VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Обман зрения или оптическая иллюзия
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
Мы привыкли доверять собственному зрению, однако оно нередко обманывает нас, показывая то, чего в действительности не существует. В такие моменты мы сталкиваемся со зрительными иллюзиями - ошибками зрительного восприятия. Сами ученые создали немало обманчивых картинок, наглядно демонстрирующих, сколь ограничены возможности человеческого глаза.
Однажды в одном из журналов я наткнулась на задание:
- Возьмите лист бумаги и скрутите его в узкую трубочку.
- Приложите трубочку к глазу и посмотрите через нее.
- Перед вторым глазом поместить свою ладонь на уровне конца трубочки.
- Держите руку и смотрите вдаль через трубочку в одну точку. Не фокусируйтесь на другой руке.
- Подождите примерно 10 секунд, и когда вам покажется, что поле зрения сливается, вы увидите в середине своей ладони отверстие, а в нём предметы, видимые вторым глазом.
Я была очень удивлена увиденному, меня это заинтересовало. Возникло множество вопросов:
- Стоит ли доверять всему, что мы видим?
- Почему мы видим иногда то, что кроме нас больше никто не видит?
- Почему нарисованные неподвижные предметы начинают двигаться?
- Всегда ли можем доверять своему зрению?
Поэтому я выбрала данную тему для исследования. Я открыла много нового для себя, друзей и родных. И мне очень хотелось бы поделиться тем, что я узнала с Вами. Часто то, что мы видим обманчиво, и многое оказывается совсем не тем, чем кажется на первый взгляд. Даже самые простые вещи могут таить в себе самые неожиданные открытия, нужно только присмотреться.
Актуальность темы: Больше всего сведений об окружающем мире человек получает с помощью зрения. Еще античный философ Гераклит говорил, что «глаза – более точные свидетели, чем уши». Зрительные иллюзии люди используют в практической деятельности, например, в архитектуре для создания определённых пространственных впечатлений, для кажущегося увеличения высоты и площади залов, изменение фасада здания. Ещё более эффективно зрительные иллюзии используются в изобразительном и цирковом искусстве. Зрительные иллюзии стали основой кинематографии и телевидения. Создаваемая при помощи технических средств виртуальная зрительная реальность занимает в жизни современного человека огромное место и тесно переплетается с действительностью.
Цель работы: Систематизация знаний по иллюзиям. Изучить зрение человека. Выяснить, что лежит в основе оптической иллюзии - чудеса или наука?
Гипотеза: не всегда то, что мы видим, на самом деле является таковым.
Задачи исследования:
- Познакомиться со строением глаза и узнать, каким образом видит человек.
- Собрать информацию о различных видах оптических иллюзий.
- Найти примеры использования иллюзий в искусстве и в архитектуре.
- Узнать, действительно ли реальный мир именно таков, каким мы его видим.
Объект исследования: зрение человека и оптические иллюзии.
Предмет исследования: причины возникновения оптических иллюзий.
Методы исследования: изучение литературы и Интернет-ресурсов по данной теме, сопоставление существенных признаков, анализ, сравнение, обобщение. Создание макетов демонстрирующих оптические иллюзии.
Теоретическая часть.
Виды иллюзий.
Принято выделять следующие виды иллюзий:
- Иллюзия восприятия размера.
- Зрительные искажения.
- Иллюзия цвета и контраста.
- Иллюзия движения.
- Следящие портреты.
- Стереокартинки.
- Иллюзии – перевёртыши.
- Иллюзии восприятия глубины.
- Иллюзии фигуры и фона.
- Невозможные фигуры.
Но прежде чем перейти к иллюзиям рассмотрим, как устроен глаз.
Как устроен глаз человека.
Зрение – это способность человека воспринимать свет, форму и цвет окружающих предметов или, по-другому, способность их видеть. Происходит это благодаря особым светочувствительным клеткам нашего организма, которые собраны в особых органах - глазах. Как устроен глаз человека?
Человек видит следующим образом (рисунок 1):
Свет проходит сквозь роговицу и зрачок попадая на шарообразный хрусталик.
