Оптические иллюзии забавляют нас и привлекают еще со времен античности. С девятнадцатого века иллюзии начинают активно изучать. И уже сегодня на их основе человек начинает проникать в малоизученные глубины восприятия окружающего нас мира. Но что есть оптическая иллюзия – подарок эволюции или ошибка зрительного аппарата?
Когда в нашем сознании формируется изображение, полученное с помощью зрения, оно подвергается многим процессам анализа, которые можно с математической точки зрения считать вычислительными. Многие из этих вычислений сводятся к процессам приближения. То есть, мозг упрощает картинку и усредняет параметры изображения (такие как расположение граней и углов, структура фона, положение источника света) используя реальные данные, получаемые с помощью зрения или виртуальные, представляемые в нашем сознании как воспоминания или фантазии. Поскольку глаз неидеален, получаемое изображение содержит «шум». Наша визуальная система находит наилучшее приближение, чтобы этот шум убрать и улучшить качество картинки. Однако все эти приближения эффективны лишь в случаях, когда шум понятен нашему мозгу, в остальных случаях такие методы могут давать ложное изображение, то есть систематическую ошибку при повторении определенных комбинаций образов. Чтобы избежать подобных ситуаций, процессы приближения нужно выполнять очень точно, однако учитывая сложность нашей оптической системы, на сегодняшний день это считается невозможным. На этом и основывается принцип неопределенности визуальных процессов. Ошибки восприятия возникают постоянно, но они столь незначительны, что в своей повседневной жизни мы их не замечаем. Однако иногда возникают ситуации, когда ошибки восприятия нельзя не замечать. Именно в эти моменты мы видим оптические иллюзии.
По типу ошибок восприятия оптические иллюзии делят на три основные категории.
- Геометрические оптические иллюзии. Одними из первых процессов обработки изображения запускаются процессы извлечения форм и фигур, таких как линии, точки и пересечение линий. Из-за неидеальности картинки и ошибок приближения часто мы видим искажения прямых и другие геометрические оптические иллюзии.
- Иллюзии движения. Возникают при обработке последовательности кадров. Для правильной интерпретации следующих друг за другом изображений наше сознание расчленяет их. При этом получается так, что каждый фрагмент имеет свой шум. После такой обработки могут возникнуть иллюзии ложного движения и деления изображения.
- Иллюзии формы. Процессы извлечения информации о фоне изображения также являются приближением и могут вызывать неверное представление изображения.
Эти искажения свойственны всем оптическим системам. Соответственно, опыт в понимании процессов формирования оптических иллюзий в зрительном аппарате человека поможет впоследствии в разработке сложных искусственных оптических устройств.
Рассмотрим оптические иллюзии, начиная с самых простых.
Закройте правый глаз и вглядитесь в черную точку на рисунке. Убедитесь, что боковым зрением вы видите крестик. Теперь, не отводя глаз от точки, медленно приближайтесь к экрану. В какой-то момент вы заметите, что крестик исчез. Если вы продолжите приближаться к монитору, то он вновь появится.
Такая иллюзия объясняется специфичностью строения человеческого глаза. Наш мозг видит лишь то, что фиксируется сетчаткой (retina) и передается по нервам в мозг. В месте соединения нервов с сетчаткой находится слепое пятно (blind spot). Там нет чувствительных к свету элементов сетчатки, поэтому изображение, попавшее на слепое пятно, отсутствует, а фон на его месте дорисовывается уже в нашем мозгу.
На 30 секунд сконцентрируйтесь на четырех точках в середине изображения. Закройте глаза и откиньте голову назад. Вскоре вы увидите кольцо света, всмотритесь в него. Что вы видите?
Свет, падающий на сетчатку, возбуждает нервы, затем сигнал передается в мозг. Как и для любой оптической системы, для глаза существует понятие времени отклика, необходимого для смены картинки. В наших глазах такая смена происходит 20 раз в секунду. Но когда мы долго смотрим на одно изображение, то происходит длительная засветка чувствительных элементов сетчатки (палочек и колбочек). И если вынужденная смена картинки не происходит (посмотрев на изображение, мы закрываем глаза), то снятие возбуждения занимает некоторое время, в течение которого мы видим изображение с закрытыми глазами. Особенно сильно этот эффект проявляется для контрастных изображений (например, черно-белых как сейчас). Стоит также отметить, что увиденное с закрытыми глазами изображение все же отличается от представленного на экране. Дело в том, что мозг как правило дорисовывает непонятные или неполные по его мнению изображения. Именно поэтому вместо абстракции, мы представляем лицо Иисуса. Многим в представленном образе волосы покажутся темными, но только потому, что мозг считает, что видит цветную картинку и дорисовывает детали согласно своим усмотрениям.
Какая из этих линий длиннее? Может вам кажется, что правая? На самом деле они одинаковы. Мозгу кажется, что к вертикальному отрезку А короткие отрезки прикреплены жестко, как бы фиксируя длину А. В случае В, отрезки как будто бы прикреплены нежестко и поэтому «взлетают», удлиняя В. При этом суммарная длина В кажется большей, чем А. Это одна из основных ошибок обработки изображения.
