深度知觉的物理线索
——立体视觉漫谈（三）
从生理学和心理学角度来看，人在观察景物时，眼睛所产生的深度感，来源于以下几个方面。
1.调节作用。眼睛在观看远近不同的物体时，睫状肌会根据物体到眼睛的不同距离来调节晶状体的焦距。这种调节作用实际上向大脑传递了距离信息，成为知觉深度的一种线索，或者叫做深度暗示。
2.会聚作用。当用双眼观看物体上的某一点时，两眼视轴要向鼻侧集中(如前所述，称为双眼视轴的复合)，形成一个会聚角，观看同一物体上的不同点时，会聚角不同。因此会聚角度同样是深度知觉的一种暗示。
3.双眼视差。
4.单眼移动视差。当观看运动物体或运动的人观看不动的物体时，在不同的角度，会聚角不同，双眼视差也不同，从而产生方位和深度的变化感。这无疑是一种知觉深度的暗示，称为单眼移动视差。
实验表明，当物体到观察者的距离超过1100米时，上述因素便不起作用了。在这种情况下，被观察的物体及其周围环境的一些物理条件便成为判断距离的重要条件。
1．物体的遮挡
远处的物体部分地被近处物体遮挡，这种现象在生活中是常见的。这是由于在空气中光是直线传播的，当传播道路上有其他物体时，光线被阻挡而不能进入眼睛，因而被遮住的部分便看不见了（图3-1）。依靠物体的遮挡判断他们的前后关系，完全取决于物理因素，产生错误的可能性极小。当人或物体运动时，遮挡情况的变化使我们更容易判断物体的前后远近。但是依靠遮挡判断物体之间的相对距离是比较困难的。
图 3-1
2.光和影的分布
光亮的物体显得近，灰暗或阴影中的物体显得远。亮暗分明的地方是棱线，它常为我们勾画出物体的轮廓。因而光和影、明与暗的分布便成为暗示物体距离远近的线索（图3-2）。
图 3-2
这种深度线索与照明条件关系密切。在自然光照明时，阴影的分布是由阳光决定的。所以在阴暗的天气时，对空间的知觉或物体形状的辨认会有一定困难。在人工照明时，光和影的分布情况更为复杂。完全直接照明，视野中光的分布很不均匀，从而产生明暗适应的障碍。但这种照明可形成清晰的阴影，有利于形状辨认。完全间接照明，视野中光的分布比较理想，可任意安排工作地点，工作者也不受自己影子的影响，如医生手术时使用的无影灯。但这种照明又常使绘图员找不到透明的三角板。
3.透视
由于物体远离观察者而引起的物体外貌的变化，在视觉研究中叫做透视，主要有以下几种。
（1）大小透视
图3-3中，H为物体的大小，D为物体到眼球晶状体中心的距离，h为网膜视象的大小，d为眼球晶状体中心到网膜的距离。当注视物体H时，眼睛便同时得到了d和h两个信息。d是个衡量，可以看作1，因而有h=H/D。该式说明知觉的大小和知觉的距离总是相互制约的。
图3-3
因此在观察物体时，网膜视象的大小可以作为距离线索而起作用。同一个物体在不同的距离上网膜视象的大小不同；近处视象大，远处视象小。两个大小相同或相近的物体同时出现时，哪个在视网膜上产生的视象大，这个物体就显得近些；视象小的，距离就显得远些（图3-4）。
图 3-4
图 3-5
如路旁的电线杆或树木，已知它们等高，即H为一衡量，由前式可知，此时h与D成反比关系，因此随着距离变远，树木看起来越来越短(图3-5)。这时我们便可以根据树木的长短来判断它们的距离。
（2）线条透视
上述透视关系对物体在水平面（或者说地平面）上的几何投影同样成立。因此向远方伸展的两条平行线看起来趋于接近。火车铁轨、路旁树木及建筑物的棱线等，在地平线处将交汇于一点。
图 3-6
这时如果在远处道路上“画”一根与近处圆木（图3-6A）一样长（指画面上的数学尺寸）的木头（图3-6B），便会被认为B是一根比A长得多的木头。有人把这种现象称为“线条错觉”（或“几何图形错觉”），因为如果用尺去量一下，A和B的数学长度是相同的。实际上，图3-6中A、B的视网膜象是相同的。但是根据透视关系，眼睛又把上边的圆木（B）看得远些。因此会觉得上边的圆木长些。由此可知，人们虽然知道图画是在平面上的，却仍要把这两根木头放到三维情景中来知觉。这说明平面图画所提供的立体知觉线索对人类来说是多么重要。图3-7中是另一种“错觉”，叫做“走廊错觉”。
图 3-7
一个物体放在具有不同密度的地面结构上，能明显地表现出距离的远近。在图3-8中，A距观察者最近，且占据一个结构单位。a虽然小于A，却也同样占据一个结构单位，因而被知觉为与A大小相同但在远处的物体。b虽然小于A，但占据了较多的结构单位，所以被知觉为大于A。c虽然与A等大，却被知觉为在远处比A大得多的物体。
图 3-8
（3） 空气透视
空气中的尘埃和水蒸气的悬浮微粒会使光线发生散射，从而使物体的亮度和清晰度降低。物体离得越远，从物体反射出的光线到达人眼的路程就越长，光线受空气的散射作用影响就越大，物体的清晰度就越差。因而远处物体的轮廓不如近处物体清晰、分明（图3-9）。由于这种经验，使我们觉得模糊不清的比看得清楚的东西离我们远些，清晰度就这样成为判断距离的一个重要线索。但这种经验也常会发生错误。天气晴朗时，空气透明度高，远处物体就显得近些；而在有雾或风沙天气里，看物体就觉得远些。
