Стереопсис - Stereopsis

Стереопсис (от греческого στερεο - стерео - «твердый» и ὄψις opsis - «внешний вид, зрение ») - это термин, который чаще всего используется для обозначения восприятия глубины и трехмерной структуры, полученной на основе визуального восприятия. информация, поступающая от двух глаз людей с нормально развитым бинокулярным зрением . Поскольку глаза человека и многих животных расположены в разных боковых положениях головы, бинокулярное зрение приводит к двум немного разным изображениям, проецируемым на сетчатку.глаз. Различия заключаются в основном в относительном горизонтальном положении объектов на двух изображениях. Эти позиционные различия называются горизонтальными диспропорциями или, в более общем смысле, бинокулярными диспропорциями . Расхождения обрабатываются в зрительной коре головного мозга, чтобы обеспечить восприятие глубины . Хотя бинокулярные диспропорции естественно присутствуют при просмотре реальной трехмерной сцены двумя глазами, их также можно смоделировать, искусственно представляя два разных изображения отдельно для каждого глаза с помощью метода, называемого стереоскопией . Восприятие глубины в таких случаях также называется «стереоскопической глубиной».

Однако восприятие глубины и трехмерной структуры возможно с информацией, видимой только одним глазом, такой как различия в размере объекта и параллакс движения (различия в изображении объекта с течением времени при движении наблюдателя), хотя впечатление глубина в этих случаях часто не такая яркая, как полученная по бинокулярным диспропорциям. Следовательно, термин стереопсис (или стереоскопическая глубина) может также относиться конкретно к уникальному впечатлению глубины, связанному с бинокулярным зрением; то, что в просторечии называется видением «в 3D».

Было высказано предположение, что впечатление «реального» разделения по глубине связано с точностью, с которой определяется глубина, и что сознательное осознание этой точности - воспринимаемое как впечатление взаимодействия и реальности - может помочь в планировании двигательной активности. действие.

Отличия

Грубый и тонкий стереопсис

У стереопсиса есть два различных аспекта: грубый стереопсис и точный стереопсис, которые предоставляют информацию о глубине с разной степенью пространственной и временной точности.

  • Грубый стереопсис (также называемый грубым стереопсисом ), по-видимому, используется для оценки стереоскопического движения на периферии. Он дает ощущение погружения в свое окружение и поэтому иногда также упоминается как качественный стереопсис . Грубый стереопсис важен для ориентации в пространстве во время движения, например, при спуске по лестнице.
  • Прекрасный стереопсис в основном основан на статических различиях. Он позволяет человеку определять глубину объектов в центральной визуальной области ( область слияния Панума ) и поэтому также называется количественным стереопсисом . Обычно это измеряется в тестах со случайными точками; люди с грубым, но не тонким стереопсисом часто не могут выполнять тесты с произвольными точками, в том числе из-за визуальной скученности, которая основана на эффектах взаимодействия от соседних визуальных контуров. Точный стереопсис важен для мелкой моторики, такой как заправка нити в иглу.

Стереопсис, которого может достичь человек, ограничен уровнем остроты зрения более слабого глаза. В частности, пациенты со сравнительно более низкой остротой зрения, как правило, нуждаются в относительно больших пространственных частотах, которые должны присутствовать во входных изображениях, иначе они не смогут достичь стереопсиса. Для точного стереопсиса требуется, чтобы оба глаза обладали хорошей остротой зрения, чтобы обнаруживать небольшие пространственные различия, и его легко нарушить из-за ранней зрительной депривации. Есть признаки того, что в ходе развития зрительной системы у младенцев грубый стереопсис может развиться раньше, чем точный стереопсис, и что грубый стереопсис управляет движениями вергентности, которые необходимы для развития точного стереопсиса на последующей стадии. Кроме того, есть признаки того, что грубый стереопсис - это механизм, который поддерживает выравнивание двух глаз после операции по поводу косоглазия .

