Хромостереопсис

Сине-красный контраст, демонстрирующий эффекты восприятия глубины.

3 слоя глубин «Реки, долины и горы»

Хромостереопсис — это визуальная иллюзия , при которой впечатление глубины передается в двухмерных цветных изображениях, обычно красно-синих или красно-зеленых цветов, но также может восприниматься с помощью красно-серых или сине-серых изображений. О таких иллюзиях сообщалось уже более столетия, и их обычно приписывали той или иной форме хроматической аберрации .

Хроматическая аберрация возникает в результате дифференциального преломления света в зависимости от его длины волны , в результате чего некоторые световые лучи сходятся в глазу раньше других (продольная хроматическая аберрация или LCA) и/или располагаются в несоответствующих местах двух глаз во время бинокулярного наблюдения. (поперечная хроматическая аберрация или ТХА).

Хромостереопсис обычно наблюдают с помощью мишени с красными и синими полосами и ахроматическим фоном. Положительный хромостереопсис проявляется, когда красные полосы воспринимаются перед синими, а отрицательный хромостереопсис проявляется, когда красные полосы воспринимаются позади синих. Было предложено несколько моделей для объяснения этого эффекта, который часто приписывают продольным и/или поперечным хроматическим аберрациям. Однако некоторые работы приписывают большую часть стереоптического эффекта поперечным хроматическим аберрациям в сочетании с корковыми факторами.

Было высказано предположение, что хромостереопсис может иметь эволюционное значение в развитии глазных пятен у некоторых видов бабочек.

Воспринимаемые различия в оптической силе цвета составляют около 2 диоптрий (синий: -1,5, красный +0,5). Эффект может проявляться гораздо более выраженным, если подходящие изображения просматриваются в очках, необходимых для коррекции близорукости, причем эффект почти полностью исчезает, когда очки снимаются.

История

Витраж хромостереопсиса

Его обычно можно встретить в витражах . Исторически художники знали об этом эффекте, используя его для создания приближающейся или удаляющейся перспективы в изображениях.

Красно-синий контраст использовался в портрете Гете.

Более двух столетий назад эффект восприятия глубины цвета был впервые отмечен Гете в его « Теории цветов », в котором он признал синий цвет удаляющимся, а желтый/красный — выступающим. Он утверждал, что «подобно тому, как мы видим высокое небо и далекие горы голубыми, точно так же синее поле кажется отступающим… (также) Можно смотреть на совершенно желтое/красное поле, тогда цвет кажется пронзить орган». Это явление, теперь называемое хромостереопсисом или стереоптическим эффектом, объясняет визуальную науку, лежащую в основе этого эффекта глубины цвета, и имеет множество последствий для искусства, средств массовой информации, эволюции , а также нашей повседневной жизни в том, как мы воспринимаем цвета и объекты.

Хотя Гете не предложил никакого научного обоснования своих наблюдений, в конце 1860-х годов Брюке и Дондерс впервые предположили, что хромостереоптический эффект обусловлен аккомодационным осознанием, учитывая, что глазная оптика не является ахроматической , а красные объекты требуют большей аккомодации, чтобы сфокусироваться на сетчатке. . Это понятие аккомодации затем можно было бы перевести в восприятие расстояния. Однако что Дондерс и Брюке изначально упустили в своей теории, так это необходимость бинокулярного наблюдения для получения хромостереопсиса. Позже, отклонившись от аккомодационной осведомленности, Брюке предположил, что хроматическая аберрация, наряду с временным внеосевым эффектом зрачка, может объяснить хромостереоптический эффект. Именно эта гипотеза до сих пор составляет основу нашего сегодняшнего понимания хромостереопсиса.

За прошедшие годы арт-анализ предоставил множество доказательств хромостереоптического эффекта, но примерно тридцать лет назад мало что было известно о неврологическом, анатомическом и/или физиологическом объяснении этого явления. Например, в 1958 году голландский историк искусства Де Уайльд отметил, что, анализируя -кубиста картину художника Лео Гестеля «Поэт Ренсбург», вместо использования традиционных признаков глубины, «если вы поместите фиолетовый рядом с желтым или зеленый рядом с оранжевым, фиолетовый и зеленый отступают. В общем, теплые цвета выступают вперед, а холодные отступают». В этом смысле хромостереоптический эффект придает формам пластичность и позволяет воспринимать глубину посредством манипулирования цветом.

