3.2 视觉机能及其特征

3.2.1 眼睛的构造

人的眼睛近似球形，位于眼眶内，结构如图3.6所示。正常成年人其前后径平均为24mm，垂直径平均为23mm。最前端突出于眼眶外12～14mm，受眼睑保护。眼球包括眼球壁、眼内腔和内容物、神经、血管等组织。

眼球壁主要分为外、中、内三层。外层由角膜、巩膜组成；中层又称葡萄膜、色素膜，具有丰富的色素和血管，包括虹膜、睫状体和脉络膜三部分；内层为视网膜，是一层透明的膜，也是视觉形成的神经信息传递的第一站，具有很精细的网络结构及丰富的代谢和生理功能。

视网膜是视觉接收器的所在，本身也是一个复杂的神经中心。眼睛的感觉为网膜中的视杆细胞和视锥细胞所致。视杆细胞能够感受弱光的刺激，但不能分辨颜色，视锥细胞在强光下反应灵敏，具有辨别颜色的本领。在中央凹处之内，只有视锥细胞，很少或没有视杆细胞。在网膜边缘，靠近眼球前方各处，有许多视杆细胞，而视锥细胞很少。某些动物（如鸡）因视杆细胞较少，所以在微光下视觉很差，成为夜盲。也有些动物（如猫和猫头鹰）因视杆细胞很多，所以能在夜间活动。

眼内腔包括前房、后房和玻璃体腔。眼内容物包括房水、晶状体和玻璃体，三者均透明，与角膜一起共称为屈光介质。

另外眼睛还包括视神经、视路及眼附属器。眼附属器包括眼睑、结膜、泪腺、眼外肌和眼眶。

3.2.2 视觉系统

视觉是由眼睛、视神经和视觉中枢的共同活动完成的。人的视觉系统如图3.7所示。视觉系统主要是一对眼睛，其各由一支视神经与大脑视神经表层相连。连接两眼的两支视神经在大脑底部视觉交叉处相遇，在交叉处视神经部分交迭，然后再终止到大脑视神经表层上。这样，可使两眼左边的视神经纤维终止到大脑左边的视神经皮层上；而两眼右边的视神经纤维终止到大脑右视神经皮层上。由于大脑两半球处理各种不同信息的功能并不都相同，就视觉系统的信息而言，在分析文字上左半球较强，而对于数字的分辨上右半球较强，而且视觉信息的性质不同，在大脑左右半球上产生的效应也不同，因此，当信息发生在极短时间内或者要求作出非常迅速的反应时，上述视神经的交叉就起了很重要的互补作用。

3.2.3 视觉机能

1．视角与视力

视角是确定被看物尺寸范围的两端点光线射入眼球的相交角度，如图3.8所示。视角的大小与观察距离及被看物体上两端点的直线距离有关，可用下式表示：

式中：α——视角，单位（°）; D——被看物体上两端点的直线距离；

L——眼睛到被看物体的距离。

眼睛能分辨被看物体最近两点的视角，称为临界视角。

视力是眼睛分辨物体细微结构能力的一个生理尺度，以临界视角的倒数来表示，即

视力=1/能够分辨的最小物体的视角

检查人眼视力的标准规定，当临界视角为1′时，视力等于1.0，此时视力为正常。当视力下降时，临界视角必然要大于1′，于是视力用相应的小于1.0的数值表示。视力的大小还随年龄、观察对象的亮度、背景的亮度以及两者之间亮度对比度等条件的变化而变化。

2．视野与视距

视野是指人眼能观察到的范围，一般以角度表示。视野按眼球的工作状态可分为：静视野、注视野和动视野。

（1）静视野：在头部固定、眼球静止不动的状态下自然可见的范围，如图3.8所示。

（2）注视野：在头部固定，而转动眼球注视某一中心点时所见的范围。

（3）动视野：头部固定而自由转动眼球时的可见范围。

在人的三种视野中，注视野范围最小，动视野范围最大。

在水平面内的视野是：双眼视区大约在左右60°以内的区域，在这个区域里还包括字、字母和颜色的辨别范围，辨别字的视线角度为10°～20°，辨别字母的视线角度为5°～30°；在各自的视线范围以外，字和字母趋于消失。对于特定的颜色的辨别，视线角度为30°～60°，人的最敏锐的视力是在标准视线每侧1°的范围内；单眼视野界限为标准视线每侧94°～104°，如图3.9（a）所示。

