Восприятие глубины и бинокулярное зрение.

Введение

Восприятие глубины при использовании двух глаз для зрения
восприятие глубины

Стереопсия – это компонент восприятия глубины, получаемый посредством бинокулярной диспаратности при бинокулярном зрении. Это не единственный фактор, влияющий на восприятие глубины, но один из основных. Бинокулярное зрение возникает потому, что каждый глаз (левый и правый) получает немного различающееся изображение из-за их незначительного смещения в положении в голове. Эти различия в положении называются «горизонтальной диспаратностью» или, в более общем смысле, «бинокулярной диспаратностью». Диспаратности обрабатываются в зрительной коре головного мозга для формирования восприятия глубины. Хотя бинокулярная диспаратность естественным образом присутствует при рассматривании реальной трехмерной сцены двумя глазами, ее также можно имитировать, искусственно представляя два разных изображения отдельно каждому глазу с помощью метода, называемого стереоскопией. Восприятие глубины в таких случаях также называют «стереоскопической глубиной». Однако ощущение глубины в этих случаях часто не такое яркое, как при бинокулярной диспаратности. Таким образом, термин «стереопсия» (или «стереоскопическая глубина») может также относиться конкретно к уникальному ощущению глубины, связанному с бинокулярным зрением (в разговорной речи – «видеть в 3D»). Предполагается, что ощущение «реального» разделения в глубине связано с точностью, с которой определяется глубина, и что осознанное восприятие этой точности – воспринимаемое как ощущение интерактивности и реалистичности – может способствовать планированию двигательных действий.

Этимология

Термин "стереопсис" происходит.

Грубое и тонкое стереопсисы

Стереопсис можно разделить на два аспекта: грубый стереопсис и тонкий стереопсис, которые обеспечивают информацию о глубине с различной степенью пространственной и временной точности. Грубый стереопсис (также называемый общим стереопсисом) по-видимому, используется для оценки стереоскопического движения в периферии. Он создает ощущение погружения в окружающую среду и поэтому иногда также называется качественным стереопсисом. Грубый стереопсис важен для ориентации в пространстве во время движения, например, при спуске по лестнице. Тонкий стереопсис в основном основан на статических различиях. Он позволяет человеку определять глубину объектов в центральной области зрения (область бинокулярного слияния Панума) и поэтому также называется количественным стереопсисом. Обычно он измеряется с помощью тестов с точечными изображениями; люди, обладающие грубым, но не тонким стереопсисом, часто не могут успешно проходить такие тесты, также из-за визуального скопления. Для тонкого стереопсиса требуется хорошая острота зрения обоих глаз, чтобы обнаруживать небольшие пространственные различия, и он легко нарушается при ранней депривации зрения. Есть данные, свидетельствующие о том, что в процессе развития зрительной системы у младенцев грубый стереопсис может развиваться раньше тонкого, и что грубый стереопсис направляет вергентные движения, необходимые для развития тонкого стереопсиса на последующем этапе. Кроме того, есть данные, указывающие на то, что грубый стереопсис является механизмом, поддерживающим выравнивание глаз после операции по поводу косоглазия.

Статические и динамические стимулы

Также было предложено различать два различных типа стереоскопического восприятия глубины: статическое восприятие глубины (или статическое стереовосприятие) и восприятие движения в глубине (или стереовосприятие движения). Некоторые люди с косоглазием не проявляют глубинного восприятия при использовании статических стереотестов (в частности, тестов Титмуса, см. раздел этой статьи о контурных стереотестах), но способны воспринимать движение в глубине при тестировании с помощью динамических стереограмм с случайными точками. Одно исследование показало, что сочетание стереопсиса движения и отсутствия статического стереопсиса наблюдается только у экзотропов, но не у эзотропов.

Исследования механизмов восприятия

Существуют веские основания полагать, что стереоскопический механизм состоит как минимум из двух, а возможно, и из трех механизмов восприятия. Грубое и точное стереопсисы обрабатываются двумя различными физиологическими подсистемами, при этом грубое стереопсис формируется на основе диплопических стимулов (то есть стимулов с диспаратностью, значительно превышающей диапазон бинокулярного слияния) и дает лишь расплывчатое представление о величине глубины. Кажется, что грубая стереоскопическая система способна предоставлять остаточную бинокулярную информацию о глубине некоторым людям, у которых отсутствует точное стереопсис. Было установлено, что люди интегрируют различные стимулы, например, стереоскопические сигналы и окклюзию движением, различными способами. Изучение того, как мозг объединяет различные сигналы – включая стерео, движение, угол конвергенции и монокулярные сигналы – для восприятия движения в глубине и позиционирования 3D-объектов является активной областью исследований в науке о зрении и смежных дисциплинах.

