Перейти в начало сайта Перейти в начало сайта
Электронная библиотека «Наука и техника»
n-t.ru: Наука и техника
Начало сайта / Раритетные издания / Как мы видим то, что видим
Начало сайта / Раритетные издания / Как мы видим то, что видим

Научные статьи

Физика звёзд

Физика микромира

Журналы

Природа

Наука и жизнь

Природа и люди

Техника – молодёжи

Нобелевские лауреаты

Премия по физике

Премия по химии

Премия по литературе

Премия по медицине

Премия по экономике

Премия мира

Книги

Безумные идеи

Как мы видим то, что видим

Крушение парадоксов

Превращение элементов

Луи де Бройль. Революция в физике

Часы. От гномона до атомных часов

Издания НиТ

Батарейки и аккумуляторы

Охранные системы

Источники энергии

Свет и тепло

Научно-популярные статьи

Наука сегодня

Научные гипотезы

Теория относительности

История науки

Научные развлечения

Техника сегодня

История техники

Измерения в технике

Источники энергии

Наука и религия

Мир, в котором мы живём

Лит. творчество ученых

Человек и общество

Образование

Разное

Как мы видим то, что видим

Вячеслав Демидов

Глава одиннадцатая. Стереоширокоэкранное для каждого

Кавказ подо мною. Один в вышине
Стою над снегами у края стремнины...

Пушкин

– Лежит ли позади пирамидки какой-нибудь большой предмет?

– Да, целых три: большой красный брусок, большой зеленый кубик и синий брусок.

– Поставьте теперь самый маленький брусок на зеленый кубик, на котором стоит пирамидка.

– Ладно.

– Теперь поставьте сверху самую маленькую пирамидку.

– Ладно.

С кем ведется диалог? С человеком, неважно различающим цвета или формы предметов, которого вводят в пространственные и цветовые соотношения вещей? Ничего подобного. Это диалог с роботом, опубликованный еще в 1970 г.

Бездушный автомат, как некогда поругивали кибернетические устройства, уже тогда вполне различал цвет, величину, форму, положение вещей в перцептивном пространстве, сформированном его «электронным мозгом». Робот оперировал машинным языком, в котором были точно определены такие понятия, как «поддерживается другим предметом», «находится впереди», «находится напротив», «затеняется другим предметом», «способен быть опорой» и так далее.

Как воспринимает машина цвет или величину, в общем, легко можно представить: цветное телевидение нам хорошо известно, измерить площадь изображения на экране и сравнить с имеющимися в памяти эталонами тоже не составит особого труда. А вот форма, взаимное расположение предметов...

Когда вещи закрывают друг друга, их контуры пересекаются. Может показаться, что это плохо: как же, глазу виден не весь предмет, а только часть. Однако именно данное обстоятельство дает зрению массу сведений, сведений очень полезных. В точках пересечений могут сходиться две, три или несколько линий. А типов таких узлов не так уж и много – всего восемь.

Мы судим о пространственном расположении предметов, невольно анализируя, как они закрывают друг друга

Рис. 63. Мы судим о пространственном расположении предметов, невольно анализируя, как они закрывают друг друга

Если узел выглядит как две линии, пересекающиеся под острым углом, то область снаружи и область внутри угла принадлежат, скорее всего, разным предметам. Когда три линии сходятся под углами, каждый из которых меньше 180° («вилка»), – это границы трех поверхностей одного и того же тела. А вот если один из этих трех углов больше 180° («стрелка»), то две области принадлежат одному предмету, а третья – другому. Очень вероятно, что это «другое» – фон, на котором развертывается действие. Узел «Т» (два смежных угла, равных в сумме 180°) обычно означает, что некая плоскость закрывает тело, которому принадлежат поверхности, образующие смежные углы узла.

Оглянитесь вокруг, и вы увидите, что узлы действительно служат важнейшими признаками глубины пространства. Каждый из них сообщает об отношениях поверхностей между собою, о том, принадлежат ли эти поверхности одному телу или нескольким, впереди или позади другой находится интересующая нас, над или под нею. Узлам присвоили наименования, сформулировали правила действия над ними и соответствующими поверхностями, чтобы робот смог ориентироваться в комнате, где разбросаны детские кубики.

Линии – узлы – зоны – поверхности – тела – общая сцена...

Правила опознания, заложенные в память ЭВМ робота, обеспечивают его ориентацию в пространстве, определяют путь расшифровки ситуации, в которой он оказался.

