Nedavne študije, kako vidimo črno in belo, so razkrile, kako človeški vidni sistem analizira zaznani vzorec svetlobe in pravilno oceni sence predmetov. Raziskave so nam v pomoč pri snovanju umetnih vidnih sistemov za robote. Ti namreč še vedno veliko slabše prepoznavajo vzorce kot ljudje. Če bi računalniki »videli« bolje, bi bili opravilno sposobnejši.

Vprašajmo možgane

Znanstveniki poskušajo od možganov izvabiti skrivnost z metodo, imenovano psihofizika, pri kateri postavijo 20 odločevalnih vprašanj. Za jasen odgovor sta potrebni najmanj dve konkurenčni hipotezi. Nato skrbno skonstruirajo testno sliko, ki vsebuje ključno »ciljno« površino, ki se mora po eni hipotezi videti, denimo svetlo siva, po drugi temno siva. Testne slike pogosto vsebujejo zabavne iluzije.Za oceno kompleksnosti tega, da površino vidimo kot črno, belo ali sivo, so za začetek dobrodošle osnove fizike: bele površine odbijajo približno 90 odstotkov svetlobe, ki zadene obnje, črne površine le približno 3 odstotke. Ko odbita svetloba vstopi v očesno odprtino –zenico – jo leči fokusirata na površino v ozadju notranjosti očesa, mrežnico, približno kot svetloba v navadnem fotografskem aparatu skozi leče doseže film. Svetlobni receptorji na mrežnici merijo količino svetlobe, ki pade nanje.

Toda svetloba, ki se odbije od predmeta, ki ga gledamo, ne vsebuje niti senčice sive sence, od katere se je odbila. Celotna količina svetlobe, ki doseže oko, pa je veliko bolj odvisna od stopnje osvetljenosti kot od odstotka svetlobe, ki ga odbija katera koli površina. Čeprav bela površina pri enaki osvetlitvi odbija približno 30-krat več svetlobe kakor sosednja črna, lahko v jarki sončni svetlobi ista bela površina odbije milijonkrat več svetlobe kot v mesečini (zato noben robot ne zaznava sive sence predmeta v vidnem polju in lahko izmeri le količino svetlobe, ki jo odbija dani predmet, imenovane luminiscenca).

Upoštevajoč, da svetloba, ki se odbija od predmetov, daje nezadostne informacije, je psiholog Hans Wallach, sicer bratranec Alberta Einsteina, leta 1948 domneval, da možgani določijo sivo senco površine tako, da primerjajo svetlobo, ki jo prejmejo s sosednjih površin. Wallach je znatno pripomogel k poznavanju vidnih in slušnih zaznav. Pokazal je, da lahko homogeni disk vidimo v katerem koli odtenku med črno in belo zgolj s spreminjanjem moči svetlobe, ki ga obdaja, čeprav je ves čas enak.

Pri eni od klasičnih iluzij postavimo siv kvadrat na belo podlago, enakega pa na sosednjo črno. Če bi bila svetlost, ki jo zaznamo, odvisna zgolj od količine odbite svetlobe, bi bila kvadrata videti enaka. Toda kvadrat na črni podlagi je videti svetlejši – kar kaže, da možgani primerjajo sosednji površini.

Poznejši dokazi celo kažejo, da oko ne meri jakosti svetlobe na vsaki točki slike, temveč le spremembo luminiscence ob robovih slike. Wallachovo delo je pokazalo, da je relativna luminiscenca dveh površin pomemben košček sestavljanke. Toda zgolj to znanje bi nam kaj malo koristilo. Relativna luminiscenca namreč pove le, koliko se ena senca razlikuje od druge, ne pa njunih barv. Možgani za ugotovitev natančnega odtenka potrebujejo še točko, s katero lahko primerjajo odtenke. Imenuje se sidrno pravilo. Do zdaj obstajata dve. Wallach in pozneje Edwin Land, izumitelj takojšnje fotografije, sta domnevala, da je največja luminiscenca na sliki avtomatično videti bela. Če bi bilo to res, bi se pravilo uporabljalo kot standard, po katerem bi možgani primerjali vse nižje luminiscence. Teorija prilagoditvene ravni, ki jo je v 40. letih izdelal psiholog Harry Helson, pa je trdila, da je povprečna luminiscenca na sliki vselej videti srednje siva. Svetlejše in temnejše sive sence naj bi bilo mogoče ugotoviti s primerjanjem drugih luminiscenc s srednjo vrednostjo.

Katera je prava, so poskusili ugotoviti leta 1994. Uporabili so dve sivi površini, ki sta zapolnili celotno vidno polje opazovalca. Prostovoljci so približali obraz notranjosti neprosojne polkrogle, na levi strani pobarvane srednje sivo, na desni črno. Polkroglo so položili v velik pravokoten prostor, osvetljen z razpršeno svetlobo.

Izsledki so bili nedvoumni

Srednje siva polovica je bila videti popolnoma bela, črna pa srednje siva. Ugotovljeno je bilo torej, da je zaznavna siva lestvica zasidrana na »vrhu« in ne na sredini. Ugotovitev nam veliko pove o tem, kako možgani v preprostih slikah obdelujejo sive sence. Najvišja luminiscenca je videti bela, zaznana siva senca pa je odvisna od razlike ali, natančneje, razmerja med lastno luminiscenco in najvišjo luminiscenco površine.

