Estereopsis

Estereopsis (del griego antiguo στερεός (stereós) 'sólido', y ὄψις (ópsis) 'apariencia, vista&#39 ;) es el componente de la percepción de profundidad que se recupera a través de la visión binocular. La estereopsis no es el único factor que contribuye a la percepción de profundidad, pero es uno de los principales. La visión binocular ocurre porque cada ojo recibe una imagen diferente porque están en posiciones ligeramente diferentes en la cabeza (ojos izquierdo y derecho). Estas diferencias posicionales se denominan "disparidades horizontales" o, más generalmente, "disparidades binoculares". Las disparidades se procesan en la corteza visual del cerebro para producir una percepción de profundidad. Si bien las disparidades binoculares están presentes de forma natural al ver una escena tridimensional real con dos ojos, también pueden simularse presentando artificialmente dos imágenes diferentes por separado a cada ojo utilizando un método llamado estereoscopía. La percepción de profundidad en estos casos también se denomina "profundidad estereoscópica".

Sin embargo, la percepción de la profundidad y la estructura tridimensional es posible con información visible desde un solo ojo, como las diferencias en el tamaño del objeto y el paralaje del movimiento (diferencias en la imagen de un objeto a lo largo del tiempo con el movimiento del observador), aunque La impresión de profundidad en estos casos a menudo no es tan vívida como la que se obtiene con las disparidades binoculares. Por lo tanto, el término estereopsis (o profundidad estereoscópica) también puede referirse específicamente a la impresión única de profundidad asociada con la visión binocular (coloquialmente denominada "ver en 3D").

Se ha sugerido que la impresión de ser "real" La separación en profundidad está vinculada a la precisión con la que se deriva la profundidad, y que una conciencia consciente de esta precisión –percibida como una impresión de interactuabilidad y realidad– puede ayudar a guiar la planificación de la acción motora.

Distinciones

Estereopsis gruesa y fina

Hay dos aspectos distintos de la estereopsis: estereopsis gruesa y estereopsis fina, y proporcionan información profunda con diferente grado de precisión espacial y temporal.

• Estereopsias gruesas (también llamado estereopsias brutas) parece ser utilizado para juzgar el movimiento estereoscópico en la periferia. Proporciona el sentido de estar inmerso en el entorno propio y, por lo tanto, a veces también se conoce como estereopsias cualitativas. Estereopsis gruesa es importante para la orientación en el espacio mientras se mueve, por ejemplo al bajar un vuelo de escaleras.
• Estareopsias finas se basa principalmente en diferencias estáticas. Permite al individuo determinar la profundidad de los objetos en el área visual central (zona fusión de Panum) y por lo tanto también se llama estereopsias cuantitativas. Normalmente se mide en pruebas de puntos aleatorios; las personas que tienen estereopsis gruesas pero no finas son a menudo incapaces de realizar en pruebas de puntos aleatorios, también debido a la contención visual que se basa en efectos de interacción de contornos visuales adyacentes. La estereopsia fina es importante para tareas de motor fino, como roscar una aguja.

La estereopsis que un individuo puede lograr está limitada por el nivel de agudeza visual del ojo más pobre. En particular, los pacientes que tienen una agudeza visual comparativamente más baja tienden a necesitar frecuencias espaciales relativamente más grandes en las imágenes de entrada, de lo contrario no pueden lograr la estereopsis. La estereopsis fina requiere que ambos ojos tengan una buena agudeza visual para detectar pequeñas diferencias espaciales y se ve fácilmente alterada por la privación visual temprana. Hay indicios de que en el curso del desarrollo del sistema visual en los bebés, la estereopsis gruesa puede desarrollarse antes que la estereopsis fina y que la estereopsis gruesa guía los movimientos de vergencia necesarios para que se desarrolle la estereopsis fina en una etapa posterior. Además, hay indicios de que la estereopsis gruesa es el mecanismo que mantiene los dos ojos alineados después de la cirugía de estrabismo.

