Selge kujutise saamine inimese silma võrkkestale. Mis on võrkkesta kujutis

Silm on organ, mis vastutab ümbritseva maailma visuaalse tajumise eest. See koosneb silmamunast, mis on nägemisnärvi kaudu ühendatud teatud ajupiirkondadega ja abiseadmed. Selliste seadmete hulka kuuluvad pisaranäärmed, lihaskude ja silmalaud.

Silmamuna on kaetud spetsiaalse kaitsemembraaniga, mis kaitseb seda mitmesugused kahjustused, kõvakesta. Selle katte välimine osa on läbipaistva kujuga ja seda nimetatakse sarvkestaks. Cornuform ala, üks tundlikumaid osi Inimkeha. Isegi väike mõju sellele piirkonnale viib silmade sulgemiseni silmalaugude poolt.

Sarvkesta all on iiris, mille värvus võib olla erinev. Nende kahe kihi vahel on spetsiaalne vedelik. Iirise struktuuris on pupilli jaoks spetsiaalne auk. Selle läbimõõt kipub laienema ja kokku tõmbuma sõltuvalt sissetulevast valguse kogusest. Pupilli all on optiline lääts, kristalliline lääts, mis meenutab omamoodi tarretist. Selle kinnitamine kõvakestale toimub spetsiaalsete lihaste abil. Silmamuna optilise läätse taga on piirkond, mida nimetatakse klaaskehaks. Silmamuna sees on kiht, mida nimetatakse silmapõhjaks. See ala on kaetud võrkmembraaniga. See kiht sisaldab õhukesi kiude, mis on nägemisnärvi otsad.

Pärast seda, kui valguskiired läbivad läätse, tungivad nad läbi klaaskeha ja jõuavad selle sisemusse. õhuke kest silmad - võrkkest

Kuidas pilt on üles ehitatud

Silma võrkkestale moodustunud objekti kujutis on silmamuna kõigi komponentide ühistöö. Vastuvõtt valguskiired murda silmamuna optilises keskkonnas, reprodutseerides võrkkesta ümbritsevate objektide kujutisi. Olles läbinud kõik sisemised kihid, ärritab valgus, tabades nägemiskiude, neid ja signaalid edastatakse teatud ajukeskustesse. Tänu sellele protsessile on inimene võimeline objekte visuaalselt tajuma.

Väga pikka aega Teadlased olid mures küsimuse pärast, millist kujutist võrkkestale saadakse. Üks esimesi selle teema uurijaid oli I. Kepler. Tema uurimistöö põhines teoorial, et silma võrkkestale ehitatud kujutis on ümberpööratud olekus. Selle teooria tõestamiseks ehitas ta spetsiaalse mehhanismi, mis reprodutseerib võrkkestale langevate valguskiirte protsessi.

Veidi hiljem kordas seda katset prantsuse teadlane R. Descartes. Katse läbiviimiseks kasutas ta härjasilma, mille tagaseinalt oli eemaldatud kiht. Ta asetas selle silma spetsiaalsele pjedestaalile. Selle tulemusena oli tal võimalik jälgida ümberpööratud kujutist silmamuna tagaseinal.

Sellest lähtuvalt järgneb täiesti loogiline küsimus: miks näeb inimene ümbritsevaid objekte õigesti, mitte tagurpidi? See on tingitud asjaolust, et kogu visuaalne teave siseneb ajukeskustesse. Lisaks saavad teatud ajuosad teavet teiste meelte kaudu. Analüüsi tulemusena korrigeerib aju pilti ja inimene saab õiget informatsiooni teda ümbritsevate objektide kohta.

Võrkkesta on meie visuaalse analüsaatori keskne lüli

Selle punkti märkis väga täpselt luuletaja W. Blake:

Läbi silma, mitte silmaga
Mõistus teab, kuidas maailma vaadata.

19. sajandi alguses viidi Ameerikas läbi huvitav eksperiment. Selle olemus oli järgmine. Katsealune kandis spetsiaalseid optilisi läätsi, mille kujutisel oli otsene konstruktsioon. Tulemusena:

• katsetaja nägemus pöörati täielikult tagurpidi;
• kõik teda ümbritsevad esemed muutusid tagurpidi.

Katse kestus tõi kaasa asjaolu, et rikkumise tulemusena visuaalsed mehhanismid teiste meeltega hakkas arenema merehaigus. Teadlane koges iiveldushooge kolm päeva alates katse algusest. Katsete neljandal päeval taastus nägemine nende tingimustega aju valdamise tulemusel normaalseks. Olles need huvitavad nüansid dokumenteerinud, filmis katsetaja optiline instrument. Kuna ajukeskuste töö oli suunatud seadme abil saadud kujutise saamisele, siis selle eemaldamise tulemusena pöörati katsealuse nägemine taas pea peale. Seekord kestis tema taastumine umbes kaks tundi.

Visuaalne taju algab kujutise võrkkestale projitseerimisest ja fotoretseptorite stimuleerimisest

Edasisel uurimisel selgus, et ainult inimese aju on võimeline demonstreerima sellist kohanemisvõimet. Selliste seadmete kasutamine ahvidel viis nende koomaseisundisse. Selle seisundiga kaasnes väljasuremine refleksi funktsioonid Ja madal jõudlus vererõhk. Täpselt samas olukorras selliseid häireid inimkeha töös ei täheldata.

Päris huvitav on asjaolu, et inimese aju ei suuda alati kogu sissetuleva visuaalse infoga toime tulla. Kui teatud keskused ei tööta, tekivad visuaalsed illusioonid. Selle tulemusena võib kõnealune objekt muuta oma kuju ja struktuuri.

On veel üks huvitav eristav tunnus nägemisorganid. Optilisest läätsest teatud figuurini kauguse muutmise tulemusena muutub ka kaugus selle kujutiseni. Tekib küsimus, mille tulemusena säilitab pilt oma selguse, kui inimpilk muudab fookust, alates objektidest, mis asuvad märkimisväärsel kaugusel, kuni neile, mis asuvad lähemal.

Selle protsessi tulemus saavutatakse silmamuna läätse lähedal asuva lihaskoe abil. Kontraktsioonide tulemusena muudavad nad selle kontuure, muutes nägemise fookust. Protsessi ajal, kui pilk on suunatud kauguses asuvatele objektidele, on need lihased puhkeasendis, mis peaaegu ei muuda objektiivi kontuuri. Kui pilk on suunatud läheduses asuvatele objektidele, hakkavad lihased kokku tõmbuma, lääts paindub ja optilise taju võimsus suureneb.

See funktsioon visuaalne taju nimetati majutuseks. See termin viitab asjaolule, et nägemisorganid on võimelised kohanema keskenduma mis tahes kaugusel asuvatele objektidele.

Väga lähedal asuvate objektide pikaajaline vaatamine võib põhjustada nägemislihaste tugevat pinget. Nende suurenenud töö tulemusena võib tekkida visuaalne uppumine. Selle ebameeldiva hetke vältimiseks peaks lugedes või arvutiga töötades vahemaa olema vähemalt veerand meetrit. Seda kaugust nimetatakse selge nägemise kauguseks.

Silma optiline süsteem koosneb sarvkest, läätsest ja klaaskehast.

Kahe nägemisorgani eelis

Kahe nägemisorgani olemasolu suurendab oluliselt tajuvälja suurust. Lisaks on võimalik eristada objekte inimesest eraldavat kaugust. See juhtub seetõttu, et mõlema silma võrkkestale konstrueeritakse erinevad kujutised. Seega vastab vasaku silmaga tajutav pilt objekti vaatamisele vasakult poolt. Teisel silmal on pilt täpselt vastupidine. Sõltuvalt objekti lähedusest saate hinnata tajumise erinevust. Selline kujutise konstruktsioon võrkkestale võimaldab eristada ümbritsevate objektide mahtu.

Kokkupuutel

Läbi silma, mitte silmaga
Mõistus teab, kuidas maailma vaadata.
William Blake

Tunni eesmärgid:

Hariduslik:

• paljastada visuaalse analüsaatori struktuur ja tähtsus, visuaalsed aistingud ja taju;
• süvendada teadmisi silma kui optilise süsteemi ehitusest ja talitlusest;
• selgitada, kuidas võrkkestale kujutised tekivad,
• annab aimu lühinägelikkusest ja kaugnägelikkusest ning nägemise korrigeerimise tüüpidest.

