Технологии мультимедиа и восприятие ощущений. Общая физиология зрения

Содержание
Строение и оптическая система глаза.
Устройство сетчатки. Фотопическое и скотопическое зрение. Сумеречное зрение
Поле зрения. Погружение в виртуальный мир
Яркостная адаптация и контрастная чувствительность
Пространственная и яркостная разрешающие способности

Литература
1. А.В. Крапивенко
Учебное пособие «Технологии мультимедиа и восприятие ощущений»
Москва
Издательство «БИНОМ. Лаборатория знаний» 2012

Строение и оптическая система глаза

Строение и оптическая система глаза
Считается, что через зрение в мозг поступает от 80% до 90% всей информации об окружающей среде

Строение и оптическая система глаза
Зрительный анализатор –
Совокупность структур, воспринимающих световое излучение и формирующих зрительные излучения:
Фоторецепторы (и связанные с ними нейроны глаза), проводящие пути (зрительный нерв, зрительный тракт), нервные клетки (в сетчатке глаза, среднем и промежуточном мозге, в затылочной доле коры больших полушарий)

Строение и оптическая система глаза
Электромагнитные волны, воспринимаемые человеческим глазом, заключены в пределах
от 380-390 нм до 670-780 нм
Возбуждение фоторецепторов наступает при воздействии 1-2 квантов света

Строение и оптическая система глаза
Строение глаза
Глазное Яблоко – 2-2,5 см в диаметре.
Роговица – жесткая оболочка, закрывающая переднюю поверхность глаза, обладает хорошими оптическими свойствами
Склера – наружная непрозрачная оболочка
Сосудистая оболочка – хориоидея
Сетчатка – нейроглиальная оболочка
Стекловидное тело –
опорная ткань глазного яблока

Строение и оптическая система глаза
Радужная оболочка (радужка) – кольцевая мембрана впереди хрусталика
Зрачок – отверстие в радужной оболочке, играет роль диафрагмы
Диаметр зрачка –
апертура глаза – 7,5 – 1,8 мм
Оптимальные условия для высокой остроты зрения – апертура глаза – 3 мм

Строение и оптическая система глаза
Хрусталик – двояковыпуклая линза
(60-70% воды, 6% жиров и больше белков, чем в других тканях глаза)
Катаракта – помутнение хрусталика
Белок хрусталика существенно поглощает инфракрасное и ультрафиолетовое излучение, поэтому при высокой интенсивности излучения, попадающего в глаз может произойти потеря зрения

Строение и оптическая система глаза
Оптическая система глаза:
роговица, водянистая влага передней камеры, хрусталика и стекловидного тела
Изображение с помощью роговицы и хрусталика фокусируется в перевернутом виде на светочувствительную поверхность задней стенки глазного яблока

Строение и оптическая система глаза
Левый глаз передает информацию в зрительный центр мозга правого полушария
и наоборот
Правый глаз передает информацию в зрительный центр мозга левого полушария
Результат – изображение реальное, а не перевернутое

Строение и оптическая система глаза
Рефракция – преломляющая сила глаза
измеряется в диоптриях
1 диоптрия – преломляющая сила линзы с фокусным расстоянием в 1м
Роговица – 43 диоптрии
Хрусталик – 19-33 диоптрии (в зависимости от расстояния до объекта)
Суммарная преломляющая сила оптической системы глаза – 62-76 диоптрий

Строение и оптическая система глаза
Цилиарные мышцы – воздействуют на хрусталик через подвешивающие связки
При взгляде на удаленные объекты хрусталик расслабляется, при взгляде на близкие объекты увеличивается выпуклость хрусталика
Фокусирование предметов, находящихся на разном расстоянии, за счет изменения кривизны хрусталика называется - аккомодацией

Строение и оптическая система глаза
Самая удаленная точка ясного видения для глаза лежит в бесконечности
Ближайшая точка ясного видения – на расстоянии 14 см от глаза
Условие ясного видения – фокусировка лучей на сетчатке - эмметропия

