Dobivanje jasne slike na mrežnjači ljudskog oka. Koja je slika na retini

Oko je organ odgovoran za vizualnu percepciju okolnog svijeta. Sastoji se od očne jabučice, koja je preko optičkog živca povezana s određenim područjima mozga, i pomoćni uređaji. Takvi uređaji uključuju suzne žlijezde, mišićno tkivo i očne kapke.

Očna jabučica je prekrivena posebnom zaštitnom membranom koja je štiti od razne štete, sclera. Vanjski dio ove prevlake je prozirnog oblika i naziva se rožnjača. Rogoobrazna oblast, jedan od najosetljivijih delova ljudsko tijelo. Čak i mali uticaj na ovo područje dovodi do zatvaranja očiju kapcima.

Ispod rožnjače je šarenica koja može varirati u boji. Između ova dva sloja nalazi se posebna tečnost. U strukturi šarenice postoji posebna rupa za zjenicu. Njegov prečnik ima tendenciju da se širi i skuplja u zavisnosti od dolazne količine svetlosti. Ispod zenice se nalazi optičko sočivo, kristalno sočivo, koje podseća na neku vrstu želea. Njegovo pričvršćivanje na bjeloočnicu vrši se pomoću posebnih mišića. Iza optičkog sočiva očne jabučice nalazi se područje koje se zove staklasto tijelo. Unutar očne jabučice nalazi se sloj koji se zove fundus. Ovo područje je prekriveno mrežastom membranom. Ovaj sloj sadrži tanka vlakna, koja su kraj optičkog živca.

Nakon što svetlosni zraci prođu kroz sočivo, prodiru u staklasto telo i dospevaju do unutrašnjeg veoma tanka ljuska oči - retina

Kako je slika konstruisana

Slika predmeta formirana na mrežnjači oka je proces zajedničkog rada svih komponenti očne jabučice. Priznanja svetlosnih zraka prelamaju se u optičkom mediju očne jabučice, reproducirajući slike okolnih objekata na mrežnici. Prolazeći kroz sve unutrašnje slojeve, svjetlost, udarajući u vizualna vlakna, iritira ih i signali se prenose do određenih moždanih centara. Zahvaljujući ovom procesu, osoba je sposobna za vizualnu percepciju objekata.

Veoma dugo vremena Istraživače je zabrinjavalo pitanje kakva se slika dobija na mrežnjači. Jedan od prvih istraživača ove teme bio je I. Kepler. Njegovo istraživanje zasnivalo se na teoriji da je slika izgrađena na retini oka u obrnutom stanju. Kako bi dokazao ovu teoriju, izgradio je poseban mehanizam, reproducirajući proces udara svjetlosnih zraka u mrežnicu.

Nešto kasnije, ovaj eksperiment je ponovio francuski istraživač R. Descartes. Da bi sproveo eksperiment, koristio je bikovo oko sa slojem uklonjenim sa zadnjeg zida. Postavio je ovo oko na posebno postolje. Kao rezultat toga, mogao je uočiti obrnutu sliku na stražnjem zidu očne jabučice.

Na osnovu toga slijedi sasvim logično pitanje: zašto osoba vidi okolne predmete ispravno, a ne naopako? To se događa kao rezultat činjenice da sve vizualne informacije ulaze u moždane centre. Osim toga, određeni dijelovi mozga primaju informacije od drugih osjetila. Kao rezultat analize, mozak ispravlja sliku i osoba dobija tačne informacije o objektima oko sebe.

Retina je centralna karika našeg vizuelnog analizatora

Ovu tačku vrlo je precizno zabilježio pjesnik W. Blake:

Kroz oko, ne okom
Um zna kako gledati na svijet.

Početkom devetnaestog veka u Americi je izveden zanimljiv eksperiment. Njegova suština je bila sljedeća. Ispitanik je nosio specijalna optička sočiva, slika na kojima je imala direktnu konstrukciju. Kao rezultat:

• vizija eksperimentatora bila je potpuno okrenuta naopačke;
• svi predmeti koji ga okružuju postali su naopačke.

Trajanje eksperimenta dovelo je do činjenice da je kao rezultat kršenja vizuelni mehanizmi sa drugim čulima počela je da se razvija morska bolest. Naučnik je imao napade mučnine tri dana od početka eksperimenta. Četvrtog dana eksperimenata, kao rezultat savladavanja mozga sa ovim uslovima, vid se vratio u normalu. Nakon što je dokumentirao ove zanimljive nijanse, eksperimentator je snimio optički instrument. Budući da je rad moždanih centara bio usmjeren na dobivanje slike dobivene uz pomoć uređaja, kao rezultat njenog uklanjanja, vizija subjekta je ponovo okrenuta naopačke. Ovaj put njegov oporavak je trajao oko dva sata.

Vizualna percepcija počinje projekcijom slike na retinu i stimulacijom fotoreceptora

Daljnjim istraživanjem pokazalo se da je samo ljudski mozak sposoban da pokaže takvu sposobnost prilagođavanja. Upotreba takvih uređaja na majmunima je dovela do njihovog pada u komatozno stanje. Ovo stanje je pratilo izumiranje refleksne funkcije I niske performanse krvni pritisak. U potpuno istoj situaciji, takvi poremećaji u funkcioniranju ljudskog tijela se ne primjećuju.

Zanimljiva je činjenica da se ljudski mozak ne može uvijek nositi sa svim pristiglim vizualnim informacijama. Kada određeni centri ne rade, pojavljuju se vizualne iluzije. Kao rezultat toga, predmetni predmet može promijeniti svoj oblik i strukturu.

Postoji još jedna zanimljivost razlikovna karakteristika vidnih organa. Kao rezultat promjene udaljenosti od optičkog sočiva do određene figure, mijenja se i udaljenost do njegove slike. Postavlja se pitanje, kao rezultat toga, slika zadržava svoju jasnoću kada ljudski pogled promijeni fokus, s objekata koji se nalaze na znatnoj udaljenosti na one koji se nalaze bliže.

Rezultat ovog procesa postiže se uz pomoć mišićnog tkiva koje se nalazi u blizini sočiva očne jabučice. Kao rezultat kontrakcija, mijenjaju njegove konture, mijenjajući fokus vida. Tokom procesa, kada je pogled fokusiran na objekte koji se nalaze u daljini, ovi mišići miruju, što gotovo ne mijenja konturu sočiva. Kada je pogled fokusiran na objekte koji se nalaze u blizini, mišići se počinju skupljati, leća se savija, a snaga optičke percepcije se povećava.

Ova funkcija vizuelna percepcija zvala se smještaj. Ovaj termin se odnosi na činjenicu da su vidni organi u stanju da se prilagode fokusiranju na objekte koji se nalaze na bilo kojoj udaljenosti.

Dugotrajno gledanje u vrlo bliske predmete može izazvati jaku napetost u vidnim mišićima. Kao rezultat njihovog pojačanog rada, može doći do vizualnog utapanja. Kako bi se izbjegao ovaj neugodan trenutak, prilikom čitanja ili rada za računarom udaljenost treba biti najmanje četvrt metra. Ova udaljenost se naziva udaljenost jasnog vida.

Optički sistem oka sastoji se od rožnjače, sočiva i staklastog tijela.

Prednost dva vidna organa

Prisutnost dva vidna organa značajno povećava veličinu polja percepcije. Osim toga, postaje moguće razlikovati udaljenost koja odvaja predmete od osobe. To se događa zato što se na mrežnjači oba oka stvaraju različite slike. Dakle, slika koju opaža lijevo oko odgovara gledanju objekta s lijeve strane. Na drugom oku, slika je izgrađena upravo suprotno. Ovisno o blizini objekta, možete procijeniti razliku u percepciji. Ovakva konstrukcija slike na mrežnjači omogućava razlikovanje volumena okolnih objekata.

