Явление иррадиации
Эффект иррадиации проявляется в том, что светлые предметы на темном фоне кажутся увеличенными против своих настоящих размеров и как бы захватывают часть темного фона. Это явление известно с очень давних времен.
Еще Витрувий (I в. до н. э.), архитектор и инженер Древнего Рима, в своих трудах указывал, что на границе темного и светлого «свет пожирает мрак». Свет на нашей сетчатке проникает в область тени.
Первоначальное объяснение явления иррадиации было дано Р. Декартом, который утверждал, что увеличение размеров светлых предметов происходит вследствие распространения физиологического возбуждения на места, соседние с теми на сетчатке, которые подверглись действию света.
Более строгое объяснение сформулировал физик и физиолог Г. Гельмгольц. По Гельмгольцу, первопричина иррадиации заключается в следующем. Каждая светящаяся точка изображается на сетчатке глаза в виде маленького кружка рассеяния из-за несовершенства хрусталика, неточной аккомодации* и пр. Когда мы рассматриваем светлую поверхность на темном фоне, вследствие аберрационного** рассеяния как бы раздвигаются границы этой поверхности и поверхность кажется нам больше своих истинных геометрических размеров; она словно простирается за края окружающего ее темного фона. Эффект иррадиации сказывается тем больше, чем хуже глаз аккомодирован.
* Аккомодация — изменение кривизны поверхности хрусталика, фокусировка глаза.
** Аберрация — искажение изображения, вызываемое несовершенством реальной оптической системы.
Великий итальянский художник, ученый и инженер Леонардо да Винчи в своих записках говорит о явлении иррадиации так: «Когда Солнце видимо за безлиственными деревьями, все их ветви, находящиеся против солнечного тела, настолько уменьшаются, что становятся невидимыми, то же самое произойдет и с древком, помещенным между глазом и солнечным телом. Я видел женщину, одетую в черное, с белой повязкой на голове, причем последняя казалась вдвое большей, чем ширина плеч женщины, которые были одеты в черное. Если с большого расстояния рассматривать зубцы крепостей, отделенные друг от друга промежутками, равными ширине этих зубцов, то промежутки кажутся много большими, чем зубцы... »
На целый ряд случаев наблюдений явления иррадиации в природе указывает в своем трактате «Учение о цветах» великий немецкий поэт И. Гото. Ом так пишет об этом явлении: «Темный предмет кажется меньше светлого той же величины. Если рассматривать одновременно белый круг на черном фоне и черный круг того же диаметра на белом фоне, то последний нам кажется примерно на 1/5 меньше первого. Если черный круг сделать соответственно больше, они покажутся равными. Молодой серп Луны кажется принадлежащим кругу большего диаметра, чем остальная темная часть Луны, которая иногда бывает при этом различима». В темном платье люди кажутся тоньше, чем в светлом. Источники света, видные из-за края предмета, производят в нем как бы выемку. Линейка, из-за которой появляется пламя свечи, представляется с зарубкой в этом месте. Восходящее и заходящее солнце делает вырезку в горизонте. Черная нить, если ее держать перед ярким пламенем, кажется в этом месте прерванной; а раскаленная нить лампы накаливания кажется толще, чем она есть в действительности.
В 1856 году Гельмгольц предложил в качестве иллюстрации рисунок с двумя квадратами (илл. 1). Белый квадрат на черном фоне кажется большим, чем точно такой же черный квадрат на белом фоне (иллюзия квадратов).
Белый цвет как будто раздвигает границы белого квадрата на черном фоне — положительная иррадиация и, возможно, сжимает черный квадрат на белом — отрицательная иррадиация. И не только.
Заметим, что, помимо всего прочего, черная половина рисунка зрительно меньше белой. Из двух полос, которые разделяют квадраты, черная также меньше белой.
Вообще говоря, возникновение феномена иррадиации при восприятии подобных рисунков удивительное обстоятельство, потому что яркость света при наблюдении иррадиации в природе в десятки, если не в сотни раз превышает яркость света, отраженного от самой белой бумаги. В природе — это святящиеся объекты на фоне ночного неба, например восходящее и заходящее солнце или диск луны, это ветки дерева на фоне солнца или черная нить на фоне яркой лампы.
