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5.4: 愿景

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    学习目标

    • 描述视觉系统的基本解剖结构
    • 讨论杆和锥体如何为视觉的不同方面做出贡献
    • 描述如何使用单目和双目线索来感知深度

    视觉系统构造了我们周围世界的心理表现。 这有助于我们成功穿越物理空间并与环境中的重要人物和物体互动。 本节将概述视觉系统的基本解剖结构和功能。 此外，我们将探索我们感知颜色和深度的能力。

    展示了几张人们眼睛的照片。
    图\(\PageIndex{1}\)：我们的眼睛吸收感官信息，帮助我们了解周围的世界。 （来源 “左上”：“rajkumar1220” /Flickr” 对作品的修改；来源 “右上”：Thomas Leuthard 对作品的修改；来源 “左中”：Demietrich Baker 对作品的修改；来源 “左下”：修改作品由”Isengardt” /Flickr；来源 “右下角”：Willem Heerbaart 对作品的修改）

    视觉系统的解剖学

    眼睛是参与视觉的主要感觉器官。 光波穿过角膜并通过瞳孔进入眼睛。 角膜是眼睛上方的透明覆盖物。 它是内眼和外界之间的屏障，它参与聚焦进入眼睛的光波。 瞳孔是眼睛中光线穿过的小开口，瞳孔的大小会随着光线水平和情绪激动的变化而变化。 当光线水平较低时，瞳孔会扩张或扩大，以允许更多的光线进入眼睛。 当光线水平较高时，瞳孔会收缩或变小，以减少进入眼睛的光量。 瞳孔的大小由与虹膜相连的肌肉控制，虹膜是眼睛的彩色部分。

    这幅插图中标出了眼睛的不同部位。 角膜、瞳孔、虹膜和晶状体朝向眼前，后面是视神经、中央凹和视网膜。
    图\(\PageIndex{2}\)：此图说明了眼睛的解剖结构。

    穿过瞳孔后，光线穿过镜头，这是一种弯曲的透明结构，用于提供额外的聚焦。 镜头附着在可以改变其形状的肌肉上，以帮助聚焦来自近或远物体反射的光线。 在视力正常的人群中，镜头会将图像完美地聚焦在眼后的一个称为中央凹的小凹痕上，中央凹是视网膜的一部分，视网膜是眼睛的光敏内膜。 中央凹含有密集的特殊感光细胞。 这些被称为锥体的感光细胞是光探测细胞。 锥体是特殊类型的感光器，在强光条件下效果最好。 锥体对清晰的细节非常敏感，可提供出色的空间分辨率。 它们还直接影响我们感知颜色的能力。

    视锥集中在中央凹中，图像往往聚焦在中央凹中，而另一种感光器棒则位于视网膜的其余部分。 棒是特殊的感光器，在弱光条件下效果很好，尽管它们缺乏视锥体的空间分辨率和色彩功能，但它们会影响我们在光线昏暗的环境中的视觉以及我们对视觉外围运动的感知字段。

    这幅插图显示了光到达视神经，视神经节下方是神经节细胞，然后是棒和锥体。
    图\(\PageIndex{3}\)：这张图显示了两种类型的感光器。 棒是绿色的，锥体是蓝色的。

    在从光线明亮的环境过渡到光线昏暗的环境时，我们都经历过棒和锥体的不同灵敏度。 想象一下，在一个晴朗的夏日去看一部轰动一时的电影。 当你从光线明亮的大厅走进黑暗的剧院时，你会注意到你立刻很难看到任何东西。 几分钟后，你开始适应黑暗，可以看到剧院的内部。 在明亮的环境中，你的视力主要由锥体活动主导。 当你进入黑暗环境时，钓竿活动占主导地位，但阶段之间的过渡会有延迟。 如果你的棒不能像应有的那样轻松、高效地将光线转化为神经冲动，那么在昏暗的光线下你将很难看见，这种情况被称为夜盲症。

    棒和锥体（通过几个中间神经元）连接到视网膜神经节细胞。 来自视网膜神经节细胞的轴突会聚并通过眼后排出，形成视神经。 视神经将视觉信息从视网膜传送到大脑。 视野中有一个点叫盲点：即使来自小物体的光聚焦在盲点上，我们也看不见。 我们没有意识地意识到我们的盲点有两个原因：首先，每只眼睛对视野的看法略有不同；因此，盲点不会重叠。 其次，我们的视觉系统填补了盲点，因此，尽管我们无法对视野那部分中出现的视觉信息做出反应，但我们也没有意识到信息缺失。

    来自每只眼睛的视神经在大脑正下方的某个点合并，称为视裂缝。 如下图所示，视裂缝是一种位于大脑前部大脑皮层正下方的\(X\)-形结构。 在视裂缝处，来自右视野（来自两只眼睛）的信息被发送到大脑的左侧，来自左视野的信息被发送到大脑的右侧。

