第03章 視覺生理學
John P. Felleman 林雨莊改編
概述
本文包括視覺物理學的概述。重點放在那些與戶外景觀刺激的處理直接相關的貢獻上。
人類的感官已經進化到能夠有效地從周圍環境中提取所選類型和類別的能量輸入。就處理的環境資訊的數量和複雜性而言，我們的視覺系統是最重要的感測器。如圖3.1a所示，它對電磁頻譜的窄帶做出回應。
現代物理學用波和量子力學兩種理論來描述光。由於在絕大多數戶外環境中，我們有足夠的能量來激發視網膜受體，下面的討論將僅限於將光作為波現象來處理。
我們的眼球由直接反射的入射光組成的球體組成。從環境到大腦的能量流如圖3.1b所示。頭部的位置和眼睛的方位為球電位輸入提供了主要的視網膜。眼睛肌肉定位瞳孔，確定晶狀體厚度和視網膜的有效焦距。在視網膜中，感光化學物質產生電反應，這些反應通過各種途徑傳遞到大腦的視覺中樞。在此過程中，信號會被修改和選擇性增強。
視覺生理
我們的視覺系統進化成為我們整個解剖學和生理學的一個組成部分。對於行人分析，通常假設平均眼高為地面以上1.5米。對於標準設計高度為1.25米的汽車駕駛者和乘客，這一點變得更加詳細。
正如概述中所討論的，感官系統是相互關聯的。身體的平衡系統，以耳朵的半規管為中心，給我們一種持續的直立狀態的感覺。我們視野中地平線的頻繁水準位置在視覺上加強了這一點。圖3.2a所示為典型站立視圖的地平面的位置，而圖3.2b顯示的是圖片平面三分之二點附近的正常景觀地平線。
我們的眼睛在頭骨內的位置為刺激輸入提供了獨特的幾何結構。如圖3.3所示(Levitt 1981)。每只眼睛的視野約為166度(頭部靜止，眼睛移動)。頭骨位置在圖像重疊處形成124度的中心區域。
這叫做雙目視野。這一點尤其重要，因為在這一地區，深度知覺具有立體性。雙眼視野內是一個視力最高的狹窄區域，中央凹(黃斑)視野。
兩邊是一個有42度的單目視野，只包含一隻眼睛的輸入。這些通常被稱為周邊視覺區域。由此產生的總視錐為208度(Schiffman 19823)。圖3.4(Ray，1976)描繪了這些生理角度與由35mm相機鏡頭組成的生理角度之間的圖形比較。
當然，眼睛、頭和身體都可以移動。在正常情況下，觀察者會不斷地對環境中更廣闊的部分進行採樣，即使在任何一個瞬間，新的刺激都會局限於上述角度。這種採樣在短期記憶中構建了一個穩定的即時背景圖像，是當前許多類比工作中使用全景視圖的主要原理。
瞳孔的大小，就像照相機中的虹膜一樣，控制著進入眼睛的光線量。
回應並不完全取決於入射光的強度。研究表明，瞳孔大小也與情緒和生理狀態有關。
眼肌有兩種基本功能，調節和瞳孔運動(Schiffman
1982，193)。調節包括擠壓眼睛來改變瞳孔和視網膜之間的焦距。如果所需的更換量超出了眼睛的極限，那麼為近視或遠視情況提供矯正鏡片就很簡單了。僅適用於近距離物體(約6-7米範圍內)。
瞳孔運動提供兩種不同的功能。有意識或無意識的大幅度運動提供了一種簡單的方法來重新調整視錐，讓來自潛在環境場的不同部分的光接觸視網膜受體，然後進行處理。與之無關的是連續的、非自願的掃視運動，這種運動是短暫的、快速的跳躍，有助於增強視網膜的過程(如光化學恢復)，但觀察者通常不會注意到(Schiffman 1982，228)。
圖3.1 物理光波與可見光波
圖3.2a 視線與上下角度
圖3.2b 觀察景觀的視覺組合
圖3.3 雙眼視覺立體成像
視網膜
我們有能力在三個不同的光強度範圍內“看到”(見圖3.5)。這種能力是由於視網膜獨特的生理功能。瞭解視網膜複雜性的一個簡單方法是認識到人類進化出了白天和夜晚兩種不同的環境光感知系統。
歷史上，絕大多數人類環境活動都發生在白天。在這一時期，有大量的入射光能量，行為需要是在所有距離進行大量快速、特定的形式和模式的顯示。在晚上，人類通常只有非常有限的戶外活動模式。那些必須做出的視覺決定可能傾向於利用黃昏或月光有限的自然能量進行粗略的形式識別。
