Бинокулярная диспаратность и фантомные образы

Бинокулярная диспаратность и двойное видение могут быть использованы для создания удивительных эффектов, в чем вы сами можете легко убедиться, если выполните следующие инструкции. Расположите указательные пальцы перед лицом на уровне глаз на расстоянии, равном примерно 12 дюймам (око­ло 30 см), таким образом, чтобы пальцы «смотрели» друг на друга и чтобы расстояние между ними было равно примерно 1 дюйму (2, 54 см) (рис. 23, А). Зафиксируйте взгляд прямо перед собой на точке, расположенной за пальца­ми, на стене или какой-либо иной удаленной поверхности (на рисунке точка фиксации обозначена буквой X), Между пальцами появится фантомный пла­вающий предмет, по форме напоминающий сосиску (В). Стоит вам немного по­тренироваться, и вы, слегка смещая пальцы то вверх, то вниз, сможете наблю­дать причудливые пространственные эффекты. Кроме того, немного прибли­зившись к поверхности, на которой зафиксирован ваш взгляд, вы увидите, что «сосиска» сморщивается.

«Сосиска» — результат слияния левого и правого ретинальных изображе­ний кончиков обоих пальцев. Это утверждение можно легко проверить. Для этого нужно попеременно моргнуть каждым глазом. При этом будет преобла­дать монокулярное зрение, и «сосиска» исчезнет. Но когда открыты оба гла­за, два монокулярных образа сливаются, «сосиска» вскоре появляется снова¹.

Puc. 23. Бинокулярная диспаратность и фантомные образы

Итак, обобщая все вышесказанное, можно повторить, что до тех пор, пока взгляд наблюдателя зафиксирован на какой-либо точке данно­го гороптера, все пространственные точки, расположенные на таком же

¹ См.: Sharp W.L, The floating-finger illusion // Psychological Review. 1928. 35. P. 171-173.

170 Тема 17. Экспериментальные исследования восприятия

расстоянии от наблюдателя, проецируются на корреспондирующие точ­ки обеих сетчаток и поэтому воспринимаются как сингулярные. Объек­ты, расположенные ближе или дальше гороптера (объекты, лежащие вне ФЗП данного гороптера), проецируются на некорреспондирующие точки сетчаток. Поэтому их образы не сливаются и они воспринимаются в двой­ном виде. Двойственные изображения объектов, лежащих перед гороп-тером, — перекрестные, а двойственные изображения объектов, лежащих за гороптером, — неперекрестные.

Хотя паттерн двойственных изображений непосредственно зависит от положения объектов относительно гороптера, двойственные изображе­ния объектов, на которых взгляд не фиксируется, как правило, подав­ляются и остаются незамеченными, исключение составляют лишь неко­торые особые ситуации. Описанный ниже эксперимент с «фантомными образами» иллюстрирует эту мысль.

Бинокулярная диспаратность и стереопсис

Диспаратность образов, проецируемых на сетчатки обоих глаз, ле­жит в основе уникального явления, связанного с особым восприятием глубины и объема и называемого стереоскопическим зрением, или сте-реопсисом (от греческого слов stereos — твердый, объемный, простран­ственный и opsis — зрение). Одним из наиболее впечатляющих приме­ров стереоскопического зрения является восприятие эффекта глубины при просмотре слайдов с помощью такого знакомого многим оптическо­го прибора, как стереоскоп, например стереоскопа марки View-Master. Первый стереоскоп был создан в 1838 г. английским физиком Чарльзом Уитстоуном (Wheatstone), который доказал, что при предъявлении каж­дому глазу отличающихся друг от друга незначительными деталями плос­костных изображений одной и той же сцены, называемых стереограмма-ми (стереопарами, или стереополуполями), возникает иллюзия объема. Популярный в середине и во второй половине XIX в. стереоскоп викто­рианского типа представлен на рис. 24, А, а примеры стереограмм — на рис. 24, Б и В.

Итак, стереограммы — это парные картины, на одной из которых изображено то, что видит левый глаз, а на другой то, что видит правый. Когда слегка диспаратные картины, объединенные в пары надлежащим образом, рассматриваются через стереоскоп, сцена приобретает стереоско­пическую глубину, т.е. создается полное впечатление единого объемного изображения,

Принцип действия общеизвестного стереопроектора View-Master аналогичен принципу действия стереоскопа; с его помощью зрителю предъявляются два разных изображения одной и той же сцены, сделан­ных стереофотоаппаратом, т.е. фотоаппаратом, имеющим два объектива,

Шиффман X. Восприятие пространства…

Рис. 24. А — типичный переносной стереоскоп, с помощью которого глазам предъявлялись разные изображения. Это стереоскоп, созданный Оливером Уэнделлом Холмсом-старшим, отцом знаменитого члена Верховного суда; Б — три простые контурные стереограммы. Элементы парных фигур подобраны таким об­разом, что при их просмотре через стереоскоп и слиянии изображений виден один трехмерный объект. Фигуры на каждой стереограмме — изображения, кото­рые были бы восприняты левым и правым глазами при их просмотре без стерео­скопа; В — ранняя фотографическая стереограмма. При просмотре через стерео­скоп левое и правое изображения проецируются соответственно на левый и пра­вый глаза. При слиянии изображений воспринимается объемное изображение пейзажа, названное «Поэмой деревьев». Хотя оба изображения и кажутся иден­тичными, при внимательном осмотре обнаруживаются их незначительные разли­чия. Стереограмма состоит из двух слегка отличающихся друг от друга фотогра­фий одного и того же пейзажа, сделанных с позиций каждого глаза. Так, пейзаж, представленный слева, — это то, что видит левый глаз, а пейзаж, представлен­ный справа, — то, что видит правый глаз. Незначительные отличия двух образов приводят к бинокулярной диспаратности, и когда они предъявляются с помощью стереоскопа отдельно каждому глазу, пейзаж приобретает объемность и глубину

