Nemzetközi Fényszimpózium, Eger 2005 Optikai illuziók - a látás kutatás Dr Wenzel Klára egyetemi magántanár Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem Mechatronika, Optika és Műszertechnika Tanszék
Hogyan működik a látás? Két ellentétes nézet: Immanuel Kant (1724-1804): A világot a szemünkkel és a többi érzékszervünkkel közvetlenül, intuitive látjuk meg.az észlelet közvetlen (és isteni) tudása a külső valóságnak. Richard L. Gregory (1982): Nyilvánvalóan rendkívül bonyolult folyamatok játszódnak itt le az agynak talán a legbonyolultabb működéséről van szó: ahhoz, hogy az érzékszervi adatok érzékeléssé váljanak, emlékképeket kell felidéznie, finom megkülönböztetéseket és összehasonlításokat kell tennie,logikai döntéseket kell hoznia.
A látás folyamata A látás összetett jelenség: Optikai Fiziológiai Pszichológiai A látórendszer részei: A szem optikai rendszere optikai leképezés Az idegi hálózat a szemtől az agyig fiziológiai folyamatok matematikai műveletek Az agykéreg a kép analizise a kép szintézise a kép felismerése asszociációk
Az emberi szem felépítése Az emberi szem átlagosan 24 mm átmérőjű gömb alakú szerv. Úgy működik, mint egy kicsiny biológiai digitális fényképező gép, amelynek háromtagú, nagylátószögű objektívje (szaruhártya, pupilla, szemlencse) a képfelvevő mátrix detektorra (retina) képezi le a környező világot. A fényképező gép írisz blendéjének szerepét a szem pupilla nyílása tölti be: ez határolja a szembe bocsátott fény mennyiségét. Tágulása és szűkülése akaratunktól függetlenül, automatikusan követi a fényviszonyok változását (pupilla reflex). A szemlencse ugyancsak automatikusan áll élesre (akkomodál) a különböző távoli tárgyakra, ennek érdekében alakját és törésmutatóját is változtatja. Mindezek alapján megállapítható, hogy szemünk működése felülmúlja a legkorszerűbb digitális fényképező gépeket is.
A látvány képe a retinán A retinán megjelenő fordított állású reális kép nem kifogástalan: torzított, kicsit életlen és a retina megvilágítottsága a szélek felé csökken. Ezeket a hibákat azonban az agyunk korrigálja, és részletdús, torzítatlan, egyenletes megvilágítású képet állít elő, (éppen úgy, ahogyan a digitális fényképező géphez csatlakoztatott számítógéppel is javíthatjuk a képminőséget.)
A szem érzékelő felülete: a retina A szem képfelvevő felületén fényérzékelő elemek (receptorok) találhatók, éppen úgy, mint a digitális fényképező gép mátrix érzékelőjénél. A szem két féle receptorral lát: nappal a csapok, éjszaka az ezerszer érzékenyebb pálcikák működnek. Körülbelül 6,8 millió csap és 108 millió pálcika található a retinán. A szem tehát ebből a szempontból is felülmúlja a mai legkorszerűbb digitális fényképező gépeket is, amelyeknek mindössze 6 millió pixele van. A csapok harszögletű elrendeződésben helyezkednek el a retinán. Három féle csapunk van. A vörösre, zöldre és kékre érzékeny csapok száma nem azonos, de ezt a különbséget a receptorok érzeteit az agy felé közvetítő idegek hálózata kiegyenlíti. A retina közepén a csapok finomabbak, és sűrűbben helyezkednek el, mit a széleken; ezért középen van az éles látás területe. A csapok fényérzékeny pigmenteket tartalmaznak. Fény hatására ezek lebomlanak, és a bomlástermékek ingerlik a csapokhoz csatlakozó idegvégződéseket. Így jön létre a csapokban az érzet. Sötétben a pigmentek újra termelődnek.
A retina elektronmikroszkópos képe A csapok 6-8 mikrométer átmérőjű és 30-40 mikrométer hosszúságú oszlopos ideg sejtek, amelyekhez az információt tovább szállító idegek csatlakoznak.
