Che immagine produce l'occhio umano? Sistema ottico dell'occhio. Costruzione dell'immagine. Alloggio. Rifrazione e sue violazioni. Vie sensoriali del sistema visivo

Figure impossibili e immagini ambigue non sono qualcosa che non può essere preso alla lettera: nascono nel nostro cervello. Poiché il processo di percezione di tali figure segue un percorso strano e non convenzionale, l'osservatore arriva a capire che nella sua testa sta accadendo qualcosa di insolito. Per comprendere meglio il processo che chiamiamo “visione”, è utile comprendere come i nostri sensi (occhi e cervello) convertono gli stimoli luminosi in informazioni utili.

L'occhio come dispositivo ottico

Figura 1. Anatomia del bulbo oculare.

L'occhio (vedi Fig. 1) funziona come una macchina fotografica. La lente (lente) proietta un'immagine invertita e ridotta dal mondo esterno sulla retina (retina), una rete di cellule fotosensibili situate di fronte alla pupilla (pupilla) e che occupa più della metà dell'area della superficie interna del bulbo oculare . Come strumento ottico, l'occhio è stato a lungo un mistero. Mentre la fotocamera mette a fuoco avvicinando o allontanando la lente dallo strato fotosensibile, la sua capacità di rifrangere la luce viene regolata durante l'adattamento (adattamento dell'occhio a una certa distanza). La forma del cristallino viene modificata dal muscolo ciliare. Quando il muscolo si contrae, il cristallino diventa più rotondo, consentendo alla retina di visualizzare un'immagine focalizzata degli oggetti più vicini. L'apertura dell'occhio umano viene regolata come in una macchina fotografica. La pupilla controlla la dimensione dell'apertura del cristallino, espandendosi o contraendosi con l'aiuto dei muscoli radiali che colorano l'iride dell'occhio (iride) con il suo colore caratteristico. Quando il nostro occhio sposta lo sguardo sull'area che desidera mettere a fuoco, la lunghezza focale e la dimensione della pupilla si adattano immediatamente "automaticamente" alle condizioni richieste.

Figura 2. Vista in sezione della retina
Figura 3. Occhio con una macchia gialla

La struttura della retina (Figura 2), lo strato fotosensibile all'interno dell'occhio, è molto complessa. Il nervo ottico (insieme ai vasi sanguigni) nasce dalla parte posteriore dell'occhio. Quest'area non ha cellule fotosensibili ed è nota come punto cieco. Le fibre nervose si ramificano e terminano in tre diversi tipi di cellule che rilevano la luce che le penetra. I processi provenienti dal terzo strato più interno delle cellule contengono molecole che modificano temporaneamente la loro struttura durante l'elaborazione della luce in arrivo e quindi emettono un impulso elettrico. Le cellule fotosensibili sono chiamate bastoncelli e coni in base alla forma dei loro processi. I coni sono sensibili al colore, mentre i bastoncelli no. D'altra parte, la fotosensibilità dei bastoncelli è molto più elevata di quella dei coni. Un occhio contiene circa cento milioni di bastoncelli e sei milioni di coni, distribuiti in modo non uniforme sulla retina. Esattamente di fronte alla pupilla si trova la cosiddetta macula macula (Fig. 3), che consiste solo di coni in una concentrazione relativamente densa. Quando vogliamo vedere qualcosa a fuoco, posizioniamo l'occhio in modo che l'immagine cada sulla macula. Ci sono molte connessioni tra le cellule della retina e gli impulsi elettrici di cento milioni di cellule fotosensibili vengono inviati al cervello solo lungo un milione di fibre nervose. Pertanto, l'occhio può essere descritto superficialmente come una macchina fotografica o televisiva caricata con una pellicola fotosensibile.

Figura 4. Figura di Kanizsa

Dall'impulso luminoso all'informazione

Figura 5. Illustrazione dal libro di Cartesio “Le traité de l’homme”, 1664

Ma come vediamo realmente? Fino a poco tempo fa, questo problema era difficilmente risolvibile. La migliore risposta a questa domanda è che esiste un'area del cervello specializzata nella visione, in cui l'immagine ottenuta dalla retina si forma sotto forma di cellule cerebrali. Quanto più luce cade su una cellula della retina, tanto più intensamente lavora la corrispondente cellula cerebrale, cioè l'attività delle cellule cerebrali nel nostro centro visivo dipende dalla distribuzione della luce che cade sulla retina. In breve, il processo inizia con un’immagine sulla retina e termina con un’immagine corrispondente su un piccolo “schermo” di cellule cerebrali. Naturalmente questo non spiega la visione, ma sposta semplicemente il problema a un livello più profondo. Chi dovrebbe vedere questa immagine interiore? Questa situazione è ben illustrata dalla Figura 5, tratta dall'opera di Cartesio “Le traité de l'homme”. In questo caso tutte le fibre nervose terminano in una certa ghiandola, che Cartesio rappresentava come la sede dell'anima, ed è questa ghiandola che vede l'immagine interna.Ma la domanda rimane: come funziona effettivamente la "visione"?

Figura 6.

L’idea di un mini-osservatore nel cervello non solo non è sufficiente a spiegare la visione, ma ignora anche tre attività che apparentemente vengono svolte direttamente dal sistema visivo stesso. Ad esempio, guardiamo la figura nella Figura 4 (di Kanizsa). Vediamo il triangolo nei tre segmenti circolari attraverso i loro ritagli. Questo triangolo non è stato presentato alla retina, ma è il risultato di congetture del nostro sistema visivo! Inoltre, è quasi impossibile guardare la Figura 6 senza vedere sequenze continue di schemi circolari che competono per la nostra attenzione, come se stessimo sperimentando direttamente l'attività visiva interna. Molte persone scoprono che il loro sistema visivo è completamente confuso dalla figura di Dallenbach (Figura 8), mentre cercano modi per interpretare questi punti bianchi e neri in una forma a loro comprensibile. Per risparmiarti la fatica, la Figura 10 offre un'interpretazione che il tuo sistema visivo accetterà una volta per tutte. A differenza del disegno precedente, non avrai difficoltà a ricostruire i pochi tratti di inchiostro nella Figura 7 in un'immagine di due persone che parlano.

Figura 7. Disegno dal "Manuale di pittura del giardino dei granelli di senape", 1679-1701

Un metodo di visione completamente diverso è illustrato, ad esempio, dalla ricerca di Werner Reichardt di Tubinga, che ha studiato per 14 anni i sistemi visivi e di controllo del volo della mosca domestica. Per questi studi gli è stato assegnato il Premio Heineken nel 1985. Come molti altri insetti, la mosca ha occhi composti, costituiti da molte centinaia di bastoncini individuali, ciascuno dei quali è un elemento fotosensibile separato. Il sistema di controllo del volo della mosca è costituito da cinque sottosistemi indipendenti che funzionano in modo estremamente rapido (la velocità di reazione è circa 10 volte più veloce di quella di un essere umano) ed efficiente. Ad esempio, il sottosistema di atterraggio funziona come segue. Quando il campo visivo della mosca "esplode" (perché la superficie è vicina), la mosca si sposta verso il centro dell '"esplosione". Se il centro è al di sopra del volo, si capovolgerà automaticamente. Non appena i piedi della mosca toccano la superficie, il "sottosistema" di atterraggio viene disattivato. Quando vola, una mosca estrae solo due tipi di informazioni dal suo campo visivo: il punto in cui si trova un punto in movimento di una certa dimensione (che deve coincidere con la dimensione della mosca ad una distanza di 10 centimetri), e come la direzione e la velocità del movimento di questo punto attraverso il campo visivo. L'elaborazione di questi dati aiuta a regolare automaticamente la traiettoria di volo. È altamente improbabile che una mosca abbia un quadro completo del mondo che la circonda. Non vede né superfici né oggetti. I dati visivi in ​​ingresso elaborati in un certo modo vengono trasmessi direttamente al sottosistema motorio. Pertanto, l'input visivo non viene convertito in un'immagine interna, ma in una forma che consente alla mosca di rispondere in modo appropriato al suo ambiente. Lo stesso si può dire di un sistema infinitamente più complesso come una persona.