Тема 17. Экспериментальные исследования восприятия

расстояние между которыми равно расстоянию между глазами. Две фо­тографии, сделанные с помощью такого фотоаппарата, отличаются друг от друга настолько, насколько отличаются друг от друга левое и правое ретинальные изображения фотографируемой сцены. После того, как эти фотографии проявлены и каждая из них предъявлена с помощью стерео­проектора соответствующему глазу (левый глаз должен видеть только фотографию, сделанную левым объективом, а правый — только фотогра­фию, сделанную правым объективом), изображения сливаются и возни­кает поразительный стереоскопический эффект.

В известных пределах впечатление объемности, или трехмерной глубины, зависит от диспаратности двух изображений, предъявленных с помощью стереоскопа или стереопроектора, и оно тем сильнее, чем боль­ше диспаратность. Это позволяет высказать принципиальное соображе­ние, касающееся зависимости стереоскопичности зрения от расстояния между объектом и наблюдателем, пользующимся бинокулярным зрени­ем. Как правило, зрительное восприятие близлежащих объектов требует большей конвергенции обоих глаз и приводит к большей диспаратности. Следовательно, чем ближе к наблюдателю расположен объект, тем силь­нее проявляется стереоскопический эффект глубины. Например, если поднести ладонь совсем близко к лицу и начать рассматривать ее, то впечатление объемности будет очень сильным. В подобной ситуации бла­годаря бинокулярному зрению округлость пальцев и то, что они вплот­ную примыкают друг к другу, а также все выпуклости и впадины ладо­ни предстанут перед вами в виде объемного изображения (однако стоит лишь на мгновение прикрыть один глаз, и стереоскопический эффект исчезнет!). Напротив, на удаленном объекте глаза практически не конвергируют и изображения на двух сетчатках практически идентичны, вследствие чего бинокулярная диспаратность либо вовсе отсутствует, либо выражена очень слабо. Следовательно, чем больше расстояние от наблю­дателя до объекта, тем меньше бинокулярная диспаратность и тем менее объемными кажутся объекты.

Перцептивные эффекты бинокулярной диспаратности могут иметь важные практические последствия. Благодаря чрезвычайной чувствитель­ности зрительной системы даже к незначительной информации о бино­кулярной диспаратности стереоскопическое зрение позволяет нам обна­руживать мельчайшие отличия между изображениями, которые на пер­вый взгляд кажутся идентичными. Например, стереоскопическое зрение может быть использовано для выявления фальшивых купюр. Если каж­дый глаз видит настоящую купюру, между двумя ретинальными изобра­жениями нет никакой диспаратности и происходит их слияние. Но если один глаз видит фальшивую купюру (пусть даже мастерски изготовлен­ную), а второй — подлинную, диспаратность двух образов немедленно выявит и незначительное различие, поскольку полного совпадения визу­альных элементов двух купюр не будет. Точно так же, стереоскопичес-

Шиффман X. Восприятие пространства…

ки, эксперты-баллистики изучают увеличенные фотографии разных пуль, когда им нужно определить, были ли произведены выстрелы из одного оружия¹. Если образы пуль на сетчатках идентичны (т.е. если отсутству­ет диспаратность), значит, обе пули были выпущены из одного и того же оружия.

Анаглифы. Вполне возможно, что самый знакомый (и удобный) способ испытать эффект стереоскопического зрения — воспользоваться стереоскопом или стереопроектором. Сильное стереоскопическое впечат­ление может быть также получено и с помощью анаглифа (от греческого anaglyptics — рельефный) стереограммы. Анаглиф представляет собой особую стереограмму, для получения которой одна картина из стереопа­ры печатается поверх другой, причем эти картины окрашены в разные цвета, как правило, красный и зеленый. Если рассматривать анаглиф без соответствующего прибора, два цвета, из которых один нанесен поверх другого, сливаются и изображение выглядит размытым. Но если рассмат­ривать его через специальные очки с цветными стеклами (стекла долж­ны быть разного цвета, красного и зеленого), каждый глаз «отбирает» соответствующее ему единственное изображение (глаз с красным фильт­ром видит только зеленое изображение, а глаз с зеленым — только крас­ное) и анаглиф воспринимается стереоскопически, как объемное изобра­жение. Создание большинства З-Б-фильмов (стереофильмов) основано на методе цветных анаглифов, именно поэтому, чтобы почувствовать сте­реоскопический эффект, их нужно смотреть в красно-зеленых очках.

