Зрение (версия Миг)

Leonardo DaVinci: Линия, в пределах которой глаз всё видит отчетливо.

Зрение — один из специфических видов ощущения, выражающийся в способности живых существ воспринимать световое излучение, испускаемое источниками света, или отражённое материальными объектами.

• Зрением также называют робото-машиннную, программную реализацию восприятия информации о пространственной структуре объектов, адаптированной по форме или функции к человеческому зрению (машинное зрение). Например, существуют системы ультразвукового «зрения» для слепых; в этом случае в качестве аналога зрительного восприятия используется ультразвуковое (как у летучих мышей) зондирование пространства, с преобразованием отражённого сигнала в звуковую тонально-кодированную форму.

Зрение в животном мире

Зрением обладают многие биологические классы. Филогенетически это относительно позднее сенсорное чувство, особенно по сравнению с тактильным восприятием, или с различными видами хеморецепции — обонянием и вкусом.

Однако для многих биологических видов зрение стало одним из основных каналов информации об окружающем мире.

Эволюционно ранними проявлениями зрительного восприятия можно считать фототаксис у некоторых галобактерий, когда разные диапазоны падающего на бактерии излучения приводят к двум различным реакциям: либо к фотоаттракции, либо к избеганию.

В зрительной системе млекопитающих сигналы, поступающие от сетчатки глаз (версия Миг), обрабатываются несколькими отделами мозг. Мозговые центры также управляют движениями глаз, регулируют сечение зрачков и кривизну хрусталиков. Зрение многих организмов позволяет оценить цвет (версия Миг), яркость цвета (версия Миг), форму и объем (стереоскопия).

Разновидности органов зрения

Зрение животных позволяет им воспринимать окружающий мир. Глаза, как орган зрения, могут быть устроены по-разному. Эволюция привела к формированию двух типов глаз:

• 1 — глаза человека и высших животных, у которых сформировались сложные биологические оптические системы. У этих животных два глаза, работающих согласованно (отсюда и появился термин бинокулярное зрение). У ряда животных развилось стереоскопическое зрение.

• 2 — Фасеточные глаза характерны для насекомых (стрекоза, пчёлы, муха) и некоторых других существ.

Некоторые из животных имеют более одной пары глаз (пауки, осьминоги)

Глаза

Принцип работы оптической системы глаза

Глаза живых существ, выполняя одинаковую функцию зрения, иногда очень различаются по строению. Глаз — сложнейшая биологическая оптическая система, подобно которой устроена и работает искусственная оптическая система фотоаппарата. Аналогично хрусталику глаза, фотокамера имеет линзу — объектив, проецирующей изображение на плёнку (в глазу — на сетчатку). Древние египтяне считали, что из глаза исходят специальные лучи, «осматривающие предмет», хотя источники света могут быть только внешние — например, пламя костра, свеча, прожектор. Любой объект — изображение на бумаге, солнечный зайчик от зеркала, любой предмет в природе, если он не нагрет до высокой температуры, мы видим в отраженном свете. То есть как зеркало отражает лучи света, так и все предметы отражают лучи света. Лучи света, попавшие в глаз, создают оптическое изображение на сетчатке, а мозг постоянно анализирует и исправляет в сознании полученный образ.

Бинокулярное зрение дает возможность воспринимать предметы объемно (пространственно) — ориентироваться на местности, координировать свои действия, например, при ходьбе, прыжках; управлять движением своим телом, полноценно участвовать во всех сферах деятельности — работе, учебе, спорте и т. д.

В отличие от многих животных, зрение человека ограничено пространством с углом зрения около 46°. Для большего обзора человек рефлекторно включает механизм управления глазными яблоками, или поворачивает голову.

Фасеточные глаза

Фасеточное зрение мухи

Упаковка элементов оматидиев в одном полушарии фасеточного глаза

В живой природе кроме системы зрения в виде глаз, существует мир беспозвоночных обитателей — насекомых, наделенных зрением, принципиально отличающимся от бинокулярного глазного зрения. Оно называется —Фасеточное зрение.

Фасеточные глаза насекомых неподвижны. Они расположены по бокам головы и могут занимать почти всю её поверхность (например, у стрекоз, мух, пчёл). Фасеточные глаза расположены на капсуле головы в глубоких каналах кутикулах, называемыми глазными капсулами. Поверхность, близкая по форме к полусфере из кутикулы, охватывает глаз извне и удерживает его на головной капсуле. У ракообразных иногда кутикулы сидят на подвижных выростах. Наиболее изучены фасеточные глаза взрослых насекомых и их личинок с неполным превращением, у которых они упакованы сотнями и даже тысячами омматидиев — образований в виде шестигранных трубочек.

