Хромостереопсис - Chromostereopsis

Сине-красный контраст демонстрирует эффекты восприятия глубины

3 слоя глубин «Реки, долины и горы»

Хромостереопсис это визуальный иллюзия посредством чего впечатление глубина передается в двумерный цветные изображения, обычно красно-синего или красно-зеленого цветов, но могут также восприниматься с красно-серыми или сине-серыми изображениями.^[1][2] Такой иллюзии о них сообщалось более века, и их обычно относили к той или иной форме Хроматическая аберрация.^{[3][4][5][6][7]}

Хроматическая аберрация результаты дифференциала преломление света в зависимости от его длина волны, в результате чего некоторые световые лучи сходиться раньше других в глазу (продольная хроматическая аберрация или LCA) и / или быть расположенными в несоответствующих местах двух глаз во время бинокулярного просмотра (поперечная хроматическая аберрация или TCA).

Хромостереопсис обычно наблюдается с помощью мишени с красными и синими полосами и ахроматический фон. Положительный хромостереопсис проявляется, когда красные полосы воспринимаются перед синими, а отрицательный хромостереопсис проявляется, когда красные полосы воспринимаются за синими.^[8] Было предложено несколько моделей для объяснения этого эффекта, который часто связывают с продольными и / или поперечными хроматическими аберрациями.^[6] Однако недавние исследования приписывают большую часть стереоптического эффекта поперечным хроматическим аберрациям в сочетании с корковыми факторами.^[1][5][7]

Было высказано предположение, что хромостереопсис может иметь эволюционное значение в развитии пятна у некоторых видов бабочек. Кроме того,

Воспринимаемые различия в оптической силе цвета составляют около 2 Диоптрия (Синий: -1,5, Красный +0,5). ^[9][10]Эффект может быть более выраженным, если подходящие изображения просматриваются в очках, необходимых для коррекции миопии. Эффект почти полностью исчезает при снятии очков.

История

Пример витража хромостереопсиса

предполагается, что некоторые витраж художники, возможно, знали об этом эффекте, используя его для создания движущихся или удаляющихся цветных изображений, иногда называемых «теплыми» и «холодными».^{[нужна цитата ]}

Красно-синий контраст был использован в портрете Гете.

Более двух веков назад эффект восприятия глубины цвета был впервые отмечен Гете в его Farbenlehre (Теория цвета ), в котором он распознал синий цвет как уходящий, а желтый / красный - как выступающий. Он утверждал, что «как мы видим высокое небо, далекие горы, синие, так же, как кажется, что синее поле отступает… (также) Можно смотреть на идеально желто-красное поле, тогда кажется, что цвет проткнуть орган ».^[11] Это явление, теперь называемое хромостереопсисом, или стереоптическим эффектом, объясняет визуальную науку, лежащую в основе этого эффекта глубины цвета, и имеет множество значений для искусства, медиа, эволюция, а также нашу повседневную жизнь в том, как мы воспринимаем цвета и предметы.

Хотя Гете не предлагал никаких научных аргументов в пользу своих наблюдений, в конце 1860-х годов Брюке и Donders впервые предположил, что хромостереоптический эффект был вызван аккомодационной осведомленностью, учитывая, что глазная оптика не ахроматический и красные объекты требуют большего размещения, чтобы сосредоточиться на сетчатка. Это понятие аккомодации затем можно перевести на восприятие расстояния. Однако то, что Дондерс и Брюке изначально упустили в своей теории, - это необходимость бинокль наблюдение для получения хромостереопсиса. Позже, отклонившись от аккомодационной осведомленности, Брюке предположил, что хроматическая аберрация, наряду с временным смещенным по оси эффектом зрачка, может объяснить хромостереоптический эффект. Именно эта гипотеза до сих пор лежит в основе нашего современного понимания хромостереопсиса.^[11]

За прошедшие годы художественный анализ предоставил достаточно доказательств хромостереоптического эффекта, но примерно тридцать лет назад было мало что известно о неврологическом, анатомическом и / или физиологическом объяснении этого явления. Например, в 1958 году голландский искусствовед Де Вильде отметил, что при анализе кубист художник Лео Гестель в картине «Поэт Ренсбург», вместо использования обычных градационных сигналов глубины: «Если вы поместите фиолетовый рядом с желтым или зеленый рядом с оранжевым, фиолетовый и зеленый отступят. В общем, теплые цвета выходят вперед, а прохладные отступление цветов ».^[11] В этом смысле хромостереоптический эффект придает формам пластичность и обеспечивает восприятие глубины за счет изменения цвета.

