Зрение (версия DmitriyRDS)

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-машинную, 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, обрабатываются несколькими отделами мозга. Мозговые центры также управляют движениями глаз, регулируют сечение зрачков и кривизну хрусталиков. Зрение многих организмов позволяет оценить цвет, яркость, 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, пчела, 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. Оптическую систему глаза часто рассматривают в аналогии с оптической системой фотоаппарата. Хрусталик глаза ассоциируют с объективом, а сетчатку с фотоплёнкой.

Древние египтяне считали, что из глаза исходят некие лучи, «осматривающие предмет», при этом источники света могут быть только внешние — например, пламя костра, свеча, солнечный свет. 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 все предметы отражают часть попавшего на них света. Изображение спроектированное на сетчатку, вызывает раздражение фоторецепторов, сигналы от которых обрабатываются и далее посупают в мозг, благодаря чему мы ощущаем некий 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) при помощи зрения

• Свет (даже в условиях сверхслабого освещения, ночное зрение)
• Цвет объектов (в видимом диапазоне электромагнитных волн 380-760 нм) при достаточной освещённости (дневное зрение).
• Объемное положение окружающих предметов в пространстве. Объемное изображение возможно благодаря бинокулярному зрению и процессу аккомодации.
• Движение объектов. Зрительная система, помимо различения цвета, формы и расположения предметов, реагирует на движение объектов.

Реакция зрительной системы на свет

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

Фокальная поверхность сетчатки, содержит светочувствительные рецепторы палочки и колбочки, которые преобразуют энергию фотонов (частиц света) в нервные импульсы, поступающие в мозг. Палочки чувствительны даже к крайне низким уровням освещения. Колбочки, начинают функционировать только при более сильном освещении. По мере затемнения активность колбочек постепенно падает до момента, когда они полностью перестают реагировать на свет. Колбочки имеют максимум чувствительности в желто-зеленой части спектра, а палочки, лучше всего воспринимают сине-зелёную часть спектра. Наибольшее разрешение нашего зрения, при ярком освещении, обеспечивает небольшой участок, центральная ямка сетчатки, в которой находятся только колбочки.

Реакция на свет у зрительной системы зависит от яркости освещения. Работа глаза в условиях низких уровней освещения при ночном зрении осуществляется фоторецепторами - палочками. Палочки имеют максимум чувствительности в области длин волн порядка 500 нм. В этих условиях наше зрение монохромно (мы не можем различать цветов). При более ярком свете (дневное зрение) — у нас появляется возможность различать цвета. В этих условиях к работе подключаются фоторецепторы — колбочки. В этих условиях освещённости, глаз обеспечивает мезопическое зрение, при котором совместно работают и палочки, и колбочки. При этом, максимум светочувствительности палочек смещается к длинам волн в район 555 нм.

Световая чувствительность оценивается величиной порога светового раздражителя.

Человек с хорошим зрением способен разглядеть ночью свет от свечи на расстоянии до нескольких километров. Световая чувствительность зрения ночных животных, например (совы, грызуны) существенно 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 500 нм (максимум чувствительности глаза при слабом освещении). 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.

Механизмы регулировки светочувствительности глаза у человека

В глазу человека существует два механизма регулировки чувствительности: регулировка диаметра относительного отверстия зрачка и снижение чувствительности фотопигментов при увеличении уровня освещения.

Максимальные изменения диаметра зрачка у здорового человека — от 1,8 мм до 7,5 мм, что соответствует изменению площади зрачка в 17 раз. Однако, реальный диапазон изменения освещённости сетчатки ограничивается соотношением 10:1, а не 17:1, как следовало бы ожидать исходя из изменений площади зрачка. На самом деле освещённость сетчатки пропорциональна произведению площади зрачка, яркости объекта и коэффициенту пропускания глазных сред.

Вклад зрачка в регулировку чувствительности глаза крайне незначителен. Весь диапазон яркостей, которые наш зрительный механизм способен воспринять, огромен: от 10⁻⁶ кд*м² для глаза, полностью адаптированного к темноте, до 10⁶ кд*м² для глаза, полностью адаптированного к свету, или на 12 порядков яркости!

Основной механизм регулировки чувствительности кроется в изменении чувствительности фоторецепторов, а именно в разложении и восстановлении фоточувствительных пигментов находящихся в фоторецепторах сетчатки — колбочках и палочках.

Механизмы корректировки цветовосприятия у человека

Восприятие «белого» цвета обычно происходит благодаря воздействию полного дневного спектра видимого света. Искусственно можно воспроизвести ощущение "белого света" путём дозированного воздействия на глаз нескольких длин волн (например красного, зеленого, и синего в определённых пропорциях), или даже смешением только пары дополнительных цветов, например синего и желтого.

Для того чтобы корректно ощущать цвет, необходимо в спектре освещения наличие всех составляющих: от фиолетовой до красной. В дневном свете все эти составляющие есть.

В случае когда в спектре освещения отсутствует тот или иной участок видимой области, цвет объектов воспринимаемых глазом изменяется.

Днём, когда света достаточно, чувствительность фоторецепторов глаза понижается, при этом мы одинаково хорошо видим предметы и различаем цвета как на ярком солнце, так и в тени.

В сумерках, когда света мало, чувствительность фоторецепторов увеличивается (компенсируя недостаток освещения) и мы также хорошо различаем окружающие нас предметы, при этом глаз уже не в состоянии точно воспринимать цвета, поэтому цветопередача окружающих предметов нарушается.

Ночью до поверхности земли доходят только слабые лучи видимой области солнечного спектра отраженные от луны и планет, а также свет от звёзд и галактик. Максимум этого спектра приходится на сине-зелёную область спектра. На такой низкий уровень освещения фоторецепторы колбочки уже не реагируют, работают только фоторецепторы - палочки, при этом их чувствительность предельно максимальна. Все предметы ночью мы видим серыми, так как при таком освещении глаз не может различать цвета.

Цветовосприятие в условиях недостаточного освещения

При переходе от дневного зрения 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 названный в честь впервые описавшего его Яна Эвангелиста Пуркинье‎, 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 колбочки, так как палочки не чувствительны к красной области спектра.

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

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 расположению глаз (расстояние между центрами хрусталиков составляет 50 — 70 мм) и 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 отражаются в режиме реального времени с высоким разрешением и без применения 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».

См. также

• Зрительная система
• Сетчатка
• Глаз
• Цветное зрение
• Эффект Пуркинье
• Оптическое изображение
• Теория трёхкомпонентного цветного зрения