Глаза различных видов насекомых состоят из различного числа омматидиев : у рабочего муравья — около 100, у комнатной мухи — около 4000, у рабочей пчелы — 5000, у бабочек — до 17 000, у стрекоз — до 30 000.

Благодаря устройству фасеточных глаз в виде двух полусфер с огромным количеством упакованных элементов зрения — омматидиев, образующих в целом сферу, практически насекомые не вращая головой видят пространство и все предметы со всех сторон. Они легко запоминают и находят нужные им координаты мест.

Что мы воспринимаем (ощущаем) и что происходит при помощи зрения

• Свет (версия Миг) (даже в условиях сверхслабого освещения, ночное зрение)
• Цвет объектов (в видимом диапазоне электромагнитных волн 380‒760 нм) при достаточной освещённости (дневное зрение (версия Миг)).
• Трехмерное, объемное изображение окружающих предметов в пространстве. Изображение в системе трех координат возможно благодаря бинокулярному зрению и процессу аккомодации, у человека нормальное зрение осуществляется при помощи двух глаз.
• Движение объектов. Зрительная система, помимо различения цвета, формы и расположения предметов, реагирует на движение объектов.
• Влияние цвета на вегетативную нервную систему (психофизиологические процессы).

Механизмы регулировки светочувствительности глаза у человека

Pис. 2/a. Функциональные части колбочек и палочек.

Рис.2.Схема цветного зрения с точки зрения трёхкомпонентной теории

Реакция на свет зрительной системы различна (В) (см. рис.2). В условиях низких уровней освещения (вечернее и ночное время — когда исчезают или отсутствуют RGB) ночное зрение (версия Миг) (скотопическое) осуществляется и регулируется работой фоторецепторов — палочек. Палочки максимально светочувствительны к длинам волны света менее 498нм. При дневном освещении, когда присутствуют RGB, паботают Экстерорецепторы (версия Миг) — колбочки. Колбочки работают с длинами волн более 498 нм. В этих условиях освещённости состояние глаза обеспечивает мезопическое зрение, когда колбочки оппонентно выделяют, самые яркие основные, базовые S,M,L — RGB биосигналы сфокусированных предметных точек изображения (не в цвете, на рецепторном уровне), передаваемые в мозг в зрительную кору (на нейронный уровень). В зрительной коре формируется наше оптическое изображение в стерео и цвете, формируется наше ощущение цвета.

Восприятие белого цвета обычно происходит благодаря воздействию полного дневного спектра видимых лучей света RGB. Искусственно можно воспроизвести ощущение «белого цвета» путём дозированного воздействия на глаз нескольких длин волн (например, красного, зеленого, и синего в одинаковых пропорциях (255)), или даже смешением только пары дополнительных цветов, типа синего и желтого. Например, вращая диск с нанесенными красками основных цветов — красного, зелёного, синего с одинаковыми секторами в одинаковых пропорциях (255), мы видим диск белого цвета. (Основной принцип построения цветовых моделей).

Фокальная поверхность сетчатки, содержащая светочувствительные палочки, колбочки преобразуют фотоны (частицы света) в нервные импульсы, поступающие в мозг, причем импульсы из правого глаза идут в левое полушарие мозга, и наоборот (А). Палочки чувствительны к низким уровням освещения с длинами волн менее 498нм, колбочки, начинают функционировать при при дневном освещении с длинами волн более 498нм. По мере уменьшения диапазона освещения — исчезновения основных цветов, активность колбочек падает и они перестают реагировать на такого вида освещения предметов. Реакция на свет может быть различной, схема (B) (см. рис. 2).

• Колбочки (1) воспринимают желто-зеленую часть спектра, а
• Палочки (2), хотя и обеспечивают черно-белое видение, воспринимают лучи сине-зеленой части спектра. В основном же дневное зрение, например, при солнечном освещении обеспечивает небольшой участок центральной ямки сетчатки глаза, в которой имеются только колбочки, которые улавливают красные, зелёные лучи света.