視網膜包含兩種不同類型的感光受體：視錐和視杆。名字是根據它們的形狀而定的。前者通常直接與單個神經相連。這為我們提供了很好的解決辦法。然而，它需要相對大量的光能來傳輸信號。因此圓錐最適合白天的視覺。相反，許多杆狀物通常與神經相連。這就像一個放大器，它們可以在非常低的光照條件下產生信號。這種折衷是在解析度上，因為棒狀物團覆蓋的視網膜面積比單個錐體大。視錐的視力稱為明視，視杆的視力稱為暗視。
這些感光細胞在視網膜中分佈不均勻。圖3.6a(Scharf
1975，80)顯示，兩種類型的邊緣數量最少。這就解釋了我們的周邊視野不夠清晰。毬果在一個小的中心位置，即中央窩，表現出極高的濃度。這個區域在一個大約6到8度的視錐的下方。這個黃斑視覺代表了觀眾即時獲得的最詳細的區域(Levitt 1981，210)。盲點(即光受體的缺失)發生在視神經與視網膜連接的地方。
明視和主題視覺的主要區別在於對顏色的感知。我們都經歷過日落期間和日落後景觀色彩的逐漸消失。如圖3.6b所示，單個視錐對藍紫色、綠色或黃色-紅色波長都很敏感。作為後續處理的結果，基於錐體的感光系統允許我們從這三種信號的組合中區分出全光譜的顏色，而棒基暗視系統基本上僅限於單色。
現代彩色印刷和彩色電視的設計是基於不同的紅、綠、藍刺激的心理整合。即使在中心凹內，對波長的敏感性也不均勻。最高靈敏度出現在560nm左右(Ganz，在Scharf 1975)，即黃綠色。這解釋了在安全相關設備中使用黃色，因為它可以在最低光強度條件下檢測到。
從明亮環境到黑暗環境的轉換稱為暗適應，反之則是光適應。由於視網膜化學物質的複雜變化，這些刺激水準的劇烈變化不能立即作出反應(scarf1975)。實際上，“夜盲症”和“眩光”在諸如高速公路安全和夜間相關土地使用的負面影響等專案中是非常值得關注的，比如與住宅相鄰的購物中心。典型的暗適應曲線如圖3.7所示(Kaufman 1974)。它消除了視力恢復所需的時間差。眩光是對比度的函數，下面討論。
圖3.4 照相機鏡頭類型與視角
圖3.5 光能源臨界閾值
圖3.6a圖3.6b
圖3.7 明視覺與暗視覺範圍
視網膜處理
在討論波長和波長的區別時，我們將兩者區別開來。前者處理的是光強度的大小，與亮度有關。如前所述，波長是顏色的主要決定因素。
光的最小單位是光子。儘管人眼的某些部分甚至對幾個光子敏感(Levitt
1981)，但光子太小，因此無法直接測量每單位面積入射的光子數。不同的單位系統已經建立了描述強度。從光源直接照射到表面的入射光稱為照度(Illuminance)，是每單位面積所接收到的光通量。 SI制單位是勒克斯(lx=lux)或輻透(ph=phot)，1勒克斯=1流明/平方米，1 輻透= 1流明/平方厘米，1 輻透= 10000勒克斯。 居家的一般照度建議在300~500勒克斯之間
我們在景觀中看到的大部分風景都是由表面反射的光組成的。反射的強度稱為亮度，以亮度(luminance)為單位進行測量，表示人眼對發光體或被照射物體表面的發光或反射光強度實際感受的物理量，亮度和光強這兩個量在一般的日常用語中往往被混淆使用。
國際單位制中規定，「亮度」的符號是Lv，單位為1燭光/每平方米(cd/m2)簡而言之，當任兩個物體表面在照相時被拍攝出的最終結果是一樣亮、或被眼睛看起來兩個表面一樣亮，它們就是亮度相同。
我們所有的感覺系統都表現出兩個相似的特徵：對有限範圍刺激的反應和在大範圍能量水準上發揮作用的能力。一個基本的精神物理學概念涉及到“jnd”，只是明顯的差異。Fechner開發了基本公式：*S=k*I/I，其中*S是感知到的感覺變化，k是常數，*I是刺激強度的變化，等於jnd，我代表環境背景強度(Scharf 1975)。儘管最近的研究者已經闡明了更複雜的關係，但費希納的方法是相當有用的。如下文所述，諸如物體的亮度和亮度等概念是基於上下文的，而不是絕對確定的。
