Особенности восприятия человека. Зрение

Человек не может видеть в полной темноте. Для того, чтобы человек увидел предмет, необходимо, чтобы свет отразился от предмета и попал на сетчатку глаза. Источники света могут быть естественные (огонь, Солнце) и искусственные (различные лампы). Но что представляет собой свет?

Согласно современным научным представлениям, свет представляет собой электромагнитные волны определенного (достаточно высокого) диапазона частот. Эта теория берет свое начало от Гюйгенса и подтверждается многими опытами (в частности, опытом Т. Юнга). При этом в природе света в полной мере проявляется карпускулярно-волновой дуализм, что во многом определяет его свойства: при распространении свет ведет себя как волна, при излучении или поглощении – как частица (фотон). Таким образом, световые эффекты, происходящие при распространении света (интерференция, дифракция и т.п.), описываются уравнениями Максвелла, а эффекты, проявляющиеся при его поглощении и излучении (фотоэффект, эффект Комптона) – уравнениями квантовой теории поля.

Упрощенно, глаз человека представляет собой радиоприемник, способный принимать электромагнитные волны определенного (оптического) диапазона частот. Первичными источниками этих волн являются тела, их излучающие (солнце, лампы и т.п.), вторичными – тела, отражающие волны первичных источников. Свет от источников попадает в глаз и делает их видимыми человеку. Таким образом, если тело является прозрачным для волн видимого диапазона частот (воздух, вода, стекло и т.п.), то оно не может быть зарегистрировано глазом. При этом глаз, как и любой другой радиоприемник, «настроен» на определенный диапазон радиочастот (в случае глаза это диапазон от 400 до 790 терагерц), и не воспринимает волны, имеющие более высокие (ультрафиолетовые) или низкие (инфракрасные) частоты. Эта «настройка» проявляется во всем строении глаза – начиная от хрусталика и стекловидного тела, прозрачных именно в этом диапазоне частот, и заканчивая величиной фоторецепторов, которые в данной аналогии подобны антеннам радиоприемников и имеют размеры, обеспечивающие максимально эффективный прием радиоволн именно этого диапазона.

Все это в совокупности определяет диапазон частот, в котором видит человек. Он называется диапазоном видимого излучения.

Видимое излучение — электромагнитные волны, воспринимаемые человеческим глазом, которые занимают участок спектра с длиной волны приблизительно от 380 (фиолетовый) до 740 нм (красный). Такие волны занимают частотный диапазон от 400 до 790 терагерц. Электромагнитное излучение с такими частотами также называется видимым светом, или просто светом (в узком смысле этого слова). Наибольшую чувствительность к свету человеческий глаз имеет в области 555 нм (540 ТГц), в зелёной части спектра.

Белый свет, разделённый призмой на цвета спектра [4]

При разложении луча белого цвета в призме образуется спектр, в котором излучения разных длин волн преломляются под разным углом. Цвета, входящие в спектр, то есть такие цвета, которые могут быть получены световыми волнами одной длины (или очень узким диапазоном), называются спектральными цветами. Основные спектральные цвета (имеющие собственное название), а также характеристики излучения этих цветов, представлены в таблице:

В спектре содержатся не все цвета, которые различает человеческий мозг и они образуются от смешения других цветов.[4]

Чем человек видит

Благодаря зрению мы получаем 90% информации об окружающем мире, поэтому глаз - один из важнейших органов чувств. 
Глаз можно назвать сложным оптическим прибором. Его основная задача — "передать" правильное изображение зрительному нерву.

Строение глаза человека

Роговица — прозрачная оболочка, покрывающая переднюю часть глаза. В ней отсутствуют кровеносные сосуды, она имеет большую преломляющую силу. Входит в оптическую систему глаза. Роговица граничит с непрозрачной внешней оболочкой глаза — склерой.

Передняя камера глаза — это пространство между роговицей и радужкой. Она заполнена внутриглазной жидкостью.

