В зрительном восприятии оптическая иллюзия (также называемая зрительной иллюзией [2] ) — это иллюзия , вызванная зрительной системой и характеризующаяся визуальным восприятием , которое, возможно, кажется отличным от реальности . Иллюзии бывают самых разных; их категоризация затруднена, поскольку основная причина часто не ясна [3], но классификация [1] [4], предложенная Ричардом Грегори , полезна в качестве ориентира. Согласно этому, существует три основных класса: физические, физиологические и когнитивные иллюзии, и в каждом классе есть четыре вида: двусмысленности, искажения, парадоксы и вымыслы. [4] Классическим примером физического искажения может служить кажущийся изгиб палки, наполовину погруженной в воду; Примером физиологического парадокса является последействие движения (когда, несмотря на движение, положение остается неизменным). [4] Примером физиологического вымысла является остаточное изображение . [4] Три типичных когнитивных искажения — это иллюзии Понцо , Поггендорфа и Мюллера-Лайера . [4] Физические иллюзии вызваны физической средой, например, оптическими свойствами воды. [4] Физиологические иллюзии возникают в глазах или зрительных путях, например, в результате чрезмерной стимуляции определенного типа рецепторов. [4] Когнитивные зрительные иллюзии являются результатом бессознательных умозаключений и, пожалуй, наиболее широко известны. [4]
Патологические зрительные иллюзии возникают в результате патологических изменений физиологических механизмов зрительного восприятия , вызывающих вышеупомянутые виды иллюзий; они обсуждаются, например, в разделе зрительных галлюцинаций .
Оптические иллюзии, а также мультисенсорные иллюзии, включающие зрительное восприятие, также могут использоваться при мониторинге и реабилитации некоторых психологических расстройств, включая синдром фантомных конечностей [5] и шизофрению . [6]
Знакомое явление и пример физической зрительной иллюзии — это когда горы в ясную погоду с низкой влажностью кажутся намного ближе, чем они есть на самом деле. Это связано с тем, что дымка является сигналом к восприятию глубины , [7] сигнализируя о расстоянии до далеких объектов ( воздушная перспектива ).
Классический пример физической иллюзии — когда палка, наполовину погруженная в воду, кажется согнутой. Это явление обсуждалось Птолемеем ( ок. 150 г. ) [8] и часто было прототипом иллюзии.
Физиологические иллюзии, такие как остаточные изображения [9] после яркого света или адаптация стимулов с чрезмерно длительными чередующимися паттернами ( условное перцептивное последействие ), предположительно являются воздействием на глаза или мозг чрезмерной стимуляции или взаимодействия с контекстуальными или конкурирующими стимулами определенного типа — яркость, цвет, положение, плитка, размер, движение и т. д. Теория состоит в том, что стимул следует своему индивидуальному нервному пути на ранних стадиях зрительной обработки и что интенсивная или повторяющаяся активность в этом процессе или взаимодействие с активными соседними объектами каналов вызывает физиологический дисбаланс, который изменяет восприятие.
Иллюзия сетки Германа и полосы Маха — это две иллюзии , которые часто объясняются с использованием биологического подхода. Латеральное торможение , при котором в рецептивных полях сетчатки сигналы рецепторов от светлых и темных областей конкурируют друг с другом, использовалось для объяснения того, почему мы видим полосы повышенной яркости на границе цветового различия при просмотре полос Маха. Когда рецептор активен, он ингибирует соседние рецепторы. Это подавление создает контраст, подчеркивая края. В иллюзии сетки Германа серые пятна, которые появляются на пересечениях в периферийных местах, часто объясняются тем, что они возникают из-за латерального торможения со стороны окружения в более крупных рецептивных полях. [10] Однако латеральное торможение как объяснение иллюзии сетки Германа было опровергнуто . [11] [12] [13] [14] [15] Более поздние эмпирические подходы к оптическим иллюзиям добились определенного успеха в объяснении оптических явлений, с которыми боролись теории, основанные на латеральном торможении. [16]
Предполагается, что когнитивные иллюзии возникают в результате взаимодействия с предположениями о мире, что приводит к «бессознательным выводам» — идее, впервые предложенной в XIX веке немецким физиком и врачом Германом Гельмгольцем . [17] Когнитивные иллюзии обычно делятся на двусмысленные иллюзии , искажающие иллюзии, парадоксальные иллюзии или художественные иллюзии.
