2.3　Julesz's Local-global Distinctions及随机点立体图对(Random-dot stereogram,RDS)

　　1960年Bela Julesz开发出RDS，是立体视觉研究的一个里程碑。原理是利用计算机制作两张结构完全相同的随机点模式图片，但每张图均有部分相对应的区域在水平方向上作了相对的平移(内移或外移)。单独一张图片不能得到任何深度知觉的印象，但如果放在立体镜下，左右眼分别看左右图，相对内移形成交叉视差的立体像凸出于平面；相对外移形成非交叉视差的像凹陷于平面。如果将两张图分别用两种颜色(通常为互补的红绿色)重叠着套印成一张复合图片，通过特制的滤光片(红绿镜片)来观察，同样可以产生立体视觉效应。Julesz又于1964年设计出一种动态随机点立体图(Random-dot cinematogram,RDC)，也称为随机点立体电影［17］。这种动态RDS由许多帧成对的随机点图组成，每一帧的左右立体图对是相关的，但各帧之间却不相同，顺序向下延续，由于随机点位置不断变化，观察者初看时只能感知为“雪花”，当两眼融合后则可清晰感知不断运动着的深度图形。这种动态RDS的图形运动没有单眼线索。

　　RDS与经典线条立体图对的差别［17,18］：①经典立体图对有单眼线索而RDS无任何单眼线索；②经典立体图对得到的是局部立体视信息，而RDS得到的是整体立体视信息，整体立体视发生在比局部立体视更为高级的神经分级系统上；③RDS每一点都有视差，双眼融合拓展了经典的融合极限；④RDS对的每一点均有视差信息，是研究双眼匹配的好材料，在双眼深度知觉信息加工方面具有无比优越的研究价值；⑤由计算机产生，其三维图形可预先设计并精确控制每一点的位置，研究视觉现象在深度上的表现或作为视差刺激都是线条立体图所无法比拟的。RDS在立体视觉研究方面的巨大贡献［17,18］：①说明视差是产生立体视的充分条件，而不需要任何图形线条的轮廓；②说明双眼立体视觉是与生俱来的，不要任何后天的经验或知识的支持和帮助，为视觉计算理论提供了突破口；③提供了一种客观检查立体视的工具；④可对许多经典的视觉现象作进一步分析。

　　Julesz称立体视觉为“中央眼”知觉(Cyclopean eye)，因为两只眼的映像在大脑皮质的中央视区相结合是产生深度知觉的基础，故又称RDS为Cyclopean RDS。他以RDS为基础，通过改变两眼随机点图的质地、大小、清晰程度及加以人为的噪声干扰等作了许多有关立体视机制方面的研究，发现在一定限度内仍可得到立体感知，称为大脑立体视觉的可塑性［19］。他还提出了协同模型，认为立体视的感知是一个协同过程，需要一定的潜伏期，即需要一个从无序到有序的过程，并存在多重稳态及滞后现象［18,20］。

　　Julesz首次提出了整体系统概念，即整体立体视(Global stereopsis)，这是由随机点图对所得到的有关形状和运动的深度感知能力。他认为大脑经过评价左右眼整体的各个随机点之间所有可能的匹配之后，去除错误的配对，保留正确的配对，即选择了立体图对刺激中最经常发生的视差信息。与之相应是局部立体视(Focal stereopsis)，是处理轮廓图形局部特征的双眼视差信息的能力，为传统的立体视。两者是完全不同的，推测前者可能与精细视差有关，后者受粗略视差操纵。由此将立体视的加工过程分为两类，一类为整体的精细的加工过程，另一类为局部的粗糙的加工过程［8,18,21］。这个理论同样得到神经生理学证实，Poggio及同事发现与整体立体视系统有关的神经元存在于猴子的中央视皮层的V1区和V2区，在所观察的230个神经元中，约20%对中央眼随机点立体图发生反应［22］，这些神经元只对“正确”的双眼匹配信息作出反应。Tyler经研究认为粗略局部立体视与大细胞通路有关，精细整体立体视与小细胞通路有关［23］。