Hariduslik:

• arendada oskust jälgida, võrrelda ja teha järeldusi;
• edasi areneda loogiline mõtlemine;
• jätkuvalt kujundama ettekujutust ümbritseva maailma mõistete ühtsusest.

Hariduslik:

• kasvatada hoolivat suhtumist oma tervisesse, tegeleda visuaalse hügieeni küsimustega;
• jätkuvalt arendada vastutustundlikku suhtumist õppimisse.

Varustus:

• tabel "Visuaalne analüsaator",
• kokkupandav silmamudel,
• märg preparaat "Mammalian Eye"
• jaotusmaterjalid koos illustratsioonidega.

Tundide ajal

1. Organisatsioonimoment.

2. Teadmiste uuendamine. Teema "Silma struktuur" kordamine.

3. Uue materjali selgitus:

Silma optiline süsteem.

Võrkkesta. Kujutiste moodustumine võrkkestale.

Optilised illusioonid.

Silma majutamine.

Mõlema silmaga nägemise eelis.

Silmade liikumine.

Visuaalsed defektid ja nende parandamine.

Visuaalne hügieen.

4. Konsolideerimine.

5. Tunni kokkuvõte. Lavastus kodutöö.

Teema "Silma struktuur" kordamine.

Bioloogia õpetaja:

Viimases tunnis uurisime teemat “Silma struktuur”. Meenutagem selle õppetunni materjali. Jätkake lauset:

1) Ajupoolkerade visuaalne tsoon asub ...

2) annab silmale värvi...

3) Analüsaator koosneb...

4) Silma abiorganid on...

5) Silmamunal on... membraanid

6) Silmamuna kumer-nõgus lääts on ...

Joonist kasutades rääkige meile silma koostisosade ehitusest ja eesmärgist.

Uue materjali selgitus.

Bioloogia õpetaja:

Silm on loomade ja inimeste nägemisorgan. See on isereguleeruv seade. See võimaldab näha lähedasi ja kaugeid objekte. Objektiiv kas kahaneb peaaegu palliks või venib, muutes seeläbi fookuskaugust.

Silma optiline süsteem koosneb sarvkestast, läätsest ja klaaskehast.

Võrkkesta (silmapõhja kattev võrk) on 0,15–0,20 mm paksune ja koosneb mitmest närvirakkude kihist. Esimene kiht külgneb mustaga pigmendirakud. Selle moodustavad visuaalsed retseptorid - vardad ja koonused. Inimese võrkkestas on vardaid sadu kordi rohkem kui käbisid. Vardad erutuvad nõrgas hämaras väga kiiresti, kuid ei taju värvi. Käbid erutuvad aeglaselt ja ainult ereda valgusega - nad on võimelised tajuma värvi. Vardad jaotuvad võrkkestale ühtlaselt. Otse võrkkesta pupilli vastas on kollane laik, mis koosneb eranditult koonustest. Objekti uurides liigub pilk nii, et pilt langeb kollasele laigule.

Protsessid ulatuvad närvirakkudest. Võrkkesta ühes kohas kogunevad nad kimpu ja moodustavad nägemisnärvi. Rohkem kui miljon kiudu edastavad närviimpulsside kujul visuaalset teavet ajju. Seda kohta, kus puuduvad retseptorid, nimetatakse pimealaks. Objekti värvi, kuju, valgustuse ja selle detailide analüüs, mis algas võrkkestast, lõpeb ajukoores. Siin kogutakse kogu teave, dešifreeritakse ja tehakse kokkuvõte. Selle tulemusena moodustub ettekujutus teemast. "Näeb" aju, mitte silm.

Seega on nägemine subkortikaalne protsess. See sõltub silmadest ajukooresse tuleva teabe kvaliteedist ajupoolkerad(kuklapiirkond).

Füüsika õpetaja:

Saime teada, et silma optiline süsteem koosneb sarvkestast, läätsest ja klaaskehast. Optilises süsteemis murdunud valgus annab võrkkestale vastavate objektide tegelikud, vähendatud pöördkujutised.

Esimene, kes tõestas, et võrkkesta kujutis on ümberpööratud, joonistades kiirte teekonna silma optilises süsteemis, oli Johannes Kepler (1571 - 1630). Selle järelduse kontrollimiseks võttis prantsuse teadlane Rene Descartes (1596–1650) härjasilma ja kraapis selle ära. tagasein läbipaistmatu kiht, asetatud aknaluugi tehtud auku. Ja siis nägi ta silmapõhja poolläbipaistval seinal tagurpidi pilti aknast vaadeldavast pildist.

Miks me siis näeme kõiki objekte sellistena, nagu nad on, s.t. mitte tagurpidi?

Fakt on see, et nägemisprotsessi korrigeerib pidevalt aju, mis saab teavet mitte ainult silmade, vaid ka teiste meelte kaudu.

1896. aastal viis Ameerika psühholoog J. Stretton läbi enda peal katse. Ta pani ette spetsiaalsed prillid, tänu millele ei pööratud ümbritsevate objektide kujutised silma võrkkestale mitte tagurpidi, vaid ettepoole. Ja mida? Maailm Strettoni meelest pöördus pea peale. Ta hakkas kõiki objekte tagurpidi nägema. Selle tõttu tekkis silmade töös teiste meeltega mittevastavus. Teadlasel tekkisid merehaiguse sümptomid. ajal kolm päeva ta tundis iiveldust. Kuid neljandal päeval hakkas keha normaliseeruma ja viiendal päeval hakkas Stretton tundma end samamoodi nagu enne katset. Teadlase aju harjus uute töötingimustega ja ta hakkas kõiki objekte uuesti otse nägema. Kui ta aga prillid eest võttis, läks kõik jälle pea peale. Pooleteise tunni jooksul nägemine taastus ja ta hakkas taas normaalselt nägema.

On uudishimulik, et selline kohanemine on iseloomulik ainult inimese ajule. Kui ühes katses pandi ahvile ümberpööratavad prillid, sai see sellise psühholoogilise löögi, et pärast mitme vale liigutuse tegemist ja kukkumist langes ta koomat meenutavasse seisundisse. Ta refleksid hakkasid tuhmuma, ta kukkus vererõhk ja hingamine muutus sagedaseks ja pinnapealseks. Inimestel midagi sellist ei täheldata. Inimese aju ei saa aga alati hakkama võrkkestale saadud kujutise analüüsiga. Sellistel juhtudel tekivad visuaalsed illusioonid – vaadeldav objekt ei tundu meile sellisena, nagu ta tegelikult on.

Meie silmad ei suuda objektide olemust tajuda. Seetõttu ärge suruge neile peale mõistusepeteid. (Lucretius)

Visuaalsed enesepettused

Me räägime sageli "silma petmisest", "kuulmise petmisest", kuid need väljendid on valed. Puuduvad tunnete pettused. Filosoof Kant ütles selle kohta tabavalt: "Meeled ei peta meid mitte sellepärast, et nad hindavad alati õigesti, vaid sellepärast, et nad ei mõista üldse."

Mis meid siis niinimetatud meelte “pettustes” petab? Muidugi, mis antud juhul “kohtunikud”, s.t. meie enda aju. Tõesti, enamik optilised illusioonid sõltuvad ainult sellest, et me mitte ainult ei näe, vaid ka alateadlikult mõtleme ja eksitame end tahtmatult. Need on hinnangute, mitte tunnete pettused.

Piltide galerii või see, mida näete

Tütar, ema ja vuntsidega isa?

Uhkelt päikest vaatav indiaanlane ja seljaga kapuutsis eskimo...

Noored ja vanad mehed

Noored ja vanad naised

Kas jooned on paralleelsed?

Kas nelinurk on ruut?

Kumb ellips on suurem - alumine või sisemine ülemine?

Mis on sellel joonisel suurem - kõrgus või laius?

Milline rida on esimese jätk?

Kas märkate ringi "raputamist"?

Nägemisel on veel üks omadus, mida ei saa tähelepanuta jätta. On teada, et kui objektiivi ja objekti kaugus muutub, muutub ka kaugus selle kujutiseni. Kuidas jääb võrkkestale selge pilt alles, kui liigume oma pilgu kaugemalt objektilt lähemale?

Teatavasti on läätse külge kinnitatud lihased võimelised muutma selle pindade kumerust ja seeläbi ka silma optilist võimsust. Kui vaatame kaugeid objekte, on need lihased pingevabas olekus ja läätse kumerus on suhteliselt väike. Lähedal asuvaid objekte vaadates suruvad silmalihased läätse kokku ning selle kumerus ja sellest tulenevalt optiline võimsus suureneb.