Разница воспринимаемых размеров квадратов, строго говоря, может возникать в силу различных причин.
Первая из них — это собственно иррадиация в классическом ее понимании. Белый квадрат зрительно увеличивается, а черный уменьшается.
Вторая. Попробуем предположить, что независимо от наличия иррадиации существует какая-то другая самостоятельная иллюзия зрительного восприятия, в результате которой белый квадрат увеличивает свой размер. Или черный квадрат уменьшает свой. Или то и другое происходит одновременно.
Третья. Известен феномен фигуры и фона, когда последние по каким либо причинам меняются местами и происходит скачок размера. Не поэтому ли квадраты изменяют свой воспринимаемый размер?
И четвертая. Совместное действие иррадиации и одной или нескольких из указанных причин.
В дальнейшем мы рассмотрим все эти случаи. Иллюзия квадратов. Сложность анализа иррадиации в том, что различные наблюдатели воспринимают иллюзию квадратов в разной степени, а некоторые вовсе не воспринимают. Это зависит от остроты зрения, расстояния до чертежа, наличия или отсутствия очков, условий освещенности, белизны бумаги.
Ученые специально оговаривают, что нагляднее всего иррадиация воспринимается расфокусированным, не резким зрением. По сути, иррадиация — это привилегия близоруких. Для тех, кому никак не удается увидеть описываемый эффект, можно рекомендовать самый доступный способ: посмотреть на рисунок через видоискатель зеркальной камеры, расфокусировав объектив. Это соответствует теории Гельмтольца: рассеяние света в системе объектива, неточность аккомодации, изображение точки кружком рассеяния на фотографической эмульсии. Такой феномен хорошо известен в фотографии, он приводит к появлению ореолов на светочувствительных материалах. Фотографический метод регистрации иррадиации — самый надежный. Заметим, что он значительно усиливает эффект из-за того, что степень нерезкости объектива гораздо больше возможной нерезкости глаза.
Вообще же иррадиация существует на двух уровнях. Первичная иррадиация наблюдается при абсолютно резком зрении и рассматривании рисунка вблизи. На границе белого квадрата большинство наблюдателей ощущают некое свечение, мерцание. Но оно не приводит к изменению видимого размера квадратов, пока зрение остается резким, и мы различаем границу черного и белого в облаке этого мерцания. Нужно отметить, что нечто подобное возникает и на границе двух контрастных цветов, например красного и зеленого.
И второй уровень иррадиации — это феноменальная иррадиация, которая действительно способна значительно раздвигать границы белых предметов на черном фоне (или, возможно, уменьшать размеры черных на белом). В отличие от первичной, эффект феноменальной иррадиации зависит от расстояния до рисунка и усиливается при увеличении этого расстояния. Чтобы наблюдать этот эффект, совершенно необходимо не резкое, расфокусированное зрение и наблюдение издалека.
При таком наблюдении размер белого квадрата по сравнению с черным существенно увеличивается и абсолютно не соответствует той разнице, которую мы ощущаем, когда рассматриваем рисунок вблизи (илл. 2, фотография).
Снимок сделан зеркальным аппаратом, объектив наведен на бесконечность, расстояние до рисунка 30 см. из-за расфокусировки объектива вокруг белого квадрата возникает светящийся ореол, каждая белая точка на границе квадрата и черного фона изображается большим кружком рассеяния. Границы белого квадрата раздвигаются, и он увеличивается.
Ощутить столь значительную иррадиацию можно только не резким зрением. Близорукие могут снять очки для дали, а дальнозоркие, наоборот, надеть очки для чтения.
Интересно, что для возникновения иррадиации важен не контраст между квадратом и фоном, а именно белизна бумаги. Например, белый квадрат на светло-сером фоне в такой же степени подвержен иррадиации (илл. 3, фотография).
Иллюстрация 5 показывает, что для серого квадрата на черном фоне иррадиация перестает работать, как только серый цвет приобретает достаточную интенсивность.
