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Estereopsis

La estereopsis se produce por la alternancia de imágenes estéreo. Si las dos imágenes se vieran una al lado de la otra en un estereoscopio , se percibiría la misma imagen 3D, pe...

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La estereopsis se produce por la alternancia de imágenes estéreo. Si las dos imágenes se vieran una al lado de la otra en un estereoscopio , se percibiría la misma imagen 3D, pero sin movimiento.

En la ciencia de la percepción visual , la estereopsis es la sensación de que los objetos en el espacio se extienden en profundidad y que se encuentran a diferentes distancias entre sí. Esta sensación es mucho más intensa que la sugerencia de profundidad que crea la perspectiva bidimensional .

En los seres humanos, al menos dos mecanismos producen la sensación de estereopsis: la visión binocular de profundidad y la visión monocular de movimiento . En la visión binocular de profundidad, la sensación surge del procesamiento de las diferencias en las imágenes retinianas resultantes de que ambos ojos miren desde direcciones diferentes, pero similares ( disparidad binocular ). En la visión de movimiento, la sensación surge del procesamiento de la información de movimiento cuando el observador se mueve (por ejemplo, flujo óptico , paralaje ). La sensación de estereopsis es similar en ambos casos.

En la investigación sobre la visión de profundidad, el término estereopsis se utiliza principalmente para la visión binocular de profundidad y no para la sensación de profundidad resultante de la visión del movimiento. A veces se utiliza el término "profundidad relativa". Este término enfatiza que no se refiere a la distancia al observador, sino a las relaciones de profundidad mutuas de los objetos percibidos. Si el significado es claro por el contexto, también se utiliza la palabra "profundidad" en lugar de "profundidad relativa". La palabra estereopsis proviene del griego stereós ' sólido ' y ópsis ' apariencia, vista ' . Juntas, indican la visión del exterior de objetos tridimensionales y "sólidos".  

La visión binocular de profundidad presenta dos tipos: estereopsis gruesa y estereopsis fina . La estereopsis fina interviene en el reconocimiento de formas y objetos, y la estereopsis gruesa en la localización espacial .

Resumen de la investigación

La investigación sobre la visión binocular de profundidad comienza con Charles Wheatstone , quien fue el primero en construir un estereoscopio. A finales del siglo XIX, fue el primero en demostrar que la disparidad horizontal de las líneas verticales es suficiente para evocar una sensación de profundidad. [ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ] Bela Julesz demostró en el siglo XX que la sensación también ocurre con puntos (estereograma de puntos aleatorios) y que la visión de profundidad precede a la percepción de formas. Jodi Krol demostró casi al mismo tiempo que una transición de luz (borde) es necesaria, pero que dos bordes correspondientes de contraste opuesto no dan una sensación de profundidad. También descubrió que la profundidad de las superficies entre estos bordes es una interpretación. [ 5 ] [ 6 ] [ 7 ] Las direcciones visuales izquierda y derecha deben ser estimuladas aproximadamente al mismo tiempo, pero esto no tiene que ocurrir exactamente al mismo tiempo. Esto se ilustra con la ilusión de Puflrich .

Kenneth Ogle (1950) descubrió que la calidad de la percepción de profundidad difiere para disparidades pequeñas y grandes y, sobre esta base, distingue diferentes tipos de estereopsis. [ 8 ] [ 9 ] Generalmente se acepta que, en ausencia de sensación de estereopsis, la imagen percibida se ve habitualmente en el plano del horóptero . John Foley (1972) describe que, en casos excepcionales, la imagen también puede aparecer ligeramente detrás o delante del horóptero. [ 10 ] Jodi Krol (1982) muestra que esto último ocurre cuando los ojos se dirigen inconscientemente ligeramente delante o detrás del punto de fijación previsto debido a ciertos reflejos y, por lo tanto, el punto de fijación no está en el horóptero. [ 7 ]

