Визуальные признаки глубины при восприятии экранного изображения

Посредством зрения человек в состоянии ощущать положение, размеры, очертания, движения, структуру и окраску находящихся вокруг него объектов. Он также ощущает различия между непрозрачными, полупрозрачными и прозрачными объектами; видит, является ли их поверхность блестящей или матовой. Это происходит благодаря отношениям между цветами элементов, составляющих поле зрения, и мгновенными изменениями, которым они подвергаются в результате движения объекта и движений наблюдателя.
Помимо цветового восприятия, человек способен решать еще более важную задачу - ощущать протяженность объектов как в длину и ширину, так и в глубину, то есть осуществлять пространственное восприятие объекта. В этом ему помогает множество особенностей объекта, различаемых глазом.
Определение условий пространственного восприятия может быть сформулировано в понятиях так называемых признаков, а эти ПРИЗНАКИ в свою очередь разделены на два типа: МОНОКУЛЯРНЫЕ и БИНОКУЛЯРНЫЕ.
К монокулярным признакам относятся те, которые вызывают пространственное различение при наблюдении одним глазом. Бинокулярные признаки требуют координированной деятельности обоих глаз. К МОНОКУЛЯРНЫМ ПРИЗНАКАМ относятся следующие:

Относительная величина

Различение расстояния зависит от величины раздражения на сетчатке, вызванного объектом и прошлым опытом встреч с ним. Небольшое изображение на сетчатке, вызванное членом класса объектов, называемых автомобилем, вызывает реакцию "далекий автомобиль", а большое изображение интерпретируется как "близкий автомобиль".

Взаимное расположение объектов

Признак взаимного расположения объектов имеет место в том случае, когда заслоняющий объект кажется ближе, чем заслоненный. Возникающий при этих обстоятельствах признак основан на том факте, что контурная линия заслоняющего объекта не прерывается в точке соединения с контуром заслоненного объекта. Напротив, контурная линия заслоненного объекта прерывается в этой точке. Различение продолжающегося контура от прерванного дает существенный признак для пространственного восприятия.

Линейная перспектива

Основой для этого признака является тот факт, что постоянное расстояние между двумя точками предмета соответствует углу зрения, прогрессивно уменьшающемуся по мере удаления предмета от наблюдателя. Наблюдатель сообщает, что линии, образованные рельсами, телефонными проводами и т.п., кажутся сближающимися вдали.

Воздушная перспектива

Когда детали поверхности предмета не обеспечивают условий для необходимого зрительного контраста, наблюдатель сообщает, что предмет кажется далеким.

Монокулярный двигательный параллакс

Когда глаза наблюдателя движутся по отношению к окружающему миру или когда окружение движется по отношению к глазам наблюдателя, возникает различная угловая скорость между линией взора, направленной на фиксируемый объект, и линией взора, направленного на любой другой объект в поле зрения. Факт различной угловой скорости ведет к пространственному различению, связанному с тем, что близко расположенный объект кажется движущемся против направления движения, а далекий объект кажется движущимся по направлению движения наблюдателя.

Свет и тень

Из множества механизмов, используемых зрительной системой для "проникновения" в третье измерение, наиболее простым, вероятно, является способность анализировать светотени.
Художники давно уже используют игру света и тени для передачи глубины изображения. Что касается психологии, то исследований, посвященных раскрытию механизмов, которые позволяли бы глазу и мозгу использовать информацию о светотени, было выполнено не так много. С целью обнаружения таких механизмов была предпринята серия экспериментов.
Экспериментальным материалом в опытах служили круглые "формы" с оттушевкой, вызывающие ощущение глубины. Эти формы могут восприниматься либо выпуклыми, как яйцо, либо вогнутыми, как пустая скорлупа. Они неоднозначны в том смысле, что глаз не располагает информацией о том, откуда падает свет. Если мысленно "передвинуть" воображаемый источник света, выпуклость сменится вогнутостью и наоборот.
Когда мы мысленно меняем знак глубины какого-либо объекта на обратный, со всеми остальными объектами на рисунке происходит то же самое. Возникает интересный вопрос: чем объясняется предрасположенность видеть все объекты на рисунке одновременно выпуклыми или вогнутыми - тем ли, что мы приписываем всем им выпуклость только в одну сторону, или тем, что мы допускаем наличие только одного источника света? Чтобы выяснить это, было построено изображение, на котором объекты одного ряда являются зеркальным отражением объектов второго ряда. Испытуемые, воспринимающие объекты одного ряда выпуклыми, всегда воспринимают объекты другого ряда вогнутыми.
На основании этого простого эксперимента исследователи пришли к двум заключениям:

• Определение формы по светотени не является локальной операцией, это глобальный процесс, захватывающий все поле зрения целиком или его значительную часть;
• Похоже, что зрительная система действительно "принимает" допущение о единственности источника света для всего изображения. Возможно, это происходит потому, что наш мозг развивался в планетарной системе с одной центральной звездой. Зрительная система принимает допущение не только о том, что имеется единственный источник освещения, но также о том, что источник находится вверху.

