立體顯示下表面光澤感知研究現狀與展望

楊 婷，陳載清，張子樂，陳丹丹，云利軍

（云南師范大學 信息學院，云南 昆明 650500）

1 引言

三維（Three-dimensional，3D）立體顯示是以人眼立體視覺為基礎的用于呈現雙目線索的設備，其主要利用空間交錯（復用）或時間交錯（復用）等分像技術提供左右眼視差圖像來產生場景的三維立體感，目前在眾多領域已有廣泛應用［1-3］。從二維（Two-dimensional，2D）顯示技術到三維顯示技術，人們一直追求更加真實、自然、舒適的視覺體驗，期望顯示終端可以提供真實或虛擬場景的各種視覺屬性，包括顏色、形狀、深度、紋理、光澤等［4-6］。雙目光澤是一種生物學意義重大的視覺功能，有利于人眼識別物體表面材料特性，從而輔助人類辨別物體材料、判斷食物新鮮度、對抓取物體等的一系列控制行為進行判斷。

作為一種感知現象，對雙目光澤的研究起源于19 世紀中期。1851 年，H W Dove 通過立體鏡觀察到了一種光彩的外觀［7］。這一觀察結果很快引起了當代其他學者的關注：人眼是如何感知這種光彩外觀的？這樣的現象究竟能給我們帶來什么？這種光彩的外觀由哪些因素決定？并掀起了一波研究的浪潮，大量學者對Dove 的實驗進行了復現和改良，試圖為這種光彩的現象尋找一個科學的解釋［8-10］。在之后的研究中，這種現象被定義為雙目光澤或立體光澤［11］。1867 年，H von Helmholtz 針對這個現象提出了一種無意識推論［12］，并獲得了其他研究者的廣泛認可。在幾乎一個世紀的時間里，無意識推論學說都主導著這一領域，當時的相關研究僅限于傳統上的表面反射和不透明的介質，以至于人們覺得這似乎沒有繼續深入的必要，因而之后關于雙目光澤的進一步探索都是附帶在其他非孤立的實驗中［13-15］。直到2000 年，S M Anstis 針對雙目光澤開創性地提出了神經沖突理論解釋［16］。這與Helmholtz 的研究結果發生了對立，也為雙目光澤的后續探索提供了新的動力和突破口。自此，各界學者如火如荼地展開了新一輪的科學實驗，涉及到了雙目光澤的各個方面，包括與人類視覺系統的聯合探索［17-21］，基于心理物理學的光澤感知模型的研究［22-28］，估計光澤的方法的建立［29-30］，提高光澤恒定性能線索的探究［31-35］，雙目光澤的渲染和模擬［36-39］。綜上，從已有的研究結果看，雙目光澤與人類視覺系統的交互機制尚未完全清楚，雙目光澤在大腦中的處理通路仍是未解之謎，光澤的心理物理學實驗為數不多，定量數據還待補充。

為了提升立體顯示中物體表面材料光澤屬性的感知效果，有必要研究立體顯示下的雙目光澤現象與理論機制。在理論上，該研究對理解人眼視覺系統的信息處理過程具有科學意義。在應用上，研究還對擴展立體顯示設備的基礎表示場景存在一定應用價值，例如：（1）在立體圖像和立體視頻中，光澤感可以增強物體的真實感和立體感，提高觀眾的沉浸感和體驗效果［40］；（2）在三維模型中，光澤感可以讓模型更加逼真，增強觀察者對空間感和物體表面細節的感知；（3）在立體游戲中［41］，借助光澤效果可以增強游戲的吸引力和真實感，提高用戶的參與度；（4）在立體廣告中，具有光澤感的區域會顯得更亮，吸引更多的注意力，有突出品牌的效果；（5）在人機交互領域，基于雙眼光澤效應的立體顯示技術還被應用于數字色盲輔助領域的應用研究，只需借助一個雙目顯示設備，就能利用視覺光澤來增強色盲視覺的視覺信息，達到識別顏色混淆區域的目的［42］。本文系統地梳理了雙目光澤的發展脈絡，以幫助有關科研工作者了解該方向的基礎理論和研究現狀，期望為他們的研究提供一些有益幫助。