Бинокулярное соперничество

Выше уже отмечалось, что слияние ретинальных изображений ле­вого и правого глаз происходит только тогда, когда эти образы практи­чески идентичны. В результате эволюции мозг и зрительная система приобрели способность воспринимать и обрабатывать только такую визу­альную информацию, которая приводит к образованию двух практичес­ки идентичных ретинальных изображений. В тех же случаях, когда эти изображения весьма значительно отличаются друг от друга, наблюдается необычное явление, называемое бинокулярным соперничеством. Обще­признано, что бинокулярное соперничество — результат искусственно создаваемых условий видения, редко встречающихся за пределами иссле­довательских лабораторий. Однако понимание того, как зрительная сис­тема «справляется» с условиями, при которых возникает бинокулярное соперничество, может помочь понять фундаментальные перцептивные процессы, лежащие в основе восприятия зрительной системой визуально двойственных ситуаций. Более того, эта проблема имеет непосредствен­ное отношение и к медицине: перцептивные эффекты бинокулярного со-

¹ См.: Bloomer CM. Principles of visual perception. N. Y.: Van Nostrand Reinhold, 1976.

174 Тема 17. Экспериментальные исследования восприятия

перничества тесно связаны с перцептивными эффектами некоторых рас­стройств зрения, таких, например, как амблиопия и страбизм (косогла­зие) <...>, которые снижают эффективность бинокулярного зрения или полностью исключают его.

Перцептивные последствия бинокулярного соперничества, созданно­го определенными условиями видения, различны. Значительно отличаю­щиеся друг от друга правое и левое ретинальные изображения могут либо слиться, образовав некий хрупкий и неустойчивый композитный образ, либо один образ может подавить другой, т.е. в какой-то момент может доминировать один из двух образов, а второй в это же самое время ока­жется подавленным. Более того, доминирующий и подавленный образы могут спонтанно меняться местами, т.е. возможна флуктуация до­минирования от одного глаза к другому^{1, 2}.

Одним из дискуссионных вопросов бинокулярного соперничества является вопрос о том, какой отдел зрительной системы участвует в его возникновении и разрешении. Участвует ли в его возникновении пери­ферия зрительной системы, т.е. является ли оно последствием подавле­ния монокулярного образа на одной из сетчаток? Или кратковременное преобладание какого-либо одного восприятия является продуктом когни­тивной обработки информации с участием центральных механизмов моз­га, «пытающегося» разрешить проблему визуальной двойственности и создать осмысленное, единственное восприятие на основе конфликтую­щих монокулярных стимулов?

Не вдаваясь в детали нейронных процессов, лежащих в основе бино­кулярного соперничества, скажем только, что есть доказательства измене­ний нейронной активности определенных участков коры головного мозга, которые точно соответствуют перцептивным изменениям, типичным для бинокулярного соперничества. Составить представление о направлении современных исследований в этой области можно на основании двух реп­резентативных публикаций. В первой из них³ изложены результаты изу­чения кортикальных процессов, лежащих в основе эффектов доминирова­ния и подавления в бинокулярном соперничестве, с помощью ФМРТ. Ав­торы показали, что участки человеческого мозга, непосредственно участвующие в решении таких визуальных задач, которые требуют пере­ключения внимания с одной точки пространства на другую и интерпрета-

¹ См. фундаментальный обзор литературы, посвященной бинокулярному соперничеству в:
О'Shea R.P. Ongoing URL for bibliography on binocular rivalry (2000): https://psy.otago.ac.nz:
800/r_oshea/br_bibliography.htm.

² См. анализ и оценку теорий бинокулярного соперничества в: Papathomas T.V., Kovacs
L, Feher A., Julesz В. Visual dilemmas: Competition between eyes and between percepts in
binocular rivalry // E. LePore, Z. Pylshyn (Eds.). Rutgers University Lectures on Cognitive
Science. Basil Blackwell, 1999.

³ См.: Lumer E.D., Friston K.J., Rees G, Neural correlates of perceptual rivalry in the
human brain // Science. 1998. 280. P. 1930-1934.

Шиффман X. Восприятие пространства…

ции стимула, а именно лобная и теменная доли, в ситуациях, связанных с бинокулярным соперничеством, одинаково важны. По данным второй ра­боты¹, также полученным с помощью ФМРТ, нейронная активность опре­деленных участков мозга непосредственно зависит от содержания стиму­лов, благодаря которым возникает бинокулярное соперничество. Авторы создавали условия для возникновения бинокулярного соперничества, одно­временно предъявляя одному глазу испытуемого изображение лица, а вто­рому — изображение дома таким образом, что каждый глаз попеременно видел то лицо, то дом, и промежуток времени между предъявлениями этих изображений не превышал нескольких секунд. Когда доминировало вос­приятие лица, исключительно активным был участок мозга, избирательно реагирующий именно на лица, а не на дома. Когда же доминировало вос­приятие дома, повышенную активность демонстрировал тот участок моз­га, который избирательно реагирует на дома (но не на лица). Короче гово­ря, когда глазам предъявляются разные стимулы, об осознанном восприя­тии человеком одного из них свидетельствует повышенная активность тех участков мозга, которые связаны с обработкой информации от определен­ных видов конкурирующих стимулов. Следовательно, в каждой восприня­той наблюдателем смене доминанты, имеющей место в ходе бинокулярно­го соперничества, участвует специфический участок коры головного моз­га. Эти данные свидетельствуют в пользу представлений о центральном происхождении механизма, лежащего в основе бинокулярного соперниче­ства. Очевидно, что этот механизм более сложен, нежели простое подав­ление монокулярных образов².

Циклопическое восприятие

Термин циклопическое восприятие предложен Белой Джулезом для обозначения стереоэффекта, возникающего при просмотре созданных им стереограмм совершенно нового типа, образованных кажущимся случай­ным набором черных и белых элементов (рис. 25, А)³.

