為什麼當我或跑或跳的時候,我眼中景象並不會像電影鏡頭那樣晃動?

看電影的時候,鏡頭一旦晃動就覺得頭暈,但自己走路、跑步的時候,並不會覺得眼中的景象有任何晃動感,也並不會感到不適,這是為什麼?

本題來自知乎圓桌 ? 認知解碼,更多認知科學相關的話題歡迎關注討論。


這個問題很有趣,我們可以把它拆解為以下三個小問題:
(1)為什麼有時看到「晃動」的鏡頭會暈?
(2)為什麼走路、跑步時不會覺得眼前的景象有晃動感?
(3)為什麼在(2)的情況下不會感到不適?

下面分別說一下:
(1)這種暈眩和暈車應該是share同一種機制的,它們都是運動病(motion sickness)的典型例子。目前廣為接受的理論認為這種暈眩是一種防禦機制,總的來說就是,當視覺系統檢測到的視覺信號與前庭系統檢測到的運動信號不一致時,大腦可能將這種不一致解釋為幻覺,從而認為是攝入了毒素,並進而誘發暈眩、嘔吐來保護機體。
先拿暈車來說,當人們處在車廂內(尤其是視野相對封閉的部位,比如后座)時,人看到的物體都是靜止的,所以視覺系統接收到的是靜止物體的信號。但是內耳負責前庭覺的部位(如半規管等)檢測到的確實人類運動的信號(在車上會有速度與方向的變化)。於是這兩個系統給大腦提供的信息則是矛盾的(一個說你在靜止,另一個說你在運動),此時大腦就有可能得出「產生了幻覺」的結論。而在人類漫長的演化歷史中,產生幻覺的一大主因便是毒素的攝入,於是大腦也就迅速做出反應、誘發嘔吐以清除毒素,這便有了暈眩的感覺。所以當我們坐在視野開闊的部位(比如前座)或是車開得穩的時候就不容易暈,因為前者可以檢測到周圍物體的運動,而後者則是前庭覺檢測到的運動信號更少。
同樣的,當看到這些「晃動」鏡頭的時候,人類視覺系統接收到的信號是「運動的",但前庭覺卻告訴大腦你是靜止的(畢竟好好坐在座位上),於是也就產生了這種不一致。除了晃動鏡頭,一些3D電影也會讓人產生暈眩的感覺,道理相同。

(2)走路、跑步的時候雖然周圍物體沒有動,但是我們的眼睛動了,於是物體在視網膜上的成像位置也會有變化。那麼為什麼我們不會覺得是物體動了呢?這時需要引入The corollary discharge theory(抱歉我不知道應該怎麼翻譯):一種信號稱為CDS(corollary discharge signal),它負責告訴大腦眼睛有沒有動;另一種信號稱為IMS(image motion signal),它告訴大腦物體在視網膜上的成像有沒有變動。
下圖(a)中,CDS被發送給大腦,告訴它眼睛動了,但並沒有IMS,也就是說視網膜上的像沒有動。那大腦就想了,眼睛動了成像卻沒動,那肯定是物體也在運動(實際情景:一個人從你面前走過,你追著ta看);(b)中沒有CDS,但是有IMS,也就是說眼睛沒動成像卻動了,那麼肯定是物體在運動(實際情景:一個人從你面前走過,你不追著ta看);(c)中既有CDS也有IMS,即眼睛動了物體成像也動了,那麼(此時有個前提是兩者運動幅度、方向等參數相一致)大腦就知道了,物體沒動,只是眼睛在動(實際情景:一個人在你面前站著,你卻不停地跳來跳去)。
上面說的(c)情況也即題主提到的自己在走路、跑步時周圍的物體沒有晃動感。

(3)接著(2)說一下為什麼自己在運動時不會有暈眩等不適感。在(1)中說過,暈眩的產生是因為視覺信號與前庭覺信號不一致,那麼此時沒有這種不適,也就是說視覺信號與前庭覺信號一致咯。在自己運動的時候,前庭覺肯定是能夠檢測自身運動的,而視覺系統也能(幫助)」推測「出自身的運動。說視覺系統是(幫助)」推測「出自身運動,是因為它能夠檢測到的僅僅是視網膜上成像的運動,而由於CDS的作用,大腦就得知了真實原因是自己在動。於是,前庭覺與視覺系統一致,則不暈。


竟然是我的博士論文,都放著我來!這問題很大,先佔坑,慢慢寫。
-------------------------------------------------------------
20151119

引言:先解讀一下問題。

題目問的是為什麼跑或跳的時候景象不會像電影鏡頭那樣晃動。翻譯一下就是:身體動和外界動都會導致視網膜圖像移動,為什麼自己身體運動導致的視覺圖像移動,自己從來不覺得晃,而電影鏡頭晃導致的視覺圖像運動,就真的覺得晃?

