Зрительное восприятие пространства: субъектные признаки удаленности и глубины

Окуломоторные признаки

Около 300 лет назад известный английский философ, аббат Дж. Беркли писал о роли двигательного опыта человека (в том числе движений глаз) в зрительном восприятии пространства. Исследованиями психологов и физиологов установлена роль дви-

жений глаз в восприятии удаленности объекта от наблюдателя и восприятии глубины. Их логика ясна и понятна: если движения глаз сопровождают наше восприятие, то не могут ли они как-то кодировать расстояние до объекта, т.е. быть признаками удален­ности.

Аккомодация.Фокусировка оптической системы глаза на объект осуществляется посредством изменения кривизны хрусталика или аккомодации (рис. 66). Чем ближе расстояние до объекта, тем силь­нее сокращается цилиарная мышца, пропорционально изменяя кривизну хрусталика. На расстоянии около 2 —3 м и более эта мышца максимально расслаблена, на расстоянии 0,1 — 0,2 м — она максимально сокращена. Таким образом, в процессе фокуси­ровки на объекте фиксации взора степень сокращения цилиарной мышцы может кодировать абсолютную удаленность данного объекта в пределах от 0,1 до 3 м. Как подчеркивает Дж.Хохберг, данный механизм не очень точный и не очень быстрый [166].

Конвергенция.В процессе восприятия происходят содружествен­ные движения глаз, связанные с бинокулярной фиксацией взора на каком-либо объекте. Это так называемые вергентные движения глаз. Процесс сведения оптических осей, сопровождающийся поворо­том глазного яблока, называется конвергенцией, а разведение оп­тических осей — дивергенцией. Чем ближе объект фиксации, тем сильнее поворот глазного яблока внутрь (и сильнее напряжение внутренних прямых мышц глаз) и тем больше по величине угол конвергенции (рис. 67).

Подобный принцип оценки абсолютной удаленности объекта, пришедший из геодезии, называется триангуляцией. Он предпола­гает, что по степени сокращения мышц человек может оценивать угол конвергенции и, зная расстояние между глазами (он привык в этому расстоянию), может «рассчитать» расстояние до объекта, делая то, что в геометрии называют решением прямоугольного

Рис. 66. Отображение проекций трех различных точек в оптической сис­теме глаза. Световые лучи, идущие из точки В₂, преломляются в хруста­лике и проецируются точно на сетчатку, давая четкое изображение. Лучи из точки В₃ идут под более прямым углом и фокусируются в соответству­ющей точке В₃ перед сетчаткой, они рассеиваются и образуют на сетчат­ке размытое пятно. Лучи от точки В! собираются в теоретическом фокусе за сетчаткой, также оставляя на ней размытое пятно [27]

Рис. 67. Сведение оптических осей глаз на близкий (справа) и далекий

(слева) объекты

треугольника (рис. 68). А именно: по известной величине одного катета треугольника и двум его углам вычисляется второй катет.

Как показывают современные исследования, аккомодация и конвергенция не являются «сильными» зрительными признака­ми, т.е. не способны точно кодировать информацию об абсолют­ной и относительной удаленности воспринимаемых объектов [73; 135; 166]. Тем не менее имеющиеся экспериментальные данные не вполне соответствуют друг другу и носят противоречивый харак­тер. Это связано прежде всего с методической сложностью подоб­ных исследований, поскольку при экспериментальном изучении влияния какого-либо одного зрительного признака очень сложно исключить влияние других.

Бинокулярный параллакс¹ или бинокулярная диспаратность².При бинокулярном зрении всегда присутствует надежный зрительный признак (оптический по своей природе) относительной удален­ности двух объектов — бинокулярный параллакс или диспарат­ность. Дело в том, что, в силу пространственной разнесенности наших глаз, монокулярные поля зрения значительно перекрыва­ются, но проекции объектов, попавших в эту зону перекрытия, не являются идентичными. Когда мы конвергируем глаза на од­ном объекте (точке бификсации), то его проекции попадают на парные или корреспондирующие точки сетчаток (рис. 69). Однако все точки, расположенные дальше или ближе точки фиксации (на рис. 69 это точка Р), попадают на некорреспондирующие точки сетчатки, что является отражением диспаратности, т.е. факта попадания их проекций на непарные точки сетчаток. Диспарат-

¹ В контексте зрительного восприятия термин параллакс означает изменение
положения объекта.

² По-видимому, идея о том, что оба глаза видят окружающий мир по-разно­
му (в этом, собственно, и заключается смысл слов бинокулярный параллакс) и
это позволяет нам видеть его рельефно, принадлежит гениальному Леонардо да
Винчи.