Радужка — по форме похожа на круг с отверстием внутри (зрачком). Радужка состоит из мышц, при сокращении и расслаблении которых размеры зрачка меняются. Она входит в сосудистую оболочку глаза. Радужка отвечает за цвет глаз (если он голубой — значит, в ней мало пигментных клеток, если карий — много). Выполняет ту же функцию, что диафрагма в фотоаппарате, регулируя светопоток.

Зрачок — отверстие в радужке. Его размеры обычно зависят от уровня освещенности. Чем больше света, тем меньше зрачок.

Хрусталик — "естественная линза" глаза. Он прозрачен, эластичен — может менять свою форму, почти мгновенно "наводя фокус", за счет чего человек видит хорошо и вблизи, и вдали. Располагается в капсуле, удерживается ресничным пояском. Хрусталик, как и роговица, входит в оптическую систему глаза. Прозрачность хрусталика глаза человека превосходна - пропускается большая часть света с длинами волн между 450 и 1400 нм. Свет с длиной волны выше720 нм не воспринимается. Хрусталик глаза человека почти бесцветен при рождении, но приобретает желтоватый цвет с возрастом. Это предохраняет сетчатку глаза от воздействия ультрафиолетовых лучей.

Стекловидное тело — гелеобразная прозрачная субстанция, расположенная в заднем отделе глаза. Стекловидное тело поддерживает форму глазного яблока, участвует во внутриглазном обмене веществ. Входит в оптическую систему глаза.

Сетчатка — состоит из фоторецепторов (они чувствительны к свету) и нервных клеток. Клетки-рецепторы, расположенные в сетчатке, делятся на два вида: колбочки и палочки. В этих клетках, вырабатывающих фермент родопсин, происходит преобразование энергии света (фотонов) в электрическую энергию нервной ткани, т.е. фотохимическая реакция.

Склера — непрозрачная внешняя оболочка глазного яблока, переходящая в передней части глазного яблока в прозрачную роговицу. К склере крепятся 6 глазодвигательных мышц. В ней находится небольшое количество нервных окончаний и сосудов.

Сосудистая оболочка — выстилает задний отдел склеры, к ней прилегает сетчатка, с которой она тесно связана. Сосудистая оболочка ответственна за кровоснабжение внутриглазных структур. При заболеваниях сетчатки очень часто вовлекается в патологический процесс. В сосудистой оболочке нет нервных окончаний, поэтому при ее заболевании не возникают боли, обычно сигнализирующие о каких-либо неполадках.

Зрительный нерв — при помощи зрительного нерва сигналы от нервных окончаний передаются в головной мозг.[6]

Человек не рождается с уже развитым органом зрения: в первые месяцы жизни происходит формирование мозга и зрения, и примерно к 9 месяцам они способны почти моментально обрабатывать поступающую зрительную информацию. Для того чтобы видеть, необходим свет. [3]

Световая чувствительность человеческого глаза

Способность глаза воспринимать свет и распознавать различной степени его яркости называется светоощущением, а способность приспосабливаться к разной яркости освещения — адаптацией глаза; световая чувствительность оценивается величиной порога светового раздражителя.
Человек с хорошим зрением способен разглядеть ночью свет от свечи на расстоянии нескольких километров. Максимальная световая чувствительность достигается после достаточно длительной темновой адаптации. Её определяют под действием светового потока в телесном угле 50° при длине волны 500 нм (максимум чувствительности глаза). В этих условиях пороговая энергия света около 10−9 эрг/с, что эквивалентно потоку нескольких квантов оптического диапазона в секунду через зрачок.
Вклад зрачка в регулировку чувствительности глаза крайне незначителен. Весь диапазон яркостей, которые наш зрительный механизм способен воспринять, огромен: от 10−6 кд•м² для глаза, полностью адаптированного к темноте, до 106 кд•м² для глаза, полностью адаптированного к свету Механизм такого широкого диапазона чувствительности кроется в разложении и восстановлении фоточувствительных пигментов в фоторецепторах сетчатки — колбочках и палочках.
В глазу человека содержатся два типа светочувствительных клеток (рецепторов): высоко чувствительные палочки, отвечающие за сумеречное (ночное) зрение, и менее чувствительные колбочки, отвечающие за цветное зрение.