A retina rétegei A csapok érzeteit közvetítő idegekben az információ feldolgozás már a retinán elkezdődik. Az idegek között hosszirányban és keresztirányban is kapcsolatok jönnek létre és ezek segítségével matematikai műveletek valósulnak meg. Nagyon érdekes könyvet írt erről Neumann János, a számitógépek nagy magyar fejlesztője. (A számológép és az agy, Gondolat Kiadó, 1972))
A látóközpontok az agyban A receptorok érzeteit a retinán történő előfeldolgozás után az idegek elviszik az agyba. Itt történik meg a kép teljes feldolgozása és értelmezése, tömörítése és tárolása. A látási információ mindkét szemből mindkét agyféltekébe eljut, majd a legmagasabb rendű képfeldolgozás az agykéregben történik meg.
Az alakfelismerésre szakosodott területek A látókéreg az érzeteket aprólékosan analizálja: külön agyterületek elemzik a színeket, a formákat, a látott vonalak irányát és egymáshoz viszonyított hajlásszögét, az egyes vonalak hosszát, a görbe vonalak zártságát vagy nyitottságát, stb, stb. Ezután következik a szitézis, amely létrehozza az érzékletet, és értelmezi a képet. A kép értelmezéséhez már szükség van a tapasztalatokra is, ezeket az ember élete során hosszas tanulással szerzi meg. A csecsemő még nem tud különbséget tenni távoli és közeli tárgyak között; a Hold után éppen úgy kinyújtja a kezét, mint a labdája után.
Az észlelés kutatás fiziológiai módszerei A szakembereket már régóta foglalkoztatja, hogy hogyan dolgozza fel agyunk képi érzékletté azt a tulajdonképpen még értelmetlen optikai mintázatot, amelyet a szem a retinára leképez. A megismerésre több módszer ismeretes. Az agy roncsolása Közlekedési balesetekben, háborúkban igen sok agysérülés történik. Ezek következményeinek analizálásából nagyon sokat tudhatunk meg az egyes agyterületek szerepéről a látási információ feldolgozásában. Az agy elektromos ingerlése A fejre tapasztott elekródákkal, villamos ingerléssel látási érzeteket lehet kiváltani. Mikroelektródás szonda Az elektródákat be is lehet vezetni az agyba, és ott célzottan, előre kiválasztott idegsejteken meg lehet mérni a különböző látási ingerekkel kiváltott idegi választ. ERG Az elektro retinográfia alkalamazásakor a látási ingerek hatására kialakuló idegi ingereket mérhetjük meg. (Ezek ugyanis elektromos potenciál változások illetve különböző frekvenciájú villamos impulzusok formájában továbbítódnak az ideg sejtekben.) Rádioaktív izotópok Rádioaktív izotópok is alkalmaznak az agyműködés feltérképezésében MRI Az egyik legkorszerűbb (és legköltségesebb) módszer a mágneses rezonancia vizsgálat.
Az egyik legszellemesebb, legolcsóbb és az agyműködést legkevésbé megzavaró kutatási módszer az optikai illúziók megfigyelése. Az optikai illúziók nem azonosak az optikai jelenségekkel. Az optikai jelenségek Az optikai illúziók Az optikai jelenségek fizikai környezetünkben kialakuló, mérhető és reprodukálható optikai jelenségek Például Szivárvány Délibáb Az illúziók eredendően észlelési jelenségek. A tudomány fejlődésében nagy szerepet játszanak triviálisnak látszó, mégis zavarba ejtő jelenségek; talán az észlelés valódi természetére is az illuziókon való töprengés vezethet rá bennünket. Van olyan illuzió, amelyik puszta tévedés, s vannak olyanok, amelyek legalább annyira érdekesek és szórakoztatók, mint maga a valóság. (Richard L. Gregory)
A továbbiakban bemutatunk néhány optikai illúziót. Megvizsgáljuk ezek magyarázatát is a látás folyamatának szempontjából.
A tárgyak nagyságának és tőlünk való távolságának megítéléséhez sok tapasztalatra van szükség. A szem képalkotó rendszere centrális projekció útján hozza létre a retinális képet. A szem centrumán, azaz optikai középpontján át húzott egyenesek tűzik ki az egyes tárgypontok képének helyét a retinán. Ebből az következik, hogy egy kicsi, de hozzánk közel található macskát éppen akkorának láthatunk, mint egy magas, de tőlünk távolabb álló embert. Ebből sok érdekes optikai illúzió következik.