Для программистов стало большим открытием, что когда предметы отбрасывают тени, описать сцену и правильно распознать увиденное роботу-манипулятору куда проще,чем без теней. «Ранние исследования были более трудными из-за предположения, что тени – это всего лишь досадное усложнение», – отметил Патрик Уинстон, редактор книги «Психология машинного зрения».

Вторым открытием создателей опознающих программ было то, что для опознания формы следует анализировать не только расположение линий и теней, но и игру полутонов отраженного от предметов света. Инженеры, наконец, пришли к тому, что уже тысячелетия назад было известно людям искусства и модницам: щеки под действием темных румян кажутся более выпуклыми, делающая кожу матовой пудра придает лицу мягкость линий и нежность...

Робот, с которым велся разговор по поводу разноцветных кубиков, был одноглазым – смотрел вокруг себя объективом одной-единственной телевизионной камеры. И все-таки мир для него представлялся объемным, разделенным на передние и дальние планы. Это еще раз подтвердило известную офтальмологам истину: объемность и стереоскопичность – совсем не одно и то же, хотя такие понятия дилетантам кажутся на одно лицо.

Ну а мы с вами не хотим быть совсем уж дилетантами. В чем же разница?

Пушкин писал:

Здесь тучи смиренно идут подо мной;
Сквозь них, низвергаясь, шумят водопады;
Под ними утесов нагие громады;
Там, ниже, мох тощий, кустарник сухой;
А там уже рощи, зеленые сени.
Где птицы щебечут, где скачут олени.

Эту разворачивающуюся, многоплановую картину поэт видел обоими глазами, бинокулярно.

Но и робот своим единственным монокулярным телеглазом рассмотрел бы все именно в такой последовательности. Ведь на расстояниях свыше километра объемность пейзажа воспринимается человеком только панорамно, то есть потому, что предметы закрывают друг друга и демонстрируют взору разнообразные узлы схода контуров (помните, как в горах или в космосе, когда такого последовательного перекрытия планов нет, люди грубо ошибались в расстояниях?). Есть и другие «вторичные» признаки, по которым мы видим панорамно и отличаем близкое и далекое: различны относительные размеры деревьев, людей, домов, изменяется их окраска (происходит то, что художники называют линейной и воздушной перспективами), по-иному ложатся светотени...

Уже классическим примером стал случай со знаменитым летчиком-испытателем Сергеем Николаевичем Анохиным, который, потеряв в авиакатастрофе глаз, сумел оставшимся глазом натренироваться в определении дальности и панорамном видении. Так что особая, предельно строжайшая врачебная комиссия признала его годным к летной работе. Ведь глаза дублируют друг друга, и каждый умеет определять объемность с помощью вторичных признаков.

А первичный признак – это стереоскопичность, действующая на расстояниях меньше километра (у некоторых людей, правда, область эта более обширна, достигает полутора километров, потому что глаза у них расставлены шире обычного). Объемность тут возникает потому, что правый и левый глаз видят предметы немного по-разному: не только фасад, на который направлены и где сходятся оптические оси обоих яблок, но каждый слегка и «свою» боковую сторону (такое уклонение от центрального рассматривания называют параллаксом, от греческого параллабо – уклоняюсь).

В среднем глаза наши разнесены на шесть с половиной сантиметров, отсюда и километровая граница стереоскопического зрения, дальше мозг уже не улавливает разницу изображений. А если нужно дальше, военные берут стереотрубы и дальномеры, в этих приборах база – расстояние между объективами – измеряется десятками сантиметров, даже метрами, соответственно возрастает стереоскопическая глубина пространства. При шестиметровой базе она достигнет двух десятков километров.

В «Книге о живописи» Леонардо да Винчи есть такие строки: «Натуру, рассматриваемую двумя глазами, невозможно передать на картине так, чтобы там она была видна с равной выпуклостью, хотя бы линии, свет, тени и цвет переданы были совершенно в точности». (Вполне возможно, что художники и философы задумывались об этом и раньше, но слова Леонардо – первое письменное свидетельство.)

Почему? Потому что написанная художником плоская картина попадает одинаково на одни и те же точки сетчатки в правом и левом глазу: глаз сразу замечает отсутствие стереоскопической объемности.