Бинокулярная природа хромостереопсиса.

Принципиальная схема человеческого глаза

Бинокулярная природа хромостереопсиса была открыта Брюке и возникает вследствие положения ямки относительно оптической оси. Ямка расположена во времени относительно оптической оси , и в результате зрительная ось проходит через роговицу с носовым горизонтальным эксцентриситетом , а это означает, что средний луч, направляющийся в ямку, должен претерпевать призматическое отклонение и, таким образом, подвергаться хроматической дисперсии . Призматическое отклонение в каждом глазу происходит в противоположных направлениях, что приводит к противоположным сдвигам цвета, которые приводят к сдвигу стереоптической глубины между красными и синими объектами. Эксцентричная фовеальная рецептивная система, наряду с эффектом Стайлза-Кроуфорда , работают в противоположных направлениях друг от друга и примерно уравновешиваются, предлагая еще одно объяснение тому, почему испытуемые могут демонстрировать цветную стереоскопию «против правил» (отклонение ожидаемых результатов).

Изображение, которое может показывать четыре разных уровня глубины. От ближнего до дальнего: красный, желтый, зеленый и синий.

Обратный эффект

Доказательства стереоптического эффекта часто довольно легко увидеть. Например, когда красный и синий рассматриваются рядом в темном окружении, большинство людей будут рассматривать красный как «плавающий» перед синим. Однако это верно не для всех, поскольку некоторые люди видят обратное, а другие вообще не имеют эффекта. Это тот же самый эффект, на который и Гете указали в своих наблюдениях , и Де Уайльд. В то время как большинство людей будут рассматривать красный цвет как «плавающий» перед синим, другие испытывают обратный эффект, при котором они видят синий цвет, плавающий перед красным, или вообще не имеют эффекта глубины. Хотя может показаться, что это разворот дискредитирует хромостереопсис, на самом деле это не так, и вместо этого, как первоначально предложил Эйнтховен , его можно объяснить усилением эффекта и последующим разворотом через блокирование эксцентричного положения зрачка относительно оптической оси. Разнообразная природа хромостереоптического эффекта обусловлена ​​тем, что эффект глубины цвета тесно переплетен как с перцептивными, так и с оптическими факторами. Другими словами, ни оптические, ни перцептивные факторы не могут быть взяты изолированно для объяснения хромостереопсиса. Этот многофакторный компонент хромостереопсиса предлагает одно из объяснений изменения эффекта у разных людей, получающих одни и те же визуальные сигналы.

Эффект разворота из-за белого фона

Другой интересный эффект разворота наблюдался в 1928 году Верхуффом, при котором красные полосы воспринимались как более удаленные, а синие полосы - как выступающие, когда полосы располагались парами на белом фоне, а не на черном. зрачка Верховев предположил, что это парадоксальное обращение можно понять с точки зрения контуров яркости (см.: Иллюзорные контуры ). Зрачок имеет линии постоянной яркости, каждая последующая линия обозначает снижение эффективности на 25%. Примерно в 1998 году Уинн и его коллеги подтвердили интерпретацию Верхоффа об этом изменении, используя эксперименты на разноцветном фоне. Другое исследование также показало, что изменения контрастности границ могут привести к изменению глубины цвета при переключении с черного на белый фон.

В 1933 году Стайлз и Кроуфорд обнаружили, что светочувствительность ямки существенно различается для лучей, поступающих в глаз через центр зрачка, и лучей, входящих из его периферических областей. Они заметили, что обычное правило «интенсивность, умноженная на апертуру », не применимо при фовеальном зрении и что лучи, попадающие в глаз через периферические области зрачка, были менее эффективны примерно в пять раз. Этот эффект теперь известен как эффект Стайлза-Кроуфорда и также имеет значение для обратного хромостереоптического эффекта.

Теория

Контрастные прямоугольники красно-синего цвета.

