2.1 人眼的視覺功能

視覺是人類從外部世界獲取信息的主要方式，人的左右雙眼結(jié)構(gòu)是3D成像的物質(zhì)基礎(chǔ)，各種心理和生理深度線索造就了不同的立體視覺。其中，雙目視差是立體視覺的主要來源。

2.1.1 人眼視覺系統(tǒng)

眼睛、視神經(jīng)和視覺中樞組成的視覺系統(tǒng)，是人類獲得立體視覺的物質(zhì)保證。人眼成像與凸透鏡成像相似，是物體的反射光通過晶狀體折射成像于視網(wǎng)膜上（倒立的實像），再經(jīng)過視神經(jīng)和視覺中樞（大腦皮層）的調(diào)整及生活經(jīng)驗的補(bǔ)正，使人眼看到真實的物體。

1．人眼視覺與成像

圖2-1給出了人眼的基本結(jié)構(gòu)，由前房、虹膜、后房和玻璃體共同包圍的晶狀體，可以在肌肉的作用下改變厚度，調(diào)整焦距，使被注視物體的像落在視網(wǎng)膜的表面，保證成像最清晰。視網(wǎng)膜由視銳度極為敏銳的中央凹區(qū)、視銳度略差的黃斑區(qū)及只對運(yùn)動圖像敏感的周邊區(qū)構(gòu)成，相當(dāng)于照相機(jī)里的感光底片，作用是將光信號變換、濾波和編碼，形成神經(jīng)系統(tǒng)的內(nèi)部表達(dá)信號，并傳給視覺神經(jīng)和中樞神經(jīng)系統(tǒng)。晶狀體前面是虹膜，中央是瞳孔，瞳孔可以張大或縮小，起到類似照相機(jī)光圈的作用。玻璃體對光線有一定匯聚作用，可以輔助成像。

人眼的感光細(xì)胞包括錐狀細(xì)胞和桿狀細(xì)胞，都分布在視網(wǎng)膜上，如圖2-1所示。人眼的感光細(xì)胞密度約為200000個/mm2。一只眼睛的桿狀細(xì)胞將近1億個，錐狀細(xì)胞只有500萬～700萬個。桿狀細(xì)胞對光線的敏感度很高，微量的光就能感應(yīng)到，這種感光機(jī)制稱為暗視。不過，桿狀細(xì)胞不能夠分辨顏色。錐狀細(xì)胞的感光能力比桿狀細(xì)胞至少弱4個量級，需要在明亮一點的環(huán)境才會受到刺激，這種感光機(jī)制稱為明視。

人眼的眼球結(jié)構(gòu)決定了人眼具有兩類調(diào)節(jié)功能：視度調(diào)節(jié)和瞳孔調(diào)節(jié)，使單只眼睛能夠獲取立體信息。視度調(diào)節(jié)是指人眼自動調(diào)節(jié)晶狀體的焦距，使某一距離內(nèi)的物體都能清晰地成像于視網(wǎng)膜上。瞳孔調(diào)節(jié)是指人眼（虹膜）自動調(diào)節(jié)瞳孔的大小，控制眼睛的進(jìn)光量，適應(yīng)周圍環(huán)境不同亮暗程度。瞳孔除可以調(diào)整眼睛的進(jìn)光量外，還可以改變視野的景深。如圖2-2所示，在瞳孔直徑擴(kuò)散到4mm時，注視無窮遠(yuǎn)處，景深范圍從眼前3.5m左右延伸至無窮遠(yuǎn)處；注視1m處，景深范圍為0.8～1.4m。當(dāng)光線亮度增大，瞳孔直徑縮小為2mm時，注視無窮遠(yuǎn)處，景深范圍從眼前2.3m左右延伸至無窮遠(yuǎn)處；注視1m處，景深范圍為0.7～1.8m。

