人类视觉感知系统的生理结构与多源视觉信息感知与识别

人脑的视觉信息感知过程是一个层次化、递进式的完美阶段。神经生理学和解剖学的研究结果显示，视觉感知信息在人脑中有其特定的传递通路。首先，外界信息的信号通过视网膜细胞接收。柱状细胞负责感应光照变化，而锥状细胞可以感应视觉信号的颜色变化。M细胞和P细胞是视网膜中的两类神经节细胞。感应范围较大的M细胞主要接收轮廓和形状等信息，感应域较小的P细胞则用于颜色和细节信息的接收。然后，视网膜上的神经节细胞就可以将所接收的视觉信号通过视神经交叉和视束传到中枢的侧膝体。最后，视觉信息便进入高级视觉区域，即大脑的皮层细胞，完成对视觉信息的感知和理解。在大脑主皮层内是一个由简到繁、由低级到高级的分级分层处理机制，视觉信息通过视皮层简单细胞（Simple Cell）→复杂细胞（Complex Cell）→超复杂细胞（Hypercomplex Cell）→更高级的超复杂细胞（High-order Hypercomplex Cell）通路完成视觉信息的感知和处理。图1-1所示为视觉信息从视网膜到视皮层处理过程的简单示意图。

图1-1　生物视觉感知系统中视觉信息从视网膜到视皮层处理过程的简单示意图

由图1-1可以看出，神经在进行视觉信息处理过程中，既有信息的横向流动，又有信息的纵向流动。其主要特点可以总结如下。

（1）两条通路。人类视觉感知系统包含两个主要通路。腹部通路（form/what通路），用来形成感受和进行对象识别。背部通路（motion/where通路），用来处理动作和其他空间信息分析。

（2）层次结构。人脑处理视觉信息的两条通路，无论腹部通路还是背部通路都明显地表现出层次处理结构。其中腹部通路处理视觉信息的层次化结构如图1-2所示。视觉信息从视网膜经由侧膝状体，最后到达视觉皮层。

（3）反馈连接。人脑视觉感知系统中，信息的传递大部分都是双向的，即前向连接往往都伴随着反馈连接。视皮层大量的反馈通路连接着人脑中的高层区域和视觉初级视皮层V1和V2。大量研究表明，反馈通路的存在与人类的意识行为有关。(www.xing528.com)

（4）感受野等级特性。生物视觉感知系统的层次化结构，使得视觉通路上各层次神经细胞，由简到繁，分别对应于视网膜上的某个局部区域，层次越深，区域就越大。

图1-2　腹部通路处理视觉信息的层次化结构

（5）选择注意机制。生物视觉感知系统对视觉信息处理是分层次序列化进行的。而各层次内部则是并行处理的。同一层次内的神经元体现出感受野形状和反应特性的相似性，同时具有相似的功能。然而，在实际的信息处理过程中人脑对外界信息又表现出某种特异性。主要原因是要实时处理全部视觉信息是不可能的，因此视觉系统有选择性地处理部分信息。另一个原因是，对观察者而言，并非全部信息都是重要的。因此大脑只需对重要部分做出响应，并进行控制。

（6）学习机制。生物视觉感知系统之所以能从外界复杂的刺激中辨别出本质的不变性特性在于学习机制的存在。这种自组织、无监督的学习，实现了人类的不断进化。

视觉信息处理是人类大脑的核心功能，大脑皮层约1/4的面积都参与这项工作。目前看来，大脑对视觉信息的处理遵循三个组织原则：一是分布式，即不同的功能脑区各司其职，如物体朝向、运动方向、相对深度、颜色和形状信息等，都由不同的脑区负责处理。二是层级加工，即存在初、中、高级脑区组成的信息加工通路，初级皮层分辨亮度、对比度、颜色、单个物体的朝向和运动方向等，中级皮层判别多个物体间的运动关系、场景中物体的空间布局和表面特征、区分前景和背景等，高级皮层则可以对复杂环境下的物体进行识别、借助其他感觉信息排除影响视觉稳定性的干扰因素、引导身体不同部位与环境进行交互行为等。三是网络化过程，即脑视觉信息处理各个功能区之间存在广泛的交互连接/投射，类似于下级向上级汇报，上级给下级指令，同事间相互协调。考虑到人们对外界图像及其变化的获取是一致的，由于视觉系统处理信息存在限制因素（例如每个神经元只能“看到”一小块视野），以及对图像进行分布式解析和加工的实现方式，这种网络化组织形式也许是人们能形成稳定、统一的视知觉的必要保障。此外，视觉系统只是脑神经系统的一部分，这就造成它对信息处理的过程不可避免地受到大环境的影响，反之亦然。这些影响因素包括情绪状态、经验偏好、关注目标等。例如过于关注某一事物，往往会对周边景物视而不见；而对某个东西越熟悉，人们也越容易把它从复杂背景中识别出来。