Статические и динамические раздражители

Также было предложено различать два разных типа стереоскопического восприятия глубины: статическое восприятие глубины (или статическое стереовосприятие) и глубокое восприятие движения (или стереоскопическое восприятие движения). Некоторые люди, страдающие косоглазием и не демонстрирующие восприятия глубины с помощью статических стереотестов (в частности, с использованием тестов Титмуса, см. Раздел этой статьи о контурных стереотестах ), действительно воспринимают движение по глубине при тестировании с использованием динамических стереограмм со случайными точками . Одно исследование показало, что сочетание стереопсиса движения и отсутствия статического стереопсиса присутствует только у экзотропов , но не у эзотропов .

Исследование механизмов восприятия

Есть веские основания полагать, что стереоскопический механизм состоит как минимум из двух механизмов восприятия, возможно, из трех. Грубый и точный стереопсис обрабатываются двумя разными физиологическими подсистемами, причем грубый стереопсис выводится из диплопических стимулов (то есть стимулов с несоответствиями, выходящими далеко за пределы диапазона бинокулярного слияния) и дает лишь смутное представление о величине глубины. Грубый стереопсис, по-видимому, связан с сигнальным путем, который обрабатывает низкие пространственные несоответствия частот и движение, а точный стереопсис - с парво- каналом, который обрабатывает высокие пространственные частотные несоответствия. Кажется, что грубая стереоскопическая система способна предоставить остаточную бинокулярную информацию о глубине у некоторых людей, у которых отсутствует точный стереоскопический вид. Было обнаружено, что люди по-разному интегрируют различные стимулы, например стереоскопические сигналы и окклюзию движения.

Как мозг комбинирует различные сигналы - включая стерео, движение, угол вергенции и монокулярные сигналы - для определения движения в глубину и положения трехмерного объекта - это область активных исследований в области зрительной науки и смежных дисциплин.

Распространенность и влияние стереопсиса на человека

Не у всех одинаковая способность видеть с помощью стереопсиса. Одно исследование показывает, что 97,3% способны различать глубину при горизонтальном отклонении в 2,3 угловой минуты или меньше, и по крайней мере 80% могут различать глубину при горизонтальном отклонении в 30 угловых секунд .

Стереопсис положительно влияет на выполнение практических задач, таких как заправка иглы, ловля мячей (особенно в быстрых играх с мячом), налив жидкости и другие. Профессиональная деятельность может включать использование стереоскопических инструментов, таких как бинокулярный микроскоп . Хотя некоторые из этих задач могут получить выгоду от компенсации зрительной системы с помощью других сигналов глубины, есть некоторые роли, для которых стереопсис является обязательным. Профессии, требующие точного определения расстояния, иногда включают требование продемонстрировать некоторый уровень стереопсиса; В частности, такое требование предъявляется к пилотам самолетов (даже если первый пилот, совершивший кругосветный полет в одиночку, Уайли Пост , совершил свой подвиг только с монокулярным зрением). Также хирурги обычно демонстрируют высокую остроту стереозрения. Что касается вождения автомобиля , исследование обнаружило положительное влияние стереопсиса в определенных ситуациях только на средних дистанциях; Кроме того, исследование пожилых людей показало, что ослепление , потеря поля зрения и полезное поле зрения были значительными предикторами участия в ДТП, тогда как значения остроты зрения, контрастной чувствительности и стереорезкости у пожилых людей не были связаны с ДТП.

Бинокулярное зрение имеет и другие преимущества помимо стереопсиса, в частности, улучшение качества зрения посредством бинокулярного суммирования ; люди со косоглазием (даже те, у которых нет двоения в глазах) имеют более низкие оценки бинокулярной суммирования, и это, по-видимому, побуждает людей со косоглазием закрывать один глаз в визуально сложных ситуациях.

Давно признано, что полное бинокулярное зрение, включая стереопсис, является важным фактором стабилизации послеоперационного результата коррекции косоглазия. Многие люди, у которых отсутствует стереопсис, имеют (или имели) видимое косоглазие , которое, как известно, имеет потенциальное социально-экономическое влияние на детей и взрослых. В частности, косоглазие как под большим углом, так и под углом может отрицательно сказаться на самооценке , поскольку мешает нормальному зрительному контакту , часто вызывая смущение, гнев и чувство неловкости. Подробнее об этом см. Психосоциальные эффекты косоглазия .