В 1885 году Эйнтховен предложил теорию , которая гласит: «Это явление (хромостереопсис) возникает из-за хроматической разницы в увеличении , поскольку, поскольку, например, синие лучи преломляются средами глаза сильнее, чем красные, их фокусы не только лежат в разных местах. уровни (хроматическая аберрация), но образуют разные углы с оптической осью и, таким образом, стимулируют разные точки. Из этого следует, что люди с эксцентричными зрачками видят красное перед синим, тогда как с назально эксцентричными зрачками рельеф меняется на противоположный». Эйнтховен первым объяснил хроматическую аберрацию глаза, означающую, что глаза не фокусируют все цвета одновременно. В зависимости от длины волны фокус в глазах меняется. Он пришел к выводу, что причина, по которой люди видят красный цвет вместо синего, заключается в том, что свет с разной длиной волны проецируется на разные части сетчатки. Когда зрение бинокулярное, создается несоответствие, вызывающее восприятие глубины. Поскольку красный цвет сфокусирован во времени, кажется, что он находится впереди. Однако при монокулярном зрении этого явления не наблюдается.

Однако Брюке возражал против теории Эйнтховена на том основании, что не все люди считают красный цвет ближе, чем синий. Эйнтховен объяснил, что этот негативный хромостереопсис, вероятно, вызван эксцентричным расположением зрачков, поскольку смещение зрачка может изменить положение фокуса световых волн в глазу. Отрицательный хромостереопсис был дополнительно изучен Алленом и Рубином, которые предположили, что изменение угла между зрачковым центром и зрительной осью может изменить направление хромостереопсиса. Если зрачковый центр расположен височно от зрительной оси, красный цвет будет казаться ближе. Обратный эффект наблюдается, когда зрачковый центр расположен носом к зрительной оси.

Эффект Стайлза-Кроуфорда

Исследования пытались расширить основу традиционной хромостереоптической теории, включая работы Стайлза и Кроуфорда. В 1933 году Стайлз и Кроуфорд случайно обнаружили, что светочувствительность различается для лучей, входящих через центр, и для лучей, входящих из периферических областей глаза. Эффективность лучей меньше, когда лучи входят через периферическую область, поскольку форма колбочек , собирающих падающие кванты, отличается от формы колбочек в центре глаза. Этот эффект может вызывать как положительный, так и отрицательный хромостереопсис в зависимости от положения зрачка. Если зрачок центрирован на оптической оси, это вызывает положительный хромостереопсис. Однако, если зрачок значительно смещен от центра оптической оси, произойдет отрицательный хромостереопсис. Поскольку у большинства людей точка максимальной светоотдачи находится не в центре, эффекты Стайлза-Кроуфорда обычно будут иметь антагонистические хромостереоптические эффекты. Таким образом, вместо того, чтобы видеть красный цвет перед синим, синий будет виден перед красным, и эффект будет обратным. Эффект Стайлза-Кроуфорда также объясняет, почему положительный хромостереопсис уменьшается при снижении освещенности. При более низкой освещенности расширение зрачка увеличивает периферическую область зрачка и, следовательно, увеличивает величину эффекта Стайлза-Кроуфорда.

Хроматическая аберрация

Сравнение идеального изображения кольца (1) и изображений только с осевой (2) и только поперечной (3) хроматической аберрацией

Основная статья: Хроматическая аберрация

Считается, что стереооптическое восприятие глубины, полученное из двухмерных красных и синих или красных и зеленых изображений, вызвано в первую очередь оптическими хроматическими аберрациями . Хроматические аберрации определяются как виды оптических искажений , возникающие вследствие преломляющих свойств глаза. Однако другие [оптические] факторы, характеристики изображения и факторы восприятия также играют роль в эффекте глубины цвета в естественных условиях просмотра. Кроме того, роль могут играть и текстурные свойства стимула.

Ньютон впервые продемонстрировал наличие хроматической аберрации в человеческом глазу в 1670 году. Он заметил, что изолированные падающие световые лучи, направленные на непрозрачную карту, поднесенную близко к глазу, падают на преломляющие поверхности глаза под углом и поэтому сильно преломляются . Поскольку показатели преломления (см.: Показатель преломления ) изменяются обратно пропорционально длине волны, синие лучи (коротковолновые) будут преломляться сильнее, чем красные лучи (длинноволновые). Это явление называется хроматической дисперсией и имеет важные последствия для оптических характеристик глаза, включая стереоптический эффект. Например, Ньютон заметил, что такая хроматическая дисперсия приводит к тому, что края белого объекта окрашиваются в цвет.

Современные описания хроматических аберраций делят глазные хроматические аберрации на две основные категории; продольная хроматическая аберрация (LCA) и поперечная хроматическая аберрация (TCA).

Продольная хроматическая аберрация

Сравнение хроматических аберраций: На верхнем изображении показана фотография, сделанная встроенным объективом цифровой камеры (Sony V3). Нижнее фото сделано той же камерой, но с дополнительным широкоугольным объективом. По темным краям (особенно справа) заметен эффект аберрации.

