Стереопсис (от древнегреческого στερεός ( stereós ) «твердый» и ὄψις ( ópsis ) «внешний вид, зрение») — компонент восприятия глубины , получаемый с помощью бинокулярного зрения . [1] Стереопсис — не единственный фактор, влияющий на восприятие глубины, но он является одним из основных. Бинокулярное зрение происходит потому, что каждый глаз получает разное изображение, поскольку они находятся в немного разных положениях в голове (левый и правый глаза). Эти позиционные различия называются «горизонтальными диспаратностями» или, в более общем смысле, « бинокулярными диспаратностями ». Диспаратности обрабатываются в зрительной коре головного мозга для получения восприятия глубины . Хотя бинокулярные диспаратности естественным образом присутствуют при просмотре реальной трехмерной сцены двумя глазами, их также можно смоделировать, искусственно представляя два разных изображения отдельно для каждого глаза с помощью метода, называемого стереоскопией . Восприятие глубины в таких случаях также называют «стереоскопической глубиной». [1]
Однако восприятие глубины и трехмерной структуры возможно с помощью информации, видимой только одним глазом, такой как различия в размерах объектов и параллакс движения (различия в изображении объекта с течением времени при движении наблюдателя) [2] , хотя впечатление глубины в этих случаях часто не такое яркое, как получаемое из бинокулярных различий. [3] Поэтому термин стереопсис (или стереоскопическая глубина) может также относиться конкретно к уникальному впечатлению глубины, связанному с бинокулярным зрением (в просторечии называемым видением «в 3D»).
Было высказано предположение, что впечатление «реального» разделения по глубине связано с точностью, с которой определяется глубина, и что осознанное понимание этой точности — воспринимаемое как впечатление интерактивности и реальности — может помочь в планировании двигательного действия. [4]
Стереопсис подразделяется на два различных аспекта: грубый стереопсис и тонкий стереопсис, которые предоставляют информацию о глубине с различной степенью пространственной и временной точности.
Стереопсис, которого может достичь человек, ограничен уровнем остроты зрения более слабого глаза. В частности, пациентам со сравнительно низкой остротой зрения, как правило, требуются относительно большие пространственные частоты для присутствия во входных изображениях, в противном случае они не смогут достичь стереопсиса. [6] Для точного стереопсиса требуется, чтобы оба глаза имели хорошую остроту зрения, чтобы обнаруживать небольшие пространственные различия, и он легко нарушается ранней зрительной депривацией. Есть указания на то, что в ходе развития зрительной системы у младенцев грубый стереопсис может развиться до точного стереопсиса, и что грубый стереопсис направляет движения вергенции , которые необходимы для того, чтобы на последующей стадии развился точный стереопсис. [7] [8] Кроме того, есть указания на то, что грубый стереопсис является механизмом, который удерживает два глаза на одной линии после операции по поводу косоглазия . [9]
Также было предложено различать два различных типа стереоскопического восприятия глубины: статическое восприятие глубины (или статическое стереовосприятие) и восприятие движения в глубину (или восприятие стереодвижения). Некоторые люди, страдающие косоглазием и не демонстрирующие восприятия глубины с помощью статических стереотестов (в частности, с помощью тестов Титмуса, см. раздел этой статьи о контурных стереотестах), воспринимают движение в глубину при тестировании с использованием динамических стереограмм со случайными точками . [10] [11] [12] Одно исследование показало, что сочетание стереопсиса движения и отсутствия статического стереопсиса присутствует только у экзотропов , но не у эзотропов . [13]
Существуют веские основания полагать, что стереоскопический механизм состоит по крайней мере из двух перцептивных механизмов, [14] возможно, из трех. [15] Грубый и тонкий стереопсис обрабатываются двумя различными физиологическими подсистемами, причем грубый стереопсис выводится из диплопических стимулов (то есть стимулов с диспаратностью, выходящей далеко за пределы диапазона бинокулярного слияния) и дает лишь смутное впечатление о величине глубины. [14] Грубый стереопсис, по-видимому, связан с магно-путем , который обрабатывает низкие пространственные частотные диспаратности и движение, а тонкий стереопсис — с парво-путем , который обрабатывает высокие пространственные частотные диспаратности. [16] Грубая стереоскопическая система, по-видимому, способна предоставлять остаточную бинокулярную информацию о глубине у некоторых людей, у которых отсутствует тонкий стереопсис. [17] Было обнаружено, что люди по-разному интегрируют различные стимулы, например, стереоскопические сигналы и окклюзию движения. [18]
