5.4: Бачення

Last updated

Oct 27, 2022
Save as PDF
- 5.3: Хвилі та довжини хвиль
- 5.5: Слухання

$\newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} }$

$\newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\id}{\mathrm{id}}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

$\newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}$

$\newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}$

$\newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}$

$\newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}$

$\newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}$

$\newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}$

$\newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}$

$\newcommand{\Span}{\mathrm{span}}$

Цілі навчання

Опишіть основну анатомію зорової системи
Обговоріть, як стрижні та конуси сприяють різним аспектам зору
Опишіть, як монокулярний і бінокулярний сигнали використовуються в сприйнятті глибини

Зорова система будує уявне уявлення про навколишній світ. Це сприяє нашій здатності успішно орієнтуватися у фізичному просторі та взаємодіяти з важливими людьми та об'єктами в нашому середовищі. У цьому розділі буде наведено огляд основної анатомії та функції зорової системи. Крім того, ми вивчимо нашу здатність сприймати колір і глибину.

Показано кілька фотографій очей людей. — Малюнок $\PageIndex{1}$ : Наші очі приймають сенсорну інформацію, яка допомагає нам зрозуміти навколишній світ. (Кредит «вгорі зліва»: модифікація роботи «Rajkumar1220"/Flickr»; кредит «вгорі праворуч»: модифікація роботи Томаса Лейтхарда; кредит «середній лівий»: модифікація роботи Демітріха Бейкера; кредит «посередині праворуч»: модифікація роботи «Kaybee07"/Flickr; кредит «знизу зліва»: модифікація роботи» Isengardt» /Flickr; кредит «знизу праворуч»: модифікація роботи Віллема Хербарта)

Анатомія зорової системи

Око є основним органом чуття, який бере участь у зорі. Світлові хвилі передаються по рогівці і потрапляють в око через зіницю. Рогівка - це прозорий покрив над оком. Він служить бар'єром між внутрішнім оком і зовнішнім світом, і бере участь у фокусуванні світлових хвиль, які потрапляють в око. Зіниця - це невеликий отвір в оці, через яке проходить світло, і розмір зіниці може змінюватися як в залежності від рівня світла, так і емоційного збудження. Коли рівень світла низький, зіниця стане розширеною або розширеною, щоб дозволити більше світла потрапляти в око. Коли рівень світла високий, зіниця буде звужуватися або стати меншим, щоб зменшити кількість світла, що потрапляє в око. Розмір зіниці контролюється м'язами, які з'єднані з райдужною оболонкою, яка є кольоровою частиною ока.

Різні частини ока позначені на цій ілюстрації. Рогівка, зіниця, райдужна оболонка та кришталик розташовані до передньої частини ока, а ззаду - зоровий нерв, ямка та сітківка. — Малюнок $\PageIndex{2}$ : Анатомія ока проілюстрована на цій схемі.

Після проходження через зіницю світло перетинає лінзу, вигнуту прозору структуру, яка служить для забезпечення додаткового фокусування. Лінза прикріплена до м'язів, які можуть змінювати свою форму, щоб допомогти у фокусуванні світла, що відбивається від близьких або далеких об'єктів. У нормальної людини лінза ідеально фокусує зображення на невеликому відступі в задній частині ока, відомому як ямка, яка є частиною сітківки, світлочутливої оболонки ока. Ямка містить щільно упаковані спеціалізовані фоторецепторні клітини. Ці фоторецепторні клітини, відомі як конуси, є клітинами, що виявляють світло. Шишки - це спеціалізовані типи фоторецепторів, які найкраще працюють в умовах яскравого освітлення. Конуси дуже чутливі до гострих деталей і забезпечують величезну просторову роздільну здатність. Вони також беруть безпосередню участь в нашій здатності сприймати колір.

Хоча конуси зосереджені в ямку, де зображення, як правило, фокусуються, стрижні, інший тип фоторецепторів, розташовані по всій решті сітківки. Стрижні - це спеціалізовані фоторецептори, які добре працюють в умовах низької освітленості, і хоча їм не вистачає просторової роздільної здатності та колірної функції конусів, вони беруть участь у нашому зорі в слабко освітлених середовищах, а також у нашому сприйнятті руху на периферії нашого зорового поле.

На цій ілюстрації показано світло, що досягає зорового нерва, під яким знаходяться гангліозні клітини, а потім стрижні і шишки. — Малюнок $\PageIndex{3}$ : Два типи фоторецепторів показані на цьому зображенні. Стрижні пофарбовані в зелений колір, а шишки - в синій колір.

