双眼视觉整合

双眼视觉整合（英文：Binocular visual integration）是指视觉系统将来自左眼和右眼的、在空间上略有差异的两幅二维图像，融合为一幅具有深度感（立体视觉）和更丰富细节的单一、稳定三维知觉的神经过程。它是人类和许多具有前向双眼的动物实现高级视觉功能的基础。

核心概念与功能优势

双眼视觉不仅提供视野冗余（在一只眼受损时仍有视觉），更重要的是通过整合双眼信息获得独特的感知品质：

1. 立体视觉：核心功能。利用双眼视差（见下文）感知物体的绝对深度和相对深度，形成精确的三维空间结构。

2. 双眼叠加：整合双眼输入可略微提高对比敏感度和视觉灵敏度（约比单眼提高√2倍）。

3. 扩大视野：双眼视野在水平方向有部分重叠（双眼视野），也有不重叠的单眼视野区，共同构成更广的总视野。

4. 消除盲点：一只眼的盲点可被另一只眼的视野填补。

生理基础：从视网膜到皮层

1. 输入信号的产生：双眼视差

• 定义：由于双眼在水平方向上分开约6-7厘米，观察同一物体时，其在左右眼视网膜上的成像位置存在微小差异，这种差异称为双眼视差。

• 类型：

  • 交叉视差：物体比注视点更近时，其在双眼视网膜上的像位于中心凹的颞侧。

  • 非交叉视差：物体比注视点更远时，像位于鼻侧。

  • 零视差：物体恰好在注视平面上。

• 作用：视差是立体视觉的首要线索，大脑通过计算视差大小来解码深度。

2. 神经通路与初步整合

• 视交叉：来自双眼鼻侧视网膜的纤维交叉至对侧，而颞侧纤维不交叉。这保证了来自视野左半侧的信息（右眼鼻侧+左眼颞侧）都传递至右侧大脑半球的视皮层，反之亦然，为双眼信息在皮层的整合奠定了基础。

• 外侧膝状体：在LGN中，来自双眼的输入仍基本分离，但已有少量交互作用。

3. 皮层整合：初级视皮层是关键节点

双眼信息整合首次主要发生在初级视皮层。

• 眼优势柱：V1皮层被组织成交替的、宽约0.5毫米的条带，分别主要接收来自左眼或右眼的输入。这是双眼整合的结构基础。

• 双眼神经元：大多数V1神经元是双眼的，即它们能同时被左右眼刺激所激活。每个神经元对其左右眼的“经典感受野”在视野中的位置是大致对应的，但可能存在细微的位置差异（即感受野视差），这使其成为视差调谐的神经基础。

  • 视差选择性：这些神经元对特定的视差（即特定的深度平面）反应最强，构成了一套编码深度信息的“调谐曲线”阵列。

• 双眼融合与抑制：当双眼图像完全匹配（零视差）时，神经元的反应通常强于单眼反应之和（双眼叠加）。当存在冲突或不匹配时，则可能发生双眼抑制（反应弱于优势眼单眼反应），或在极端不匹配时引发双眼竞争。

4. 高级处理：立体视觉的精细解析

V1初步提取的视差信息被进一步传递到高级视觉区进行精细处理：

• V2区：包含更多对复杂视差（如相对视差、倾斜表面）敏感的神经元。

• MT/V5区（中颞区）：对运动视差（由自身运动产生的深度线索）特别重要。

• 颞下皮层等：参与将深度信息整合到物体识别中。

双眼整合的感知现象

1. 双眼融合：将两个略有不同的图像融合成一个单一、稳定的知觉。融合能力有限，超过一定限度（潘农融合区）会导致复视。

2. 立体视锐度：人眼能分辨的最小深度差（约几弧秒的视差），是衡量立体视觉灵敏度的指标。

3. 随机点立体图：经典实验范式，证明立体视觉可以仅凭视差线索从完全无单眼深度线索的噪声图中提取出深度图形。

发育与临床

1. 发育关键期：双眼整合能力在出生后发育，依赖早期正常的双眼视觉经验。在关键期内，异常的双眼输入（如斜视、屈光参差、单眼剥夺）会严重破坏双眼神经元的形成和眼优势柱的平衡，导致：

   • 弱视：单眼或双眼最佳矫正视力下降，与双眼竞争失败相关。

   • 立体视丧失：无法形成立体视觉。

2. 成人可塑性：虽然关键期后可塑性降低，但通过双眼视训练（如使用红蓝/偏振眼镜的视频游戏）仍有可能在一定程度上改善部分成年弱视患者的双眼功能和立体视。

3. 临床检查：常用同视机、立体视图、随机点立体图等工具评估双眼视觉功能和立体视锐度。

计算模型

立体视觉的计算是一个经典的“对应问题”：视觉系统需要确定左眼图像中的哪个特征点对应于右眼图像中的哪个特征点。大脑通过结合空间频率、颜色、纹理等信息，并利用连续性、唯一性等约束来解决这一模糊问题，其机制启发了计算机视觉中的立体匹配算法。

参考文献

1. Barlow, H. B., Blakemore, C., & Pettigrew, J. D. (1967). The neural mechanism of binocular depth discrimination. The Journal of Physiology, 193(2), 327–342. （首次在猫V1中发现视差选择性神经元的经典论文）

2. Poggio, G. F., & Fischer, B. (1977). Binocular interaction and depth sensitivity in striate and prestriate cortex of behaving rhesus monkey. Journal of Neurophysiology, 40(6), 1392–1405. （在灵长类V1和V2中系统研究双眼视差调谐）

3. Julesz, B. (1971). Foundations of Cyclopean Perception. University of Chicago Press. （创立随机点立体图范式，证明立体视觉可以独立于单眼形状识别）

4. Hess, R. F., Thompson, B., & Baker, D. H. (2014). Binocular vision in amblyopia: structure, suppression and plasticity. Ophthalmic and Physiological Optics, 34(2), 146–162. （综述弱视中的双眼视觉异常及其可塑性）

5. Read, J. C. (2015). Stereo vision and strabismus. Eye, 29(2), 214–224. （讨论斜视与立体视觉的关系及临床处理）

6. Cumming, B. G., & DeAngelis, G. C. (2001). The physiology of stereopsis. Annual Review of Neuroscience, 24, 203–238. （全面综述立体视觉的生理机制）