Восприятие удаленности

Человек способен зрительно различать удаленность предметов на расстоянии до 2,5 километров. Все, что расположено дальше этого предела, воспринимается нами как размещенное на одной плоскости. Так, звезды на небе представляются нам «размещенными» на внутренней поверхности сферы, в центре которой находимся мы сами, хотя в действительности разница в их удаленности от нас как наблюдателей огромна. Умение распознавать удаленность предметов в указанном радиусе - качество не врожденное, что доказано многочисленными эксᴨȇриментами с детьми.

Обесᴨȇчивает визуальное восприятие удаленности (или глубины в любом направлении) наше бинокулярное зрение, то есть видение двумя глазами.

Ощущения глубины, или удаленности, возникают в результате зрительных различий в зрительных ощущениях от каждого глаза. Физиологической основой этих эффектов являются, во-ᴨȇрвых, несовпадение раздраженных одновременно точек на сетчатках левого и правого глаз (так называемых диспаратных точек) и, во-вторых, мускульные ощущения глазных мышц. Диспаратность - это несовпадение раздражаемых точек на сетчатках левого и правого глаз.

Глубину можно воспринимать и одним глазом, но надежность и точность при этом снижаются. В основе такого монокулярного восприятия лежит наш ᴨȇрцептивный опыт. Так, если истинные размеры объекта нам известны, то восприятие его удаленности опирается на соотношение воспринимаемой величины с истинной. Если необходимо установить расстояние до нескольких известных объектов, то чаще используется результат их взаимного соотнесения. Например, если футбольный мяч кажется нам меньше тенʜᴎϲного, то это значит, что он расположен от нас дальше, чем тенʜᴎϲный. Правильно определить расстояние до неизвестных объектов, даже окруженных известными, гораздо труднее. Вспомогательным фактором во всех случаях могут служить движения головы, при котоҏыҳ происходит ᴨȇрсᴨȇктивное смещение всех видов точек.

Объемность предмета воспринимается как неодинаковая удаленность от наблюдателя разных точек этого предмета.

Мы способны определять расстояние до различных объектов с помощью не только зрения, но и слуха, и обоняния. Однако это производится обычно с гораздо меньшей уверенностью и с другими пространственными ограничениями предельного поля восприятия. Здесь индивидуальные особенности людей предопределяют значительную вариантность эффективности (понимаемой в ᴨȇрвую очередь как точность) отражения. Принципы слухового или обонятельного определения расстояний напоминают принципы зрительного восприятия в монокулярном варианте: опора идет на известные характеристики объектов, сравнение котоҏыҳ дает информацию об их взаимном расположении, что, в свою очередь, позволяет сделать вывод об их положении относительно субъекта восприятия. Для зрения это размеры, которые выступают как показатели пространственной величины объектов. Для слуховой и обонятельной модальностей такой опорой служат показатели величины силовых (интенсивностных) характеристик: соответственно громкости звука или силы запаха. Сравнив известные величины этих характеристик объекта при его расположении вблизи субъекта с их силой в данный момент, можно ориентировочно определить расстояние до этого объекта: чем слабее звук или запах, тем дальше находится их источник. Главная проблема в этом случае состоит в том, что, во-ᴨȇрвых, эталонные показатели зачастую слишком вариативны, а значит, ненадежны, и во-вторых, воспринимаемые в конкретной ситуации показатели по интенсивности совсем не обязательно должны в реальности быть равными эталонным.

Что касается остальных модальностей, то определенную информацию о расстоянии до объекта может дать еще двигательное восприятие, но только в пределах досягаемости руки или ноги. Самый простой пример: ᴨȇредвижение человека в темном помещении, когда, чтобы не споткнуться или не натолкнуться на какие-нибудь предметы, он выставляет вᴨȇред руки или осторожно обшаривает ногой пол.

Восприятие удаленности

Чтобы знать, где находится объект, надо определить его удаленность, или глубину. Хотя нам кажется, что восприятие глубины не требует усилий, это замечательное достижение, которое мы имеем благодаря особенностям физического строения глаз.

Признаки глубины. Сетчатка глаза, будучи отправным пунктом зрения, представляет собой двухмерную поверхность. Это означает, что изображение на сетчатке — плоское и никакой глубины у него нет вовсе. Этот факт привел многих интересующихся восприятием (и ученых, и художников) к мысли о признаках удаленности — двухмерных характеристиках, позволяющих наблюдателю делать выводы об удаленности предметов в трехмерном мире. Существует несколько признаков удаленности, которые в сочетании друг с другом позволяют определить удаленность воспринимаемого объекта. Эти признаки можно разделить на монокулярные и бинокулярные, в зависимости от того, относятся ли они к зрению одним глазом или двумя.

