Зрительные иллюзии.

Муниципальное образовательное учреждение
«Красноярская средняя общеобразовательная школа №2»
Жирновского муниципального района, Волгоградской области
Исследовательская работа
Зрительные иллюзии.
Автор: Якутин Александр, 10 класс, 15 лет
Руководитель: Пеньковская Татьяна Викторовна,
учитель физики и информатики МОУ «КСОШ №2»
2013 г.
Содержание:
1. Актуальность и цели исследовательской работы.
2. Зрительные иллюзии.
3. Использование зрительных иллюзий.
4. Как видит человек.
5. Природа зрительных иллюзий.
6. Виды иллюзий.
7. Опыты и исследование зрительного восприятия.
8. Перспективы исследований.
9. Выводы.
10. Литература.
Актуальность темы. Больше всего сведений об окружающем мире человек получает с
помощью зрения. Еще античный философ Гераклит говорил, что «глаза – более точные
свидетели, чем уши». Действительно, 90% всей информации люди получают через глаза, но
мало кто задумывается о том, как именно это происходит. Мы часто не сомневаемся, что
реальный мир именно таков, каким мы его видим. Но так ли это на самом деле? Ответ на этот
вопрос я искал в своей научно-исследовательской работе.
Цель исследовательской работы – изучить зрение человека и зрительные иллюзии.
Задачи:
- познакомиться со строением глаза и узнать, каким образом видит человек;
- изучить зрительные иллюзии;
- узнать, действительно ли реальный мир именно таков, каким мы его видим.
Объект исследования: зрение человека.
Предмет исследования: зрительные иллюзии.
Гипотеза исследования: реальный мир таков, каким мы его видим.
1. Зрительная иллюзия
- это не соответствующее действительности представление видимого явления или
предмета из-за особенностей строения нашего зрительного аппарата
- это систематические ошибки зрительного восприятия, а также различные искусственно
создаваемые зрительные эффекты и виртуальные образы, основанные на использовании
особенностей зрительных механизмов.
В переводе с латыни слово "иллюзия" означает "ошибка, заблуждение". Это говорит о том,
что иллюзии с давних времен интерпретировались как некие сбои в работе зрительной
системы. Систематическое изучение зрительных иллюзий началось примерно с середины 19
века. Во второй половине 19 — начале 20 веков было создано множество тестовых
изображений, демонстрирующих наличие значительных ошибок в оценке размеров и формы
геометрических фигур. Зрительные иллюзии могут повлиять на оценку длины отрезков,
величины углов или цвета изображенного объекта. Например, геометрические фигуры,
состоящие из прямых линий, кругов и других правильных форм, кажутся искривленными, если
их пересечь косыми линиями или пучком лучей. Причины таких ошибок кроются и в
особенностях физиологии зрения, и в психологии восприятия. Некоторые оптические иллюзии
легко можно объяснить с точки зрения биомеханики глаза. Например, горизонтальная линия
кажется короче равной ей по длине вертикальной линии, потому что глазу легче совершать
горизонтальное движение и на "прочтение" горизонтали тратится меньше времени.
2. Использование зрительных иллюзий
С давних пор люди не только поражаются обманам зрения и забавляются зрительными
иллюзиями, но и сознательно используют их в своей практической деятельности. Уже тысячи
лет зрительные иллюзии целенаправленно используются в архитектуре для создания
определенных пространственных впечатлений, например, для кажущегося увеличения высоты и
площади залов. Например, древние греки уже знали «закон курватур» (курватура — кривизна
очертания колонны) и специально придавали колонне некоторую кривизну, чтобы та казалась
ровной и стройной. Еще более эффективно зрительные иллюзии используются в
изобразительном и цирковом искусстве. Зрительные иллюзии стали основой кинематографии и
телевидения, учитываются в полиграфии и в военном деле. Создаваемая при помощи
технических средств виртуальная зрительная реальность занимает в жизни современного
человека огромное место и тесно переплетается с действительностью. Однако инженерам и
математикам приходится быть осторожными с чертежами и подкреплять «очевидное» точными
расчётами.