То, как мозг объединяет различные сигналы, включая стерео, движение, угол вергенции и монокулярные сигналы , для восприятия движения в глубине и положения трехмерного объекта, является областью активных исследований в области науки о зрении и смежных дисциплинах. [19] [20] [21] [22]
Не у всех одинаковая способность видеть с помощью стереопсиса. Одно исследование показывает, что 97,3% способны различать глубину при горизонтальной разнице в 2,3 угловых минуты или меньше, и по крайней мере 80% могут различать глубину при горизонтальной разнице в 30 угловых секунд . [23]
Стереоскопическое зрение оказывает положительное влияние на выполнение практических задач, таких как вдевание нитки в иголку, ловля мяча (особенно в быстрых играх с мячом [24] ), наливание жидкостей и других. Профессиональная деятельность может включать в себя работу со стереоскопическими инструментами, такими как бинокулярный микроскоп . Хотя некоторые из этих задач могут выиграть от компенсации зрительной системы с помощью других сигналов глубины, есть некоторые роли, для которых стереоскопическое зрение является обязательным. Профессии, требующие точной оценки расстояния, иногда включают требование продемонстрировать определенный уровень стереоскопического зрения; в частности, такое требование существует для пилотов самолетов (даже если первый пилот, совершивший кругосветный полет в одиночку, Уайли Пост , совершил свой подвиг, используя только монокулярное зрение.) [25] Также хирурги [26] обычно демонстрируют высокую остроту стереозрения. Что касается вождения автомобиля , исследование обнаружило положительное влияние стереоскопического зрения в определенных ситуациях только на средних расстояниях; [27] Более того, исследование с участием пожилых людей показало, что блики , потеря поля зрения и полезное поле зрения были значимыми предикторами попадания в аварию, тогда как показатели остроты зрения, контрастной чувствительности и остроты стереозрения у пожилых людей не были связаны с авариями. [28]
Бинокулярное зрение имеет и другие преимущества помимо стереопсиса, в частности, улучшение качества зрения за счет бинокулярной суммации ; люди с косоглазием (даже те, у кого нет двоения в глазах) имеют более низкие показатели бинокулярной суммации, и это, по-видимому, побуждает людей с косоглазием закрывать один глаз в ситуациях, требующих зрительного восприятия. [29] [30]
Давно признано, что полное бинокулярное зрение, включая стереопсис, является важным фактором стабилизации послеоперационного результата коррекции косоглазия. Многие люди, лишенные стереопсиса, имеют (или имели) видимое косоглазие , которое, как известно, имеет потенциальное социально-экономическое влияние на детей и взрослых. В частности, как косоглазие с большим углом, так и косоглазие с малым углом может негативно влиять на самооценку , поскольку оно мешает нормальному зрительному контакту , часто вызывая смущение, гнев и чувство неловкости. [31] Более подробную информацию об этом см. в разделе психосоциальные эффекты косоглазия .
Было отмечено, что с ростом внедрения технологии 3D-дисплеев в индустрию развлечений, а также в медицинскую и научную визуализацию, высококачественное бинокулярное зрение, включая стереопсис, может стать ключевой возможностью для успеха в современном обществе. [32]
Тем не менее, есть указания на то, что отсутствие стереозрения может заставить людей компенсировать его другими способами: в частности, стереослепота может дать людям преимущество при изображении сцены с использованием монокулярных глубинных сигналов всех видов, и среди художников, по-видимому, непропорционально большое количество людей, лишенных стереопсиса. [33] В частности, было высказано предположение, что Рембрандт мог быть стереослепым .
Стереопсис был впервые объяснен Чарльзом Уитстоном в 1838 году: «… разум воспринимает объект трех измерений посредством двух разнородных изображений, проецируемых им на две сетчатки…». [34] Он осознал, что поскольку каждый глаз видит визуальный мир с немного разных горизонтальных позиций, изображение каждого глаза отличается от другого. Объекты, находящиеся на разном расстоянии от глаз, проецируют изображения в два глаза, которые отличаются своим горизонтальным положением, давая сигнал глубины горизонтальной диспаратности, также известный как ретинальная диспаратность и бинокулярная диспаратность . Уитстон показал, что это эффективный сигнал глубины, создающий иллюзию глубины из плоских изображений, которые отличались только горизонтальной диспаратностью. Чтобы показывать свои изображения отдельно двум глазам, Уитстон изобрел стереоскоп .
