La estereopsis (del griego antiguo στερεός ( stereós ) 'sólido' y ὄψις ( ópsis ) 'apariencia, vista') es el componente de la percepción de profundidad que se obtiene a través de la visión binocular . [1] La estereopsis no es el único factor que contribuye a la percepción de profundidad, pero es uno de los principales. La visión binocular se produce porque cada ojo recibe una imagen diferente porque están en posiciones ligeramente diferentes en la cabeza (ojo izquierdo y derecho). Estas diferencias posicionales se denominan "disparidades horizontales" o, de forma más general, " disparidades binoculares ". Las disparidades se procesan en la corteza visual del cerebro para producir la percepción de profundidad . Si bien las disparidades binoculares están presentes de forma natural cuando se ve una escena tridimensional real con dos ojos, también se pueden simular presentando artificialmente dos imágenes diferentes por separado a cada ojo utilizando un método llamado estereoscopía . La percepción de profundidad en estos casos también se conoce como "profundidad estereoscópica". [1]
Sin embargo, la percepción de profundidad y de estructura tridimensional es posible con información visible con un solo ojo, como diferencias en el tamaño de los objetos y la paralaje de movimiento (diferencias en la imagen de un objeto a lo largo del tiempo con el movimiento del observador), [2] aunque la impresión de profundidad en estos casos a menudo no es tan vívida como la que se obtiene a partir de disparidades binoculares. [3] Por lo tanto, el término estereopsis (o profundidad estereoscópica) también puede referirse específicamente a la impresión única de profundidad asociada con la visión binocular (coloquialmente denominada como ver "en 3D").
Se ha sugerido que la impresión de separación "real" en profundidad está vinculada a la precisión con la que se deriva la profundidad, y que una conciencia de esta precisión (percibida como una impresión de interaccionabilidad y realidad) puede ayudar a guiar la planificación de la acción motora. [4]
La estereopsis tiene dos aspectos distintos: la estereopsis gruesa y la estereopsis fina, y proporcionan información de profundidad con diferentes grados de precisión espacial y temporal.
La estereopsis que puede lograr un individuo está limitada por el nivel de agudeza visual del ojo más pobre. En particular, los pacientes que tienen una agudeza visual comparativamente menor tienden a necesitar frecuencias espaciales relativamente mayores en las imágenes de entrada, de lo contrario no pueden lograr la estereopsis. [6] La estereopsis fina requiere que ambos ojos tengan una buena agudeza visual para detectar pequeñas diferencias espaciales, y se altera fácilmente por la privación visual temprana. Hay indicios de que en el curso del desarrollo del sistema visual en los bebés , la estereopsis gruesa puede desarrollarse antes de la estereopsis fina y que la estereopsis gruesa guía los movimientos de vergencia que son necesarios para que la estereopsis fina se desarrolle en una etapa posterior. [7] [8] Además, hay indicios de que la estereopsis gruesa es el mecanismo que mantiene los dos ojos alineados después de la cirugía de estrabismo . [9]
También se ha sugerido distinguir entre dos tipos diferentes de percepción de profundidad estereoscópica: percepción de profundidad estática (o percepción estéreo estática) y percepción de movimiento en profundidad (o percepción de movimiento estéreo). Algunas personas que tienen estrabismo y no muestran percepción de profundidad utilizando estereotests estáticos (en particular, utilizando pruebas de Titmus, consulte la sección de este artículo sobre estereotests de contorno) sí perciben movimiento en profundidad cuando se les prueba utilizando estereogramas de puntos aleatorios dinámicos . [10] [11] [12] Un estudio encontró que la combinación de estereopsis de movimiento y ausencia de estereopsis estática estaba presente solo en exótropos , no en esotropos . [13]
