STEREOPSIA/VEDEREA STEREOSCOPICA

Stereopsia este procesul din perceptia vizuala, care conduce la perceptia adancimii stereoscopice. Adancimea stereoscopica este senzatia de profunzime (adancime) care apare la unirea celor doua proiectii usor diferite ale unei imagini pe cele doua retine. Diferenta dintre cele doua imagini ale ochilor, care este rezultat al separarii orizontale a ochilor, este cunoscuta ca "diferenta binoculara" sau "diferenta retinala". Faptul ca aceasta diferenta binoculara este interpretata de catre creier ca adancime, a fost pentru prima oara descoperita de Charles Wheatstone, un om de stiinta britanic, care a si descris-o intr-o lucrare publicata in 1838: "mintea percepe un obiect tridimensional cu ajutorul a doua imagini diferite proiectate pe cele doua retine" Pentru a-si demonstra ideea, Wheatstone a inventat un aparat simplu pe care l-a botezat "stereoscop". Folosind noul aparat inventat, Wheatstone a putut sa arate ca un sens real al adancimii poate aparea din doua imagini complet plate, ce reprezinta doua proiectii diferite ale aceleiasi scene.

Istoria stereopsiei

Stereopsia a fost descrisa pentru prima oara de Charles Wheatstone in 1838. El a recunoscut ca, deoarece fiecare ochi vede lumea din pozitii orizontale usor diferite, fiecare imagine a ochiului difera una de celalalta. Obiecte aflate la distante diferite de ochi proiecteza imagini in cei doi ochi care difera in pozitie orizontala, dand astfel profunzimea diferentei orizontale, cunoscuta si ca  "diferenta retinala" sau "diferenta binoculara". Wheatstone a aratat ca aceasta este o adancime reala, creand iluzia de adancime de la doua imagine plate care erau diferite numai ca diferenta horizontala. Pentru a arata imaginile sale separat in fiecare ochi, Wheatstone a creat stereoscopul.

Leonardo da Vinci a realizat, de asemenea, ca obiecte aflate la distante diferite de ochi proiecteaza imagini care difera in pozitia orizontala in cei doi ochi. Dar el a concluzionat doar ca acest lucru face imposibil pentru un pictor sa picteze un tablou realist care sa arate profunzimea scenei, dintr-un singur plan. Leonardo a ales ca obiect apropiat o coloana cu o sectiune circulara si ca obiect indepartat, un perete neted. Daca ar fi ales orice alt obiect apropiat, ar fi descoperit diferenta orizontala. Coloana sa a fost una dintre putinele obiecte care proiecteaza imagini identice in cei doi ochi.

Stereopsia a devenit cunoscuta inca din timpuri victoriene, odata cu inventarea stereoscopului prismatic de catre David Brewster. Acesta, in combinatie cu tehnica fotografierii, a dus la producerea a sute de mii de stereograme.

Pana prin 1960, cercetarile din domeniul stereopsiei au fost dedicate explorarii limitelor acesteia si relatiei sale cu unitatea vederii. Printre cercetatori putem enumera: Peter Ludvig Panum, Ewald Hering, Adelbert Ames jr., Kenneth N.Ogle.

Tot in 1960, Bela Julesz a inventat sterogramele cu puncte aleatorii. Fata de stereogramele anterioare, in care fiecare jumatate de imagine continea obiecte recognoscibile, fiecare jumatate de imagine a primei stereograme cu puncte aleatorii contine o matrice patrata cu aproximativ 10.000 de puncte mici, fiecare punct avand 50% probabilitate de a fi alb sau negru. Nici un obiect usor de recunoscut nu poate fi vazut in vreuna din cele doua jumatati de imagine. Cele doua jumatati ale unei stereograme cu puncte aleatorii sunt identice, cu exceptia uneia care are o arie patrata de puncte deplasata orizontal cu unul sau doua puncte ca diametru, dand astfel diferenta orizontala. Spatiul ramas liber prin deplasare este umplut cu noi puncte aleatorii, ascunzand astfel patratul deplasat. Cu toate acestea, cand cele doua imagini sunt privite cu fiecare ochi in parte, aria patrata este aproape imediat vizibila, fiind mai apropiata sau mai indepartata decat fundalul. Julesz a numit patratul in mod straniu stimul ciclopean, dupa Ciclopul mitic, care avea doar un ochi. Si asta deoarece, este ca si cand am avea un ochi de ciclop inauntrul creierului, care poate vedea stimuli ciclopeeni ascunsi ochilor nostri reali. Stereogramele cu puncte aleatorii au subliniat o problema a stereopsiei, si anume problema corespondentei. Orice punct dintr+o jumatate de imagine poate fi imperecheata cu mai multe puncte de aceeasi culoare din cealalta jumatate de imagine. Sistemul nostru vizual a rezolvat problema corespondentei, prin faptul ca vedem adancimea urmarita in locul unei imagini cetoase.   

