立體顯示下表面光澤感知研究現(xiàn)狀與展望

楊 婷，陳載清，張子樂，陳丹丹，云利軍

（云南師范大學(xué) 信息學(xué)院，云南 昆明 650500）

1 引言

三維（Three-dimensional，3D）立體顯示是以人眼立體視覺為基礎(chǔ)的用于呈現(xiàn)雙目線索的設(shè)備，其主要利用空間交錯(cuò)（復(fù)用）或時(shí)間交錯(cuò)（復(fù)用）等分像技術(shù)提供左右眼視差圖像來產(chǎn)生場(chǎng)景的三維立體感，目前在眾多領(lǐng)域已有廣泛應(yīng)用［1-3］。從二維（Two-dimensional，2D）顯示技術(shù)到三維顯示技術(shù)，人們一直追求更加真實(shí)、自然、舒適的視覺體驗(yàn)，期望顯示終端可以提供真實(shí)或虛擬場(chǎng)景的各種視覺屬性，包括顏色、形狀、深度、紋理、光澤等［4-6］。雙目光澤是一種生物學(xué)意義重大的視覺功能，有利于人眼識(shí)別物體表面材料特性，從而輔助人類辨別物體材料、判斷食物新鮮度、對(duì)抓取物體等的一系列控制行為進(jìn)行判斷。

作為一種感知現(xiàn)象，對(duì)雙目光澤的研究起源于19 世紀(jì)中期。1851 年，H W Dove 通過立體鏡觀察到了一種光彩的外觀［7］。這一觀察結(jié)果很快引起了當(dāng)代其他學(xué)者的關(guān)注：人眼是如何感知這種光彩外觀的？這樣的現(xiàn)象究竟能給我們帶來什么？這種光彩的外觀由哪些因素決定？并掀起了一波研究的浪潮，大量學(xué)者對(duì)Dove 的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了復(fù)現(xiàn)和改良，試圖為這種光彩的現(xiàn)象尋找一個(gè)科學(xué)的解釋［8-10］。在之后的研究中，這種現(xiàn)象被定義為雙目光澤或立體光澤［11］。1867 年，H von Helmholtz 針對(duì)這個(gè)現(xiàn)象提出了一種無意識(shí)推論［12］，并獲得了其他研究者的廣泛認(rèn)可。在幾乎一個(gè)世紀(jì)的時(shí)間里，無意識(shí)推論學(xué)說都主導(dǎo)著這一領(lǐng)域，當(dāng)時(shí)的相關(guān)研究僅限于傳統(tǒng)上的表面反射和不透明的介質(zhì)，以至于人們覺得這似乎沒有繼續(xù)深入的必要，因而之后關(guān)于雙目光澤的進(jìn)一步探索都是附帶在其他非孤立的實(shí)驗(yàn)中［13-15］。直到2000 年，S M Anstis 針對(duì)雙目光澤開創(chuàng)性地提出了神經(jīng)沖突理論解釋［16］。這與Helmholtz 的研究結(jié)果發(fā)生了對(duì)立，也為雙目光澤的后續(xù)探索提供了新的動(dòng)力和突破口。自此，各界學(xué)者如火如荼地展開了新一輪的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，涉及到了雙目光澤的各個(gè)方面，包括與人類視覺系統(tǒng)的聯(lián)合探索［17-21］，基于心理物理學(xué)的光澤感知模型的研究［22-28］，估計(jì)光澤的方法的建立［29-30］，提高光澤恒定性能線索的探究［31-35］，雙目光澤的渲染和模擬［36-39］。綜上，從已有的研究結(jié)果看，雙目光澤與人類視覺系統(tǒng)的交互機(jī)制尚未完全清楚，雙目光澤在大腦中的處理通路仍是未解之謎，光澤的心理物理學(xué)實(shí)驗(yàn)為數(shù)不多，定量數(shù)據(jù)還待補(bǔ)充。

為了提升立體顯示中物體表面材料光澤屬性的感知效果，有必要研究立體顯示下的雙目光澤現(xiàn)象與理論機(jī)制。在理論上，該研究對(duì)理解人眼視覺系統(tǒng)的信息處理過程具有科學(xué)意義。在應(yīng)用上，研究還對(duì)擴(kuò)展立體顯示設(shè)備的基礎(chǔ)表示場(chǎng)景存在一定應(yīng)用價(jià)值，例如：（1）在立體圖像和立體視頻中，光澤感可以增強(qiáng)物體的真實(shí)感和立體感，提高觀眾的沉浸感和體驗(yàn)效果［40］；（2）在三維模型中，光澤感可以讓模型更加逼真，增強(qiáng)觀察者對(duì)空間感和物體表面細(xì)節(jié)的感知；（3）在立體游戲中［41］，借助光澤效果可以增強(qiáng)游戲的吸引力和真實(shí)感，提高用戶的參與度；（4）在立體廣告中，具有光澤感的區(qū)域會(huì)顯得更亮，吸引更多的注意力，有突出品牌的效果；（5）在人機(jī)交互領(lǐng)域，基于雙眼光澤效應(yīng)的立體顯示技術(shù)還被應(yīng)用于數(shù)字色盲輔助領(lǐng)域的應(yīng)用研究，只需借助一個(gè)雙目顯示設(shè)備，就能利用視覺光澤來增強(qiáng)色盲視覺的視覺信息，達(dá)到識(shí)別顏色混淆區(qū)域的目的［42］。本文系統(tǒng)地梳理了雙目光澤的發(fā)展脈絡(luò)，以幫助有關(guān)科研工作者了解該方向的基礎(chǔ)理論和研究現(xiàn)狀，期望為他們的研究提供一些有益幫助。