    一幅插图显示了枕叶、视裂、视神经和眼睛的位置与其在大脑和头部的位置的关系。
    图\(\PageIndex{4}\)：这幅插图显示了大脑前部的视裂缝和通往大脑后部枕叶的路径，视觉感觉被处理成有意义的感知。

    一旦进入大脑，视觉信息就会通过许多结构发送到大脑后部的枕叶进行处理。 视觉信息可以通过平行途径进行处理，通常可以描述为 “什么途径” 和 “何处/如何” 途径。 “什么路径” 涉及物体识别和识别，而 “何处/如何路径” 则涉及太空中的位置以及人们如何与特定的视觉刺激相互作用（Milner & Goodale，2008；Ungerleider & Haxby，1994）。 例如，当你看到一个球在街上滚动时，“什么路径” 标识了物体是什么，而 “位置/方式路径” 标识了它在太空中的位置或移动。

    颜色和深度感知

    我们不以黑白方式看待世界；我们也不会将其视为二维 (\(2-D\)) 或平面（只是高度和宽度，没有深度）。 让我们来看看色觉是如何工作的，以及我们如何感知三个维度（高度、宽度和深度）。

    色彩视觉

    视力正常的人有三种不同类型的视锥体来调节色觉。 这些锥体类型中的每一种都对略有不同的光波长最为敏感。 根据色觉的三基色理论（如图所示），光谱中的所有颜色都可以通过组合红、绿和蓝来产生。 三种类型的锥体都可接受其中一种颜色。

    图表显示 y 轴上标有 “灵敏度”，沿 x 轴绘制 “波长” 以纳米为单位，测量值为 400、500、600 和 700。 三条不同颜色的线从 y 轴的底部移动到 y 轴的峰值，然后返回底部。 蓝线从400 nm开始，达到455纳米左右的灵敏度峰值，之后灵敏度下降的速度与增加的速度大致相同，恢复到530 nm左右的最低灵敏度。 绿线从 400 nm 开始，达到大约 535 纳米的灵敏度峰值。 然后，它的灵敏度下降速度与增加的速度大致相同，恢复到650 nm左右的最低灵敏度。 红线遵循与前两条相同的模式，从400 nm开始，以相同的速度增加和减少，其灵敏度高度约为580纳米。 该图下方是一条显示可见光谱颜色的水平条。
    图\(\PageIndex{5}\)：该图说明了在视力正常的个体中发现的三种锥体的不同灵敏度。 （来源：Vanessa Ezekowitz 对作品的修改）

    色觉的三基色理论不是唯一的理论——另一种主要的色觉理论被称为对手过程理论。 根据这个理论，颜色是用对手对编码的：黑白、黄蓝和绿红。 基本思想是，视觉系统的某些细胞被一种对手的颜色所激发，而受到另一种颜色的抑制。 因此，被与绿色相关的波长激发的细胞会受到与红色相关的波长的抑制，反之亦然。 对手处理的含义之一是，我们不会将绿红色或黄蓝色视为颜色。 另一个含义是，这会导致负面残像的体验。 残像描述了去除刺激后视觉感觉的延续。 例如，当你短暂地盯着太阳，然后把目光从太阳移开时，尽管刺激（太阳）已经消失了，但你仍然可以感知到光点。 当刺激涉及色彩时，对手过程理论中确定的颜色配对会产生负面的残像。 你可以使用下图中的标志来测试这个概念：

    一幅插图显示了一面绿色旗帜，中间的左边有一条粗的黑色边框黄线。 一个小白点位于旗帜正中部的黄色空间内。
    图\(\PageIndex{6}\)：盯着白点 30—60 秒，然后将眼睛移到一张空白的白皮书上。 你看到了什么？ 这被称为负面残像，它为色觉的对手过程理论提供了经验支持。

    但是这两种理论——色觉的三基色理论和对手过程理论——并不是相互排斥的。 研究表明，它们仅适用于神经系统的不同水平。 对于视网膜上的视觉处理，适用三基色理论：视锥对代表红色、蓝色和绿色的三种不同波长有反应。 但是，一旦信号在进入大脑的途中通过视网膜，细胞的反应方式与对手过程理论一致（Land，1959；Kaiser，1997）。

    深度感知

    我们在三维 (\(3-D\)) 空间中感知空间关系的能力被称为深度感知。 通过深度感知，我们可以将事物描述为在其他事物的前面、后面、上方、下方或侧面。

    我们的世界是三维的，所以我们对世界的心理表现具有三维特性是有道理的。 我们在视觉场景中使用各种线索来建立我们的深度感。 其中一些是双目线索，这意味着它们依赖于双眼的使用。 双目深度提示的一个例子是双目视差，这是我们每只眼睛所接受的世界视野略有不同。 要体验这种略有不同的视角，请做这个简单的练习：完全伸出手臂，伸出一根手指，然后专注于那根手指。 现在，在不动头的情况下闭上左眼，然后张开左眼闭上右眼，不要移动头部。 你会注意到，当你在两只眼睛之间交替时，你的手指似乎在移动，因为每只眼睛对你的手指的视野略有不同。

