В то время как часть восприятия объекта, который находится пред нами, приходит через наши чувства, другая часть (она может быть больше) всегда приходит через наш рассудок.
Вильям Джеймс
Человеческий организм, как часть этого огромного загадочного мира, является очень сложной системой. И часто, процессы, происходящие не только вокруг, но и внутри нас, объяснить совсем не просто. На существование оптических иллюзий обратил внимание ученых в 1854 г. Оппель, и в последующие полвека этот вопрос привлекал как физиков, так и психологов.
Многие из нас совсем не задумываются, как мы видим. Зрительное восприятие изображений, объектов, глубины пространства, движений является очень сложным процессом, хотя, казалось бы, мы не прикладываем к этому никаких усилий.
Акт зрительного восприятия — это сложная цепь различных процессов и превращений еще до сих пор недостаточно изученных и понятных. Так как мы смотрим глазами, а видим мозгом. За сложным фотохимическим процессом в сетчатой оболочке глаза следует нервное возбуждение волокон зрительного нерва, которые затем передаются коре головного мозга. Наконец, в пределах коры головного мозга происходит оформление зрительных восприятий; здесь, они возможно, взаимосвязываются с другими нашими ощущениями и контролируются на основе заранее приобретённого нами опыта, и только после этого начальное раздражение превращается в заключительный зрительный образ. Итак, можно сказать, что оптическая иллюзия — это впечатление о видимом предмете или явлении, то есть оптический обман. Но как изображение попадает к нам в глаз? Этот вопрос оптики имеет несколько теорий.
История открытия оптических явлений
… Ньютон отдавал предпочтение корпускулярной теории света, считая его потоком частиц. …Гюйгенс полагал, что световое возбуждение есть импульсы упругих колебаний эфира.
А. М. Бонч-Бруевич
Оптика — (от греч. «наука о зрительных восприятиях») — это раздел физики, изучающий поведение и свойства света. Оптика — одна из древнейших наук, тесно связанная с потребностями практики на всех этапах своего развития. Прямолинейность распространения света была известна не менее чем за 5 тыс. лет до н. э. и использовалась в Древнем Египте при строительных работах. Над существом оптических явлений размышляли Аристотель, Платон, Евклид, Птолемей.
Первые высказывания о природе света были сделаны древними греками и египтянами. Согласно одной из этих теорий, свет, подобно течению воды из трубы, выходит из глаз человека, благодаря чему мы и видим окружающий мир.
Согласно Пифагору (450 лет до н. э.), тела становятся видимыми благодаря попаданию в глаз частиц, вылетающих из тел. Эти частицы Демокрит (460–370 лет до н. э.) назвал атомами. Подобные догадки относительно природы света были опровергнуты Аристотелем. Согласно Аристотелю, свет, передаваясь через посредство прозрачной среды, расположенной между объектами и глазом, вызывает зрительное действие. Эта идея Аристотеля как бы положила начало о светоносной среде — эфире.
В 17 в. Кеплер высказал свое предположение относительно природы света. Согласно Кеплеру, свет представляет собой частицы, излучаемые веществом — источником. Он считал распространение света мгновенным процессом.
Последовательная теория о природе света была выдвинута Ньютоном.
Оптика традиционно делится на следующие разделы.
- Геометрическая (или лучевая) оптика. Этот раздел оптики исторически сформировался первым. Геометрическая оптика изучает законы распространения оптического излучения и формирования изображений предметов с помощью оптических систем на основе представления о световом луче как о прямой линии, не интересуясь природой самого света (т. е. вопросом о том, что такое свет). Законы геометрической оптики справедливы при условии, что размеры предметов намного больше длины волны света; среда, в которой распространяется свет, оптически однородна, а свойства ее не зависят от интенсивности света.
- Физическая оптика изучает вопросы, связанные с процессами испускания света, природой света и световых явлений. К ним, в частности, относятся следующие явления:
Интерференция и дифракция света, свидетельствующие о волновой природе света и являющиеся предметом изучения волновой оптики, в основе которой лежат уравнения Максвелла;
Тепловое излучение, разработка теории которого привела М. Планка к открытию квантовой природы излучения и определению постоянной Планка;
Люминесценция, исследование природы которой привело к идее о возможности создания оптических квантовых генераторов (лазеров).