Existen fuertes indicios de que el mecanismo estereoscópico consta de al menos dos mecanismos perceptivos, [14] posiblemente tres. [15] La estereopsis gruesa y fina son procesadas por dos subsistemas fisiológicos diferentes, con una estereopsis gruesa derivada de estímulos diplópicos (es decir, estímulos con disparidades mucho más allá del rango de fusión binocular) y produciendo solo una vaga impresión de magnitud de profundidad. [14] La estereopsis gruesa parece estar asociada con la vía magno que procesa disparidades de frecuencia espacial baja y movimiento, y la estereopsis fina con la vía parvo que procesa disparidades de frecuencia espacial alta. [16] El sistema estereoscópico grueso parece ser capaz de proporcionar información de profundidad binocular residual en algunos individuos que carecen de estereopsis fina. [17] Se ha descubierto que los individuos integran los diversos estímulos, por ejemplo, señales estereoscópicas y oclusión de movimiento, de diferentes maneras. [18]
La manera en que el cerebro combina las diferentes señales (incluidas las señales estéreo, de movimiento, de ángulo de vergencia y monoculares ) para detectar el movimiento en profundidad y la posición de objetos en 3D es un área de investigación activa en la ciencia de la visión y disciplinas vecinas. [19] [20] [21] [22]
No todo el mundo tiene la misma capacidad para ver con estereopsis. Un estudio muestra que el 97,3% es capaz de distinguir la profundidad en diferencias horizontales de 2,3 minutos de arco o menores, y al menos el 80% podría distinguir la profundidad en diferencias horizontales de 30 segundos de arco . [23]
La estereopsis tiene un impacto positivo en el ejercicio de tareas prácticas como enhebrar agujas, atrapar pelotas (especialmente en juegos de pelota rápida [24] ), verter líquidos y otras. La actividad profesional puede implicar el manejo de instrumentos estereoscópicos como un microscopio binocular . Si bien algunas de estas tareas pueden beneficiarse de la compensación del sistema visual por medio de otras señales de profundidad, hay algunos roles para los que la estereopsis es imperativa. Las ocupaciones que requieren el juicio preciso de la distancia a veces incluyen el requisito de demostrar cierto nivel de estereopsis; en particular, existe tal requisito para los pilotos de aviones (incluso si el primer piloto en volar alrededor del mundo solo, Wiley Post , logró su hazaña solo con visión monocular). [25] También los cirujanos [26] normalmente demuestran una alta agudeza estéreo. En cuanto a la conducción de automóviles , un estudio encontró un impacto positivo de la estereopsis en situaciones específicas a distancias intermedias solamente; [27] Además, un estudio sobre personas mayores encontró que el deslumbramiento , la pérdida del campo visual y el campo de visión útil eran predictores significativos de la participación en accidentes, mientras que los valores de agudeza visual, sensibilidad al contraste y estereoagudeza de las personas mayores no estaban asociados con accidentes. [28]
La visión binocular tiene otras ventajas además de la estereopsis, en particular la mejora de la calidad de la visión a través de la suma binocular ; las personas con estrabismo (incluso aquellas que no tienen visión doble) tienen puntuaciones más bajas de suma binocular, y esto parece incitar a las personas con estrabismo a cerrar un ojo en situaciones visualmente exigentes. [29] [30]
Desde hace mucho tiempo se reconoce que la visión binocular completa, incluida la estereopsis, es un factor importante en la estabilización del resultado posquirúrgico de las correcciones del estrabismo. Muchas personas que carecen de estereopsis tienen (o han tenido) estrabismo visible , que se sabe que tiene un posible impacto socioeconómico en niños y adultos. En particular, tanto el estrabismo de ángulo grande como el de ángulo pequeño pueden afectar negativamente la autoestima , ya que interfieren en el contacto visual normal , lo que a menudo causa vergüenza, enojo y sentimientos de incomodidad. [31] Para obtener más detalles sobre esto, consulte los efectos psicosociales del estrabismo .
Se ha observado que con la creciente introducción de la tecnología de visualización 3D en el entretenimiento y en las imágenes médicas y científicas, la visión binocular de alta calidad, incluida la estereopsis, puede convertirse en una capacidad clave para el éxito en la sociedad moderna. [32]
No obstante, hay indicios de que la falta de visión estereoscópica puede llevar a las personas a compensarla por otros medios: en particular, la ceguera estereoscópica puede dar a las personas una ventaja al representar una escena utilizando señales de profundidad monoculares de todo tipo, y entre los artistas parece haber un número desproporcionadamente alto de personas que carecen de estereopsis. [33] En particular, se ha argumentado que Rembrandt puede haber sido estereociego .