    \(3-D\)电影的工作原理是相同的：你佩戴的特殊眼镜允许左眼和右眼分别看到投射到屏幕上的两张略有不同的图像。 当你的大脑处理这些图像时，你会错觉跳跃的动物或奔跑的人正朝你走来。

    尽管我们依靠双目线索来体验\(3-D\)世界的深度，但我们也可以感知\(2-D\)数组中的深度。 想想你看过的所有画作和照片。 一般来说，即使有视觉刺激，你也可以从这些图像中获得深度\(2-D\)。 当我们这样做时，我们依赖于许多单眼线索，或者只需要一只眼睛的线索。 如果你认为用一只眼睛看不见深度，请注意，在行走时只用一只眼睛时你不会碰到东西，事实上，我们的单眼线索比双目线索多。

    单目线索的一个例子就是所谓的线性透视。 线性透视是指这样一个事实，即当我们看到两条平行线似乎在图像中会聚时，我们就会感知深度。 其他一些单目深度线索包括介入、物体的部分重叠以及图像与地平线的相对大小和距离。

    一张照片显示了一条空荡荡的道路一直延伸到地平线。
    图\(\PageIndex{7}\)：我们通过使用线性透视等单目线索来感知像这样的二维图形中的深度，比如平行线在远处道路变窄时会聚在一起。 （来源：Marc Dalmulder）

    深入挖掘：Stereoblindness

    布鲁斯·布里奇曼（Bruce Bridgeman）出生时有一种极端的懒惰眼睛案例，这导致他成为立体盲人，或者无法对双目深度线索做出反应。 他在很大程度上依赖单眼深度线索，但他从未真正了解过周围世界的\(3-D\)本质。 2012年的一个晚上，当布鲁斯和妻子一起看电影时，一切都改变了。

    这对夫妇要看的电影是拍的\(3-D\)，尽管他认为这是浪费钱，但布鲁斯在购买门票时还是花了钱买了\(3-D\)眼镜。 电影一开始，布鲁斯就戴上眼镜，体验了全新的事物。 这是他有生以来第一次意识到周围世界的真实深度。 值得注意的是，他在电影院之外感知深度的能力仍然存在。

    神经系统中有些细胞会对双眼深度线索做出反应。 通常，这些细胞需要在早期发育期间激活才能持续存在，因此熟悉布鲁斯案例的专家（以及其他类似他的案例）的专家认为，在布鲁斯发育的某个时刻，布鲁斯肯定经历了至少短暂的双目视觉时刻。 这足以确保视觉系统中经过双目线索调整的细胞的存活。 现在的谜团在于为什么布鲁斯花了将近\(70\)几年的时间才激活这些细胞（Peck，2012）。

    摘要

    光波穿过角膜，进入眼睛直达瞳孔。 眼睛的镜头聚焦这种光线，使图像聚焦在视网膜中称为中央凹的区域。 中央凹包含具有高视敏度的锥体，在强光条件下效果最佳。 探针位于视网膜各处，在昏暗的光线条件下效果最佳。 视觉信息通过视神经离开眼睛。 来自每个视野的信息被发送到大脑的另一侧视裂缝。 然后，视觉信息会通过多个大脑部位移动，然后到达枕叶，在那里进行处理。

    两种理论解释了色彩感知。 三基色理论断言，三个不同的锥体群被调谐到略有不同的光波长，而正是这些锥体类型的活动相结合，才使我们对所看到的所有颜色的感知。 色觉的对手过程理论断言，色彩是在对手成对中处理的，这解释了负面残像的有趣现象。 我们通过单目和双目深度线索相结合来感知深度。

    词汇表

    残像
    去除刺激后继续保持视觉感觉
    双目线索
    线索依赖于双眼的使用
    双眼视差
    每只眼睛对世界的看法略有不同
    盲点
    在这一点上，我们无法对视野那部分中的视觉信息做出反应
    锥体
    专门的感光器，在明亮的光线条件下效果最好，可以检测颜色
    角膜
    眼睛上有透明的遮盖物
    深度感知
    感知深度的能力
    中央凹凹处
    视网膜中含有视锥的小凹痕
    虹膜
    眼睛的彩色部分
    镜片
    弯曲的透明结构，为进入眼睛的光线提供额外的聚焦
    线性透视
    当两条平行线似乎会聚时，感知图像中的深度
    单眼球杆
    只需要一只眼睛的提示
    色彩感知的对手过程理论
    颜色以对手对编码：黑白、黄蓝和红绿
    视裂缝
    X 形结构，位于大脑腹侧表面正下方；代表两只眼睛的视神经融合以及视野两侧的信息分离到大脑的另一侧
    视神经
    将视觉信息从视网膜传送到大脑
    感光器
    光探测单元
    学生
    眼睛里有小开口，光线可以穿过
    视网膜
    对光敏的眼膜
    杆
    特殊的感光器，在弱光条件下效果很好
    色彩感知的三基色理论
    色觉由三组锥体的活动介导

    Contributors and Attributions