Нормализованные графики светочувствительности колбочек человеческого глаза S, M, L. Пунктиром показана сумеречная, «чёрно-белая» восприимчивость палочек.

В сетчатке глаза человека есть три вида колбочек, максимумы чувствительности которых приходятся на красный, зелёный и синий участки спектра. Распределение типов колбочек в сетчатке неравномерно: «синие» колбочки находятся ближе к периферии, в то время как «красные» и «зеленые» распределены случайным образом. Соответствие типов колбочек трём «основным» цветам обеспечивает распознавание тысяч цветов и оттенков. Кривые спектральной чувствительности трёх видов колбочек частично перекрываются, что способствует явлению метамерии. Очень сильный свет возбуждает все 3 типа рецепторов, и потому воспринимается, как излучение слепяще-белого цвета.

Равномерное раздражение всех трёх элементов, соответствующее средневзвешенному дневному свету, также вызывает ощущение белого цвета.

За цветовое зрение человека отвечают гены, кодирующие светочувствительные белки опсины. По мнению сторонников трёхкомпонентной теории, наличие трёх разных белков, реагирующих на разные длины волн, является достаточным для цветового восприятия.

У большинства млекопитающих таких генов только два, поэтому они имеют черно-белое зрение. 

Чувствительный к красному свету опсин кодируется у человека геном OPN1LW.
Другие опсины человека кодируют гены OPN1MW, OPN1MW2 и OPN1SW, первые два из них кодируют белки, чувствительные к свету со средними длинами волны, а третий отвечает за опсин, чувствительный к коротковолновой части спектра.

Поле зрения

Поле зрения — пространство, одновременно воспринимаемое глазом при неподвижном взоре и фиксированном положении головы. Оно имеет определенные границы, соответствующие переходу оптически деятельной части сетчатки в оптически слепую.
Поле зрения искусственно ограничивается выступающими частями лица — спинкой носа, верхним краем глазницы. Кроме того, его границы зависят от положения глазного яблока в глазнице. [8] Кроме этого, в каждом глазу здорового человека существует область сетчатки, не чувствительная к свету, которая называется слепым пятном. Нервные волокна от рецепторов к слепому пятну идут поверх сетчатки и собираются в зрительный нерв, который проходит сквозь сетчатку на другую её сторону. Таким образом, в этом месте отсутствуют световые рецепторы.[9]
 

На этом конфокальном микроснимке диск зрительного нерва показан черным, клетки, выстилающие кровеносные сосуды — красным, а содержимое сосудов — зеленым. Клетки сетчатки отобразились синими пятнами. [10]

Слепые пятна в двух глазах находятся в разных местах (симметрично). Этот факт, а так же то, что мозг корректирует воспринимаемое изображение, объясняет почему при нормальном использовании обоих глаз они незаметны.

Чтобы наблюдать у себя слепое пятно, закройте правый глаз и левым глазом посмотрите на правый крестик, который обведён кружочком. Держите лицо и монитор вертикально. Не сводя взгляда с правого крестика, приближайте (или отдаляйте) лицо от монитора и одновременно следите за левым крестиком (не переводя на него взгляд). В определённый момент он исчезнет.

Этим способом можно также оценить приблизительный угловой размер слепого пятна.
 

