我们是如何「看见」的

细想一下,我们能看见这个五彩缤纷的世界不是很神奇么?相机高级如 P30 也只能拍出平面的照片,而我们看到的世界是立体的;可见光只是电磁波谱中的一段,怎么就能看见颜色了?让我们来简单了解下其中的奥义。

晶状体和睫状肌

人眼跟相机有点类似,相机的成像原理是反射在物体上的光通过透镜投射到后面的感光元件上。这里有一个焦距的概念,下面中间那张清楚的图片到透镜的距离就是焦距(真实比例的焦距会短很多),在焦距前后的图像就会模糊(离得越远越模糊)。

我们的眼睛也是类似的一个系统,其中那块透镜就是「晶状体」。如果它是一块固定的镜片,那么只有眼前特定距离的景物是清晰的,也就是一台定焦相机。为了方便切换近景和远景,就需要晶状体具有一定的调节能力,比如在看远处的景物时,平一点;在看近处景物时,凸一点。

要做到效果,就需要睫状肌来帮忙(图中晶状体两侧,它是睫状体的主要组成部分),想象有两只手在挤压晶状体,它就变得更圆了,就能看清楚近处的事物。但如果一直这么挤压着(比如一直盯着手机),它就可能变得麻木,想让它松开时反而不松了,结果就是看远处景物时会出现模糊,也就是近视。对于假性近视来说,睫状肌还有可能恢复,而真近视就只能戴一个凹透镜或做手术了(手术的原理是把晶状体切薄)。远视正好相反,想让这两只手挤压的时候反而不工作了。

视网膜

视网膜就是相机里的感光元件,它需要把光信号解析成电信号,然后再把这个信号通过视神经传给后面的神经系统,因此就会有两个部分:光感受器细胞层和神经节细胞层(好比电线)。正常来说,光线直接打到光感受器细胞,然后再通过神经节细胞往后传,但是,这里貌似出了个 Bug,人眼的这两层装反了···

电线放在了上层,于是光要到达光感细胞层,还需要穿过这一层电线,同时区域 4 变成了盲点,因为这里没有光感细胞。正常来说,右图的设计会更合理,也确实有生物的视网膜是这样的。

那如何来修复这个八阿哥呢?不知道是谁想出了个办法,找个地方把电线扒开,这样就能让光直接照到下面的光感细胞,这就是「中央凹」。

上图那块凹下去的区域就是中央凹,在这里下层的光感细胞可以充分地沐浴在光线下,因此成像也最清晰。注意到,个凹下面有很多的视锥细胞,周围有很多的视杆细胞,它们又是做啥用的?

这两类细胞分别具有不同的超能力,视锥细胞负责捕捉颜色,视杆细胞对光线更敏感(弱光环境下主要靠它了)。我们有三种视锥细胞,蓝锥、绿锥和红椎,分别对蓝光、绿光和红光最敏感(严格说来是让特定波长的电磁波可以对应到特定的颜色,所以世界本无颜色,只有不同频段的电磁波,人眼将其中的一部分「翻译」成了颜色)。

所以,这三种光的不同比例就能勾兑出不同的颜色,包括白色(试了下,将叠加模式设为「屏幕」,就能得到白色)。缺乏红椎或绿椎细胞就会出现红-绿色盲,比如缺乏绿椎细胞的对绿色的敏感度比较低,对正常人而言是正常的红色和绿色,在他们看来很容易混淆。

狗也缺少接受红色的视锥细胞,因此它们能看到的颜色不如我们多,也有一些大神,如皮皮虾,它们有 16 种视锥细胞,甚至能够看到紫外线和红外线,所以,在皮皮虾看来,这个世界一定是极其绚烂的。

再来说说视杆细胞,它不具有颜色辨识能力,但它对光的敏感性比视锥细胞高了 1000 倍,在夜间或暗环境下,通常只有视杆细胞在起作用(光线好时,则主要靠视锥细胞),这也是为什么暗环境下很难分辨颜色。虽然猫和狗的视锥细胞不如我们,但视杆细胞却比我们多,因此黑暗中,它们的视力要优于我们。

光感受器获取了这些信息之后,还需要进一步的加工,将信息的不同要素抽取出来,然后才会给到神经节细胞(也就是上面说的电线)。就像我们要描述一个物体时,会说它的颜色是什么,形状是怎样的,是不是在动等等,在传递给视神经之前,视网膜也需要对这些信息进行整理。

对世界的解释 — 中枢神经系统

是的,是解释。比如下面这张图,怎么看都会觉得左边的更长一点,右边的更宽一点,因为这是大脑的计算结果(虽然跟事实不符···)。

我们对周围世界的视觉感知主要依赖从视网膜所提取的信息,以及中枢神经系统对这些信息的解释。外部的光线投射到视网膜上时是平面的,为什么看起来世界是立体的呢?这跟眼睛的分布有关,我们的眼睛在脸的左右,两边的视网膜产生的图像会有细微的差异,中枢神经系统会根据这些差异计算出事物与我们的距离并构建出一个三维世界(也可以用两张有细微差异的图片来「欺骗」大脑,从而看到三维的效果)。所以我们获得到的视觉信息是二维的,但在大脑的运算下又多了一维。

对于那些眼睛分布在两侧的小动物们(比如兔子),它们看到的世界又是怎样的呢?兔子可以看到几乎 360 度的位置(两边各为 180 度还多),这样的话,中间的交叉区域就比较小了,因此只在鼻子前 30° 左右的上方范围可以产生立体感,其他部位与下方都仅有光影,没什么深度感(另外跟狗狗一样,兔子的视锥细胞中也缺少红椎细胞,所以看到的色彩也较少)。

小结

「看见」这个过程还是挺复杂的,在我看来最有意思的,还是其中的「翻译」和「解释」,将特定频率的电磁波翻译成特定颜色,大脑将两张平面的图形解释为立体图形,而且极其高效和准确。所以当世界变得不如意时,不妨调整下看待世界的方式,或许就能和解了。


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