СЕНСОРНЫЕ СИСТЕМЫ, 2014, том 28, № 1, с. 3-14
= обзор
УДК 612.843.721+612.843.74
ЕСТЕСТВЕННЫЙ хгомостегеопсис:
причины и индивидуальные вариации бинокулярных пространственных цветовых эффектов. обзор
© 2014 г. Г. И. Рожкова, М. А. Грачева
ФГБУНИнститут проблем передачи информации им. А.А. Харкевича РАН 127994 Москва, Б. Каретный пер., 19 E-mail: gir@iitp.ru
Поступила в редакцию 21.05.2013 г.
Естественный хромостереопсис (ХС) - это бинокулярная иллюзия, состоящая в том, что воспринимаемые наблюдателем расстояния до равноудаленных от него объектов разного цвета заметно различаются. Величина и знак иллюзорного сдвига по глубине зависят от цветовых и яркостных характеристик объектов, условий освещения и особенностей оптического и рецепторного аппарата глаз наблюдателя. Со времени первого описания этого эффекта Дондерсом в середине XIX в. и первого объяснения иллюзии Эйнтховеном появилось много новых данных, свидетельствующих о большей сложности и более сильной индивидуальной вариабельности ХС, нежели представлялось вначале, и указывающих на многокомпонентность ХС. Если Эйнтховен считал возможным объяснить все особенности ХС только наличием поперечной хроматической аберрации оптики глаза и эксцентрическим расположением фовеа, то позднее стало очевидно, что в определенных условиях весомый вклад в ХС могут вносить также другие факторы: эксцентрическое расположение зрачков, эффект Стайлса-Кроуфорда (дирекциональная чувствительность фоторецепторов), когнитивные механизмы. В данном обзоре сделана попытка систематизировать имеющиеся экспериментальные данные о проявлениях ХС и представить теории, предлагавшиеся для объяснения механизмов ХС по ходу получения новой информации, не укладывающейся в рамки первоначальной концепции.
Ключевые слова: цветовые иллюзии, пространственное зрение, хромостереопсис, поперечная хроматическая аберрация, эксцентрическое положение фовеа и зрачков, эффект Стайлса-Кроуфорда.
Представленный в данной работе анализ имеющихся публикаций по хромостереопсису обусловлен недостаточным освещением этого феномена в научной литературе, тогда как необходимость в получении информации о нем уже давно ощущается не только специалистами по стереопсису или визуализации данных, но и практикующими офтальмологами. Дело в том, что при очковой коррекции зрения все чаще назначают линзы с призматическими компонентами (Утехин, 2009), которые могут вызывать возникновение сильной хромостереоскопической иллюзии, осложняющей восприятие истинных пространственных взаимоотношений между объектами разного цвета (Рожкова и др., 2012; Рычкова и др., 2014). Эту иллюзию, возникающую из-за ношения очков, мы будем называть очковым хромостереопсисом. Характер и степень таких искажений при ношении очков зависят от особенностей естественного, возникающего в отсутствии коррекционной
оптики хромостереопсиса. Учитывать вклад хро-мостереопсиса в пространственное восприятие становится все актуальнее, так как на улицах больших городов увеличивается количество световой рекламы и светящихся декораций, а также сигналов светофоров и огней безопасности на высоких зданиях, в связи с чем растет вероятность наблюдения пространственных цветовых иллюзий в сумерках и в ночное время.
Интерес к этому феномену в последнее время также стимулируется распространением различных 3D технологий как методов визуализации данных, и на сегодняшний день искусственный хромостереопсис уже используется в некоторых областях научной и практической деятельности -картографии, метеорологии, гидрологии, вулканологии, в обучении, в развивающих играх и искусстве (Steenblik, 1987; 1988; 1991; Toutin, 1997; Bailey, Clark, 1998; Wolf, 2003; Ostnes et al., 2004; Fauster, 2007).
Определение понятия "хромостереопсис" и краткая история исследования феномена
Смысловой перевод сложного слова "хромостереопсис" - это возникновение пространственных эффектов за счет цветовых различий, но в настоящее время этот термин употребляется в более узком смысле, чем можно было бы ожидать на основе его этимологии. На самом деле, существуют несколько принципиально разных типов пространственных цветовых иллюзий, имеющих оптическую, физиологическую, когнитивную или комбинированную природу. Тот факт, что цвета объектов оказывают влияние на их воспринимаемое расположение по глубине, художники знали и использовали с давних пор. Живописцы добивались иллюзии разной удаленности объектов на картине, варьируя цветовой тон и насыщенность их окраски. В этом отношении хрестоматийным примером является получение сильных эффектов пространственной протяженности ландшафтов по глубине за счет наложения голубой дымки, уплотняющейся по мере увеличения расстояния до изображаемых холмов, лесов, зданий. Одно из первых упоминаний о влиянии цвета, как такового, на восприятие удаленности можно найти в книге Гёте (Goethe, 1810).
