percepcja przestrzeni 4 fizjologia widzenia 1 Katedra Projektowania Środowiskowego dr Anna Awtuch MoŜemy patrzeć oczami i słuchać uszami, ale widzimy i słyszymy mózgiem i umysłem 1
układ wzrokowy Widzenie jest złoŝonym procesem fizyczno-psychicznym, który składa się z trzech etapów: przyjęcia (wychwycenia) bodźca, jego przewodzenia oraz zebrania i poznania go. Warunki te spełnia zbudowany i funkcjonujący prawidłowo układ wzrokowy. Układ ten składa się z umiejscowionej w oczodole gałki ocznej, która odbiera wraŝenia wzrokowe, przekazując je poprzez drogi wzrokowe do korowych ośrodków wzrokowych mózgu. W korowych ośrodkach wzrokowych odbierane są i przetwarzane impulsy, a następnie przesyłane do dalszych ośrodków mózgowych, tak aby mózg zareagował odpowiednią czynnością na bodziec wzrokowy. Oczami odbieramy ok. 80% wszystkich informacji o otoczeniu i aŝ 10% kory mózgowej zaangaŝowanej jest w interpretację tych informacji. rysunki Leonardo da Vinci 2
połączenie oka z mózgiem siatkówki obu oczu połączone są z korą wzrokową półkul mózgowych w obu częściach mózgu, >> nerwy wzrokowe obu oczu łączą się bezpośrednio przed wejściem do wgłębienia czaszki, tworząc tzw. skrzyŝowanie wzrokowe; później dzielą się ponownie na dwa rozgałęzienia, tzw. drogi wzrokowe, które łącząc się z ciałem kolankowatym bocznym prowadzą do obu części kory wzrokowej półkul mózgowych SkrzyŜowanie wzrokowe jest miejscem, gdzie nerw wzrokowy z kaŝdego oka rozdziela się na dwie drogi wzrokowe w taki sposób, Ŝe kaŝda z nich zawiera włókna wzrokowe pochodzące z obu oczu. W układzie tym lewa połowa kory wzrokowej przetwarza informacje wizualne pochodzące z lewej strony siatkówki obu oczu (prawa strona pola widzenia), natomiast prawa połowa kory wzrokowej zajmuje się prawą stroną kaŝdej z siatkówek (lewa strona (lewa strona pola widzenia). Narząd wzroku jest wysoko zorganizowanym analizatorem zmysłowym, którego czynność polega na odbieraniu wraŝeń promieniowania świetlnego. Za: Gregory R. L., Colman A.M. Czucie i percepcja 3
Gałkę oczną moŝna porównać do aparatu fotograficznego, gdzie obiektywem jest układ łamiący (optyczny) oka, a błoną, na której powstają obrazy, jest siatkówka. Budowa gałki ocznej Gałka oczna ma postać prawie kulistą, o przeciętnym wymiarze osi przednio-tylnej 25 mm, osi poziomej 23 mm, objętości 6,5 cm3 i masie 7 g. Zbudowana jest z trzech błon: zewnętrznej błony włóknistej (twardówka i rogówka), środkowej naczyniowej (tęczówka, ciało rzęskowe, naczyniówka) oraz wewnętrznej czuciowej (siatkówka). rysunek Leonardo da Vinci 4
rogówka bierze udział w załamywaniu promieni świetlnych Dzięki odpowiedniemu zawieszeniu, w zaleŝności od stanu napięcia obwódki rzęskowej - regulowanego przez mięśnie ciała rzęskowego - zmienia się kształt soczewki na bardziej płaski lub wypukły. Światło, odbite od oglądanego przedmiotu, przechodzi przez rogówkę oka, następnie przez otwór w tęczówce zwany źrenicą, potem przez soczewkę i ciałko szkliste i pada na siatkówkę, zbudowaną z czułych na światło i barwę receptorów ( czopków i pręcików). Tutaj bodziec świetlny zostaje zmieniony na impuls nerwowy, przekazywany przez nerw wzrokowy do mózgu. 5