3. Человек видит следующим образом.
1. Свет проходит сквозь роговицу и зрачок к хрусталику.
2. Затем он проходит через хрусталик и жидкость, заполняющую глазное яблоко, и
попадает на сетчатку.
3. Сетчатка принимает световой импульс и передает его зрительному нерву.
4. Зрительный нерв посылает сигнал мозгу.
5. Мозг переводит сигнал в зрительный образ.
ХОД ЛУЧЕЙ В ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЕ ГЛАЗА
Так как роговица, хрусталик и стекловидное тело имеют различные коэффициенты
преломления, то, прежде чем попасть на сетчатку, свет претерпевает преломление несколько
раз. Чаще всего глаз считают похожим на фотоаппарат или телекамеру, проецирующую
внешние объекты на сетчатку, которая является светочувствительной поверхностью. Мозг
"смотрит" на эту картинку и "видит" все, что нас окружает. Однако не все так просто.
 Во-первых, изображение на сетчатке перевернуто.
 Во-вторых, из-за несовершенных оптических свойств глаза, картинка на сетчатке
размазана.
МЕХАНИЗМ РАБОТЫ ОПТИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ГЛАЗА.
Отраженные от предмета лучи света проходят через
оптическую систему глаза и создают обратное и уменьшенное
изображение на сетчатке
(мозг «переворачивает» обратное изображение, и оно
воспринимается как прямое).
- Глаз совершает постоянные движения: скачки при
рассматривании изображений, мелкие непроизвольные колебания, относительно медленные,
плавные перемещения при слежении за движущимся объектом. Таким образом, изображение
находится в постоянной динамике.
-Глаз моргает приблизительно 15 раз в минуту, а это значит, что изображение через каждые 5-6
секунд перестает проецироваться на сетчатку.
Так что же "видит" мозг?
4. Природа зрительных иллюзий
Не глазом, а посредством глаза,
смотреть на мир умеет разум…
1) Поскольку человек обладает бинокулярным зрением, то фактически он видит два
размытых, дергающихся и периодически исчезающих изображения, а значит, возникает
проблема совмещения информации, поступающей через правый и левый глаз. Существует
много научных направлений, которые, используя различные экспериментальные методики,
пытаются понять, каким образом мы воспринимаем окружающий мир. Один из самых
интересных способов изучения - исследование зрительных иллюзий.
2) Самый простой способ описать оптическую иллюзию – это фокус, который наши глаза
проделывают с нами. Нам кажется, что мы видим то, чего нет на самом деле. Или мы можем
видеть один и тот же предмет двумя совершенно разными способами. Как же глаз может
проделывать с нами такие «фокусы», если глаза функционируют нормально и являются
инструментами точного восприятия того, что находится перед нами? Вот как это происходит.
Зрение – физический процесс. Но оно не имеет ничего общего с фотографией, которая
работает чисто механически. В действительности зрение – это психологическое явление,
поскольку видят не глаза, а мозг!
3) Глаза представляют собой механические инструменты для получения изображения. Но
когда эти образы доходят до мозга, происходит оценка полученной информации. Клетки мозга
должны определить, что они думают о данном образе.
Что помогает мозгу это определить? Очень важное значение имеет та работа, которую
проделывают глазные мышцы, чтобы увидеть предмет. В определении расстояний, углов,
взаиморасположения предметов в пространстве наши глаза двигаются то в одну, то в другую
сторону. Наш мозг говорит о том, что глаза проделали определенный путь, поскольку мозг
имеет представление об энергии и времени, потраченных для перемещения глаза в разных
направлениях.
Поэтому одна из причин оптических иллюзий нам ясна. Представим, что перед нами две
линии одинаковой длины, но одна из них расположена вертикально, а другая – горизонтально.