Vajon melyik sárga vonal hosszabb? A centrális projekció törvényszerűségeiből levezethetők a perspektíva törvényei. A perspektíva törvényeit tudat alatt alkalmazzuk akkor, amikor megpróbáljuk megbecsülni a közelebbi és távolabbi tárgyak méretét.
Próbáljuk megmagyarázni a következő képeken látható illúziókat! Vajon melyik vízszintes vonal hosszabb?
A két férfi a valóságban egyforma nagy. Mi okozza a látszólagos magasság különbséget?
A retina erősen ingerelt receptorairól az ingerület átterjed a szomszédos receptorokra is. Ezért a fehér foltot sötét alapon nagyobbnak látjuk, mint a világos foltot sötét alapon.
Fekete alapon a fehér foltok nagyobbnak látszanak, mint a fekete foltok fehér alapon.
Az irány érzékelés receptorainak működése Mikroelektródás szonda segítségével vizsgálták egy idegsejt válaszait, miközben különböző irányú vonalakat mutattak a kísérleti állatnak. Ez az idegsejt a függőleges vonalak felismerésére szakosodott, ezért a függőleges vonal megpillantásakor valóságos impulzus sorozatott adott le. Ferde vonalakra kevésbé, vízszintes vonalakra egyáltalán nem reagált.
Az irány érzékelése viszonyítás alapján történik A különböző irányú vonaldarabkák megzavarják a hosszú egyenes vonalak irányának érzékelését.
A ferde vonalak zavaróan hatnak a vizszintes vonalak hosszának érzékelésében:
Nem az az egyenes, folyamatos vonal, amelyet annak képzelünk!
Látszólagos alak torzulások
Melyik képen igaz, hogy a = b?
Biztos, hogy jól meg tudjuk becsülni a méreteket?
A három körív görbülete a valóságban azonos
Színes illúziók A szimultán kontraszt megváltoztatja a színérzékletet (Nemcsics után)
Példa szimultán kontraszt jelenségre (Nemcsics után)
Rafael Madonna képét a színtévesztő festő az eredetinél nemcsak színeiben, de részleteiben is szegényesebben másolta le:
Bridget Riley: Vízesés című képe szemmozgásokat kényszerít a nézőre, amelyek következtében a fekete-fehér kép szubjektív színjelenségeket vált ki.
A képek értelmezésénél tapsztalatainkat is felhasználjuk: ezek alapján döntjük el, hogy a félgömböket domborúnak, vagy homorúnak tekintsük. Mivel a megvilágítás általában felülről érkezik, a bal oldali köröket domborúnak, a jobb oldaliakat homorúnak érezzük.
A felső szalagot csak előlről megvilágított domború ívekként tudjuk értelmezni, míg az alsó ábrát hol balról megvilágított, alaplapján álló, hol pedig jobbról megvilágított,oldallapján fekvő szalagnak véljük.
A méretek megítélését elvárásaink is befolyásolják. Domier képén az irreálisan nagyra festett Holdat látjuk valószerűnek (bal oldali kép). A jobb oldali kép a Holdat reális méretében ábrázolja, de ezt nevetségesen kicsinek érezzük. A Holdat ugyanis nagyobbnak képzeljük a valóságos méreténél, mivel a látóhatár közelében látható távoli fák és templomtornyok méretéhez szoktuk viszonyítani.
Huygens rajzai a Szaturnuszról; mivel nem sejthette, hogy a Szaturnusznak gyűrű rendszere van (jobb oldali kép), különböző hipotéziseket állított fel a látott kép alapján (bal oldali kép).
Hány arcot tudunk felismerni? (Családtagok, rokonok, iskolatársak, barátok, ismerősök, közéleti személyiségek stb) Emlékezetünk az arcok ezreit tárolja - méghozzá különböző irányokból nézve, különböző megvilágítások mellett ). Ezek közül a másodperc tört része alatt kiválasztja az agyunk azt, akivel éppen találkozunk, és felismerjük az illetőt!