U kontaktu sa

Kroz oko, ne okom
Um zna kako gledati na svijet.
William Blake

Ciljevi lekcije:

edukativni:

• otkriti strukturu i značaj vizuelnog analizatora, vizuelne senzacije i percepcija;
• produbiti znanja o građi i funkciji oka kao optičkog sistema;
• objasni kako nastaju slike na mrežnjači,
• dati predstavu o kratkovidnosti i dalekovidnosti, te vrstama korekcije vida.

edukativni:

• razvijaju sposobnost posmatranja, poređenja i izvođenja zaključaka;
• nastaviti da se razvija logičko razmišljanje;
• nastavljaju formirati ideju o jedinstvu koncepata okolnog svijeta.

edukativni:

• negovati brižan odnos prema svom zdravlju, rješavati pitanja higijene vida;
• nastaviti razvijati odgovoran odnos prema učenju.

Oprema:

• tabela "Vizuelni analizator",
• sklopivi model oka,
• mokri preparat "Mammalian Eye"
• brošure sa ilustracijama.

Tokom nastave

1. Organizacioni momenat.

2. Ažuriranje znanja. Ponavljanje teme "Struktura oka."

3. Objašnjenje novog materijala:

Optički sistem oka.

Retina. Formiranje slike na mrežnjači.

Optičke iluzije.

Akomodacija oka.

Prednost gledanja na oba oka.

Pokret očiju.

Vizuelni nedostaci i njihova korekcija.

Vizuelna higijena.

4. Konsolidacija.

5. Sažetak lekcije. Inscenacija zadaća.

Ponavljanje teme "Struktura oka."

Nastavnik biologije:

U prošloj lekciji proučavali smo temu „Struktura oka“. Prisjetimo se materijala ove lekcije. Nastavite rečenicu:

1) Vizualna zona moždanih hemisfera nalazi se u ...

2) Daje boju oku...

3) Analizator se sastoji od...

4) Pomoćni organi oka su...

5) Očna jabučica ima... membrane

6) Konveksno - konkavno sočivo očne jabučice je ...

Koristeći crtež, recite o strukturi i namjeni sastavnih dijelova oka.

Objašnjenje novog materijala.

Nastavnik biologije:

Oko je organ vida kod životinja i ljudi. Ovo je samopodešavajući uređaj. Omogućava vam da vidite bliske i udaljene objekte. Sočivo se ili skuplja gotovo u kuglu, ili se rasteže, mijenjajući tako žižnu daljinu.

Optički sistem oka sastoji se od rožnjače, sočiva i staklastog tijela.

Retina (mreža koja pokriva fundus oka) ima debljinu od 0,15 -0,20 mm i sastoji se od nekoliko slojeva nervnih ćelija. Prvi sloj je uz crni pigmentne ćelije. Formiraju ga vizuelni receptori - štapići i čunjevi. U ljudskoj mrežnjači ima stotine puta više štapića nego čunjeva. Štapovi se vrlo brzo pobuđuju slabim svjetlom sumraka, ali ne mogu uočiti boju. Šišarke se pobuđuju polako i samo jakom svetlošću - u stanju su da percipiraju boju. Štapići su ravnomjerno raspoređeni po mrežnjači. Neposredno nasuprot zjenice u mrežnjači nalazi se žuta mrlja, koja se sastoji isključivo od čunjeva. Prilikom pregleda predmeta, pogled se pomera tako da slika pada na žutu mrlju.

Procesi se protežu od nervnih ćelija. Na jednom mjestu mrežnice skupljaju se u snop i formiraju optički živac. Više od milion vlakana prenosi vizuelne informacije u mozak u obliku nervnih impulsa. Ovo mjesto, lišeno receptora, naziva se slijepa mrlja. Analiza boje, oblika, osvjetljenja predmeta i njegovih detalja, započeta u retini, završava se u korteksu. Ovdje se sve informacije prikupljaju, dešifruju i sumiraju. Kao rezultat toga, formira se ideja o predmetu. Mozak je taj koji „vidi“, a ne oko.

Dakle, vid je subkortikalni proces. Zavisi od kvaliteta informacija koje dolaze iz očiju u korteks moždane hemisfere(okcipitalna regija).

Nastavnik fizike:

Saznali smo da se optički sistem oka sastoji od rožnjače, sočiva i staklastog tijela. Svetlost, prelomljena u optičkom sistemu, daje stvarne, redukovane, inverzne slike dotičnih objekata na mrežnjači.

Prvi koji je dokazao da se slika na mrežnjači invertuje iscrtavanjem putanje zraka u optičkom sistemu oka bio je Johanes Kepler (1571 - 1630). Da bi testirao ovaj zaključak, francuski naučnik Rene Descartes (1596. - 1650.) uzeo je oko i ostrugao ga. zadnji zid neprozirni sloj, postavljen u rupu napravljenu na kapci. A onda je na prozirnom zidu fundusa ugledao obrnutu sliku slike posmatrane sa prozora.

Zašto onda sve objekte vidimo onakvima kakvi jesu, tj. nije naopako?

Činjenica je da se proces vida kontinuirano korigira mozak, koji prima informacije ne samo preko očiju, već i putem drugih osjetila.

Godine 1896. američki psiholog J. Stretton izveo je eksperiment na sebi. Stavio je posebne naočare, zahvaljujući kojima slike okolnih objekata na mrežnjači oka nisu bile obrnuto, već naprijed. I šta? Svijet u Strettonovom umu se okrenuo naglavačke. Počeo je da vidi sve predmete naopačke. Zbog toga je došlo do neusklađenosti u radu očiju sa drugim čulima. Naučnik je razvio simptome morske bolesti. Tokom tri dana osetio je mučninu. Međutim, četvrtog dana tijelo se počelo vraćati u normalu, a petog dana Stretton se osjećao isto kao prije eksperimenta. Mozak naučnika se navikao na nove uslove rada i ponovo je počeo da vidi sve predmete pravo. Ali kada je skinuo naočare, sve se ponovo okrenulo naopačke. U roku od sat i po, vid mu se vratio i ponovo je počeo normalno da vidi.

Zanimljivo je da je takva adaptacija karakteristična samo za ljudski mozak. Kada su u jednom od eksperimenata na majmuna stavljene invertirajuće naočale, on je zadobio takav psihološki udarac da je nakon nekoliko pogrešnih pokreta i pada pao u stanje koje je podsjećalo na komu. Njeni refleksi su počeli da blede, pala je krvni pritisak a disanje je postalo učestalo i plitko. Ništa slično nije primećeno kod ljudi. Međutim, ljudski mozak nije uvijek u stanju nositi se s analizom slike dobivene na mrežnici. U takvim slučajevima nastaju vizualne iluzije - promatrani predmet nam se ne čini onakvim kakav stvarno jest.

Naše oči ne mogu uočiti prirodu objekata. Stoga im ne namećujte zablude razuma. (Lukrecije)

Vizuelne samoobmane

Često govorimo o „obmani oka“, „obmani sluha“, ali ti izrazi su netačni. Nema obmana osećanja. Filozof Kant je o tome prikladno rekao: „Čula nas ne varaju, ne zato što uvek sude ispravno, već zato što uopšte ne sude.

Šta nas onda vara u takozvanim "obmanama" čula? Naravno, ono što u ovom slučaju “sudi”, tj. naš sopstveni mozak. stvarno, večina optičke iluzije zavise isključivo od činjenice da ne samo da vidimo, već i nesvjesno razmišljamo i nesvjesno se obmanjujemo. Ovo su obmane rasuđivanja, a ne osjećaja.

Galerija slika, ili šta vidite

Ćerka, majka i brkati otac?

Indijac ponosno gleda u sunce i Eskim sa kapuljačom okrenut leđima...

Mladi i stari ljudi

Mlade i stare žene

Jesu li linije paralelne?

Je li četverougao kvadrat?

Koja je elipsa veća - donja ili unutrašnja gornja?

Šta je veće na ovoj slici - visina ili širina?

Koja linija je nastavak prve?

Da li primjećujete da se krug "trese"?

Postoji još jedna karakteristika vida koja se ne može zanemariti. Poznato je da kada se promijeni udaljenost od sočiva do objekta, mijenja se i udaljenost do njegove slike. Kako ostaje jasna slika na mrežnjači kada pomjerimo pogled s udaljenog objekta na bliži?

