Иллюзии и парадоксы цветового зрения (версия Миг)

Зрение человека — сложный биологический, психофизический процесс зрительного восприятия света, цвета на многих стадиях которого возникают различные оптические иллюзии.

Иллюзии и парадоксы цветового зрения различаются лишь тем, что зрительные иллюзии — это результат сложнейшей работы зрительной системы на рецепторном уровне с участием колбочек сетчатки глаза и нейронном уровне — зрительной коры, а парадоксы — результат представлений различных исследователей.

Система цветного зрения приспособлена для выживаемости живых субъектов, её нельзя рассматривать с точки зрения чисто физической. Например, если взять метамерию цветного зрения, то любые ситуации перегрузки зрительной системы или не стандартные случайные явления, редко встречающиеся на пути, глаз не воспринимает быстро и часто не так как есть в сложившейся жизни. Биологическая система цветного зрения, основанная на восприятии электромагнитных волн видимых лучей спектра света отражённых или прямых предметных точек окружающей среды, работает на этапе восприятия лучей предметных точек изображения на рецепторном уровне — уровне сетчатки глаза как фотоаппарат. Сфокусированное изображение на фокальную поверхность сетчатки воспринимается колбочками и палочками, в то время в цифровых фотокамерах вместо сетчатки работает фотосенсор, где вместо колбочек сетчатки глаза работают пиксели. В обеих случаях на этом этапе cфокусированное оптическое изображение не цветное. У человека биосигналы точек оптического изображения сканируютя (паредаются) в зрительные отделы коры головного мозга, где формируется субъективное цветное аналоговое оптическое изображение с участием работы нашего сознания. (Нейронный уровень). В фотоаппарате работает система АЦП, которая переводит аналоговое оптическое изображение в цвет.

Главные различия состоят в том, что у человека оптическое изображение переводится в цвет благодаря работе нашего сознания, с участием целой системы зрительных отделов, управляемых мозгом. (См. Зрительная кора, Human Connectome Project (версия Миг)).

При этом при цветном зрении работа колбочек сетчатки глаза связана с выделением эквивалентных биосигналов сфокусированных предметных точек на сетчатку глаза, на колбочки и в результате распада или восстановления трёх видов фотопигментов йодопсина S,M,L (синего, зелёного, красного) в колбочках в результате химической реакции. Эти сигналы эквиваленты энергии принятых лучей света. При этом при цветном зрении в условиях дневного освещения длина длин волн должна быть более 498нм. С наступлением сумерек, при закате солнца исчезают основные лучи белого цвета (RGB) и колбочки уходят из зоны зрения. Вместо них начинают работать палочки, способные принимать более сильные лучи синие и ультрафиолетовые с длиной волны менее 498нм.

Выделение колбочками самых ярких основных лучей КЗС из всего пучка монохроматических лучей, которые в смеси дают определённый оттенок, попадая в зрительную кору в ней воспроизводится в цвете падающий на колбочки луч. Здесь работает уникальная биохимическая, биофизическая система зрения, которую только искусственно моделируют, строя цветовые модели для практических целей. И то все цвета сличают со среднестатистическим наблюдателем. Без человека нет цвета. Исследуя работу цветного зрения с подходом чисто физическим (например, Нелинейная теория зрения С.Ременко, 1975г.), без оппонентного отбора сигналов основных лучей S,M,L, без участия живых клеток ipRGC, без работы зрительной коры получить биосигналы сигналы S,M,L — КЗС в виде цвета, как в зрительной коре, не возможно. Получаемые цвета и оттенки при колориметрии в цветовых атласах только могут сравниться с цветами, которые оценивает среднестатистический наблюдатель.

Нобелевский лауреат Пётр Леонидович Капица обнаружил, что жидкий гелий может течь и вверх. Он не стал искать антигравитацию и не называл эффект сверхтекучести парадоксом. Другой Нобелевский лауреат, Л. Д.Ландау, создал теорию квантовых жидкостей и всё стало на место. Парадокс не состоялся. В данном случае идёт работа физиков, и их результаты никакого отношения к работе цветного зрения не имеет.