Леонардо да Винчи также понял, что объекты, находящиеся на разном расстоянии от глаз, проецируют изображения в двух глазах, которые отличаются по своему горизонтальному положению, но пришел к выводу только, что это делает невозможным для художника реалистичное изображение глубины в сцене с одного холста. [35] Леонардо выбрал для своего ближнего объекта колонну с круглым поперечным сечением, а для своего дальнего объекта — плоскую стену. Если бы он выбрал любой другой ближний объект, он мог бы обнаружить горизонтальное несоответствие его черт. [36] Его колонна была одним из немногих объектов, которые проецируют идентичные изображения себя в двух глазах.
Стереоскопия стала популярной в викторианскую эпоху с изобретением призматического стереоскопа Дэвидом Брюстером . Это, в сочетании с фотографией , означало, что были получены десятки тысяч стереограмм .
Примерно до 1960-х годов исследования стереопсиса были посвящены изучению его пределов и его связи с единичностью зрения. Среди исследователей были Питер Людвиг Панум , Эвальд Геринг , Адельберт Эймс-младший и Кеннет Н. Огл .
В 1960-х годах Бела Юлеш изобрел стереограммы со случайными точками . [37] В отличие от предыдущих стереограмм, в которых каждая половина изображения показывала узнаваемые объекты, каждая половина изображения первых стереограмм со случайными точками показывала квадратную матрицу из примерно 10 000 маленьких точек, причем каждая точка имела 50% вероятность быть черной или белой. Никаких узнаваемых объектов не было видно ни на одной половине изображения. Два половинных изображения стереограммы со случайными точками были по сути идентичны, за исключением того, что у одного была квадратная область точек, смещенная по горизонтали на один или два диаметра точки, что давало горизонтальное неравенство. Промежуток, оставленный сдвигом, был заполнен новыми случайными точками, скрывая смещенный квадрат. Тем не менее, когда два половинных изображения просматривались по одному для каждого глаза, квадратная область была почти сразу видна, находясь ближе или дальше, чем фон. Юлеш причудливо назвал квадрат циклопическим изображением в честь мифического циклопа , у которого был только один глаз. Это было потому, что это было так, как будто у нас внутри мозга есть циклопический глаз, который может видеть циклопические стимулы, скрытые от каждого из наших настоящих глаз. Стереограммы со случайными точками выявили проблему стереопсиса, проблему соответствия . Она заключается в том, что любая точка на одной половине изображения может быть реалистично сопряжена со многими точками того же цвета на другой половине изображения. Наши зрительные системы четко решают проблему соответствия, в том смысле, что мы видим предполагаемую глубину вместо тумана ложных совпадений. Исследования начали понимать, как это происходит.
Также в 1960-х годах Хорас Барлоу , Колин Блейкмор и Джек Петтигрю обнаружили нейроны в зрительной коре кошки , рецептивные поля которых располагались в разных горизонтальных положениях в двух глазах. [38] Это заложило нейронную основу для стереопсиса. Их выводы были оспорены Дэвидом Хьюбелом и Торстеном Визелем , хотя они в конечном итоге признали это, когда обнаружили аналогичные нейроны в зрительной коре обезьяны . [39] В 1980-х годах Джан Поджио и другие обнаружили нейроны в V2 мозга обезьяны, которые реагировали на глубину стереограмм со случайными точками. [40]
В 1970-х годах Кристофер Тайлер изобрел автостереограммы — стереограммы со случайными точками, которые можно просматривать без стереоскопа. [41] Это привело к появлению популярных изображений Magic Eye .
В 1989 году Антонио Медина Пуэрта продемонстрировал с помощью фотографий, что ретинальные изображения без параллаксной диспаратности, но с разными тенями, стереоскопически сливаются, придавая глубинное восприятие изображенной сцене. Он назвал это явление «теневым стереопсисом». Поэтому тени являются важным стереоскопическим признаком для восприятия глубины. Он показал, насколько эффективен этот феномен, сделав две фотографии Луны в разное время и, следовательно, с разными тенями, заставив Луну выглядеть стереоскопически в 3D, несмотря на отсутствие какого-либо другого стереоскопического признака. [42]
Стереоскоп — это устройство, с помощью которого каждому глазу могут быть представлены разные изображения, что позволяет стимулировать стереопсис двумя картинками, по одной для каждого глаза. Это привело к различным увлечениям стереопсисом, обычно вызванным новыми видами стереоскопов. В викторианские времена это был призматический стереоскоп (позволяющий просматривать стереофотографии ), а в 1920-х годах это были красно-зеленые очки (позволяющие просматривать стереофильмы ). В 1939 году концепция призматического стереоскопа была переработана в технологически более сложный View-Master , который производится и по сей день. В 1950-х годах поляризационные очки позволили получать стереопсис цветных фильмов. В 1990-х годах были представлены изображения Magic Eye ( автостереограммы ), которые не требовали стереоскопа, но полагались на зрителей, использующих форму свободного слияния, так что каждый глаз видел разные изображения.
