其他生理心理学第六章视觉

第六章视觉王孟元wangmengyuan@OUTLINE视觉系统的刺激视觉系统解剖结构眼睛光感受器眼与大脑的联系视网膜对视觉信息的编码明暗颜色视觉信息的分析：纹状皮层的作用视觉信息的分析：视觉联合皮层的作用视觉系统的刺激What

do

we

seein

terms

of

physics?电磁波谱(the

Electromagnetic

Spectrum)不同动物具有不同的可见光谱蛇：红外线蜜蜂、某些鱼虾：紫外线颜色的知觉维度知觉维度物理维度色调波长饱和度相对纯度亮度强度视觉系统解剖结构视觉系统解剖结构结膜(conjunctiva)巩膜(sclera)白色角膜(cornea)虹膜(iris)美瞳遮挡部分瞳孔(pupil)晶状体(lens)睫状肌(ciliarymuscle)玻璃体(vitreoushumour)视网膜(retina)眼的成像原理——折光成像Refraction

of

lightLight

entering

the

eye近视(Myopia)/远视(Hyperopia)激光治疗近视：角膜切削手术：LASIK,

LASEK,

TK——改变屈光率角膜角膜混浊——角膜移植手术虹膜（iris）虹膜的颜色：色素细胞中所含色素越多，虹膜的颜色就越深色素细胞中的色素含量与皮肤颜色一致，并与种族的遗传有关虹膜颜色的遗传方式：棕色基因vs.蓝色基因；绿色基因异色症(heterochromia)虹膜的身份识别功能晶状体(lens)白内障(cataract)：晶状体浑浊手术治疗：超声乳化人工晶体植入术视网膜(Retina)中央凹(fovea)视盘(optic

disc)盲点盲点(blindspot)视角与视野Visual

field

testAutomated

perimetry

exam色素性视网膜炎（Retinitispigmentosa）黄斑部退化（Age-relatedmaculardegeneration

(AMD)）视敏度测验（visual

acuity

test）视网膜(Retina)光感受器：视锥细胞视杆细胞视锥细胞(cones)视杆细胞(rods)600万1.2亿主要位于视网膜中央区主要位于视网膜周边区存在于中央凹处中央凹周围对中-强光敏感对弱光敏感提供色调信息只提供黑白信息视敏度高视敏度低视网膜(Retina)三层膜结构：感光细胞层视锥细胞视杆细胞双极细胞层双极细胞水平细胞(horizontal

cell)无长突细胞(amacrinecell)节细胞层无法显示该图片。光感受器换能过程感光色素的分解感光色素：视紫红质（视杆细胞）视蛋白视黄醛(C20H28O)维生素A视紫红质视蛋白 顺式视黄醛反式视黄醛 视蛋白反式维生素A（视网膜中）反式维生素A（血浆中）暗光同分异构酶乙醇脱氢酶-2H

+2H顺式维生素A（视网膜中）感受器电位变化乙醇脱氢酶-2H

+2H感受器电位变化在所有感受器中，唯有光感受器在兴奋时产生超极化反应眼与大脑的联系视网膜——外侧膝状体——视皮层通路Visual

field外侧膝状体背核(dorsallateral

geniculatenucleus)外侧膝状体背核(dorsal

lateralgeniculate

nucleus)：6层神经元大细胞层(magnocellularlayers)：内侧的两层（1，2层）传递与形状、运动、深度以及亮度微小差异有关的信息至初级视皮层小细胞层(parvocellular

layers)：外侧的四层（3-6层）传递与色觉和细节有关的信息至初级视皮层尘细胞亚层(koniocellularsublayers)：存在于外侧膝状体背核每个大细胞层和小细胞层腹侧的亚层将来自短波“蓝”视锥的信息传递至初级视皮层纹状皮层(striate

cortex)——初级视皮层V1视觉联合皮层V2，V3，V4…视网膜——下丘脑通路生理节律调节视网膜——视顶盖和顶盖前核通路控制虹膜（控制瞳孔大小）和睫状肌（控制晶状体），协调眼与头的运动视网膜对视觉信息的编码编码明暗What

