57.Зрительные ощущения. Кодирование информации в зрительной системе. Активность субъекта как фактор адекватного зрительного восприятия

Зрительные ощущения возникают при воздействии электромагнитных волн на зрительный рецептор – сетчатку глаза. В центре сетчатки расположены особые нервные клетки – колбочки, обеспечивающие ощущение цвета. На периферических участках сетчатки находится иной вид нервных клеток – палочки, характеризующиеся высокой чувствительностью к переходам яркости. Колбочки представляют собой аппарат дневного зрения, палочки - ночного (сумеречного) зрения.

Световые волны, отраженные предметом, преломляются, проходя через хрусталик глаза, и формируют на сетчатке изображение – образ. Предметность зрительного ощущения отражена в хорошо известном нам всем выражении: лучше один раз увидеть, чем сто раз услышать. Глаз человека различает около полумиллиона цветов и тонов. Если бы воздух был совершенно чист, пламя свечи было бы видно на расстоянии 27 км. Водяные пары и пыль ухудшают видимость, поэтому костер виден человеку лишь за 6-8 км, зажженная спичка – за 1,5 км. Мы способны также зафиксировать вспышку света продолжительностью 0,0003 с. Все эти данные свидетельствуют о том, что глаз человека обладает высокой степенью чувствительности.

Различные цветовые ощущения вызываются электромагнитными волнами разной длины. Наш глаз реагирует на ту часть электромагнитного спектра, которая находится в диапазоне от 300 до 800 нанометров (нм). Смешение всех электромагнитных волн дает ощущение белого цвета. Цвета, которые способен различать человек, делятся на ахроматические (белый, черный, серый) и хроматические (все остальные). Ахроматические цвета отличаются друг от друга только светлотой, зависящей от того, какую часть падающего света отражает предмет, т.е. от его коэффициента отражения. Чем больше коэффициент, тем светлее цвет. Так, черная бумага отражает лишь 4 % падающего света, тогда как для белой бумаги (в зависимости от ее сорта) этот показатель колеблется в пределах 65-85 % .

Хроматические цвета обладают тремя основными свойствами: светлотой, цветовым тоном и насыщенностью. Цветовой тон, как уже говорилось, определяется длиной электромагнитной волны. Насыщенностью называется степень выраженности данного цветового тона. Она определяется тем, насколько длина волн, обусловливающая цвет данного объекта, преобладает в световом потоке. Следует отметить, что чувствительность глаза зависит не только от возрастных и индивидуальных особенностей человека, но и от условий его жизнедеятельности.

Так, коренные жители севера различают до 30 оттенков белого цвета, ткачи – до 40оттенков черного. Вместе с тем не следует путать понятия «чувствительность глаза» и «острота зрения»: последняя предполагает способность различать мелкие и удаленные предметы. Природа цветового зрения может быть объяснена с помощью уже упоминавшейся трехмерной теории цвета Г. Гельмгольца. Все многообразие цветовых ощущений возникает в результате работы трех видов цвето-воспринимающих рецепторов: красного, синего и зеленого.

Возбуждение рецепторов первого вида дает ощущение красного цвета, второго и третьего – соответственно зеленого и синего. Однако чаще всего цвет одновременно воздействует на три или два вида рецепторов. Это дает ощущение всех известных нам хроматических цветов. Люди, у которых слабо функционирует аппарат колбочек, плохо различают отдельные хроматические цвета или цветовые оттенки (чаще красного или зеленого цвета). Эта болезнь была названа дальтонизмом - по имени страдавшего ею английского ученого Д. Дальтона. Недостаточное функционирование аппарата палочек затрудняет видение объектов в темноте. Подобное отклонение называется гемералопией (или «куриной слепотой»).

Итак, специфическими модальностями зрительного ощущения являются светлость, цветовой тон и насыщенность. Зрительные ощущения оказывают существенное воздействие на все стороны жизнедеятельности человека.

Оптика глаза создает на сетчатке изображение картины внешнего мира, причем освещенность каждого рецептора пропорциональна яркости проецируемого на него элемента картины. Имеются данные, что светочувствительные вещества сетчатки обладают фотопроводимостью. Появляющиеся благодаря освещенности заряды движутся под влиянием электрического поля сетчатки. Через сетчатку протекает ток по нормали к ее слоям. Плотность тока пропорциональна освещенности данного элемента сетчатки, т. е. яркости изображаемого на нем элемента внешней картины. Когда на окончании волокна зрительного нерва накапливается достаточный ионный заряд, по волокну в мозг направляется сигнал — один из тех импульсов, которые зарегистрированы в виде пиков на рис. 30. Но тут уже наблюдается большое усложнение процесса: частота импульсов отнюдь не пропорциональна плотности тока. Как мы уже указывали, частота примерно пропорциональна логарифму яркости, а следовательно, логарифму плотности тока. Где-то в сетчатке, в системе амакриновых клеток, биполяров и ганглиозных клеток происходит сложная переработка информации — логарифмирование плотности тока и преобразование логарифма в частоту импульсов. Последняя операция напоминает введение цифрового отсчета, который получает все более широкое распространение в современных измерительных приборах. Итак, информация о яркости, кодированная частотой импульсов, по волокну зрительного нерва передается в мозг. Напоминаем, однако, что по нерву проходит не просто ток, а сложный процесс возбуждения, некоторое сочетание электрических и химических явлений. Отличие от электрического тока подчеркивается тем, что скорость распространения сигнала по нерву очень мала. Она лежит в пределах от 20 до 70 м/с.

