У людей, как и у приматов, в ходе эволюции развилась невероятная визуальная система, которая дает возможность видеть мир в трех измерениях и оценивать расстояние с большой степенью точности.
Наши глаза расположены на небольшом расстоянии друг от друга на передней части лица, в то время как у многих животных органы зрения занимают положение по обе стороны головы. Несмотря на это, наши глаза также видят одно и то же изображение немного по-разному (монокулярное зрение), но благодаря особым свойствам нашего мозга унифицировать изображение, дают восприятия глубины и объема предметов. Такое создание единого изображения называется «бинокулярное зрение».
Формирование
Развитие некоторых органов у человека ввиду их сложного строения и функций не заканчивается сразу после рождения. Бинокулярное зрение требует определенного развития высшей нервной деятельности, поэтому окончательное формирование этой функции ожидается до 15-летнего возраста, к тому же оптическая система должна обладать следующими характеристиками:
- острота зрения как минимум 0,4 диоптрии, обеспечивающая четкое изображение на сетчатке;
- нормальный тонус и полный объем движения глазодвигательных мускулов, с помощью которых обеспечивается параллельная установка зрительных осей.
Благодаря такому положению, лучи проецируются в центральное углубление сетчатки;
- одинаковая рефракция обоих глаз. При разнице в 4-5% бинокулярное видение становится невозможным;
- нормальная аккомодация, конвергенция и дивергенция для смещения оптических осей;
- полноценное развитие сетчатки;
- полная симметрия расположения глаз. Если какой-либо из них смещается по причине травмы, опухоли, гематомы, воспалительного инфильтрата, то совмещение полей зрения становится затруднительным и стереоскопическое видение нарушается.
Преимущество
Бинокулярное зрение сформировалось у человека в ходе эволюции под влиянием среды обитания. Для его выживания гораздо более важно было видеть то, что происходит за листвой и кустами, чем то, что происходит за спиной. Часть обзора закрыта для одного глаза, часть для другого, но при совмещении изображений происходит «чудо» и мы фактически видим «сквозь» препятствие. Чем прямее посажены глаза, тем больше зона, в которой изображения перекрываются и тем больше зона нашего «рентгеновского» зрения.
Как это работает
Объемное видение у человека обеспечивает особый механизм слияния образов, получаемых каждым глазом по отдельности. Этот механизм называется фузия.
Точки симметричной проекции изображения дают объемный эффект
Объединение изображения с обоих глаз осуществляется главным образом при условии попадания его на одинаковые точки сетчатки. Помимо центрального углубления, это должны быть и точки, симметрично удаленные от него. Только при условии проекции в правом и левом глазу на одинаковые корреспондирующие точки происходит построение нормального изображения, если проекция не симметрична (точки проекции диспарные), то изображение будет двоиться, возникает диплопия.
Бинокулярный характер зрительной функции дает нам стереоскопическую (объемную) картину, так мы оцениваем расстояния и взаимоположения объектов, их рельефность и текстуру.
Нарушение бинокулярного зрения может проявляться в виде зрения одним глазом – монокулярное зрение (изображение становится двухмерным, плоским) либо в виде одновременного зрения (мозг попеременно считывает сигналы то с одного, то с другого глаза). При этом доступной становится только информация о параметрах высоты, ширины и форме предмета, без пространственных характеристик.
Расстройство бинокулярного зрения возникает как следствие косоглазия, астигматизма, амблиопии.
Понятие стереоскопического зрения
Стереоскопическое (бинокулярное) зрение — функциональная особенность зрительного аппарата, позволяющая видеть предметы, их форму и размеры, в том числе в разных плоскостях. Эта способность присуща каждому человеку и отличает его от многих других видов, для которых характерно восприятие окружающего мира одним глазом — монокулярное (у птиц, рыб). При стереоскопическом зрении мы не просто видим какой-нибудь объект, но и определяем расстояние до него, устанавливаем примерные его размеры.
