视觉的原理

　　视锥细胞与视杆细胞
　　
　　我们是通过怎样一种系统来认知设计的呢？
　　
　　看到一件设计作品时，它的视觉形象瞬间就会出现在我们脑海中，整个过程耗时只有几分之一秒。尽管时间非常短，我们却能准确把握设计作品的颜色、形状、位置关系等若干属性。由此可见，人类拥有性能非常高的认知系统。
　　
　　眼睛最初捕捉到的视觉信息是光，光通过眼球的瞳孔、经过晶状体的折射在视网膜上成像。所谓视网膜，是眼球内壁覆盖的一层膜状组织。在视网膜的下层，有一种视细胞可以将光转化为电信号。该视细胞又分为两类，一类是“视锥细胞”，它们在明亮的地方发挥作用；另一类是“视杆细胞”，它们对弱光反应敏感，在光线暗的时候发挥作用。经科学家研究发现，人眼大约有500万到700万个视锥细胞，1亿2千万到1亿4千万个视杆细胞。
　　
　　◎视锥细胞
　　
　　视锥细胞对光的“颜色”反应敏感，根据吸收波长的不同，可分为三类，分别是L视锥（红视锥）、M视锥（绿视锥）和S视锥（蓝视锥）。如果这三种视锥细胞中的任何一种存在缺陷或者吸收光线的波长出现异常，都会导致人的色觉障碍。（据调查，日本男性中，M视锥出现异常的情况相对较多。每20个人中，就有1人异常）。人只能看到三种视锥细胞所吸收的波长范围内的光。
　　
　　◎残像补色与视锥细胞
　　
　　为了让大家实际体验一下视锥细胞的机能，接下来我们做一个有趣的实验。请盯住上图中的红色圆形看30秒，然后迅速把目光移向右侧的空白处。您应该能发现空白处出现一个泛蓝色的圆形。这种现象就叫做“残像补色”。由于长时间看红色，L视锥（红视锥）出现疲劳，而在这一过程中，M视锥（绿视锥）和S视锥（蓝视锥）并没有使用，因此相当活跃。当我们把视线移向空白处时，受活跃的M视锥和S视锥的影响，在空白处浮现出红色的互补色，即泛蓝色的圆形。
　　
　　◎视杆细胞
　　
　　视杆细胞对微弱的光反应敏感，但不能辨别颜色。因此，在光线昏暗的地方，我们虽能看清物体的形状，但很难分辨其颜色。在视杆细胞中，有一种叫做视紫质（Rhodopsin）的蛋白质，遇光即分解，会刺激视神经末梢，由视神经把刺激传到大脑，产生视觉。视紫质由视蛋白（Opsin）和维生素A结合而成。当人体缺乏维生素A时，在昏暗的地方会看不清东西，这就是由于无法合成视紫质造成的。
　　
　　除了猫头鹰和夜鹰，大部分鸟类都在白天活动，它们基本不具有视杆细胞。因此，在黑暗的地方，大部分鸟类的视觉机能都极差。在日语中，“鸟目”就借指夜盲症。
　　
　　◎暗适应与明适应
　　
　　您是否有过这样的经历？从明亮的地方进入已经开演的电影院或音乐厅时，会突然感觉眼前一片漆黑，根本看不清座位在哪儿。
　　
　　不过，过一会儿，就能渐渐看清座位了。我们的眼睛逐渐适应黑暗的现象，叫作“暗适应”。它受视网膜内视紫质功能的影响。视杆细胞需要通过视紫质的积累来获得感光度，但视紫质的积累需要一定的时间。因此，从明亮处进入黑暗的地方，看清东西也需要一定的时间。
　　
　　反之，从黑暗处突然进入明亮的地方，我们会感觉眼前一片白茫茫，什么都看不到。不过，过一会儿，等眼睛适应了环境，就又能看清东西了。这种现象就叫作“明适应”。在黑暗的地方，我们积累了很多视紫质以适应黑暗环境，但突然进入明亮的地方后，太多的视紫质会导致感光度太强，使我们感觉刺眼。不过，视紫质会在光的作用下分解。过一会儿，视紫质的量就恢复到了普通水平，我们便能正常看东西了。视紫质的分解速度比积累速度快，因此人的明适应也比暗适应来得快。
　　　　
　　
　　大脑如何处理视觉信息
　　
　　视细胞将视觉信息（即光信号）换为电信号，然后经由双极细胞和神经节细胞传送至大脑。接下来，传送至大脑的信息经过大脑中央的外侧膝状体，到达后脑部的视觉区。就我们人类来说，视觉区对于由视觉信息（光信号）转换而来的电信号至少要进行一阶（V1）至五阶（V5）确认。在第一视觉区（V1），只对简单的形状进行处理，然后传送到高阶视觉区。
　　
　　在第一视觉区，只对信号做非常简单的处理。在这里，有辨别蓝、红、黄等颜色的细胞，以及分辨极其简单的形状如水平线、垂直线和斜线等的细胞。而且，这些细胞只对自己负责的部分有反应。比如，负责辨别蓝色的细胞，只对蓝色有反应，对其他颜色通通不感冒。而且，不论是正方形、圆形还是三角形，它们只对蓝色的有反应，并不在乎其形状。再比如，负责辨别竖线的细胞，根本无视横线的存在，只留意竖线。线条的颜色对它们的判断也没有影响。
　　
　　从第一视觉区向高阶视觉区发送视觉信息时，分为两个通路。第一个通路叫“背侧视觉通路”，是第二视觉区（V2）向第三视觉野(V3)发送信息的通路。在这条通路上，对对象物的动态、空间信息以及三维形态等进行处理。另一条通路叫“腹侧视觉通路”，是从第二视觉区(V2)向第四视觉区(V4)发送信息的通路。这条通路处理对象物的颜色和形状等信息，相比第一视觉区(V1)处理的过程要复杂一些。在腹侧视觉通路中，有对复杂颜色、形状比较敏感的细胞，可以对特定的曲率、曲线组合以及复杂的形状作出反应。第一视觉区（V1）除了具有处理视觉信息的功能外，还是一个“发送基地”，可以根据视觉处理的内容，向不同的通路分配信号。
　　
　　最后，经过处理的视觉信息经过腹侧视觉通路传送至侧脑叶，到了这里会对更加复杂的形状进行处理，最终完成对对象物的认知。概括来说，就是人首先对对象物的颜色、简单的线条、轮廓等作出反应，分解出其中的简单要素。然后，再分阶段对复杂的形态等进行处理。