新第二章 第一节 视觉基础

第二章 视听资料检验的生理基础 视听资料中的录音录像资料涉及到人类的听觉 视觉活动 而听觉 视觉活动是由人 类的视觉听觉器官和神经系统共同完成的 视听觉感知的结果和所有器官的生理结构 生 理机能以及个体的心理活动都是密切相关的 本章重点介绍视听觉活动的生理 心理基础 以及和视听觉活动有关的人类心理现象 第一节 视觉活动的生理机制 一 视觉器官功能视觉器官功能 一 眼睛的结构 眼球直径约为 25 毫米 重约 7 克 主要成分有角膜 虹膜 晶状体 玻璃体和视网膜 图 2 1 眼睛最前面的是透明的角膜 它最先接受光信息 虹膜中间的圆孔叫瞳孔 在瞳 肌的作用下 它能以类似于照相机改变光圈的方式缩小或扩大 晶状体和玻璃体的形状变 化可以调节眼睛光学系统的焦点 图 2 1 眼结构图 眼睛的光学系统很复杂 但可以用一个简单模型计算出物体在视网膜上的视象大小 图 2 2 图 2 2 视网膜像的大小 其中 S 是物体的长度或宽度 D 是从物体到眼睛节点的距离 眼睛节点大约处于视 网膜上成像处前 17 毫米的地方 物体 S 的视网膜像张角大小与该物体张开的视角相同 对于一切小视角而言 tan s 17 因此 s 17 tan 17 S D 此式表明 视网膜上视象大小与物体线度 S 成正比 与物体到眼睛节点的距离 D 成反比 随着视角变小 视象 s 越来越小 以至于分辨不清 1 视网膜 视网膜有很复杂的结构 图 2 3 其外貌结构并不都是均匀的 在它的中心处有一个 凹陷 通常叫中心区 对光线敏感的细胞中 有两类起着重要作用 一类是锥状的的视锥 细胞 一类是杆状的视杆细胞 前者约有数百万个 主要分布在中心区 后者约有一亿个 主要分布在中心区以外部位 图 2 3 视网膜结构 视杆细胞和视锥细胞对光的反应机制不同 在宽度约为 0 65 毫米的中心区 集中分布 着视锥细胞 在正常照度下 它们对光线里波长为 600 570 和 450 纳米的成分很敏感 图 2 5 也就是说 在视锥细胞里有红敏 绿敏和蓝敏细胞 它们使个体产生视觉里的色觉 而在暗弱光线条件下 红绿蓝视锥细胞不能被激活 分布在中心区边缘和外部的视杆细胞 却被激活 并产生明暗视觉 使人在夜晚或低照度条件下也能感知大物体的存在和运动 2 视觉通路 图 2 4 给出的是视觉通路简化图 来自每一视网膜的视神经纤维交叉在视神经纤维交 叉处 交叉的方式是 每一视觉通路所包含的纤维代表着视野的一半 每一通路停止于效 应的外侧膝状体核里 从这里视觉辐射物前进到枕叶大脑皮层的神经中枢 也有一些视神 经通路停止于外侧膝状体细胞核里 图 2 4 视觉通路简化图 大脑皮层的第 17 区是视觉中枢 但和视觉活动有关的皮质区很多 此外 参与视觉活 动的神经系统组织也很多 图中外侧膝状体核就是十分重要的组织之一 二 视知觉 1 视觉刺激 光波是由具有光粒二象性的光子 光量子 组成的 光量子的能量随波长而变化 可 见光区间光波长度是 400 到 700 纳米 具有各种能量的光量子是产生视觉的刺激物 眼睛接受的光有两类 直接来源于光源的如太阳 灯光 烛光等的光线 以及来源于 被物体反射的的光线 2 光谱相对视亮度 不同波长的光在其刺激眼睛的程度上是极不相同的 紫外 红外光人眼感觉不到 可 见光范围的光谱相对视亮度也是不一样的 视角大小 物体细节大小与明视照度之间也有很强的依赖关系 视角越大 要求照度 越低 视角越小 要求照度越高 物体细节越小 要求照度越高 物体细节从 0 1 毫米增 大到 10 毫米 所需照度由 