2.1 人眼的视觉功能

视觉是人类从外部世界获取信息的主要方式，人的左右双眼结构是3D成像的物质基础，各种心理和生理深度线索造就了不同的立体视觉。其中，双目视差是立体视觉的主要来源。

2.1.1 人眼视觉系统

眼睛、视神经和视觉中枢组成的视觉系统，是人类获得立体视觉的物质保证。人眼成像与凸透镜成像相似，是物体的反射光通过晶状体折射成像于视网膜上（倒立的实像），再经过视神经和视觉中枢（大脑皮层）的调整及生活经验的补正，使人眼看到真实的物体。

1．人眼视觉与成像

图2-1给出了人眼的基本结构，由前房、虹膜、后房和玻璃体共同包围的晶状体，可以在肌肉的作用下改变厚度，调整焦距，使被注视物体的像落在视网膜的表面，保证成像最清晰。视网膜由视锐度极为敏锐的中央凹区、视锐度略差的黄斑区及只对运动图像敏感的周边区构成，相当于照相机里的感光底片，作用是将光信号变换、滤波和编码，形成神经系统的内部表达信号，并传给视觉神经和中枢神经系统。晶状体前面是虹膜，中央是瞳孔，瞳孔可以张大或缩小，起到类似照相机光圈的作用。玻璃体对光线有一定汇聚作用，可以辅助成像。

人眼的感光细胞包括锥状细胞和杆状细胞，都分布在视网膜上，如图2-1所示。人眼的感光细胞密度约为200000个/mm2。一只眼睛的杆状细胞将近1亿个，锥状细胞只有500万～700万个。杆状细胞对光线的敏感度很高，微量的光就能感应到，这种感光机制称为暗视。不过，杆状细胞不能够分辨颜色。锥状细胞的感光能力比杆状细胞至少弱4个量级，需要在明亮一点的环境才会受到刺激，这种感光机制称为明视。

人眼的眼球结构决定了人眼具有两类调节功能：视度调节和瞳孔调节，使单只眼睛能够获取立体信息。视度调节是指人眼自动调节晶状体的焦距，使某一距离内的物体都能清晰地成像于视网膜上。瞳孔调节是指人眼（虹膜）自动调节瞳孔的大小，控制眼睛的进光量，适应周围环境不同亮暗程度。瞳孔除可以调整眼睛的进光量外，还可以改变视野的景深。如图2-2所示，在瞳孔直径扩散到4mm时，注视无穷远处，景深范围从眼前3.5m左右延伸至无穷远处；注视1m处，景深范围为0.8～1.4m。当光线亮度增大，瞳孔直径缩小为2mm时，注视无穷远处，景深范围从眼前2.3m左右延伸至无穷远处；注视1m处，景深范围为0.7～1.8m。

瞳孔直径的大小相差5.6倍，但进入眼睛的光线相差30多倍。眼睛感受亮度的范围，从最亮到最暗的可感受亮度差异可达1013倍。在黑暗中逗留1min后，眼睛对光的敏感度会提高10倍，逗留20min后，敏感度会增加为6000倍，逗留40min后，敏感度会增加为接近极限的25000倍。视觉敏感度与感光细胞的敏感度、感光细胞的数量、感光细胞的密度等密切相关。

2．视觉系统与立体视觉

人类的视觉系统是脑神经中枢的重要组成部分。大脑视觉皮层区域通过检测投影在双眼视网膜上二维图像间的细微差别和图像特征等深度相关信息，进行三维数据重建，获得深度认知，最后合成立体视觉。

人类视觉系统架构如图2-3所示。在人类的视神经中，只有来自鼻翼的那部分交叉工作，其他部分不交叉，形成了半交叉现象。每只眼睛所看到的视觉信号都会分别送到左右大脑的基本视觉皮质区，来自双眼的不重叠信息最后在基本视觉皮质区汇聚，形成双目视差。在基本视觉皮质区形成的双目视差，将转化为神经冲动传入大脑，经过大脑皮层的分析、综合活动，产生深度知觉，最后合成立体视觉。