Таким образом, иррадиации не является единственной причиной возникновения иллюзии квадратов. Иррадиация начинает работать только при определенных условиях. Причину зрительного неравенства квадратов в этом случае надо искать в чем-то другом. И мы постараемся ее найти.
В дальнейшем будем рассматривать иллюзию квадратов при восприятии вблизи резким зрением без учета иррадиации. Феномен картины. В чем же причина этой иллюзии, что заставляет квадраты увеличиваться и уменьшаться, если допустить, что иррадиация в этом не участвует?
Искать эту причину нужно не в недостатках глаза, а в чем-то другом, более близком к условиям существования квадратов на плоскости бумаги, а именно в иллюзии перспективного восприятия.
Речь идет об удивительной способности нашего глаза воспринимать пространственно плоский рисунок или картину. Многие ученые называют этот феномен восьмым чудом света. Мало того, что мы буквально ощущаем третье измерение там, где его не может быть по определению — в плоском листе бумаги или холста, но еще мы воспринимаем в этом плоском изображении реальные объекты в реальном пространстве.
Предметы на картине ведут себя совершенно парадоксальным образом. Они существуют одновременно в двух местах: на плоскости холста и в пространстве. Запомним эту одновременность, она чрезвычайно важна для дальнейшего.
Реальное пространство. Как мы воспринимаем величину предметов и их удаленность в повседневной жизни?
Глаз способен воспринимать величину посредством угла зрения. Это угловой размер, угол, под которым предмет виден. Но объект в реальном пространстве имеет два размера: линейный и угловой. Для зрительного восприятия важен именно угловой размер. Глаз, вернее мозг оценивает линейный, то есть физический размер объекта, определив его удаленность. Если даже глаз определяет каким-то образом угловой размера (хотя бы по величине изображения на сетчатке), в задаче все равно остаются еще два неизвестных: удаленность объекта Sи его линейный размер L (илл. 6).
Если известна удаленность, глаз «рассчитывает» размер. При известном размере «вычисляет» удаленность объекта. Самый естественный способ решения задачи — сравнение. Узнаваемый объект: фигура человека, дом, дерево и так далее — сравнивается со своим физическим размером, известным из визуального опыта. И таким образом достаточно точно определяется удаленность. Разумеется, оценка эта осуществляется подсознательно на основании жизненного опыта существования человека в трехмерном пространстве.
Удаленность объекта глаз определяет с помощью специальных признаков. Различают монокулярные признаки глубины (видение одним глазом) и бинокулярные (видение двумя глазами). Монокулярные признаки — это, прежде всего, так называемые изобразительные признаки глубины пространства, которые предложил Леонардо да Винчи в качестве законов перспективы. Законы эти одинаково применимы как в реальном пространстве, таки при восприятии плоского изображения. Законы Леонардо — это уменьшение размеров удаленных предметов, воздушная перспектива (уменьшение четкости и цвета удаленных объектов из-за воздушной дымки), заслонение и перспектива теней.
Сюда же следует добавить тональную перспективу (хотя Леонардо прямо ее не упоминает): при отсутствии других признаков черное мы воспринимаем как близкое, а белое — как далекое. То же самое и для цветовой перспективы: одни цвета тяжелые и близкие, а другие — далекие и легкие. Тональная и цветовая перспектива не связана напрямую с воздушной дымкой и, вероятно, имеет другую причину.
Признаки глубины, связанные с устройством глаза, бывают бинокулярными: это сведение зрительных осей двух глаз в одну точку, различия в изображениях, даваемых правым и левым глазом, и монокулярными: фокусировка глаза на предмете и неодинаковое смещение близких и далеких предметов относительно друг друга при движении головой или движении самих предметов. Благодаря бинокулярным признакам мы воспринимаем предметы в окружающем трехмерном мире объемными.
При любом перемещении объекта в реальном пространстве его угловой размер меняется, а линейный, естественно, остается неизменным. Поэтому мы и видим более удаленный объект меньшим, а близкий большим, то есть просто под меньшим или большим углом. Это видимый размер объекта (илл. 7а, 7Ь).
