La percepción de profundidad es la capacidad de percibir la distancia a los objetos del mundo utilizando el sistema visual y la percepción visual . Es un factor importante a la hora de percibir el mundo en tres dimensiones . La percepción de la profundidad ocurre principalmente debido a la estereopsis y la acomodación del ojo .
Sensación de profundidad es el término correspondiente para los animales no humanos, ya que aunque se sabe que pueden sentir la distancia de un objeto, no se sabe si lo perciben de la misma manera que lo hacemos los humanos. [1]
La percepción de profundidad surge de una variedad de señales de profundidad. Por lo general, se clasifican en señales binoculares y señales monoculares . Las señales binoculares se basan en la recepción de información sensorial en tres dimensiones desde ambos ojos y las señales monoculares se pueden observar con un solo ojo. [2] [3] Las señales binoculares incluyen la disparidad retiniana , que explota el paralaje y la vergencia . La estereopsis es posible con la visión binocular . Las señales monoculares incluyen tamaño relativo (los objetos distantes subtienden ángulos visuales más pequeños que los objetos cercanos), gradiente de textura, oclusión, perspectiva lineal, diferencias de contraste y paralaje de movimiento . [4]
Las señales monoculares proporcionan información de profundidad incluso cuando se ve una escena con un solo ojo.
Cuando un observador se mueve, el aparente movimiento relativo de varios objetos estacionarios sobre un fondo da pistas sobre su distancia relativa. Si se conoce información sobre la dirección y la velocidad del movimiento, el paralaje del movimiento puede proporcionar información de profundidad absoluta. [5] Este efecto se puede ver claramente al conducir un automóvil. Los objetos cercanos pasan rápidamente, mientras que los objetos lejanos parecen estacionarios. Algunos animales que carecen de visión binocular debido a que sus ojos tienen poco campo de visión común emplean el paralaje de movimiento más explícitamente que los humanos para indicar la profundidad (por ejemplo, algunos tipos de aves, que mueven la cabeza para lograr el paralaje de movimiento, y las ardillas, que moverse en líneas ortogonales a un objeto de interés para hacer lo mismo [6] ). [nota 1]
Cuando un objeto se mueve hacia el observador, la proyección retiniana de un objeto se expande durante un período de tiempo, lo que conduce a la percepción de movimiento en línea hacia el observador. Otro nombre para este fenómeno es profundidad por expansión óptica . [7] El cambio de estímulo dinámico permite al observador no sólo ver el objeto en movimiento, sino también percibir la distancia del objeto en movimiento. Así, en este contexto, el cambio de tamaño sirve como señal de distancia. [8] Un fenómeno relacionado es la capacidad del sistema visual para calcular el tiempo de contacto (TTC) de un objeto que se acerca a partir de la tasa de expansión óptica, una capacidad útil en contextos que van desde conducir un automóvil hasta jugar un juego de pelota . Sin embargo, el cálculo del TTC es, estrictamente hablando, una percepción de velocidad más que de profundidad.
