人類視覺(jué)的眼球運(yùn)動(dòng)機(jī)制

汪 亮

（吉林大學(xué) 珠海學(xué)院公共基礎(chǔ)課教學(xué)與研究中心，廣東 珠海519041）

0 引言

視覺(jué)系統(tǒng)是人類最重要的感官系統(tǒng),來(lái)自外界的大部分信息是通過(guò)視覺(jué)系統(tǒng)獲得的，而眼睛的運(yùn)動(dòng)是一種研究視覺(jué)系統(tǒng)信息處理機(jī)制的重要手段，所以眼動(dòng)研究越來(lái)越多地受到人們的關(guān)注，其研究成果也被廣泛的應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、心理學(xué)、工業(yè)等領(lǐng)域。本文對(duì)眼動(dòng)的主要類型和功能做一簡(jiǎn)單的介紹， 并探討了眼動(dòng)在視覺(jué)認(rèn)知研究中的重要作用，期望將來(lái)的研究中能更深入的理解眼動(dòng)的機(jī)制，并能夠更多的應(yīng)用到生產(chǎn)實(shí)踐中去。

1 眼動(dòng)的類型和作用

在視覺(jué)觀察中， 將眼睛的中央凹對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)刺激物的過(guò)程稱為注視,通過(guò)注視可以把視覺(jué)映像固定在視網(wǎng)膜的中央凹上，這是人類視覺(jué)最敏感的區(qū)域，因而可以在此獲得最清晰、最穩(wěn)定的視覺(jué)映像，大部分的視覺(jué)信息需要在眼睛注視下才能獲得加工。 在注視靜止目標(biāo)時(shí),眼睛并非是完全靜止的，眼球仍存在三種微小的運(yùn)動(dòng)：Adler&Fliegelman(1934 年)發(fā)現(xiàn)的眼球自發(fā)的高頻率、低振幅的視軸震顫運(yùn)動(dòng)（Tremor），其頻率約為幾十赫茲，振幅大約和中央凹的錐體直徑相當(dāng)；Dodge(1907 年)發(fā)現(xiàn)的不規(guī)則的、 緩慢的視軸漂移運(yùn)動(dòng)(Drift) 和微小的、 快速的直線眼跳運(yùn)動(dòng)(Microsaccades)，慢漂移運(yùn)動(dòng)(Drift)使得注視的目標(biāo)逐漸離開(kāi)中央凹的中心，而微跳動(dòng)(Microsaccades)可以糾正這個(gè)偏差，以保持正確的注視狀態(tài)。

眼球的微幅運(yùn)動(dòng)，不僅沒(méi)有讓人在注視物體時(shí)視覺(jué)模糊，相反人的視知覺(jué)根本離不開(kāi)眼睛的運(yùn)動(dòng)，Pritchard 用實(shí)驗(yàn)證明當(dāng)視網(wǎng)膜上的映像用光學(xué)方法固定下來(lái)時(shí)，視覺(jué)映像會(huì)在數(shù)秒鐘后逐漸消退。 因而眼動(dòng)的部分功能似乎是不斷清除視網(wǎng)膜光感受器上的像，這樣光感受器不會(huì)因適應(yīng)而停止發(fā)放，大腦始終可以獲得視覺(jué)映像的輸入信號(hào)。當(dāng)眼睛注視點(diǎn)從一個(gè)目標(biāo)快速移動(dòng)到另一個(gè)目標(biāo)時(shí)，眼球會(huì)發(fā)生跳視運(yùn)動(dòng)，這是眼睛通過(guò)跳躍運(yùn)動(dòng)來(lái)增強(qiáng)視覺(jué)系統(tǒng)的快速跟蹤能力，使得眼睛在觀察目標(biāo)的方位發(fā)生突然變化時(shí)，也能夠讓視覺(jué)目標(biāo)落在視網(wǎng)膜上的中央凹附近。跳視是一種眼球聯(lián)合運(yùn)動(dòng)(即雙眼同時(shí)移動(dòng))，其大小約為1 到40 度角， 持續(xù)時(shí)間約30—120ms， 最高跳視速度可達(dá)400～600°/s。 跳視時(shí)視覺(jué)感知會(huì)被抑制，稱為跳視抑制。

人在觀察慢速移動(dòng)物體時(shí)，為使移動(dòng)目標(biāo)的映像保持在視覺(jué)中央凹區(qū)域，眼睛會(huì)跟隨運(yùn)動(dòng)目標(biāo)而發(fā)生平滑跟蹤眼動(dòng)。 運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的信息輸入到視覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)時(shí)，視覺(jué)系統(tǒng)會(huì)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)速度進(jìn)行檢測(cè)并反饋控制眼睛連續(xù)跟蹤運(yùn)動(dòng)目標(biāo)，使得眼動(dòng)與運(yùn)動(dòng)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)同步。 人眼能平滑跟蹤的最大的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)速度約為30°/s。

人在實(shí)際觀察物體時(shí)，上述三種不同形式的眼動(dòng)往往是同時(shí)存在的，通過(guò)這些眼動(dòng)，我們才能形成清晰的視知覺(jué)。