Замечание

Фоторецепторные клетки Колбочки, Палочки и ганглиозные клетки ipRGC (Свет снизу)

Рис. Ф. RPE — РПЕ, Ретинальный пигментный эпителий сетчатки глаза OS — Наружный сегмент экстерорецепторов IS — Внутренний сегмент фоторецепторов ONL — Внешний зернистый слой — Внешний ядерный слой OPL — Внешний сплетениевидный слой сетчатки глаза INL — Внутренний ядерный слой IPL — Внутренний сплетениевидный слой сетчатки глаза GC — Ганглионарный слой BM — мембрана Бруха P — Пигментные эпителиоциты C — Колбочки сетчатки глаза R — Палочки сетчатки глаза Стрелка и пунткирна линия — внешняя пограничная мембрана H — Горизонтальные клетки сетчатки глаза Bi — Биполярные клетки сетчатки глаза M — Клетки Мюллера A — Амакриновые клетки (версия Миг) G — Ганглиозные клетки ipRGC Ax — Аксоны

При рассмотрении вопросов визуального цветного зрения следует различать и отличать понятия яркость света (физическая величина) от яркости цвета (биологическая величина).

Яркость цвета связана с цветным и чёрно-белым зрением, нашим личным, биологическим восприятием световых видимых более слабых лучей (электромагнитных колебаний) (см. дневное зрение), с колбочками S,M,L, (синих, зелёных, красных) с пиком длиной волны более 498 нм, которые нашим глазом воспринимаются как очень яркие (вопросы приспосабливаемости и выживания живых организмов), хотя они c точки зрения физики по энергетике более слабые. У них частота колебаний волн более низкая, чем у синих, УФ лучей (длина волн менее 496нм). Дневной образ жизни животных связан с окружающей средой обитания, где в основном все объекты освещены дневными лучами света, а прямой и отражённый видимый спектр света содержит основные видимые лучи S,M,L,, которые более слабые, но биологически отбираются как наиболее яркие. Понятно, почему мы не видим Уф лучи, рентгеновские лучи и т.д. Природа выбрала свой вариант восприятия среды обитания и защиты глаза от ненужных ей сильных УФ, фиолетовых, высокочастотных синих лучей с длинами волн менее 498 нм. Например, лучи наиболее энергетические как синие, УФ лучи с длинами волн менее 496 нм для глаза оказываются не яркими, и колбочками не воспринимаются, т.к. они блокируются от попадания на колбочки ганглиозными и биполярными клетками сетчатки глаза, хотя они более мощные! (Парадокс). (См. рис. Ф).

При решении задачи на различение лучей при слабом освещении (здесь слабое освещение связано с исчезновением, отсутствием основных лучей дневного освещения RGB) в условиях цветного зрения — "монохромных лучей" с длинами волн менее 498нм, в условиях "ночного видения" служат экстерорецепторы, называемые палочками, которые имеют пик чувствительности вокруг 496 нм и менее с фотопигментом высокой чувствительности при слабом освещении родопсином к лучам синим и УФ с высокой частотой колебаний (менее 496нм). (Колбочки их не воспринимают).

Откуда биологические понятия яркости и контрастности цвета при зрении отличаются от физических понятий яркости и контрастности света.

Работа фоторецепторов, фотопигментов, зрачка глаза в зависимости от яркостей цвета

Рис. 1k. Фоточувствительные экстерорецепторы сетчатки (версия Миг) глаза (птицы). Типы колбочек в сетчатке цыплёнка.
А. Ход световых лучей к «цветовоспринимающему» фоторецептору (колбочка)
Б.1-Б.4 — блок четырёх типов колбочек, характерных для многих видов птиц. Колбочка Б.4 с пигментом (кон-опсин) оппонентно выделила красный луч света.

Свет попадает в глаз (cм. рис. 1k) через зрачок вначале проходит сквозь "прозрачные слои" нервных клеток (см. рис.Ф) (нейроны) сетчатки, прежде чем достичь фоторецепторов, содержащих светочувствительные вещества — зрительные фотопигменты. Фотопигменты претерпевают химические превращения при освещении и, выделяют биосигналы, которые в процессе преобразований по зрительным нервам попадают в мозг, инициируя процесс зрения (цветного или чёрно-белого).

Лучи света, распространяясь вдоль фоторецепторов (см. рис. Ф) (колбочки, палочки), создаваемый процесс возбуждения нервных клеток передается через синапсы назад к биполярным клеткам, которые, в свою очередь, передают нервные сигналы на ганглиозные клетки, и те дают начало волокнам зрительного нерва слепого пятна глаза, по которым то или иное сообщение в виде кода нервных импульсов поступает в зрительные центры мозга.

