Динамические эффекты зрения

Динамические эффекты зрения - часть зрительных феноменов, тесно связанная с нелинейными эффектами зрительного восприятия.

История становления нелинейных воззрений

В пятидесятых годах цветное телевидение только начинало входить в жизнь. В один из дней 1956 года английская телевизионная компания попросила телезрителей, обладателей обычных черно-белых телевизоров, в определенный час посмотреть на экран и сообщить свои впечатления. Можно себе представить удивление зрителей, когда на черно-белом экране появился... цветной кубик.

Само по себе ощущение цвета от действия неокрашенного белого света с позиций трёхкомпонентной теории кажется просто невероятным. Белый свет в одинаковой степени должен действовать на все три типа колбочек; иначе действует он на палочку, но никакой цветовой информации она выдать не может. Попытки объяснить эти явления сводились к одному: коль цвета нет, то цветового сигнала рецептора быть не должно. Поэтому наблюдателю только кажется, что он видит цвет; ощущение цвета - субъективное явление, обусловленное непонятной особенностью работы мозга. Это явление было также отнесено к области с малопонятным названием «психофизика». Попыток дать объяснение этому эффекту в литературе мало. Его либо приводят без объяснений, либо предпочитают вообще не упоминать о нем.

Динамические эффекты с точки зрения нелинейной теории зрения

Любой процесс происходит не мгновенно. Для того чтобы он установился, требуется определённое время. С точки зрения энергетической работу рецептора можно грубо представить как процесс перекачки через него энергии от внешних источников. В начальном состоянии рецептор «заряжен» каким-то количеством энергии, при попадании на него света он разряжается. В заряженном рецепторе электрическое поле очень сильное, он находится в сильно поляризованном состоянии. Это соответствует случаю, когда рецептор долгое время пребывал в полной темноте. Поляризация настолько высока, что рецептор может «сработать» — выдать импульс под воздействием не только света, но и малейших тепловых, механических, электрических воздействий. Эта спонтанная импульсация вызывает появление в полной темноте зрительных шумов, фона, который ощущается как мелкие светящиеся точки, хаотически появляющиеся и исчезающие по всему полю зрения.

При включении света рецептор, находившийся в режиме максимальной чувствительности, начинает генерировать импульсы, частота следования которых вначале очень высока, мало зависит от интенсивности света и в первый момент времени определяется только свойствами мембраны рецепторной клетки. Если действие света продолжается, начинается ионизация и разложение молекул зрительного пигмента, физические свойства которого изменяются. При этом вероятность захвата фотонов снижается, так как пигмент начинает «выцветать». Образовавшиеся ионы тормозят восстановление двойного потенциального слоя. Два эти фактора вызывают уменьшение частоты импульсов. Как только в рецепторе процессы стабилизируются, стабилизируется и частота импульсации.

Само собой разумеется, что чем больше общая интенсивность света, тем меньше будет увеличение частоты при одном и том же изменении интенсивности; то есть приращение частоты не пропорционально приращению интенсивности света. Это очень хорошо ощущается при выходе из темного помещения на освещённую солнцем улицу. Вначале свет кажется очень ярким. Спустя некоторое время глаза привыкают, свет уже не «режет» глаз. Поляризация рецепторов становится невысокой.

Обратное действие происходит при входе в темное помещение. Чтобы глаз «привык» к темноте, требуется определённое время, в течение которого устанавливается соответствующий уровень поляризации. Процесс поляризации, восстановления гораздо более длителен. Глаз быстрее привыкает к свету, чем к полумраку. Описанное свойство зрения называется адаптацией (приспосабливанием), Энергия «синего» фотона, в два раза выше энергии «красного». Чтобы реакция на «красный» фотон была такой же, как и на «синий», вероятность захвата первого должна быть больше, поэтому размер красно-чувствительной области должен быть значительнее, а следовательно, должны быть больше и её электрохимическая емкость и зависящая от нее постоянная времени. Это значит, что при включении света переходные процессы будут равной продолжительности для красно- и зелёно-чувствительной областей колбочки, а также для палочки. Поэтому процесс адаптации к свету зелёно-чувствительной области колбочки продолжительнее, чем палочки, но короче, чем красно-чувствительной области.

При включении света изменение физических свойств рецепторов приводит к тому, что процессы адаптации почти не вызывают ощущения изменения цвета.

При выключении света пигменты начинают восстанавливаться, ионизация, обусловленная действием света, прекращается, перераспределяются заряды, возрастает степень поляризации. Казалось бы, и при восстановлении, при темновой адаптации эти процессы должны происходить в том же порядке и с теми же скоростями. Однако здесь ждет сюрприз: скорости практически одинаковы, хотя электрохимические емкости различны. Это происходит потому, что чем больше емкость, тем меньше динамическое сопротивление, тем выше ток заряда. Происходит точно то же, что и с аккумуляторами: «садится» быстрее тот, у которого меньше емкость; время же зарядки их одинаково.