在垂直平面的视野是：假定标准视线是水平的，定为0°，则最大视区为视平线以上50°和视平线以下70°。颜色辨别界限为视平线以上30°，视平线以下40°。实际上人的自然视线是低于标准视线的，在一般状态下，站立时自然视线低于水平线10°，坐着时低于水平线1 5°；在很松弛的状态中，站着和坐着的自然视线偏离标准线分别为30°和38°。观看展示物的最佳视区在低于标准视线30°的区域里，如图3.9（b）所示。

视距是指人在控制系统中正常的观察距离。观察各种显示仪表时，若视距过远或过近，对认读速度和准确性都不利，一般应根据观察物体的大小和形状在380～760mm之间选择最佳视距。视距过远或过近都会影响认读的速度和准确性，而且观察距离与工作的精确程度密切相关，因而应根据具体任务的要求来选择最佳的视距。推荐采用的几种工作任务的视距见表3-2。

3．中央视觉和周围视觉

在视网膜上分布着视锥细胞多的中央部位，其感色力强，同时能清晰地分辨物体，这个部位的视觉称为中央视觉。视网膜上视杆细胞多的边缘部位感受色彩的能力较差或不能感受，故分辨物体的能力差。但由于这部分的视野范围广，故能用于观察空间范围和正在运动的物体，称其为周围视觉。

在一般情况下，既要求操作者的中央视觉良好，同时也要求其周围视觉正常。而对视野各方面都缩小到10°以内者称为工业盲。两眼中心视力正常而有工业盲视野缺陷者，不宜从事驾驶飞机、车、船、工程机械等要求具有较大视野范围的工作。

4．双眼视觉和立体视觉

当用单眼视物时，只能看到物体的平面，即只能看到物体的高度和宽度。若用双眼视物时，具有分辨物体深浅、远近等相对位置的能力，形成所谓立体视觉。立体视觉产生的原因，主要因为同一物体在两视网膜上所形成的像并不完全相同，右眼看到物体的右侧面较多，左眼看到物体的左侧面较多，其位置虽略有不同，但又在对称点的附近。最后，经过中枢神经系统的综合，从而得到一个完整的立体视觉。

立体视觉的效果并不全靠双眼视觉，如物体表面的光线反射情况和阴影等，都会加强立体视觉的效果。此外，生活经验在产生立体视觉效果上也起一定作用。如近物色调鲜明，远物色调变淡，极远物似乎是蓝灰色。工业设计与工艺美术中的许多平面造型设计颇有立体感，就是运用这种生活经验的结果。

5．色觉与色视野

视网膜除能辨别光的明暗外，还有很强的辨色能力，可以分辨出180多种颜色。人眼的视网膜可以辨别波长不同的光波，在波长为380～780 nm的可见光谱中，光波波长只相差3 nm，人眼即可分辨，但主要是红、橙、黄、绿、青、蓝、紫七色。各种颜色对眼睛的刺激不一样，因此视野也不同，一般情况下，白色视野最大，其次是黄和蓝，再次为红色，而绿色的视野最小。

缺乏辨别某种颜色的能力，称为色盲；若辨别某种颜色的能力较弱，则称色弱。有色盲或色弱的人，不能正确地辨别各种颜色的信号，不宜从事飞行员、车辆驾驶员以及各种辨色能力要求高的工作。

6．暗适应和明适应

当光的亮度不同时，视觉器官的感受性也不同，亮度有较大变化时，感受性也随之变化。视觉器官的感受性对光刺激变化的相顺应性称为适应。人眼的适应性分为暗适应和明适应两种。

暗适应是人眼对光的敏感度在暗光处逐渐提高的过程。在进入暗室后的不同时间，连续测定人的视觉阈值，亦即测定人眼刚能感知的光刺激强度，可以看到此阈值逐渐变小亦即视觉的敏感度在暗处逐渐提高的过程。一般是在进入暗室后的最初约7min内，有一个阈值的明显下降期，以后又出现阈值的明显下降；在进入暗室后的大约25～30min时，阈值下降到最低点，并稳定于这一状态。暗适应的产生机制与视网膜中感光色素在暗处时再合成增加，因而增加了视网膜中处于未分解状态的色素的量有关。据分析，暗适应的第一阶段主要与视锥细胞色素的合成量增加相一致；第二阶段亦即暗适应的主要构成部分，则与视杆细胞中视紫红素的合成增强有关。