Silma võimet kohaneda nägemisega nii lähedalt kui kaugemalt nimetatakse majutus(ladina keelest accomodatio - seade).

Tänu majutusele õnnestub inimesel pilte teravustada erinevaid esemeid samal kaugusel läätsest - võrkkestale.

Kui aga kõnealune objekt on väga lähedal, suureneb läätse deformeerivate lihaste pinge ja silma töö muutub väsitavaks. Normaalse silma jaoks on optimaalne lugemis- ja kirjutamiskaugus umbes 25 cm. Seda kaugust nimetatakse parima nägemise kauguseks.

Bioloogia õpetaja:

Mis eelise annab mõlema silmaga nägemine?

1. Inimese vaateväli suureneb.

2. Just tänu kahe silma olemasolule suudame eristada, milline objekt on meist lähemal ja kumb kaugemal.

Fakt on see, et parema ja vasaku silma võrkkest toodab üksteisest erinevaid pilte (vastab objektide vaatamisele justkui paremal ja vasakul). Mida lähemal objekt, seda märgatavam on see erinevus. See loob mulje vahemaade erinevusest. See sama silma võime võimaldab näha objekti kolmemõõtmelise ja mitte tasapinnalisena. Seda võimet nimetatakse stereoskoopiliseks nägemiseks. Mõlema ajupoolkera ühine töö tagab objektide, nende kuju, suuruse, asukoha ja liikumise eristamise. Mahulise ruumi mõju võib ilmneda juhtudel, kui käsitleme tasapinnalist pilti.

Vaadake pilti mitu minutit silmadest 20–25 cm kaugusel.

Vaata 30 sekundit luudale otsa vaatamata nõida.

Suunake oma pilk kiiresti lossi joonisele ja vaadake, lugedes 10-ni, väravaavasse. Avamisel näete hallil taustal valget nõida.

Kui vaatate oma silmi peeglist, märkate ilmselt, et mõlemad silmad teevad suuri ja peeneid liigutusi rangelt üheaegselt, samas suunas.

Kas silmad vaatavad alati kõike niimoodi? Kuidas käitume juba tuttavas ruumis? Miks me vajame silmade liigutusi? Neid on vaja esmaseks ülevaatuseks. Uurides moodustame tervikliku pildi ja see kõik kantakse üle mällu talletusse. Seetõttu pole silmade liigutamine vajalik tuntud objektide äratundmiseks.

Füüsika õpetaja:

Nägemise üks peamisi omadusi on teravus. Inimeste nägemine muutub vanusega, sest... lääts kaotab elastsuse ja võime muuta oma kumerust. Ilmub kaugnägelikkus või lühinägelikkus.

Müoopia on nägemispuudulikkus, mille korral paralleelsed kiired kogunevad pärast silma murdumist mitte võrkkestale, vaid läätsele lähemale. Pildid kauged objektid seetõttu tunduvad need võrkkestal hägused ja udused. Võrkkestale terava pildi saamiseks tuleb kõnealune objekt silmale lähemale tuua.

Lühinägeliku inimese parima nägemise kaugus on alla 25 cm. Seetõttu on sarnase reeniumipuudusega inimesed sunnitud teksti lugema, asetades selle silmade lähedale. Müoopia võib olla tingitud järgmistest põhjustest:

• silma liigne optiline võimsus;
• silma pikenemine piki selle optilist telge.

Tavaliselt areneb see välja kooliaastaid ja seda seostatakse tavaliselt pikaajalise lugemise või kirjutamisega, eriti ebapiisava valgustuse ja valgusallikate ebaõige paigutuse korral.

Kaugnägelikkus on nägemise defekt, mille korral paralleelsed kiired pärast silma murdumist koonduvad sellise nurga all, et fookus ei asu mitte võrkkestal, vaid selle taga. Võrkkesta kaugemate objektide kujutised osutuvad jällegi uduseks ja uduseks.

Bioloogia õpetaja:

Nägemisväsimuse vältimiseks on mitmeid harjutusi. Pakume teile mõnda neist:

valik 1 (kestus 3-5 minutit).

1. Lähteasend - istumine mugavas asendis: selg sirge, silmad lahti, pilk suunatud otse. Seda on väga lihtne teha, ilma stressita.

Suunake oma pilk vasakule - otse, paremale - otse, üles - otse, alla - otse, viivitamata röövitud asendis. Korda 1-10 korda.

2. Nihutage pilku diagonaalselt: vasakule - alla - otse, paremale - üles - otse, paremale - alla - otse, vasakule - üles - otse. Ja suurendage järk-järgult viivitusi röövitud asendis, hingamine on vabatahtlik, kuid veenduge, et viivitust poleks. Korda 1-10 korda.

3. Ringikujulised liigutused silm: 1 kuni 10 ringi vasakule ja paremale. Alguses kiiremini, seejärel vähendage järk-järgult tempot.

4. Vaadake silmadest 30 cm kaugusel hoitud sõrme või pliiatsi otsa ja seejärel kaugusesse. Korrake mitu korda.

5. Vaata pingsalt ja liikumatult otse ette, püüdes selgemalt näha, seejärel pilguta mitu korda silmi. Pigistage silmalauge, seejärel pilgutage mitu korda.

6. Fookuskauguse muutmine: vaadake ninaotsa, seejärel kaugusesse. Korrake mitu korda.

7. Masseeri silmalauge, silitades neid õrnalt nimetissõrmega ja keskmise sõrmega suunas ninast kuni oimukohtadeni. Või: sulgege silmad ja kasutage peopesade padjandeid, puudutades väga õrnalt, et liikuda mööda ülemisi silmalaugusid oimukohtadest kuni ninasillani ja tagasi, kokku 10 korda keskmise tempoga.

8. Hõõruge peopesad kokku ja katke nendega kergelt, ilma pingutuseta oma varem suletud silmad, et need 1 minutiks täielikult valguse eest varjata. Kujutage ette, et olete sukeldunud täielikku pimedusse. Avatud silmad.

2. võimalus (kestus 1-2 minutit).

1. 1-2 loendamisel fikseeruvad silmad lähedasele (kaugus 15-20 cm) 3-7 loendamisel, pilk kandub kaugel asuvale objektile; Arvestades 8, suunatakse pilk uuesti lähimale objektile.

2. Kui pea on liikumatu, lugedes 1, pöörake silmi vertikaalselt üles, lugedes 2, alla, siis uuesti üles. Korda 10-15 korda.

3. Sulgege silmad 10-15 sekundiks, avage ja liigutage silmi paremale ja vasakule, seejärel üles-alla (5 korda). Vabalt, pingevabalt suuna pilk kaugusesse.

Valik 3 (kestus 2-3 minutit).

Harjutused sooritatakse istuvas asendis, tooli seljatoega.

1. Vaadake 2-3 sekundit otse ette, seejärel langetage silmad 3-4 sekundiks alla. Korda harjutust 30 sekundit.

2. Tõstke silmad üles, langetage alla, vaadake paremale, siis vasakule. Korda 3-4 korda. Kestus 6 sekundit.

3. Tõstke silmad üles, tehke nendega ringjaid liigutusi vastupäeva, seejärel päripäeva. Korda 3-4 korda.

4. Sule silmad tihedalt 3-5 sekundiks, ava 3-5 sekundiks. Korda 4-5 korda. Kestus 30-50 sekundit.

Konsolideerimine.

Pakutakse ebastandardseid olukordi.

1. Lühinägelik õpilane tajub tahvlile kirjutatud tähti uduste ja ebaselgetena. Ta peab oma nägemist pingutama, et oma silmad kas tahvlile või vihikusse mahutada, mis on kahjulik nii nägemis- kui närvisüsteemile. Soovitage koolilastele selliste prillide kujundust, et vältida stressi tahvlilt teksti lugemisel.

2. Kui inimese silmalääts muutub häguseks (näiteks katarakti korral), eemaldatakse see tavaliselt ja asendatakse plastikläätsega. Selline asendus jätab silmad ilma kohanemisvõimest ja patsient peab kasutama prille. Hiljuti alustas Saksamaa kunstläätsede tootmist, mis suudab ise teravustada. Arvake ära, milline disainifunktsioon silma majutuseks leiutati?

