Некоторые детали процесса кодирования

Итак, мы описали модель действия зрительной системы, уже более близкую к экспериментальным данным. Но и она еще слишком упрощена. В действительности зрение работает по гораздо более сложной (и гораздо более рациональной) схеме.

У волокон типа б всплески импульсов появляются только после выключения света. У волокна типа в — только после включения. Наконец, волокна типа г реагируют и на включение, и на выключение. Итак, от сетчатки в зрительном нерве идут четыре типа волокон:

а — волокно, непрерывно генерирующее импульсы, пока связанный с ним элемент сетчатки освещен;

б — off - волокно, реагирующее несколькими импульсами на выключение света или на уменьшение освещенности соответствующего элемента сетчатки;

в — оn-волокно, реагирующее на включение света или на увеличение освещенности;

г — on — off - волокно, реагирующее и на включение, и на выключение света, на любое изменение освещенности.

Оказывается, волокон типа б, в и г в сетчатке гораздо больше, чем волокон типа а. Волокна, передающие сведения о неизменной освещенности, одни не могут передавать в мозг зрительную информацию, что доказывается опытами Дичберна и Ярбуса. Нервные волокна передают в основном сведения об изменении освещенности каждого элемента сетчатки, т. е.регистрируют первую производную освещенности по времени. Для этого совсем не нужно, чтобы изменялась яркость наблюдаемой картины: движение глаз превращает различие в яркости различных частей картины в различие в освещенности каждого из элементов сетчатки. Когда мы обращаем взгляд к какой-нибудь картине внешнего мира, совместная работа рецепторов и всех видов волокон дает нам возможность воспринять и осознать эту картину. Затем (через 2—3 с) большая часть волокон прекращает передачу. Нет смысла передавать, что ничего не изменяется. Но если никаких изменений во всей картине не происходит 2—3 с, она уходит из сознания и замещается пустым полем. Однако в реальных условиях какие-то изменения происходят всегда, хотя бы для небольшой части рецепторов. Предположим, при постоянном освещении мы непрерывно фиксируем взгляд на середине серого квадрата, видимого на белом фоне. При движении глаз некоторые колбочки постоянно переходят с белого поля на серое и обратно. Это колбочки, лежащие на границах изображения квадрата. Пограничные колбочки сигнализируют о наличии перепада яркостей, поэтому контур остается непрерывно видимым. Но ведь и середину квадрата мы непрерывно видим серой, а любую точку фона — белой, между тем как оттуда никаких сигналов не поступает. Сигналы с этих мест поступили в первый момент, когда мы взглянули на квадрат. В дальнейшем отсутствие сигналов означает, что ничего не меняется. И мы продолжаем видеть то, о чем было просигнализировано в первый момент. Значит, в зрительной системе существует запоминающее устройство, которое в сознании поддерживает неизменным впечатление, создавшееся в первый момент. Сигналы с контура квадрата подтверждают наличие перепала яркостей на его границах, показывая тем самым, что система работает исправно и запоминающее устройство дает правильную информацию. Однако, если по всему полю зрения нигде ничего не меняется, запоминающее устройство выключается. Но в реальных условиях так никогда не бывает. Ученым пришлось немало потрудиться, чтобы искусственно стабилизировать изображение на сетчатке.

Но в чем смысл такой системы передачи информации? Смысл и преимущества ее очевидны. Когда передаются только сигналы об изменениях, значительно разгружается канал передачи. В нашем примере с серым квадратом десятки тысяч колбочек, на которые падало изображение средних частей квадрата, и десятки тысяч колбочек, на которые падало изображение фона, не передавали никаких сообщений. Десятки тысяч волокон зрительного нерва и десятки тысяч клеток в мозгу были освобождены от бесполезной работы приема сообщений о том, что ничего не произошло.

Дело сводится к тому, чтобы не передавать полмиллиома сигналов на каждый кадр, а ограничиться только передачей сигналов об изменении яркости в тех местах, где они происходят, возложив обязанность воспроизведения неменяющейся яркости на запоминающие устройства. Вспомним, что именно чрезмерная загрузка канала заставляет вести телепередачи на столь высоких частотах. Разгрузка канала открывает перед техникой телевидения весьма заманчивые перспективы.

Зрительная система проявляет замечательную гибкость в смысле способности объединять или наоборот разъединять отдельные рецепторы. Мы уже говорили об объединении рецепторов при переходе к малым яркостям. Но такое объединение происходит в процессе темповой адаптации, когда времени на перестройку кодирующих механизмов вполне достаточно. Гораздо более удивительна практически мгновенная перестройка при неизменном уровне адаптации. При высокой яркости фона, когда нужно и возможно различать отдельные объекты большого контраста, но малых угловых размеров, каждая фовеальная колбочка действует, очевидно, отдельно. Но уже при различении минимального сдвига штрихов по шкале нониуса помогает кооперация многих колбочек, расположенных вдоль изображения штрихов. Еще яснее проявляется объединение колбочек при уменьшении контраста.

Известно, например, что даже при большой яркости мы не видим кружка, контраст которого с фоном равен 0,03, если диаметр кружка составляет 1'. Но при диаметре 30' кружок виден. Значит, колбочки, размер каждой из которых не более 1', как-то объединяются, чтобы воспринять малый контраст, не воспринимаемый каждой из них. А почему одна колбочка, точнее, каждая из двух соседних, лежащих на границе раздела контрастирующих областей,не может воспринять малый контраст? Потому что за время сохранения зрительного впечатления (время инерции υ) она активно поглощает слишком малое число фотонов и относительные флуктуации этого числа слишком велики. Сигнал тонет во флуктуациях, заглушается шумом. А на площадь, соответствующую тридцати минутам, попадает в 900 раз больше квантов, и относительные флуктуации уменьшаются в 30 раз. Теперь сигнал может уже преобладать над шумом.