- Физиологическая оптика изучает строение глаза человека как составной части всего аппарата зрения, а также и все остальное, что относится к механизму зрения. По результатам исследований, проводимых в этой области, строится теория зрения, а также теория восприятия света и цвета. Достижения физиологической оптики используются в медицине, физиологии, технике, при разработке различных устройств — от очков до телевидения.
Оптические иллюзии в истории
Несмотря на то, что история научного изучения оптических иллюзий насчитывает около 150 лет, знакомы с этим явлением люди были еще в глубокой древности.
С давних времен путешественники и мореплаватели сталкивались с миражами в пустынях и на просторах морей. Тогда они пугались иллюзий, так как были не способны объяснить это явление и думали, что это результат действий злых духов. Многие путники, введённые в заблуждение, меня свой маршрут и погибали. О миражах складывали легенды и строили ужасающие теории.
Важно отметить, что, сталкиваясь с разными природными иллюзиями, люди научились использовать в своих целях определенные оптические закономерности. Еще в Древней Греции эти закономерности целенаправленно применялись в архитектуре для создания желаемых пространственных впечатлений, например, для кажущегося увеличения высоты и площади залов. Архитекторы иногда намеренно нарушали геометрию строения: изменяли пропорции, отклоняли элементы от вертикали или горизонтали, искривляли их контуры и т. п. С помощью таких приемов им удавалось «перехитрить» зрение.
Например, древними зодчими было подмечено, что светлые предметы на темном фоне по размеру кажутся больше, чем они есть на самом деле, а темные на светлом, наоборот, меньше. Римский архитектор и инженер Марк Витрувий, живший в I веке до нашей эры, свидетельствовал о своих впечатлениях: при сочетании темного и светлого свет «пожирает» мрак. Действительно, в белой одежде человек выглядит полнее, нежели в черной, а ветви деревьев в лучах солнца заметно «истончаются».
Вскоре оптическими иллюзиями увлеклись и художники — в 1950-х годах появилось целое направление в искусстве, посвященное оптическим иллюзиям — оп-арт (от английского optical art — «оптическое искусство»). Одним из основоположников оп-арта считается французский художник и скульптор Виктор Вазарели, — его работы часто приводят в качестве ярких примеров оптических иллюзий.
Причины оптических иллюзий
Подавляющее большинство иллюзий зрения возникает из-за ложного суждения о видимом, поэтому можно сказать, что обман наступает при формирование зрительного образа. Который в свою очередь происходит уже в головном мозге. Глаза нам не лгут. Такие иллюзии исчезают при изменении условий наблюдений и исключении факторов, мешающих восприятию, а также выполнении простейших сравнительных измерений.
Еще одной причиной появления оптических обманов являются несовершенства глаза. Зрительные дефекты, такие как близорукость, дальнозоркости, дальтонизма способствуют изменению зрительных ощущений.
Виды иллюзий
В XIX веке началось активное изучение закономерностей восприятия и особенностей органов чувств человека. Именно тогда исследователи стали классифицировать оптические иллюзии и анализировать причины их возникновения.
Все оптические иллюзии можно разделит на три вида, в зависимости от их происхождения.
— Естественные, созданные изменением в окружающей среде
— Естественные иллюзии, вызванные особенностями зрительного восприятия.
— Искусственные иллюзии, связанные с намеренным изменением (искажением) окружающего пространства.
— Искусственные, нацеленные на изменение (обман) работы зрительного восприятия.
Естественные иллюзии
Мираж — (франц.) «Отражать, как в зеркале». Происходит из-за многослойности воздуха, каждый из слоев имеет разную температуру, а соответственно и плотность. Световые лучи, проходя через эти слои, преломляются или отражаются, искажая изображение.
Другая разновидность естественных иллюзий, вызванных изменениями во внешней среде, — гало. Это цветные круговые пятна вокруг источника света. Днем гало появляется вокруг Солнца, а ночью — вокруг Луны. Гало вызваны преломлением света при прохождении через ледяные кристаллы.
Естественные иллюзии, вызванные особенностями зрительного восприятия.
К этому типу иллюзий можно отнести слепое пятно, явления иррадиации, инерции зрительного восприятия и ряд других.