Горизонтальная линия покажется нам короче, поскольку для глазного яблока гораздо легче
перемещаться из стороны в сторону, чем вверх-вниз. Поэтому мозг решает, что горизонтальная
линия должна быть короче!
4) Зрительные иллюзии связаны с некоторыми ограничениями и погрешностями процесса
переработки информации в зрительной системе. Действительно, при рассматривании
определенных объектов в специфическом окружении или в особых условиях наблюдения,
человек зачастую не вполне правильно оценивает размер, форму или цвет объектов, характер их
движения, условия освещения и т. д. Часто «ошибочные» видимые образы очень убедительны, и
человек, как правило, не может их «откорректировать» по своему желанию, даже если
прекрасно осведомлен о том, что он должен был бы видеть, если бы зрение его не обманывало.
5) Кроме того, к разряду зрительных иллюзий относят не только систематические ошибки
восприятия, но и множество изобретенных людьми впечатляющих зрительных эффектов,
в основе которых лежат фундаментальные свойства зрительных механизмов, а не их
недостатки. Таким образом, большинство классических иллюзий, демонстрирующих
значительные отличия параметров видимого образа от физических параметров объекта, имеет
смысл рассматривать как проявление таких «недостатков» зрительной системы, которые
фактически являются продолжением ее достоинств.
В научной и популярной литературе описаны многие сотни зрительных иллюзий. Причины
некоторых из них давно установлены, а других — до конца не раскрыты до сих пор.
Поскольку видимые образы являются результатом длинной цепи преобразований и анализа
световых сигналов на их пути через оптический аппарат глаза, сетчатку и множество мозговых
отделов зрительной системы, очевидно, что разные зрительные иллюзии могут отражать
особенности функционирования разных звеньев этого пути. В связи с этим зрительные иллюзии
естественным образом распадаются на ряд категорий. Одни зрительные иллюзии объясняются
свойствами оптического аппарата глаза, другие отражают особенности связей между нейронами
сетчатки или зрительной коры. Третьи определяются характером взаимодействия двух глаз,
четвертые порождаются процессами адаптации или утомления. Пятые связаны инерционными
свойствами нервных путей, шестые — с влиянием глазодвигательной системы и т. д. Однако
процесс познания природы зрительных иллюзий осложняется тем, что причины большинства
зрительных иллюзий носят множественный характер, т. е. в эти иллюзии вносит вклад
целый комплекс факторов, относящихся к разным этапам процесса переработки
зрительной информации.
5. Принято выделять следующие виды иллюзий:
1. Оптико-геометрические иллюзии
Одна из самых известных оптико-геометрических иллюзий – иллюзия Мюллера - Лайера
Посмотрев на этот рисунок, большинство наблюдателей скажет, что левый отрезок со
стрелочками наружу длиннее правого со стрелочками, направленными внутрь.
Впечатление настолько сильное, что, согласно экспериментальным данным, испытуемые
утверждают, что длина левого отрезка на 25-30% превышает длину правого, однако выделенные
отрезки равны!
2. "Спираль Фрэйзера" - одна из наиболее известных оптических иллюзий, известных
человеку.
3. Невозможные фигуры.
4. Зрительные искажения.
Иллюзия Эренштейна, иллюзия Геринга (иллюзия веера,
прямые, на самом деле, параллельны), знаменитая Иллюзия Вундта.
5. Картинки перевертыши.
6. Эффект перцептивной готовности.
Горящее здание Центра международной торговли (2001). Ничего не видите? А некоторые
журналисты увидели здесь лицо дьявола.
7. Иллюзия контраста. Черное-белое.
8. Двойственные образы.
9. Восприятие глубины. Рисунки на асфальте.
Картина от Эдгара Мюллера была создана в городе Дан Лири (Ирландия) на фестивале
мировой культуры, который проходил в августе 2008 года. Эту картину назвали «Ледниковый
период в Ирландии». На создание понадобилось 5 дней. Помогали Эдгару 5 помощников.