Tot in 1960, Horace Barlow, Colin Blakemore si Jack Pettigrew au descoperit neuroni in coretxul vizual al pisicii, neuroni care aveau campurile receptoare in pozitii orizontale diferite in cei doi ochi. Acest lucru a fost baza neurala a stereopsiei. Descoperirea celor trei a fost initial contestata de David Hubel si Torsten Wiesel, insa apoi au descoperit si ei neuroni similari in cortexul vizual al maimutei.

In anii , Cristopher Tyler a inventat autostereogramele, stereograme cu puncte aleatorii care pot fi vazute fara stereoscop. Aceasta descoperire a dus la popularele fotografii "Ochiul magic".

Bazele geometrice ale stereopsiei

Stereopsia este procesata in cortexul vizual, in celulele binoculare, avand campuri receptoare in pozitii orizontale diferite in cei doi ochi. O asemenea celula este activa numai atunci cand stimulul ei preferat se afla in pozitie corecta in ochiul stang si in pozitie corecta in ochiul drept, facand-o detector de diferenta.

Cand o persoana priveste fix un obiect, cei doi ochi converg astfel incat obiectul apare in centrul retinei in ambii ochi. Celelalte obiecte din jurul obiectului principal apar deplasate fata de obiectul principal.

Deoarece fiecare ochi este intr-o alta pozitie orizontala, fiecare are o perspectiva usor diferita asupra unei scene, oferind imagini retinale diferite. In mod normal, nu se observa doua imagini, ci mai degraba o singura imagine a scenei respective, fenomen cunoscut sub denumirea de "unitate a vederii".

Daca cele doua imagini sunt foarte diferite (de ex. doua imagini prezentate printr-un stereoscop), atunci fiecare imagine se va vedea pe rand, fenomen numit "rivalitate binoculara".

Imaginea stereo a calculatorului

Imaginea stereo a calculatorului este folosita uneori la robotii mobili pentru a detecta obstacolele. Doua camere video diferite preiau imagini ale aceleiasi scene, dar sunt separate de o anumita distanta, exact ca si ochii umani. Un calculator compara imaginile, mutand cele doua imagini una peste cealalta, pentru a gasi partile care se potrivesc. Partea mutata se numeste diferenta (deosebire). Diferenta care se potriveste cel mai bine la diversele obiecte din imagine este folosita de calculator pentru a calcula distanta.

La om, ochii isi schimba unghiul in functie de distanta pana la obiectul observat. Pentru un calculator insa, asta reprezinta o complexitate in plus la culaculele sale geometrice (geometrie epipolara). De fapt, cazul geometric cel mai simplu este atunci cand planurile imaginilor de la camere sunt in acelasi plan. Imaginile pot fi convertite alternativ prin reproiectie - transformare lineara, pentru a fi in acelasi plan de imagine. Aceasta se cheama "rectificare a imaginii".

Problema corespondentei

Daca avem doua sau mai multe imagini ale aceleiasi scene tridimensionale, privite din puncte diferite de vedere, problema corespondentei este aceea de a gasi un set de puncte intr-o imagine, ce pot fi identificate ca fiind aceleasi puncte in cealalta imagine. In mod normal, un om poate rezolva aceasta problema rapid si usor, chiar daca imaginile contin si un fond sonor. La vederea computerizata, problema corespondentei este studiata pentru cazul in care un calculator ar trebui sa o rezolve automat numai cu imaginile initiale. Odata rezolvata aceasta problema, rezultand intr-un set de puncte care sunt in corespondenta, pot fi aplicate ulterior alte metode acestui set pentru a reconstrui pozitia punctelor corespondente in cadrul scenei.

