Part 1,Chapter 2,Page 7

此章講述雙眼視覺與空間知覺。

空間上一物體的位置(physical (objective) space)被看到在哪裡(visual (subjective) space)是取決於受到光刺激的網膜單位(retinal elements, retinal points, or retinal areas)與中央窩的相對位置,與物體實際位置(光源位置)無關。例如以手指隔眼皮從外眥輕推眼球,物體實際上沒動,但是看到的物體會動,而被手指推擠(動)的網膜因為缺乏光刺激,對應在視野上的就是一個盲區(推外眥對應內眥)。

不同網膜單位通過節點會對應到空間中不同方位,而定義出不同的視覺方向(visual directions),即節點與網膜單位的連線(lines of directions),在線上的所有空間中物體對觀察者有相同視覺方向,被看到在同一方位,只是有前後順序之差。其中,中央窩與節點連線為principal line of direction,線上空間中物體位在受測者的principal visual direction,周邊其它網膜單位則對應有secondary lines of directions,線上物體位在受測者的secondary visual directions。

 visual direction  

周邊網膜單位對應的周邊影像能夠引發saccade(側眼瞄到,看過去,正視),引起動作的潛在能力(retinomotor value)被定義為越周邊網膜越強,中央網膜為0,中央窩被視為retinomotor center or retinomotor zero point。但是網膜單位的外圍是互相重疊的,鄰近單位的活化對自己卻是抑制,所以上述定義的對象須為對接收單獨明顯與週遭有強烈對比投影的網膜單位較完整。

如果雙眼的principal lines of directions對準同一個注視點(fixation point)就稱為雙眼注視(binocular fixation)。像這樣同時刺激雙眼網膜相對區塊的所有物點(注視點與空間上所有其它的點)都會被看成一個(雙眼單一視,binocular single
vision or sensory fusion),並對雙眼有一共同視覺方向(common subjective visual direction),被共同視覺方向的物點影像投射的雙眼網膜單位互為彼此的對應點(corresponding retinal points)。利用強光閃爍單眼會在此視覺方向留下後像,此時既使閉上雙眼或是以另一隻眼看也會在同一視覺方向看到後像,此現象被利用來測試網膜是否正常對應。

afterimage  

空間中所有形成單一視的物點理論上會排列成一個球面,稱為理論單視圓(horopter),然而實際上是一個略平的面。空間中不同位置的物體,若一個對左眼與另一個對右眼有相同視覺方向(共同視覺方向),兩物體看起來會在同一方位,若兩物體的形狀大小、亮度、清晰程度不同會看起來一前一後(前後不斷調換,甚至拼湊在一起),就像是有一隻長在鼻根的眼睛(the third central imaginary eye or the binoculus, or cyclopean eye)看到此視覺方向上有兩重疊物體一樣,但是實際上兩物體的物理位置是不同的。若是兩物體的網膜影像一樣則融像,但若顏色不同也會不停變換顏色,這種兩眼影像的競爭稱為retinal rivalry or binocular rivalry。這樣的競爭取決於哪一眼在主導視覺,而不是哪一物體較顯眼,競爭輸的被暫時抑制不被看見,這是正常現象也是一種雙眼視覺的保護機制。若是一眼影像被持續抑制,另一眼持續掌控主導權,長久下來會對雙眼視覺造成傷害。相反地,雙眼保有競爭關係才有可能重建雙眼視覺。

common relative subjective visual direction  

 common visual direction 

retinal rivalry   

一個物體投影在非對應的雙眼網膜時,對雙眼而言此物分別有不同視覺方向,因此會在不同方位看到兩個影像(diplopia)。因此書上說到Single vision is the hallmark of retinal correspondence. Double vision is the hallmark of retinal disparity.例如注視一物,輕推眼球,被注視物體的網膜影像離開中央窩(對應點)即形成複影。因此融像的完成需要視覺與動眼的搭配,網膜接收到融像區(Panum’s area)外的投影偏移(retinal disparity),這屬於感覺融像(sensor fusion);動眼系統依偏移投影與眼肌張力得到聚或散的動作指令,藉以保持視覺方向一致(單一視),這是運動融像(motor fusion)。