2 雙目光澤的表示與描述

雙目光澤為人所知的時(shí)間始于1851 年，在兩個(gè)倒金字塔的透視線條畫中，Dove 觀察到當(dāng)兩個(gè)圖像通過單倍立體鏡融合時(shí)，這個(gè)幾何體產(chǎn)生了一種最引人注目的、生動(dòng)的、主觀的光彩外觀［7］。他認(rèn)為，這種光澤是一種虛假的光澤，是一種可以保留的附屬品，如果我們注意它，它就會(huì)敏銳地阻止我們看清它所依賴的東西。在其他研究者的實(shí)驗(yàn)中，他們將這種外觀形容為金屬感［9］、高度拋光的玻璃狀［10］或水晶［10］。1879 年，E Hering［43］在他的研究報(bào)告中提到：光澤是作為一個(gè)偶然的附屬物出現(xiàn)的，而非被感知為表面顏色，就像“光本身”一樣，似乎在空間上是與表面分離的。盡管光澤對(duì)物體整體外觀的重要性僅次于顏色，但光澤的測(cè)量并不像顏色測(cè)量那樣發(fā)達(dá)。第一篇關(guān)于光澤度測(cè)量的文章直到1914 年才出現(xiàn)，而第一本專門討論這個(gè)主題的書則是1945 年才出版。從物理學(xué)家的觀點(diǎn)來看，光澤源于物體表面反射的不均勻幾何光在鏡面方向上通量的增加。在一項(xiàng)有關(guān)工業(yè)的光澤度測(cè)量設(shè)備的設(shè)計(jì)中，Hunter［43］確定了至少6 種不同的視覺感知現(xiàn)象。由于當(dāng)時(shí)還沒有進(jìn)化出能代表它們各自的單獨(dú)術(shù)語，他將其都?xì)w為一般術(shù)語“光澤”。那時(shí)，顏色科學(xué)中的光澤度與光澤感知之間還不存在心理物理量的對(duì)應(yīng)。因此，在1971 年第3 版的《國際照明詞匯表》中，國際照明委員會(huì)僅使用物理術(shù)語定義光澤：“定向選擇性反射特性，負(fù)責(zé)反射的高光或物體的圖像可被視為疊加在表面上的程度”。1986 年，感知光澤與材料的物理參數(shù)首次被聯(lián)系起來［44］。次年，國際照明委員會(huì)的第4 版《國際照明詞匯表》［45］就將光澤的定義轉(zhuǎn)為強(qiáng)調(diào)知覺屬性：“光澤是由于表面的定向選擇性特性，反射的亮點(diǎn)或物體被感知為疊加在表面上的外觀模式。”自此，光澤不再被認(rèn)為是一種純粹由材料的物理特性引起的參數(shù)，而是被明確地強(qiáng)調(diào)為一種感知屬性，一種與表面的幾何性質(zhì)相關(guān)的視覺量。1995 年，I P Howard［15］將這種外觀在視覺上的特殊反應(yīng)描述為一種“波動(dòng)的銀色光澤”。現(xiàn)行的光澤視覺術(shù)語標(biāo)準(zhǔn)定義來自美國試驗(yàn)與材料協(xié)會(huì)（The American Society for Testing and Materials，ASTM）。2017 年該組織制定的ASTM E284-17［46］標(biāo)準(zhǔn)中根據(jù)不同的測(cè)量方法和角度定義了不同光澤在表面上產(chǎn)生的效果，可用于評(píng)估不同類型的材料表面光澤水平。一般來說，光滑材料的感知表示被描述至少6 個(gè)外觀方面［47］：鏡面光澤（Specular gloss）、斜視角度光澤（Sheen at grazing angles）、對(duì)比度光澤（Contrast gloss）、模糊（Haze）、反射圖像的清晰度光澤（Distinctness-of-reflected-image gloss）和表面紋理光澤（Surface-texture gloss），見圖1。總之，對(duì)光澤的完整描述需將其物理性質(zhì)與視覺特性綜合起來，即雙目光澤是指在物體表面發(fā)生的鏡面或鏡面角度上的反射光線被雙眼接收后在視覺上呈現(xiàn)的具有一定方向性的視覺效果。結(jié)合這些特性，雙目光澤可以產(chǎn)生多種視覺效果，成為一種非?！巴怀觥?、“炫目”的現(xiàn)象，并在其他物體中十分顯眼。

圖1 6 種類型光澤示意圖［47］。（a） 鏡面光澤；（b） 斜視角度光澤；（c） 對(duì)比度光澤；（d） 反射圖像清晰度光澤；（e） 模糊；（f） 表面紋理光澤。Fig.1 Schematic diagram of the six types of gloss［47］.（a） Specular gloss；（b） Sheen at grazing angles；（c） Contrast gloss；（d） Distinctness-of-reflectedimage gloss；（e） Haze；（f） Surface-texture gloss.

