La cromostereopsis es una ilusión visual en la que se transmite la impresión de profundidad en imágenes en color bidimensionales , generalmente de colores rojo-azul o rojo-verde, pero también se puede percibir con imágenes rojo-gris o azul-gris. [1] [2] Se han reportado ilusiones de este tipo durante más de un siglo y generalmente se han atribuido a alguna forma de aberración cromática . [3] [4] [5] [6] [7]
La aberración cromática resulta de la refracción diferencial de la luz dependiendo de su longitud de onda , provocando que algunos rayos de luz converjan antes que otros en el ojo (aberración cromática longitudinal o LCA) y/o se ubiquen en ubicaciones no correspondientes de los dos ojos durante la visión binocular (aberración cromática transversal o TCA).
La cromostereopsis se observa generalmente utilizando un objetivo con barras rojas y azules y un fondo acromático . La cromostereopsis positiva se exhibe cuando las barras rojas se perciben delante del azul y la cromostereopsis negativa se exhibe cuando las barras rojas se perciben detrás del azul. [8] Se han propuesto varios modelos para explicar este efecto que a menudo se atribuye a aberraciones cromáticas longitudinales y/o transversales. [6] Sin embargo, algunos trabajos atribuyen la mayor parte del efecto estereóptico a aberraciones cromáticas transversales en combinación con factores corticales. [1] [5] [7]
Se ha propuesto que la cromostereopsis podría tener implicaciones evolutivas en el desarrollo de las manchas oculares en ciertas especies de mariposas.
Las diferencias percibidas en el poder óptico del color abarcan alrededor de 2 dioptrías (Azul: −1,5, Rojo +0,5). [9] [ fuente autopublicada ] [10] El efecto puede parecer mucho más pronunciado cuando se ven imágenes adecuadas mientras se usan anteojos necesarios para corregir la miopía, y el efecto desaparece casi por completo cuando se quitan los anteojos.
Se encuentra comúnmente en vidrieras , históricamente los artistas han sido conscientes de este efecto, utilizándolo para generar perspectivas de avance o retroceso dentro de las imágenes. [11]
Hace más de dos siglos, Goethe observó por primera vez el efecto de la percepción de la profundidad del color en su Farbenlehre ( Teoría de los colores ), en la que reconoció el azul como un color que se aleja y el amarillo/rojo como un color que sobresale. Sostuvo que, "así como vemos el cielo alto, las montañas lejanas, como azules, de la misma manera que un campo azul parece alejarse... (también) Uno puede mirar fijamente un campo perfectamente amarillo/rojo, entonces el color parece penetrar en el órgano". [12] Este fenómeno, ahora conocido como cromostereopsis, o efecto estereóptico, explica la ciencia visual detrás de este efecto de profundidad de color y tiene muchas implicaciones para el arte, los medios de comunicación, la evolución , así como nuestra vida diaria en cómo percibimos los colores y los objetos.
Aunque Goethe no propuso ningún razonamiento científico detrás de sus observaciones, a finales de la década de 1860 Bruecke y Donders sugirieron por primera vez que el efecto cromostereoptico se debía a la conciencia acomodativa, dado que la óptica ocular no es acromática y los objetos rojos requieren más acomodación para ser enfocados en la retina . Esta noción de acomodación podría entonces traducirse en percepción de la distancia. Sin embargo, lo que Donders y Bruecke pasaron por alto originalmente en su teoría es la necesidad de la observación binocular para producir cromostereopsis. Más tarde, alejándose de la conciencia acomodativa, Bruecke propuso que la aberración cromática, junto con el efecto fuera del eje temporal de la pupila, puede explicar el efecto cromostereoptico. Es esta hipótesis la que todavía forma la base de nuestra comprensión actual de la cromostereopsis. [12]
A lo largo de los años, el análisis del arte ha aportado pruebas abundantes del efecto cromostereoptico, pero hasta hace unos treinta años se sabía poco sobre la explicación neurológica, anatómica y/o fisiológica que se esconde tras este fenómeno. Por ejemplo, en 1958, el historiador de arte holandés De Wilde observó que al analizar el cuadro "El poeta Rensburg" del pintor cubista Leo Gestel , en lugar de utilizar las señales de profundidad graduadas convencionales, "si se coloca el violeta junto al amarillo o el verde junto al naranja, el violeta y el verde retroceden. En general, los colores cálidos avanzan y los colores fríos retroceden". [12] En este sentido, el efecto cromostereoptico confiere plasticidad a las formas y permite la percepción de profundidad mediante la manipulación del color.