La estereopsis fue explicada por primera vez por Charles Wheatstone en 1838: "... la mente percibe un objeto tridimensional por medio de dos imágenes diferentes proyectadas por ella en las dos retinas...". [34] Reconoció que debido a que cada ojo ve el mundo visual desde posiciones horizontales ligeramente diferentes, la imagen de cada ojo difiere de la del otro. Los objetos a diferentes distancias de los ojos proyectan imágenes en los dos ojos que difieren en sus posiciones horizontales, dando la señal de profundidad de disparidad horizontal, también conocida como disparidad retiniana y como disparidad binocular . Wheatstone demostró que esta era una señal de profundidad efectiva al crear la ilusión de profundidad a partir de imágenes planas que diferían solo en la disparidad horizontal. Para mostrar sus imágenes por separado a los dos ojos, Wheatstone inventó el estereoscopio .
Leonardo da Vinci también se había dado cuenta de que los objetos a diferentes distancias de los ojos proyectan imágenes en ambos ojos que difieren en sus posiciones horizontales, pero había llegado a la conclusión de que esto hacía imposible para un pintor representar una representación realista de la profundidad de una escena a partir de un solo lienzo. [35] Leonardo eligió para su objeto cercano una columna con una sección transversal circular y para su objeto lejano una pared plana. Si hubiera elegido cualquier otro objeto cercano, podría haber descubierto una disparidad horizontal de sus características. [36] Su columna era uno de los pocos objetos que proyecta imágenes idénticas de sí mismo en los dos ojos.
La estereoscopía se popularizó durante la época victoriana con la invención del estereoscopio de prisma por parte de David Brewster . Esto, combinado con la fotografía , permitió producir decenas de miles de estereogramas .
Hasta aproximadamente la década de 1960, la investigación sobre la estereopsis se dedicó a explorar sus límites y su relación con la unicidad de la visión. Entre los investigadores se encontraban Peter Ludvig Panum , Ewald Hering , Adelbert Ames Jr. y Kenneth N. Ogle .
En la década de 1960, Bela Julesz inventó los estereogramas de puntos aleatorios . [37] A diferencia de los estereogramas anteriores, en los que cada media imagen mostraba objetos reconocibles, cada media imagen de los primeros estereogramas de puntos aleatorios mostraba una matriz cuadrada de unos 10.000 puntos pequeños, y cada punto tenía una probabilidad del 50% de ser negro o blanco. No se podían ver objetos reconocibles en ninguna de las dos mitades de la imagen. Las dos medias imágenes de un estereograma de puntos aleatorios eran esencialmente idénticas, excepto que una tenía un área cuadrada de puntos desplazados horizontalmente por uno o dos diámetros de punto, lo que daba disparidad horizontal. El hueco dejado por el desplazamiento se rellenaba con nuevos puntos aleatorios, ocultando el cuadrado desplazado. Sin embargo, cuando las dos medias imágenes se veían una con cada ojo, el área cuadrada era visible casi inmediatamente al estar más cerca o más lejos que el fondo. Julesz caprichosamente llamó al cuadrado una imagen ciclópea en honor al mítico cíclope que tenía un solo ojo. Esto se debió a que era como si tuviéramos un ojo ciclópeo dentro de nuestros cerebros que puede ver estímulos ciclópeos ocultos para cada uno de nuestros ojos reales. Los estereogramas de puntos aleatorios resaltaron un problema para la estereopsis, el problema de la correspondencia . Este es que cualquier punto en una mitad de la imagen puede emparejarse de manera realista con muchos puntos del mismo color en la otra mitad de la imagen. Nuestros sistemas visuales resuelven claramente el problema de la correspondencia, en el sentido de que vemos la profundidad deseada en lugar de una niebla de coincidencias falsas. La investigación comenzó a comprender cómo.