Siatkówka składa się z więcej niŝ 100 milionów światłoczułych końcówek nerwowych dwojakiego rodzaju: pręciki i czopki. Pręcików jest około 120 milionów, natomiast czopków około 6 milionów. Pręciki są rozmieszczone na całej siatkówce, poza Ŝółtą plamką, w centrum osi wzrokowej. Pręciki są wysoce światłoczułe i głównie odpowiedzialne za wykrywanie kształtu i ruchu. Czopki skoncentrowane są właśnie w Ŝółtej plamce i występują dość rzadko w pozostałej części siatkówki. Czopki są mniej wraŝliwe na światło, ale posiadają zdolność rozróŝniania kolorów. UmoŜliwiają one nam równieŝ postrzeganie drobnych szczegółów. Siatkówka składa się z więcej niŝ 100 milionów światłoczułych końcówek nerwowych dwojakiego rodzaju: pręciki i czopki. Siatkówka ma połączenia nerwowe z całym układem mięśniowo-szkieletowym, pozwala to na odruchową reakcję ustroju pod wpływem bodźca wzrokowego, np. uchylenie się przed spadającym na nas przedmiotem, zwęŝenie źrenicy pod wpływem olśnienia i odwrócenie głowy od źródła światła z zamknięciem powiek. za: http://is.umk.pl/~duch/wyklady/mozg/09-1-wzrok.htm 6
Pręcików jest około 120 milionów, natomiast czopków około 6 milionów. ślepa plamka Ślepa plamka miejsce niewraŝliwe na bodźce świetlne; jeŝeli obraz pada na to właśnie miejsce jest niewidoczny. Na kartce narysuj krzyŝyk, w odległości 9 cm na prawo od niego duŝą kropkę. Gdy patrzymy prawym okiem z odległości wyciągniętej ręki na krzyŝyk (zakrywszy lewe oko), przesuwając jednocześnie kartkę, to w pewnym momencie zauwaŝymy, Ŝe kropka zniknie z naszego pola widzenia. Dzieje się tak w chwili, kiedy obraz kropki padnie na ślepą plamkę. W normalnym widzeniu nie dostrzegamy luki (dwuoczne widzenie, ruchy gałek, psychologiczna tendencja do uzupełniania) 7
Refrakcja Zdolność i siła załamywania promieni świetlnych przez układ optyczny oka nazywa się łamliwością lub refrakcją Wiązka promieni wpadająca do oka i dąŝąca do siatkówki musi przejść przez cały układ optyczny oka (rogówka, komora przednia, soczewka i ciało szkliste) i na poszczególnych jego elementach ulega załamywaniu. W układzie tym rogówka najsilniej załamuje światło i na nią przypada 2/3 mocy optycznej. Drugim waŝnym elementem jest soczewka, która w spoczynku ma 1/3 mocy optycznej. Reszta ośrodków optycznych oka nie ma tak istotnego znaczenia w refrakcji oka. ŚWIAT DO GÓRY NOGAMI... Obraz przedmiotu na siatkówce jest odwrócony "do góry nogami", co wynika z fizycznej budowy oka (soczewka odwraca obraz). W pierwszych dniach Ŝycia mózg człowieka uczy się widzieć prawidłowy obraz obracając go, aby w późniejszym Ŝyciu robić to automatycznie. Oznacza to, Ŝe niemowlę widzi świat "postawiony na głowie" i dopiero po pewnym czasie zaczyna widzieć normalnie (jest to przyczyną niezbyt dobrej koordynacji ruchowej u niemowląt) 8
światło widzialne Światło jest to promieniowanie elektromagnetyczne o długości fali w zakresie od 380 do 780 nm. Na tę część widma promieniowania elektromagnetycznego reaguje oko ludzkie (zakres określany jako promieniowanie widzialne). Oko ludzkie nie jest jednakowo wraŝliwe na wszystkie długości fali promieniowania widzialnego największą wraŝliwość wykazuje na środkowe długości w podanym zakresie, a więc około 550 nm. widzenie nocne - w odbieraniu bodźców świetlnych biorą udział wyłącznie pręciki: człowiek widzi świat pozbawiony barw (jak na czarno-białym filmie); wyłącznie rozróżnianie stopnia jasności elementów otoczenia; znacznie spada rozdzielczość oka na rozpoznawanie szczegółów obrazu widzenie dzienne w rozpoznawaniu bodźców świetlnych biorą wówczas udział wyłącznie czopki (receptory umożliwiające widzenie barwne), nie biorą natomiast udziału pręciki (rozpoznające różnice natężenia światła tylko w ciemności, robiące to monochromatycznie); widzenie dzienne zapewnia największą czułość dla długości fali, odpowiadającej kolorowi żółtemu (ewolucja dostosowała nas do charakterystyki promieniowania naszej gwiazdy - Słońca) co odpowiada długości fali świetlnej 555 nm (widzenie nocne przesunięcie w kierunku fioletu) 9