³ Более корректно это понятие называть абсолютной диспартностью, в отли­
чие от так называемой относительной диспаратности, оцениваемой как разность
абсолютных диспаратностей между точкой бификсации и двумя другими точками.

Рис. 68. Оценка абсолютной удаленности объекта с по­мощью принципа триангуляции:

О — объект фиксации взора; Л и П — левый и правый глаз; АС_Л и АС_п — углы конвергенции левого и правого глаза, со­ответственно; АС равен сумме углов конвергенции и харак­теризует величину совместного поворота обоих глаз; Р — рас­стояние до объекта; 65 мм — средняя величина расстояния между оптическими центрами глаз [67]

О

\АС

^с„

, ^с_п

л

п

65 мм

ность³ (О) измеряется разностью углов конвер­генции на ближней и дальней точках, т.е. соот­ветствует изменению угла конвергенции при пе­реходе от точки бификсации (Р) к другой точке (О). Положительные значения диспаратности со­ответствуют тем случаям, когда точка фиксации расположена ближе к наблюдателю, отрицатель­ные — когда дальше. Величина диспаратности пропорциональна величине отношения с!/у², т.е. она растет при увеличении относительной удаленности и резко падает при увеличении абсолютной удаленности (см. рис. 69).

Глубина, Л

Видимая удаленность, у

Рис. 69. Демонстрация феномена диспаратности с помощью проекцион­ной схемы:

Р — точка фиксации; О точка Р; О = Аа - А§\ й —

- точка, расположенная от наблюдателя дальше, чем глубина, или относительная удаленность; у — видимая удаленность

АБ

Рис. 70. Схема зеркального стереоскопа Уитстоуна:

1 и 2 — зеркала, отражающие све­товые лучи от карточек, расположен­ных слева (3) и справа (4) от глаз испытуемого. Ход лучей в стереоско­пе от карточек до глаз обозначен стрелками. Пунктирные линии зада­ют положение объекта (буква Б, изображенная на карточках) в вир­туальном поле зрения испытуемого

Таким образом, при бинокулярном зрении имеется надежный зрительный признак, кодирующий степень относительной уда­ленности объектов в поле зрения — это величина бинокулярного параллакса, или диспаратность. Знак диспаратности строго соот­ветствует характеру расположения объектов — какой ближе, а какой дальше. Поэтому данный зрительный признак, кодирую­щий относительную удаленность объектов в поле зрения, счита­ется одним из самых важных признаков, включенных в сложную систему психо-физиологических механизмов стереозрения.

Строгие экспериментальные исследования роли диспаратно­сти в восприятии глубины начались после изобретения англий­ским физиком Ч.Уитстоуном в 1838 г. специального прибора — стереоскопа^. Он рассуждал следующим образом: «Поскольку ус­тановлено, что мы воспринимаем трехмерный объект при посред­стве двух неодинаковых изображений, спроецированных объек­том на обе сетчатки, возникает вопрос: каков будет видимый ре­зультат, если каждому глазу будет предъявлена его плоская про­екция, какая получается от него в этом глазу? Чтобы решить этот вопрос, необходимо изыскать способ спроецировать два изобра­жения, неизбежно находящиеся в разных местах, на одинаковые части обеих сетчаток» (цит. по: [28, 260]). Предложенная модель зеркального стереоскопа (рис. 70) позволяла предъявлять каждо­му глазу отдельные картинки с помощью света, отраженного от двух зеркал. Расстояние до зеркал подбиралось таким образом, чтобы человек не испытывал дискомфорта при аккомодации и конвергенции глаз на близко расположенное изображение. Фак­тически появилась возможность моделирования процесса обыч­ного бинокулярного видения предмета, расположенного перед наблюдателем, с помощью изменения величины диспаратности в строго контролируемых условиях. Именно результаты исследова-

¹ Ч.Уитстоуном был создан зеркальный стереоскоп. В эти же годы независимо от Ч. Уитстоуна был «разработан другим английским физиком Д.Брюстером ва­риант стереоскопа, основанного на использовании двух линз и призм.

ний Ч.Уитстоуна показали, что различие изображений, попадае-мых на оба глаза от одного и того же предмета, является основ­ным фактором восприятия глубины (рис. 71).