Происхождение названия «циклопическое восприятие» связано с тем, что стереоизображение определенного вида, проецируемое по отдель­ности на каждый глаз, само по себе кажется хаотичным набором различ-

¹ См.: Tong F„ Nakayama К., Vaughan J.Т., Kanwisher N. Binocular rivalry and visual
awareness in human extra-striate cortex // Neuron, 1998. 21. P. 753-759.

² См.: Lee S.H., Blake R. Rival ideas about binocular rivalry // Vision Research. 1999.
39. P. 1447-1454.

³ См.: Julesz B. Binocular depth perception without familiarity cues // Science. 1964.
145. P. 356-362; Julesz B. Texture and visual perception // Scientific American. 1965. 212.
P. 38-48; Julesz B. Foundations of cyclopean perception. Chicago: University of Chicago
Press, 1971; Julesz B. Global stereopsis: Cooperative phenomena in stereoscopic depth
perception // R. Held., H.W. Leibowitz, H.L. Teuber (Eds.). Handbook of sensory physiology.
Vol. VIII: Perception. Berlin: Springer-Verlag, 1978.

Тема 17. Экспериментальные исследования восприятия

Рис. 25. Стереограммы, образованные случайными конфигурациями точек: А — при монокулярном просмотре эти изображения воспринимаются как лишенные глубины однородно скомпонованные случайные элементы. Но при стереоскопическом слиянии в центре виден квадрат, «парящий» над фоном, и создается вполне отчетливое впечатление глубины; Б — аналогичная кар­тина — «парящий» над фоном квадрат — наблюдается и при просмотре анаглифа этой стереограммы в правильно подобранных по цвету очках¹

ных элементов. Осмысленное восприятие глубины из этих стереограмм возможно только после того, как два изображения совмещаются в некой центральной зрительной зоне. Предоставим слово самому Джулезу:

Мифические циклопы воспринимали мир одним-единственяым глазом, расположенным в центре лба. В известном смысле мы тоже воспринимаем мир единственным глазом, который находится в центре головы. Однако наш цик­лопический глаз «сидит» не во лбу, а на некотором расстоянии от него, в тех участках мозга, которые причастны к зрительному восприятию².

Стереограммы, с помощью которых Джулез в свое время демонст­рировал циклопическое восприятие, действительно необычны³. Восполь­зовавшись компьютерной программой, он создал два практически одина-

¹ См.: Julesz B. Foundation of cyclopean perception. Chicago: University of Chicago
Press, 1971. P. 21.

² Там же. Р. XI.

³ См.: Kemp M. Julesz's joyfulness // Nature. 1998. 396. P. 419.

Шиффман X. Восприятие пространства...

ковых рисунка, представлявших собой случайные конфигурации точек (обычно такие стереограммы называют случайно-точечными стереограм-мами. Пара таких стереограмм представлена на рис. 25, А. Оба изобра­жения имеют идентичную текстуру, образованную случайными конфигу­рациями точек, исключение составляют лишь небольшие центральные участки, которые тоже идентичны в обоих случаях, но смещены лате-рально в противоположных направлениях. При взгляде на любой из этих рисунков, образующих стереопару, невозможно увидеть каких-либо при­знаков глубины или формы, ибо в них нет никаких монокулярных при­знаков. Однако при стереоскопическом слиянии этих двух рисунков в центре отчетливо виден небольшой квадрат, соответствующий латераль-но смещенному участку и «парящий» над окружающей его текстурой (рис. 25, Б).

Как схематически показано на рис. 26, смещенные участки право­го и левого квадратов случайно-точечной стереопары отличаются друг от друга.

Центральный участок левого квадрата смещен вправо, а правого — влево. Благодаря этому латеральному сдвигу центрального участка на пра­вую и левую сетчатку проецировались разные изображения, как было бы, если бы маленький центральный квадрат действительно лежал отдельно, впереди текстуры, образованной случайной конфигурацией точек. В итоге для этого маленького центрального участка возникает бинокулярная дис-паратность (т.е. левый и правый глаз видят его не совсем одинаково), и при стереоскопическом просмотре стереопары создается впечатление, что цен­тральный участок лежит над фоном — текстурой, образованной случайной конфигурацией точек. Если центральный участок левого квадрата смес­тить влево, а правого — вправо (т.е. если создать обратную диспаратность между левым и правым квадратом), то при стереоскопическом просмотре этой стереопары будет казаться, что центральный квадрат лежит на повер­хности позади текстуры, образованной случайной конфигурацией точек.

По мнению Джулеза¹, из случайно-точечных стереограмм стереоско­пический эффект извлекается зрительной системой автоматически бла­годаря определенному процессу, протекающему на нейронном уровне. Этот процесс, результатом которого является восприятие глубины, вклю­чает сопоставление тех участков рисунков, которые идентичны для обо­их глаз, и оценку остающихся участков бинокулярных диспаратностей. Для возникновения эффекта глубины, или стереопсиса, достаточно одной бинокулярной диспаратности, поскольку, как уже отмечалось выше, в расположении элементов случайно-точечных стереограмм нет ничего — ни изобразительных признаков глубины, ни знакомых очертаний, — что

¹ См.: Julesz В. Binocular depth perception without famiiiarity cues // Science. 1964. 145. P. 356-362; Julesz B. Foundations of cyclopean perception. Chicago: University of Chicago Press, 1971.