784 勒克司降为 15 勒克司 3 明视 暗视和间视 明视觉指的是视锥细胞在日间较高的亮度水平上能看清外界事物 暗视觉指的是对光 有高度敏感的视杆细胞在夜间亮度水平低时能看见外界事物 表 2 1 人眼的明暗视觉 感受器 视锥 约 7 百万 视杆 约 1 2 亿 视网膜位置 集中在中央 边缘较少 一般在边缘 中央没有 神经过程 辨别 累积 波长峰值 555 纳米 505 纳米 亮度水平 昼光 1 到 107毫朗伯 夜光 10 6到 1 毫朗伯 颜色视觉 正常三色视觉 无彩色视觉 暗适应 快 约 7 分钟 慢 约 40 分钟 空间辨别 分辨能力高 分辨能力低 时间分辨 反应快 反应慢 间视是明视和暗视之间的另一种视觉 原来 视锥细胞仅在明亮条件下对光有感应 而视杆细胞此时被亮光所饱和 没有输出 当光线暗弱之后 视锥细胞没有反应 而视杆 细胞开始感受暗光 在暗区停留 1 2 个小时以后 个体眼睛的中央区会变盲 而位于中央 区以外的视杆细胞却可以有效地看到微光下的物体了 用中央区以外的视网膜区作夜间观 察 是夜间外出执行任务的人必须掌握的一种技术 视锥细胞和视杆细胞对不同波长光的感受性不同 二者中间有一个 光色差 600 毫 微米以下尤为明显 因此 一个很弱的光便超过已暗适应了的视杆感受器的阈值 中央区 以外的视网膜就有微光下物体的视象 只不过它是无色的 随着光波长变小 能量增强 达到视锥感受器阈值的光成分增加 视象便显出了颜色 从无色到显示出颜色的这段过程 就是 间视 该图还表明 视杆细胞对红光不敏感 也就是说 红光不会使它激活 因此 为了保持视杆细胞的夜视灵敏性 夜间外出执行任务的人 如查阅图表或检验器材 必须 戴红色眼镜 或用红光照明 图 2 5 眼睛对不同波长光的感受性 4视敏度 视敏度描述的是能够看到景物精致细节的准确性 视力表是将视敏度规范化的常用 工具 通常用观察者眼睛对物体所成的张角的倒数来标度视敏度 对视敏度可从四个方面来检验 1 觉察 观察者要判断的只是物体存在与否 如图 2 6 所示 作为刺激物的一条黑线 或一个黑点在视网膜一个区所产生的亮度变化 L 能否被觉察的问题 对于单线这个阈值视 角最小 约为 0 5 弧秒 通常的觉察阈值是 10 20 弧秒 光的衍射对于觉察有影响 2 认知 能正确认知字母 E 或圆环的开口方向 它不仅包括明度辨别 而且在一定 程度上包括解像力以及定位能力 3 解像力 指的是对一个视觉形状组成部分之间距离的辨别能力 常用于检测视觉解 像力的是多线栅格图形 最好的眼睛也只能分辨由 35 40 弧秒宽的线条组成的栅格 也就 是说 比能够觉察到的单个线条要宽 70 80 倍 4 定位 定位要解决的是上下两条线是否存在位错 刚刚能够分辨的偏差是 2 弧秒 说明视觉可以对物体相对位置作出精细的辨别 影响视敏度的因素很多 重要的有视网膜感受器的镶嵌精细程度 瞳孔大小 测试物 体的亮度及其对比 测试物体的暴露时间 眼动等 图 2 6 视敏度指标 二 视觉的体视特性 人眼的视网膜是二维的表面 但在这个二维空间的视网膜上却能觉察出三维空间的客 体 人的空间视觉中依靠很多客观条件和机体内部条件来判断物体的空间位置 这些条件 被称为深度线索 一 眼睛的调节活动 首先 在观察对象时 根据与对象的远近 眼睛的水晶体形状总是要被眼肌调节的 水晶体调节过程产生的产生的信息是估计对象距离的线索之一 其次 是双眼视轴的辐合 为保证对象的映象落到视网膜感受性最高的区域 获得清 晰的视象 两只眼睛的视轴必须完成一定的辐合运动 看近距离的物体 