Figura 8. Figura di Dallenbach

Sono molte le ragioni per cui gli scienziati si sono astenuti per così tanto tempo dall’affrontare la questione fondamentale nel modo in cui la vedono oggi. Si è scoperto che molti altri problemi relativi alla visione dovevano essere spiegati prima: la complessa struttura della retina, la visione dei colori, il contrasto, le immagini residue, ecc. Tuttavia, contrariamente alle aspettative, le scoperte in questi ambiti non sono in grado di far luce sulla soluzione del problema principale. Un problema ancora più significativo era la mancanza di un concetto o di uno schema generale che elencasse tutti i fenomeni visivi. I limiti relativi delle aree di ricerca convenzionali possono essere raccolti da un’eccellente guida di T.N. Comsweet sul tema della percezione visiva, tratto dalle sue lezioni per gli studenti del primo e del secondo semestre. Nella prefazione l'autore scrive: "Cerco di descrivere gli aspetti fondamentali alla base del vasto campo che casualmente chiamiamo percezione visiva". Tuttavia, esaminando il contenuto di questo libro, questi "argomenti fondamentali" risultano essere l'assorbimento della luce da parte dei bastoncelli e dei coni della retina, la visione dei colori, i modi in cui le cellule sensoriali possono aumentare o diminuire i limiti di influenza reciproca l'uno sull'altro, la frequenza dei segnali elettrici trasmessi attraverso le cellule sensoriali, ecc. Oggi la ricerca in questo campo sta seguendo percorsi completamente nuovi, determinando una sconcertante diversità nella stampa professionale. E solo uno specialista può formare un quadro generale dello sviluppo della nuova scienza della visione." C'è stato solo un tentativo di combinare diverse nuove idee e risultati della ricerca in un modo accessibile a un profano. E anche qui le domande "Cos'è la visione?" e "Come vediamo?" non sono diventate le domande principali su cui discutere.

Dall'immagine all'elaborazione dei dati

David Marr del MIT Artificial Intelligence Laboratory è stato il primo ad affrontare l'argomento da una prospettiva completamente diversa nel suo libro Vision, pubblicato dopo la sua morte. In esso, ha cercato di esaminare il problema principale e di suggerire possibili modi per risolverlo. I risultati di Marr ovviamente non sono definitivi e sono ancora aperti alla ricerca da diverse direzioni, ma il vantaggio principale del suo libro è comunque la logica e la coerenza delle conclusioni. In ogni caso, l'approccio di Marr fornisce una base molto utile su cui costruire studi su oggetti impossibili e figure duali. Nelle pagine seguenti proveremo a seguire il filo del pensiero di Marr.

Marr ha descritto i difetti della teoria tradizionale della percezione visiva come segue:

"Cercare di comprendere la percezione visiva studiando solo i neuroni è come cercare di comprendere il volo di un uccello studiando solo le sue piume. È semplicemente impossibile. Per comprendere il volo di un uccello, dobbiamo comprendere l'aerodinamica, e solo allora la struttura delle piume e delle diverse forme delle ali degli uccelli avranno per noi un senso." quel significato." In questo contesto, Marr attribuisce a J. J. Gobson il primo ad affrontare questioni importanti in questo campo visivo. Secondo Marr, il modo più contributo importante è stato che "la cosa più importante riguardo ai sensi è che sono canali di informazione dal mondo esterno alla nostra percezione (...) Ha posto una domanda critica: come fa ognuno di noi a ottenere gli stessi risultati nella percezione nella vita quotidiana?" la vita in condizioni in costante cambiamento? Questa è una domanda molto importante, che mostra che Gibson considerava correttamente il problema della percezione visiva come la ricostruzione a partire dalle informazioni sensoriali delle proprietà “corrette” degli oggetti nel mondo esterno." E così siamo arrivati ​​al campo dell'elaborazione delle informazioni.

Non dovrebbe esserci dubbio che Marr volesse ignorare altre spiegazioni per il fenomeno della visione. Al contrario, sottolinea specificamente che la visione non può essere spiegata in modo soddisfacente da un solo punto di vista. È necessario trovare spiegazioni per gli eventi quotidiani che siano coerenti con i risultati della psicologia sperimentale e con tutte le scoperte in questo campo fatte da psicologi e neurologi nel campo dell'anatomia del sistema nervoso. Quando si tratta di elaborazione delle informazioni, gli informatici vorrebbero sapere come si può programmare il sistema visivo e quali algoritmi sono più adatti per un determinato compito. In breve, come si può programmare la visione. Solo una teoria esaustiva può essere accettata come spiegazione soddisfacente del processo di visione.

Marr lavorò su questo problema dal 1973 al 1980. Sfortunatamente non è riuscito a completare il suo lavoro, ma è riuscito a gettare solide basi per ulteriori ricerche.

Dalle neuroscienze al meccanismo visivo

La convinzione che molte funzioni umane siano controllate dal cervello è stata condivisa dai neurologi fin dall’inizio del XIX secolo. Le opinioni differivano sul fatto se parti specifiche della corteccia cerebrale fossero utilizzate per eseguire operazioni specifiche o se l'intero cervello fosse utilizzato per ciascuna operazione. Oggi, il famoso esperimento del neurologo francese Pierre Paul Broca ha portato all’accettazione generale della teoria della localizzazione specifica. Broca ha curato un paziente che non poteva parlare da 10 anni, anche se le sue corde vocali stavano bene. Quando l'uomo morì nel 1861, un'autopsia rivelò che la parte sinistra del suo cervello era deformata. Broca suggerì che il linguaggio fosse controllato da questa parte della corteccia cerebrale. La sua teoria è stata confermata da successivi esami di pazienti con danni cerebrali, che alla fine hanno permesso di contrassegnare i centri delle funzioni vitali del cervello umano.

Figura 9. Risposta di due diverse cellule cerebrali a stimoli ottici di direzioni diverse

Un secolo dopo, negli anni '50, gli scienziati D.H. Hubel (D.H. Hubel) e T.N. Wiesel (T.N. Wiesel) condusse esperimenti sul cervello di scimmie e gatti viventi. Nel centro visivo della corteccia cerebrale hanno trovato cellule nervose particolarmente sensibili alle linee orizzontali, verticali e diagonali del campo visivo (fig. 9). La loro sofisticata tecnica di microchirurgia fu successivamente adottata da altri scienziati.

Pertanto, la corteccia cerebrale non solo contiene centri per svolgere varie funzioni, ma all'interno di ciascun centro, come nel centro visivo, le singole cellule nervose vengono attivate solo quando vengono ricevuti segnali molto specifici. Questi segnali provenienti dalla retina dell'occhio sono correlati a situazioni chiaramente definite del mondo esterno. Oggi si presume che le informazioni sulle diverse forme e disposizioni spaziali degli oggetti siano contenute nella memoria visiva e le informazioni provenienti dalle cellule nervose attivate vengono confrontate con queste informazioni memorizzate.

Questa teoria del rilevatore ha influenzato la direzione della ricerca sulla percezione visiva a metà degli anni '60. Gli scienziati associati all’“intelligenza artificiale” hanno seguito lo stesso percorso. La simulazione al computer del processo di visione umana, chiamata anche "visione artificiale", era considerata uno degli obiettivi più facilmente raggiungibili in questi studi. Ma tutto è andato in modo leggermente diverso. Ben presto divenne chiaro che era praticamente impossibile scrivere programmi in grado di riconoscere i cambiamenti nell’intensità della luce, nelle ombre, nella struttura della superficie e negli assemblaggi casuali di oggetti complessi in immagini significative. Inoltre, tale riconoscimento di modelli richiedeva quantità illimitate di memoria, poiché le immagini di innumerevoli oggetti devono essere archiviate nella memoria in innumerevoli variazioni di posizione e situazioni di illuminazione.

Nessun ulteriore progresso nel campo del riconoscimento di forme in condizioni reali non era possibile. È dubbio che un computer sarà mai in grado di simulare il cervello umano. Rispetto al cervello umano, in cui ogni cellula nervosa ha circa 10.000 connessioni con altre cellule nervose, il rapporto computerizzato equivalente di 1:1 difficilmente sembra adeguato!