2 雙目光澤的表示與描述

雙目光澤為人所知的時間始于1851 年，在兩個倒金字塔的透視線條畫中，Dove 觀察到當兩個圖像通過單倍立體鏡融合時，這個幾何體產生了一種最引人注目的、生動的、主觀的光彩外觀［7］。他認為，這種光澤是一種虛假的光澤，是一種可以保留的附屬品，如果我們注意它，它就會敏銳地阻止我們看清它所依賴的東西。在其他研究者的實驗中，他們將這種外觀形容為金屬感［9］、高度拋光的玻璃狀［10］或水晶［10］。1879 年，E Hering［43］在他的研究報告中提到：光澤是作為一個偶然的附屬物出現的，而非被感知為表面顏色，就像“光本身”一樣，似乎在空間上是與表面分離的。盡管光澤對物體整體外觀的重要性僅次于顏色，但光澤的測量并不像顏色測量那樣發達。第一篇關于光澤度測量的文章直到1914 年才出現，而第一本專門討論這個主題的書則是1945 年才出版。從物理學家的觀點來看，光澤源于物體表面反射的不均勻幾何光在鏡面方向上通量的增加。在一項有關工業的光澤度測量設備的設計中，Hunter［43］確定了至少6 種不同的視覺感知現象。由于當時還沒有進化出能代表它們各自的單獨術語，他將其都歸為一般術語“光澤”。那時，顏色科學中的光澤度與光澤感知之間還不存在心理物理量的對應。因此，在1971 年第3 版的《國際照明詞匯表》中，國際照明委員會僅使用物理術語定義光澤：“定向選擇性反射特性，負責反射的高光或物體的圖像可被視為疊加在表面上的程度”。1986 年，感知光澤與材料的物理參數首次被聯系起來［44］。次年，國際照明委員會的第4 版《國際照明詞匯表》［45］就將光澤的定義轉為強調知覺屬性：“光澤是由于表面的定向選擇性特性，反射的亮點或物體被感知為疊加在表面上的外觀模式。”自此，光澤不再被認為是一種純粹由材料的物理特性引起的參數，而是被明確地強調為一種感知屬性，一種與表面的幾何性質相關的視覺量。1995 年，I P Howard［15］將這種外觀在視覺上的特殊反應描述為一種“波動的銀色光澤”。現行的光澤視覺術語標準定義來自美國試驗與材料協會（The American Society for Testing and Materials，ASTM）。2017 年該組織制定的ASTM E284-17［46］標準中根據不同的測量方法和角度定義了不同光澤在表面上產生的效果，可用于評估不同類型的材料表面光澤水平。一般來說，光滑材料的感知表示被描述至少6 個外觀方面［47］：鏡面光澤（Specular gloss）、斜視角度光澤（Sheen at grazing angles）、對比度光澤（Contrast gloss）、模糊（Haze）、反射圖像的清晰度光澤（Distinctness-of-reflected-image gloss）和表面紋理光澤（Surface-texture gloss），見圖1。總之，對光澤的完整描述需將其物理性質與視覺特性綜合起來，即雙目光澤是指在物體表面發生的鏡面或鏡面角度上的反射光線被雙眼接收后在視覺上呈現的具有一定方向性的視覺效果。結合這些特性，雙目光澤可以產生多種視覺效果，成為一種非常“突出”、“炫目”的現象，并在其他物體中十分顯眼。

圖1 6 種類型光澤示意圖［47］。（a） 鏡面光澤；（b） 斜視角度光澤；（c） 對比度光澤；（d） 反射圖像清晰度光澤；（e） 模糊；（f） 表面紋理光澤。Fig.1 Schematic diagram of the six types of gloss［47］.（a） Specular gloss；（b） Sheen at grazing angles；（c） Contrast gloss；（d） Distinctness-of-reflectedimage gloss；（e） Haze；（f） Surface-texture gloss.