圖3.8 眼睛構造
敏銳度和對比度
景觀視覺研究中的一個中心問題是我們能在多遠的距離以及在什麼光照條件下“看到”現有或擬建的物體？如上所述，中心凹處大量的錐形感光細胞使我們能夠確定景觀中的細細微性細節。視覺科學家區分不同的視力類型，包括：檢測、識別和解決。
視角是指目標尺寸s與眼睛之間距離d處的角度。因此：tan(B/2)=s/2d(見圖3.8，Schiffman 1982)。視覺檢測涉及到在一個領域中尋找目標。在理想的條件下，生理上我們可以檢測到截獲0.5秒弧度的物體。識別敏銳度包括識別某一領域的目標。熟悉的眼圖測試了這種現象。在理想條件下，我們可以對截獲30秒弧的物體執行此任務。
所有可見性研究中的一個主要問題是，對於一個擬議的項目，必須研究多大的影響區。這一點尤其重要，因為分析的規模和成本隨著距離的增加而增加。如第4章“可見度”所述，涉及到許多因素。識別閾值提供了一個絕對最大值。例如，一座17米高的建築物，在理想條件下，可以在40公里處被識別出來！一個與認知相關的問題涉及到一個物體的多少必須被看到才能被識別。
分辨力是指在一個模式中分辨離散元素的能力。這直接關係到表面紋理在設計中的使用。在量級上，解析度的敏銳度與識別相似，閾值大約為30秒的弧度(Schiffman 1982)。
視錐細胞(Cones)是包括人眼在內的脊椎動物眼視網膜中的感光細胞。它們對不同波長的光有不同的響應，因此負責色覺，並且在相對較亮的光下效果最佳，而與在暗光下效果更好的視桿細胞相反。圓錐細胞密集地聚集在中央凹(Covea)處，該中央凹直徑為0.3 mm，是無桿的區域，具有非常薄且密集的視錐細胞，該視錐細胞在視網膜周圍的數量迅速減少。相反，它們不在光盤上，造成盲點。人眼中大約有六到七百萬個視錐細胞，並且最集中於黃斑。
錐體對光的敏感度不如視網膜中的視桿細胞(支持低光照條件下的視力)對光敏感，但可以感知顏色。它們還能夠感知到更精細的細節和更快速的圖像變化，因為它們對刺激的響應時間快於桿的響應時間。錐體通常是三種類型之一，每種具有不同的色素，即：S錐體，M錐體和L錐體。因此，每個錐體對對應於短波長，中波長和長波長光的可見光波長敏感。因為人類通常具有三種視錐不同的視錐細胞由於具有不同的響應曲線，因此以不同的方式響應顏色變化，因此人類具有三色視覺。作為色盲可以改變這一點，並且已經出現了人與四個或更多類型的錐體的一些核實的報告，給他們tetrachromatic視景。由於基因突變，三種負責檢測光的色素的確切化學組成有所不同；不同的人將擁有不同顏色敏感性的視錐細胞。
視桿細胞(Rods)是眼睛視網膜中的感光細胞，在其他光線下，視錐細胞比其他類型的視覺細胞具有更好的功能。視桿通常集中在視網膜的外邊緣，用於周邊視覺。平均而言，人類視網膜中大約有9200萬個桿狀細胞。視桿細胞比視錐細胞更敏感，幾乎完全負責夜視。但是，棒在顏色視覺中作用很小，這是為什麼在昏暗的光線下顏色不那麼明顯的主要原因。
中央凹(Covea)又稱視凹，是一個小的，中央窩緊密排列組成視錐的眼睛。它坐落在中心黃斑的的視網膜。
中央凹負責清晰的中央視覺(也稱為中央凹視覺)，這對於人類來說是必不可少的活動，對於這些活動而言，視覺細節至關重要，例如閱讀和駕駛。中央凹是由包圍視凹周邊帶和外部區域。
副中央凹是中間帶，其中神經節細胞層由五層以上的細胞層組成，並且視錐細胞密度最高。中央凹是神經節細胞層包含兩到四層細胞的最外層區域，視力低於最佳區域。中央凹的視錐細胞密度甚至更低，在最中央的中央凹中，錐度為每100微米12個，而每100微米為50個。依次地，其被較大的外圍區域圍繞，該外圍區域按照凹狀成像中的壓縮模式傳遞低分辨率的高度壓縮的信息。視神經中大約一半的神經纖維攜帶來自中央凹的信息，而其餘的一半則攜帶來自視網膜其餘部分的信息。所述視凹周邊帶延伸到從中心凹1.25mm的半徑，並且視凹周邊帶在從視凹2.75毫米半徑的發現。
