視覺過程

視覺過程是指視覺形成的過程，由多個步驟組成的複雜過程，包括光學過程、化學過程和神經處理過程。

基本介紹

• 中文名：視覺過程
• 外文名：process of vision
• 定義：視覺形成的過程
• 形成過程：光學、化學、神經處理過程
• 套用：機器人視覺等
• 涉及領域：圖像處理、生物學等

相關概念

1.視覺：視覺是一種人類的基本功能，它不僅幫助人類獲得信息而且還幫助人類處理分析信息。視覺進一步可分為視感覺和視知覺。其中視感覺是較低層次的，它主要接收外部刺激，所考慮的主要是刺激的物理特性和對視覺感受器官的刺激程度；視知覺則處於較高層次，它要將外部刺激轉化為有意義的內容。人類的視覺系統對不同的刺激會產生不同形式的反應，所以視知覺又分為亮度知覺、顏色知覺、形狀知覺、空間知覺等。在很多情況下，視覺主要指視感覺，而其他內容則在視知覺中討論。

2.視網膜：視網膜就像一架照相機里的感光底片，專門負責感光成像。當我們看東西時，物體的影像通過屈光系統，落在視網膜上。視網膜是一層透明薄膜，因脈絡膜和色素上皮細胞的關係，使眼底呈均勻的橘紅色。後界位於視乳頭周圍，前界位於鋸齒緣，其外面緊鄰脈絡膜，內面緊貼玻璃體。

原理

視覺過程先從光源發光開始。光的模式通過場景中的物體反射進入作為視覺感受器官的左右眼睛並同時作用在視網膜上引起視感覺。視網膜是含有光感受器和神經組織網路的薄膜。光刺激在視網膜上經神經處理產生的神經衝動沿視神經纖維傳出眼睛，通過視覺通道傳到大腦皮層進行處理並最終引起視知覺，或者說在大腦中對光刺激產生回響——形成關於場景的表象。大腦皮層的處理要完成一系列工作，從圖像存儲直到根據圖像作出回響和決策。如果說視感覺主要是從分子的觀點來理解對光反應的基本性質(如亮度、顏色)，視知覺則主要論述從客觀世界接受視覺刺激後如何反應及反應所採用的方式。兩者結合構成完整的視覺。

視覺過程流程圖

過程

視覺過程是由多個步驟組成的複雜過程。概括地說，視覺過程由光學過程、化學過程和神經處理過程這三個順序的過程所構成。

光學過程

人的眼睛是人類視覺系統的重要組成部分，是實現光學過程的物理基礎。眼睛是很複雜的器官，但從成像的角度可將眼睛和攝像機進行簡單比較。眼睛本身是一個平均直徑約為20mm的球體。球體前端有一個晶狀體，對應於攝像機的鏡頭，而晶狀體前的瞳孔對應於攝像機的光圈。球體內壁有一層視網膜，它是含有光感受器和神經組織網路的薄膜，對應於攝像機的感光面。

人眼水平橫截面示意圖

當眼睛聚焦在前方物體上時，從外部射人眼睛內的光就在視網膜上成像。晶狀體的屈光能力可以由在晶狀體周圍的睫狀體纖維內的壓力控制而改變，當屈光能力從最小變到最大時，晶狀體聚焦中心和視網膜問的距離可以從約17mm變到約14mm。當眼睛聚焦在一個3m以外的物體上時晶狀體具有最小的屈光能力，而當眼睛聚焦在一個很近的物體上時晶狀體具有最強的屈光能力。據此可計算物體在視網膜上的成像尺寸。

化學過程

視網膜表面分布著一個個光接收細胞(光感光單元)，它們可接收光的能量並形成視覺圖案。光接收細胞有兩類：錐細胞和柱細胞。每個眼內約有6 000 000～7 000 000個錐細胞。它們對顏色很敏感。錐細胞又可分為3種，它們對入射的輻射有不同的頻譜回響曲線。人類能藉助這些細胞區分細節主要是因為每個細胞各自連到它自己的神經末梢。錐細胞視覺稱為適亮視覺。每個眼內柱細胞的數量要比錐細胞大得多，在視網膜表面上大約有75 000 000～150 000 000個柱細胞。它們分布面大但解析度比較低，這是因為幾個柱細胞都聯到同一個神經末梢。柱細胞僅在非常暗的光線下工作，並對低照度較敏感。柱細胞主要是提供視野的整體視像，因為只有一種柱細胞，所以不產生顏色感受。

視網膜中心也稱為中央凹(fovea)，是眼睛內對光最敏銳的區域。錐細胞在中央凹區域的密度很高。為了解釋的方便可把中央凹看作一個1.5mm×1.5mm的方形感測器矩陣。錐細胞在這個區域的密度約是150 000個/ram²，所以近似地說，中央凹里的錐細胞數有約337 000個。單從原始分辨能力看，一個看來比較低解析度的CCD圖像採集陣就可把這么多個光電感受元件集中在一個不超過7mm×7mm的接收陣中。由此可見眼睛的分辨能力是可由電子成像感測器所達到的，但這並不表明人類視覺系統的能力已能用電子器件實現。

錐細胞和柱細胞均由色素分子組成，其中含有可吸收光的視紫紅質(rhodopsin)。這種物質吸收光後通過化學反應分解成另兩種物質。一旦化學反應發生，分子就不再吸收光。反過來，如果不再有光通過視網膜，化學反應就反過來進行，分子可重新工作(這個過程常需幾十分鐘)。當光通量增加，受到照射的視網膜細胞數量也增加，分解視紫紅質的化學反應增強，從而使產生的神經元信號變得更強。從這個角度看，視網膜可看作是一個化學實驗室，將光學圖像通過化學反應轉換成其他形式的信息。在視網膜各處產生的信號強度反映了場景中對應位置的光強度。由此可見，化學過程基本確定了成像的亮度或顏色。

神經處理過程

神經處理過程是一個在大腦神經系統里進行的轉換過程。每個視網膜接收單元都與一個神經元細胞藉助突觸(synapse)相連。每個神經元細胞藉助其他的突觸再與其他細胞連線，從而構成光神經(optical nerve)網路。光神經進一步與大腦中的側區域(sideregion of the brain)連線，併到達大腦中的紋狀皮層(striated cortex)。在那裡，對光刺激產生的回響經過一系列處理最終形成關於場景的表象，從而將對光的感覺轉化為對景物的知覺。