También en la década de 1960, Horace Barlow , Colin Blakemore y Jack Pettigrew encontraron neuronas en la corteza visual del gato que tenían sus campos receptivos en diferentes posiciones horizontales en los dos ojos. [38] Esto estableció la base neuronal para la estereopsis. Sus hallazgos fueron cuestionados por David Hubel y Torsten Wiesel , aunque finalmente aceptaron cuando encontraron neuronas similares en la corteza visual del mono . [39] En la década de 1980, Gian Poggio y otros encontraron neuronas en V2 del cerebro del mono que respondían a la profundidad de los estereogramas de puntos aleatorios. [40]
En la década de 1970, Christopher Tyler inventó los autoestereogramas , estereogramas de puntos aleatorios que pueden verse sin un estereoscopio. [41] Esto condujo a las populares imágenes Magic Eye .
En 1989, Antonio Medina Puerta demostró con fotografías que las imágenes retinianas sin disparidad de paralaje pero con diferentes sombras se fusionan estereoscópicamente, lo que confiere a la escena captada una percepción de profundidad. Denominó este fenómeno "estereopsis de sombras". Por tanto, las sombras son una importante pista estereoscópica para la percepción de profundidad. Demostró la eficacia de este fenómeno tomando dos fotografías de la Luna en momentos diferentes y, por tanto, con sombras diferentes, lo que hacía que la Luna apareciera en 3D estereoscópicamente, a pesar de la ausencia de cualquier otra pista estereoscópica. [42]
Un estereoscopio es un dispositivo que permite presentar imágenes diferentes a cada ojo, lo que permite estimular la estereopsis con dos imágenes, una para cada ojo. Esto ha dado lugar a diversas modas de la estereopsis, generalmente impulsadas por nuevos tipos de estereoscopios. En la época victoriana era el estereoscopio de prisma (que permitía ver fotografías estereoscópicas), mientras que en la década de 1920 eran las gafas rojo-verdes (que permitían ver películas estereoscópicas ). En 1939, el concepto del estereoscopio de prisma se reelaboró en el View-Master , tecnológicamente más complejo , que sigue en producción en la actualidad. En la década de 1950, las gafas polarizadoras permitieron la estereopsis de películas en color . En la década de 1990 se introdujeron las imágenes Magic Eye ( autostereogramas ), que no requerían un estereoscopio, sino que dependían de que los espectadores utilizaran una forma de fusión libre para que cada ojo viera imágenes diferentes.
La estereopsis parece procesarse en la corteza visual de los mamíferos en células binoculares que tienen campos receptivos en diferentes posiciones horizontales en ambos ojos. Dicha célula está activa solo cuando su estímulo preferido está en la posición correcta en el ojo izquierdo y en la posición correcta en el ojo derecho, lo que la convierte en un detector de disparidades .
Cuando una persona mira fijamente un objeto, los dos ojos convergen de modo que el objeto aparece en el centro de la retina de ambos ojos. Los demás objetos que rodean al objeto principal aparecen desplazados con respecto a este. En el siguiente ejemplo, mientras que el objeto principal (el delfín) permanece en el centro de las dos imágenes en los dos ojos, el cubo se desplaza hacia la derecha en la imagen del ojo izquierdo y hacia la izquierda en la imagen del ojo derecho.
Como cada ojo se encuentra en una posición horizontal distinta, cada uno tiene una perspectiva ligeramente distinta de la escena, lo que produce distintas imágenes retinianas . Normalmente no se observan dos imágenes, sino una única vista de la escena, un fenómeno conocido como visión única. Sin embargo, la estereopsis es posible con visión doble. Esta forma de estereopsis fue llamada estereopsis cualitativa por Kenneth Ogle. [43]
Si las imágenes son muy diferentes (por ejemplo, al hacer bizquera o al presentar imágenes diferentes en un estereoscopio ), entonces se puede ver una imagen a la vez, un fenómeno conocido como rivalidad binocular .