Figura 10. Soluzione della figura Dellenbach

Conferenza di Elizabeth Warrington

Nel 1973, Marr partecipò a una conferenza della neurologa britannica Elizabeth Warrington. Notò che un gran numero di pazienti da lei esaminati con lesioni parietali della parte destra del cervello potevano riconoscere e descrivere perfettamente una varietà di oggetti, a condizione che questi oggetti fossero da loro osservati nella loro forma abituale. Ad esempio, questi pazienti hanno avuto poche difficoltà a identificare un secchio se visto di lato, ma non erano in grado di riconoscere lo stesso secchio se visto dall'alto. Infatti, anche quando è stato detto loro che stavano guardando il secchio dall'alto, si sono rifiutati categoricamente di crederci! Ancora più sorprendente è stato il comportamento dei pazienti con danni alla parte sinistra del cervello. Tali pazienti tipicamente non possono parlare e quindi non possono nominare verbalmente l'oggetto che stanno guardando o descriverne lo scopo. Tuttavia, possono dimostrare di percepire correttamente la geometria di un oggetto indipendentemente dall'angolo di visione. Ciò ha spinto Marr a scrivere quanto segue: "La conferenza di Warrington mi ha spinto alle seguenti conclusioni. In primo luogo, l'idea della forma di un oggetto è immagazzinata da qualche altra parte nel cervello, motivo per cui le idee sulla forma di un oggetto e il suo Gli scopi sono così diversi. In secondo luogo, la visione stessa può fornire una descrizione interna della forma di un oggetto osservato, anche se quell'oggetto non viene riconosciuto nel modo consueto... Elizabeth Warrington ha sottolineato il fatto più essenziale della visione umana - racconta sulla forma, lo spazio e la posizione relativa degli oggetti." Se questo è davvero il caso, allora gli scienziati che lavorano nei campi della percezione visiva e dell’intelligenza artificiale (compresi quelli che lavorano nella visione artificiale) dovranno scambiare la teoria del rivelatore degli esperimenti di Hubel con una serie di tattiche completamente nuove.

Teoria dei moduli

Figura 11. Stereogrammi con punti casuali di Béla Zhules, quadrato mobile

Il secondo punto di partenza nella ricerca di Marr (dopo aver familiarizzato con il lavoro di Warrington) è il presupposto che il nostro sistema visivo abbia una struttura modulare. Nel gergo informatico, il nostro programma principale Vision copre un'ampia gamma di subroutine, ognuna delle quali è completamente indipendente dalle altre e può funzionare indipendentemente dalle altre subroutine. Un primo esempio di tale routine (o modulo) è la visione stereoscopica, in cui la profondità viene percepita come il risultato dell'elaborazione di immagini da entrambi gli occhi che sono immagini leggermente diverse l'una dall'altra. In precedenza, si credeva che per vedere in tre dimensioni, prima riconoscessimo le immagini intere e poi decidessimo quali oggetti sono più vicini e quali sono più lontani. Nel 1960 Bela Julesz, insignito del Premio Heineken nel 1985, riuscì a dimostrare che la percezione spaziale nei due occhi avviene esclusivamente confrontando piccole differenze tra due immagini ottenute dalle retine di entrambi gli occhi. Pertanto, si può sentire la profondità anche dove non ci sono oggetti e non dovrebbero essere presenti oggetti. Per i suoi esperimenti, Jules ha ideato stereogrammi costituiti da punti posizionati casualmente (vedi Fig. 11). L'immagine vista dall'occhio destro è identica all'immagine vista dall'occhio sinistro sotto tutti gli aspetti, tranne che per l'area centrale quadrata, che viene ritagliata e spostata leggermente su un bordo e nuovamente allineata con lo sfondo. Lo spazio bianco rimanente è stato quindi riempito con punti casuali. Se le due immagini (in cui non viene riconosciuto alcun oggetto) vengono osservate attraverso uno stereoscopio, il quadrato precedentemente ritagliato sembrerà fluttuare sopra lo sfondo. Tali stereogrammi contengono dati spaziali che vengono elaborati automaticamente dal nostro sistema visivo. La stereoscopia è quindi un modulo autonomo del sistema visivo. La teoria dei moduli si è rivelata piuttosto efficace.

Dall'immagine retinica 2D al modello 3D

Figura 12. Durante il processo visivo, l'immagine retinica (a sinistra) viene convertita in uno schizzo primario in cui diventano evidenti i cambiamenti di intensità (a destra)

La visione è un processo a più fasi che trasforma le rappresentazioni bidimensionali del mondo esterno (immagini retiniche) in informazioni utili per l'osservatore. Si parte da un'immagine bidimensionale prelevata dalla retina dell'occhio, che, ignorando per ora la visione dei colori, memorizza solo i livelli di intensità luminosa. Nella prima fase, utilizzando un solo modulo, questi livelli di intensità vengono convertiti in variazioni di intensità o, in altre parole, in contorni che mostrano bruschi cambiamenti nell'intensità della luce. Marr ha stabilito esattamente quale algoritmo è coinvolto in questo caso (descritto matematicamente e, tra l'altro, molto complesso) e come la nostra percezione e le cellule nervose eseguono questo algoritmo. Il risultato del primo passaggio è quello che Marr chiama lo “schizzo primario”, che offre un riepilogo dei cambiamenti nell’intensità della luce, nelle loro relazioni e nella distribuzione nel campo visivo (Figura 12). Questo è un passo importante perché nel mondo che vediamo, i cambiamenti di intensità sono spesso associati ai contorni naturali degli oggetti. Il secondo passo ci porta a quello che Marr chiama lo "schizzo a 2,5 dimensioni". Lo schizzo a 2,5 dimensioni riflette l'orientamento e la profondità delle superfici visibili davanti all'osservatore. Questa immagine è costruita sulla base dei dati provenienti non da uno, ma da diversi moduli. Marr ha coniato il concetto molto ampio di "2,5-dimensionalità" per sottolineare che stiamo lavorando con informazioni spaziali visibili dal punto di vista dell'osservatore. Uno schizzo a 2,5 dimensioni è caratterizzato da distorsioni prospettiche e in questa fase l'effettiva posizione spaziale degli oggetti non può ancora essere determinata in modo univoco. L'immagine dello schizzo a 2,5 dimensioni mostrata qui (Figura 13) illustra diverse aree di informazioni durante l'elaborazione di tale schizzo. Tuttavia, un'immagine di questo tipo non si forma nel nostro cervello.

Figura 13. Disegno di schizzo 2.5D - "rappresentazione centrata della profondità e dell'orientamento delle superfici visibili"

Fino ad ora il sistema visivo funzionava in modo autonomo, automatico e indipendente dai dati sul mondo esterno memorizzati nel cervello utilizzando diversi moduli. Tuttavia, nella fase finale del processo è possibile fare riferimento a informazioni già esistenti. Questa fase di elaborazione finale fornisce un modello tridimensionale, una descrizione chiara, indipendente dall'angolo di visione dello spettatore e adatta al confronto diretto con le informazioni visive archiviate nel cervello.

Secondo Marr il ruolo principale nella costruzione di un modello tridimensionale è svolto dalle componenti degli assi direttivi delle forme degli oggetti. Coloro che non hanno familiarità con questa idea potrebbero trovarla inverosimile, ma in realtà ci sono prove a sostegno di questa ipotesi. In primo luogo, molti oggetti del mondo circostante (in particolare animali e piante) possono essere rappresentati abbastanza chiaramente sotto forma di modelli di tubi (o fili). Infatti possiamo facilmente riconoscere ciò che è raffigurato nella riproduzione sotto forma di componenti degli assi di guida (Fig. 14).

Figura 14. I modelli animali semplici possono essere identificati dai componenti dell'asse guida.

In secondo luogo, questa teoria offre una spiegazione plausibile al fatto che siamo in grado di smontare visivamente un oggetto nelle sue parti componenti. Ciò si riflette nella nostra lingua, che dà nomi diversi a ciascuna parte di un oggetto. Pertanto, quando si descrive il corpo umano, denominazioni come "corpo", "mano" e "dito" indicano diverse parti del corpo in base alle loro componenti assiali (Fig. 15).

Figura 16. Modello ad asse singolo (a sinistra) suddiviso nei singoli componenti dell'asse (a destra)

In terzo luogo, questa teoria è coerente con la nostra capacità di generalizzare e allo stesso tempo di differenziare le forme. Generalizziamo raggruppando oggetti con gli stessi assi principali e differenziamo analizzando gli assi figli come i rami di un albero. Marr ha proposto algoritmi che convertono un modello a 2,5 dimensioni in uno tridimensionale. Anche questo processo è in gran parte autonomo. Marr ha osservato che gli algoritmi da lui sviluppati funzionano solo quando vengono utilizzati assi puri. Ad esempio, se applicato ad un foglio di carta sgualcito, i possibili assi saranno molto difficili da individuare e l’algoritmo non sarà applicabile.

La connessione tra il modello tridimensionale e le immagini visive immagazzinate nel cervello viene attivata durante il processo di riconoscimento degli oggetti.

