Стереоскопическое зрение

Изображение предметов на сетчатках глаз двумерны, а между тем человек видит мир трехмерным, т.е. он обладает способностью к восприятию глубины пространства, или стереоскопическим (стерео – от греч. stereos – твердый, пространственный) зрением.

Человек обладает многими механизмами оценки глубины. Некоторые из них совершенно очевидны. Например, если приблизительно известна величина объекта (человек, дерево и др.), то можно оценить расстояние до него или понять, какой из объектов ближе, сравнивая угловую величину объекта. Если один предмет расположен впереди другого и частично его заслоняет, то человек воспринимает передний объект как расположенный ближе. Если взять проекцию параллельных линий, например железнодорожных рельсов, уходящих вдаль, то в проекции они будут сближаться. Это пример перспективы – весьма эффективного показателя глубины пространства. Выпуклый участок стены кажется более светлым в верхней своей части, если источник света расположен выше, а углубление в ее поверхности кажется в верхней части более темным. Важным признаком удаленности служит параллакс движения – кажущееся относительное смещение близких и более далеких предметов, если наблюдатель будет двигать головой влево и вправо или вверх и вниз. Известен «железнодорожный эффект» при наблюдении из окна движущегося поезда: кажущаяся скорость перемещения близко расположенных объектов выше чем расположенных на большом расстоянии. Оценивать удаленность предметов можно также по величине аккомодации глаза, т.е. по напряжению цилиарного тела и цинновых связок, управляющих хрусталиком. По усилению конвергенции или дивергенции можно также судить об удаленности объекта наблюдения. За исключением последнего все вышеперечисленные показатели удаленности являются монокулярными. Наиболее важный механизм восприятия глубины пространства – стереопсис – зависит от совместного использования двух глаз. При рассматривании любой трехмерной сцены два глаза формируют несколько различные изображения на сетчатках. В процессе стереопсиса мозг сравнивает изображения одной и той же сцены на двух сетчатках и с большой точностью оценивает относительную глубину. Слияние двух монокулярных изображений, видимых раздельно правым и левым глазом при рассматривании предметов одновременно двумя глазами, в одно объемное изображение называют фузией.

Предположим, что наблюдатель фиксирует взором некоторую точку Р (рис.36), при этом изображения точки оказываются в центральных ямках (фовеа) F обоих глаз. Пусть Q – это другая точка пространства, которая кажется наблюдателю расположенной на такой же глубине, что и точка Р, при этом Q_L и Q_R – изображения точки Q на сетчатках левого и правого глаз. В этом случае точки Q_L и Q_R называют корреспондирующими точками двух сетчаток. Очевидно, что две точки, совпадающие с центральными ямками сетчаток, также являются корреспондирующими. Из геометрических соображений ясно, что точка Q′, оцениваемая наблюдателями как расположенная ближе, чем точка Q, будет давать на сетчатках два изображения – Q′_L и Q′_R – в некорреспондирующих (диспарантных) точках, расположенных дальше друг от друга, чем в том случае, если эти точки были корреспондирующими. Точно так же, если рассматривать точку, расположенную дальше от наблюдателя, то окажется, что ее проекции на сетчатках будут расположены ближе друг к другу, чем корреспондирующие точки [20]. Все точки, которые, подобно точкам Q и Р, воспринимаются как равноудаленные, лежат на гороптере – поверхности, проходящей через точки Р и Q, форма которой отличается от сферы и зависит от способности человека оценивать расстояние. Расстояния от фовеа F до проекций Q_R и Q_L для правого и левого глаз близки, но не равны, если бы они всегда были равны, то линия пересечения гороптера с горизонтальной плоскостью представляла бы собой круг.

Рис. 36 – Геометрическая схема объяснения стереоэффекта

Углы α и α′ в стереоскопии называют параллактическими углами. Величина их изменятся от нуля, когда точка фиксации лежит в бесконечности, и до 15°, когда точка фиксации находится на расстоянии 250 мм.

