Вячеслав Демидов - Как мы видим то, что видим [издание 3-е , перераб. и доп.]
Оглянитесь вокруг, и вы увидите, что узлы действительно служат важнейшими признаками глубины пространства. Каждый из них сообщает об отношениях поверхностей между собою, о том, принадлежат ли эти поверхности одному телу или нескольким, впереди или позади другой находится интересующая нас, над или под нею. Узлам присвоили наименования, сформулировали правила действия над ними и соответствующими поверхностями, чтобы робот смог ориентироваться в комнате, где разбросаны детские кубики.
Линии – узлы – зоны – поверхности – тела – общая сцена...
Правила опознания, заложенные в память ЭВМ робота, обеспечивают его ориентацию в пространстве, определяют путь расшифровки ситуации, в которой он оказался.
Для программистов стало большим открытием, что когда предметы отбрасывают тени, описать сцену и правильно распознать увиденное роботу-манипулятору куда проще,чем без теней. «Ранние исследования были более трудными из-за предположения, что тени – это всего лишь досадное усложнение», – отметил Патрик Уинстон, редактор книги «Психология машинного зрения».
Вторым открытием создателей опознающих программ было то, что для опознания формы следует анализировать не только расположение линий и теней, но и игру полутонов отраженного от предметов света. Инженеры, наконец, пришли к тому, что уже тысячелетия назад было известно людям искусства и модницам: щеки под действием темных румян кажутся более выпуклыми, делающая кожу матовой пудра придает лицу мягкость линий и нежность...
Робот, с которым велся разговор по поводу разноцветных кубиков, был одноглазым – смотрел вокруг себя объективом одной-единственной телевизионной камеры. И все-таки мир для него представлялся объемным, разделенным на передние и дальние планы. Это еще раз подтвердило известную офтальмологам истину: объемность и стереоскопичность – совсем не одно и то же, хотя такие понятия дилетантам кажутся на одно лицо.
Ну а мы с вами не хотим быть совсем уж дилетантами. В чем же разница?
Пушкин писал:
Здесь тучи смиренно идут подо мной;
Сквозь них, низвергаясь, шумят водопады;
Под ними утесов нагие громады;
Там, ниже, мох тощий, кустарник сухой;
А там уже рощи, зеленые сени.
Где птицы щебечут, где скачут олени.
Эту разворачивающуюся, многоплановую картину поэт видел обоими глазами, бинокулярно.
Но и робот своим единственным монокулярным телеглазом рассмотрел бы все именно в такой последовательности. Ведь на расстояниях свыше километра объемность пейзажа воспринимается человеком только панорамно, то есть потому, что предметы закрывают друг друга и демонстрируют взору разнообразные узлы схода контуров (помните, как в горах или в космосе, когда такого последовательного перекрытия планов нет, люди грубо ошибались в расстояниях?). Есть и другие «вторичные» признаки, по которым мы видим панорамно и отличаем близкое и далекое: различны относительные размеры деревьев, людей, домов, изменяется их окраска (происходит то, что художники называют линейной и воздушной перспективами), по-иному ложатся светотени...
Уже классическим примером стал случай со знаменитым летчиком-испытателем Сергеем Николаевичем Анохиным, который, потеряв в авиакатастрофе глаз, сумел оставшимся глазом натренироваться в определении дальности и панорамном видении. Так что особая, предельно строжайшая врачебная комиссия признала его годным к летной работе. Ведь глаза дублируют друг друга, и каждый умеет определять объемность с помощью вторичных признаков.
А первичный признак – это стереоскопичность, действующая на расстояниях меньше километра (у некоторых людей, правда, область эта более обширна, достигает полутора километров, потому что глаза у них расставлены шире обычного). Объемность тут возникает потому, что правый и левый глаз видят предметы немного по-разному: не только фасад, на который направлены и где сходятся оптические оси обоих яблок, но каждый слегка и «свою» боковую сторону (такое уклонение от центрального рассматривания называют параллаксом, от греческого параллабо – уклоняюсь).
В среднем глаза наши разнесены на шесть с половиной сантиметров, отсюда и километровая граница стереоскопического зрения, дальше мозг уже не улавливает разницу изображений. А если нужно дальше, военные берут стереотрубы и дальномеры, в этих приборах база – расстояние между объективами – измеряется десятками сантиметров, даже метрами, соответственно возрастает стереоскопическая глубина пространства. При шестиметровой базе она достигнет двух десятков километров.