widzenie barwne Człowiek posiada trzy rodzaje czopków, odpowiedzialnych za widzenie barw. Są one wraŝliwe na światło czerwone, zielone i niebieskie. Dla człowieka (i innych naczelnych) system czopków umoŝliwia rozróŝnianie barw niezaleŝnie od zmieniającej się jasności. Dzięki posiadaniu czopków wraŝliwych na światło niebieskie człowiek jest w stanie oceniać odległość na podstawie perspektywy powietrznej. Czopki są aktywne jedynie w świetle dziennym widzenie zmierzchowe Widzenie o zmierzchu realizowane jest przez pręciki (w ciemności waŝna ekspozycja na bodźce peryferyczne); adaptacja pręcików do ciemności przebiega wolno - dopiero po 8 minutach osiągają tą samą wraŝliwość co czopki, następnie jednak ich wraŝliwość jest większa. Pełna adaptacja do widzenia w ciemności zajmuje około 15-20 minut. W procesie widzenia pigmenty w światłoczułych komórkach ulegają rozkładowi. Do normalnego widzenia niezbędna jest ich ponowna produkcja. 10
Mączyńska-Frydryszek A., Jaskólska-Klaus M., Maruszewski T., Psychofizjologia widzenia adaptacja Widzenie nie jest procesem natychmiastowym (potrzebny jest czas, aby nastąpiła reakcja, a kiedy zaniknie, wraŝenie utrzymuje się jeszcze chwilę (dziesiętne części sekundy) Bezwładność wzroku - oko jest zdolne przechowywać wraŝenie wzrokowe w czasie mniej więcej 0,1 sekundy - fakt ten wykorzystywany jest w kinie, gdzie wyświetlane są kolejne nieruchome kadry filmu z prędkością 25 klatek na sekundę; podczas widzenia mózg pełni rolę korygującą, sprawia, Ŝe dwa jednakowe przedmioty znajdujące się niedaleko nas, ale w róŝnych odległościach nie wydają się nam róŝne rozmiarami Adaptacja, czyli zdolność dostosowywania się wraŝliwości siatkówki do warunków oświetlenia (regulacja fotochemiczna). Czas adaptacji jest tym dłuŝszy, im większy jest stosunek luminancji (światło księŝyca i słońca zmienia się w stosunku 1:10000000). 11
Mączyńska-Frydryszek A., Jaskólska-Klaus M., Maruszewski T., Psychofizjologia widzenia akomodacja oka Akomodacja, czyli zdolność nastawcza układu optycznego oka (soczewki) umoŝliwiająca widzenie ostre z róŝnej odległości. Przyjmuje się dwa charakterystyczne połoŝenia soczewki: punkt bliŝy, czyli najbliŝszy punkt o dobrej ostrości oka, punkt dali, czyli najdalszy punkt o dobrej ostrości oka. Na akomodację ma wpływ: wiek, zmęczenie i natęŝenia oświetlenia, punkt dali się przybliŝa, a bliŝy oddala. W zaleŝności od wieku punkt bliŝy kształtuje się następująco: wiek 16 32 44 50 60 połoŝenie punktu bliŝy (cm) 8 12,5 25 50 100 12
akomodacja soczewki Mączyńska-Frydryszek A., Jaskólska-Klaus M., Maruszewski T., Psychofizjologia widzenia ostrość widzenia Ostrość widzenia rozpoznawanie obserwowanych szczegółów. Punktem odniesienia jest moŝliwość rozpoznawania dwóch elementów (punktowych) pod kątem 1 minuty łukowej z odległości 5 m, lub 10 sekund kątowych widzianej z odległości 10 m. Ostrość widzenia zmienia się wraz z warunkami ciąŝenia. Przy braku ciąŝenia ostrość jest największa, gdyŝ warunki te ułatwiają ciągłą oscylację gałki ocznej (tzw. fiksacja). 13
