Глубокий взгляд

Начнем со стереограмм. Как они работают, и почему у некоторых людей не получается их «увидеть»? Несмотря на все обилие плакатов, книг и паззлов с эффектом стереограммы, я ни разу не видел, чтобы миллионам любознательных потребителей растолковали, в чем заключается их принцип действия. Понимание эффекта стереограммы – не только прекрасный способ проникнуть в механизмы восприятия, но и настоящее удовольствие для интеллекта. Стереограммы представляют собой еще один пример потрясающей изобретательности естественного отбора, на этот раз – расположенный у нас в голове.

Автостереограммы основаны не на одном, а на целых четырех открытиях, связанных с тем, как можно обмануть глаз. Первое из них, как ни странно, это изображение. Мы настолько пресыщены фотографиями, картинами, телевидением, кинематографом, что мы забываем, что все это – всего лишь иллюзия. Мазки краски или мерцающие точки люминофора вызывают у нас смех, слезы или даже сексуальное возбуждение. Люди создают изображения уже по крайней мере тридцать тысяч лет, и, вопреки распространенному в социологии убеждению, способность рассматривать их как отображение реального мира универсальна. Психолог Пол Экман произвел фурор в антропологии, показав, что изолированные от других людей племена Новой Гвинеи правильно интерпретируют выражение лица на фотографиях студентов из Беркли. (Эмоции, как и все остальное, ранее считались культурно-специфичными.) В поднявшейся шумихе осталось незамеченным более фундаментальное открытие: что жители Новой Гвинеи вообще видят то, что изображено на фотографиях, а не воспринимают их как серую бумагу с белыми пятнами. Фотография основана на проекции – законе оптики, который делает зрительное восприятие столь сложной задачей. Зрительное восприятие начинается с того, что фотон (единица энергии света) отражается от поверхности и проходит по прямой через зрачок, возбуждая один из фоторецепторов (колбочек и палочек), покрывающих изогнутую внутреннюю поверхность глазного яблока. Рецептор передает нервный сигнал в мозг, и первоочередная задача мозга – выяснить, из какого участка окружающего мира поступил этот фотон. К сожалению, луч, соответствующий траектории фотона, простирается в бесконечность, и единственное, что мозг знает наверняка, – это что световое пятно, из которого исходил фотон, находится где-то на пути этого луча. Это вполне может быть точка на расстоянии одного фута, одной мили или многих световых лет; информация о третьем измерении – расстоянии от предмета до глаза – утрачивается в процессе создания проекции. Эта неопределенность умножается многократно, поскольку на сетчатке есть еще миллион других рецепторов, и каждый из них точно так же не имеет ни малейшего понятия о том, на каком расстоянии от глаза находится световое пятно, вызвавшее его возбуждение. Следовательно, любое изображение на сетчатке может происходить от любого из многочисленных вариантов трехмерных поверхностей (см. схему на с. 17)[243].

Конечно, мы не осознаем этих бесконечных возможностей; мы уделяем внимание только одной из них, которая обыкновенно оказывается приближенной к правильному варианту. И здесь-то открывается лазейка для создателя иллюзий. Стоит расположить какую-либо субстанцию так, чтобы она проецировала на сетчатку такое же изображение, как и тот объект, который мозг более склонен узнать, и мозг никак не сможет различить их. Простейший пример – это новшество викторианской эпохи: через глазок в двери открывался вид на богато обставленную комнату, но когда дверь открывалась, оказывалось, что комната пуста. Роскошная комната была в кукольном домике, прикрепленном к двери поверх глазка.

Художник и психолог Адельберт Эймс-младший стал известен тем, что создавал еще более необычные комнаты-иллюзии. В одной из них на хаотично расположенных проволоках были подвешены к потолку палки и доски. Однако стоило посмотреть в комнату через глазок, и палки и доски выстраивались в проекцию стула. В другой комнате высота дальней от наблюдателя стены уменьшалась слева направо, но углы в комнате были такой необычной формы, что левая грань стены оказывалась достаточно короткой, чтобы компенсировать расширение в перспективе, а правая грань – достаточно длинной, чтобы компенсировать сужение. Наблюдателю, смотрящему в глазок с противоположной стороны комнаты, стена казалась прямоугольной. Система визуального восприятия ненавидит совпадения; она решает, что изображение правильной формы происходит от объекта, который на самом деле имеет правильную форму, а не от предмета нестандартной формы, который случайно оказался расположен таким образом. Эймс действительно располагал объекты неправильной формы таким образом, чтобы получить изображение правильной формы; свой хитроумный трюк он еще больше усложнил, используя кривые окна и напольные плитки. Когда девочка стоит в ближнем углу, а ее мать стоит в дальнем углу, от девочки на сетчатку проецируется изображение большего размера. Мозг при оценке размера принимает во внимание глубину, поэтому в повседневной жизни стоящий рядом ребенок никогда не кажется нам больше, чем взрослый, стоящий на расстоянии. Однако в нашем случае восприятие глубины мозгом становится жертвой его ненависти к совпадениям. Создается впечатление, что каждый дюйм стены находится на одном и том же расстоянии от смотрящего, поэтому изображения людей на сетчатке воспринимаются как есть, и ребенок становится выше своей матери. Когда они меняются местами, проходя вдоль дальней стены, ребенок уменьшается до размеров комнатной собачки, а мать превращается в Уилта Чемберлена[244]. Копии комнаты Эймса имеются в нескольких научных музеях (например, в музее «Эксплораториум» в Сан-Франциско), так что вы можете своими глазами увидеть эту потрясающую иллюзию (или даже побыть внутри нее).

Так вот, изображение – это всего лишь более удобный способ расположить материал так, чтобы получалась проекция, идентичная реальным объектам. Имитирующий материал располагается на плоской поверхности, а не в кукольном домике и не на подвешенной к потолку проволоке, и состоит он из мазков красящего вещества, а не из вырезанных из дерева деталей. Чтобы определить форму мазков, не обязательно обладать изощренной изобретательностью Эймса. Прием, о котором идет речь, кратко описал еще Леонардо да Винчи: «Перспектива – это ничто иное как созерцание пейзажа через совершенно прозрачное оконное стекло, на поверхности которого нарисованы расположенные за ним объекты». Если художник смотрит на пейзаж с фиксированной точки наблюдения и точно копирует его очертания – вплоть до последнего волоска на шерсти собаки, то глаз человека, который смотрит на рисунок с позиции художника, пронизывает такой же пучок световых лучей, что и при взгляде на оригинальный пейзаж. При взгляде из этого положения рисунок и изображенный на нем участок окружающего мира будут неразличимы. Какие бы посылки ни заставляли наш мозг воспринимать реальный мир как реальный мир, а не как совокупность мазков краски, точно те же посылки заставят его воспринимать рисунок как реальный мир, а не как совокупность мазков краски.

Какие же это посылки? Мы подробнее рассмотрим их чуть позже, а сейчас скажем о них лишь в общих чертах. Поверхности обладают ровным цветом и текстурой (это может быть равномерно зернистый фон, плетение или ноздреватость), поэтому постепенное изменение текстуры поверхности обычно бывает связано с освещением и перспективой. В мире часто встречаются параллельные, симметричные, ровные, прямоугольные фигуры, расположенные на плоской поверхности, которые в совокупности только создают впечатление сужающихся фигур; это кажущееся сужение объясняется эффектом перспективы. Объекты имеют ровный сплошной контур, поэтому если у объекта А мы видим выемку, которая заполнена объектом В, мы знаем, что А находится позади В; не бывает такого, чтобы выемка у объекта В случайно совпала по форме с выпуклостью у объекта А. То, как реализуются эти предположения, иллюстрируют данные рисунки, создающие ощущение глубины.