La naturaleza binocular de la cromostereopsis fue descubierta por Bruecke y surge debido a la posición de la fóvea en relación con el eje óptico. La fóvea está ubicada temporalmente con respecto al eje óptico y, como resultado, el eje visual pasa a través de la córnea con una excentricidad horizontal nasal , lo que significa que el rayo promedio con destino a la fóvea debe sufrir una desviación prismática y, por lo tanto, está sujeto a dispersión cromática . La desviación prismática se produce en direcciones opuestas en cada ojo, lo que da como resultado cambios de color opuestos que conducen a un cambio en la profundidad estereóptica entre objetos rojos y azules. El sistema receptivo foveal excéntrico, junto con el efecto Stiles-Crawford , funcionan en direcciones opuestas entre sí y se cancelan aproximadamente, lo que ofrece otra explicación de por qué los sujetos pueden mostrar estereoscopía de color "en contra de la regla" (una inversión de los resultados esperados). [12]
La evidencia del efecto estereóptico es a menudo bastante fácil de ver. Por ejemplo, cuando el rojo y el azul se ven uno al lado del otro en un entorno oscuro, la mayoría de las personas verán el rojo como "flotando" frente al azul. Sin embargo, esto no es cierto para todos, ya que algunas personas ven lo opuesto y otras no ven ningún efecto en absoluto. Este es el mismo efecto que tanto Goethe como De Wilde habían indicado en sus observaciones. Mientras que la mayoría de las personas verán el rojo como "flotando" frente al azul, otros experimentan una inversión del efecto en el que ven el azul flotando frente al rojo, o ningún efecto de profundidad en absoluto. Si bien esta inversión puede parecer que desacredita la cromostereopsis, no es así y, en cambio, como propuso originalmente Einthoven , puede explicarse por un aumento en el efecto y la posterior inversión a través del bloqueo de la posición excéntrica de la pupila con respecto al eje óptico. [12] La naturaleza diversa del efecto cromostereóptico se debe a que el efecto de profundidad de color está estrechamente entrelazado con factores perceptuales y ópticos. En otras palabras, ni los factores ópticos ni los perceptivos pueden tomarse de forma aislada para explicar la cromostereopsis. Este componente multifactorial de la cromostereopsis ofrece una explicación de la inversión del efecto en diferentes personas ante las mismas señales visuales. [2]
En 1928, Verhoeff observó otro interesante efecto de inversión : las barras rojas se percibían más lejanas y las barras azules como salientes cuando se emparejaban sobre un fondo blanco en lugar de sobre un fondo negro. Verhoeff propuso que esta inversión paradójica se puede entender en términos de los contornos de luminancia de la pupila (véase: Contornos ilusorios ). La pupila tiene líneas de eficiencia de luminancia constante, y cada línea posterior marca una disminución del 25 % en la eficiencia. Alrededor de 1998, Winn y sus colaboradores confirmaron la interpretación de Verhoeff de esta inversión utilizando experimentos sobre fondos de diferentes colores. [12] Otras investigaciones también han sugerido que los cambios en el contraste de los bordes podrían provocar una inversión de la profundidad del color con el cambio de fondos negros a blancos. [2]
En 1933, Stiles y Crawford descubrieron que la sensibilidad a la luz de la fóvea difiere significativamente entre los rayos que entran en el ojo a través del centro de la pupila y los rayos que entran desde sus regiones periféricas . Observaron que la regla habitual de "intensidad multiplicada por apertura " no se aplicaba en la visión foveal y que los rayos que entraban en el ojo a través de las regiones periféricas de la pupila eran menos eficientes en aproximadamente un factor de cinco. Este efecto se conoce ahora como el efecto Stiles-Crawford y también tiene implicaciones para el efecto cromostereoptico inverso. [12]
En 1885, Einthoven propuso una teoría que dice: "El fenómeno (chromostereopsis) se debe a la diferencia cromática de aumento , ya que, como, por ejemplo, los rayos azules son refractados más que los rayos rojos por el medio ocular, sus focos no solo se encuentran a diferentes niveles (aberración cromática) sino que forman ángulos diferentes con el eje óptico, y por lo tanto estimularán puntos dispares. De ello se deduce que los individuos con pupilas temporalmente excéntricas ven el rojo delante del azul, mientras que con pupilas nasalmente excéntricas el relieve se invierte". [13] Einthoven fue el primero en explicar la aberración cromática en el ojo, lo que significa que los ojos no enfocarán todos los colores al mismo tiempo. Dependiendo de la longitud de onda , el punto focal en los ojos varía. Concluyó que la razón por la que las personas ven el rojo delante del azul es porque la luz con diferentes longitudes de onda se proyecta en diferentes partes de la retina. Cuando la visión es binocular, se crea una disparidad, que causa la percepción de profundidad. Como el rojo se enfoca temporalmente, parece estar al frente. Sin embargo, bajo visión monocular, este fenómeno no se observa. [13]