Kao što znate, mišići koji su pričvršćeni za sočivo mogu promijeniti zakrivljenost njegovih površina, a time i optičku snagu oka. Kada gledamo udaljene objekte, ovi mišići su u opuštenom stanju, a zakrivljenost sočiva je relativno mala. Prilikom gledanja u obližnje objekte očni mišići komprimiraju sočivo, a njegova zakrivljenost, a samim tim i optička snaga se povećava.

Sposobnost oka da se prilagodi vidu, kako na bliskim tako i na daljim, naziva se smještaj(od latinskog accomodatio - uređaj).

Zahvaljujući smještaju, osoba uspijeva fokusirati slike razne predmete na istoj udaljenosti od sočiva - na mrežnjači.

Međutim, kada je predmet u pitanju vrlo blizu, napetost mišića koji deformišu sočivo raste, a rad oka postaje zamoran. Optimalna udaljenost za čitanje i pisanje za normalno oko je oko 25 cm. Ova udaljenost se naziva udaljenost najboljeg vida.

Nastavnik biologije:

Kakvu prednost daje gledanje na oba oka?

1. Ljudsko vidno polje se povećava.

2. Zahvaljujući prisustvu dva oka možemo razlikovati koji je predmet bliži, a koji dalje od nas.

Činjenica je da mrežnica desnog i lijevog oka stvara slike koje se međusobno razlikuju (što odgovara gledanju objekata kao da su desno i lijevo). Što je objekt bliže, to je razlika uočljivija. To stvara dojam razlike u udaljenostima. Ova ista sposobnost oka omogućava vam da vidite objekat kao trodimenzionalan, a ne ravan. Ova sposobnost se naziva stereoskopski vid. Zajednički rad obje hemisfere mozga osigurava razlikovanje predmeta, njihovog oblika, veličine, lokacije i kretanja. Efekat volumetrijskog prostora može se pojaviti u slučajevima kada smatramo ravnu sliku.

Nekoliko minuta gledajte sliku na udaljenosti od 20 - 25 cm od očiju.

Gledajte 30 sekundi u vješticu na metli bez skretanja pogleda.

Brzo prebacite pogled na crtež zamka i pogledajte, brojeći do 10, u otvor kapije. U otvoru ćete vidjeti bijelu vješticu na sivoj pozadini.

Kada pogledate svoje oči u ogledalu, vjerovatno ćete primijetiti da oba oka prave velike i suptilne pokrete striktno istovremeno, u istom smjeru.

Da li oči uvijek sve ovako gledaju? Kako se ponašamo u već poznatoj prostoriji? Zašto su nam potrebni pokreti očiju? Potrebni su za početni pregled. Ispitivanjem formiramo holističku sliku, a sve se to prenosi u memoriju. Prema tome, pokreti očiju nisu neophodni za prepoznavanje dobro poznatih objekata.

Nastavnik fizike:

Jedna od glavnih karakteristika vida je oštrina. Vizija ljudi se menja sa godinama, jer... sočivo gubi elastičnost i mogućnost promjene svoje zakrivljenosti. Pojavljuje se dalekovidnost ili kratkovidnost.

Kratkovidnost je nedostatak vida u kojem se paralelni zraci, nakon prelamanja u oku, skupljaju ne na mrežnici, već bliže sočivu. Slike udaljenih objekata stoga na mrežnjači izgledaju nejasno i zamućeno. Da bi se dobila oštra slika na mrežnjači, predmetni predmet se mora približiti oku.

Udaljenost najboljeg vida za kratkovidnu osobu je manja od 25 cm. Stoga su ljudi sa sličnim nedostatkom renija primorani da čitaju tekst, stavljajući ga blizu očiju. Miopija može biti uzrokovana sljedećim razlozima:

• prekomjerna optička snaga oka;
• izduženje oka duž njegove optičke ose.

Obično se razvija u školske godine i obično je povezan sa dugotrajnim čitanjem ili pisanjem, posebno kod nedovoljnog osvetljenja i nepravilnog postavljanja izvora svetlosti.

Dalekovidnost je oštećenje vida u kojem se paralelne zrake, nakon prelamanja u oku, konvergiraju pod takvim kutom da se fokus ne nalazi na mrežnici, već iza nje. Slike udaljenih objekata na mrežnjači ponovo su nejasne i mutne.

Nastavnik biologije:

Da biste spriječili vizualni zamor, postoji niz vježbi. Nudimo vam neke od njih:

Opcija 1 (trajanje 3-5 minuta).

1. Početni položaj – sedeći u udobnom položaju: kičma je ravna, oči otvorene, pogled usmeren pravo. To je vrlo lako uraditi, bez stresa.

Usmjerite pogled lijevo - pravo, desno - pravo, gore - pravo, dolje - pravo, bez odlaganja u otetom položaju. Ponovite 1-10 puta.

2. Pomerite pogled dijagonalno: levo - dole - pravo, desno - gore - pravo, desno - dole - pravo, levo - gore - pravo. I postepeno povećavajte kašnjenja u otetom položaju, disanje je dobrovoljno, ali pazite da nema kašnjenja. Ponovite 1-10 puta.

3. Kružni pokreti oko: od 1 do 10 krugova lijevo i desno. U početku brže, a zatim postepeno smanjite tempo.

4. Pogledajte vrh prsta ili olovke na udaljenosti od 30 cm od očiju, a zatim u daljinu. Ponovite nekoliko puta.

5. Gledajte pravo ispred sebe pažljivo i nepomično, pokušavajući da vidite jasnije, a zatim trepnite nekoliko puta. Stisnite kapke, a zatim trepnite nekoliko puta.

6. Promjena žižne daljine: pogledajte vrh nosa, a zatim u daljinu. Ponovite nekoliko puta.

7. Masirajte kapke, nježno ih glađujući kažiprstom i srednjim prstima u smjeru od nosa prema sljepoočnicama. Ili: zatvorite oči i jastučićima dlanova, dodirujući se veoma nežno, pomerite se duž gornjih kapaka od slepoočnica do mosta nosa i nazad, ukupno 10 puta prosečnim tempom.

8. Protrljajte dlanove jedan o drugi i lako, bez napora, pokrijte njima prethodno zatvorene oči kako biste ih potpuno blokirali od svjetlosti na 1 minut. Zamislite da ste uronjeni u potpuni mrak. Otvori oči.

Opcija 2 (trajanje 1-2 minute).

1. Prilikom brojanja 1-2, oči se fiksiraju na blizak (udaljenost 15-20 cm) predmet pri brojanju 3-7, pogled se prebacuje na udaljeni predmet; Na brojanje do 8, pogled se ponovo prebacuje na najbliži predmet.

2. Sa nepomičnom glavom, na broj 1, okrenite oči okomito gore, na broj 2, dolje, pa opet gore. Ponovite 10-15 puta.

3. Zatvorite oči na 10-15 sekundi, otvorite i pomjerite oči udesno i lijevo, zatim gore-dolje (5 puta). Slobodno, bez napetosti, usmjerite pogled u daljinu.

Opcija 3 (trajanje 2-3 minute).

Vježbe se izvode u sjedećem položaju, naslonjeni na stolicu.

1. Gledajte pravo ispred sebe 2-3 sekunde, a zatim spustite oči na 3-4 sekunde. Ponavljajte vježbu 30 sekundi.

2. Podignite oči prema gore, spustite ih dole, pogledajte desno, pa lijevo. Ponovite 3-4 puta. Trajanje 6 sekundi.

3. Podignite oči prema gore, napravite kružne pokrete njima u smjeru suprotnom od kazaljke na satu, a zatim u smjeru kazaljke na satu. Ponovite 3-4 puta.

4. Čvrsto zatvorite oči na 3-5 sekundi, otvorite 3-5 sekundi. Ponovite 4-5 puta. Trajanje 30-50 sekundi.

Konsolidacija.

Nude se nestandardne situacije.

1. Kratkovidni učenik percipira slova napisana na tabli kao mutna i nejasna. Mora da napreže vid kako bi se oko smestilo bilo na tablu ili na notes, što je štetno i za vid i za nervni sistem. Predložite dizajn takvih naočala za školarce kako bi izbjegli stres prilikom čitanja teksta s ploče.