На самом деле художники-реалисты не мажут краской окна; они с помощью хранящихся в памяти зрительных образов и целого ряда приемов добиваются того же эффекта на холсте. Среди используемых приспособлений – решетки из проволоки, клетки, нацарапанные на стекле, туго натянутые нити, проходящие от пейзажа через дырочки в холсте к окулярной сетке, камера-обскура, камера-люсида, а теперь еще и фотокамера «Никон». И, конечно же, ни один художник не станет воспроизводить каждый волосок на шерсти собаки. Мазки кисти, фактура холста, форма рамы – все это делает рисунок некоторым отступлением от идеального образа окна, описанного Леонардо. Кроме того, мы почти всегда смотрим на картину с точки наблюдения, отличной от той, которую занимал художник перед своим окном, в результате чего пучок света, проходящий через глаз, отличается от того, который исходил от оригинального пейзажа. Именно поэтому любая картина лишь частично иллюзорна: мы видим, что на ней изображено, но одновременно мы видим, что это картина, а не реальность. Верный вывод нам подсказывают холст и рама, и, как ни удивительно, опираясь именно на эти признаки «картинности», мы выбираем точку наблюдения, стремясь компенсировать ее отличие от точки наблюдения художника. Мы аннулируем искажение изображения, представляя, что смотрим на него с перспективы художника, и правильно интерпретируем скорректированные таким образом очертания. Такая компенсация возможна не всегда. Когда мы опаздываем на киносеанс и садимся в переднем ряду, разница между нашей точкой наблюдения и точкой расположения камеры (которая аналогична положению художника в примере Леонардо с окном) оказывается слишком значительной, и мы видим искаженные фигуры актеров, движущиеся по трапециевидному экрану.

* * *

Это не единственное различие между искусством и реальной жизнью. Художник, рисуя картину, должен был смотреть на пейзаж с одной точки наблюдения. Человек, смотрящий на мир, видит его сразу с двух точек наблюдения: левого глаза и правого глаза. Поднимите палец и держите неподвижно; закройте сначала один глаз, а потом другой. Палец загораживает разные участки поля зрения. Точки обзора у наших глаз немного разные; в геометрии этот факт известен как бинокулярный параллакс[245].

У многих животных по два глаза, и те случаи, когда они направлены вперед, так что их зоны обзора накладываются друг на друга (в отличие от панорамного вида, когда глаза располагаются по сторонам головы), по-видимому, представляли для естественного отбора проблему: необходимо было совместить полученные изображения в единую картинку, которую могли бы использовать другие части мозга. Это гипотетическое изображение было названо в честь мифического существа с единственным глазом на лбу: Циклопа, одного из представителей племени одноглазых гигантов, встреченного Одиссеем в его путешествиях. Проблема создания циклопического изображения заключается в том, что непосредственного способа получить наложение изображений, полученных разными глазами, нет. Большинство объектов в этих двух изображениях занимают разные места, и расхождение это зависит от того, на каком расстоянии друг от друга они располагаются: чем ближе объект, тем дальше друг от друга располагаются его копии в проекциях двух глаз. Представьте, что смотрите на лежащее на столе яблоко, за ним лежит лимон, а перед ним – вишни.

Ваши глаза направлены на яблоко, поэтому его изображение приходится на центральную ямку (фовеа) каждого глаза: это точный центр сетчатки, где зрение самое острое. Яблоко на сетчатке каждого глаза находится в положении стрелки, указывающей на шесть часов. Теперь возьмем проекции вишен, которые расположены ближе. На сетчатке левого глаза они находятся на семь часов, а на сетчатке правого – на пять часов, не семь. Лимон, лежащий дальше, в левом глазу проецирует изображение на полшестого, а в правом на полседьмого. Объекты, расположенные ближе точки фиксации, «расходятся» в разные стороны, к вискам, а объекты, расположенные дальше, «прижимаются» к носу.

Вместе с тем, невозможность простого наложения открыла для эволюции новую возможность. Если вспомнить школьную программу тригонометрии, можно, используя разницу в проекции объекта на сетчатку обоих глаз, угол, образуемый линиями взора глаз, и расстояние между глазами, рассчитать, на каком расстоянии находится объект. Естественный отбор подключил к выполнению этих расчетов нейронный компьютер, дав любому существу с двумя глазами возможность «разбить» окно Леонардо и начать воспринимать глубину объекта. Механизм, позволяющий сделать это, называется стереоскопическим зрением.

Невероятно, но тысячелетиями этого никто не замечал. Ученые думали, что у животных два глаза по той же причине, по которой у них две почки: это побочный продукт двусторонне-симметричного плана тела и, вероятно, запасной орган на случай, если один будет поврежден. Возможность существования стереоскопического зрения не пришла в голову ни Эвклиду, ни Архимеду, ни Ньютону; не смог его оценить в полной мере даже Леонардо. Он не заметил, что два глаза по-разному видят сферу: левый глаз видит ее чуть дальше слева, а правый – чуть дальше справа. Если бы он в своем примере использовал не сферу, а куб, он бы заметил, что изображения на сетчатке различаются. Стереоскопическое зрение было открыто только в 1838 году. Открыл его Чарльз Уитстон, физик и изобретатель, в честь которого была названа электрическая схема «мост Уитстона». Уитстон писал:

Вполне очевидно, почему художник не в состоянии достоверно изобразить любой объемный предмет, – ведь он рисует лишь свое видение объекта. Если смотреть на картину и предмет двумя глазами, то в случае с картиной на сетчатку глаза проецируются две схожие картинки, два одинаковых изображения, а в отношении объемного предмета два изображения будут непохожими; следовательно, возникает естественная разница между впечатлением от органов чувств и восприятием, сформированным в сознании; изображение нельзя спутать с самим объемным предметом[246].

То, что стереоскопическое зрение было открыто так поздно, удивительно, потому что его не так сложно заметить даже в повседневной жизни. Закройте один глаз на несколько минут и занимайтесь обычными делами. Мир станет более плоским; вероятно, скоро вы обнаружите, что с трудом попадаете в дверной проем и просыпаете сахар себе на колени. Конечно, мир не станет совсем плоским. У мозга остаются другие виды информации, которые также присутствуют на фотографиях и в телевизионном изображении: сглаживание, затемнение, расположение на поверхности, изменение текстуры. Что еще более важно, у него остается движение. Когда вы передвигаетесь, ваша точка наблюдения постоянно меняется, в результате чего расположенные близко объекты проносятся мимо быстро, а расположенные дальше двигаются медленнее. Мозг интерпретирует картину течения как трехмерный мир, проносящийся мимо вас. Восприятие структуры оптического потока мы наблюдаем в фильмах «Звездный путь» и «Звездные войны» и в популярных заставках для компьютерного экрана, на которых белые точки, расходящиеся от центра монитора, создают впечатление полета сквозь космическое пространство (хотя в действительности звезды расположены слишком далеко, чтобы у реального экипажа звездного флота могло сложиться такое ощущение). Все эти источники данных о глубине объектов позволяют достаточно сносно справляться с задачей восприятия людям, слепым на один глаз – таким, как авиатор Уайли Пост или крайний нападающий, игравший в 1970-е годы за команду «Нью-Йорк джайентс». Мозг – это гибкий и математически подкованный потребитель информации; вероятно, именно поэтому ученые так долго не замечали факт использования мозгом одного из ориентиров, бинокулярной диспаратности.

Уитстон доказал, что разум превращает тригонометрию в сознание, когда разработал первую трехмерную картинку – стереограмму. Идея ее проста. Нужно сделать изображение, используя два окна Леонардо или, что гораздо удобнее, два фотоаппарата, каждый из которых расположен там, где должен располагаться глаз. Затем нужно поместить правую картинку перед правым глазом человека, а левую – перед левым. Если мозг решит, что оба глаза смотрят на один и тот же трехмерный мир, а источником различия в изображении является бинокулярный параллакс, он будет одурачен и сложит две картинки в циклопическое изображение, в котором объекты располагаются на разном расстоянии.

Правда, здесь Уитстон столкнулся с проблемой, которая до сих пор остается актуальной для стереоскопических устройств. Мозг в физическом плане приспосабливает глаза к глубине поверхности двумя способами. Во-первых, хотя я до сих пор описывал зрачок как маленькое отверстие, на самом деле в нем есть линза, которая собирает множество лучей света, исходящего из той или иной точки в реальном мире, и фокусирует их на определенной точке сетчатой оболочки. Чем ближе объект, тем больше должны искривляться лучи, чтобы сойтись в точку, а не в расплывчатый диск, и тем толще должен быть хрусталик глаза. Мышцы внутри глазного яблока утолщают хрусталик, чтобы сфокусировать зрение на ближних объектах, и делают его тоньше, чтобы сфокусировать зрение на далеких объектах.

Сжатие хрусталика контролируется рефлексом фокусировки, системой обратной связи, настраивающей форму хрусталика таким образом, чтобы мельчайшие детали изображения на сетчатке были максимально четкими. (Эта система аналогична той, что используется в некоторых аппаратах с автофокусировкой.) Нас раздражает, когда приходится смотреть плохо сфокусированную видеосъемку, потому что мозг пытается устранить расплывчатость изображения за счет аккомодации хрусталика, но тщетно.

