互动科普

视觉

撰文  丁锦红

生活中，我们最常做的一件事就是“看”。无论做什么事情——取一份报纸、拿一杯果汁，或找一把椅子坐下，都需要视觉的辅助。虽然人有5种常用感觉，但在我们接收到的外界信息中，80%以上都是通过视觉获得的。眼睛除了有视觉功能，还可以暗示心理状态。人们常说的 “痛苦的眼神”、“虔诚地看着”或者“一双忧郁的眼睛”，都是眼睛对心理状态的反映。

视觉原理

眼睛是视觉系统的一部分，它必须与视觉系统的其他部分合作，才能执行视觉功能。在视觉系统中，眼睛（眼球）是一个完美的光学系统，它把外界各种可见视觉信息，如亮度、形状、颜色、运动（包括方向和速度）等，投射到眼球底部的视网膜上。视网膜素有“外周脑”之称，其中的光感受器细胞可分为视杆和视锥细胞两类，主要处理亮度和颜色信息。我们能够看见五颜六色的纷繁世界，要归功于它们的“辛勤工作”。

而双极细胞、神经节细胞、水平细胞、无足细胞和网间细胞等，构成了纵横交错的立体层次网络，对视觉信息进行精细处理。处理后的信息经由神经通路，传送到位于大脑内的视觉中枢，在那里进行更加复杂的分析处理（参见《环球科学》2007年第5期《视网膜上的电影工厂》一文）。处理视觉信息的中枢与大脑其他区域（如负责记忆、语言、情绪的区域）也有密切的联系。于是，我们会在看见熟人时马上想起他们的名字，阅读悲剧小说时潸然泪下——这就是眼睛反映心理状态的表现。

解密三维视图

我们能否看清楚外界事物，取决于眼睛以及视觉信息传递通路是否完好；能否认识、理解所看见的事物，则由大脑的视觉中枢等结构决定。以三维视图为例。当右图（上）足够大（20厘米×20厘米）时，也许能够看出一头犀牛浮在沙漠背景上（轮廓见右图下）。但是，不少人会觉得很困难，如何才能从一张平面图上看出一个立体物体呢？其实，这是一种深度视觉现象。我们之所以能够分辨物体的远近，是因为我们的眼睛使用了很多视觉线索，这些线索帮助我们区分不同物体与我们之间的距离。

当我们看下面这幅立体图时，两只眼睛的视线不能相交在图上，即不要看清图上的细节。要么视线相交于图的后面（似乎在愣神），或者相交于图的前面（对眼）。由于两只眼睛之间有一定距离，所以，当它们同时看见一个物体时，该物体在双眼视网膜上所成的像会存在一定差异（双眼视差），视觉中枢根据这种细微误差形成物体的远近关系。形成了立体图后，如果挡住一只眼，立体物体就会消失。

不可缺少的眼动

此外，眼睛运动也是视觉和认知非常重要的一环。眼睛运动使视网膜能够对准所要看的对象，从而在视网膜上获得更加清晰的图像。当视网膜对准某一事物（如电视）时，通常该事物就变成了我们心理活动的对象，我们的注意力就集中在该对象上。心理学家通过测量视觉过程（读书看报、观察图片等）中眼睛运动的规律，可以探究人内心深处的奥秘。当你浏览一张报纸时，总会首先被某些内容吸引，而忽略了其他一些细节。如果我们在设计报纸版面、平面广告等作品时，采用心理学的方法进行适当测量，以确定所要表达的重点内容是否真的能够吸引读者的注意力，将会显著提高宣传效率。

虽然我们知道眼睛在不停地运动，但只有通过仪器（眼动仪）才能够测量到这种运动。眼睛做这种微小运动，是为了避免视网膜产生适应性。也就是说，不让视网膜上的细胞重复做同一个工作，而是让它们轮换交替，不至于产生“疲劳”与“厌倦”（参见本期封面故事）。否则，如果它们疲劳了，工作能力下降，我们就看不见物体了。在我们睡眠时，眼睛也会产生类似的快速运动，有研究发现，它与我们巩固对白天经历过事件的记忆有关。还有很多研究发现，精神分裂症患者在用眼睛追踪运动目标时，表现出与一般人不同的眼动模式；阅读障碍患者阅读时的眼动也与正常人有所不同。

眼睛欺骗了你

我们看到的东西，一定是那样的吗？你多半会给出肯定的答案，但实际情况并非如此，我们很容易被自己的眼睛欺骗。

有时，同一幅图片中的两条线段在我们看来一条明显比另一条长（见上图），但等我们拿着直尺一量，才惊奇地发现，两条直线居然一样长！这就是视觉错觉，它让我们对现实世界产生了错误判断。现实生活中这种情况非常普遍，而且多数情况下，我们根本意识不到被眼睛“欺骗”了。

为什么会产生错觉？为了回答这个问题，科学家曾提出过几个理论，但似乎都不能完美地解释错觉现象。

最早提出的是眼动理论。这种理论认为，眼睛总是沿着图形的轮廓做有规律的扫描运动，而轮廓的特殊性质将影响眼动的范围和方向，进而造成错觉。例如在缪勒－莱尔错觉（Maller-Lyer Illusion）中，由于箭头向外的线段引起距离较大的眼动，眼睛运动距离的信息将通过神经传递到大脑，从而造成这条线段更长的感觉。但是，有时在眼动无法产生的情况下，我们仍然会产生错觉，对于这种现象，眼动理论无法给出合理的解释。

后来，为了弥补眼动理论的缺陷，又有科学家提出了“传出准备性假说”（Efferent Readiness Hypothesis)，他们认为，错觉是由于神经中枢给眼肌发出的不适当的运动指令造成的。只要人们有这种眼动的准备性，即使眼睛实际上并没有运动，错觉也会发生。不过，没有足够数据支持这种假设。

20世纪60年代中期，科学家提出了神经抑制作用理论，试图从神经生理学的角度，来解释错觉现象：当两个轮廓彼此接近时，视网膜内的侧抑制过程改变了由轮廓所刺激的细胞的活动，因而使神经兴奋分布的中心发生变化。于是，人们看到的轮廓发生了相对的位移，引起几何形状和方向的各种错觉。但这种理论也有一个缺陷，那就是没有考虑到整体上的认知作用。

还有一种是深度加工理论。人们在观察三维空间里的物体大小时，总是把距离的因素估计在内，也就是说，把远处的物体看得大些，把近处的物体看得小些，以保证视觉的恒常性（即当距离改变时，视网膜上物体投影的大小也相应发生改变，而感觉到的大小却相对不变）。但是，如果我们无意或有意地将恒常性用于观察平面物体时，就会引起错觉现象。虽然这种理论还是有无法解释的错觉现象，但它是最具说服力的一种。

科学家对视觉规律的研究不断深入，使人们更加清楚地了解到人类视觉系统如何认识外部世界。在此基础上，通过模仿人的视觉系统的工作过程，科学家可以制造出类似人类视觉的机器视觉系统，它可以用于各种机器人上，例如探险机器人、导盲机器人、守卫机器人等。另外，随着脑科学、认知神经科学、心理学以及计算机技术等学科领域的发展，通过在盲人相应视觉中枢置入机器视觉系统，使他们重新看到外部世界成为可能。