3 雙目光澤的發(fā)展歷程

1851 年，Dove［7］通過給眼睛布置雙目的適應(yīng)任務(wù)，使它們透過立體鏡在透視線條畫中觀察到了雙目光澤，見圖2。

圖2 雙目光澤的例子［12］Fig.2 Example of binocular glossy［12］

Dove 還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)眼睛看到不同強(qiáng)度的同一種顏色時(shí)，眼睛的適應(yīng)能力會(huì)發(fā)生變化，就像看相同強(qiáng)度的不同顏色一樣，亮色對(duì)暗色的反襯行為就像折射率高的顏色對(duì)折射率低的顏色一樣。他將這個(gè)現(xiàn)象解釋為鏡面反射光與鏡面反射光或漫反射光相結(jié)合的結(jié)果，并提出雙目光澤的感知源自人眼的不適應(yīng)。簡(jiǎn)單來說，我們可以將Dove 的“光澤適應(yīng)學(xué)說”解釋為：由于不同強(qiáng)度的光會(huì)到達(dá)觀察者眼睛的不同深度層，當(dāng)觀察者接收到來自物體表面兩種不同方式反射的光時(shí)，這兩種光就無法被人眼適應(yīng)，此時(shí)雙目光澤就產(chǎn)生了。但是，很快就有研究者反對(duì)這一理論。1854 年，J J Oppel［8］指出，雖然這種感知到的差異可能發(fā)生在用透明清漆覆蓋的畫作中，但這種差異并不會(huì)大到足以在一般情況下就引起眼睛明顯的不適應(yīng)性。尤其是對(duì)于金屬物體，這種想法是矛盾的，因?yàn)樵诮饘僦泄獾姆瓷渲淮嬖谟谖矬w表面，并不會(huì)穿透表面到達(dá)物體的更深層次，更無法產(chǎn)生兩種不同成分的光。1861 年，D Brewster［48］也對(duì)光澤來源于兩種光相結(jié)合的說法提出了質(zhì)疑，因?yàn)樗l(fā)現(xiàn)當(dāng)無背景的黑白表面在立體鏡中結(jié)合時(shí)并沒有產(chǎn)生光澤。據(jù)此，他提出光澤是兩只眼睛努力將立體圖像結(jié)合的產(chǎn)物。同年，在O N Rood［10］所做的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)中，他將一個(gè)彩色的扇形圓盤放置在另一個(gè)不同顏色的物體前并快速旋轉(zhuǎn)，然后用單目從遠(yuǎn)處觀察，最后也產(chǎn)生強(qiáng)烈的光澤印象。這些新的研究都對(duì)Dove 的理論發(fā)起了挑戰(zhàn)，但都沒能給出一個(gè)公認(rèn)的解釋。直到1867 年，德國物理學(xué)家、生理學(xué)家和心理學(xué)家Helmholtz［12］在他的心理光學(xué)手冊(cè)中提出，由于光線與不同材料相互作用，每當(dāng)視覺系統(tǒng)在相應(yīng)的視網(wǎng)膜區(qū)域遇到不同的亮度，而這些亮度似乎是從遠(yuǎn)端物體表面的同一位置反射回來的，它就會(huì)不自覺地推斷該物體具有光澤。這一推理論依據(jù)兩個(gè)概念，一是：從光滑表面反射的光具有方向選擇性，且觀察者的兩只眼睛的觀察視角不同，雙眼就會(huì)從同一個(gè)表面點(diǎn)接收到不同量的光。二是：人類視覺系統(tǒng)的內(nèi)化作用還會(huì)將相應(yīng)視網(wǎng)膜位置的眼間亮度差異解釋為是具有光澤或有光澤材料的遠(yuǎn)端物體反射的光引起的。這種猜想一經(jīng)提出，就獲得了當(dāng)代相關(guān)研究人員的普遍認(rèn)可［49-51］。

當(dāng)然，對(duì)于Helmholtz 的“無意識(shí)推理學(xué)說”也有少數(shù)獨(dú)辟蹊徑的觀點(diǎn)。Hering 在他的光感理論大綱［52］提出了“內(nèi)在主義學(xué)說”，基于這樣的假設(shè)，即光澤來自“光”和“表面”這兩個(gè)內(nèi)部概念的同時(shí)激活。他認(rèn)為，物體的基本表面顏色和偶然顏色這兩個(gè)知覺屬性是感知光澤的核心條件，如果光澤要出現(xiàn)，就必須發(fā)生感覺上的割裂。在這種分裂中，感覺的一部分是物體表面的基本顏色，而其他部分則被看作是“躺”在表面上不穩(wěn)定的光或暗。Hering 的“內(nèi)在主義學(xué)說”與Helmholtz 的“無意識(shí)推理學(xué)說”的主要區(qū)別在于它對(duì)關(guān)注側(cè)重點(diǎn)不同，Helmholtz 認(rèn)為光澤是視覺系統(tǒng)對(duì)光反射的內(nèi)化的結(jié)果，Hering 是只專注于知覺層面，而沒有像Helmholtz 一樣提及這種與低層次視覺特征相關(guān)的物理性質(zhì)。

在一篇公認(rèn)的開創(chuàng)性論文中，Anstis［16］針對(duì)雙目光澤的現(xiàn)象提出了神經(jīng)沖突的概念解釋。他使用了簡(jiǎn)單的中心-周圍結(jié)構(gòu)作為刺激（見圖3），將兩個(gè)中心斑塊亮度不同的刺激物分別呈現(xiàn)在兩只眼睛上，且刺激物被快速交替呈現(xiàn)，就使得觀察者產(chǎn)生了光澤的印象。這種刺激的特殊之處在于，它與之前研究者使用的立體鏡不同，是被一個(gè)二維顯示器呈現(xiàn)在屏幕上的，這將意味著刺激本身出現(xiàn)在了同一個(gè)空間深度，屬于無視差刺激。此外，它還是一個(gè)在現(xiàn)實(shí)生活中物理上不能實(shí)現(xiàn)的刺激。這個(gè)實(shí)驗(yàn)的特殊性，讓Helmholtz和Hering 之前對(duì)光澤感知的解釋都無法成立。據(jù)此，Anstis提出無論是雙眼光澤還是單眼光澤都是由視覺皮層神經(jīng)通路的后期閃爍引起的，它是視覺神經(jīng)無法整合不一致的閃爍信號(hào)而發(fā)生沖突的結(jié)果。這個(gè)觀點(diǎn)為雙目光澤研究帶來了新的科學(xué)意義，促使其成為一個(gè)活躍的研究課題。

圖3 中心-周圍結(jié)構(gòu)刺激示意圖［53］Fig.3 Schematic diagram of central-peripheral structure stimulation［53］

4 影響雙目光澤的線索

光澤度的表示本質(zhì)上是多維的，這意味著沒有一個(gè)單一的特征可以完全解釋光澤度的感知［54］。心理物理學(xué)研究也表明，人類視覺系統(tǒng)在面對(duì)光澤度估計(jì)問題時(shí)，大腦會(huì)使用各種不同的視覺信號(hào)估計(jì)光澤感強(qiáng)度。而早期對(duì)雙目光澤感知的研究主要集中在高光這類物理特性上，伴隨著顯示器技術(shù)的發(fā)展，立體光澤感知線索的研究也逐步轉(zhuǎn)移到與成像相關(guān)的視覺特性上，如視差線索、顏色線索、眼間差異線索等［55-59］。近年來，一些較為新穎的非視覺線索也被研究者注意并擴(kuò)展到他們的實(shí)驗(yàn)中［39］。