Закодированная частотами импульсов информация о распределении яркости в наблюдаемой картине приходит в мозг, который должен ее декодировать, т. е. расшифровать. Декодирование— очень сложный процесс, в который втягивается значительная часть коры мозга. Ведь нужно, сопоставив изображения в обоих глазах, получить сведения о рельефе наблюдаемой картины. Нужно осмыслить картину, т. е. узнать в ней знакомые предметы независимо от их угловых размеров и ракурса. И самое главное — изображение нужно спроецировать обратно в пространство предметов. Ведь мы воспринимаем не какую-то картину в наших глазах или в нашем мозгу, а непосредственно видим все предметы на тех местах, где они находятся.

До сих пор существуют люди, которые удивляются тому, что мы видим предметы не вверх ногами, несмотря на отсутствие оборачивающей системы в глазу. Но нужно принять во внимание, что изображение на сетчатке — это лишь первый процесс в цепи сложнейших физиологических и психологических преобразований световых сигналов, происходящих в организме. Аналогия с более простым устройством — передающей телевизионной трубкой, в которой процесс передачи тоже начинается с перевернутого изображения, помогает уяснению вопроса.

Вопрос о перевернутости изображения в глазу волновал многих ученых. В 1038 г. Ибн Хайтам, по-видимому, впервые упоминает о камере-обскуре. Затем ее вновь изобретает Леонардо да Винчи. Он указывает, что такое же изображение может получиться в глазу. Маврикиус (1575 г.) сравнивал хрусталик с линзой, но отрицал перевернутость изображения в глазу, раз мы не видим все перевернутым. Но уже Кеплер (1602 г.) допускал, что изображение в глазу перевернуто. «Опыт и активное вмешательство души — вот что выправляет изображение»,— говорил он.

Именно опыт и действие сознания не только выправляют изображение, но и приводят к гораздо более чудесному и удивительному результату: исторгают изображение из недр наших глаз и возвращают его на место предметов, правильное расположение которых вокруг нас мы непосредственно воспринимаем.

Впрочем, Сеченов считал, что не только выправление (поворот) изображения, но и вынесение его в пространство предметов (Сеченов называет это соотнесенностью) не требуют жизненного опыта. Соотнесенность— врожденное свойство зрения, закрепленное наследственностью в силу его огромного биологического значения. Проведенные в последнее время опыты по изучению зрения грудных младенцев говорят в пользу этого провидения великого русского физиолога.

Некоторые детали процесса кодирования

Итак, мы описали модель действия зрительной системы, уже более близкую к экспериментальным данным. Но и она еще слишком упрощена. В действительности зрение работает по гораздо более сложной (и гораздо более рациональной) схеме.

У волокон типа б всплески импульсов появляются только после выключения света. У волокна типа в — только после включения. Наконец, волокна типа г реагируют и на включение, и на выключение. Итак, от сетчатки в зрительном нерве идут четыре типа волокон:

а — волокно, непрерывно генерирующее импульсы, пока связанный с ним элемент сетчатки освещен;

б — off - волокно, реагирующее несколькими импульсами на выключение света или на уменьшение освещенности соответствующего элемента сетчатки;

в — оn-волокно, реагирующее на включение света или на увеличение освещенности;

г — on — off - волокно, реагирующее и на включение, и на выключение света, на любое изменение освещенности.