視網膜(Retina)是的組織的最內，感光層眼大多數脊椎動物和一些軟體動物。眼睛的光學器件在視網膜上生成視覺世界的聚焦二維圖像，該圖像將其轉換為對大腦的電神經衝動，從而產生視覺感知。視網膜的功能類似於照相機中的膠片或圖像傳感器的功能。神經視網膜由通過突觸互連的幾層神經元組成，並由有色上皮細胞的外層支撐。視網膜中主要的感光細胞是感光細胞，其分為兩種：視桿和視錐細胞。桿主要在昏暗的光線下工作，並提供黑白視覺。錐體在光線充足的條件下起作用，並負責顏色的感知以及用於諸如閱讀等任務的高敏銳視力。第三種類型的光敏細胞，光敏神經節細胞，對於晝夜節律和反射反應的夾帶很重要，例如瞳孔光反射。
入射到視網膜的光會引發一系列化學和電事件，最終觸發神經衝動，這些衝動通過視神經纖維發送到大腦的各個視覺中心。從桿和視錐神經信號經過由其他神經元，其輸出取的形式處理的動作電位在視網膜神經節細胞，其軸突形成視神經。視覺感知的幾個重要特徵可以追溯到視網膜對光的編碼和處理。
視網膜神經節細胞(RGC)是一種類型的神經元位於所述內表面(不久的神經節細胞層中的)視網膜的的眼。它通過兩種中間神經元類型從感光器接收視覺信息：雙極細胞和視網膜無長突細胞。視網膜無長突細胞，特別是狹窄的視野細胞，對於在神經節細胞層內創建功能性亞基並使之形成神經節細胞可以觀察到小點移動小距離很重要。視網膜神經節細胞以動作電位的形式將來自視網膜的圖像形成和非圖像形成的視覺信息共同傳遞到丘腦，下丘腦和中腦或中腦的幾個區域。
明視覺(Photopic)是在光線充足的條件下眼睛的視覺。在人類和許多其他動物中，明視視覺允許由視錐細胞介導的色覺，並且其視敏度和時間分辨率明顯高於暗視覺。人眼使用三種類型的視錐細胞來感測三個顏色帶中的光。視錐細胞的生物色素在約420 nm，534 nm和564 nm的波長處具有最大吸收值。
在所有這些討論中，都使用了理想概念這個詞。如前所述，中心凹視覺可以在不同的光強度水準下發生。敏銳性的基本概念是相對的。閾值對比度被定義為物體與其背景之間的光強度水準的最小百分比差，在該範圍內可以檢測到該物體。在實驗室研究中，這個閾值大約是2%到3%。當明暗物體背景並列時，會產生最大的對比度。大多數野外條件遠未達到理想狀態，因此在應用中應修改上述視力閾值。
對比度的感知在生理上要比由中央凹錐體一對一產生神經反應更為複雜。我們已經在我們的視網膜內進化出一種側向抑制的機制，它起到增強物體邊緣對比度的作用。這一過程可能會被掃視眼動進一步加強，這種眼動傾向於快速掃描我們正在檢查的物體的邊緣。
分辨能力包括分辨一個模式中離散元素的能力。這直接關係到設計中表面紋理的使用。在量級上，分辯率靈敏度類似於識別，閾值約為30秒弧度（Schiffman 1982）。
我們辨別質地的能力既不均勻也不線性。最佳的銳度間距出現在20-30分鐘的弧度範圍內。小於或大於此值的間距顯示出較小的對比度。這一現象可用於設計的各個層面，從在景觀中放置一組對象到確定建築紋理和表面細節的比例。
圖3.8
分析含義
以上關於眼睛和視網膜處理的討論必然是一般性的。材料的選擇既提供了一個全面的框架，也直接與風景分析的設計和進行有關。下表包含一些主要應用程式：
表3.1 視景與分析主題
視覺主題 分析主題
視覺錐 可視性：模擬設計
平衡 地平線的重要性
瞳孔大小 觀察者情緒
瞳孔運動 觀察者注意場景的構成
視桿 夜間，周邊視覺
視錐 白日，中心凹，色覺
適應 眩光，安全
JND(最小可覺差) 紋理相關性
橫向抑制 地面形狀，地平線的重要性
靈敏度 檢測、識別
對比度 檢測、識別
紋理 檢測、識別