Общий объем закрашенной поверхности составил 260 квадратных метров.
10. Иллюзия движения. Абсолютно все здесь рисунки неподвижны. Всего лишь
изменение цвета точек на экране создает нам эту иллюзию. Или вложенные рекурсивные
соотношения, о которых мы знаем из курса информатики, приводят к такому же эффекту
кажущегося движения.
Прогресс техники в последние десятилетия неизмеримо увеличил возможности создания
новых иллюзий, большая часть которых относится к числу динамических, т. е. возникающих
при наблюдении подвижных и меняющихся изображений, которые удобно генерировать при
помощи компьютерной техники. В том числе аватарки, смайлики, флеш - анимации.
6. Опыты.
Для того чтобы выяснить является ли реальный мир таким, каким мы его видим, проведем
несколько опытов:
1. Опыт с ложкой, явился наглядным примером тому, что не всегда надо верить своим глазам.
Мы видим «изогнутую» ложку, но в действительности она прямая. Это происходит потому, что
свет распространяется по прямой, но при переходе из одной прозрачной среды в другую,
например, из воздуха в воду, направление его движения изменяется.
2. Опыты - наблюдения за окружающей действительностью.
Когда вы смотрите из окна вагона или машины, вам кажется, что поезд (машина) стоит, а поля,
деревья и дома быстро бегут,.
3. Опыт с одеждой
Белый цвет «полнит». Опыт с черной и белой одеждой объясняется известным эффектом
иррадиации, где светлые предметы на темном фоне кажутся более увеличенными против своих
настоящих размеров. Горизонтальные полосы - «укорачивают», вертикальные – вытягивают;
крупная клетка «полнит», мелкая клетка - «стройнит» человека.
4. Оптические иллюзии в интерьере
Сегодня благодаря оптическим иллюзиям мы можем влиять на зрительное восприятие
интерьера наших квартир: расширять, сужать, удлинять или углублять пространство комнат с
помощью цвета, рисунка и специального построения композиции.
5. Движение. Опыты по восприятию иллюзии движения меня самого просто поразили. Ведь
очень часто один вид движения мы воспринимаем совершенно за другой вид. Например, вот
такие обычные колебания мы видим как вращательное движение.
6. Позитив – негатив.
Сконцентрируйте свой взгляд в центре рисунка в течение примерно 30 секунд.
Потом закройте глаза и поверните голову в сторону белой, стены неба или света...
7. Иллюзия трехмерности. Ученые утверждают, что вначале каждый наш глаз видит
отдельно, причем, только плоское изображение в виде набора точек разной интенсивности и
цвета, а только потом наш мозг обрабатывает пришедшие нервные импульсы и, мы видим
окружающий мир объемным. Проводя опыты, я решил обмануть свой мозг и заставить его
увидеть трехмерное 3D – изображение каждым глазом. Для этого я сбил фокусы восприятия
своих глаз и получил удивительный результат. Предлагаю и Вам попробовать это сделать. Для
этого понадобится стереопа́ра — пара плоских изображений одного и того же объекта ,
имеющая различия между изображениями, призванные создать эффект объёма.
Эффект возникает в силу того, что расположенные на разном удалении от наблюдателя
части сюжета при просмотре с разных точек (соответствующих правому и левому глазу) имеют
различное угловое смещение (параллакс). При рассматривании стереопары таким образом,
чтобы каждый глаз воспринимал только изображение, предназначенное для него, создаётся
иллюзия наблюдения объёмной картины. Стереопару применяют для демонстрации
пространственных изображений объектов в стереоскопическом кино, стереофотографии,
стереоскопическом телевидении, системах виртуальной реальности и в научных целях.