Sin embargo, Bruecke se opuso a la teoría de Einthoven, argumentando que no todas las personas ven el rojo más cerca que el azul. Einthoven explicó que esta cromostereopsis negativa probablemente se deba a la posición excéntrica de las pupilas, ya que el desplazamiento de la pupila puede cambiar la posición en la que se enfocan las longitudes de onda de la luz en el ojo. Allen y Rubin estudiaron más a fondo la cromostereopsis negativa y sugirieron que cambiar el ángulo entre el centro pupilar y el eje visual puede cambiar la dirección de la cromostereopsis. Si el centro pupilar se encuentra temporal al eje visual, el rojo aparecerá más cerca. El efecto inverso se observa cuando el centro pupilar está en posición nasal respecto del eje visual. [12]
La investigación ha intentado ampliar la base de la teoría cromostereoptica tradicional, incluido el trabajo realizado por Stiles y Crawford. En 1933, Stiles y Crawford descubrieron accidentalmente que la sensibilidad a la luz difería entre los rayos que ingresaban a través del centro y los que ingresaban desde las regiones periféricas del ojo. La eficiencia de los rayos es menor cuando los rayos ingresan a través de la región periférica porque la forma de las células cónicas que recogen los cuantos incidentes es diferente de los receptores cónicos en el centro del ojo. Este efecto puede causar cromostereopsis tanto positiva como negativa dependiendo de la posición de la pupila. Si la pupila está centrada en el eje óptico, causa cromostereopsis positiva. Sin embargo, si la pupila está significativamente descentrada con respecto al eje óptico, se producirá cromostereopsis negativa. Debido a que la mayoría de las personas tienen un punto de máxima eficiencia luminosa que está descentrado, los efectos Stiles-Crawford generalmente tendrán efectos cromostereopticos antagónicos. Por lo tanto, en lugar de ver rojo delante de azul, se verá azul delante de rojo y el efecto será inverso. El efecto Stiles-Crawford también explica por qué la cromostereopsis positiva disminuye cuando se reduce la iluminación. Con una iluminación más baja, la dilatación de la pupila aumenta la región periférica pupilar y, por lo tanto, aumenta la magnitud del efecto Stiles-Crawford. [12]
Se cree que la percepción de profundidad estereóptica obtenida a partir de imágenes bidimensionales de rojo y azul o rojo y verde se debe principalmente a aberraciones cromáticas ópticas . [1] Las aberraciones cromáticas se definen como tipos de distorsiones ópticas que se producen como consecuencia de las propiedades refractivas del ojo. Sin embargo, otros factores [ópticos], características de la imagen y factores perceptivos también influyen en los efectos de profundidad de color en condiciones de visión naturales. Además, las propiedades de textura del estímulo también pueden influir. [2]
Newton demostró por primera vez la presencia de aberración cromática en el ojo humano en 1670. Observó que los rayos de luz incidentes aislados dirigidos a una tarjeta opaca sostenida cerca del ojo golpean las superficies refractantes del ojo de manera oblicua y, por lo tanto, se refractan fuertemente . Debido a que los índices de refracción (ver: Índice de refracción ) varían inversamente con la longitud de onda, los rayos azules (longitud de onda corta) se refractarán más que los rayos rojos (longitud de onda larga). Este fenómeno se llama dispersión cromática y tiene implicaciones importantes para el rendimiento óptico del ojo, incluido el efecto estereóptico . Por ejemplo, Newton observó que dicha dispersión cromática hace que los bordes de un objeto blanco se tiñan de color. [14]
Los relatos modernos de aberraciones cromáticas dividen las aberraciones cromáticas oculares en dos categorías principales: aberración cromática longitudinal (LCA) y aberración cromática transversal (TCA). [14]
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La LCA se define como la "variación del poder de enfoque del ojo para diferentes longitudes de onda". [14] Esta diferencia cromática varía de aproximadamente 400 nm a 700 nm en todo el espectro visible. [14] En la LCA, las propiedades refractivas del ojo hacen que los rayos de luz de longitudes de onda más cortas, como el azul, converjan antes que los colores de longitud de onda más larga.