Было отмечено, что с растущим внедрением технологии 3D-дисплеев в сфере развлечений и медицинской и научной визуализации, высококачественное бинокулярное зрение, включая стереопсис, может стать ключевым фактором успеха в современном обществе.

Тем не менее, есть признаки того, что отсутствие стереозрения может заставить людей компенсировать это другими способами: в частности, стереослепота может дать людям преимущество при изображении сцены с использованием монокулярных сигналов глубины всех видов, и среди художников, похоже, есть непропорционально большое количество людей, лишенных стереопсиса. В частности, утверждается, что Рембрандт мог быть стереослепым .

История исследований стереопсиса

Зеркальный стереоскоп Уитстона

Впервые стереопсис был объяснен Чарльзом Уитстоном в 1838 году: «… разум воспринимает трехмерный объект посредством двух разных картинок, проецируемых им на сетчатку…». Он осознал, что, поскольку каждый глаз смотрит на визуальный мир с немного разных горизонтальных позиций, изображение каждого глаза отличается от другого. Объекты, находящиеся на разном расстоянии от глаз, проецируют изображения в два глаза, которые отличаются своим горизонтальным положением, давая сигнал глубины горизонтального несоответствия, также известного как несоответствие сетчатки или бинокулярное несоответствие . Уитстон показал, что это эффективный сигнал глубины, создавая иллюзию глубины на плоских изображениях, которые различались только горизонтальным несоответствием. Чтобы отображать свои фотографии отдельно для двух глаз, Уитстон изобрел стереоскоп .

Леонардо да Винчи также осознал, что объекты на разном расстоянии от глаз проецируют изображения в двух глазах, которые различаются своим горизонтальным положением, но пришел к выводу только, что это не позволяет художнику изобразить реалистичное изображение глубины сцены. с одного холста. Леонардо выбрал для своего ближнего объекта колонну с круглым поперечным сечением, а для своего дальнего объекта - плоскую стену. Если бы он выбрал какой-либо другой близкий объект, он мог бы обнаружить горизонтальное несоответствие его характеристик. Его колонка была одним из немногих объектов, проецирующих идентичные изображения в обоих глазах.

Стереоскопия стала популярной в викторианские времена с изобретением призменного стереоскопа Дэвидом Брюстером . В сочетании с фотографией это означало, что были созданы десятки тысяч стереограмм .

Примерно до 1960-х годов исследования стереопсиса были посвящены изучению его ограничений и его отношения к единству зрения. Среди исследователей были Питер Людвиг Панум , Эвальд Геринг , Адельберт Эймс-младший и Кеннет Н. Огл .

В 1960-х Бела Джулес изобрел стереограммы с произвольными точками . В отличие от предыдущих стереограмм, на которых каждое половинное изображение показывало узнаваемые объекты, каждое половинное изображение первых стереограмм с произвольными точками представляло квадратную матрицу из примерно 10 000 маленьких точек, причем каждая точка с вероятностью 50% была черной или белой. Ни на одной половине изображения не было видно узнаваемых объектов. Два половинных изображения стереограммы со случайными точками были по существу идентичны, за исключением того, что одно имело квадратную область точек, смещенную по горизонтали на один или два диаметра точки, что давало горизонтальное несоответствие. Пропуск, оставленный смещением, был заполнен новыми случайными точками, скрывающими смещенный квадрат. Тем не менее, когда два полуизображения просматривались по одному на каждый глаз, квадратная область была почти сразу видна, находясь ближе или дальше, чем фон. Джулес причудливо назвал квадрат циклопическим изображением в честь мифического циклопа , у которого был только один глаз. Это произошло потому, что внутри нашего мозга есть циклопический глаз, который может видеть циклопические стимулы, скрытые для каждого из наших настоящих глаз. Стереограммы с произвольными точками выдвинули на первый план проблему стереоскопического зрения, проблему соответствия . Это означает, что любая точка на одном половинном изображении может реально сочетаться с множеством точек того же цвета на другом половинном изображении. Наши визуальные системы явно решают проблему соответствия, поскольку мы видим заданную глубину вместо тумана ложных совпадений. Исследования начали понимать, как это сделать.