Хрусталик, как линза, преломляет лучи и направляет их на светочувствительные клетки, расположенные на сетчатке. Светочувствительные клетки бывают двух видов и называются они палочками и колбочками. Палочки воспринимают только тёмное и светлое, а колбочки различают цвет.
Сетчатка принимает световой импульс и передает его зрительному нерву.
Зрительный нерв посылает сигнал мозгу.
Мозг переводит сигнал в зрительный образ.
Слепое пятно.
В процессе исследования я узнала удивительные особенности строения нашего глаза. Так, например, существует слепое пятно глаза, открытое французским физиком Мариоттом в 1668г. Слепое пятно – это место сетчатки, где зрительный нерв вступает в глазное яблоко.
Получается, что из-за слепого пятна я должна видеть окружающий мир с пробелами? Оказывается, нет! У нас два глаза, поэтому, когда изображение попадает в зону слепого пятна одного глаза, второй глаз видит все подробности.
Чаще всего глаз считают похожим на фотоаппарат или телекамеру, проецирующую внешние объекты на сетчатку, которая является светочувствительной поверхностью. Однако, у человека два глаза, наш мозг постоянно «сравнивает» увиденное ими и, благодаря этому, мы обладаем пространственным зрением. Мозг "смотрит" на эту картинку и "видит" все, что нас окружает.
Но не все так просто:
Во-первых, благодаря хрусталику все предметы отражаются на сетчатке в перевернутом виде, но наш мозг исправляет такую искаженную картинку.
Во-вторых, изображение уменьшено и из-за несовершенных оптических свойств глаза картинка на сетчатке размазана.
В- третьих, глаз совершает постоянные движения: скачки при рассматривании изображений, мелкие непроизвольные колебания. Таким образом, изображение находится в постоянной динамике.
В – четвертых, глаз моргает приблизительно 15 раз в минуту, а это значит, что изображение через каждые 5-6 секунд перестает проецироваться на сетчатку.
Так что же "видит" мозг?
Фактически он видит два размытых, дергающихся и периодически исчезающих изображения, а значит, возникает проблема совмещения информации, поступающей через правый и левый глаз. Существует много научных направлений, которые, используя различные экспериментальные методики, пытаются понять, каким образом мы воспринимаем окружающий мир. Один из самых интересных способов изучения - исследование зрительных иллюзий.
Иллюзии - это искаженное, неадекватное отражение свойств воспринимаемого объекта. В переводе с латыни слово "иллюзия" означает "ошибка, заблуждение". Это говорит о том, что иллюзии с давних времен интерпретировались как некие сбои в работе зрительной системы.
Вот как это происходит. Зрение – физический процесс. Но оно не имеет ничего общего с фотографией, которая работает чисто механически. Получается в действительности зрение – это психологическое явление, поскольку видят не глаза, а мозг!
А глаза представляют собой механические инструменты для получения изображения. Но когда эти образы доходят до мозга, происходит оценка полученной информации. Клетки мозга должны определить, что они думают о данном образе.
Что же помогает мозгу это определить? Очень важное значение имеет та работа, которую проделывают глазные мышцы, чтобы увидеть предмет. В определении расстояний, углов, взаиморасположения предметов в пространстве наши глаза двигаются то в одну, то в другую сторону. Наш мозг говорит о том, что глаза проделали определенный путь, поскольку мозг имеет представление об энергии и времени, потраченных для перемещения глаза в разных направлениях.
Поэтому одна из причин оптических иллюзий нам ясна. Примером этому послужит иллюзия восприятия размера.
Иллюзии.
Иллюзия восприятия размера.
Рассмотрим рисунок 2, перед нами две линии одинаковой длины, но одна из них расположена вертикально, а другая – горизонтально. Горизонтальная линия покажется нам короче, поскольку для глазного яблока гораздо легче перемещаться из стороны в сторону, чем вверх-вниз. Поэтому мозг решает, что горизонтальная линия должна быть короче!