二者的根本區別在於:視網膜上圖像的移動,是因為自體運動造成的,還是因為外界環境的主動運動造成的。

人可以做到的最激烈的自體運動發生在眼球上,有一種眼動模式叫做快速掃視,也叫跳視,就是從一個注視點快速轉移到另一個注視點的運動,這種眼球運動的角速度非常大。因此我們可以將這個問題聚焦到眼睛的運動上。也就是說,眼球轉動導致的視網膜圖像運動,和外界真實景象的運動導致的視網膜圖像運動,二者造成的主觀感受有何不同?我想每個人都有坐火車速度快到看不清景物的經歷,但是沒有誰因為自己眼睛轉動太快而看不清吧?

上個圖(圖一,左是真實掃視,右是模擬掃視)你們感受一下先,引自Thiele, Henning et al. 2002

下面是我畢業論文引言的一小段,幫助進一步理解題目:
「人對外部世界的觀察是主要是通過眼睛注視點的不斷移動來實現的,注視點
的移動表現為眼球的高速轉動,這種高速轉動被稱為「快速掃視」 (Saccade)。通
過快速掃視的方式將注視點從視野的當前位置轉移到所關注的目標處,從而使目
標成像在視網膜中央凹負責精細辨識的錐體感光細胞範圍內。在日常生活中我們
以平均每秒三次的頻率進行快速掃視,因此眼球總是處在「掃視,注視,再掃視,
再注視」不斷切換的過程中。人眼快速掃視的峰值速度可達 500-700 度/秒(眼
球轉動角速度),這樣的快速掃視會造成視網膜圖像高速大範圍的移動。攝像機
鏡頭的快速移動會造成圖像模糊和晃動,但人的快速掃視卻不會產生天旋地轉的
感覺。恰恰相反,我們能夠知覺到一個穩定的,連續的環境,這就是視覺系統的
神奇之處。」

由此,題目里問的現象,對應的學術問題是:眼動中的知覺穩定是如何實現的

------------------------------------------------------------

2016/03/05

一般來說,快速掃視過程中,保持視知覺的穩定需要兩個操作:第一,
快速眼動前後的場景連接;第二,快速掃視過程中,視網膜圖像的快速移動會產
生模糊和運動的視知覺,對這些影響視覺穩定的信息的抑制,被稱為「掃視抑制」
(Saccadic Suppression
)。在實際的視知覺體驗中,這二者是協同作用的。

一,先談談掃視抑制的被動實現機制:視覺掩蔽。

人眼常常被類比為攝像機,雖然二者的工作細節有很大差異,但有一個相同
之處在於,不管是視網膜的光感受器(視錐或者視桿感光細胞)還是攝像機的感光元件,都需要一段時間來
整合所接受的圖像信息。當圖像靜止時,圖像的每個細節落在很小範圍內的感光
單元上,經過短暫的整合即可達到較高信噪比,形成穩定的圖像知覺;但是當圖
像快速運動時,圖像的同一處細節落在了相對較大範圍的感光單元上,從而使得圖像的不同細節在同一個感光單元上發生了疊加,再加上單個感光單元對同一細
節的整合時間過短,於是產生了運動模糊( Motion Smear)的知覺效果,如下圖(圖二,照相機經過 125 毫秒的時間整合得到的圖像,Burr 1980)。

從光學角度來講,圖一中,真實掃視(掃視本身造成的視網膜圖像的高速移動)與模擬掃視(注視條件下外界環境的等價整體運動)中視網膜圖像的移動是沒有本質差異的,但為什麼眼球快速掃視過程中從未看到模糊的圖像?這要先說到一種視覺現象,叫視覺掩蔽

視覺掩蔽包括前向掩蔽和後向掩蔽。不嚴謹的說,前向掩蔽指先看到的視覺刺激影響了你觀察緊隨之後出現的刺激,後向掩蔽指後看到的視覺刺激影響了你對之前出現的刺激的知覺效果。那麼,什麼時候發生前向掩蔽,什麼時候發生後向掩蔽?一句話,強刺激掩蔽弱刺激。此處的強弱,是指對視網膜感光細胞的激活強度。因此,在刺激持續時長相同的條件下,圖像對比度高、亮度高、包含新異特徵(noval feature,如顏色,輪廓),會較強激活感光細胞;反之,則較弱。

在眼球快速掃視時及其前後,可以粗略認為有三幅圖像順序呈現:眼球開始轉動前,一副相對長時呈現的清晰的圖片;眼球轉動時,一副短時呈現的模糊的圖片(前面提到的運動模糊造成的,呈現時間在100ms以內,即通常快速掃視持續時間);眼球轉動到新位置後,相對長時呈現的新位置的清晰的圖片。

我們已經知道,相對來說,清晰的圖片(對比度高,輪廓、細節凸顯)對感光細胞的激活較強,是強刺激,而模糊的圖片則相反。於是眼球轉動過程中的模糊圖片被轉動前後的清晰圖片掩蔽了,在主觀體驗上表現為,你幾乎不會察覺視網膜圖像高速運動。