视轴趋于集中 看远距离的物体 视轴趋于分散 图 2 7 给出的是辐合角度与对象之间距离的关系 P 为 物体 L 和 R 代表两眼位置 目间距一般为 65 毫米 左右眼向内的辐合角分别是 Cl Cr 二者相等 其和等于角 C 利用上述条件可以求出距离与辐角的关系 D 13407225 C 毫米 其中 角度值是以秒为单位的 图 2 7 双眼视轴的辐合 表 2 2 不同距离下的双眼辐合角 距离 D 毫米 幅合角 秒 度 100 134072 36 300 44691 12 600 22345 6 1000 13407 3 7 10000 1341 0 37 50000 268 0 07 表中数据表明 在 50 米以外的客体可以认为是在无限远处 二 双眼视差 人对空间对象的深度视觉主要由双眼视觉实现的 双眼视觉不仅用两个眼睛看着物体 而且在视觉机能方面出现深度知觉的质的变化 双眼视差是深度知觉的基础 图 2 8 给出不同距离的对象产生双眼视差的示意图 其 中 P 是被注视对象 另有两个 B R 对象 前者比 P 近 后者比 P 远 对象 P 的视象落在 双眼视网膜中心区的 P1 P2 处 而 B 和 R 则落在双眼视网膜的 b1 r1 和 b2 r2 区 b1 和 b2 的位置差形成了双眼视差 由于这个视差位于 Panum 区内 所以 B 在双眼里的视象 仍是单象 但却产生了深度视觉 以注视物 P 在双眼视网膜的视象为参照点 有 r1p1 r2p2 p1b1 p2b2 即一个视网膜的刺激点离中心区较近 一个视网膜的刺激点离中心区 较远 相对于双眼中心区这一远一近便使人产生了深度视觉 图 2 8 双眼视差示意图 当两个物体位于不同距离时 二者之间的距离差别必须大于一定限度才能被视觉辨别 出存在距离差 这种辨别能力称为实体感受性或深度视锐 表 10 2 给出各种观察条件下 深度视差为 5 秒时 理论深度视锐值和实验值 表 2 3 各种观察距离下深度视差为 5 秒时 理论深度视锐值 实 验 值 观察距离 理论深度视锐值 良好照明 一般照明 不良照明 米 1 0 37 毫米 0 4 毫米 0 6 毫米 1 毫米 10 3 8 厘米 4 厘米 100 4 15 米 3 7 米 7 米 这个表的数据说明 距离观察者 10 米远的两个物体 其相对的距离差达到 3 8 厘米时 才能看出远近的差别 如果小于这个距离 就不能辨别出哪个在前 哪个在后 当对象的 距离超出 1300 1500 米时 双眼的视线近于平行 视差接近于零 双眼视差将不能提供深 度线索 二 物理条件产生的空间视觉 视觉对象本身的一些物理条件 在一定条件下也可以成为知觉深度和距离的线索 在 人们的空间知觉中起着重要作用 视觉对象大小对空间视觉影响较大 表明视网膜视象大小的公式为 a A D A 是客 体大小 D 是客体到眼睛水晶体上节点的距离 a 是视网膜上视象的大小 在知觉心理学 里这个公式叫做大小 距离不变假设 它表明知觉的大小与知觉的距离是相互制约的关系 视网膜上视象的大小可以作为距离的线索而起作用 两个线度相等的物体 在视网膜上的 视象大者距离近些 小者距离就远些 物体的遮挡是单眼或双眼判断物体前后的重要线索 一架飞机部分地被云层遮住或在 云层后面忽隐忽现 便被知觉为飞机在云层中或云层后飞行 利用遮挡判断对象的前后很 容易 但判断对象之间的绝对距离是比较困难的 光亮与阴影的分布也对空间视觉产生影响 光亮的物体显得近 灰暗的或阴影中的物 体显得远 但是 在物体上的亮度分布与光照方向关系密切 