Построение объемного изображения

Рассмотрим, как в зрительном анализаторе человека получается информация, необходимая для по­строения объемного изображения.

Сетчатки глаз состоят из множества фотоэлементов, каждый из которых восприни­мает световое излучение в пределах малого конуса. Сетчатки глаз располагаются зеркально симметрично относительно плоскости симметрии го­ловы. Полусферическая форма сетчаток приводит к тому, что измерительные оси фо­тоэлементов веерообразно расходятся в пространстве в пределах некоторого угла. Каждый фотоэлемент воспринимает излучение только в направлении, совпадающем с его измерительной осью. Поскольку структура сетчатки по­стоянна в течение жизни человека, то и ориентация измерительных осей фотоэлементов относи­тельно оптической оси глаза сохраняется неизменной.

Сетчатки левого и правого глаз разнесены друг от друга на определенную базу.

Глазодвигательная система, синхронно поворачивая зрительные аппараты, изменяет ориентацию сетчаток, сохраняя при этом строго определенное их взаимное расположение:

· параллельность вертикальных осей сетчаток;

· пересечение оптических осей глаз.

В любой момент угловое положение каждого глаза относительно головы измеряется с помощью глазодвигательные мышцы рецепторов и поэтому из­вестно.

Вследствие пересечения оптических осей глаз и наличия определенной базы между ними расходящиеся лучи измерительных осей фотоэлементов всегда пересекаются в пределах некоторого пространства, которое названо бинокулярным (рис. 30, а). В этом пространстве каждый микрообъем находится под наблюдением двух фотоэлементов, один из которых находится в левом зрительном аппарате, второй – в правом. Каждая пара фотоэлементов, измеряющих световое излучение из одной точки пространства, вырабатывает одинаковые выходные сигналы. Такие фотоэлементы в дальнейшем будем называть однокомпонентными.

Наличие в зрительном анализаторе нескольких миллионов фотоэлементов по­зволяет измерять световые характеристики большого числа микрообъемов бинокулярного пространства. Величина объемов определяет разре­шающую способность бинокулярного зрения.

а) б)

Рис. 30. Моделирование объемного изображения.

Определение поло­жения пеленгуемых микрообъемов. Точки пересечения измерительных осей однокомпонентных фото­элементов располагаются в бинокулярном пространстве с определенной зако­номерностью: если соединить все точки, в которых измерительные оси этих фото­элементов пересекаются под одинаковыми углами, то получим систему сфери­ческих поверхностей.

Для однозначного определения местоположения любого микрообъема в бинокулярном пространстве достаточно знать положение од­нокомпонентных фотоэлементов относительно центров сетчаток глаз, размер базового расстояния В между центрами сетчаток и угол пересечения опти­ческих осей глаз. Параметры и В заложены в структуру зрительного анали­затора, не меняются при движениях глаз или головы. Поэтому их величины либо генетически закладываются в алгоритм его работы, либо выявляются при обучении организма. Угол не яв­ляется постоянной величиной. Его вели­чина измеряется глазодвигательной системой с помощью рецепторов мышц.

Таким образом, информация, необходимая для построения объемного изоб­ражения, получается при совместной работе измерительных структур обоих зрительных аппаратов и глазодвигательной системы. Зрительные аппараты измеряют характеристики света в отдельных микрообъемах пространства, а глазодвигательная система - определяет структуру объемного изображения.

Моделирование объемного изображения. Весь путь от зрительных аппаратов до зрительной коры видеосигналы проходят без изменений, в таламусе дублиру­ются.

Зрительная кора головного мозга, реализуя функцию воспроизведения объемного изображения, физиче­ски моделирует объемное пространство (рис. 30, б). Она имеет регулярную объемную структуру, состоит из параллельно уложенных столбцов нейронов, ориентированных по нормали к поверхности коры. Между сетчатками глаз и зрительной корой существует поточечное соответ­ствие: каждому усилительному фоторецептору сетчатки соответствует строго определенный столбик или слой в зрительной коре. Каждый столбец имеет жесткую информацион­ную связь с одним фотоэлементом и моделирует малый телесный угол бино­кулярного пространства, совпадающий с его измерительной осью. Столбцы левого полушария моделируют измери­тельные оси фотоэлементов правого глаза, а столбцы правого полушария - измерительные оси фотоэлементов левого глаза.

Столбцы состоят из слоев нейронов, в каждый из которых поступают видео­сигналы от однокомпонентного фотоэлемента другого глаза. Поэтому один нейронный слой в каждом столбце воспроизводит малый объем бинокулярного пространства.

Фоторецепторы, измерительные оси которых пересекаются под углом, равным углу сведения оптических осей глаз, образуют в коре особую нейронную структуру – так называемую шпорную борозду. В ее поступают сигналы от фоторецепторов из центров сетчаток, и она воспроизводит изображение объекта, на который направлены оптические оси глаз. Остальные нейроны шпорной борозды моделируют точки пространства, удаленные от человека на то же расстояние, то и наблюдаемый объект. Это означает, что шпорная борозда является линией опорной дальности для моделируемого зрительной корой пространства: все точки изображения, которые воспроизводятся нейронами, находящимися ниже этой линии, воспринимаются расположенными ближе наблюдаемого объекта, а слои коры выше шпорной борозды воспроизводят пространство за наблюдаемым объектом.

В поверхностный слой нейронов зрительной коры поступают видеосигналы только от одного фотоэлемента, поэтому они моделируют плоское изображение картины, видимое за пределами бинокулярного зрения.

Воспроизведение в зрительной коре объемного изображения. Для решения этой задачи в зрительной коре определяются фотоэлементы левого и правого глаз, воспринимающие излучение из одной точки пространства. Это осуществляется путем сравнения выходного сигнала каждого фотоэлементаодного глаза с выходными сигналами всех фотоэлементов второго глаза, измеритель­ные оси которых пересекаются с его измерительной. Если сигналы неодинаковы, значит, данная пара фотоэлементов видит разные точки пространства. Если сигналы совпали, то данные элементы глаз воспри­нимают сигналы из одной точки. Природа разрешила эту задачу следующим образом. Видеосигналы от фотоэлементов одновременно поступают каждый в свой столбец зрительной коры и с высокой скоростью пробегают последовательно нейрон­ные слои. В каждом нейронном слое видеосигналы фотоэлементов левого и правого глаз сравниваются, и при их совпадении нейроны возбуждаются, причем степень возбуждения соответствует характеру светового излучения в данном микрообъеме бинокулярного пространства.

Рис. 31. Схема обнаружения однокомпонентных фотоэлементов.

Нейронные слои, не обнаружившие одинаковых сигналов, находятся в со­стоянии торможения, обеспечивая определенный контраст возбужденным эле­ментам коры. Если равного сигнала в нейронных слоях столбца не оказалось, то видеосигнал доходит до последнего поверхностного слоя и возбуждает его, сигнализируя о том, что источник воспринимаемого излучения находится за пределами бинокулярного пространства. Для высокой досто­верности опознавания сопоставление только характеристик яркости изобра­жений является недостаточным, поэтому все животные, обладающие биноку­лярным зрением, воспринимают не только интенсивность, но и длину волны излучения, то есть обладают цветовым зрением.