Прием для обнаружения слепого пятна [9]

Выделяют также парацентральные отделы поля зрения. В зависимости от участия в зрении одного или обоих глаз, различают монокулярное и бинокулярное поле зрения. В клинической практике обычно исследуют монокулярное поле зрения. [8]

Бинокулярное и Стереоскопическое зрение

Зрительный анализатор человека в нормальных условиях обеспечивает бинокулярное зрение, то есть зрение двумя глазами с единым зрительным восприятием. Основным рефлекторным механизмом бинокулярного зрения является рефлекс слияния изображения — фузионный рефлекс (фузия), возникающий при одновременном раздражении функционально неодинаковых нервных элементов сетчатки обоих глаз. Вследствие этого возникает физиологическое двоение предметов, находящихся ближе или дальше фиксируемой точки (бинокулярная фокусировка). Физиологичное двоение (фокус) помогает оценивать удалённость предмета от глаз и создает ощущение рельефности, или стереоскопичности, зрения. 

При зрении одним глазом восприятие глубины (рельефной удалённости) осуществляется гл. обр. благодаря вторичным вспомогательным признакам удаленности (видимая величина предмета, линейная и воздушная перспективы, загораживание одних предметов другими, аккомодация глаза и т. д..). [1]

Проводящие пути зрительного анализатора
1 — Левая половина зрительного поля, 2 — Правая половина зрительного поля, 3 — Глаз, 4 — Сетчатка, 5 — Зрительные нервы, 6 — Глазодвигательный нерв, 7 — Хиазма, 8 — Зрительный тракт, 9 — Латеральное коленчатое тело, 10 — Верхние бугры четверохолмия, 11 — Неспецифический зрительный путь, 12 — Зрительная кора головного мозга.[2]

Человек видит не глазами, а посредством глаз, откуда информация передается через зрительный нерв, хиазму, зрительные тракты в определенные области затылочных долей коры головного мозга, где формируется та картина внешнего мира, которую мы видим. Все эти органы и составляют наш зрительный анализатор или зрительную систему.[5]

Изменение зрения с возрастом

Элементы сетчатки начинают формироваться на 6–10 неделе внутриутробного развития, окончательное морфологическое созревание происходит к 10–12 годам. В процессе развития организма существенно меняются цветоощущения ребенка. У новорожденного в сетчатке функционируют только палочки, обеспечивающие черно-белое зрение. Количество колбочек невелико и они еще не зрелы. Распознавание цветов в раннем возрасте зависит от яркости, а не от спектральной характеристики цвета. По мере созревания колбочек дети сначала различают желтый, потом зеленый, а затем красный цвета (уже с 3 месяцев удавалось выработать условные рефлексы на эти цвета). Полноценно колбочки начинают функционировать к концу 3 года жизни. В школьном возрасте различительная цветовая чувствительность глаза повышается. Максимального развития ощущение цвета достигает к 30 годам и затем постепенно снижается. 

У новорожденного диаметр глазного яблока составляет 16 мм, а его масса – 3,0 г. Рост глазного яблока продолжается после рождения. Интенсивнее всего оно растет первые 5 лет жизни, менее интенсивно – до 9-12 лет. У новорожденных форма глазного яблока более шаровидная, чем у взрослых, в результате в 90 % случаев у них отмечается дальнозоркая рефракция. 

Зрачок у новорожденных узкий. Из-за преобладания тонуса симпатических нервов, иннервирующих мышцы радужной оболочки, в 6–8 лет зрачки становятся широкими, что увеличивает риск солнечных ожогов сетчатки. В 8–10 лет зрачок сужается. В 12–13 лет быстрота и интенсивность зрачковой реакции на свет становятся такими же, как у взрослого человека.

У новорожденных и детей дошкольного возраста хрусталик более выпуклый и более эластичный, чем у взрослого, его преломляющая способность выше. Это позволяет ребенку четко видеть предмет на меньшем расстоянии от глаза, чем взрослому. И если у младенца он прозрачный и бесцветный, то у взрослого человека хрусталик имеет легкий желтоватый оттенок, интенсивность которого с возрастом может усиливаться. Это не отражается на остроте зрения, но может повлиять на восприятие синего и фиолетового цветов.

Сенсорные и моторные функции зрения развиваются одновременно. В первые дни после рождения движения глаз несинхронны, при неподвижности одного глаза можно наблюдать движение другого. Способность фиксировать взглядом предмет формируется в возрасте от 5 дней до 3–5 месяцев. 