Ми всі відчували різну чутливість стрижнів і конусів при переході від яскраво освітленого середовища до тьмяно освітленого середовища. Уявіть, що збираєтеся подивитися блокбастер у ясний літній день. Коли ви йдете з яскраво освітленого вестибюля в темний театр, ви помічаєте, що вам відразу важко побачити багато чого. Через кілька хвилин ви починаєте підлаштовуватися під темряву і зможете побачити інтер'єр театру. У світлому оточенні у вашому баченні переважала в першу чергу конусна активність. У міру переходу до темного середовища домінує активність стрижнів, але між фазами відбувається затримка переходу. Якщо ваші стрижні не перетворюють світло в нервові імпульси так легко і ефективно, як вони повинні, вам буде важко бачити при тьмяному світлі, стан, відомий як нічна сліпота.

Стрижні і конуси з'єднуються (через кілька інтернейронів) з гангліозними клітинами сітківки. Аксони з гангліозних клітин сітківки сходяться і виходять через задню частину ока, утворюючи зоровий нерв. Зоровий нерв переносить зорову інформацію від сітківки до мозку. У полі зору є точка, яка називається сліпою плямою: Навіть коли світло від невеликого предмета зосереджено на сліпому місці, ми її не бачимо. Ми свідомо не усвідомлюємо своїх сліпих плям з двох причин: по-перше, кожне око отримує дещо інший погляд на поле зору; отже, сліпі плями не перекриваються. По-друге, наша зорова система заповнює сліпу зону, так що, хоча ми не можемо реагувати на візуальну інформацію, яка виникає в цій частині поля зору, ми також не знаємо, що інформація відсутня.

Зоровий нерв від кожного ока зливається трохи нижче мозку в точці, яка називається зоровим хіазмом. Як показано на малюнку нижче, оптичний хіазм - це $X$ подібна структура, яка сидить трохи нижче кори головного мозку в передній частині мозку. У точці зорового хіазму інформація з правого поля зору (яке надходить від обох очей) направляється в ліву частину мозку, а інформація з лівого поля зору направляється в праву частину мозку.

На ілюстрації показано розташування потиличної частки, зорового хіазму, зорового нерва та очей щодо їх положення в головному мозку та голові. — Малюнок $\PageIndex{4}$ : Ця ілюстрація показує оптичний хіазм на передній частині мозку та шляхи до потиличної частки в задній частині мозку, де зорові відчуття переробляються у значущі сприйняття.

Потрапивши всередину мозку, візуальна інформація надсилається через ряд структур до потиличної частки в задній частині мозку для обробки. Візуальна інформація може оброблятися паралельними шляхами, які, як правило, можна описати як шлях «який шлях» та шлях «де/як». «Який шлях» бере участь у розпізнаванні та ідентифікації об'єктів, тоді як «де/як шлях» пов'язаний з розташуванням у просторі та тим, як можна взаємодіяти з певним візуальним стимулом (Milner & Goodale, 2008; Ungerleider & Haxby, 1994). Наприклад, коли ви бачите, як куля котиться по вулиці, «який шлях» визначає, що це за об'єкт, а «де/як шлях» визначає його розташування або рух у просторі.

Сприйняття кольору та глибини

Ми не бачимо світ чорно-білим; ми також не бачимо його як двовимірний ( $2-D$ ) або плоский (тільки висота і ширина, без глибини). Давайте розглянемо, як працює колірний зір і як ми сприймаємо три виміри (висоту, ширину і глибину).

Кольоровий зір

У нормальнозорких особин є три різних типи шишок, які опосередковують кольоровий зір. Кожен з цих типів конусів максимально чутливий до трохи різної довжини хвилі світла. Відповідно до трихроматичної теорії кольорового зору, показаної на малюнку, всі кольори в спектрі можуть бути отримані шляхом поєднання червоного, зеленого і синього. Три типи шишок сприйнятливі до одного з кольорів.

Графік показаний з «чутливістю», нанесеною на вісь y і «Довжина хвилі» в нанометрах, побудованих вздовж осі x з вимірюваннями 400, 500, 600 та 700. Три лінії різних кольорів рухаються від основи до піку осі y, і назад до основи. Синя лінія починається з 400 нм і досягає свого піку чутливості близько 455 нанометрів, перш ніж чутливість падає приблизно з тією ж швидкістю, з якою вона збільшилася, повертаючись до найнижчої чутливості близько 530 нм. Зелена лінія починається з 400 нм і досягає свого піку чутливості близько 535 нанометрів. Потім його чутливість зменшується приблизно з тією ж швидкістю, з якою вона збільшувалася, повертаючись до найнижчої чутливості близько 650 нм. Червона лінія слідує тій же схемі, що і перші два, починаючи з 400 нм, збільшуючись і зменшуючись з тією ж швидкістю, і вона досягає своєї висоти чутливості близько 580 нанометрів. Нижче цього графіка знаходиться горизонтальна смуга, що показує кольори видимого спектра. — Малюнок $\PageIndex{5}$ : Цей малюнок ілюструє різні чутливості для трьох типів конусів, знайдених у нормальної людини. (кредит: модифікація роботи Ванесси Езековіц)

