Как работает человеческий глаз и зачем мозгу фотошоп. Огромное количество деталей. Обучающий видеофильм: Как мы видим
Вспышки в глазах называют по-научному фотопсией. Они являются ложным ощущением в глазах света или искр, проявляются светящимися изображениями (пятнами, кольцами, линиями, огненными поверхностями, зигзагами и молниями, блеском и т.д.).
Подобные ощущения - результат неправильной стимуляции нейрорецепторов в либо прочих отделов зрительного анализатора. Явления эти относят к разновидности зрительных феноменов, называемых «энтоптическими».
Причины (почему появляются вспышки)
Вспышки, обусловленные механическими или электрическими раздражениями какого-то участка в зрительном анализаторе, определяют как . Они появляются, например, при пальцевом надавливании на внутренние либо наружные углы глаз.
Близкое происхождение к подобному ощущению имеют вспышки света, появляющиеся при резком движении глазами и . Они обусловлены механическим раздражением сетчатки, провоцируемым колеблющимся стекловидным телом.
На определении порога электрической чувствительности и построена методика исследований функции сетчатки и функции и зрительного нерва. Собственно, и сохранность сетчатки может быть оценена в связи с уровнем электрического раздражения, вызвавшего фосфен.
Ложные вспышки в глазах могут появляться вследствие развития хориоидитов, опухолей, при сетчатки, а также поражениях зрительного нерва. Обычно фосфены являются одним из ранних признаков вышеуказанных патологических процессов. Они могут являться следствием нарушения кровообращения сетчатки либо других отделов в зрительном анализаторе. Иллюстрацией этих вспышек может считаться «мерцательная» , называемая еще глазной мигренью. Яркие зигзаги, вспышки света и линии, в этом случае, зачастую предшествуют полной картине мигрени.
Подобные фосфены не поддаются лечению, правда, и зрению не вредят. Однако, обнаружив у себя похожие симптомы, стоит безотлагательно обратиться к офтальмологу. Ведь безобидные фосфены, могут быть вызваны нарушением целостности сетчатки. Особую настороженность необходимо проявить, при вспышках в глазах проявляющихся неожиданно и сопровождающихся потерей бокового зрения.
Лечение вспышек света перед глазами
Лечебные мероприятия при появлении вспышек в глазах направлены на устранение причины, вызвавшей данный симптом. При этом пациентом может заниматься как врач-офтальмолог (при разрывах и отсловнии сетчатки), так и другие специалисты - невролог или кардиолог (при ангиоспазмах, шейном остеохондрозе и т.д.).
В любом случае, если у Вас появился данный симптом обращайтесь сначала в специализированное офтальмологическое учреждение. Только здесь Вы сможете пройти полную диагностику и получить исчерпывающую консультацию высококвалифицированных специалистов-офтальмологов и исключить такие серьезные заболевания, как разрыв и сетчатки, которые могут привести к полной и невосстановимой слепоте.
Стоит помнить, что даже очень серьезные патологии глаз, как правило, развиваются бессимптомно. Поэтому не стесняйтесь проявить бдительность или подстраховаться, ведь восстанавливать зрение, значительно дороже, чем предотвратить опасность!
Начнем с двух внешних вещей, которые необходимы для зрения: свет и что-нибудь, на что можно посмотреть. Когда свет падает на объект, световые лучи отражаются от него и попадают в ваш биологический "фотоаппарат". В первом фотоаппарате система линз была представлена всего-навсего одним круглым стеклом, которое фокусировало изображение на пленке. То же самое происходит и тогда, когда свет попадает к вам в глаза. Изображение фокусируется на вашей сетчатке, которая действует как пленка.
Но "система линз" человека, через которую проходят лучи, конечно, нечто большее, чем просто округлое стекло. Сначала свет проходит через роговицу, чистую линзу, покрывающую внешнюю сторону глаза почти так же, как стекло покрывает циферблат часов. Пройдя через роговицу, свет попадает в узкое пространство - переднюю камеру глаза. Оно заполнено жидкостью, называемой водянистой влагой. После этого свет проникает в зрачок. Последний выглядит как черная точка. На самом деле это отверстие в радужной оболочке - цветной части глаза. Когда свет попал в зрачок, он уже "внутри" глаза. Затем он проникает сквозь кристаллический хрусталик глаза и, наконец, сквозь стекловидное тело глаза - желеобразную субстанцию, которой заполнен ваш глаз.
"Что значит заполнен?" - можете спросить вы. Средняя масса человеческого глаза - около 7 граммов. Из них около 4 граммов приходится на стекловидное тело. На момент попадания в стекловидное тело свет уже проделал путь через глаз и в результате попал на сетчатку, воспринимающую изображение.
Сетчатка располагается как подкладка на внутренней стороне темной части глаза. Она состоит приблизительно из миллиона светочувствительных клеток, называемых палочками или колбочками. Именно они и "принимают" картинку. И делают это постоянно. Все время, пока ваши глаза открыты, они "щелкают" больше, чем фотоаппараты в переполненном туристами автобусе. Даже когда вокруг темно, они продолжают принимать изображения. Просто изображения приходят темными - выдержки не хватает.
Палочки и колбочки имеют длинные нервные окончания, которые соединяются, подобно стеблям в букете цветов, образуя глазной нерв. Проходя через мозг, глазные нервы правого и левого глаза соединяются, а потом разделяются опять, образуя правый и левый оптические тракты. Волокна правого глазного тракта воспринимают правую часть того, что видят правый и левый глаз. Волокна левого глазного тракта - левую сторону всего, что попадает в поле зрения обоих глаз. Пройдя долгий путь через мозг, волокна достигают затылочных долей его. Все переданные глазными нервами изображения хранятся и перерабатываются здесь.
Нужно запомнить, что глаза только воспринимают картинку, но именно мозг обрабатывает ее. Когда вы закрываете глаза и вспоминаете образ или картину прошлого, вы видите их с помощью мозга. Ослепшие люди могут "видеть" у себя в мозгу образы, которые они "сфотографировали" еще до потери зрения.
Фpиндлeндep Mитчeлл Х., Дoнeв Cтeф
Зрение является каналом, посредством которого человек получает примерно 70% всех данных о мире, который его окружает. И возможно это только по той причине, что именно зрение человека представляет собой одну из самых сложных и поражающих воображение зрительных систем на нашей планете. Если бы не было зрения, все мы, скорее всего, просто жили бы в темноте.
Человеческий глаз обладает совершенным строением и обеспечивает зрение не только в цвете, но также в трёх измерениях и с высочайшей резкостью. Он обладает способностью моментально менять фокус на самые разные расстояния, осуществлять регуляцию объёма поступающего света, различать между собой огромное количество цветов и ещё большее количество оттенков, производить коррекцию сферических и хроматических аберраций и т.д. С мозгом глаз связывают шесть уровней сетчатки, в которых ещё перед тем, как информация будет отправлена в мозг, данные проходят через этап компрессии.
Но как же устроено наше с вами зрение? Как посредством усиления цвета, отражённого от предметов, мы трансформируем его в изображение? Если подумать об этом серьёзно, можно сделать вывод, что устройство зрительной системы человека до мельчайших подробностей «продумано» создавшей его Природой. Если же вы предпочитаете верить в то, что за создание человека ответственен Создатель или некая Высшая Сила, то эту заслугу можете приписать им. Но давайте не будем разбираться в , а продолжим разговор об устройстве зрения.
