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视觉与成像(共44张PPT)

第一章视觉基础

第一章视觉基础

(1)视觉系统是人类获取外界信息的重要途径，它由眼睛、视觉通路和大脑三个主要部分组成。眼睛作为视觉系统的传感器，负责接收外部光信号并将其转换为神经信号；视觉通路则负责将神经信号传输到大脑；大脑则是视觉信息处理和解释的中心。在视觉系统中，眼睛的成像过程涉及到光的折射、反射、散射等多个物理现象，这些现象共同作用，使得视觉系统能够捕捉到丰富的视觉信息。

(2)光的物理性质对视觉系统的成像过程有着重要影响。光的波长、强度、相位等特性决定了眼睛接收到的光信号的特征。例如，不同波长的光在视网膜上产生的响应不同，从而形成彩色视觉；光的强度变化会影响视觉系统的适应能力，如明适应和暗适应；光的相位变化则与视觉系统中的空间分辨率有关。因此，深入理解光的物理性质对于研究视觉系统的工作原理具有重要意义。

(3)人眼的结构与功能是视觉系统研究的基础。人眼主要由角膜、晶状体、视网膜等部分组成，它们共同协作完成成像过程。角膜和晶状体负责对光线进行折射，使光线聚焦在视网膜上；视网膜上的感光细胞则将光信号转换为神经信号。视觉通路中的视神经、视交叉、视束等结构负责将神经信号传输到大脑；大脑中的视觉皮层则负责处理和解释这些信号。了解人眼的结构与功能有助于我们更好地理解视觉系统的工作机制，以及视觉信息的处理和解释过程。

1.1视觉系统的组成

1.1视觉系统的组成

(1)视觉系统由眼睛、视觉通路和大脑三个核心部分组成。眼睛作为视觉系统的前端，负责接收外部光线并形成图像。人眼视网膜包含约1.2亿个光感受器细胞，其中约1.1亿为视锥细胞，负责感知颜色和亮度，而约100万个为视杆细胞，主要感知亮度和运动。这些细胞通过复杂的神经网络与视神经相连，形成视觉通路。

(2)视觉通路包括视神经、视交叉、视束等结构，它们将视网膜上的光信号传递至大脑。视神经含有约100万根神经纤维，每秒钟可传输大约10亿比特的信息。在视交叉处，来自双眼的神经纤维交叉后继续向上传输。视束将信息传递至大脑的视觉皮层，这一过程大约需要0.25秒。

(3)大脑视觉皮层位于枕叶和颞叶，负责处理和解释视觉信息。视觉皮层分为多个区域，如V1（初级视觉皮层）、V2、V3等，每个区域都承担着不同的视觉任务。例如，V1区域主要负责感知图像的基本特征，如形状、方向和运动；而V2和V3区域则负责更高级别的视觉处理，如颜色、深度和纹理。这些区域之间的交互作用使得大脑能够生成一个连贯、立体的视觉世界。例如，在驾驶过程中，驾驶员的视觉皮层会实时处理来自道路、车辆和行人的视觉信息，以确保行车安全。

1.2光的物理性质

1.2光的物理性质

(1)光是一种电磁波，其频率范围约为3.9×10^14至7.5×10^14赫兹，对应的波长范围大约在400至700纳米之间。这一范围内的光波对人类视觉感知至关重要。太阳光作为一种自然光源，包含了几乎整个可见光谱，其能量分布呈现出一个峰值在555纳米左右的峰值，这一位置对应于绿色光。在光学成像系统中，光源的选择对成像质量有着直接影响。例如，在医疗成像中，使用特定波长的光源可以增强特定组织的对比度，从而提高诊断的准确性。

(2)光的传播遵循波动光学和几何光学的原理。在真空中，光速约为3×10^8米/秒，这一速度是电磁波在自由空间中的最大速度。然而，当光进入介质（如水、玻璃或空气）时，其速度会降低，这种现象称为折射。折射率是描述光在介质中传播速度与在真空中传播速度比值的一个物理量。例如，空气的折射率约为1.0003，而水的折射率约为1.33。在光学设计过程中，折射率的精确控制对于确保光路和成像质量至关重要。例如，在望远镜中，通过调整透镜的折射率，可以校正像差，提高成像清晰度。

(3)光的干涉和衍射是光的波动性的重要表现。当两束或多束相干光波相遇时，它们会相互叠加，形成干涉条纹。这一现象在双缝实验中得到了经典的验证，通过观察屏幕上的干涉条纹，科学家们能够测量光的波长。光的衍射是指光波绕过障碍物或通过狭缝时发生的弯曲现象。衍射效应在光学成像中尤为明显，例如，在激光干涉仪中，通过测量光的衍射条纹，可以实现对长度的极高精度测量。此外，衍射现象在光学显微镜和望远镜中也有重要作用，它决定了仪器的分辨率极限。例如，根据瑞利判据，光学显微镜的分辨率大约为光的波长的一半，即约200纳米。通过使用特殊设计的透镜和光源，可以克服衍射的限制，提高成像系统的性能。

1.3人眼的结构与功能

1.3人眼的结构与功能

(1)人眼的结构复杂而精密，由多个部分协同工作以实现视觉功能。眼球本身是一个近似球形的光学系统，主要由角膜、晶状体、瞳孔、视网膜等组成。角膜位于眼球的最外层，透明且有弹性，能够折射进入眼球的光线。晶状体位于虹膜之后，通过调节其