Второй способ физического приспособления – направить глаза, которые отстоят друг от друга примерно на шесть сантиметров, на одну и ту же точку в окружающем мире. Чем ближе объект, тем больше приходится скашивать глаза.

Чтобы скосить глаза и снова развести их, мы используем мышцы по бокам глазных яблок; эти мышцы контролируются зоной мозга, которая старается устранить двоение картинки. (Если у человека двоится в глазах, это нередко свидетельствует о том, что мозг поврежден, подвергся токсическому воздействию или страдает от недостатка кислорода). Эта система аналогична функции дальномера в старых фотоаппаратах, где с помощью призмы происходило наложение двух изображений из двух видоискателей, а фотограф таким образом наклонял призму, соединенную с объективом фотоаппарата, чтобы выровнять изображения. Мозг использует принцип дальномера как еще один источник информации о глубине объекта, причем этот источник, по-видимому, является необходимым. Стереоскопическое зрение дает информацию только об относительной глубине – расстоянии до той точки, в которой сходятся линии взора, и за ней, а данные от направления глазных яблок, по-видимому, используются для получения восприятие абсолютной глубины.

А вот задачка для разработчика стереоскопа. Рефлекс фокусировки и рефлекс скашивания глаз связаны между собой. Когда вы фокусируете взгляд на точке, расположенной неподалеку, чтобы устранить потерю четкости, вы сводите глаза; когда фокусируете глаза на далеком объекте, они выравниваются. Если вы скашиваете глаза на расположенный близко объект, чтобы устранить двоение в глазах, мышцы сжимают хрусталик, чтобы навести фокус; если вы разводите глаза, глядя на дальний объект, мышцы расслабляются для дальней фокусировки. Такая слаженная работа совершенно разрушает принцип действия стереоскопа, в котором перед каждым глазом размещается маленькая картинка; оба глаза направлены прямо, каждый глаз смотрит на свою картинку. Но мы направляем взгляд вперед, когда хотим увидеть далекие объекты, поэтому глаза переходят в режим дальней фокусировки, и картинка расплывается. А если мы пытаемся сфокусировать взгляд, линии взора обоих глаз сходятся, и глаза смотрят на одну и ту же картинку, а не на разные, что тоже все портит. Глаза бегают туда-сюда, хрусталики сжимаются и вытягиваются, но все это происходит не тогда, когда нужно. Чтобы получить стереоскопическую иллюзию, приходится чем-то жертвовать.

Одно из возможных решений – разъединить эти рефлексы. Многие психологи-экспериментаторы тренируются с усердием факиров, чтобы освободиться от рефлексов и научиться «сливать» стереограммы усилием воли. Одни сводят глаза в воображаемой точке перед картинкой таким образом, что левый глаз смотрит на правую картинку и наоборот, одновременно фокусируя каждый глаз на картинке позади воображаемой точки. Другие фиксируют взгляд на бесконечности, одновременно поддерживая фокусировку. Я однажды потратил целый день на то, чтобы натренироваться делать это: я узнал, что, по мнению Уильяма Джеймса, этим навыком должен владеть любой хороший психолог. Однако от людей, у которых есть другие обязанности, едва ли можно ожидать такого упорства.

Изобретение Уитстона было немного неудобным, потому что он столкнулся еще с одной проблемой: рисунки и дагерротипы того времени были слишком большими, чтобы их можно было поместить перед глазами без наложения, а люди не могли развести глаза в стороны, как рыбы, чтобы каждый глаз смотрел на отдельную картинку. Поэтому он поместил картинки немного поодаль друг от друга и лицом друг к другу, как подпорки для книг, а между ними поместил два зеркала, склеенные вместе, как обложка раскрытой книги, так, чтобы каждое зеркало отражало одну картинку. Затем он поместил перед каждым зеркалом по призме таким образом, чтобы казалось, что два зеркала накладываются друг на друга. Когда люди смотрели через призмы и видели наложенные друг на друга отражения двух картинок, изображение на картинках неожиданно становилось трехмерным. С изобретением усовершенствованных фотоаппаратов и пленки меньшего формата у нас появились более простые, переносные устройства, которыми мы пользуемся до сих пор. Маленькие картинки (как и раньше, снятые с разных точек наблюдения, расположенных также, как глаза) помещаются рядом и разделяются перпендикулярно расположенным зеркалом, а перед каждым глазом помещается стеклянная линза. Линза освобождает глаз от необходимости фокусироваться на ближнем изображении, и глаз может расслабиться, перейдя в режим бесконечности. Глаза разворачиваются так, что взгляд оказывается направлен прямо вперед, каждый глаз смотрит на свою картинку, и картинки легко сливаются[247].

Стереоскоп стал телевизором XIX века. Семьи и друзья викторианской эпохи проводили целые вечера, разглядывая стереоизображения парижских бульваров, египетских пирамид или Ниагарского водопада. Заядлые коллекционеры и сейчас могут найти в магазинах антиквариата деревянные стереоскопы и «программное обеспечение» к ним (карточки с двойными фотографиями). Современная версия – это ViewMaster, продаваемое во всех популярных среди туристов городах мира недорогое устройство, с помощью которого можно увидеть ряд стереоизображений местных достопримечательностей.

Есть и другая техника – анаглиф: два изображения накладывают друг на друга на одной поверхности, а затем с помощью хитрых приемов заставляют каждый глаз увидеть только одно изображение, предназначенное для него. Знакомый пример – всем известные красно-зеленые картонные очки, которые ассоциируются с З-Э-манией начала 1950-х годов. На один и тот же белый экран проецируется изображение для левого глаза в красном цвете, а изображение для правого глаза – в зеленом цвете. Левый глаз смотрит на экран через зеленый фильтр, и фон кажется ему зеленым, а зеленые линии, предназначенные для другого глаза, невидимыми; красные линии, предназначенные для левого глаза, на этом фоне кажутся черными. Аналогичным образом, красный фильтр, через который смотрит правый глаз, делает фон красным, красные линии невидимыми, а зеленые линии черными. Каждый глаз получает собственное изображение, и на экране перед нами появляются как живые монстры из системы Альфа Центавра. К несчастью, у этой техники есть побочный эффект: когда два глаза видят очень сильно различающиеся рисунки как красный и зеленый фон, мозг не может слить их воедино. В результате поле зрения он разрезает на лоскуты и видит каждый «лоскут» как зеленый или красный; этот приводящий в замешательство эффект носит название «бинокулярное соревнование». В более легкой форме то же самое можно испытать, если держать палец на некотором расстоянии от себя и обоими глазами смотреть вдаль: вы получите двойное изображение. Если вы нарочно попытаетесь обращать внимание только на одно из двух изображений, то заметите, что части изображения начнут становиться то прозрачными, то непрозрачными, то растворяться, то снова появляться, и так далее.

Немного лучшая разновидность анаглифа – та, в которой поверх двух линз проектора и в картонные очки помещаются не цветные, а поляризационные фильтры. Изображение, предназначенное для левого глаза, проецируется левым проектором в виде световых лучей, которые колеблются в диагональной плоскости, вот так: /. Свет проходит через расположенный перед левым глазом фильтр, в котором сделаны микроскопические прорези, тоже расположенные по такой же диагонали, но не может пройти через фильтр, расположенный перед левым глазом: на него нанесены прорези с наклоном в противоположную сторону, вот так: . Напротив, фильтр перед правым глазом пропускает только свет, исходящий от правого проектора. Наложенные друг на друга изображения могут быть цветными, и они не вызывают соревнования между глазами. Этот метод был мастерски использован Альфредом Хичкоком в фильме «В случае убийства набирайте “М”» в сцене, где Грейс Келли протягивает руку за ножницами, чтобы ударить пытающегося ее задушить человека. То же самое едва ли можно сказать об экранизации Кола Портера «Целуй меня, Кэт», где танцовщица поет Too Darn Hot на кофейном столике.

Современные анаглифные очки имеют стекла, сделанные из жидкокристаллических панелей (как на электронных часах), которые действуют как бесшумный затвор фотообъектива с электронным управлением. В каждый отдельно взятый момент один затвор прозрачен, а второй – непрозрачен; благодаря этому глаза видят компьютерный экран перед ними по очереди. Очки синхронизированы с экраном, который показывает изображение для левого глаза в тот момент, когда открыт левый затвор, а изображение для правого глаза – в тот момент, когда открыт правый. Эти изображения чередуются слишком быстро, чтобы глаза успели заметить подмену. Данная технология используется в некоторых дисплеях виртуальной реальности. И все же самая современная виртуальная реальность – всего лишь высокотехнологичная версия викторианского стереоскопа. Компьютер выводит каждое изображение на маленький жидкокристаллический экран с линзой перед ним; экран располагается перед каждым из глаз внутри шлема или маски.