Реакция на форму предмета отмечается уже у 5-месячного ребенка. У дошкольников первую реакцию вызывает форма предмета, затем его размеры и уже в последнюю очередь – цвет.
Острота зрения с возрастом повышается, улучшается и стереоскопическое зрение. Стереоскопическое зрение к 17–22 годам достигает своего оптимального уровня, причем с 6 лет у девочек острота стереоскопического зрения выше, чем у мальчиков. Поле зрения интенсивно увеличивается. К 7 годам его размер составляет приблизительно 80 % от размера поля зрения взрослого.[11,12]

После 40 лет наблюдается падение уровня периферического зрения, то есть происходит сужение поля зрения и ухудшение бокового обзора. 
Примерно после 50 лет сокращается выработка слезной жидкости, поэтому глаза увлажняются хуже, чем в более молодом возрасте. Чрезмерная сухость может выражаться в покраснении глаз, рези, слезотечении под действием ветра или яркого света. Это может не зависеть от обычных факторов (частые напряжения глаз или загрязненность воздуха). 

С возрастом человеческий глаз начинает воспринимать окружающее более тускло, с понижением контрастности и яркости. Также может ухудшиться способность распознавать цветовые оттенки, особенно близкие в цветовой гамме. Это напрямую связано с сокращением количества клеток сетчатой оболочки, воспринимающих оттенки цвета, контрастность, яркость. [14,15]

Некоторые возрастные нарушения зрения обусловлены пресбиопией, которая проявляется нечеткостью, размытостью картинки при попытке рассмотреть предметы, расположенные близко от глаз. Возможность фокусировки зрения на небольших предметах требует аккомодацию около 20 диоптрий (фокусировка на объекте в 50 мм от наблюдателя) у детей, до 10 диоптрий в возрасте 25 лет (100 мм) и уровни от 0,5 до 1 диоптрии в возрасте 60 лет (возможность фокусировки на предмете в 1-2 метрах). Считается, что это связано с ослаблением мышц, которые регулируют зрачок, при этом так же ухудшается реакция зрачков на попадающий в глаз световой поток. [13] Поэтому возникают трудности с чтением при тусклом свете и увеличивается время адаптации при перепадах освещенности.

Так же с возрастом начинает быстрее возникать зрительное утомление и даже головные боли.

Восприятие цвета

Психология восприятия цвета — способность человека воспринимать, идентифицировать и называть цвета.

Ощущение цвета зависит от комплекса физиологических, психологических и культурно-социальных факторов. Первоначально исследования восприятия цвета проводились в рамках цветоведения; позже к проблеме подключились этнографы, социологи и психологи.

Зрительные рецепторы по праву считаются «частью мозга, вынесенной на поверхность тела». Неосознаваемая обработка и коррекция зрительного восприятия обеспечивает «правильность» зрения, и она же является причиной «ошибок» при оценке цвета в определенных условиях. Так, устранение «фоновой» засветки глаза (например, при разглядывании удаленных предметов через узкую трубку) существенно меняет восприятие цвета этих предметов.

Одновременное рассматривание одних и тех же несамосветящихся предметов или источников света несколькими наблюдателями с нормальным цветовым зрением, в одинаковых условиях рассматривания, позволяет установить однозначное соответствие между спектральным составом сравниваемых излучений и вызываемыми ими цветовыми ощущениями. На этом основаны цветовые измерения (колориметрия). Такое соответствие однозначно, но не взаимно-однозначно: одинаковые цветовые ощущения могут вызывать потоки излучений различного спектрального состава (метамерия).

Определений цвета, как физической величины, существует много. Но даже в лучших из них с колориметрической точки зрения часто опускается упоминание о том, что указанная (не взаимная) однозначность достигается лишь в стандартизованных условиях наблюдения, освещения и т. д., не учитывается изменение восприятия цвета при изменении интенсивности излучения того же спектрального состава (явление Бецольда — Брюкке), не принимается во внимание т. н. цветовая адаптация глаза и др. Поэтому многообразие цветовых ощущений, возникающих при реальных условиях освещения, вариациях угловых размеров сравниваемых по цвету элементов, их фиксации на разных участках сетчатки, разных психофизиологических состояниях наблюдателя и т. д., всегда богаче колориметрического цветового многообразия.