В «Книге о живописи» Леонардо да Винчи есть такие строки: «Натуру, рассматриваемую двумя глазами, невозможно передать на картине так, чтобы там она была видна с равной выпуклостью, хотя бы линии, свет, тени и цвет переданы были совершенно в точности». (Вполне возможно, что художники и философы задумывались об этом и раньше, но слова Леонардо – первое письменное свидетельство.)
Почему? Потому что написанная художником плоская картина попадает одинаково на одни и те же точки сетчатки в правом и левом глазу: глаз сразу замечает отсутствие стереоскопической объемности.
Чтобы предметы стали стереоскопичными, изображения на правой и левой сетчатках обязаны быть несимметричны относительно оптической оси глаза. Тогда мышцы поворачивают глаза так, чтобы одинаковые точки изображений пришлись на так называемые корреспондирующие области сетчаток. После этого две картинки сливаются в одну и происходит фузия, по терминологии офтальмологов.
Англичанин Джозеф Гаррис в 1775 г. осознал роль параллакса: «...Это дает нам видимый рельеф предмета, помогая различить его и отделить от плоскости, в которой он лежит. Так, нос тем более выделяется, чем больше мы видим его с обеих сторон лица одновременно». А 63 года спустя его соотечественник лорд Чарлз Уитстон (который придумал известный всем электротехникам, а сейчас, кажется, и школьникам «мостик Уитстона» для высокоточного измерения электрических сопротивлений), сконструировал первый в истории стереоскоп. С помощью этого прибора изобретатель продемонстрировал, что две нарисованные с чуть-чуть разных точек зрения картинки – о фотографии тогда еще никто ничего не знал, и их рисовали с помощью двух разнесенных камер-обскур – после слияния дают чрезвычайно объемный образ.
В том же году французский изобретатель Дагер обнародовал свой способ получения фотографических изображений – дагерротипов, и уже несколько месяцев спустя знаменитый физик Араго высказал мысль о возможности стереоскопической фотосъемки...
Вернемся в физиологию. Удивительно, но мало кто осознаёт, каким поразительным достижением эволюции является сама по себе способность видеть. Нейронные связи зрительной системы, благодаря которым формируется бинокулярный объемный образ, возникают не случайно, не просто потому, что в мозгу миллиарды нейронов, – нет, для этой фантастически сложной сети есть план, генетически заложенный в организм.
Среди прочего подтверждение этому – многочисленные опыты, начало которым положили эксперименты английского физиолога Т. Бауэра. Благодаря им стало ясно: способность к объемному восприятию возникает у малышей «сама собой».
Двухмесячные дети, у которых нет еще серьезного зрительного опыта (они ведь по большей части спят), определяют расстояние до кубиков независимо от размера изображения на сетчатке. Что делал Бауэр? Он ставил кубики разного размера так, чтобы картинки на сетчатке были одинаковыми. Или, наоборот, располагал одинаковые кубики так, чтобы они проецировались на нее как предметы разного размера.
Ухищрения оказались напрасны. Малыша обмануть не удалось. «Свой», контрольный кубик он никогда не путал с «подделывающимися» под него. Не путал потому, что смотрел на мир обоими глазами и что именно к этому моменту, к восьмой неделе жизни, его глаза приобрели некоторую возможность двигаться слаженно. Стали, пусть еще не очень умело, взаимодействовать так, как того требует бинокулярное стереоскопическое зрение.
Вся работа шла по классической методике условных рефлексов. А когда надо было поощрить младенца, подкрепить правильный выбор, ему не еду давали, как щенку там или котенку, – нет, с ним играли в «ку-ку». Из-под стола появлялась вдруг симпатичная улыбающаяся девушка, говорила весело: «Ку-ку!», и за такую «духовную пищу» малыш готов был по двадцать минут участвовать в эксперименте, не засыпая.
Но, конечно, не следует преувеличивать возможности двухмесячного младенца. Гигантскую по сложности программу формирования аппарата бинокулярного зрения ему предстоит еще очень долго осваивать. Особенно важны первые полгода после рождения, любые нарушения в это время тяжко отзываются на последующем.