Бинокулярная природа хромостереопсиса

Принципиальная схема человеческого глаза

Бинокулярная природа хромостереопсиса была открыта Брюке и возникает из-за положения ямка относительно оптической оси. Ямка расположена временно по отношению к оптическая ось и в результате визуальная ось проходит через роговица с носовой горизонтальный эксцентриситет, что означает, что средняя лучевая граница ямки должна проходить через призматический отклонение и, таким образом, подвержено хроматическому разброс. Призматическое отклонение происходит в противоположных направлениях в каждом глазу, что приводит к противоположным сдвигам цвета, которые приводят к сдвигу стереоптической глубины между красными и синими объектами. Эксцентрическая фовеальная рецептивная система вместе с Эффект Стайлза-Кроуфорда, работают в противоположных направлениях друг к другу и грубо отменяют, предлагая другое объяснение того, почему испытуемые могут показывать цветную стереоскопию «вопреки правилу» (инверсия ожидаемых результатов).^[11]

Изображение, которое может отображать четыре разных уровня глубины. От ближнего к дальнему: красный, желтый, зеленый и синий

Обратный эффект

Доказательства стереоптического эффекта часто довольно легко увидеть. Например, когда красный и синий рассматриваются рядом на темном фоне, большинство людей будет рассматривать красный как «плавающий» перед синим. Однако это верно не для всех, так как некоторые люди видят обратное, а другие - никакого эффекта. Это тот же эффект, что и Гете и Де Вильд указал в своих наблюдениях. В то время как большинство людей будут рассматривать красный цвет как «плавающий» перед синим, другие испытывают обратный эффект, когда они видят синий, плавающий перед красным, или отсутствие эффекта глубины вообще. Хотя этот поворот может показаться дискредитирующим хромостереопсис, это не так, и вместо этого, как первоначально было предложено Эйнтховен, можно объяснить усилением эффекта и последующим разворотом через блокировку эксцентрического положения зрачка относительно оптической оси.^[11]Разнообразная природа хромостереоптического эффекта объясняется тем, что эффект глубины цвета тесно переплетается как с факторами восприятия, так и с оптическими факторами. Другими словами, ни оптика, ни перцептивный факторы могут быть взяты в инсоляции для объяснения хромостереопсиса. Этот многофакторный компонент хромостереопсиса предлагает одно объяснение обратного эффекта у разных людей, получивших одни и те же визуальные сигналы.^[2]

Эффект разворота из-за белого фона

Другой интересный обратный эффект наблюдал в 1928 г. Verhoeff в котором красные полосы воспринимались как более удаленные, а синие полосы как выступающие, когда полосы располагаются в паре на белом фоне, а не на черном фоне. Верхофф предположил, что этот парадоксальный поворот можно понять с точки зрения ученика. яркость контуры (см .: Иллюзорные контуры ). У зрачка есть линии с постоянной светоотдачей, каждая последующая линия указывает на снижение эффективности на 25%. Примерно в 1998 году Винн и его коллеги подтвердили интерпретацию Верхоффа этого поворота, используя эксперименты на разноцветном фоне.^[11] Другое исследование также показало, что изменение контраста границ может привести к изменению глубины цвета при переключении с черного на белый фон.^[2]

В 1933 году Стайлз и Кроуфорд обнаружили, что свет чувствительность ямки значительно отличается для лучей, попадающих в глаз через центр зрачка, по сравнению с лучами, входящими из его периферийный регионы. Они заметили, что обычная «интенсивность, умноженная на отверстие Правило не применялось к фовеальному зрению, и лучи, попадающие в глаз через периферические области зрачка, были менее эффективны примерно в пять раз. Этот эффект теперь известен как Эффект Стайлза-Кроуфорда а также имеет последствия для обратного хромостереоптического эффекта.^[11]