Например, в колориметрии одинаково определяются некоторые цвета (такие, как оранжевый или жёлтый), которые в повседневной жизни воспринимаются (в зависимости от светлоты) как бурый, «каштановый», коричневый, «шоколадный», «оливковый» и т. д. В одной из лучших попыток определения понятия Цвет, принадлежащей Эрвину Шрёдингеру, трудности снимаются простым отсутствием указаний на зависимость цветовых ощущений от многочисленных конкретных условий наблюдения. По Шредингеру, Цвет есть свойство спектрального состава излучений, общее всем излучениям, визуально не различимым для человека. [6]

В силу природы глаза, свет, вызывающий ощущение одного и того же цвета (например белого), то есть одну и ту же степень возбуждения трёх зрительных рецепторов, может иметь разный спектральный состав. Человек в большинстве случаев не замечает данного эффекта, как бы «домысливая» цвет. Это происходит потому, что хотя цветовая температура разного освещения может совпадать, спектры отражённого одним и тем же пигментом естественного и искусственного света могут существенно отличаться и вызывать разное цветовое ощущение.

Человеческий глаз воспринимает множество различных оттенков, однако есть «запрещенные» цвета, недоступные для него. В качестве примера можно привести цвет, играющий и желтыми, и синими тонами одновременно. Так происходит потому, что восприятие цвета в глазе человека, как и многое другое в нашем организме, построено на принципе оппонентности. Сетчатка глаза имеет особые нейроны-оппоненты: некоторые из них активизируются, когда мы видим красный цвет, и они же подавляются зеленым цветом. То же самое происходит и с парой желтый-синий. Таким образом, цвета в парах красный-зеленый и синий-желтый оказывают противоположное воздействие на одни и те же нейроны. Когда источник излучает оба цвета из пары, их воздействие на нейрон компенсируется, и человек не может увидеть ни один из этих цветов. Мало того, человек не только не способен увидеть эти цвета в нормальных обстоятельствах, но и представить их. 

Увидеть такие цвета можно только в рамках научного эксперимента. Например, ученые Хьюитт Крэйн и Томас Пьянтанида из Стенфордского института в Калифорнии создали специальные зрительные модели, в которых чередовались полосы «спорящих» оттенков, быстро сменяющих друг друга. Эти изображения, зафиксированные специальным прибором на уровне глаз человека, показывались десяткам добровольцев. После эксперимента люди утверждали, что в определенный момент границы между оттенками исчезали, сливаясь в один цвет, с которым раньше им никогда не приходилось сталкиваться.

Различия зрения человека и животных. Метамерия в фотографии

Человеческое зрение является трёхстимульным анализатором, то есть спектральные характеристики цвета выражаются всего в трех значениях. Если сравниваемые потоки излучения с разным спектральным составом производят на колбочки одинаковое действие, цвета воспринимаются как одинаковые.

В животном мире существуют четырёх- и даже пятистимульные цветовые анализаторы, поэтому цвета, воспринимаемые человеком одинаковыми, животным могут казаться разными. В частности, хищные птицы видят следы грызунов на тропинках к норам исключительно благодаря ультрафиолетовой люминесценции компонентов их мочи.
Похожая ситуация складывается и с системами регистрации изображений, как цифровыми, так и аналоговыми. Хотя в большинстве своём они являются трёхстимульными (три слоя эмульсии фотоплёнки, три типа ячеек матрицы цифрового фотоаппарата или сканера), их метамерия отлична от метамерии человеческого зрения. Поэтому цвета, воспринимаемые глазом как одинаковые, на фотографии могут получаться разными, и наоборот. [7]