C’è una grande lacuna nelle nostre conoscenze qui. Come vengono immagazzinate queste immagini visive nel cervello? Come procede il processo di riconoscimento? Come viene effettuato il confronto tra le immagini conosciute e l'immagine 3D appena compilata? Questo è l’ultimo punto toccato da Marr (Fig. 16), ma per dare certezza a questa questione sono necessari moltissimi dati scientifici.

Figura 16. Le nuove descrizioni delle forme sono correlate alle forme memorizzate mediante un confronto che passa da una forma generalizzata (in alto) a una forma specifica (in basso)

Sebbene noi stessi non siamo consapevoli delle diverse fasi dell'elaborazione visiva, ci sono molti chiari parallelismi tra le fasi e i vari modi in cui nel tempo abbiamo trasmesso l'impressione dello spazio su una superficie bidimensionale.

Pertanto, i puntinisti enfatizzano l'immagine senza contorni della retina, mentre le immagini lineari corrispondono alla fase dello schizzo primario. I dipinti cubisti possono essere paragonati all'elaborazione di dati visivi in ​​preparazione alla costruzione del modello tridimensionale finale, anche se questa non era certamente l'intenzione dell'artista.

L'uomo e il computer

Nel suo approccio globale all'argomento, Marr ha cercato di dimostrare che possiamo comprendere il processo della visione senza la necessità di attingere alla conoscenza già disponibile nel cervello.

Pertanto, ha aperto una nuova strada per i ricercatori nel campo della percezione visiva. Le sue idee possono essere utilizzate per aprire un percorso più efficiente verso l'implementazione di una macchina visiva. Quando Marr scrisse il suo libro, doveva essere consapevole dello sforzo che i suoi lettori avrebbero dovuto compiere per seguire le sue idee e conclusioni. Ciò è evidente in tutta la sua opera ed è particolarmente evidente nel capitolo finale, “In difesa dell’approccio”. Si tratta di un "caso" polemico di 25 pagine stampate in cui approfitta del momento favorevole per giustificare i suoi gol. In questo capitolo ha una conversazione con un avversario immaginario che attacca Marr con argomenti come i seguenti:

"Sono ancora insoddisfatto della descrizione di questo processo interconnesso e dell'idea che tutta la restante ricchezza di dettagli sia solo una descrizione. Sembra un po' troppo primitivo... Man mano che ci avviciniamo all'idea che il cervello è un computer, mi Devo dire tutto ciò che temo sempre di più per la preservazione del significato dei valori umani."

Marr offre una risposta intrigante: "L'affermazione che il cervello sia un computer è corretta, ma fuorviante. Il cervello è infatti un dispositivo di elaborazione delle informazioni altamente specializzato, o meglio il più grande di tutti. Considerare il nostro cervello come un dispositivo di elaborazione dei dati non sminuisce o negare i valori umani, in ogni caso li sostiene e può, in definitiva, aiutarci a capire cosa sono i valori umani da un punto di vista informativo, perché hanno un significato selettivo e come si inseriscono nel contesto sociale. e le norme pubbliche che i nostri geni ci hanno fornito”.

È importante conoscere la struttura della retina e come riceviamo le informazioni visive, almeno nella forma più generale.

1. Osserva la struttura degli occhi. Dopo che i raggi luminosi passano attraverso il cristallino, penetrano nel corpo vitreo ed entrano nello strato interno, molto sottile, dell'occhio: la retina. È lei che gioca il ruolo principale nel catturare l'immagine. La retina è l'anello centrale del nostro analizzatore visivo.

La retina è adiacente alla coroide, ma in molte aree è lassa. Qui tende a sfaldarsi a causa di varie malattie. Nelle malattie della retina, molto spesso la coroide è coinvolta nel processo patologico. Non ci sono terminazioni nervose nella coroide, quindi quando è malata non c'è dolore, il che di solito segnala qualche tipo di problema.

La retina che riceve la luce può essere funzionalmente divisa in centrale (l'area della macula) e periferica (l'intera restante superficie della retina). Di conseguenza, viene fatta una distinzione tra visione centrale, che consente di esaminare chiaramente piccoli dettagli di oggetti, e visione periferica, in cui la forma di un oggetto viene percepita meno chiaramente, ma con il suo aiuto avviene l'orientamento nello spazio.

2. La retina ha una complessa struttura multistrato. È costituito da fotorecettori (neuroepitelio specializzato) e cellule nervose. I fotorecettori situati nella retina dell'occhio si dividono in due tipi, chiamati in base alla loro forma: coni e bastoncelli. I bastoncelli (ce ne sono circa 130 milioni nella retina) sono altamente fotosensibili e permettono di vedere in condizioni di scarsa illuminazione; sono anche responsabili della visione periferica. I coni (se ne trovano circa 7 milioni nella retina), al contrario, richiedono più luce per la loro eccitazione, ma sono quelli che permettono di vedere piccoli dettagli (responsabili della visione centrale) e permettono di distinguere i colori . La maggiore concentrazione di coni si trova nella zona della retina detta macula o macula, che occupa circa l'1% della retina.

I bastoncelli contengono viola visivo, grazie al quale vengono eccitati molto rapidamente e dalla luce debole. La vitamina A è coinvolta nella formazione della porpora visiva, la cui carenza porta allo sviluppo della cosiddetta cecità notturna. I coni non contengono viola visivo, quindi vengono eccitati lentamente solo dalla luce intensa, ma sono in grado di percepire il colore: i segmenti esterni dei tre tipi di coni (sensibili al blu, al verde e al rosso) contengono tre tipi di viola visivo pigmenti, i cui spettri di assorbimento massimo si trovano nelle regioni blu, verde e rossa dello spettro.

3 . Nei bastoncelli e nei coni, situati negli strati esterni della retina, l'energia luminosa viene convertita in energia elettrica nel tessuto nervoso. Gli impulsi che nascono negli strati esterni della retina raggiungono i neuroni intermedi situati nei suoi strati interni e quindi le cellule nervose. I processi di queste cellule nervose convergono radialmente in un'area della retina e formano il disco ottico, visibile esaminando il fondo.

Il nervo ottico è costituito da processi di cellule nervose della retina ed esce dal bulbo oculare vicino al polo posteriore. Trasmette segnali dalle terminazioni nervose al cervello.

Quando lascia l'occhio, il nervo ottico si divide in due metà. La metà interna si interseca con la stessa metà dell'altro occhio. Il lato destro della retina di ciascun occhio trasmette la parte destra dell'immagine al lato destro del cervello attraverso il nervo ottico, mentre il lato sinistro della retina, rispettivamente, trasmette la parte sinistra dell'immagine al lato sinistro dell'occhio. il cervello. L'immagine complessiva di ciò che vediamo viene ricreata direttamente dal cervello.

Pertanto, la percezione visiva inizia con la proiezione di un'immagine sulla retina e l'eccitazione dei fotorecettori, quindi le informazioni ricevute vengono elaborate in sequenza nei centri visivi sottocorticali e corticali. Di conseguenza, nasce un'immagine visiva che, grazie all'interazione dell'analizzatore visivo con altri analizzatori e all'esperienza accumulata (memoria visiva), riflette correttamente la realtà oggettiva. La retina dell'occhio produce un'immagine ridotta e invertita di un oggetto, ma noi vediamo l'immagine diritta e in dimensioni reali. Ciò accade anche perché, insieme alle immagini visive, entrano nel cervello anche gli impulsi nervosi provenienti dai muscoli extraoculari; ad esempio, quando guardiamo in alto, i muscoli ruotano gli occhi verso l'alto. I muscoli oculari lavorano continuamente, descrivendo i contorni di un oggetto, e questi movimenti vengono registrati anche dal cervello.

Occhio- organo della vista negli animali e nell'uomo. L'occhio umano è costituito dal bulbo oculare, collegato tramite il nervo ottico al cervello, e dagli apparati ausiliari (palpebre, organi lacrimali e muscoli che muovono il bulbo oculare).

Il bulbo oculare (Fig. 94) è protetto da una densa membrana chiamata sclera. La parte anteriore (trasparente) della sclera 1 è chiamata cornea. La cornea è la parte esterna più sensibile del corpo umano (anche il tocco più leggero provoca la chiusura riflessa istantanea delle palpebre).

Dietro la cornea c'è l'iride 2, che può avere colori diversi nelle persone. Tra la cornea e l'iride c'è un fluido acquoso. Nell'iride c'è un piccolo foro - pupilla 3. Il diametro della pupilla può variare da 2 a 8 mm, diminuendo alla luce e aumentando al buio.