Finalmente, se han encontrado células nerviosas en la corteza visual sintonizadas a una disparidad específica. [ 11 ] Estas células constituyen la base de los modelos neuronales para la visión binocular de profundidad [ 12 ] [ 13 ] y para la solución del problema de correspondencia que se discutirá. Estas células forman parte de dos mecanismos neurofisiológicos especializados en el reconocimiento de formas y objetos [ 14 ] y en la localización espacial, respectivamente. [ 15 ]

Disparidad binocular

Dirección principal y visual

Cuando la atención se dirige a un punto F en el espacio, se realizan movimientos oculares automáticos que provocan la rotación del ojo, y el punto F se proyecta sobre el punto del ojo con el que puede ver con mayor nitidez: la fóvea . La dirección en la que el ojo mira entonces se denomina dirección ocular principal . Cualquier otro punto en el espacio es visto por el ojo en una dirección determinada que puede expresarse como el ángulo que forma esta dirección con la dirección principal. Esto se denomina dirección visual o simplemente dirección . Las direcciones en las que cada ojo ve el mismo objeto a veces coinciden, pero generalmente no. La diferencia en las direcciones se denomina disparidad . El artículo aparte sobre visión direccional explica cómo el cerebro combina las direcciones que ve cada ojo en una imagen combinada con imágenes simples, imágenes dobles e imágenes fusionadas que aparentemente se ven desde un punto medio entre ambos ojos ( ojo ciclópeo ).

disparidad horizontal

Horóptero.

La distancia horizontal de aproximadamente 6,5 cm entre ambos ojos garantiza que los puntos en el espacio que se encuentran a diferentes profundidades con respecto al punto de fijación presenten una diferencia horizontal en su dirección. Esta diferencia se denomina disparidad horizontal y se expresa como la diferencia entre los ángulos α y β en la figura. Además de la disparidad horizontal, también existe la disparidad vertical. Este término indica una desalineación vertical entre ambos ojos, que puede ser causada por el movimiento vertical de los ojos o por la inclinación de la cabeza. Esta última suele corregirse parcial o totalmente con movimientos oculares automáticos. En algunos casos, las disparidades verticales también pueden evocar una sensación de profundidad. [ 16 ]

Los términos disparidad horizontal y vertical solo tienen sentido cuando el observador está de pie. Otro término que a veces se usa y que describe mejor la carga es disparidad binocular. La disparidad binocular tiene muchas similitudes con la paralaje de movimiento y, por lo tanto, a veces también se la llama paralaje binocular. La paralaje de movimiento también evoca una sensación de profundidad, pero requiere que el observador se mueva o que los objetos observados se muevan entre sí. En cuanto a los mecanismos neurofisiológicos, se puede leer que la paralaje de movimiento posiblemente se procesa en el mismo sistema que la estereopsis gruesa .

Horóptero

Disparidad. El punto C, más cercano que el horóptero, tiene disparidad cruzada (-). El punto P, más alejado, tiene disparidad paralela (+).

Los puntos situados a la misma profundidad que el punto de fijación se encuentran en un círculo que pasa por ambos ojos y el punto de fijación. Este círculo se denomina horóptero . Los puntos de este círculo se proyectan sobre puntos correspondientes en ambos ojos, es decir, sobre puntos que apuntan en la misma dirección en el ojo izquierdo y en el derecho. Percibimos el horóptero como una especie de pantalla sobre la que vemos el mundo.

Desigualdad cruzada

En esta pantalla, las direcciones que percibe el ojo izquierdo con respecto al punto C, que se encuentra más cerca que el horóptero, aparecen cruzadas: la dirección que percibe el ojo izquierdo está a la derecha de la dirección que percibe el ojo derecho. Esto se denomina disparidad cruzada o disparidad negativa.

Disparidad paralela

En esta pantalla se muestran, una al lado de la otra, las direcciones que apuntan a un punto P situado más lejos que el horóptero: la dirección correcta se ve a la derecha. Esto se conoce como disparidad paralela o disparidad positiva.