Чтобы предметы стали стереоскопичными, изображения на правой и левой сетчатках обязаны быть несимметричны относительно оптической оси глаза. Тогда мышцы поворачивают глаза так, чтобы одинаковые точки изображений пришлись на так называемые корреспондирующие области сетчаток. После этого две картинки сливаются в одну и происходит фузия, по терминологии офтальмологов.

Англичанин Джозеф Гаррис в 1775 г. осознал роль параллакса: «...Это дает нам видимый рельеф предмета, помогая различить его и отделить от плоскости, в которой он лежит. Так, нос тем более выделяется, чем больше мы видим его с обеих сторон лица одновременно». А 63 года спустя его соотечественник лорд Чарлз Уитстон (который придумал известный всем электротехникам, а сейчас, кажется, и школьникам «мостик Уитстона» для высокоточного измерения электрических сопротивлений), сконструировал первый в истории стереоскоп. С помощью этого прибора изобретатель продемонстрировал, что две нарисованные с чуть-чуть разных точек зрения картинки – о фотографии тогда еще никто ничего не знал, и их рисовали с помощью двух разнесенных камер-обскур – после слияния дают чрезвычайно объемный образ.

В том же году французский изобретатель Дагер обнародовал свой способ получения фотографических изображений – дагерротипов, и уже несколько месяцев спустя знаменитый физик Араго высказал мысль о возможности стереоскопической фотосъемки...

Вернемся в физиологию. Удивительно, но мало кто осознаёт, каким поразительным достижением эволюции является сама по себе способность видеть. Нейронные связи зрительной системы, благодаря которым формируется бинокулярный объемный образ, возникают не случайно, не просто потому, что в мозгу миллиарды нейронов, – нет, для этой фантастически сложной сети есть план, генетически заложенный в организм.

Среди прочего подтверждение этому – многочисленные опыты, начало которым положили эксперименты английского физиолога Т. Бауэра. Благодаря им стало ясно: способность к объемному восприятию возникает у малышей «сама собой».

Двухмесячные дети, у которых нет еще серьезного зрительного опыта (они ведь по большей части спят), определяют расстояние до кубиков независимо от размера изображения на сетчатке. Что делал Бауэр? Он ставил кубики разного размера так, чтобы картинки на сетчатке были одинаковыми. Или, наоборот, располагал одинаковые кубики так, чтобы они проецировались на нее как предметы разного размера.

Ухищрения оказались напрасны. Малыша обмануть не удалось. «Свой», контрольный кубик он никогда не путал с «подделывающимися» под него. Не путал потому, что смотрел на мир обоими глазами и что именно к этому моменту, к восьмой неделе жизни, его глаза приобрели некоторую возможность двигаться слаженно. Стали, пусть еще не очень умело, взаимодействовать так, как того требует бинокулярное стереоскопическое зрение.

Вся работа шла по классической методике условных рефлексов. А когда надо было поощрить младенца, подкрепить правильный выбор, ему не еду давали, как щенку там или котенку, – нет, с ним играли в «ку-ку». Из-под стола появлялась вдруг симпатичная улыбающаяся девушка, говорила весело: «Ку-ку!», и за такую «духовную пищу» малыш готов был по двадцать минут участвовать в эксперименте, не засыпая.

Но, конечно, не следует преувеличивать возможности двухмесячного младенца. Гигантскую по сложности программу формирования аппарата бинокулярного зрения ему предстоит еще очень долго осваивать. Особенно важны первые полгода после рождения, любые нарушения в это время тяжко отзываются на последующем.

Примерно к трем годам острота зрения ребенка достигает 2/3 остроты взрослого, и в это же время оканчивается второй критический период развития бинокулярного восприятия окружающего мира. Однако все еще нельзя сказать, что стереоскопическое зрение вполне отлажено: по многим данным, лишь к 11...13 годам это восприятие поднимается на уровень взрослого.

К сожалению, существует немало наследственных и приобретенных причин, нарушающих в раннем детстве (а порой и в зрелом возрасте) способность к фузии. Изображения от обоих глаз тогда не сливаются в одно. Расслабьте глазные мышцы, глядя на эту страницу, и вы ощутите, каково приходится человеку с таким дефектом: строчки раздваиваются, ни читать, ни даже просто видеть в таком состоянии невозможно...