Чтобы осмыслить мир, необходимо организовать поступающие ощущения в информацию, имеющую смысл. Гештальт-психологи считают, что один из способов добиться этого — воспринимать отдельные сенсорные стимулы как значимое целое. [21] Гештальт-организацию можно использовать для объяснения многих иллюзий, в том числе иллюзии кролик-утка , когда образ в целом переключается с утки на кролика и почему в иллюзии фигура-фон фигура и фон обратимы. .
Кроме того, гештальт-теорию можно использовать для объяснения иллюзорных контуров в треугольнике Канижи . Виден плавающий белый треугольник, которого не существует. Мозг имеет потребность видеть знакомые простые объекты и склонен создавать «цельное» изображение из отдельных элементов. [21] Гештальт в переводе с немецкого означает «форма» или «форма». Однако другое объяснение треугольника Канижи основано на эволюционной психологии и на том факте, что для выживания было важно видеть форму и края. Использование перцептивной организации для создания смысла из стимулов является принципом, лежащим в основе других известных иллюзий, включая невозможные объекты . Мозг понимает формы и символы, собирая их вместе, как мозаику, превращая несуществующее в правдоподобное.
Гештальт- принципы восприятия управляют тем, как группируются различные объекты. Хорошая форма — это когда система восприятия пытается заполнить пробелы, чтобы увидеть простые объекты, а не сложные. Непрерывность — это когда система восприятия пытается устранить неоднозначность, какие сегменты соединяются в непрерывные линии. Близость – это когда объекты, находящиеся близко друг к другу, связаны. Сходство – это когда похожие объекты рассматриваются как связанные. Некоторые из этих элементов были успешно включены в количественные модели, включающие оптимальную оценку или байесовский вывод. [22] [23]
Теория двойной привязки, популярная, но недавняя теория иллюзий легкости, утверждает, что любая область принадлежит одной или нескольким структурам, созданным принципами гештальт-группировки, и внутри каждого кадра независимо привязана как к самой высокой яркости, так и к окружающей яркости. Яркость пятна определяется средним значением, вычисленным в каждой системе. [24]
Иллюзии могут быть основаны на способности человека видеть в трех измерениях, хотя изображение, попадающее на сетчатку, является только двухмерным. Иллюзия Понцо — пример иллюзии, которая использует монокулярные сигналы восприятия глубины, чтобы обмануть глаз. Но даже при работе с двумерными изображениями мозг преувеличивает вертикальные расстояния по сравнению с горизонтальными, как в случае с вертикально-горизонтальной иллюзией, когда две линии имеют абсолютно одинаковую длину.
В иллюзии Понцо сходящиеся параллельные линии сообщают мозгу, что изображение, расположенное выше в поле зрения , находится дальше, поэтому мозг воспринимает изображение как большее, хотя два изображения, попадающие на сетчатку , имеют одинаковый размер. Оптическая иллюзия, видимая в диораме / ложной перспективе, также использует предположения, основанные на монокулярных сигналах восприятия глубины . Картина Эшера « Водопад» использует правила глубины и близости , а также наше понимание физического мира для создания иллюзии. Как и восприятие глубины , восприятие движения отвечает за ряд сенсорных иллюзий. Киноанимация основана на иллюзии , что мозг воспринимает серию слегка различающихся изображений, создаваемых в быстрой последовательности, как движущуюся картинку. Аналогичным образом, когда мы движемся, как если бы мы ехали в транспортном средстве, может показаться, что устойчивые окружающие объекты движутся. Мы также можем воспринимать большой объект, например самолет, движущимся медленнее, чем более мелкие объекты, например автомобиль, хотя более крупный объект на самом деле движется быстрее. Феномен Фи — еще один пример того, как мозг воспринимает движение, которое чаще всего создается последовательным миганием света.