另外還有一種眼動(dòng)方式和雙眼立體知覺(jué)是密切相關(guān)的，這就是雙眼輻輳運(yùn)動(dòng)：當(dāng)人眼觀察從遠(yuǎn)處移向近處的物體時(shí)，雙眼視軸會(huì)向鼻側(cè)靠近，這稱為輻合運(yùn)動(dòng)（Convergence）；相反，當(dāng)人眼觀察從近處移向遠(yuǎn)處的物體時(shí)， 雙眼視軸會(huì)向兩顳側(cè)分開(kāi)， 稱為分散運(yùn)動(dòng)（Divergence）， 輻合和分散運(yùn)動(dòng)的共同特點(diǎn)是兩眼視軸總是反方向運(yùn)動(dòng)，統(tǒng)稱為輻輳運(yùn)動(dòng)（Vergencemovement）。

事實(shí)上立體視覺(jué)的形成，除了健全的視覺(jué)神經(jīng)系統(tǒng)外，雙眼輻輳運(yùn)動(dòng)，是一個(gè)關(guān)鍵的、必要的條件,只有通過(guò)輻輳運(yùn)動(dòng)，雙眼同時(shí)注視一個(gè)目標(biāo)，當(dāng)左右眼幅合到合適的角度，雙眼視網(wǎng)膜中央凹圖像的差異較小時(shí)，才能形成比較穩(wěn)定的融合狀態(tài),最終形成雙眼立體視覺(jué)。 如果眼肌不能配合，無(wú)法進(jìn)行雙眼輻輳運(yùn)動(dòng)，則不能將物象投影到各自的視網(wǎng)膜的中央凹，雙眼立體視覺(jué)則不可能完成,而會(huì)出現(xiàn)雙眼復(fù)視和競(jìng)爭(zhēng)現(xiàn)象。

2 眼動(dòng)的應(yīng)用

眼動(dòng)被認(rèn)為是一種研究視覺(jué)信息加工的有效手段，其研究成果被廣泛的應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、心理學(xué)、工商業(yè)、軍事等各領(lǐng)域中。

通過(guò)測(cè)量跳視和平滑眼動(dòng)的各項(xiàng)參數(shù)，可作為精神分裂癥、抑郁癥、焦慮癥、強(qiáng)迫癥等精神系統(tǒng)疾病檢測(cè)的良好指標(biāo)。眼動(dòng)作為心理學(xué)研究中的一項(xiàng)重要指標(biāo)， 被廣泛的運(yùn)用到應(yīng)用心理學(xué)領(lǐng)域的研究中，如運(yùn)動(dòng)心理學(xué)、航空心理學(xué)等領(lǐng)域。

在工商業(yè)領(lǐng)域，眼動(dòng)的應(yīng)用也取得了一些進(jìn)展。 美國(guó)弗吉尼亞大學(xué)研制的眼動(dòng)系統(tǒng)Erica，由眼睛注視來(lái)控制輸入，幫助殘疾人較方便的和外界交流，實(shí)現(xiàn)通信、娛樂(lè)等。 日本佳能相機(jī)也實(shí)現(xiàn)了眼控聚焦的功能，能根據(jù)人眼的注視位置進(jìn)行聚焦。 在機(jī)器視覺(jué)方面，2001 年傳感器制造商——Technos 公司借鑒人眼的固視微動(dòng)機(jī)理， 開(kāi)發(fā)出將自動(dòng)外觀檢查系統(tǒng)的精度提高到肉眼100 倍以上的“Technos 振動(dòng)測(cè)向神經(jīng)視覺(jué)傳感器3510H”， 可見(jiàn)對(duì)眼動(dòng)機(jī)制的研究不僅有助于生物視覺(jué)領(lǐng)域的進(jìn)步而且在機(jī)器視覺(jué)等工程領(lǐng)域也具有重要的啟迪和借鑒價(jià)值。

在工業(yè)設(shè)計(jì)方面，通過(guò)眼動(dòng)分析可以了解人在操作機(jī)械設(shè)備時(shí)如何分配注意力，可幫助設(shè)計(jì)者更合理地設(shè)計(jì)和分配儀表、屏幕等，以獲得更好的人機(jī)交互，減輕操作者的負(fù)擔(dān)，提高工作效率。在廣告設(shè)計(jì)上通過(guò)對(duì)注視時(shí)間、次數(shù)、眼跳等參數(shù)的測(cè)試，也可以幫助設(shè)計(jì)者了解廣告宣傳的效果。

我國(guó)的眼動(dòng)研究起步較晚，但近年來(lái)國(guó)內(nèi)對(duì)眼動(dòng)的研究也越來(lái)越深入，眼動(dòng)研究已經(jīng)不再僅僅局限于閱讀研究中，而是作為心理學(xué)研究中的一項(xiàng)重要指標(biāo)，被運(yùn)用到應(yīng)用心理學(xué)領(lǐng)域的研究中，如工效學(xué)、廣告心理學(xué)、駕駛心理學(xué)等領(lǐng)域；此外，在機(jī)器視覺(jué)、計(jì)算機(jī)視覺(jué)領(lǐng)域我國(guó)也開(kāi)展了一系列眼動(dòng)技術(shù)方面的研究，希望將來(lái)能在眼動(dòng)研究領(lǐng)域進(jìn)一步縮小與發(fā)達(dá)國(guó)家之間的差距，推動(dòng)相關(guān)科學(xué)的發(fā)展。

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