Ihmissilmän toiminta ja syvyysnäkö

Abstract

Valon nopeus muuttuu sen kulkiessa ilmaa optisesti tiheämmän aineen läpi. Nopeuden muuttuminen eli valon taittuminen tapahtuu aineiden rajapinnalla. Valon taittuminen linssissä perustuu tähän ilmiöön. Ihmisen silmässä on kaksi linssiä: sarveiskalvo ja mykiö, eli ihmissilmä on kahden linssin systeemi. Sarveiskalvon ja mykiön läpi kulkiessa valo taittuu yhteensä neljä kertaa. Suurin osa taittumisesta tapahtuu ilman ja sarveiskalvon välisellä rajapinnalla. Mykiö pystyy mukautumaan valon mukaan, mikä mahdollistaa eri etäisyyksillä sijaitseviin kohteisiin tarkentamisen. Sarveiskalvo ja mykiö yhdessä kohdistavat valonsäteet silmän verkkokalvolla sijaitsevaan tarkan näkemisen alueeseen eli foveaan.

Syvyysnäkö on tärkeä osa ihmisen näkökykyä. Sillä tarkoitetaan kykyä arvioida syvyyttä ja kohteiden etäisyyksiä. Syvyyden arvioimiseen voidaan käyttää sekä monokulaarisia että binokulaarisia syvyysvihjeitä. Monokulaarisilla syvyysvihjeillä tarkoitetaan yhdellä silmällä tehtäviä havaintoja. Niitä ovat esimerkiksi atmosfäärinen etäisyys ja kauempana olevan kohteen peittyminen lähempänä olevalla kohteella. Binokulaaristen syvyysvihjeiden havaitsemiseen tarvitaan kaksi silmää. Tämän työn kannalta merkittävimmät binokulaariset syvyysvihjeet ovat stereonäkö ja konvergenssi. Konvergenssilla tarkoitetaan silmien liikettä toisiaan kohti, jotta lähellä oleva kohde kuvantuisi molempien silmien foveoihin. Silmämunien asennon avulla ihminen pystyy arvioimaan kohteen etäisyyden. Stereonäkö puolestaan syntyy pienistä eroista kahden silmän havainnoissa.

Syvyysnäköä pystytään harhauttamaan erilaisilla optisilla illuusioilla. Tässä työssä mallinnettiin kuusi erilaista autostereogrammia, jotka ovat eräänlaisia optisia illuusioita ja ne tunnetaan \textquotedblleft Magic Eye\textquotedblright -kuvina. Näistä autostereogrammeista kaksi on anaglyfisia. Toisin kuin normaaleja satunnaispiste-stereogrammeja, autostereogrammeja voidaan tarkastella ilman keinotekoisia apuvälineitä. Tavallisten satunnaispisteistä koostuvien autostereogrammien näkeminen onnistuu epätavallisen konvergenssikulman avulla. Anaglyfisten autostereogrammien tarkasteluun tarvitaan punasinilasit.

Työn tarkoituksena oli tutkia, milloin autostereogrammi on helpoin nähdä ja mitkä tekijät vaikuttavat siihen. Tutkimuksessa todettiin, että muokattavien parametrien lisäksi autostereogrammien näkemiseen vaikuttaa myös merkittävästi koehenkilön kyky muodostaa epätavallinen konvergenssikulma. Tulokseksi saatiin, että anaglyfinen autostereogrammi, on yleisesti ottaen helpoin nähdä. Tämä johtuu siitä, että anaglyfisten autostereogrammien tarkasteluun ei tarvita epätavallista konvergenssikulmaa. Tutkimuksessa huomattiin myös, että hajataitolla on todennäköisesti vaikutusta autostereogrammien näkemiseen. Tämä on merkittävä tulos, sillä sen avulla pystytään selittämään, miksi osa ihmisistä ei kykene näkemään autostereogrammeja ollenkaan.

The speed of light changes as it passes through a substance that is optically denser than air. This change in speed, known as refraction, occurs at the boundary between two materials. Refraction in a lens is based on this phenomenon. The human eye contains two lenses: the cornea and the crystalline lens. Therefore, the human eye is a two-lens system. The light is refracted a total of four times as it passes through the cornea and the crystalline lens. Most of the refraction takes place at the interface between the air and the cornea. The crystalline lens can adjust according to the light, which enables precise focusing. Together, the cornea and the lens focus the light rays onto the area of sharpest vision on the retina, known as the fovea.

Depth perception is an important part of human vision. It refers to the ability to estimate depth and the distance of objects. Both monocular and binocular depth cues can be used to assess depth. Monocular depth cues refer to observations made with one eye. Examples of those cues include atmospheric perspective and occlusion, where a closer object blocks the view of a more distant one. Perceiving binocular depth cues requires the use of both eyes. The most relevant binocular depth cues for this thesis are stereopsis and convergence. Convergence refers to the inward movement of the eyes so that a nearby object is projected onto the fovea of both eyes. By sensing the position of the eyeballs, a person can estimate the distance to an object. Stereopsis arises from slight differences between the images perceived by the two eyes.

Depth perception can be deceived by using different types of optical illusions. Six different autostereograms were modeled in this thesis. Autostereograms are a type of optical illusion commonly known as \textquotedblleft Magic Eye\textquotedblright images. Two of these autostereograms are anaglyphic. Unlike regular random dot stereograms, autostereograms can be viewed without artificial aids. Viewing standard random dot autostereograms requires an unusual angle of convergence. Anaglyphic autostereograms, on the other hand, require red-cyan glasses for viewing.

The goal of this thesis was to investigate when an autostereogram is easiest to perceive and what factors influence this. The study finds that in addition to adjustable parameters, a test subject's ability to produce an unusual convergence angle significantly affects the perceptibility of autostereograms. The results show that an anaglyphic autostereogram is the easiest to perceive. This is because viewing anaglyphic autostereograms does not require an unusual angle of convergence. The study also found that astigmatism is likely to affect the ability to perceive autostereograms. This is a significant finding, as it helps explain why some people are unable to see autostereograms at all.