Problema corespondentei apare de obicei cand se folosesc doua imagini ale aceleiasi scene - problema stereo-corespondentei. Acest concept poate fi generalizat la problema corespondentei 3D sau, in general, problema corespondentei N-dimensionale. In cazul general, imaginile pot veni fie de la N camere video diferite care prezinta aceeasi scena (mai mult sau mai putin), fie de la o singura camera video care se misca fata de scena. O problema mult mai dificila survine atunci cand obiectele din scena sunt in miscare fata de camera video.

O aplicatie tipica a problemei corespondentei este aceea a mozaicarii imaginii, cand doua sau mai multe imagini ce au doar o mica suprapunere trebuie sa fie prinse intr-o imagine mai mare. In acest caz, este necesara identificarea unui set de puncte corespondente in cadrul unor imagini-pereche pentru a previziona transformarea unei imagini si a putea fi astfel prinsa de cealalta imagine.

Orbirea stereoscopica

Orbirea stereoscopica reprezinta incapacitatea de a vedea imagini tridimensionale folosind vederea stereo, ceea ce rezulta in inabilitatea de a percepe adancimea stereoscopica.

Persoanele care au doar un ochi, au intotdeauna aceasta problema; problema apare si in cazul in care cei doi ochi nu functioneaza corect impreuna.

Se crede ca pictorul olandez Rembrandt a avut aceasta problema, ceea ce l-ar fi ajutat la aplatizarea imaginilor pe care le vedea si producerea de lucrari bidimensionale.

Perceptia spatiului (adancimii)

Aceasta este abilitatea vizuala de a percepe lumea ]nconjuratoare in trei dimensiuni. Perceptia adancimii permite masurarea corecta a distantei fata de un obiect. In terminologia moderna, stereopsia este, de fapt, perceptia adancimii cu ajutorul vederii binoculare prin exploatarea paralaxei. Perceptia spatiului, inainte de toate, se bazeaza pe vederea binoculara, insa foloseste si multe alte semne monoculare, ce formeaza perceptia finala. Exista semne monoculare, care sunt importante unei persoane cu un singur ochi sanatos, precum si semne mult mai complexe deduse, care necesita ca ambii ochi sa poata percepe imagini stereo.

Perceptia spatiala combina mai multe tipuri de semne, grupate in doua mari categorii: semne monoculare (valabile de la perceptiile unui singur ochi) si semne binoculare (care necesita imagini de la ambii ochi); mai exista si un al treilea fel de semne - semne deduse, ce sunt o integrare a celor doua amintite.

Semnele monoculare

Paralaxa miscarii - cand o persoana se misca, miscarea aparenta relativa a catorva obiecte stationare din fundal furnizeaza indicii despre distanta lor relativa. Acest efect poate fi vazut clar atunci cand conducem o masina si trecem in viteza pe langa diverse lucruri, in timp ce obiectele indepartate ne apar ca fiind stationare. Anumite animale care nu au vedere binoculara datorita plasarii departate a ochilor, folosesc paralaxa mult mai explicit decat oamenii in semnalizarea adancimii spatiale (ex. anumite tipuri de pasari si veveritele).

Adancimea miscarii - o anumita forma a adancimii de la miscare, si anume perceptia adancimii kinetice, este determinata de schimbarea dinamica a marimii obiectelor. Deoarece obiectele aflate in miscare devin mai mici, ele apar ca si cand s-ar indeparta; obiectele aflate in miscare ce par a se mari, dau senzatia ca se apropie. Aceasta este o forma a perceptiei adancimii kinetice. Utilizand aceasta perceptie, creierul poate calcula timpul necesar pentru a parcurge distanta pana la obiect, la o anumita viteza data. Cand conducem o masina, judecam constant schimbarea dinamica prin perceptia adancimii kinetice.