Иллюзии цветного зрения в настоящее время можно достаточно более объективно объяснять с точки зрения трихроматизма — работы колбочек, теории оппонентного цветного зрения, метамерии цветного зрения, ретиномоторной реакции фоторецепторов. Например, зелёный луч. Что касается парадоксов цветного зрения, то здесь учёными исследуются вопросы формирования цветных оптических изображений в зрительной коре головного мозга с участием нашего сознания, чем сейчас занимаются учёные. (См. Human Connectome Project (версия Миг), Зрительная кора).

Наиболее интересные эффекты

Иллюзия расстояния до цветных кружков

Красный луч света застревает первым. Фиолетовый пройдёт последним в наименьшее сечение мембраны (см. Работа мембраны колбочек и палочек как волновод (версия Миг)).

Расположим на нейтральном сером поле два одинаковых по размерам кружочка: красный и синий. Будет казаться, что синий кружок расположен дальше, а красный — ближе. С точки зрения Трёхкомпонентной теории можно объяснить данный эффект так:

• Так как при цветном зрении работают только колбочки и при оппонентном отборе биосигналов синего и красного кружочков красные лучи улавливаются конусной мембранной раньше, чем лучи синего цвета, ибо красные волны света в поперечном сечении имеют примерно диаметр 4‒5нм, Уф и синие лучи — 1,5‒2нм. Красные лучи застревают в конусной части внешней мембраны в основании её первыми. (Палочки в цветном зрении не участвуют.) И если учесть, что Центральная ямка сетчатки глаза (версия Миг) поднимает более чем 50 % зрения в зрительных отделах коры в мозге и в ней находятся только колбочки красные и зелёные, то колбочки синие (на переферии центральной ямки) работают с опозданием. (См. также Работа мембраны колбочек и палочек как волновод (версия Миг), Теория оппонентного цветного зрения (версия Миг)). В результате оппонентно отобранные биосигналы, идущие в мозг, формируют лишь цвет одинаковых кружков, но зрительные отделы мозга не способны точно сравнить размеры кружков. И вообще, у нас в мозгу формируются не точно все параметры сканированного оптического изображения. (Например, при фотографировании этих кружков мы получаем точно и размеры и цвет. Это физика процесса.)

Чистый спектральный контраст

Иллюстрация 25

Рис. Р. Иллюзия восприятия размера — иллюзия Мюллера-Лайера

Работа колбочек в условиях дневного освещения связвна с оппонентным отбором и выделением наиболее ярких, контрастных сигналов сфокусированных на них основных лучей спектра предметных точек изображения S,M,L (синих, зеленых, красных). При удвоении клеток противника (3 пары колбочек принципа относительности: L(красный цвет) — М.(зелёный цвет), S (синий цвет) — жёлтый цвет и белый цвет — чёрный цвет) имеют тенденцию устранять влияние контраста (диапазона яркости) в зависимости от энергии падающих монолучей (характеристик электромагнитных волн) при установлении чистого спектрального контраста в качестве индикатора границ объектов. С видением цвета trivariant это может быть сформировано, оппозиционным сравнением L с М. ответов колбочек и/или колбочками S против жёлтого (L&M) ответов колбочек. Иллюстрация 25 показывает организацию «красной/зеленой» двух клеток (колбочек) противника. Система использует спектральный контраст.

На иллюстрации 25 также показано, как организованные двойные клетки (колбочки) противника concentrically могут быть построены при наличии идентичных (красных) соседних клеток, которые запрещают центральную (красную) колбочку и имеют противоположные соседние (зеленые) колбочки, которые взволновали центральное (красное) образование этого более чувствителого к красному центральному объекту на зеленом фоне и безразличны к обратному. Например, синий кружок равный красному в силу этого может казаться меньшим по причине более высокой чувствительности колбочек к красным и зелёным лучам света. То есть в случаях, когда не стандартные для цветного зреня ситуации мы можем не адекватно воспринимать цвет, размер (зрительная иллюзия восприятия размера (Зрительная иллюзия Мюллера-Лайера)), форму объектов.

