知覺現(xiàn)象的視覺原理解析

文 邢秀麗 王海英 王彥君 王凌飛 郭芳

知覺現(xiàn)象無處不在，為什么在昏暗的環(huán)境中看不清顏色？夜幕降臨時，為什么綠色顯得尤為濃郁，紅色卻失去了艷麗？對于同一件衣服，為什么大家看到的顏色是不同的……這些都是知覺現(xiàn)象，也是我們的生活體驗，下面一一進行視覺原理解析。

視覺現(xiàn)象1：人類為什么白天能夠看到顏色，晚上看不到顏色？

視覺的形成是可見光通過眼的屈光系統(tǒng)，到達視網(wǎng)膜感光系統(tǒng)，產(chǎn)生感受器電位，視網(wǎng)膜的感光系統(tǒng)將光信號轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)過視神經(jīng)往下傳遞，最終到達視覺中樞，從而形成視覺。視網(wǎng)膜上感受光線作用的感受器包括視錐細胞和視桿細胞。這兩種細胞的外形不同，視桿細胞呈長桿狀，視錐細胞呈圓錐狀。兩種細胞所含有的感光色素不同，視錐細胞含有三種不同的視色素，分別存在于三種不同的視錐細胞中；視桿細胞只含有一種名為視紫紅質(zhì)的視色素。同時，兩種細胞所產(chǎn)生的信號聚合數(shù)量也不同，視網(wǎng)膜上有約600萬個視錐細胞和1.2億個視桿細胞，向神經(jīng)節(jié)細胞中傳遞，一個神經(jīng)節(jié)細胞對應(yīng)的視桿細胞的數(shù)量大約是視錐細胞數(shù)量的20倍。每個神經(jīng)節(jié)細胞對應(yīng)的視桿細胞多，聚合量多，因此對光的敏感性增高；每個神經(jīng)節(jié)細胞對應(yīng)的視錐細胞少，聚合量少，因此敏感性低，但是精確度高。對于視覺信息的處理，視桿細胞比視錐細胞更敏感，視錐細胞比視桿細胞對視覺信息的處理更精細。

視錐細胞對光相對不敏感，需要較強的光才能引起神經(jīng)興奮，主要負責顏色辨別和對物體細微結(jié)構(gòu)的辨別。視桿細胞對光極為敏感，微弱的光就能引起神經(jīng)興奮，主要負責夜視覺。白天，光線較強，能夠引起視錐細胞的興奮，視錐細胞含有三種視色素，負責顏色視覺，所以白天能夠看到顏色。晚上的光線微弱，雖能引起視桿細胞興奮，視桿細胞含有視紫紅質(zhì)，但不負責色覺信息編碼，不能產(chǎn)生色覺，所以晚上看不到顏色。

視覺現(xiàn)象2：為什么在中午人感覺紅花嬌艷，綠草顏色普通，但到傍晚，綠草更濃郁，而紅花顏色普通呢？

對于顏色的感知，如果沒有觀察者，物體本身是沒有顏色的?？梢姽獾牟ㄩL范圍380nm～760nm，不同波長的光進入眼內(nèi)，大腦可感知為不同的顏色?；ǘ渲灾X為紅色，是因為花朵吸收了大部分波長的光，反射了600nm附近的光進入眼內(nèi)；綠葉知覺為綠色，是因為葉子吸收了大部分波長的光，反射了500nm附近的光進入眼內(nèi)。視網(wǎng)膜上的感受器對不同波長的光敏感程度并不一致，在可見光譜范圍內(nèi)，視錐細胞對555nm的光最敏感，視桿細胞對507nm的光最敏感，視桿細胞比視錐細胞對短波更敏感。白天，視錐細胞起主導作用，視錐細胞對長波長的光更敏感，當看到紅花和綠葉時，人會感覺長波長的紅色花更嬌艷，而綠色的葉子顏色普通。到了傍晚，由光適應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)榘颠m應(yīng)，視錐細胞主導轉(zhuǎn)變?yōu)橐晽U細胞主導，眼睛對短波長的光更敏感，當看到紅花和綠葉時，會感覺短波長的綠葉很濃郁，而紅色的花顏色普通，這種現(xiàn)象叫做浦肯野現(xiàn)象。

視覺現(xiàn)象3：為什么有些人看到圖1這件衣服是白金色，而有人看到的是藍黑色？

圖1

一個物體反射光的波長決定了物體的顏色，從物體表面反射的光不僅由其波長決定，還與照射物體的光有很大關(guān)系。熒光燈和鎢絲燈泡的波長范圍與太陽光波長范圍均不相同，比如某個人身上穿了一件藍色毛衣，雖然室外是太陽光的照明，室內(nèi)是人工照明，毛衣反射的光的波長不一樣，真實的毛衣顏色不一樣，但是人們會校正顏色的不一致，知覺時認為在室外和在室內(nèi)看到衣服顏色一致，認為這個人一直穿著同一件毛衣，沒有換過毛衣。再如，一朵花放在室內(nèi)，人們知覺為紫色的花朵（如圖2a），將這個花朵放到室外，此時如果室外太陽光的光線較強，花朵出現(xiàn)過度曝光的現(xiàn)象，此時看到的花朵會變成另一種模樣（如圖2b）。雖然花朵變成另外的模樣，但是人們在知覺時，會自動校正顏色的不一致，認為這個花朵就是室內(nèi)的那朵，而不是其他的花朵。