瞳孔直徑的大小相差5.6倍，但進(jìn)入眼睛的光線相差30多倍。眼睛感受亮度的范圍，從最亮到最暗的可感受亮度差異可達(dá)1013倍。在黑暗中逗留1min后，眼睛對光的敏感度會提高10倍，逗留20min后，敏感度會增加為6000倍，逗留40min后，敏感度會增加為接近極限的25000倍。視覺敏感度與感光細(xì)胞的敏感度、感光細(xì)胞的數(shù)量、感光細(xì)胞的密度等密切相關(guān)。

2．視覺系統(tǒng)與立體視覺

人類的視覺系統(tǒng)是腦神經(jīng)中樞的重要組成部分。大腦視覺皮層區(qū)域通過檢測投影在雙眼視網(wǎng)膜上二維圖像間的細(xì)微差別和圖像特征等深度相關(guān)信息，進(jìn)行三維數(shù)據(jù)重建，獲得深度認(rèn)知，最后合成立體視覺。

人類視覺系統(tǒng)架構(gòu)如圖2-3所示。在人類的視神經(jīng)中，只有來自鼻翼的那部分交叉工作，其他部分不交叉，形成了半交叉現(xiàn)象。每只眼睛所看到的視覺信號都會分別送到左右大腦的基本視覺皮質(zhì)區(qū)，來自雙眼的不重疊信息最后在基本視覺皮質(zhì)區(qū)匯聚，形成雙目視差。在基本視覺皮質(zhì)區(qū)形成的雙目視差，將轉(zhuǎn)化為神經(jīng)沖動傳入大腦，經(jīng)過大腦皮層的分析、綜合活動，產(chǎn)生深度知覺，最后合成立體視覺。

人類雙眼的平均瞳距在65mm左右，在觀察客觀世界的景物（視標(biāo)）時，雙眼會從稍微不同的兩個角度去觀察。與觀察者不同距離的景物會在左右雙眼的視網(wǎng)膜上形成位置稍有不同的兩個視像，形成雙目視差或立體視差。雙目視差反映了客觀景物的深度，經(jīng)過大腦加工后可以形成深度知覺。

左右雙眼的全視野范圍如圖2-4（a）所示：單眼瞬間視角上下約120°，左右約150°；雙眼視角上下約120°，左右約200°；左右雙眼除在鼻子一側(cè)的視野中央重疊約100°外，還各自存在40°左右的獨立視野區(qū)域。如圖2-4（b）所示，人單眼的水平視角最大可達(dá)156°，雙眼的水平視角最大可達(dá)188°。雙眼重合視域為124°，單眼舒適視域為60°。人眼觀看到的是一個超過180°魚眼鏡頭的188°環(huán)形平面，其中只有重合視角內(nèi)觀看到的物體界面超過了180°，從而形成立體感。對單眼而言，只有舒適視角60°范圍內(nèi)的物體才能聚焦看清楚，剩余的96°視角范圍俗稱“余光”，屬于無法看清楚的不敏感范圍。

2.1.2 單眼視覺功能

人眼的視覺功能包括光覺、色覺、形覺、動覺和對比覺等。單眼視覺功能是人眼最基本的視覺功能。

1．光覺

光覺也叫明暗視覺。光線充足時的明視覺，亮度感覺范圍在3cd/m2以上，視覺由錐狀細(xì)胞起作用，對波長555nm左右的黃綠光最敏感。暗視覺的亮度感覺范圍在3×10?5cd/m2以下，視覺由桿狀細(xì)胞起作用，對波長507nm左右的藍(lán)綠光最敏感。中間視覺的視場亮度介于明、暗視覺響應(yīng)之間，視覺響應(yīng)逐漸由錐狀細(xì)胞轉(zhuǎn)向桿狀細(xì)胞起作用。桿狀細(xì)胞對光的敏感度是錐狀細(xì)胞的10000倍，但分辨率比較低，而且不能分辨顏色。