2. Kada se očno sočivo neke osobe zamuti (na primjer, kod katarakte), obično se uklanja i zamjenjuje plastičnim sočivom. Takva zamjena lišava oči mogućnosti akomodacije i pacijent mora koristiti naočale. Nedavno je Njemačka počela proizvoditi umjetna sočiva koja mogu samofokusirati. Pogodite koja je karakteristika dizajna izmišljena za smještaj oka?

3. H.G. Wells je napisao roman "Nevidljivi čovjek". Agresivna nevidljiva ličnost htela je da pokori ceo svet. Razmislite šta nije u redu sa ovom idejom? Kada je objekat u okruženju nevidljiv? Kako može da vidi oko nevidljivog čoveka?

Sažetak lekcije. Postavljanje domaće zadaće.

• § 57, 58 (biologija),
• § 37.38 (fizika), nudi nestandardne zadatke na temu koja se proučava (fakultativno).

Oko, očna jabučica, je gotovo sfernog oblika, otprilike 2,5 cm u prečniku. Sastoji se od nekoliko školjki, od kojih su tri glavne:

• sklera - vanjski sloj
• choroid– prosjek,
• retina – unutrašnja.

Rice. 1. Šematski prikaz mehanizma akomodacije lijevo - fokusiranje u daljinu; desno - fokusiranje na bliske objekte.

Sklera ima Bijela boja sa mliječnom nijansom, osim prednjeg dijela koji je providan i naziva se rožnjača. Svetlost ulazi u oko kroz rožnjaču. žilnica, srednji sloj, sadrži krvne sudove kroz koje krv teče kako bi hranila oko. Neposredno ispod rožnjače, žilnica postaje šarenica, koja određuje boju očiju. U njegovom središtu je zjenica. Funkcija ove školjke je da ograniči ulazak svjetlosti u oko kada je jako svijetlo. Ovo se postiže suženjem zenice u uslovima jakog osvetljenja i širenjem u uslovima slabog osvetljenja. Iza šarenice nalazi se sočivo, poput bikonveksnog sočiva, koje hvata svjetlost dok prolazi kroz zenicu i fokusira je na mrežnjaču. Oko sočiva se formira žilnica cilijarno tijelo, koji sadrži mišić koji reguliše zakrivljenost sočiva, što osigurava jasan i precizan vid objekata na različitim udaljenostima. To se postiže na sljedeći način (slika 1).

Učenik je rupa u centru šarenice kroz koju svetlosni zraci prolaze u oko. Kod odrasle osobe u mirovanju, promjer zjenice na dnevnom svjetlu iznosi 1,5-2 mm, a u mraku se povećava na 7,5 mm. Main fiziološku ulogu Funkcija zenice je da reguliše količinu svetlosti koja ulazi u retinu.

Do sužavanja zjenice (mioza) dolazi kada se osvjetljenje poveća (ovo ograničava svjetlosni tok koji ulazi u retinu i stoga služi odbrambeni mehanizam), pri ispitivanju blisko raspoređenih objekata, kada dođe do akomodacije i konvergencije vidnih ose (konvergencije), kao i tokom.

Do proširenja zjenice (midrijaze) dolazi pri slabom svjetlu (koje povećava osvjetljenje mrežnjače i time povećava osjetljivost oka), kao i kod stimulacije bilo kojeg aferentnog živca, sa emocionalne reakcije napetost povezana s povećanjem simpatičkog tonusa, s mentalnim uzbuđenjem, gušenjem,.

Veličina zjenice regulirana je prstenastim i radijalnim mišićima šarenice. Mišić radijalnog dilatatora inervira simpatički nerv koji dolazi iz gornjeg cervikalni čvor. Prstenast mišić, koji sužava zjenicu, inerviran je parasimpatičkim vlaknima okulomotornog živca.

Slika 2. Dijagram strukture vizuelnog analizatora

1 – retina, 2 – neukrštena vlakna očnog živca, 3 – ukrštena vlakna očnog živca, 4 – optički trakt, 5 – spoljašnja genikulativno tijelo, 6 – bočni korijen, 7 – optički režnjevi.
Najkraća udaljenost od predmeta do oka, na kojoj je ovaj predmet još uvijek jasno vidljiv, naziva se bliža tačka jasnog vida, a najveća udaljenost naziva se daleka tačka jasnog vida. Kada se objekat nalazi na bližoj tački, smeštaj je maksimalan, na daljoj tački smeštaja nema. Razlika u refrakcijskim moćima oka pri maksimalnoj akomodaciji iu mirovanju naziva se sila akomodacije. Jedinica optičke snage je optička snaga sočiva sa žižnom daljinom1 metar. Ova jedinica se zove dioptrija. Da bi se odredila optička snaga sočiva u dioptrijama, jedinicu treba podijeliti sa žižnom daljinom u metrima. Iznos smještaja nije isti različiti ljudi i varira ovisno o dobi od 0 do 14 dioptrija.

Da bi se predmet jasno vidio, potrebno je da zraci svake njegove tačke budu fokusirani na retinu. Ako pogledate u daljinu, onda se bliski objekti vide nejasno, mutno, jer su zraci iz obližnjih tačaka fokusirani iza mrežnice. Nemoguće je u isto vrijeme jednako jasno vidjeti objekte na različitim udaljenostima od oka.

Refrakcija(refrakcija zraka) odražava sposobnost optičkog sistema oka da fokusira sliku objekta na mrežnjaču. Osobitosti refrakcionih svojstava bilo kojeg oka uključuju ovaj fenomen sferna aberacija . Leži u tome što se zraci koji prolaze kroz periferne dijelove sočiva lome jače od zraka koji prolaze kroz njegove središnje dijelove (Sl. 65). Stoga se centralni i periferni zraci ne konvergiraju u jednoj tački. Međutim, ova karakteristika prelamanja ne ometa jasan vid objekta, budući da šarenica ne propušta zrake i na taj način eliminira one koji prolaze kroz periferiju sočiva. Nejednaka refrakcija zraka različitih valnih dužina naziva se hromatska aberacija .

refrakciona moć optički sistem(refrakcija), odnosno sposobnost oka da se lomi, a mjeri se u konvencionalnim jedinicama - dioptrijama. Dioptrija je lomna snaga sočiva u kojoj se paralelne zrake, nakon prelamanja, konvergiraju u fokusu na udaljenosti od 1 m.

Rice. 3. Tok zraka za različite vrste kliničke refrakcije oka a - emetropija (normalna); b - miopija (miopija); c - hipermetropija (dalekovidnost); d - astigmatizam.

Svijet oko sebe vidimo jasno kada svi odjeli “rade” skladno i bez smetnji. Da bi slika bila oštra, retina očigledno mora biti u zadnjem fokusu optičkog sistema oka. Razni prekršaji prelamanje svjetlosnih zraka u optičkom sistemu oka, što dovodi do defokusiranja slike na mrežnjači, naziva se refrakcijske greške (ametropija). To uključuje miopiju, dalekovidost, starosnu dalekovidost i astigmatizam (slika 3).

Kod normalnog vida, koji se naziva emetropski, vidna oštrina, tj. maksimalna sposobnost oka da razlikuje pojedinačne detalje predmeta obično dostiže jednu konvencionalna jedinica. To znači da osoba može razmotriti dvije odvojene tačke vidljive pod uglom od 1 minute.

Kod refrakcione greške, oštrina vida je uvek ispod 1. Postoje tri glavne vrste refrakcione greške - astigmatizam, miopija (miopija) i dalekovidost (hiperopija).

Refraktivne greške rezultiraju kratkovidnošću ili dalekovidnošću. Refrakcija oka se mijenja s godinama: manja je od normalne kod novorođenčadi, a u starijoj dobi može se ponovo smanjiti (tzv. senilna dalekovidnost ili presbiopija).

Shema korekcije miopije

Astigmatizam zbog činjenice da, zbog svojih urođenih karakteristika, optički sistem oka (rožnica i sočivo) nejednako lomi zrake u različitim smjerovima (duž horizontalnog ili vertikalnog meridijana). Drugim riječima, fenomen sferne aberacije kod ovih osoba je mnogo izraženiji nego inače (i ne nadoknađuje se suženjem zjenica). Dakle, ako je zakrivljenost površine rožnice u vertikalnom presjeku veća nego u horizontalnom presjeku, slika na mrežnici neće biti jasna, bez obzira na udaljenost do objekta.

