物点融合，最后感知的并不是两个物点的平面运动，而是一个虚拟物点O由远而近的深度方向运动。只用单眼观察时，深度运动感不再存在。

这一实验表明，人类视觉系统中必定存在双眼性的深度运动检测基元。根据图8‐14的几何图解和数学推导，可得:

（V_Z－V_Y）＝（S/D）・（Vcosθ）　　　　　　　（8‐8）

上式中Vcosθ即为深度方向的运动速度，D为目标距离，S为瞳孔距。该式表明，深度运动速度编码在左右网膜像速度之差中。这提示，视觉系统中可能存在对双眼网膜像速度差（V_Z－V_Y）敏感的基元，完成深度运动速度检测。同理可推导出速度比:

V_Z/V_Y＝（tanθ＋tanφ）/（tanθ－tanφ）　　（8‐9）

这说明左右眼网膜像速度比与深度运动速度无关，而与方向角θ具有定量关系。视觉系统中也可能存在对左右网膜像速度比V_Z/V_Y敏感的基元用于检测运动方向。

值得指出，单眼性的深度运动检测机制，与双眼性的深度运动检测机制的形式完全一致，都是从视平面内的二维相对运动中恢复三维的深度运动，并由相对运动速度之差计算其速度值，从速度之比计算和确定深度运动的方向。因此，单眼性与双眼性的深度方向运动检测机制虽然各司其职，但它们的构造与信息处理功能是完全统一的。这也正是视觉神经网络结构及其功能的一般逻辑，反映了视觉系统的高度统一性与完备性。

图8‐13　双眼性相对运动与深度方向运动

图8‐14　目标的深度运动:相对于双眼性机制