Иллюзия Мюллера – Лайера (рисунок 3):
Одна из самых известных оптико-геометрических иллюзий – иллюзия Мюллера – Лайера. Посмотрев на этот рисунок, большинство наблюдателей скажет, что левый отрезок со стрелочками наружу длиннее правого со стрелочками, направленными внутрь. Впечатление настолько сильное, что, согласно экспериментальным данным, испытуемые утверждают, что длина левого отрезка на 25-30% превышает длину правого. С толку сбивает привычка мозга оценивать предмет целиком, а не каждую его составную часть. Именно поэтому стрелка с расходящимися концами нам кажется больше, чем точно такая же, но с классическим окончанием.
Иллюзия Эббингауза (рисунок 4):
Попробуйте внимательно посмотреть на эту картинку и ответить на один простой вопрос: Какой из кругов больше? И не пытайтесь доказывать, что правый явно больше левого, поскольку это не так. На самом деле круги абсолютно равны по размеру. Не верите? Тогда возьмите линейку и проверьте сами.
Происходи это потому, что мы судим о размерах предмета, ориентируясь на его окружение. Поэтому круг, окруженный маленькими кругами, будет нам казаться больше того, что окружен крупными кругами, хотя на деле обе фигуры одинаковы.
Зрительные искажения.
Иллюзия НЕпараллельных линий (рисунок 5):
Попробуйте внимательно посмотреть на эту картинку... и понять, что все горизонтальные линии параллельны друг другу. В это сложно поверить, но это так. Не верьте глазам, что линии расположены "лесенкой" - это просто иллюзия. Достаточно просто присмотреться, чтобы понять это.
Наш головной мозг строит искаженные образы реальности. Он способен создавать видимость того, чего не существует в действительности и в то же время не замечать очевидное.
Причиной искаженной оценки окружающего мира является несовершенство строения наших глаз. Сетчатка в месте входа зрительного нерва лишена светочувствительных нервных окончаний, что образует так называемое слепое пятно. То есть какую-то часть изображения мозг достраивает самостоятельно, ориентируясь на части соседнего фона. Спасает то, что слепые пятна обоих глаз не приходятся на одну точку изображения.
Примером иллюзии искажения может служить Ведьмин дом в Одессе (рисунок 6):
Это плоский дом. Здесь не живут плоские люди, спросите Вы. Разгадку оригинальности плоского дома можно увидеть, если отойти подальше. Дело в том, что боковые стены дома построены под острым углом, благодаря чему и создается оптическая иллюзия. Внутри же плоский дом представляет собой настоящее сокровище – здесь усилиями жильцов были сохранены старинные интерьеры: мраморные лестницы, изящная лепнина на потолках, кованые перила.
Ведьмин дом в Одессе стал очень популярной достопримечательностью случайно – на деле при его строительстве никто и не планировал создавать архитектурный шедевр и кого-то удивлять. Дата возведения этого дома точно не известна, как и имя архитектора, подарившего городу еще одно чудо, но предположительно дом был построен либо в 30-е годы XIX века, когда проводилась основная застройка улицы, либо в начале XX века.
Версий причин, по которым дом получился таким, какой он есть, существует несколько. Согласно одной из них, при строительстве оказалось, что средств не достаточно, и архитекторы просто нашли выход из сложной ситуации: свели две боковых стены вместе так, что по форме сверху дом стал напоминать треугольник, а под определенным углом – казаться совершенно плоским.
Еще одна версия, которую многие считают наиболее вероятной, заключается в том, что было просто недостаточно земли, а отступать от исторической застройки улицы было нельзя, поэтому было построено столь удивительное с одной и столь традиционное с другой стороны здание.
Иллюзия цвета и контраста (рисунок 7).
Очень важной способностью нашего зрения является умение различать цвета, но это свойство может подводить нас. Например, при смене условий освещенности, цвета воспринимаются нами совсем иначе.