Estímulos estáticos y dinámicos

También se ha sugerido distinguir entre dos tipos diferentes de percepción de profundidad estereoscópica: percepción de profundidad estática (o percepción estéreo estática) y percepción de movimiento en profundidad ( o percepción de movimiento estéreo). Algunas personas que tienen estrabismo y no muestran percepción de profundidad usando estereopruebas estáticas (en particular, usando pruebas de Titmus, consulte la sección de este artículo sobre estereopruebas de contorno) sí perciben movimiento en profundidad cuando se las prueba usando estereogramas dinámicos de puntos aleatorios. Un estudio encontró que la combinación de estereopsis de movimiento y no estereopsis estática está presente solo en exótropos, no en esotropos.

Investigación sobre mecanismos de percepción

Hay fuertes indicios de que el mecanismo estereoscópico consta de al menos dos mecanismos de percepción, posiblemente tres. La estereopsis gruesa y fina son procesadas por dos subsistemas fisiológicos diferentes, y la estereopsis gruesa se deriva de estímulos diplopicos (es decir, estímulos con disparidades mucho más allá del rango de fusión binocular) y produce sólo una vaga impresión de la magnitud de la profundidad. La estereopsis gruesa parece estar asociada con la vía magno que procesa disparidades de frecuencia espacial baja y movimiento, y la estereopsis fina con la vía parvo que procesa disparidades de frecuencia espacial alta. El sistema estereoscópico grueso parece ser capaz de proporcionar información residual de la profundidad binocular en algunos individuos que carecen de estereopsis fina. Se ha descubierto que los individuos integran los diversos estímulos, por ejemplo, señales estereoscópicas y oclusión de movimiento, de diferentes maneras.

La forma en que el cerebro combina las diferentes señales (incluidas las señales estéreo, de movimiento, de ángulo de vergencia y monoculares) para detectar el movimiento en profundidad y la posición de los objetos en 3D es un área de investigación activa en las ciencias de la visión y disciplinas vecinas.

Prevalencia e impacto de la estereopsis en humanos

No todo el mundo tiene la misma capacidad de ver mediante estereopsis. Un estudio muestra que el 97,3% es capaz de distinguir la profundidad en disparidades horizontales de 2,3 minutos de arco o menos, y al menos el 80% podría distinguir la profundidad en diferencias horizontales de 30 segundos de arco.

La estereopsis tiene un impacto positivo en el ejercicio de tareas prácticas como enhebrar agujas, atrapar pelotas (especialmente en juegos de pelota rápidos), verter líquidos y otras. La actividad profesional puede implicar el manejo de instrumentos estereoscópicos como un microscopio binocular. Si bien algunas de estas tareas pueden beneficiarse de la compensación del sistema visual mediante otras señales de profundidad, hay algunas funciones para las que la estereopsis es imperativa. Las ocupaciones que requieren un cálculo preciso de la distancia a veces incluyen el requisito de demostrar cierto nivel de estereopsis; En particular, existe esta exigencia para los pilotos de aviones (aunque el primer piloto que voló solo alrededor del mundo, Wiley Post, logró su hazaña sólo con visión monocular). También los cirujanos suelen demostrar una alta agudeza estereoscópica. En cuanto a la conducción de automóviles, un estudio encontró un impacto positivo de la estereopsis en situaciones específicas y sólo en distancias intermedias; Además, un estudio sobre personas mayores encontró que el deslumbramiento, la pérdida del campo visual y el campo de visión útil eran predictores significativos de implicación en un accidente, mientras que las personas mayores & # 39; Los valores de agudeza visual, sensibilidad al contraste y estereoagudeza no se asociaron con accidentes.

La visión binocular tiene otras ventajas además de la estereopsis, en particular la mejora de la calidad de la visión mediante la suma binocular; Las personas con estrabismo (incluso aquellas que no tienen visión doble) tienen puntuaciones más bajas de suma binocular, y esto parece incitar a las personas con estrabismo a cerrar un ojo en situaciones visualmente exigentes.