Блестящая демонстрация того, что наше восприятие глубины определяется величиной и знаком диспаратности, принадлежит венгерскому исследователю Б.Юлешу (1971). Он предъявлял ис­пытуемому созданные с помощью компьютера случайно-точечные стереограммы (рис. 72). Они выглядят на рисунке как абсолютно идентичные изображения некого орнамента. Однако они разные, поскольку центральные части этих рисунков смещены относитель­но центра рисунка: на левом немного влево, на правом немного вправо. Таким образом, для центральной части рисунка создана искусственная диспаратность. При рассматривании этих стерео­пар через стереоскоп наблюдатель видит, что в центре рисунка появляется небольшой квадрат, который как бы парит над фо­ном, выступая вперед по направлению к его глазам. Если стерео­пары поменять местами, то наблюдатель увидит этот квадрат «вдав­ленным» в поверхность рисунка, т.е. расположенным в глубине его. Такие опыты со стереограммами убедительно показывают, что человек может воспринимать глубину на основании одного лишь признака — диспаратности, поскольку в случайно-точечных сте-реограммах нет никаких иных изобразительных признаков глуби­ны (см. об этом 5.2). По-видимому, это автоматический и произ­вольно неконтролируемый процесс.

Есть еще один способ испытать стереоскопический эффект, не ис­пользуя стереоскоп. Можно воспользоваться специальным цветным изоб­ражением, называемым анаглифом. Это особое изображение, на котором обе картинки, соответствующие левой и правой стереопарам, окрашены

Что мы видим в стереоскоп?

Что мы видим в стереоскоп?

АБ

А Б

Б = + 2

А Б

АБ

Ъ=-2

Буква Б кажется расположенной позади буквы А

Буква Б кажется расположенной спереди буквы А

Рис. 71. Изменение восприятия букв А и Б по глубине в зависимости от знака диспаратности (О = +2; О = -2)

гт	Го"		! О		О	Го"		О	ГТ]
		О		О		[ О		О	1°
				О			О		:°
		О	У	А	А	В	В	О
			X	В	А	В	А	О
	О		X	А	А	В	А
			У	В	В	А	В	О
	О	О		I	О			К
		О	О			Ш		1Ч	\Ч
		О	О	О	I	!	1 ;		^

пг	о			%	$	О		®
г	%	О		О		О		О	О
о	О	I		О	I	\	О		О
о		О	А	А	В	В	X	О
I			В	А	В	А	У	О	1
О	О		А	А	В	А	У		О
		)/	В	В	А	В	X	О
г	ь	И)			О			О
/	А	О
и		о	®	О		I			@ 1

Центр левой стереопары смещается вправо

б Рис. 72. Стереограммы Юлеша (а) и принцип их создания (б)

в разные цвета (как правило, красный и зеленый) и напечатаны одна поверх другой с небольшим смещением (т.е. искусственно созданной диспаратностью). При обычном просмотре такого изображения оно ка­жется размытым, смазанным, как будто это дефект типографской пе­чати. Но когда мы рассматриваем его через очки с цветными стеклами (для левого глаза — красное, для левого — зеленое), то каждый глаз видит только свое изображение: левый — только зеленое, правый — только красное. Как результат — происходит слияние таких диспарат­ных образов, и мы видим не плоскую и размытую, а четкую и объем­ную картину.

Точка фиксации р

Рис. 73. Теоретический гороптер:

точки Г и Р\ Ри Р'попадают на корреспондирующие точки сетчатки правого и

левого глаза

Дальнейшие экспериментальные исследования показали, что существует определенный диапазон изменения диспаратности (от ее нулевого уровня), в котором испытуемые не различают две точки как расположенные одна дальше другой, т.е. существует нижний порог восприятия глубины. Если величина диспаратности выше этого значения, то человек начинает чувствовать относительную удаленность одной точки от другой, обе точки воспринимаются как два удаленных друг от друга объекта. При дальнейшем увели­чении диспаратности чувство глубины увеличивается. Еще боль­шее увеличение диспаратности приводит к двоению зрительного образа, или диплопии\ поэтому точки, находящиеся на значи­тельном расстоянии от точки фиксации, кажутся нам нечеткими, двоящимися. Анализ подобной перцептивной феноменологии по­казывает, что наша зрительная система способна объединять два различающихся (диспаратных) сенсорных потока в один слитый перцептивный образ. Сам факт слияния левого и правого поля зрения в единый образ, отмеченный еще Леонардо да Винчи, называют фузией, а перцептивный результат и сам процесс чув-

¹ В существовании диплопии легко убедиться следующим образом. Взяв в одну руку один карандаш, поместите его прямо перед собой и зафиксируйте на нем свой взор. Второй карандаш, находящийся в другой руке, медленно перемешай­те от себя, стараясь не переводить взор с кончика первого карандаша. В некото­ром отдалении от первого карандаша вы уже не сможете видеть второй карандаш так же четко, как и первый — он начнет двоиться.

Рис. 74. Форма эмпирического гороптера в

зависимости от удаления точки фиксации

от наблюдателя [73]

ственного переживания глубины полу­чил название феномен стереопсиса.

Геометрической моделью точек, име­ющих нулевую диспаратность, является окружность, проходящая через центры вращения обоих глаз и точку бификса-ции. Это геометрическое место точек, которые мы воспринимаем равноудален­ными, получило название теоретиче­ский гороптер (рис. 73).