視覺掩蔽是掃視抑制實現的一部分。此時你可能注意到了,模擬掃視在適當的視覺刺激呈現條件下,也會有跟真實掃視一樣的三幅圖啊,為什麼模擬掃視時我還是容易看到中間那副模糊的圖(外界環境的高速移動)呢?事實上,視覺掩蔽的效果好壞,很大程度上取決於刺激呈現條件是否足夠完美,此處的完美包括兩方面,強刺激足夠強,弱刺激足夠弱,即長時呈現清晰圖片vs短時呈現模糊圖片。(註:有很多工作通過精細的設計測試了真實掃視時視覺掩蔽不完美時會使得受試者知覺到掃視中呈現的視覺刺激,限於篇幅,此處不展開了)

那有人問了,如果真實掃視時三幅圖之間沒有完美掩蔽,那我不還是能看到中間的模糊嗎,可是我眼睛掃視時從來沒看到過中間的眩暈啊?這是因為掃視抑制的實現還有一種來自腦內的主動機制。

待續。。。


補充一下另外兩位答主的答案

不只是晃動的原因,在我看來"抵消晃動"只能佔2成的影響
而更大的原因在於,當你自己跑動的時候,你知道自己下一步的動作,於是提前做好了準備.

看電影的時候,我們需要先看到畫面的晃動,再去調整我們的眼睛去跟隨目標.比如,發現畫面向右晃動,經過短時間的大腦判斷,眼睛再去同步地向右跟隨目標;而畫面再向左側晃動的時候,又需要大腦去判斷,然後眼睛再去向左跟隨.於是,總有一小段時間,在大腦進行判斷的時候時候,我們的眼睛是處於"失焦"狀態的.
而在日常生活中,自己跑動的時候,我們是能夠提前預知自己的行動狀態.我們知道下一秒自己的視角會向左移動,那麼大腦就會提前讓眼睛做好向右移動視角的準備,於是,"失焦"狀態便不再存在,眼睛中的目標主題幾乎一直都是相對靜止的.

也就是說,最大的原因在於"預知".在下認為該因素可佔7成的權重.
比如,題主可以回憶一下,你感覺到"暈"的那些電影鏡頭,是否晃動是有些隨機性的?你不知道鏡頭會在0.3秒之後晃動還是0.5秒還是0.1秒.不知道下一刻鏡頭會指向哪裡,於是眼睛也不知道該看什麼
如果是這樣的話,可以想像一下,如果鏡頭是非常有規律的每1秒轉一次,每一次轉動60度,是否感覺會好很多?
類似的例子:(起碼答主是這樣)坐車的時候,遇到不平坦的路,遇到經常加速減速的路段,經常會暈車反胃.但是如果是自己開車,就肯定不會暈車,因為加減速之前自己都知道,路況自己也清楚,於是身體會提前做好準備.

但是,"抵消晃動"和"預知"也並不是全部,還有其他原因
比如,電影的解析度是遠不如眼睛的精度的,鏡頭晃動的時候,我們看到的會是不清晰的殘影,當然會暈
再如,現實畫面進入眼睛的視界中心,會從餘光先進入,再進入中心,會有一個緩衝過程.而電影畫面中的畫面會瞬間從無到有,從屏幕邊緣進入,和我們的日常識別模式不同,稍顯唐突,於是也會些許影響觀感

以上觀點來自自己對人類的識別和思維模式的理解,不確定是否有理論支持.
若有錯誤請指教


自帶光學防抖。


是因為大腦對圖像做了高頻防抖濾波 佔個坑明天展開


最近一段時間用攝像機次數比較多,我可以回答一部分。

攝像機屬於比較精密脆弱的儀器,你提著它從高處跳下來的時候,為了避免鏡頭移位,需要有個緩衝。

而眼睛不用緩衝,或者說,眼睛沒辦法進行大幅度的緩衝,所以畫面的位移不太明顯。

當然,還是有緩衝的,腿部、脊椎、包括眼部肌肉會進行緩衝,只是位移比較小。

還有就是我們的大腦可以「腦補」,一些強烈的震動發生時,眼睛接受的信號是有斷線的,但是大腦會有數據的緩衝,讓我們覺得好像沒有出問題。

當你劇烈跳動的時候,有時候出現「眼前一黑」,那可要當心了。


大抵人頭也有雞頭相似穩定作用吧


生物防抖,連雞都有


因為你的眼球自帶斯坦尼康。


通俗點,就是你的眼珠子不會隨著你蹦蹦噠噠的晃


因為你的眼球會動


因為當你看電視的時候,除了電視的畫面,周圍都是不動的,而當你跑動的時候,你看到的一切都是在動的,這樣就不會產生動和靜的對比,所以就不會暈,當然這也是我的個人理解


我也想弱弱的問一句,如果抖的話,是不是不正常?


推薦閱讀:

人類的味覺是如何判定「好吃」的?
「嗅覺指紋」是什麼?它有哪些應用價值?
聲音記憶能夠影響嗅覺嗎?
為什麼緊張會想上廁所呢?
智商高的人更容易患心理疾病嗎?

TAG:視覺 | 神經科學 |