Desde hace tiempo se reconoce que la visión binocular completa, incluida la estereopsis, es un factor importante en la estabilización del resultado posquirúrgico de las correcciones del estrabismo. Muchas personas que carecen de estereopsis tienen (o han tenido) estrabismo visible, que se sabe que tiene un impacto socioeconómico potencial en niños y adultos. En particular, tanto el estrabismo de ángulo grande como el de ángulo pequeño pueden afectar negativamente la autoestima, ya que interfiere con el contacto visual normal, causando a menudo vergüenza, ira y sentimientos de incomodidad. Para obtener más detalles sobre esto, consulte los efectos psicosociales del estrabismo.

Se ha observado que con la creciente introducción de la tecnología de visualización 3D en el entretenimiento y en las imágenes médicas y científicas, la visión binocular de alta calidad, incluida la estereopsis, puede convertirse en una capacidad clave para el éxito en la sociedad moderna.

Sin embargo, hay indicios de que la falta de visión estéreo puede llevar a las personas a compensar por otros medios: en particular, la ceguera estéreo puede dar a las personas una ventaja al representar una escena utilizando señales de profundidad monoculares de todo tipo, y entre los artistas aparecen un número desproporcionadamente alto de personas que carecen de estereopsis. En particular, se ha argumentado que Rembrandt pudo haber sido estereociego.

Historia de las investigaciones sobre estereopsis

La estereopsis fue explicada por primera vez por Charles Wheatstone en 1838: "... la mente percibe un objeto de tres dimensiones por medio de las dos imágenes diferentes que proyecta en las dos retinas...". Reconoció que debido a que cada ojo ve el mundo visual desde posiciones horizontales ligeramente diferentes, la imagen de cada ojo difiere de la del otro. Los objetos a diferentes distancias de los ojos proyectan imágenes en los dos ojos que difieren en sus posiciones horizontales, dando la señal de profundidad de disparidad horizontal, también conocida como disparidad retiniana y disparidad binocular. Wheatstone demostró que se trataba de una señal de profundidad eficaz al crear la ilusión de profundidad a partir de imágenes planas que sólo diferían en la disparidad horizontal. Para mostrar sus imágenes por separado a los dos ojos, Wheatstone inventó el estereoscopio.

Leonardo da Vinci también se había dado cuenta de que los objetos situados a diferentes distancias de los ojos proyectan en ambos ojos imágenes que difieren en sus posiciones horizontales, pero había llegado a la conclusión de que esto hacía imposible que un pintor representara una representación realista de la profundidad. en una escena de un solo lienzo. Leonardo eligió para su objeto cercano una columna con una sección transversal circular y para su objeto lejano una pared plana. Si hubiera elegido cualquier otro objeto cercano, podría haber descubierto una disparidad horizontal de sus características. Su columna fue uno de los pocos objetos que proyecta imágenes idénticas de sí mismo en los dos ojos.

La estereoscopía se hizo popular durante la época victoriana con la invención del estereoscopio de prisma por parte de David Brewster. Esto, combinado con la fotografía, significó que se produjeron decenas de miles de estereogramas.

Hasta aproximadamente la década de 1960, la investigación sobre la estereopsis se dedicaba a explorar sus límites y su relación con la unicidad de la visión. Los investigadores incluyeron a Peter Ludvig Panum, Ewald Hering, Adelbert Ames Jr. y Kenneth N. Ogle.