LCA определяется как «изменение фокусирующей способности глаза для разных длин волн». Эта хроматическая разница варьируется от 400 до 700 нм в видимом спектре. При LCA преломляющие свойства глаза заставляют световые лучи с более короткими длинами волн, например синие, сходиться раньше, чем лучи с более длинными волнами.

Поперечная хроматическая аберрация

TCA определяется как изменение угла между преломленными главными лучами для разных длин волн. Главные лучи в данном случае относятся к лучам от точечного источника, проходящим через центр зрачка. В отличие от LCA, TCA зависит от местоположения объекта в поле зрения и положения зрачка внутри глаза. Расположение объекта определяет угол падения выбранных лучей. Согласно Снелла закону преломления , этот угол падения впоследствии определяет величину хроматической дисперсии и, следовательно, расположение изображений на сетчатке для различных длин волн света. При ТСА разные длины волн света смещаются в несоответствующих положениях сетчатки каждого глаза во время бинокулярного наблюдения. Хромостереоптический эффект обычно связывают с межглазной разницей в ТЦА. Цветовые эффекты глубины, вызванные TCA, можно воспринимать только на изображениях, содержащих ахроматическую информацию и один неахроматический цвет. Амплитуда воспринимаемой глубины изображения из-за стереоптического эффекта может быть предсказана по количеству индуцированного ТСА. Другими словами, по мере увеличения зрачкового расстояния от фовеальной ахроматической оси воспринимаемая глубина также увеличивается.

Последствия хроматических аберраций

Продольные и поперечные хроматические аберрации вместе влияют на качество изображения сетчатки. Кроме того, смещение зрачка от зрительной оси имеет решающее значение для определения величины аберрации в естественных условиях просмотра. При хромостереопсисе, если зрачки обоих глаз смещены во времени от зрительной оси, то синие лучи от точечного источника будут пересекать сетчатку с носовой стороны красных лучей от того же источника. Из-за этого индуцированного зрительного несоответствия кажется, что синие лучи исходят из более удаленного источника, чем красные лучи.

Эволюционное значение

Цитрусовый парусник Papilio demodocus

Хромостереопсис также может иметь эволюционное значение для хищников и жертв , что придает ему историческое и практическое значение. Возможным доказательством эволюционного значения хромостереопсиса является тот факт, что в боковых глазах охотящихся животных развилась ямка, имеющая очень большой угол между оптической осью и зрительной осью, позволяющий достичь хотя бы некоторого бинокулярного поля зрения. У этих охотящихся животных глаза служат для обнаружения хищных животных, что объясняет их боковое положение, обеспечивающее им полный панорамный обзор. Напротив, наблюдаемое развитие фовеал противоположно у хищников и приматов. Хищники и приматы в первую очередь зависят от бинокулярного зрения , поэтому их глаза стали располагаться фронтально. Таким образом, угол между их оптической и зрительной осью может быть уменьшен до почти незначительных значений (у человека примерно на пять градусов).

Бабочки , возможно, также воспользовались эволюционным преимуществом хромостереопсиса для развития характерного рисунка «глаз», который присутствует на их крыльях. Эти глазные пятна могут выглядеть как выдвинутыми вперед или уходящим в глубину в зависимости от их цветового рисунка, создавая эффект выпученных или уходящих глаз соответственно. Естественный отбор, возможно, разработал эти схемы цвета и текстуры, потому что он создает иллюзию выпученных или отступающих глаз гораздо более крупных организмов, чем настоящая бабочка, удерживая потенциальных хищников на расстоянии.

Еще один эволюционный пример хромостереопсиса происходит от каракатиц . Было высказано предположение, что каракатицы оценивают расстояние до добычи с помощью стереопсиса . Дополнительные данные свидетельствуют о том, что их выбор камуфляжа также чувствителен к визуальной глубине, основанной на эффектах глубины, вызванных цветом.

Методы тестирования

Для изучения влияния хромостереопсиса на восприятие глубины у людей было использовано множество различных методов тестирования. Технологический прогресс позволил проводить точные, эффективные и более убедительные испытания по сравнению с прошлым, когда люди просто наблюдали за происходящим.