Огромное количество деталей
Строение глаза и его физиологию можно без обиняков назвать действительно идеальными. Подумайте сами: оба глаза находятся в костных впадинах черепа, которые защищают их от всевозможных повреждений, однако выступают из них они именно так, чтобы обеспечивался максимально широкий горизонтальный обзор.
Расстояние, на котором глаза находятся друг от друга, обеспечивает пространственную глубину. А сами глазные яблоки, как доподлинно известно, обладают шарообразной формой, благодаря чему способны вращаться в четырёх направлениях: влево, вправо, вверх и вниз. Но каждый из нас воспринимает всё это, как само собой разумеющееся - мало кому приходит в голову представить, что было бы, если бы наши глаза были квадратными или треугольными или их движение было бы хаотичным - это бы сделало зрение ограниченным, сумбурным и малоэффективным.
Итак, устройство глаза предельно сложно, но как раз это и делает возможным работу примерно четырёх десятков его различных составляющих. И даже если бы не было хоть одного из этих элементов, процесс зрения перестал бы осуществляться так, как ему следует осуществляться.
Чтобы убедиться в том, насколько сложно устроен глаз, предлагаем вам обратить своё внимание на рисунок ниже.
Давайте же поговорим о том, как реализуется на практике процесс зрительного восприятия, какие элементы зрительной системы в этом участвуют, и за что каждый из них отвечает.
Прохождение света
По мере приближения света к глазу световые лучи сталкиваются с роговицей (иначе её называют роговой оболочкой). Прозрачность роговицы позволяет свету проходить сквозь неё во внутреннюю поверхность глаза. Прозрачность, кстати, является важнейшей характеристикой роговицы, и прозрачной она остаётся по причине того, что особый протеин, который в ней содержится, сдерживает развитие кровеносных сосудов - процесс, происходящий практически в каждой из тканей человеческого тела. В том случае если бы роговица прозрачной не была, остальные компоненты зрительной системы не имели бы никакого значения.
Помимо прочего, роговица не даёт попадать во внутренние полости глаза сору, пыли и каким-либо химическим элементам. А кривизна роговой оболочки позволяет ей преломлять свет и помогать хрусталику фокусировать световые лучи на сетчатке.
После того как свет прошёл сквозь роговицу, он проходит через маленькое отверстие, расположенное посередине радужки глаза. Радужка же представляет собой круглую диафрагму, которая находится перед хрусталиком сразу за роговицей. Радужка также является тем элементом, который придаёт глазу цвет, а цвет зависит от преобладающего в радужке пигмента. Центральное отверстие в радужке - это и есть знакомый каждому из нас зрачок. Размер этого отверстия имеет возможность изменяться, чтобы контролировать количество поступающего в глаз света.
Размер зрачка изменятся непосредственно радужкой, а обусловлено это её уникальнейшим строением, ведь состоит она из двух различных видов мышечных тканей (даже здесь есть мышцы!). Первая мышца является круговой сжимающей - она располагается в радужке кругообразно. Когда свет яркий, происходит её сокращение, вследствие чего зрачок сокращается, как бы втягиваясь мышцей внутрь. Вторая мышца является расширяющей - она расположена радиально, т.е. по радиусу радужки, что можно сравнить со спицами в колесе. При тёмном освещении происходит сокращение этой второй мышцы, и радужка раскрывает зрачок.
Многие до сих пор испытывают некоторые затруднения, когда пытаются объяснить, каким же всё-таки образом происходит формирование вышеназванных элементов зрительной системы человека, ведь в любой другой промежуточной форме, т.е. на каком-либо эволюционном этапе работать они просто не смогли бы, но человек видит с самого начала своего существования. Загадка…
Фокусировка
Минуя названные выше этапы, свет начинает проходить через хрусталик, находящийся за радужкой. Хрусталик является оптическим элементом, имеющим форму выпуклого продолговатого шара. Хрусталик абсолютно гладок и прозрачен, в нём нет кровеносных сосудов, а сам он расположен в эластичном мешочке.
Проходя сквозь хрусталик, свет преломляется, после чего происходит его фокусировка на ямке сетчатки - самом чувствительном месте, содержащем максимальное количество фоторецепторов.
Важно заметить, что уникальное строение и состав обеспечивают роговице и хрусталику большую силу преломления, гарантирующую короткое фокусное расстояние. И как же удивительно, что такая сложная система вмещается всего в одном глазном яблоке (подумайте только, как бы мог выглядеть человек, если бы для фокусировки световых лучей, идущих от предметов, требовался бы, например, метр!).
Не менее интересно и то, что совместная преломляющая сила этих двух элементов (роговицы и хрусталика) находится в прекрасном соотношении с глазным яблоком, а это можно смело назвать ещё одним доказательством того, что зрительная система создана просто непревзойдённо, т.к. процесс фокусирования слишком сложен, чтобы говорить о нём, как о чём-то, что произошло лишь благодаря пошаговым мутациям - эволюционным стадиям.
Если же речь идёт о предметах расположенных близко к глазу (как правило, близким считается расстояние менее 6 метров), то здесь всё ещё любопытнее, ведь в этой ситуации преломление световых лучей оказывается ещё более сильным. Обеспечивается же это увеличением кривизны хрусталика. Хрусталик соединён посредством цилиарных поясков с ресничной мышцей, которая, сокращаясь, даёт хрусталику возможность принимать более выпуклую форму, тем самым увеличивая свою преломляющую силу.
И здесь снова нельзя не упомянуть о сложнейшем строении хрусталика: составляют его множество ниточек, которые состоят из соединённых друг с другом клеточек, а тонкие пояски связывают его с цилиарным телом. Фокусировка осуществляется под контролем головного мозга крайне быстро и на полном «автомате» — осуществить такой процесс осознанно для человека невозможно.
Значение «фотоплёнки»
Результатом фокусировки становится сосредоточение изображения на сетчатке, представляющей собой многослойную ткань, чувствительную к свету, покрывающую заднюю часть глазного яблока. В сетчатке содержится примерно 137 000 000 фоторецепторов (для сравнения можно привести современные цифровые фотоаппараты, в которых подобных сенсорных элементов не более 10 000 000). Такое громадное количество фоторецепторов обусловлено тем, что расположены они крайне плотно - примерно 400 000 на 1 мм².
Здесь не будет лишним привести слова специалиста по микробиологии Алана Л. Гиллена, говорящего в своей книге «Тело по замыслу» о сетчатке глаза, как о шедевре инженерного проектирования. Он считает, что сетчатка является самым удивительным элементом глаза, сравнимым с фотоплёнкой. Светочувствительная сетчатка, расположенная на задней стороне глазного яблока, намного тоньше целлофана (её толщина составляет не более 0,2 мм) и гораздо чувствительнее, чем любая, созданная человеком фотоплёнка. Клетки этого уникального слоя способны обрабатывать до 10 миллиардов фотонов, в то время как самый чувствительный фотоаппарат способен обработать лишь несколько их тысяч. Но ещё удивительнее то, что человеческий глаз может улавливать единицы фотонов даже в темноте.
Всего сетчатку составляют 10 слоёв фоторецепторных клеток, 6 слоёв из которых являются слоями светочувствительных клеток. 2 вида фоторецепторов имеют особую форму, по причине чего их называют колбочками и палочками. Палочки крайне восприимчивы к свету и обеспечивают глазу чёрно-белое восприятие и ночное зрение. Колбочки, в свою очередь, не так восприимчивы к свету, но способны различать цвета - оптимальная работа колбочек отмечается в дневное время суток.