Теория

Контрастные прямоугольники красно-синего цвета

В 1885 г. Эйнтховен предложил теория в котором говорится: "Это явление (хромостереопсис) вызвано хроматической разницей увеличение Так как, например, синие лучи преломляются окулярной средой больше, чем красные, их фокусы не только лежат на разных уровнях (хроматическая аберрация), но и составляют разные углы с оптической осью, и, таким образом, будут стимулировать разные точки. Отсюда следует, что люди с эксцентричным во времени зрачки видеть красный перед синим, а с носом эксцентричный учеников рельеф перевернут ».^[12] Эйнтховен первым объяснил хроматическую аберрацию в глазу, что означает, что глаза не будут фокус все цвета одновременно. В зависимости от длина волны, фокус в глазах меняется. Он пришел к выводу, что причина, по которой люди видят красный перед синим, заключается в том, что свет с разной длиной волны проецируется на разные части сетчатки. Когда зрение бинокулярное, создается несоответствие, которое вызывает восприятие глубины. Поскольку красный сфокусирован временно, он кажется впереди. Однако при монокулярном зрении этого явления не наблюдается.^[12]

Однако Брюке возражал против Эйнтховен Теория на том основании, что не все люди видят красный цвет ближе, чем синий. Эйнтховен объяснил, что этот отрицательный хромостереопсис, вероятно, связан с эксцентрическим расположением зрачков, потому что смещение зрачка может изменить положение фокусировки длин волн света в глазу. Отрицательный хромостереопсис был дополнительно изучен Алленом и Рубином, которые предположили, что изменение угла между центром зрачка и зрительной осью может изменить направление хромостереопсиса. Если зрачковый центр расположен височно по отношению к визуальной оси, красный цвет будет казаться ближе. Обратный эффект наблюдается, когда зрачковый центр расположен носом по отношению к зрительной оси.^[11]

Эффект Стайлза-Кроуфорда

Недавние исследования попытались расширить основу традиционной хромостереоптической теории, включая работу, проделанную Стайлзом и Кроуфордом. В 1933 году Стайлз и Кроуфорд случайно обнаружили, что светочувствительность отличается для лучей, проходящих через центр, и лучей, входящих из периферийный области глаза. Эффективность лучей меньше, когда лучи входят через периферийную область, потому что форма конические клетки которые собирают падающие кванты, отличаются от рецепторов 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, это приведет к отрицательному хромостереопсису. Поскольку у большинства людей точка максимальной светоотдачи находится вне центра, Эффекты Стайлза-Кроуфорда обычно будет антагонистический хромостереоптические эффекты. Следовательно, вместо того, чтобы видеть красный перед синим, синий будет отображаться перед красным, и эффект будет обратным. Эффект Стайлза-Кроуфорда также объясняет, почему положительный хромостереопсис уменьшается при понижении освещенности. При более низком освещении расширение зрачка увеличивает периферическую область зрачка и, следовательно, увеличивает величину эффекта Стайлза-Кроуфорда.^[11]

Хроматическая аберрация

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

Восприятие стереооптической глубины, полученное от двух размерный красные и синие или красные и зеленые изображения, как полагают, в основном вызваны оптическими хроматические аберрации.^[1] Хроматические аберрации определяются как типы оптических искажения которые происходят в результате преломляющий свойства глаза. Однако другие [оптические] факторы, характеристики изображения и факторы восприятия также играют роль в эффектах глубины цвета в естественных условиях просмотра. Кроме того, свойства текстуры стимула также могут играть роль.^[2]

Ньютон впервые продемонстрировал наличие хроматической аберрации в человеческом глазу в 1670 году. Он заметил, что изолированные падающие световые лучи, направленные на непрозрачную карту, удерживаемую близко к глазу, падают на преломляющие поверхности глаза под углом и поэтому сильно преломленный. Поскольку показатели преломления (см .: Показатель преломления ) изменяются обратно пропорционально длине волны, синие лучи (короткие волны) будут преломляться больше, чем красные лучи (длинные волны). Это явление называется хроматическая дисперсия и имеет важное значение для оптических характеристик глаза, включая стереоптический эффект. Например, Ньютон заметил, что такая хроматическая дисперсия вызывает окрашивание краев белого объекта в цвет.^[13]

Современные описания хроматических аберраций делят глазные хроматические аберрации на две основные категории; продольная хроматическая аберрация (LCA) и поперечная хроматическая аберрация (TCA).^[13]

Продольная хроматическая аберрация

Сравнение хроматической аберрации: верхнее изображение показывает фотографию, сделанную встроенным объективом цифровой камеры (Sony V3). Нижний снимок сделан той же камерой, но с дополнительным широкоугольным объективом. Эффект аберрации виден по темным краям (особенно справа).