4.1 物理線索

4.1.1 鏡面高光

1895 年，Kirschmann 等人［60］在得出鏡面反射面上的高光差可以用作光澤知覺的線索這一結(jié)論外，還測(cè)量了高光差異對(duì)感知強(qiáng)度和感知真實(shí)性的影響。1990 年，Blake 等［23］在Kirschmann 研究的基礎(chǔ)上得出當(dāng)鏡面反射高光的視差接近正確物理視差時(shí)，凸橢球表面的光亮度被觀察者判斷為最真實(shí)的。這個(gè)結(jié)論為后續(xù)探索輪廓或者材質(zhì)與光澤的關(guān)系做了提示。1951 年，在Harrison 和Poulter［61］的研究報(bào)告中提出，光澤度知覺不僅取決于鏡面方向上反射的光的數(shù)量，還取決于鏡面峰的寬度。1995 年，Glassner［62］的研究進(jìn)一步表明，鏡面峰的大小和形狀取決于表面的粗糙度、材料的折射率和照明方向。2004 年，Obein等［63］研究發(fā)現(xiàn)感知光澤度與鏡面光澤度呈非線性的關(guān)系。2005 年，Berzhanskaya 等［64］特別選擇探索了單目光澤線索，他的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明局部強(qiáng)度峰值或“鏡面高光”的出現(xiàn)，或環(huán)境的鏡面反射都能作為光澤的提示。2008 年，Wendt 等人［65］的實(shí)驗(yàn)中得出表面光澤度的等級(jí)隨著鏡面成分的增加而增加，鏡面高光可大大增強(qiáng)光澤感的強(qiáng)度和真實(shí)性這一結(jié)論。2021 年，J R. Cheeseman等［30］采用低、中、高不同范圍的鏡面反射率，評(píng)估觀察者對(duì)目標(biāo)物體光滑度的判斷。結(jié)果表明：光澤的心理測(cè)量函數(shù)的斜率隨著鏡面反射率的增大而減小，在高水平的鏡面反射率下，觀察者的光澤感分辨力顯著降低。此外，作者還提出一種評(píng)估光澤靈敏度方法：最大似然差縮放（Maximum Likelihood Difference Scaling，MLDS）。這使得比較靈敏度在許多條件下變得可行，這是未來研究光照、形狀和其他反射率參數(shù)等因素如何影響光澤度靈敏度的先決條件。

綜上所述，存在鏡面反射的表面通常會(huì)使傳遞到視網(wǎng)膜的圖像也帶有亮眼的光，鏡面高光這一屬性可以被視覺系統(tǒng)用作感知立體光澤的線索，通常情況下，鏡面反射越強(qiáng)，高光也會(huì)越銳利、越小、越強(qiáng)烈，表面顯得越有光澤。這些研究表明，視覺系統(tǒng)啟發(fā)式地結(jié)合了鏡面圖像結(jié)構(gòu)的維度，以產(chǎn)生我們對(duì)表面光澤的體驗(yàn)。