Dietro la pupilla c'è un corpo trasparente che ricorda una lente biconvessa - lente 4. All'esterno è morbido e quasi gelatinoso, all'interno è più duro ed elastico. Il cristallino è circondato da 5 muscoli che lo fissano alla sclera.

Dietro il cristallino si trova il corpo vitreo 6, che è una massa gelatinosa incolore. La parte posteriore della sclera - il fondo dell'occhio - è ricoperta da una retina (retina) 7. È costituita dalle fibre più fini che ricoprono il fondo dell'occhio e rappresentano le terminazioni ramificate del nervo ottico.

Come appaiono e vengono percepite dall'occhio le immagini dei vari oggetti?

La luce, rifratta nel sistema ottico dell'occhio, che è formato da cornea, cristallino e corpo vitreo, restituisce sulla retina immagini reali, ridotte e invertite degli oggetti in questione (Fig. 95). Una volta che la luce raggiunge le terminazioni del nervo ottico, che costituisce la retina, irrita queste terminazioni. Queste irritazioni vengono trasmesse attraverso le fibre nervose al cervello e una persona ha una sensazione visiva: vede gli oggetti.

L'immagine di un oggetto che appare sulla retina dell'occhio è invertita. Il primo a dimostrarlo costruendo il percorso dei raggi nel sistema ottico dell'occhio fu I. Keplero. Per verificare questa conclusione, lo scienziato francese R. Descartes (1596-1650) prese un occhio di bue e, dopo aver raschiato via lo strato opaco dalla sua parete posteriore, lo collocò in un foro praticato in una persiana. E poi, sulla parete traslucida del fondo, vide un'immagine capovolta del quadro osservato dalla finestra.

Perché allora vediamo tutti gli oggetti così come sono, cioè non invertiti? Il fatto è che il processo visivo viene continuamente corretto dal cervello, che riceve informazioni non solo attraverso gli occhi, ma anche attraverso altri sensi. Un tempo, il poeta inglese William Blake (1757-1827) notò molto correttamente:

Attraverso l'occhio, non con l'occhio
La mente sa come guardare il mondo.

Nel 1896, lo psicologo americano J. Stretton condusse un esperimento su se stesso. Indossò occhiali speciali, grazie ai quali le immagini degli oggetti circostanti sulla retina dell'occhio non erano invertite, ma dirette. E cosa? Il mondo nella mente di Stretton si capovolse. Cominciò a vedere tutti gli oggetti capovolti. Per questo motivo si è verificata una discrepanza nel lavoro degli occhi con gli altri sensi. Lo scienziato ha sviluppato sintomi di mal di mare. Ha avuto nausea per tre giorni. Tuttavia, il quarto giorno il corpo cominciò a tornare alla normalità e il quinto giorno Stretton cominciò a sentirsi come prima dell'esperimento. Il cervello dello scienziato si abituò alle nuove condizioni di lavoro e cominciò a vedere di nuovo tutti gli oggetti direttamente. Ma quando si tolse gli occhiali, tutto si capovolse di nuovo. Nel giro di un'ora e mezza, la sua vista fu ripristinata e cominciò a vedere di nuovo normalmente.

È curioso che tale adattabilità sia caratteristica solo del cervello umano. Quando, in uno degli esperimenti, furono messi degli occhiali invertiti su una scimmia, ricevette un tale colpo psicologico che, dopo aver fatto diversi movimenti sbagliati e cadendo, cadde in uno stato che ricordava il coma. I suoi riflessi iniziarono a svanire, la sua pressione sanguigna scese e il suo respiro divenne rapido e superficiale. Niente di simile si osserva negli esseri umani.

Tuttavia, il cervello umano non è sempre in grado di far fronte all'analisi dell'immagine ottenuta sulla retina. In questi casi sorgono illusioni visive: l'oggetto osservato non ci sembra così com'è (Fig. 96).

C'è un'altra caratteristica della visione che non può essere ignorata. È noto che quando cambia la distanza dall'obiettivo all'oggetto, cambia anche la distanza dalla sua immagine. Come fa a rimanere un'immagine nitida sulla retina quando spostiamo lo sguardo da un oggetto lontano a uno più vicino?

Si scopre che i muscoli attaccati al cristallino sono in grado di modificare la curvatura delle sue superfici e quindi il potere ottico dell'occhio. Quando guardiamo oggetti distanti, questi muscoli sono in uno stato rilassato e la curvatura del cristallino è relativamente piccola. Quando si guardano oggetti vicini, i muscoli oculari comprimono il cristallino e la sua curvatura, e quindi il potere ottico, aumenta.

Viene chiamata la capacità dell'occhio di adattarsi alla visione sia a distanza vicina che a distanza alloggio(dal latino accomodatio - dispositivo). Grazie all'accomodamento, una persona riesce a mettere a fuoco le immagini di vari oggetti alla stessa distanza dall'obiettivo, sulla retina.

Quando però l’oggetto in questione è molto vicino, la tensione dei muscoli che deformano il cristallino aumenta, e il lavoro dell’occhio diventa faticoso. La distanza ottimale per leggere e scrivere per un occhio normale è di circa 25 cm ed è chiamata distanza della visione chiara (o migliore).

Qual è il vantaggio di vedere con entrambi gli occhi?

Innanzitutto è grazie alla presenza di due occhi che possiamo distinguere quale oggetto è più vicino e quale è più lontano da noi. Il fatto è che le retine degli occhi destro e sinistro producono immagini che differiscono l'una dall'altra (corrispondenti a guardare un oggetto come da destra e da sinistra). Più l'oggetto è vicino, più questa differenza è evidente. Crea l'impressione di una differenza di distanze. Questa stessa capacità visiva ti consente di vedere un oggetto tridimensionale, anziché piatto.

In secondo luogo, avere due occhi aumenta il campo visivo. Il campo visivo umano è mostrato nella Figura 97, a. Per confronto, accanto ad esso vengono mostrati i campi visivi di un cavallo (Fig. 97, c) e di una lepre (Fig. 97, b). Guardando queste immagini, è facile capire perché è così difficile per i predatori avvicinarsi di soppiatto a questi animali senza tradirsi.

La visione consente alle persone di vedersi. È possibile vedere te stesso, ma essere invisibile agli altri? Lo scrittore inglese Herbert Wells (1866-1946) tentò per primo di rispondere a questa domanda nel suo romanzo L'uomo invisibile. Una persona diventerà invisibile dopo che la sua sostanza sarà diventata trasparente e avrà la stessa densità ottica dell'aria circostante. Quindi non ci sarà riflessione e rifrazione della luce al confine del corpo umano con l'aria e diventerà invisibile. Ad esempio, il vetro frantumato, che nell'aria appare come una polvere bianca, scompare immediatamente alla vista quando viene immerso nell'acqua, un mezzo che ha all'incirca la stessa densità ottica del vetro.

Nel 1911, lo scienziato tedesco Spalteholtz immerse un preparato di tessuto animale morto in un liquido appositamente preparato, dopodiché lo mise in un recipiente con lo stesso liquido: il preparato divenne invisibile.

Tuttavia, l'uomo invisibile deve essere invisibile nell'aria e non in una soluzione appositamente preparata. Ma questo non è possibile.

Ma supponiamo che una persona riesca comunque a diventare trasparente. La gente smetterà di vederlo. Riuscirà a vederli lui stesso? No, perché tutte le sue parti, compresi gli occhi, smetteranno di rifrangere i raggi luminosi e, quindi, sulla retina dell'occhio non apparirà alcuna immagine. Inoltre, per formare un’immagine visibile nella mente di una persona, i raggi luminosi devono essere assorbiti dalla retina, trasferendovi la loro energia. Questa energia è necessaria per la generazione di segnali che viaggiano lungo il nervo ottico fino al cervello umano. Se gli occhi dell'uomo invisibile diventano completamente trasparenti, ciò non accadrà. E se è così, smetterà di vedere del tutto. L'uomo invisibile sarà cieco.

H.G. Wells non tenne conto di questa circostanza e dotò quindi il suo eroe di una vista normale, permettendogli di terrorizzare un'intera città senza essere notato.

1. Come funziona l'occhio umano? Quali parti formano un sistema ottico? 2. Descrivi l'immagine che appare sulla retina dell'occhio. 3. Come viene trasmessa l'immagine di un oggetto al cervello? Perché vediamo gli oggetti dritti e non capovolti? 4. Perché, quando spostiamo lo sguardo da un oggetto vicino a uno lontano, continuiamo a vederne l'immagine nitida? 5. Qual è la distanza di visione migliore? 6. Qual è il vantaggio di vedere con entrambi gli occhi? 7. Perché l’uomo invisibile deve essere cieco?