Неоднозначность направления движения из-за отсутствия визуальных ориентиров глубины показана в иллюзии вращающегося танцора . Кажется, что вращающийся танцор движется по или против часовой стрелки, в зависимости от спонтанной активности мозга, восприятие которого субъективно. Недавние исследования показывают с помощью фМРТ, что при наблюдении за этой иллюзией происходят спонтанные колебания активности коры головного мозга, особенно теменной доли, поскольку она участвует в восприятии движения. [25]
Постоянство восприятия является источником иллюзий. Постоянство цвета и постоянство яркости отвечают за то, что знакомый объект будет выглядеть одинакового цвета независимо от количества света или цвета отражающегося от него света. Иллюзия разницы цветов или разницы в яркости может быть создана при изменении яркости или цвета области, окружающей незнакомый объект. Яркость объекта будет казаться ярче на черном поле (которое отражает меньше света), чем на белом поле, даже если яркость самого объекта не изменилась. Точно так же глаз компенсирует цветовой контраст в зависимости от цветового оттенка окружающей области.
Помимо гештальт-принципов восприятия, акварельные иллюзии способствуют формированию оптических иллюзий. Акварельные иллюзии состоят из эффектов предметной дыры и окраски. Эффекты «объект-дырка» возникают, когда четко видны границы там, где есть фигура и фон с отверстием, имеющим трехмерный объемный вид. Окраска состоит из ассимиляции цвета, исходящего от тонкого цветного края, обрамляющего более темный хроматический контур. Иллюзия акварели описывает, как человеческий разум воспринимает целостность объекта, например, при обработке сверху вниз. Таким образом, на восприятие яркости объекта влияют контекстуальные факторы. [26]
Точно так же, как мозг воспринимает постоянство цвета и яркости, он способен воспринимать знакомые объекты как имеющие постоянную форму или размер. Например, дверь воспринимается как прямоугольник независимо от того, как может меняться изображение на сетчатке при открытии и закрытии двери. Однако незнакомые объекты не всегда подчиняются правилам постоянства формы и могут изменяться при изменении перспективы. Иллюзия таблиц Шепарда [ 27] является примером иллюзии, основанной на искажениях постоянства формы.
[ сомнительно ]
Исследователь Марк Чангизи из Политехнического института Ренсселера в Нью-Йорке имеет более творческий подход к оптическим иллюзиям, утверждая, что они возникают из-за задержки нейронов, которую большинство людей испытывают во время бодрствования. Когда свет попадает на сетчатку, проходит около одной десятой секунды, прежде чем мозг преобразует сигнал в визуальное восприятие мира. Ученым известно о задержке, но они обсуждают, как люди компенсируют это отставание. Некоторые полагают, что наша двигательная система каким-то образом модифицирует наши движения, чтобы компенсировать задержку. [28]
Чангизи утверждает, что зрительная система человека развилась, чтобы компенсировать нейронные задержки, генерируя изображения того, что произойдет на одну десятую секунды в будущем. Такое предвидение позволяет людям реагировать на события в настоящем, позволяя им выполнять рефлексивные действия, такие как ловля мяча, и плавно маневрировать в толпе. [29] В интервью ABC Чангызы сказал: «Иллюзии возникают, когда наш мозг пытается воспринять будущее, и это восприятие не соответствует реальности». [30] Например, иллюзия, называемая иллюзией Геринга , выглядит как велосипедные спицы вокруг центральной точки с вертикальными линиями по обе стороны от этой центральной, так называемой точки схода. [31] Иллюзия заставляет нас думать, что мы смотрим на перспективную картину, и, таким образом, по словам Чангизи, включает наши способности видеть будущее. Поскольку на самом деле мы не движемся, а фигура статична, мы ошибочно воспринимаем прямые линии как изогнутые. Чангызы сказал:
Эволюция позаботилась о том, чтобы подобные геометрические рисунки вызывали у нас предчувствия ближайшего будущего. Сходящиеся линии к точке схода (спицам) — это сигналы, которые заставляют наш мозг думать, что мы движемся вперед — как и в реальном мире, где дверной косяк (пара вертикальных линий) кажется выгибающимся при нашем движении. через него — и мы пытаемся воспринять, как этот мир будет выглядеть в следующее мгновение. [29]
Патологическая зрительная иллюзия представляет собой искажение реального внешнего раздражителя [32] и часто носит диффузный и стойкий характер . Патологические зрительные иллюзии обычно возникают во всем поле зрения, что указывает на глобальную возбудимость или изменения чувствительности. [33] Альтернативно, зрительная галлюцинация — это восприятие внешнего зрительного стимула там, где его нет. [32] Зрительные галлюцинации часто возникают из-за фокальной дисфункции и обычно носят преходящий характер.