Vederea colorata - interpretarea corecta a culorii si, in special a semnelor luminoase, permit determinarea formei obiectelor si astfel, aranjarea lor in spatiu. Culoarea obiectelor aflate la distanta este mutata catre sfarsitul spectrului (albastru). Anumiti pictori, cum este Cezanne, utilizeaza pigmenti "calzi" (rosu, galben si portocaliu) pentru a aduce obiectele mai in fata catre privitor, dar si pigmenti "reci" (albastru, violet si albastru-verzui) pentru a indica acea parte a unei forme care se indeparteaza de planul picturii.

Perspectiva - proprietatea unor linii paralele care converg catre infinit ne permit sa reconstruim distanta relativa dintre doua parti ale unui obiect.

Marimea relativa - un automobil aflat in apropiere pare a fi mai mare decat unul aflat in departare. Astfel, sistemul nostru vizual cerceteaza marimea relativa a unor obiecte familiare pentru a putea judeca distanta pana la ele.

Ceata la distanta - datorita dispersarii luminii in atmosfera, obiectele aflate la mare distanta par incetosate. In pictura, aceasta se numeste "perspectiva atmosferica". Prim-planul este bine definit, iar fundalul este relativ estompat (umbrit).

Adancimea la focalizare - cristalinul ochiului isi poate schimba forma pentru a putea aduce in centru obiecte aflate la diverse distante. Cunoscand la ce distanta se focalizeaza cristalinul atunci cand vede un obiect, inseamna ca stii distanta aproximativa pana la acel obiect.

Vederea periferica - la periferia campului vizual, liniile paralele devin curbe. Acest efect (care este, de obicei, eliminat din arta si fotografii prin taierea si inramarea unei imagini) sporeste senzatia privitorului de a se afla intr-un spatiu real, tridimensional.

Inclinarea texturii imaginii - daca ne-am afla pe un drum pietruit, pietrisul de langa noi poate fi vazut foarte clar din punct de vedere al formei, marimii si culorii. Insa pe masura ce vederea se muta catre un drum mai indepartat, textura nu mai poate fi diferentiata clar.

Semnele binoculare si oculomotoare

Stereopsia sau diferenta retinala - animalele care au ochii plasati frontal pot folosi informatiile derivate de la proiectiile diferite ale obiectelor pe fiecare retina pentru a evalua adancimea. Prin utilizarea a doua imagini ale aceleiasi scene obtinute din unghiuri usor diferite, este posibila triangulatia distantei pana la obiect cu un grad inalt de acuratete. Daca un obiect este foarte indepartat, diferenta acestei imagini pe ambele retine va fi foarte mica. Daca insa obiectul este foarte aproape, diferenta va fi mare. Stereopsia este cea care ne inseala, facandu-ne sa credem ca percepem adancimea atunci cand privim un "ochi magic", autostereograme, filme tridimensionale si fotografii stereoscopice.

Acomodarea - aceasta este un semn oculomotor al adancimii. Cand ne focalizam asupra unor obiecte aflate la departare, muschiul ciliari incordeaza cristalinul ochiului, facandu-l mai subtire. Senzatia kinestetica data de contractarea si relaxarea muschilor ciliari este trimisa catre cortexul vizual, unde este folosita pentru a interpreta distanta adancimea.

Convergenta - aceasta este tot un semn oculomotor al perceptiei distantei adancimii. Prin stereopsie, cei doi ochi se focalizeaza pe acelasi obiect si astfel ei converg. Convergenta va incorda muschii extraoculari. Senzatiile kinestetice de la acesti muschi ajuta tot la perceptia distantei adancimii. Unghiul de convergenta este mai mare atunci cand ochiul se fixeaza pe obiecte mai indepartate.

Dintre toate aceste semne, numai convergenta, focalizarea si marimea furnizeaza informatii despre distanta absoluta. Toate celelalte semne prezentate mai sus sunt relative ( ele pot fi folosite pentru a preciza care obiecte sunt mai apropiate fata de altele).