На рисунке 7а изображена боковая проекция, поэтому удаленный объект не уменьшен. А на рисунке 7Ь показано, как глаз видит два одинаковых объекта на разном удалении.
Первоначальное объяснение явления иррадиации было дано Р. Декартом, который утверждал, что увеличение размеров светлых предметов происходит вследствие распространения физиологического возбуждения на места, соседние с теми на сетчатке, которые подверглись действию света.
Более строгое объяснение сформулировал физик и физиолог Г. Гельмгольц. По Гельмгольцу, первопричина иррадиации заключается в следующем. Каждая светящаяся точка изображается на сетчатке глаза в виде маленького кружка рассеяния из-за несовершенства хрусталика, неточной аккомодации* и пр. Когда мы рассматриваем светлую поверхность на темном фоне, вследствие аберрационного** рассеяния как бы раздвигаются границы этой поверхности и поверхность кажется нам больше своих истинных геометрических размеров; она словно простирается за края окружающего ее темного фона. Эффект иррадиации сказывается тем больше, чем хуже глаз аккомодирован.
* Аккомодация — изменение кривизны поверхности хрусталика, фокусировка глаза.
** Аберрация — искажение изображения, вызываемое несовершенством реальной оптической системы.
Великий итальянский художник, ученый и инженер Леонардо да Винчи в своих записках говорит о явлении иррадиации так: «Когда Солнце видимо за безлиственными деревьями, все их ветви, находящиеся против солнечного тела, настолько уменьшаются, что становятся невидимыми, то же самое произойдет и с древком, помещенным между глазом и солнечным телом. Я видел женщину, одетую в черное, с белой повязкой на голове, причем последняя казалась вдвое большей, чем ширина плеч женщины, которые были одеты в черное. Если с большого расстояния рассматривать зубцы крепостей, отделенные друг от друга промежутками, равными ширине этих зубцов, то промежутки кажутся много большими, чем зубцы... »
На целый ряд случаев наблюдений явления иррадиации в природе указывает в своем трактате «Учение о цветах» великий немецкий поэт И. Гото. Ом так пишет об этом явлении: «Темный предмет кажется меньше светлого той же величины. Если рассматривать одновременно белый круг на черном фоне и черный круг того же диаметра на белом фоне, то последний нам кажется примерно на 1/5 меньше первого. Если черный круг сделать соответственно больше, они покажутся равными. Молодой серп Луны кажется принадлежащим кругу большего диаметра, чем остальная темная часть Луны, которая иногда бывает при этом различима». В темном платье люди кажутся тоньше, чем в светлом. Источники света, видные из-за края предмета, производят в нем как бы выемку. Линейка, из-за которой появляется пламя свечи, представляется с зарубкой в этом месте. Восходящее и заходящее солнце делает вырезку в горизонте. Черная нить, если ее держать перед ярким пламенем, кажется в этом месте прерванной; а раскаленная нить лампы накаливания кажется толще, чем она есть в действительности.
В 1856 году Гельмгольц предложил в качестве иллюстрации рисунок с двумя квадратами (илл. 1). Белый квадрат на черном фоне кажется большим, чем точно такой же черный квадрат на белом фоне (иллюзия квадратов).
Белый цвет как будто раздвигает границы белого квадрата на черном фоне — положительная иррадиация и, возможно, сжимает черный квадрат на белом — отрицательная иррадиация. И не только.
Заметим, что, помимо всего прочего, черная половина рисунка зрительно меньше белой. Из двух полос, которые разделяют квадраты, черная также меньше белой.
Вообще говоря, возникновение феномена иррадиации при восприятии подобных рисунков удивительное обстоятельство, потому что яркость света при наблюдении иррадиации в природе в десятки, если не в сотни раз превышает яркость света, отраженного от самой белой бумаги. В природе — это святящиеся объекты на фоне ночного неба, например восходящее и заходящее солнце или диск луны, это ветки дерева на фоне солнца или черная нить на фоне яркой лампы.
Разница воспринимаемых размеров квадратов, строго говоря, может возникать в силу различных причин.