4.1.2 環(huán)境場(chǎng)景

在日常生活中，人類經(jīng)常遇到的室內(nèi)和室外環(huán)境要比實(shí)驗(yàn)環(huán)境復(fù)雜得多，而計(jì)算機(jī)圖形學(xué)的進(jìn)步使得捕捉現(xiàn)實(shí)世界的高動(dòng)態(tài)范圍照明變得可行。因此，大部分探究環(huán)境場(chǎng)景對(duì)光澤感知影響的實(shí)驗(yàn)都是基于虛擬場(chǎng)景下的渲染。1998 年，Debevec［66］以光照探針數(shù)據(jù)庫中兩個(gè)不同的真實(shí)世界光場(chǎng)下渲染的二維光滑表面為刺激進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。結(jié)果顯示，在由少量點(diǎn)光源產(chǎn)生的簡(jiǎn)單光場(chǎng)下，觀察者感知到的表面光澤比在真實(shí)世界光場(chǎng)下渲染的場(chǎng)景要少。2003 年，F(xiàn)leming 等［32］詳細(xì)研究了照明對(duì)光澤印象的影響。他通過模擬不同復(fù)雜性、不同范圍的照明，得出了與Debevec 類似的結(jié)論：與使用點(diǎn)光源或人工光源場(chǎng)景相比，在復(fù)雜照明條件下，觀察者可以獲得更高程度的光澤恒定知覺。相比Debevec，他還得出：感知的光澤還取決于場(chǎng)景中光源的空間分布和強(qiáng)度這一結(jié)論。2009 年，Anderson 和Kim［67］在實(shí)驗(yàn)中提出：當(dāng)必須在不同物體之間進(jìn)行光澤比較時(shí)，光澤取決于亮度和形狀之間的關(guān)系；而當(dāng)場(chǎng)景的照明變化時(shí)，光澤計(jì)算起來就變得很復(fù)雜。2010 年，Doerschner等［68］在明亮的真實(shí)場(chǎng)景中，研究了空間模式、背景和動(dòng)態(tài)范圍對(duì)感知光澤的影響。他們發(fā)現(xiàn)在渲染的高動(dòng)態(tài)范圍場(chǎng)景中，場(chǎng)景的背景對(duì)感知光澤有顯著的影響，而在使用傳統(tǒng)顯示器呈現(xiàn)的場(chǎng)景中則沒有這種效果。遺憾的是，他們的實(shí)驗(yàn)并沒有進(jìn)一步探究信號(hào)光源等其他線索是如何受到背景的影響進(jìn)而影響光澤感知的。同年，Olkkonen等［59］研究了在光場(chǎng)幾何變化下的亮度和光澤度的感知。他使用了高動(dòng)態(tài)范圍顯示器顯示不同幾何形狀光場(chǎng)的模擬球體，得出：（1）光場(chǎng)幾何變化不對(duì)漫反射分量的匹配產(chǎn)生影響，但會(huì)對(duì)鏡面分量匹配有所影響；（2）對(duì)于在復(fù)雜光照或復(fù)雜表面結(jié)構(gòu)下呈現(xiàn)的刺激，背景對(duì)外觀感知影響很小。Olkkonen 與Fleming 使用的實(shí)驗(yàn)方法比較相似，都是匹配實(shí)驗(yàn)，他們的實(shí)驗(yàn)結(jié)論有所不同的主要原因在于他們實(shí)驗(yàn)關(guān)注的重點(diǎn)不同。另外，精確評(píng)估這種類型的實(shí)驗(yàn)中匹配的偏差大小也是一個(gè)微妙的問題。盡管Olkkonen的實(shí)驗(yàn)方法與Doerschner 使用的強(qiáng)制選擇比較任務(wù)不同，但是他們得出的鏡面分量匹配數(shù)據(jù)性質(zhì)是一致的，只是Doerschner 強(qiáng)調(diào)的是它與匹配實(shí)驗(yàn)的偏差。2012 年，Motoyoshi等［69］指出當(dāng)兩個(gè)具有相同鏡面反射特性，但形狀不同或呈現(xiàn)在不同光照條件下的表面被人類觀察者比較時(shí)，它們通常會(huì)被判斷為光澤度不同。2017 年，Wendt 等［34］研究表明，即使是相對(duì)較小的光場(chǎng)幾何形狀的變化也會(huì)導(dǎo)致感知光澤度的巨大變化，當(dāng)不同類型光源引起的相鄰高光重疊時(shí)，會(huì)給人一種放大的單一高光的印象。2018年，Wendt等［70］深入探究了多光源對(duì)光澤感知的影響。由于不同顏色的高光部分是分開處理的，高光重疊也較小，因此感知光澤度幾乎保持不變，所以顏色信息有助于恒定的光澤感知，而運(yùn)動(dòng)信息只是導(dǎo)致感知光澤度的普遍增加。這些實(shí)驗(yàn)都是在材料感知的背景下，以光澤這一突出的知覺特性與場(chǎng)景的物理特性的直接關(guān)系為研究主題，而尚未涉及人類視覺系統(tǒng)是如何依賴這些物理信號(hào)產(chǎn)生光澤印象。

4.1.3 材質(zhì)與輪廓

輪廓信息的重要性在1855 年就被Brewster證實(shí)，他發(fā)現(xiàn)如果通過立體鏡觀察沒有明確邊界的白色表面和同類的黑色表面時(shí)，則觀察不到光澤現(xiàn)象［9］。這說明沒有任何邊界或輪廓的均勻黑白表面，無法產(chǎn)生有光澤的印象。1862年，Wundt［71］提出光澤出現(xiàn)的心理根源，并說明當(dāng)且僅當(dāng)與至少包含一種被明確劃分了彩色的物體結(jié)合時(shí)才會(huì)有光澤。2001 年，Adelson［72］提出對(duì)物體的視覺識(shí)別不僅依賴于它們的形狀，還依賴于制造它們的材料的特性。2012 年，Juno Kim 等［73］實(shí)驗(yàn)證明，感知光澤取決于鏡面反射“邊緣”的結(jié)構(gòu)，而不是鏡面反射高光本身的亮度。鏡面反射邊緣輪廓不僅由局部明亮的鏡面反射高光產(chǎn)生，而且也由局部較暗的鏡面反射低光生成。在更自然的照明環(huán)境中，表面的感知光澤取決于鏡面輪廓的結(jié)構(gòu)。2013 年，Marlow 等人［74］證明了三維表面形狀和照明結(jié)構(gòu)對(duì)光澤的感知有顯著影響，反射的清晰度本身并不是感知光澤的唯一重要信息來源，光場(chǎng)的結(jié)構(gòu)和3D 形狀會(huì)影響鏡面反射的對(duì)比度、覆蓋范圍和清晰度，這些圖像約束會(huì)產(chǎn)生截然不同的感知屬性。Marlow 所述方法的一個(gè)局限性是，使用一個(gè)感知輸出（線索）來匹配另一個(gè)感知輸出（感知光澤），而沒有直接從圖像中測(cè)量所提出的光澤線索。所以他們沒有表示出線索在具有反射函數(shù)的表面的光澤感知中起什么作用。2021 年，B. Chen 等人［35］深入分析了幾何形狀、照明和材料類別對(duì)感知材料特性的聯(lián)合影響，他們關(guān)注于金屬度和3 個(gè)與光澤相關(guān)的外觀屬性（光澤度、反射對(duì)比度和反射銳度）。結(jié)果顯示，感知光澤度隨著高光覆蓋、銳度、對(duì)比度和亮度的增加而增加，這些屬性取決于照明空間結(jié)構(gòu)、材料特性和表面幾何形狀。這些研究都為材質(zhì)、輪廓和感知光澤之間的因果關(guān)系提供了更有力的證據(jù)。然而在精確指定觀察者如何從圖像中獲得對(duì)圖像的鏡面貢獻(xiàn)，如何推導(dǎo)光澤模型的問題上他們都保持了沉默。