Existe un efecto de histéresis asociado con la estereopsis. [44] Una vez que la fusión y la estereopsis se han estabilizado, la fusión y la estereopsis se pueden mantener incluso si las dos imágenes se separan lenta y simétricamente hasta cierto punto en la dirección horizontal. En la dirección vertical, hay un efecto similar pero más pequeño. Este efecto, demostrado por primera vez en un estereograma de puntos aleatorios , se interpretó inicialmente como una extensión del área de fusión de Panum . [45] Más tarde se demostró que el efecto de histéresis llega mucho más allá del área de fusión de Panum, [46] y que la profundidad estereoscópica se puede percibir en estereogramas de líneas aleatorias a pesar de la presencia de ciclodisparidades de aproximadamente 15 grados, y esto se ha interpretado como estereopsis con diplopía . [47]
En circunstancias normales, la profundidad especificada por la estereopsis concuerda con otras señales de profundidad, como la paralaje de movimiento (cuando un observador se mueve mientras mira un punto en una escena, el punto de fijación , los puntos más cercanos y más lejanos que el punto de fijación parecen moverse en contra o con el movimiento, respectivamente, a velocidades proporcionales a la distancia desde el punto de fijación), y señales pictóricas como la superposición (los objetos más cercanos cubren los objetos más lejanos) y el tamaño familiar (los objetos más cercanos parecen más grandes que los objetos más lejanos). Sin embargo, al usar un estereoscopio, los investigadores han podido oponerse a varias señales de profundidad, incluida la estereopsis. La versión más drástica de esto es la pseudoscopía , en la que las medias imágenes de los estereogramas se intercambian entre los ojos, invirtiendo la disparidad binocular. Wheatstone (1838) descubrió que los observadores aún podían apreciar la profundidad general de una escena, en consonancia con las señales pictóricas. La información estereoscópica iba de la mano con la profundidad general. [34]
La visión estereoscópica por computadora es parte del campo de la visión por computadora . A veces se utiliza en robótica móvil para detectar obstáculos. Entre las aplicaciones se incluyen el rover ExoMars y la robótica quirúrgica. [48]
Dos cámaras toman fotografías de la misma escena, pero están separadas por una distancia, exactamente como nuestros ojos. Una computadora compara las imágenes mientras desplaza las dos imágenes una sobre la otra para encontrar las partes que coinciden. La cantidad desplazada se denomina disparidad . La disparidad en la que los objetos en la imagen coinciden mejor es utilizada por la computadora para calcular su distancia.
Para un ser humano, los ojos cambian su ángulo de acuerdo con la distancia al objeto observado. Para un ordenador esto representa una complejidad adicional significativa en los cálculos geométricos ( geometría epipolar ). De hecho, el caso geométrico más simple es cuando los planos de imagen de la cámara están en el mismo plano. Las imágenes también se pueden convertir mediante reproyección a través de una transformación lineal para que estén en el mismo plano de imagen. Esto se llama rectificación de imagen .
La visión estereoscópica por computadora con muchas cámaras bajo una iluminación fija se denomina estructura a partir del movimiento . Las técnicas que utilizan una cámara fija y una iluminación conocida se denominan técnicas estereoscópicas fotométricas o " forma a partir del sombreado ".
Se han hecho muchos [¿ cuáles? ] intentos de reproducir la visión estereoscópica humana en pantallas de ordenador que cambian rápidamente, y con este fin se han presentado ante la USPTO numerosas patentes relacionadas con la televisión y el cine en 3D . Al menos en los EE. UU., la actividad comercial relacionada con esas patentes se ha limitado exclusivamente a los concesionarios y licenciatarios de los titulares de las patentes, cuyos intereses tienden a perdurar durante veinte años desde el momento de la presentación de la solicitud.
Sin contar la televisión y el cine en 3D (que generalmente requieren más de un proyector digital cuyas imágenes en movimiento se acoplan mecánicamente, en el caso del cine IMAX 3D), Sharp [¿cuándo?] ofrecerá varias pantallas LCD estereoscópicas , y ya ha comenzado a distribuir un portátil [ ¿cuál? ] con una pantalla LCD estereoscópica incorporada. Aunque la tecnología más antigua requería [ ¿ cuándo? ] que el usuario se pusiera gafas o visores para ver imágenes generadas por computadora o CGI, la tecnología más nueva [¿ cuál? ] tiende a emplear lentes o placas Fresnel sobre las pantallas de cristal líquido, liberando al usuario de la necesidad de ponerse gafas o antiparras especiales .