LCA определяется как «изменение фокусирующей способности глаза для разных длин волн».^[13] Эта хроматическая разница варьируется от 400 до 700 нм в видимой области спектра.^[13] В LCA преломляющие свойства глаза заставляют световые лучи с более короткими длинами волн, такими как синий, сходиться раньше, чем цвета 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, проходящего через центр зрачка. В отличие от LCA, TCA зависит от расположения объекта в поле зрения и положение зрачка в глазу. Местоположение объекта определяет угол падения выбранных лучей. К Закон Снеллиуса преломления, это угол падения впоследствии определяет количество хроматическая дисперсия и, таким образом, расположение изображений сетчатки глаза для разных длин волн света.^[13] В TCA разные длины волн света смещаются в несоответствующих положениях сетчатки каждого глаза во время бинокулярного просмотра. Хромостереоптический эффект обычно связывают с межглазными различиями в TCA. Цветовые эффекты глубины из-за TCA могут быть восприняты только в изображениях, содержащих ахроматическую информацию и один неахроматический цвет.^[2] Амплитуда воспринимаемой глубины в изображении из-за стереоптического эффекта может быть предсказана по величине индуцированной TCA. Другими словами, как зрачковое расстояние от фовеальной ахроматической оси увеличивается, воспринимаемая глубина также увеличивается.

Последствия хроматических аберраций

Продольные и поперечные хроматические аберрации вместе влияют на качество изображения сетчатки. Кроме того, смещение зрачка из визуальная ось имеет решающее значение для определения величина аберрации в естественных условиях просмотра.^[13] При хромостереопсисе, если зрачки двух глаз временно смещены относительно визуальной оси, то синие лучи точечного источника будут пересекать сетчатку на носовой стороне красных лучей из того же источника. Из-за этого индуцированного окулярного несоответствия кажется, что синие лучи исходят из более удаленного источника, чем красные лучи.

Эволюционное значение

Цитрусовый Махаон Papilio demodocus

Хромостереопсис также может иметь эволюционный последствия для хищники и добыча, придавая ему историческое и практическое значение. Возможное доказательство эволюционного значения хромостереопсиса дается в том факте, что ямка сформировалась в боковой глаза добытых животных иметь очень большой угол между оптическая ось и визуальная ось достичь хотя бы некоторых бинокль поле зрения. У этих охотящихся животных их глаза служат для обнаружения хищных животных, что объясняет их боковое положение, чтобы дать им полный обзор. панорамный поле зрения. Напротив, это наблюдаемое фовеальное развитие противоположно у хищников и приматов. Хищники и приматы зависят в первую очередь от бинокулярное зрение, и поэтому их глаза стали фронтальными. Угол между их оптической и визуальной осями, следовательно, может быть уменьшен до почти незначительных значений, примерно на пять градусов у людей).^[11]

Бабочки могли также воспользоваться эволюционным преимуществом хромостереопсиса в развитии характерных «глазковых» узоров, которые представлены на их крыльях. Эти пятна в зависимости от цветового рисунка могут выглядеть как вперед или назад в глубину, создавая эффект выпученных или убывающих глаз соответственно. Естественный отбор возможно, разработали эти цветовые и текстурные схемы, потому что они создают иллюзию выдающихся или отклоняющихся глаз гораздо более крупных организмов, чем настоящая бабочка, удерживая потенциальных хищников на расстоянии.^[2]

Еще один эволюционный пример хромостереопсиса происходит от каракатица. Было высказано предположение, что каракатицы оценивают расстояние до добычи через стереопсис. Дополнительные данные свидетельствуют о том, что их выбор камуфляж также чувствительна к визуальной глубине на основе цветовых эффектов глубины.^[14]

Методы тестирования

Было использовано множество различных методов тестирования, чтобы увидеть влияние хромостереопсиса на восприятие глубины в людях. Технологический прогресс позволил провести точные, эффективные и более убедительные испытания по сравнению с прошлым, когда люди просто наблюдали за происшествием.