3 雙目光澤的發展歷程

1851 年，Dove［7］通過給眼睛布置雙目的適應任務，使它們透過立體鏡在透視線條畫中觀察到了雙目光澤，見圖2。

圖2 雙目光澤的例子［12］Fig.2 Example of binocular glossy［12］

Dove 還發現，當眼睛看到不同強度的同一種顏色時，眼睛的適應能力會發生變化，就像看相同強度的不同顏色一樣，亮色對暗色的反襯行為就像折射率高的顏色對折射率低的顏色一樣。他將這個現象解釋為鏡面反射光與鏡面反射光或漫反射光相結合的結果，并提出雙目光澤的感知源自人眼的不適應。簡單來說，我們可以將Dove 的“光澤適應學說”解釋為：由于不同強度的光會到達觀察者眼睛的不同深度層，當觀察者接收到來自物體表面兩種不同方式反射的光時，這兩種光就無法被人眼適應，此時雙目光澤就產生了。但是，很快就有研究者反對這一理論。1854 年，J J Oppel［8］指出，雖然這種感知到的差異可能發生在用透明清漆覆蓋的畫作中，但這種差異并不會大到足以在一般情況下就引起眼睛明顯的不適應性。尤其是對于金屬物體，這種想法是矛盾的，因為在金屬中光的反射只存在于物體表面，并不會穿透表面到達物體的更深層次，更無法產生兩種不同成分的光。1861 年，D Brewster［48］也對光澤來源于兩種光相結合的說法提出了質疑，因為他發現當無背景的黑白表面在立體鏡中結合時并沒有產生光澤。據此，他提出光澤是兩只眼睛努力將立體圖像結合的產物。同年，在O N Rood［10］所做的一項實驗中，他將一個彩色的扇形圓盤放置在另一個不同顏色的物體前并快速旋轉，然后用單目從遠處觀察，最后也產生強烈的光澤印象。這些新的研究都對Dove 的理論發起了挑戰，但都沒能給出一個公認的解釋。直到1867 年，德國物理學家、生理學家和心理學家Helmholtz［12］在他的心理光學手冊中提出，由于光線與不同材料相互作用，每當視覺系統在相應的視網膜區域遇到不同的亮度，而這些亮度似乎是從遠端物體表面的同一位置反射回來的，它就會不自覺地推斷該物體具有光澤。這一推理論依據兩個概念，一是：從光滑表面反射的光具有方向選擇性，且觀察者的兩只眼睛的觀察視角不同，雙眼就會從同一個表面點接收到不同量的光。二是：人類視覺系統的內化作用還會將相應視網膜位置的眼間亮度差異解釋為是具有光澤或有光澤材料的遠端物體反射的光引起的。這種猜想一經提出，就獲得了當代相關研究人員的普遍認可［49-51］。

當然，對于Helmholtz 的“無意識推理學說”也有少數獨辟蹊徑的觀點。Hering 在他的光感理論大綱［52］提出了“內在主義學說”，基于這樣的假設，即光澤來自“光”和“表面”這兩個內部概念的同時激活。他認為，物體的基本表面顏色和偶然顏色這兩個知覺屬性是感知光澤的核心條件，如果光澤要出現，就必須發生感覺上的割裂。在這種分裂中，感覺的一部分是物體表面的基本顏色，而其他部分則被看作是“躺”在表面上不穩定的光或暗。Hering 的“內在主義學說”與Helmholtz 的“無意識推理學說”的主要區別在于它對關注側重點不同，Helmholtz 認為光澤是視覺系統對光反射的內化的結果，Hering 是只專注于知覺層面，而沒有像Helmholtz 一樣提及這種與低層次視覺特征相關的物理性質。

在一篇公認的開創性論文中，Anstis［16］針對雙目光澤的現象提出了神經沖突的概念解釋。他使用了簡單的中心-周圍結構作為刺激（見圖3），將兩個中心斑塊亮度不同的刺激物分別呈現在兩只眼睛上，且刺激物被快速交替呈現，就使得觀察者產生了光澤的印象。這種刺激的特殊之處在于，它與之前研究者使用的立體鏡不同，是被一個二維顯示器呈現在屏幕上的，這將意味著刺激本身出現在了同一個空間深度，屬于無視差刺激。此外，它還是一個在現實生活中物理上不能實現的刺激。這個實驗的特殊性，讓Helmholtz和Hering 之前對光澤感知的解釋都無法成立。據此，Anstis提出無論是雙眼光澤還是單眼光澤都是由視覺皮層神經通路的后期閃爍引起的，它是視覺神經無法整合不一致的閃爍信號而發生沖突的結果。這個觀點為雙目光澤研究帶來了新的科學意義，促使其成為一個活躍的研究課題。

圖3 中心-周圍結構刺激示意圖［53］Fig.3 Schematic diagram of central-peripheral structure stimulation［53］