人眼的主觀亮度感覺并非取決于絕對亮度（光通量）變化，而是取決于相對亮度變化。主觀亮度感覺S與周圍環(huán)境有關(guān)，在適應(yīng)某平均亮度后，感覺亮度的對比度不變。主觀亮度感覺S和亮度B的對數(shù)呈圖2-5所示的線性關(guān)系，可以用式（2-1）表示：

式中，K和K0為常數(shù)。在不同的亮度B下，人眼能覺察的最小亮度變化ΔBmin并非定值。B大，ΔBmin也大；B小，ΔBmin也小，但對比度靈敏度閾ΔBmin/B大致相同，比值一般為0.005～0.05。一幅圖像只要和原場景的對比度及灰階相同，就能給人以真實的感覺，實現(xiàn)人眼亮度分辨的重現(xiàn)。

光線照在物體表面的光照度與物體表面到光源的距離成反比，物體表面離光源越近的部分越亮。這種亮度的分布可以使物體產(chǎn)生深度和形狀線索：明亮和高光部分突出，離觀察者較近；黑暗陰影仿佛后退，離觀察者較遠(yuǎn)。運(yùn)用明暗色調(diào)，把遠(yuǎn)的部分畫得灰暗些，把近的部分畫得鮮明些，使之產(chǎn)生明暗對比，可以形成遠(yuǎn)近的立體感。

2．色覺

色覺也叫彩色視覺，是一種明視覺，可以用亮度、色調(diào)和飽和度三個量來描述。亮度是對彩色光所引起的人眼對明亮程度的感覺。色調(diào)是視覺系統(tǒng)對一個區(qū)域呈現(xiàn)的顏色的感覺，取決于可見光譜中的光波的頻率。飽和度是指顏色的純潔性，用來區(qū)別顏色明暗的程度。

彩色視覺的載體是錐狀細(xì)胞，錐狀細(xì)胞有三種，分別對紅光、綠光、藍(lán)光敏感。如圖2-6所示，紅綠藍(lán)三條曲線疊加便是明視覺視敏曲線。人眼對藍(lán)光的靈敏度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于對紅光和綠光的靈敏度，人眼對波長為555nm左右的黃綠色最為敏感。假定進(jìn)入人眼的光線光譜分布為Φe（λ），由光敏特性曲線為VR（λ）、VG（λ）和VB（λ）的紅綠藍(lán)錐狀細(xì)胞L、M、S分別捕獲后，分別輸出亮度為

由于眼球中的玻璃體等結(jié)構(gòu)對不同波長的光產(chǎn)生的折射角不同，因此即使是同樣大小和形狀的物體，如果顏色不同，也會給人以不同距離的感覺。較亮的顏色給人的感覺要比較暗的顏色近。亮度相同的顏色，波長較長的光線給人近的感覺。長波長的顏色看起來近，稱前進(jìn)色；短波長的顏色看起來遠(yuǎn)，稱后退色。

3．形覺

影響形覺的一個重要因素是人眼的視力。視力可分為表示可認(rèn)清物體形狀能力的“中心視力”；表示視網(wǎng)膜周邊部分所能感受到的范圍的“周邊視力”；表示在暗處能辨別物體形狀能力的“夜視力”；表示辨別物體大小、遠(yuǎn)近和空間立體形象的能力的“主體視力”；表示辨別顏色能力的“色視力”。視力體現(xiàn)了人眼晶狀體自動變焦的能力，與有效視角、分辨力、觀視位置及心理因素等有關(guān)。

人眼剛好能將被觀察物體上最近兩點分開的視角稱為眼睛的極限分辨角或臨界視角，記為θ。視力或人眼的分辨率就是1/θ。如果被觀察物體上能被分開的最近兩點的像分別落在被分隔開的兩個視網(wǎng)膜細(xì)胞上，即得到兩個點的視覺。這樣，眼睛的分辨率與視網(wǎng)膜上兩個像點的距離及視覺細(xì)胞的直徑大小有關(guān)。當(dāng)兩像點的間距不小于視覺細(xì)胞的直徑時，就認(rèn)為眼睛可以分辨。一般，在良好的照明條件下，具有正常視力的人眼極限分辨角θ=1′。若視力下降，則臨界視角值增大。當(dāng)照度太強(qiáng)、太弱或當(dāng)背景亮度太強(qiáng)，以及視覺目標(biāo)運(yùn)動速度加快時，視力下降。