Благодаря работе фоторецепторов световые лучи трансформируются в комплексы электрических импульсов и посылаются в мозг на невероятно большой скорости, а сами эти импульсы за доли секунд преодолевают свыше миллиона нервных волокон.
Связь фоторецепторных клеток в сетчатке очень сложна. Колбочки и палочки никак напрямую с мозгом не связаны. Получив сигнал, они переадресовывают его биполярным клеткам, а те перенаправляют уже обработанные собою сигналы ганглиозным клеткам, более миллиона аксонов (нейритов, по которым передаются нервные импульсы) которых составляют единый зрительный нерв, по которому данные и поступают в мозг.
Два слоя промежуточных нейронов, до того как зрительные данные будут отправлены в мозг, способствуют параллельной обработке этой информации шестью уровнями восприятия, находящимися в сетчатке глаза. Необходимо это для того чтобы изображения распознавались как можно быстрее.
Восприятие мозга
После того как обработанная зрительная информация поступает в мозг, он начинает её сортировку, обработку и анализ, а также формирует цельное изображение из отдельных данных. Конечно же, о работе человеческого мозга ещё много чего неизвестно, однако даже того, что научный мир может предоставить сегодня, вполне достаточно, чтобы поразиться.
При помощи двух глаз формируются две «картинки» мира, который окружает человека - по одной на каждую сетчатку. Обе «картинки» передаются в мозг, и в действительности человек видит два изображения в одно и то же время. Но как?
А дело вот в чём: точка сетчатки одного глаза точно соответствует точке сетчатки другого, а это говорит о том, чтоб оба изображения, попадая в мозг, могут накладываться друг на друга и сочетаться вместе для получения единого изображения. Информация, полученная фоторецепторами каждого из глаз, сходится в зрительной коре головного мозга, где и появляется единое изображение.
По причине того, что у двух глаз может быть разная проекция, могут наблюдаться и некоторые несоответствия, однако мозг сопоставляет и соединяет изображения таким образом, что человек никаких несоответствий не ощущает. Мало того - эти несоответствия могут быть использованы с целью получения чувства пространственной глубины.
Как известно, из-за преломления света зрительные образы, поступающие в мозг, изначально являются очень маленькими и перевёрнутыми, однако «на выходе» мы получаем то изображение, которое привыкли видеть.
Помимо этого в сетчатке изображение делится мозгом надвое по вертикали - через линию, которая проходит через ямку сетчатки. Левые части изображений, полученных обоими глазами, перенаправляются в , а правые части - в левое. Так, каждое из полушарий смотрящего человека получает данные только от одной части того, что он видит. И снова - «на выходе» мы получаем цельное изображение без каких бы то ни было следов соединения.
Разделение изображений и крайне сложные оптические пути делают так, что мозг видит отдельно каждым из своих полушарий с использованием каждого из глаз. Это позволяет ускорить обработку потока входящей информации, а также обеспечивает зрение одним глазом, если вдруг человек по какой-либо причине перестаёт видеть другим.
Можно заключить, что мозг в процессе обработки зрительной информации убирает «слепые» пятна, искажения из-за микродвижений глаз, морганий, угла зрения и т.п., предлагая своему хозяину адекватное целостное изображение наблюдаемого.
Ещё одним из важных элементов зрительной системы является . Умалять значение этого вопроса никак нельзя, т.к. чтобы вообще иметь возможность использовать зрение должным образом мы должны уметь поворачивать глаза, поднимать их, опускать, короче говоря - двигать глазами.
Всего можно выделить 6 внешних мышц, которые соединяются с внешней поверхностью глазного яблока. К этим мышцам относятся 4 прямые (нижняя, верхняя, боковая и средняя) и 2 косые (нижняя и верхняя).
В тот момент, когда какая-либо из мышц сокращается, мышца, являющаяся для неё противоположной, расслабляется - это обеспечивает ровное движение глаз (в противном случае все движения глазами осуществлялись бы рывками).
При повороте двух глаз автоматически изменяется движение всех 12 мышц (по 6 мышц на каждый глаз). И примечательно то, что процесс этот является непрерывным и очень хорошо скоординированным.
По словам знаменитого офтальмолога Питера Джени, контроль и координация связи органов и тканей с центральной нервной системой посредством нервов (это называется иннервацией) всех 12 глазных мышц представляет собой один из очень сложных процессов, происходящих в мозге. Если же добавить к этому точность перенаправления взора, плавность и ровность движений, скорость, с которой может вращаться глаз (а она составляет в сумме до 700° в секунду), и соединить всё это, мы получим на самом деле феноменальную по части исполнения подвижную глазную систему. А то, что человек имеет два глаза, делает её ещё более сложной - при синхронном движении глаз необходима одинаковая мускульная иннервация.
Мышцы, которые вращают глаза, отличны от мышц скелета, т.к. их составляет множество всевозможных волокон, а контролируются они ещё большим числом нейронов, иначе точность движений стала бы невозможной. Данные мышцы можно назвать уникальными ещё и потому, что они способны быстро сокращаться и практически не устают.
Учитывая то, что глаз - это один из наиболее важных органов человеческого организма, он нуждается в непрерывном уходе. Именно для этого как раз и предусмотрена, если так можно назвать, «интегрированная система очистки», которая состоит из бровей, век, ресниц и слёзных желёз.
При помощи слёзных желёз регулярно производится липкая жидкость, с медленной скоростью движущаяся вниз по внешней поверхности глазного яблока. Эта жидкость смывает различный сор (пыль и т.п.) с роговицы, после чего входит во внутренний слёзный канал и затем стекает по носовому каналу, выводясь из организма.
В слезах содержится очень сильное антибактериальное вещество, уничтожающее вирусы и бактерии. Веки выполняют функцию стеклоочистителей - они очищают и увлажняют глаза благодаря непроизвольному морганию с интервалом в 10-15 секунд. Вместе с веками работают ещё и ресницы, предотвращая попадание в глаз любого сора, грязи, микробов и т.п.
Если бы веки не выполняли свою функцию, глаза человека постепенно бы засохли и покрылись рубцами. Если бы не было слёзного протока, глаза бы постоянно заливались слёзной жидкостью. Если бы человек не моргал, в его глаза попадал бы мусор, и он мог бы даже ослепнуть. Вся «очистительная система» должна включать в себя работу всех элементов без исключения, в противном случае она просто перестала бы функционировать.
Глаза как показатель состояния
Глаза человека способны передавать немало информации в процессе его взаимодействия с другими людьми и окружающим миром. Глаза могут излучать любовь, гореть от гнева, отражать радость, страх или беспокойство, или усталости. Глаза показывают, куда смотрит человек, заинтересован он в чём-либо или же нет.
Например, когда люди закатывают глаза, беседуя с кем-то, это можно расценивать совершенно иначе, нежели обычный взгляд, направленный вверх. Большие глаза у детей вызывают у окружающих восторг и умиление. А состояние зрачков отражает то состояние сознания, в котором в данный момент времени находится человек. Глаза - это показатель жизни и смерти, если уж говорить в глобальном смысле. Наверное, именно по этой причине их называют «зеркалом» души.
Вместо заключения
В этом уроке мы с вами рассмотрели устройство зрительной системы человека. Естественно, мы упустили немало деталей (сама по себе эта тема очень объёмна и вместить её в рамки одного урока проблематично), но всё же постарались донести материал так, чтобы вы имели чёткое представление о том, КАК видит человек.