Что касается примера «ломанной» ложки в стакане воды, то здесь следует рассматривать физику процесса. Как раз фотография ложки и наше восприятие практически аналогичны, так как поместив ложку в неполный стакан воды имеют место различные показатели преломления сред и лучи объекта ложки по разному отражаются, искажая её форму. Здесь оптическая зрительная система (глаз) на рецепторном и нейронном уровнях срабатывает практически аналогично как фотокамера. (Передача размеров деталей изображений нас не волнует).

Влияние света на зрительный пигмент

Мембранные G-белки

Влияние света на зрительные пигменты подробно изучено на рецепторном белке как разновидности фотопигментов опсинов — род-опсине. Аналогично способ передачи биосигналов распространяется при работе фотопигмента колбочек сетчатки глаза йодопсина, что важно при цветном зрении. Отличием работы колбочек является тем, что колбочки работают с длинами электромагнитных волн (КЗС) более 498 нм, палочки — менее 498нм (УФ и синие).

Полоса в спектре поглощения родопсина определяет кривую видности палочкового сумеречного (скотопического, не цветного) зрения с максимумом в сине-зеленой области спектра (500 нм, точнее 498нм). Фоточувствительность родопсина необычайно высока: квантовый выход фотореакции составляет 0,67.

Бесцветным, сумеречным зрением люди обязаны зрительным клеткам — фоторецепторам палочкам. Их абсолютную светочувствительность главным образом определяет рецепторный белок как разновидность фотопигментов опсинов — родопсин. Молекула родопсина (как и йдопсина) — отправная точка светового сигнала в организме. Под действием света молекула родопсина претерпевает изменения: из розовой она становится желтой . В процессе обесцвечивания рождается нервный фоторецепторный биосигнал. Достигая синаптического окончания палочки, или колбочки он передает эстафету медиатору — химическому передатчику сигнала. Медиатор пересекает синаптическую щель и взаимодействует с рецепторным белком, встроенным в мембрану рядом расположенной нервной клетки сетчатки. В результате в нервной клетке возникает электрический сигнал. Таким образом химический и электрический сигналы, сменяя друг друга, устремляются по нервным путям к зрительному центру в коре больших полушарий головного мозга. В мозгу и формируются наши собственные зрительные цветные образы.

Схема процесса фототрансдукции

Рис.1. Схематическое изображение палочки, фоторецепторного диска наружного сегмента, фоторецепторной мембраны диска и молекулы родопсина, в центре которой находится ее хромофорная группа — 11-цис-ретиналь, ковалентно связанный с белковой частью (опсином).

• На рис.1:

А) Показаны один фоторецепторный диск в наружном сегменте палочки и в нем основные белки — участники процесса трансдукции: Р — молекула родопсина, Т — молекула трансдуцина или ГТФ-связывающего белка, ФДЭ — молекула фермента фосфодиэстеразы. В цитоплазме наружного сегмента показан фермент гуанилатциклаза — ГЦ. В плазматической (клеточной) мембране палочки показан ионный канал в темновом состоянии.

Через отрытый ионный канал внутрь клетки по градиенту концентрации поступают ионы натрия и кальция. Вследствие этого на плазматической мембране поддерживается темновой электрический потенциал, порядка 40 милливольт. При поглощении кванта света молекула родопсина изменяется, приобретает способность взаимодействовать с трансдуцином и активировать его. В свою очередь, активированный трансдуцин активирует фермент фосфодиэстеразу, которая начинает с высокой скоростью разрушать (гидролизовать) циклический гуанозинмонофосфат — цГМФ. В результате концентрация цГМФ в цитоплазме падает.