– Крайне тягостное ощущение, – говорит профессор Эдуард Сергеевич Аветисов, руководитель одного из отделов Научно-исследовательского института глазных болезней имени Гельмгольца, где лечат косоглазие, восстанавливают панорамное, а нередко и объемное бинокулярное зрение. – Мозгу тут ничего не остается, как убрать, подавить одну из картинок. А что значит – подавить? Человек сам себя делает, по сути, слепым на один глаз! И хотя весь зрительный путь в порядке, – возникает амблиопия. Если такое случится в раннем детстве, когда малыш еще не умеет говорить, он и пожаловаться не может. Мозг же, эта сверхпластичная система, перестроится с возрастом настолько, что привести зрение в норму будет нелегко.

– Придется резать глазные мышцы, чтобы исправить положение глаз?

– Если бы только это, проблемы бы не было. Одной операцией ничего не добиться. Надо пробудить нейроны, которые долгое время не действовали или действовали, так сказать, в десятую долю своей силы. Надо активизировать сетчатку, высшие отделы зрительного тракта.

Оказывается, у страдающих косоглазием и связанными с этой болезнью нарушениями бинокулярного зрения, по-иному, чем у здоровых, функционируют зрительные области головного мозга. Подавление работы зрительного пути не означает, что глаз потерял светочувствительность. До затылочных отделов коры идут какие-то сигналы, а в коре, там, где два изображения должны слиться вместе, «ненужные» сигналы отбрасываются. Даром для нейронных структур это не проходит...

Как же врач пробуждает нейроны? Эдуард Сергеевич рассказал, что для этого существует несколько методов. Например, центральную ямку сетчатки раздражают очень мощным, тонким, словно спица, лучом. Способ так и называется – «слепящее» (он жестом и голосом изобразил кавычки) раздражение. Аветисов и его коллеги предложили метод давно, еще в начале 60-х гг., и сейчас его используют в детских садах, где лечат страдающих амблиопией детей. В итоге дремлющие связи между сетчаткой и зрительной корой пробуждаются, острота зрения косящего глаза возрастает, нередко весьма существенно – с сотых долей нормальной остроты почти до единицы.

Другой метод – длительную «заклейку», окклюзию глаза, видящего хорошо, – предложил еще в 1743 г. известный французский естествоиспытатель Бюффон. Он написал об этом в диссертации «О причинах косоглазия и способах его лечения», и метод оказался настолько хорош, что врачи пользуются им и спустя почти два с половиной столетия.

А из новейших способов лечения стоит отметить раздражение сетчатки лучом лазера, формирующего на глазном дне черно-красные решетки заданной врачом пространственной частоты. (Решетки! Вот до каких практических высот поднялись они, эти кое-кому представлявшиеся «пустыми» нейрофизиологические идеи о мозговой голографии!)

Лазер хорош тем, что созданная им решетка – это следствие интерференции лучей, а значит, она обладает такими великолепными характеристиками, которых с помощью диапозитива никогда не получить. Ее контрастность близка к ста процентам, то есть в самых темных местах у нее действительно чернота, отсутствие света. Яркость же света изменяется в линиях решетки не скачком, а плавно, синусоидально. Так создаются идеальные условия для прохождения сигнала через зрительный тракт. А решетки, как мы знаем, – это тот самый сигнал, на который природой настроены рецептивные поля нейронов затылочной коры. Кстати, именно с помощью лазерных решеток установили, что безукоризненно работающий глаз воспринимает лучше всего все-таки вертикально ориентированные линии, а хуже всего – наклонные под углом 45 градусов.

Почему же лазер действует на «молчащий» зрительный путь? Прежде всего потому, что не нужно представлять себе дело так, будто мозг ребенка, страдающего косоглазием, прерывает каким-то магическим выключателем этот нейронный канал. Уже говорилось, что мозг поступает иначе: снижает уровень сигнала от «мешающего» глаза. В зрительную кору поэтому поступает только грубое, расплывчатое изображение. А яркий свет на сетчатке снимает торможение, блокирующее проводящий путь, стимулирует видение решеток высокой пространственной частоты, способствует работе «молчавшего» глаза.

Однако пробудить его функцию – этого еще мало для возрождения бинокулярного зрения. Профессор Аветисов вместе с доктором медицинских наук Тамарой Павловной Кащенко разработали методику «диплоптики», то есть принудительного восстановления двойного изображения вместо той иллюзорно-одиночной картинки (не будем придираться к неточности слова «иллюзорной» в этом контексте), которую видит страдающий косоглазием человек.