3. H.G.Wells kirjutas romaani "Nähtamatu mees". Agressiivne nähtamatu isiksus tahtis allutada kogu maailma. Mõelge, mis sellel ideel viga on? Millal on keskkonnas olev objekt nähtamatu? Kuidas näeb nähtamatu mehe silm?

Tunni kokkuvõte. Kodutöö seadmine.

• § 57, 58 (bioloogia),
• § 37.38 (füüsika), pakkuda mittestandardseid ülesandeid õpitud teemal (vabatahtlik).

Silm, silmamuna, on peaaegu sfäärilise kujuga, umbes 2,5 cm läbimõõduga. See koosneb mitmest kestast, millest kolm on peamised:

• sklera - välimine kiht
• soonkesta- keskmine,
• võrkkest – sisemine.

Riis. 1. Vasakul paikneva akommodatsioonimehhanismi skemaatiline esitus - kaugusesse teravustamine; paremal - keskendudes lähedastele objektidele.

Sklera on valge värv piimja varjundiga, välja arvatud esiosa, mis on läbipaistev ja mida nimetatakse sarvkestaks. Valgus siseneb silma läbi sarvkesta. soonkesta, keskmine kiht, sisaldab veresooni, mille kaudu voolab veri silma toitmiseks. Vahetult sarvkesta all muutub koroid iiriseks, mis määrab silmade värvi. Selle keskel on õpilane. Selle kesta ülesanne on piirata valguse sisenemist silma, kui see on väga hele. See saavutatakse õpilase kitsendamisega tugeva valguse korral ja laienemisega vähese valguse korral. Iirise taga on lääts, nagu kaksikkumer lääts, mis püüab kinni valgust, kui see läbib pupilli ja fokusseerib selle võrkkestale. Läätse ümber moodustub soonkesta tsiliaarne keha, mis sisaldab läätse kumerust reguleerivat lihast, mis tagab erinevatel kaugustel asuvate objektide selge ja täpse nägemise. See saavutatakse järgmiselt (joonis 1).

Õpilane on vikerkesta keskel olev auk, mille kaudu valguskiired silma pääsevad. Täiskasvanul puhkeolekus on pupilli läbimõõt päevavalguses 1,5–2 mm ja pimedas suureneb see 7,5 mm-ni. Peamine füsioloogiline roll Pupilli ülesanne on reguleerida võrkkesta siseneva valguse hulka.

Pupilli ahenemine (mioos) tekib siis, kui valgustus suureneb (see piirab võrkkesta sisenevat valgusvoogu ja seega kaitsemehhanism), tihedalt asetsevate objektide uurimisel, kui toimub visuaalsete telgede akommodatsioon ja konvergents (konvergents), samuti ajal.

Pupilli laienemine (müdriaas) esineb vähese valguse korral (mis suurendab võrkkesta valgustatust ja seeläbi silma tundlikkust), samuti mis tahes aferentsete närvide stimuleerimisel. emotsionaalsed reaktsioonid pinge, mis on seotud sümpaatilise toonuse tõusuga, koos vaimse erutusega, lämbumisega,.

Pupilli suurust reguleerivad iirise rõngakujulised ja radiaalsed lihased. Radiaalset laiendavat lihast innerveerib ülemisest osast tulev sümpaatiline närv emakakaela sõlm. Pupilli ahendavat rõngakujulist lihast innerveerivad okulomotoorse närvi parasümpaatilised kiud.

Joonis 2. Visuaalse analüsaatori struktuuri skeem

1 – võrkkest, 2 – nägemisnärvi ristumata kiud, 3 – nägemisnärvi ristunud kiud, 4 – nägemisnärvi kiud, 5 – välised geniculate keha, 6 – külgjuur, 7 – optilised labad.
Lühimat vahemaad objektist silmani, mille juures see objekt on veel selgelt nähtav, nimetatakse selge nägemise lähipunktiks ja suurimat vahemaad selge nägemise kaugemaks punktiks. Kui objekt asub lähipunktis, on majutus maksimaalne, kaugemas punktis majutust pole. Silma murdumisvõime erinevust maksimaalsel akommodatsioonil ja puhkeolekus nimetatakse akommodatsioonijõuks. Optilise võimsuse ühik on fookuskaugusega objektiivi optiline võimsus1 meeter. Seda ühikut nimetatakse dioptriks. Objektiivi optilise võimsuse määramiseks dioptrites tuleks mõõtühik jagada fookuskaugusega meetrites. Ööbimise summa ei ole sama erinevad inimesed ja varieerub sõltuvalt vanusest 0 kuni 14 dioptrit.

Objekti selgeks nägemiseks on vajalik, et selle iga punkti kiired oleksid suunatud võrkkestale. Kui vaatate kaugusesse, on lähedal asuvad objektid näha ebaselgelt, uduselt, kuna lähedalasuvate punktide kiired on keskendunud võrkkesta taha. Silmast erinevatel kaugustel asuvaid objekte on võimatu samaaegselt sama selgelt näha.

Murdumine(kiirte murdumine) peegeldab silma optilise süsteemi võimet fokuseerida objekti kujutis võrkkestale. Mis tahes silma murdumisomaduste iseärasused hõlmavad nähtust sfääriline aberratsioon . See seisneb selles, et läätse perifeerseid osi läbivad kiired murduvad tugevamalt kui selle keskosasid läbivad kiired (joonis 65). Seetõttu ei koondu kesk- ja perifeerne kiir ühes punktis. Kuid see murdumisomadus ei sega objekti selget nägemist, kuna iiris ei edasta kiiri ja kõrvaldab seeläbi need, mis läbivad läätse perifeeriat. Erineva lainepikkusega kiirte ebavõrdset murdumist nimetatakse kromaatiline aberratsioon .

murdumisvõime optiline süsteem(murdumine), st silma murdumisvõime, ja seda mõõdetakse tavalistes ühikutes - dioptrites. Diopter on läätse murdumisvõime, milles paralleelsed kiired pärast murdumist koonduvad fookuses 1 m kaugusel.

Riis. 3. Kiirte kulg silma erinevat tüüpi kliinilise murdumise korral a - emetroopia (normaalne); b - lühinägelikkus (lühinägelikkus); c - hüpermetroopia (kaugnägelikkus); d - astigmatism.

Näeme ümbritsevat maailma selgelt, kui kõik osakonnad “töötavad” harmooniliselt ja segamatult. Et pilt oleks terav, peab võrkkest ilmselgelt olema silma optilise süsteemi tagumises fookuses. Erinevad rikkumised Valguskiirte murdumist silma optilises süsteemis, mis põhjustab kujutise defokuseerumist võrkkestale, nimetatakse refraktsioonihäired (ametroopia). Nende hulka kuuluvad lühinägelikkus, kaugnägelikkus, vanusega seotud kaugnägelikkus ja astigmatism (joonis 3).

Normaalse nägemisega, mida nimetatakse emmetroopseks, on nägemisteravus, s.o. silma maksimaalne võime eristada objektide üksikuid detaile, ulatub tavaliselt üheni tavapärane üksus. See tähendab, et inimene on võimeline pidama kahte eraldiseisvat punkti 1 minuti nurga all nähtavaks.

Murdumishäirega on nägemisteravus alati alla 1. Murdumishäireid on kolm peamist tüüpi – astigmatism, lühinägelikkus (lühinägelikkus) ja kaugnägelikkus (hüpermetroopia).

Refraktsioonihäired põhjustavad lühinägelikkust või kaugnägelikkust. Silma murdumine muutub vanusega: vastsündinutel on see normist väiksem ja vanemas eas võib see taas väheneda (nn seniilne kaugnägelikkus ehk presbüoopia).

Müoopia korrigeerimise skeem

Astigmatism tingitud sellest, et silma optiline süsteem (sarvkest ja lääts) oma kaasasündinud omaduste tõttu murrab kiiri erinevates suundades (mööda horisontaalset või vertikaalset meridiaani) ebaühtlaselt. Teisisõnu on sfäärilise aberratsiooni nähtus nendel inimestel tavalisest palju tugevam (ja seda ei kompenseeri pupillide ahenemine). Seega, kui sarvkesta pinna kumerus vertikaalses lõigus on suurem kui horisontaallõigus, ei ole võrkkesta kujutis selge, olenemata kaugusest objektini.