Prueba de Wheatstone

Estereograma de líneas de Wheatstone

Charles Wheatstone demostró en 1838 que dos objetos que difieren únicamente en la disparidad horizontal producen una sensación de profundidad relativa. [ 17 ] Para asegurarse de que esta sensación no pudiera ser causada por la perspectiva bidimensional, utilizó un par de placas planas con dos líneas verticales, un estereograma lineal, para representar las direcciones visuales, e inventó el estereoscopio para observar estas placas.

La profundidad en función de la disparidad

Relación entre disparidad y profundidad, según Ogle

Ogle (1950) investigó cómo la sensación de profundidad depende del grado de disparidad. [ 18 ] Ogle pidió a un observador que fijara la mirada en un punto F y luego movió una varilla vertical Y en profundidad alejándola de X. Se encontró que la magnitud de la profundidad percibida aumentaba linealmente con pequeñas disparidades, disminuía nuevamente con disparidades mayores y desaparecía por completo con disparidades aún mayores. En este último caso, Y se veía a la distancia del horóptero.

Si Ogle pedía al observador que mirara alternativamente entre X e Y (convergencia), se descubría que la percepción de profundidad era posible en un rango mucho mayor.

Área de estereopsis. Según Ogle.

Según la investigación de Ogle y otros, las diferencias de profundidad se perciben solo en una región estrecha del espacio, más lejos y más cerca que el horóptero , y esto ocurre con tres calidades: estereopsis fina , estereopsis gruesa y ausencia de estereopsis . [ 19 ] [ 20 ]

Estereopsis fina

Con la estereopsis fina, el observador puede indicar la magnitud de la profundidad: cuanto mayor sea la disparidad , mayor será la profundidad percibida. Ogle utilizó el término estereopsis patente para esto. Investigadores posteriores reemplazaron este término por estereopsis fina .

Estereopsis gruesa

Con la estereopsis gruesa, el observador puede indicar si un objeto está más lejos que el otro, pero no cuánto. Ogle utilizó el término estereopsis cualitativa para esto. Investigadores posteriores reemplazaron este término por estereopsis gruesa .

Sin estereopsis

En la zona restante, los objetos se ven sin sensación de profundidad, a la distancia del horóptero o cerca de ella , y generalmente como una imagen doble .

Condiciones para la visión binocular de profundidad

La disparidad horizontal es una condición para percibir la profundidad relativa, pero no suficiente. Las direcciones visuales en ambos ojos deben tener cierta similitud, como transiciones de luz (bordes) o puntos iguales, y deben ser estimuladas de forma más o menos simultánea. Los movimientos oculares aseguran que los objetos en el espacio se proyecten en puntos correspondientes en ambos ojos en la medida de lo posible, y que la disparidad se mantenga lo más pequeña posible.

bordes iguales

Hering sugirió ya en 1864 que las direcciones visuales deben contener "bordes" iguales y que las superficies entre estos bordes se "rellenan" durante la percepción. [ 21 ] Esto ha sido confirmado por Krol (1982, pp. 38-39). [ 22 ] Los bordes con un contraste opuesto no dan sensación de profundidad. Ver un contraste opuesto desencadena un reflejo de movimiento ocular, lo que significa que los contrastes opuestos no caen en puntos correspondientes y los bordes parecen estar ligeramente delante o detrás del punto de fijación. [ 7 ]

Color y brillo

El color y el brillo no tienen por qué ser iguales. La estereopsis ocurre incluso con colores opuestos, donde el color percibido alterna entre los dos colores. No hay mezcla de colores (Krol 1982, págs. 38-39). [ 22 ]

estereograma de puntos aleatorios

Julesz (1971) demostró con estereogramas de puntos aleatorios que la estereopsis también ocurre cuando las direcciones visuales consisten en pequeños puntos blancos y negros aleatorios, donde un grupo determinado de puntos en la imagen izquierda se ha desplazado en el ojo derecho. Cada ojo por separado ve solo puntos, pero ambos ojos juntos ven el grupo de puntos desplazados como una forma con profundidad. [ 23 ]

Figura. Estereograma de puntos aleatorios

Figura Forma Oculta . La imagen alterna entre las imágenes izquierda y derecha del estereograma de puntos aleatorios anterior. El movimiento que se hace visible revela la forma oculta en el estereograma. En este caso, un cuadrado. Este cuadrado también se hace visible al observar el estereograma a través de un estereoscopio, pero en ese caso el cuadrado no se mueve.