Мы склонны судить о насыщенности цвета по яркости фона или окружающих предметов, поэтому одна и та же картина на белом фоне будет выглядеть ярче, чем, если бы ее поместили на черный фон. Кроме того, наш глаз склонен воспринимать цвет наблюдаемому объекту в зависимости от оттенка фона. В этом случае действуют также закономерности контраста яркостей.
Наш мозг всегда стремится помочь сознанию, иногда это оказывается «медвежья услуга», но в большинстве случаев создание мозгом дополнительной контрастности оправдано. Получая от глаз информацию о нескольких разноцветных объектах, мозг стремится сделать их более контрастными. Причем более контрастными по отношению к соседним объектам, то есть фону.
Иллюзия движения (рисунок 8).
Перемещающиеся изображения — известная забава. Нужный эффект достигается использованием различных цветовых сочетаний, интересных форм, линий под углом, а также геометрических элементов разного размера. Поэтому большинство иллюзий движения построены на регулярном повторе разных по яркости или цвету фрагментов.
Потрясающие иллюзии придумал японский психолог и дизайнер Акиоши Китаока. Когда вы смотрите на его "Невероятных змей", круги начинают медленно вращаться. Китаока экспериментально подобрал цвета фрагментов и их последовательность, при которых иллюзия наиболее сильна: "черный - синий, белый - желтый". Именно к таким комбинациям периферическое зрение максимально чувствительно. Изменение порядка чередования цветов задает разное направление движения. Объяснить это можно тем, что нейроны (то есть нервные клетки) зрительной коры нашего головного мозга с разной скоростью реагируют на свет разной яркости.
«Не исключено, что сила иллюзорного движения может зависеть от мозгового кровотока — в случае нарушения кровообращения узоры будут двигаться быстрее. Но это лишь предположение, доказанных фактов нет»1.
Вы можете остановить движение только одним способом: прищурившись или зафиксировать взгляд на точке в центре какого-нибудь круга и не мигать. Помогает не всем. И ненадолго...
Следящие портреты.
«Мона Лиза» Леонардо да Винчи (рисунок 9) известна не только своей загадочной улыбкой. С любой точки кажется, что ее взгляд обращен прямо на вас. Это характерно и для большинства других портретов.
Все объясняется тем, что зрачок на этих портретах помещен в середину глаза. Именно такими мы видим глаза человека, который смотрит прямо на нас; когда он смотри в сторону, мимо нас, то зрачок и вся радужная оболочка кажутся нам находящимися не посредине глаза, но несколько перемещенными к краю. Изображение на картине плоское, двухмерное. Однако зритель и на портрет стремится перенести восприятие трехмерного объекта. Когда мы отходим в
сторону от портрета, зрачки, разумеется, своего положения не меняют –
остаются посредине глаза. А так как, кроме того, и все лицо мы продолжаем
видеть в прежнем положении по отношению к нам, то нам, естественно,
1Виктор Косс врач-невролог, нейрофизиолог, кандидат медицинских наук, член-корреспондент Американской академии неврологии.
кажется, будто портрет повернул голову в нашу сторону и следит за нами".
Дракон Гарднера.
Эту иллюзию создал замечательный фокусник Джерри Эндрюс .
Из-за чего возникает такой эффект? Все просто. Когда мы смотрим на какой-либо объект, наш мозг пытается распознать его форму и делает это на основе повседневного опыта. Когда мы перемещаемся, то заранее представляем траекторию движения объекта. Этот дракон специальным образом раскрашен и наблюдателю кажется, что его голова выпуклая, хотя на самом деле это не так! Голова дракона вогнутая. Но нам тяжело это представить, так как мы никогда не видели животное с вогнутой мордой.
Учёные доказали, что мозг шизофреника обмануть не удаётся — для него голова дракона остаётся вогнутой. Это интересный случай, когда искажение реальности и самообман — признак здорового человека. Причина, по которой мозг шизофреника отказывается принимать оптическую иллюзию, пока до конца не ясна. Учёные предполагают, что она связана с неправильным (или правильным, но уж точно «нездоровым») способом обработки визуальной информации и распознавания образов. Данная оптическая иллюзия не действует также на некоторых людей под воздействием алкоголя и наркотиков.