Слепое пятно — участок на сетчатке каждого глаза, не воспринимающего свет, связано с тем, что в том месте, где в глаз входит зрительный нерв, нет светочувствительных окончаний нервных волокон. Изображения предметов, приходящиеся на это место сетчатки, не передаются мозгу. Казалось бы, слепое пятно должно мешать видеть весь предмет, но в обычных условиях мы этого не замечаем. Прежде всего, потому, что изображения предметов, приходящиеся на слепое пятно в одном глазу, в другом проектируются не на слепое пятно. Во-вторых, потому, что выпадающие части предметов заполняются образами соседних частей, находящихся в поле зрения.
Иррадиация — явление поглощения света разными цветами. Светлые предметы на темном фоне кажутся нам больше, чем темные на светлом. В темной одежде люди выглядят тоньше, чем в светлой.
Инерция зрения — особенность зрительного восприятия дискретных последовательных событий, которые кажутся непрерывными. Так, например, когда крутят горящий факел, мозг воспроизводит огненный круг вместо нескольких положений одного и того же горящего факела. Суть этой оптической иллюзии заключается в том, что сетчатка глаза (глазное дно) под действием световых лучей на некоторое время сохраняет полученное изображение. Эффект тем сильнее, чем выше цветовая контрастность и яркость наблюдаемого рисунка. Именно поэтому мы и получаем возможность в темноте «рисовать» палочкой с горящим угольком разные узоры. Инерцией зрения можно объяснить и то, что зрение как бы «уравновешивает» одно яркое впечатление противоположным. Например, если долго и неотрывно смотреть на негативное изображение, то потом, закрыв глаза, можно увидеть это же остаточное, тающее изображение, но в позитиве. Черные цвета меняются на белые, красные — на зеленые, голубые — на желтые и наоборот.
Относительность восприятия размеров природных объектов.
Известно, что визуальное восприятие размеров видимого человеком объекта определяется габаритами других предметов, наблюдаемых по соседству. Хорошим примером является иллюзия Эббингауза (рис.1.) и иллюзия Понцо (рис. 2.)
Рис. 1. Иллюзия Эббингауза
Рис. 2 Иллюзия Понцо
Всем кажется, что дальний отрезок больше ближнего. Однако они равны. Иллюзия создается из-за ошибки нашего мозга, потому что он привык, что чем дальше предмет, тем он меньше.
Этот вид иллюзий находит свое объяснение в том, что резко выраженные особенности фона влияют на восприятие расположенных на этом фоне предметов.
Искусственные иллюзии, связанные с намеренным изменением (искажением) окружающего пространства.
Этот тип иллюзий включает большое количество находок человека по обману зрительного восприятия за счет изменения окружающего пространства. Этим методом активно пользуются фокусники-иллюзионисты, а также дизайнеры и архитекторы. Например, иллюзорный «Растаявший дом» (Рис. 3).
Рис. 3 «Растаявший дом»
Это лишь рисунок на брезенте, которым закрыли дом в Париже, находящийся на реконструкции. Идея и воплощение принадлежат художнику Питеру Давали.
Одним из лучших примеров оптической иллюзии в архитектуре является дом таможенной службы в Мельбурне, Австралия (Рис. 4).
Рис. 4. Дом таможенной службы в Мельбурне, Австралия
Каждый этаж дома одинаковой высоты, хотя создается впечатление, будто они то расширяются, то сужаются.
Не менее яркое впечатление производят сегодня на жителей городов обманные граффити: рисунки на стенах домов или на асфальте (рис. 5).
Рис. 5. Граффити
Невозможные фигуры или парадоксы — иллюзии невозможных, несуществующих в реальности объектов. Такие фигуры представляют собой двухмерное изображение трехмерных, объемных объектов. Но при внимательном их рассмотрении становится ясно, что такие фигуры нарушают привычные закономерности. Как примеры можно привести треугольник Пенроуза и куб Эшера (рис. 6)
Рис. 6. Треугольник Пенроуза и куб Эшера
Запоминающимся примером комплексного искусственного преобразования окружающего пространства служит комната Эймса.(рис.7)
Рис. 7. Комната Эймса
Это помещение неправильной формы, используемое для создания трехмерной оптической иллюзии. Комната спереди выглядит как обычная комната кубической формы. Однако истинная форма комнаты трапециевидная.(рис. 8)
Рис. 8. Форма комнаты Эймса
В результате оптической иллюзии человек, стоящий в одном углу, кажется наблюдателю гигантом, в то время как человек, стоящий в другом углу, — карликом. Принцип комнаты Эймса широко используется в кино и на телевидении для создания спецэффектов.