Različna sidra

Kaj pa kompleksnejše slike? Ta preprost algoritem zanje ni uporaben. Če bi možgani primerjali luminiscenco vsake posamezne površine z najvišjo luminiscenco celotne slike, bi bila črna površina v jarki svetlobi videti enakega odtenka kot bela površina v senci, ob pogoju, da je luminiscenca obeh enaka, kot pogosto tudi je. Toda videti sta različni: razliko med njima opazimo. Vidni sistem mora torej znotraj vsakega območja osvetljenosti uporabiti različno sidro.

Raziskave s številnimi iluzijami tudi pokažejo, da se sidra spreminjajo. Če na fotografijo z več svetlimi in senčnimi območji prilepimo več enakih sivih diskov, bodo na senčnih območjih videti precej svetlejši kakor na svetlih. Kot kaže, ima vsako območje lastno sidro – luminiscenco, pri kateri možgani zaznavajo površino kot belo.

Teoretiki pa so prepričani, da sistem za človekov vid ne potrebuje niti te klasifikacije. Zagovarjajo manj prefinjen proces – prostorsko filtriranje. Za sliko s sivimi diski bi, denimo, dejali, da je odtenek sivine diska odvisen pretežno od lokalnega kontrasta luminiscence na robu tega diska (zelo podobno kot Wallach). Opozarjajo tudi, da je trenutni odtenek posameznega diska odvisen zgolj od smeri in moči kontrasta v luminiscenci med vsakim posameznim diskom in podlago tik ob njem.

Ali ta preprosta predstava drži, preverimo tako, da nekaj diskov položimo na šahovnico, tako da po njej pada senca. Ugotovimo, da imajo diski z enakimi lokalnimi kontrasti različne sence. Hkrati pa imajo diski z različnimi lokalnimi kontrasti lahko tudi enak siv odtenek.

Celote

Oglejmo si še eno vidno prevaro, ki osvetljuje, kako se možgani med razbiranjem svetlobnih vzorcev odločajo, kateri elementi sodijo skupaj. Zamislimo si črn znak plus z dvema sivima trikotnikoma. En trikotnik se prilega kotu med krakoma znaka, drugi pa leži na eni od stranic znaka, obrnjen v njegovo notranjost. Trikotnika sta enaka in enako je tudi njuno najbližje okolje. Obema ob hipotenuzi leži belina, ob preostalih enako dolgih stranicah črnina. Toda trikotnik na notranji strani »je del« črnega križa, drugi, v kotu, pa se zdi kot del bele podlage. Odločilna so presečišča: kadar se meje stikajo v obliki črke T, možgani dojemajo dve območji: prečnico in pokončnico.

Vidne prevare, ki so za laične opazovalce le zanimive in zabavne, imajo tudi resnejšo, tehtnejšo podlago. Kažejo nam, da možgani ne morejo »razumeti« sivine, ki jo zaznavamo, zgolj s primerjanjem luminiscence dveh sosednjih površin. Poleg tega zelo prefinjeno upoštevajo tudi sovisnost z okolico. Dejstvo, da se večina ljudi zahtevnosti tega vprašanja ne zaveda, dokazuje izredno dovršenost vidnega sistema pri človeku.

Celostna slika

Znanstveniki še ne soglašajo, kako možgani obdelujejo belino in črnino. Trenutno se teorije razvrščajo v tri razrede: nizko-, srednje- in visokostopenjske. Nizkostopenjske teorije temeljijo na živčnih mehanizmih za prostorsko filtriranje ter kodiranje lokalnega kontrasta in ne znajo razložiti sivih senc, ki jih vidimo. Visokostopenjske teorije pojmujejo ocenjevanje površinskih sivih senc kot nezavedni intelektualni proces, pri katerem se avtomatično upošteva moč svetlobe, ki osvetljuje površino. To stališče je sicer vabljivo za intuitivce, ne pove pa, kaj naj iščemo v možganih, niti kako programirati robota. Srednjestopenjske teorije razčlenijo vsako sliko na več referenčnih okvirov, ki imajo vsak svoje sidro. Te teorije bolje specificirajo operacije, ki obdelujejo črne, bele in sive sence, kakor visokostopenjske teorije, in bolje razlagajo človeško zaznavanje sivih površin kakor nizkostopenjske teorije.

Preden bomo lahko v celoti razumeli ta vidik vida – ali programirali robota, da bo zmogel tisto, kar zmorejo človeške oči – moramo bolje razumeti, kako možgani obdelujejo meje. Človeško oko, tako kot robot, sprva dojame dvodimenzionalno sliko. Kako se odloči, katera območja slike naj poveže skupaj in zanje uporabi skupno sidro? Strokovnjaki še naprej postavljajo nove hipoteze… in jih preskušajo.

Dekodiranje ocen, ki jih ustvarja človeški vid, je morda najboljša pot za izdelavo robotov, ki bodo videli, vsekakor pa najboljši način za razumevanje delovanja človeških možganov.

 

Moje zdravje št. 21 / 5. september 2006