4 影響雙目光澤的線索

光澤度的表示本質上是多維的，這意味著沒有一個單一的特征可以完全解釋光澤度的感知［54］。心理物理學研究也表明，人類視覺系統在面對光澤度估計問題時，大腦會使用各種不同的視覺信號估計光澤感強度。而早期對雙目光澤感知的研究主要集中在高光這類物理特性上，伴隨著顯示器技術的發展，立體光澤感知線索的研究也逐步轉移到與成像相關的視覺特性上，如視差線索、顏色線索、眼間差異線索等［55-59］。近年來，一些較為新穎的非視覺線索也被研究者注意并擴展到他們的實驗中［39］。

4.1 物理線索

4.1.1 鏡面高光

1895 年，Kirschmann 等人［60］在得出鏡面反射面上的高光差可以用作光澤知覺的線索這一結論外，還測量了高光差異對感知強度和感知真實性的影響。1990 年，Blake 等［23］在Kirschmann 研究的基礎上得出當鏡面反射高光的視差接近正確物理視差時，凸橢球表面的光亮度被觀察者判斷為最真實的。這個結論為后續探索輪廓或者材質與光澤的關系做了提示。1951 年，在Harrison 和Poulter［61］的研究報告中提出，光澤度知覺不僅取決于鏡面方向上反射的光的數量，還取決于鏡面峰的寬度。1995 年，Glassner［62］的研究進一步表明，鏡面峰的大小和形狀取決于表面的粗糙度、材料的折射率和照明方向。2004 年，Obein等［63］研究發現感知光澤度與鏡面光澤度呈非線性的關系。2005 年，Berzhanskaya 等［64］特別選擇探索了單目光澤線索，他的實驗結果表明局部強度峰值或“鏡面高光”的出現，或環境的鏡面反射都能作為光澤的提示。2008 年，Wendt 等人［65］的實驗中得出表面光澤度的等級隨著鏡面成分的增加而增加，鏡面高光可大大增強光澤感的強度和真實性這一結論。2021 年，J R. Cheeseman等［30］采用低、中、高不同范圍的鏡面反射率，評估觀察者對目標物體光滑度的判斷。結果表明：光澤的心理測量函數的斜率隨著鏡面反射率的增大而減小，在高水平的鏡面反射率下，觀察者的光澤感分辨力顯著降低。此外，作者還提出一種評估光澤靈敏度方法：最大似然差縮放（Maximum Likelihood Difference Scaling，MLDS）。這使得比較靈敏度在許多條件下變得可行，這是未來研究光照、形狀和其他反射率參數等因素如何影響光澤度靈敏度的先決條件。

綜上所述，存在鏡面反射的表面通常會使傳遞到視網膜的圖像也帶有亮眼的光，鏡面高光這一屬性可以被視覺系統用作感知立體光澤的線索，通常情況下，鏡面反射越強，高光也會越銳利、越小、越強烈，表面顯得越有光澤。這些研究表明，視覺系統啟發式地結合了鏡面圖像結構的維度，以產生我們對表面光澤的體驗。