人类双眼的平均瞳距在65mm左右，在观察客观世界的景物（视标）时，双眼会从稍微不同的两个角度去观察。与观察者不同距离的景物会在左右双眼的视网膜上形成位置稍有不同的两个视像，形成双目视差或立体视差。双目视差反映了客观景物的深度，经过大脑加工后可以形成深度知觉。

左右双眼的全视野范围如图2-4（a）所示：单眼瞬间视角上下约120°，左右约150°；双眼视角上下约120°，左右约200°；左右双眼除在鼻子一侧的视野中央重叠约100°外，还各自存在40°左右的独立视野区域。如图2-4（b）所示，人单眼的水平视角最大可达156°，双眼的水平视角最大可达188°。双眼重合视域为124°，单眼舒适视域为60°。人眼观看到的是一个超过180°鱼眼镜头的188°环形平面，其中只有重合视角内观看到的物体界面超过了180°，从而形成立体感。对单眼而言，只有舒适视角60°范围内的物体才能聚焦看清楚，剩余的96°视角范围俗称“余光”，属于无法看清楚的不敏感范围。

2.1.2 单眼视觉功能

人眼的视觉功能包括光觉、色觉、形觉、动觉和对比觉等。单眼视觉功能是人眼最基本的视觉功能。

1．光觉

光觉也叫明暗视觉。光线充足时的明视觉，亮度感觉范围在3cd/m2以上，视觉由锥状细胞起作用，对波长555nm左右的黄绿光最敏感。暗视觉的亮度感觉范围在3×10−5cd/m2以下，视觉由杆状细胞起作用，对波长507nm左右的蓝绿光最敏感。中间视觉的视场亮度介于明、暗视觉响应之间，视觉响应逐渐由锥状细胞转向杆状细胞起作用。杆状细胞对光的敏感度是锥状细胞的10000倍，但分辨率比较低，而且不能分辨颜色。

人眼的主观亮度感觉并非取决于绝对亮度（光通量）变化，而是取决于相对亮度变化。主观亮度感觉S与周围环境有关，在适应某平均亮度后，感觉亮度的对比度不变。主观亮度感觉S和亮度B的对数呈图2-5所示的线性关系，可以用式（2-1）表示：

式中，K和K0为常数。在不同的亮度B下，人眼能觉察的最小亮度变化ΔBmin并非定值。B大，ΔBmin也大；B小，ΔBmin也小，但对比度灵敏度阈ΔBmin/B大致相同，比值一般为0.005～0.05。一幅图像只要和原场景的对比度及灰阶相同，就能给人以真实的感觉，实现人眼亮度分辨的重现。

光线照在物体表面的光照度与物体表面到光源的距离成反比，物体表面离光源越近的部分越亮。这种亮度的分布可以使物体产生深度和形状线索：明亮和高光部分突出，离观察者较近；黑暗阴影仿佛后退，离观察者较远。运用明暗色调，把远的部分画得灰暗些，把近的部分画得鲜明些，使之产生明暗对比，可以形成远近的立体感。

2．色觉

色觉也叫彩色视觉，是一种明视觉，可以用亮度、色调和饱和度三个量来描述。亮度是对彩色光所引起的人眼对明亮程度的感觉。色调是视觉系统对一个区域呈现的颜色的感觉，取决于可见光谱中的光波的频率。饱和度是指颜色的纯洁性，用来区别颜色明暗的程度。

彩色视觉的载体是锥状细胞，锥状细胞有三种，分别对红光、绿光、蓝光敏感。如图2-6所示，红绿蓝三条曲线叠加便是明视觉视敏曲线。人眼对蓝光的灵敏度远远低于对红光和绿光的灵敏度，人眼对波长为555nm左右的黄绿色最为敏感。假定进入人眼的光线光谱分布为Φe（λ），由光敏特性曲线为VR（λ）、VG（λ）和VB（λ）的红绿蓝锥状细胞L、M、S分别捕获后，分别输出亮度为