图 3-9
（4） 位置透视
在视野中物体与地平线的相对位置对判断距离的影响也是很大的。一般说来，靠近地平线的物体看起来觉得远些。图3-10中两棵树高度相同，两架飞机长度相同，看起来远近情况却不相同。有的书中把这种现象称为“位置错觉”，实际上，这是由于眼睛运用观察三维空间的经验来观察平面图形的结果。
图 3-10
（5） 颜色透视
阳光是由红、橙、黄、绿、青、兰、紫七色组成的复色光。当阳光通过大气层时会受到散射，散射率与波长的四次方成反比。由于最短的紫色光在电离层已被大量吸收，进入大气时已经很弱了。而兰色光波长很短，散射率很高，因此通常见到天空是兰色的。红、橙、黄等色光波长较长，散射较弱，大部分能到达地面。
同样原因，地面上远处物体反射的自然光，到达人眼的路程长，空气的散射作用明显，因而常常呈现淡兰色。近处物体则由于较多地反射了能到达地面的红、橙、黄等色光而常常呈现黄色或红色。当两个物体颜色接近时，容易被感知为是在相同的距离上。
（6）运动视差
当观察者与周围环境发生相对运动时，例如周围环境固定而观察者头部或身体移动时，周围的物体不断移动它们在观察者视野中的位置，因此在同一单位时间内，不同距离的物体引起的视角变化不同：近物体视角变化大，远物体视角变化小。这种视角变化的差异，叫做运动视差。它能形成相对运动知觉。
A B
图 3-11
坐在行驶的车厢里看窗外的景物时，近处的物体飞快地向后掠去，稍远的物体慢慢地向后爬行，更远的物体却似乎在发生与车同向的移动。整个空间好象在依一个轴心而转动。物体在视觉上这种相对运动的方向和速度，取决于观察者的注视点。图3-11表示这种运动视差的几何关系。（a）图表示注视一个中间对象F时，眼睛向左运动，比F更远的物体R看起来也向左运动（与人同向），比F更近的物体N看起来向右运动（与人反向）。（b）图说明在注视很远的对象（如M）时，视野中所有物体都在向右运动，最近的物体运动速度最快。远、近物体都在以注视点为中心转动。
从物理学角度看，注视点实际上是观察者用来比较运动状态的参照物。按照通常的习惯，这个参照物相对于观察者被认为是不动的。眼睛与这个参照物的连线便成为比较的基线。如果人向左移动，基线随之向左移一个角度。这时落在基线右侧的物体，便被认为是向后运动，而基线左侧的物体则被认为是向前运动。
运动视差与双眼视差有一定的相似性。事实上如果单眼移动65毫米（相当于目间距），由这一运动产生的深度线索（运动视差）与用双眼观察产生的深度线索（双眼视差）是等效的。
（7）环境光分布
我们所处的环境中，有些物体直接受到光源照明，大部分物体则是间接地受到来自天空和周围物体表面的一次或多次反射的漫射光的照明。因此周围的环境“充满了”光线，它们来自各个方向，纵横交错地交织在一起。在空间的每一点上，光线的分布都不相同。我们把这种光称为“环境光”。不同位置之间环境光的差别称为光流分布（或称“结构级差”）。它包含着空间信息，是深度知觉的重要线索。
图3-12
当我们站在空旷的田野上向远处眺望时，近处地面上的土块、坑洼、杂草等显得大而清晰，远处的东西就显得小而模糊，从而形成了近处稀疏、远处密集的光流结构，这种光流结构密度上的差别包含了距离信息，图3-12A的上部光流密度大，投影尺寸小，我们看到的是一个向远方延伸或向后倾斜的表面。如果将其倒过来，就会看成是向前倾斜或从头顶向远方伸展的表面。B没有这种密度上的差别，所以看起来是垂直于视线的平面。
当观察者与周围环境发生相对运动时，光流结构的变化更为显著（图3-13）。这种变化给人们提供了在更大的空间环境中进行定位的信息。飞机朝地平线飞时，只有远处地平线上的一点不动，地面及云层的光流分布则发生连续转换，观察者的四周都是运动的光流，而且各处光流转换速度不同，近处转换速度大，远处转换速度小（图3-14A）。飞机着陆过程中，飞行员观察下滑点时，就会形成一个向四周扩散的光流分布，地面看起来从这一中心向外扩散，扩散速度由中心向外渐增（图3-14B）。这些地面的扩散速度的差别形成了距离知觉。
图 3-14
以上介绍的几种深度知觉线索，它们能帮助我们知觉距离，却又常常使我们产生错觉。这些深度知觉线索，实际上是一些已被我们熟知的生活经验，只不过我们使用这些经验来判断距离一般是在无意中进行的。而画家正是巧妙地利用这些生活中的深度知觉线索在平面上表现空间的。最早开发视觉透视几何学的人，就是十五世纪文艺复兴时代的艺术大师达.芬奇。
【作者】中国科技馆刘锡印
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