Черный снег
Снег в лунную ночь отражает гораздо меньше света, чем кусок угля или другая темная поверхность в солнечный день. Но снег кажется нам белым и ночью, а уголь — черным даже при солнечном свете. Какие механизмы отвечают за эту особенность нашего зрения? Как можно было бы добиться того, чтобы снег воспринимался как черный (или красный)?
Днем в солнечный день черные буквы на газетном листе отражают вдвое больше света, чем белый фон того же листа в комнате. Отсюда ясно, что даже днем мы различаем белые и черные предметы в основном не по абсолютному количеству света, которые они отражают.
Попробуйте угадать, что показано на фотоснимке, иллюстрирующем задачу на главной странице, и осознать, как вы это определили. Что нужно дополнительно знать, чтобы определить, сделан ли фотоснимок днем или ночью? (Ответ на этот вопрос позволяет предположить, какие поправки вносит наш мозг, узнавая яркость и цвета предметов.)
Явление, описанное в задаче, называется константностью зрительного восприятия. В данном случае речь идет о константности яркости и цвета. Понятие это означает, что снег кажется нам белым (то есть наш мозг воспринимает его как белый) независимо от количества и спектрального состава отражаемого света.
На чем же основана константность? Из первой подсказки ясно, что важную роль в восприятии предметов играет не абсолютное, а относительное количество отражаемого ими света. Наше зрение довольно плохо различает уровень освещенности. В своей книге «Глаз, мозг, зрение»нобелевский лауреат Дэвид Хьюбел пишет:
«Считайте, что нам везет, если мы можем устанавливать диафрагму своего фотоаппарата с ошибкой не более чем вдвое; да и это достигается не прямой оценкой «на глаз», а лишь в результате большого опыта, позволяющего, например, отметить, что в момент съемки на небе легкая облачность и что мы находимся на открытом пространстве в тени за час до захода солнца.»
В то же время глаз (и мозг) чувствует разницу в относительной освещенности двух соседних участков поверхности всего в 2%. Чуть ниже Хьюбел приводит замечательный пример того, как относительная яркость (в физическом смысле) разных участков изображения влияет на наше восприятие черного и белого:
«Экран выключенного черно-белого телевизора в нормально освещенной комнате выглядит белым или серовато-белым. Инженеры создали электронные механизмы, которые могут сделать экран ярче, но не способны затемнить его, и независимо от того, как он выглядит в выключенном виде, никакая его часть никак не может послать после включения меньшесвета. Мы, однако, хорошо знаем, что телевизор может дать нам ощущение насыщенного черного цвета. Самый темный участок изображения посылает в наши глаза по меньшей мере столько же света, что и при выключенном телевизоре. Отсюда следует, что «черное» и «белое» — не просто физические понятия: это биологические термины, они отражают результат вычислений, производимых нашей сетчаткой и мозгом при обработке воспринимаемой картины.»
Почему серое пятно рядом с белым кажется нам более темным, а рядом с черным — более светлым? Один из механизмов, который за это отвечает, — латеральное торможение (см.: Lateral inhibition; работа этого механизма на уровне сетчатки глаза объяснена, например, здесь). Подробно мы не будем разбирать этот механизм в данной задаче, тем более что он работает в основном «на краю» объектов, увеличивая контрастность контуров (рис. 1).
|
Здесь в дело уже вступает головной мозг. Он учитывает разные особенности контекста: то, как выглядит фон, на котором находится опознаваемый объект; как выглядят другие предметы, цвет которых нам известен; каков источник освещения, где он находится и т. п.