В сложном процессе зрения фоторецепторы следовательно, представляют светорегистрирующую систему, а совместная работа биполярных, ганглиозных и дополненных рядом других <вспомогательных> клеток, обеспечивает многочисленные боковые горизонтальные связи в сетчатке, осуществляя первичный анализ изображения (не цветного) на сетчатке . Следовательно, импульсы проходящие по волокнам зрительного нерва в мозг, являются не простым отражением интенсивности света — яркости цвета, падающего на каждый небольшой участок сетчатки, а соответствующим образов переработанными биосигналами, по сравнению с исходными сигналами фоторецепторов. Фактически большинство ганглиозных клеток получает информацию не от одного, а от многих фоторецепторов и, значит, имеет место большая степень конвергенции (сбор сигналов от многих фоторецепторов в одной ганглиозной клетке). При этом происходит взаимодействие биполярных, ганглиозных нервных и др. клеток сетчатки с вегетативными нервными клетками, управляющими мышцами сужения или расширения диаметра зрачка (диафрагмирование) глаза через вегетативную нервную систему. При высокой яркости цвета (освещённости в люксах) отверстие сужается и наоборот. Например, максимальные изменения диаметра зрачка у здорового человека находится в пределах примерно от 1,8 мм до 7-9 мм, что соответствует изменению площади зрачка примерно в 17 раз без учёта того, что освещённость фоторецепторов (колбочки, палочки) пропорциональна произведению площади зрачка, яркости объекта и коэффициенту пропускания глазных сред. В итоге мы имеем изменение яркости одного порядка, как 10:1. Но работа зрачка в данном случае при регулировке чувствительности глаза не велика. Диапазон яркостей, которые зрительный процесс способен воспринять и равен от 10⁻⁶ кд*м² для полностью адаптированного к темноте глаза и 10⁶ кд*м² для полностью адаптированного глаза к свету, что составляет 12 порядков яркости, т.к. в процессе адаптации глаза к свету или темноте происходит регулировка фоточувствительности, зависимая от освещённости объекта, разложением и восстановлением фотопигментов опсинов при создании биосигналов, которые находятся в фоторецепторах сетчатки — колбочках и палочках.

Зрение в разных условиях освещения у человека

Моделируемое появление красной герани и листвы: при нормальном ярком свете, в сумерках и ночью

Световая чувствительность оценивается величиной порога светового раздражителя.

Человек с хорошим зрением способен разглядеть ночью свет от свечи на расстоянии нескольких километров. (При нормальном зрении работа колбочек при освещении с длиной волны света более 498 нм) днако световая чувствительность зрения многих ночных животных (совы, грызуны) гораздо выше.

Максимальная световая чувствительность палочек глаза достигается после достаточно длительной темновой адаптации. Её определяют под действием светового потока в телесном угле 50° при длине волны менее 498 нм. В этих условиях пороговая энергия света около 10⁹ эрг/с, что эквивалентно нескольким квантам.

Чувствительность глаза зависит от полноты адаптации, от интенсивности источника света, длины волны и угловых размеров источника, а также от времени действия раздражителя. Чувствительность глаза понижается с возрастом из-за ухудшения оптических свойств склеры и зрачка, а также рецепторного звена восприятия.

Согласно Ретиномоторной реакции фоторецепторов в условиях дневного освещения работают только колбочки. В условиях вечернего и ночного освещения (отражённые лучи света) работают только палочки. При ночном и сумеречном освещении глаз видит источники света с не отражёнными лучами света с длинами волн более 498нм. (Фонари, светофоры, свечи и т.д.)

Зрение в условиях слабого освещения

Наиболее важным является зрение в условиях слабого освещения. При переходе зрения от дневного к сумеречному изменяется восприятие цветов. Это связано с перестройкой глаза к восприятию объектов при низкой освещенности. При этом цветопередача смещается в сине-фиолетовую область спектра., Особенности сумеречного зрения наглядно демонстрирует эффект Пуркинье (версия Миг), возникающий в процессе снижения уровня внешнего освещения.

Для того, чтобы при слабом (приглушенном) освещении обеспечить максимальное разрешение глаза используют подсветку например красным цветом. При этом в зрении участвуют только колбочки, так как палочки не чувствительны к красной области спектра.

