人類視覺的眼球運動機制

汪 亮

（吉林大學 珠海學院公共基礎課教學與研究中心，廣東 珠海519041）

0 引言

視覺系統是人類最重要的感官系統,來自外界的大部分信息是通過視覺系統獲得的，而眼睛的運動是一種研究視覺系統信息處理機制的重要手段，所以眼動研究越來越多地受到人們的關注，其研究成果也被廣泛的應用于醫學、心理學、工業等領域。本文對眼動的主要類型和功能做一簡單的介紹， 并探討了眼動在視覺認知研究中的重要作用，期望將來的研究中能更深入的理解眼動的機制，并能夠更多的應用到生產實踐中去。

1 眼動的類型和作用

在視覺觀察中， 將眼睛的中央凹對準目標刺激物的過程稱為注視,通過注視可以把視覺映像固定在視網膜的中央凹上，這是人類視覺最敏感的區域，因而可以在此獲得最清晰、最穩定的視覺映像，大部分的視覺信息需要在眼睛注視下才能獲得加工。 在注視靜止目標時,眼睛并非是完全靜止的，眼球仍存在三種微小的運動：Adler&Fliegelman(1934 年)發現的眼球自發的高頻率、低振幅的視軸震顫運動（Tremor），其頻率約為幾十赫茲，振幅大約和中央凹的錐體直徑相當；Dodge(1907 年)發現的不規則的、 緩慢的視軸漂移運動(Drift) 和微小的、 快速的直線眼跳運動(Microsaccades)，慢漂移運動(Drift)使得注視的目標逐漸離開中央凹的中心，而微跳動(Microsaccades)可以糾正這個偏差，以保持正確的注視狀態。

眼球的微幅運動，不僅沒有讓人在注視物體時視覺模糊，相反人的視知覺根本離不開眼睛的運動，Pritchard 用實驗證明當視網膜上的映像用光學方法固定下來時，視覺映像會在數秒鐘后逐漸消退。 因而眼動的部分功能似乎是不斷清除視網膜光感受器上的像，這樣光感受器不會因適應而停止發放，大腦始終可以獲得視覺映像的輸入信號。當眼睛注視點從一個目標快速移動到另一個目標時，眼球會發生跳視運動，這是眼睛通過跳躍運動來增強視覺系統的快速跟蹤能力，使得眼睛在觀察目標的方位發生突然變化時，也能夠讓視覺目標落在視網膜上的中央凹附近。跳視是一種眼球聯合運動(即雙眼同時移動)，其大小約為1 到40 度角， 持續時間約30—120ms， 最高跳視速度可達400～600°/s。 跳視時視覺感知會被抑制，稱為跳視抑制。

人在觀察慢速移動物體時，為使移動目標的映像保持在視覺中央凹區域，眼睛會跟隨運動目標而發生平滑跟蹤眼動。 運動目標的信息輸入到視覺神經系統時，視覺系統會對運動目標速度進行檢測并反饋控制眼睛連續跟蹤運動目標，使得眼動與運動目標運動同步。 人眼能平滑跟蹤的最大的目標運動速度約為30°/s。

人在實際觀察物體時，上述三種不同形式的眼動往往是同時存在的，通過這些眼動，我們才能形成清晰的視知覺。

另外還有一種眼動方式和雙眼立體知覺是密切相關的，這就是雙眼輻輳運動：當人眼觀察從遠處移向近處的物體時，雙眼視軸會向鼻側靠近，這稱為輻合運動（Convergence）；相反，當人眼觀察從近處移向遠處的物體時， 雙眼視軸會向兩顳側分開， 稱為分散運動（Divergence）， 輻合和分散運動的共同特點是兩眼視軸總是反方向運動，統稱為輻輳運動（Vergencemovement）。

事實上立體視覺的形成，除了健全的視覺神經系統外，雙眼輻輳運動，是一個關鍵的、必要的條件,只有通過輻輳運動，雙眼同時注視一個目標，當左右眼幅合到合適的角度，雙眼視網膜中央凹圖像的差異較小時，才能形成比較穩定的融合狀態,最終形成雙眼立體視覺。 如果眼肌不能配合，無法進行雙眼輻輳運動，則不能將物象投影到各自的視網膜的中央凹，雙眼立體視覺則不可能完成,而會出現雙眼復視和競爭現象。

2 眼動的應用

眼動被認為是一種研究視覺信息加工的有效手段，其研究成果被廣泛的應用于醫學、心理學、工商業、軍事等各領域中。

通過測量跳視和平滑眼動的各項參數，可作為精神分裂癥、抑郁癥、焦慮癥、強迫癥等精神系統疾病檢測的良好指標。眼動作為心理學研究中的一項重要指標， 被廣泛的運用到應用心理學領域的研究中，如運動心理學、航空心理學等領域。

在工商業領域，眼動的應用也取得了一些進展。 美國弗吉尼亞大學研制的眼動系統Erica，由眼睛注視來控制輸入，幫助殘疾人較方便的和外界交流，實現通信、娛樂等。 日本佳能相機也實現了眼控聚焦的功能，能根據人眼的注視位置進行聚焦。 在機器視覺方面，2001 年傳感器制造商——Technos 公司借鑒人眼的固視微動機理， 開發出將自動外觀檢查系統的精度提高到肉眼100 倍以上的“Technos 振動測向神經視覺傳感器3510H”， 可見對眼動機制的研究不僅有助于生物視覺領域的進步而且在機器視覺等工程領域也具有重要的啟迪和借鑒價值。

在工業設計方面，通過眼動分析可以了解人在操作機械設備時如何分配注意力，可幫助設計者更合理地設計和分配儀表、屏幕等，以獲得更好的人機交互，減輕操作者的負擔，提高工作效率。在廣告設計上通過對注視時間、次數、眼跳等參數的測試，也可以幫助設計者了解廣告宣傳的效果。

我國的眼動研究起步較晚，但近年來國內對眼動的研究也越來越深入，眼動研究已經不再僅僅局限于閱讀研究中，而是作為心理學研究中的一項重要指標，被運用到應用心理學領域的研究中，如工效學、廣告心理學、駕駛心理學等領域；此外，在機器視覺、計算機視覺領域我國也開展了一系列眼動技術方面的研究，希望將來能在眼動研究領域進一步縮小與發達國家之間的差距，推動相關科學的發展。

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