Оценивать глубину пространства удается за счет нескольких механизмов. Так, путем сравнения угловой величины, глаза определяют, какой объект находится дальше, а какой ближе. Также удаленность определяется посредством признака, получившего название «параллакс» движения. Примером «параллакса» является ситуация, когда мы находимся в движущемся поезде и нам кажется, что близко расположенные предметы двигаются намного быстрее удаленных.
Иными словами, стереоскопическое зрение помогает ориентироваться в пространстве. Без него невозможно чувствовать себя в безопасности, работать во многих сферах, заниматься спортом. Формируется бинокулярное зрение с двухлетнего возраста, когда ребенок начинает воспринимать мир в трехмерном изображении.
Причины нарушения
Важной составляющей правильного бинокулярного зрения является параллельная постановка оптических осей двух глаз – ортофория. Но на практике чаще присутствует небольшая гетерофория (греч. geteros — другой). Зрительные оси из-за различного тонуса глазодвигательных мышц могут немного отклоняться по любому направлению: кверху, книзу, кнутри или наружи. Этот дисбаланс мышц невелик, восстановить бинокулярное зрение можно, благодаря компенсаторному действию фузионного рефлекса. Как только происходит физиологичное двоение, головной мозг отдает команду для коррекции тонуса нужных глазодвигательных мышц и восстанавливается единое восприятие изображения.
Нарушение работы глазодвигательных мышц, проявляющееся как косоглазие, может привести к утрате бинокулярного зрения. Монокулярное косоглазие (косит один глаз) приводит к исключению этого глаза из зрительного акта, а мозг считывает информацию только со здорового. Тяжелый случай, практически не поддающийся исправлению зрительной функции, – это паралитическое косоглазие.
Но если косоглазие содружественное (с сохранением полного объема движения глазных яблок), то бинокулярность при этом сохраняется.
Другие причины лежат в плоскости нервной регуляции зрительной функции – от нарушения фузионного рефлекса до повреждений в структурах головного мозга, отвечающих за «сведение» изображения.
Нарушения бинокулярного зрения
Чтобы видеть мир трехмерно, важна согласованная работа мышц каждого глаза и синхронность движений глазных яблок. Человек может видеть изображения четкими и трехмерными при отсутствии косоглазия и патологий хрусталика, нарушений сетчатки. Острота зрения должна быть одинаковой.
Нарушение бинокулярного зрения может быть вызвано различными глазными патологиями, заболеваниями головного мозга, травмами черепа, новообразованиями и т.д. Установить точную причину нарушения бинокулярности может только офтальмолог.
Впервые проверка бинокулярности осуществляется, когда ребенку исполняется 3 года. При помощи исследования можно своевременно выявить глазные патологии, такие как косоглазие, и оперативно начать лечение.
Основным фактором, который приводит к нарушению трехмерного восприятия – косоглазие. Оно может появиться при рождении или быть приобретенным. Исправить данное отклонение можно при помощи корригирующих очков, гимнастики, операционных вмешательств.
Чтобы выявить нарушение, можно провести несложную самодиагностику. Можно осуществить тест с использованием книги. Для этого ее нужно отрыть и поднести карандаш к носу, не отрывая от него глаза, попробовать прочитать строчку. Если со зрением все нормально, с этой задачей справиться несложно.
Диагностика
Исследование бинокулярного зрения – довольно легкая процедура, которую можно провести даже самостоятельно, не используя никакой прибор.
Проверка представляется легким надавливанием на глаз через верхнее веко в открытом положении. Если появляется двоение (смещение картинки), то это подтверждает наличие бинокулярного зрения. Этот тест – основа на механическом смещении проекции объекта на несимметричный участок сетчатки относительно второго глаза.
Также можно использовать метод «промахивания» (метод Кальфа) для исследования бинокулярного зрения. Испытуемый и ассистент (врач) берут по карандашу и держат их вертикально. В таком положении пациент должен быстрым движением попасть по карандашу врача. Это возможно выполнить при наличии бинокулярного зрения.
На явлении совмещения полей зрения основана проба с видением «сквозь ладонь» по методу Соколова. Один глаз видит изображение через свернутую трубкой бумагу или газету, а второй закрывают ладонью.