Сердцевина какого цветка больше? Они одинаковы. Дело в том, что в первую очередь наш мозг обращает внимание на правый цветок, потому что он крупнее. Он тут же отмечает, что серединка правого цветка меньше лепестков, Затем мы смотрим на левый цветок и отмечаем, что здесь сердцевина крупнее лепестков. Это заставляет мозг преувеличивать ее значение, искажая восприятие изображения.
Если смотреть на одну из белых точек в узлах сетки, то начинает казаться, что остальные белые точки окрашиваются в черный и разные оттенки серого. Эти искажения восприятия возникают из-за того, что большинство белых точек мы видим боковым зрением, которое вносит больше ошибок, чем центральное. Боковым зрением мы получаем гораздо меньше информации. Это не имеет значения, когда окружающий фон однороден. Но в данном случае наш мозг хорошо видит лишь доминирующий черный цвет и из-за недостатка информации, получаемой боковым зрением, пытается залить всю область черным. Когда мы пытаемся посмотреть на кажущуюся черной точку, иллюзия исчезает и проявляется в другом месте, заставляя точки «танцевать».
Синие, зеленые и красные линии кажутся вам ломаными? Это тоже обман зрения. Когда мозг видит пересечение линии с окружностью, то пытается сделать картинку симметричнее, то есть уменьшить кривизну дуг и искривить прямую.
Пристально глядите на черную точку 20-30 секунд. Вы видите, что серое пятно вокруг точки уменьшается и даже исчезает? В этом вновь повинно боковое зрение. Когда мы вглядываемся в одну точку, все остальное воспринимается боковым зрением. Поскольку окружающий пятно фон белый, то мозг стремится залить белым все пространство, включая серое пятно. Когда мозг «забывает» о существовании серого пятна, все, кроме точки в центре оказывается однородно белого цвета.
Дефекты восприятия боковым зрением проявляются не только для монохромных изображений. Сконцентрируйтесь на центральной точнее на 30-60 секунд и вы увидите, как исчезнут цветные пятна.
Сколько цветов на рисунке (кроме белого) вы видите? Три – неверный ответ. Их два: зеленый и красный. Мы видим два оттенка красного, потому что одни из красных квадратиков окружены белыми, а другие – зелеными, создавая разные схемы контраста. Наш мозг вообще очень сильно меняет восприятие цвета в зависимости от его цветового окружения.
Несмотря на то, что горизонтальные линии параллельны, нам они кажутся «восходящими» и «спускающимися». Они могут нам видеться даже изогнутыми. Просто смещенные черные квадраты дают мозгу ощущение перспективы, изгибая прямые.
Представим себе треугольник, составленный из четырех цветных блоков. Теперь переставим блоки так, чтобы у нас получился новый треугольник следующим образом.
Посмотрите, составленный из тех же элементов, нижний треугольник меньше верхнего на один маленький квадрат. Как такое может быть?
Вообще-то, не может. Площади этих фигур одинаковы. Если вы присмотритесь, то увидите, что гипотенуза нижнего треугольника не является прямой – это выпуклая ломаная, увеличивающая площадь фигуры. А гипотенуза верхнего – тоже ломаная, но вогнутая, что уменьшает площадь треугольника. Эта разница и равна одному квадратному сантиметру. Если мы посмотрим на анимированный переход от одного треугольника к другому, то все сразу встанет на свои места.
Посмотрите на эти два рисунка. Они отличаются только наличием или отсутствием границ. Цвета нам кажутся более яркими и контрастными, если они отделены границами. Это эффект часто используется в витражах и стеклянных мозаиках. При этом цвет кажется не только интенсивнее, но и чище, потому что рамки не дают мозгу смешивать цвета при обработке изображения.
Вглядитесь в точку в верхней части рисунка. Смотрите не отрываясь 30 секунд. Теперь переведите взгляд на точку в нижней части рисунка. Теперь половинки изображения уже не покажутся вам окрашенными в разные цвета. Это происходит из-за процесса адаптации зрения. Мы с ним часто сталкиваемся, если резко меняется освещенность – это световая адаптация. В случае с картинкой мы имеем дело с похожей по своему действию хроматической (цветовой) адаптацией, возникающей при длительном воздействии однотонных цветов.
Скорее всего сейчас в центре рисунка вы видите белый треугольник, расположенный вершиной вниз и треугольник, расположенный вершиной вверх, хотя на самом деле их нет. Это особенность мозга дорисовывать известные ему фигуры. Маленький ребенок, который не знает, что такое треугольник, увидит на рисунке лишь три сегмента окружности и три «галочки».
Однако не стоит думать, что мы, несчастные люди, находимся во власти иллюзий, ловко предоставленных нашим мозгом. Мы часто видим то, что сами хотели бы увидеть, невзирая на всю невероятность картины. Прекрасным примером может послужить знаменитое марсианское лицо, оказавшееся впоследствии лишь парейдолической (фантастической) иллюзией.
Напоследок предлагаем взглянуть на очень интересную оптическую иллюзию.