Как следствие, связанные в темноте с ионным каналом молекулы цГМФ от него «отваливаются», и свободный от них ионный канал переходит в закрытое состояние (блокируются). Поэтому ионы натрия и кальция перестают поступать в цитоплазму, и электрический потенциал на плазматической мембране наружного сегмента повышается, то есть мембрана гиперполяризуется (потенциал на ней становится равным примерно 70 милливольтам). Этот гиперполяризационный потенциал и является тем электрическим сигналом фоторецепторной клетки, который передается через синапс следующим нервным клеткам сетчатки.

В восстановлении исходного темнового состояния зрительной клетки ключевым событием является активация фермента гуанилатциклазы (ГЦ), который вновь синтезирует цГМФ из ГТФ, восстанавливая его концентарцию в цитоплазме наружного сегмента.

Б) Цепочка родопсин— трансдуцин — фосфодиэстераза представляет собой усилительный каскад ферментативных реакций, обеспечивающих усиление (размножение) первичного светового сигнала в 105—106 раз. Одна обесцвеченная молекула родопсина активирует около 500 молекул трансдуцина, трансдуцин активирует фосфодиэстеразу в отношении 1:1, и активированная фосфодиэстераза гидролизует до 1000 молекул цГМФ.

Откуда, рассматривать вопросы иллюзий и парадоксов цветного зрения возможно при исследованиях фототрансдукции — образования и прохождения зрительных сигналов на основе биохими, биофизики, физиологии (см. Физиологическое торможение) с участием зрительной коры и на базе зрительных пигментов живых клеток сетчатки и нейронов зрительной коры головного мозга при участии колбочек сетчатки глаза.

Эффект Фехнера-Бенхема

Диск Бенхема.

Эффект Фехнера-Бенхема — является динамическим эффектом зрения, проявляющийся в возникновении ощущения цветов, возникающих при наблюдении модулированного по времени светового потока естественного белого цвета. Наиболее известной реализацией эффекта является т. н. диск Бенхема, вращающийся диск, с нанесенными на него в определённом порядке чёрно-белыми полосами — секторами.

Объяснение эффекта Фехнера-Бенхема

Одной из причин с точки зрения теории трёхкомпонентного цветного зрения, по которой люди видят цвета на вращающемся диске Бенхема считается то, что рецепторы человеческого глаза — колбочки (синяя, зелёная, красная), при их облучении светом во всех случаях оппонентно выделяют самые яркие основные биосигналы S,M,L (синий, зелёный, красный) с последующей их отправкой в мозг, где создаются цветные образы, которые мы ощущаем. (См. также выше: Влияние света на зрительный пигмент, Схему процесса фототрансдукции). При вращении диска с синими, зелёными, красными секторами с одинаковыми размерами мы видим белый цвет. Если наоборот взять диск Фехнера-Бенхема с белыми и чёрными секторами определённой формы, то при вращении его работа колбочек поставлена в тяжёлые условия выделения сигналов S,M,L и срабативает принцип метамерии цвета. А если учесть, что колбочки по разному реагируют на смену раздражителя (наличие и отсутствие света), с разной инерционностью ответа, и очень важно работу фоторецепторов ганглиозного слоя ipRGC c прямой и обратной связью с колбочками и мозгом, то всё это влияет на непрерывность процесса формирования оптических изображений в зрительной коре головного мозга. Здесь также следует учесть специфику работы нейронных клеток зрительной коры (cм. Физиологическое торможение), и в итоге получаем эффект Фехнера-Бенхема.. (См. Теория оппонентного цветного зрения (версия Миг), Лаборатория Р.Е.Марка (версия Миг), Возможности конической доли внешней мембраны колбочки глаза (версия Миг), Фоточувствительные клетки сетчатки ipRGC (версия Миг), Ретиномоторная реакция фоторецепторов (версия Миг)).

Психологические (когнитивные) иллюзии

Восприятие размера

Иллюзии часто приводят к совершенно неверным количественным оценкам реальных геометрических величин. Оказывается, что можно ошибиться на 25 % и больше, если глазомерные оценки не проверить линейкой. (См. рис.Р).

