【原】立体视觉漫谈（一）

收音机、照相机、眼睛

——立体视觉漫谈（一） 

人们一般认为，标题中的三种物体是风马牛不相及的。但仔细想一下，把他们相提并论又不无道理。

收音机是什么？它是一种能够从周围空间扑捉信息并将它转换为声音的装置。人们都知道在我们周围的空间中存在着许多不同频率的电磁波。换句话说，我们实际上是生活在充满电磁波的空间里。这些电磁波中函有大量我们需要的信息。每台收音机都有一根可以伸缩的小辫，叫做“天线”。收音机就是靠这根天线来扑捉信息的。

这本书是关于视觉问题的。视觉是我们从周围空间获取信息的重要手段之一。眼睛是我们的视觉器官。从这点看，眼睛的作用与收音机的天线相似。但是人感知世界并不只靠这一根“天线”，我们的耳朵、鼻子、舌头、皮肤都可以接收周围世界的信息。因此人类获取信息的手段要比收音机复杂得多、完善得多。

那么，什么是视觉呢？视觉就是眼睛从周围空间接收电磁波的过程。英国物理学家麦克斯韦早在十九世纪六十年代就已经指出，光波是电磁波。因此，眼睛和收音机获取的是同一种信息。实际上，电磁波是一个很大的家族，包括的波长范围很广。从图1-1可知，眼睛可以接收的只是其中很小的一个范围，这个范围的电磁波叫做“可见光”，它的波长很小。其波长范围大约在0.78μm（红光）～0.39μm（紫光）之间。

图1-1 各种波长的电磁波示意图

其中单位：1nm(纳米)=10m，1μm（微米）= 10 m

   动物的视觉，大致可以分为两大类。

   有的动物完全没有视觉，如人或其他动物肠中的寄生虫。

   在有视觉器官的动物中，其视觉器官的差异是很大的。低级的动物如蚯蚓，是没有眼睛的。它的感光器官是散布在表皮上的一个个单独的光敏细胞。这些细胞与蚯蚓的神经系统相连，可以接受任何射到表皮上的光，而与光的入射方向无关。因此蚯蚓只能分辨明暗而不能产生物体的像，也不能分辨颜色，更谈不上立体视觉。这是由于蚯蚓通常生活在土壤之中，那里没有光线，不需要眼睛，能分辨明暗已经足够了。类似情况的还有深海的鱼类，一般只有感觉弱光的视觉。

大多数软体动物，都具备某种类型的眼睛，因此能够粗略地辨认方向。珍珠贝的眼睛已近于封闭，其辨认方向的能力已强到被认为有实象视觉的程度。这种眼，中间只有一个小孔，光线经过它射到光敏细胞上，其结构与古老的小孔成像照相机极其相似。

图1-2 几种不同类型的眼睛（示意图）

a:只能区别明暗的平面眼  b:凹眼，能对光线方向做粗略估计

                     c:小孔成像眼                  d:晶状体眼

高级动物的视觉可分为两大类。双眼在头部两侧的哺乳动物，如兔，两眼的视野完全不同。左眼和右眼分别感受头部左侧和右侧的光刺激，因此只有单眼视觉。人和灵长类动物，如猴，双眼都在头的前部，绝大部分视野重叠，左右眼可同时接受同一物体的光刺激，因而具有双眼视觉的功能。双眼视觉可以弥补视野中存在盲点的缺陷，又扩大了平面视野，对立体视觉的形成以及通过视觉判断物体的远近距离起着重要作用。

图1-3 照相机原理示意图

什么是照相机呢？照相机是一种能够从周围空间获取信息并将它转换成图象的装置。从以上叙述可知，照相机获取的显然也是电磁波中的可见光波。一般来说，照相机是由镜头（实际上是一组透镜）和暗箱组成的。在暗箱中装上胶片，当快门打开时，就会使胶片感光，从而将外界景物记录下来（图1-3）。它的结构及工作原理和眼睛极为相似。

图1-4 人眼结构示意图

  人的眼睛是一个直径大约23毫米的近似球体（图1-4）。前边是透明的弹性组织，叫做角膜。它有广角镜头的作用，可以将大范围射来的光线汇聚起来投射到水晶体上。角膜周围包有多纤维的巩膜，起保护作用。水晶体的作用类似于凸透镜。外界物体发出的光线经角膜和水晶体聚焦后，可在视网膜上形成一个相当准确的倒立的像。

  为了使远近不同的物体都能在胶片上得到清晰的像，必须对透镜做适当的调整。在照相机中这一工作是靠移动透镜的位置来实现的。在眼睛里，由于水晶体到视网膜的距离无法改变，上述方法显然不行。实际上，人眼是靠改变水晶体的形状（即改变透镜焦距）来完成的。看近处物体时，睫状肌收缩，迫使水晶体中部变厚，焦距变小；看远处物体时，睫状肌放松，水晶体中部变薄，焦距变大。

   视网膜位于眼球后部内层，是眼球的感光部分。它是一透明薄膜，分布着大量感光细胞。这些细胞可分为两种，一种叫锥体细胞，大约有650万个；另一种叫杆体细胞，大约一亿个。

   在眼球的视网膜中央部分有一个很小的区域，密集着大量的锥体细胞，几乎没有杆体细胞。这一区域呈黄色，叫黄斑区，直径约2-3毫米。黄斑中央有一小凹，叫中央窝，这是视觉最敏锐的地方。这里每平方毫米有14-16万个锥体细胞。离开中央窝，锥体细胞急剧减少，而杆体细胞急剧增多。在离开中央窝20º的地方，杆体细胞的数量最多。

   锥体细胞被称为“明视觉器官”，在光亮条件下，它能分辨颜色和物体的细节。视网膜某一区域锥体细胞的数量决定着那里视觉的敏锐程度（简称“视敏度”）。中央窝的视敏度最高。偏离中央窝5º时，视敏度几乎降低一半。在偏离中央窝40-50º的地方，视敏度只有中央窝的1/20。视网膜不同部位视敏度的差别与锥体细胞的分布情况是一致的。

   杆体细胞只在比较暗的条件下起作用，被称为“暗视觉器官”。它能在光线比较暗时分辨物体的轮廓，但不能分辨颜色和细节。

   锥体细胞退化或机能丧失的“日盲症”患者的视网膜中央部位是全盲的，同时也是全色盲。“夜盲症”患者则是由于杆体细胞内感光化学物质（视紫红质）发生病变，在黑暗条件下，视觉便发生困难。

在一些昼视动物的视网膜中，只有锥体细胞，而无杆体细胞。昼视动物一般能分辨颜色。大多数鸟类都是昼视的。在夜视动物的视网膜中则只有杆体细胞，而无锥体细胞。夜视动物一般都是色盲的。一些爬虫类动物是夜视的。

【作者】中国科技馆刘锡印