Первая из них — это собственно иррадиация в классическом ее понимании. Белый квадрат зрительно увеличивается, а черный уменьшается.
Вторая. Попробуем предположить, что независимо от наличия иррадиации существует какая-то другая самостоятельная иллюзия зрительного восприятия, в результате которой белый квадрат увеличивает свой размер. Или черный квадрат уменьшает свой. Или то и другое происходит одновременно.
Третья. Известен феномен фигуры и фона, когда последние по каким либо причинам меняются местами и происходит скачок размера. Не поэтому ли квадраты изменяют свой воспринимаемый размер?
И четвертая. Совместное действие иррадиации и одной или нескольких из указанных причин.
В дальнейшем мы рассмотрим все эти случаи. Иллюзия квадратов. Сложность анализа иррадиации в том, что различные наблюдатели воспринимают иллюзию квадратов в разной степени, а некоторые вовсе не воспринимают. Это зависит от остроты зрения, расстояния до чертежа, наличия или отсутствия очков, условий освещенности, белизны бумаги.
Ученые специально оговаривают, что нагляднее всего иррадиация воспринимается расфокусированным, не резким зрением. По сути, иррадиация — это привилегия близоруких. Для тех, кому никак не удается увидеть описываемый эффект, можно рекомендовать самый доступный способ: посмотреть на рисунок через видоискатель зеркальной камеры, расфокусировав объектив. Это соответствует теории Гельмтольца: рассеяние света в системе объектива, неточность аккомодации, изображение точки кружком рассеяния на фотографической эмульсии. Такой феномен хорошо известен в фотографии, он приводит к появлению ореолов на светочувствительных материалах. Фотографический метод регистрации иррадиации — самый надежный. Заметим, что он значительно усиливает эффект из-за того, что степень нерезкости объектива гораздо больше возможной нерезкости глаза.
Вообще же иррадиация существует на двух уровнях. Первичная иррадиация наблюдается при абсолютно резком зрении и рассматривании рисунка вблизи. На границе белого квадрата большинство наблюдателей ощущают некое свечение, мерцание. Но оно не приводит к изменению видимого размера квадратов, пока зрение остается резким, и мы различаем границу черного и белого в облаке этого мерцания. Нужно отметить, что нечто подобное возникает и на границе двух контрастных цветов, например красного и зеленого.
И второй уровень иррадиации — это феноменальная иррадиация, которая действительно способна значительно раздвигать границы белых предметов на черном фоне (или, возможно, уменьшать размеры черных на белом). В отличие от первичной, эффект феноменальной иррадиации зависит от расстояния до рисунка и усиливается при увеличении этого расстояния. Чтобы наблюдать этот эффект, совершенно необходимо не резкое, расфокусированное зрение и наблюдение издалека.
При таком наблюдении размер белого квадрата по сравнению с черным существенно увеличивается и абсолютно не соответствует той разнице, которую мы ощущаем, когда рассматриваем рисунок вблизи (илл. 2, фотография).
Снимок сделан зеркальным аппаратом, объектив наведен на бесконечность, расстояние до рисунка 30 см. из-за расфокусировки объектива вокруг белого квадрата возникает светящийся ореол, каждая белая точка на границе квадрата и черного фона изображается большим кружком рассеяния. Границы белого квадрата раздвигаются, и он увеличивается.
Ощутить столь значительную иррадиацию можно только не резким зрением. Близорукие могут снять очки для дали, а дальнозоркие, наоборот, надеть очки для чтения.
Интересно, что для возникновения иррадиации важен не контраст между квадратом и фоном, а именно белизна бумаги. Например, белый квадрат на светло-сером фоне в такой же степени подвержен иррадиации (илл. 3, фотография).
Иллюстрация 5 показывает, что для серого квадрата на черном фоне иррадиация перестает работать, как только серый цвет приобретает достаточную интенсивность.
Таким образом, иррадиации не является единственной причиной возникновения иллюзии квадратов. Иррадиация начинает работать только при определенных условиях. Причину зрительного неравенства квадратов в этом случае надо искать в чем-то другом. И мы постараемся ее найти.