Распространенность и влияние стереопсиса у людей

Не у всех одинаковая способность видеть с помощью стереопсии. Одно исследование показывает, что 97,3% людей способны различать глубину при горизонтальных параллаксах в 2,3 угловые минуты или меньше, и не менее 80% могут различать глубину при горизонтальных различиях в 30 угловых секунд. Стереопсис положительно влияет на выполнение практических задач, таких как вдевание иглы, ловля мяча (особенно в быстрых играх), переливание жидкостей и других. Профессиональная деятельность может включать работу со стереоскопическими приборами, такими как бинокулярный микроскоп. Хотя для некоторых из этих задач возможна компенсация зрительной системы с помощью других признаков глубины, существуют профессии, для которых стереопсис необходим. В требованиях к профессиям, требующим точной оценки расстояния, иногда указывается необходимость демонстрации определенного уровня стереопсии; в частности, такое требование предъявляется к пилотам самолетов (хотя первый пилот, совершивший одиночный перелет вокруг света, Уайли Пост, выполнил свой подвиг только с монокулярным зрением). Хирурги, как правило, демонстрируют высокую стереоаккуратность. Что касается вождения автомобиля, то одно исследование показало положительное влияние стереопсии лишь в определенных ситуациях на средних расстояниях; кроме того, исследование пожилых людей выявило, что блики, потеря поля зрения и полезное поле зрения являются значимыми факторами, предсказывающими участие в дорожно-транспортных происшествиях, в то время как показатели остроты зрения, чувствительности к контрасту и стереоаккуратности у пожилых людей не были связаны с авариями. Бинокулярное зрение имеет дополнительные преимущества, помимо стереопсии, в частности, улучшение качества зрения за счет бинокулярного суммирования; у людей со страбизмом (даже у тех, у кого нет двоения) более низкие показатели бинокулярного суммирования, что, по-видимому, заставляет их закрывать один глаз в ситуациях, требующих зрительного напряжения. Давно известно, что полноценное бинокулярное зрение, включая стереопсию, является важным фактором стабилизации послеоперационных результатов коррекции страбизма. Многие люди, лишенные стереопсии, имеют (или имели) явный страбизм, который, как известно, оказывает потенциальное социально-экономическое влияние на детей и взрослых. В частности, как страбизм с большим углом отклонения, так и с малым углом могут негативно влиять на самооценку, поскольку он мешает нормальному зрительному контакту, часто вызывая смущение, гнев и чувство неловкости. Подробности см. в разделе «Психосоциальные последствия страбизма». Отмечается, что с расширением использования 3D-дисплейных технологий в развлечениях, а также в медицинской и научной визуализации, высококачественное бинокулярное зрение, включая стереопсию, может стать ключевым фактором успеха в современном обществе. Тем не менее, есть данные о том, что отсутствие стереозрения может побудить людей компенсировать это другими способами: в частности, стереослепота может дать преимущество при изображении сцены с использованием монокулярных признаков глубины, и среди художников, по-видимому, непропорционально высок процент людей, лишенных стереопсии. В частности, высказывалось предположение, что Рембрандт мог быть стереослепым.