Стереокартинки (рисунок 10).
Стереоизображение – это плоская картинка, в которой можно увидеть объемное изображение при помощи определенной фокусировки глаз. Этот удивительный визуальный эффект достигается благодаря особенности человеческого зрения. Его обнаружили еще в 1836 году.
Человек смотрит на мир двумя глазами. Каждый из них видит вещи и предметы под своим углом. Но мозг, получая два разных изображения, объединяет их в единое целое. Именно эта особенность лежит в основе создания стереоизображений. Стереокартинка – это изображение, состоящее из повторяющихся, практически идентичных фрагментов. При их обработке мозг неправильно соединяет точки падения взгляда и угол, под которым человек смотрит на изображение. В результате этого получается своеобразный обман зрения, при котором плоская картинка превращается в 3D-изображение
Причем чем быстрее человек узнает, как смотреть стереоизображения, тем легче ему будет воспринимать их в будущем. Но для развития бинарного зрения нужна постоянная тренировка для глаз.
Для детей эта задача проще. Дело в том, что мозг взрослого человека привыкает смотреть и воспринимать вещи, опираясь на прошлый опыт. Восприятие ребенка в этом плане гибче. Поэтому те, кто просматривал стереограммы в детстве, после пары упражнений с легкостью повторят это и в зрелом возрасте. Если опустить тот факт, что просматривать стереограммы интересно и увлекательно, можно найти еще несколько полезных фактов об этом занятии. Например: Тренировка глаз, способствующая поддержанию остроты зрения. Положительное влияние на кровообращение. Снятие напряжения глазных мышц. Улучшение работы аппарата аккомодации. Если имеются нарушения работы зрительного аппарата (близорукость, астигматизм и пр.), офтальмологи крайне рекомендуют при помощи стереоизображений проводить зарядку для глаз. Кроме того, это будет полезно и тем людям, кто много времени проводит, глядя на экран монитора.
Иллюзии – перевёртыши (рисунок 11).
Перевёртыш — вид оптической иллюзии, в которой от направления взгляда зависит характер воспринимаемого объекта. Здесь свою роль играет внимательность и концентрация зрения.
Перевертыш -одна из самых красивых и забавных оптических иллюзий. Вы смотрите на него и видите вполне осмысленный рисунок. Но если вы перевернете картинку на 180 градусов, то вместо ожидаемого перевернутого изображения, вы увидите совершенно другой рисунок!!!
Иллюзии восприятия глубины (рисунок 12).
Что изображено: маленький кусочек сыра или «головка» без маленького кусочка?
Если говорить коротко, то в нашем обмане виновато мастерство художника, который мастерски играет с цветами. Также на помощь приходит знание о цвете – темные тона всегда будут выглядеть расположенными дальше (глубже), чем светлые оттенки.
Иллюзии фигуры и фона (рисунок 13).
Дело в том, что мы всегда выделяем какой-то один объект на картинке, остальные предметы делая фоном. Иногда эти объекты могут меняться местами, когда фон становится фигурой и наоборот.
Что Вы видите?
Одна из вариаций на тему «Ваза Рубина»2. Можно увидеть только вазу, а можно и два повернутые друг к другу профиля по бокам вазы.
Невозможные фигуры.
Невозможная фигура — один из видов оптических иллюзий, фигура, кажущаяся на первый взгляд проекцией обычного трёхмерного объекта, при внимательном рассмотрении которой становятся видны противоречивые соединения элементов фигуры.
Создаётся иллюзия невозможности существования такой фигуры в трёхмерном пространстве. Один из наиболее распространенных невозможных фигур это
«Треугольник Пенроуза »3 (рисунок 14).
Невозможные фигуры получаются путем попадания солнечного света на реальный объект в определенный момент времени и под определенным углом.
Стоит отметить, что если бы мы смотрели сейчас на сами фигуры, а не на их фотографии, то мы бы сразу увидели, что фигура не является невозможной, и в чем заключается секрет. Невозможный объект выглядит невозможным только с единственной точки зрения, а так как мы обозреваем объект с двух точек
зрения, то мы сразу же видим те уловки, при помощи которых создан тот или иной объект.