Применение подсветки красным светом используется при освещении в условиях соблюдения скрытности, когда необходимо различать объекты, не привлекая постороннего внимания и оставаясь не замеченным. Например в ночное время на подводных лодках (субмаринах), где иногда необходимо вести работу с применением внешних оптических приборов — перископов, на авианосцах в открытом море и пр.

Для того чтобы корректно ощущать цвет, необходимо в спектре освещения наличие всех составляющих: от фиолетовой до красной. В дневном свете все эти составляющие есть. При ночном освещении — только слабые отражённые лучи солнечного спектра: лучи солнца отраженные от луны, планет, звёзд, галактик, с максимумом в сине-зелёной области спектра. В итоге мы видим ночью объекты в основном серо-чёрного цвета с голубоватым оттенком.

Днём света достаточно, чувствительность может быть ниже; ночью света мало, чувствительность должна быть максимально достигаемой.

Зрение и пространство

В природе огромное число видов живых существ не может нормально развиваться и жить без органов зрения. Сложное устройство глаз животных и человека, в сочетании с высокоразвитым мозгом, обеспечивает адекватное восприятие окружающего мира.

«Качающаяся» стереоскопия

Стереоскопическое зрение

Стереоскопическое зрение возникает благодаря бинокулярному зрению — бинокулярному расположению глаз, при котором расстояние между центрами хрусталиков составляет 50 — 70 мм, способности глаз к аккомодации, т. е. способности поворачиваться и одновременно смотреть на приближающийся или удаляющийся предмет. Это заметно и можно самому проверить. Если предмет — тонкая палочка, расположена вертикально и перемещается, удаляясь или приближаясь в пределах 15 — 50 см в плоскости, перпендикулярной фронтальной поверхности лица посреди глаз, то мы увидим, что глаза автоматически поворачиваются при удалении или приближении палочки и постоянно видят предмет резким. Что происходит?

1. Правый и левый глаза смотрят на палочку так, что изображение правой части палочки видит правый глаз, а левой части — левый глаз.
2. В каждом глазу на сетчатке глаза проектируется изображение; изображение правой стороны палочки — в правом глазу, а левой стороны палочки — в левом глазу.
3. Таким образом мы видим предмет с двух сторон одновременно, мозг из двух изображений строит единое объемное изображение. Его называют обычно стереоскопическим изображением (стереоизображение).

Стереоизображение

Принцип работы прибора (стереоскопа) при стереовидении

Стереовидение использует принцип раздельного зрения двумя глазами. Как правило все бинокли, стереоскопы используют базовый размер между окулярами около 56 мм, поэтому слайды и другие изображения получают на съёмочной аппаратурное с базовым расстоянием между объективами 56 мм. Обычно в стерефотоаппаратах установлено два объектива с указанной базой, съёмка ведётся одновременно двумя объективами на два слайда. Стереоэффект более выражен на расстояниях до объекта съёмки до 10 — 20 м. Чем ближе объект съёмки, тем стереоэффект выше. В простом стереоскопе мы видим каждое изображение, левое и правое, одновременно двумя глазами, но у нас создаётся в мозгу одно объёмное изображение; более хорошие стереоскопы полностью разделяют информационные каналы.

Движущиеся предметы, в телевидении, кино создают у нас иллюзию стереоскопии, несмотря на съёмку одним объективом, чем часто пользуются кинооператоры. Это связано с быстрой сменой кадров (до 30 к/сек); мозг запоминает вид объекта при перемещении, т. е. изображение объекта как бы с двух сторон, и в сознании создается объёмный образ. Но такая стереоскопия не совершенна. (См. иллюстрацию с качающимся столом).

В настоящее время уже разработаны экраны мониторов, в которых двойные стереоизображения показывают в режиме кино — и стереоэффект, стереовидение получаем без цветных или поляризационных очков. Пока это экспериментальные образцы, но будущее за ними.

Зрительные иллюзии

Несмотря на весьма совершенную систему регулировки зрения, у человека в определённых условиях могут возникать ошибки зрительного восприятия, известные как «зрительные иллюзии (версия Миг)».

См. также

• Зрительная система (версия Миг)
• Сетчатка глаза (версия Миг)
• Глаз (версия Миг)
• Цветное зрение (версия Миг)
• Эффект Пуркинье (версия Миг)
• Оптическое изображение
• Ретиномоторная реакция фоторецепторов сетчатки глаза
• Теория трёхкомпонентного цветного зрения (версия Миг)
• Освещённость
• Яркость (характеристика цвета) (версия Миг)