Вы не могли не заметить, что как сложность, так и возможности глаза позволяют этому органу многократно превосходить даже самые современные технологии и научные разработки. Глаз является наглядной демонстрацией сложности инженерии в огромном количестве нюансов.
Но знать об устройстве зрения - это, конечно же, хорошо и полезно, однако наиболее важно знать о том, как зрение можно восстанавливать. Дело в том, что и образ жизни человека, и условия, в которых он живёт, и некоторые другие факторы (стрессы, генетика, вредные привычки, заболевания и многое другое) - всё это нередко способствует тому, что с годами зрение может ухудшаться, т.е. зрительная система начинает давать сбои.
Но ухудшение зрения в большинстве случаев не является необратимым процессом - зная определённые методики, данный процесс можно повернуть вспять, и сделать зрение, если уж и не таким, как у младенца (хотя иногда возможно и это), то хорошим настолько, насколько вообще это возможно для каждого отдельно взятого человека. Поэтому следующий урок нашего курса по развитию зрения будет посвящён методам восстановления зрения.
Зрите в корень!
Проверьте свои знания
Если вы хотите проверить свои знания по теме данного урока, можете пройти небольшой тест, состоящий из нескольких вопросов. В каждом вопросе правильным может быть только 1 вариант. После выбора вами одного из вариантов, система автоматически переходит к следующему вопросу. На получаемые вами баллы влияет правильность ваших ответов и затраченное на прохождение время. Обратите внимание, что вопросы каждый раз разные, а варианты перемешиваются.
Глаза - это входные врата для всей зрительной информации, которую может получить об окружающем нас мире наша нервная система. Поэтому именно с глаз мы и начнем. Следует, впрочем, оговориться: эта книга ни в коей мере не является учебником анатомии, и мы намерены ограничиться описанием лишь самого необходимого минимума фактов, касающихся устройства глаза.
Зрительное восприятие возможно лишь тогда, когда в глаза попадает свет - при этом совершенно не важно, исходит он от Солнца или от электрической лампы. Свет может достичь глаза непосредственно от источника (вдоль прямой линии), как случается, если мы, например, посмотрим прямо на Солнце. Однако гораздо чаще глаз направлен на объекты, которые сами по себе не являются источниками света. Видим же мы их благодаря тому,
Рис. 8.1. Схема строения глаза
что поверхность этих объектов отражает излучаемый неким источником свет, и некоторая часть отраженного таким образом света попадает в глаз (рис. 8.2). Что же при этом происходит со светом? Обратимся к анатомическому строению глаза. На рис. 8.1 схематически представлен продольный разрез человеческого глаза; ниже мы рассмотрим каждую из составляющих его частей.
Очень удобным представляется сравнение глаза с фотоаппаратом. И тог, и другой выполняют одинаковую функдию, которая заключается в отображении на некую двумерную поверхность уменьшенной картины окружающего нас трехмерного мира. Фотоаппарат проецирует эту картину на пленку, глаз - на сетчатку. Впрочем, различие все же есть: фото-
Рис. 8.2. Распространение световых лучей.
(а) Солнечный свст отражается во все стороны.
(б) Лучи, проходящие сквозь отверстие диафрагмы: чем ближе к отверстию диафрагмы находится объект, тем сильнсс рассеиваются свстовыс лучи.
(в) Настройка резкости за счет изменения расстояния между объективом и пленкой или между хруС1аликом и ее!ча!кой.
(г) Настройка резкости за счет изменения оптической силы объектива.
а)
солнечный луч
отраженные лучи
булавочная головка
большое расстояние между объек-том и отверстием диафрагмы
фото-
отверс-пленка тие диафрагмы
б)
В) объектив
\
\
булавочная головка перед отверстием диафрагмы
малое расстояние между объектом и отверстием диафрагмы
фото-пленка
отверстие диафрагмы
объектив
фото-пленка
большое расстояние между объектом и отверстием диафрагмы оптическая сила объектива в обоих случаях одинакова объектив
булавочная головка перед отверстием диафрагмы
\ отверстие диафрагмы
объектив
фотопленка
фотопленка
большое расстояние между объектом и отверстием диафрагмы
малое расстояние между объектом и отверстием диафрагмы
г) объектив с большой оптической силой
объектив с малой оптической силой
пленку можно считать плоской, а сетчатка представляет собой внутреннюю поверхность пустотелого шара. Шарообразная форма глаза позволяет ему вращаться (в известных пределах) внутри глазной впадины.
Еще одна общая черта: в обоих случаях луч света попадает внутрь сквозь некое малое отверстие. У фотоаппарата это отверстие диафрагмы, у глаза - зрачок. Фотолюбители знают, что чем меньше в момент съемки отверстие диафрагмы, тем четче получается фотография; с другой стороны, это отверстие должно все же быть достаточно большим, иначе изображение окажется слишком темным. Размер отверстия определяется либо самим фотографом - с учетом освещения, чувствительности фотопленки и выбранной выдержки, либо автоматически (как во многих современных фотоаппаратах). Человеческий глаз также располагает подобной автоматикой, и в этом каждый из нас может легко убедиться, посмотрев в зеркало: если в глаза попадает отраженный луч света, зрачки моментально сужаются, ограничивая количество света, достигающего сетчатки, если же уменьшить уровень освещенности, зрачки снова расширятся - таким образом нервная система человека регулирует количество падающего на сетчатку глаза света. Регулировка размера зрачка осуществляется с помощью мелких мышц, сжимающих или расширяющих радужную оболочку. Сама радужная оболочка может быть окрашена в различные цвета, и именно цвет радужки мы имеем в виду, когда говорим о цвете глаз того или иного человека.
В то время как светочувствительность фотопленки постоянна, чувствительность глаза может изменяться. При очень ярком свете не только сужается зрачок, но и снижается чувствительность сетчатки; и наоборот, при плохом освещении чувствительность сетчатки повышается, а зрачок рас-ширяется. Все это хорошо известно нам из повседневного опыта. Когда вы возвращаетесь домой с лыжной прогулки (иначе говоря, от белого снега и яркого солнца), ваша комната кажется вам поначалу какой-то сумеречной, однако проходит несколько минут, глаза «привыкают» к меньшей освещенности, и комната предстает перед вами в своем «обычном свете». Процесс «привыкания», или адаптации, длится дольше, чем изменение величины зрачка. Устройство глаза не предусматривает возможности установки выдержки, как при фотографировании, и свет попадает в глаз до тех пор, пока человек его не закроет. Естественно, для возникновения зрительного ощущения необходимо некоторое время, но оно невелико; кроме того, и исчезает зрительное ощущение не сразу после того, как прекратилось раздражение. Это свойство человеческого глаза используется в кино: короткие паузы между кадрами не воспринимаются глазом, и перед нами возникает иллюзия непрерывного движения.
«Кадры», возникающие на сетчатке, изменяются непрерывно. Даже когда человек смотрит на неподвижный объект (например, на картину), глаза скачкообразно движутся от одной точки объекта к другой, так что образ на сетчатке находится в почти непрерывном движении. Далее мы увидим, что такое движение играет существенную роль в процессе обработки информации, воспринимаемой органами чувств. Как нам известно из зоологии, некоторые животные замечают свою добычу только если она движется. Так, например, лягушка видит добычу только в темных движущихся объектах определенной величины, а на лежащую у нее буквально «под носом» мертвую муху не обращает никакого внимания.