Attraverso l'occhio, non con l'occhio
La mente sa come guardare il mondo.
William Blake

Obiettivi della lezione:

Educativo:

• rivelare la struttura e il significato dell'analizzatore visivo, delle sensazioni visive e della percezione;
• approfondire la conoscenza della struttura e della funzione dell'occhio come sistema ottico;
• spiegare come si formano le immagini sulla retina,
• dare un'idea della miopia e dell'ipermetropia e dei tipi di correzione della vista.

Educativo:

• sviluppare la capacità di osservare, confrontare e trarre conclusioni;
• continuare a sviluppare il pensiero logico;
• continuare a formare un'idea dell'unità dei concetti del mondo circostante.

Educativo:

• coltivare un atteggiamento attento alla propria salute, affrontare i problemi di igiene visiva;
• continuare a sviluppare un atteggiamento responsabile nei confronti dell’apprendimento.

Attrezzatura:

• tabella "Analizzatore visivo",
• modello pieghevole dell'occhio,
• preparato umido "Mammalian Eye"
• dispense con illustrazioni.

Durante le lezioni

1. Momento organizzativo.

2. Aggiornamento delle conoscenze. Ripetizione dell'argomento "Struttura dell'occhio".

3. Spiegazione del nuovo materiale:

Sistema ottico dell'occhio.

Retina. Formazione delle immagini sulla retina.

Illusioni ottiche.

Sistemazione dell'occhio.

Il vantaggio di vedere con entrambi gli occhi.

Movimento degli occhi.

Difetti visivi e loro correzione.

Igiene visiva.

4. Consolidamento.

5. Riepilogo della lezione. Impostazione dei compiti.

Ripetizione dell'argomento "Struttura dell'occhio".

Insegnante di biologia:

Nell'ultima lezione abbiamo studiato l'argomento “Struttura dell'occhio”. Ricordiamo il materiale di questa lezione. Continua la frase:

1) La zona visiva degli emisferi cerebrali si trova in ...

2) Dona colore agli occhi...

3) L'analizzatore è composto da...

4) Gli organi ausiliari dell'occhio sono...

5) Il bulbo oculare ha... membrane

6) La lente convesso-concava del bulbo oculare è...

Utilizzando il disegno, parlaci della struttura e dello scopo delle parti costitutive dell'occhio.

Spiegazione del nuovo materiale.

Insegnante di biologia:

L'occhio è l'organo della vista negli animali e nell'uomo. Questo è un dispositivo autoregolante. Ti permette di vedere oggetti vicini e lontani. L'obiettivo si restringe quasi in una palla o si allunga, modificando così la lunghezza focale.

Il sistema ottico dell'occhio è costituito dalla cornea, dal cristallino e dal corpo vitreo.

La retina (la rete che ricopre il fondo dell'occhio) ha uno spessore di 0,15 -0,20 mm ed è costituita da diversi strati di cellule nervose. Il primo strato è adiacente alle cellule del pigmento nero. È formato da recettori visivi: bastoncelli e coni. Nella retina umana ci sono centinaia di volte più bastoncelli che coni. I bastoncelli vengono eccitati molto rapidamente dalla debole luce crepuscolare, ma non riescono a percepire il colore. I coni vengono eccitati lentamente e solo dalla luce intensa: sono in grado di percepire il colore. I bastoncelli sono distribuiti uniformemente sulla retina. Direttamente di fronte alla pupilla nella retina si trova la macchia gialla, costituita esclusivamente da coni. Quando si esamina un oggetto, lo sguardo si sposta in modo che l'immagine cada sulla macchia gialla.

I processi si estendono dalle cellule nervose. In un punto della retina si riuniscono in un fascio e formano il nervo ottico. Più di un milione di fibre trasmettono informazioni visive al cervello sotto forma di impulsi nervosi. Questo luogo, privo di recettori, è chiamato punto cieco. L'analisi del colore, della forma, dell'illuminazione di un oggetto e dei suoi dettagli, iniziata nella retina, termina nella corteccia. Qui tutte le informazioni vengono raccolte, decifrate e riassunte. Di conseguenza, si forma un'idea dell'argomento. È il cervello che “vede”, non l’occhio.

Quindi, la visione è un processo sottocorticale. Dipende dalla qualità dell'informazione che arriva dagli occhi alla corteccia cerebrale (regione occipitale).

Insegnante di fisica:

Abbiamo scoperto che il sistema ottico dell'occhio è costituito dalla cornea, dal cristallino e dal corpo vitreo. La luce, rifratta nel sistema ottico, restituisce sulla retina immagini reali, ridotte e inverse degli oggetti in questione.

Il primo a dimostrare che l'immagine sulla retina è invertita tracciando il percorso dei raggi nel sistema ottico dell'occhio fu Giovanni Keplero (1571 - 1630). Per verificare questa conclusione, lo scienziato francese René Descartes (1596 - 1650) prese un occhio di bue e, dopo aver raschiato via lo strato opaco dalla sua parete posteriore, lo collocò in un foro praticato in una persiana. E poi, sulla parete traslucida del fondo, vide un'immagine capovolta del quadro osservato dalla finestra.

Perché allora vediamo tutti gli oggetti così come sono, cioè? non a testa in giù?

Il fatto è che il processo visivo viene continuamente corretto dal cervello, che riceve informazioni non solo attraverso gli occhi, ma anche attraverso altri sensi.

Nel 1896, lo psicologo americano J. Stretton condusse un esperimento su se stesso. Indossò occhiali speciali, grazie ai quali le immagini degli oggetti circostanti sulla retina dell'occhio non furono invertite, ma in avanti. E cosa? Il mondo nella mente di Stretton si capovolse. Cominciò a vedere tutti gli oggetti capovolti. Per questo motivo si è verificata una discrepanza nel lavoro degli occhi con gli altri sensi. Lo scienziato ha sviluppato sintomi di mal di mare. Per tre giorni ebbe la nausea. Tuttavia, il quarto giorno il corpo cominciò a tornare alla normalità e il quinto giorno Stretton cominciò a sentirsi come prima dell'esperimento. Il cervello dello scienziato si abituò alle nuove condizioni di lavoro e cominciò a vedere di nuovo tutti gli oggetti direttamente. Ma quando si tolse gli occhiali, tutto si capovolse di nuovo. Nel giro di un'ora e mezza, la sua vista fu ripristinata e cominciò a vedere di nuovo normalmente.

È curioso che un tale adattamento sia caratteristico solo del cervello umano. Quando, in uno degli esperimenti, furono messi degli occhiali invertiti su una scimmia, ricevette un tale colpo psicologico che, dopo aver fatto diversi movimenti sbagliati e cadendo, cadde in uno stato che ricordava il coma. I suoi riflessi iniziarono a svanire, la sua pressione sanguigna scese e il suo respiro divenne rapido e superficiale. Niente di simile si osserva negli esseri umani. Tuttavia, il cervello umano non è sempre in grado di far fronte all'analisi dell'immagine ottenuta sulla retina. In questi casi sorgono illusioni visive: l'oggetto osservato non ci sembra così com'è.

I nostri occhi non possono percepire la natura degli oggetti. Pertanto, non imporre loro delusioni della ragione. (Lucrezio)

Autoinganni visivi

Si parla spesso di “inganno dell’occhio”, “inganno dell’udito”, ma queste espressioni non sono corrette. Non ci sono inganni dei sentimenti. Il filosofo Kant disse giustamente al riguardo: “I sensi non ci ingannano, non perché giudichino sempre correttamente, ma perché non giudicano affatto”.

Cosa ci inganna allora nei cosiddetti “inganni” dei sensi? Naturalmente, ciò che in questo caso “giudica”, cioè il nostro stesso cervello. In effetti, la maggior parte delle illusioni ottiche dipendono esclusivamente dal fatto che non solo vediamo, ma ragioniamo anche inconsciamente e involontariamente ci inganniamo. Questi sono inganni di giudizio, non di sentimenti.

Galleria di immagini o ciò che vedi

Figlia, madre e padre baffuto?

Un indiano che guarda con orgoglio il sole e un eschimese incappucciato con la schiena girata...

Giovani e vecchi

Donne giovani e anziane

Le rette sono parallele?

Un quadrilatero è un quadrato?

Quale ellisse è più grande: quella inferiore o quella interna superiore?

Cosa c'è di più in questa figura: altezza o larghezza?

Quale linea è la continuazione della prima?

Noti che il cerchio "trema"?