Kétértelmű képek Egyik pillanatban úgy érezzük, hogy a ló felénk tekint, másik pillanatban úgy, mintha a Nap felé fordulna.
Mi ez?
Csak illúzió, hogy ránk néz?
Salvador Dali: Misztikus ajkak az ápolónőm hátán
Hogyan lesz a látványból kép? Az alakfelismerés
A retinán megjelenő értelmetlen mintázatból az agy értelmes képet hoz létre
Mi ez?
Mi ez?
A Rorshach személyiség-teszt Abból, hogy mit vél felfedezni a vizsgált személy a tinta-pacában, a személyiségére lehet következtetni.
Textúra analízis (A digitális képfeldolgozás egyik módszere!) A szabályos négyszögek pici, szisztematikus torzulásaiból szemünk (azaz agyunk) egy négyszöget vél felfedezni. Victor Vasarely, 1964
A kreatív illúzió: a kiegészítés A háromszög valójában nincs az ábrán, a körívek hiányaiból szemünk mégis összerakja.
Lehetetlen kép Agyunk a felismerés során elemzi a kép értelmezésében elkövetett ellentmondásokat is. A művészek meghökkentő hatást tudnak elérni azáltal, hogy a kép valóban lehetetlen.
Ellentmondások a képen
Hieronymus Bosch zavarba ejtő képe
Zavarba ejtő képek Wiiliam Hogarth: Fisherman (1754)
Zavarba ejtő képek M.C.Escher: Water- Fall
A látás legmagasabbrendű funkciója: az olvasás és a szöveg megértése Egy anlgaii etegyem ktuasátai szenirt nem szimát melyin serenrodbn vnanak a bteűk egy szbóan, az etegyeln ftonos dloog, hogy az eslő és az ultosó bteűk a hölyeükn lneegyek. A tböbi bteű lheet tljees összevabisszásagn, mgiés porbléma nlkéül oalvsahtó a szveög. Eennk oka, hogy nem ovalusnk el mniedn bteűt mgaát, hneam a szót eszgébéen.
Összefoglalás:Hogyan lesz a látványból kép? Képfelvétel: A látványt a szemlencse leképezi a retinára értelmetlen síkbeli mintázat Retinális műveletek: kontraszt fokozás él kiemelés színárnyalatok kiértékelése piros-zöld-kék >>> piros + zöld = sárga >>> sárga + kék = fehér >>> nem fehér = fekete Fény- és szín adaptáció Agykérgi műveletek: analizis: a kép szétbontása elemeire irányok (viszonyítás) méretek (viszonyítás) színek (viszonyítás) folyamatosság, zártság szintézis: a kép összerakása elemeiből több kép összerakása (30 msec-onkénti képfelvétel) a kép értelmezése (perspektíva, 3D észlelése) összevetés az emlékezetben tárolt mintákkal a legvalószínűbb megoldás elfogadása ellenőrzés: ellentmondások feltárása tömörítés lényeg kiemelés
A felhasznált irodalom Bárány Nándor: A látás, Mérnöktovábbképző Intézet, 1963 S.Tolansky: Optisheskie Illuzii, Izdatelstvo MIR, 1967, Moskwa R.L.Gregory: The intelligent eye, McGraw-Hill Book Company, 1971 Neumann János: A számológép és az agy, Gondolat, 1972 W.L.Gulick, R.B.Lawson: Human Stereopsis A Psychophysical Approach, Oxford University Press, 1976 Bernolák Kálmán: A fény, Műszaki Könyvkiadó, 1981 R.L.Gregory, E.H.Gombrich: Illuzió a természetben és a művészetben, Gondolat, 1982 U.Neisser: Megismerés és valóság, Gondolat, 1984 Kardos Lajos: Tárgy és árnyék, Akadémiai Kiadó, 1984 B.E.Wandell: Foundations of Vision,Sinauer Associates, Inc.,1995 Gegenfurtner-Sharpe: Color Vision from Genes to Perception, Cambridge University Press, 1999 Al Seckel: Optische Illusionen, Verlagsgesellschaft, Wien, 2000 Julesz Béla (Rutgers University): Dialógusok az észlelésről, Typotex, 2000
Köszönöm megtisztelő figyelmüket! Várom kérdéseiket.