do

we

seein

terms

of

lightpatterns?编码颜色编码明暗感受野(receptive

field)视野的一部分，呈现于某细胞感受野内的视觉刺激引起该细胞发放率的变化中央视野精确度远高于周围视野视网膜节细胞ON细胞OFF细胞ON/OFF细胞灵长类：主要投射至上丘，参与视觉反射，与视觉形成没有直接关系视网膜节细胞的感受野中心-外周拮抗式同心圆结构编码颜色颜色视觉的产生机制Young-Helmholtz的三原色理论Hering的色觉对立机制理论色觉机制的现代观点：二合一Young-Helmholtz的三原色理论(Trichromatictheory)RGB

color

modelThomas

Young（1802）提出，

Hermann

vonHelmholtz进行改进证据：三种视锥细胞的发现三种不同的视锥细胞：红锥细胞：长波长绿锥细胞：中波长蓝锥细胞：短波长Color vision

test6or5?2——红色盲能读出6——绿色盲能读出Pseudoisochromatic

Plate

IshiharaCompatible

(PIPIC)

Color

Vision

Test

24PlateEditionColorblind

Home

Page:/The

plates

makeup

several

different

testdesigns:Transformation

plates:

individualswithcolor

vision

defect

shouldseeadifferentfigure

from

individuals

withnormal

colorvision.Vanishing

plates:only

individuals

withnormal

color

vision

could

recognize

thefigure.Hiddendigit

plates:

only

individuals

withcolor

vision

defect

could

recognize

thefigure.Diagnostic

plates:

intended

todeterminethe

type

of

color

vision

defect

(protanopiaor

deuteranopia)

and

theseverity

of

it.色盲(Color

blindness/Color

vision

deficiency)红色盲(protanopia)：“第一色缺损”绿色盲(deuteranopia)：“第二色缺损”蓝色盲(tritanopia)：“第三色缺损”遗传基因：红色盲&绿色盲：X染色体蓝色盲：常染色体全色盲(achromatopsia，ACHM)全色盲(achromatopsia)Case:

内尔·哈维森(Neil

Harbisson)eyeborg音频助视器颜色负后像（negative

color

afterimage）选取右图的一点，在亮光下一动不动地盯著它一分钟（光线越亮，盯的时间越久，效果越强）。然后看一个白色的平面，如墙面或白纸，保持眼睛不动。你会看到一个颜色负后像，就是你原来看到的红色会被替换成绿色、黄色和蓝色互换，黑色和白色互换了。Negative

afterimages

are

caused

when

theeye's

photoreceptors,

primarily

those

knownas

cone

cells,

adapt

from

the

overstimulationand

losesensitivity.三原色理论无法解释之视网膜节细胞：对立加工编码两种颜色敏感性节细胞：红—绿细胞黄—蓝细胞对颜色不敏感的节细胞：“黑白探测器”讨论色觉进化给人类带来了什么好处？为什么只有某些灵长类动物和人类发展出了完整的三视锥色觉？如何运用Hering的色觉对立机制理论来解释颜色负后像现象？视觉皮层初级视皮层=纹状皮层（V1）视觉联合皮层外纹状皮层V2、V3、V4……中颞区(middletemporal,MT)（V5）纹状皮层的作用纹状皮层的解剖结构外侧膝状体背核大细胞层小细胞层尘细胞亚层Cortical

retinotopic

Map朝向和运动Hubel,

D.H.

&

T.N.Wiesel,Receptive

Fields

Of

SingleNeurones

In

The

Cat's

Striate

Cortex,

Journal

ofPhysiology,(1959)

148,

574-591.the

1981

Nobel

Prize

in

Physiology

or

Medicine,

fortheirdiscoveries

concerning

information

processing

in

the

visualsystem朝向和运动朝向敏感性神经元被感受野内有特定朝向的直线所激活朝向敏感性神经元的分类：简单细胞(simple

cell)其感受野以中心-外周对立的方式组织对边缘的位置和方向具有严格的选择性复杂细胞(complex

cell)超复杂细胞(hypercomplex

cell)复杂细胞(complex

cell)无抑制性外周响应其感受野内具有特定朝向的线段，特别是当该线段沿着与自身朝向垂直的方向运动的时候超复杂细胞(hypercomplexcell)响应有特定朝向的线段的末端特定长度、形状、角度、边际的敏感朝向敏感性神经元小结简单细胞复杂细胞超复杂细胞位置V1V1和V2V1和V2感受野大小最小中等最大感受野形状棒状、矩形或边缘状棒状、矩形或边缘状棒状、矩形或边缘状感受野有无固定兴奋性和抑制性区域有。呈现中心-外周拮抗方式无。对感受野中任意位置的刺激反应，对运动方向的刺激反应强烈。有。在一端有强烈抑制性区域空间频率初级视皮层神经元对线条和边缘敏感对正弦波光栅的反应最佳正弦波光栅的空间频率以周/度视角为单位重要的视觉信息包含在低空间频率中Sine