Rožnica će imati, takoreći, dva glavna fokusa: jedan za vertikalni dio, drugi za horizontalni dio. Stoga će svjetlosni zraci koji prolaze kroz astigmatično oko biti fokusirani u različitim ravninama: ako su horizontalne linije objekta fokusirane na mrežnicu, tada će okomite linije biti ispred njega. Nošenje cilindričnih sočiva, odabranih uzimajući u obzir stvarni nedostatak optičkog sistema, u određenoj mjeri kompenzuje ovu grešku refrakcije.

Miopija i dalekovidost uzrokovana promjenama dužine očne jabučice. Uz normalnu refrakciju, udaljenost između rožnjače i fovee (makule) je 24,4 mm. Kod miopije (miopije), uzdužna os oka je veća od 24,4 mm, pa se zraci udaljenog objekta fokusiraju ne na mrežnicu, već ispred nje, u staklasto tijelo. Da biste jasno vidjeli u daljinu, potrebno je ispred kratkovidnih očiju postaviti konkavne naočale koje će fokusiranu sliku gurnuti na retinu. Kod dalekovidnog oka, uzdužna osa oka je skraćena, tj. manje od 24,4 mm. Stoga se zraci udaljenog objekta fokusiraju ne na mrežnicu, već iza nje. Ovaj nedostatak refrakcije može se nadoknaditi akomodacijskim naporom, tj. povećanje konveksnosti sočiva. Stoga dalekovidna osoba napreže akomodacijski mišić, ispitujući ne samo bliske, već i udaljene predmete. Prilikom gledanja bliskih objekata, akomodacijski napori dalekovidih ​​osoba su nedovoljni. Stoga, da bi čitali, dalekovidni ljudi moraju nositi naočale s bikonveksnim sočivima koje pojačavaju prelamanje svjetlosti.

Refrakcione greške, posebno kratkovidnost i dalekovidnost, takođe su česte među životinjama, na primjer, konjima; Kratkovidnost se vrlo često opaža kod ovaca, posebno kultiviranih rasa.

Nemoguće figure i dvosmislene slike nisu nešto što se ne može shvatiti doslovno: oni nastaju u našem mozgu. Pošto proces opažanja ovakvih figura ide čudnim, nekonvencionalnim putem, posmatrač shvata da se nešto neobično dešava u njegovoj glavi. Da bismo bolje razumjeli proces koji nazivamo "vizija", korisno je razumjeti kako naši osjetilni organi (oči i mozak) pretvaraju svjetlosne podražaje u korisne informacije.

Oko kao optički uređaj

Slika 1. Anatomija očne jabučice.

Oko (vidi sliku 1) radi kao kamera. Leća (leća) projicira obrnutu, smanjenu sliku iz vanjskog svijeta na mrežnicu (retinu), mrežu fotosenzitivnih stanica smještenih nasuprot zjenice (zenice) i zauzimaju više od polovine površine unutrašnje površine očne jabučice. . Kao optički instrument, oko je dugo bilo pomalo misterija. Dok kamera fokusira pomeranjem sočiva bliže ili dalje od sloja osetljivog na svetlost, njena sposobnost prelamanja svetlosti se prilagođava tokom akomodacije (prilagođavanje oka na određeno rastojanje). Forma očna sočiva mijenja uz pomoć cilijarnog mišića. Kada se mišić kontrahira, sočivo postaje okruglo, što omogućava da se fokusirana slika bližih objekata pojavi na mrežnjači. Otvor ljudskog oka se podešava na isti način kao i kod fotoaparata. Zjenica kontrolira količinu otvaranja sočiva, širenja ili skupljanja uz pomoć radijalnih mišića, bojenje šarenice oka (iris) svojom karakterističnom bojom. Kada naše oko pomeri svoj pogled na područje na koje želi da se fokusira, žižna daljina i veličina zjenice se trenutno prilagođavaju traženim uslovima „automatski“.

Slika 2. Presjek mrežnjače
Slika 3. Oko sa žutom mrljom

Struktura retine (slika 2), fotosenzitivnog sloja unutar oka, vrlo je složena. Očni živac (zajedno s krvnim žilama) nastaje iz stražnjeg dijela oka. Ovo područje nema fotosenzitivnih ćelija i poznato je kao slijepa mrlja. Nervna vlakna se granaju i završavaju u tri različite vrste ćelija koje detektuju svjetlost koja ulazi u njih. Procesi koji dolaze iz trećeg, najdubljeg sloja ćelija sadrže molekule koji privremeno mijenjaju svoju strukturu prilikom obrade nadolazeće svjetlosti i na taj način emituju električni impuls. Fotosenzitivne ćelije nazivaju se štapići i čunjevi na osnovu oblika njihovih procesa. Češeri su osjetljivi na boju, dok štapići nisu. S druge strane, fotoosjetljivost štapića je mnogo veća od one čunjića. Jedno oko sadrži oko sto miliona štapića i šest miliona čunjića, neravnomjerno raspoređenih po mrežnjači. Tačno nasuprot zjenice nalazi se takozvana macula macula (slika 3), koja se sastoji samo od čunjeva u relativno gustoj koncentraciji. Kada želimo da vidimo nešto u fokusu, oko postavljamo tako da slika pada na makulu. Postoje mnoge veze između ćelija mrežnjače, a električni impulsi iz sto miliona fotosenzitivnih ćelija šalju se u mozak duž samo milion nervnih vlakana. Dakle, oko se površno može opisati kao fotografska ili televizijska kamera napunjena fotoosjetljivim filmom.

Slika 4. Slika Kaniže

Od svjetlosnog impulsa do informacija

Slika 5. Ilustracija iz Descartesove knjige “Le traité de l’homme”, 1664.

Ali kako zaista vidimo? Do nedavno, ovo pitanje je bilo teško rješivo. Najbolji odgovor na ovo pitanje bio je da postoji područje u mozgu koje je specijalizirano za vid, u kojem se slika dobivena iz mrežnice formira u obliku moždanih stanica. Što više svjetlosti pada na ćeliju retine, to intenzivnije funkcionira odgovarajuća moždana stanica, odnosno aktivnost moždanih stanica u našoj vizuelni centar zavisi od distribucije svetlosti koja pogađa mrežnjaču. Ukratko, proces počinje slikom na mrežnjači i završava odgovarajućom slikom na malom "ekranu" moždanih stanica. Naravno, ovo ne objašnjava viziju, već jednostavno prebacuje problem na dublji nivo. Kome je suđeno da vidi ovu unutrašnju sliku? Ovu situaciju dobro ilustruje slika 5, preuzeta iz Descartesovog djela “Le traité de l’homme”, u ovom slučaju, sve nervnih vlakana završavaju u određenoj žlezdi, koju je Descartes zamišljao kao sedište duše, a ona je ta koja vidi unutrašnju sliku. Ali ostaje pitanje: kako zapravo funkcionira “vizija”?

Slika 6.

Ideja o mini-posmatraču u mozgu ne samo da nije dovoljna da objasni viziju, već zanemaruje i tri aktivnosti koje očito provodi direktno sam vizuelni sistem. Na primjer, pogledajmo sliku na slici 4 (od Kanizse). Vidimo trokut u tri kružna segmenta po njihovim izrezima. Ovaj trougao nije predstavljen mrežnjači, ali je rezultat spekulacije našeg vizuelnog sistema! Takođe, gotovo je nemoguće pogledati sliku 6, a da ne vidimo kontinuirane nizove kružnih obrazaca koji se nadmeću za našu pažnju, kao da direktno doživljavamo unutrašnju vizuelnu aktivnost. Mnogi ljudi smatraju da oni vizuelni sistem su potpuno zbunjeni likom Dallenbacha (Slika 8), jer traže načine da protumače ove crne i bijele mrlje u obliku nekog oblika koji razumiju. Da vas uštedi nevolja, Slika 10 nudi tumačenje koje će vaš vizuelni sistem prihvatiti jednom za svagda. Za razliku od prethodnog crteža, nećete imati poteškoća da rekonstruišete nekoliko poteza mastilom na slici 7 u sliku dvoje ljudi koji razgovaraju.