4.1.2 環境場景

在日常生活中，人類經常遇到的室內和室外環境要比實驗環境復雜得多，而計算機圖形學的進步使得捕捉現實世界的高動態范圍照明變得可行。因此，大部分探究環境場景對光澤感知影響的實驗都是基于虛擬場景下的渲染。1998 年，Debevec［66］以光照探針數據庫中兩個不同的真實世界光場下渲染的二維光滑表面為刺激進行了實驗。結果顯示，在由少量點光源產生的簡單光場下，觀察者感知到的表面光澤比在真實世界光場下渲染的場景要少。2003 年，Fleming 等［32］詳細研究了照明對光澤印象的影響。他通過模擬不同復雜性、不同范圍的照明，得出了與Debevec 類似的結論：與使用點光源或人工光源場景相比，在復雜照明條件下，觀察者可以獲得更高程度的光澤恒定知覺。相比Debevec，他還得出：感知的光澤還取決于場景中光源的空間分布和強度這一結論。2009 年，Anderson 和Kim［67］在實驗中提出：當必須在不同物體之間進行光澤比較時，光澤取決于亮度和形狀之間的關系；而當場景的照明變化時，光澤計算起來就變得很復雜。2010 年，Doerschner等［68］在明亮的真實場景中，研究了空間模式、背景和動態范圍對感知光澤的影響。他們發現在渲染的高動態范圍場景中，場景的背景對感知光澤有顯著的影響，而在使用傳統顯示器呈現的場景中則沒有這種效果。遺憾的是，他們的實驗并沒有進一步探究信號光源等其他線索是如何受到背景的影響進而影響光澤感知的。同年，Olkkonen等［59］研究了在光場幾何變化下的亮度和光澤度的感知。他使用了高動態范圍顯示器顯示不同幾何形狀光場的模擬球體，得出：（1）光場幾何變化不對漫反射分量的匹配產生影響，但會對鏡面分量匹配有所影響；（2）對于在復雜光照或復雜表面結構下呈現的刺激，背景對外觀感知影響很小。Olkkonen 與Fleming 使用的實驗方法比較相似，都是匹配實驗，他們的實驗結論有所不同的主要原因在于他們實驗關注的重點不同。另外，精確評估這種類型的實驗中匹配的偏差大小也是一個微妙的問題。盡管Olkkonen的實驗方法與Doerschner 使用的強制選擇比較任務不同，但是他們得出的鏡面分量匹配數據性質是一致的，只是Doerschner 強調的是它與匹配實驗的偏差。2012 年，Motoyoshi等［69］指出當兩個具有相同鏡面反射特性，但形狀不同或呈現在不同光照條件下的表面被人類觀察者比較時，它們通常會被判斷為光澤度不同。2017 年，Wendt 等［34］研究表明，即使是相對較小的光場幾何形狀的變化也會導致感知光澤度的巨大變化，當不同類型光源引起的相鄰高光重疊時，會給人一種放大的單一高光的印象。2018年，Wendt等［70］深入探究了多光源對光澤感知的影響。由于不同顏色的高光部分是分開處理的，高光重疊也較小，因此感知光澤度幾乎保持不變，所以顏色信息有助于恒定的光澤感知，而運動信息只是導致感知光澤度的普遍增加。這些實驗都是在材料感知的背景下，以光澤這一突出的知覺特性與場景的物理特性的直接關系為研究主題，而尚未涉及人類視覺系統是如何依賴這些物理信號產生光澤印象。

4.1.3 材質與輪廓

輪廓信息的重要性在1855 年就被Brewster證實，他發現如果通過立體鏡觀察沒有明確邊界的白色表面和同類的黑色表面時，則觀察不到光澤現象［9］。這說明沒有任何邊界或輪廓的均勻黑白表面，無法產生有光澤的印象。1862年，Wundt［71］提出光澤出現的心理根源，并說明當且僅當與至少包含一種被明確劃分了彩色的物體結合時才會有光澤。2001 年，Adelson［72］提出對物體的視覺識別不僅依賴于它們的形狀，還依賴于制造它們的材料的特性。2012 年，Juno Kim 等［73］實驗證明，感知光澤取決于鏡面反射“邊緣”的結構，而不是鏡面反射高光本身的亮度。鏡面反射邊緣輪廓不僅由局部明亮的鏡面反射高光產生，而且也由局部較暗的鏡面反射低光生成。在更自然的照明環境中，表面的感知光澤取決于鏡面輪廓的結構。2013 年，Marlow 等人［74］證明了三維表面形狀和照明結構對光澤的感知有顯著影響，反射的清晰度本身并不是感知光澤的唯一重要信息來源，光場的結構和3D 形狀會影響鏡面反射的對比度、覆蓋范圍和清晰度，這些圖像約束會產生截然不同的感知屬性。Marlow 所述方法的一個局限性是，使用一個感知輸出（線索）來匹配另一個感知輸出（感知光澤），而沒有直接從圖像中測量所提出的光澤線索。所以他們沒有表示出線索在具有反射函數的表面的光澤感知中起什么作用。2021 年，B. Chen 等人［35］深入分析了幾何形狀、照明和材料類別對感知材料特性的聯合影響，他們關注于金屬度和3 個與光澤相關的外觀屬性（光澤度、反射對比度和反射銳度）。結果顯示，感知光澤度隨著高光覆蓋、銳度、對比度和亮度的增加而增加，這些屬性取決于照明空間結構、材料特性和表面幾何形狀。這些研究都為材質、輪廓和感知光澤之間的因果關系提供了更有力的證據。然而在精確指定觀察者如何從圖像中獲得對圖像的鏡面貢獻，如何推導光澤模型的問題上他們都保持了沉默。