* * *

Все эти технологии заставляют пользователя надевать какое-то приспособление или заглядывать внутрь него. А настоящая мечта иллюзиониста – это стереограмма, которую можно видеть невооруженным глазом: автостереограмма. Принцип ее создания был открыт полтора столетия назад Дэвидом Брюстером, шотландским физиком, который изучал поляризацию света и изобрел калейдоскоп и стереоскоп викторианской эпохи. Брюстер заметил, что повторяющийся узор на обоях может неожиданно показаться объемным. Расположенные друг за другом фигуры – например, один и тот же цветок – могут заставить один глаз зафиксировать взгляд на них. Это может происходить оттого, что одинаковые цветы занимают одинаковое положение на сетчатке обоих глаз, и двойное изображение выглядит как одинарное. Более того, в обманчивый единый образ может слиться целый парад двойных изображений, кроме непарных копий по краям – как в случае с рубашкой, застегнутой не на ту пуговицу. Мозг, не видя двойного изображения, преждевременно успокаивается, считая, что направление взора выбрано правильно, и фиксирует взор на ложной линии. Получается, что глаза фокусируются на воображаемой точке, расположенной дальше поверхности стены, а цветы как бы парят в воздухе на некотором расстоянии. Более того, они кажутся объемными, потому что мозг делает свое тригонометрическое дело и рассчитывает, какими должны быть размеры цветка, расположенного на таком расстоянии, чтобы получилось данное изображение на сетчатке.

Простой способ испытать эффект классической стереограммы – это посмотреть на стену, покрытую кафелем, с расстояния в несколько дюймов – слишком близкого, чтобы можно было как следует сфокусировать и свести глаза. (Многие мужчины открывают для себя этот эффект, стоя у писсуара). Плитки перед глазами сразу сливаются, создавая сюрреалистическое впечатление, что они находятся на огромном расстоянии от смотрящего. Стена выворачивается наружу, а если головой поводить из стороны в сторону, то стена качнется в противоположном направлении. Именно так все должно было бы обстоять в реальном мире, если бы стена действительно находилась на таком расстоянии и проецировала на сетчатку такое изображение. Мозг создает эти иллюзии, изо всех сил пытаясь сделать галлюцинацию последовательной с точки зрения геометрии.

Брюстер также отметил, что при наличии любой неравномерности в расположении пары копий эти элементы кажутся более выступающими или, наоборот, далекими по сравнению с остальными. Представим, что цветы, которые на схеме расположены на линии взора, напечатаны немного ближе друг к другу. Линии взора приближаются друг к другу и сходятся в точке, более приближенной к глазам. В этом случае изображения на сетчатке расползаются по направлению к вискам, и воображаемый цветок кажется мозгу более близким. Аналогичным образом, если бы цветы были напечатаны чуть дальше друг от друга, линии взора пересекались бы дальше, а их проекции на сетчатке сбились бы ближе к носу. Мозгу почудилось бы, что призрачный цветок расположен на немного большем расстоянии.

Здесь мы подошли к простейшей разновидности иллюзии «магический глаз» – силуэтной автостереограмме. На некоторых стереограммах в книгах и на открытках можно увидеть ряды повторяющихся фигур: деревьев, облаков, гор, людей. Когда вы начинаете смотреть на стереограмму, каждый ярус объектов перемещается ближе или дальше и занимает собственное положение в пространстве (хотя в этих автостереограммах, в отличие от изогнутых, перед нашим взглядом не появляется никакого нового объекта; до таких изображений мы дойдем чуть позже). Вот пример такого изображения, выполненного Илавенил Суббиа.

Этот рисунок похож на обои Брюстера, но расстояния между фигурами здесь сделаны неравномерными специально, а не из-за халатности оклейщика. На рисунке умещается семь корабликов, потому что расстояния между ними небольшие, а арок только пять, потому что они размещены дальше друг от друга. Если посмотреть за рисунок, кажется, что кораблики ближе, чем арки, потому что соответствующие им линии взора сходятся в ближней плоскости. Если вы еще не научились видеть стереограммы, попробуйте поднести книгу близко к глазам. На таком расстоянии взгляд сфокусировать очень сложно; просто направьте взгляд вперед, позволяя картинке двоиться в глазах. Теперь медленно отводите книгу все дальше от лица, стараясь держать глаза расслабленными и смотреть «сквозь» книгу на воображаемую точку за ней. (Некоторые люди помещают поверх стереограммы кусок стекла или диапозитива, чтобы сфокусироваться на отражении дальних объектов.) В этот момент у вас по-прежнему должно двоиться в глазах. Фокус в том, чтобы дать одному из этих двух изображений наплыть поверх второго, а потом удержать их в этом положении, словно это магниты. Постарайтесь выровнять изображения. Постепенно они должны попасть в фокус и приобрести глубину. Как отмечает Тайлер, стереоскопическое зрение – это как любовь: если ты не уверен, значит, это не оно.

У некоторых получается лучше, если подержать палец в нескольких сантиметрах перед стереограммой, сфокусироваться на пальце, а потом убрать его, при этом удерживая глаза на той же точке в пространстве. С помощью этого приема можно добиться ложного слияния от скашивания глаз: левый глаз видит кораблик справа, а правый глаз видит кораблик слева. Не верьте тому, что вам говорила мама: от таких экспериментов глаза не останутся косыми навсегда. А то, каким способом у вас получится увидеть стереоизображение – сильно скосив глаза или не очень, – зависит от того, имеется ли у вас небольшая дивергенция или конвергенция зрительных осей.

У большинства людей после небольших тренировок получается научиться видеть силуэтные автостереограммы. Для этого не нужно часами медитировать, как те психологи, которые усилием воли сливают в стереоизображения стереограммы из двух картинок, потому что для этого не нужно в такой степени развивать умение отделять рефлекс фокусировки от рефлекса скашивания глаз. Чтобы увидеть в стереоизображении стереограмму из двух картинок, нужно достаточно широко развести глаза, чтобы каждый глаз оставался направленным на одну из картинок. Чтобы увидеть силуэтную стереограмму, нужно просто держать глаза достаточно широко разведенными в стороны, чтобы они были направлены на соседние одинаковые фигуры в пределах одной картинки. Фигуры расположены достаточно близко друг к другу, чтобы угол конвергенции глаз не слишком отклонялся от линии, на которой он должен быть с учетом рефлекса фокусировки. Скорее всего, вам будет не слишком сложно найти эту небольшую лазейку в тесном переплетении двух рефлексов, сфокусировав взгляд чуть-чуть ближе точки схождения линий взора. А если все-таки будет, не расстраивайтесь – может, и для вас найдется место в группе поддержки вместе с Эллен Дедженерес.

* * *

Фокус с силуэтной стереограммой – идентичными изображениями, которые обманом заставляют наши глаза воспринимать их рассогласованно, – подводит нас к фундаментальной проблеме, которую приходится решить мозгу, чтобы увидеть стереоизображение. Прежде чем соотнести положение одной и той же точки на сетчатках двух глаз, мозгу нужно удостовериться в том, что источником точки на первой сетчатке является та же точка в реальном мире, что и точка на второй. Если бы в мире была только одна такая точка, это было бы просто. Но стоит добавить еще одну, и у мозга будет уже два варианта того, как соотнести между собой изображения на сетчатке: либо точка 1 в левом глазу соответствует точке 1 в правом глазу, а точка 2 в левом глазу – точке 2 в правом глазу (правильное решение), либо точка 1 в левом глазу соответствует точке 2 в правом глазу, а точка 2 в левом глазу – точке 1 в правом (неправильное решение, в результате которого имеет место галлюцинация, состоящая из двух призрачных точек).

Стоит увеличить количество точек, и описанная сложность увеличится многократно. Если взять три точки, то мы получим шесть призрачных изображений; если взять десять – девяносто; если взять сто – почти десять тысяч. Эту так называемую проблему соответствия подметил в XVI веке астроном Иоганн Кеплер, задумавшийся о том, как глаза человека, наблюдающего за звездами, справляются с этими тысячами белых точек и как можно определить положение объекта в пространстве по его многочисленным проекциям. Силуэтная стереограмма заставляет мозг принять вероятное, но ложное решение проблемы соответствия.