Большинство читателей, наверно, решили, что на иллюстрации к задаче сфотографированы заячьи следы (так и есть). В задаче речь идет про снег, на снегу часто бывают разные следы, а по умолчанию мы считаем, что свет падает сверху. На самом деле так же выглядела бы, например, вертикально стоящая гипсовая плита с выпуклыми слепками следов или просто выпуклостями, подсвеченными снизу (рис. 2).
|
Чтобы оценить яркость предмета, для нас важен фон. На черном фоне (рядом с темным ночным небом) снег будет казаться более белым, чем на более светлом фоне (рис. 3).
|
Но особенно важную роль в восприятии объектов играет поправка на условия освещения. Чтобы понять, сделан снимок заячьих следов днем или ночью (при одинаковой выдержке), нужно знать, использовалась ли вспышка. Снег не кажется нам красным на закате, потому что мы знаем, что его освещает заходящее солнце. Объекты в тени должны быть светлее, если отражают столько же света, сколько похожие объекты на солнце. Как же с учетом этого заставить человека поверить, что снег черный или красный? Сперва обсудим «черно-белый» вариант.
Одна из самых известных зрительных иллюзий показана на рис. 4. Ее автор — Эдвард Адельсон. Сперва невозможно поверить, что квадратики А и В имеют одинаковую яркость. Но это на самом деле так! Тень, отбрасываемая цилиндром, и определенное окружение из черных квадратов фактически заставляют нас поверить, что черное — это белое...
|
Константность восприятия цвета тоже можно обмануть разными способами. Воспользуюсь описанием одного из таких способов из неопубликованного пособия М. Б. Беркинблита (с разрешения автора):
«Опишем один опыт, который придумал московский ученый М. М. Бонгард. Он показывал испытуемому белый лист бумаги на столе, на котором лежало зеркальце. Бумага и зеркальце освещались красным светом. Испытуемого спрашивали, какого цвета бумага. Испытуемый видел по отражению от зеркальца, что бумага освещена красным светом, и отвечал, что бумага белая. Потом его просили закрыть глаза и незаметно освещали зеркальце белым светом, а бумага по-прежнему освещалась красным светом. Теперь на тот же вопрос испытуемый отвечал, что бумага красная. Но ведь лист бумаги был в обоих случаях освещен одинаково, а ответы были разные. В первый раз зрительная система считала, что источник освещения бумаги — красный, а во втором случае — что он белый. Отсюда и различие ответов. Таким образом, цветовая константность связана со способностью нервной системы при определении цвета предмета делать поправку на спектральный состав света источника, освещающего предмет.»
Вы можете придумать аналогичные манипуляции, которые заставят нас поверить, что на ночном поле лежит не снег, а уголь.
В заключение — несколько слов про «механизмы». Некоторые психофизиологические механизмы мы уже описали. Но ведь существуют и нейронные механизмы константности восприятия. Известны ли они? В общих чертах — да, а в деталях — пока нет. Точно известно, что в обеспечении константности восприятия света играют роль клетки, расположенные в нескольких участках коры головного мозга — в первичной зрительной коре V1 (см.: S. P. MacEvoy, M. A. Paradiso, 2001. Lightness constancy in primary visual cortex), в поле V2 (см.: A. W. Roe et al., 2005. Cortical processing of a brightness illusion) и в особенности — в поле V4 (см.: A. W. Roe et al., 2012. Toward a Unified Theory of Visual Area V4; при некоторых повреждениях этой зоны коры человек нормально различает цвета, но утрачивает константность восприятия цвета). Известны многие свойства этих клеток, их реакции на разные стимулы. Но все еще неизвестно, как именно они взаимодействуют между собой.
Послесловие
Мы привыкли доверять своим органам чувств. Нам кажется, что через них мы получаем объективную информацию об окружающем мире. На самом деле это ощущение ложное. Наши зрение, слух, обоняние — продукты эволюции, а не приборостроения; их задача — обеспечивать наше выживание, а не проводить точные измерения. Свет, отраженный от шерсти прячущегося в кустах льва, может иметь самые разные спектральные характеристики — в зависимости от времени суток, облачности, количества зелени вокруг. Для спектрофотометра этот свет окажется красным, желтым или зеленым, и это будет объективной реальностью. Для нас, обезьян, важна другая реальность — в кустах прячется лев, от которого независимо от погоды надо побыстрее убежать. Поэтому наша зрительная система не удовлетворяется простым снятием спектра отраженного от шерсти льва света, а еще и сравнивает его с фоном. В итоге информацию о спектре мы теряем, до нашего сознания она не доходит. Зато мы получаем гораздо более важную информацию: в кустах движется что-то большое и жёлтое — наверное, это лев, бежим! Согласитесь, с точки эволюции такая стратегия имеет смысл...