Тема 17. Экспериментальные исследования восприятия

Рис. 26. Схематическое изображение процесса создания случайно-точечных стереограмм, представленных на рис. 25 Левый и правый рисунки — практически идентичные текстуры, образо­ванные случайными конфигурациями точек, исключение составляют лишь их центральные участки: они смещены относительно друг друга по горизонтали в разные стороны так, словно представляют собой цельные поверхности. Смещенные участки (они образованы ячейками А и В) по­крывают определенные участки фона, образованного ячейками 1 и 0. Благодаря сдвигу, свободные участки фона (ячейки X и У) остаются не­покрытыми и заполняются дополнительными случайными элементами¹

могло бы навести на мысль о смещении одного участка относительно другого.

Локальный стереопсис/глобальный стереопсис. Случайно-точечные стереограммы — уникальной пример двойственности восприятия глуби­ны. При просмотре таких простых стереограмм, как те, что представле­ны на рис. 24, Б и В, нет никакой неопределенности в том, какие имен­но линейные сегменты проекций на левой и правой сетчатках соответ­ствуют друг другу. Проекции на левую и правую сетчатки каждым из полуполей подобных стереопар дают достаточное количество монокуляр­но распознаваемых стимулов, которые могут быть поэлементно со­поставлены зрительной системой друг с другом для создания стереоско­пического эффекта. Подобная однозначная, не вызывающая сомнений локализация глубины называется локальным стереопсисом. В отличие от традиционных стереопар, стереопары Джулеза не содержат никаких уз­наваемых структур, и ничто в двух полуполях его стереопар «не сообща­ет» зрительной системе о возможности попарного сравнения каких-либо

¹ См.: Julesz В. Foundation of oyclopean perception. Chicago: University of Chicago Press, 1971. P. 21.

Шиффман X. Восприятие пространства...

элементов изображений на правой и левой сетчатках для достижения стереопсиса. Следовательно, случайно-точечные стереограммы в том, что касается соответствия элементов правого и левого ретинальных изображе­ний, — можно толковать двояко. Предполагается, что любой элемент, спроецированный на одну сетчатку, может быть сопоставлен с любым другим соседним элементом образа на другой сетчатке, но зрительная система сравнивает паттерны диспаратности двух сетчаток, а не «зани­мается» поэлементным сопоставлением двух ретинальных изображений. В данном случае необходим глобальный процесс поиска многих диспарат-ностей, без которых невозможно восприятие трехмерной поверхности. Поскольку требуется полное, или глобальное, сравнение диспаратных элементов, общих для обеих половин стереопар Джулеза, а не их локаль­ное, «поточечное» сравнение, предполагаемый процесс стереоскопическо­го восприятия стереограмм, образованных случайными конфигурациями точек, называется глобальным стереопсисом.

Автостереограммы. У нас нет технических возможностей продемон­стрировать здесь стереопсис, достигаемый с помощью стереограмм Джу­леза (впрочем, возможно, читатель не поленится посмотреть стереопару, представленную на рис. 25, А, через стереоскоп). Однако, приложив не­которые усилия, без всяких специальных приспособлений можно испы­тать эффект глобального стереопсиса с помощью автостереограммы. Ав-тостереограмма представляет собой специальную форму стереограммы, созданную Кристофером Тайлером¹, содержащую (в пределах одного ри­сунка, напечатанного типографским способом) информацию для обоих глаз и, подобно стереограммам Джулеза, не имеющую никаких моноку­лярных признаков. Пример типичной автостереограммы представлен на рис. 27. Рекомендации, которым необходимо следовать, чтобы с их по­мощью наблюдать стереоскопический эффект, приводятся ниже, в опи­сании эксперимента.

Первая попытка увидеть стереоизображение для многих трудна. Некоторым людям приходится в течение нескольких минут напрягать окуломоторные мышцы, но настойчивость и тренировка помогают боль­шинству добиваться успеха. Интересно отметить, что аналогичный сте­реоскопический эффект можно вызвать, глядя на пол или потолок, на которые нанесен повторяющийся узор, или на обои с определенным ри­сунком: в конце концов у недоумевающего наблюдателя может возник­нуть ощущение, что некоторые элементы потолка или пола отделяются от них, а фрагменты рисунка обоев «парят» перед стеной или на вообра-

¹ См.: Pugliese L. Auto-random-dot stereograms // Optics and Photonics News. 1991. 59. P. 62; Tyler C.W., Clarke M.B. The autostereogram // J.O. Merritt, S.S. Fisher (Eds.). Stereoscopic displays and applications // Proceedings of SPIE-The International Society for Optical Engineering. 1990. 1256. P. 182-197; Stork D. G., Rocca С Software for generating autoran-dom-dot stereograms // Behavior Research Methods, Instruments and Computers. 1989. 21. P. 525-534.

Тема 17. Экспериментальные исследования восприятия

жаемой поверхности перед ним¹. Причина этого явления заключается в том, что зрительная система «ошиблась», сопоставляя изображения по­вторяющегося узора на правой и левой сетчатках: она связала и стерео­скопически «слила» в одно два изображения, которые являются проек­циями не соответствующих друг другу элементов узора, результатом чего и становится неуместное восприятие глубины.