Вернемся теперь к свету, проходящему сквозь зрачок внутрь глаза, и к тому, что с этим светом происходит. В каждом фотоаппарате есть линзы. Нечто подобное имеется и в глазу, только здесь линза называется хрусталиком. Какую же функцию выполняет эта глазная линза? Вспомним о том, что упавший на какую-либо поверхность свет отражается от всех ее точек (даже если эта поверхность размером с булавочную головку) и рассеивается во всех направлениях. В глаз попадает как раз такой, рассеянный (или диффузный), свет. На сетчатке же упомянутая булавочная головка должна отображаться не иначе, чем в виде маленькой точки. Для этого рассеянные лучи света необходимо снова собрать в тонкий пучок - чем, собственно, и занимается хрусталик. Он работает так же, как самое обыкновенное увеличительное стекло, которое собирает солнечные лучи в одну точку, причем в этой точке становится так горячо, что вспыхивает бумага. Для образования пучка лучей, впрочем, одной лишь линзы недостаточно. На помощь приходят и роговица, и внутриглазная жидкость, заполняющая глазную камеру, и стекловидное тело (рис. 8.1). Так, точка за точкой, на сетчатке отображается окружающий нас мир. При этом изображение оказывается уменьшенным, зеркально отображенным и перевернутым «с ног на голову». Тем не менее, нам обычно удается верно ориентироваться среди окружающих объектов и правильно воспринимать явления и события. Все это становится возмож-ным благодаря тому, что принятое изображение подвергается последующей обработке в мозге.
Для того чтобы получить четкую фотографию, необходимо предварительно определить расстояние от объектива фотоаппарата до объекта съемки. Теперешние фотоаппараты научились делать это автоматически. Причина возникновения такой необходимости объясняется на рис. 8.2 (б). Мы видим, что лучи, отраженные близко расположенными объектами, рассеиваются гораздо сильнее тех, что отражены объектами более отдаленными. Однако и в том, и в другом случае лучи следует собрать в пучки с таким расчетом, чтобы на фотопленке или на сетчатке они сошлись в точку. В фо-тографии для достижения этого результата изменяют расстояние от линзы до пленки: чем ближе находится объект съемки, тем дальше должна оказаться от линзы пленка (рис. 8.2 (в)). Такой механизм встречается и в животном мире - например, у рыб хрусталик с помощью особых мышц может перемещаться, приближаясь к сетчатке или удаляясь от нее. У человека эта настройка происходит иначе. Оптическая сила линзы-хрусталика изменяется посредством изменения формы самой линзы. Чем более выпукла линза, тем сильнее она преломляет свет. Чем ближе находится рассматриваемый предмет, тем больше должна быть оптическая сила хрусталика, и, соответственно, более выпуклым должен стать сам хрусталик. Процесс изменения формы хрусталика называется аккомодацией (рис. 8.2 (г)). Изменение степени выпуклости хрусталика осуществляется с помощью непроизвольно сокращающейся мышцы; это означает, что нам не приходится приклады-вать никаких сознательных усилий для того, чтобы изменить «настройку» наших глаз - обо всем этом совершенно самостоятельно заботится наша нервная система. Со временем эластичность хрусталика уменьшается, и человек с возрастом начинает хуже видеть близкие предметы - в конечном счете это приводит к старческой дальнозоркости. И дальнозоркость, и близорукость встречаются, конечно же, и у молодых людей, но это, как правило, объясняется ненормальной формой глазного яблока. При близорукости продольная ось глазного яблока слишком длинна, и удаленные предметы оказываются «не в фокусе», который должен располагаться на сетчатке (в данном случае фокус смещен в стекловидное тело); при дальнозоркости также происходит смещение главного фокуса, но в противоположном направлении, так как продольная ось глазного яблока слишком коротка.
Итак, с точки зрения оптики, глаз вполне можно сравнить с фотоаппаратом. Оба состоят из похожих «деталей», позволяющих получить четкую и контрастную картину трехмерного мира на двумерной поверхности - правда уменьшенную, зеркальную и перевернутую. Для фотоаппарата работа на этом и заканчивается; остальное - дело фотолаборатории. А вот с глазами все обстоит иначе: получение изображения является лишь первым шагом в таинственном процессе восприятия. Чтобы понять природу этого процесса, нам придется пробраться через настоящие нейронные джунгли... но это чуть позже. Сейчас же коротко коснемся еще одного вопроса, имеющего отношение к зрительному восприятию.
Невозможные фигуры и двойственные изображения не являются чем-то, что не может быть воспринято буквально: они возникают у нас в мозге. Так как процесс восприятия таких фигур следует странным нестандартным путем, наблюдатель приходит к пониманию, что что-то необычное происходит в его голове. Для лучшего понимая процесса, который мы называем "зрением", полезно иметь представление о том, как наши органы чувств (глаза и мозг) преобразуют световые раздражители в полезную информацию.
Глаз как оптическое устройство
Рисунок 1. Анатомия глазного яблока.Глаз (см. рис. 1) работает подобно фотокамере. Хрусталик (lens) проецирует перевернутое уменьшенное изображение из внешнего мира на сетчатку (retina) – сеть фоточувствительных клеток, расположенных напротив зрачка (pupil) и занимающих более половины площади внутренней поверхности глазного яблока. Как оптический инструмент, глаз долгое время являлся маленькой загадка. В то время как камера фокусируется движением хрусталика ближе или дальше от светочувствительного слоя, его способность к преломлению света настраивается во время аккомодации (адаптации глаза на определенное расстояние). Форма глазной линзы изменяется при помощи мерцательной мышцы (ciliary muscle). Когда мышца сжимается, хрусталик становится более круглым, при помощи чего сфокусированное изображение более близких предметов поступает на сетчатку. Диафрагма человеческого глаза настраивается также как в фотоаппарате. Зрачок управляет величиной раскрытия хрусталика, расширяясь или сжимаясь при помощи радиальных мышц, окрашивающих радужную оболочку глаза (iris) характерным для него цветом. Когда наш глаз перемещает взгляд в область, на которой он желает сфокусироваться, фокусное расстояние и размер зрачка мгновенно настраиваются под необходимые условия "автоматически".
Рисунок 2. Сетчатка глаза в разрезе
Рисунок 3. Глаз с желтым пятном
Структура сетчатки (рис. 2), фоточувствительного слоя внутри глаза, очень сложна. Оптический нерв (вместе с кровеносными сосудами) отходит от задней стенки глаза. В этом месте нет фоточувствительных клеток, и оно известно под названием «слепое пятно». Нервные волокна разветвляются и оканчиваются клетками трех разных типов, которые улавливают поступающий на них свет. Отростки, идущие из третьего, самого внутреннего слоя клеток, – содержат молекулы, которые временно меняют свою структуру при обработке поступившего света, и тем самым испускают электрический импульс. Фоточувствительные клетки называются палочками (rods) и колбочками (cones) по форме их отростков. Колбочки чувствительны к цвету, в то время как палочки – нет. С другой стороны фоточувствительность палочек гораздо выше, чем у колбочек. Один глаз содержит порядка ста миллионов палочек и шести миллионов колбочек, распределенных по сетчатке неравномерно. Точно напротив зрачка лежит так называемое желтое пятно (рис. 3), которое состоит только из колбочек в относительно плотной концентрации. Когда мы хотим увидеть что-то в фокусе, мы располагаем глаз так, чтобы изображение падало на желтое пятно. Между клетками сетчатки много взаимосвязей, и электрические импульсы от ста миллионов фоточувствительных клеток отправляются мозгу всего по миллиону нервным волокнам. Таким образом, глаз можно поверхностно описать как фото- или теле-камеру с загруженной фоточувствительной пленкой.