Стереопсис, по-видимому, обрабатывается в зрительной коре млекопитающих в бинокулярных клетках , имеющих рецептивные поля в разных горизонтальных положениях в двух глазах. Такая клетка активна только тогда, когда ее предпочтительный стимул находится в правильном положении в левом глазу и в правильном положении в правом глазу, что делает ее детектором несоответствия .
Когда человек смотрит на объект, два глаза сходятся так, что объект появляется в центре сетчатки обоих глаз. Другие объекты вокруг основного объекта кажутся смещенными по отношению к основному объекту. В следующем примере, в то время как основной объект (дельфин) остается в центре двух изображений в двух глазах, куб смещается вправо на изображении левого глаза и смещается влево на изображении правого глаза.
Поскольку каждый глаз находится в разном горизонтальном положении, каждый из них имеет немного разную перспективу на сцену, давая разные ретинальные изображения. Обычно не наблюдается два изображения, а скорее один вид сцены, явление, известное как единичность зрения. Тем не менее, стереопсис возможен при двойном зрении. Эта форма стереопсиса была названа качественным стереопсисом Кеннетом Оглом. [43]
Если изображения сильно различаются (например, из-за косоглазия или при предъявлении разных изображений в стереоскопе ), то можно видеть одно изображение за раз — явление, известное как бинокулярное соперничество .
Существует эффект гистерезиса, связанный со стереопсисом. [44] После того, как слияние и стереопсис стабилизировались, слияние и стереопсис могут поддерживаться, даже если два изображения медленно и симметрично раздвигаются в определенной степени в горизонтальном направлении. В вертикальном направлении наблюдается похожий, но меньший эффект. Этот эффект, впервые продемонстрированный на стереограмме со случайными точками , изначально интерпретировался как расширение области слияния Панума . [45] Позже было показано, что эффект гистерезиса выходит далеко за пределы области слияния Панума, [46] и что стереоскопическая глубина может восприниматься в стереограммах со случайными линиями, несмотря на наличие циклодиспаратности около 15 градусов, и это было интерпретировано как стереопсис с диплопией . [47]
При нормальных обстоятельствах глубина, определяемая стереопсисом, согласуется с другими признаками глубины, такими как параллакс движения (когда наблюдатель движется, глядя на одну точку сцены, точка фиксации , точки ближе и дальше от точки фиксации кажутся движущимися против или вместе с движением, соответственно, со скоростями, пропорциональными расстоянию от точки фиксации), и изобразительными признаками, такими как наложение (более близкие объекты закрывают более далекие объекты) и знакомый размер (более близкие объекты кажутся больше, чем более далекие объекты). Однако, используя стереоскоп, исследователи смогли противостоять различным признакам глубины, включая стереопсис. Наиболее радикальной версией этого является псевдоскопия , в которой половинные изображения стереограмм меняются местами между глазами, обращая вспять бинокулярную диспаратность. Уитстон (1838) обнаружил, что наблюдатели все еще могут оценить общую глубину сцены, соответствующую изобразительным признакам. Стереоскопическая информация сопровождала общую глубину. [34]
Компьютерное стереозрение является частью области компьютерного зрения . Иногда оно используется в мобильной робототехнике для обнаружения препятствий. Примерами применения являются марсоход ExoMars и хирургическая робототехника. [48]
Две камеры делают снимки одной и той же сцены, но они разделены расстоянием — точно так же, как наши глаза. Компьютер сравнивает изображения, сдвигая два изображения друг над другом, чтобы найти совпадающие части. Смещенная величина называется диспаратностью . Диспаратность, при которой объекты на изображении лучше всего совпадают, используется компьютером для расчета расстояния между ними.
Для человека глаза изменяют свой угол в зависимости от расстояния до наблюдаемого объекта. Для компьютера это представляет собой значительную дополнительную сложность в геометрических вычислениях ( эпиполярная геометрия ). Фактически, простейший геометрический случай — это когда плоскости изображения камеры находятся в одной плоскости. Изображения могут быть альтернативно преобразованы путем перепроецирования через линейное преобразование , чтобы находиться в одной плоскости изображения. Это называется ректификацией изображения .
Компьютерное стереозрение с множеством камер при фиксированном освещении называется структурой из движения . Методы, использующие фиксированную камеру и известное освещение, называются фотометрическими стереометодами или « формой из тени ».