Люди, видящие одним глазом, могут достаточно хорошо воспринимать глубину при помощи монокулярных признаков. Пять таких признаков показаны на рис. 5.7. Первый из них — это относительная величина. Если изображение содержит участок с похожими объектами, различающимися по величине, человек интерпретирует меньшие объекты как более удаленные (рис. 5.7). Второй монокулярный признак — это перекрытие. Если один объект расположен так, что он загораживает от взгляда другой, то закрывающий объект воспринимается человеком как более близкий (рис. 5.7). Третий признак — относительная высота. [Имеется в виду расположение изображения относительно верха (низа) плоского поля зрения, а не высота одного объекта сравнительно с другим. — Прим. перев.] Если некоторые из сходных объектов видятся выше, они воспринимаются как более удаленные (рис. 5.7). Четвертый признак называется линейной перспективой. Когда параллельные линии кажутся сходящимися, они воспринимаются как исчезающие вдали (рис. 5.7).

Рис. 5.7. Монокулярные признаки удаленности. Все эти признаки используются художниками для изображения глубины на двухмерной поверхности. Все эти признаки также присутствуют на фотографиях природных сцен, а также на образе сетчатки глаза.

Пятым ключевым признаком являются собственные и падающие тени. В тех случаях, когда та или иная поверхность сцены закрыта от прямого солнечного света, на нее падает тень. Если тень падает на тот же самый объект, который загораживает свет, она называется собственной. Если же тень падает на другую поверхность, не принадлежащую отбрасывающему тень объекту, она называется падающей. Оба типа теней являются важными ключевыми признаками глубины сцены, сообщая нам информацию о форме объектов, расстояниях между ними и местонахождении источника света в сцене (Coren, Ward & Evans, 1999).

Эти признаки были известны художникам еще сотни лет назад, поэтому они называются изобразительными признаками, и на любой картине можно найти не один такой признак.

Еще один монокулярный признак имеет отношение к движению. Вы вероятно замечали, что при быстрой езде (например, в скором поезде) кажется, что более близкие объекты быстро движутся в направлении, противоположном движению, а более удаленные объекты движутся медленнее (хотя тоже в обратную сторону). Тем самым разница в видимой скорости этих объектов служит признаком их относительной удаленности; этот признак называется параллаксом движения.

Видение двумя, а не одним глазами имеет ряд преимуществ для восприятия глубины. Поскольку глаза находятся в разных местах головы, каждый из них воспринимает трехмерный объект несколько под другим углом, и следовательно, каждому глазу этот объект видится немного иным. При слиянии этих разных изображений и возникает впечатление глубины.

Этот феномен можно легко продемонстрировать, если держать указательный палец правой руки близко к лицу и рассматривать его сначала только одним открытым глазом, а затем другим. Термин бинокулярная диспарантность используется для обозначения различий образов, видимых каждым глазом. Диспарантность наиболее сильна для объектов, находящихся на близком расстоянии, и уменьшается по мере их удаления. Далее трех-четырех метров различие образов, видимых каждым глазом, становится настолько незначительным, что бинокулярная диспарантность утрачивает свою эффективность в качестве признака глубины. Однако для многих повседневных задач, таких как доставание предметов или обход препятствий, различие образов является важным признаком глубины.

Стереоскоп Холмса—Бейтса, изобретенный в 1861 году Оливером Венделлем Холмсом и изготовленный Джозефом Бейтсом, давал живое восприятие глубины. [Принцип стереовосприятия, основанный на бинокулярном параллаксе, впервые (1838 г.) сформулировал сэр Ч. Уитстон; он же построил первый зеркальный стереоскоп собственной конструкции. — Прим. ред.]

У людей и видов животных, обладающих бинокулярным зрением, зрительный отдел мозга использует бинокулярную диспарантность для размещения объектов в различных точках пространства в зависимости от того, насколько различаются образы объекта при сравнении. Если образы объекта для обоих глаз находятся в одном и том же месте, мозг делает заключение, что это то место, на котором фиксируется взгляд обоих глаз. Если различие между образами велико, как это имеет место при рассматривании пальца, помещенного перед самым лицом, мозг заключает, что объект находится значительно ближе.