Также в 1960-х Гораций Барлоу , Колин Блейкмор и Джек Петтигрю обнаружили нейроны в зрительной коре головного мозга кошки , рецептивные поля которых находились в разных горизонтальных положениях в двух глазах. Это заложило нейронную основу стереоскопического зрения. Их выводы были оспорены Дэвидом Хьюбелом и Торстеном Визелем , хотя в конце концов они признали это, когда обнаружили похожие нейроны в зрительной коре головного мозга обезьян . В 1980-х годах Джан Поджио и другие обнаружили нейроны в V2 мозга обезьяны, которые реагировали на глубину стереограмм с произвольными точками.

В 1970-х годах Кристофер Тайлер изобрел автостереограммы , стереограммы со случайными точками, которые можно просматривать без стереоскопа. Это привело к появлению популярных картинок Magic Eye .

В 1989 году Антонио Медина Пуэрта на фотографиях продемонстрировал, что изображения сетчатки без различия параллаксов, но с разными тенями, стереоскопически сливаются, придавая изображаемой сцене восприятие глубины. Он назвал это явление «теневым стереопсисом». Таким образом, тени являются важным стереоскопическим сигналом для восприятия глубины. Он показал, насколько эффективно это явление, сделав две фотографии Луны в разное время и, следовательно, с разными тенями, благодаря чему Луна появилась в стереоскопическом трехмерном изображении, несмотря на отсутствие каких-либо других стереоскопических сигналов.

Человеческий стереопсис в популярной культуре

Стереоскоп представляет собой устройство , с помощью которого каждый глаз может быть представлен с различными изображениями, позволяя бинокулярного быть стимулированы двумя изображениями, по одному для каждого глаза. Это привело к различным увлечениям стереопсисом, обычно вызванным новыми видами стереоскопов. В викторианские времена это был призма Стереоскоп (позволяя стерео фотографий для просмотра), в то время как в 1920 - х годах он был красно-зеленым стекло ( что позволяет стерео фильмов для просмотра). В 1939 году концепция призматического стереоскопа была переработана в технологически более сложный View-Master , который выпускается и сегодня. В 1950-х годах поляризационные очки позволяли стереозвучать цветные фильмы. В 1990-х годах были представлены изображения Magic Eye ( автостереограммы ), которые не требовали стереоскопа, но полагались на зрителей, использующих форму свободного слияния, так что каждый глаз просматривал разные изображения.

Геометрическая основа

Стереопсис, по-видимому, обрабатывается зрительной корой головного мозга млекопитающих в бинокулярных клетках, имеющих рецептивные поля в разных горизонтальных положениях в двух глазах. Такая клетка активна только тогда, когда ее предпочтительный стимул находится в правильном положении в левом глазу и в правильном положении в правом глазу, что делает ее детектором несоответствия .

Когда человек смотрит на объект, два глаза сходятся, так что объект появляется в центре сетчатки обоих глаз. Остальные объекты вокруг основного объекта кажутся смещенными по отношению к основному объекту. В следующем примере, в то время как основной объект (дельфин) остается в центре двух изображений в двух глазах, куб смещается вправо на изображении для левого глаза и смещается влево в изображении для правого глаза.

Два глаза сходятся на объекте внимания.
На изображении для левого глаза куб смещен вправо.
Куб смещен влево на изображении правого глаза.
Мы видим единое, циклопическое изображение из изображений двух глаз.
Мозг придает каждой точке циклопического изображения значение глубины, представленное здесь картой глубины в градациях серого .

Поскольку каждый глаз находится в разном горизонтальном положении, каждый имеет немного разную перспективу на сцене, что дает разные изображения сетчатки . Обычно не наблюдаются два изображения, а скорее единый вид сцены, явление, известное как единое видение. Тем не менее стереопсис возможен при двоении в глазах. Эту форму стереопсиса Кеннет Огл назвал качественным стереопсисом .

Если изображения сильно различаются (например, при косоглазии или при представлении разных изображений в стереоскопе ), то можно увидеть одно изображение за раз, явление, известное как бинокулярное соперничество .

