Глаз, мозг, зрение - Дэвид Хьюбел

Предположим теперь, что мы фиксируем взглядом некоторую точку в пространстве и что в этом пространстве расположены два точечных источника света, которые дают проекцию на каждой сетчатке в виде световой точки, причем эти точки — не корреспондирующие: расстояние между ними несколько больше, чем между корреспондирующими точками. Любое такое отклонение от положения корреспондирующих точек мы будем называть диспаратностью. Если это отклонение в горизонтальном направлении не превышает 2° (0,6 мм на сетчатке), а по вертикали не больше нескольких угловых минут, то мы будем зрительно воспринимать одиночную точку в пространстве, расположенную ближе, чем та, которую мы фиксируем. Если же расстояния между проекциями точки будут не больше, а меньше, чем между корреспондирующими точками, то данная точка будет казаться расположенной дальше, чем точка 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. Эти экспериментальные результаты иллюстрируют основной принцип стереовосприятия, впервые сформулированный в 1838 году сэром Ч. Уитстоном (который также изобрел прибор, известный в электротехнике как «мостик Уитстона»).

Кажется почти невероятным, что до этого открытия ни один человек, по-видимому, не отдавал себе отчета в том, что наличие едва заметных различий в изображениях, проецируемых на сетчатки двух глаз, может приводить к отчетливому впечатлению глубины. Такой стереоэффект может продемонстрировать за несколько минут любой человек, способный произвольно сводить или разводить оси своих глаз, или же тот, у кого есть карандаш, кусок бумаги и несколько небольших зеркал или призм. Непонятно, как прошли мимо этого открытия Евклид, Архимед и Ньютон. В своей статье Уитстон отмечает, что Леонардо да Винчи был очень близок к открытию этого принципа. Леонардо указывал, что шар, расположенный перед какой-либо пространственной сценой, виден каждым глазом по-разному — левым глазом мы немного дальше видим его левую сторону, а правым глазом — правую. Далее Уитстон отмечает, что если бы вместо шара Леонардо выбрал куб, то он, безусловно, заметил бы, что его проекции для разных глаз различны. После этого он мог бы, как и Уитстон, заинтересоваться тем, что будет, если специально спроецировать два подобных изображения на сетчатки двух глаз.

Важным физиологическим фактом является то, что ощущение глубины (т.е. возможность «непосредственно» видеть, дальше или ближе точки фиксации расположен тот или иной объект) возникает в тех случаях, когда два сетчаточных изображения несколько смещены относительно друг друга в горизонтальном направлении — раздвинуты или, наоборот, сближены (если только это смещение не превышает примерно 2°, а вертикальное смещение близко к нулю). Это, разумеется, соответствует геометрическим соотношениям: если по отношению к некоторой точке отсчета расстояния объект расположен ближе или дальше, то его проекции на сетчатках будут раздвинуты или сближены по горизонтали, тогда как существенного вертикального смещения изображений не произойдет.

На этом и основано действие стереоскопа, изобретенного Уитстоном. Стереоскоп в течение примерно полувека был настолько популярен, что имелся чуть ли не в каждом доме. Тот же принцип лежит в основе и стереокино, которое мы сейчас смотрим, используя для этого специальные поляроидные очки. В первоначальной конструкции стереоскопа наблюдатель рассматривал два изображения, помещенные в ящик, с помощью двух зеркал, которые были расположены таким образом, что каждый глаз видел только одно изображение. Для удобства теперь часто используют призмы и фокусирующие линзы. Два изображения идентичны во всем, кроме небольших горизонтальных смещений, которые и создают впечатление глубины. Любой может изготовить фотографию, пригодную для использования в стереоскопе, если выберет какой-либо неподвижный объект (или сцену), сделает снимок, а затем сдвинет фотоаппарат на 5 сантиметров вправо или влево и сделает второй снимок.