Si una figura rígida estacionaria (por ejemplo, un cubo de alambre) se coloca frente a una fuente puntual de luz de modo que su sombra caiga sobre una pantalla translúcida, un observador al otro lado de la pantalla verá un patrón bidimensional de líneas. Pero si el cubo gira, el sistema visual extraerá de los movimientos de las líneas la información necesaria para la percepción de la tercera dimensión y se verá un cubo. Este es un ejemplo del efecto cinético de profundidad . [9] El efecto también ocurre cuando el objeto giratorio es sólido (en lugar de una figura de contorno), siempre que la sombra proyectada consista en líneas que tengan esquinas o puntos finales definidos, y que estas líneas cambien tanto en longitud como en orientación durante la rotación. . [10]
La propiedad de las líneas paralelas que convergen en la distancia, en el infinito, nos permite reconstruir la distancia relativa de dos partes de un objeto o de elementos del paisaje. Un ejemplo sería pararse en una carretera recta, mirar hacia abajo y notar que la carretera se estrecha a medida que se aleja en la distancia. La percepción visual de la perspectiva en el espacio real, por ejemplo en habitaciones, asentamientos y en la naturaleza, es el resultado de varias impresiones ópticas y de la interpretación del sistema visual . El ángulo de visión es importante para el tamaño aparente . Un objeto cercano se visualiza en un área más grande de la retina , el mismo objeto o un objeto del mismo tamaño más lejos en un área más pequeña. [11] La percepción de la perspectiva es posible cuando se mira con un solo ojo, pero la visión estereoscópica mejora la impresión de lo espacial. Independientemente de si los rayos de luz que entran en el ojo proceden de un espacio tridimensional o de una imagen bidimensional, inciden en el interior del ojo sobre la retina como superficie. Lo que una persona ve se basa en la reconstrucción de su sistema visual, en el que una misma imagen en la retina puede interpretarse tanto en dos dimensiones como en tres dimensiones. Si se reconoce una interpretación tridimensional, ésta recibe preferencia y determina la percepción. [12]
En la visión espacial, la línea de visión horizontal puede desempeñar un papel. En la fotografía tomada desde la ventana de una casa, la línea de visión horizontal está al nivel del segundo piso (línea amarilla). Debajo de esta línea, cuanto más lejos estén los objetos, más arriba aparecerán en el campo visual . Por encima de la línea de visión horizontal, los objetos que están más lejos aparecen más bajos que los que están más cerca. Para representar impresiones espaciales en perspectiva gráfica , se puede utilizar un punto de fuga . [13] Al mirar a largas distancias geográficas , los efectos de perspectiva también se deben en parte al ángulo de visión, pero no sólo por este. En la imagen 5 de la serie, al fondo está el Mont Blanc , la montaña más alta de los Alpes. Parece más bajo que la montaña de enfrente en el centro de la imagen. Se pueden utilizar mediciones y cálculos para determinar la proporción de la curvatura de la Tierra en las proporciones percibidas subjetivamente .
Si se sabe que dos objetos tienen el mismo tamaño (por ejemplo, dos árboles) pero se desconoce su tamaño absoluto, las señales de tamaño relativo pueden proporcionar información sobre la profundidad relativa de los dos objetos. Si uno subtiende un ángulo visual mayor en la retina que el otro, el objeto que subtiende el ángulo visual mayor aparece más cerca.
Dado que el ángulo visual de un objeto proyectado sobre la retina disminuye con la distancia, esta información se puede combinar con el conocimiento previo del tamaño del objeto para determinar la profundidad absoluta del mismo. Por ejemplo, la gente suele estar familiarizada con el tamaño de un automóvil medio. Este conocimiento previo se puede combinar con información sobre el ángulo que subtiende en la retina para determinar la profundidad absoluta de un automóvil en una escena.
Incluso si se desconoce el tamaño real del objeto y solo hay un objeto visible, un objeto más pequeño parece más lejano que un objeto grande que se presenta en el mismo lugar. [14]
Debido a la dispersión de la luz por la atmósfera, los objetos que se encuentran a gran distancia tienen un menor contraste de luminancia y una menor saturación de color . Debido a esto, las imágenes parecen borrosas cuanto más alejadas están del punto de vista de una persona. En gráficos por computadora , esto a menudo se denomina " niebla a distancia ". El primer plano tiene un alto contraste; el fondo tiene poco contraste. Los objetos que difieren sólo en su contraste con el fondo parecen estar a diferentes profundidades. [15] El color de los objetos distantes también se desplaza hacia el extremo azul del espectro (por ejemplo, montañas distantes). Algunos pintores, en particular Cézanne , emplean pigmentos "cálidos" (rojo, amarillo y naranja) para acercar los rasgos al espectador, y pigmentos "fríos" (azul, violeta y azul verdoso) para indicar la parte de una forma que se curva. lejos del plano de la imagen .
La acomodación es una señal oculomotora para la percepción de profundidad. Cuando los humanos intentan enfocar objetos distantes, los músculos ciliares estiran el cristalino del ojo, haciéndolo más delgado y, por lo tanto, cambiando la distancia focal . Las sensaciones cinestésicas de los músculos ciliares que se contraen y relajan (músculos intraoculares) se envían a la corteza visual, donde se utilizan para interpretar la distancia y la profundidad. La adaptación sólo es efectiva para distancias superiores a 2 metros.
La ocultación (también conocida como interposición ) ocurre cuando las superficies cercanas se superponen a las lejanas. [16] Si un objeto bloquea parcialmente la visión de otro objeto, los humanos lo perciben como más cercano. Sin embargo, esta información sólo permite al observador hacer un "ranking" de cercanía relativa. La presencia de oclusiones ambientales monoculares consiste en la textura y geometría del objeto. Estos fenómenos son capaces de reducir la latencia de la percepción de profundidad tanto en estímulos naturales como artificiales. [17] [18]
En los extremos exteriores del campo visual , las líneas paralelas se vuelven curvas, como en una fotografía tomada a través de una lente ojo de pez . Este efecto, aunque generalmente se elimina tanto del arte como de las fotografías recortando o enmarcando una imagen, mejora en gran medida la sensación del espectador de estar ubicado dentro de un espacio tridimensional real. (La perspectiva clásica no tiene utilidad para esta llamada "distorsión", aunque en realidad las "distorsiones" obedecen estrictamente a leyes ópticas y proporcionan información visual perfectamente válida, tal como lo hace la perspectiva clásica para la parte del campo de visión que cae dentro de su campo visual. marco.)
Los detalles finos de los objetos cercanos se pueden ver claramente, mientras que dichos detalles no son visibles en los objetos lejanos. Los degradados de textura son las vetas de un elemento. Por ejemplo, en un largo camino de grava, la grava cerca del observador puede verse claramente en forma, tamaño y color. A lo lejos no se distingue claramente la textura de la carretera.
La forma en que la luz incide sobre un objeto y se refleja en sus superficies, y las sombras que proyectan los objetos proporcionan una señal eficaz para que el cerebro determine la forma de los objetos y su posición en el espacio. [19]
El desenfoque selectivo de imágenes se utiliza muy comúnmente en fotografía y vídeo para establecer la impresión de profundidad. Esto puede actuar como una señal monocular incluso cuando se eliminan todas las demás señales. Puede contribuir a la percepción de profundidad en imágenes naturales de la retina, porque la profundidad de enfoque del ojo humano es limitada. Además, existen varios algoritmos de estimación de profundidad basados en el desenfoque y el desenfoque. [20] Se sabe que algunas arañas saltarinas utilizan el desenfoque de la imagen para juzgar la profundidad. [21]
Cuando un objeto es visible en relación con el horizonte, los humanos tendemos a percibir los objetos que están más cerca del horizonte como más lejos de ellos, y los objetos que están más lejos del horizonte como más cerca de ellos. [22] Además, si un objeto se mueve desde una posición cercana al horizonte a una posición más alta o más baja que el horizonte, parecerá acercarse al espectador.
El paralaje ocular es un efecto de percepción en el que la rotación del ojo provoca cambios de imagen que dependen de la perspectiva. Esto sucede porque el centro óptico y el centro de rotación del ojo no son iguales. [23] El paralaje ocular no requiere movimiento de la cabeza. Es separado y distinto del paralaje del movimiento.
Las señales binoculares proporcionan información de profundidad al ver una escena con ambos ojos.
Los animales que tienen los ojos colocados frontalmente también pueden utilizar información derivada de las diferentes proyecciones de objetos en cada retina para juzgar la profundidad. Al utilizar dos imágenes de la misma escena obtenidas desde ángulos ligeramente diferentes, es posible triangular la distancia a un objeto con un alto grado de precisión. Cada ojo ve un ángulo ligeramente diferente de un objeto visto por el ojo izquierdo y el derecho. Esto sucede debido al paralaje de separación horizontal de los ojos. Si un objeto está lejos, la disparidad de esa imagen que llega a ambas retinas será pequeña. Si el objeto está cerca o cerca, la disparidad será grande. Es la estereopsis la que engaña a la gente haciéndoles creer que perciben profundidad cuando ven Magic Eyes , autoestereogramas , películas en 3D y fotografías estereoscópicas .
La convergencia es una señal oculomotora binocular para la percepción de distancia y profundidad. Debido a la estereopsis, los dos globos oculares enfocan el mismo objeto; al hacerlo convergen. La convergencia estirará los músculos extraoculares ; los receptores para esto son los husos musculares . Como sucede con la señal de acomodación monocular, las sensaciones cinestésicas de estos músculos extraoculares también ayudan en la percepción de distancia y profundidad. El ángulo de convergencia es menor cuando el ojo se fija en objetos que están lejos. La convergencia es efectiva para distancias inferiores a 10 metros. [24]
Antonio Medina Puerta demostró que las imágenes retinales sin disparidad de paralaje pero con diferentes sombras se fusionaban estereoscópicamente, impartiendo percepción de profundidad a la escena fotografiada. Llamó al fenómeno "estereopsis de las sombras". Por lo tanto, las sombras son una señal estereoscópica importante para la percepción de profundidad. [25]
De estas diversas señales, sólo la convergencia, la acomodación y el tamaño familiar proporcionan información absoluta sobre la distancia. Todas las demás señales son relativas (es decir, solo se pueden usar para saber qué objetos están más cerca de otros). La estereopsis es meramente relativa porque una mayor o menor disparidad para los objetos cercanos podría significar que esos objetos difieren más o menos sustancialmente en profundidad relativa o que el objeto foveado está más cerca o más lejos (cuanto más lejos está una escena, más pequeña es la retina). disparidad que indica la misma diferencia de profundidad).
Isaac Newton propuso que el nervio óptico de los humanos y otros primates tiene una arquitectura específica en su camino desde el ojo hasta el cerebro. Casi la mitad de las fibras de la retina humana se proyectan al hemisferio cerebral del mismo lado que el ojo del que se originan. Esa arquitectura se denomina hemi-decusación o proyecciones visuales ipsilaterales (del mismo lado) (IVP). En la mayoría de los demás animales, estas fibras nerviosas cruzan al lado opuesto del cerebro.
Bernhard von Gudden demostró que el OC contiene fibras retinianas tanto cruzadas como no cruzadas, y Ramón y Cajal [26] observó que el grado de hemidecusión difiere entre especies. [27] [26] Gordon Lynn Walls formalizó una noción comúnmente aceptada en la ley de Newton-Müller-Gudden (NGM) diciendo: que el grado de decusación de la fibra óptica en el quiasma óptico está relacionado de manera inversa con el grado de orientación frontal de la Ejes ópticos de los ojos. [28] [ página necesaria ] En otras palabras, que el número de fibras que no cruzan la línea media es proporcional al tamaño del campo visual binocular. Sin embargo, un problema de la ley de Newton-Müller-Gudden es la considerable variación interespecífica en la PIV que se observa en especies no mamíferas. Esa variación no tiene relación con el modo de vida, la situación taxonómica y la superposición de campos visuales. [29]
Así, durante mucho tiempo se planteó la hipótesis general de que la disposición de las fibras nerviosas en el quiasma óptico de primates y humanos se había desarrollado principalmente para crear una percepción precisa de la profundidad, la estereopsis, o explícitamente que los ojos observan un objeto desde ángulos algo diferentes y que esta diferencia en El ángulo ayuda al cerebro a evaluar la distancia.
La hipótesis de las extremidades anteriores (EF) sugiere que la necesidad de un control ojo-mano preciso fue clave en la evolución de la estereopsis. Según la hipótesis EF, la estereopsis es un resultado evolutivo de un proceso más vital: que la construcción del quiasma óptico y la posición de los ojos (el grado de dirección lateral o frontal) está determinada por la evolución para ayudar al animal a coordinar las extremidades ( manos, garras, alas o aletas). [30]
La hipótesis EF postula que tiene un valor selectivo tener vías neuronales cortas entre áreas del cerebro que reciben información visual sobre la mano y los núcleos motores que controlan la coordinación de la mano. La esencia de la hipótesis EF es que la transformación evolutiva en OC afectará la longitud y, por tanto, la velocidad de estas vías neuronales. [31] Tener el tipo de OC de primate significa que las neuronas motoras que controlan/ejecutan, digamos, el movimiento de la mano derecha, las neuronas que reciben información sensorial, por ejemplo táctil, sobre la mano derecha, y las neuronas que obtienen información visual sobre la mano derecha, todas estarán situadas en el mismo hemisferio cerebral (izquierdo). Lo contrario ocurre con la mano izquierda, el procesamiento de la información visual, táctil y el comando motor, todo lo cual tiene lugar en el hemisferio derecho. Los gatos y los marsupiales arbóreos (trepadores de árboles) tienen disposiciones análogas (entre el 30 y el 45% de la PIV y los ojos dirigidos hacia adelante). El resultado es que la información visual de sus extremidades anteriores llega al hemisferio derecho (de ejecución). La evolución ha dado lugar a fluctuaciones pequeñas y graduales en la dirección de las vías nerviosas en el OC. Esta transformación puede ir en cualquier dirección. [30] [32] Las serpientes, los ciclóstomos y otros animales que carecen de extremidades tienen relativamente muchas PIV. Cabe destacar que estos animales no tienen extremidades (manos, patas, aletas o alas) para dirigir. Además, las partes izquierda y derecha del cuerpo de los animales con forma de serpiente no pueden moverse independientemente una de otra. Por ejemplo, si una serpiente se enrolla en el sentido de las agujas del reloj, su ojo izquierdo sólo ve la parte izquierda del cuerpo y en el sentido contrario a las agujas del reloj el mismo ojo verá sólo la parte derecha del cuerpo. Por esa razón, es funcional para las serpientes tener algo de IVP en el OC (Desnudo). Los descendientes de ciclóstomas (en otras palabras, la mayoría de los vertebrados) que debido a la evolución dejaron de curvarse y, en cambio, desarrollaron extremidades anteriores se verían favorecidos al lograr vías completamente cruzadas siempre que las extremidades anteriores estuvieran ocupadas principalmente en dirección lateral. Los reptiles, como las serpientes, que perdieron sus extremidades, ganarían al recordar un grupo de fibras no cruzadas en su evolución. Eso parece haber sucedido, lo que proporciona un mayor apoyo a la hipótesis de EF. [30] [32]
Las patas de los ratones suelen estar ocupadas sólo en los campos visuales laterales. Por lo tanto, está de acuerdo con la hipótesis EF que los ratones tienen ojos situados lateralmente y muy pocos cruces en el OC. La lista del reino animal que apoya la hipótesis EF es larga (BBE). La hipótesis EF se aplica esencialmente a todos los vertebrados, mientras que la ley NGM y la hipótesis de la estereopsis se aplican en gran medida sólo a los mamíferos. Incluso algunos mamíferos presentan excepciones importantes, por ejemplo los delfines, aunque son depredadores, sólo tienen caminos no cruzados. [32]
Es una sugerencia común que los animales depredadores generalmente tienen ojos colocados frontalmente, ya que eso les permite evaluar la distancia a la presa, mientras que los animales presa tienen ojos en una posición lateral, ya que les permite escanear y detectar al enemigo a tiempo. Sin embargo, muchos animales depredadores también pueden convertirse en presas, y varios depredadores, como por ejemplo el cocodrilo, tienen ojos situados lateralmente y carecen de PIV. Esa arquitectura OC proporcionará conexiones nerviosas cortas y un control ocular óptimo del pie delantero del cocodrilo. [32]
Las aves suelen tener los ojos situados lateralmente, a pesar de ello consiguen volar, por ejemplo, a través de un bosque denso. En conclusión, la hipótesis EF no rechaza un papel significativo de la estereopsis, pero propone que la magnífica percepción de profundidad (estereopsis) de los primates evolucionó para estar al servicio de la mano; que la arquitectura particular del sistema visual de los primates evolucionó en gran medida para establecer vías neuronales rápidas entre las neuronas involucradas en la coordinación de la mano, ayudándola a agarrar la rama correcta [31]
La mayoría de los herbívoros de llanura abierta , especialmente los herbívoros con pezuñas, carecen de visión binocular porque tienen los ojos a los lados de la cabeza, lo que les proporciona una vista panorámica, de casi 360°, del horizonte, lo que les permite notar el acercamiento de los depredadores desde casi cualquier dirección. . Sin embargo, la mayoría de los depredadores tienen ambos ojos mirando hacia adelante, lo que les permite la percepción binocular de la profundidad y les ayuda a calcular distancias cuando saltan o se abalanzan sobre sus presas. Los animales que pasan mucho tiempo en los árboles aprovechan la visión binocular para juzgar distancias con precisión cuando se mueven rápidamente de una rama a otra.
Matt Cartmill, antropólogo físico y anatomista de la Universidad de Boston , ha criticado esta teoría, citando otras especies arbóreas que carecen de visión binocular, como las ardillas y ciertas aves . En cambio, propone una "hipótesis de depredación visual", que sostiene que los primates ancestrales eran depredadores insectívoros parecidos a los tarseros , sujetos a la misma presión de selección para la visión frontal que otras especies depredadoras. También utiliza esta hipótesis para explicar la especialización de las manos de los primates, que, según él, se adaptaron para agarrar presas, de forma similar a la forma en que las aves rapaces emplean sus garras .
Las fotografías que capturan la perspectiva son imágenes bidimensionales que a menudo ilustran la ilusión de profundidad. La fotografía utiliza el tamaño, el contexto ambiental, la iluminación, el gradiente de textura y otros efectos para capturar la ilusión de profundidad. [33] Los estereoscopios y Viewmasters , así como las películas en 3D , emplean visión binocular obligando al espectador a ver dos imágenes creadas desde posiciones (puntos de vista) ligeramente diferentes. Charles Wheatstone fue el primero en discutir que la percepción de profundidad es una señal de disparidad binocular. [34] Inventó el estereoscopio, que es un instrumento con dos oculares que muestra dos fotografías del mismo lugar/escena tomadas en ángulos relativamente diferentes. Cuando se observaron, por separado por cada ojo, los pares de imágenes indujeron una clara sensación de profundidad. [35] Por el contrario, un teleobjetivo (utilizado en deportes televisados, por ejemplo, para enfocar a los miembros de la audiencia de un estadio) tiene el efecto contrario. El espectador ve el tamaño y los detalles de la escena como si estuviera lo suficientemente cerca como para tocarla, pero la perspectiva de la cámara aún se deriva de su posición real a cien metros de distancia, por lo que las caras y los objetos del fondo aparecen aproximadamente del mismo tamaño que los del primer plano. .
Los artistas capacitados conocen muy bien los diversos métodos para indicar la profundidad espacial (sombreado de color, niebla de distancia , perspectiva y tamaño relativo) y los aprovechan para hacer que sus obras parezcan "reales". El espectador siente que sería posible alcanzar y agarrar la nariz de un retrato de Rembrandt o una manzana en una naturaleza muerta de Cézanne , o entrar en un paisaje y caminar entre sus árboles y rocas.
El cubismo se basó en la idea de incorporar múltiples puntos de vista en una imagen pintada, como para simular la experiencia visual de estar físicamente en presencia del sujeto y verlo desde diferentes ángulos. Los experimentos radicales de Georges Braque , Pablo Picasso , Nu à la cheminée de Jean Metzinger , [36] La Femme aux Phlox de Albert Gleizes , [37] [38] o las vistas de la Torre Eiffel de Robert Delaunay , [39 ] [40] emplean la angularidad explosiva del cubismo para exagerar la ilusión tradicional del espacio tridimensional. El uso sutil de múltiples puntos de vista se puede encontrar en la obra tardía pionera de Cézanne, que anticipó e inspiró a los primeros cubistas reales. Los paisajes y naturalezas muertas de Cézanne sugieren poderosamente la percepción de profundidad altamente desarrollada del artista. Al mismo tiempo, como los demás postimpresionistas , Cézanne había aprendido del arte japonés la importancia de respetar el rectángulo plano (bidimensional) del propio cuadro; Hokusai e Hiroshige ignoraron o incluso invirtieron la perspectiva lineal y así recuerdan al espectador que una imagen sólo puede ser "verdadera" cuando reconoce la verdad de su propia superficie plana. Por el contrario, la pintura "académica" europea se dedicó a una especie de Gran Mentira de que la superficie del lienzo es sólo una puerta encantada a una escena "real" que se desarrolla más allá, y que la principal tarea del artista es distraer al espectador de cualquier desencantamiento. conciencia de la presencia del lienzo pintado. El cubismo , y de hecho la mayor parte del arte moderno, es un intento de confrontar, si no resolver, la paradoja de sugerir profundidad espacial en una superficie plana, y explorar esa contradicción inherente a través de formas innovadoras de ver, así como nuevos métodos de dibujo y pintura.
En robótica y visión por computadora , la percepción de profundidad a menudo se logra mediante sensores como las cámaras RGBD . [41]
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