Трихроматична теорія кольорового зору не єдина теорія - ще одна велика теорія кольорового зору відома як теорія опонента-процесу. Згідно з цією теорією, колір кодується в парах противника: чорно-білий, жовто-синій і зелено-червоний. Основна ідея полягає в тому, що деякі клітини зорової системи збуджуються одним з кольорів противника і гальмуються іншим. Отже, клітина, яка збуджувалася довжинами хвиль, пов'язаними з зеленим, буде гальмуватися довжинами хвиль, пов'язаними з червоним, і навпаки. Одним із наслідків обробки противника є те, що ми не відчуваємо зеленувато-червоних або жовтувато-синіх кольорів. Інший підтекст полягає в тому, що це призводить до переживання негативних післяобразів. Післязображення описує продовження зорового відчуття після видалення подразника. Наприклад, коли ви коротко дивитеся на сонце, а потім відволікаєтеся від нього, ви все ще можете сприймати пляму світла, хоча подразник (сонце) був видалений. Коли колір бере участь у подразнику, колірні пари, виявлені в теорії опонент-процес, призводять до негативного післяіміджу. Ви можете перевірити цю концепцію за допомогою прапора на малюнку нижче:

На ілюстрації зображений зелений прапор з товстими чорними жовтими лініями, що зустрічаються трохи ліворуч від центру. Маленька біла крапка сидить у жовтому просторі в точному центрі прапора. — Малюнок $\PageIndex{6}$ : Подивіться на білу крапку протягом 30-60 секунд, а потім перемістіть очі на чистий аркуш білого паперу. Що ти бачиш? Це відомо як негативне післязображення, і воно забезпечує емпіричну підтримку опонента-процесу теорії кольорового зору.

Але ці дві теорії - трихроматична теорія кольорового зору та теорія опонента-процесу - не є взаємовиключними. Дослідження показали, що вони якраз відносяться до різних рівнів нервової системи. Для візуальної обробки на сітківці застосовується трихроматична теорія: конуси реагують на три різні довжини хвиль, які представляють червоний, синій і зелений. Але як тільки сигнал рухається повз сітківки на шляху до мозку, клітини реагують таким чином, що відповідає теорії опонента-процесу (Land, 1959; Kaiser, 1997).

Глибина сприйняття

Наша здатність сприймати просторові відносини в тривимірному ( $3-D$ ) просторі відома як глибинне сприйняття. З глибинним сприйняттям ми можемо описати речі як передні, позаду, вище, внизу або збоку від інших речей.

Наш світ тривимірний, тому має сенс, що наше ментальне уявлення про світ має тривимірні властивості. Ми використовуємо різноманітні сигнали у візуальній сцені, щоб встановити наше відчуття глибини. Деякі з них є бінокулярними сигналами, а це означає, що вони покладаються на використання обох очей. Одним із прикладів бінокулярного глибинного кия є бінокулярна нерівність, дещо інший погляд на світ, який отримує кожне наше око. Щоб відчути цей трохи інший погляд, виконайте цю просту вправу: повністю витягніть руку і витягніть один з пальців і зосередьтеся на цьому пальці. Тепер закрийте ліве око, не рухаючи головою, потім відкрийте ліве око і закрийте праве око, не рухаючи головою. Ви помітите, що ваш палець, здається, зміщується, коли ви чергуєте два очі через дещо інший погляд кожного ока вашого пальця.

$3-D$ Фільм працює за тим же принципом: спеціальні окуляри, які ви носите, дозволяють два трохи різні зображення, що проектуються на екран, бачити окремо лівим і правим оком. Коли ваш мозок обробляє ці образи, у вас з'являється ілюзія, що стрибає тварина або біжить людина йде прямо до вас.

Хоча ми покладаємося на бінокулярні сигнали, щоб випробувати глибину в нашому $3-D$ світі, ми також можемо сприймати глибину в $2-D$ масивах. Подумайте про всі картини і фотографії, які ви бачили. Як правило, ви підбираєте глибину в цих зображеннях, навіть якщо зоровий стимул є $2-D$ . Коли ми робимо це, ми покладаємося на ряд монокулярних сигналів, або сигналів, які вимагають лише одного ока. Якщо ви думаєте, що не можете побачити глибину одним оком, зверніть увагу, що ви не натикаєтесь на речі, використовуючи лише одне око під час ходьби - і, насправді, у нас більше монокулярних сигналів, ніж бінокулярні сигнали.

Прикладом монокулярного кия може бути те, що відомо як лінійна перспектива. Лінійна перспектива стосується того, що ми сприймаємо глибину, коли бачимо дві паралельні лінії, які, здається, сходяться на зображенні. Деякі інші сигнали глибини монокуляра - це інтерпозиція, часткове перекриття об'єктів, відносний розмір і близькість зображень до горизонту.