4.2 視覺線索

光澤感知受多種視覺線索影響，包括單眼和雙眼的線索，如亮度、對(duì)比度、顏色等。研究表明，隨著亮度的差異增加，感知光澤的強(qiáng)度也會(huì)增加。對(duì)于亮度和對(duì)比度如何影響光澤感知的研究表明，對(duì)比信息更本質(zhì)地決定了光澤感知的強(qiáng)度，而不是局部亮度。這些研究通常同時(shí)進(jìn)行，早在1862 年，Wundt［75］就已經(jīng)注意到這一點(diǎn)。1976 年，Czepluch［51］將目標(biāo)斑塊亮度之間的比率Lmin/Lmax用作光澤閾值的測(cè)量，他計(jì)算出當(dāng)亮度比Lmin/Lmax約為0.7 時(shí)光澤就能被檢測(cè)到。1984 年，Sheedy等［14］也做了類似實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明受試者感知光澤的亮度比閾值在0.2～0.3 之間。這兩項(xiàng)研究之間的這種不一致性表明，亮度比（基于斑塊絕對(duì)亮度）是一種十分不合理的光澤閾值測(cè)量方法，單純的亮度比無法代表視覺系統(tǒng)的相關(guān)輸入變量。2000 年，Anstis［16］的實(shí)驗(yàn)中使用扁平的中心-環(huán)結(jié)構(gòu)作為刺激，發(fā)現(xiàn)當(dāng)兩個(gè)具有不同中心斑塊亮度的刺激分別呈現(xiàn)給兩只眼睛時(shí)，將刺激以快速交替的方式呈現(xiàn)，可以產(chǎn)生有光澤的印象。2002 年，Pieper［76］測(cè)量了中心-環(huán)結(jié)構(gòu)中的最低亮度閾值，當(dāng)其中一個(gè)視圖中心的亮度與環(huán)相同為0.7 cd/m2，另一視圖產(chǎn)生光澤感所需的最低中心亮度約為9 cd/m2。2009 年，F(xiàn)ormankiewicz 等人［58］提出在雙目亮度差異的檢測(cè)任務(wù)中，視覺系統(tǒng)檢測(cè)到的不是單目刺激絕對(duì)亮度的差異，而是單目刺激對(duì)比度的差異；此外，他們還證明雙目亮度差異的檢測(cè)與亮度和色度等表面屬性的檢測(cè)類似，都在相當(dāng)大的范圍內(nèi)服從韋伯定律。2014 年，W.Hong等［53］建立了一個(gè)基于亮度差異視差下的雙目光澤的檢測(cè)模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明視差對(duì)光澤的敏感度影響不顯著。同年，H.Zhang 等人［41］建立的雙目光澤感知模型展示：不同級(jí)別平均斑塊亮度的絕對(duì)閾值隨著平均亮度的增加而幾乎呈線性增加。2016 年，Georgeson 等人［77］為了解關(guān)于亮度對(duì)比的信息是如何被雙目視覺系統(tǒng)編碼和使用的，提出的眼間對(duì)比度辨別模型就是基于對(duì)比度和光澤這兩個(gè)感知線索，人類對(duì)這兩種線索存在獨(dú)立的知覺通路。2019 年，Richard［12］的實(shí)驗(yàn)限制了圖像只在亮度或?qū)Ρ榷壬献兓?，并發(fā)現(xiàn)視覺系統(tǒng)至少有兩種單獨(dú)的機(jī)制處理亮度和對(duì)比信息，表明亮度和對(duì)比度的處理不僅僅是由它們不同的外觀所暗示的不同生理狀態(tài)所決定。Kingdom等人［78］探討了雙眼差異和雙眼求和通道在檢測(cè)眼間亮度差異的機(jī)制中的作用，為揭示雙眼光澤現(xiàn)象背后的特定生理機(jī)制提供了證據(jù)。此外，Wendt［79］等解決了眼間亮度差異的物理量對(duì)雙眼光澤感知強(qiáng)度的影響問題。他提出不同層次光澤的能力隨著眼間亮度差異的增加而降低，指數(shù)為0.77 的冪函數(shù)可以將其很好地?cái)M合。

顏色信息作為四大外觀屬性之一，在光澤感知中也發(fā)揮了不小的作用。1989 年，Hovis［80］提到對(duì)雙目顏色相互作用的研究分為兩類：一類是關(guān)于雙目顏色融合色對(duì)的感知顏色，另一類是關(guān)于雙目顏色對(duì)融合和競(jìng)爭(zhēng)的影響。這一觀點(diǎn)使得人們注意到了顏色信息對(duì)光澤感知的意義，因?yàn)橛行┭芯空哒J(rèn)為光澤感是雙目競(jìng)爭(zhēng)產(chǎn)生的副產(chǎn)品［81-82］。2008 年，Nishida 等人［83］發(fā)現(xiàn)視覺系統(tǒng)并不會(huì)接受所有任意的顏色組合，例如物理上不可行的顏色組合，或者某種程度的對(duì)立色混合后會(huì)發(fā)生奇特的消色現(xiàn)象，而不是產(chǎn)生光澤或者顏色競(jìng)爭(zhēng)。2012 年，Malkoc 和Kingdom［84］測(cè)量了最小雙目色差閾值（Binocular Color Difference Threshold，DCDT），明確給出了立體感知的不同階段，劃定了光澤在雙目顏色融合與雙目競(jìng)爭(zhēng)間的范圍，他認(rèn)為光澤感出現(xiàn)于雙目色差閾值和雙目顏色融合界限之間。2013 年，Jung 等人［81］證明即使不存在鏡面反射，物體表面的光澤感也可以被雙目顏色差異引起，盡管純色度刺激通常比含有亮度變化的刺激更不容易產(chǎn)生光澤印象。2019 年，Wendt 等［79］測(cè)量了中心-環(huán)結(jié)構(gòu)的中心顏色的對(duì)比對(duì)光澤感知的影響，他們也得出了與之前相似的結(jié)論：僅由眼間色差就可以引起適度的光澤感知。