Искусственные, нацеленные на изменение (обман) работы зрительного восприятия.
Многие наблюдали, например, остаточные изображения, возникающие на сетчатке глаза после выключения яркого света. Причиной такого процесса является стимуляция зрительного нерва на стадии первичной визуальной обработки. А повторное воздействие в нем или соседних нервах вызывает физиологическую неустойчивость, которая изменяет восприятие. Яркий пример — решетка Германа (рис. 9).
Рис. 9. Решетка Германа
Также примером иллюзий такого типа может служить разработанная японским ученый-врач Акиоши Китаока оптическая иллюзия «Вращающиеся змеи». (рис. 10)
Рис. 10. «Вращающиеся змеи»
Ощущение движения неподвижной картинки возникает, когда глаз цепляется за мелкие детали. Если взгляд остановить, иллюзия движения пропадает. Большинство иллюзий движения неподвижных картинок построены на регулярном повторе разных по яркости или цвету фрагментов. Разглядывая их, глаз совершает быстрые скользящие движения — саккады. Саккады играют ключевую роль в рассматривании иллюзий подобного типа. В ходе экспериментов ученые выяснили, что при взгляде на такие картинки активизируются те же нейроны, что и при взгляде из окна быстро движущегося поезда, когда кажется, что пейзаж «едет мимо», а не наоборот.
Кто бы мог подумать, но некоторые иллюзии могут улучшать зрение и использоваться врачами для диагностики. Стереограммы, или стереокартинки для глаз, — это плоские изображения, в которых зашифрована трехмерная картинка на фоне одинаковых узоров. На первый взгляд они похожи на пестрый бессюжетный хаос. Но если правильно сфокусировать взгляд на изображении, можно увидеть зашифрованную картинку.
Неоднозначные иллюзии — это изображения или объекты, которые в зависимости от восприятия могут давать альтернативные интерпретации. Интересный пример — ваза Рубина (рис. 11).
Рис. 11. Ваза Рубина
Такие иллюзии возникают косвенным образом благодаря предположениям о мире, ведущим к «бессознательному анализу». Объяснение было впервые предложено в 19 веке немецким физиком врачом Г. Гельмгольцем.
Практическое применение иллюзий
На сегодняшний день иллюзии широко используются в архитектуре, дизайне, искусстве и даже в военном деле. Зрительные иллюзии стали основой кинематографа и телевидения, многих современных компьютерных и виртуальных технологий. Изучение иллюзий позволяет лучше понимать природу этого явление и расширять возможность использования иллюзий в художественной сфере. Не часто мы задумываемся о цвете стен и потолка, о расположении зеркал и светильников в комнате. Однако это всё оказывает влияние нас и нашу деятельность. Используя не хитрые законы оптики, и, применяя азы этого загадочного физического процесса — иллюзий, можно создать комфортное помещение, подходящее под человека и предназначения пространства.
Несложным примером служит эта светлая комната (рис. 12).
Рис. 12. Иллюзии в интерьере
Она не очень большая, но за счет небольших хитростей кажется просторной и уютной. В интерьере используются светлые цвета и оттенки. Белый потолок и зеркало отражают свет, благодаря чему в комнате хорошее освещение при дневном свете. Вертикальные полоски на одной из стен и длинные шторы визуально вытягивают комнату, кажется, что потолок выше, чем он есть на самом деле.
Также благодаря иллюзиям, можно разнообразить интерьер, добавить что-то необычное и удивляющее. Например, объемный рисунок на стене или полу (рис. 13).
Рис. 13. Иллюзии в интерьере
Литература:
- Артамонов И. Д. Иллюзии зрения 3-у изд. М., 1969
- Толанский С. Оптические иллюзии/Пер. с англ. М., 1967
- Рок И. Введение в зрительное восприятие/Пер. с англ. Кн. 1–2. М., 1980
- Эл Сик Оптические иллюзии «АСТ» — М., 2004
- https://sites.google.com/site/stereohyperbole/istoria-otkrytia-opticeskih-illuzij
