[科普中国]-视觉过程

相关概念

**1.视觉：**视觉是一种人类的基本功能，它不仅帮助人类获得信息而且还帮助人类处理分析信息。视觉进一步可分为视感觉和视知觉。其中视感觉是较低层次的，它主要接收外部刺激，所考虑的主要是刺激的物理特性和对视觉感受器官的刺激程度；视知觉则处于较高层次，它要将外部刺激转化为有意义的内容。人类的视觉系统对不同的刺激会产生不同形式的反应，所以视知觉又分为亮度知觉、颜色知觉、形状知觉、空间知觉等。在很多情况下，视觉主要指视感觉，而其他内容则在视知觉中讨论。1

2.视网膜：视网膜就像一架照相机里的感光底片，专门负责感光成像。当我们看东西时，物体的影像通过屈光系统，落在视网膜上。视网膜是一层透明薄膜，因脉络膜和色素上皮细胞的关系，使眼底呈均匀的橘红色。后界位于视乳头周围，前界位于锯齿缘，其外面紧邻脉络膜，内面紧贴玻璃体。

原理视觉过程先从光源发光开始。光的模式通过场景中的物体反射进入作为视觉感受器官的左右眼睛并同时作用在视网膜上引起视感觉。视网膜是含有光感受器和神经组织网络的薄膜。光刺激在视网膜上经神经处理产生的神经冲动沿视神经纤维传出眼睛，通过视觉通道传到大脑皮层进行处理并最终引起视知觉，或者说在大脑中对光刺激产生响应——形成关于场景的表象。大脑皮层的处理要完成一系列工作，从图像存储直到根据图像作出响应和决策。如果说视感觉主要是从分子的观点来理解对光反应的基本性质(如亮度、颜色)，视知觉则主要论述从客观世界接受视觉刺激后如何反应及反应所采用的方式。两者结合构成完整的视觉。2

过程视觉过程是由多个步骤组成的复杂过程。概括地说，视觉过程由光学过程、化学过程和神经处理过程这三个顺序的过程所构成。

光学过程人的眼睛是人类视觉系统的重要组成部分，是实现光学过程的物理基础。眼睛是很复杂的器官，但从成像的角度可将眼睛和摄像机进行简单比较。眼睛本身是一个平均直径约为20mm的球体。球体前端有一个晶状体，对应于摄像机的镜头，而晶状体前的瞳孔对应于摄像机的光圈。球体内壁有一层视网膜，它是含有光感受器和神经组织网络的薄膜，对应于摄像机的感光面。

当眼睛聚焦在前方物体上时，从外部射人眼睛内的光就在视网膜上成像。晶状体的屈光能力可以由在晶状体周围的睫状体纤维内的压力控制而改变，当屈光能力从最小变到最大时，晶状体聚焦中心和视网膜问的距离可以从约17mm变到约14mm。当眼睛聚焦在一个3m以外的物体上时晶状体具有最小的屈光能力，而当眼睛聚焦在一个很近的物体上时晶状体具有最强的屈光能力。据此可计算物体在视网膜上的成像尺寸。3

化学过程视网膜表面分布着一个个光接收细胞(光感光单元)，它们可接收光的能量并形成视觉图案。光接收细胞有两类：锥细胞和柱细胞。每个眼内约有6 000 000～7 000 000个锥细胞。它们对颜色很敏感。锥细胞又可分为3种，它们对入射的辐射有不同的频谱响应曲线。人类能借助这些细胞区分细节主要是因为每个细胞各自连到它自己的神经末梢。锥细胞视觉称为适亮视觉。每个眼内柱细胞的数量要比锥细胞大得多，在视网膜表面上大约有75 000 000～150 000 000个柱细胞。它们分布面大但分辨率比较低，这是因为几个柱细胞都联到同一个神经末梢。柱细胞仅在非常暗的光线下工作，并对低照度较敏感。柱细胞主要是提供视野的整体视像，因为只有一种柱细胞，所以不产生颜色感受。

视网膜中心也称为中央凹(fovea)，是眼睛内对光最敏锐的区域。锥细胞在中央凹区域的密度很高。为了解释的方便可把中央凹看作一个1.5mm×1.5mm的方形传感器矩阵。锥细胞在这个区域的密度约是150 000个/ram²，所以近似地说，中央凹里的锥细胞数有约337 000个。单从原始分辨能力看，一个目前看来比较低分辨率的CCD图像采集阵就可把这么多个光电感受元件集中在一个不超过7mm×7mm的接收阵中。由此可见眼睛的分辨能力是可由目前的电子成像传感器所达到的，但这并不表明人类视觉系统的能力已能用电子器件实现。

锥细胞和柱细胞均由色素分子组成，其中含有可吸收光的视紫红质(rhodopsin)。这种物质吸收光后通过化学反应分解成另两种物质。一旦化学反应发生，分子就不再吸收光。反过来，如果不再有光通过视网膜，化学反应就反过来进行，分子可重新工作(这个过程常需几十分钟)。当光通量增加，受到照射的视网膜细胞数量也增加，分解视紫红质的化学反应增强，从而使产生的神经元信号变得更强。从这个角度看，视网膜可看作是一个化学实验室，将光学图像通过化学反应转换成其他形式的信息。在视网膜各处产生的信号强度反映了场景中对应位置的光强度。由此可见，化学过程基本确定了成像的亮度或颜色。2

神经处理过程神经处理过程是一个在大脑神经系统里进行的转换过程。每个视网膜接收单元都与一个神经元细胞借助突触(synapse)相连。每个神经元细胞借助其他的突触再与其他细胞连接，从而构成光神经(optical nerve)网络。光神经进一步与大脑中的侧区域(sideregion of the brain)连接，并到达大脑中的纹状皮层(striated cortex)。在那里，对光刺激产生的响应经过一系列处理最终形成关于场景的表象，从而将对光的感觉转化为对景物的知觉。2