До недавнего времени все считали, что мозг решает проблему соответствия в повседневной жизни, сначала распознавая объекты в каждом глазу, а затем находя соответствия одному и тому же объекту. Лимон в левом глазу соответствуют лимону в правом глазу, вишни в левом глазу – вишням в правом глазу. Стереозрение при поддержке интеллекта в целом может предотвратить ошибки в подборе соответствий, соотнося точки от объектов одного и того же типа. В среднем созерцаемый вид содержит миллионы точек, но лимонов в нем будет гораздо меньше – даже, может быть, всего один. Если бы мозг соотносил не точки, а объекты целиком, у него было бы значительно меньше возможностей для ошибки.

И все же природа сделала другой выбор. Первым шагом к пониманию этого стала еще одна из эксцентричных комнат Эймса. На этот раз неутомимый Эймс создал обычную прямоугольную комнату, но каждый квадратный дюйм пола, стен и потолка обклеил листьями. Если смотреть на комнату через глазок, она выглядела, как бесформенное зеленое море. Однако если на нее смотреть обоими глазами, она принимала правильную трехмерную форму. Эймс построил мир, который нельзя было увидеть ни левым глазом, ни правым глазом, а только глазом мифического циклопа. Но как у мозга получилось соотнести изображение в обоих глазах, если в основе зрения лежит распознавание и связывание объектов в каждом из них? Изображение в левом глазу было «лист лист лист лист лист лист лист лист». Изображение в правом глазу – «лист лист лист лист лист лист лист лист». Перед мозгом стояла невообразимо сложная проблема соотнесения. Тем не менее он без всяких усилий соединил эти два изображения и составил циклопическое изображение.

Этот пример не безупречен. Что, если углы комнаты не были идеально замаскированы листьями? Возможно, в картинке, которую получил каждый глаз, были какие-то подсказки относительно формы комнаты, а когда мозг соединил два изображения, он окончательно уверился в том, что эти подсказки были верными. Безупречным доказательством того, что мозг способен решать проблему соотнесения без узнавания объектов, стал оригинальный способ использования компьютерной графики, который придумал психолог Бела Юлеш. До того, как Юлеш в 1956 году иммигрировал из Венгрии в США, он был инженером по радиолокации и проявлял особый интерес к воздушной разведке. При разведке с воздуха используется хитрость: стереографический обзор позволяет раскрывать маскировку. Замаскированный объект покрыт рисунком, напоминающим фон, на котором он находится, благодаря чему граница между объектом и фоном становится невидимой. Однако если этот объект не плоский, при наблюдении с двух точек обзора его маскировочный рисунок будет выглядеть немного по-разному, в то время как рисунок фона будет различаться не так сильно, потому что расстояние до него больше. Хитрость, используемая в воздушной разведке, заключается в том, чтобы сфотографировать местность, потом позволить самолету пролететь немного подальше и снова сфотографировать ее. Фотографии помещают рядом и исследуют с помощью гиперчувствительного детектора диспаратности изображений. Этот детектор – человек. Человек просто-напросто смотрит на фотографии с помощью прибора для стереоизмерений – словно он одноглазый гигант, взирающий с неба на ту местность, над которой была сделана фотография, – и замаскированные объекты приобретают оптическую глубину. Поскольку замаскированный объект по определению невидим при обычном рассмотрении, можно сказать, что это еще один пример ситуации, в которой циклопический глаз видит то, чего не видит ни один реальный глаз.

Доказательством должен был стать идеальный камуфляж, и здесь-то Юлеш обратился к компьютеру. В качестве изображения, получаемого левым глазом, он использовал квадрат, заполненный в произвольном порядке точками наподобие помех на телевизионном экране. Затем Юлеш с помощью компьютера сделал копию изображения для правого глаза, но с небольшим изменением: он переместил один участок, заполненный точками, немного влево, а в образовавшийся пробел справа вставил новый участок, заполненный в произвольном порядке точками, тем самым идеально замаскировав перемещенный участок. По отдельности каждая из полученных картинок выглядела, как рассыпанный перец. Но стоило поместить картинки в стереоскоп, и перемещенный кусочек приподнимался над остальным изображением.

Многие специалисты по стереоскопическому зрению в то время отказывались верить в это просто потому, что проблема соотнесения, которую приходилось решать мозгу, была слишком сложной. Они подозревали Юлеша в том, что он оставил крохотные следы на одной из картинок, когда переносил кусочек изображения. Но, конечно, компьютер не мог сделать ничего подобного. Любому, кто увидит случайно-точечную стереограмму, уже не нужны будут другие доказательства.

Все, что потребовалось Кристоферу Тайлеру, который периодически сотрудничал с Юлешем, чтобы изобрести автостереограмму «магический глаз», – совместить силуэтную автостереограмму со случайно-точечной стереограммой. Компьютер генерирует вертикальную полоску из точек и размещает копии полоски рядом друг с другом, создавая «обои» из случайных точек. Скажем, ширина каждой полоски— десять точек. Пронумеруем эти точки от одного до десяти (десятую точку пометим с помощью ноля):

и так далее. Любое сочетание точек – скажем, 5678 – повторяется каждые десять точек. Когда наши глаза фиксируются на соседних полосках, полоски сливаются в одну, как и в случае с силуэтной стереограммой, за одним исключением: мозг накладывает друг на друга не цветы, а полоски из точек, расположенных произвольным образом. Помните, что в силуэтной стереограмме копии узора, расположенные близко друг к другу, «парят» над остальными, потому что их линии видимости сходятся в точке, расположенной ближе к наблюдателю? Чтобы заставить кусочек картинки из точек «парить» над остальным изображением, его создатель выделяет этот кусочек и помещает каждое сочетание точек в его пределах немного ближе к самой ближней копии этого сочетания. На рисунке внизу я попытался создать парящий прямоугольник. Для этого я вырезал две копии точки 4 в промежутке между стрелками; эти урезанные ряды можно отличить, потому что они на два символа короче. В пределах прямоугольника каждое сочетание точек – например, 5678 – повторяется каждые девять символов, а не десять. Мозг интерпретирует копии, которые стали ближе друг к другу, как изображения объектов, расположенных ближе, и прямоугольник поднимается. Эта схема, кстати говоря, не только показывает, как делаются автостереограммы, но и сама может служить довольно приличным примером автостереограммы. Если вы посмотрите на нее так же, как на силуэтную стереограмму, у вас перед глазами должен появиться прямоугольник[248]. (Звездочки над схемой должны помочь вам увидеть стереоизображение; позвольте глазам свободно смотреть перед собой, пока не увидите четыре звездочки. Затем медленно попытайтесь соединить двоящееся изображение таким образом, чтобы средние две звездочки слились; тогда вы увидите три звездочки вместо четырех. Теперь осторожно переведите взгляд на схему, не меняя фокусировки, и сможете увидеть парящий в воздухе прямоугольник.)

Кроме этого, чуть ниже на этой же картинке вы должны увидеть окошко. Я получил его, выбрав прямоугольный участок картинки и сделав противоположное тому, что делал перед этим: я вставил лишнюю точку (она помечена как Х) рядом с каждой копией точки 4 в пределах этого прямоугольника. В результате этого действия сочетания точек стали дальше друг от друга, они повторяются каждые одиннадцать символов. (Вы можете заметить, что дополненные ряды длиннее остальных.) Копии, отстоящие друг от друга на большее расстояние, для глаза равняются поверхности, которая дальше от смотрящего. Реальная случайно-точечная автостереограмма, конечно, состоит из точек, а не цифр, поэтому вы и не заметите ни вырезанных, ни вставленных кусочков; укороченные ряды дополняются лишними точками. Вот один пример. Самое интересное в настоящих случайно-точечных автостереограммах – это то, что момент, когда появляется стереоизображение, всегда удивляет смотрящего невидимыми до сих пор формами (см. с. 258).

Когда мода на автостереограммы охватила Японию, они вскоре превратились в форму искусства. Необязательно использовать точки – сойдет любой пестрый узор из маленьких фигурок, достаточно насыщенный, чтобы одурачить мозг, заставив глаза концентрироваться на соседних полосках. В первых серийно выпускаемых автостереограммах использовались разноцветные закорючки, но в Японии они состояли из цветов, океанских волн и даже листьев – как и в комнате Эймса. Благодаря компьютеру фигуры не обязательно должны быть плоскими силуэтами, как в диораме. Считывая координаты точек на поверхности, компьютер может поменять расположение каждой точки, построив твердое тело в циклопическом пространстве, вместо того, чтобы менять расположение целого участка. В этом случае перед глазами материализуются гладкие и выпуклые формы, выглядящие так, словно они обернуты листьями или цветами.

Почему же естественный отбор снабдил нас настоящим циклопическим зрением – способностью видеть в стереоизображении вещи, которые нельзя увидеть ни одним глазом в моноизображении, – а не более простой системой стереовосприятия, которая может соотносить друг с другом лимоны и вишни, видимые каждому глазу? Тайлер указывает на то, что наши предки на самом деле жили в покрытой листьями комнате Эймса. Эволюция приматов происходила среди деревьев, в окружении целой сети ветвей, замаскированных покрывалом листвы. Ценой неудачи было долгое падение на твердую землю. Естественному отбору, наверное, было сложно побороть искушение встроить стереокомпьютер в мозг этих двуглазых существ, но работать он мог только путем вычисления расхождений в тысячах кусочков рельефа. Крупные объекты, для которых было возможно однозначное соотнесение, были скорее редкостью.

Юлеш указывает еще на одно преимущество циклопического зрения. Маскировочная окраска использовалась животными задолго до того, как ее открыли для себя военные. Ранние приматы напоминали древесных приматов, лемуров и долгопятов, обитающих в наше время на Мадагаскаре и питающихся древесными насекомыми. Многие насекомые прячутся от хищников с помощью замирания, позволяющего обмануть механизмы распознавания движения, и маскировочной окраски, позволяющей обмануть механизмы распознавания контура. Циклопическое зрение – это эффективная контрмера, позволяющая обнаружить добычу точно таким же способом, как разведка с воздуха позволяет обнаружить танки и самолеты. Появление более продвинутого оружия в природе приводит к такой же гонке вооружений, как и на войне. Некоторым насекомым удается перехитрить стереоскопическое зрение хищников, распластав тело и прижавшись к земле, либо превратившись в живую скульптуру из листьев и веточек – используя трехмерный камуфляж[249].

* * *

Как работает циклопический глаз? Проблема соответствия – соотнесение точек в одном глазу с соответствующими точками в другом – просто неразрешимая загадка. Невозможно измерить стереоскопическую диспаратность двух точек, не выбрав предварительно пару точек для этого измерения. Однако в комнате, оклеенной листьями или в случайно-точечной стереограмме перед нами оказываются тысячи «кандидатов на измерение». Если бы мы знали, на каком расстоянии от нас находится поверхность, то знали бы, в какой точке на сетчатке левого глаза нужно искать соответствие точке на сетчатке правого глаза. Но если бы мы знали это, не было бы необходимости производить вычисление стереоизображения; у нас уже был бы ответ. Так как же это удается мозгу?

Дэвид Марр отмечал, что на помощь здесь приходят врожденные исходные посылки о мире, в котором происходила наша эволюция. Далеко не для всех n² возможных соответствий н-ному количеству точек источником является наша Земля, и хорошо спроектированный механизм поиска соответствий должен учитывать только соответствия, которые вероятны с физической точки зрения.

Во-первых, любая точка в мире в каждый данный момент времени привязана к данному положению на поверхности. Следовательно, закономерное соответствие должно объединять две идентичные друг другу точки на сетчатках двух глаз, источником которых стало одно и то же пятнышко в окружающем мире. Черная точка в одном глазу должна соответствовать черной, а не белой, точке в другом, потому что их совпадение должно представлять собой одно место на какой-либо поверхности, и это место не может быть одновременно черным пятнышком и белым пятнышком. Напротив, если черная точка соответствует черной точке, их источником явно является одно и то же место на какой-либо поверхности в окружающем мире. (Нарушение именно этого исходного положения лежит в основе автостереограммы: каждое пятнышко, составляющее картинку, оказывается одновременно в нескольких местах.)

Во-вторых, точка на сетчатке одного глаза должна соответствовать не более чем одной точке на сетчатке второго. Подразумевается, что линия взора каждого глаза должна заканчиваться на одной – и только одной – поверхности. На первый взгляд, кажется, что это исходное положение исключает ситуацию, при которой линия взора проходит через прозрачную поверхность и достигает другой, непрозрачной – например, дна неглубокого озера. Однако все не так просто: данное положение исключает лишь совпадение, при котором два идентичных пятнышка – одно на поверхности озера, а другое – на его дне – выстраиваются друг за другом с точки наблюдения левого глаза и при этом остаются одинаково видимыми с точки наблюдения правого.

В-третьих, материя отличается связностью и ровностью поверхности. По большей части линия взора упирается в ту или иную поверхность, которая располагается не намного ближе или дальше, чем поверхность, в которую упирается соседняя линия взора. Иными словами, соседствующие друг с другом участки видимого мира обычно располагаются на одной и той же поверхности. Конечно, на границе объекта эта закономерность всегда нарушается: край обложки этой книги находится в нескольких десятках сантиметров от вашего лица, но если вы переведете взгляд совсем немного вправо, может оказаться, что вы смотрите на Луну, которая находится в сотнях тысяч километров от вас. Тем не менее границы составляют лишь малую часть обозримого пространства (чтобы нарисовать контур, нужно гораздо меньше чернил, чем для того, чтобы его закрасить), и с этими исключениями можно смириться. Это исходное положение не подходит лишь для гипотетического мира, в котором наблюдателя со всех сторон окружают песчаные бури, тучи мошек, тонкая проволока, глубокие ущелья между скалистыми утесами, доски с гвоздями, лежащими вверх острием, и т. д[250].

В теории эти посылки звучат разумно, но на практике им еще нужно найти убедительные соответствия. Иногда подобного рода задачи могут быть решены с помощью метода удовлетворения ограничений, с которым мы сталкивались в главе 2, когда говорили про куб Неккера и речь с акцентом. Когда головоломку нельзя решить всю за один раз, приходится держать в уме несколько вариантов для каждой ее части, сравнивать варианты для разных частей головоломки и выяснять, какие из них взаимно состоятельны. Этот процесс можно сравнить с тем, как мы разгадываем кроссворд, пользуясь карандашом и ластиком. Часто бывает так, что задание для слова по горизонтали настолько неясно, что можно карандашом вписать несколько разных слов, и то же самое можно сказать про слово по вертикали. Но если окажется, что только у одного из вариантов слова по горизонтали есть общая буква с одним из вариантов слова по горизонтали, эту пару слов мы сохраняем, а остальные стираем. Вообразите, что мы сделаем то же самое для всех определений и клеток кроссворда одновременно, и получите представление о том, что такое метод удовлетворения ограничений. В случае с решением проблемы соответствия в стереоскопическом зрении определения слов – это точки, варианты – это найденные соответствия и их удаление, а три исходных положения о мире – это правила: каждая буква каждого слова должна занимать одну клетку, в каждой клетке должна быть буква, все последовательности букв должны складываться в слова.

Поиск допустимого решения можно иногда осуществить и с помощью сети ограничений наподобие той, которую я представил на с. 124. Марр вместе с нейробиологом-теоретиком Томазо Поджо разработали подобную сеть для стереозрения. Входные узлы соответствуют элементам изображения – таким, как черные и белые квадратики случайно-точечной стереограммы. Они подаются в совокупность узлов, которые представляют собой все множество (п х п) соответствий между точкой на сетчатке левого глаза и какой-либо другой точкой на сетчатке правого. При возбуждении одного из этих узлов сеть делает предположение, что в мире есть некое пятно, расположенное на определенном удалении (от точки схождения линий взора). Ниже приводится общий план сети, на котором показана лишь некоторая часть узлов[251].

Модель работает следующим образом. Узел возбуждается только в том случае, если получает одинаковые входные данные с обоих глаз (черный или белый), реализуя первое исходное положение (каждая точка на сетчатке привязана к той или иной поверхности). Поскольку все узлы взаимосвязаны, активация одного из узлов приводит к активации соседних узлов нижнего или верхнего уровня. Узлы, соответствующие разным парам элементов, лежащим на одной линии взора, тормозят друг друга, реализуя второе исходное положение (совпадающие точки не должны располагаться на одной линии взора). Узлы, соответствующие соседним точкам, расположенным на примерно одинаковом удалении, возбуждают друг друга, реализуя третье исходное положение (вещество образует единое целое). Возбуждение распространяется на другие узлы сети, и в конечном итоге сеть стабилизируется, причем возбужденные узлы образуют объемный контур. На схеме закрашенные узлы изображают контур, выступающий над фоном.

Метод удовлетворения ограничений, при котором тысячи процессоров делают предварительные предположения и сравнивают свои догадки друг с другом до тех пор, пока не будет найдено единое решение, соответствует общему понятию о том, что работа мозга основана на параллельных вычислениях взаимосвязанных процессоров. Он отражает в некоторой степени и психологический аспект. Когда мы смотрим на сложную случайно-точечную стереограмму, мы зачастую видим спрятанную в ней фигуру не сразу. Сначала из покрытого точками фона может показаться краешек фигуры, потом с нее словно постепенно снимается пелена, проясняется и выпрямляется размытая граница на противоположной стороне, и так до тех пор, пока не станет видно единое изображение. Мы ощущаем, как постепенно появляется решение, но не ощущаем сложной работы процессоров, которые пытаются его найти. Подобные случаи напоминают о том, что за каждым моментом, когда мы видим и думаем, скрываются десятки циклов обработки информации, проходящие на неосознаваемом уровне.

Модель Марра – Поджо позволяет передать общую суть того, какие вычислительные процессы в мозге стоят за стереозрением. Тем не менее реальные схемы вычисления значительно сложнее. Эксперименты показывают, что когда люди оказываются в искусственных условиях, где нарушены исходные посылки об уникальности и ровной поверхности, они видят не так плохо, как можно было ожидать, исходя из данной модели. По-видимому, мозг использует дополнительные виды информации для решения проблемы поиска соответствий. Во-первых, мир не состоит из случайных точек. Мозг способен найти соответствия для диагонали, пересечения линий, зигзага, кляксы или любой другой закорючки на сетчатках двух глаз (а таких элементов имеется множество даже на случайно-точечной стереограмме). Для закорючек гораздо реже находятся неправильные соответствия, чем для точек, поэтому количество соответствий, которые необходимо исключить, резко сокращается.

Другая хитрость поиска соответствий заключается в использовании еще одного следствия обладания двумя глазами – геометрической закономерности, замеченной еще Леонардо: есть части объекта, которые видит один глаз, но не видит другой. Поднимите перед собой вертикально ручку так, чтобы ее зажим был повернут от вас на одиннадцать часов. Закрывая по очереди то левый, то правый глаз, вы заметите, что зажим видит только левый глаз; от правого глаза он скрыт остальной частью ручки. Можно ли сказать, что естественный отбор, конструируя наш мозг, проявил такую же проницательность, как и Леонардо, намеренно дав ему этот ценный источник информации о границах объекта? Или наш мозг игнорирует эту подсказку, считая любое подобное несоответствие исключением из правила о том, что материя образует единое целое? Психологи Кен Накаяма и Синсукэ Симодзэ доказали, что для естественного отбора эта подсказка была существенна. Они создали случайно-точечную стереограмму, в которой информация о глубине изображения была заложена не в смещенных точках, а в точках, видимых только одному глазу и не видимых другому. Эти точки располагались по углам воображаемого квадрата, причем точки в верхнем и нижнем правых углах были видны правому глазу, а точки в верхнем и нижнем левых углах – левому. Глядя на эту стереограмму, люди видели парящий над фоном квадрат, определяемый этими четырьмя точками, что свидетельствует о том, что мозг действительно интерпретирует элементы, видимые только одному глазу, как элементы контура фигуры в пространстве. Накаяма и психолог Бартон Андерсон высказывают предположение, что есть специальные нейроны, чья цель – обнаруживать подобные явления; они реагируют на пару точек на сетчатке первого глаза, одна из которых может быть соотнесена с точкой на сетчатке второго глаза, а другая – не может. Эти детекторы трехмерного изображения помогают стереозрению сфокусироваться на границах «всплывающих» над фоном участков изображения[252].

* * *

Стереозрение не дано нам природой в нагрузку к глазам; для него необходимы особые зоны мозга. Мы знаем это потому, что около двух процентов людей отлично видят каждым глазом по отдельности, но не обладают циклопическим зрением; случайно-точечные стереограммы для них так и остаются двухмерными картинками. Еще четыре процента видят стереоизображение, но не очень хорошо. Еще более значительное меньшинство видит стереоизображение, но гораздо более избирательно. Одни не видят объем дальше точки фиксации взгляда; другие не видят объем ближе точки фиксации. Уитман Ричардс, открывший эти формы стереослепоты, выдвинул гипотезу о том, что в мозге есть три группы нейронов, каждая из которых распознает один из типов расхождений в положении точки на сетчатках двух глаз. Одна группа отвечает за пары точек, которые совпадают точно или почти точно, то есть за подробное восприятие глубины в точке фокусировки. Вторая группа отвечает за точки, смещенные к переносице и соответствующие дальним объектам.

Третья – за пары точек, смещенные к вискам и соответствующие ближним объектам. Нейроны, обладающие всеми этими свойствами, уже были обнаружены в мозге обезьян и кошек. Разные типы стереослепоты, по-видимому, детерминированы генетически, что означает, что каждый из перечисленных типов нейронов обусловлен определенным сочетанием генов.

Стереозрение появляется не с рождения и у детей или у молодняка животных может быть утрачено навсегда, если один из глаз временно не получал информацию из-за катаракты или пятна в поле зрения[253]. Пока все это звучит как скучная лекция о том, что стереозрение, как и все остальное, является сочетанием врожденности и среды. Тем не менее гораздо более удачным способом представить ситуацию будет, если мы скажем, что мозг требует сборки, а сборка требует плана выполнения проекта, которое занимает длительный период времени. Графику работ все равно, когда организм появится на свет; порядок сборки может продолжаться и после рождения. Этот процесс также требует, чтобы в критические моменты мозг был готов к поступлению информации, не предусмотренной генами.

Стереоскопическое зрение появляется у детей внезапно. Когда новорожденных приносят в лабораторию через равные промежутки времени, их в течение нескольких недель вообще не впечатляют стереограммы, и вдруг в какой-то момент они начинают смотреть на них, как завороженные. Чуть раньше или чуть позже этой эпохальной недели – примерно в возрасте трех-четырех месяцев – ребенку впервые удается как следует скосить глаза в одну точку (например, он начинает следить за игрушкой, которую подносят к его носу), и бинокулярное соперничество (то, что левый и правый глаз получают разное изображение), которое ранее его забавляло, начинает раздражать.

Я не имею в виду, что дети «учатся видеть стереоизображение», что бы это ни означало. Психолог Ричард Хелд предлагает более простое объяснение. Когда младенец рождается, каждый нейрон в принимающем слое зрительной коры мозга складывает сигналы, поступающие от соответствующих точек на сетчатках, а не хранит их по отдельности. Мозг не может сказать, от какого глаза был получен данный элемент изображения, и просто накладывает вид, полученный от одного глаза, поверх другого, получая двухмерное наложение. Без информации о том, от какого глаза получена та или иная закорючка, ни стереозрение, ни конвергенция, ни соперничество невозможны с логической точки зрения. Примерно к тому времени, как ребенку исполняется три месяца, каждый нейрон выбирает для себя «любимый» глаз, на сигнал которого он реагирует. Нейроны, расположенные одним уровнем ниже, теперь могут знать, когда тот или иной элемент изображения попадает на одну точку сетчатки одного глаза и на аналогичную точку (или слегка смещенную) сетчатки другого глаза – а именно это и нужно для стереозрения[254].

У кошек и обезьян, чей мозг ученые изучали непосредственно, именно так и происходит. Как только кора головного мозга животного приобретает способность отличить один глаз от другого, животное начинает видеть стереограммы в объеме. Это предполагает, что к тому моменту, когда входные данные впервые оказываются снабжены пометами «левый глаз» или «правый глаз», механизмы для стереовычисления предыдущего уровня уже должны быть установлены и запущены. У обезьян этот процесс занимает два месяца; к тому времени каждый нейрон выбирает «любимый» глаз, и детеныши начинают видеть объемное изображение. По сравнению с другими приматами, людей можно назвать «незрелорождающимися»: наши дети рождаются рано, при рождении они совершенно беспомощны и свое развитие заканчивают уже вне материнской утробы. Поскольку наши дети появляются на свет раньше обезьян по отношению к продолжительности детского возраста, формирование зон бинокулярного зрения происходит у них в более позднем возрасте, считая от момента рождения. Если говорить более обобщенно, когда биологи сравнивают основные этапы созревания зрительной системы у разных животных (одни рождаются раньше и беспомощными, другие – позже и хорошо видящими), они обнаруживают, что порядок ее формирования примерно одинаков, независимо от того, где проходят последние этапы созревания: в утробе матери или вне ее.

Формирование важнейших нейронов, привязанных к левому или к правому глазу, может быть нарушено в результате внешнего воздействия. Когда нейробиологи Дэвид Хьюбел и Торстен Визел провели эксперимент, прикрыв на некоторое время один глаз у котят и детенышей обезьяны, все нейроны входного слоя коры мозга настроились на другой глаз, тем самым сделав животное функционально слепым на тот глаз, который был прикрыт. Если глаз прикрывали в критический для развития животного период, то нарушение становилось необратимым – даже если зрительная депривация была непродолжительной. У обезьян зрительная система особенно уязвима в первые две недели жизни, а затем в течение первого года жизни она постепенно становится менее чувствительной. Если закрыть глаз взрослой обезьяне (даже на четыре года), это не повлечет за собой отрицательных изменений.

Поначалу это явление было воспринято как один из примеров того, что не используемая функция утрачивается, однако впереди ученых ждал сюрприз. Когда Хьюбел и Визел прикрыли животному оба глаза, результатом не стало в два раза более значительное нарушение функции; половина клеток вообще оказалась незатронутой. Радикальные изменения в эксперименте с закрыванием одного глаза были вызваны не тем, что нейрон, предназначенный для закрытого глаза, испытывал информационное голодание, а тем, что входные сигналы, поступавшие от незакрытого глаза, «выталкивали» сигналы, поступавшие от закрытого глаза. Глаза ведут постоянную конкурентную борьбу за собственность во входном слое коры мозга. Каждый нейрон вначале немного больше предрасположен к одному или к другому глазу, и эта предрасположенность постепенно усиливается под воздействием информации с этого глаза до тех пор, пока нейрон не начнет реагировать исключительно на нее. Входные данные не обязательно должны поступать из окружающего мира; для этого достаточно волн возбуждения, поступающих от промежуточных слоев сети – это что-то вроде генерируемой мозгом настроечной таблицы. Вся эта эпопея с формированием зрения, хотя оно и оказывается чувствительным к внешним обстоятельствам, не является собственно «обучением» в полном смысле слова. Подобно архитектору, который отдает черновой набросок чертежнику, чья работа – превратить его в чертеж из четких линий, гены строят нейроны, примерно ориентированные для определенного глаза, а затем запускают процесс, который обязательно отладит их – если не вмешается нейробиолог[255].

Как только мозг отделит изображение, полученное левым глазом, от изображения с правого глаза, последующие слои нейронов могут приступить к сравнению мельчайших расхождений в этих изображениях, сигнализирующих о глубине. Эти слои также могут меняться под воздействием обстоятельств жизни животного, причем иногда довольно неожиданным образом. Если экспериментатор сделает так, чтобы животное страдало сходящимся или расходящимся косоглазием, укоротив одну из глазных мышц, глаза будут направлены в разные стороны и на сетчатках двух глаз никогда не будут возникать одновременно одинаковые изображения. Конечно, угол между линиями взора глаз никогда не будет достигать 180°, поэтому теоретически мозг может научиться соотносить сегменты, которые все-таки накладываются друг на друга. Но, по-видимому, он не обладает способностью поиска соответствий, угол между которыми составляет более нескольких градусов; животное становится стереоскопически слепым, а зачастую и функционально слепым на один глаз – такое нарушение известно как амблиопия. (Иногда амблиопию называют «ленивым глазом» (англ. Lazy eye), но этот термин вводит в заблуждение. Нечувствительным к сигналу здесь является мозг, а не глаз, и нечувствительность эта связана с тем, что мозг активно подавляет вход информации с одного глаза, давая ему постоянное преимущество, а не с тем, что мозг игнорирует сигнал.)

То же самое может происходить и у детей. Если один глаз более дальнозоркий, чем другой, ребенок привычно напрягает зрение, чтобы сфокусироваться на расположенных поблизости объектах, и рефлекс, сочетающий в себе фокусировку и конвергенцию глазных яблок, приводит к смещению глазного яблока внутрь. Два глаза оказываются направленными в разные стороны (это нарушение называется «страбизм»), и получаемые ими изображения не становятся достаточно близко друг к другу, чтобы мозг мог использовать информацию о расхождениях в них. Ребенок вырастет с амблиопией и стереоскопической слепотой, если в раннем возрасте не будет проведена операция на глазных мышцах, которая выровняет глазные яблоки. До того времени, когда Хьюбел и Визел обнаружили этот эффект у обезьян, а Хелд выявил похожее явление у детей, хирургическое исправление страбизма считалось косметической операцией и проводилось только у детей школьного возраста. Тем не менее существует критический период для выравнивания нейронов двух глаз, который занимает немного больше времени, чем период формирования нейронов одного глаза, но, по-видимому, заканчивается ближе к одному или двум годам. После этого хирургическое вмешательство зачастую может оказаться уже бесполезным[256].

Почему же существует этот критический период, почему особенности зрения не могут четко определяться генами или формироваться на протяжении всей жизни под воздействием самых разных обстоятельств? У котят, обезьян и младенцев лицо продолжает расти после рождения и глаза постепенно становятся дальше друг от друга. Относительное расположение их точек обзора меняется, а нейронам приходится подстраиваться к ситуации, расширяя диапазон расхождений между глазами, которые они способны обнаруживать. Гены не могут предвидеть, в какой степени изменится расстояние между точками обзора, потому что это зависит от других генов, от питания и случайных обстоятельств. Поэтому нейроны следят за изменением расположения глаз во время окна роста. Когда глаза достигают положения в черепе, характерного для взрослой особи, эта необходимость исчезает, и как раз в этот момент заканчивается критический период. У некоторых животных – например, у кроликов – детеныши рождаются рано, лицевая часть черепа с возрастом почти не меняется, и глаза сразу занимают такое же положение, как у взрослой особи. (Так бывает чаще всего у хищных животных, которые не могут позволить себе такую роскошь, как долгое детство в беспомощном состоянии.) Нейронам, которые получают входной сигнал от двух глаз, не приходится перенастраиваться, так что, по сути, эти животные с рождения готовы к зрительному восприятию и обходятся без критического периода, когда их зрение чувствительно к входному сигналу[257].

Открытия, касающиеся возможности настройки бинокулярного зрения у разных видов, позволяют нам по-новому взглянуть на процесс обучения в целом. Обучение нередко описывают как неотъемлемый инструмент формирования аморфной ткани мозга. Однако не исключено, что это врожденный механизм приспособления к «графику работ» для собирающего самого себя организма. Геном строит тело животного лишь до определенной степени, а в случае с теми особенностями, которые не могут быть определены заранее (такими, как соответствующие нейронные связи для двух глаз, которые по мере роста расходятся в стороны с непредсказуемой скоростью), геном включает механизм сбора информации в тот период в развитии организма, когда он больше всего нужен. В книге «Язык как инстинкт» я привожу аналогичную аргументацию в отношении критического периода изучения языка в детстве.

* * *

Я провел вас через все тонкости восприятия стереограмм не только потому, что понимать внутренней механизм, стоящий за этим волшебным явлением, – само по себе очень интересно. Я считаю, что стереозрение – одно из чудес природы и ключ к тому, как, вероятно, работают другие компоненты мышления. Стереоскопическое зрение – это обработка информации, которую мы воспринимаем как одно из осязаемых проявлений сознания, как связь между ментальными вычислениями и восприятием – настолько закономерную, что программисты, умело манипулируя ею, способны завораживать миллионы пользователей. Стереоскопическое зрение является модулем мышления сразу в нескольких смыслах: оно работает без участия остальных компонентов мышления (ему не требуется распознавание объектов); остальные компоненты мышления могут работать без его участия (при необходимости мозг может обойтись другими способами проанализировать глубину объекта); оно накладывает определенные требования на взаимосвязи нейронов в мозге и опирается на специфические принципы, имеющие отношение конкретно к его задаче (геометрия бинокулярного параллакса). Хотя стереоскопическое зрение формируется в детстве и демонстрирует чувствительность к внешним факторам, нельзя считать, что можно исчерпывающе описать его с помощью формулировок «усвоенное в процессе обучения» или «результат взаимодействия природы и воспитания»; развитие – это часть плана сборки, а чувствительность к внешним факторам – это ограниченное получение информации структурированной системой. Стереоскопическое зрение – это проявление высочайшего инженерного мастерства естественного отбора, построенное на сложнейших принципах оптики, которые многие миллионы лет спустя открыли для себя такие ученые, как Леонардо да Винчи, Кеплер, Уитстон и инженеры воздушной разведки. Его формирование было реакцией на легко идентифицируемые направления давления естественного отбора в среде обитания наших предков. Оно позволяет решить нерешаемые задачи, опираясь на неявные допущения о мире, которые были истинными в то время, когда мы эволюционировали, но которые не всегда являются истинными в наше время.