На фотографії зображена порожня дорога, яка триває до горизонту. — Малюнок $\PageIndex{7}$ : Ми сприймаємо глибину в двовимірній фігурі, подібній до цієї, за допомогою монокулярних сигналів, таких як лінійна перспектива, як паралельні лінії, що сходяться, коли дорога звужується на відстані. (кредит: Марк Далмалдер)

DIG DEEPER: Стереосліпість

Брюс Бріджман народився з крайнім випадком ледачого ока, що призвело до того, що він був стереосліпим, або не в змозі реагувати на бінокулярні сигнали глибини. Він сильно покладався на монокулярні сигнали глибини, але ніколи не мав справжньої оцінки $3-D$ природи навколишнього світу. Все це змінилося однієї ночі в 2012 році, поки Брюс бачив фільм зі своєю дружиною.

Фільм, який пара збиралася побачити, був знятий $3-D$ , і хоча він думав, що це марна трата грошей, Брюс заплатив за $3-D$ окуляри, коли придбав квиток. Як тільки почався фільм, Брюс одягнув окуляри і випробував щось зовсім нове. Вперше в житті він оцінив справжню глибину навколишнього світу. Чудово, що його здатність сприймати глибину зберігалася поза кінотеатром.

У нервовій системі є клітини, які реагують на бінокулярні сигнали глибини. У нормі ці клітини вимагають активації під час раннього розвитку, щоб зберігатися, тому фахівці, знайомі з випадком Брюса (і іншими подібними до його), припускають, що в якийсь момент свого розвитку Брюс, мабуть, пережив хоча б швидкоплинний момент бінокулярного зору. Цього було достатньо, щоб забезпечити виживання клітин зорової системи, налаштованої на бінокулярні сигнали. Зараз таємниця полягає в тому, чому Брюсу знадобилося майже $70$ років, щоб активувати ці клітини (Peck, 2012).

Резюме

Світлові хвилі перетинають рогівку і потрапляють в око у зіниці. Лінза ока фокусує це світло так, що зображення зосереджено на області сітківки, відомої як ямка. Ямка містить конуси, які мають високий рівень гостроти зору і найкраще працюють в умовах яскравого освітлення. Стрижні розташовані по всій сітківці і найкраще працюють в умовах слабкого освітлення. Візуальна інформація виходить з ока через зоровий нерв. Інформація з кожного поля зору направляється в протилежну сторону мозку при зоровому хіазмі. Потім візуальна інформація переміщається через ряд ділянок мозку, перш ніж дійти до потиличної частки, де вона обробляється.

Дві теорії пояснюють сприйняття кольору. Трихроматична теорія стверджує, що три різні групи конусів налаштовані на дещо різні довжини хвиль світла, і саме поєднання активності в цих типах конусів призводить до нашого сприйняття всіх кольорів, які ми бачимо. Опонентно-процесна теорія кольорового зору стверджує, що колір обробляється в парах противника і припадає на цікаве явище негативного післяобразу. Ми сприймаємо глибину через комбінацію монокулярних та бінокулярних сигналів глибини.

Глосарій

після зображення: продовження зорового відчуття після зняття подразника

бінокулярний кий: кий, який спирається на використання обох очей

бінокулярна нерівність: трохи інший погляд на світ, який отримує кожне око

сліпа пляма: точка, де ми не можемо реагувати на візуальну інформацію в цій частині поля зору

конус: спеціалізований фоторецептор, який найкраще працює в умовах яскравого освітлення і виявляє колір

рогівки: прозоре покриття над оком

глибина сприйняття: здатність сприймати глибину

фовеа: невеликий відступ в сітківці, що містить шишки

ірис: кольорова частина ока

лінза: вигнута, прозора структура, що забезпечує додатковий фокус для потрапляння світла в око

лінійна перспектива: сприймати глибину на зображенні, коли дві паралельні лінії, здається, сходяться

монокулярний кий: кий, який вимагає лише одного ока

опонентно-процесна теорія сприйняття кольору: колір кодується в парах суперника: чорно-білий, жовто-синій і червоно-зелений

оптичний хіазм: Х-подібна структура, яка сидить трохи нижче черевної поверхні мозку; являє собою злиття зорових нервів від двох очей і відділення інформації з двох сторін поля зору на протилежну сторону мозку

зоровий нерв: переносить візуальну інформацію від сітківки до мозку

фоторецептор: осередок, що виявляє світло

учень: невеликий отвір в оці, через яке проходить світло

сітківки: світлочутлива підкладка ока

стрижень: спеціалізований фоторецептор, який добре працює в умовах низької освітленості

трихроматична теорія сприйняття кольору: кольоровий зір опосередковується активністю по трьох групах шишок

Contributors and Attributions

Template:ContribOpenSTAXPsych