Глазомерные оценки геометрических реальных величин очень сильно зависят от характера фона изображения. Это относится к длинам (иллюзия Понцо), площадям, радиусам кривизны. Можно показать также, что сказанное справедливо и в отношении углов, форм и так далее.

Движущиеся иллюзии

• Неподвижное изображение кажется движущимся.
• При смотрении на одинаковые движущиеся мячи и Вы увидите, что они разного размера.
• Одно и тоже вращающиеся изображение может вращаться в разные стороны, или даже совершать колебательные движения.
  

  В какую сторону? (Движущаяся иллюзия)
  

  Перевертыш — «Уткозаяц»

Невозможные фигуры и объекты

Наиболее известны невозможные фигуры в работах художника Маурица Эшера. При рассматривании таких рисунков каждая отдельная деталь кажется вполне правдоподобной, однако при попытке проследить линию, оказывается, что эта линия уже, например, не внешний угол стены, а внутренний. Известны также фигуры Пенроуза, Рутерсварда, модели Эймса и др.

Перевёртыши

Перевёртыш — вид оптической иллюзии, в которой от направления взгляда зависит характер воспринимаемого объекта. Одной из таких иллюзий является «уткозаяц»: изображение может трактоваться и как изображение утки, и как изображение зайца.

Стерео-иллюзии

Стереопары, наложенные на периодическую структуру (Бела Юллеш, Венгрия) позволяют наблюдать стереоизображение так же, как и обычную стереопару. Периодическое изображение облегчает «разведение» глаз (как правило, на бесконечность), что после фокусировки глаз на расстояние несколько десятков сантиметров позволяет увидеть стереоизображение. Метод позволяет частично совмещать изображения стереопары, снимая ограничения на их размер, однако накладывает некоторые ограничения на содержание рисунков и практически рассчитывается с помощью компьютеров.

Известны также под калькированным с английского названием «автостереограммы» (См. также en:Autostereogram)

Иллюзия Луны

Иллюзия Луны — зрительная иллюзия. Характеризуется тем, что воспринимаемый размер небесного тела (Луны, Солнца) больше (в 1,5‒3 раза) при нахождении его низко над горизонтом, чем оцениваемый размер при нахождении высоко в небе.

Помимо указанной зрительной психологической иллюзии, часто наблюдается и физическая иллюзия — «сплющивание» Луны (Солнца). Атмосфера изменяет видимые размеры, но только в вертикальном направлении и когда Солнце и Луна находятся вблизи горизонта (на больших высотах эффект ничтожный). Рефракция на уровне нижних краев их дисков (на горизонте) почти на 6 угловых минут дуги больше рефракции на уровне верхних краев. При угловом диаметре дисков Луны и Солнца в 30 минут — 6 минут разницы — это очень много. Так как горизонтальные размеры не изменяются, то у горизонта Луна и Солнце выглядят заметно сплющенными.

Комната Эймса

Комната, придуманная Адельбертом Эймсом-мл. в 1946 году, представляет собой пример трёхмерной оптической иллюзии. Комната спроектирована таким образом, что при взгляде спереди кажется обычной, с перпендикулярными стенами и потолком. На самом деле, форма комнаты представляет собой трапецию, где дальняя стена расположена под очень острым углом к одной стене и, соответственно, под тупым углом к другой. Правый угол, таким образом, значительно ближе к наблюдателю, чем левый.

За счёт иллюзии, усиливаемой соответственно искажёнными шахматными клетками на полу и стенах, человек, стоящий в ближнем углу, выглядит великаном по сравнению со стоящим в дальнем. Когда человек переходит из угла в угол, наблюдателю кажется, что он резко растёт или, наоборот, уменьшается.

См. также

• Колбочки сетчатки глаза (версия Миг)
• Палочки сетчатки глаза (версия Миг)
• Теории цветного зрения (версия Миг)
• Теория трёхкомпонентного цветного зрения (версия Миг)
• Теория оппонентного цветного зрения (версия Миг)
• Эффект Пуркинье (версия Миг)
• Зрительная система (версия Миг)
• Зрение человека (версия Миг)
• Зрение (версия Миг)