Sarvkestal on justkui kaks peamist fookust: üks vertikaalse ja teine ​​horisontaalse lõigu jaoks. Seetõttu fokusseeritakse astigmaatilist silma läbivad valguskiired erinevatele tasapindadele: kui objekti horisontaalsed jooned on fokusseeritud võrkkestale, on vertikaalsed jooned selle ees. Silindriliste läätsede kandmine, mis on valitud optilise süsteemi tegelikku defekti arvesse võttes, kompenseerib teatud määral seda murdumisviga.

Müoopia ja kaugnägelikkus põhjustatud muutustest silmamuna pikkuses. Normaalse refraktsiooni korral on sarvkesta ja fovea (makula) vaheline kaugus 24,4 mm. Müoopia (lühinägelikkuse) korral on silma pikitelg suurem kui 24,4 mm, nii et kauge objekti kiired ei keskendu mitte võrkkestale, vaid selle ette, klaaskehasse. Selgeks kaugusesse nägemiseks on vaja lühinägelike silmade ette asetada nõgusad prillid, mis suruvad teravustatud pildi võrkkestale. Kaugnägeva silma puhul on silma pikitelg lühenenud, s.o. vähem kui 24,4 mm. Seetõttu ei keskendu kauge objekti kiired mitte võrkkestale, vaid selle taha. Seda murdumise puudumist saab kompenseerida akommodatiivse pingutusega, s.t. läätse kumeruse suurenemine. Seetõttu pingutab kaugnägija akommodatiivset lihast, uurides mitte ainult lähedasi, vaid ka kaugeid objekte. Lähedaste objektide vaatamisel ei piisa kaugelenägevate inimeste kohanemispüüdlustest. Seetõttu peavad kaugnägelikud inimesed lugemiseks kandma kaksikkumerate läätsedega prille, mis suurendavad valguse murdumist.

Refraktsioonihäired, eriti lühinägelikkus ja kaugnägelikkus, on levinud ka loomadel, näiteks hobustel; Lühinägelikkust täheldatakse väga sageli lammastel, eriti kultuurtõugudel.

Võimatud kujundid ja mitmetähenduslikud kujutised ei ole midagi, mida ei saa sõna-sõnalt võtta: need tekivad meie ajus. Kuna selliste kujundite tajumise protsess kulgeb kummalist, ebatavalist rada pidi, saab vaatleja aru, et tema peas toimub midagi ebatavalist. Et paremini mõista protsessi, mida me nimetame "nägemiseks", on kasulik mõista, kuidas meie meeleorganid (silmad ja aju) muudavad valgusstiimuliteks. kasulik informatsioon.

Silm kui optiline seade

Joonis 1. Silmamuna anatoomia.

Silm (vt joonis 1) töötab nagu kaamera. Objektiiv (lääts) projitseerib ümberpööratud, vähendatud kujutise välismaailmast võrkkestale (võrkkest), valgustundlike rakkude võrgustikku, mis asub pupilli (pupilli) vastas ja hõivab üle poole silmamuna sisepinna pindalast. . Optilise instrumendina on silm pikka aega olnud pisut mõistatus. Kui kaamera teravustab objektiivi valgustundlikule kihile lähemale või kaugemale liigutades, siis selle valguse murdmise võimet reguleeritakse akommodatsiooni käigus (silma kohanemine teatud kaugusele). Vorm silma lääts muutub tsiliaarse lihase abil. Lihase kokkutõmbumisel muutub lääts ümaramaks, võimaldades võrkkestale ilmuda fokuseeritud kujutis lähemal asuvatest objektidest. Inimsilma ava reguleeritakse samamoodi nagu kaameras. Pupill kontrollib läätse avanemise, laienemise või kokkutõmbumise ulatust radiaalsed lihased, värvides silma vikerkesta (iirise) sellele iseloomuliku värviga. Kui meie silm suunab oma pilgu piirkonnale, millele ta soovib keskenduda, kohandub fookuskaugus ja pupilli suurus "automaatselt" vajalike tingimustega.

Joonis 2. Võrkkesta läbilõige
Joonis 3. Kollase täpiga silm

Silma sisemuse valgustundliku kihi võrkkesta (joonis 2) struktuur on väga keeruline. Nägemisnärv (koos veresoontega) tekib silma tagaosast. Sellel alal ei ole valgustundlikke rakke ja seda nimetatakse pimealaks. Närvikiud hargnevad ja lõpevad kolme erinevat tüüpi rakuga, mis tuvastavad neisse siseneva valguse. Kolmandast, sisemisest rakukihist tulevad protsessid sisaldavad molekule, mis sissetuleva valguse töötlemisel ajutiselt oma struktuuri muudavad ja seeläbi elektriimpulsi väljastavad. Valgustundlikke rakke nimetatakse nende protsesside kuju alusel varrasteks ja koonusteks. Koonused on värvitundlikud, vardad aga mitte. Seevastu varraste valgustundlikkus on palju suurem kui käbidel. Üks silm sisaldab umbes sada miljonit varrast ja kuus miljonit koonust, mis on võrkkesta ulatuses ebaühtlaselt jaotunud. Täpselt pupilli vastas paikneb nn maakula (joon. 3), mis koosneb ainult suhteliselt tihedas kontsentratsioonis käbidest. Kui tahame midagi fookuses näha, asetame silma nii, et pilt langeks kollatähnile. Võrkkesta rakkude vahel on palju ühendusi ja sajast miljonist valgustundlikust rakust saadavad elektriimpulsid saadetakse ajju mööda vaid miljonit närvikiudu. Seega võib silma pealiskaudselt kirjeldada kui foto- või telekaamerat, mis on laetud valgustundliku filmiga.

Joonis 4. Kanizsa kujund

Valgusimpulsist infoni

Joonis 5. Illustratsioon Descartes’i raamatust “Le traité de l’homme”, 1664

Aga kuidas me tegelikult näeme? Kuni viimase ajani oli see probleem vaevalt lahendatav. Parim vastus sellele küsimusele oli, et ajus on nägemisele spetsialiseerunud piirkond, milles võrkkestast saadav kujutis moodustub ajurakkude kujul. Mida rohkem valgust võrkkesta rakule langeb, seda intensiivsemalt töötab vastav ajurakk ehk meie ajurakkude aktiivsus. visuaalne keskus sõltub võrkkesta tabava valguse jaotusest. Lühidalt öeldes algab protsess võrkkesta kujutisega ja lõpeb vastava kujutisega väikesel ajurakkude "ekraanil". Loomulikult ei selgita see nägemist, vaid nihutab probleemi lihtsalt sügavamale tasandile. Kes on mõeldud seda sisemist pilti nägema? Seda olukorda illustreerib hästi joonis 5, mis on võetud Descartes’i teosest “Le traité de l’homme” Antud juhul kõike närvikiud lõpevad teatud näärmega, mida Descartes kujutles hinge asukohana, ja see on see, kes näeb sisemist pilti. Kuid küsimus jääb: kuidas "nägemus" tegelikult töötab?

Joonis 6.

Ajus oleva minivaatleja idee pole mitte ainult nägemise selgitamiseks ebapiisav, vaid see eirab ka kolme tegevust, mida visuaalne süsteem ilmselt ise teostab. Näiteks vaatame joonisel 4 olevat joonist (Kanizsa). Näeme kolmnurka kolmes ringikujulises segmendis nende väljalõigete järgi. Seda kolmnurka ei esitatud võrkkestale, kuid see on meie visuaalse süsteemi oletuste tulemus! Samuti on peaaegu võimatu vaadata joonist 6, nägemata pidevaid ringikujuliste mustrite jadasid, mis võistlevad meie tähelepanu pärast, justkui kogeksime otseselt sisemist visuaalset aktiivsust. Paljud inimesed leiavad, et nad visuaalne süsteem on Dallenbachi kujust (joonis 8) täiesti segaduses, kuna nad otsivad viise, kuidas neid mustvalgeid laike tõlgendada mingil kujul, millest nad aru saavad. Probleemide säästmiseks pakub joonis 10 tõlgendust, mille teie visuaalne süsteem lõplikult aktsepteerib. Vastupidiselt eelmisele joonisele ei valmista teil mingeid raskusi joonisel 7 kujutatud mõne tinditõmmise rekonstrueerimine kahe inimese jutuks.