4.2 視覺線索

光澤感知受多種視覺線索影響，包括單眼和雙眼的線索，如亮度、對比度、顏色等。研究表明，隨著亮度的差異增加，感知光澤的強度也會增加。對于亮度和對比度如何影響光澤感知的研究表明，對比信息更本質地決定了光澤感知的強度，而不是局部亮度。這些研究通常同時進行，早在1862 年，Wundt［75］就已經注意到這一點。1976 年，Czepluch［51］將目標斑塊亮度之間的比率Lmin/Lmax用作光澤閾值的測量，他計算出當亮度比Lmin/Lmax約為0.7 時光澤就能被檢測到。1984 年，Sheedy等［14］也做了類似實驗，結果表明受試者感知光澤的亮度比閾值在0.2～0.3 之間。這兩項研究之間的這種不一致性表明，亮度比（基于斑塊絕對亮度）是一種十分不合理的光澤閾值測量方法，單純的亮度比無法代表視覺系統的相關輸入變量。2000 年，Anstis［16］的實驗中使用扁平的中心-環結構作為刺激，發現當兩個具有不同中心斑塊亮度的刺激分別呈現給兩只眼睛時，將刺激以快速交替的方式呈現，可以產生有光澤的印象。2002 年，Pieper［76］測量了中心-環結構中的最低亮度閾值，當其中一個視圖中心的亮度與環相同為0.7 cd/m2，另一視圖產生光澤感所需的最低中心亮度約為9 cd/m2。2009 年，Formankiewicz 等人［58］提出在雙目亮度差異的檢測任務中，視覺系統檢測到的不是單目刺激絕對亮度的差異，而是單目刺激對比度的差異；此外，他們還證明雙目亮度差異的檢測與亮度和色度等表面屬性的檢測類似，都在相當大的范圍內服從韋伯定律。2014 年，W.Hong等［53］建立了一個基于亮度差異視差下的雙目光澤的檢測模型，實驗結果表明視差對光澤的敏感度影響不顯著。同年，H.Zhang 等人［41］建立的雙目光澤感知模型展示：不同級別平均斑塊亮度的絕對閾值隨著平均亮度的增加而幾乎呈線性增加。2016 年，Georgeson 等人［77］為了解關于亮度對比的信息是如何被雙目視覺系統編碼和使用的，提出的眼間對比度辨別模型就是基于對比度和光澤這兩個感知線索，人類對這兩種線索存在獨立的知覺通路。2019 年，Richard［12］的實驗限制了圖像只在亮度或對比度上變化，并發現視覺系統至少有兩種單獨的機制處理亮度和對比信息，表明亮度和對比度的處理不僅僅是由它們不同的外觀所暗示的不同生理狀態所決定。Kingdom等人［78］探討了雙眼差異和雙眼求和通道在檢測眼間亮度差異的機制中的作用，為揭示雙眼光澤現象背后的特定生理機制提供了證據。此外，Wendt［79］等解決了眼間亮度差異的物理量對雙眼光澤感知強度的影響問題。他提出不同層次光澤的能力隨著眼間亮度差異的增加而降低，指數為0.77 的冪函數可以將其很好地擬合。

顏色信息作為四大外觀屬性之一，在光澤感知中也發揮了不小的作用。1989 年，Hovis［80］提到對雙目顏色相互作用的研究分為兩類：一類是關于雙目顏色融合色對的感知顏色，另一類是關于雙目顏色對融合和競爭的影響。這一觀點使得人們注意到了顏色信息對光澤感知的意義，因為有些研究者認為光澤感是雙目競爭產生的副產品［81-82］。2008 年，Nishida 等人［83］發現視覺系統并不會接受所有任意的顏色組合，例如物理上不可行的顏色組合，或者某種程度的對立色混合后會發生奇特的消色現象，而不是產生光澤或者顏色競爭。2012 年，Malkoc 和Kingdom［84］測量了最小雙目色差閾值（Binocular Color Difference Threshold，DCDT），明確給出了立體感知的不同階段，劃定了光澤在雙目顏色融合與雙目競爭間的范圍，他認為光澤感出現于雙目色差閾值和雙目顏色融合界限之間。2013 年，Jung 等人［81］證明即使不存在鏡面反射，物體表面的光澤感也可以被雙目顏色差異引起，盡管純色度刺激通常比含有亮度變化的刺激更不容易產生光澤印象。2019 年，Wendt 等［79］測量了中心-環結構的中心顏色的對比對光澤感知的影響，他們也得出了與之前相似的結論：僅由眼間色差就可以引起適度的光澤感知。

