交大視知覺上課筆記

基礎視覺生理簡介（一）：眼球的光學結構與功能

10/05 交大視知覺上課筆記　鄭炳煌

◆眼睛的外部結構

如上圖所示，眼球為視覺系統的第一站，接收外界傳達的光線刺激，並將其轉換為神經訊號電位。由於眼睛的構造十分精密且脆弱，因此其周圍的骨骼十分的堅固，常常在車禍現場看到受到強烈撞擊的傷者，顏面的骨骼並未受到強烈受損，反而是位在後方的頭顱受到了強烈的損傷。

眼球的運動是由周圍六條肌肉的控制，肌肉的控制方式與眼睛的立體視覺有相當程度的關聯。事實上，這部分也是現今虛擬實境 (Virtual Reality) 對於立體視覺難以模擬重製的關鍵。
‧?眼睛的光學元件：

在眼球的光學元件中，類比為相機的鏡頭有兩部分：角膜 (Cornea) 與水晶體 (Lens) 。角膜是極堅韌且高度透明的元件，其折射係數接近水而與空氣差異非常大，提供光線折射的良好媒介，為眼球在做聚焦動作的第一站。角膜處的細胞由於排列十分緊密，需要細胞不斷做主動耗能 ( 排水 ) 呼吸的動作，維持其細胞排列特性。因此長期戴隱形眼鏡的人，由於角膜處細胞無法正常的呼吸，容易產生病變。另外，根據我們在游泳池的經驗可以發現，未帶蛙鏡下水游泳其能見度非常的差，其原因來自角膜與水的折射係數相近，無法提供足夠的折射媒介，因此在水中光線無法如平常正確的聚焦，水中所見也自然不若平常清晰。

虹膜 (Iris) 與瞳孔 (Pupil) 則如相機的光圈一般，可隨著週邊光線的強弱控制光源進入眼睛的數量，光線較強時，瞳孔藉著虹膜的控制而縮小；光線較弱時，瞳孔則藉由虹膜的控制而放大，使較多的光源可以進入。

在光線經由角膜的屈光作用以及通過瞳孔進入眼球內，水晶體 (Lens) 隨即做第二次的折射。在我們的學習經驗一般的認知為光線聚焦的動作主要在水晶體處完成，這是一個不大正確的觀念。事實上，光線成相最主要是藉由角膜高度的屈光作用，水晶體主要是做二次調節的動作，其屈光的能力不若角膜來的強。水晶體的折射動作主要是藉由其曲率的變化來達成，看近物時曲率大折射效果強而看遠物時曲率較小。水晶體在完全不受力的情況下是渾圓具彈性的，在眼球中藉由上下的肌肉將其拉扯成扁狀，當要看較遠的物體時，肌肉收縮將其厚度變薄 ( 曲率較小 ) ；而在看近物時，肌肉則微略放鬆藉由水晶體本身的彈性回到厚度較厚曲率較大的樣子。老年人常常得到老花眼的原因就是水晶體失去了彈性，要看近物時水晶體無法恢復較渾圓 ( 厚 ) 的情況，造成無法正確聚焦的情況。
近視的近因常常被歸為水晶體之曲率過大，但根據實際的觀察，造成近視的近因是由於眼軸過長的緣故，而實際造成近視的原因至今尚未有定論。‧?網膜的結構與生理：

在光線經由眼球的光學元件正確的聚焦後，到達網膜 (Retina) 成相，我們可以把這個部分類比為相機裡的底片。網膜是視覺感知相當重要的區域，在這裡，光線被轉為神經細胞可接受處理的神經電訊號，並傳往下階段做更進一步的處理。

將光線轉為電能化學能等神經電訊號是藉由視覺受器 (Photoreceptor) 所完成的，一般我們稱這個動作為 Transduction 。 Photoreceptor 轉制的出神經訊號傳往 Bipolar cells 或是先傳至 Horizontal cells 處理後再傳至 Bipolar cells ， Bipolar cells 的訊號繼續傳往 Ganglion cells 或是先經由 Amacrine cells 中繼再傳往 Ganglion cells ，最後由 Ganglion cells 極長的神經纖維將訊號帶離眼球並傳往下一階段的處理。在這裡需要特別提及的一點是：視覺受器並非位於光線進入的第一站，光線要傳送至視覺受器需經過一堆不會對光線有任何反應的細胞，這是一種不大有效率的機制，詳細的原因也尚未有定論。