В научной литературе термин хромостереопсис (ХС) относят лишь к конкретному типу пространственных цветовых иллюзий, обусловленных хроматической аберрацией оптики глаз. По современным представлениям, ХС - это бинокулярная пространственная иллюзия, заключающаяся в том, что объекты разного цвета, находящиеся на одинаковых расстояниях от наблюдателя, воспринимаются как разноудаленные из-за относительных смещений (диспаратностей) изображений, формируемых на сетчатках коротковолновыми и длинноволновыми излучениями. Подобные относительные смещения изображений на сетчатках двух глаз обычно возникают при наблюдении разноудаленных объектов, поэтому и смещения, обусловленные ХС-факторами, интерпретируются зрительной системой как информация о глубине. Обычно при дневном освещении красные объекты на темном фоне кажутся ближе, чем синие или зеленые, однако у части наблюдателей ХС-эффект инвертирован, а у некоторых совсем отсутствует. Кроме того, величина и знак ХС могут меняться с изменением уровня освещенности.
Хотя история изучения ХС насчитывает уже около 150 лет, пока не существует общей теории, удовлетворительно объясняющей все его аспекты. Одно из самых простых и ранних объяснений ХС базировалось на комбинации двух факторов: поперечной хроматической аберрации и смеще-
ния фовеа от заднего полюса глаза (условной точки пересечения сетчатки оптической осью). Однако впоследствии обнаружилось, что нужно принимать во внимание и другие факторы, например, эксцентрическое положение зрачка и эффект Стайлса - Кроуфорда.
Начало систематического исследования ХС (или цветовой стереоскопии, как иногда говорят) восходит, по крайней мере, к работам Дондерса (Donders, 1864; 1868). Учитывая, что коротковолновые (синие) лучи света преломляются оптикой глаз сильнее, чем длинноволновые (красные), Дондерс связал ХС-эффект с тем, что для фокусировки красного объекта требуются большие аккомодационные усилия, чем для фокусировки синего объекта (рис. 1), аналогично тому, что имеет место при наблюдении разноудаленных объектов. Таким образом, по Дондерсу, в основе ХС лежат сигналы о состоянии аккомодации. Хотя возможность использования аккомодационных сигналов для оценки расстояний ставится под сомнение до настоящего времени, работы Дондерса имели большое значение для систематического исследования ХС.
Теория Дондерса была не единственной монокулярной теорией обсуждаемого явления. Обзор нескольких параллельно возникших гипотез можно найти в работе Сандета (Sundet, 1978). Мы не будем на них останавливаться, так как к настоящему времени сформировалось мнение, что ХС -это бинокулярный феномен.
Более правдоподобное объяснение ХС было дано Брюкке (Brücke, 1868), который первым выдвинул предположение, что ХС может быть следствием комбинации двух факторов - достаточно выраженной хроматической аберрации, и несовпадения зрительной оси с оптической осью из-за эксцентрического положения фовеа на сетчатке. Кроме того, Брюкке первым отметил, что ХС подобен обычному стереопсису и определяется сетчаточной диспаратностью, т.е. различием в относительном расположении проекций объектов разного цвета на сетчатках двух глаз.
Однако Брюкке не смог объяснить наличия случаев нетипичного проявления ХС у некоторых людей - иллюзорного восприятия синих объектов ближе красных, и потому сам отказался от своей идеи. Позже эта идея была снова выдвинута Эйн-тховеном (Einthoven, 1885), который, не обращая внимания на сомнения Брюкке, развил ее и описал математически, а также высказал гипотезу о причинах существования двух типов ХС. В результате модифицированная Эйнтховеном теория Брюкке приобрела всеобщее признание и цитируется как теория Эйнтховена. Эйнтховен дал следующее краткое описание сути этой теории:
... если, к примеру, синие лучи преломляются оптикой глаза сильнее, чем красные, их фокусы не только будут лежать на разных уровнях (хроматическая аберрация), но и составят различные углы с оптической осью и будут стимулировать диспаратные точки. Получится, что лица, у которых зрачки смещены к вискам, будут видеть красное ближе синего, а у тех, чьи зрачки смещены к носу, эффект будет инвертирован".
На рис. 2, а, б воспроизведены иллюстрации из статьи Эйнтховена, на которых показано различие в прохождении красных и синих лучей через оптический аппарат схематического глаза человека. Здесь изображены оптическая ось, проходящая через центр глаза и являющаяся его осью симметрии, и зрительная ось, проходящая от фиксируемой взглядом точки к центру фовеа. Угол между ними на рисунках Эйнтховена обозначен буквой а. Эти оси пересекаются в узловой точке схематического глаза, обозначенной на рисунке буквой k. Как известно, узловая точка -это центр условной оптической линзы, которой можно приближенно заменить всю оптику глаза. Угол а считается положительным, если зрительная ось пересекает роговицу в носовой половине, т. е. когда фовеа располагается в височной части сетчатки, и отрицательным при обратной ситуации. Следует иметь в виду, что в отечественной литературе данный угол иногда обозначают буквой у. Об этом приходится упоминать, чтобы при чтении работ разных авторов не возникало недоразумений, поскольку в зарубежной литературе буквой у принято называть друго
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.