Podręcznik Grafika komputerowa i wizualizacja

10.2. Budowa oka i właściwości wzroku

Oko jest narządem zmysłu pozwalającym na postrzeganie otoczenia. Gałka oczna ma kształt zbliżony do kuli o średnicy od ok. 16 mm (dzieci) do ok. 24 mm (osoby dorosłe). Wypełniona jest przezroczystą, galaretowatą substancją (zwaną ciałem szklistym) utrzymującą kształt oka. Gałka oczna pokryta jest twardówką – wytrzymałą i nieprzezroczystą (białą) błoną. Jej przednia, widoczna część, zwana rogówka, jest przezroczysta i stanowi naturalna ochronę oka. Twardówka jest wyścielona od wewnątrz naczyniówką – warstwą naczyń krwionośnych. Oko jako przyrząd optyczny pozwala na odbiór wrażeń dzięki dwóm elementom : soczewce skupiającej i warstwie receptorów, na której powstaje odwrócony, rzeczywisty i pomniejszony obraz. Soczewka ma możliwość zmiany krzywizny, dzięki czemu długość ogniskowej może się zmieniać w granicach od ok. 23 mm do ok. 19 mm. Zmianę kształtu soczewki powodują mięśnie rzęskowe. W stanie spoczynku soczewka zapewnia ostre widzenie obiektów znajdujących się w dużej odległości (w nieskończoności). Skurcz mięśni rzęskowych powoduje rozciągnięcie soczewki i zmniejszenie jej krzywizny. Dzięki temu możliwe jest ostre widzenie obiektów znajdujących się bliżej. Proces dostosowywania się oka do odległości w celu zapewnienia ostrego widzenia nazywa się akomodacją oka. Soczewka przysłonięta jest tęczówką działającą jak przysłona aparatu fotograficznego. Otwór w tęczówce – źrenica zapewnia możliwość regulacji ilości światła wpadającego do oka. Mięśnie tęczówki (okrężne zmniejszające źrenicę i promieniowe rozszerzające ją) tworzą niepowtarzalny wzór wykorzystywany przez biometrię oka. Obraz powstaje na siatkówce, na której znajdują się receptory połączone nerwem wzrokowym z mózgiem.

Rys.10.4. Budowa oka.

Warto dodać, że para oczu daje człowiekowi możliwość oceny odległości. Jeśli patrzymy na zbliżający się obiekt, to osie optyczne obu gałek przecinają się pod coraz większym kątem. Analiza tego kąta przez mózg pozwala wnioskować o odległości do obiektu. Z drugiej strony jednak, analiza odległości i położenia w przestrzeni jest dokonywana na podstawie postrzeganych wzajemnych relacji (np. wzajemnego zasłaniania) między przedmiotami, akomodacji oraz zdobytego doświadczenia. Na tej podstawie osoby, które utraciły jedno oko również potrafią ocenić odległości.

Zdobyte doświadczenie jest również wyjaśnieniem problemu postrzegania świata „do góry nogami”. Soczewka oka odwraca obraz i dopiero mózg interpretuje obraz właściwie. Nie jest to umiejętność wrodzona ale nabyta. Dziecko do ok. pół roku nabiera doświadczeń ruchowych i najprawdopodobniej dopiero wtedy następuje odwrócona interpretacja.

 Siatkówka – pole na którym powstaje obraz. Percepcja obrazu następuje za pomocą dwóch rodzajów receptorów:

Czopków — widzenie dzienne, fotopowe

Pręcików — widzenie nocne, skotopowe

Czopki i pręciki zostały odkryte przez Maxa Schultza w 1866 roku.

 

Siatkówka jest wielowarstwową tkanką nerwową zawierającą ponad 120 mln receptorów. Fotony trafiając do receptorów wywołują reakcje elektrochemiczne tworząc impulsy nerwowe przenoszone do mózgu.

Na siatkówce jest ok. 120 mln pręcików i ok. 6 mln czopków.  Receptory te są rozłożone nierównomiernie na siatkówce w okolicach plamki żółtej (zwanej też dołkiem centralnym), przy czym pręciki znajdują się na całej siatkówce poza plamką żółtą, natomiast czopki głównie w plamce żółtej. Połączenie nerwu wzrokowego z siatkówka tworzy tzw. plamkę ślepą na, której nie ma żadnych receptorów. Plamka żółta pokrywa kąt ok. 1 stopnia pola widzenia. Gęstość czopków jest tam największa – rozmieszczone są one tak, że odległość między ich środkami jest równa ich średnicy (ok. 0,002 mm). Poza tym polem gęstość receptorów gwałtownie spada. Pręciki, mimo że na całej siatkówce, to także rozmieszczone są nierównomiernie. Ich największe skupienie występuje w odległości kątowej ok. 15 stopni od plamki żółtej (dlatego o widzeniu nocnym mówimy, że jest widzeniem peryferyjnym).

Gęstość rozmieszczenia receptorów jest związana z rozdzielczością widzenia, czyli minimalną odległością między punktami, które są postrzegane w postaci dwóch niezależnych punktów a nie jednej plamy. Doświadczalnie stwierdzono, że maksymalna rozdzielczość oka ludzkiego wynosi ok. 1 minuty kątowej. Rozdzielczość tę nazywa się minimum separabile.

 

Podstawowe różnice między receptorami decydują o sposobie postrzegania świata przez człowieka.

Czopki pozwalają na rejestracją wrażeń barwnych i rozróżnianie odcieni barwnych. Do pobudzenia wymagają dużej ilości światła  - odpowiadają  za widzenie dzienne, nazywane fotopowym.

Pręciki pozwalają na rejestrację tylko odcieni szarości, do pobudzenia wystarczy im wielokrotnie mniej światła – odpowiadają za widzenie nocne. W nocy widzimy bez barw („w nocy wszystkie koty są czarne”), główne kształty i kontury.

 

Warto zwrócić uwagę na połączenia receptorów z mózgiem. Liczba połączeń nerwowych siatkówki w nerwie wzrokowym wynosi ok. 1 mln (wobec ok. 126 mln receptorów). A zatem nie ma odpowiedniości 1 receptor – 1 połączenie. Już na etapie przetwarzania na siatkówce obraz poddawany jest „kompresji”. Połączenia nerwowe doprowadzone są do tzw. jednostek receptorowych – pól, które grupują receptory. Jednostki plamki żółtej obejmują po jednym receptorze (czopku), natomiast poza nią grupują od kilkudziesięciu do kilkuset receptorów. W ramach plamki żółtej każdy receptor (czopek) jest więc indywidualnie połączony z nerwem wzrokowym. Szacuje się że te kilka procent powierzchni siatkówki tworzy ok. 50 % połączeń. Reszta obejmuje pozostały obszar siatkówki.

 

Czopki i pręciki maja również różne zależności pobudzenia od długości fali. Kształt zależności w obu przypadkach jest praktycznie identyczny – jest to krzywa dzwonowa obejmująca prawie cały obszar promieniowania widzialnego. Ale maksima tych krzywych są przesunięte. Dla widzenia dziennego (fotopowego) jest to ok. 555 nm, dla widzenia nocnego (skotopowego) ok. 515 nm. Efektem tego jest wrażenie, że powierzchnie niebieskozielone postrzegamy w nocy jako jaśniejsze niż w dzień, natomiast żółtoczerwone jako ciemniejsze (efekt Purkiniego).

 

Stan pośredni między widzeniem skotopowym a fotopowym (o świcie i o zmierzchu) nazywamy widzeniem mezopowym.