В данном случае используется перекрестная стереопара т. е. левое изображение предназначено
для правого глаза, а правое изображение — для левого. Для рассматривания такой стереопары
приходится скрещивать глаза, как если бы мы наблюдали очень близкий объект.
Не напрягая глаза, посмотрите на мою фотографию. Вы должны увидеть не два, а три
изображения, причем, средне будет трехмерным! Приложите раскрытые ладони к вискам –
боковое изображение исчезнет, и Вы увидите только одну фотографию объемную.
Покажу еще один способ получения трехмерного изображения с помощью анаглифа.
Ана́глиф (от греч. anáglyphos — рельефный) — метод получения стереоэффекта для стереопары
обычных изображений при помощи цветового кодирования изображений, предназначенных для
левого и правого глаза. Для получения эффекта необходимо использовать специальные
(анаглифи́ческие) очки, в которых вместо диоптрийных стёкол вставлены специальные
светофильтры, как правило, для левого глаза — красный, для правого — голубой или синий.
Стереоизображение представляет собой комбинацию изображений стереопары, в которой в
красном канале изображена картина для левого глаза (правый её не видит из-за светофильтра), a
в синем (или синем и зелёном — для голубого светофильтра) — для правого. То есть каждый
глаз воспринимает изображение, окрашенное в противоположный цвет.
Основным недостатком метода анаглифов является неполная цветопередача.
Формируемое объёмное изображение благодаря эффекту бинокулярного смешения цветов
воспринимается однотонным или (при определённом соотношении яркостей) ахроматическим.
Адаптация наблюдателя к специфическим условиям восприятия происходит достаточно быстро.
Однако после не столь долгого (около 15 мин) пребывания в анаглифических очках у
наблюдателя на продолжительное (порядка получаса) время снижается цветовая
чувствительность и возникает ощущение дискомфорта от восприятия обычного (не красноголубого) мира.
8. Перспективы исследований
Зрительную систему человека и животных исследуют давно. Известна физическая природа
стимула — света. Понятно, где начинается процесс восприятия и, в каком направлении
развивается. Возникает законный вопрос: каким образом вся эта информация в конце концов
собирается вместе при восприятии и формировании зрительного образа? Наука пока не дает
ответа. Но это не значит, что вопрос принципиально неразрешим. Исследования активно
ведутся с разных сторон. Используются разнообразные методы: самонаблюдение, психофизика,
сравнительно-физиологические и морфологические исследования на животных разной степени
сложности организации, живущих в разных условиях зрительного окружения. Проводятся
электрофизиологические, биохимические, гистохимические, электронно-микроскопические,
иммунохимические и др. исследования свойств нейронов; генетические и молекулярногенетические исследования зрительных пигментов. Большие надежды возлагают на
моделирование отдельных блоков и зрительного процесса в целом. Например, уже построена
математическая модель простой зрительной системы мечехвоста.
Выводы:
1. Само наше зрение – это обман. Все, что мы видим это двумерное изображение точек разной
цветности и интенсивности, которые попадают к нам в глаз через хрусталик на сетчатку и
обрабатываются нашим мозгом.
2. Восприятие одного и того же предмета может быть разным. Нельзя с уверенностью говорить,
что все увиденное нами является таковым.
3. Реальный мир не всегда таков, каким мы его видим.
4. Существует множество зрительных иллюзий, которые искажают восприятие реальных
предметов.
Литература.
1. Генденштейн Л. Э., Физика 11 класс, М. Мнемозина, 2009
2. Касьянов В. А., Физика 11 класс – М., Дрофа, 2002
3. Мякишев Г. Я., Физика 11 класс, М., Просвещение, 2004
4. Щербакова Ю. В., Занимательная физика на уроках и внеклассных
мероприятиях, М., Глобус, 2010
5. «Удивительная физика», Л. Г. Асламазов, А. А. Варламов, изд.: «Наука»,
Москва, 1988 г.
6. Интернет ресурсы:
http://www.youtube.com/watch?v=mxv4fO3soww