«Невозможный треугольник» в Перте, Австралия , был создан художником Брайан Мак-Кей в сотрудничестве с архитектором Ахмад Абас. Но
2Э. Рубин создал классическое изображение обращающихся фигур
как они это делают? Давайте посмотрим на это c другой стороны. Скульптура, также называется “Треугольник Пенроуза” которая построенная из трех прямых балок квадратного сечения, отвечающие попарно под прямым углом, где на вершины треугольника, они образуют замкнутый угол.
Иллюзия возникающих фигур.
Иллюзия Лудимара Германна (рисунок 15):
Эту иллюзию он открыл в 1870-ом году, когда читал труды Джона Тиндаля о звуке. Глядя на картинку, вы видите серые пятна на пересечении белых линий, однако если смотреть непосредственно на то место, где казались эти пятна, то ничего, кроме белого цвета, вы не увидите.
Треугольник Канижа (рисунок 16):
Итальянский физиолог Гаэтано Канижа решил доказать, что человеку свойственной видеть окружающий мир не как он есть, а сквозь различные ментальные модели, служащие своеобразным фильтром.
На этом рисунке мы видим белый треугольник, хотя на самом деле на нём, кроме различных геометрических фигур, треугольника нет.
3Был открыт в 1934 году шведским художником Оскаром Реутерсвардом
Заключение.
В работе рассмотрены разные виды оптических иллюзий. Выяснилось, что восприятие одного и того же предмета может быть разным. Нельзя с уверенностью говорить, что все увиденное нами является таковым. Глаз любого человека видит мир одинаково, но восприятие увиденного – это процесс мышления человека. Поэтому каждый человек воспринимает мир по-своему. И надо уважать мнение каждого.
Зная особенности зрения, человек может анализировать полученную информацию, понимать, когда глаза его обманывают, а когда изображение реально. Подобные знания могут избавить от неприятностей, связанных со зрительными обманами, дают возможность понять причины природных явлений. Проведенный анализ учит нас, что не всегда следует ограничиваться только оценкой на глаз, а следует подключать логику и производить измерения. В целом изучение разнообразных иллюзий является важной частью исследований того, как работает восприятие человека, его органы чувств и мозг.
Полученные в процессе исследования знания и накопленные факты позволили научиться создавать оптические иллюзии и управлять ими. Я Вам продемонстрирую макет куба (макет собран самостоятельно) парящего в воздухе. Проведу опыт с преломлением световых лучей, который изменяет реальное изображение. А также покажу использование оптических иллюзий в современном мире на примере 3d призмы (её мне помогли сделать родители).
«Посредством глаза, а не глазом
Смотреть на мир умеет разум…»4
4Уильям Блейк
Источники информации.
https://i-fakt.ru/category/illyuzii/
https://billionnews.ru/1529-iskusstvo-illyuzii-19-foto.html
https://novostiifakty.ru/fakty/opticheskie-illuzii-kotorye-sposobny-vzorvat-mozg/
https://www.rostov.kp.ru/daily/26802.7/3836695/
https://habr.com/ru/post/109022/
Приложение.
Рисунок 1
Как устроен глаз человека.
Рисунок 2
Рисунок 3
Иллюзия Мюллера – Лайера.
Рисунок 4
Иллюзия Эббингауза.
Рисунок 5.
Иллюзия НЕпараллельных линий .
Рисунок 6
Ведьмин дом в Одессе.
Рисунок 7
Иллюзия цвета и контраста.
Рисунок 8
Иллюзия движения.
Рисунок 9
«Мона Лиза» Леонардо да Винчи.
Рисунок 10
Стереокартинки.
Рисунок 11
Иллюзии – перевёртыши.
Рисунок 12
Иллюзии восприятия глубины.
Рисунок 13
Иллюзии фигуры и фона.
Рисунок 14
« Треугольник Пенроуза».