以上研究表明，多個(gè)視覺特征涉及了光澤度的感知，而這幾個(gè)基本的視覺特征線索之間的無限組合創(chuàng)造了光澤感知的無數(shù)可能情況，究竟哪一種線索能精準(zhǔn)預(yù)測(cè)光澤的產(chǎn)生？視皮層如何將這些能夠啟發(fā)光澤的物理線索進(jìn)行高階解讀？這一切又是在哪一階段沿什么通路發(fā)生的？視覺系統(tǒng)如何在產(chǎn)生光澤感時(shí)對(duì)視覺線索進(jìn)行加權(quán)？直至目前，對(duì)于光澤感背后的神經(jīng)機(jī)制所知寥寥，人體視皮層各部分相互聯(lián)動(dòng)，關(guān)系錯(cuò)綜復(fù)雜，這使得研究更加困難。這些問題延伸出來的視覺系統(tǒng)與光澤感關(guān)系的探究更是當(dāng)下研究的熱點(diǎn)。

4.3 非視覺線索

除了視覺啟發(fā)線索、運(yùn)動(dòng)信息，時(shí)間變化等一些非視覺信號(hào)也對(duì)光澤感知顯示出了一定影響。早期研究證明，視覺場(chǎng)景的不同屬性（如形狀、顏色、運(yùn)動(dòng)）產(chǎn)生知覺需要不同的時(shí)間，并且大腦沒有一種機(jī)制來補(bǔ)償其特殊加工系統(tǒng)之間的知覺時(shí)間差。目前尚不清楚這是如何實(shí)現(xiàn)的，許多研究者期待通過測(cè)量人類感知光澤的最小時(shí)間積分來解開大腦神經(jīng)基質(zhì)運(yùn)作的秘密。1960 年，Sachsenweger 的報(bào)道稱：在他的實(shí)驗(yàn)中，500 ms～1 s 的刺激持續(xù)時(shí)間內(nèi)光澤的印象不明顯，在100 ms 以下的刺激持續(xù)時(shí)間內(nèi)幾乎沒有光澤［13］。1964 年，Kahneman 等［85］測(cè)出亮度判斷的臨界持續(xù)時(shí)間約為100 ms，而識(shí)別任務(wù)則長得多。他提出不同的刺激會(huì)觸發(fā)不同的感覺區(qū)域，它們?cè)跁r(shí)間上部分重疊，而不是先后相連，每個(gè)知覺過程都可能有其特有的臨界持續(xù)時(shí)間。1973 年，Mollon等［86］測(cè)量了初始反應(yīng)達(dá)到其峰值所需時(shí)間的變化，實(shí)驗(yàn)表明反應(yīng)時(shí)間隨著刺激閾值的增加而縮短，且僅隨有調(diào)節(jié)反應(yīng)的視網(wǎng)膜機(jī)制的適應(yīng)狀態(tài)而變化，而不隨整個(gè)視網(wǎng)膜的適應(yīng)狀態(tài)而變化。1997 年，S.Zeki 等［87］使用了蒙德里安圖形測(cè)定了顏色感知領(lǐng)先運(yùn)動(dòng)感知約50～100 ms。由于光澤感知可利用的線索十分豐富，視覺處理將視網(wǎng)膜積累的信息整合涉及到時(shí)間的推移［88］。以上實(shí)驗(yàn)表明，想要使大腦感知光澤，在實(shí)驗(yàn)中刺激的演示時(shí)間至少要高于100 ms。2012 年，Malkoc等［84］為了更準(zhǔn)確地了解刺激持續(xù)時(shí)間對(duì)最小雙目色差閾值的影響，在0～1 500 ms 內(nèi)改變刺激持續(xù)時(shí)間，結(jié)果顯示，在250 ms 內(nèi)最小雙目色差閾值隨著刺激暴露時(shí)間增大而減小，超過250 ms后閾值波動(dòng)不大。這一結(jié)果有助于今后有關(guān)雙眼光澤的檢測(cè)和觀看持續(xù)時(shí)間實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)。

研究者對(duì)于運(yùn)動(dòng)誘導(dǎo)光澤感知的探索時(shí)間開始得較晚一些。2002 年，Hartung 等［89］的實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)物體表面特征在形狀上的“滑動(dòng)”方向與鏡面流動(dòng)一致時(shí)，就會(huì)使物體看起來有光澤，這項(xiàng)實(shí)驗(yàn)表明，運(yùn)動(dòng)信息確實(shí)會(huì)影響光澤知覺。2010 年，Sakano 等［90］通過實(shí)驗(yàn)得出，在其他屬性相同情況下，靜態(tài)刺激帶來的光澤感知遠(yuǎn)不如動(dòng)態(tài)刺激強(qiáng)烈，該實(shí)驗(yàn)證明了頭部位置的動(dòng)態(tài)變化對(duì)增強(qiáng)光澤的感知有顯著作用。同年，Wendt 等［91］也得出類似結(jié)論：運(yùn)動(dòng)信息顯著提高了光澤度匹配的穩(wěn)定性。2011 年，Doerschner 等［92］進(jìn)一步探究了3 種運(yùn)動(dòng)線索（覆蓋率、散度、剛體運(yùn)動(dòng)）對(duì)人類物質(zhì)感知的影響，他們得出這些光流特性在估計(jì)表面材料光澤中都發(fā)揮著重要作用，他們的實(shí)驗(yàn)給出了光流在光澤感知中一個(gè)創(chuàng)新的實(shí)例，盡管它不是大腦可以提取的唯一線索。2013 年，Lichtenauer 等人［93］的實(shí)驗(yàn)另辟蹊徑地比較了交互和被動(dòng)觀察者對(duì)粗糙和光滑表面的判斷。在他們的實(shí)驗(yàn)情境中，互動(dòng)觀察者的判斷結(jié)果（觀察者可以自由地改變他們相對(duì)于樣品的位置）達(dá)成一致的頻率明顯高于被動(dòng)觀察者（視覺內(nèi)容相同但觀看模式是視頻播放的被動(dòng)觀看）。對(duì)此他們的解釋是，自由觀察時(shí)場(chǎng)景對(duì)光澤感知提供了額外的線索，且雙目視差與頭部運(yùn)動(dòng)相結(jié)合也導(dǎo)致了更突出的光澤印象。2018 年，Wendt 等［70］在探究多光源對(duì)光澤度感知影響時(shí)也得到了與前人一致的研究結(jié)論，旋轉(zhuǎn)物體通常比靜態(tài)呈現(xiàn)的物體更有光澤。與之前運(yùn)動(dòng)信息能夠增加光澤感知的恒定性的結(jié)論相比，動(dòng)態(tài)模式下的多光源則沒有這樣的效果，只是導(dǎo)致感知光澤度的普遍增加。2022 年，Sakano 等［39］在多視圖3D 顯示器中對(duì)再現(xiàn)光澤的探究也得出了相似的結(jié)論：帶有頭部跟蹤的S3D（stereoscopic 3D）圖像比沒有頭部跟蹤的S3D 圖像能更準(zhǔn)確地再現(xiàn)光澤感知。簡(jiǎn)而言之，無論是單純的非視覺線索還是與其他的線索交互都對(duì)光澤感有一定貢獻(xiàn)。針對(duì)它們的進(jìn)一步研究對(duì)于闡明光澤感知的機(jī)理具有重要意義。