К видам зрительных иллюзий относятся осциллопсия , ореолы вокруг предметов , иллюзорная палинопсия ( зрительный шлейф , световые полоски , длительные нечеткие остаточные изображения ), акинетопсия , зрительный снег , микропсия , макропсия , телеопсия , пелопсия , метаморфопсия , дисхроматопсия , интенсивное сияние , энтоптический феномен синего поля , и деревья Пуркинье .
Эти симптомы могут указывать на основное заболевание и вызывать необходимость обращения к врачу. Этиологии, связанные с патологическими зрительными иллюзиями, включают множественные типы заболеваний глаз , мигрень , стойкое расстройство восприятия галлюциногенов , травмы головы и прием рецептурных лекарств . Если при медицинском обследовании не будет выявлена причина возникновения патологических зрительных иллюзий, то идиопатические нарушения зрения могут быть аналогичны состоянию измененной возбудимости, наблюдаемому в зрительной ауре без мигренозной головной боли. Если зрительные иллюзии диффузные и стойкие, они часто влияют на качество жизни пациента. Эти симптомы часто не поддаются лечению и могут быть вызваны любой из вышеупомянутых этиологий, но часто являются идиопатическими. Стандартного лечения этих нарушений зрения не существует.
Иллюзия резиновой руки (RHI), мультисенсорная иллюзия, включающая как зрительное восприятие , так и осязание , использовалась для изучения того, как синдром фантомных конечностей влияет на людей с ампутированными конечностями с течением времени. [5] Лица с ампутированными конечностями с синдромом на самом деле реагировали на RHI сильнее, чем контрольная группа, и этот эффект часто был одинаковым как для стороны неповрежденной, так и для ампутированной руки. [5] Однако в некоторых исследованиях люди с ампутированными конечностями на самом деле имели более сильную реакцию на RHI на неповрежденной руке, а более поздние люди с ампутированными конечностями реагировали на иллюзию лучше, чем люди с ампутированными конечностями, у которых отсутствовала рука в течение многих лет или более. [5] Исследователи полагают, что это признак того, что схема тела , или ощущение человеком своего тела и его частей, постепенно адаптируется к состоянию после ампутации. [5] По сути, люди с ампутированными конечностями учились больше не реагировать на ощущения рядом с тем, что когда-то было их рукой. [5] В результате многие предложили использовать RHI в качестве инструмента для мониторинга прогресса человека с ампутированной конечностью в уменьшении фантомных ощущений конечностей и адаптации к новому состоянию своего тела. [5]
В других исследованиях RHI использовался для реабилитации людей с ампутированными конечностями с протезами конечностей. [34] После длительного воздействия RHI люди с ампутированными конечностями постепенно перестали чувствовать диссоциацию между протезом (который напоминал резиновую руку) и остальным телом. [34] Считалось, что это произошло потому, что они приспособились реагировать и двигать конечностью, которая не ощущалась связанной с остальным телом или органами чувств. [34]
RHI также может использоваться для диагностики определенных расстройств, связанных с нарушением проприоцепции или нарушением осязания у людей без ампутированных ног. [34]
Шизофрения , психическое расстройство, часто сопровождающееся галлюцинациями , также снижает способность человека воспринимать оптические иллюзии высокого порядка. [6] Это связано с тем, что шизофрения ухудшает способность человека выполнять нисходящую обработку и интеграцию зрительной информации на более высоком уровне за пределами первичной зрительной коры, V1 . [6] Понимание того, как это конкретно происходит в мозге, может помочь понять, как зрительные искажения , помимо воображаемых галлюцинаций , влияют на пациентов с шизофренией. [6] Кроме того, оценка различий между тем, как пациенты с шизофренией и незатронутые люди видят иллюзии, может позволить исследователям лучше определить, где конкретные иллюзии обрабатываются в визуальных потоках. [6]