在具体判断时 一定要首先 确认入射到物体上的光线方向 颜色也有作用 在人们经验中 远方的物体一般呈现兰色 近处的物体呈现黄色或红色 这也形成了判断对象远近的线索 空气的清晰程度影响人们的视觉 空气有灰尘不清晰 远处的物体轮廓看不清 近处 的物体看得清楚 所以 空气的清晰度也是判断对象空间远近的线索之一 线条透视指的是空间的对象在一个平面上的几何投影 近处对象占的视角大 看起来 较大 近处对象占的视角小 看起来较小 这种线条透视有助于知觉对象的距离 三 视觉活动的生理 心理效应 视觉观察的对象是客观存在的事物 但是 视觉活动是由人的生理器官进行的 在视 觉活动中 人的主观意识和生活积累的经验往往会起很大作用 一 马赫效应 光的亮度在物体上总是会有变化的 特别是在物体的边界处 这里的边界既可以是物 体与背景的边界 也可以是物体结构形成的边界 客观存在的亮度变化如图 2 9 上部所示 而人主观感知的亮度变化却是如图 2 9 下部所示 这是物理学家马赫在一百多年以前发现 的现象 称为马赫效应 主观感受到在边界亮度对比加强了 甚至加强到了不连续的程度 这种不连续性有利于觉察物体的空间结构 有利于把物体和背景分开 对于人类知觉 识 别物体形状是非常重要的 图 2 9 马赫效应 二 主观轮廓 在一定信息感觉基础上 人们可以作出某种假设 产生主观轮廓的知觉 视野中某些不完 整因素出现乃是主观轮廓形成的必要条件 如图 2 10 中的三个扇形圆盘和三个角都是不 完整的形态 可是人们在三个扇形圆盘之间可以看到有一个弱的轮廓或边缘 由这个主观 轮廓包围起来的三角形看起来比亮度相等的背景显得更亮一些 也可以说它象一个白色的 三角形 位于由另外三个角所组成的三角形之上 不但主观感知出两个三角形 而且能够 分辨出前后 图 2 10 主观轮廓 在这里 视觉组织在简单 稳定和正规性方面占优势 而为了使这种知觉组织更合乎现 实 中央白三角形必须被看成是压在另一个三角形上面的不透明三角形 又由于三角形一 定有边界 视觉系统依据推论的结果就提供了必要的 轮廓 这种主观轮廓是以知觉到立 体结构中有一个展现在前方平面所造成的结果 是视觉系统要把某些带有不完整因素的图 形完整化的倾向所引起的 实验证明 只有不完整因素提供了必要的深度线索时 主观轮 廓才能产生 三 定势与经验 定势与经验是以人的主观条件而改变的因素 定势是人对某一特定知觉活动的直接准 备性 它指的是在已有活动影响下所形成的对于当前心理活动的倾向性或准备状态 目前 定势一词已被用于各种心理活动 如言语 书写 听觉和视觉等各类心理活动 定势可以分为主观和客观两种 主观定势 由人的内心倾向性决定 当组织原则不明 显起作用时 个体自己能够在刺激图形中任意地从一组对象中看到各种不同的分组 在图 2 11 里 有的人可能看到的是少女 有的人可能看到的是老太婆 有时某种定势很强 甚 至可以看到与图形的组织原则相反的不同组合 图 2 11 主观定势图 客观定势 指的是知觉到的图形是由图形的客观组织特征所决定的 图 2 12 中最上 层的点子在横的方向上排列成一直线 点子的空间间隔交替地一宽一窄 个体按照就近原 则将它们分组 到最下边一行虽然点子之间的距离已经相等 由于客观定势使个体继续保 持原有倾向性 仍然把它们同样地分组 图 2 12 客观定势图形 经验或环境在某些知觉中会起重要作用 图 2 13 最上面的符号没有定解 在第二行 里它是 江 而在第三行里它又是数字 1 和 2 了 经验与环境在图形 图像的综合分析中 起很大作用 图 2 1