Semnele deduse

Ar fi mult prea simplificat tot procesul daca am ignora procesele mentale atunci cand o persoana priveste cu ambii ochi. Deoarece exista stereopsia binoculara, aceasta permite creierului sa deduca si sa perceapa o anumita adancime suplimentara sub forma unei constructii mentale. Inchizand un ochi, aceasta constructie stereo se intrerupe. Lucrari recente referitoare la imbunatatirea expunerii digitale a imaginilor stereoscopice au dus la revitalizarea domeniului. Cei care lucreaza in domeniu au identificat mai multe procese de interpolare, ignorate pana atunci sau considerate irelevante. Literatura recenta a abordat relatia dintre aria de vedere stereo si periferie. Analize recente au demonstrat ca obiecte aflate in afara unghiului de acoperire vizuala sunt, de fapt, integrate de mintea omeneasca intr-o constructie stereo printr-un proces de interferenta. Sau pe scurt, "toate obiectele aflate in centrul campului vizual al unui ochi sunt o parte importanta dintr-o constructie stereo". Pozitia fizica a acestor obiecte este notata, iar ele sunt vazute cu acuratete in procesul mental de vizualizare stereo, desi sunt privite cu un singur ochi.

Perceptia spatiului in arta

Fotografiile care captureaza perspectiva sunt imagini bidimensionale, care ilustraza deseori iluzia adancimii. Stereoscoapele, filmele tridimensionale folosesc vederea binoculara, prin fortarea privitorului de a vedea doua imagini din pozitii usor diferite. Lentilele telefotografice, folosite in transmisiunile sportive au insa efect opus. Privitorul vede marimea si detaliile scenei ca si cand ar fi suficient de aproape pentru a atinge, dar perspectiva camerei video este derivata de la pozitia ei reala cu 100 m, ceea ce face ca obiectele si fetele din fundal sa aiba aproape aceeasi marime cu cele din prim-plan.

Artistii instruiti sunt constienti de existenta diverselor metode prin care pot indica adancimea spatiala si se folosesc de acestea pentru a da impresia ca lucrarile lor sunt "reale". Privitorul are astfel senzatia ca poate sa apuce nasul unui portret de Rembrandt sau un mar dintr-o natura moarta de-a lui Cezanne, ori chiar sa patrunda intr-un peisaj si sa se plimbe printre copaci si pietre.

Cubismul s-a bazat pe ideea incorporarii mai multor puncte de vedere in imaginea pictata, pentru a stimula experienta vizuala de a te afla fizic in prezenta subiectului respectiv si a-l vedea din diverse unghiuri. Experimentele radical-cubiste ale lui Braque si Picasso din 1909 sunt interesante in termeni vizuali dar mai mult bizare decat convingatoare. Mai tarziu, picturi ca Turnul Eiffel al lui Robert Delaunay sau peisajul urban al Manhattan-ului al lui John Marin, au imprumutat unghiularitatea exploziva a cubismului pentru a exagera iluzia spatiului tridimensional. La un secol dupa aventura cubista, verdictul istoriei artei este acela ca utilizarea cea mai subtila si de succes a mai multor puncte de vedere se regaseste in lucrarile finale ale lui Cezanne, lucrari care au anticipat dar au si inspirat primii artisti cubisti. Peisajele lui Cezanne si naturile moarte sugereaza cu mare forta propria perceptie a adancimii a artistului. In acelasi timp, ca si alti post-impresionisti, Cezanne a invatat de la japonezi importanta respectarii spatiului bidimensional a picturii insesi. Hokusai si Hiroshige au ignorat si chiar au inversat perspectiva lineara, amintind astfel privitorului ca o pictura poate fi "reala" numai atunci cand admite realitatea propriei sale suprafete plate. In opozitie, "academia" europeana de pictura s-a dedicat unei "mari minciuni", conform careia suprafata panzei este doar o poarta fermecata catre o scena "reala" care se dezvaluie dincolo de tablou, iar sarcina principala a unui artist trebuie sa fie distragerea privitorului de la orice prezenta a panzei pictate. Cubismul si marea majoritate a artei moderne sunt o permanenta lupta de rezistenta a paradoxului de a sugera adancimea spatiala pe o suprafata plata si a explora contradictia existenta prin noi modalitati de vizionare, precum si noi metode de desen si pictura.

Dereglari ce afecteaza perceptia adancimii

Probleme oculare precum ambliopia, hipoplazia nervului optic si strabismul pot reduce perceptia adancimii (spatiului). Si, bineinteles, deoarece perceptia adancimii necesita ca ambii ochi sa fie sanatosi, o persoana care are numai un ochi functional nu are aceasta perceptie.