В одном методе двадцать пять контрольных субъектов были протестированы с использованием цветовых эффектов глубины за счет использования пяти разноцветных пар квадратов. Разные цвета были синими, красными, зелеными, голубой и желтый. Испытуемые помещали в темную комнату, а цветной квадрат стимулы были представлены за 400 миллисекунды каждый, и в течение этого времени испытуемых просили следить за правым или левым квадратом (равномерно уравновешенным по предметам). Используя джойстик, испытуемый указывал, находится ли квадрат позади, спереди или в той же плоскости, что и пара. Согласно теории, чем длиннее длина волны цвета, тем ближе он должен восприниматься наблюдателем для положительного хромостереопсиса. Имея более длинную волну, чем другие цвета, красный должен казаться ближе всего. Чтобы усилить этот эффект, испытуемые надевали светящуюся решетку ChromaDepthTM. очки, которые содержат призма структура для преломлять в свет для угол примерно на 1 ° и были протестированы снова.^[15]

Использование электроды тестировать мозг активность - еще один, относительно новый способ проверки на хромостереопсис. Эта форма тестирования использует ЭЭГ записи визуальных-вызванные потенциалы за счет использования электродов. В одном эксперименте испытуемым показывали разные стимулы в отношении цветового контраста и задавали вопросы о его глубине, как и раньше. Электроды, прикрепленные к испытуемым, впоследствии собирали данные во время эксперимента.^[15]

Другой, более часто используемый метод, проверяет степень Хроматическая аберрация. В одном из таких экспериментов через щели перед глазами испытуемого измеряли хроматическая дисперсия глаз в зависимости от разделения щелей. Призмы перед глазами определяли разделение визуальной и нулевой осей. Результат этих отдельных измерений предсказал видимую глубину, ожидаемую при полном зрачке. стереоскопия. Согласие было хорошим с ожидаемыми результатами, что дало дополнительные доказательства того, что хромостереопсис зависит от хроматической дисперсии.^[16]

Другие экспериментальные методы могут быть использованы для проверки обратного хромостереопсиса, явления, наблюдаемого меньшинство из численность населения. Направление хромостереопсиса можно изменить на противоположное, перемещая оба искусственных зрачка в носовом направлении или во временном направлении относительно центров естественных зрачков. Перемещение искусственных зрачков в нос вызывает стереопсис «синий перед красными», а их временное перемещение имеет противоположный эффект. Это связано с тем, что перемещение зрачка меняет положение оптической оси, но не визуальная ось, меняя знак поперечной хроматической аберрации. Таким образом, изменение величины и знака поперечной хроматической аберрации, вызванное изменением латерального расстояния между малыми искусственными зрачками, сопровождается эквивалентными изменениями хромостереопсиса. ^[17]

Недавнее исследование

Хотя многие физиологические механизмы, вызывающие хромостереопсис, были обнаружены и исследованы, все еще остаются без ответа вопросы. Например, многие исследователи считают, что хромостереопсис вызван сочетанием нескольких факторов. По этой причине в некоторых недавних исследованиях была предпринята попытка выяснить, как разные свечение фонов и различное свечение красного и синего цвета влияют на хромостереоптический эффект.^[12]

Кроме того, в предыдущих исследованиях использовался психофизический подход к изучению хромостереопсиса, чтобы задокументировать его как эффект восприятия и наблюдать его оптические механизмы. Однако до недавнего времени не проводилось исследований нейрофизиологических основ хромостереопсиса.^[15]

Самое последнее нейрофизиологическое исследование Cauquil et al. описывает ячейки V1 и V2, предпочитающие цвет, как кодирующие характеристики локального изображения (такие как бинокулярное несоответствие) и свойства поверхности трехмерной сцены, соответственно. Исследование, проведенное Cauquil et al. указывает, на основе электрод результаты стимуляции, что оба спинной и вентральный проводящие пути в головном мозге участвуют в хромостереоптической обработке. Это исследование также пришло к выводу, что хромостереопсис начинается на ранних стадиях зрительного корковый обработка, сначала в затылочно-теменный области головного мозга, затем следует второй шаг в правой теменной области и временный доли. Кроме того, активность была выше в правое полушарие, который является доминирующим для трехмерной обработки коры головного мозга, указывая на то, что хромостереопсис является зависимым от задачи нисходящим эффектом. В целом, хромостереопсис включает области коры, которые лежат в основе глубинной обработки обоих монокуляр и бинокль реплики.^[15]

Рекомендации