C'è un'altra caratteristica della visione che non può essere ignorata. È noto che quando cambia la distanza dall'obiettivo all'oggetto, cambia anche la distanza dalla sua immagine. Come fa a rimanere un'immagine nitida sulla retina quando spostiamo lo sguardo da un oggetto lontano a uno più vicino?

Come sapete, i muscoli attaccati al cristallino sono in grado di modificare la curvatura delle sue superfici e quindi il potere ottico dell'occhio. Quando guardiamo oggetti distanti, questi muscoli sono in uno stato rilassato e la curvatura del cristallino è relativamente piccola. Quando si guardano oggetti vicini, i muscoli oculari comprimono il cristallino e la sua curvatura e, di conseguenza, la potenza ottica aumenta.

Viene chiamata la capacità dell'occhio di adattarsi alla visione, sia a distanza ravvicinata che a distanza alloggio(dal latino accomodatio - dispositivo).

Grazie all'accomodamento, una persona riesce a mettere a fuoco le immagini di vari oggetti alla stessa distanza dall'obiettivo, sulla retina.

Quando però l’oggetto in questione è molto vicino, la tensione dei muscoli che deformano il cristallino aumenta, e il lavoro dell’occhio diventa faticoso. La distanza ottimale per leggere e scrivere per un occhio normale è di circa 25 cm, detta distanza di visione migliore.

Insegnante di biologia:

Che vantaggio dà vedere con entrambi gli occhi?

1. Il campo visivo umano aumenta.

2. È grazie alla presenza di due occhi che possiamo distinguere quale oggetto è più vicino e quale è più lontano da noi.

Il fatto è che la retina degli occhi destro e sinistro produce immagini che differiscono l'una dall'altra (corrispondente al guardare gli oggetti come se fossero a destra e a sinistra). Più l'oggetto è vicino, più questa differenza è evidente. Crea l'impressione di una differenza di distanze. Questa stessa capacità dell'occhio permette di vedere un oggetto come tridimensionale e non piatto. Questa capacità è chiamata visione stereoscopica. Il lavoro congiunto di entrambi gli emisferi cerebrali garantisce la distinzione degli oggetti, la loro forma, dimensione, posizione e movimento. L'effetto dello spazio volumetrico può verificarsi nei casi in cui consideriamo un'immagine piatta.

Per diversi minuti, guarda l'immagine a una distanza di 20-25 cm dai tuoi occhi.

Per 30 secondi, guarda la strega sulla scopa senza distogliere lo sguardo.

Sposta rapidamente lo sguardo sul disegno del castello e guarda, contando fino a 10, nell'apertura del cancello. Nell'apertura vedrai una strega bianca su sfondo grigio.

Quando guardi i tuoi occhi allo specchio, probabilmente noti che entrambi gli occhi fanno movimenti ampi e sottili rigorosamente contemporaneamente, nella stessa direzione.

Gli occhi guardano sempre tutto così? Come ci comportiamo in una stanza già familiare? Perché abbiamo bisogno dei movimenti oculari? Sono necessari per l'ispezione iniziale. Esaminando, formiamo un'immagine olistica e tutto questo viene trasferito nella memoria. Pertanto, il movimento degli occhi non è necessario per riconoscere oggetti noti.

Insegnante di fisica:

Una delle caratteristiche principali della vista è l'acuità visiva. La vista delle persone cambia con l'età, perché... la lente perde elasticità e la capacità di modificare la sua curvatura. Appare ipermetropia o miopia.

La miopia è un deficit visivo in cui i raggi paralleli, dopo la rifrazione nell'occhio, vengono raccolti non sulla retina, ma più vicino al cristallino. Le immagini di oggetti distanti appaiono quindi sfocate e sfocate sulla retina. Per ottenere un'immagine nitida sulla retina, l'oggetto in questione deve essere avvicinato all'occhio.

La distanza di visione migliore per un miope è inferiore a 25 cm, pertanto le persone con una simile carenza di renio sono costrette a leggere il testo avvicinandolo agli occhi. La miopia può essere dovuta ai seguenti motivi:

• eccessivo potere ottico dell'occhio;
• allungamento dell'occhio lungo il suo asse ottico.

Di solito si sviluppa durante gli anni scolastici ed è solitamente associato a lettura o scrittura prolungata, soprattutto in condizioni di illuminazione insufficiente e posizionamento improprio delle fonti luminose.

L'ipermetropia è un difetto della vista in cui i raggi paralleli, dopo la rifrazione nell'occhio, convergono con un angolo tale che il fuoco non si trova sulla retina, ma dietro di essa. Le immagini di oggetti distanti sulla retina risultano nuovamente sfocate e sfocate.

Insegnante di biologia:

Per prevenire l'affaticamento visivo, ci sono una serie di esercizi. Ve ne proponiamo alcuni:

opzione 1 (durata 3-5 minuti).

1. Posizione di partenza - seduto in una posizione comoda: la colonna vertebrale è dritta, gli occhi sono aperti, lo sguardo è diretto. È molto facile da fare, senza stress.

Dirigi lo sguardo a sinistra - dritto, a destra - dritto, su - dritto, giù - dritto, senza indugio nella posizione rapita. Ripeti 1-10 volte.

2. Sposta lo sguardo in diagonale: sinistra - giù - dritto, destra - su - dritto, destra - giù - dritto, sinistra - su - dritto. E aumentare gradualmente i ritardi nella posizione abdotta, la respirazione è volontaria, ma assicurarsi che non ci siano ritardi. Ripeti 1-10 volte.

3. Movimenti oculari circolari: da 1 a 10 cerchi a sinistra e a destra. All'inizio più veloce, poi riduci gradualmente il ritmo.

4. Guarda la punta di un dito o di una matita tenuta a una distanza di 30 cm dagli occhi, e poi in lontananza. Ripeti più volte.

5. Guarda dritto davanti a te intensamente e senza movimento, cercando di vedere più chiaramente, quindi sbatti le palpebre più volte. Strizza le palpebre, quindi sbatti le palpebre più volte.

6. Modifica della lunghezza focale: guarda la punta del naso, poi in lontananza. Ripeti più volte.

7. Massaggiare le palpebre, accarezzandole delicatamente con l'indice e il medio nella direzione dal naso alle tempie. Oppure: chiudi gli occhi e usa i polpastrelli delle mani, toccando molto delicatamente, per muoverti lungo le palpebre superiori dalle tempie al ponte del naso e ritorno, per un totale di 10 volte a ritmo medio.

8. Strofina insieme i palmi delle mani e copri con facilità, senza sforzo, gli occhi precedentemente chiusi per bloccarli completamente dalla luce per 1 minuto. Immagina di essere immerso nell'oscurità più completa. Apri gli occhi.

opzione 2 (durata 1-2 minuti).

1. Quando si conta 1-2, gli occhi si fissano su un oggetto vicino (distanza 15-20 cm), quando si conta 3-7, lo sguardo viene trasferito su un oggetto distante. Al conteggio di 8, lo sguardo viene nuovamente trasferito all'oggetto più vicino.

2. Con la testa immobile, contando fino a 1, girare gli occhi verticalmente verso l'alto, contando fino a 2, verso il basso, poi di nuovo verso l'alto. Ripeti 10-15 volte.

3. Chiudi gli occhi per 10-15 secondi, aprili e muovi gli occhi a destra e a sinistra, poi su e giù (5 volte). Liberamente, senza tensione, dirigi lo sguardo in lontananza.

Opzione 3 (durata 2-3 minuti).

Gli esercizi vengono eseguiti in posizione seduta, appoggiandosi allo schienale di una sedia.

1. Guarda dritto davanti a te per 2-3 secondi, quindi abbassa gli occhi per 3-4 secondi. Ripeti l'esercizio per 30 secondi.

2. Alza gli occhi, abbassali, guarda a destra, poi a sinistra. Ripeti 3-4 volte. Durata 6 secondi.

3. Alza gli occhi, esegui movimenti circolari con loro in senso antiorario, poi in senso orario. Ripeti 3-4 volte.

4. Chiudi bene gli occhi per 3-5 secondi, aprili per 3-5 secondi. Ripeti 4-5 volte. Durata 30-50 secondi.

Consolidamento.

Vengono offerte situazioni non standard.

1. Uno studente miope percepisce le lettere scritte alla lavagna come sfocate e indistinte. Deve sforzare la vista per accogliere gli occhi sulla lavagna o sul quaderno, il che è dannoso sia per il sistema visivo che per quello nervoso. Suggerisci un design per tali occhiali per gli scolari per evitare lo stress durante la lettura del testo dalla lavagna.