Simultaneidad

Ilusión de Pulfrich. A indica la posición momentánea del movimiento, A′ la posición anterior (tal como la ve el ojo cubierto) y A* la posición aparente; lo mismo ocurre con B y C.

La dirección visual de ambos ojos debe estimularse simultáneamente o en rápida sucesión. Un ejemplo de estimulación no simultánea es la ilusión de Pulfrich, en la que (según la explicación del efecto Pulfrich) un cristal oscuro colocado delante de uno de los ojos retrasa las señales de ese ojo.

Al observar el movimiento de vaivén de un limpiaparabrisas con un filtro gris o una lente de gafas de sol frente a un ojo, el limpiaparabrisas parece describir un movimiento elíptico en profundidad. Incluso da la impresión de atravesar el cristal. Esta ilusión fue descrita por primera vez por Pulfrich en 1922.

Movimiento ocular

Los movimientos oculares son importantes para lograr y mantener las condiciones necesarias para la estereopsis. Los movimientos oculares verticales y rotacionales aseguran que las imágenes en el ojo izquierdo y derecho estén a la altura correcta e igual, y que permanezcan a la misma altura cuando la cabeza no está erguida. Los movimientos de vergencia (convergencia y divergencia) aseguran que el horóptero se posicione y se mantenga en el espacio de tal manera que los objetos de interés se encuentren de forma óptima dentro del área de estereopsis. [ 24 ] Gran parte de estos movimientos ocurren de forma refleja.

Comprobación de la fijación correcta

Para asegurar que los ojos fijen la mirada en el punto correcto (vergencia) y que los reflejos no influyan en el resultado durante la investigación, se utilizan diversos métodos. Uno de ellos consiste en presentar los estímulos de forma inesperada y breve, de modo que los ojos no tengan tiempo de realizar un reflejo de movimiento ocular. Otro método consiste en hacer visibles, mediante las llamadas líneas de Vernier, que el observador está fijando la mirada correctamente. Tanto el ojo izquierdo como el derecho ven una línea fina, por encima y por debajo del punto de fijación respectivamente, que el otro ojo no ve y que debe estar alineada. Un último método consiste en registrar los movimientos oculares durante el experimento.

Problema de correspondencia

Problema de correspondencia. Dos estímulos A y B dan las mismas direcciones visuales que dos estímulos C y D. ¿Cuáles se ven?

Si hay una dirección visual en un ojo que se puede combinar con múltiples direcciones visuales en el otro ojo para dar una sensación de profundidad, entonces el cerebro se enfrenta a un problema de elección: ¿cuál combinación es la correcta y se ve? Julesz llama a esto el problema de correspondencia y lo ha investigado con estereogramas de puntos aleatorios . [ 23 ] Esta investigación muestra, entre otras cosas, que el sistema visual prefiere ver superficies (principio de globalidad) y que las formas solo se rellenan después de que se han establecido las disparidades. Krol también ha investigado el problema de correspondencia, pero ahora con estímulos naturales ( ilusión del clavo doble ), en la que al sentir y mirar desde múltiples posiciones se puede determinar cuál es la "interpretación" correcta. Resulta que la interpretación con la menor profundidad siempre es la que se ve.

imágenes fantasma binoculares

En la ilusión del doble clavo, se colocan dos clavos o agujas en las posiciones A y B que se muestran. Bajo las condiciones de observación adecuadas, estas agujas son invisibles y, en lugar de los objetos reales, se ven dos agujas en las posiciones C y D. Estas agujas no están realmente allí y, por lo tanto, Krol las denomina imágenes fantasma.