Экспериментальное подтверждение

Просмотр автостереограммы

При правильном просмотре рис. 27, А будет видно изображение знакомого объекта, лежащего на переднем плане, на фоне образованной точками тек­стуры. Задача наблюдателя — сфокусировать взгляд на двух точках, рас­положенных над рисунком, и таким образом конвергировать глаза, чтобы видеть три точки. Иными словами, глаза должны конвергировать на точ­ке, лежащей перед рисунком. Ниже приводятся описания нескольких спо­собов выполнения этого требования. Ваша задача упростится, если, пока вы стараетесь получить стереоизображение, кто-нибудь будет медленно читать вам этот текст вслух. Держите карандаш длиной примерно 6 дюймов (око­ло 15 еж) перед рисунком таким образом, чтобы его кончик был направлен примерно на середину расстояния между двумя точками (рис. 27, Б), За­фиксировав взгляд на кончике карандаша, вы сможете увидеть и две точ­ки над рисунком. Продолжая фиксировать взгляд на кончике карандаша, медленно перемещайте карандаш взад-вперед до тех пор, пока вместо двух точек не увидите три точки, расположенные на одной прямой. (Это значит, что теперь ваши глаза конвергированы именно настолько, насколько нуж­но.) До тех пор пока ретинальные изображения кончика карандаша и слив­шейся «центральной» точки не приобретут четкость, поддерживайте это положение глаз, затем медленно переведите взгляд на центральную точку и отодвиньте карандаш. Если ваши глаза стремятся вернуться в исходное положение, продолжайте попытки до тех пор, пока не сможете стабильно поддерживать восприятие конфигурации из трех точек. У одних наблюда­телей образ объекта в стереоскопической глубине проступает мгновенно, другим для этого приходится поддерживать фиксацию в течение несколь­ких минут. Если после нескольких попыток вам так и не удалось увидеть стереоскопического изобраятения, попробуйте воспользоваться другими спо­собами. Как и при первой попытке, держите карандаш так, чтобы его кон­чик был на уровне середины расстояния между двумя точками. Но теперь фиксируйте взгляд не столько на карандаше, сколько на самом рисунке. Поскольку ваш взгляд зафиксирован на рисунке, вы увидите двойственное перекрестное изображение карандаша. Медленно подвиньте карандаш так, чтобы два его изображения оказались на одних линиях с двумя точками фиксации над рисунком, после чего медленно сфокусируйте взгляд на кон­чике карандаша. Два расплывающихся изображения карандаша должны конвергировать в одно, указывающее на центральную точку. Продолжайте

¹ См.; Pugliese L. Auto-random-dot stereograms // Optics and Photonics News. 1991. 59. P. 62.

Шиффман X. Восприятие пространства...

фокусировать взгляд на кончике карандаша до тех пор, пока центральная точка не станет четко видна. Это может потребовать некоторого времени, но когда это произойдет, вы увидите, как в глубине фона возникает цент­ральная фигура.

Третий способ получения стереоскопического изображения, которое на этот раз появится под текстурировнной поверхностью (поскольку глаза будут кон­вергировать на точке, лежащей ниже плоскости рисунка), заключается в сле­дующем. Глядя на верхнюю часть рисунка, постарайтесь фокусировать взгляд на поверхности, лежащей за точками, например на полу или на стене, до тех пор, пока вместо двух точек не появятся три. Задержите взгляд на трех точ­ках на несколько мгновений, а затем, не меняя точки фокусирования взгля­да, медленно опускайте глаза вниз до тех пор, пока не увидите в глубине «спрятанный» объект.

И последнее. Если, испробовав все описанные выше способы, вы так и не увидели стереоскопического изображения, попробуйте поступить следующим образом. Поднесите страницу, на которой нарисована автостереограмма, как можно ближе к глазам, так чтобы рисунок превратился в расплывшееся пят­но. В этот момент ваш взгляд сфокусирован на точке, лежащей позади поверх­ности страницы. Затем, как ложно медленнее, отодвигайте страницу от лица таким образом, чтобы автостереограмма все время оставалась не в фокусе.

Тема 17. Экспериментальные исследования восприятия

Если она все же оказалась в фокусе, это значит, что вы, возможно, слишком далеко отодвинули страницу (или сделали это слишком быстро). Помните, важно, чтобы автостереограмма была не в фокуcе! Попробуйте еще раз, ото­двигая страницу еще медленнее и время от времени останавливаясь, и делай­те это до тех пор, пока не «проявится» трехмерное изображение. Автостереог­рамма — необычная и трудная задача для зрительной системы, поскольку нужно сфокусировать глаза на расстоянии, отличном от того, на котором рас­положен сам рисунок. Но если у вас два глаза и вы не страдаете стереослепо-той (см. следующий подраздел), то при известной тренировке (и терпении) вы сможете увидеть стереоскопическое изображение.

Одно из наиболее значительных открытий, сделанных в ходе изуче­ния циклопического восприятия с помощью случайно-точечных стерео-грамм, заключается в том, что стереоскопическое видение может возник­нуть не только при полном отсутствии монокулярных признаков глубины, но даже и при отсутствии каких-либо распознанных контуров или форм. При монокулярном просмотре стереограммы Джулеза воспринимаются как совершенно неупорядоченные текстуры, в которых нет даже намека на узнаваемые контуры или формы. Следовательно, стереоскопическое виде­ние может не только предшествовать восприятию формы, но может также и происходить без ее распознавания. Иными словами, восприятие очерта­ний и форм не является обязательным условием достижения стереоскопи­ческого эффекта. Как отмечали Галик и Лоусон, циклопическое восприя­тие свидетельствует о том, что «не столько контуры наталкивают [нас] на мысль о глубине, сколько глубина — на мысль о контурах»¹.