При совмещении полей зрения человек сможет видеть «сквозь» свою руку те предметы, которые видны глазу через трубку
Как проверить бинокулярное зрение по установочному движению глаз? Испытуемому предлагают зафиксировать взгляд на каком-то объекте. Затем один глаз закрывается. Если у человека есть скрытое косоглазие, то прикрытый глаз будет отклоняться в сторону. После того как рука будет убрана, у человека с бинокулярным зрением произойдет установочное движение, способствующее восстановлению симметричного восприятия изображения. В случае если такое движение замедлено или его нет вовсе, это говорит о слабом бинокулярном зрении или его одновременном характере.
Аппаратные методы
Чтобы точнее установить монокулярное и бинокулярное зрение, устойчивое оно или неустойчивое, используют аппаратные методы определения. К примеру, широко известно использование прибора синоптофора, на котором проводят цветотест. В его конструкции используется экран, на котором меняют свое положение несколько точек: белая, красная и пара зеленых. Испытуемый смотрит на экран через специальные очки. Правое стекло красное, а левое – зеленое. Меняя положение точек и ориентируясь на ответы обследуемого, можно установить характер зрения и то, какой из глаз является ведущим.
Вариант проведения цветотеста
Стереоскопическое зрение. Стереоскопический эффект. Стереоскопическое измерение
Стереоскопическое зрение
Для достижения основной цели – определения координат точек местности по фото нужно их измерить. Возможно это из данных природой чувств – зрение.
Глаз человека сложное устройство и имеет форму, приближающуюся к шару (радиус примерно равен 12 мм). (1)Поверхность глаза состоит из 3 оболочек. Наружная защитная оболочка глаза (склера), которая переходит в роговицу в передней части глаза. (10) (2) оболочка сосудистая оболочка, которая в передней части переходит в радужную оболочку (9). Впереди радужной оболочки находится зрачок (диаметр 308 мм). Он играет роль диафрагмы, следовательно, регулирует количество поступающего света в глаз. (3) Сетчатка, состоит из фоторецепторов, то есть светочувствительных элементов, которые состоят из колбочек и палочек. Они передают свое раздражение через мозг. Палочки чувствительны к слабому сумеречному освещению, колбочки – яркому дневному и обладают светочувствительностью. Место вхождения зрительного нерва в сетчатку – слепое пятно (7), и так как это место не имеет ни колбочек, ни полочек, то оно не раздражается, то есть не реагирует на свет.
В середине сетчатки находится желтое пятно, центральное углубление центрального пятна состоит из одних колбочек. Впереди глаза за зрачком расположен хрусталик, он представляет собой двояковыпуклую линзу. Он и строит действительное обратное уменьшенное изображение наблюдаемого объекта.
Резкость изображения на сетчатке достигается по средствам аккомодации. И чем ближе находится рассматриваемый объект, тем больше должна быть кривизна хрусталика. Осуществляет аккомодацию глазные мышцы (8), они не напряжены, если рассматриваемый объект находится на расстоянии от 10 метров до бесконечности.
В случае, когда мышцы не напряжены, то фокусное расстояние примерно равно 16 мм, а 25 см – расстояние наилучшего зрения.
Пространство между роговицей и хрусталиком наполнено водянистой влагой. Между хрусталиком и сетчаткой происходит заполнение стекловидной влагой.
Луч, проходящий через центр впадины желтого пятна и заднюю узловую точку глаза – зрительная ось глаза. А прямая через центр роговицы и хрусталика называется оптическая ось. Угол между этими двумя осями примерно равно 5 градусов. Поле зрения – 150 градусов горизонтальное, и 150 вертикальное.
Те предметы, которые попали на центральную яму сетчатки (5) видны лучше. Угол, под которым виден диаметр центральной ямы желтого пятна из угловой точки хрусталика, равен углу отчетливого зрения, 1,5 градуса.
Раздражение светом палочек и колбочек происходит, если длина волны электромагнитных излучений находится в видимом диапазоне. Максимальная чувствительность в желтом спектре.