Slika 7. Crtež iz "Priručnika za slikanje vrta sjemenki gorušice", 1679-1701.

Na primjer, potpuno drugačiju metodu vida ilustruje istraživanje Wernera Reichardta iz Tibingena, koji je proveo 14 godina proučavajući vid i sisteme kontrole leta kućne muhe. Za ove studije dobio je Heineken nagradu 1985. Kao i mnogi drugi insekti, muva ima složene oči, koje se sastoje od stotina pojedinačnih štapića, od kojih je svaki poseban fotoosjetljivi element. Sistem kontrole leta muhe sastoji se od pet nezavisnih podsistema koji rade izuzetno brzo (brzina reakcije je otprilike 10 puta veća od ljudske) i efikasno. Na primjer, podsistem za slijetanje radi na sljedeći način. Kada mušino vidno polje "eksplodira" (jer je površina blizu), muva se kreće prema centru "eksplozije". Ako je centar preko puta, automatski će se okrenuti naopačke. Čim noge muhe dotaknu površinu, "podsistem" za sletanje se isključuje. Kada leti, muva iz svog vidnog polja izdvaja samo dve vrste informacija: tačku u kojoj se nalazi pokretna tačka određene veličine (koja se mora poklapati sa veličinom muhe na udaljenosti od 10 centimetara), kao i kao pravac i brzina kretanja ove tačke preko vidnog polja. Obrada ovih podataka pomaže da se automatski prilagodi putanja leta. Malo je vjerovatno da muva ima potpunu sliku svijeta oko sebe. Ona ne vidi ni površine ni predmete. Ulazni vizuelni podaci obrađeni na određeni način se prenose direktno u motorni podsistem. Dakle, vizuelni ulaz se ne pretvara u unutrašnju sliku, već u formu koja omogućava muši da na odgovarajući način reaguje na svoje okruženje. Isto se može reći i za tako beskrajno složeniji sistem kao što je osoba.

Slika 8. Slika Dallenbacha

Mnogo je razloga zašto su se naučnici tako dugo suzdržavali da se bave osnovnim pitanjem kako ga neko vidi. Ispostavilo se da se prvo moraju objasniti mnoga druga pitanja vida - složena struktura mrežnjače, vid boja, kontrast, naknadne slike itd. Međutim, suprotno očekivanjima, otkrića na ovim prostorima nisu u stanju da rasvijetle rješenje glavnog problema. Još značajniji problem bio je nedostatak bilo kakvog opšteg koncepta ili šeme koja bi navela sve vizuelne pojave. Relativna ograničenja konvencionalnih područja istraživanja mogu se sabrati iz odličnog vodiča T.N. Comsweet na temu vizualne percepcije, sastavljen iz njegovih predavanja za studente prvog i drugog semestra. U predgovoru, autor piše: „Želim da opišem fundamentalne aspekte koji leže u osnovi ogromnog polja koje mi slučajno nazivamo vizuelnom percepcijom“. Međutim, kada se ispituje sadržaj ove knjige, ispostavilo se da su ove "temeljne teme" apsorpcija svjetlosti štapićima i čunjićima mrežnjače, vid u boji, načini na koje senzorne ćelije mogu povećati ili smanjiti granice međusobnog uticaja jedna na drugu, frekvenciju električnih signala koji se prenose kroz senzorne ćelije itd. Danas istraživanja u ovoj oblasti idu potpuno novim putevima, što rezultira zbunjujućom raznolikošću u profesionalnoj štampi. I samo specijalista može stvoriti opštu sliku razvoja nove nauke o viziji." Postojao je samo jedan pokušaj kombinovanja nekoliko novih ideja i rezultata istraživanja na način pristupačan laiku. Pa čak i ovde pitanja "Šta je Vizija?" i "Kako vidimo" nisu postala glavna pitanja za diskusiju.

Od slike do obrade podataka

David Marr iz Laboratorije za umjetnu inteligenciju MIT-a prvi je pristupio ovoj temi iz potpuno drugog ugla u svojoj knjizi Vision, objavljenoj nakon njegove smrti. U njemu je nastojao da ispita glavni problem i predloži mogući načini njene odluke. Marrovi rezultati naravno nisu konačni i još uvijek su otvoreni za istraživanje iz različitih smjerova, ali je ipak glavna prednost njegove knjige njena logičnost i konzistentnost zaključaka. U svakom slučaju, Marrov pristup pruža vrlo korisnu osnovu na kojoj se mogu graditi studije nemogućih objekata i dualnih figura. Na sljedećim stranicama pokušat ćemo pratiti Marrov tok misli.

Marr je opisao nedostatke tradicionalne teorije vizualne percepcije na sljedeći način:

"Pokušati razumjeti vizualnu percepciju proučavajući samo neurone je kao pokušavati razumjeti let ptice proučavajući samo njeno perje. To je jednostavno nemoguće. Da bismo razumjeli let ptice, moramo razumjeti aerodinamiku, a tek onda strukturu perja i različitih oblika ptičjih krila imat će smisla za nas." U ovom kontekstu, Marr pripisuje J. J. Gobsona kao prvog koji se bavio važnim pitanjima u ovom vidnom polju. važan doprinos je da je „najvažnija stvar kod čula da su oni kanali informacija iz vanjskog svijeta u našu percepciju (...) On je to kritički izrazio važno pitanje– Kako svako od nas postiže iste rezultate kada percipira Svakodnevni život u uslovima koji se stalno menjaju? Ovo je vrlo važno pitanje, koje pokazuje da je Gibson ispravno sagledao problem vizualne percepcije kao rekonstrukciju iz čulnih informacija “ispravnih” svojstava objekata u vanjskom svijetu.” I tako smo došli do polja obrade informacija.

Nema sumnje da je Marr želio da zanemari druga objašnjenja za fenomen vida. Naprotiv, on posebno naglašava da se vizija ne može na zadovoljavajući način objasniti samo sa jedne tačke gledišta. Za svakodnevne događaje moraju se pronaći objašnjenja koja su u skladu sa rezultatima eksperimentalne psihologije i svim otkrićima psihologa i neurologa u ovoj oblasti u oblasti anatomije nervnog sistema. Kada je u pitanju obrada informacija, kompjuterski naučnici bi želeli da znaju kako se vizuelni sistem može programirati, koji algoritmi su najprikladniji za dati zadatak. Ukratko, kako se vizija može programirati. Samo sveobuhvatna teorija može se prihvatiti kao zadovoljavajuće objašnjenje procesa vizije.

Marr je radio na ovom problemu od 1973. do 1980. godine. Nažalost, nije mogao da završi svoj posao, ali je mogao da leži solidan temelj za dalja istraživanja.

Od neuronauke do vizuelnog mehanizma

Neurolozi dijele uvjerenje da mnoge ljudske funkcije kontrolira mozak početkom XIX veka. Mišljenja su se razlikovala o tome da li su određeni dijelovi moždane kore korišteni za izvođenje određenih operacija ili je za svaku operaciju korišten cijeli mozak. Danas je čuveni eksperiment francuskog neurologa Pierre Paul Broca doveo do opšteg prihvatanja teorije specifične lokacije. Broca je liječio pacijenta koji nije mogao govoriti 10 godina, iako su mu glasne žice bile u redu. Kada je čovjek umro 1861. godine, to je otkrila obdukcija lijeva strana mozak mu je bio deformisan. Broca je sugerirao da govor kontrolira ovaj dio moždane kore. Njegovu teoriju potvrdili su naknadni pregledi pacijenata sa oštećenjem mozga, što je u konačnici omogućilo obilježavanje vitalnih centara važne funkcije ljudski mozak.

Slika 9. Odgovor dvije različite moždane ćelije na optičke podražaje različitih smjerova

Vek kasnije, 1950-ih, naučnici D.H. Hubel (D.H. Hubel) i T.N. Wiesel (T.N. Wiesel) je provodio eksperimente na mozgovima živih majmuna i mačaka. Pronašli su vidni centar moždane kore nervne celije, koji su posebno osjetljivi na horizontalne, vertikalne i dijagonalne linije u vidnom polju (slika 9). Njihovu sofisticiranu tehniku ​​mikrohirurgije kasnije su usvojili i drugi naučnici.