– Знаете, что нас больше всего радует во время курса лечения? – сказал Аветисов. – Когда больной вдруг говорит: «Доктор, у меня в глазах две картинки!» Это значит, пробудился молчавший до того зрительный путь, убрано подавление. Дальше лечить уже будет куда проще.

Способ оказался очень эффективным. Примерно у 85 процентов больных восстанавливается симметричное положение глаз, а у 60 процентов – истинно бинокулярное восприятие.

Создавая свою методику лечения косоглазия, Аветисов и Кащенко придумали несколько новых контрольно-исследовательских приборов и среди них такой, который может незаметно для испытуемого увеличивать или уменьшать одну из картинок в стереоскопе. С его помощью было сделано открытие: мозг умеет сливать в нераздваивающийся образ приходящие от глаз изображения, даже если одно отличается от другого по размеру на 65 процентов. А ведь раньше считали, что 5 процентов – уже предел... Мало того, сцепленность образов, фузия, сохраняется, даже когда экспериментатор вводит в поле зрения особые призмы, как бы растаскивающие изображения на обеих сетчатках в разные стороны. У больных, конечно, показатели устойчивости хуже. Но прибор и создан для того, чтобы объективно выявлять людей со склонностью к косоглазию, с едва начавшейся болезнью.

Как можно объяснить новооткрытый феномен? Если придерживаться классических представлений о передаче картинки из сетчатки в затылочную кору методом «точка в точку», столь огромное различие в размере таинственно. Оно просто невозможно без развала бинокулярного восприятия.

Современная же нейрофизиология, оперирующая понятиями рецептивных полей, может высказать некоторые соображения на этот счет (правда, опытами они еще не подтверждены). Во-первых, сигнал от каждого фоторецептора приходит, как известно, на множество модулей зрительной коры. Во-вторых, относящиеся к одному глазу модули – глазодоминантные – расположены вовсе не как солдаты в парадной шеренге: никаких стройных рядов, лабиринт – вот слово, какое только и может охарактеризовать топографию модулей глазодоминантности. И наконец, не следует забывать, что в зрительном тракте образ передается системой параллельно действующих каналов, так что форма и размер отражаются разными нейронными структурами. Поэтому до определенного момента изображения, пришедшие от каждого глаза, будут отмечаться в коре как одинаковые, несмотря на различия в размерах. И только потом, когда сигнал от канала размера превысит некий порог, изображения разъединяются – возникает диплопия.

Пространственно-частотный подход к определению характеристик зрительного аппарата оказался очень продуктивен в таком важном деле, как массовое обследование людей, чтобы выявить малозаметные, но опасные признаки начавшегося заболевания. Ведь здесь важно иметь надежный, не требующий дорогой аппаратуры, а главное, быстрый метод. Его и разработали ленинградские ученые: профессор Вениамин Васильевич Волков, начальник кафедры офтальмологии Военно-медицинской академии, сотрудница той же кафедры Людмила Николаевна Колесникова и старший научны» сотрудник лаборатории физиологии зрения Института физиологии им. И.П. Павлова АН СССР Юрий Евгеньевич Шелепин. Суть метода очень проста. Вы усаживаетесь перед прибором, а на его экране движется неширокая щель, в которой видна решетка какой-либо пространственной частоты. Таких решеток восемь, каждая нарисована так, что ее контрастность плавно изменяется. Поэтому видится решетка во время прохождения щели сначала расплывчато, потом четко. Начинают пускать щель с самого малого контраста и самой низкой пространственной частоты, а от человека только и требуется, что сказать «Вижу!» в тот момент, когда он заметил прутья решетки. Можно проверять оба глаза сразу, можно каждый в отдельности, то и другое очень важно для диагностики.

Оказывается, существует при нормальном зрении вполне определенный порог контрастности, до которого решетка не видна, как ни старайся ее разглядеть. И пороги эти (относительно каждой решетки) свои, они закономерно изменяются с возрастом. Лучше всех видят молодые люди от 15 до 25 лет, а малыши и пожилые различают высокие пространственные частоты значительно хуже – мы с вами уже знаем, почему.

Показав каждому глазу по восемь таблиц, врач получает достаточно объективную характеристику качества зрения: вот такие-то решетки пациент различаете хуже, чем положено для его возраста... И что еще важнее, по характеру изменений врач может судить, нет ли тенденций к такому неприятному заболеванию, как глаукома, не обнаруживаются ли настораживающие сдвиги в периферическом зрении (которым сразу замечаем движущийся сбоку автомобиль).