Joonis 7. Joonis "Sinepiseemneaia maalimisjuhendist", 1679-1701

Näiteks hoopis teistsugust nägemismeetodit illustreerivad Tübingenist pärit Werner Reichardti uurimused, kes uuris 14 aastat toakärbse nägemis- ja lennujuhtimissüsteeme. Nende uuringute eest pälvis ta 1985. aastal Heinekeni auhinna. Nagu paljudel teistel putukatel, on ka kärbsel liitsilmad, mis koosnevad paljudest sadadest üksikutest varrastest, millest igaüks on eraldi valgustundlik element. Kärbse lennujuhtimissüsteem koosneb viiest sõltumatust alamsüsteemist, mis töötavad ülikiiresti (reaktsioonikiirus on ligikaudu 10 korda kiirem kui inimesel) ja tõhusalt. Näiteks maandumise alamsüsteem töötab järgmiselt. Kui kärbse vaateväli "plahvatab" (kuna pind on lähedal), liigub kärbes "plahvatuse" keskpunkti poole. Kui keskpunkt on üle löögi, pöördub see automaatselt tagurpidi. Niipea, kui kärbse jalad puudutavad pinda, lülitub maandumis "allsüsteem" välja. Lennates eraldab kärbes oma vaateväljast ainult kahte tüüpi teavet: punkti, kus asub teatud suurusega liikuv koht (mis peab ühtima kärbse suurusega 10 sentimeetri kaugusel), samuti kui selle koha liikumise suund ja kiirus vaateväljas. Nende andmete töötlemine aitab automaatselt kohandada lennutrajektoori. On väga ebatõenäoline, et kärbsel on ümbritsevast maailmast täielik pilt. Ta ei näe pindu ega objekte. Teatud viisil töödeldud visuaalsed sisendandmed edastatakse otse mootori alamsüsteemi. Seega ei muudeta visuaalne sisend sisepildiks, vaid vormiks, mis võimaldab kärbsel oma keskkonnale sobivalt reageerida. Sama võib öelda ka sellise lõpmatult keerulisema süsteemi kui inimese kohta.

Joonis 8. Dallenbachi kujund

Põhjuseid, miks teadlased on nii kaua hoidunud käsitlemast põhiküsimust sellisel kujul, nagu me seda nähakse, on palju. Selgus, et kõigepealt tuli selgitada palju muid nägemisega seotud küsimusi - võrkkesta keerukas ehitus, värvinägemine, kontrastsus, järelpildid jne. Kuid vastupidiselt ootustele ei suuda avastused nendes valdkondades põhiprobleemi lahendust valgustada. Veelgi olulisem probleem oli üldise kontseptsiooni või skeemi puudumine, mis loetleks kõik visuaalsed nähtused. Tavapäraste uurimisvaldkondade suhtelised piirangud saab välja lugeda suurepärasest juhendist T.N. Comsweet visuaalse taju teemal, mis on koostatud tema loengutest esimese ja teise semestri üliõpilastele. Eessõnas kirjutab autor: "Püüan kirjeldada selle tohutu välja aluseks olevaid fundamentaalseid aspekte, mida me juhuslikult visuaalseks tajumiseks nimetame." Kuid selle raamatu sisu uurides selgub, et need "põhiteemad" on valguse neeldumine võrkkesta varraste ja koonuste poolt, värvinägemine, viisid, kuidas sensoorsed rakud saavad suurendada või vähendada üksteise vastastikuse mõjutamise piire, sensoorsete rakkude kaudu edastatavate elektriliste signaalide sagedust jne. Tänapäeval liiguvad selle valdkonna uuringud täiesti uusi teid, mille tulemuseks on professionaalses ajakirjanduses hämmastav mitmekesisus. Ja ainult spetsialist saab kujundada üldpildi arenevast uuest visiooniteadusest." Mitmeid uusi ideid ja uurimistulemusi üritati võhikule ligipääsetaval viisil kombineerida vaid üks kord. Ja isegi siin tekkisid küsimused „Mis on nägemine?" ja "Kuidas me näeme?", ei saanud peamisteks aruteluküsimusteks.

Pildist andmetöötluseni

David Marr MIT-i tehisintellekti laborist oli esimene, kes lähenes sellele teemale täiesti teise nurga alt pärast tema surma ilmunud raamatus Visioon. Selles püüdis ta uurida põhiprobleemi ja teha ettepaneku võimalikud viisid tema otsused. Marri tulemused pole muidugi lõplikud ja on endiselt avatud eri suundadest uurimiseks, kuid sellegipoolest on tema raamatu peamiseks eeliseks selle loogika ja järelduste järjepidevus. Igal juhul annab Marri lähenemine väga kasuliku aluse võimatute objektide ja kaksikfiguuride uurimuste ehitamiseks. Järgmistel lehekülgedel püüame järgida Marri mõttekäiku.

Marr kirjeldas traditsioonilise visuaalse taju teooria puudujääke järgmiselt:

"Püüdes mõista visuaalset tajumist ainult neuroneid uurides on sama, mis püüda mõista linnu lendu, uurides ainult tema sulgi. See on lihtsalt võimatu. Et mõista linnu lendu, peame mõistma aerodünaamikat ja alles seejärel struktuuri. sulgedest ja linnutiibade erinevatest kujudest on meie jaoks mingit tähendust." Selles kontekstis tunnustab Marr J. J. Gobsonit kui esimest, kes käsitles selles vaateväljas olulisi probleeme. Marri sõnul on Gibsoni kõige olulisem oluline panus oli see, et „meelte puhul on kõige tähtsam see, et need on infokanalid välismaailmast meie tajumisse (...) Ta sõnastas selle kriitiliselt oluline küsimus– Kuidas igaüks meist saab sisse tajudes ühesuguseid tulemusi Igapäevane elu pidevalt muutuvates tingimustes? See on väga oluline küsimus, mis näitab, et Gibson käsitles visuaalse taju probleemi õigesti kui välismaailma objektide "õigete" omaduste rekonstrueerimist sensoorse teabe põhjal." Ja nii oleme jõudnud teabe töötlemise valdkonda.

Ei tohiks olla kahtlustki, et Marr tahtis eirata nägemisnähtuse teisi seletusi. Vastupidi, ta rõhutab konkreetselt, et nägemust ei saa rahuldavalt seletada ainult ühest vaatenurgast. Igapäevastele sündmustele tuleb leida selgitused, mis on kooskõlas eksperimentaalpsühholoogia tulemustega ja kõigi psühholoogide ja neuroloogide avastustega selles valdkonnas närvisüsteemi anatoomia valdkonnas. Infotöötluse osas tahaksid arvutiteadlased teada, kuidas saab visuaalset süsteemi programmeerida, millised algoritmid antud ülesande jaoks kõige paremini sobivad. Lühidalt, kuidas saab nägemist programmeerida. Nägemisprotsessi rahuldava selgitusena saab aktsepteerida ainult kõikehõlmavat teooriat.

Marr töötas selle probleemiga aastatel 1973–1980. Kahjuks ei saanud ta oma tööd lõpetada, kuid ta suutis laduda kindel vundament edasiseks uurimiseks.

Neuroteadusest visuaalse mehhanismini

Uskumust, et paljusid inimese funktsioone juhib aju, jagavad neuroloogid ja XIX algus sajandil. Arvamused läksid lahku selle kohta, kas konkreetsete operatsioonide tegemiseks kasutati konkreetseid ajukoore osi või kasutati iga operatsiooni jaoks kogu aju. Tänaseks on prantsuse neuroloogi Pierre Paul Broca kuulus eksperiment viinud konkreetse asukohateooria üldise aktsepteerimiseni. Broca ravis patsienti, kes ei saanud rääkida 10 aastat, kuigi tema häälepaelad olid korras. Kui mees 1861. aastal suri, leidis lahkamine selle vasak pool tema aju oli deformeerunud. Broca soovitas, et kõnet kontrollib see ajukoore osa. Tema teooriat kinnitasid hilisemad ajukahjustusega patsientide uuringud, mis lõppkokkuvõttes võimaldasid määrata elutähtsaid keskusi. olulisi funktsioone inimese aju.

Joonis 9. Kahe erineva ajuraku reaktsioon erineva suuna optilistele stiimulitele

Sajand hiljem, 1950. aastatel, leidsid teadlased D.H. Hubel (D.H. Hubel) ja T.N. Wiesel (T.N. Wiesel) viis läbi katseid elusate ahvide ja kasside ajus. Nad leidsid ajukoore visuaalses keskuses närvirakud, mis on eriti tundlikud vaatevälja horisontaalsete, vertikaalsete ja diagonaalsete joonte suhtes (joonis 9). Nende keeruka mikrokirurgia tehnika võtsid hiljem kasutusele teised teadlased.