物體的視覺位置與其真實位置的差異稱為retinal discrepany,這代表我們看到的世界與真實世界在空間物理的位置上是有出入的。我們慣於把對這世界的認知當做是真實,例如習慣了戴眼鏡(事實上稜鏡扭曲了影像),對顏色的認定也是見仁見智(你說的藍綠色是什麼色?),適應後感覺變淡,但是這不是發生在真實世界的事實,總之,對真實世界的所有認知都只是自身知覺虛構出來的世界。

retinal discrepancy

雙眼中各自通過該眼中央窩的兩條水平線上,從這些網膜對應點的共同視覺方向回推空間中交集的所有單一視物點將排列成一圓弧,稱為單視弧(longitudinal horopter curve,也稱為theoretical or mathematical horopter curve, is also known as the Vieth-Mu¨ller circle)。但是實驗證明視覺上的單視弧其實不是那麼幾何,稱為empirical horopter curve。實驗發現除了個人的左右半邊不對稱之外,人與人之間也有些微差異(horopter deviation),所以說每個人都有自己獨特的單視圓。

horoter

位在單視弧外物體,其投影在非對應點,形成影像偏移,稱為生理性複視(physiologic diplopia)。例如將食指放在螢幕與你之間,當你注視螢幕時會看到兩支食指。因為食指在左眼右邊的視覺方向,閉左眼,右邊的食指會消失,這樣的複視稱crossed (heteronymous) diplopia;相反地,注視食指時螢幕有uncrossed (homonymous) diplopia。

physiologic diplopia  

既然只有單視圓上景物為單一視,那麼為何我們都沒發現其它景物有複影?原因很簡單,我們早已習慣忽視它們了(一直都存在,只是沒去注意)。突發的眼肌麻痺造成的斜視就會在不能不注意的地方(前方)出現明顯的複影。從小就有斜視的人大腦會適應成不去處理來自偏移眼的視覺資訊,藉此避免看到複影,稱為抑制(suppression)。忽視是一種心理手段,抑制則是神經生理的機制。

Panum

在單視弧上往前、往後一段距離仍能維持融像,空間中這樣的範圍稱為融像區(Panum's area of single binocular vision or Panum's fusional area)。在單視弧上融像區是越周邊,前後距離越大,這是因為中央與周邊網膜在解剖生理上的不同,中央是一對一的錐細胞連結,周邊則是多對一的錐細胞或桿細胞連結,較大的retinal receptive fields與因此較容易活化(summation較強)的特性造就了周邊較大的融像區。融像區反映出一個人在不同視野方位,對視線偏移造成的影像偏移,所能容許的偏移值範圍(融像範圍)。一般人中央窩只能容忍大約6~10分角的影像偏移,12度的周邊則是能容忍約30~40分角的偏移。在中央視野的融像範圍內偏移被稱作注視偏移(fixation disparity),可以兩眼景象周邊相同(融像),中央不同的視標(haploscopic device visual targets)做測試。

FD target  

 

物體本身在融像區內的遠近寬度與雙眼位置不同所造成的水平偏移,經融像後形成深徑覺(binocular depth perception)是為立體視(stereopsis)。在融像區邊界剛出現複視時仍可能有立體視,所以立體視的範圍並無明顯邊界而是逐漸消失的(由中心向外變化:無偏移(差異)影像融像後沒有立體覺,偏移影像融像後,偏移越大立體覺越強,超出融像區剛形成複視時仍有較弱立體覺,偏移過大產生明顯複影就失去立體覺)。

stereopsis

平面的影像也能融成立體影像,例如兩眼各看一個相同的三圈同心圓,三個圈會在同一平面上,但是稍微讓第二個圈往外偏(偏心了),其投影在網膜上有nasal disparity,看起來就比較遠(偏越多遠近差越多),但還是被看成在正中央(同心)。

2D stereopsis    

單眼的立體視線索(例如外形、空間頻率)能讓缺乏感覺融像的斜視患者,例如微斜視(microtropia)與輕微內斜患者,保有低層級的立體視(複視者仍有些微深徑覺)。感覺融像能力能將相似的影像融合,讓兩眼影像不同的地方突顯出來,對於高層級立體視是不可或缺的能力(低層級不需,有融像能力未必有立體視覺)。例如random-dot stereograms,單眼無法察覺的立體圖案經過雙眼立體視之後才能浮現,這證明型態視覺(form perception)在視覺處理的層級較立體視為高,得到高層級立體視的幫忙能發揮更強的型態視覺。

random-dot stereogram  

能以多小的影像偏移產生立體視覺的能力稱為立體視力(stereoscopic acuity),一般來說,15~30秒就算不錯。立體視力值不會比受刺激網膜區塊的Vernier acuity值大。因為像視力一樣,在中央網膜較強,周邊網膜較弱,視力差的人常伴隨較差的立體視力,但是兩者實際上並無線性關係。例如鏡片模糊引起的立體視力降低比視力還嚴重;視力差的弱視眼,其立體視力又比預期得好。根據多個研究結果,喪失立體視覺的距離大概在125~200 m。