Оказывается, волокон типа б, в и г в сетчатке гораздо больше, чем волокон типа а. Волокна, передающие сведения о неизменной освещенности, одни не могут передавать в мозг зрительную информацию, что доказывается опытами Дичберна и Ярбуса. Нервные волокна передают в основном сведения об изменении освещенности каждого элемента сетчатки, т. е.регистрируют первую производную освещенности по времени. Для этого совсем не нужно, чтобы изменялась яркость наблюдаемой картины: движение глаз превращает различие в яркости различных частей картины в различие в освещенности каждого из элементов сетчатки. Когда мы обращаем взгляд к какой-нибудь картине внешнего мира, совместная работа рецепторов и всех видов волокон дает нам возможность воспринять и осознать эту картину. Затем (через 2—3 с) большая часть волокон прекращает передачу. Нет смысла передавать, что ничего не изменяется. Но если никаких изменений во всей картине не происходит 2—3 с, она уходит из сознания и замещается пустым полем. Однако в реальных условиях какие-то изменения происходят всегда, хотя бы для небольшой части рецепторов. Предположим, при постоянном освещении мы непрерывно фиксируем взгляд на середине серого квадрата, видимого на белом фоне. При движении глаз некоторые колбочки постоянно переходят с белого поля на серое и обратно. Это колбочки, лежащие на границах изображения квадрата. Пограничные колбочки сигнализируют о наличии перепада яркостей, поэтому контур остается непрерывно видимым. Но ведь и середину квадрата мы непрерывно видим серой, а любую точку фона — белой, между тем как оттуда никаких сигналов не поступает. Сигналы с этих мест поступили в первый момент, когда мы взглянули на квадрат. В дальнейшем отсутствие сигналов означает, что ничего не меняется. И мы продолжаем видеть то, о чем было просигнализировано в первый момент. Значит, в зрительной системе существует запоминающее устройство, которое в сознании поддерживает неизменным впечатление, создавшееся в первый момент. Сигналы с контура квадрата подтверждают наличие перепала яркостей на его границах, показывая тем самым, что система работает исправно и запоминающее устройство дает правильную информацию. Однако, если по всему полю зрения нигде ничего не меняется, запоминающее устройство выключается. Но в реальных условиях так никогда не бывает. Ученым пришлось немало потрудиться, чтобы искусственно стабилизировать изображение на сетчатке.

Но в чем смысл такой системы передачи информации? Смысл и преимущества ее очевидны. Когда передаются только сигналы об изменениях, значительно разгружается канал передачи. В нашем примере с серым квадратом десятки тысяч колбочек, на которые падало изображение средних частей квадрата, и десятки тысяч колбочек, на которые падало изображение фона, не передавали никаких сообщений. Десятки тысяч волокон зрительного нерва и десятки тысяч клеток в мозгу были освобождены от бесполезной работы приема сообщений о том, что ничего не произошло.

Дело сводится к тому, чтобы не передавать полмиллиома сигналов на каждый кадр, а ограничиться только передачей сигналов об изменении яркости в тех местах, где они происходят, возложив обязанность воспроизведения неменяющейся яркости на запоминающие устройства. Вспомним, что именно чрезмерная загрузка канала заставляет вести телепередачи на столь высоких частотах. Разгрузка канала открывает перед техникой телевидения весьма заманчивые перспективы.

Зрительная система проявляет замечательную гибкость в смысле способности объединять или наоборот разъединять отдельные рецепторы. Мы уже говорили об объединении рецепторов при переходе к малым яркостям. Но такое объединение происходит в процессе темповой адаптации, когда времени на перестройку кодирующих механизмов вполне достаточно. Гораздо более удивительна практически мгновенная перестройка при неизменном уровне адаптации. При высокой яркости фона, когда нужно и возможно различать отдельные объекты большого контраста, но малых угловых размеров, каждая фовеальная колбочка действует, очевидно, отдельно. Но уже при различении минимального сдвига штрихов по шкале нониуса помогает кооперация многих колбочек, расположенных вдоль изображения штрихов. Еще яснее проявляется объединение колбочек при уменьшении контраста.

Известно, например, что даже при большой яркости мы не видим кружка, контраст которого с фоном равен 0,03, если диаметр кружка составляет 1'. Но при диаметре 30' кружок виден. Значит, колбочки, размер каждой из которых не более 1', как-то объединяются, чтобы воспринять малый контраст, не воспринимаемый каждой из них. А почему одна колбочка, точнее, каждая из двух соседних, лежащих на границе раздела контрастирующих областей,не может воспринять малый контраст? Потому что за время сохранения зрительного впечатления (время инерции υ) она активно поглощает слишком малое число фотонов и относительные флуктуации этого числа слишком велики. Сигнал тонет во флуктуациях, заглушается шумом. А на площадь, соответствующую тридцати минутам, попадает в 900 раз больше квантов, и относительные флуктуации уменьшаются в 30 раз. Теперь сигнал может уже преобладать над шумом.

Понятие зрительного восприятия

Зрительное восприятие - совокупность процессов зрительного образа мира на основе сенсорной информации, получаемой с помощью зрительной системы.

Зрительный анализатор представляет собой сложную систему физиологических механизмов. Как замечает Р. Л. Грегори, на сетчатке возникают маленькие искажённые перевёрнутые образы, которые человек видит как отдельные объекты в окружающем пространстве [Грегори 1970, 11].

Известно, что глаза человека никогда не остаются неподвижными. Непрестанное движение является необходимым условием построения адекватного образа.

Зрительное восприятие начинается с выделения общих структурных особенностей объекта. В первую очередь воспринимается отношение предметов и пространства. Далее осваиваются отношения между предметами, затем между деталями предметов. И создается четкое представление о целом. Это и является особенностью зрительного восприятия.

По словам Грегори, зрительное восприятие вовлекает многочисленные источники информации помимо тех, которые воспринимаются глазом, когда человек смотрит на объект. В процесс восприятия, как правило, включаются и знания об объекте, полученные из прошлого опыта не только с помощью зрения, но и с помощью других ощущений.