Аккомодация

Различный характер "расплывчатых пятен" в изображении на сетчатке может вызвать пространственное различение, но, очевидно, только для предметов, находящихся на расстоянии в несколько метров.
Когда глаз фиксирован на какой-либо точке пространства, эта точка точно отражается на сетчатке. Все точки, расположенные ближе или дальше зафиксированной, расплываются. Расплывчатые круги, соответствующие точкам, находящимися не в фокусе, имеют диаметры, которые изменяются в зависимости от величины зрачка. Они изменяются также в зависимости от расстояния между фиксированной точкой и точкой нефиксированной.
Различие между четко сфокусированным и расплывчатым образами служит признаком расстояния, хотя процесс различения может быть очень сложным, и он, конечно, никогда не был полностью изучен. Можно думать, что такие факторы, как различение деталей и величина сетчаточного образа, комбинируются с реакцией наблюдателя по осуществлению самой аккомодации и, таким образом, дают признак для пространственного восприятия.
Существуют два БИНОКУЛЯРНЫХ ПРИЗНАКА - это конвергенция и стереоскопическое зрение.

Конвергенция

Когда предмет находится на большом расстоянии, направления взора обоих глаз параллельны. Если предмет находится близко, то глаза наблюдателя конвергируют так, что линии фиксации взора обоих глаз сходятся на предмете. Конвергенция может служить признаком удаленности объектов. Большая степень конвергенции может вызывать реакцию "близкий объект", а слабая конвергенция - реакцию "удаленный объект". Признак конвергенции может отчетливо различаться только в том случае, если объекты находятся на расстоянии не больше, чем около 18 метров.
Могут возразить, что конвергенция не является признаком при восприятии пространства, потому что наблюдатель не может сообщить о ней. Однако, несомненно, что конвергенция служит одним из параметров при различении пространства по другим признакам. Таким образом, конвергенция может служить признаком пространственного восприятия объектов в том смысле, что ее изменение оказывает влияние на этот процесс. Наличие же словесного отчета нельзя считать обязательным.

Стереоскопическое зрение

Когда наблюдатель смотрит на предмет, расположенный в пространстве, изображение на сетчатке правого глаза отличается от изображения в левом глазу. Разница изображений на сетчатке служит основой многих пространственных различий. Теоретически важным условием стереоскопического зрения является разница углов конвергенции между:

• линиями взора обоих глаз, которые конвергируют на определенную точку фиксируемого объекта;
• линиями взора при конвергенции на точку другого объекта.

Создание эффекта глубины в компьютерных изображениях

Представления о признаках глубины наталкивает проектировщиков на идеи о том, как создавать эффект объемности изображений в системах компьютерной графики. Надо отметить, что не все перечисленные выше признаки в равной мере полезны для этой цели. Выделим лишь те из них, которые достаточно важны для создания эффекта объемности изображений и вместе с тем достаточно просты для реализации.

Линейная перспектива

Предположим, что цель разработчика состоит в том, чтобы спроектировать объемные объекты на плоскость компьютерного экрана таким образом, чтобы более удаленные отрезки объекта изображались более короткими, чем равные им по величине, но более приближенные отрезки. При этом должен быть создан эффект сходимости на линии горизонта параллельных линий объекта. Очевидно, что стандартные способы проекции трехмерных объектов на плоскость, используемые в инженерной графике, такие как прямоугольная диметрия и изометрия, здесь не подходят.
Для создания эффекта перспективы необходимо руководствоваться тем соображением, что поле зрения человека представляет собой, в грубом приближении, внутреннее пространство конуса или, что еще проще, четырехгранную пирамиду с вершиной в гипотетическом глазу наблюдателя и осью, совпадающей с направлением его взгляда. Все, что находится вне конуса, наблюдатель не видит. Любое сечение пирамиды, перпендикулярное ее оси, целиком отображается на экран, причем координаты всех точек, попавших в это сечение, сжимаются или растягиваются с таким расчетом, чтобы границы сечения совпали с границами экрана. Очевидно, что чем дальше сечение от вершины пирамиды (т.е. от глаза наблюдателя), тем меньше приходится растягивать (или тем больше сжимать) координаты точек, попавших в это сечение. Тем самым достигается эффект уменьшения объекта при его удалении от наблюдателя, т.е. эффект перспективы.