以上研究表明，多個視覺特征涉及了光澤度的感知，而這幾個基本的視覺特征線索之間的無限組合創造了光澤感知的無數可能情況，究竟哪一種線索能精準預測光澤的產生？視皮層如何將這些能夠啟發光澤的物理線索進行高階解讀？這一切又是在哪一階段沿什么通路發生的？視覺系統如何在產生光澤感時對視覺線索進行加權？直至目前，對于光澤感背后的神經機制所知寥寥，人體視皮層各部分相互聯動，關系錯綜復雜，這使得研究更加困難。這些問題延伸出來的視覺系統與光澤感關系的探究更是當下研究的熱點。

4.3 非視覺線索

除了視覺啟發線索、運動信息，時間變化等一些非視覺信號也對光澤感知顯示出了一定影響。早期研究證明，視覺場景的不同屬性（如形狀、顏色、運動）產生知覺需要不同的時間，并且大腦沒有一種機制來補償其特殊加工系統之間的知覺時間差。目前尚不清楚這是如何實現的，許多研究者期待通過測量人類感知光澤的最小時間積分來解開大腦神經基質運作的秘密。1960 年，Sachsenweger 的報道稱：在他的實驗中，500 ms～1 s 的刺激持續時間內光澤的印象不明顯，在100 ms 以下的刺激持續時間內幾乎沒有光澤［13］。1964 年，Kahneman 等［85］測出亮度判斷的臨界持續時間約為100 ms，而識別任務則長得多。他提出不同的刺激會觸發不同的感覺區域，它們在時間上部分重疊，而不是先后相連，每個知覺過程都可能有其特有的臨界持續時間。1973 年，Mollon等［86］測量了初始反應達到其峰值所需時間的變化，實驗表明反應時間隨著刺激閾值的增加而縮短，且僅隨有調節反應的視網膜機制的適應狀態而變化，而不隨整個視網膜的適應狀態而變化。1997 年，S.Zeki 等［87］使用了蒙德里安圖形測定了顏色感知領先運動感知約50～100 ms。由于光澤感知可利用的線索十分豐富，視覺處理將視網膜積累的信息整合涉及到時間的推移［88］。以上實驗表明，想要使大腦感知光澤，在實驗中刺激的演示時間至少要高于100 ms。2012 年，Malkoc等［84］為了更準確地了解刺激持續時間對最小雙目色差閾值的影響，在0～1 500 ms 內改變刺激持續時間，結果顯示，在250 ms 內最小雙目色差閾值隨著刺激暴露時間增大而減小，超過250 ms后閾值波動不大。這一結果有助于今后有關雙眼光澤的檢測和觀看持續時間實驗的設計。

研究者對于運動誘導光澤感知的探索時間開始得較晚一些。2002 年，Hartung 等［89］的實驗發現，當物體表面特征在形狀上的“滑動”方向與鏡面流動一致時，就會使物體看起來有光澤，這項實驗表明，運動信息確實會影響光澤知覺。2010 年，Sakano 等［90］通過實驗得出，在其他屬性相同情況下，靜態刺激帶來的光澤感知遠不如動態刺激強烈，該實驗證明了頭部位置的動態變化對增強光澤的感知有顯著作用。同年，Wendt 等［91］也得出類似結論：運動信息顯著提高了光澤度匹配的穩定性。2011 年，Doerschner 等［92］進一步探究了3 種運動線索（覆蓋率、散度、剛體運動）對人類物質感知的影響，他們得出這些光流特性在估計表面材料光澤中都發揮著重要作用，他們的實驗給出了光流在光澤感知中一個創新的實例，盡管它不是大腦可以提取的唯一線索。2013 年，Lichtenauer 等人［93］的實驗另辟蹊徑地比較了交互和被動觀察者對粗糙和光滑表面的判斷。在他們的實驗情境中，互動觀察者的判斷結果（觀察者可以自由地改變他們相對于樣品的位置）達成一致的頻率明顯高于被動觀察者（視覺內容相同但觀看模式是視頻播放的被動觀看）。對此他們的解釋是，自由觀察時場景對光澤感知提供了額外的線索，且雙目視差與頭部運動相結合也導致了更突出的光澤印象。2018 年，Wendt 等［70］在探究多光源對光澤度感知影響時也得到了與前人一致的研究結論，旋轉物體通常比靜態呈現的物體更有光澤。與之前運動信息能夠增加光澤感知的恒定性的結論相比，動態模式下的多光源則沒有這樣的效果，只是導致感知光澤度的普遍增加。2022 年，Sakano 等［39］在多視圖3D 顯示器中對再現光澤的探究也得出了相似的結論：帶有頭部跟蹤的S3D（stereoscopic 3D）圖像比沒有頭部跟蹤的S3D 圖像能更準確地再現光澤感知。簡而言之，無論是單純的非視覺線索還是與其他的線索交互都對光澤感有一定貢獻。針對它們的進一步研究對于闡明光澤感知的機理具有重要意義。