Решетку не обманешь, как порой это бывает, если остроту зрения определяют с помощью таблиц с буквами и цифрами. Некоторые ловкачи выучивают их наизусть и бойко отвечают, хотя им уже давно пора обзавестись очками. С решеткой иное дело. Ее номер пациенту не известен, и он зря будет говорить «Вижу!», если ничего не увидел: врач пустит щель по той же решетке еще раз и мигом разоблачит обман.

Вернемся, однако, к бинокулярному зрению, где нас ожидает еще немало любопытного...

Слитный бинокулярный образ возникает лишь тогда, когда поля зрения обоих глаз перекрываются. Чем больше перекрытие, тем шире сектор стереоскопического зрения, но зато пропорционально меньше угол панорамного образа.

Природа по-разному наделила этими качествами зрительные аппараты разных животных.

Общее правило таково: у жертв выше панорамность, но ничтожна или даже совсем отсутствует стереоскопичность, а у хищников панорамность сравнительно с жертвами невелика, зато сектор стереоскопичности занимает почти все поле зрения. (Строго говоря, истинная стереоскопия возможна только тогда, когда сливаются изображения, попадающие на центральную ямку сетчатки, в область наиболее четкого зрения, а это как раз и присуще только хищникам.)

Скажем, у зайца сектор стереоскопии всего десять градусов, по пять с той и другой стороны от продольной оси тела. Панорамность же – 315 градусов, почти вся сфера вокруг как на ладони: подберись – хищник! Зато у кошки стереосектор занимает 120 градусов, а панорамность – 280.

Области стереоскопического зрения (заштрихованы) и панорамного восприятия предметов у мирного травоядного кролика и хищной кошки

Рис. 64. Области стереоскопического зрения (заштрихованы) и панорамного восприятия предметов у мирного травоядного кролика и хищной кошки

Нам, людям, природа дала 120 градусов стереоскопичности и 180 панорамности. Человек, выходит, хищник? Увы, мы в отряде приматов, а там, как своими собственными глазами видели участники экспедиции знаменитой Джейн Гудолл, шимпанзе едят обезьянок поменьше, таких, как молодые павианы...

Но, с другой стороны, у человека нет ни когтей, ни клыков, и стереоскопичность служит ему отличную службу, помогая увидеть врагов с их защитной, мимикрирующей окраской. Мы порой искренне восхищаемся мимикрией насекомых: ах, взгляните на фотографию: бабочка прямо-таки слилась с корою дерева! То-то и есть, что на фотографию... «Военные хитрости» насекомых годятся против тех врагов, которые лишены стереоскопического зрения и видят мир монокулярно, а как раз таково большинство насекомоядных птиц. Пестрая текстура коры и пестрая текстура крыльев бабочки или жука действительно неотличимы друг от друга при «одноглазом» видении. Фотография дает нам точку зрения птицы.

А будет рассматривать обоими глазами человек ту же бабочку на дереве – мимикрия не поможет (оттого-то мы и знаем, кстати, что мимикрия насекомых существует). Благодаря параллаксу выпуклое тельце бабочки окажется представленным на обеих сетчатках по-разному, и объемность насекомого сразу бросится в глаза.

Стереоскопические картинки Белы Юлеша. На этой особенности стереоскопического зрения основаны способы распознавания фальшивых денег

Рис. 65. Стереоскопические картинки Белы Юлеша. Если вы сумеете слить вместе по горизонтали пары этих картинок (для этого надо немного потренироваться, сводя глаза, – начните с нижней пары), то увидите, как пестрый квадратик выскочит из плоскости и повиснет над книжным листом. На этой особенности стереоскопического зрения основаны способы распознавания фальшивых денег

Известный биофизик Бела Юлеш, сотрудник компании «Белл Лэбретриз», продемонстрировал этот факт стереоскопического зрения очень изящным и простым опытом. Он взял два одинаковых фотоотпечатка текстуры, составленной из черных и белых точек, которые были разбросаны совершенно хаотически, случайно. Потом вырезал в центре каждого отпечатка по одинакового размера квадратику и сдвинул один вправо, другой влево, а образовавшиеся белые полосочки закрыл хаотической текстурой из точек. Получились две пестрые картинки, которые вы видите наверху.