Существует статическая и динамическая теория зрения. В динамическом зрении большую роль играют движения глаз – произвольные и не произвольные. Не произвольные – дрожь – колебания глаза со скоростью 20 колебаний в секунду. Колебания – это быстрые вращения со скоростью 6 тысяч колебаний в секунду. Медленные движения – 1 движение в секунду.
Различают 2 вида зрения – монокулярное и бинокулярное. При монокулярном зрении глаз поворачивают таким образом, чтобы изображение объекта оказалось на углублении желтого пятна. Пересечение зрительной оси глаза с рассматриваемым объектом называется точкой фиксации монокулярного зрения. Для оптических наблюдений важную роль играет острота зрения – способность различать параллели на минимальном угле, при котором наблюдатель еще видит раздельно две точки – это угол остроты первого рода. Для нормального глаза он примерно равен 45 минут. Остротой монокулярного зрения 2 рода называется минимальный угол, под которым человеческий глаз видит две параллельные одинаковые линии. Он равен 20 минутам.
Стереоскопическое зрение. Это пространственное восприятие, возникающее при рассмотрении объекта двумя глазами – бинокулярное зрение. В этом случае наблюдатель устанавливает глаза так, чтобы изображение оказалось в центральных ямках сетчаток обоих глаз.
Стереоскопический эффект
Представим, что используемые ранее точки пространства А и D регистрируются двумя камерами с фокусным расстоянием f, расположенными на концах базиса съемки В=br (рис. 1). В плоскости негативов и точки А и D изобразятся соответственно точками а1 и а2, d1 и d2. Направление проектирующих лучей, а следовательно, и значения углов и останутся теми же, что и при наблюдении этих точек человеком.
Р ис. 1. Геометрическая интерпретация принципа стереоскопического зрения: br — глазной базис; А — точка фиксации бинокулярного взора; S1A и S2A — лучи; — угол конвергенции, = S1AS2; НA — отстояние точки фиксации от глазного базиса; D — точка, отстоящая от точки А по глубине на некоторое значение при которой эти точки воспринимаются разноудаленными. Она равна примерно 30″. Величину можно определить по формуле: Если реальные точки А и D заменить парой позитивных изображений и так, чтобы левый глаз наблюдателя видел только левый снимок, а правый глаз — только правый снимок, на сетчатке глаз возникнет ситуация, существовавшая при непосредственном наблюдении этих точек. Наблюдатель воспримет пару плоских изображений пространственно. Такое восприятие называют прямым стереоэффектом, а мнимое пространственное изображение снятого объекта, воспринимаемое наблюдателем, — стереоскопической моделью (стереомоделью). Стереомодель будет наблюдаться только в пределах перекрытия снимков. Два смежных частично перекрывающихся снимка, полученных с концов некоторого базиса, называют стереопарой, или парой снимков. Теперь, очевидно, стало более понятным требование обеспечения определенного продольного перекрытия снимков (примерно 60 % при съемке равнины). Сокращение перекрытия может привести к риску образования разрывов между стереомоделями и соответственно к усложнению или невозможности процесса получения трехмерной метрической информации со снимков. Увеличение перекрытий уменьшит углы засечки наблюдаемых точек, что приведет к снижению точности в определении разностей их отстояний (превышений). Если снимки перед глазами поменять местами, то наблюдатель также увидит стереомодель, но с обратным стереоэффектом — удаленные элементы ландшафта будут восприниматься близкими, и наоборот, близкие элементы покажутся удаленными. Этот вариант стереоскопического наблюдения снимков используют при анализе отрицательных микроформ рельефа (промоин, канав, кюветов и др.). Может быть еще вариант наблюдения пары снимков, при котором оба снимка развертываются в своей плоскости на 90°. Наблюдатель при этом вне зависимости от рельефа увидит плоское пластичное изображение местности. Стереоэффект, получаемый при этом, называют нулевым Точность (детальность) стереоскопического восприятия по снимкам элементов пространственных объектов зависит, как уже отмечалось, от угла засечки этих элементов. Значение угла определяется