圖2a

圖2b

通過以上兩個例子可知，同一物體在不同照明環(huán)境下反射波長不一致，使得人們看見事物的顏色不一致，但是人類會校正顏色的不一致，認為兩種環(huán)境下所見事物為同一個，這是因為視覺系統(tǒng)具有一個非常重要的特性即顏色恒常性。

下面我們來看，為什么圖1中的衣服，不同的人知覺到的顏色有區(qū)別，這種現(xiàn)象與視覺系統(tǒng)具有顏色恒常性相關(guān)。對于圖1的衣服，如果認為這件衣服所處的環(huán)境為強光下，由于過度曝光而形成的顏色，大腦就會將圖3b的顏色進行加工，此時大腦認為這件衣服真實的顏色為圖3a的顏色，也就是藍黑色的。如果認為這件衣服在陰影處，大腦會對圖3b的顏色進行加工，移除藍色的投影，這時候大腦就會認為這件衣服是白金色的（如圖3c）。

圖3a

圖3b

圖3c

顏色恒常性在日常生活中起著重要的作用，它允許人們校正由于不同光源、不同的空氣條件引起的視物差別，使人們不會因為這些差別而使生活陷入混亂。

視覺現(xiàn)象4：為什么大部分海盜會用眼罩遮擋一只眼睛？

去過電影院的人一定體驗過，剛進入黑暗的影廳時，室內(nèi)的座椅完全看不清，過幾分鐘后才能看到座椅，再過一段時間，才能看到座椅上的數(shù)字，這就是暗適應(yīng)現(xiàn)象。暗適應(yīng)是指從亮處到暗處，視覺系統(tǒng)對低亮度環(huán)境的感受性緩慢提高的過程。對于暗適應(yīng)的研究，最早開始于暗適應(yīng)曲線的研究。暗適應(yīng)曲線由兩部分組成，如圖4所示，分別為視錐細胞和視桿細胞的暗適應(yīng)。暗適應(yīng)早期大約5～10分鐘，為視錐細胞的暗適應(yīng)過程，后面大約25～30分鐘，為視桿細胞暗適應(yīng)過程。視錐細胞暗適應(yīng)的時間短、且光適應(yīng)感受性較低；視桿細胞暗適應(yīng)時間長、且光適應(yīng)感受性較高。

產(chǎn)生暗適應(yīng)過程的原因主要是在光刺激時，視色素發(fā)生分解，褪色；光線變暗時，視色素依據(jù)原路徑重新進行合成。在正常光源照射時存在完整的視色素和褪色的視色素，眼睛對光的敏感程度取決于視色素的濃度。暗適應(yīng)過程中，視色素濃度增加，對光的敏感性增加，當視色素完全合成時，暗適應(yīng)過程結(jié)束。視錐細胞視色素再生快，5～10分鐘即可完成，視桿細胞再生較慢，需要大約30分鐘完成，所以暗適應(yīng)過程持續(xù)時間大約為30分鐘。

圖4

在很多電影情節(jié)中，可見到大部分海盜會用眼罩遮擋一只眼睛，這和暗適應(yīng)過程相關(guān)。由于海盜需要在船的甲板下工作，甲板下是暗室，從甲板到甲板下的過程中，為了能迅速看清物體，將一只眼睛用眼罩蓋住，眼罩保持眼睛較高的視覺感受性，視色素處于合成狀態(tài)，由亮處到暗處時，打開眼罩，此時被罩住的眼睛能迅速看清物體。當然，這樣的做法也有一定的弊端，蒙上一只眼睛會影響雙眼的立體視功能，對在甲板上工作會產(chǎn)生不利影響。

視覺現(xiàn)象5：為什么對著屏幕拍照，會出現(xiàn)條紋？

電視和電腦的屏幕圖像產(chǎn)生是通過逐行掃描圖像信號形成的，雖然掃描過程很快，但人的視覺有惰性，因此呈現(xiàn)出的畫面仍是連續(xù)的。視覺系統(tǒng)需要辨別在時間變化上的刺激，很多光源會產(chǎn)生閃爍刺激光，如電視、電腦等，當閃爍刺激光的頻率增加到一定的值或者減少到一定值時，人會產(chǎn)生穩(wěn)定的光感覺，感覺不到屏幕的閃爍性。人眼對于8Hz附近的閃爍頻率是最敏感的，8Hz表示1秒內(nèi)閃爍頻次為8。隨著閃爍頻率的增加，當達到一定值時，人的主觀感覺為一個穩(wěn)定的光刺激，這個值稱為閃爍融合頻率，正常人眼的閃爍融合頻率為50Hz～60Hz，個體差異較大。熒光燈的閃爍融合頻率約為100Hz～120Hz，因此，人眼看不到熒光燈的閃爍，電視機和電腦的閃爍頻率比人眼的閃爍融合頻率稍高，所以人眼感知屏幕無閃爍。但當用手機或相機對著電視、電腦屏幕拍照時，拍照快門的速度大于顯示器刷新頻率，所以會出現(xiàn)條紋。

總結(jié)

視覺系統(tǒng)對于人類來說至關(guān)重要，它能協(xié)助人們獲取生存必須的外界環(huán)境信息，生活中許多神奇的現(xiàn)象能通過視覺原理進行解釋，當視覺與其他感覺系統(tǒng)有沖突時，視覺信息起到主要作用，人類會通過視覺信息做出下一步的判斷，我們應(yīng)當善于利用視覺原理進行工作或?qū)W習。?