Mączyńska-Frydryszek A., Jaskólska-Klaus M., Maruszewski T., Psychofizjologia widzenia oko dalekowzroczne - promienie załamane w układzie optycznym ogniskują się poza siatkówką > soczewka skupiająca przesuwa ognisko na siatkówkę oko krótkowzroczne - promienie światła załamane w układzie optycznym ogniskują się przed siatkówką > soczewka rozpraszająca przesuwa ognisko na siatkówkę pole widzenia Pole widzenia człowieka moŝna podzielić (nieco arbitralnie) na 3 strefy: obszar centralny - odpowiadający dołkowi centralnemu, umoŝliwiający ostre widzenie, rozpoznawanie symboli (obejmuje 1-1,5 stopnia; informacja przekazywana do mózgu przez tzw. kanał parwocelularny); obszar wokółcentralny, w którym ostrość widzenia jest zmniejszona (obejmuje 3-5 stopni); obszar peryferyczny - widzenie jest mało precyzyjne, jednak obszar ten jest wraŝliwy na kontrast i ruch (czas reakcji na zdarzenia jest bardzo krótki - dzięki transmisji przez kanał magnocelularny). 14
pole widzenia ok. 1.5 - obszar widzenia ostrego. Złudzenie, Ŝe patrząc na duŝy obiekt widzimy go dokładnie w całości to efekt precyzyjnego mechanizmu, który umoŝliwia przenoszenie wzroku na najbardziej istotne elementy. dołek centralny percepcja przestrzeni 5 fizjologia widzenia 2 Katedra Projektowania Środowiskowego dr Anna Awtuch 15
Mączyńska-Frydryszek A., Jaskólska-Klaus M., Maruszewski T., Psychofizjologia widzenia Mączyńska-Frydryszek A., Jaskólska-Klaus M., Maruszewski T., Psychofizjologia widzenia 16
http:/people.csail.mit.edu/fredo/artandscienceofdepiction/5_activevision/activevision.html 17
http:/people.csail.mit.edu/fredo/artandscienceofdepiction/5_activevision/activevision.html Ruchy oczu 3 podstawowe rodzaje ruchów oczu: 1. ruchy skokowe (sakkadowe) średnio 3 ruchy na sekundę - zjawisko obmacywania przedmiotu wzrokiem 2. ruchy zbaczające powodują przesuwanie się obrazu z dołka centralnego siatkówki (okolica najostrzejszego widzenia); amplituda rzędu 5 lub więcej minut kątowych (dosyć wolne, trwają nawet do 10 sec) 3. drganie / drŝenie częstotliwość od 30 do 70 cykli na sekundę, amplituda 15-20 sekund kątowych 2 i 3 mimowolne i niezaleŝne od siebie w obojgu oczach 18
http://www.personal.psu.edu/users/e/l/elm173/schlwork/semester3/psych http://pedagog.umcs.lublin.pl/~wafra/okulograf.htm 19
http://pedagog.umcs.lublin.pl/~wafra/okulograf.htm http://www.owlnet.rice.edu/~psyc351/images/visualpathways.jpg 20
konwergencja oczu ZbieŜność oczu (konwergencja), czyli zdolność kierowania obojga oczu ma jeden punkt. Przy prawidłowej reakcji na obu gałkach powstają dwa obrazy, które nakładają się na siebie i zostają skojarzone jako pojedynczy obraz. DLACZEGO CZŁOWIEK MA PARĘ OCZU? Gdy patrzymy na przedmiot ustawiony bardzo daleko od nas osie patrzenia obu oczu ustawione są prawie równolegle. JeŜeli przedmiot ten będziemy zbliŝali w naszym kierunku, to mięśnie gałek ocznych będą zmieniać połoŝenie gałek, tak aby osie widzenia podąŝały za tym przedmiotem, a tym samym przecięły się. Zjawisko to nosi nazwę konwergencji. Im bliŝej oczu znajdzie się przedmiot, tym osie patrzenia przetną się pod większym kątem. Analizując ten kąt, mózg człowieka wnioskuje o odległości obserwowanego przedmiotu od oczu. Gdyby zatem człowiek wyposaŝony był w tylko jedno oko, bardzo trudno byłoby mu określać odległość obserwowanego przedmiotu od siebie. 21
ZASADY STEREOSKOPOWEJ GŁĘBI (za: T. Górska, A. Grabowska, J. Zagrodzka (red), Mózg a zachowanie, PWN, 2005) 22
dwuoczna rozbieŝność/nierówność A B C D ABDC ADBC http://www.owlnet.rice.edu/~psyc351/imagelist.htm 23
Za: Gregory R. L., Colman A.M. Czucie i percepcja 24
ZŁOTE ZIARNO (HIRANYAGARBHA, 1775-1800) INDIE http://pedagog.umcs.lublin.pl/~wafra/okulograf.htm 25
ZAŚNIĘCIE (USPIENIJE, 1370-1380) Teofan Grek http://pedagog.umcs.lublin.pl/~wafra/okulograf.htm http://www.owlnet.rice.edu/~psyc351/images/visualpathways.jpg 26
http://pedagog.umcs.lublin.pl/~wafra/okulograf.htm 27
http://insight.med.utah.edu/webvision/index.html 28