В одном методе двадцать пять испытуемых из контрольной группы были протестированы с использованием цветовых эффектов глубины посредством использования пяти пар квадратов разного цвета. Цвета были синий, красный, зеленый, голубой и желтый. Испытуемых помещали в темную комнату, и цветные квадратные стимулы предъявлялись на 400 миллисекунд каждый, и в течение этого времени испытуемых просили обратить внимание либо на правый, либо на левый квадрат (равномерно уравновешивая всех испытуемых). С помощью джойстика испытуемый указывал, находится ли квадрат позади, впереди или в той же плоскости, что и его пара. Согласно теории, чем длиннее длина волны цвета, тем ближе он должен восприниматься наблюдателем для положительного хромостереопсиса. Имея большую длину волны, чем другие цвета, красный должен казаться ближе всего. Чтобы усилить этот эффект, испытуемые надели с блестящей решеткой с 3D-линзами High Definition ChromaDepth® C3D™ очки , которые содержат призматическую структуру, под углом преломляющую свет примерно 1 °, и прошли повторное тестирование.

Использование электродов для проверки активности мозга — еще один относительно новый способ проверки на хромостереопсис. В этой форме тестирования используются записи ЭЭГ зрительных вызванных потенциалов с помощью электродов. В одном эксперименте испытуемым, как и раньше, показывали разные стимулы в отношении цветового контраста и задавали вопросы о его глубине. Электроды, прикрепленные к испытуемым, впоследствии собирали данные во время эксперимента.

субъекта Другой, более часто используемый метод проверяет степень хроматической аберрации . В одном из таких экспериментов перед глазами испытуемого помещали щели, чтобы измерить хроматическую дисперсию глаз как функцию расстояния между щелями. Призмы перед глазами определяли разделение зрительной и нулевой осей. Результат этих отдельных измерений позволил предсказать видимую глубину, ожидаемую при стереоскопии полного зрачка . Согласие с ожидаемыми результатами было хорошим, что предоставило дополнительные доказательства того, что хромостереопсис зависит от хроматической дисперсии.

Другие экспериментальные методы можно использовать для проверки обратного хромостереопсиса - явления, наблюдаемого меньшинством населения. Направление хромостереопсиса можно изменить, переместив оба искусственных зрачка в носовом или височном направлении относительно центров естественных зрачков. Перемещение искусственных зрачков в носу вызывает стереопсис «синий перед красным», а перемещение их во времени имеет противоположный эффект. Это связано с тем, что перемещение зрачка меняет положение оптической оси, но не зрительной оси , тем самым меняя знак поперечной хроматической аберрации. Следовательно, изменения величины и знака поперечной хроматической аберрации, вызванные изменением латерального расстояния между маленькими искусственными зрачками, сопровождаются эквивалентными изменениями хромостереопсиса.

Исследовать

Хотя множество физиологических механизмов, вызывающих хромостереопсис, открыто и исследовано, вопросы до сих пор остаются без ответа. Например, многие исследователи полагают, что хромостереопсис вызван сочетанием нескольких факторов. В связи с этим в некоторых исследованиях предпринимались попытки выяснить, как различная люминесценция фона и различная люминесценция красного и синего цвета влияют на хромостереоптический эффект.

Кроме того, в предыдущих исследованиях использовался психофизический подход к изучению хромостереопсиса, чтобы документировать его как перцептивный эффект и наблюдать за его оптическими механизмами, но ни в одном исследовании не изучались нейрофизиологические основы хромостереопсиса.

Нейрофизиологическое исследование, проведенное Cauquil et al. описывает клетки, предпочитающие цвет V1 и V2, как кодирующие локальные характеристики изображения (например, бинокулярное несоответствие) и свойства поверхности трехмерной сцены соответственно. Исследование, проведенное Cauquil et al. на основании результатов электродной стимуляции указывает на то, что в хромстереоптической обработке участвуют как дорсальные , так и вентральные пути мозга. Это исследование также пришло к выводу, что хромостереопсис начинается на ранних стадиях обработки зрительной коры , сначала в затылочно- теменной области мозга, а затем на втором этапе в правой теменной области и височных долях. Кроме того, было обнаружено, что активность выше в правом полушарии , которое доминирует в корковой обработке трехмерных изображений, что указывает на то, что хромостереопсис является зависящим от задачи нисходящим эффектом. В целом, хромостереопсис затрагивает области коры, которые лежат в основе глубинной обработки как монокулярных , так и бинокулярных сигналов.