人眼的工作机制

本页简要介绍了人类的视觉系统以及光线转化为视觉感知的过程。

视觉感知始于物体或场景反射的光线通过角膜、瞳孔和晶状体进入到我们的眼睛。角膜和晶状体帮助将这些光线集中并投射到位于眼球后部视网膜的感光层上。晶状体的另一个功能是通过必要的调节让视线的焦点放在不同距离的物体上。进入角膜的光线量由位于角膜和晶状体之间由虹膜分隔的瞳孔收放来控制。视网膜负责将不同波长(颜色)、对比度和亮度的光线进行解析为生理信号。该信号通过视神经和神经通路被传递到大脑的视觉信息处理区域。

 

 

人类双眼的视野范围约水平220度,垂直135度。但是这些区域能够获取视觉信息的清晰度等级分部却并不均匀,这是由于视网膜上分部的两种不同的感光细胞造成的。造成我们视野范围中这种差异的原因是我们眼睛中存在着两种不同类型的感光细胞——视杆细胞和视锥细胞 。我们眼球中约有94%的感光细胞是视杆细胞。如之前提到的,视网膜的周边区域不能很好地记录颜色和提供目标的形状。这是因为该区域主要被视杆细胞所覆盖。视杆细胞不需要充足的光线就可以工作,因此它只能为我们提供周边环境的模糊且色彩较少的图像。为了获得更多细节内容和清晰的视野,要靠我们的眼球中的另一类感光细胞——视锥细胞。视锥细胞在我们眼球中的所有感光细胞中所占比例约为6% 。人类眼球中的视锥细胞通常有3种,一种负责记录蓝色,一种负责记录绿色,一种负责记录红色。为了能够提供足够清晰的画面,视锥细胞需要更充足的光线才能确保正常工作。因此,当我们在昏暗的环境中观察物体时,我们就失去了识别物体颜色的能力并主要使用视杆细胞记录的信息,类似于灰度图像。视锥细胞通常位于视网膜的中央窝,他们排列紧密以提供尽可能清晰的图像。

左图呈现的是视野范围内感光细胞处理视觉信息的原理。在视线焦点且带有颜色的区域代表视网膜中央窝区域(视锥细胞分部密集)。该区域的形状不规则且直径约半毫米

 (约 1–2 度视角)。视野范围内的其他区域(旁中央窝和外围区域)对图像的感知变得模糊,因此很难区分细节。

参考材料与推荐阅读材料

  • Snowden R.J, Thompson P. and Troscianko T. 2012.  Basic Vision: An Introduction to Visual Perception.  Oxford University Press, Revised Edition, pp. 424.

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