В дальнейшем будем рассматривать иллюзию квадратов при восприятии вблизи резким зрением без учета иррадиации. Феномен картины. В чем же причина этой иллюзии, что заставляет квадраты увеличиваться и уменьшаться, если допустить, что иррадиация в этом не участвует?
Искать эту причину нужно не в недостатках глаза, а в чем-то другом, более близком к условиям существования квадратов на плоскости бумаги, а именно в иллюзии перспективного восприятия.
Речь идет об удивительной способности нашего глаза воспринимать пространственно плоский рисунок или картину. Многие ученые называют этот феномен восьмым чудом света. Мало того, что мы буквально ощущаем третье измерение там, где его не может быть по определению — в плоском листе бумаги или холста, но еще мы воспринимаем в этом плоском изображении реальные объекты в реальном пространстве.
Предметы на картине ведут себя совершенно парадоксальным образом. Они существуют одновременно в двух местах: на плоскости холста и в пространстве. Запомним эту одновременность, она чрезвычайно важна для дальнейшего.
Реальное пространство. Как мы воспринимаем величину предметов и их удаленность в повседневной жизни?
Глаз способен воспринимать величину посредством угла зрения. Это угловой размер, угол, под которым предмет виден. Но объект в реальном пространстве имеет два размера: линейный и угловой. Для зрительного восприятия важен именно угловой размер. Глаз, вернее мозг оценивает линейный, то есть физический размер объекта, определив его удаленность. Если даже глаз определяет каким-то образом угловой размера (хотя бы по величине изображения на сетчатке), в задаче все равно остаются еще два неизвестных: удаленность объекта Sи его линейный размер L (илл. 6).Если известна удаленность, глаз «рассчитывает» размер. При известном размере «вычисляет» удаленность объекта. Самый естественный способ решения задачи — сравнение. Узнаваемый объект: фигура человека, дом, дерево и так далее — сравнивается со своим физическим размером, известным из визуального опыта. И таким образом достаточно точно определяется удаленность. Разумеется, оценка эта осуществляется подсознательно на основании жизненного опыта существования человека в трехмерном пространстве.
Удаленность объекта глаз определяет с помощью специальных признаков. Различают монокулярные признаки глубины (видение одним глазом) и бинокулярные (видение двумя глазами). Монокулярные признаки — это, прежде всего, так называемые изобразительные признаки глубины пространства, которые предложил Леонардо да Винчи в качестве законов перспективы. Законы эти одинаково применимы как в реальном пространстве, таки при восприятии плоского изображения. Законы Леонардо — это уменьшение размеров удаленных предметов, воздушная перспектива (уменьшение четкости и цвета удаленных объектов из-за воздушной дымки), заслонение и перспектива теней.
Сюда же следует добавить тональную перспективу (хотя Леонардо прямо ее не упоминает): при отсутствии других признаков черное мы воспринимаем как близкое, а белое — как далекое. То же самое и для цветовой перспективы: одни цвета тяжелые и близкие, а другие — далекие и легкие. Тональная и цветовая перспектива не связана напрямую с воздушной дымкой и, вероятно, имеет другую причину.
Признаки глубины, связанные с устройством глаза, бывают бинокулярными: это сведение зрительных осей двух глаз в одну точку, различия в изображениях, даваемых правым и левым глазом, и монокулярными: фокусировка глаза на предмете и неодинаковое смещение близких и далеких предметов относительно друг друга при движении головой или движении самих предметов. Благодаря бинокулярным признакам мы воспринимаем предметы в окружающем трехмерном мире объемными.
При любом перемещении объекта в реальном пространстве его угловой размер меняется, а линейный, естественно, остается неизменным. Поэтому мы и видим более удаленный объект меньшим, а близкий большим, то есть просто под меньшим или большим углом. Это видимый размер объекта (илл. 7а, 7Ь).
На рисунке 7а изображена боковая проекция, поэтому удаленный объект не уменьшен. А на рисунке 7Ь показано, как глаз видит два одинаковых объекта на разном удалении.