人从亮处进入暗室时，最初看不清楚任何东西，经过一定时间，视觉敏感度才逐渐增加，恢复了在暗处的视力，这称为暗适应。相反，从暗处刚来到亮光处，最初感到一片耀眼的光亮，不能看清物体，只有稍待片刻才能恢复视觉，这称为明适应。

暗适应和明适应曲线如图3.10所示。

人眼虽具有适应性的特点，但当视野内明暗急剧变化时，眼睛却不能很好适应，从而会引起视力下降。另外，如果眼睛需要频繁地适应各种不同亮度，不但容易产生视觉疲劳，影响工作效率，而且也容易引起事故。为了满足人眼适应性的特点，要求工作面的光亮度均匀而且不产生阴影；对于必须频繁改变亮度的工作场所，可采用缓和照明或戴一段时间有色眼镜，以避免眼睛频繁地适应亮度变化而引起视力下降和视觉过早疲劳。

3.2.4 视觉特征

（1）眼睛沿水平方向运动比沿垂直方向运动快而且不易疲劳；一般先看到水平方向的物体，后看到垂直方向的物体。因此，很多仪表外形都设计成横向长方形。

（2）视线的变化习惯于从左到右、从上到下和顺时针方向运动。看圆形仪表时，沿顺时针方向比逆时针方向看得迅速。所以，仪表的刻度方向设计应遵循这一规律。

（3）人眼对水平方向尺寸和比例的估计比对垂直方向尺寸和比例的估计要准确、迅速且不易疲劳，因而水平式仪表的误读率（28%）比垂直式仪表的误读率（35%）低。

（4）当眼睛偏离视中心时，在偏离距离相等的情况下，观察率优先的顺序是左上、右上、左下、右下。视区内的仪表布置必须考虑这一特点。

（5）两眼的运动总是协调的、同步的，在正常情况下不可能一只眼睛转动而另一只眼睛不动；在一般操作中，不可能一只眼睛视物，而另一只眼睛不视物。因而通常都以双眼视野为设计依据。

（6）人眼对直线轮廓比对曲线轮廓更易于接受。

（7）在视线突然转移的过程中，约有3%的视觉能看清目标，其余97%的视觉都是不真实的，所以在工作时，不应有突然转移的要求，否则会降低视觉的准确性。如需要人的视线突然转动，也应要求慢一些，才能引起视觉注意。为此，应给出一定标志，如利用箭头或颜色预先引起人的注意，以便把视线转移放慢。或者采用有节奏的结构。

（8）颜色对比与人眼辨色能力有一定关系。当人从远处辨认前方的多种不同颜色时，其易辨认的顺序是红、绿、黄、白，即红色最先被看到。所以，停车、危险等信号标志都采用红色。当两种颜色相配在一起时，则易辨认的顺序是：黄底黑字，黑底白字、蓝底白字、白底黑字等。因而公路两旁的交通标志常用黄底黑字（或黑色图形）。

（9）对于运动目标，只有当角速度大于1～2°/s，且双眼的焦点同时集中在同一个目标上时，才能鉴别其运动状态。

（10）人眼看一个目标要得到视觉印象，最短的注视时间为0.07～0.3s，这里与照明的亮度有关。人眼视觉的暂停时间平均需要0.17s。

【阅读材料3-2】 隧道灯的布置

我坐在副驾驶位，打开CD，静静地躺在柔软的座椅上，汽车飞驰在新区的路上，很是舒服。车子减慢了速度开始进入一条隧道，里面的灯光很亮，不断地向车后飞去，我仔细观察着周围的一切。原来隧道的灯在入口处分布较密集，待往里却逐渐稀疏起来，等快出去的时候又开始密集起来（整个隧道前1/4和后1/4部分灯的间隔是1m，而中间部分的间隔为3m）。这让我联想起那天晚上停电的事情，当一个光线较强的环境突然变暗，你的眼睛就会什么都看不见，等慢慢适应了周围的光线后，就又能看到周围的东西了。这就是人因工程很好的应用案例，而且在隧道灯的应用上达到了一箭双雕的作用，既考虑到驾驶人员的视觉随外界变化做出适应，也使成本得到节约，人因工程真是无处不在啊！