4.4 小結(jié)

以鏡面高光、環(huán)境場(chǎng)景、材質(zhì)與輪廓為代表的物理線索，是早期被發(fā)現(xiàn)并啟用的光澤感知影響線索。目前的研究已證明，視覺系統(tǒng)對(duì)于物理線索的解釋方式具有很高的一致性，通過對(duì)它們的改變、模擬能夠直接地渲染出一定的光澤感效果。與之相關(guān)的有待研究的內(nèi)容包含：（1）對(duì)更復(fù)雜的物理模型和更精細(xì)高效的渲染算法探索；（2）對(duì)物理信號(hào)如何依賴于視覺系統(tǒng)產(chǎn)生光澤感印象的研究。

以亮度、對(duì)比度、顏色為代表的視覺線索，是2000 年來被關(guān)注較多的光澤感知線索，它們能間接影響大腦對(duì)光澤的感知，目前的研究大部分是基于心理物理學(xué)實(shí)驗(yàn)的觀察者感知實(shí)驗(yàn)。與之相關(guān)的有待研究的內(nèi)容包含：（1）對(duì)各視覺線索的交互作用的進(jìn)一步探索；（2）對(duì)視覺線索的量化實(shí)驗(yàn)，以指導(dǎo)再現(xiàn)光澤感；（3）與視覺線索相關(guān)的光澤感神經(jīng)機(jī)制的探索。

以時(shí)間、運(yùn)動(dòng)、觀看距離等為代表的非視覺線索，現(xiàn)在的研究表明，這些感知光澤的附加信息本身就導(dǎo)致了外觀的差異，而不是只對(duì)光澤感的感知產(chǎn)生根本性的貢獻(xiàn)。以非視覺線索為啟發(fā)的光澤感的研究還處于起步階段，有很多待研究內(nèi)容：（1）進(jìn)一步明確這些非視覺線索對(duì)光澤感知的具體影響程度和影響機(jī)制；（2）這類線索引起的光澤感知個(gè)體差異性較大，對(duì)它們的研究有助于個(gè)性化應(yīng)用的開發(fā)。

總的看來，光澤感啟發(fā)線索和感知光澤之間還有許多難以解釋的不一致，不同的光澤感啟發(fā)線索對(duì)光澤的感知并非都依靠同一區(qū)域的處理，而如何建立光澤感啟發(fā)線索與人類觀察感知判斷之間的聯(lián)系是一個(gè)共同的難題。

5 結(jié)論

人眼光澤感知的研究始于感知材料的特性，并且持續(xù)了一個(gè)多世紀(jì)。本文圍繞雙目光澤的表示與描述、理論發(fā)展歷程和影響因素3 個(gè)方面，將國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)進(jìn)行了系統(tǒng)的梳理，總結(jié)為：（1）迄今為止，對(duì)于雙目光澤感知的理論學(xué)解釋還保持在2000 年Anstis 所提的神經(jīng)沖突理論上。經(jīng)過20 多年的探索，人們對(duì)涉及到光澤感知的視皮層處理過程、大腦感知機(jī)理仍然知之甚少，需要進(jìn)一步豐富光澤感知的理論依據(jù)。（2）以往的研究表明，人類視覺系統(tǒng)使用了多種啟發(fā)線索來感知光澤，現(xiàn)有的心理物理學(xué)研究也對(duì)它們分別都進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。由于這些線索并不以一致的方式對(duì)體驗(yàn)光澤感知做出貢獻(xiàn)，且它們的作用效應(yīng)也不是彼此獨(dú)立的，所以對(duì)這些線索整合后的交互機(jī)制還有待后續(xù)探究。（3）在計(jì)算機(jī)圖形學(xué)領(lǐng)域，想要將現(xiàn)實(shí)世界中的刺激在虛擬空間中復(fù)制十分復(fù)雜，為在立體顯示器中再現(xiàn)光澤屬性，大部分研究都集中于模型鏡面材質(zhì)的渲染，或者是表面局部區(qū)域亮度的增加，但這些技術(shù)手段生成的光澤與真實(shí)的光澤還有很大的差距，這需要在后續(xù)工作中持續(xù)探索。特別地，由于光澤感是一種心理量，每個(gè)人對(duì)它的感知都存在差異。與其他的物體外觀屬性相比光澤的知覺恒常性較低，這使它更加神秘莫測(cè)。要想解開包裹在光澤周圍的謎團(tuán)，還需精心設(shè)計(jì)更多立體顯示下的光澤感知實(shí)驗(yàn)，補(bǔ)充大量心理物理學(xué)數(shù)據(jù)?？偟膩碚f，將其與人類視覺系統(tǒng)的神經(jīng)機(jī)制、心理感知交互機(jī)制結(jié)合起來進(jìn)行多維探索才是未來發(fā)展的主要方向。