Когда смотришь на них невооруженным глазом, вырезанные и смещенные квадратики увидеть невозможно, они спрятались в информационном «шуме» точек окружения. Однако стоит вставить картинки в стереоскоп или направить глаза в бесконечность, чтобы картинки слились. После небольшой тренировки это многим удается. Начните с того, что постарайтесь свести вместе два нижних, гладких квадрата и увидеть между ними еще один, слившийся, стереоскопический: над большим квадратом висит в воздухе маленький. Теперь медленно переведите глаза выше, и перед взором возникнет парящий над пестрым фоном пестрый же квадрат.

Открытие Юлеша заставило нейрофизиологов и психологов совершенно по-новому взглянуть на проблему стереоскопичности зрения. Оказалось, что мозг разыскивает с помощью нейронов коры некоторые одинаковые участки изображений в том и другом глазу, совершенно не интересуясь их осмысленностью и связью с общей картиной.

Как только такие одинаковые участки найдены (тут немедля на ум приходит гипотеза Глезера о кусочном квазиголографическом представлении образа в высших отделах мозга), им присваиваются метки «Находятся на таком-то расстоянии». Когда же все кусочки сольются в образ, в сознании возникает объемная сцена, зрительная картина, где одни предметы близко, а другие далеко, и куб отличается в профиль от круглой банки такого же размера.

Именно это свойство бинокулярного зрения использовал Гельмгольц (понятно, не подозревая о деталях нейрофизиологического механизма стереоскопии), когда предложил опознавать в стереоскопе фальшивые деньги. Как ни старается преступник, ему не под силу абсолютно точно, до долей миллиметра, скопировать рисунок банковского билета (тогда еще не существовало сверхвысокоточных лазерных сканеров и цветных принтеров). В стереоскопе ошибки «рукодельцев» немедленно всплывают над плоскостью бумаги, едва эксперт кладет рядом настоящую банкноту и поддельную.

А без стереоскопа: каким образом мозг отыскивает на сетчатке одинаковые участки изображений? На этот вопрос ответил Джон Петтигрю, работавший в Калифорнийском университете. Он открыл в затылочной коре кошки нейроны диспаратности (слово диспаратус по-латыни значит раздельный, обособленный). Термин говорит, что изображение на сетчатке правого и левого глаза выглядит чуть по-разному. Диспаратность тем больше, чем ближе к глазам находится предмет: оптические оси глазных яблок поворачиваются, сходясь в точке, привлекающей внимание, и все остальные точки оказываются по отношению к оптической оси диспаратными.

К каждому нейрону диспаратности приходят сигналы от обоих глаз: с правых сторон каждой сетчатки, как мы помним, информацию снимают нейроны левой затылочной коры, а с левых сторон – нейроны правой коры. То есть у любого такого нейрона существуют два рецептивных поля.

Схема работы стереоскопического зрения и нейрофизиологическая сеть с простыми и сложными зрительными полями, открытыми Джоном Петтигрю

Рис. 66. Схема работы стереоскопического зрения (сверху) и нейрофизиологическая сеть с простыми и сложными зрительными полями, открытыми Джоном Петтигрю из калифорнийского университета

До тех пор, пока данный участок изображения не попал сразу на оба этих поля, нейрон диспаратности молчит. А как только поля сразу увидят одинаковый кусочек, нейрон возбуждается, дает сигнал в высшие отделы зрительной системы. Причем максимальный ответ нейрона будет только тогда, когда изображение очутится точнехонько посередине каждого поля. Петтигрю назвал такие поля простыми (вот они, на нижней картинке). Обнаружил он и более сложные поля, объединяющие в себе как бы множество простых. Такие сложные поля привязаны к нейронам коры, объединенным в модули. Нейроны диспаратности формируют модули двух типов: для наведения глаз в данную точку пространства и для измерения дальности до отдельных точек (вернее, маленьких кусочков) предмета.

Наведением заведуют модули, для которых все равно, в каком направлении движутся глазные яблоки. Нейроны этих модулей обладают огромными полями, в несколько градусов по диагонали (здесь и далее измерения на сетчатке). Несмотря на это, они реагируют на ничтожную разницу в диспаратности. У кошки эта разница меньше двух угловых минут. У человека, по-видимому, около десяти угловых секунд, потому-то и четкость стереозрения наша куда лучше кошачьей. У орла... С орлами, увы, еще никто не занимался этой проблемой.