Эффект Бенхема

Прежде чем рассмотреть механизм эффекта Бенхема, проанализируем ещё один частный случай. Если некоторое время освещать рецепторы красным светом, палочка и зелёно-чувствительная область колбочки окажутся поляризованными, так как они мало чувствительны к длинноволновой области спектра. Колбочка разбалансирована в «красную» сторону, система колбочка-палочка — в «жёлтую». Ощущается красный цвет. Если же красный свет быстро заменить белым, сигнал поляризованной палочки и зелёно-чувствительной области колбочки будет сильнее, а частично деполяризованной красно-чувствительной области колбочки — слабее. Система окажется разбалансированной: палочка — колбочка в синюю сторону, колбочка — в зеленую. Появится ощущение противоположного красному голубого цвета. Правда, голубой мгновенно исчезает: постоянная времени палочки очень мала, система палочка — колбочка сбалансируется, и останется ощущение зелёного цвета. Затем сбалансируется и колбочка, и будет ощущаться белый цвет.

Изменение ощущаемого цвета при изменении интенсивности или спектрального состава освещения принято называть последовательным цветовым образом.

Инверсия цвета

При определенных условиях процесс восстановления состоит из двух фаз, при которых возможна инверсия цвета. Чтобы это заметить, необходим глубокий разряд рецептора.

В темной комнате на расстоянии 30 — 40 см от глаз располагают экран из черной бумаги размером около 40 Х 40 см, в центре которого прокалывают отверстие диаметром 2 мм. Через это отверстие на глаз наблюдателя направляется свет от вплотную приставленного к отверстию диапроектора. Опыт ставят дважды с интервалом 5 — 10 минут, так как при столь ярком свете потенциал восстанавливается за 3-5 минут. Так как постоянные времени палочки и красно-чувствительной области колбочки отличаются больше всего, в первом опыте свет пропускается через синий фильтр, во втором — через красный.

Включив проектор, нужно зафиксировать взгляд на светящейся точке на 5 — 10 секунд, затем резко закрыть оба глаза — возникнет последовательный образ светящейся точки. Если точка была красной, то при закрытых глазах на темном фоне она останется красной. Сильно возбужденный рецептор продолжает «по инерции» выдавать оба сигнала, яркостный и цветовой. Так как первый достаточно велик, на его фоне будет передаваться и сигнал разбаланса. Если взгляд перевести на светлый белый фон, яркостный сигнал будет определяться уже поляризованными элементами системы и произойдет инверсия знака разбаланса — ощущаемый цвет изменится на противоположный.

Инверсию цвета очень легко заметить, если после 10-секундной фиксации точки закрыть глаза, прикрыть их ладонью и перевести взгляд на приготовленный заранее лист белой бумаги. Затем включить настольную лампу, ярко осветив ею бумагу, убрать ладонь и следить за последовательным образом, медленно открывая глаза. По мере увеличения видимой яркости листа цвет последовательного образа поблекнет, исчезнет, а потом появится противоположный. Если фиксировалась синяя точка, эффект будет непродолжительным и малозаметным. Если же фиксировалась красная точка, закрывая и открывая глаза, можно в течение 10 — 15 секунд многократно наблюдать инверсию цвета.

Рассмотренного уже достаточно, чтобы разобраться в том, как на черно-белом телевизоре может быть получено цветное изображение — эффект Бенхема. Но прежде рассмотрим одно очень интересное явление, которое и сегодня выглядит несколько таинственно. Речь идет о знаменитом «зелёном луче», который не раз упоминался и в научно-популярной, и в художественной литературе.

Зелёный луч

Если внимательно следить за заходом солнца на далеком горизонте, то в момент, когда исчезает последний, красный от преломления в земной атмосфере луч, иногда удается заметить вспышку зелёного цвета. «Зелёный луч» не заметен, когда солнце заходит за недалеко расположенный предмет и когда в атмосфере дымка.

Объяснений этому явлению было дано много, но все они сводятся к двум. Физики объяснили его ещё неизученными явлениями мозга, так как «зелёный луч» в этих условиях не может пройти через атмосферу. Биологи объясняли неизвестным физическим механизмом, при котором в атмосфере образуется что-то вроде «световодного» канала, по которому может пройти и «зелёный луч».

Описанный ранее опыт показал, что инверсия красного цвета имеет место в случае, когда исчезновение его происходит быстро, а фон, на котором была видна точка, достаточно ярок, чтобы яркостный сигнал, ранее определявшийся преобладающей яркостью красной точки, стал определяться яркостью сохранившегося фона.