　　综上所述，立体视觉的形成过程主要包括两个阶段：第一阶段是抽取双眼物像中的某种基元，然后进行基元匹配并检测出视差信息；第二个阶段是从所获得的视差信息中感知深度现象(即立体视觉)［21］。另外，Julesz对立体视的形成过程提出三个假设：1)分别有检测各单眼信息的图案辨别机制，之后两眼信息汇合，形成立体视觉；2)两眼信息先汇合，此后图案辨别机制才开始活动，检测出双眼视差的信息成分而形成立体视觉；3)假设1与2共同作用形成立体视觉。其中以假设3作为立体视觉形成过程最合适［24,25］。

　　2.4　空间频率与立体视

　　视觉心理物理研究的另一个重要进展是视觉系统空间频率特性的研究。空间频率(Spatial frequency)指在一定空间单位长度里光亮强度起伏的次数，是40年代傅立叶光学发展出现的新概念。Hubel和Wiesel关于视皮层细胞对棒条宽度有选择性反应的发现，表明视觉系统对不同空间频率具有选择性。心理物理实验已利用三种不同的方法证明了人的视觉通道存在空间频率通道［17］。Campbell利用神经的适应现象进行实验，证明了视觉系统适应某一频率的光栅后对该频率的反差阈值提高。Campbell和Robson利用复杂图形的光栅和正弦调制的光栅进行比较实验，均可说明视觉系统中存在着多个对空间频率敏感的通道，每个通道有其最佳的“过滤频率”。同时Maffei利用电生理方法也证明猫视觉神经系统中神经节细胞、外侧膝状体和视皮层均对空间频率具有选择性［22］。1979年Wilson提出四个空间频率的通道模型，随后又有六通道说、七通道说［26］。

　　1970年Blakemore报道了用频率上稍有差别的二张条纹图(光栅)分别给人的左右眼看，则感受到一排栅条斜立在面前，低频的一边离人远高频的一边离人近。这就是频差引发的深度感知(与视差无关)，是一种新的立体视。1979年Tyler用更细致的实验证实了这种由两眼频差引起的深度体视，并提高一个新的词汇—Diffrequency，即频差。

　　我国学者郑竺英、葛霁光和周清等认为空间域的视差和频率域的频差之间有对应关系并且频率效应可以克服视差，立体图对在空间域的视差就是它在频率域中的频差，频差与深度呈线性正比关系。推测视觉系统在加工深度信息时，可能根据图像的空间频率对客观存在的深度线索——双眼视差进行频差分析和综合［17,27,28,29］。

　　有关频差引起的立体视的神经生理学基础尚未确立，视觉系统是否存在对频差敏感的细胞以及由频差建立立体视及双眼匹配的模型问题都有待进一步研究。

　　2.5　立体视觉中视差信息在视觉系统中的编码方式

　　视差是双眼立体视觉的主要机制，但是图像的视差怎样由皮层双眼细胞来进行编码?早期推测是由双眼性细胞左右感受野的位置差异来对应，并有一些心理物理和生理实验的证据。最近的一些研究表明，感受野的相位差是视差编码的主要方式，感受野的位置差则在某种程度上是一种补充［30］。

　　参考文献

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　　12　Hiroshi Ritaoji,Keisuke Toyama.Preservation of position and motion stereopsis in strabismic subjects.Investigative Ophthalmology and Visual Science,1987,26(8)∶1260

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　　18　Julesz B.Stereoscopic vision.Vision Res,1986,26∶1061～2012

　　19　B.Julesz.Binocular depth perception without familiarity cues.Science,1964,145∶356

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　　22　Wilson HR,Bergen JR.A four mechanism model for threshold spatial vision.Vision Res,1979,19∶19～32

　　23　Tyler CW.A stereoscopic view of visual processing streams.Vision Res,1990,30(11)∶1877～1895

　　24　杨雄里译.眼的光学与视觉，生理光学.北京：科学出版社，1983.220

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　　26　Maffer L,Fiorentii A.Spatial frequency rows in the striate visual cortex.Vision Res,1977,17∶257～264

　　27　郑竺英.双眼频差平行加工深度的模拟.生物物理学报，1990，6(2)∶248～253

　　28　周清.不同视觉通道中频差所引发的深度感知.生物物理学报，1990，6(2)∶207～211

　　29　葛霁光.频差在立体视觉信息加工中的作用：频差克服视差，生物物理学报，1992，8(3)∶516～570

　　30　张志磊，葛霁光.立体视觉中视差信息在视觉系统中的编码方式—位置差?相位差?生理科学进展，1999，30(2)∶166～168

(收稿：1999-09-06，修回：1999-10-12)

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