Not everyone has the same ability to see using stereopsis. One study shows that 97.3% are able to distinguish depth at horizontal disparities of 2.3 minutes of arc or smaller, and at least 80% could distinguish depth at horizontal differences of 30 seconds of arc. Stereopsis has a positive impact on exercising practical tasks such as needle threading, ball catching (especially in fast ball games), pouring liquids, and others. Professional activity may involve operating stereoscopic instruments such as a binocular microscope. While some of these tasks may profit from compensation of the visual system by means of other depth cues, there are some roles for which stereopsis is imperative. Occupations requiring the precise judgment of distance sometimes include a requirement to demonstrate some level of stereopsis; in particular, there is such a requirement for aeroplane pilots (even if the first pilot to fly around the world alone, Wiley Post, accomplished his feat with monocular vision only.) Also surgeons normally demonstrate high stereo acuity. As to car driving, a study found a positive impact of stereopsis in specific situations at intermediate distances only; furthermore, a study on elderly persons found that glare, visual field loss, and useful field of view were significant predictors of crash involvement, whereas the elderly persons' values of visual acuity, contrast sensitivity, and stereoacuity were not associated with crashes. Binocular vision has further advantages aside from stereopsis, in particular the enhancement of vision quality through binocular summation; persons with strabismus (even those who have no double vision) have lower scores of binocular summation, and this appears to incite persons with strabismus to close one eye in visually demanding situations. It has long been recognized that full binocular vision, including stereopsis, is an important factor in the stabilization of post surgical outcome of strabismus corrections. Many persons lacking stereopsis have (or have had) visible strabismus, which is known to have a potential socioeconomic impact on children and adults. In particular, both large angle and small angle strabismus can negatively affect self esteem, as it interferes with normal eye contact, often causing embarrassment, anger, and feelings of awkwardness. For further details on this, see psychosocial effects of strabismus. It has been noted that with the growing introduction of 3D display technology in entertainment and in medical and scientific imaging, high quality binocular vision including stereopsis may become a key capability for success in modern society. Nonetheless, there are indications that the lack of stereo vision may lead persons to compensate by other means: in particular, stereo blindness may give people an advantage when depicting a scene using monocular depth cues of all kinds, and among artists there appear to be a disproportionately high number of persons lacking stereopsis. In particular, a case has been made that Rembrandt may have been stereoblind.

История исследований стереопсий

Леонардо да Винчи осознал, что объекты, находящиеся на разном расстоянии от глаз, проецируют изображения в обоих глазах, различающиеся по горизонтальному положению, но пришел к выводу, что это делает невозможным для художника реалистичное изображение глубины на одном холсте. Леонардо выбрал для ближнего объекта колонну с круглым сечением, а для дальнего – плоскую стену. Если бы он выбрал любой другой ближний объект, он мог бы обнаружить горизонтальное расхождение его деталей. Его колонна была одним из немногих объектов, проецирующих идентичные изображения в оба глаза. Стереопсис впервые был объяснен Чарльзом Уитстоуном в 1838 году: «разум воспринимает трехмерный объект посредством двух различных изображений, проецируемых им на обе сетчатки». Он понял, что поскольку каждый глаз видит мир с немного разных горизонтальных позиций, изображение каждого глаза отличается от другого. Объекты на разном расстоянии от глаз проецируют изображения в оба глаза, различающиеся по горизонтальному положению, что дает глубинный признак горизонтального параллакса, также известный как ретинальное или бинокулярное расхождение. Уитстоун показал, что это эффективный признак глубины, создав иллюзию глубины из плоских изображений, различающихся только горизонтальным параллаксом. Чтобы показывать свои изображения отдельно каждому глазу, Уитстоун изобрел стереоскоп. Стереоскопия стала популярной в викторианскую эпоху с изобретением призменного стереоскопа Дэвидом Брюстером. Это, в сочетании с фотографией, привело к созданию десятков тысяч стереограмм. До примерно 1960-х годов исследования стереопсиса были посвящены изучению его пределов и связи с единством зрения. Среди исследователей были Питер Людвиг Панум, Эвальд Геринг, Адельберт Эймс-младший и Кеннет Н. Огл. В 1960-х годах Бела Жюльц изобрел стереограммы с случайными точками. В отличие от предыдущих стереограмм, где каждая половина изображения показывала узнаваемые объекты, каждая половина изображения первых стереограмм с случайными точками представляла собой квадратную матрицу из примерно 10 000 маленьких точек, каждая из которых имела 50% вероятность быть черной или белой. Узнаваемых объектов на какой-либо из половин изображения не было видно. Две половины стереограммы с случайными точками были по существу идентичны, за исключением того, что на одной из них квадратная область точек была смещена горизонтально на один или два диаметра точек, создавая горизонтальный параллакс. Пробел, образовавшийся в результате смещения, был заполнен новыми случайными точками, скрывающими смещенный квадрат. Тем не менее, когда на каждый глаз показывали соответствующую половину изображения, квадратная область почти сразу становилась видимой, воспринимаясь как более близкая или более далекая, чем фон. Жюльц причудливо назвал эту область «циклопическим изображением» в честь мифического циклопа, у которого был только один глаз. Это было связано с тем, что казалось, будто в нашем мозге есть циклопический глаз, способный видеть циклопические стимулы, скрытые от каждого из наших реальных глаз. Стереограммы с случайными точками выявили проблему для стереопсиса – проблему соответствия. Суть ее в том, что любая точка на одной половине изображения может реалистично сочетаться со многими точками того же цвета на другой половине изображения. Наша зрительная система явно решает проблему соответствия, поскольку мы видим предполагаемую глубину, а не туман ложных соответствий. Начались исследования, чтобы понять, как это происходит. Также в 1960-х годах Гораций Барлоу, Колин Блейкмор и Джек Петтигрю обнаружили нейроны в зрительной коре кошки, рецептивные поля которых располагались на разных горизонтальных позициях в обоих глазах. Это установило нейронную основу стереопсиса. Их выводы были оспорены Дэвидом Хьюбелем и Торстеном Визелем, хотя они в конечном итоге согласились с ними, обнаружив аналогичные нейроны в зрительной коре обезьяны. В 1980-х годах Джан Поджио и другие обнаружили нейроны в V2 мозга обезьяны, реагирующие на глубину стереограмм с случайными точками. В 1970-х годах Кристофер Тайлер изобрел автостереограммы – стереограммы с случайными точками, которые можно просматривать без стереоскопа. Это привело к появлению популярных картинок «Волшебный глаз». В 1989 году Антонио Медина Пуэрта продемонстрировал на фотографиях, что изображения сетчатки, лишенные диспропорции параллакса, но с разными тенями, сливаются стереоскопически, создавая восприятие глубины в изображенной сцене. Он назвал это явление «теневой стереопсией». Тени, таким образом, являются важным стереоскопическим признаком восприятия глубины. Он показал эффективность этого явления, сделав два снимка Луны в разное время, и, следовательно, с разными тенями, заставив Луну казаться трехмерной стереоскопически, несмотря на отсутствие каких-либо других стереоскопических признаков.