wavegratingPeripheral

vision Central

visionMona

Lisa’sSmile视差(retinal

disparity)视差——物体在双眼视网膜上成像的位置略有不同的事实大多数纹状皮层的神经元是双眼的，存在对视察敏感的神经元。深度知觉单眼线索：透视、视网膜像的相对大小、头部运动时视网膜像的相对移动速度……双眼线索：视差立体视觉3D电影3-D

TV

Broadcast

System3-D

Content

GenerationFig.

Schematic

representation

of

the

complete

3-D

TV

broadcast

chain

including

variousoptions

for

content

production

and

displays.

Note

that

each

of

the

displays

can

be

viewedbyeither

a

single

viewer

or

multiple

viewers

depending

on

the

particular

stereo

outputtechnologies

used.123Stereoscopic

DisplaysStereoscopic:

the

viewerwears

anoptical

device

todirect

the

left

and

rightimages

to

the

appropriate

eye

(aided

viewing).Red/Green

or

Red/Blue:The

red

and

blue

lenses

filter

the

two

projected

images

allowing

only

one

image

to

entereach

eye.Polarized

glassesThe

polarized

glasses

allow

only

one

of

the

images

into

each

eye

because

each

lens

has

adifferent

polarization.Depth

cameraZcam

(3DV

Systems)ZCam

3D

Camera

Is

Like

Wii

Without

Wiimote

and

MinorityReport

Without

GlovesE3:

Xbox

360

‘Project

Natal’

motion

control

/Kinect裸眼3D(autostereoscopicdisplay)视差障壁技术(Parallax

Barrier)N3DS柱状透镜技术(Lenticular

Lens)Toshiba：Glass-Less

REGZAGL1

(2010.12.)MLD（multi-layerdisplay多层显示）2009.4.

PureDepth

Co.

(USA)深度视觉先天or后天？视崖(visual

cliff)实验Case:

S.B.埃舍尔MauritsCornelis

Escher(1898-1972)荷兰艺术家Q:

Whyimpossible？颜色细胞色素氧化酶（CO）块(cytochromeoxidase

blob)初级视皮层单个模块的中心区域，经细胞色素氧化酶染色后可见包含波长敏感性神经元，是小细胞系统的一部分纹状皮层的模块化组织纹状皮层神经元响应视觉刺激的特征：朝向运动空间频率高低视差颜色无法显示该图片。纹状皮层神经元的最佳空间频率：CO块中的神经元响应低空间频率距离CO块中心越远，其最佳空间频率越高视觉信息的分析：视觉联合皮层的作用两条视觉通路背侧通路：where腹侧通路：what色觉腹侧通路动物研究V4:颜色恒常性(color

constancy)TEO颜色恒常性(color

constancy)颜色恒常性(color

constancy)Retinex

theoryDouble-opponent

cellsChecker

shadow

illusionThe

checker

shadow

illusion

is

an

optical

illusion

published

by

EdwardH.

Adelson,ProfessorofVision

Science

at

MIT

in

1995.

The

imagedepicts

a

checkerboardwith

light

anddark

squares.The

optical

illusionis

that

the

area

of

the

image

labeled

A

appears

to

be

a

darker

color

than

thearea

of

theimagelabeled

B.However,

they

areactually

exactlythe

same

color.色觉腹侧通路动物研究V4:颜色恒常性(color

constancy)TEO人类研究枕叶内侧纹状皮层：全色盲

(achromatopsia)V8形状加工动物研究灵长类：形状和特殊物体的识别发生在下颞叶（inferior

temporalcortex）皮层形状恒常性（shape

constancy）形状恒常性（Shape

constancy）Shape

constancy

refers

to

the

phenomenon

in

which

thepercept

ofthe

shapeof

agiven

object

remainsconstantdespite

changes

in

the

shape

of

the

object's

retinalimage.Theories

of

shape

constancyHelmholtzian

theory:

which

assumes

that

shape

constancy

isachieved

by

taking

an

object's

orientation

into

account,Gestalt

theory:

which

assumes

that

shape

constancy

involvesa

relationship

between

the

perceived

shape

and

perceivedorientation

of

an

object,Gibsonian

theory:

which

assumes

that

shape

constancy

isbased

on

projective

invariantsMultiple

view

theory:

which

assumes

that

shape

constancy

isachieved

by

memorizing

a

large

set

of

different

views

of

theobject.Perspective

InvariantsTheory…形状加工人类研究Case：

P.B.视觉失认症形状加工人类研究——视觉失认症（visual

agnosia）统觉视觉失认症(apperceptive

visual

agnosia)视敏度正常，但无法辨认看到的物体。可通过其他感觉道辨认（如：触摸），说明记忆系统无损。高级视知觉缺失造成联想视觉失认症(associative

visual

agnosia)视知觉与语言系统分离造成统觉失认症与面孔失认症Q：面孔是不是一种形状？面孔是一种特别的刺激，独立于其他形状知觉系统存在。统觉视觉失认症面孔失认症

(prosopagnosia/faceblindness)——患者知道自己在看一张面孔，但无法说出这是谁的面孔梭状回面孔区(fusiformface

area，FFA)The

Man

Who

Mistook

HisWife

for

aHatand

OtherClinical

Tales1985

book

byneurologistOliver

Sacks

describing

thecase

histories

ofsomeofhispatients.统觉失认症与面孔失认症面孔是不是一种形状？面孔是一种特别的刺激，独立于其他形状知觉系统存在。面孔识别由视觉联合皮层中特殊的神经回路完成——FFA面孔识别回路由经验塑造而成，通过学习，可用于识别其他类型的视觉信息。面孔识别(face

recognition)面孔识别和面孔失认症的关系患有面孔失认症的患者可以区分一张面孔的性别和种族，甚至能根据面孔来判断一个人的年龄，尽管他/她不认识这张面孔。Bruce-Young所提出来的面孔识别与直接视觉处理的双分离.

Bruce-Young基于大量的行为实验和日常观察以及临床结果，于1986年提出来的认知模型面孔识别(face

recognition)N170——面孔识别特征波面孔识别(face

recognition)先天？后天？先天：遗传研究Human

face

recognition

ability

is

specific

and

highlyheritablea

twin

study

of

face

identity

recognitionCambridge

Face

Memory

Test/facetests/fgcfmt/fgcfmt_intro.php后天：发展研究面孔识别(face

recognition)发展研究Infant

(2-24

months)

face

perceptionChildren

developmentchildren's

abilitytorecognizefacesofunfamiliarpeopleimproves

with

increasing

ageNo

more

development

happens

after8-11

yearsold朱滢等（2004）Self-face

Identification

in

Chinese

Student面孔识别(face

recognition)FFA

&N170：nature

ornurture?Gauthier

et.

al.“greebles”

(1999)Experts

(2000)Face

Recognition

Vs.

Expression

RecognitionThe

Expression

of

the

Emotions

inMan

and

AnimalsCharles

DarwinPublished

in

1872——13

years

after

On

The

Origin

ofSpeciesWho’s

first?

Expression

or

face?ControversyUnconscious

face

recognitionBobes

et.

al.面孔表情分析的ERP成分的时间进程MicroexpressionA

microexpression

is

a

brief,

involuntary

facial

expressionshown

on

the

face

of

humans

according

toemotionsexperienced.

They

are

very

brief

in

duration,

lasting

only

1/25to

1/15

of

a

second.MicroexpressionYou

can

predict

divorce

using

microexpressionsPsychologist

John

Gottman

accuratelypredicted

the

divorce

rate

based

on

thefrequency

of

disgust

shown

in

couples.

Hisaccuracy

was

90%,

after

seeing

thesilentvideo

of

a

couple

for

5

minutes,

he

wouldknow

who

would

go

to

court

in

the

next

4years

and

he

was

80%

accurate

aboutwhichmarriage

will

last

more

than

9

years.Angerwasn’t

a