Неудивительно, что нам всюду мерещатся звериные морды (рис. 5) или лица собратьев по виду (от них ведь тоже всякого можно ожидать).
|
Неудивительно также, что константность восприятия касается не только яркости и цвета предметов, но и их размера и формы. Наконец, неудивительно, что константность — вовсе не привилегия человека и других приматов. В главе 8 процитированной выше книги «Глаз, мозг, зрение» Д. Хьюбел описывает опыты (аналогичные опыту Бонгарда, только более сложные), показавшие, что константностью восприятия цвета обладают золотые рыбки. Разобрав эти опыты, Хьюбел пишет в завершение:
«Очень заманчиво (и довольно несложно) было бы проверить, обладают ли той же способностью насекомые с цветовым зрением. Я думаю, что это именно так.»
И интуиция его не подвела: в недавнем обзоре утверждается, что цветовая константность обнаружена у всех изученных видов насекомых с цветовым зрением (см. L. Chittka et al., 2014.Colour constancy in insects).
Итак, константность восприятия — видимо, общее свойство зрения большинства животных. Но нейрофизиологические механизмы константности не изучены, кажется, ни на одном виде животных. Более того — не существует и общепризнанной теории константности восприятия. Есть несколько конкурирующих теорий, отчасти дополняющих друг друга (см.: Cognitive neuroscience of visual object recognition).
В наш мозг постоянно поступает огромное количество информации от органов чувств. Для полноценной обработки всей этой информации требуется большое количество времени — а оно есть далеко не всегда. Поэтому уже на самых ранних этапах обработки в нервной системе часть поступившей сенсорной информации просто отбрасывается как неважная, а оставшаяся часть неким образом интерпретируется. Нашего сознания достигает именно интерпретация поступивших сигналов, наиболее вероятная гипотеза, их объясняющая. Поэтому зрительные иллюзии нас так удивляют — они обманывают системы интерпретации нашего мозга, подсовывая ему образы, для объяснения которых наиболее вероятная гипотеза оказывается неверной. Хотя на самом деле никаких зрительных иллюзий не существует. Все наше зрение — одна сплошная иллюзия...
Можно привести еще множество примеров того, как наш мозг нас обманывает. Это касается не только систем восприятия. Увы, оказывается, что и собственной памяти мы можем доверять только с большими оговорками — экономия ресурсов добралась и сюда. Но об этом мы расскажем как-нибудь в другой раз.
И напоследок — еще несколько «иллюзий». Некоторые особенности нашего зрения, тоже связанные с распознаванием важных образов, иногда приводят к иным результатам, чем описанные в решении.
Хорошо известно, что для нас очень важно увидеть контуры (все того же крадущегося хищника). Недаром тигры и леопарды пытаются обмануть нас и других потенциальных жертв с помощью расчленяющей окраски. Если какая-то деталь окружена общим контуром с объектом, мы воспринимаем ее как часть этого объекта. Поэтому нижний треугольник слева на рис. 6 кажется нам более светлым, чем верхний: хотя фон у них формально не различается, наш мозг уверен, что нижний треугольник находится на черном фоне, а верхний — на белом.
|
Мы также стремимся группировать объекты (понять, к какой стае они принадлежат). Поэтому серые квадратики кажутся нам светлее на белом фоне, чем такие же квадратики на черном фоне (рис. 6, справа) — в прямой противоположности с обычным нашим восприятием! Мы мысленно сравниваем их не с ближайшим фоном, а с черными квадратиками из их «стаи». И действительно — чего это они? Выделяются из общей стаи, как белые вороны.
Другие примеры интересных зрительных иллюзий можно найти на сайте lottolab.org.
Благодарю И. В. Кельмансона за полезные замечания и помощь в написании послесловия.
Сергей Глаголев
Источник: http://elementy.ru