要辨識影像在空間中的排列(spatial orientation)除了能仰賴雙眼立體視力帶來的深徑覺,還能依靠其它許多視覺線索就能以單眼分辨出空間排列(在空間的前後順序)。例如:(1)motion parallax:眼前有一近一遠兩物,比較盯著遠物左右轉頭與盯著近物左右轉頭,遠距物體有較明顯的飄動。這個現象可在眼底檢查時用來分辨視神經頭的凹陷程度或不同血管的相對遠近位置。(2)linear perspective:對於物體有大小固定(constant size)的知覺現象,遠離時視角減小,看起來雖然影像較小,但還是知道物體並沒有比較小。因此照大小排列的相似物會有小的較遠、大的較近的感覺。

linear perspective  

(3)overlay of contours:兩平面影像,打斷另一影像輪廓或是位置較下的,感覺位置在前。

overlay of contours  

(4)distribution of highlights and shadows:因為太陽光由頭頂照射下來的印象太強烈了,所以亮暗差異能提供凸起與凹陷的深徑線索甚至是錯覺。例如下圖中的織物左看起來是有凸起的粗線條,倒轉後反而看起來是有一條條凹陷的刻線;但是對於頭像,因為臉的印象很深所以不會有反而凹陷的錯覺。

highlights & shadows  

(5)size of know objects:可以依照對物體大小的印象,加上眼前物體的影像大小判斷出物體遠近。(6)aerial perspective:對風景的印象造成朦朧物較遠的感覺。以上線索皆由過去經驗產生,因此唯有在與過去相似的情況下,這些線索才能發揮正常作用,否則反而會造成錯覺與困擾。立體視力取決於生理因素,單眼線索則是經驗累積,無所謂何者較重要,不同情況下各有各的價值。

同視機(horopter apparatus)是用來研究網膜對應點的儀器,已有幾項原則被提出:(1)criterion of single vision:對應點不產生複影。(2)apparent frontal plane criterion:對應點不支援立體視(無視角差)。(3)criterion of common visual directions:對應點有共同視覺方向。(4)criterion of highest stereoscopic sensitivity:對應點附近的立體視能力最強(對應最小秒角)。

horopter apparatus    

關於雙眼視覺與立體視的生理學研究,主要是給予神經元不同刺激,再以探針探查細胞活化放出的脈衝頻率。如此可得知怎樣的神經元對怎樣的刺激有怎樣的反應。對於小貓的研究顯示,約80%的皮質神經元接收來自雙眼的刺激,其中只有約25%的雙眼支配神經元有相當的雙眼支配,其它的受到某一眼支配較多。

dominance distribution of striate neurons  

一個神經元只對空間中的一個範圍作反應,稱為感受範圍(receptive field)。越是受到雙眼同等支配的神經元,越是在雙眼視野中有相同大小的感受範圍,網膜對應點對應到的(重疊的)感受範圍越大,對雙眼視、立體視幫助越大。若是在視覺發展期缺乏雙眼視覺刺激,例如斜視、不等視、視覺剝奪...等,雙眼等支配,甚至是雙眼支配神經元的數目都會較少甚至缺少,立體視就會較差甚至沒有(stereoblind)。因為神經元發展是不可逆的,所以新生兒若有過雙眼視障礙,之後就算障礙移除,接收了雙眼刺激,功能仍然會比一般人差。

stereoblind    

立體視神經元(泛指所有相關的不同類別神經元)的研究指出對排列方向(direction)與刺激角度(orientation)有不同反應的神經元,因為能夠察覺水平偏移,是立體視覺所必須的神經元。另外有一種神經元對於horopter之上、之前、之後的刺激有不同反應,也被視為一種立體視神經元。

receptive field dependency  

擁有雙眼視覺的好處並非是視力或其它能力(極限)的提升,而是對於刺激的感受較快,從接收視覺環境刺激到作出應對的時間縮短,某種意義上是提高在各種環境下的生存能力。實質上的能力增強表現在視野方面,除了較單眼視野大,重疊的中央視野就像備胎,在一眼受損時不會直接失去特別重要的中央視野。

 

 

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  • 莫須問
  • 太好了
    居然有這麼視光學這麼詳細的部落格
    希望小彭老師多多發表
    小弟也可以複習一下
    離開視光系也5~6年了