由于眼球中的玻璃体等结构对不同波长的光产生的折射角不同，因此即使是同样大小和形状的物体，如果颜色不同，也会给人以不同距离的感觉。较亮的颜色给人的感觉要比较暗的颜色近。亮度相同的颜色，波长较长的光线给人近的感觉。长波长的颜色看起来近，称前进色；短波长的颜色看起来远，称后退色。

3．形觉

影响形觉的一个重要因素是人眼的视力。视力可分为表示可认清物体形状能力的“中心视力”；表示视网膜周边部分所能感受到的范围的“周边视力”；表示在暗处能辨别物体形状能力的“夜视力”；表示辨别物体大小、远近和空间立体形象的能力的“主体视力”；表示辨别颜色能力的“色视力”。视力体现了人眼晶状体自动变焦的能力，与有效视角、分辨力、观视位置及心理因素等有关。

人眼刚好能将被观察物体上最近两点分开的视角称为眼睛的极限分辨角或临界视角，记为θ。视力或人眼的分辨率就是1/θ。如果被观察物体上能被分开的最近两点的像分别落在被分隔开的两个视网膜细胞上，即得到两个点的视觉。这样，眼睛的分辨率与视网膜上两个像点的距离及视觉细胞的直径大小有关。当两像点的间距不小于视觉细胞的直径时，就认为眼睛可以分辨。一般，在良好的照明条件下，具有正常视力的人眼极限分辨角θ=1′。若视力下降，则临界视角值增大。当照度太强、太弱或当背景亮度太强，以及视觉目标运动速度加快时，视力下降。

人眼对彩色细节的分辨率比对亮度细节的分辨率要差。

4．动觉

动觉主要是指时间视觉，涉及人眼的视觉惰性与视觉暂留。时间视觉是形成某些体3D显示的物质基础。如图2-7（a）所示，在t1时刻出现实际亮度为B0的光刺激，人眼的亮度感觉S要过0.01～0.1s才能达到响应的最大值Bm。并且在t2时刻，实际亮度B0的光刺激消失，人眼的亮度感觉S并没有立即消失，仍能继续保留0.1～0.4s。在不同亮度条件下，亮度感觉随时间的变化如图2-7（b）所示。

在视觉惰性与视觉暂留的基础上，时间视觉存在一个时间频率响应特性。刚好不引起闪烁感觉的最低频率称为临界闪烁频率，在46Hz左右。刷新频率越高，影像越稳定。在临界闪烁频率以上的光脉冲，人眼已经无法觉察到前后光脉冲的存在，主观感觉的亮度等于光脉冲亮度的平均值。

动觉还包括眼球运动。人眼视觉功能的实现往往伴随眼球的运动，注视、跳动和追随运动是眼球运动的三种基本形式。眼睛对准对象的动作叫作注视，根据景物的远近不同，眼睛的睫状肌会调节晶状体的屈度（扁平或凸起），保证被观察的对象在视网膜上清晰成像。为了实现和维持对物体的注视，眼睛必须进行另外两种运动：眼球的跳动和眼球的追随运动。这几种眼球活动最终都是为了保证对物体的清晰视觉。

2.1.3 双眼视觉功能

人的基本视觉功能用单眼视觉即可实现，准确感知三维世界则需要双眼视觉。双眼视觉是指左右双眼同时看到的有轻微位置差异的物像，经大脑加工成有三维空间深度感的单一物像的过程。这个过程含三级双眼视觉功能，等级由低到高依次为同时视、融合和立体视。

1．同时视

同时视也叫同时知觉，又称黄斑同时知觉，指左右双眼的黄斑中心凹和黄斑外对应的视网膜成分有共同的视觉方向，双眼具有同时注视并感知物体的能力。同时视是Ⅰ级即最初级的双眼视觉功能。