4.4 小結

以鏡面高光、環境場景、材質與輪廓為代表的物理線索，是早期被發現并啟用的光澤感知影響線索。目前的研究已證明，視覺系統對于物理線索的解釋方式具有很高的一致性，通過對它們的改變、模擬能夠直接地渲染出一定的光澤感效果。與之相關的有待研究的內容包含：（1）對更復雜的物理模型和更精細高效的渲染算法探索；（2）對物理信號如何依賴于視覺系統產生光澤感印象的研究。

以亮度、對比度、顏色為代表的視覺線索，是2000 年來被關注較多的光澤感知線索，它們能間接影響大腦對光澤的感知，目前的研究大部分是基于心理物理學實驗的觀察者感知實驗。與之相關的有待研究的內容包含：（1）對各視覺線索的交互作用的進一步探索；（2）對視覺線索的量化實驗，以指導再現光澤感；（3）與視覺線索相關的光澤感神經機制的探索。

以時間、運動、觀看距離等為代表的非視覺線索，現在的研究表明，這些感知光澤的附加信息本身就導致了外觀的差異，而不是只對光澤感的感知產生根本性的貢獻。以非視覺線索為啟發的光澤感的研究還處于起步階段，有很多待研究內容：（1）進一步明確這些非視覺線索對光澤感知的具體影響程度和影響機制；（2）這類線索引起的光澤感知個體差異性較大，對它們的研究有助于個性化應用的開發。

總的看來，光澤感啟發線索和感知光澤之間還有許多難以解釋的不一致，不同的光澤感啟發線索對光澤的感知并非都依靠同一區域的處理，而如何建立光澤感啟發線索與人類觀察感知判斷之間的聯系是一個共同的難題。

5 結論

人眼光澤感知的研究始于感知材料的特性，并且持續了一個多世紀。本文圍繞雙目光澤的表示與描述、理論發展歷程和影響因素3 個方面，將國內外相關文獻進行了系統的梳理，總結為：（1）迄今為止，對于雙目光澤感知的理論學解釋還保持在2000 年Anstis 所提的神經沖突理論上。經過20 多年的探索，人們對涉及到光澤感知的視皮層處理過程、大腦感知機理仍然知之甚少，需要進一步豐富光澤感知的理論依據。（2）以往的研究表明，人類視覺系統使用了多種啟發線索來感知光澤，現有的心理物理學研究也對它們分別都進行了實驗。由于這些線索并不以一致的方式對體驗光澤感知做出貢獻，且它們的作用效應也不是彼此獨立的，所以對這些線索整合后的交互機制還有待后續探究。（3）在計算機圖形學領域，想要將現實世界中的刺激在虛擬空間中復制十分復雜，為在立體顯示器中再現光澤屬性，大部分研究都集中于模型鏡面材質的渲染，或者是表面局部區域亮度的增加，但這些技術手段生成的光澤與真實的光澤還有很大的差距，這需要在后續工作中持續探索。特別地，由于光澤感是一種心理量，每個人對它的感知都存在差異。與其他的物體外觀屬性相比光澤的知覺恒常性較低，這使它更加神秘莫測。要想解開包裹在光澤周圍的謎團，還需精心設計更多立體顯示下的光澤感知實驗，補充大量心理物理學數據。總的來說，將其與人類視覺系統的神經機制、心理感知交互機制結合起來進行多維探索才是未來發展的主要方向。