Восприятие стереоскопического эффекта с помощью стереограмм, образованных случайными конфигурациями точек, доступно не только взрослым, но и младенцам. По одним данным она проявляется с 3, 5-месяч­ного возраста², по другим — с 6-месячного³. Более того, эта форма стерео­скопического видения свойственна не только человеку, но и другим биологическим видам. Способность к восприятию стереоскопического эф­фекта с помощью случайно-точечных стереограмм проявляют соколы⁴, кошки⁵ и обезьяны⁸.

¹ См.: Gulick W.L., Lawson R.B. Human stereopsis: A psychophysical analysis. N. Y.:
Oxford University Press, 1976. P. 272.

² См.: Fox R„ Aslin R.N., Shea S.L, Dumais S.T. Stereopsis in human infants // Science.

1980. 207. P. 323-324.

³ См.: Petrig В., Julesz В., Kropfl W., Baumgartner G., Ankllker M. Development of
stereopsis and cortical binocularity in human infants: Electrophysiological evidence // Science.

1981. 213. P. 1402-1405.

⁴ См.: Fox R., Lehmkuhle S.W., Bush R.C. Stereopsis in the falcon // Science. 1977. 197.
P. 79-81.

⁵ См.: Fox R„ Blake R.R. Stereopsis in the cat // Paper presented at the tenth meeting of
the Psychonomic Society. San Antonio, Tex., November. 1970.

⁶ См.: Bough E.W. Stereoscopic vision in the macaque monkey: A behavioural
demonstration // Nature. 1970. 225. P, 42-44.

Шиффман X. Восприятие пространства...

Циклопическая стимуляция создается уникальным сочетанием ла­бораторных условий, обеспечивающим техническое отделение друг от друга монокулярной и бинокулярной форм предъявления информации. Наблюдение за большинством пространственных событий осуществляет­ся без подобных ограничений. В реальной жизни пространственному вос­приятию способствует комбинация различных пространственных призна­ков визуальных стимулов и эффективность восприятия зависит от того, насколько эти признаки сочетаются друг с другом. Однако специфические возможности стереоскопического видения принесли немалую пользу про­странственному восприятию окружающего мира. Оно не только позволя­ет наблюдателю извлекать точную информацию о глубине и расстоянии между объектами и поверхностями и тем самым вносит свой вклад в такие процессы, происходящие на более высоких уровнях зрительной системы, как, например, координация движений глаз и рук, но' и спо­собствует унитарному (совокупному) восприятию тех отличительных признаков, которые лежат на одной глубине. Иными словами, пер­цептивный процесс группирования и интегрирования пространственных отличительных признаков, лежащих на одной глубине или одинаково удаленных от наблюдателя, способствует узнаванию объекта. Фрисби следующим образом выразил эту мысль:

Возможно, именно распознавание защитной окраски было самым первым результатом того, что в ходе эволюционного развития биологические виды получили бинокулярное зрение. Не исключено, что настоящим оправданием бинокулярного зрения стала возможность распознавать с его помощью харак­терное сочетание полос — отличительный признак, принадлежащий тигру (или иному хищнику, или желанной, но спрятавшейся добыче), и отделять их от полос, образуемых ветвями, прутьями и листьями дерева, в котором он притаился, готовясь к прыжку. Подобное предположение находится в полном соответствии с открытием случайно-точечных стереограмм, ибо они показыва­ют, сколь велики возможности стереопсиса в том, что касается распознавания защитной окраски как отличительного признака: любой объект можно уви­деть только после того, как произойдет бинокулярное слияние его образов... Возможно, благодаря особой способности воспринимать глубину, основным оружием которой является стереоскопическое зрение, зрительная система го­раздо лучше может разложить общую картину на ее составляющие и таким образом выполнить возложенную на нее работу — увидеть, что же это такое¹.

Нейрофизиологические основы бинокулярной диспорсштности

Физиологической основой стереоскопического зрения являются об­наруженные у многих млекопитающих, в том числе и у человека, клет­ки, избирательно реагирующие на бинокулярную диспарантность. Ины-

¹ См.: Frisby J.P. Seeing. N. Y.: Oxford University Press, 1980. P. 155.

184 Тема 17. Экспериментальные исследования восприятия

ми словами, существуют клетки, слабо реагирующие на монокулярную стимуляцию, но активные по отношению к стимуляции, в результате которой возникают отличные друг от друга ретинальные изображения (бинокулярная диспарантность). Эти клетки, названные детекторами диспарантности, активируются, когда соседствующие друг с другом группы стимулов идентичных диспарантностей достигают обеих сетча­ток¹. Это значит, что бинокулярная стимуляция избирательно возбужда­ет различные пулы детекторов диспарантности, «настроенных» на раз­личные диспарантности. Некоторые детекторы «имеют узкую полосу пропускания» и реагируют на стимулы, бинокулярная диспарантность которых либо невелика, либо вовсе отсутствует; особенно активно они реагируют на стимулы, лежащие исключительно на линии фиксации или на близком к ней расстоянии (т.е. на раздражители, лежащие внутри ФЗП гороптера и стимулирующие соответствующие точки сетчаток, см. рис. 21). Другие клетки избирательно реагируют только на стимулы, лежащие перед или за линией фиксации взгляда.