Dakle, moždana kora ne samo da sadrži centre za obavljanje različitih funkcija, već unutar svakog centra, kao iu vizualnom centru, pojedine nervne ćelije se aktiviraju samo kada se primaju vrlo specifični signali. Ovi signali koji dolaze iz mrežnjače oka koreliraju s jasno definiranim situacijama u vanjskom svijetu. Danas se pretpostavlja da informacije o razne forme i prostorni raspored objekata sadržani su u vizuelnoj memoriji, a informacije iz aktiviranih nervnih ćelija se porede sa ovim pohranjenim informacijama.

Ova teorija detektora utjecala je na smjer istraživanja vizualne percepcije sredinom 1960-ih. Naučnici povezani sa "vještačkom inteligencijom" slijedili su isti put. Kompjuterska simulacija procesa ljudskog vida, takođe nazvana "mašinski vid", smatrana je jednim od najlakše ostvarivih ciljeva u ovim studijama. Ali sve je ispalo malo drugačije. Ubrzo je postalo jasno da je praktično nemoguće napisati programe koji bi mogli prepoznati promjene u intenzitetu svjetlosti, sjenkama, površinskoj strukturi i nasumične sklopove složenih objekata u smislene slike. Štaviše, takvo prepoznavanje uzoraka zahtijevalo je neograničene količine memorije, budući da slike bezbrojnih objekata moraju biti pohranjene u memoriji u bezbroj varijacija lokacija i svjetlosnih situacija.

Bilo kakav dalji napredak u oblasti prepoznavanja obrazaca u uslovima stvarnog sveta nije bio moguć. Sumnjivo je da će kompjuter ikada moći da simulira ljudski mozak. U poređenju sa ljudskim mozgom, u kojem svaka nervna ćelija ima oko 10.000 veza sa drugim nervnim ćelijama, ekvivalentni kompjuterski odnos 1:1 teško se čini adekvatnim!

Slika 10. Rješenje Dellenbachove slike

Predavanje Elizabeth Warrington

Godine 1973. Marr je prisustvovao predavanju britanske neurologinje Elizabeth Warrington. Ona je to primetila veliki broj Pacijenti koje je pregledala sa parijetalnim lezijama na desnoj strani mozga mogli su savršeno prepoznati i opisati različite objekte, pod uslovom da su te objekte promatrali u svojim u uobičajenom obliku. Na primjer, takvi pacijenti su imali malih poteškoća da identifikuju kantu kada se gledaju sa strane, ali nisu mogli prepoznati istu kantu kada se gledaju odozgo. Zapravo, čak i kada im je rečeno da u kantu gledaju odozgo, oni su odlučno odbili da poveruju! Još više iznenađuje ponašanje pacijenata sa oštećenjem lijeve strane mozga. Takvi pacijenti obično ne mogu govoriti i stoga ne mogu verbalno imenovati predmet koji gledaju ili opisati njegovu svrhu. Međutim, oni mogu pokazati da ispravno percipiraju geometriju objekta bez obzira na ugao gledanja. To je navelo Marra da napiše sljedeće: "Warringtonovo predavanje me je natjeralo na sljedeće zaključke. Prvo, ideja o obliku objekta pohranjena je negdje drugdje u mozgu, zbog čega ideje o obliku objekta i njegovom Drugo, vizija sama po sebi može pružiti unutrašnji opis oblika posmatranog objekta, čak i ako se taj predmet ne prepoznaje na uobičajen način... Elizabeth Warrington je ukazala na najbitniju činjenicu ljudskog vida - govori. o obliku, prostoru i relativnom položaju objekata." Ako je to zaista slučaj, onda će naučnici koji rade u oblastima vizuelne percepcije i veštačke inteligencije (uključujući i one koji rade na kompjuterskom vidu) morati da zamene teoriju detektora iz Hubelovih eksperimenata za potpuno novi set taktika.

Teorija modula

Slika 11. Stereogrami sa nasumičnim tačkama Béle Zhulesa, plutajući kvadrat

Druga polazna tačka u Marrovom istraživanju (nakon upoznavanja sa Warringtonovim radom) je pretpostavka da naš vizuelni sistem ima modularnu strukturu. Računarski rečeno, naš glavni program Vision pokriva širok spektar potprograma, od kojih je svaka potpuno nezavisna od drugih i može raditi nezavisno od drugih potprograma. Vrhunski primjer takve rutine (ili modula) je stereoskopski vid, u kojem se dubina percipira kao rezultat obrade slika iz oba oka koje se malo razlikuju jedna od druge. Ranije se vjerovalo da, da bismo vidjeli u tri dimenzije, prvo prepoznajemo cijele slike, a zatim odlučujemo koji su objekti bliži, a koji udaljeniji. Godine 1960., Bela Julesz, koji je 1985. dobio nagradu Heineken, uspio je pokazati da prostorna percepcija između dva oka nastaje isključivo upoređivanjem malih razlika između dvije slike dobivene iz retina oba oka. Tako se može osjetiti dubina čak i tamo gdje nema objekata i gdje se pretpostavlja da nema prisutnih objekata. Za svoje eksperimente, Jules je došao do stereograma koji se sastoje od nasumično lociranih tačaka (vidi sliku 11). Slika koju vidi desno oko identična je slici koju vidi lijevo oko u svim aspektima osim kvadratnog središnjeg područja, koje je izrezano i blago pomaknuto prema jednoj ivici i opet poravnato s pozadinom. Preostala bijela praznina je tada popunjena nasumično odabranim tačkama. Ako se dvije slike (na kojima se nijedan objekt ne prepoznaje) gledaju kroz stereoskop, kvadrat koji je prethodno izrezan će izgledati kao da lebdi iznad pozadine. Takvi stereogrami sadrže prostorne podatke koje naš vizuelni sistem automatski obrađuje. Dakle, stereoskopija je autonomni modul vizuelnog sistema. Teorija modula se pokazala prilično efikasnom.

Od 2D slike retine do 3D modela

Slika 12. Tokom vizualnog procesa, slika retine (lijevo) se pretvara u primarnu skicu u kojoj promjene intenziteta postaju vidljive (desno)

Vizija je proces u više koraka koji transformiše dvodimenzionalne reprezentacije vanjskog svijeta (slike na mrežnici) u korisne informacije za promatrača. Počinje sa dvodimenzionalnom slikom snimljenom iz mrežnjače oka, koja, zanemarujući za sada vid boja, pohranjuje samo nivoe intenziteta svjetlosti. U prvom koraku, koristeći samo jedan modul, ovi nivoi intenziteta se pretvaraju u promjene intenziteta ili, drugim riječima, u konture koje pokazuju nagle promjene u intenzitetu svjetlosti. Marr je tačno utvrdio u kom se algoritamu koristi u ovom slučaju(opisano matematički i, usput rečeno, vrlo složeno), i kako naša percepcija i nervne ćelije izvršavaju ovaj algoritam. Rezultat prvog koraka Marr je nazvao „primarnom skicom“, koja nudi kratke informacije o promjenama u intenzitetu svjetlosti, njihovim odnosima i distribuciji u vidnom polju (slika 12). Ovo važan korak, budući da se u svijetu koji vidimo, promjene intenziteta često povezuju s prirodnim konturama objekata. Drugi korak nas dovodi do onoga što Marr naziva "2,5-dimenzionalnom skicom". 2.5D skica odražava orijentaciju i dubinu vidljive površine ispred posmatrača. Ova slika je izgrađena na osnovu podataka ne jednog, već nekoliko modula. Marr je skovao veoma širok koncept "2,5-dimenzionalnosti" kako bi naglasio da radimo sa prostornim informacijama koje su vidljive sa tačke gledišta posmatrača. 2,5-dimenzionalnu skicu karakteriziraju izobličenja perspektive, a u ovoj fazi stvarna prostorna lokacija objekata još se ne može jednoznačno odrediti. 2,5-dimenzionalna slika skice prikazana ovdje (Slika 13) ilustruje nekoliko informacijskih područja prilikom obrade takve skice. Međutim, slika ovog tipa se ne formira u našem mozgu.