Рисунок 4. Фигура Kanizsa
От светового импульса к информации
Рисунок 5. Иллюстрация из книги Декарта "Le traité de l"homme", 1664
Но как мы видим на самом деле? До недавнего времени этот вопрос едва ли был разрешимым. Лучшим ответом на данный вопрос был следующий: в мозге есть область, которая специализируется на зрении, в которой формируется изображение, полученное с сетчатки глаза, в виде клеток мозга. Чем больше света падает на клетку сетчатки, тем с большей интенсивностью работает соответствующая ей клетка мозга, то есть активность клеток мозга в нашем зрительном центре зависит от распределения света, попадающего на сетчатку. Короче говоря, процесс начинается с изображения на сетчатке и заканчивается соответствующим изображением на маленьком «экране» из клеток мозга. Естественно, это не объясняет зрение, а просто смещает проблему на более глубокий уровень. Кому предназначено видеть это внутреннее изображение? Данную ситуацию хорошо иллюстрирует рисунок 5, взятый из работы Декарта "Le traité de l"homme". В данном случае, все нервные волокна заканчиваются в некой железе, которую Декарт представлял как место души, и именно она видит внутреннее изображение. Но вопрос остается: как "зрение" работает на самом деле?
Рисунок 6.
Идея мини-наблюдателя в мозге является не просто недостаточной для объяснения зрения, но она еще и игнорирует три виде деятельности, которые, очевидно, выполняются непосредственно самой зрительной системой. Например, посмотрим на фигуру на рисунке 4 (автор Kanizsa). Мы видим треугольник в трех круговых сегментах по их вырезам. Этот треугольник не был предъявлен на сетчатку, однако он является результатом домысливания нашей зрительной системы! Также, почти невозможно смотреть на рисунок 6 не видя непрерывных последовательностей круговых узоров борющихся за наше внимание, как будто мы непосредственно испытываем внутреннюю зрительную деятельность. Многие обнаруживают, что их зрительная система приходит в полное замешательство от фигуры Далленбаха (Dallenbach) (рисунок 8), так как они ищут способы интерпретировать эти черные и белые пятна в виде какой-то понятной им формы. Чтобы избавить вас от мучений, рисунок 10 предлагает интерпретацию, которую ваша зрительная система примет раз и навсегда. В противоположность предыдущему рисунку, вам не составит никакого труда реконструировать несколько штрихов туши на рисунке 7 в изображение двух беседующих людей.
Рисунок 7. Рисунок из "Mustard Seed Garden Manual of Painting", 1679-1701
Например, совершенно другой метод видения иллюстрируют исследования Вернера Рейхарта (Werner Reichardt) из г. Тюбинген, который в течение 14 лет изучал систему зрения и управления полетом комнатной мухи. За эти исследования он был удостоен премии Heineken Prize в 1985 году. Подобно многим другим насекомым муха имеет составные глаза, состоящие из многих сотен отдельных палочек, каждая их которых является отдельным фоточувствительным элементом. Система управления полетом мухи состоит из пяти независимых подсистем, работающих чрезвычайно быстро (скорость реакции примерно в 10 раз быстрее, чем у человека) и эффективно. Например, подсистема приземления работает следующим образом. Когда область обзора мухи "взрывается" (от того, что поверхность оказывается близко), муха направляется к центру "взрыва". Если центр находится над мухой, она автоматически переворачивается вверх ногами. Как только ноги мухи касаются поверхности, "подсистема" приземления отключается. При полете муха извлекает только два вида информации из своей области видимости: точку, в которой находится движущееся пятно определенного размера (которое должно совпадать с размером мухи на расстоянии 10 сантиметров), а также направление и скорость движения этого пятна по полю видимости. Обработка этих данных помогает автоматически корректировать траекторию полета. Весьма маловероятно, что муха владеет полной картиной окружающего мира. Она не видит ни поверхностей, ни объектов. Обработанные определенным образом входные зрительные данные передаются напрямую в двигательную подсистему. Таким образом, входные зрительные данные преобразуются не во внутреннее изображение, а в форму, которая позволяет мухе адекватно реагировать на ее окружение. То же самое можно сказать и о такой бесконечно более сложной системе, как человек.
Рисунок 8. Фигура Далленбаха
Есть много причин, почему ученые так долго воздерживались от решения фундаментального вопроса, как человек видит. Оказалось, что необходимо было сначала объяснить много других вопросов зрения – сложную структуру сетчатки, цветное видение, контрастность, остаточные изображения и т.д. Однако вопреки ожиданиям открытия в данных областях не способны пролить свет на решение основной проблемы. Еще более значительной проблемой было отсутствие какой либо общей концепции или схемы, в которой были бы перечислены все зрительные явления. Об относительной ограниченности обычных областей исследований можно почерпнуть в отличном руководстве T.N. Comsweet на тему зрительного восприятия, составленного на основе его лекций для студентов первого и второго семестров. В предисловии автор пишет: "Я стремлюсь описать фундаментальные аспекты, лежащие в основе огромного поля, которое мы небрежно называем зрительным восприятием". Однако, изучая содержание данной книги, этими "фундаментальными темами" оказываются поглощение света палочками и колбочками сетчатки, цветное зрение, способы, при помощи которых сенсорные клетки могут увеличивать или уменьшать пределы взаимного влияния друг на друга, частоту электрических сигналов, передаваемых через сенсорные клетки и т.д. Сегодня, исследования в данной области следуют совершенно новыми путями, что приводит к сбивающему с толку разнообразию в профессиональной прессе. И только специалист может сформировать общую картину развивающейся &quo;новой науки Зрения". Была всего одна попытка объединить несколько новых идей и результатов исследований в манере доступной для непрофессионала. И даже здесь вопросы "Что такое Зрение?" и "Как мы видим?" не стали главными вопросами обсуждения.
От изображения к обработке данных
Девид Марр (David Marr) из Лаборатории искусственного интеллекта при Массачусетском Технологическом Институте первым попытался приблизиться к предмету с совершенно другой стороны в своей книге "Зрение" (Vision), изданной уже после его смерти. В ней он стремился рассмотреть основную проблему и предложить возможные пути ее решения. Результаты Марра конечно не окончательны и по сей день открыты для исследований с разных направлений, но тем не менее основным достоинством его книги является ее логичность и последовательность выводов. Во всяком случае, подход Марра дает очень полезную основу, на котором можно строить исследования невозможных объектов и двойственных фигур. На следующих страницах мы попытаемся проследить ход мыслей Марра.
Марр описал недостатки традиционной теории зрительного восприятия так:
"Попытки понять зрительное восприятие, изучая лишь нейроны, подобно попытке понять полет птицы, изучая лишь ее перья. Это просто невозможно. Чтобы понять полет птицы нам необходимо понять аэродинамику, и только потом структура перьев и различные формы птичьих крыльев будут иметь для нас какое-то значение". В данном контексте Марр называет Дж. Дж. Гибсона (J. J. Gobson) первым, кто коснулся важных вопросов в данной области изучения зрения. По мнению Марра, самый важный вклад Гибсона состоял в том, что "самое важное в органах чувств то, что они являются информационными каналами из внешнего мира к нашему восприятию (...) Он поставил критически важный вопрос – Как каждый из нас получает одинаковые результаты при восприятии в повседневной жизни в постоянно изменяющихся условиях? Это очень важный вопрос, показывающий, что Гибсон правильно рассматривал проблему зрительного восприятия как восстановление из информации, полученной от сенсоров, "правильных" свойств объектов внешнего мира". И таким образом мы достигли области обработки информации.