Предположим теперь, что мы фиксируем взглядом некоторую точку в пространстве и что в этом пространстве расположены два точечных источника света, один из которых проецируется только на сетчатку левого, а другой – правого глаза в виде световых точек, причем эти точки являются некорреспондирующими: расстояние между ними несколько больше, чем между корреспондирующими точками. Любое такое отклонение от положения корреспондирующих точек называют диспарантностью. Если это отклонение в горизонтальном направлении не превышает 2° (0,6 мм на сетчатке), а по вертикали – не более нескольких угловых минут, то мы будем зрительно воспринимать одиночную точку в пространстве, расположенную ближе, чем точка фиксации. Если же расстояния между проекциями точки будут не больше, а меньше, чем между корреспондирующими точками, то данная точка будет казаться расположенной дальше точки фиксации. Наконец, в том случае, если вертикальное отклонение будет превышать несколько угловых минут или же горизонтальное будет больше 2°, то мы увидим две отдельные точки, которые, возможно, покажутся расположенными дальше или ближе точки фиксации. Такой эксперимент иллюстрирует основной принцип стереовосприятия, впервые сформулированный Ч.Уитстоном в 1838 г. и лежащий в основе создания целой серии стереоскопических приборов, начиная со стереоскопа Уитстона вплоть до стереодальномеров и стереотелевидения.

Не каждый человек обладает способностью воспринимать глубину с помощью стереоскопа. Вы можете сами легко проверить свой стереопсис, если воспользуетесь рис.37. Если у вас есть стереоскоп, вы можете сделать копии изображенных здесь стереопар и вставить их в стереоскоп. Вы можете также поместить тонкий лист картона перпендикулярно между двумя изображениями из одной стереопары и попытаться смотреть каждым глазом на свое изображение, установив глаза параллельно подобно тому, если бы вы смотрели вдаль.

Рис. 37 – Примеры стереопар

В 1960 г Бела Юлеш (фирма Bell Telephone Laboratories, США) предложил оригинальный способ демонстрации стереоэффекта, исключающий монокулярное наблюдение объекта.

Основываясь на этом принципе, кстати, издана целая серия развлекательных книг, которые вместе с тем могут быть использованы и для тренировки стереопсиса [26]. На рис.38 в черно-белом варианте представлен один из рисунков из этой книги. Установив зрительные линии своих глаз параллельно (для этого надо смотреть вдаль, как бы сквозь рисунок), вы можете увидеть стереоскопическую картину. Такие рисунки получили название автостереограмм. Основываясь на методе Бела Юлеша, в Новосибирском государственном медицинском институте совместно с Новосибирским государственным техническим университетом создано устройство для исследования порога стереоскопического зрения [27], а нами предложена его модификация, позволяющая повысить точность определения порога стереоскопического зрения. В основу измерения порога стереоскопического зрения положено представление каждому глазу наблюдателя тест-объектов на, так называемом, рандомизированном фоне. Каждый из таких тест-объектов представляет собой совокупность точек на плоскости, расположенных по индивидуальному вероятностному закону. Причем на каждом тест-объекте имеются идентичные области точек, которые могут представлять собой фигуру произвольной формы. Если идентичные точки фигур на тест-объекте имеют нулевые значения параллактических углов, то наблюдатель видит в обобщенном изображении суммарную картину в виде случайного распределения точек, иными словами, наблюдатель не в состоянии выделить фигуру на рандомизированном фоне. Таким образом, исключается монокулярное видение фигуры. Если же смещать один из тест-объектов перпендикулярно оптической оси системы, то будет изменяться параллактический угол между фигурами, и при некотором его значении наблюдатель увидит фигуру, которая как бы оторвется от фона и начнет приближаться или удаляться от него. Изменение параллактического угла производится при помощи оптического компенсатора, введенного в одну из ветвей прибора. Момент появления фигуры в поле зрения фиксируется наблюдателем, и соответствующее значение порога стереоскопического зрения появляется на индикаторе.

Рис. 38 – Автостереограмма

Исследования последних десятилетий в области нейрофизиологии стереоскопического зрения позволили выявить в первичной зрительной коре головного мозга специфические клетки, настроенные на диспарантность [20]. Обнаружены клетки, реагирующие только в том случае, если стимулы попадают точно на корреспондирующие участки двух сетчаток. Клетки второго типа отвечают тогда и только тогда, когда объект расположен дальше точки фиксации. Имеются также клетки, отвечающие только тогда, когда стимул расположен ближе точки фиксации. По-видимому, в первичной зрительной коре могут быть специфические нейроны для разных степеней диспарантности. Все эти клетки обладают также свойством ориентационной избирательности, хорошо реагируют на движущиеся стимулы и на концы линий. По словам Д.Хьюбела, «хотя мы до сих пор не знаем, как именно мозг «реконструирует» сцену, включающую множество разноудаленных объектов, клетки, обладающие чувствительностью к диспарантности, участвуют в первых этапах этого процесса».