Mecanismos neurofisiológicos

En la década de 1960, Horace Barlow , Colin Blakemore y Jack Pettigrew encontraron neuronas en la corteza visual del gato cuyos campos receptivos se ubicaban en diferentes posiciones horizontales en ambos ojos. [ 25 ] Esto estableció la base neural de la estereopsis. Sus hallazgos fueron cuestionados por David Hubel y Torsten Wiesel , aunque finalmente los reconocieron al encontrar neuronas similares en la corteza visual del mono . [ 26 ] En la década de 1980, Gian Poggio y otros encontraron neuronas en V2 del cerebro del mono que respondían a la profundidad de estereogramas de puntos aleatorios. [ 27 ]

La estereopsis fina parece ser procesada por un sistema de células pequeñas que procesan detalles finos y colores en un entorno que cambia relativamente despacio. [ 14 ] Este sistema juega un papel importante en el reconocimiento de formas y objetos y se ocupa de "qué" se ve. La estereopsis gruesa (y la visión doble asociada) es procesada por un sistema de células grandes que procesan grandes cambios como el movimiento, el contraste y los cambios rápidos en un entorno que cambia relativamente rápido. [ 15 ] Este sistema se centra en la localización y la orientación en el espacio. Las vías nerviosas de ambos sistemas van desde los ojos hasta la corteza visual. El sistema de estereopsis fina se extiende luego a la corteza temporal inferior donde se procesa la información de "qué" (vía parvo). El sistema de estereopsis gruesa se extiende a la corteza parietal posterior donde se procesa la información de "dónde" y "cómo" (vía magno). Ambos sistemas parecen operar parcialmente en paralelo, pero también trabajan juntos. Si un sistema falla, el otro a veces puede seguir funcionando: las personas que no tienen estereopsis fina a veces pueden experimentar estereopsis gruesa. [ 28 ] Para el procesamiento de disparidad dinámica, véase [ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]

Beneficios

La estereopsis tiene un efecto positivo en la práctica de tareas prácticas como enhebrar una aguja y atrapar pelotas (especialmente en juegos de pelota rápidos). [ 32 ] ), verter líquidos y otras. Las actividades laborales pueden incluir el manejo de instrumentos estereoscópicos como un microscopio binocular . Aunque algunas de estas tareas pueden beneficiarse de la compensación del sistema visual mediante otras señales de profundidad, hay algunas funciones para las que la estereopsis es necesaria. Las ocupaciones que requieren un juicio preciso de la distancia a veces requieren cierto grado de estereopsis; los pilotos de aeronaves en particular tienen este requisito (aunque el primer piloto en volar solo alrededor del mundo, Wiley Post , logró su hazaña solo con visión monocular). [ 33 ] Asimismo, los cirujanos [ 34 ] normalmente muestran una alta agudeza estereoscópica. Con respecto a la conducción , un estudio encontró un efecto positivo de la estereopsis en situaciones específicas, solo a distancias intermedias. [ 35 ] Además, un estudio realizado entre personas mayores encontró que el deslumbramiento , la pérdida del campo visual y el campo visual útil eran predictores de la participación en accidentes, mientras que la agudeza visual, la sensibilidad al contraste y las puntuaciones de estereoagudeza de los adultos mayores no estaban asociadas con los accidentes. [ 36 ]

La visión binocular tiene otras ventajas además de la estereopsis, en particular la mejora de la calidad de la visión mediante la suma binocular ; las personas con estrabismo (incluso aquellas sin diplopía) obtienen puntuaciones más bajas en la suma binocular, y esto parece llevar a las personas con estrabismo a cerrar un ojo en situaciones visualmente exigentes. [ 37 ] [ 38 ] La estereopsis también es importante para el reconocimiento de objetos y para ver a través del camuflaje. [ 23 ]

Véase también

Referencias

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Bibliografía

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  • ¿Qué es la visión estereoscópica?
  • Aprende sobre estereogramas y luego crea tu propio ojo mágico.
  • Asociación Internacional de Ortóptica