Не должно возникать вопросов о том, что Марр хотел игнорировать другие объяснения феномена зрения. Напротив, он специально подчеркивает, что зрение не может быть удовлетворительно разъяснено только с одной точки зрения. Объяснения должны быть найдены для повседневных событий, согласующиеся с результатами экспериментальной психологии и всеми открытиями в данной области, сделанными психологами и неврологами в области анатомии нервной системы. Что касается обработки информации, то ученым компьютерных наук хотелось бы знать, как зрительная система может быть запрограммирована, какие алгоритмы наилучшим образом подходят для данной задачи. Короче, как зрение можно запрограммировать. Только всесторонняя теория может быть принята как удовлетворительное объяснение процесса видения.
Марр работал над данной проблемой с 1973 года по 1980 год. К сожалению, он не смог закончить свою работу, но он смог заложить прочный фундамент для дальнейших исследований.
От неврологии к зрительному механизму
Убеждение, что многие функции человека контролируются головным мозгом, разделяют неврологи с начала XIX века. Мнения разнились по вопросу, используются ли определенные части коры головного мозга для выполнения отдельных операций или для каждой операции задействуется весь мозг целиком. Сегодня знаменитый эксперимент французского невролога Пьера Поля Брока (Pierre Paul Broca) привел к всеобщему признанию теории специфического расположения. Брока лечил пациента, который не мог говорить 10 лет, хотя с голосовыми связками у него было все в порядке. Когда человек умер в 1861 году, вскрытие показало, что левая часть его мозга была деформирована. Брока сделал предположение, что речь контролируется этой частью коры головного мозга. Его теория была подтверждена последующими обследованиями пациентов с повреждениями головного мозга, что позволило, в конечном итоге, отметить центры жизненно важных функций человеческого мозга.
Рисунок 9. Отклик двух разных клеток мозга на оптические возбудители разных направлений
Столетием позже, в 1950-х годах, ученые Д.Х. Хьюбел (D.H. Hubel) и Т.Н. Визель (T.N. Wiesel) провели эксперименты в мозгом живых обезьян и кошек. В зрительном центре коры головного мозга они обнаружили нервные клетки, которые особенно чувствительны к горизонтальным, вертикальным и диагональным линиям в поле зрения (рис. 9). Их сложная техника микрохирургии была впоследствии принята к применению другими учеными.
Таким образом, кора головного мозга не просто содержит в себе центры для выполнения различных функции, но и внутри каждого центра, как, например, в зрительном центре, отдельные нервные клетки активируются только при поступлении очень специфических сигналов. Эти сигналы поступающие с сетчатки глаза, коррелируют с четко определенными ситуациями внешнего мира. Сегодня предполагается, что информация о различных формах и пространственном расположении объектов содержится в зрительной памяти, и информация от активированных нервных клеток сравнивается с этой хранимой информацией.
Эта теория детекторов повлияла на направление в исследованиях зрительного восприятия в середине 1960-х годов. Тем же самым путем последовали и ученые, связанные с "искусственным интеллектом". Компьютерная симуляция процесса человеческого зрения, также называемое "машинное зрение", рассматривалась как одна из наиболее легко достижимых целей в данных исследованиях. Но все сложилось несколько иначе. Скоро стало ясно, что фактически невозможно написать программы, которые были бы способны распознавать изменения интенсивности света, тени, структуру поверхности и беспорядочные наборы сложных объектов в значащие образы. Более того, такое распознавание образов потребовало неограниченных объемов памяти, так как изображения несчетного числа объектов необходимо хранить в памяти в бессчетном количестве вариаций расположения и ситуаций освещения.
Какие-либо дальнейшие продвижения в области распознавания образов в условиях реального мира не представлялись возможными. Вызывает сомнение надежда, что когда-либо компьютер сможет симулировать человеческий мозг. В сравнении с человеческим мозгом, в котором каждая нервная клетка имеет порядка 10 000 связей с другими нервными клетками, эквивалентное компьютерное соотношение 1:1 едва ли выглядит адекватным!
Рисунок 10. Разгадка фигуры Делленбаха
Лекция Элизабет Уоррингтон (Elizabeth Warrington)
В 1973 году Марр посетил лекцию британского невролога Элизабет Уоррингтон. Она отметила, что большое количество пациентов с париетальными повреждениями правой части мозга, которых она осмотрела, могли отлично распознавать и описывать множество объектов при условии, что эти объекты наблюдались ими в их обычном виде. Например, такие пациенты без особого труда идентифицировали ведро при виде сбоку, но не были способны распознать то же самое ведро при виде сверху. На самом деле, даже когда им говорили, что они смотрят на ведро сверху, они наотрез отказывались в это поверить! Еще более удивительным было поведение пациентов с повреждениями левой части мозга. Такие пациенты, как правило, не могут разговаривать, и, следовательно, вербально не могут назвать предмет, на который они смотрят, или описать его назначение. Тем не менее, они могут показать, что они правильно воспринимают геометрию предмета независимо от угла обзора. Это побудило Марра написать следующее: "Лекция Уоррингтон подтолкнула меня к следующим выводам. Во-первых, представление о форме объекта хранится в каком-то другом месте мозга, поэтому так сильно отличаются представления о форме предмета и его назначении. Во-вторых, зрение само может предоставить внутреннее описание формы наблюдаемого объекта, даже если этот объект не распознается обычным образом… Элизабет Уоррингтон указала на наиболее существенный факт человеческого зрения – оно говорит о форме, пространстве и взаимном расположении объектов." Если это действительно так, то ученые, работающие в области зрительного восприятия и искусственного интеллекта (в том числе и те, кто работают в области машинного зрения) должны будут поменять теорию детекторов из экспериментов Хьюбела на совершенно новый набор тактик.
Теория модулей
Рисунок 11. Стереограммы со случайными точками Белы Жулеса, парящий квадрат
Второй стартовой точкой в исследованиях Марра (после работы знакомства с работами Уоррингтон) является предположение, что наша зрительная система имеет модульную структуру. Выражаясь компьютерным языком, наша главная программа "Зрение" охватывает широкий круг подпрограмм, каждая из которых полностью независима от других, и может работать независимо от других подпрограмм. Ярким примером такой подпрограммы (или модуля) является стереоскопическое зрение, при помощи которого глубина воспринимается как результат обработки изображений, поступающих с обоих глаз, которые представляют собой немного отличающиеся друг от друга изображения. Прежде считалось, что чтобы видеть в трех измерениях, мы сначала распознаем изображения целиком, а потом решаем какие объекты находятся ближе, а какие дальше. В 1960 году Бела Жулес (Bela Julesz), который был удостоен премией Heineken в 1985 году, смог продемонстрировать, что пространственное восприятие двумя глазами происходит исключительно сравнением небольших различий между двумя изображениями, полученными с сетчаток обоих глаз. Таким образом, можно почувствовать глубину даже там, где нет и не предполагается никаких объектов. Для своих экспериментов Жулес придумал стереограммы, состоящие из случайно расположенных точек (см. рис. 11). Изображение, видимое правым глазом, идентично изображению видимому левым глазом во всем, кроме квадратной центральной области, которая обрезана и немного смещена к одному краю и снова совмещена с задним планом. Оставшийся белый промежуток затем был заполнен случайными точками. Если на два изображения (на которых не распознается никакого объекта) посмотреть сквозь стереоскоп, квадрат, который ранее был вырезан, будет выглядеть парящим над задним планом. Такие стереограммы содержат пространственные данные, которые автоматически обрабатываются нашей зрительной системой. Таким образом, стереоскопия является автономным модулем зрительной системы. Теория модулей показала себя достаточно эффективной.