При изучении стереопсиса исследователи столкнулись с целым рядом проблем. Оказалось, что обработка некоторых бинокулярных стимулов происходит в зрительной системе совершенно непонятным образом. Например, если вновь обратится к стереопарам, представленным на рис. 37а и 37б, то мы получим ощущение, что в одном случае кружок расположен ближе, в другом – дальше плоскости рамки. Если же две стереопары объединить, т.е. в каждой рамке поместить по два кружка, расположенных друг около друга, то, казалось бы, мы должны видеть один кружок ближе, другой дальше. Однако на самом деле этого не получится: оба кружка видны на том же расстоянии, что и рамка.

Второй пример непредсказуемости бинокулярных эффектов – это так называемая борьба полей зрения. Если на сетчатках правого и левого глаз создаются очень сильно различающиеся изображения, то часто одно из них перестает восприниматься. Если вы будете смотреть левым глазом на решетку из вертикальных линий, а правым – на решетку из горизонтальных линий (например, через стереоскоп), то невозможно увидеть оба набора линий одновременно. Виден или тот, или другой, причем каждый из них – лишь в течении нескольких секунд; иногда можно увидеть мозаику этих изображений. Феномен борьбы полей зрения означает, что в тех случаях, когда зрительная система не может объединить изображения на двух сетчатках, она просто отвергает один из образов либо полностью, либо частично.

Итак, для нормального стереоскопического зрения необходимо следующие условия: нормальное функционирование глазодвигательной системы глаз; достаточная острота зрения и не очень большая разница в остроте правого и левого глаз; прочная связь между аккомодацией, конвергенцией и фузией; малое различие в масштабах изображений в левом и правом глазах.

Неравенство размеров или различный масштаб изображений, получаемых на сетчатках правого и левого глаз при рассматривании одного и того же объекта, называется анизейконией *. Анизейкония является одной из причин неустойчивости или отсутствия стереоскопического зрения. В основе анизейконии чаще всего лежит различие в рефракции глаз, т.е. анизометрония. Если анизейкония не превышает 2 – 2,5%, то ее можно скоррегировать обычными стигматическими линзами, в противном случае используются анизейконические очки.

Нарушением связи между аккомодацией и конвергенцией – одна из причин появления различных видов косоглазия. Явное косоглазие помимо того, что является косметическим недостатком, как правило, приводит к снижению остроты зрения косящего глаза впоть до его выключения из процесса зрения. Скрытое косоглазие, или гетерофория, не создает косметического дефекта, но может препятствовать стереопсису. Так, лица с гетерофорией более 3° не могут работать с бинокулярными приборами [2].

Порог стереоскопического зрения характеризуют минимальной разностью параллактических углов Δα, которая еще воспринимается наблюдателем. Связь между Δα (в секундах) и минимальным расстоянием Δ l между объектами, которые воспринимаются наблюдателем как разноудаленные, следующая:

(25)

где b – расстояние между зрачками глаз наблюдателя;
l – расстояние от глаза до ближайшего из рассматриваемых объектов.

Порог стереоскопического зрения зависит от разных факторов: от яркости фона (наибольшая острота наблюдается при яркости фона около 300 кд/м²), контраста объектов (с увеличением контраста порог глубинного зрения уменьшается), продолжительности наблюдения (рис.39) [2].

Рис. 39 – Зависимость порога стереоскопического зрения от продолжительности наблюдения

Порог восприятия глубины при оптимальных условиях наблюдения колеблется в пределах от 10 – 12 до 5″ (у отдельных наблюдателей достигает 2 – 5″).

Приняв за порог значение Δα =10″, можно рассчитать максимальное расстояние, на котором глаз еще воспринимает глубину. Это расстояние l = 1400 м (радиус стереоскопического зрения).

Существует несколько способов оценки, определения и исследования стереоскопического зрения:

1) с помощью стереоскопа по таблицам Пульфриха (минимальный порог стереоскопического восприятия, определяемый этим методом, – 15″);
2) с помощью различного вида стереоскопов с набором более точных таблиц с диапазоном измерения – 10 – 90″;
3) с помощью упомянутого выше устройства с использованием рандомизированого фона, исключающего монокулярное наблюдение объектов [27, 28], погрешность измерения 1 – 2″.

* Анизейкония – от греч. anisos – неравный.