2. Quando il cristallino dell'occhio di una persona diventa opaco (ad esempio, in caso di cataratta), solitamente viene rimosso e sostituito con una lente di plastica. Tale sostituzione priva gli occhi della capacità di adattamento e il paziente è costretto a usare gli occhiali. Più recentemente, la Germania ha iniziato a produrre una lente artificiale in grado di auto-mettere a fuoco. Indovina quale caratteristica di design è stata inventata per la sistemazione dell'occhio?

3. H.G. Wells ha scritto il romanzo "L'uomo invisibile". Una personalità aggressiva e invisibile voleva soggiogare il mondo intero. Pensa a cosa c'è di sbagliato in questa idea? Quando un oggetto nell'ambiente è invisibile? Come può vedere l'occhio di un uomo invisibile?

Riepilogo della lezione. Impostazione dei compiti.

• § 57, 58 (biologia),
• § 37.38 (fisica), proporre problemi non standard sull'argomento studiato (facoltativo).

Sin dai tempi antichi, l'occhio è stato un simbolo di onniscienza, conoscenza segreta, saggezza e vigilanza. E questo non sorprende. Dopotutto, è attraverso la visione che riceviamo la maggior parte delle informazioni sul mondo che ci circonda. Con l'aiuto dei nostri occhi valutiamo la dimensione, la forma, la distanza e la posizione relativa degli oggetti, godiamo della varietà di colori e osserviamo il movimento.

Come funziona l'occhio curioso?

L’occhio umano viene spesso paragonato a una macchina fotografica. La cornea, la parte chiara e convessa del guscio esterno, è come una lente obiettiva. La seconda membrana, la coroide, è rappresentata davanti dall'iride, il cui contenuto di pigmenti determina il colore degli occhi. Il foro al centro dell'iride - la pupilla - si restringe in condizioni di luce intensa e si allarga in condizioni di scarsa illuminazione, regolando la quantità di luce che entra nell'occhio, in modo simile a un diaframma. La seconda lente è una lente mobile e flessibile circondata dal muscolo ciliare, che modifica il grado della sua curvatura. Dietro il cristallino si trova il corpo vitreo, una sostanza gelatinosa trasparente che mantiene l'elasticità e la forma sferica del bulbo oculare. I raggi di luce, passando attraverso le strutture intraoculari, cadono sulla retina, la membrana più sottile di tessuto nervoso che riveste l'interno dell'occhio. I fotorecettori sono cellule sensibili alla luce nella retina che, come la pellicola fotografica, registrano le immagini.

Perché dicono che “vediamo” con il cervello?

Eppure l'organo della vista è molto più complesso delle più moderne attrezzature fotografiche. Dopotutto, non registriamo solo ciò che vediamo, ma valutiamo la situazione e reagiamo con parole, azioni ed emozioni.

Gli occhi destro e sinistro vedono gli oggetti da diverse angolazioni. Il cervello collega entrambe le immagini insieme, grazie alle quali possiamo stimare il volume degli oggetti e le loro posizioni relative.

Pertanto, l'immagine della percezione visiva si forma nel cervello.

Perché, quando proviamo a guardare qualcosa, volgiamo lo sguardo in questa direzione?

L'immagine più chiara si forma quando i raggi luminosi colpiscono la zona centrale della retina, la macula. Pertanto, quando proviamo a guardare qualcosa più da vicino, volgiamo lo sguardo nella direzione appropriata. Il libero movimento di ciascun occhio in tutte le direzioni è assicurato dal lavoro di sei muscoli.

Palpebre, ciglia e sopracciglia: non solo una bella cornice?

Il bulbo oculare è protetto dalle influenze esterne dalle pareti ossee dell'orbita, dal tessuto adiposo molle che riveste la sua cavità e dalle palpebre.

Strizziamo gli occhi, cercando di proteggere i nostri occhi dalla luce accecante, dal vento secco e dalla polvere. Le ciglia folte si ravvicinano formando una barriera protettiva. E le sopracciglia sono progettate per intrappolare le gocce di sudore che scorrono dalla fronte.

La congiuntiva è una sottile membrana mucosa che ricopre il bulbo oculare e la superficie interna delle palpebre, contenente centinaia di minuscole ghiandole. Producono un “lubrificante” che permette alle palpebre di muoversi liberamente quando sono chiuse e protegge la cornea dalla disidratazione.

Sistemazione dell'occhio

Come si forma l'immagine sulla retina?

Per comprendere come si forma un'immagine sulla retina è necessario ricordare che nel passaggio da un mezzo trasparente all'altro i raggi luminosi vengono rifratti (cioè deviati dalla propagazione rettilinea).

Le parti trasparenti dell'occhio sono la cornea con il suo film lacrimale, l'umor acqueo, il cristallino e il corpo vitreo. La cornea ha il maggiore potere rifrattivo, la seconda lente più potente è il cristallino. Il film lacrimale, l'umor acqueo e l'umor vitreo hanno un potere rifrattivo trascurabile.

Passando attraverso la media intraoculare, i raggi luminosi vengono rifratti e convergono sulla retina, formando un'immagine chiara.

Cos'è l'alloggio?

Qualsiasi tentativo di spostare lo sguardo porta alla sfocatura dell'immagine e richiede un'ulteriore regolazione del sistema ottico dell'occhio. Viene effettuato a causa dell'accomodamento, un cambiamento nel potere di rifrazione della lente.

La lente mobile e flessibile è fissata al muscolo ciliare mediante fibre del legamento di Zinn. Durante la visione a distanza, il muscolo è rilassato, le fibre del legamento di zinn sono in uno stato di tensione, impedendo al cristallino di assumere una forma convessa. Quando si cerca di guardare gli oggetti da vicino, il muscolo ciliare si contrae, il circolo muscolare si restringe, il legamento di Zinn si rilassa e il cristallino assume una forma convessa. Pertanto, il suo potere di rifrazione aumenta e gli oggetti situati a distanza ravvicinata vengono messi a fuoco sulla retina. Questo processo è chiamato accomodamento.

Perché pensiamo che “le braccia si accorciano con l’età”?

Con l'età, il cristallino perde le sue proprietà elastiche, diventa denso e difficilmente cambia il suo potere rifrattivo. Di conseguenza, perdiamo gradualmente la capacità di accomodamento, il che rende difficile lavorare a distanza ravvicinata. Durante la lettura, proviamo ad allontanare il giornale o il libro dai nostri occhi, ma presto le nostre braccia non sono abbastanza lunghe per garantire una visione chiara.

Per correggere la presbiopia si utilizzano lenti convergenti, il cui potere aumenta con l'età.

Deficit visivo

Il 38% dei residenti nel nostro Paese ha problemi alla vista che richiedono la correzione degli occhiali.

Normalmente, il sistema ottico dell'occhio è in grado di rifrangere i raggi luminosi in modo che convergano esattamente sulla retina, garantendo una visione chiara. Un occhio con errore di rifrazione necessita di una lente aggiuntiva per mettere a fuoco l'immagine sulla retina.

Quali sono i tipi di disabilità visive?

Il potere rifrattivo dell'occhio è determinato da due principali fattori anatomici: la lunghezza dell'asse anteroposteriore dell'occhio e la curvatura della cornea.

Miopia o miopia. Se la lunghezza dell'asse dell'occhio aumenta o la cornea ha un potere rifrattivo maggiore, l'immagine si forma davanti alla retina. Questo disturbo visivo è chiamato miopia o miopia. Le persone miopi vedono bene a distanza ravvicinata ma male a distanza. La correzione si ottiene indossando occhiali con lenti divergenti (meno).

Lungimiranza o ipermetropia. Se la lunghezza dell'asse dell'occhio è ridotta o il potere di rifrazione della cornea è piccolo, l'immagine si forma in un punto immaginario dietro la retina. Questo disturbo visivo è chiamato ipermetropia o ipermetropia. C’è un malinteso secondo cui le persone lungimiranti vedono bene in lontananza. Hanno difficoltà a lavorare a distanza ravvicinata e spesso hanno difficoltà a vedere in lontananza. La correzione si ottiene indossando occhiali con lenti convergenti (più).

Astigmatismo. Quando viene violata la sfericità della cornea si ha una differenza nel potere rifrattivo lungo i due meridiani principali. L'immagine degli oggetti sulla retina è distorta: alcune linee sono chiare, altre sono sfocate. Questo disturbo visivo si chiama astigmatismo e richiede l'uso di occhiali con lenti cilindriche.