訊號要藉由 Ganglion cells 的神經束帶出眼球，則勢必要有一個開口讓神經束離開，該口我們稱作視盤 (Optic disk) 。在視盤是沒有任何的感光受器分布的，因此光線若投射在該處是不會有任何刺激反應的。在視盤附近的中央小窩 (Fovea) 為網膜最為精華的部分，在中央小窩處視覺受器接收光源完全不受其他細胞的干擾，每一個視覺受器的反應也只傳達到一個 Bipolar cell ，亦即在這區的視覺感受刺激沒有經過任何的壓縮。對照中央小窩，在網膜邊緣的區域，一個 Bipolar cell 的感應由 130 個視覺受器傳遞而來，其視覺感受的清晰程度很難與中央小窩區相提並論。

在網膜上的視覺受器可分做兩類：錐細胞 (Cone) 與桿細胞 (Rod) 。錐細胞又可分做三種，分別對不同波長有不同的反應，也造就了人類對色彩的感受。桿細胞對於微弱光線的敏感度比錐細胞來的好，因此在夜晚我們主要的視覺感受是由桿細胞的作用而來，然而桿細胞不若錐細胞，對波長的感應並不敏感，因此只能感受到光線的強弱程度。上圖是錐細胞與桿細胞的分布圖，有兩點值得我們注意觀察的：首先是如先前所提的視盤處，該處並未分布有任何的視覺受器。再來是中央小窩的區域，該處沒有任何的桿細胞存在，離開中央小窩後，錐細胞的分佈即大為降低，桿細胞的分佈則大為提高，約在 20 度視角處分布最為密集。也就是說，在光線非常微弱的地方，當桿細胞掌控了大部分的視覺感受，正向視物往往不是最清楚的，反而是旁邊有些視角的物體最為清晰。另外要提及的一點是：先前曾提到中央小窩是網膜最為精華的部分，保留了最佳的解析度且提供了主要的色彩感受來源，然而由於色彩的感受是藉由比較不同的錐細胞反應，亦即色彩感受的解析度勢必較明暗的解析度來的差。為了在解析度與色彩感受提供一個較佳的平衡點，中央小窩處除了沒有桿細胞的存在，其實也沒有 S-cone 的存在，亦即犧牲一部分的色彩感受來確保該處的解析度夠精細。

◆傅立葉定理：

"An arbitrary function, continuous or with discontinuous, defined in a finite interval by an arbitrary capricious graph can always be expressed as a sum of sinusoids" J. B. J. Fourier in December, 21, 1807

傅立葉提出任何訊號均可拆解為各個頻率、振幅、相位的正弦波的組合。這個定理被廣泛的應用在各個科學學門，特別是訊號在我們習慣的時間、空間域中較難觀察的時候，使用傅立葉定理的拆解動作往往能使我們更佳了解資料的特性。

隨著傅立葉定理出現的就是頻譜分析的技巧，我們可將頻譜分析的動作視作解釋訊號的過程。任何訊號都可拆解成各個頻率、振幅、相位的正弦波的組合，但是是如何組成呢 ? 藉由頻譜分析，我們可以知道訊號是由哪些頻率的弦波組成，每個成份的強度有多少 (能量) ，以及每一個組成弦波波峰波谷的相對位置 (相位) 。有了這些資訊，我們就可以非常清楚的掌握一個訊號的詳細組成。特別一提的是，這樣的分析手法並不複雜，僅需一個能量譜 ( 能量對頻率 ) 以及一個相位譜 ( 相位對頻率 ) 即可清晰的傳達訊號的組成資訊。下面舉一個簡單的例子，可用以觀察正弦波逼近訊號的過程 ( 在這裡我們只取前八次逼近的過程 ) 。