Seega ei sisalda ajukoor mitte ainult keskusi erinevate funktsioonide täitmiseks, vaid iga keskuse sees, nagu ka nägemiskeskuses, aktiveeruvad üksikud närvirakud ainult väga spetsiifiliste signaalide vastuvõtmisel. Need silma võrkkesta signaalid korreleeruvad selgelt määratletud olukordadega välismaailmas. Tänapäeval eeldatakse, et teave selle kohta erinevaid vorme ja objektide ruumiline paigutus sisalduvad visuaalses mälus ning aktiveeritud närvirakkudest saadavat teavet võrreldakse selle salvestatud teabega.

See detektoriteooria mõjutas visuaalse taju uurimise suunda 1960. aastate keskel. Tehisintellektiga seotud teadlased järgisid sama teed. Inimese nägemisprotsessi arvutisimulatsiooni, mida nimetatakse ka "masinnägemiseks", peeti nendes uuringutes üheks kõige hõlpsamini saavutatavaks eesmärgiks. Kuid kõik kujunes pisut teisiti. Peagi sai selgeks, et on praktiliselt võimatu kirjutada programme, mis suudaksid ära tunda muutusi valguse intensiivsuses, varjudes, pinnastruktuuris ja keeruliste objektide juhuslikke kooslusi tähenduslikeks kujutisteks. Lisaks nõudis selline mustrituvastus piiramatul hulgal mälu, kuna lugematute objektide kujutisi tuleb mällu salvestada lugematutes asukoha- ja valgusolukordades.

Edasised edusammud mustrituvastuse vallas reaalsetes tingimustes ei olnud võimalikud. On kaheldav, et arvuti suudab kunagi inimaju simuleerida. Võrreldes inimese ajuga, kus igal närvirakul on umbes 10 000 ühendust teiste närvirakkudega, ei tundu samaväärne arvutisuhe 1:1 adekvaatne!

Joonis 10. Dellenbachi joonise lahendus

Elizabeth Warringtoni loeng

1973. aastal osales Marr Briti neuroloogi Elizabeth Warringtoni loengus. Ta märkis seda suur hulk Patsiendid, keda ta uuris aju parema poole parietaalsete kahjustustega, suutsid suurepäraselt ära tunda ja kirjeldada mitmesuguseid objekte, eeldusel, et nad jälgisid neid objekte. tavalisel kujul. Näiteks oli sellistel patsientidel küljelt vaadates vähe raskusi ämbri tuvastamisega, kuid ülalt vaadates ei suutnud nad sama ämbrit ära tunda. Tegelikult isegi siis, kui neile öeldi, et nad vaatavad ämbrit ülalt, keeldusid nad seda kindlalt uskumast! Veelgi üllatavam oli vasaku ajupoole kahjustusega patsientide käitumine. Sellised patsiendid ei saa tavaliselt rääkida ega oska seetõttu vaadeldavat objekti verbaalselt nimetada ega kirjeldada selle eesmärki. Siiski võivad nad näidata, et nad tajuvad objekti geomeetriat õigesti, olenemata vaatenurgast. See ajendas Marri kirjutama järgmist: "Warringtoni loeng sundis mind järgmistele järeldustele. Esiteks on idee objekti kujust salvestatud kusagil mujal ajus, mistõttu on ideed objekti kuju ja selle kohta. Teiseks võib nägemine ise anda vaadeldava objekti kuju sisemise kirjelduse, isegi kui seda objekti tavapärasel viisil ära ei tunneta... Elizabeth Warrington tõi välja inimese nägemise kõige olulisema fakti – see räägib. objektide kuju, ruumi ja suhtelise asukoha kohta." Kui see tõesti nii on, peavad visuaalse taju ja tehisintellekti valdkonnas töötavad teadlased (sealhulgas arvutinägemisega tegelevad) Hubeli katsetest pärit detektoriteooria välja vahetama täiesti uue taktika vastu.

Mooduliteooria

Joonis 11. Béla Zhulesi juhuslike punktidega stereogrammid, ujuv ruut

Teine lähtepunkt Marri uurimistöös (pärast Warringtoni tööga tutvumist) on eeldus, et meie visuaalsüsteemil on modulaarne struktuur. Arvuti kõnepruugis katab meie põhiprogramm Vision laias valikus alamprogramme, millest igaüks on teistest täiesti sõltumatu ja võib töötada teistest alamprogrammidest sõltumatult. Sellise rutiini (või mooduli) suurepärane näide on stereoskoopiline nägemine, mille puhul sügavust tajutakse mõlema silma piltide töötlemise tulemusena, mis on üksteisest pisut erinevad. Varem usuti, et kolmemõõtmeliseks nägemiseks tunneme esmalt ära terved pildid ja seejärel otsustame, millised objektid on lähemal ja millised kaugemal. 1960. aastal suutis Bela Julesz, kes pälvis 1985. aastal Heinekeni auhinna, näidata, et ruumitaju kahe silma vahel ilmneb ainult mõlema silma võrkkestast saadud kahe kujutise väikeste erinevuste võrdlemisel. Seega on sügavust tunda ka seal, kus objekte pole ja objekte ei eeldatagi. Oma katsete jaoks mõtles Jules välja stereogrammid, mis koosnesid juhuslikult paiknevatest punktidest (vt joonis 11). Parema silmaga nähtav pilt on kõigis aspektides identne vasaku silmaga nähtud kujutisega, välja arvatud ruudukujuline keskala, mis on kärbitud ja nihutatud veidi ühe serva suhtes ja taas joondatud taustaga. Ülejäänud valge ruum täideti seejärel juhuslike punktidega. Kui kahte pilti (millel ühtki objekti ei tuvastata) vaadata läbi stereoskoobi, näib, et varem välja lõigatud ruut hõljub tausta kohal. Sellised stereogrammid sisaldavad ruumiandmeid, mida meie visuaalne süsteem automaatselt töötleb. Seega on stereoskoopia visuaalse süsteemi autonoomne moodul. Mooduliteooria on osutunud üsna tõhusaks.

Võrkkesta 2D kujutisest 3D mudelini

Joonis 12. Visuaalse protsessi käigus muudetakse võrkkesta kujutis (vasakul) esmaseks visandiks, milles ilmnevad intensiivsuse muutused (paremal)

Nägemine on mitmeastmeline protsess, mis muudab välismaailma kahemõõtmelised kujutised (võrkkesta kujutised) vaatleja jaoks kasulikuks teabeks. See algab silma võrkkestast võetud kahemõõtmelise kujutisega, mis, jättes praegu tähelepanuta värvinägemise, salvestab ainult valguse intensiivsuse tasemeid. Esimeses etapis, kasutades ainult ühte moodulit, teisendatakse need intensiivsuse tasemed intensiivsuse muutusteks või teisisõnu kontuurideks, mis näitavad valguse intensiivsuse järske muutusi. Marr tegi täpselt kindlaks, millises algoritmis kasutatakse sel juhul(kirjeldatud matemaatiliselt ja, muide, väga keeruline) ja kuidas meie taju ja närvirakud seda algoritmi täidavad. Esimese sammu tulemust nimetas Marr “esmaseks sketšiks”, mis pakub lühike teave valguse intensiivsuse muutuste, nende seoste ja jaotumise kohta nägemisväljas (joonis 12). See oluline samm, kuna maailmas, mida me näeme, on intensiivsuse muutused sageli seotud objektide loomulike kontuuridega. Teine samm viib meid selleni, mida Marr nimetab "2,5-mõõtmeliseks visandiks". 2,5D visand peegeldab orientatsiooni ja sügavust nähtavad pinnad vaatleja ees. See pilt on üles ehitatud mitte ühe, vaid mitme mooduli andmete põhjal. Marr võttis kasutusele väga laia mõiste "2,5-dimensioonilisus", et rõhutada, et me töötame ruumilise teabega, mis on vaatleja vaatepunktist nähtav. 2,5-mõõtmelist visandit iseloomustavad perspektiivi moonutused ja selles etapis ei saa objektide tegelikku ruumilist asukohta veel üheselt määrata. Siin näidatud 2,5-mõõtmeline eskiispilt (joonis 13) illustreerib mitut teabevaldkonda sellise visandi töötlemisel. Seda tüüpi kujutist meie ajus aga ei teki.

