De nombreux personnages de l'Antiquité avaient des idées sur la vision. Platon, Aristote, Euclide, Ptolémée et Galien avaient tous leurs idées, mais la plupart de ces idées étaient des spéculations. Elles n'étaient fondées sur aucune méthode scientifique.
Alhazen (965-c. 1040) a mené des recherches et des expériences sur la perception visuelle. Il prolonge les travaux de Ptolémée sur la vision binoculaire, et commente les travaux anatomiques de Galien.
On pense que Léonard de Vinci (1452-1519) est le premier à reconnaître les qualités optiques particulières de l'œil. Il a écrit : "La fonction de l'œil humain ... a été décrite par un grand nombre d'auteurs d'une certaine manière. Mais j'ai trouvé qu'elle était complètement différente". Sa principale conclusion expérimentale était qu'il n'y a qu'une vision distincte et claire à la ligne de visée, la ligne optique qui se termine à la fovéa. Bien qu'il n'ait pas utilisé ces mots littéralement, il est en fait le père de la distinction moderne entre vision fovéale et vision périphérique.
Hermann von Helmholtz a examiné l'oeil humain et a conclu qu'il était, optiquement, plutôt pauvre. La mauvaise qualité des informations recueillies par l'œil lui semblait rendre la vision impossible. Il pensait donc que la vision ne pouvait être que le résultat d'une forme d'inférence inconsciente. En plus des informations fournies par les yeux, le cerveau utilisait des informations provenant d'expériences antérieures. Le monde tel qu'il est vécu est construit à partir d'hypothèses et de conclusions tirées de données incomplètes, en utilisant l'expérience antérieure du monde.
Voici des exemples d'hypothèses bien connues, fondées sur l'expérience visuelle :
- la lumière vient d'en haut
- les objets ne sont normalement pas visibles d'en bas
- les visages sont vus (et reconnus) debout.
- les objets proches peuvent bloquer la vue des objets plus éloignés, mais pas l'inverse
- les figures (c'est-à-dire les objets de premier plan) ont tendance à avoir des bords convexes
L'étude des illusions visuelles (cas où le processus d'inférence tourne mal) a permis de mieux comprendre les hypothèses du système visuel.