Leonardo da Vinci had realized that objects at different distances from the eyes project images in the two eyes that differ in their horizontal positions, but had concluded only that this made it impossible for a painter to portray a realistic depiction of the depth in a scene from a single canvas. Leonardo chose for his near object a column with a circular cross section and for his far object a flat wall. Had he chosen any other near object, he might have discovered horizontal disparity of its features. His column was one of the few objects that projects identical images of itself in the two eyes. Stereopsis was first explained by Charles Wheatstone in 1838: " the mind perceives an object of three dimensions by means of the two dissimilar pictures projected by it on the two retinæ ". He recognized that because each eye views the visual world from slightly different horizontal positions, each eye's image differs from the other. Objects at different distances from the eyes project images in the two eyes that differ in their horizontal positions, giving the depth cue of horizontal disparity, also known as retinal disparity or binocular disparity. Wheatstone showed that this was an effective depth cue by creating the illusion of depth from flat pictures that differed only in horizontal disparity. To display his pictures separately to the two eyes, Wheatstone invented the stereoscope. Stereoscopy became popular during Victorian times with the invention of the prism stereoscope by David Brewster. This, combined with photography, meant that tens of thousands of stereograms were produced. Until about the 1960s, research into stereopsis was dedicated to exploring its limits and its relationship to singleness of vision. Researchers included Peter Ludvig Panum, Ewald Hering, Adelbert Ames Jr., and Kenneth N. Ogle. In the 1960s, Bela Julesz invented random dot stereograms. Unlike previous stereograms, in which each half image showed recognizable objects, each half image of the first random dot stereograms showed a square matrix of about 10,000 small dots, with each dot having a 50% probability of being black or white. No recognizable objects could be seen in either half image. The two half images of a random dot stereogram were essentially identical, except that one had a square area of dots shifted horizontally by one or two dot diameters, giving horizontal disparity. The gap left by the shifting was filled in with new random dots, hiding the shifted square. Nevertheless, when the two half images were viewed one to each eye, the square area was almost immediately visible by being closer or farther than the background. Julesz whimsically called the square a Cyclopean image after the mythical Cyclops who had only one eye. This was because it was as though we have a cyclopean eye inside our brains that can see cyclopean stimuli hidden to each of our actual eyes. Random dot stereograms highlighted a problem for stereopsis, the correspondence problem. This is that any dot in one half image can realistically be paired with many same coloured dots in the other half image. Our visual systems clearly solve the correspondence problem, in that we see the intended depth instead of a fog of false matches. Research began to understand how. Also in the 1960s, Horace Barlow, Colin Blakemore, and Jack Pettigrew found neurons in the cat visual cortex that had their receptive fields in different horizontal positions in the two eyes. This established the neural basis for stereopsis. Their findings were disputed by David Hubel and Torsten Wiesel, although they eventually conceded when they found similar neurons in the monkey visual cortex. In the 1980s, Gian Poggio and others found neurons in V2 of the monkey brain that responded to the depth of random dot stereograms. In the 1970s, Christopher Tyler invented autostereograms, random dot stereograms that can be viewed without a stereoscope. This led to the popular Magic Eye pictures. In 1989 Antonio Medina Puerta demonstrated with photographs that retinal images with no parallax disparity but with different shadows are fused stereoscopically, imparting depth perception to the imaged scene. He named the phenomenon "shadow stereopsis". Shadows are therefore an important, stereoscopic cue for depth perception. He showed how effective the phenomenon is by taking two photographs of the Moon at different times, and therefore with different shadows, making the Moon to appear in 3D stereoscopically, despite the absence of any other stereoscopic cue.