размерами базиса В и высотой съемки Н. Точность восприятия стереомодели зависит также от условий наблюдения снимков. Минимальная разность отстояний (высот) наблюдаемых точек для расстояния наилучшего видения (250 мм) где v — увеличение стереоприбора; b — базис съемки в масштабе снимков. Пользуясь этой формулой, вычислим для наблюдения снимков, полученных с некоторых высот, наиболее используемых при выполнении землеустроительных и кадастровых работ, а также при дистанционном зондировании. При этом примем, что наблюдаются снимки формата 18 х 18 см с продольным перекрытием 60 % с использованием стереоскопа с полуторакратным увеличением. При высотах съемки 500,1000, 2000 и 5000 м значения будут соответственно равны 0,2, 0,3, 0,7 и 1,7 м. По снимкам, полученным с космических платформ с высоты 300 и 900 км, значения будут соответственно 102 и 310 м. Точность восприятия превышений при наблюдении космических снимков можно повышать, увеличивая базис съемки. Сделать это можно за счет увеличения угла поля изображения съемочной системы или использования конвергентной съемки. В первом случае могут быть варианты: увеличение формата кадра или уменьшение фокусного расстояния съемочной камеры. Последний вариант приведет к уменьшению съемочного масштаба и геометрического разрешения снимков.
Стереоскопическое измерение
Для стереоскопического измерения снимков используют два способа: мнимой марки и реальной марки.
Способ мнимой марки (рис. 4, а), предложенный Ф. Штольцем (Германия) в 1892 г., основан на том, что на каждый снимок стереопары проектируется одинаковое изображение измерительной марки. В результате наблюдатель каждым глазом видит участок снимка с маркой. Т. к. марки имеют одинаковую форму, размер и цвет, то при приближении к соответственным точкам они сливаются в одну мнимую стереоскопическую марку. При совмещении марок с соответственными точками (m и m’) стереоскопическая марка будет восприниматься лежащей на поверхности стереомодели в точке М. При смещении, например, правой марки с точки m’ на точку k’ стереоскопическая марка будет восприниматься перемещающейся по высоте в пространстве стереомодели с точки М на точку К. Следовательно, перемещая обе марки по снимкам и совмещая их с соответственными точками, можно измерить координаты точек в пространственной системе координат модели. Этот способ был использован К. Пульфрихом при конструировании стереокомпаратора — первого стереофотограмметрического прибора и применяется в большинстве стереофотограмметрических приборов и систем.
Способ реальной марки (рис. 4, б), предложенный канадским фотограмметристом Е. Девилем (E. Deville) в 1902 г., заключается в том, что в пространство стереомодели вводится экран, имеющий в центре светящуюся точку, которая служит реальной измерительной маркой. Этот способ не нашел широкого применения в фотограмметрии.
Форму, размер и цвет измерительной марки оператор устанавливает с учётом особенностей наблюдаемых изображений. Используемые формы марки это крест, точка, кольцо и др. Цвет марки устанавливают в зависимости от цвета снимков. При измерении чёрно-белых снимков цвет марки лучше устанавливать жёлтый или светло-зелёный, т. к. эти цвета позволяют хорошо наблюдать марку на темных участках и не утомляют глаза. На светлых участках можно использовать синий цвет. При использовании анаглифического способа цвет марки должен быть жёлтый, белый или чёрный.
Литература
- Лобанов А.Н. – Фотограмметрия – 1984г.;
- Назаров А.С. Фотограмметрия: учеб. пособие для студентов вузов. — Мн.: ТетраСистемс, 2006. — 368 с.: ил.;
Восстановление нормального зрения
Нарушенное бинокулярное зрения можно вернуть диплоптическими упражнениями. Их основная задача – развитие способности к слиянию двух изображений.
Упражнения с призмами: способствует развитию и закреплению рефлекса бификсации – пересечение оптических осей обоих глаз на объекте.
Метод Т.П.Кащенко
Тренировка слияния последовательных образов с центральной ямки обоих глаз. Поочередно каждому глазу показывают изображение, содержащее элемент другого, предназначенного второму глазу. Затем пациенты предлагается совместить эти изображения.