Экспериментальные исследования Г. Гельмгольца и К.Огла показали, что в связи с особенностью геометрии самих глаз форма эмпирическо­го гороптера зависит от расстояния до точки фиксации. С удалени­ем точки бификсации от глаз наблюдателя гороптер теряет кри­визну, при расстояниях свыше двух метров его кривизна меняет знак (рис. 74).

Результаты варьирования величины диспаратности обнаружи­ли целый ряд перцептивных феноменов восприятия глубины, кото­рые описаны как зоны стереопсиса. Зона оптимального стереозре-ния была детально изучена и получила название зоны Панума, по имени немецкого физиолога П. Панума (1858). В этой зоне измене­ния диспаратности чувство стереопсиса максимально, зритель­ный образ обладает явной рельефностью и четкостью восприни-

Зона Панума (фузия)

Гороптер

Рис. 75. Области стереозрения:

точка фиксации; сплошная линия — гороптер; пунктирные линии обозна­чают границы зоны оптимального стереозрения — зоны Панума

маемых деталей. По разным данным эта зона составляет 15 — 30 уг­ловых мин относительно гороптера (рис. 75). После достижения не­которого критического значения, называемого порогом диплопии, наш образ начинает двоиться, но все равно мы продолжаем пере­живать чувство глубины. И наконец, после преодоления верхнего порога стереопсиса мы перестаем воспринимать слитный или фузи-рованный образ от двух диспаратных изображений. Этот феномен называется бинокулярным соревнованием: мы можем видеть в стерео­скоп поочередно то одно, то другое изображение или восприни­мать довольно неустойчивую и постоянно меняющуюся картину, состоящую из некоторой композиции обоих образов.

Знакомый размер

Наши оценки абсолютной и относительной удаленности объек­тов непосредственно зависят от имеющихся у нас представлений о размерах этих объектов. Это базируется на простом допущении того, что если человек хорошо знаком с размерами какого-либо предмета, то, видя его на расстоянии, ему несложно сделать за­ключение о его реальных размерах, основываясь на своих воспо­минаниях и соотнося их с угловыми размерами проксимального стимула (т.е. величиной сетчаточной проекции). Идея эта не но­вая, она высказывалась и Дж. Беркли, и Г. Гельмгольцем. В какой степени данная информация реально используется при постро­ении пространственного зрительного образа — это вопрос кон­кретных экспериментальных исследований. Их общая схема та­кова: создается искусственная стимульная ситуация, при кото­рой по возможности редуцируются все другие зрительные при­знаки удаленности и глубины, кроме знания испытуемого о раз­мерах некоторого предмета. Результаты подобных опытов пока­зывают, что знакомый размер как существенный признак рабо­тает лишь в обедненной сенсорной среде, т.е. при редукции или отсутствии других зрительных признаков [206]. В качестве приме­ра приведем интересные результаты известных опытов амери­канских психологов В. Иттельсона с игральными картами и В. Эп-штейна с монетами [93].

В опытах В. Иттельсона испытуемых просили оценить расстояние до игральных карт, которые предъявлялись им монокулярно и/или в тем­ном помещении. «Изюминка» этих опытов состояла в том, что карты были необычного размера: вдвое меньше или вдвое больше обычных. В первом случае испытуемые сообщали, что карта была приблизительно вдвое бли­же, чем она находилась на самом деле, во втором случае — приблизи­тельно вдвое дальше. Автор сделал логичный вывод: поскольку другие зрительные признаки были устранены и оценки удаленности игральной карты зависели только от размера ретинального изображения, то на по-

добную величину ошибки мог оказать влияние фактор знания испытуе­мыми размера игральной карты¹.

Эксперименты В.Эпштейна были аналогичными по замыслу. Испы­туемым в условиях монокулярного зрения и плохого освещения предъяв­лялись фотографии монет достоинством 10, 25 и 50 центов, которые, как хорошо известно американским испытуемым, отличались по диа­метру. Однако на фотографии 10-центовая монета была искусственно увеличена до размеров монеты в 25 центов, а 50-центовая монета, соот­ветственно, уменьшена до ее размеров. Все фотографии монет предъяв­лялись на одном и том же расстоянии от глаз испытуемого, чтобы обес­печить идентичность их ретинальных проекций. Результаты соответство­вали ожиданиям автора: испытуемые сообщали, что 10-центовая монета находится к ним ближе, чем 50-центовая.

Таким образом, данные опыты подтверждают гипотезу о том, что в условиях редукции привычных зрительных признаков уда­ленности наблюдатель, оценивая расстояние до объектов, может ориентироваться на их знакомый размер.