Существует эффект гистерезиса, связанный со стереопсисом. Как только слияние и стереопсис стабилизируются, слияние и стереопсис могут поддерживаться, даже если два изображения медленно и до определенной степени симметрично разделены в горизонтальном направлении. В вертикальном направлении наблюдается аналогичный, но меньший эффект. Этот эффект, впервые продемонстрированный на случайной точечной стереограмме , первоначально интерпретировался как расширение области слияния Панума . Позже было показано, что эффект гистерезиса выходит далеко за пределы области слияния Панума, и что стереоскопическая глубина может быть воспринята на стереограммах со случайными линиями, несмотря на наличие циклодородностей около 15 градусов, и это было интерпретировано как стереопсис с диплопией .

Взаимодействие стереопсиса с другими сигналами глубины

При нормальных обстоятельствах глубина, определяемая стереопсисом, согласуется с другими признаками глубины, такими как параллакс движения (когда наблюдатель перемещается, глядя в одну точку сцены, точка фиксации , точки ближе и дальше, чем точка фиксации, кажется, движутся против или с движением, соответственно, со скоростью, пропорциональной расстоянию от точки фиксации) и графическими подсказками, такими как наложение (более близкие объекты закрывают более удаленные объекты) и знакомый размер (более близкие объекты кажутся больше, чем более удаленные объекты). Однако с помощью стереоскопа исследователи смогли противостоять различным признакам глубины, включая стереопсис. Самая радикальная версия этого - псевдоскопия , при которой полуизображения стереограмм меняются местами между глазами, устраняя бинокулярное несоответствие. Уитстон (1838) обнаружил, что наблюдатели все еще могут оценить общую глубину сцены в соответствии с наглядными репликами. Стереоскопическая информация соответствовала общей глубине.

Компьютерное стереозрение

Компьютерное стереозрение - это часть области компьютерного зрения . Иногда его используют в мобильной робототехнике для обнаружения препятствий. Примеры приложений включают ExoMars Rover и хирургическую робототехнику.

Две камеры снимают одну и ту же сцену, но они разделены расстоянием - точно так же, как наши глаза. Компьютер сравнивает изображения, сдвигая два изображения вместе друг над другом, чтобы найти совпадающие части. Сдвинутая сумма называется несоответствием . Несоответствие, при котором объекты на изображении лучше всего совпадают, используется компьютером для расчета расстояния до них.

У человека глаза меняют угол в зависимости от расстояния до наблюдаемого объекта. Для компьютера это представляет собой значительную дополнительную сложность геометрических расчетов ( эпиполярная геометрия ). Фактически, самый простой геометрический случай - это когда плоскости изображения камеры находятся в одной плоскости. В качестве альтернативы изображения могут быть преобразованы путем перепроецирования посредством линейного преобразования, чтобы они находились в той же плоскости изображения. Это называется исправлением изображения .

Компьютерное стереозрение с помощью множества камер при фиксированном освещении называется структурой из движения . Методы, использующие фиксированную камеру и известное освещение, называются фотометрическими стереофоническими методами или « формой из тени ».

Компьютерный стерео дисплей

Было предпринято множество попыток воспроизвести стереозрение человека на быстро меняющихся компьютерных дисплеях, и с этой целью в ВПТЗ США были поданы многочисленные патенты, касающиеся трехмерного телевидения и кино . По крайней мере, в США коммерческая деятельность, связанная с этими патентами, ограничивается исключительно получателями грантов и лицензиатами владельцев патентов, чьи интересы обычно сохраняются в течение двадцати лет с момента подачи заявки.

Не считая 3D-телевидения и кино (для которых обычно требуется более одного цифрового проектора, движущиеся изображения которого механически связаны, в случае 3D-кинотеатра IMAX), компания Sharp предложит несколько стереоскопических ЖК-дисплеев , которая уже начала поставки ноутбуков с встроенный стереоскопический ЖК-дисплей. Хотя старые технологии требовали, чтобы пользователь надевал очки или козырьки для просмотра компьютерных изображений или компьютерной графики , в новых технологиях обычно используются линзы или пластины Френеля над жидкокристаллическими дисплеями, освобождая пользователя от необходимости надевать специальные очки или защитные очки .