Стереотип человека в популярной культуре

Стереоскоп – это устройство, позволяющее представлять каждому глазу различные изображения, что стимулирует стереопсис с помощью двух картин, по одной для каждого глаза. Это приводило к различным увлечениям стереопсией, обычно вызванным новыми типами стереоскопов. В викторианскую эпоху популярным был призмальный стереоскоп (для просмотра стереофотографий), а в 1920-х годах – красно-зеленые очки (для просмотра стереофильмов). В 1939 году концепция призмального стереоскопа была усовершенствована и воплощена в более технологически сложном устройстве View Master, который производится и по сей день. В 1950-х годах поляризационные очки позволили создавать стереоскопическое восприятие цветных фильмов. В 1990-х годах появились изображения Magic Eye (автостереограммы), которые не требовали стереоскопа, а основывались на способности зрителей к свободному слиянию изображений, когда каждый глаз воспринимает разные картинки.

Геометрическая основа

Стереопсис, по-видимому, обрабатывается в зрительной коре млекопитающих в бинокулярных клетках, имеющих рецептивные поля в разных горизонтальных позициях в обоих глазах. Такая клетка активируется только тогда, когда ее предпочтительный стимул находится в правильной позиции в левом глазу и в правильной позиции в правом глазу, что делает ее детектором диспаритета. Когда человек смотрит на объект, оба глаза сходятся таким образом, что объект проецируется в центр сетчатки обоих глаз. Другие объекты вокруг основного объекта кажутся смещенными относительно него. В приведенном примере, в то время как основной объект (дельфин) остается в центре изображений обоих глаз, куб смещается вправо в изображении левого глаза и влево – в изображении правого глаза. Поскольку каждый глаз находится в разной горизонтальной позиции, каждый имеет немного отличающуюся перспективу на сцену, формируя различные изображения на сетчатке. Обычно два изображения не воспринимаются, а формируется единое изображение сцены – явление, известное как монокулярность зрения. Тем не менее, стереопсис возможен и при двойном зрении. Эта форма стереопсиса была названа качественной стереопсией Кеннетом Оглом. Если изображения сильно различаются (например, при косоглазии или при просмотре разных изображений в стереоскопе), то может восприниматься только одно изображение за раз – явление, известное как бинокулярное соперничество. Стереопсис характеризуется эффектом гистерезиса. После стабилизации слияния и стереопсиса, они могут поддерживаться даже при медленном и симметричном разведении двух изображений в горизонтальном направлении до определенной степени. В вертикальном направлении наблюдается аналогичный, но менее выраженный эффект. Этот эффект, впервые продемонстрированный на стереограмме с случайными точками, первоначально интерпретировался как расширение области фузии Панума. Позже было показано, что эффект гистерезиса выходит далеко за пределы области фузии Панума, и что стереоскопическая глубина может восприниматься в стереограммах со случайными линиями, несмотря на наличие циклодиспаритетов около 15 градусов, что было интерпретировано как стереопсис при диплопии.