En las pruebas de estereopsis (abreviadas como estereotests ) se muestran imágenes ligeramente diferentes a cada ojo, de modo que se percibe una imagen en 3D en caso de que exista estereovisión. Esto se puede lograr mediante vectógrafos (visibles con gafas polarizadas), anaglifos (visibles con gafas rojo-verdes), lentes lenticulares (visibles a simple vista) o tecnología de visualización montada en la cabeza . El tipo de cambios de un ojo al otro puede variar según el nivel de agudeza estereoscópica que se desee detectar. Por lo tanto, una serie de estereotests para niveles seleccionados constituye una prueba de agudeza estereoscópica .
Existen dos tipos de pruebas clínicas comunes para la estereopsis y la estereoagudeza: las pruebas estereoscópicas de puntos aleatorios y las pruebas estereoscópicas de contornos. Las pruebas estereoscópicas de puntos aleatorios utilizan imágenes de figuras estereoscópicas que están incrustadas en un fondo de puntos aleatorios. Las pruebas estereoscópicas de contornos utilizan imágenes en las que los objetivos presentados a cada ojo están separados horizontalmente. [49]
La capacidad de estereopsis se puede comprobar, por ejemplo, mediante el Lang-Stereotest , que consiste en un estereograma de puntos aleatorios sobre el que se imprimen una serie de tiras paralelas de lentes cilíndricas en determinadas formas, que separan las vistas vistas por cada ojo en estas áreas, [50] de forma similar a un holograma . Sin estereopsis, la imagen parece solo un campo de puntos aleatorios, pero las formas se vuelven discernibles a medida que aumenta la estereopsis, y generalmente consisten en un gato (lo que indica que hay una capacidad de estereopsis de 1200 segundos de arco de disparidad retiniana), una estrella (600 segundos de arco) y un coche (550 segundos de arco). [50] Para estandarizar los resultados, la imagen debe verse a una distancia del ojo de 40 cm y exactamente en el plano frontoparalelo. [50] Si bien la mayoría de los estereotest de puntos aleatorios como el estereotest de puntos aleatorios "E" o el estereotest TNO requieren anteojos específicos para la prueba (es decir, anteojos polarizados o rojo-verdes), el estereotest Lang funciona sin el uso de anteojos especiales, lo que facilita su uso en niños pequeños. [50]
Ejemplos de estereotests de contorno son los estereotests de Titmus, siendo el ejemplo más conocido el estereotest de Titmus de la mosca, en el que se muestra una imagen de una mosca con disparidades en los bordes. El paciente utiliza unas gafas 3D para mirar la imagen y determinar si se puede ver una figura 3D. La cantidad de disparidad en las imágenes varía, por ejemplo, 400-100 segundos de arco y 800-40 segundos de arco. [51]
La deficiencia de la estereopsis puede ser completa (denominada estereoceguera ) o más o menos deteriorada. Las causas incluyen ceguera en un ojo, ambliopía y estrabismo .
La terapia visual es uno de los tratamientos para las personas que carecen de estereopsis. La terapia visual permitirá a las personas mejorar su visión a través de varios ejercicios, como el fortalecimiento y la mejora del movimiento ocular. [52] Hay evidencia reciente de que la estereoagudeza puede mejorarse en personas con ambliopía mediante el aprendizaje perceptivo ( ver también: tratamiento de la ambliopía ). [53] [54]
La estereopsis se ha encontrado en muchos vertebrados [1] , incluidos mamíferos como los caballos , [55] aves como los halcones [56] y los búhos , [57] reptiles, anfibios como los sapos [58] y peces. También se ha encontrado en invertebrados [1] , incluidos cefalópodos como la sepia , [59] crustáceos, arañas e insectos como la mantis . [60] Los estomatópodos incluso tienen estereopsis con un solo ojo. [61]