Одно исследование пациентов с шизофренией показало, что они вряд ли будут обмануты трехмерной оптической иллюзией, иллюзией пустого лица , в отличие от нейротипичных добровольцев. [35] На основании данных фМРТ исследователи пришли к выводу, что это произошло из-за разъединения между их системами восходящей обработки зрительных сигналов и нисходящей интерпретации этих сигналов в теменной коре . [35] В другом исследовании иллюзии слепоты, вызванной движением (MIB) (на фото справа), пациенты с шизофренией продолжали воспринимать неподвижные зрительные цели даже при наблюдении отвлекающих двигательных стимулов, в отличие от нейротипической контрольной группы , у которой наблюдалась слепота, вызванная движением. [36] Испытуемые, страдающие шизофренией, продемонстрировали нарушение когнитивной организации, то есть они были менее способны координировать обработку сигналов движения и сигналов неподвижных изображений. [36]
Художники, которые работали с оптическими иллюзиями, включают MC Эшер , [37] Бриджит Райли , Сальвадор Дали , Джузеппе Арчимбольдо , Патрик Бокановски , Марсель Дюшан , Джаспер Джонс , Оскар Рейтерсвард , Виктор Вазарели и Чарльз Аллан Гилберт . Среди современных художников, экспериментировавших с иллюзиями, — Джонти Гурвиц , Сандро дель Прете , Октавио Окампо , Дик Термес , Шигео Фукуда , Патрик Хьюз , Иштван Орос , Роб Гонсалвес , Джанни А. Сарконе , Бен Хейне и Акиёси Китаока . Оптическая иллюзия также используется в кино методом принудительной перспективы .
Оп-арт — это стиль искусства, который использует оптические иллюзии для создания впечатления движения или скрытых изображений и узоров. Тромп-л'Оиль использует реалистичные образы для создания оптической иллюзии, согласно которой изображенные объекты существуют в трех измерениях.
Туристические аттракционы, использующие крупномасштабное иллюзорное искусство, позволяющее посетителям фотографировать себя в фантастических сценах, открылись в нескольких азиатских странах, например, Музей Трики и 3D-музей Гонконга . [38] [39]
Гипотеза утверждает, что зрительные иллюзии возникают потому, что нейронные схемы нашей зрительной системы в результате нейронного обучения развиваются в систему, которая делает очень эффективную интерпретацию обычных трехмерных сцен, основанную на появлении упрощенных моделей в нашем мозгу, которые ускоряют процесс интерпретации, но порождать оптические иллюзии в необычных ситуациях. В этом смысле гипотезу когнитивных процессов можно рассматривать как основу для понимания оптических иллюзий как признака эмпирического статистического способа развития зрения для решения обратной задачи. [40]
Исследования показывают, что возможности трехмерного зрения возникают и осваиваются одновременно с планированием движений. [41] То есть, поскольку сигналы глубины лучше воспринимаются, люди могут развивать более эффективные модели движения и взаимодействия в окружающей их трехмерной среде. [41] После длительного процесса обучения возникает внутреннее представление мира, хорошо адаптированное к воспринимаемым данным, поступающим от более близких объектов. Представление удаленных объектов вблизи горизонта менее «адекватно». [ необходимо дальнейшее объяснение ] На самом деле, не только Луна кажется больше , когда мы воспринимаем ее вблизи горизонта. На фотографии удаленной сцены все удаленные объекты воспринимаются меньшими, чем когда мы наблюдаем их непосредственно своим зрением.