人眼對彩色細(xì)節(jié)的分辨率比對亮度細(xì)節(jié)的分辨率要差。

4．動覺

動覺主要是指時間視覺，涉及人眼的視覺惰性與視覺暫留。時間視覺是形成某些體3D顯示的物質(zhì)基礎(chǔ)。如圖2-7（a）所示，在t1時刻出現(xiàn)實際亮度為B0的光刺激，人眼的亮度感覺S要過0.01～0.1s才能達(dá)到響應(yīng)的最大值Bm。并且在t2時刻，實際亮度B0的光刺激消失，人眼的亮度感覺S并沒有立即消失，仍能繼續(xù)保留0.1～0.4s。在不同亮度條件下，亮度感覺隨時間的變化如圖2-7（b）所示。

在視覺惰性與視覺暫留的基礎(chǔ)上，時間視覺存在一個時間頻率響應(yīng)特性。剛好不引起閃爍感覺的最低頻率稱為臨界閃爍頻率，在46Hz左右。刷新頻率越高，影像越穩(wěn)定。在臨界閃爍頻率以上的光脈沖，人眼已經(jīng)無法覺察到前后光脈沖的存在，主觀感覺的亮度等于光脈沖亮度的平均值。

動覺還包括眼球運(yùn)動。人眼視覺功能的實現(xiàn)往往伴隨眼球的運(yùn)動，注視、跳動和追隨運(yùn)動是眼球運(yùn)動的三種基本形式。眼睛對準(zhǔn)對象的動作叫作注視，根據(jù)景物的遠(yuǎn)近不同，眼睛的睫狀肌會調(diào)節(jié)晶狀體的屈度（扁平或凸起），保證被觀察的對象在視網(wǎng)膜上清晰成像。為了實現(xiàn)和維持對物體的注視，眼睛必須進(jìn)行另外兩種運(yùn)動：眼球的跳動和眼球的追隨運(yùn)動。這幾種眼球活動最終都是為了保證對物體的清晰視覺。

2.1.3 雙眼視覺功能

人的基本視覺功能用單眼視覺即可實現(xiàn)，準(zhǔn)確感知三維世界則需要雙眼視覺。雙眼視覺是指左右雙眼同時看到的有輕微位置差異的物像，經(jīng)大腦加工成有三維空間深度感的單一物像的過程。這個過程含三級雙眼視覺功能，等級由低到高依次為同時視、融合和立體視。

1．同時視

同時視也叫同時知覺，又稱黃斑同時知覺，指左右雙眼的黃斑中心凹和黃斑外對應(yīng)的視網(wǎng)膜成分有共同的視覺方向，雙眼具有同時注視并感知物體的能力。同時視是Ⅰ級即最初級的雙眼視覺功能。

沒有同時視就沒有融合功能和立體視覺。如果雙眼視功能正常，不僅兩眼可同時看見同一物體，而且每只眼睛所接收的物像都恰好落在視網(wǎng)膜黃斑區(qū)，傳入大腦后被感覺成一個物像。可以用同視機(jī)檢查左右雙眼是否對圖2-8所示的物像有同時接收的能力：左眼看籠子，右眼看貓，推動鏡筒，正常的同時視就能看到貓被關(guān)進(jìn)籠子里。

2．融合

融合為Ⅱ級雙眼視覺功能，在眼肌學(xué)上包含知覺融合與運(yùn)動融合兩種含義。

知覺融合是在同時視的基礎(chǔ)上，大腦視中樞綜合來自左右雙眼兩個視網(wǎng)膜對應(yīng)點上的物像，融合成一個完整圖像的功能。雙眼視網(wǎng)膜對同一個物體的圖像必須在大小、形狀、明暗方面一致或接近一致。用同視機(jī)檢查左右眼能將大部分相同、小部分不同的兩幅圖像融合為一個圖像。如圖2-9所示，檢查融合的圖片為進(jìn)入左眼的長尾貓圖像與進(jìn)入右眼的無尾貓圖像，融合后形成一幅長尾貓抓老鼠的圖像。