Строение и оптическая система глаза

Строение и оптическая система глаза
Миомия (близорукость) – вид нарушения рефракции, при которой световые лучи, отраженные от предмета после прохождения через светопреломляющий аппарат глаза фокусируются перед сетчаткой
Гиперметропия (дальнозоркость) – лучи от далеко расположенных предметов фокусируются за сетчаткой
Корректор диоптрий – составная часть фото и видеоаппаратуры, встраиваемая в окуляр, для устранения отклонений от эмметропии

Устройство сетчатки. Сумеречное зрение
Сетчатка (ретина) – светочувствительная поверхность задней стенки глазного яблока, имеет три основных слоя:
Слой из палочек и колбочек – преобразование световой энергии в нервные сигналы
Слой из горизонтальных и биполярных клеток – обеспечение контакта с палочками и колбочками и передача сигнала в виде различных частот
Слой, состоящий из ганглий – оптический нерв, передающий сигналы в область мозга, ответственную за обработку изображений

Сетчатка имеет –
110-125 млн палочек, 6-7 млн колбочек
На 1 колбочку приходится 17 палочек
Колбочки обеспечивают –
фотопическое зрение (дневное) – монохромное, ахроматическое, цветное, четкое различие мелких деталей
1 колбочка – одно нервное окончание
Палочки- скотопическое зрение (ночное) – ахроматическое, бесцветное, характерна высокая световая чувствительность
10-400 палочек - одно нервное окончание
Переходное зрение –
сумеречное (мезопическое)
Устройство сетчатки. Сумеречное зрение

Устройство сетчатки. Сумеречное зрение
Область наибольшей концентрации колобочек – желтое пятно
В центре желтого пятна – центральная ямка (1-3 угловых градуса) – область наибольшей остроты зрения – 3-4 мм к виску и выше глазного нерва
Слепое пятно (не имеет фоторецепторов) – место выхода оптического нерва – на расстоянии 12 градусов от центральной ямки
(открыто французским физиком Э. Мариоттом
в 1668 году)
В слепое пятно попадает не более 15% всей визуальной информации

Устройство сетчатки. Глазное дно

Система горизонтальных клеток – между слоем с колбочками и палочками и слоем биполярных клеток – осуществляет перекодировку сигналов, распределение освещенности пропорционально соответствует отношению разницы между локальной и средней освещенностью к средней освещенности
Положительное значение – при включении света
Отрицательное значение - при выключении света
Процесс – адаптация зрительной системы к уровню освещенности
Устройство сетчатки. Сумеречное зрение

Устройство сетчатки. Сумеречное зрение
Информация об интенсивности света , попадающая на светочувствительную клетку – рецептор, передается в мозг посредством изменения частоты следования нервных импульсов, которые поступают в наружное коленчатое тело и далее в зрительные центры коры затылочной части мозга.
Низкие частоты, передающие изображение контуров, передаются в первую очередь
Во вторую очередь – высокие частоты, передающие изображение мелких деталей

Устройство сетчатки. Сумеречное зрение
Один из эффектов маскировки объектов – нанесение большого количества разноцветных маскировочных пятен – высокочастотных шумов, затрудняющих распознавание контуров

Поле зрения.
Погружение в виртуальный мир.
Разновидности:
- физиологическое поле зрения
- анатомическое поле зрения
- оперативное поле зрения – часть поля зрения, которая воспринимается и опознается человеком одномоментно

Поле зрения.
Погружение в виртуальный мир.
Различают
Бинокулярное зрение –
30-40 градусов по горизонтали,
10-15 градусов вверх,
20 градусов вниз
Монокулярное зрение

Поле зрения человека

Поле зрения человека

Поле зрения человека
I – зона четкого бинокулярного зрения
II – зона периферического бинокулярного зрения
III – зона периферического монокулярного зрения (материальная)
I и II – объединяются в медиальную часть поля зрения, доступна обоим полушариям мозга