没有同时视就没有融合功能和立体视觉。如果双眼视功能正常，不仅两眼可同时看见同一物体，而且每只眼睛所接收的物像都恰好落在视网膜黄斑区，传入大脑后被感觉成一个物像。可以用同视机检查左右双眼是否对图2-8所示的物像有同时接收的能力：左眼看笼子，右眼看猫，推动镜筒，正常的同时视就能看到猫被关进笼子里。

2．融合

融合为Ⅱ级双眼视觉功能，在眼肌学上包含知觉融合与运动融合两种含义。

知觉融合是在同时视的基础上，大脑视中枢综合来自左右双眼两个视网膜对应点上的物像，融合成一个完整图像的功能。双眼视网膜对同一个物体的图像必须在大小、形状、明暗方面一致或接近一致。用同视机检查左右眼能将大部分相同、小部分不同的两幅图像融合为一个图像。如图2-9所示，检查融合的图片为进入左眼的长尾猫图像与进入右眼的无尾猫图像，融合后形成一幅长尾猫抓老鼠的图像。

知觉融合的范围和界限以视网膜对应关系和Panum氏空间的存在为基础。如图2-10所示，固视点（注视点）与双眼结点围成的圆称为视界圆，视界圆上每一点对应的物体，都在双眼视网膜对应点结像，不会形成复视，但所得的图像只是平面感觉。实际上，在左右双眼视网膜上所结的像，即使没有落在视网膜对应点上，只要不偏离黄斑中心的Panum区，也不会形成复视。因为左右双眼具有一定范围的融合功能。在视界圆圆周内外有限距离处的物体非但不呈复视，这种轻微差异反而是形成立体感的生理基础。如图2-11所示，对应Panum区的Panum融像空间，不会出现复视的物点离视界圆的距离在双眼的正前方最小，越往周边则越宽。在Panum融像空间内的物体可以形成双眼视。

运动融合是两眼视网膜物像间的一种定位性眼球运动，使偏离对应点的物像重新回到对应点上来；是一种通过大脑高级中枢所引起的反射性眼球运动，条件性刺激是落于视网膜非对应点上的两个物像。视功能检查中所测定的融合力基本上是指运动融合，但两者并非截然分开，因为没有矫正性融合反射的存在，知觉融合只能是一瞬间的活动而不能持续不断地保持双眼视觉。

3．立体视

立体视又称立体视觉或深度觉，是Ⅲ级双眼视觉功能，是在同时视和融合的基础上，建立的具有分辨物体远近、宽窄、前后、高低、深浅和凹凸等三维空间的最高级的双眼视觉功能。立体视是由视界圆内外的物体在视网膜上的轻度水平分离物像而形成的，即Panum区的存在是形成立体视的基础。

要产生立体视，知觉上要求视觉知觉正常或相似的两眼可以同时用黄斑注视一个物体；运动上要求两眼可以协调一致，保持注视同一个物体；中枢上要求两眼视野的重叠部分必须够大，可以使同一个物体落在左右眼的视野当中。而且大脑发育正常，具有正常的视觉知觉反射，可以使眼球运动，从而保持正常融合能力，产生立体视。检查立体视的图片与效果如图2-12所示，通过偏振眼镜看到左右眼视差图像后能感知苍蝇翅膀浮起。

形成立体视的主要原因是同一被视物体在左右两眼视网膜上的像并不完全相同，左眼从左方看到物体的左侧面较多，而右眼则从右方看到物体的右侧面较多。来自左右眼的图像信息经过视觉高级中枢处理后，产生一个有立体感的物体形象。在单眼视物时产生的立体感觉，主要通过焦点调节和单眼运动获得，与生活经验、物体表面的阴影等也有关。但是，良好的立体视只有在双眼观察时才有可能实现。