Joonis 13. 2.5D eskiisjoonis – "nähtavate pindade sügavuse ja orientatsiooni keskne esitus"

Seni töötas visuaalsüsteem mitme mooduli abil autonoomselt, automaatselt ja sõltumatult ajus salvestatud andmetest välismaailma kohta. Protsessi viimases etapis on aga võimalik viidata juba olemasolevale teabele. See viimane töötlemisetapp annab kolmemõõtmelise mudeli – selge kirjelduse, mis ei sõltu vaataja vaatenurgast ja sobib otseseks võrdlemiseks ajus talletatud visuaalse teabega.

Marri sõnul on kolmemõõtmelise mudeli konstrueerimisel põhiroll objektide kujundite suunavate telgede komponentidel. Need, kes pole selle ideega tuttavad, võivad seda pidada kaugeleulatuvaks, kuid tegelikult on selle hüpoteesi toetuseks tõendeid. Esiteks saab paljusid ümbritseva maailma objekte (eelkõige loomi ja taimi) üsna selgelt kujutada toru- (või traadi) mudelite kujul. Tõepoolest tunneme reproduktsioonil juhttelgede komponentidena kujutatu hõlpsasti ära (joonis 14).

Joonis 14. Lihtsaid loomamudeleid saab tuvastada nende juhttelje komponentide järgi.

Teiseks pakub see teooria usutava seletuse asjaolule, et me suudame objekti visuaalselt selle komponentideks lahti võtta. See kajastub meie keeles, mis annab igale objekti osale erineva nimetuse. Seega inimkeha kirjeldamisel tähistavad tähised nagu “keha”, “käsi” ja “sõrm” erinevaid kehaosi vastavalt nende aksiaalsetele komponentidele (joon. 15).

Joonis 16. Ühe telje mudel (vasakul) jaotatud üksikuteks teljekomponentideks (paremal)

Kolmandaks on see teooria kooskõlas meie võimega üldistada ja samal ajal vorme eristada. Üldistame samade põhitelgedega objektide rühmitamise teel ja eristame alamtelgede analüüsimisega nagu puu oksi. Marr pakkus välja algoritmid, mis teisendavad 2,5-mõõtmelise mudeli kolmemõõtmeliseks. See protsess on samuti suures osas autonoomne. Marr märkis, et tema välja töötatud algoritmid töötavad ainult siis, kui kasutatakse puhtaid kirveid. Näiteks kui seda rakendatakse kortsus paberilehele, on võimalikke telgi väga raske tuvastada ja algoritm ei ole rakendatav.

Seos kolmemõõtmelise mudeli ja ajus talletatud visuaalsete kujutiste vahel aktiveerub objekti tuvastamise protsessi käigus.

Siin on meie teadmistes suur auk. Kuidas neid visuaalseid pilte ajus talletatakse? Kuidas tunnustamisprotsess kulgeb? Kuidas võrreldakse teadaolevaid pilte ja äsja koostatud 3D-pilti? See on viimane punkt, mida Marr puudutas (joonis 16), kuid selles küsimuses kindluse toomiseks on vaja tohutul hulgal teaduslikke andmeid.

Joonis 16. Uued kujundite kirjeldused on seotud salvestatud kujunditega võrdluse teel, mis liigub üldistatud kujult (ülevalt) konkreetsele vormile (all)

Kuigi me ise ei ole teadlikud visuaalse töötlemise erinevatest etappidest, on faaside ja vahel palju selgeid paralleele erinevaid viise, millega andsime aja jooksul edasi ruumi mulje kahemõõtmelisel pinnal.

Seega rõhutavad pointillistid võrkkesta kontuurideta kujutist, joonkujutised aga vastavad esmase visandi etapile. Kubistlikke maale võib võrrelda visuaalsete andmete töötlemisega lõpliku kolmemõõtmelise mudeli konstrueerimise ettevalmistamisel, kuigi see ei olnud kindlasti kunstniku eesmärk.

Mees ja arvuti

Oma kõikehõlmava lähenemisega teemale püüdis Marr näidata, et suudame mõista nägemisprotsessi, ilma et oleks vaja toetuda teadmistele, mis on ajule juba kättesaadavad.

Nii ta avas uus tee visuaalse taju valdkonna uurijad. Tema ideid saab kasutada rohkemate ehitamiseks tõhus viis visuaalse masina rakendamiseni. Kui Marr oma raamatut kirjutas, pidi ta olema teadlik pingutustest, mida tema lugejad peavad tegema, et järgida tema ideid ja järeldusi. See on ilmne kogu tema töös ja kõige ilmsem viimases peatükis "Lähenemisviisi kaitseks". See on 25 trükilehe poleemiline "juhtum", milles ta kasutab soodsat hetke oma eesmärkide õigustamiseks. Selles peatükis on tal vestlus kujuteldava vastasega, kes ründab Marri järgmiste argumentidega:

"Ma olen siiani rahulolematu selle omavahel seotud protsessi kirjeldusega ja mõttega, et kogu ülejäänud detailide rikkus on vaid kirjeldus. See kõlab natuke liiga primitiivselt... Kui me liigume lähemale väitele, et aju on arvuti, siis ma pean inimlike väärtuste tähenduse säilimise nimel ütlema kõike, mida ma üha enam kardan.

Marr pakub intrigeeriva vastuse: "Väide, et aju on arvuti, on õige, kuid eksitav. Aju on tõepoolest kõrgelt spetsialiseerunud infotöötlusseade, õigemini suurim neist. Meie aju vaatlemine andmetöötlusseadmena ei alaväärista. või eitada inimlikke väärtusi. Igal juhul see ainult toetab neid ja võib lõpuks aidata meil mõista, mis on inimlikud väärtused sellisest informatsioonist lähtudes, miks neil on selektiivne tähendus ja kuidas need ühiskonnaga sobituvad. ja avalikud normid, mille meie geenid on meile andnud.

Oleme harjunud nägema maailma sellisena, nagu see on, kuid tegelikult ilmub võrkkestale igasugune pilt tagurpidi. Mõelgem välja, miks inimsilm näeb kõike muudetud olekus ja millist rolli mängivad selles protsessis teised analüsaatorid.

Kuidas silmad tegelikult töötavad?

Sisuliselt on inimsilm ainulaadne kaamera. Diafragma asemel on iiris, mis tõmbub kokku ja ahendab pupilli või venitab ja laiendab seda, et silma pääseks piisavalt valgust. Seejärel toimib lääts nagu lääts: valguskiired fokusseeritakse ja tabavad võrkkesta. Kuid kuna lääts meenutab omadustelt kaksikkumerat läätse, siis seda läbivad kiired murduvad ja pöörduvad ümber. Seetõttu ilmub võrkkestale väiksem ümberpööratud kujutis. Silm aga tajub ainult pilti ja aju töötleb seda. Ta pöörab pildi tagasi, iga silma jaoks eraldi, seejärel ühendab need üheks kolmemõõtmeliseks kujutiseks, korrigeerib värvi ja tõstab esile üksikud objektid. Alles pärast seda protsessi ilmub reaalne pilt meid ümbritsevast maailmast.

Arvatakse, et vastsündinu näeb maailma tagurpidi kuni 3. elunädalani. Järk-järgult õpib lapse aju maailma tajuma sellisena, nagu see on. Pealegi on sellise koolituse käigus oluline mitte ainult visuaalsed funktsioonid, aga ka lihaste ja tasakaaluorganite tööd. Selle tulemusena tekib piltidest, nähtustest ja objektidest tõeline pilt. Seetõttu loetakse omandatud meie harjumuspärane võime peegeldada tegelikkust täpselt nii ja mitte teisiti.

Kas inimene saab õppida maailma tagurpidi nägema?

Teadlased otsustasid katsetada, kas inimene suudab elada tagurpidi maailmas. Katses osales kaks vabatahtlikku, kellele paigaldati kujutist muutvad prillid. Üks istus liikumatult toolil, ei liigutanud ei käsi ega jalgu, teine ​​aga liikus vabalt ja osutas esimest abi. Uuringu tulemuste järgi suutis inimene, kes oli aktiivne, harjuda uus reaalsus, aga teine ​​mitte. Selline võime on vaid inimestel – sama katse ahviga viis looma poolteadvusesse ja alles nädal hiljem hakkas ta järk-järgult reageerima tugevatele stiimulitele, jäädes liikumatuks.