La TCA se define como la variación del ángulo entre los rayos principales refractados para diferentes longitudes de onda. Los rayos principales , en este caso, se refieren a los rayos de una fuente puntual que pasan por el centro de la pupila. A diferencia de la LCA, la TCA depende de la ubicación del objeto en el campo visual y de la posición de la pupila dentro del ojo. La ubicación del objeto determina el ángulo de incidencia de los rayos seleccionados. Por la Ley de Refracción de Snell , este ángulo de incidencia determina posteriormente la cantidad de dispersión cromática y, por lo tanto, la ubicación de las imágenes retinianas para diferentes longitudes de onda de luz. [14] En la TCA, diferentes longitudes de onda de luz se desplazan en posiciones retinianas no correspondientes de cada ojo durante la visión binocular. El efecto cromostereóptico generalmente se atribuye a la diferencia interocular en la TCA. Los efectos de profundidad inducidos por el color debido a la TCA solo se pueden percibir en imágenes que contienen información acromática y un solo color no acromático. [2] La amplitud de la profundidad percibida en una imagen debido al efecto estereóptico se puede predecir a partir de la cantidad de TCA inducida. En otras palabras, a medida que aumenta la distancia pupilar desde el eje acromático foveal, también aumenta la profundidad percibida.
Las aberraciones cromáticas longitudinales y transversales actúan juntas para afectar la calidad de la imagen retiniana. Además, el desplazamiento de la pupila con respecto al eje visual es fundamental para determinar la magnitud de la aberración en condiciones de visión naturales. [14] En la cromostereopsis, si las pupilas de los dos ojos se desplazan temporalmente con respecto al eje visual, los rayos azules de una fuente puntual se cruzarán con las retinas del lado nasal de los rayos rojos de la misma fuente. Esta disparidad ocular inducida hace que los rayos azules parezcan proceder de una fuente más distante que los rayos rojos.
La cromostereopsis también puede tener implicaciones evolutivas para los depredadores y las presas , lo que le da importancia histórica y práctica. Una posible evidencia de la importancia evolutiva de la cromostereopsis se da en el hecho de que la fóvea se ha desarrollado en los ojos laterales de los animales cazados para tener un ángulo muy grande entre el eje óptico y el eje visual para lograr al menos algún campo de visión binocular. Para estos animales cazados, sus ojos sirven para detectar animales depredadores, lo que explica su posición lateral para darles un campo de visión panorámico completo . En contraste, este desarrollo foveal observado es opuesto en los depredadores y en los primates. Los depredadores y los primates dependen principalmente de la visión binocular y, por lo tanto, sus ojos se desarrollaron para estar en posición frontal. El ángulo entre su eje óptico y visual, por lo tanto, puede reducirse a valores casi insignificantes, hasta unos cinco grados en los humanos). [12]
Las mariposas también pueden haber aprovechado evolutivamente la cromostereopsis para desarrollar patrones distintivos de "ojos", que se presentan en sus alas. Estos ocelos pueden aparecer hacia adelante o hacia atrás en profundidad según su patrón de color, produciendo un efecto de ojos salientes o retraídos, respectivamente. La selección natural puede haber desarrollado estos esquemas de color y textura porque produce la ilusión de ojos salientes o retraídos de organismos mucho más grandes que la mariposa real, manteniendo a raya a los depredadores potenciales. [2]
Otro ejemplo evolutivo de cromostereopsis proviene de las sepias . Se ha sugerido que las sepias calculan la distancia de la presa mediante la estereopsis . Evidencias adicionales sugieren que su elección de camuflaje también es sensible a la profundidad visual basada en efectos de profundidad inducidos por el color. [15]
Se han empleado muchos métodos de prueba diferentes para observar los efectos de la cromostereopsis en la percepción de profundidad en humanos. El progreso tecnológico ha permitido realizar pruebas precisas, eficientes y más concluyentes que en el pasado, cuando las personas simplemente observaban el fenómeno.