Так, Поггио и Фишер изучали активность нейронов коры головно­го мозга обезьяны при фиксации ее взгляда на точке, лежащей на опре­деленном расстоянии от нее². Исследователи предъявляли ей стимулы, располагая их перед или за точкой фиксации взгляда. Они обнаружили, что если взгляд обезьяны был зафиксирован на определенной точке, ней­роны коры ее головного мозга вели себя по-разному: в некоторых клет­ках потенциалы действия возникали только тогда, когда предъявленные обезьяне стимулы располагались перед точкой фиксации (и клетки тор­мозились, когда стимулы располагались за точкой фиксации), а некото­рые клетки вели себя диаметрально противоположным образом: они тор­мозились стимулами, располагавшимися перед точкой фиксации, и

¹ См.: Barinaga M. How the brain sees in three dimensions // Science. 1998. 281.
P. 500-501; Dobbins A.C., Jeo R.M., Fiser J„ Allman J.M. Distance modulation of neural ac­
tivity in the visual cortex // Science. 1998. 281. P. 552-556; Heydt von der R„ Adorjani C,
Hanny P., Baumgartmr G. Disparity sensitivity and receptive field incongruity of units in
the cat striate cortex // Experimental Brain Research. 1978. 31. P. 523-545; Hubel D.H.,
Wiesel T.N, Stereoscopic vision in macaque monkey // Nature. 1970. 225. P. 41-42; Ohzawa J.,
DeAngelis G.C., Freeman R.D. Stereoscopic depth discrimination in the visual cortex: Neurons
ideally suited as disparity detectors // Science. 1990. 249. P. 1037-1041; Poggio G, F. Stereo­
scopic processing in monkey visual cortex: A review // T.V.Papathomas, C.Chubb, A.Gorea,
E.Kowler (Eds.). Early vision andbeyond. Cambridge, MA: MIT Press, 1995; Poggio G.F.,
Poggio T. The analysis of stereopsis // Annual Review of Neuroscience. 1984. 7. P. 379-412;
Sakata H., Taira M., Kusunoki M„ Murata A., Tanaka Y, The parietal association cortex in
depth perception and visual control of hand action // Paper delivered at the 1996 Annual
Meeting of the European Neuroscience Association. Strasbourg.; Trotter Y., Celebrini S.,
Stricanne В., Thorpe S., Imbert M. Modulation of neural stereoscopic processing in primate
area VI by the viewing distance /'/ Science. 1992. 257. P. 1279-1281.

² См.: Poggio G.F., Fisher B, Binocular interaction and depth sensitivity in the striate
and prestriate cortex of behaving rhesus monkey // Journal of Neurophysiology. 1977. 40.
P. 1392-1405.

Шиффман X. Восприятие пространства…

активировались стимулами, располагавшимися за ней. Так было доказа­но, что в коре головного мозга приматов имеются клетки, не просто ре­агирующие на бинокулярную стимуляцию, но избирательно реагирующие на положение стимула относительно точки фиксации.

Изложенное выше позволяет нам сделать вывод о том, что суще­ствуют как минимум три класса клеток, обрабатывающих бинокулярную информацию о глубине: клетки, избирательно «настроенные» на плос­кость фиксации и ФЗП, клетки, стимулируемые раздражителями, лежа­щими перед плоскостью фиксации, и тормозимые раздражителями, на­ходящимися за ней, и клетки, активируемые стимулами, лежащими за плоскостью фиксации, и тормозимые раздражителями, находящимися перед ней¹.

Некоторые результаты изучения психофизики мозга человека под­тверждают факт существования детекторов диспаратности, реагирующих только на стимулы, расположенные на определенном расстоянии от точ­ки фиксации взгляда². Люди, страдающие стереослепотой, не способны воспринять глубину объекта только с помощью стереоскопического при­знака или бинокулярной диспаратности (хотя они и воспринимают глу­бину с помощью других признаков). О некоторых людях можно сказать, что они страдают частичной стереослепотой: они не способны использо­вать стереоскопические признаки для локализации объекта, лежащего за или перед плоскостью фиксации взгляда. Подобные наблюдения согла­суются с представлением о существовании трех классов детекторов диспаратности: первого — для объектов, лежащих на линии фиксации и имеющих нулевую диспаратность, а также для объектов, лежащих внут­ри ФЗП, второго — для объектов, лежащих за линий фиксации, и треть­его — для объектов, лежащих перед ней. Следовательно, исходя из пред­ставленных в данном подразделе результатов физиологических исследо­ваний можно сказать, что стереослепота (или частичная стереослепота) человека является результатом нарушения нормального соотношения между детекторами диспаратности всех трех классов.

¹ См, также: Poggio G.F. Stereoscopic processing in monkey visual cortex: A review //
T.V.Papathomas, C.Chubb, A.Gorea, E. Kowler (Eds.). Early vision andbeyond. Cambridge,
MA: MIT Press, 1995.

² См.: Richards W. Stereopsis and stereoblindness // Experimental Brain Research. 1970.
10. P. 380-388; Richards W. Anomalous stereoscopic depth perception // Journal of the Op­
tical Society of America. 1971. 61. P. 410-414; Richards W„ Regan D. A stereo field map
with implications for disparity processing // Investigative Ophthalmology. 1973. 12. P. 904-909;
Blake R., Cormack R.H. Psychophysical evidence for a monocular visual cortex in stereoblind
humans // Science. 1979. 200. P. 1497-1499; Cormack L.K., Stevenson S.B., Schor CM. Dis­
parity-tuned channels of the human visual system // Visual Neuroscience. 1993. 10. P. 585-596.

Р. Вудвортс

[ИЛЛЮЗИИ ВОСПРИЯТИЯ УДАЛЕННОСТИ И ГЛУБИНЫ]¹