Jak widzi człowiek

Wzrok jest najważniejszym ze zmysłów. Aby dobrze zrozumieć podstawy zapisu i obróbki obrazu, musimy zrozumieć jak działa ludzkie oko. 

Proces widzenia realizowany jest u człowieka przez jeden z głównych zmysłów, za pośrednictwem którego odbiera on około 90% ogółu napływających informacji. W zmyśle tym można wyróżnić część wykonawczą, rolę którą pełni układ optyczny oraz część percepcyjną, która wchodzi w skład systemu nerwowego. 

Budowa oka

Oko zbudowane jest z:

  • twardówka - pełni rolę ochronną, otacza całe oko (z wyjątkiem rogówki, oraz miejsca gdzie znajduje się nerw wzrokowy). Jej grubość waha się od 0.3 mm w części przedniej, do 1.3 mm w części tylnej,
  • rogówka - nasze okno na świat. Stanowi swoistą szybę, przez którą światło rozpoczyna swoją podróż do wnętrza oka. Rogówka, podobnie jak soczewka skupia promienie, jednak w przeciwieństwie do soczewki, nigdy nie zmienia swojego kształtu,
  • komora oka - przestrzeń wypełniona wodnistą cieczą, która pomaga w utrzymaniu stałego ciśnienia wewnątrz gałki ocznej. W tylnej części oka znajduje się druga komora,
  • tęczówka - pełni rolę przesłony. Reguluje ilość światła jaka wpada do wnętrza oka, robi to zwiększając lub zmniejszając źrenicę (otwór w przedniej części tęczówki). Oprócz tej niezwykle ważnej funkcji, tęczówka zapewnia naszym oczom piękny wygląd,
  • naczyniówka - znajduje się pomiędzy twardówką a siatkówką. Posiada gęstą sieć naczyń krwionośnych odżywiających i dotleniających fotoreceptory. Dodatkowo, jej brunatna barwa poprawia właściwości optyczne oka,
  • ciało rzęskowe - składa się z mięśnia rzęskowego oraz wyrostków rzęskowych. Skurcze mięśnia rzęskowego powodują zmianę kształtu soczewki. Wyrostki rzęskowe to miejsce, w którym wytwarzana jest ciecz wypełniająca przednią oraz tylną komorę oka,
  • soczewka - jej zadaniem jest przejęcie promieni świetlnych od rogówki i ich dalsze skupianie. Soczewka posiada zdolność zmiany kształtu, dzięki temu możliwe jest ostre widzenie przedmiotów znajdujących się w różnej odległości (akomodacja),
  • ciało szkliste - galaretowata substancja, która wypełnia wnętrze oka. Nadaje kształt gałce ocznej oraz chroni siatkówkę.
  • siatkówka - światłoczuły element oka. Zamienia bodźce wzrokowe na impulsy elektryczne, które później wędrują do mózgu. Największe nasycenie receptorów odbierających promienie świetlne występuje w tylnej części siatkówki i nosi nazwę plamkami żółtej. Najmniej receptorów znajduje się w miejscu gdzie wychodzi nerw wzrokowy, miejsce to nosi nazwę plamki ślepej.
  • nerw wzrokowy - stanowi początek połączenia pomiędzy okiem a mózgiem. Przejmuje impulsy wytworzone przez siatkówkę i przekazuje je dalej.

Proces widzenia 

Wiemy już jak zbudowane jest oko, ale jak to się dzieje, że widzimy? Światło odbite od przedmiotów przechodzi przez rogówkę i wpada do oka. Ilość światła, jakie wpadnie do środka, zależy od aktualnego rozszerzenia źrenicy. Im ciemniejsze światło tym źrenica jest bardziej rozszerzona. Szerokość źrenicy dopasowuje się zatem do jasności światła. 

Następnie światło przechodzi przez soczewkę, która je załamuje. Załamane światło pada na siatkówkę, na której powstaje obraz odwrócony. Siatkówka przetwarza impulsy świetlne na odpowiednie sygnały nerwowe, które poprzez nerw wzrokowy wędrują do mózgu. Tu kończy się rola oka, teraz pora by do akcji wkroczył mózg. 

Obraz który widzimy nie powstaje w oku, tylko w mózgu! Mózg przetwarza sygnały dostarczone mu przez oko za pomocą nerwu wzrokowego, a następnie na podstawie tych sygnałów tworzy obraz.