En un método, veinticinco sujetos de control fueron evaluados utilizando efectos de profundidad basados en el color mediante el uso de cinco pares de cuadrados de diferentes colores. Los diferentes colores eran azul, rojo, verde, cian y amarillo. Los sujetos fueron colocados en una habitación oscura y los estímulos de cuadrados de colores se presentaron durante 400 milisegundos cada uno, y durante este tiempo se les pidió a los sujetos que prestaran atención al cuadrado derecho o izquierdo (equilibrados uniformemente entre los sujetos). Usando un joystick , el sujeto indicó si el cuadrado estaba detrás, delante o en el mismo plano que su par. Según la teoría, cuanto más larga sea la longitud de onda del color, más cerca debería ser percibido por el observador para una cromostereopsis positiva. Al tener una longitud de onda más larga que los otros colores, el rojo debería aparecer más cercano. Para mejorar este efecto, los sujetos se pusieron gafas con lentes 3D High Definition ChromaDepth® C3D™ de rejilla llameante , que contienen una estructura de prisma para refractar la luz en un ángulo de aproximadamente 1° y fueron evaluados nuevamente. [16] [17]
El uso de electrodos para evaluar la actividad cerebral es otra forma relativamente nueva de evaluar la cromostereopsis. Esta forma de evaluación utiliza registros de EEG de potenciales evocados visuales mediante el uso de electrodos. En un experimento, se mostraron a los sujetos diferentes estímulos en relación con el contraste de color y se les hicieron preguntas sobre su profundidad, como antes. Los electrodos adheridos a los sujetos posteriormente recopilaron datos mientras se desarrollaba el experimento. [16]
Otra técnica que se utiliza de forma más rutinaria prueba el grado de aberración cromática del sujeto . En uno de estos experimentos, las rendijas colocadas delante de los ojos del sujeto midieron la dispersión cromática de los ojos en función de la separación de las rendijas. Los prismas delante de los ojos determinaron la separación de los ejes visual y nulo. El producto de estas mediciones separadas predijo la profundidad aparente esperada con la estereoscopía de pupila completa . La concordancia fue buena con los resultados esperados, lo que proporcionó evidencia adicional de que la cromostereopsis depende de la dispersión cromática. [18]
Se pueden utilizar otras técnicas experimentales para comprobar la cromostereopsis inversa, un fenómeno que se observa en una minoría de la población. La dirección de la cromostereopsis se puede invertir moviendo ambas pupilas artificiales en dirección nasal o temporal con respecto a los centros de las pupilas naturales. Mover las pupilas artificiales en dirección nasal induce una estereopsis de azul delante de rojo y moverlas en dirección temporal tiene el efecto opuesto. Esto se debe a que mover la pupila cambia la posición del eje óptico, pero no del eje visual , cambiando así el signo de la aberración cromática transversal. Por lo tanto, los cambios en la magnitud y el signo de la aberración cromática transversal provocados por el cambio de la distancia lateral entre las pupilas artificiales pequeñas se acompañan de cambios equivalentes en la cromostereopsis. [19]
Aunque se han descubierto e investigado muchos mecanismos fisiológicos que causan la cromostereopsis, todavía quedan preguntas sin respuesta. Por ejemplo, muchos investigadores creen que la cromostereopsis es causada por una combinación de múltiples factores. Debido a esto, algunas investigaciones han intentado investigar cómo la diferente luminiscencia de los fondos y la diferente luminiscencia de los colores rojo y azul afectan el efecto cromostereóptico. [13]
Además, estudios previos han adoptado un enfoque psicofísico para estudiar la cromostereopsis con el fin de documentarla como un efecto perceptivo y observar sus mecanismos ópticos, pero ningún estudio había examinado la base neurofisiológica de la cromostereopsis. [16]
Un estudio neurofisiológico de Cauquil et al. describe que las células que prefieren el color V1 y V2 codifican características de imagen locales (como la disparidad binocular) y propiedades de superficie de una escena 3D, respectivamente. El estudio realizado por Cauquil et al. indica, basándose en los resultados de la estimulación con electrodos , que tanto las vías dorsales como las ventrales del cerebro están implicadas en el procesamiento cromostereoptico. Este estudio también concluyó que la cromostereopsis comienza en las primeras etapas del procesamiento cortical visual , primero en la región occipitoparietal del cerebro, seguida de un segundo paso en el área parietal derecha y los lóbulos temporales . Además, se encontró que la actividad era mayor en el hemisferio derecho , que es dominante para el procesamiento cortical 3D, lo que indica que la cromostereopsis es un efecto descendente dependiente de la tarea. En general, la cromostereopsis involucra áreas corticales que subyacen al procesamiento de profundidad tanto para señales monoculares como binoculares . [16]