《视觉系统结构与功能》课件.ppt

视觉系统结构与功能欢迎参加《视觉系统结构与功能》课程学习。本课程将深入探讨生物视觉系统和机器视觉系统的基本原理、结构组成及其工作机制。我们将从多个维度对比这两种视觉系统，分析它们的相似性和差异性。

课程概述课程目标掌握生物视觉系统和机器视觉系统的基本原理和结构组成，理解视觉信息处理的机制和流程，培养跨学科思维能力和创新意识。学习内容课程分为五大部分：生物视觉系统、机器视觉系统、视觉系统的比较与融合、视觉系统的前沿技术、视觉系统的挑战与未来。考核方式

第一部分：生物视觉系统感光与成像生物视觉系统首先通过眼球结构接收外界光线刺激，在视网膜上形成倒立的实像，完成第一步的光信息采集过程。信号转换视网膜上的感光细胞将光信号转换为电信号，经过初步处理后通过视神经传递至大脑，实现光电信号的转换。信息处理大脑皮层的视觉中枢对接收到的信号进行复杂处理，包括边缘检测、特征提取、模式识别等，最终形成我们所感知的视觉世界。

人类视觉系统概述视觉在人类感知中的重要性视觉是人类获取外界信息最主要的感知通道，约80%的外界信息通过视觉系统获取。视觉系统的高效运作使我们能够识别物体、感知空间、判断距离、欣赏色彩和捕捉运动。视觉系统的基本结构人类视觉系统主要由眼球、视神经和大脑视觉皮层组成。眼球负责接收光线并转换为神经信号；视神经传递这些信号；大脑视觉皮层则对信号进行复杂处理，形成我们所感知的视觉世界。

眼球结构角膜、虹膜和瞳孔角膜是透明的外层组织，负责光线的初步聚焦；虹膜控制进入眼睛的光量；瞳孔是虹膜中央的开口，可根据光线强度调整大小晶状体和玻璃体晶状体是可调节焦距的透明结构，负责精细对焦；玻璃体是填充眼球后腔的透明胶状物质，维持眼球形状视网膜视网膜是眼球内壁的感光层，包含感光细胞和神经细胞，将光信号转换为电信号并进行初步处理

视网膜的细胞组成神经节细胞视网膜最内层细胞，轴突形成视神经双极细胞中间传导细胞，连接感光细胞和神经节细胞光感受器：视锥细胞和视杆细胞直接接收光信号并转换为电信号的感光细胞视网膜是眼球内壁的一层复杂神经组织，厚度约0.2毫米，由多层细胞构成。光线穿过眼球前部组织后，首先到达视网膜最外层的感光细胞，然后信号经由双极细胞传递至神经节细胞，最终通过视神经传送至大脑。此外，视网膜还含有水平细胞和无长突细胞，它们参与局部信息处理，增强对比度和边缘检测能力。

视锥细胞和视杆细胞的特性光谱敏感性视锥细胞分为三种类型，分别对红、绿、蓝三种波长的光最为敏感，是色彩视觉的基础。而视杆细胞只有一种类型，对光强度敏感但不能区分颜色，主要负责暗视觉。分布密度视锥细胞主要集中在视网膜中央的黄斑区，尤其是中心凹部位，密度高达每平方毫米约15万个；视杆细胞则主要分布在周边区域，总数约1.2亿个，是视锥细胞(约600万个)的20倍。功能差异视锥细胞负责明亮条件下的视觉（明视觉）和色彩感知，提供高空间分辨率的视觉信息；视杆细胞则负责弱光条件下的视觉（暗视觉），具有极高的光敏感性但空间分辨率较低。

视觉信息处理的初级阶段光子捕获感光细胞中的视蛋白吸收光子能量生化级联反应引发一系列分子变化和离子通道调节电信号产生细胞膜电位变化形成神经电信号当光线进入眼睛后，会激活视网膜中的光感受器细胞。这些细胞内含有视紫红质等光敏色素，当吸收光子时发生结构变化，触发细胞内信号转导通路。在明亮环境下，感光细胞处于超极化状态，光刺激会导致钠离子通道关闭，细胞膜电位变化。这种变化通过突触传递给双极细胞和其他神经元，开始了视觉信号的编码过程。

视神经和视觉通路视神经的结构视神经由视网膜神经节细胞的轴突束组成，每只眼睛的视神经约含100万根神经纤维，负责将视网膜的神经信号传递至大脑。视交叉两眼的视神经在视交叉处部分交叉，来自每只眼睛的鼻侧视网膜的纤维交叉至对侧，而颞侧视网膜的纤维保持在同侧，确保大脑两侧接收完整的视野信息。外侧膝状体视神经纤维的主要目标是丘脑的外侧膝状体，这里的神经元对视觉信号进行处理和中继，然后通过视辐射将信息传递至大脑枕叶的视觉皮层。

大脑视觉皮层初级视觉皮层（V1）位于枕叶，是视觉信息进入大脑皮层的第一站，主要处理方向、空间频率和双眼视差等基本特征，包含方向选择性柱和眼优势柱等功能结构。V2区域处理更复杂的视觉特征，如虚拟轮廓和图形分割，并将信息传递到更高级的视觉区域。V4区域主要参与色彩处理和形状识别，对中等复杂度的形状特征有选择性反应。V5/MT区域专门处理运动信息，对移动物体的速度和方向高度敏感，是运动视觉的关键区域。

视觉信息处理的并行通路形态通路（What通路）又称腹侧通路，从V1经V2、V4至颞下皮层，主要负责物体识别和形状分析。这一通路对物体的形状、颜色和纹理等特征敏感，帮助我们辨认看到的是什么。腹侧通路的损伤可能导致视觉形态失认症，患者无法识别熟悉的物体或面孔，尽