Итак, эффект объяснять не нужно. Это не атмосферные волноводы и не процессы, происходящие в мозгу, а просто ощущение, вызванное физическими переходными процессами рецепторов глаза. Ясно, что в случае близкого горизонта «зелёного луча» не будет. Ясно и то, что дымка не позволит увидеть луч. И ещё один момент, который исследователи не отметили. Дело в том, что глаз совершает беспрерывные хаотические скачкообразные движения. Увидеть луч можно только в том случае, если произошла достаточная засветка рецепторов, то есть если глаз оставался неподвижным в момент исчезновения солнца и, по крайней мере, около секунды до этого.

Явление «зелёного луча» можно очень легко наблюдать дома, в опыте. Для этого в вышеописанном опыте вместо черной бумаги нужно использовать белую, размером около 20 Х 20 см. В затемненной комнате лист белой бумаги равномерно освещают белым светом, притом яркость его подбирают опытным путем. Экран располагают на расстоянии 40 — 60 см от глаза, отверстие в экране должно иметь диаметр около 2 мм. Опыт осуществляется просто. На 2-3 секунды взгляд фиксируют на красной точке, затем диапроектор выключают. В силу того, что глаз совершает хаотические скачки, «зелёный луч» виден в среднем раз на каждые 8-20 включений. Следует заметить, что промежутки между опытами должны составлять не менее 2-3 минут, необходимых для адаптации глаза.

Диск Бенхема

Диск Бенхема.

Обратимся снова к эффекту Бенхема. Ощущение цвета возникает при чередовании яркого белого поля, серого и чёрного с частотой порядка 10 Гц (эта частота намного ниже частоты смены кадров в кино — 48 раз в секунду, при которой изображения отдельных кадров сливаются в одно). Такое ощущение цвета иногда называют индуцированным или Фехнеровские цвета - субъективные ощущения цвета, которые можно получить при вращении со скоростью 5 - 20 оборотов в секунду диска Бенхема.

Бэнхем наблюдал вращающийся диск, одна половина которого окрашена в черный, а другая — в белый цвет. На светлой половине круга по спирали наносятся двойные черные отрезки дуг. Если вращать диск со скоростью 5— 12 оборотов в секунду, можно увидеть на нём цветные концентрические окружности. Наружная пара делается красной, средняя — зелёной, внутренняя — синей.

За время наблюдения белого поля рецепторы возбуждаются, происходит их световая адаптация, при наблюдении чёрного поля — темновая адаптация. Предположим, что происходит чередование светлого и темного полей. Если длительность светлого поля достаточна для значительной деполяризации палочки и частичной деполяризации зелёно-чувствительной области колбочки, но недостаточна для значительной деполяризации красно-чувствительной, при замене светлого поля на темное на его фоне возникает последовательный цветовой образ, в котором сохранится знак разбаланса колбочки и системы колбочка — палочка, то есть образ голубого оттенка. Если длительность темного поля будет достаточной для восстановления начальных условий палочки, но недостаточной для восстановления начальных условий красно-чувствительной области колбочки, в первый момент после смены темного поля светлым появится последовательный образ, определяемый красно-чувствительной областью колбочки с инверсией знака, то есть голубого тона.

При таких условиях чередования темных и светлых полей будет сохраняться средний цветовой сигнал, соответствующий голубым тонам. При изменении соотношения белый — чёрный можно подобрать условия, при которых влияние палочки уменьшится, и начнут преобладать красноватые тона. В этом можно убедиться, если посмотреть на яркую раскаленную белую нить лампочки накаливания, затем плотно закрыть глаза: последовательный образ будет красноватого цвета.

Эффект можно значительно усилить, если на нужное время включить рецептор на зарядку или разрядку. Это можно сделать просто, если в соответствующее время «включать» на нужный срок серое поле, которое — затормаживает переходные процессы. Перемещая серое поле вдоль белого, можно, не меняя частоты чередования, изменять ощущаемый оттенок. Чередование полей можно осуществлять с помощью вращающегося диска, носящего название диска Бенхема. Опыт и устройство диска описаны в популярной литературе, и мы не будем на них останавливаться подробно.

Динамические эффекты здесь рассматриваются с точки зрения нелинейной двухкомпонентной теории зрения для одной элементарной ячейки, состоящей из одной палочки, одной колбочки и связи между ними. В действительности в глазу имеется огромное количество палочек, колбочек и всевозможных связей между ними. Эти связи позволяют всем рецепторам работать в тесном взаимодействии, обмениваясь информацией, энергией, усредняя результат, экстраполируя информационные пробелы.

Рассмотрим ещё одно явление, которое не входит в число подробно описанных в литературе «обманов зрения».