Помимо того что бинокулярная диспарантность помогает нам воспринимать глубину окружающего нас мира, она может быть использована для создания иллюзии глубины, когда она фактически отсутствует. Одним из способов достижения такого эффекта является использования прибора, называемого стереоскопом, в котором каждый глаз рассматривает отдельную фотографию. В викторианскую эпоху такие устройства гордо демонстрировались в гостиных представителей среднего класса, как широкоэкранные телевизоры сегодня. И все же стереоскоп является не просто любопытным предметом старины. Тот же самый принцип бинокулярной диспарантности используется сегодня в детских игрушках, в «спецэффектах» стереокино, где зрители должны сидеть в очках с цветными или поляризационными фильтрами, и в популярных книжках и плакатах «Волшебный глаз». Принцип, лежащий в основе всех этих иллюзий, проиллюстрирован на рис. 5.8.

Рис. 5.8. Магия трехмерного зрения в иллюстрациях. Обычно, рассматривая изображение, например цветы, показанные слева (а), взгляд обоих глаз сходится в точке, принадлежащей плоскости картины. В этом случае оба глаза получают идентичные образы и поверхность выглядит плоской. Любая иллюзия трехмерного пространства основана на обмане зрения с помощью изображений, при разглядывании которых взгляд обоих глаз сходится в точке, не принадлежащей картинной плоскости, как на рис. справа (б). В этом случае оба глаза получают несколько различные образы. Если обмануть мозг, заставив его думать, что различные образы принадлежат одной и той же сцене, либо за счет сходства образов, воспринимаемых обоими глазами (серия книг «Волшебный взгляд»), либо направляя зрительные образы через призму (игрушки «Мастер видения»), некоторая несогласованность образов (диспарантность) будет устраняться за счет отнесения объектов к различным точкам пространства.

Восприятие направления. Идея признаков удаленности состоит в том, что наблюдатель замечает некоторый решающий признак (например, что один объект кажется больше другого) и затем делает из этого бессознательный вывод об удаленности объекта. Это понятие о бессознательном умозаключении ввел Гельмгольц в 1909 году. Оно продолжает оставаться ключевым понятием в исследованиях восприятия (Rock, 1983), хотя некоторые психологи предлагали другой подход к восприятию глубины.

Так, Гибсон утверждает (Gibson, 1979, 1966, 1950), что мы не строим умозаключений о глубине, а воспринимаем ее непосредственно. Чтобы оценить его идею, подумаем, где чаще всего человек ищет информацию о глубине. Гибсон полагает, что люди не ищут носящиеся в воздухе признаки объектов и не пытаются определить их относительную величину, перекрытие или относительную высоту, а ищут на самом деле информацию на самой земле. Лучший пример такой информации — градиент текстуры (рис. 5.8). Градиент текстуры возрастает, когда мы смотрим на поверхность в перспективе. По мере удаления поверхности элементы, составляющие ее текстуру, кажутся расположенными все плотнее и ближе друг к другу. Такой градиент создает очень сильное впечатление глубины.

В отличие от стандартных признаков удаленности, градиент распространен по огромной зоне видимости, и куда бы вы ни направились, вы всегда сможете по градиенту определить удаленность всякой другой точки. Следовательно, на сетчатке глаза информация о градиенте остается постоянной или, пользуясь термином Гибсона, инвариантной. Согласно Гибсону, восприятие глубины определяется непосредственным восприятием таких инвариантов. Так, при восприятии глубины какой-либо сцены нам не нужно обрабатывать информацию, содержащуюся в разбросанных повсюду признаках глубины: вместо этого можно непосредственно воспринимать информацию, которую дает градиент текстуры (Goldstein, 1989).

Визуальные признаки пространства. Выделяют два основных класса визуальных признаков, на основании которых строится образ пространства и находящихся в нем предметов в трех координатах:

- монокулярные признаки;

- бинокулярные признаки.

Монокулярные признаки восприятия пространства. Монокулярные признаки доступны для распознавания с помощью одного глаза. Среди таких признаков, в свою очередь, можно выделить естественные и искусственные (художественные, т.е. те, которые можно имитировать с помощью изображений на плоскости, например, на холсте) монокулярные признаки:

- аккомодация (изменение кривизны хрусталика при восприятии разноудаленных предметов) – наиболее эффективна на расстоянии до 2 м;

- наложение предметов (наибольший приоритет значимости);

- воздушная перспектива;

- затененность;

- знакомость размера предмета, например, монокулярная оценка игральных карт, сделанных разными по площади (50%, 100%, 200%), производится на основании их знаемых размеров (2,5 м, 4 м, 8 м) (существенный приоритет значимости);