Поле зрения человека
Монокулярное поле зрения –
По горизонтали:
90-110 градусов к виску,
50-70 градусов – к носу,
всего 140-170 градусов;
По вертикали:
50-60 градусов – вверх,
60-75 градусов – вниз,
Всего 110-135 градусов

Поле зрения человека
Поле, охватываемое двумя глазами –
по горизонтали более 180 градусов;
По вертикали около 120 градусов
Отклонение от зрительных осей при вращении глаз
45-50 градусов

Поле зрения обоих глаз человека

Поле зрения человека
Факторы,
влияющие на поле зрения человека:
- миопия (аметропия - близорукость);
- анатомическое строение лица;
- размер зрачка;
- яркость, контраст, размер и цвет;
- зрительное утомление
- возраст (максимальное зрение - 20-24 года)

Поле зрения человека
Внутренние отрицательные факторы
Скотомы –
участки с пониженной или отсутствующей световой чувствительностью

Поле зрения человека
Погружение в виртуальный мир
Большая зона восприятия окружающей действительности –
это плюс?
На мониторе (21 дюйм, на расстоянии 70 см, рабочая область 20-30 градусов) -
нет эффекта иллюзии погружения

Поле зрения.
Погружение в виртуальный мир
Способы создания эффекта погружения – концентрация внимания на экранном изображении:
- увеличение воспринимаемого глазами изображения до размера более 60 градусов в горизонтальной плоскости, например соотношение сторон монитора сделать 16/9 вместо 4/3
- шлемы виртуальной реальности (отсечение посторонних изображений)
Отрицательная сторона – эффект туннельного зрения (трубчатое поле зрения – например, водитель на большой скорости)

Трубчатое поле зрения
Возникновение трубчатого поля зрения связано:
- с концентрацией зрения на некоторой точке
- с низкой пропускной способностью зрительного тракта
- с заболеваниями:
глаукома
пигментация сетчатки

Яркостная адаптация
и контрастная чувствительность
Минимальный предел видения палочек – эквивалентен освещенности в пасмурную безлунную ночь (после достаточной темновой адаптации);
Минимальный предел видения колбочек
- соответствует освещенности ночью при 50%-й фазе Луны.

Яркостная адаптация
и контрастная чувствительность
Постоянное и равномерное освещение – динамическое равновесие между скоростью распада и восстановлением зрительных пигментов;
Уменьшение потока освещенности – увеличение запаса зрительных пигментов (чувствительность фоторецепторов увеличивается – темновая адаптация

Темновая адаптация после яркого света
5-7 минут – 30 минут (до 80%):
Колбочки – 5-7 минут;
Палочки – 30-45 минут (иногда и более)
Чувствительность сетчатки увеличивается
в 10 раз – за 1 минуту;
в 6000 раз – за 20 минут;
в 25000 раз – за 40 минут
Яркостная адаптация
и контрастная чувствительность

Нервная адаптация – при неравномерном освещении ось зрения перемещается скачками с интервалом в 10-е доли секунды - адаптация к среднему уровню яркости;
Яркостная адаптация
и контрастная чувствительность

Преобладание палочек на сетчатке – яркостная информация воспринимается быстрее, чем цветовая
Более равномерное распределение палочек на сетчатке – хорошо развитое боковое зрение ночью
Следствие – фотопическое (цветовое) поле зрения меньше скотопического (яркостного)
Яркостная адаптация
и контрастная чувствительность

Яркостная адаптация
и контрастная чувствительность
Диапазон яркости, в котором человеческий глаз
может адекватно функционировать

Диапазон субъективно воспринимаемой яркости и конкретный уровень адаптации

Яркостная адаптация
и контрастная чувствительность
В соответствии с графиком
Переход от скотопического
к фотопическому зрению
от 0,003 до 0,3 кд/кв.м
т.е. от -2,5 до -0,5
по логарифмической шкале

Яркостная адаптация
и контрастная чувствительность
Уровень яркостной адаптации – текущий уровень чувствительности зрительной системы (например Ва);
Вв – Ва – диапазон субъективной яркости, которую способен воспринимать глаз при адаптации к указанному уровню;