Парадокс «аномальная разрешающая способность»

Натянутый между двумя столбами телефонный провод прекрасно виден нормально зрячим глазом до расстояния порядка 500 метров. Зная фокусное расстояние глаза (около 2,5 см) и считая глаз идеальной оптической системой, можно рассчитать ширину получаемого на сетчатке изображения провода, пользуясь правилом подобия треугольников. Приняв толщину провода равной — 4 мм, получим выражение

25 х 4 / 500000мм = 100000 / 500000мкм = 0,2 мкм

Каким же образом глаз видит этот провод, если диаметр самого тонкого рецептора составляет около 3 мкм, то есть в 15 раз толще?

Эту работу рецептор может выполнить только при условии, что он использует метод дифференциального анализа, гиперболирование. В случае телеграфного провода, связи рецепторов обеспечивают не только общий яркостный сигнал, но и информацию о фазовом сдвиге вдоль изображения провода. Они как бы информируют, как нужно расположить направление зазора, чтобы множество рецепторов можно было представить в виде одного большой площади, как и в системе самонаведения. Для этого мозг должен обладать способностью проводить фазовый анализ, что-то вроде голографического. Вопрос о том, как может проводиться этот анализ, выходит за рамки темы. Однако один опыт, демонстрирующий способность глаза осуществлять логическую операцию, названную в математике интерполяцией (логическим дополнением того, чего нет), целесообразно описать.

Слепое пятно

В каждом глазу имеется так называемое слепое пятно. Это участок сетчатки, где расположено начало зрительного нерва и где нет рецепторов. Обнаружить слепое пятно можно просто. На лист белой бумаги наносят на расстоянии 9 см одна от другой две точки, размером около 0,5 см каждая. Располагают лист на расстоянии около 30 см от глаз. Закрыв один глаз, взгляд другого фиксируют на одной точке так, чтобы вторая точка находилась с внешней стороны. Если смотреть правым глазом, вторая точка должна быть точно справа, если левым — слева. При определенном расстоянии бумаги от глаз (В среднем около 30 см) вторая точка исчезнет, так как её изображение окажется спроектированным точно на слепое пятно. Не отрывая взгляда от первой, видимой точки, нужно поднести снизу ко второй торец карандаша. При попадании в область слепого пятна конец карандаша исчезнет. Затем, не отрывая взгляда, карандаш проносят через вторую точку так, чтобы он пересек её своей серединой. Однако заметить «разрыв» карандаша при прохождении над второй точкой не удастся: основываясь на полученной от рецепторов информации, глаз логически дополняет отсутствующую часть карандаша.

Физически это свойство относится к опытам, демонстрирующим «обман зрения». В данном случае скорее наоборот: глаз устраняет попытку его обмана экспериментатором. И вообще подобные опыты описывают не «обман зрения», а наоборот, попытку обмануть зрение, которое добросовестно выполняет свои функции.

Способность глаза «смазывать» отсутствие деталей крупного изображения может оказать человеку и медвежью услугу. Дело в том, что помимо физиологического слепого пятна в глазу могут образоваться и патологические — первый признак начала дегенерации сетчатки, которая приводит, как правило, к частичной или полной слепоте. Появившееся слепое пятно очень долго остается незамеченным и обнаруживается только в серьезной стадии заболевания. А между тем, если такое нарушение обнаружить своевременно, можно принять необходимые и достаточные меры.

Слепые пятна — скотомы — обычно визуально обнаруживаются как затуманенные, нерезкие участки в поле зрения. Появляется желание «протереть глаза», Через два-три дня зрение может восстановиться, и начинающаяся в этом месте депигментация может остаться незамеченной. Такое помутнение обычно появляется в результате кровоизлияния в сетчатку или при закупорке каких-либо её сосудов. Редко кто сразу обращается к врачу, хотя это довольно грозный признак.

Хотя глаз стремится скрыть эти пятна, их можно легко обнаружить, используя для этого такой тест-объект, который глаз не может скорректировать. Таким объектом может быть чёрная сетка на светлом фоне, например оконная сетка с ячейкой 2-3 мм на фоне светлого неба, наблюдаемая из комнаты с расстояния 1 — 2 метра. В местах слепых пятен сетка будет казаться дырявой, притом края «дыр» будут нерезкими. Чтобы обнаружить появление заболевания, людям после 35 — 40 лет желательно раз в несколько дней поглядывать на такую сетку.

См. также

• Теории цветового зрения
• Нелинейная теория зрения
• Трёхкомпонентная теория цветного зрения
• Опровержение трёхкомпонентной гипотезы цветного зрения
• Иллюзии и парадоксы цветового зрения
• Эффект Фехнера-Бенхема
• Эффект Трокслера
• Эффект Пуркинье
• Зелёный луч