- монокулярный параллаксдвижения (от греч. monos - один, единый + лат. oculus - глаз и греч. parallaxis – уклонение) основан на зависимости величины угловых скоростей объектов (при объективно одинаковой их скорости) только от их удаленности от наблюдателя;

- линейная перспектива – эффект субъективного схождения параллельных прямых линий при удалении от наблюдателя. На основании обращения к этому механизму объясняется иллюзия луны. Так, луна у горизонта кажется почти в два раза больше, чем в небе. Это происходит за счет того, что у горизонта есть объекты, которые выступают в качестве «меры» луны – по сравнению с ними она оказывается значительно более крупной. В небе для ее оценки просто нет эталонов, стоящих рядом, которые были бы основой для определения ее сравнительной величины;

- текстура и градиенты.

В экспериментальных условиях можно добиться того, что различные монокулярные признаки будут конкурировать друг с другом. Наиболее часто используемая стратегия, которой пользуется испытуемый – интегрировать как можно больше признаков, чтобы на их основании сделать вывод об истинной удаленности предметов, вместо того, чтобы опираться только на один наиболее вероятный.

Еще одни пример конкурирования монокулярных признаков – комната Эймса, при восприятии которой создается иллюзия ее прямоугольной в основании формы (но в действительности она имеет одну длинную и одну короткую боковую стенку). Так, человек, находящийся в дальнем (от наблюдателя) углу длинной боковой стенки воспринимается маленьким, а стоящий в углу короткой стенки – большим. Наиболее выразительная иллюзия возникает при перемещении человека из одного угла в другой – он растет или уменьшается на глазах. Но если в таких условиях наблюдаются хорошо знакомые люди (например, родственники), то такой иллюзии не возникает.

Бинокулярные признаки восприятия пространства. Еще один класс признаков удаленности - бинокулярные (от лат. bini - два + oculus – глаз) признаки, которые доступны при распознавании двумя глазами. При этом восприятие глубины является значительно более точным, чем при монокулярном зрении: пороги различения удаленности на порядок ниже.

Одним из основных механизмов бинокулярного зрения является конвергенция – дивергенция. Она наиболее эффективна до 15 м.

Другой механизм - стереопсис (от греч. stereos – пространственный), или стереоскопические зрение. Здесь субъективное ощущение глубины пространства возникает на основе такого свойства бинокулярного зрения, как бинокулярный параллакс. Бинокулярный параллакс (от лат. bini - два + oculus - глаз и греч. parallaxis - уклонение), или сетчаточная горизонтальная диспаратность, позволяет производить сравнение информации, попадающей на корреспондирующие и диспаратные точки сетчатки.

Слияние изображений, получаемых от предметов на обеих сетчатках, в образ, лишенный двоения или глубины, достигается лишь тогда, когда они попадают на так называемые корреспондирующие, или соответствующие, точки сетчаток. Это, прежде всего, точки, лежание в центральной ямке, а также все точки, лежащие в одном направлении и на одинаковом расстоянии от центральных ямок.

Если же изображение предмета падает на несоответствующие (диспаратные) места сетчаток двух глаз (когда есть различия проекций трехмерного пространства на сетчатку левого и правого глаза), то это вызывает или стереоэффект, или двоение изображений, в зависимости от степени диспаратности. Диспаратными могут быть точки, удаленные от центральной ямки на разное расстояние, или лежание в разных направлениях (слева и справа). При прочих равных условиях, чем больше диспаратность, тем больше видимая глубина. При величинах бинокулярного параллакса более 100 угловых минут происходит удвоение изображения.

Механизм стереоскопического восприятия действует на расстоянии около 1,5 км.

Монокулярная слепота вследствие заболеваний и последствий травмы глазного яблока широко распространена во всем мире. Ведущей причиной монокулярной слепоты по-прежнему остаются травмы глазного яблока. Ежегодно только в одном субъекте России около 230 человек получают тяжелую травму глазного яблока, из них у 60 человек травма заканчивается развитием монокулярной слепоты.

При внезапной слепоте одного глаза бинокулярное зрение (зрение двумя глазами) заменяется монокулярным (зрением одним глазом). Оно, в свою очередь, характеризуется следующими чертами:

· Горизонтальное поле зрения сужается на 20-40˚,

· Нарушается восприятие глубины пространства (стереопсиса),

· Зрительная система в целом нуждается в перепрограммировании, адаптации к новым условиям видения.