Помните поля, находящиеся на периферии сетчатки и сигнализирующие, что где-то сбоку появилось что-то движущееся? По команде этих полей глаза поворачиваются на это «что-то». А модули наведения, составленные из нейронов диспаратности, как бы ставят перед взором бессчетное число плоскостей, делают «срезы» пространства, чтобы дать мышцам фокусировки хрусталика команду: предмет находится там-то.

Что же касается модулей для измерения дальностей отдельных точек предмета, то топография их полей на сетчатке иная.

Прежде всего, эти поля невелики по размеру.

Во-вторых, если модуль диспаратности находится в левой затылочной коре, то все его относящиеся к правому глазу поля (физически расположенные на правой сетчатке) довольно плотно наложены друг на друга в некоторой области задней стенки глаза, тогда как поля этого модуля, относящиеся к левому глазу, разбросаны по левой сетчатке. Причем разность координат тем больше, чем дальше расположена в пространстве линия, возбуждающая данный нейрон модуля. Иными словами, каждый нейрон модуля как бы знает, на какую линию (то есть находящуюся на каком расстоянии) должен реагировать.

Обратную картину продемонстрируют модули в правой затылочной коре. Наложенные друг на друга поля относятся к левому глазу, а разбросанные – к правому.

Благодаря работе гигантского множества таких полей мы и видим не только плоские контуры, но и линии поверхностей: по сути, сами эти поверхности, как угодно расположенные в пространстве. Очень интересно, что имеются нейроны, способные реагировать не только на линии, как в опытах Петтигрю, но и на структуры, составленные из случайно разбросанных, по Юлешу, точек. Это открытие сделал Г. Поджио из Медицинской школы университета Джона Гопкинса. Нейроны Поджио демонстрируют чрезвычайно высокую точность работы стереосистемы наших глаз.

Ведь в случайно сформированной картинке Юлеша много похожих или почти похожих участков, так что зрение, казалось бы, обязано ошибаться. Но этого не происходит. И так как речь идет об опознании (на досознательном уровне) изображений бессмысленных, но имеющих определенную статистику чередований темных и светлых пятен, логика наших рассуждений уже в который раз заставляет обратиться к кусочному квазиголографическому отражению увиденной картины...

Модули, открытые Петтигрю, стали важным аргументом в давнем споре физиологов.

Сторонники одной схемы считали, что объемность – результат оценки мозгом сигналов от мышц, когда мы бродим взором по пространству, фокусируя глаза с одного предмета на другой. Мышцы. дескать, сводят оптические оси глаз, чтобы изображение не двоилось, – вот мозг и получает от этих мышц сигнал о дальности той или иной точки.

Защитники другой гипотезы утверждали, что вначале должен быть сигнал о положении предметов в пространстве. И только потом уж сформируется команда, куда повернуть глаз, на какую точку его фокусировать. В пользу второй гипотезы говорил доказанный Глезером еще в 1959 г. факт: на глаз человек оценивает расстояние в 30, а то и в 50 раз точнее, чем позволяет мышечное чувство. Еще один аргумент – известное каждому умение видеть объемно окружающую обстановку после удара молнии. Вспышка, как уже говорилось, столь коротка, что мышцы никак не смогут сработать, однако объемность пространства воспринимается, тем не менее, совершенно отчетливо.

Модули Петтигрю резко усилили позицию сторонников второй гипотезы. Действительно, в темноте, перед вспышкой, глаза направлены в бесконечность, таково уж свойство зрительной системы. Но как только полыхнет, нейроны диспаратности сразу отмечают расположение предметов, дают сигналы об их объемности. На это им вполне достаточно времени.

Однако в любом случае полный, объемный образ сформируется только после того, как полушария обменяются сведениями. Люди с рассеченным мозолистым телом не в силах построить стереоскопическое изображение. Они видят двумя глазами, но о глубине пространства судят только по вторичным признакам.

 

• Глава двенадцатая. Прямые последствия перевернутого

Оглавление


Дата публикации:

25 ноября 2011 года

Электронная версия:

© НиТ. Раритетные издания, 1998

В начало сайта | Книги | Статьи | Журналы | Нобелевские лауреаты | Издания НиТ | Подписка
Карта сайта | Cовместные проекты | Журнал «Сумбур» | Игумен Валериан | Техническая библиотека
© МОО «Наука и техника», 1997...2018
Об организацииАудиторияСвязаться с намиРазместить рекламуПравовая информация
Яндекс цитирования
Яндекс.Метрика