От двухмерного изображения с сетчатки к трехмерной модели
Рисунок 12. В течение зрительного процесса изображение с сетчатки (слева) преобразуется в первичный эскиз, в котором изменения интенсивности становятся явными (справа)
Зрение – многошаговый процесс, который трансформирует двухмерные представления о внешнем мире (изображения с сетчатки) в полезную информацию для наблюдателя. Он начинается с двухмерного изображения, полученного с сетчатки глаза, которое, игнорируя пока цветное зрение, сохраняет только уровни интенсивности света. На первом шаге, при помощи только одиного модуля эти уровни интенсивности преобразуются в изменения интенсивности или, другими словами, в контуры, которые показывают резкие изменения интенсивности света. Марр точно установил, какой алгоритм задействуется в данном случае (описываемый математически, и, кстати, очень сложный), и как наше восприятие и нервные клетки исполняют этот алгоритм. Результат первого шага Марр назвал "первичным эскизом", который предлагает краткую информацию об изменениях интенсивности света, их взаимосвязях и распределении по зрительному полю (рис. 12). Это важный шаг, так как в видимом нами мире изменение интенсивности часто связано с естественными контурами объектов. Второй шаг подводит нас к тому, что Марр назвал "2,5-мерный эскиз". 2,5-мерный эскиз отражает ориентацию и глубину видимых поверхностей перед наблюдателем. Это изображение строится на основе данных не одного, а нескольких модулей. Марр придумал весьма широкое понятие "2,5-мерности", для того чтобы подчеркнуть, что мы работаем с пространственной информацией, которая видима с точки зрения наблюдателя. Для 2,5-мерный эскиза характерны искажения перспективы, и на данном этапе еще не может быть однозначно определено действительное пространственное расположение объектов. Изображение 2,5-мерного эскиза, представленного здесь (рис. 13), иллюстрирует несколько информационных участков при обработке такого наброска. Однако в нашем мозге изображения подобного вида не формируется.
Рисунок 13. Рисунок 2,5-мерного эскиза – "отцентрированное представление глубины и ориентации видимых поверхностей"
До сих пор зрительная система работала с использованием нескольких модулей автономно, автоматически и независимо от данных о внешнем мире, сохраненных в мозге. Однако в ходе заключительной стадии процесса есть возможность сослаться на уже имеющуюся информацию. Этот последний этап обработки предоставляет трехмерную модель – четкое описание, независимое от угла зрения наблюдателя и подходящее для непосредственного сравнения со зрительной информацией, хранимой в мозге.
Согласно Марру, главную роль в построении трехмерной модели играют компоненты направляющих осей форм объектов. Те, кто не знаком с этой идей, могут счесть ее неправдоподобной, но в действительности есть доказательства, подтверждающие данную гипотезу. Во-первых, множество объектов окружающего мира (в частности, животные и растения) могут быть вполне наглядно изображены в виде трубочных (или проволочных) моделей. Действительно, мы без труда можем распознать, что изображено на репродукции в виде компонентов направляющих осей (рис. 14).
Рисунок 14. Простые модели животных могут быть идентифицированы по их компонентам направляющих осей
Во-вторых, данная теория предлагает вероятное объяснение факта того, что мы способны визуально разобрать объект на составные части. Это отражено и в нашем языке, который дает различные имена каждой части объекта. Так, описывая тело человека, такие обозначения как "тело", "рука" и "палец" указывают на различные части тела согласно их компонентам осей (рис. 15).
Рисунок 16. Модель одной оси (слева) разбивается на отдельные компоненты осей (справа)
В-третьих, данная теория согласуется с нашей способностью обобщать и в то же время дифференцировать формы. Мы обобщаем, группируя вместе объекты с одними и теми же главными осями, и дифференцируем, анализируя дочерние оси подобно ветвям дерева. Марр предложил алгоритмы, при помощи которых 2,5-мерная модель преобразуется в трехмерную. Этот процесс также в основном является автономным. Марр отметил, что разработанные им алгоритмы работают только в случае использования чистых осей. Например, в случае применения его к мятому листу бумаги возможные оси будет очень сложно идентифицировать, и алгоритм будет неприменим.
Связь между трехмерной моделью и зрительными образами, хранимыми в мозге, активируется в процессе распознавания объекта.
Здесь есть большой пробел в наших знаниях. Как эти зрительные образы хранятся в мозге? Как протекает процесс распознавания? Как производится сравнение между известными изображениями и только что составленным трехмерным изображением? Это последний пункт, которого успел коснуться Марр (рис. 16), но необходимо получить огромное количество научных данных, чтобы внести определенность в данном вопросе.
Рисунок 16. Новые описания форм соотносятся с сохраненными формами сравнением, которое движется от обобщенной форме (сверху) к частной (внизу)
Хотя мы сами не осознаем различные фазы обработки зрительной информации, существует множество наглядных параллелей между фазами и различными способами, которыми мы в течение времени передавали впечатление о пространстве на двухмерной поверхности.
Так пуантилисты подчеркивают бесконтурное изображение сетчатки глаза, в то время как линейчатые изображения соответствуют стадии первичного наброска. Картины кубистов можно сопоставить с обработкой зрительных данных при подготовке к построению финальной трехмерной модели, хотя это, несомненно, и не было намерением художника.
Человек и компьютер
В своем комплексном подходе к предмету Марр стремился показать, что мы можем понять процесс зрения без необходимости привлечения знаний, которые уже доступны мозгу.
Таким образом, он открыл новую дорогу исследователям в области зрительного восприятия. Его идеи могут быть использованы для прокладки более эффективного пути к реализации зрительной машины. Когда Марр писал свою книгу, он, должно быть, знал о тех усилиях, которые его читателям предстоит приложить, чтобы следовать за его идеями и выводами. Это прослеживается по всей его работе и наиболее явно видно в заключительной главе "В защиту подхода". Это полемическое «обоснование» в размере 25 печатных страниц, на которых он использует благоприятный момент для обоснования своих целей. В данной главе он ведет беседу с воображаемым оппонентом, который нападает на Марра с аргументами, подобными следующим:
"Я все еще неудовлетворен описанием этого взаимосвязанного процесса и идеей того, что все оставшееся богатство деталей является лишь описанием. Это звучит как-то слишком примитивно... Поскольку мы продвигаемся все ближе к высказыванию, что мозг – это компьютер, должен сказать я все больше и больше опасаюсь за сохранение значения человеческих ценностей".
Марр предлагает интригующий ответ: "Утверждение, что мозг – это компьютер, корректно, но вводит в заблуждение. Мозг действительно узкоспециализированное устройство обработки информации, или скорее самое крупное из них. Рассмотрение нашего мозга как устройство обработки данных не принижает и не отрицает человеческие ценности. В любом случае, оно только поддерживает их и может, в конце концов, помочь нам понять, чем из такой информационной точки зрениями являются человеческие ценности, почему они имеют выборочное значение, и как они увязываются с социальными и общественными нормами, которыми обеспечили нас наши гены".