Stereopsis appears to be processed in the visual cortex of mammals in binocular cells having receptive fields in different horizontal positions in the two eyes. Such a cell is active only when its preferred stimulus is in the correct position in the left eye and in the correct position in the right eye, making it a disparity detector. When a person stares at an object, the two eyes converge so that the object appears at the center of the retina in both eyes. Other objects around the main object appear shifted in relation to the main object. In the following example, whereas the main object (dolphin) remains in the center of the two images in the two eyes, the cube is shifted to the right in the left eye's image and is shifted to the left when in the right eye's image. Because each eye is in a different horizontal position, each has a slightly different perspective on a scene yielding different retinal images. Normally two images are not observed, but rather a single view of the scene, a phenomenon known as singleness of vision. Nevertheless, stereopsis is possible with double vision. This form of stereopsis was called qualitative stereopsis by Kenneth Ogle. If the images are very different (such as by going cross eyed, or by presenting different images in a stereoscope) then one image at a time may be seen, a phenomenon known as binocular rivalry. There is a hysteresis effect associated with stereopsis. Once fusion and stereopsis have stabilized, fusion and stereopsis can be maintained even if the two images are pulled apart slowly and symmetrically to a certain extent in the horizontal direction. In the vertical direction, there is a similar but smaller effect. This effect, first demonstrated on a random dot stereogram, was initially interpreted as an extension of Panum's fusional area. Later it was shown that the hysteresis effect reaches far beyond Panum's fusional area, and that stereoscopic depth can be perceived in random line stereograms despite the presence of cyclodisparities of about 15 deg, and this has been interpreted as stereopsis with diplopia.

Взаимодействие стереопсиса с другими сигналами глубины

При нормальных обстоятельствах глубина, определяемая стереопсисом, согласуется с другими сигналами глубины, такими как параллакс движения (когда наблюдатель перемещается, глядя на одну точку в сцене – точку фиксации, объекты, находящиеся ближе и дальше от точки фиксации, кажутся движущимися соответственно против или вместе с направлением движения, со скоростями, пропорциональными расстоянию от точки фиксации), и пикториальные сигналы, такие как перекрытие (ближние объекты перекрывают дальние) и знакомый размер (ближние объекты кажутся больше дальних). Однако, используя стереоскоп, исследователи смогли противопоставить различные сигналы глубины, включая стереопсис. Наиболее выраженный пример – псевдоскопия, при которой полуизображения стереограмм меняются местами между глазами, инвертируя бинокулярную диспаратность. Уитстоун (1838) обнаружил, что наблюдатели все же могут воспринимать общую глубину сцены, что согласуется с пикториальными сигналами. Стереоскопическая информация соответствовала общей глубине. Две камеры фотографируют одну и ту же сцену, но разделены определенным расстоянием – подобно нашим глазам. Компьютер сравнивает изображения, сдвигая их относительно друг друга, чтобы найти совпадающие участки. Величина сдвига называется диспаратностью. Компьютер использует диспаратность, при которой объекты на изображении наилучшим образом совпадают, для вычисления их расстояния. У человека глаза изменяют угол наклона в зависимости от расстояния до наблюдаемого объекта. Для компьютера это представляет собой значительную дополнительную сложность в геометрических расчетах (эпиполярная геометрия). Фактически, самый простой геометрический случай – когда плоскости изображений камер лежат в одной плоскости. Изображения могут быть преобразованы посредством репроекции с использованием линейного преобразования, чтобы оказаться в одной плоскости изображения. Этот процесс называется выпрямлением изображения. Компьютерное стереозрение с использованием множества камер при фиксированном освещении называется методом «структура из движения». Методы, использующие фиксированную камеру и известное освещение, называются фотометрическими стереометодами или «форма из затенения».