Widzenie kolorów

Ostatnia, najbardziej wewnętrzna warstwa oka to siatkówka, inaczej retina. Składa się ona z 10 warstw, jest przezroczysta i wrażliwa na światło. Siatkówka zbudowana jest z fotoreceptorów. Fotoreceptory podzielone zostały na dwa rodzaje, są to komórki pręcikowe i czopkowe. Człowiek posiada ok. 125 mln pręcików i 6,5 mln czopków.

Pręciki zlokalizowane są na całym obszarze siatkówki, ale liczniej występują na jej obrzeżach. Nie są wrażliwe na kolory, jednak umożliwiają nam widzenie kształtów i ruchu przy słabym oświetleniu. Jest to tzw. widzenie skotopowe.

Gdy światło jest intensywne (np. dzienne) komórki pręcikowe przestają reagować, ale za to komórki czopkowe stają się aktywne i umożliwiają widzenie fotopowe. Największe zagęszczenie komórek czopkowych występuje w plamce żółtej w centralnej części siatkówki, stąd widzenie jest tam najostrzejsze. Z kolei miejscem na siatkówce, w którym nie powstaje obraz, jest plamka ślepa znajdująca się w miejscu, z którego nerw wzrokowy wychodzi z gałki ocznej, ponieważ nie znajdują się tam żadne fotoreceptory.

Komórki czopkowe umożliwiają widzenie barw, dlatego wyróżnia się trzy rodzaje, z których każdy najlepiej odbiera fale świetlne o różnej długości, niebieskie, zielone i czerwone. Oznacza to, że każda komórka czopkowa absorbuje wszystkie długości fali, jednak typ określa, na które światło dana komórka jest najbardziej wrażliwa.

Aby mózg mógł wytworzyć obraz, energia świetlna odbierana przez fotoreceptory musi być zamieniona na impulsy nerwowe. Ważną rolę w tym procesie odgrywają barwniki wzrokowe zawarte w komórkach wzrokowych, które służą do absorpcji energii świetlnej. U człowieka funkcję fotopigmentu pełni rodopsyna (czerwień wzrokowa), która pod wpływem światła ulega przemianom chemicznym i dzięki temu umożliwia powstanie potencjału receptorowego a następnie impulsu przesyłanego do mózgu.

Więcej informacji można znaleźć tutaj proces widzenianarząd wzroku.

 

 

Iluzje

Aby lepiej zrozumieć jak człowiek widzi, musimy sobie uświadomić, że odpowiedzialnym za to co postrzegamy jest mózg a nie oko. 

Mimo że nasze oczy poruszają bez przerwy (drgają z bardzo dużą częstotliwością) my widzimy stabilny obraz. Wynika to z faktu, że mózg przed przeniesieniem wzroku w nowe miejsce, koncentruje swą uwagę na obszarze docelowym. W ten sposób poprawia się czułość neuronów przetwarzających obraz, a zarazem nasila się reakcja na to, co zobaczymy. Kolejnym zjawiskiem jest przetwarzane dynamicznie zanim jeszcze skoncentrujemy na nim wzrok. Właśnie ta znajomość powoduje, że widzimy stabilny obraz świata.

Jak już mówiliśmy mózg odbiera bardzo dużą ilość informacji i musi w szybkim czasie wyekstrahować to co najważniejsze. Dobrze obrazuje to doświadczenie przedstawione w poniższych filmikach:

Aby mózg mógł dobrze rozpoznawać obiekty, wykorzystuje dodatkowe informacje. Przyjrzyjmy się parą poniższych obrazów:

 

Czy na obrazie (ten sam obraz obrócony o $180^0$) widzisz krater czy górę? 

Oczywiście nasze oko widzi ten sam obraz, ale nasz mózg wie (nauczył się), że światło pada zawsze z góry. W konsekwencji na lewym obrazku musi być góra a na prawym dolina.

Podobny efekt można zaobserwować na poniższym obrazie. Jakie różnice są w położeniu kul na obrazku A oraz B?

Wydaje się, że na obrazku A kule leżą na podłożu i są ułożone z jednego rogu, w kierunku drugiego rogu. Zaś na rysunku B każda kolejna kula znajduje się wyżej i są ułożone od lewego boku do prawego równolegle z liniami, które również w ten sposób prowadzą.