Яркостная адаптация
и контрастная чувствительность
Уровни яркости ниже Вб -
воспринимаются как «черные»
(т.е. практически неразличимы)
абсолютный порог световой чувствительности - минимальное (пороговое) значение яркости светового пятна, обнаруживаемое глазом на черном фоне при темновой адаптации

Яркостная адаптация
и контрастная чувствительность
Величина сигнала Ski на выходе биполярной клетки, передающей возбуждение
Ski = Ck(Ii –I)
I
Ck – постоянный коэффициент, определяется спектральной чувствительностью и спектральным составом
I – средняя освещенность на сетчатке;
Ii – локальная освещенность i-ного рецептора на сетчатке

Яркостная адаптация
и контрастная чувствительность
Следствие –
Основной закон колориметрии:
Восприятие цветового тона и насыщенности не зависит от яркости
Основной закон колориметрии для фотопического зрения – восприятие цветов колбочками не меняется при изменении общей яркости сцены

Яркостная адаптация
и контрастная чувствительность
Для снижения утомления зрения рекомендуется устанавливать среднюю яркость изображения примерно равной 30 кд/кв.м (установлено практически)
При этом яркость в белых местах изображения может достигать 100-300 кд/кв.м

Яркостная адаптация
и контрастная чувствительность
Правило:
Для смягчения восприятия при смене сцены, если при этом меняется средняя яркость основного передаваемого объекта, то средняя яркость всего изображения также должна пропорционально изменяться

Пространственная и яркостная разрешающие способности
Острота зрения – чувствительность зрительного анализатора, отражающая способность различать границы и детали видимых объектов;
Острота зрения количественно определяется как отношение расстояния, с которого наблюдатель различает какую-либо деталь объекта, к расстоянию, с которого эта деталь видна под углом в 1 угловую минуту

Пространственная и яркостная разрешающие способности
20 угловых минут зрительного пространства глаза - высокая острота зрения – область фавеолы – область ясного зрения.
Следствие
– изображение рассматривается по частям, формируя образ в зрительной памяти

Зависимость остроты зрения от места раздражения на сетчатке

Пространственная и яркостная разрешающие способности
Тремор – непроизвольные движения глазного яблока;
Саккады – скачкообразные движения оси зрения;
Длительность скачка независимо от угла
– 50-60 мс
Во время скачка – подавление зрительного восприятия;
Угол поворота оси зрения 15-20 градусов –
движение глаз 2-3 скачка

Запись движения глаза при рассматривании скульптурного изображения головы Нефертити

Пространственная и яркостная разрешающие способности
Правило – скорость движения глаз постоянна при повороте на один и тот же угол для определенного наблюдателя;
При скачке 5 градусов – максимальная скорость движения глаз 200 градусов в секунду;
20 градусов – 450 градусов в секунду;
Зона нечувствительности - около 48 минут
Правило:
точки фиксации всегда располагаются вблизи контуров изображений (выяснено в результате исследований)

Обобщение.
Разрешающая способность глаза
Минимальный угловой размер, который может увидеть человек – 0,5 – 1 угловая минута
Максимальное общее разрешение взгляда в угловых минутах:
При бинокулярном зрении –
(180 на 135) градусов *60 мин/1 мин=
10800 мин*8100 мин;
При монокулярном зрении –
(140*135) градусов*60мин/1мин=8400мин*8100мин
При условии, что:
острота зрения равна 1 угловой минуте

Область ясного видения
для мультимедиа
Для мультимедиа учитывается оперативное поле зрения – информация поступает в область ясного видения;
В телевидении принято считать область ясного видения:
12 градусов – по вертикали;
16 градусов – по горизонтали
Следствие: соотношение горизонтали и вертикали экрана – 4 /3

Рекомендуемое расстояние от телевизионных экранов
По телевизионным стандартам PAL и SEKAM
Рекомендуется находиться от экрана на оптимальном расстоянии
L опт.=5h
h – высота кадра с соотношением 4/3