Slika 13. Crtež 2.5D skice - "centrirani prikaz dubine i orijentacije vidljivih površina"

Do sada je vizuelni sistem funkcionisao koristeći nekoliko modula autonomno, automatski i nezavisno od podataka o spoljašnjem svetu pohranjenih u mozgu. Međutim, tokom završne faze procesa moguće je pozvati se na informacije koje su već dostupne. Ovaj završni korak obrade daje trodimenzionalni model—jasan opis koji je nezavisan od ugla gledanja gledaoca i pogodan za direktno poređenje sa vizuelnim informacijama pohranjenim u mozgu.

Prema Marru, glavnu ulogu u konstrukciji trodimenzionalnog modela igraju komponente usmjeravajućih osa oblika objekata. Oni koji nisu upoznati s ovom idejom možda će je smatrati nategnutom, ali zapravo postoje dokazi koji podržavaju ovu hipotezu. Prvo, mnogi predmeti okolnog svijeta (posebno životinje i biljke) mogu se prilično jasno prikazati u obliku cijevi (ili žice) modela. Zaista, lako možemo prepoznati ono što je prikazano na reprodukciji u obliku komponenti vodećih osovina (sl. 14).

Slika 14. Jednostavni životinjski modeli mogu se prepoznati po komponentama vodećih ose.

Drugo, ova teorija nudi uvjerljivo objašnjenje za činjenicu da smo u mogućnosti vizualno rastaviti objekt na njegove sastavne dijelove. To se odražava u našem jeziku, koji svakom dijelu objekta daje različita imena. Dakle, kada se opisuje ljudsko tijelo, oznake poput “telo”, “ruka” i “prst” označavaju različite dijelove tijela prema njihovim aksijalnim komponentama (slika 15).

Slika 16. Model jedne ose (lijevo) raščlanjen na pojedinačne komponente ose (desno)

Treće, ova teorija je u skladu s našom sposobnošću da generaliziramo i u isto vrijeme razlikujemo forme. Uopštavamo tako što grupišemo objekte sa istim glavnim osovinama, a razlikujemo analizirajući podređene ose poput grana drveta. Marr je predložio algoritme koji pretvaraju 2,5-dimenzionalni model u trodimenzionalni. Ovaj proces je takođe u velikoj meri autonoman. Marr je primetio da algoritmi koje je razvio rade samo kada se koriste čiste ose. Na primjer, ako se nanese na zgužvani list papira, moguće osi će biti vrlo teško identificirati, a algoritam neće biti primjenjiv.

Veza između trodimenzionalnog modela i vizuelnih slika pohranjenih u mozgu aktivira se tokom procesa prepoznavanja objekta.

Ovdje postoji veliki jaz u našem znanju. Kako se te vizualne slike pohranjuju u mozgu? Kako teče proces priznavanja? Kako se pravi poređenje između poznatih slika i novosastavljene 3D slike? Ovo je posljednja tačka koju je Marr dotakao (slika 16), ali je potrebna ogromna količina naučnih podataka da bi se ovo pitanje donelo izvesnost.

Slika 16. Novi opisi oblika povezani su sa pohranjenim oblicima poređenjem koje se kreće od generaliziranog oblika (gore) do specifičnog oblika (dolje)

Iako ni sami nismo svjesni različitih faza vizualne obrade, postoje mnoge jasne paralele između faza i Različiti putevi, kojim smo prenijeli utisak prostora na dvodimenzionalnoj površini kroz vrijeme.

Tako pointilisti naglašavaju beskonturnu sliku mrežnjače, dok linijske slike odgovaraju fazi primarne skice. Kubističke slike mogu se uporediti sa obradom vizuelnih podataka u pripremi za izradu konačnog trodimenzionalnog modela, iako to svakako nije bila umetnikova namera.

Čovek i kompjuter

U svom sveobuhvatnom pristupu ovoj temi, Marr je nastojao pokazati da možemo razumjeti proces vida bez potrebe da se oslanjamo na znanje koje je već dostupno mozgu.

Pa je otvorio novi put istraživači u oblasti vizuelne percepcije. Njegove ideje mogu se iskoristiti za izgradnju više efikasan način do implementacije vizuelne mašine. Kada je Marr pisao svoju knjigu, morao je biti svjestan napora koje će njegovi čitaoci morati uložiti da slijede njegove ideje i zaključke. To je evidentno kroz njegov rad i najočitije je u posljednjem poglavlju, “U odbranu pristupa”. Riječ je o polemičkom "slučaju" od 25 štampanih stranica u kojem on koristi povoljan trenutak da opravda svoje ciljeve. U ovom poglavlju vodi razgovor sa zamišljenim protivnikom koji napada Marra argumentima poput sljedećih:

"Još uvijek sam nezadovoljan opisom ovog međusobno povezanog procesa i idejom da je svo preostalo bogatstvo detalja samo opis. Zvuči malo previše primitivno... Kako se približavamo tome da je mozak kompjuter, ja sam moram reći sve čega se sve više bojim za očuvanje smisla ljudskih vrijednosti."

Marr nudi intrigantan odgovor: "Tvrdnja da je mozak kompjuter je tačna, ali pogrešna. Mozak je zaista visokospecijalizovan uređaj za obradu informacija, odnosno najveći od njih. Gledanje na naš mozak kao na uređaj za obradu podataka ne ponižava ili negira ljudske vrijednosti, u svakom slučaju, to ih samo podržava i može nam, na kraju, pomoći da shvatimo što su ljudske vrijednosti sa takve informativne tačke gledišta, zašto imaju selektivni značaj i kako se uklapaju u društveno. i javne norme koje su nam dali naši geni".

Navikli smo da vidimo svijet onakvim kakav jest, ali u stvari, svaka slika se pojavljuje naopačke na mrežnjači. Hajde da shvatimo zašto ljudsko oko sve vidi u izmijenjenom stanju i kakvu ulogu u tom procesu imaju drugi analizatori.

Kako oči zapravo rade?

U suštini, ljudsko oko je jedinstvena kamera. Umjesto dijafragme, postoji šarenica koja skuplja i sužava zenicu ili je rasteže i širi kako bi omogućila dovoljno svjetla da uđe u oko. Sočivo se tada ponaša kao sočivo: svjetlosni zraci se fokusiraju i udaraju u retinu. Ali pošto sočivo po karakteristikama podseća na bikonveksno sočivo, zraci koji prolaze kroz njega se lome i prevrću. Stoga se na mrežnjači pojavljuje manja, obrnuta slika. Međutim, oko samo percipira sliku, a mozak je obrađuje. On okreće sliku nazad, posebno za svako oko, zatim ih kombinuje u jednu trodimenzionalnu sliku, ispravlja boju i ističe pojedinačne objekte. Tek nakon ovog procesa pojavljuje se prava slika svijeta oko nas.

Vjeruje se da novorođenče vidi svijet naopačke do treće sedmice života. Postepeno, djetetov mozak uči da percipira svijet onakvim kakav jeste. Štaviše, u procesu takve obuke važno je ne samo vizuelne funkcije, ali i rad mišića i organa za ravnotežu. Kao rezultat, pojavljuje se prava slika slika, pojava i objekata. Stoga se naša uobičajena sposobnost da realnost odražavamo upravo na ovaj način, a ne drugačije, smatramo stečenom.

Može li čovjek naučiti da vidi svijet naopačke?

Naučnici su odlučili testirati može li osoba živjeti u naopakom svijetu. U eksperimentu su učestvovala dva volontera koji su imali naočare za preokret slike. Jedan je nepomično sjedio u stolici, ne pomjerajući ni ruke ni noge, a drugi se slobodno kretao i pružao pomoć prvom. Prema rezultatima istraživanja, osoba koja je bila aktivna se mogla naviknuti nova realnost, ali drugi ne. Takvu sposobnost imaju samo ljudi - isti eksperiment s majmunom doveo je životinju u polusvjesno stanje, a samo tjedan dana kasnije počela je postupno reagirati na jake podražaje, ostajući nepomična.