Не все обладают способностью воспринимать глубину с помощью стереоскопа. Вы сами можете легко проверить свой стереопсис, если воспользуетесь стереопарами, приведенными на рис. 105 и 106. Если у вас есть стереоскоп, вы можете сделать копии изображенных здесь стереопар и вставить их в стереоскоп. Вы можете также поместить тонкий кусок картона перпендикулярно между двумя изображениями из одной стереопары и попытаться смотреть каждым глазом на свое изображение, установив глаза параллельно, как если бы вы смотрели вдаль. Можно также научиться сводить и разводить глаза с помощью пальца, поместив его между глазами и стереопарой и передвигая вперед или назад, пока изображения не сольются, после чего (это самое трудное) вы сможете рассматривать слитое изображение, стараясь, чтобы оно не разделилось на два. Если у вас это получится, то кажущиеся отношения глубины будут противоположны тем, которые воспринимаются при использовании стереоскопа.

Рис. 104. А. Стереоскоп Уитстона. Б. Схема стереоскопа Уитстона, составленная им самим. Наблюдатель сидит перед двумя зеркалами (А и А'), поставленными под углом 40° к направлению его взора, и смотрит на две совмещенные в поле зрения картинки — Е (правым глазом) и Е' (левым глазом). В созданном позже более простом варианте две картинки помещаются рядом так, что расстояние между их центрами примерно равно расстоянию между глазами. Две призмы отклоняют направление взора так, что при надлежащей конвергенции левый глаз видит левое изображение, а правый глаз — правое изображение. Вы сами можете попробовать обойтись без стереоскопа, представив себе, что смотрите на очень удаленный предмет глазами, оси которых установлены параллельно друг другу. Тогда левый глаз будет смотреть на левое изображение, а правый — на правое.

Даже если вам не удастся повторить опыт с восприятием глубины — из-за того ли, что у вас нет стереоскопа, или потому, что вы не можете произвольно сводить и разводить оси глаз, — вы все-таки сможете понять суть дела, хотя не получите удовольствия от стереоэффекта.

В верхней стереопаре на рис. 105 в двух квадратных рамках имеется по небольшому кружку, один из которых смещен немного влево от центра, а другой — немного вправо. Если рассматривать эту стереопару двумя глазами, используя стереоскоп или иной метод совмещения изображений, то вы увидите кружок не в плоскости листа, а впереди него на расстоянии около 2,5 см. Если так же рассматривать нижнюю стереопару на рис. 105, то кружок будет виден позади плоскости листа. Вы воспринимаете положение кружка таким образом потому, что на сетчатки ваших глаз попадает в точности такая же информация, как если бы кружок действительно находился впереди или позади плоскости рамки.

Рис. 105. Если верхнюю стереопару вставить в стереоскоп, то кружок будет выглядеть расположенным впереди плоскости рамки. В нижней стереопаре он будет располагаться позади плоскости рамки. (Вы можете проделать такой опыт без стереоскопа, путем конвергенции или дивергенции глаз; для большинства людей конвергенция легче. Для облегчения задачи можно взять кусок картона и поставить его между двумя изображениями стереопары. Поначалу это упражнение может показаться вам трудным и утомительным; не усердствуйте при первой попытке. При конвергенции глаз на верхней стереопаре кружочек будет виден дальше плоскости, а на нижней — ближе).

В 1960 году Бела Юлеш из фирмы Bell Telephone Laboratories придумал весьма полезную и изящную методику для демонстрации стереоэффекта. Изображение, представленное на рис. 107, на первый взгляд кажется однородной случайной мозаикой из маленьких треугольничков. Так оно и есть, за исключением того, что в центральной части имеется скрытый треугольник большего размера. Если вы будете рассматривать это изображение с помощью двух кусочков цветного целлофана, помещенных перед глазами, — красного перед одним глазом и зеленого перед другим, то вы должны увидеть в центре треугольник, выступающий из плоскости листа вперед, как в предыдущем случае с маленьким кружком на стереопарах. (Быть может, в первый раз вам придется смотреть минуту или около этого, пока не возникнет стереоэффект.) Если поменять куски целлофана местами, произойдет инверсия глубины. Ценность этих стереопар Юлеша заключается в том, что если у вас нарушено стереовосприятие, то вы не увидите треугольника впереди или позади окружающего фона.

Рис. 106. Еще одна стереопара.

Подводя итоги, можно сказать, что наша способность ощущать стереоэффект зависит от пяти условий: