Расшифровка автофокусного механизма мозга

Ученым удалось определить, как точно оценить фокус-ошибку - различие между расстоянием, на котором сфокусирован объектив, и расстоянием до цели, с одного размытого изображения.

Для нас это само собой понятно: мы можем смотреть как на дальний, так и на близкий объект, и если нужно, мгновенно сфокусироваться на нем. Большинство животных, как и человек, способны делать моментальную фокусировку с ошеломляющей точностью. Теперь исследователи говорят, что стали еще на один шаг ближе к пониманию мастерства мозга в выполнении данного трюка.

Психологи из Университета Техаса разработали простойалгоритм для быстрой и точной оценки фокус-ошибки из отдельного размытого изображения. Они говорят, что это и есть ключ к пониманию, как биологические визуальные системы избегают методов догадок и проверок, которые используются цифровыми камерами. Это так может углубить наше понимание о развитии близорукости у людей или помочь инженерам усовершенствовать цифровую фото- и видео-технику.

Для того, чтобы ясно увидеть объект, точная оценка размывания изображения имеет важное значение. Люди и животные инстинктивно изымают ключевые параметры из размытых изображений, определяют их расстояния к объекту и сразу точно фокусируют глаз на нужное фокусное расстояние, объясняет Гейслер. «У некоторых животных это является основным способом, которым они ощущают расстояние», говорит он. Например, хамелеон полагается на этот метод, чтобы точно определить положение летающего насекомого и точь-в-точь захватить ее языком в определенной точке. Если перед его глазами разместить линзы, которая изменит степень размытия, он начинает неправильно оценивать и определять расстояние до объекта.

Но ученые не знали, каким образом биологические системы так хорошо проводят визуальную оценку. Много исследователей считало, что мозг использовал систему догадок и проверок, для правильной оценки. По обыкновению так работает система автофокусировки камеры. Камера изменяет фокусное расстояние, измеряет контрасты в изображении и повторяет это до тех пор, пока не найдет максимальную степень контраста, говорит Бердж. «Эта процедура медленная, и поиск часто начинается в неверном направлении. Она основана на принципе, чем более максимальным будет контраст, тем лучше будет фокус, который не совсем правильный», говорит Бердж.

Чтобы найти ответ, как же все-таки человек и животные точно оценивают расстояние, используя размытие, Гейслер и Бердж использовали известные математические уравнения для компьютерного моделирования зрительной системы человека. Они представили компьютеру цифровые изображения естественных сцен - подобных тем, которые человек часто видит - лицо, цветы или пейзажи. Они отметили, что хотя содержание этих образов варьировало в широких границах, много параметров этих изображений - модели резкости, размывание и относительное количество деталей - все таки остались одинаковыми.

Потом исследователи попробовали имитировать как зрительная система человека обрабатывала бы эти изображения, прибавив набор фильтров для выявления этих возможностей к своей модели. Когда они размывали изображение, систематически изменяя ошибку фокуса в компьютерном моделировании, а потом наблюдали за ответами фильтров, они выявили, что могут точно предусмотреть размер фокус-ошибки в зависимости от ответов, которые получили с помощью фильтров. Исследователи утверждают, что это объясняет, как мозг человека и животных может быстро и точно определить фокус-ошибки без угадывания и проверки. Их исследование опубликовано в Трудах Национальной академии наук.

«Они представили доказательства, что в статическом изображении есть достаточно информации, чтобы определить, объект находится слишком близко или далеко», говорит Ларри Тибос, профессор оптометрии и исследователь зрения в Университете Индианы, Блумингтон. «На протяжении 50 или 60 лет, люди очень хорошо знают, в фокусе объект или нет. Статья показала нам, как зрительная система выполняет это с профессиональным мастерством»,

Исследователи также прибавили к их моделированию обычное визуальное несовершенство и выяснили, что когда дело доходит к оценке фокуса, недостатки на самом деле имеют важное значение. «Мы нашли, что такие недостатки в глазах, как астигматизм и хроматические аберрации, на самом деле помогают нам фокусироватся», объясняет Гейслер. Это может объяснить, почему люди, которые имели астигматизм и устранили его с помощью лазерной хирургии, на протяжении нескольких недель после этого начинают иметь проблемы с фокусированием, говорит Гейслер.

Такие результаты могут повлиять на процесс принятия медицинских решений, говорит Тибос. «Люди стремятся к совершенству», говорит он, «а возможно, лучше быть немного несовершенным».