Было предпринято много [ каких? ] попыток воспроизвести человеческое стереозрение на быстро меняющихся компьютерных дисплеях, и с этой целью в USPTO было подано множество патентов, относящихся к 3D-телевидению и кино . По крайней мере в США коммерческая деятельность, связанная с этими патентами, была ограничена исключительно грантополучателями и лицензиатами патентообладателей, чьи интересы, как правило, действуют в течение двадцати лет с момента подачи заявки.
Не принимая во внимание 3D-телевидение и кино (которым обычно требуется более одного цифрового проектора, движущиеся изображения которого механически связаны, в случае с IMAX 3D-кино), несколько стереоскопических ЖК-дисплеев будут предложены [ когда? ] компанией Sharp [ почему? ] , которая уже начала поставлять ноутбук [ который? ] со встроенным стереоскопическим ЖК-дисплеем. Хотя старые технологии требовали [ когда? ] от пользователя надевать очки или козырьки для просмотра изображений, созданных компьютером , или CGI, новые технологии [ которые? ] имеют тенденцию использовать линзы Френеля или пластины поверх жидкокристаллических дисплеев, освобождая пользователя от необходимости надевать специальные очки или очки .
В тестах на стереопсис (коротко: стереотесты ) каждому глазу показываются немного разные изображения, так что в случае наличия стереозрения воспринимается трехмерное изображение. Этого можно достичь с помощью векторографов (видимых в поляризованных очках), анаглифов (видимых в красно-зеленых очках), лентикулярных линз (видимых невооруженным глазом) или технологии отображения на голове . Тип изменений от одного глаза к другому может различаться в зависимости от того, какой уровень стереоостроты необходимо обнаружить. Таким образом, серия стереотестов для выбранных уровней представляет собой тест на стереоостроту .
Существует два типа общих клинических тестов на стереопсис и остроту стереозрения: стереотесты со случайными точками и стереотесты с контурами. Тесты на стереопсис со случайными точками используют изображения стереофигур, которые встроены в фон из случайных точек. Контурные стереотесты используют изображения, на которых цели, представленные каждому глазу, разделены горизонтально. [49]
Способность к стереопсису можно проверить, например, с помощью теста Ланга-Стереотеста , который состоит из стереограммы со случайными точками , на которой в определенных формах отпечатан ряд параллельных полос цилиндрических линз , которые разделяют виды, видимые каждым глазом в этих областях, [50] подобно голограмме . Без стереопсиса изображение выглядит только как поле случайных точек, но формы становятся различимыми с увеличением стереопсиса и, как правило, состоят из кошки (что указывает на способность к стереопсису в 1200 секунд дуги сетчаточной диспаратности), звезды (600 секунд дуги) и автомобиля (550 секунд дуги). [50] Для стандартизации результатов изображение следует рассматривать на расстоянии от глаза 40 см и точно во фронтопараллельной плоскости. [50] В то время как большинство стереотестов со случайными точками, таких как стереотест со случайными точками «E» или стереотест TNO, потребуют специальных очков для тестирования (например, поляризованных или красно-зеленых очков), стереотест Ланга работает без использования специальных очков, тем самым облегчая его использование у маленьких детей. [50]
Примерами контурных стереотестов являются стереотесты Титмуса, наиболее известным примером является стереотест мухи Титмуса, где изображение мухи отображается с несоответствиями по краям. Пациент использует 3D-очки, чтобы посмотреть на изображение и определить, можно ли увидеть 3D-фигуру. Количество несоответствий в изображениях варьируется, например, 400-100 секунд дуги и 800-40 секунд дуги. [51]
Дефицит стереопсиса может быть полным (тогда это называется стереослепотой ) или более или менее нарушенным. Причины включают слепоту на один глаз, амблиопию и косоглазие .
Терапия зрения является одним из методов лечения для людей, у которых отсутствует стереопсис. Терапия зрения позволит людям улучшить свое зрение с помощью нескольких упражнений, таких как укрепление и улучшение движения глаз. [52] Недавно появились доказательства того, что остроту стереозрения можно улучшить у людей с амблиопией с помощью перцептивного обучения ( см. также: лечение амблиопии ). [53] [54]
Стереопсис был обнаружен у многих позвоночных [1] , включая млекопитающих , таких как лошади , [55] птиц, таких как соколы [56] и совы , [57] рептилий, амфибий , включая жаб [58] и рыб. Он также был обнаружен у беспозвоночных [1] , включая головоногих , таких как каракатицы , [59] ракообразных, пауков и насекомых, таких как богомолы . [60] У ротоногих даже есть стереопсис только с одним глазом. [61]