Under normal circumstances, the depth specified by stereopsis agrees with other depth cues, such as motion parallax (when an observer moves while looking at one point in a scene, the fixation point, points nearer and farther than the fixation point appear to move against or with the movement, respectively, at velocities proportional to the distance from the fixation point), and pictorial cues such as superimposition (nearer objects cover up farther objects) and familiar size (nearer objects appear bigger than farther objects). However, by using a stereoscope, researchers have been able to oppose various depth cues including stereopsis. The most drastic version of this is pseudoscopy, in which the half images of stereograms are swapped between the eyes, reversing the binocular disparity. Wheatstone (1838) found that observers could still appreciate the overall depth of a scene, consistent with the pictorial cues. The stereoscopic information went along with the overall depth. Two cameras take pictures of the same scene, but they are separated by a distance – exactly like our eyes. A computer compares the images while shifting the two images together over top of each other to find the parts that match. The shifted amount is called the disparity. The disparity at which objects in the image best match is used by the computer to calculate their distance. For a human, the eyes change their angle according to the distance to the observed object. To a computer this represents significant extra complexity in the geometrical calculations (epipolar geometry). In fact the simplest geometrical case is when the camera image planes are on the same plane. The images may alternatively be converted by reprojection through a linear transformation to be on the same image plane. This is called image rectification. Computer stereo vision with many cameras under fixed lighting is called structure from motion. Techniques using a fixed camera and known lighting are called photometric stereo techniques, or "shape from shading".

Компьютерный стереодисплей

Было предпринято множество попыток воспроизвести человеческое стереоскопическое зрение на быстро меняющихся компьютерных дисплеях, и в этом направлении в USPTO было подано множество патентов, связанных с 3D-телевидением и кино. По крайней мере, в США коммерческая деятельность, связанная с этими патентами, была ограничена исключительно патентообладателями и их лицензиатами, чьи интересы обычно сохраняются в течение двадцати лет с момента подачи заявки. Не принимая во внимание 3D-телевидение и кино (которые, как правило, требуют более одного цифрового проектора, чьи движущиеся изображения механически синхронизированы, например, в кинотеатрах IMAX 3D), компания Sharp планирует предложить несколько стереоскопических ЖК-дисплеев, и уже начала поставки ноутбука со встроенным стереоскопическим ЖК-дисплеем. Если более ранние технологии требовали от пользователя носить очки или визоры для просмотра компьютерной графики (CGI), то новые технологии, как правило, используют линзы или пластины Френеля поверх жидкокристаллических дисплеев, избавляя пользователя от необходимости надевать специальные очки.

Испытания

В стереопсических тестах (сокращенно: стереотесты) каждому глазу демонстрируются слегка различающиеся изображения, в результате чего при наличии стереозрения возникает восприятие трехмерного изображения. Этого можно достичь с помощью вектографов (видимых в поляризационных очках), анаглифов (видимых в красно-зеленых очках), линзовых массивов (видимых невооруженным глазом) или технологий шлемов виртуальной реальности. Характер различий между изображениями для каждого глаза может варьироваться в зависимости от того, какой уровень стереоостроты необходимо определить. Таким образом, серия стереотестов, предназначенных для определенных уровней, составляет тест стереоостроты. Существует два основных типа клинических тестов для оценки стереопсиса и стереоостроты: стереотесты с случайными точками и контурные стереотесты. Стереотесты с случайными точками используют изображения стереофигур, встроенных в фон из случайных точек. Контурные стереотесты используют изображения, в которых объекты, представляемые каждому глазу, разделены по горизонтали.

Стереотесты с случайными точками

Способность к стереопсису может быть проверена, например, с помощью теста Ланга, который состоит из случайной точечной стереограммы, на которую нанесены ряды параллельных полос цилиндрических линз определенной формы. Эти полосы разделяют изображения, воспринимаемые каждым глазом в этих областях, подобно голограмме. При отсутствии стереопсиса изображение выглядит как поле случайных точек, но при наличии стереопсиса формы становятся различимыми и обычно представляют собой кошку (что указывает на способность к стереопсису в 1200 секунд дуги диспропорции сетчатки), звезду (600 секунд дуги) и автомобиль (550 секунд дуги).

Дефицит и лечение

Дефицит стереопсии может быть полным (в таком случае его называют стереослепотой) или частичным, в различной степени выраженным. Причинами могут быть слепота на один глаз, амблиопия и косоглазие. Визуальная терапия – один из методов лечения людей с нарушенной стереопсией. Визуальная терапия позволяет улучшить зрение с помощью различных упражнений, направленных на укрепление и совершенствование движений глаз. Недавние данные свидетельствуют о том, что стереоострота может быть улучшена у людей с амблиопией посредством обучения восприятию (см. также: лечение амблиопии).

У животных

Существует множество убедительных доказательств стереопсии у представителей всего животного мира. Она наблюдается у многих млекопитающих, птиц, рептилий, земноводных, рыб, ракообразных, пауков и насекомых.