To jednak po raz kolejny mózg płata nam figla. Nie zwracajmy uwagi na cień, a na same kule, w oby przypadkach są położone tak samo. Różnicą jest właśnie cień, który to według naszego spostrzeżenia zupełnie zmienia umiejscowienie kul na obrazku B w stosunku do A. Mamy tu w takim razie do czynienia ze stosunkiem odległości cienia od przedmiotu, który ten cień rzutuje. Wskazówka ta dostarcza nam informacje o położeniu przedmiotu.

Podobnych efektów można znaleźć wiele:

Ale ustawanie słońca względem ziemi i zachowanie się cienia, nie jest jedyną informacją która jest używana przez mózg człowieka w kontekście rozpoznawania obiektów. 

Podczas rozpoznawania twarzy nasz mózg, również przyjmuje kilka założeń na temat jak mniej więcej wygląda topografia twarzy ludzkiej. Oraz, że w kontekście rozpoznawania uczuć najważniejsze są oczy i usta.

Na powyższym rysunku bez trudu, możesz rozpoznać emocje na twarzach chociaż są one obrócone. Bardziej jaskrawy przykład prezentujemy poniżej.

Czy powyższe zdjęcia byłego prezydenta Stanów zjednoczonych się od siebie różnią? Czy możesz rozpoznać emocje?

Spójrzmy na obraz odwrócony o $180^0$ stopni.

Po za ogólnymi informacjami, takimi jak położenie Słońca względem Ziemi, zachowania się cienia i ogólnych informacje o obiektach, mózg umie wykorzystywać panujące środowisko do rozpoznawania.

Przykładowo, który z szarych kwadratów jest jaśniejszy:

Oczywiście oba szare kwadraty mają ten sam kolor, ale ten po lewej stronie wydaje się być jaśniejszy. Wynika to z faktu, że nasz mózg próbuje go wyodrębnić i odróżnić od tła. 

Rozważmy sobie podobną sytuację. Tym razem pytanie jest o to, który napis jest jaśniejszy "BLACK" czy "WHITE" na poniższym obrazie.

Jeżeli usuniemy tło to odpowiedź jest oczywista.

Efekt rozjaśnienia pewnych elementów wynika z faktu, że mózg chce podkreślić pewne fragmenty tak by były lepiej widziane. Najczęściej są to obiekty, które znajdują się w cieniu.

W następnym przykładzie naszym zadaniem jest rozpoznać które pole jest jaśniejsze A czy B.

Ponieważ pole B znajduje się w cieniu więc nasz mózg próbuje je rozjaśnić. Nie zmienia to faktu, że są one tego samego koloru.

W poniższych przykładach umieszczone zostały elementy tego samego (szarego) koluru między białymi i czarnymi obiektami. Zauważ, że na obrazach nie jest widoczny żaden cień.

 

Innym typem iluzji, opartej na tym samym mechanizmie, jest zaburzenie w odczuwaniu długości i szerokości. Która z linii (żółtych) na poniższych rysunkach jest dłuższa, a która krótsza?

Analogicznie jak wcześniej nasz mózg, korzystając z informacji o perspektywie inaczej odbiera długości pewnych obiektów, przez co ulegamy złudzeniu.

 

Ciekawe strony: 

  1. http://www.bbc.com/future/bespoke/story/20150130-how-your-eyes-trick-your-mind/index.html
  2. http://www.eyetricks.com/illusions.htm

Nasz mózg jest w stanie się uczyć oraz dorabiać sobie pewne elementy w taki sposób by rozpoznawać kształty, których tak w rzeczywistości może nie być.

Czy na poniższym rysunku widzisz prostokąt? czy naprawdę on tam jest?

Oczywiście widzimy prostokąt, Ale tak naprawdę go tam nie ma. Jak byśmy ułożyli te kulki w innej kolejności to złudzenie kwadratu by zniknęło. Poniżej przedstawiamy więcej tego typu iluzji:

Oczywiście nasz mózg jest w stanie odzyskiwać bardziej skomplikowane wzory. Co widzisz na poniższym obrazie?

Jeżeli widzisz psa to dobrze rozwiązałeś zagadkę. Chociaż dla mnie to jest tylko kilka czarnych plam na białym tle.

Nasze czy są w stanie zauważyć ruch na obrazie: