Участник:Миг/Зрение

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

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

• Зрением называют также 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.

Зрением обладают многие биологические классы. Филогенетически это относительно позднее сенсорное чувство, особенно по сравнению с различными видами хеморецепции (обоняние, вкус). Однако для многих биологических видов зрение стало одним из основных каналов информации об окружающем мире. В зрительной системе млекопитающих сигналы, поступающие от сетчатки глаз, обрабатываются несколькими отделами мозга. Мозговые центры также управляют движениями глаз, регулируют состояние зрачков и кривизну линз-хрусталиков. Зрение многих организмов позволяет оценить цвет, яркость, форму и объем (стереоскопия).

Разновидность зрения

Зрение животных позволяет им воспринимать окружающий мир по-разному. Эволюция привела к формированию двух типов глаз:

• 1 — Участник:Миг/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.

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

Глаза

Принцип работы оптикобиологической системы глаза

Глаза (лат. oculus) — сенсорные органы животных и человека, воспринимающие свет и цвет, обеспечивающие функцию зрения. Глаза обладают способностью воспринимать электромагнитное излучение спектра с длиной волны приблизительно от 380 (фиолетовый) до 780 нм (красный) — RGB, который потому и называется световым диапазоном, откуда свет (цвет) - это то, что воспринимает, видит глаз.

Глаза живых существ, выполняя одинаковую функцию зрения, иногда очень различаются по строению. Глаз — сложнейщая биологическая оптичекая система, подобно которой устроена и работает искусственная оптическая система фотоаппарата. Аналгично 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 изображение на сетчатке, а мозг постоянно анализирует и исправляет в сознании полученный образ.

Зрение с двумья глаза́ми называется бинокулярным. Оно дает возможность воспринимать предметы объемно (пространственно) — ориентироваться на местности, координировать свои действия, например, при ходьбе, прыжках; управлять движением своим телом, полноценно учавствовать во всех сферах деятельности — работе, учебе, спорте и т. д.

В отличие от многих животных, зрение человека ограничено пространствам с угом конуса около 46°. Для большего обзора человек рефлекторно включает механизм управления глазными яблоками, или поворот головы.

Фасеточные глаза

Фасеточное зрение мухи

Упаковка элементов оматидиев в одном полушарии фасеточного глаза

В живой природе кроме системы зрения в виде глаз, существует мир безпозвоночных 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 шестиеранных 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 фосеточных глаз в виде двух полусфер с огромным количесвом упакованных элементов зрения —оматидиев, образующих в целом сферу, практически насекомые не вращая головой видят пространсво и все предметы со всех сторон. Они легко запоминают и находят нужные им координаты мест.

Что мы воспринимаем (ощущаем) при помощи зрения

• Свет
• Участник:Миг/Цвет
• Трехмерное 3D изображение в пространстве, объемное изображение (в системе трех координат, благодаря бинокулярному зрению — у человека это зрение при помощи двух глаз).

Механизмы регулировки светочувствительности глаза у человека

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

Pис.2/a, Функциональные части колбочек и палочек. Свет и цвет изначально воспринимается зрительной системой (сетчаткой) в условиях нормального и низкого (слабого) освещения.

Реакция на свет зрителной системы различна (В) (см. рис.2). В условиях низких уровней освещения (вечернее и ночное время) зрение — scotopic осуществляется и регулируется работой фоторецепторов - палочкек. Палочки максимально светочувствительны к длинам волны порядка 500 нм. В условиях смещения освещения в сторону более порога 500 нм, в более яркое → 555нм — видение цветовое (например, освещение не совсем тёмное). В этих условиях, к работе подключаются экстерорецепторы колбочки. При этом, максимум светочувстввительности палочек смещается к длинам волн около 555нм. В этих условиях освещённости это состояние известно как mesopic когда и палочки и колбочки обеспечивают значащие выходные сигналы (в виде биотоков, которые можно сканировать), исходящие из сетчатки глаза — от фоторецепторов — колбочек и палочек, расположенных в фокальной поверхности сетчатки.

Восприятие «белого» цвета обычно происходит благодаря воздействию всего спектра видимого света (или трёх основных спектральных монолучей RGB), и благодаря реакции глаза при воздействии основных длин волн красного, зеленого, и синего, или при смешении только пары цветов, типа синего и желтого. При этом лучи света вначале проходят через верхний ганглиозный слой, где сталкиваются с фоторецепторами ipRGC. При этом рефлекторно они взаимодействуют с колбочками, палочками и мозгом. И находящийся у них пигмент меланопсин, чувствительный к фиолетово-синему спектру (к длине волны 460-484нм), участвует вместе с колбочками и палочками в трансдукции биосигнала фиолетово-синего цвета.

Сетчатка (см. рис.2) состоит из многих слоёв, где фокальная поверхность сетчатки содержащит светочувствительные палочки, колбочки и ганглиозный слой, содержащий фоторецпторы ipRGC (рецепторный уровень), которые преобразуют фотоны (частицы света) в нервные импульсы, поступающие в мозг (нейронный уровень), причем импульсы из правого глаза идуг в левое полушарие мозга, и наоборот (А), Палочки чувствительны к низким уровням освещения, Колбочки, начинают функционировать при сильном освещении. По мере затемнения активность колбочек падает и они перестают реагировать на свет. Реакция на свет также может быть различной (В) Колбочки (1) воспринимают желто-зеленую часть спектра, а палочки (2), хотя и обеспечивают черно-белое видение, воспринимают также и волны сине-зеленой части спектра Наибольшую точность зрения при ярком освещении дает небольшой участок, центральная ямка сетчатки, в которой имеются только колбочки.

Механизмы корректировки цветовосприятия у человека

Моделируемое появление красной герани и листвы: в нормальном ярком свете (фотоизображения) видения, сумрак (mesopic) видение, и ночь (scotopic) видение

Световая чувствительность оценивается величиной порога светового раздражителя.

Человек с хорошим зрением способен разглядеть ночью свет от свечи на расстоянии нескольких километров. Однако 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 500 нм (максимум чувствительности глаза). 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.

Зрение в условиях недостаточного освещения

Наиболее важным является зрение в условиях слабого освещения. Это связано с восприятием человеческим глазом освещенности объектов в области с низким уровнем освещения (длина волны менее 500нм) — в зоне сине-фиолетового цветного спектра., Особенности сумеречного зрения иногда называют эффектом Пуркинье, возникающим в процессе адаптации глаз к темноте, и названном так в честь первооткрывателя, чешского анатома Эванджелиста Пуркинцайк.

Чувствительность фоторецепторов в период достаточного дневного освещения (scotopic зрение) изменяется с изменением длины волны, хотя восприятие в зоне слабого освещения является преимущественно черно-белым. Изменения в процессе эффекта Пуркинье приводят к изменению поглотительного максимума родоспинa, в зоне приблизительно в 500 нм. В этой же зоне (Участник:Миг/Опсины) фотосенсоры с более длинной длиной волны и средней длиной волны — сенсоры цветного зрения (колбочки), активизируются к восприятию волн 555нм, но в черно-белом цвете. Это используется при применении спектра в области красных лучей света в условиях соблюдения темноты, когда нужно увидеть объект, будучи самому не замеченным. Например, исследования над крысами, мышами; в подводных лодках — субмаринах, где нужно вести работу (в перископах и др.), соблюдая темноту.

Для того чтобы ощущать цвет, необходимо в спектре освещения наличие всех составляющих: и синей, и зелёной, и жёлтой, и красной. В дневном свете все эти составляющие есть. При ночном освещении — только слабые отражённые лучи спектра света: лучи солнца (отраженные от луны), лучи планет звёздной галактики (лучи красного цвета), что в смеси дают фиолетово-сине-зелёную смесь области спектра. В итоге мы видим ночью объекты в основном серо-чёрного цвета (без цвета) с голубоватым оттенком.

Днём света достаточно, порог чувствительности фоторецептора может быть ниже; ночью света мало, чувствительность должна быть максимально достигаемой. И можно сомневаться, что образуемые в природе самые рациональные биологические организмы с их органами откажутся от возможности перестройки работы пигментов глаза и использовать наиболее совершенные биологические механизмы в восприятии света и цвета.

Зрение и пространство

В природе практически все живые существа не могут нормально развиваться и жить без органов зрения. Сложное устрйство глаз животных и человека 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 удалящийся 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 приближениии 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).

Но так как каждый глаз видит предмет в системе координат Х-У и две его проекции, видимые под углом, в мозгу формируют один объёмный, пространственный предмет, то сразу автоматически получаем стереоизображение из систем координат Х-У. При этом изображение в каждом глазу проектируется с передачей точек трёхмерного пространства, т. е. перспективно, а значит, создаваемое стереизображение в коре головного мозга принимает вид трёхмерного измерения или в системе Х-У-Z, т. е. в системе 3D.

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 аппаратурое 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».

См. также

• Участник:Миг/Зрение человека
• Современное понимание механизмов цветного зрения
• Участник:Alexandr/Современная теория восприятия света и цвета
• Участник:Миг/Трёхкомпонентная теория цветного зрения
• Участник:Миг/Сетчатка
• Бионический глаз
• Участник:Миг/Глаз
• Участник:Миг/Цветное зрение
• Изображение
• Оптическое изображение
• Оптические системы
• Оптика

Ссылки

1. перенаправление шаблон:цвета радуги