Когда вы смотрите на проезжающую мимо машину или переводите взгляд с одного предмета на другой, вся картинка перед глазами буквально плывет. Каждое движение глаз заставляет изображение на сетчатке смещаться. Долгое время нейрофизиологи были уверены: мозг тратит колоссальные усилия на то, чтобы подавлять эту «дрожь», иначе мир воспринимался бы как бесконечное хаотичное мельтешение. Новое исследование, опубликованное в журнале Nature Communications, проясняет, что происходит на самом деле.

Группа ученых под руководством доктора Грегори ДеАнджелиса из Медицинского центра Рочестерского университета (США) доказала: движение, вызванное вращением глазных яблок, — вовсе не помеха, а важнейший инструмент работы зрения. Мозг использует эту, казалось бы, побочную информацию, чтобы вычислять, где находятся объекты, как быстро они движутся и, главное, на каком расстоянии от нас находятся в трехмерном пространстве. То, что раньше считалось визуальным шумом, на самом деле является встроенным сигналом, позволяющим сохранять стабильность и точность восприятия.

Трехмерное изображение

Чтобы понять, как именно мозг отделяет зерна от плевел, исследователи создали контролируемые виртуальные сцены. Добровольцы наблюдали за движущимися точками на экране, в то время как ученые меняли характер движения фона в зависимости от траектории взгляда участников.

Анализируя паттерны движения, доктор ДеАнджелис обнаружил любопытную закономерность: наблюдатели постоянно использовали общую картину смещения фона для того, чтобы определять положение объектов и следить за их перемещением. При этом одно и то же движение на сетчатке приводило к совершенно разным результатам восприятия.

Если общий паттерн указывал на чистое вращение глаз, мозг интерпретировал это одним способом, а если вращение сочеталось с боковым движением — совершенно иначе. Это разделение стало ключом к разгадке: сначала мозг просчитывает геометрию обзора, и только потом решает, видит ли он просто перемещающийся объект или объект, уходящий в глубину.

На протяжении всех экспериментов участники демонстрировали удивительное единодушие в своих ошибках. Люди систематически ошибались при оценке движения и глубины, но эти ошибки были не случайными, а строго повторяющимися.

Движущиеся на фоне точки создавали так называемый оптический поток — волнообразный паттерн, который распространяется по сетчатке при каждом движении глаз. Этот поток служил для мозга индикатором: вращаются ли сейчас глаза или смещаются вбок. В зависимости от того, какую траекторию «рисовал» оптический поток, испытуемые могли утверждать, что цель движется вбок, вверх или вниз, хотя физически на экране она всегда двигалась абсолютно одинаково.

«Мозг не игнорирует движение изображения, как считалось ранее, — комментирует доктор ДеАнджелис. — Напротив, он использует это движение как ценный источник данных, чтобы понять, что именно происходит в кадре, и точно оценить, как движется объект и насколько он далеко».

Как мы видим глубину

Феномен, который изучают ученые, знаком каждому. Когда вы следите взглядом за птицей или мячом, ваши глаза совершают плавное следящее движение. Это позволяет удерживать фокус на цели и не дает изображению размыться. Но глаза не просто вращаются в орбитах. Если вы сами при этом идете или поворачиваете голову, глаза совершают сложное встречное вращение, компенсируя движения тела.

Именно это боковое движение меняет всю картину. Близкие и далекие объекты начинают скользить по сетчатке в противоположных направлениях. Этот эффект физикам и фотографам известен как параллакс. Предметы рядом проносятся перед глазами быстрее и часто в другую сторону, чем далекий горизонт. Мозг улавливает эту разницу и мгновенно вычисляет расстояние.

В ходе эксперимента участников просили определить, находится ли цель ближе или дальше точки, на которой они фиксировали взгляд. Условия были специально усложнены: цель показывали только одному глазу и ее размер не менялся. Единственной подсказкой оставалось движение. И люди успешно справлялись с задачей, доказывая, что комбинация движений глаз и динамики сцены позволяет мозгу строить объемную карту мира.

Сегодня виртуальная реальность создает иллюзию глубины с помощью двух изображений — по одному для каждого глаза. Однако многие пользователи жалуются на головокружение и тошноту во время использования шлемов. Это явление даже получило название «киберболезнь».

Дискомфорт возникает из-за конфликта сигналов: глаза видят движение, а вестибулярный аппарат — внутреннее «ухо», отвечающее за равновесие, — сообщает, что тело неподвижно. Добавьте к этому движение глаз, которое создает дополнительные визуальные эффекты. Если ожидаемые мозгом паттерны движения не совпадают с тем, что показывает гарнитура, картинка может казаться нестабильной, а у пользователя начинается приступ дурноты.

Понимание того, как мозг использует сигналы собственного движения, может помочь разработчикам скорректировать изображение. Если дисплеи виртуальной реальности научатся обновлять картинку в зависимости от того, куда и как движутся глаза пользователя, это сделает виртуальные миры не только более реалистичными, но и комфортными для здоровья.