知覺融合的范圍和界限以視網(wǎng)膜對應(yīng)關(guān)系和Panum氏空間的存在為基礎(chǔ)。如圖2-10所示，固視點（注視點）與雙眼結(jié)點圍成的圓稱為視界圓，視界圓上每一點對應(yīng)的物體，都在雙眼視網(wǎng)膜對應(yīng)點結(jié)像，不會形成復(fù)視，但所得的圖像只是平面感覺。實際上，在左右雙眼視網(wǎng)膜上所結(jié)的像，即使沒有落在視網(wǎng)膜對應(yīng)點上，只要不偏離黃斑中心的Panum區(qū)，也不會形成復(fù)視。因為左右雙眼具有一定范圍的融合功能。在視界圓圓周內(nèi)外有限距離處的物體非但不呈復(fù)視，這種輕微差異反而是形成立體感的生理基礎(chǔ)。如圖2-11所示，對應(yīng)Panum區(qū)的Panum融像空間，不會出現(xiàn)復(fù)視的物點離視界圓的距離在雙眼的正前方最小，越往周邊則越寬。在Panum融像空間內(nèi)的物體可以形成雙眼視。

運(yùn)動融合是兩眼視網(wǎng)膜物像間的一種定位性眼球運(yùn)動，使偏離對應(yīng)點的物像重新回到對應(yīng)點上來；是一種通過大腦高級中樞所引起的反射性眼球運(yùn)動，條件性刺激是落于視網(wǎng)膜非對應(yīng)點上的兩個物像。視功能檢查中所測定的融合力基本上是指運(yùn)動融合，但兩者并非截然分開，因為沒有矯正性融合反射的存在，知覺融合只能是一瞬間的活動而不能持續(xù)不斷地保持雙眼視覺。

3．立體視

立體視又稱立體視覺或深度覺，是Ⅲ級雙眼視覺功能，是在同時視和融合的基礎(chǔ)上，建立的具有分辨物體遠(yuǎn)近、寬窄、前后、高低、深淺和凹凸等三維空間的最高級的雙眼視覺功能。立體視是由視界圓內(nèi)外的物體在視網(wǎng)膜上的輕度水平分離物像而形成的，即Panum區(qū)的存在是形成立體視的基礎(chǔ)。

要產(chǎn)生立體視，知覺上要求視覺知覺正常或相似的兩眼可以同時用黃斑注視一個物體；運(yùn)動上要求兩眼可以協(xié)調(diào)一致，保持注視同一個物體；中樞上要求兩眼視野的重疊部分必須夠大，可以使同一個物體落在左右眼的視野當(dāng)中。而且大腦發(fā)育正常，具有正常的視覺知覺反射，可以使眼球運(yùn)動，從而保持正常融合能力，產(chǎn)生立體視。檢查立體視的圖片與效果如圖2-12所示，通過偏振眼鏡看到左右眼視差圖像后能感知蒼蠅翅膀浮起。

形成立體視的主要原因是同一被視物體在左右兩眼視網(wǎng)膜上的像并不完全相同，左眼從左方看到物體的左側(cè)面較多，而右眼則從右方看到物體的右側(cè)面較多。來自左右眼的圖像信息經(jīng)過視覺高級中樞處理后，產(chǎn)生一個有立體感的物體形象。在單眼視物時產(chǎn)生的立體感覺，主要通過焦點調(diào)節(jié)和單眼運(yùn)動獲得，與生活經(jīng)驗、物體表面的陰影等也有關(guān)。但是，良好的立體視只有在雙眼觀察時才有可能實現(xiàn)。