Тесты стереопсиса

В тестах стереозрения (кратко: стереотесты ) каждому глазу показываются немного разные изображения, так что трехмерное изображение воспринимается в случае наличия стереозрения . Это может быть достигнуто с помощью векторных изображений (видимых в поляризованных очках), анаглифов (видимых в красно-зеленых очках), линзообразных линз (видимых невооруженным глазом) или технологии отображения на голове . Тип изменений от одного глаза к другому может различаться в зависимости от того, какой уровень стереорезкости должен быть обнаружен. Таким образом, серия стереотестов для выбранных уровней представляет собой тест на стереочувствительность .

Существует два типа общих клинических тестов на стереопсис и стереоскопию: стереотесты со случайными точками и стереотесты по контуру. Тесты стереопсиса с произвольными точками используют изображения стереофигур, встроенных в фон из случайных точек. Контурные стереотесты используют изображения, на которых мишени, представленные каждому глазу, разделены по горизонтали.

Случайные точечные стереотесты

Способность к стереозвуку может быть проверена, например, с помощью стереотеста Ланга , который состоит из стереограммы со случайными точками, на которой отпечатаны серии параллельных полос цилиндрических линз определенной формы, которые разделяют виды, видимые каждым глазом в этих изображениях. области, как на голограмме . Без стереопсиса изображение выглядит только как поле из случайных точек, но формы становятся различимыми с увеличением стереопсиса и, как правило, состоит из кошки (что указывает на возможность стереопсиса в 1200 секунд дуги несоответствия сетчатки), звезды ( 600 угловых секунд) и автомобиль (550 угловых секунд). Для стандартизации результатов изображение следует рассматривать на расстоянии 40 см от глаза и точно во фронтопараллельной плоскости. Для таких тестов нет необходимости использовать специальные очки, что облегчает их использование у маленьких детей.

Контурные стереотесты

Примерами контурных стереотестов являются стереотесты Titmus, наиболее известным примером является стереотест Titmus Fly, в котором изображение мухи отображается с неравномерностью по краям. Пациент использует трехмерные очки, чтобы посмотреть на картинку и определить, можно ли увидеть трехмерную фигуру. Величина несоответствия в изображениях варьируется, например, 400–100 угловых секунд и 800–40 угловых секунд.

Недостаток и лечение

Дефицит стереоскопического зрения может быть полным (тогда это называется стереослепотой ) или более или менее нарушенным. Причины включают слепоту на один глаз, амблиопию и косоглазие .

Зрительная терапия - одно из средств лечения людей с недостатком стереопсиса. Зрительная терапия позволит людям улучшить свое зрение с помощью нескольких упражнений, таких как усиление и улучшение движения глаз. Недавно появились данные о том, что стереорегулярность у людей с амблиопией может быть улучшена с помощью перцептивного обучения ( см. Также: лечение амблиопии ).

У животных

Существуют убедительные доказательства существования стереопсиса во всем животном мире . Он встречается у многих млекопитающих, птиц, рептилий, земноводных, рыб, ракообразных, пауков и насекомых. У ротоногих есть стереопсис с одним глазом.

Смотрите также

использованная литература

Библиография

  • Джулес, Б. (1971). Основы циклопического восприятия . Чикаго: Издательство Чикагского университета
  • Штейнман, Скотт Б. и Штейнман, Барбара А. и Гарция, Ральф Филип (2000). Основы бинокулярного зрения: клиническая перспектива . McGraw-Hill Medical. ISBN  0-8385-2670-5 .
  • Ховард, И.П. , и Роджерс, Б.Дж. (2012). Глубокое восприятие. Том 2, Стереоскопическое зрение. Оксфорд: Издательство Оксфордского университета. ISBN  978-0-19-976415-0
  • Кабани, И. (2007). Segmentation et mise en correance couleur - Приложение: Этюд и концепция единой системы звездного видения для проводки автомобиля. ISBN  978-613-1-52103-4

внешние ссылки