En la década de 1960, Bela Julesz inventó estereogramas aleatorios. A diferencia de los estereogramas anteriores, en los que cada imagen media mostró objetos reconocibles, cada imagen media de los primeros estereogramas de puntos aleatorios mostró una matriz cuadrada de unos 10.000 puntos pequeños, con cada punto teniendo una probabilidad del 50% de ser blanco o negro. No se pueden ver objetos reconocibles en la mitad de la imagen. Las dos medias imágenes de un estereograma de puntos aleatorios eran esencialmente idénticas, excepto que uno tenía un área cuadrada de puntos desplazados horizontalmente por uno o dos diámetros de puntos, dando disparidad horizontal. La brecha que dejó el cambio se llenó con nuevos puntos aleatorios, ocultando la plaza cambiada. Sin embargo, cuando las dos medias imágenes fueron vistas uno a cada ojo, el área cuadrada fue casi inmediatamente visible por estar más cerca o más lejos que el fondo. Julesz llamó caprichosamente a la plaza una imagen de Cyclopean después de los míticos Ciclops que sólo tenían un ojo. Esto fue porque era como si tuviéramos un ojo ciclopeo dentro de nuestros cerebros que puede ver estímulos ciclopeos ocultos a cada uno de nuestros ojos reales. Los estereogramas de puntos aleatorios destacaron un problema para los estereopsis, el problema de la correspondencia. Esto es que cualquier punto en una imagen media puede ser emparejado realistamente con muchos puntos de igual color en la otra imagen media. Nuestros sistemas visuales resuelven claramente el problema de la correspondencia, ya que vemos la profundidad prevista en lugar de una niebla de falsos partidos. La investigación comenzó a entender cómo.

También en la década de 1960, Horace Barlow, Colin Blakemore y Jack Pettigrew encontraron neuronas en la corteza visual del gato que tenían sus campos receptivos en diferentes posiciones horizontales en los dos ojos. Esto estableció la base neuronal de la estereopsis. Sus hallazgos fueron cuestionados por David Hubel y Torsten Wiesel, aunque finalmente aceptaron cuando encontraron neuronas similares en la corteza visual de los monos. En la década de 1980, Gian Poggio y otros encontraron neuronas en V2 del cerebro de mono que respondían a la profundidad de los estereogramas de puntos aleatorios.

En la década de 1970, Christopher Tyler inventó los autoestereogramas, estereogramas de puntos aleatorios que se pueden ver sin un estereoscopio. Esto llevó a las populares imágenes de Magic Eye.

En 1989, Antonio Medina Puerta demostró con fotografías que las imágenes de la retina sin disparidad de paralaje pero con diferentes sombras se fusionan estereoscópicamente, impartiendo percepción de profundidad a la escena fotografiada. Llamó al fenómeno "estereopsis de sombras". Por lo tanto, las sombras son una señal estereoscópica importante para la percepción de profundidad. Mostró cuán efectivo es el fenómeno al tomar dos fotografías de la Luna en diferentes momentos y, por lo tanto, con diferentes sombras, haciendo que la Luna aparezca estereoscópicamente en 3D, a pesar de la ausencia de cualquier otra señal estereoscópica.

Estereopsis humana en la cultura popular

Un estereoscopio es un dispositivo mediante el cual se pueden presentar diferentes imágenes a cada ojo, lo que permite estimular la estereopsis con dos imágenes, una para cada ojo. Esto ha dado lugar a diversas modas por la estereopsis, normalmente provocadas por nuevos tipos de estereoscopios. En la época victoriana eran los estereoscopios de prisma (que permitían ver fotografías en estéreo), mientras que en la década de 1920 eran las gafas de color rojo y verde (que permitían ver películas en estéreo). En 1939, el concepto del estereoscopio prismático se transformó en el View-Master, tecnológicamente más complejo, que sigue en producción en la actualidad. En la década de 1950, las gafas polarizadas permitían la estereopsis de películas en color. En la década de 1990 se introdujeron las imágenes del Ojo Mágico (autoestereogramas), que no requerían un estereoscopio, sino que dependían de que los espectadores utilizaran una forma de fusión libre para que cada ojo viera imágenes diferentes.

Base geométrica

La estereopsis parece procesarse en la corteza visual de los mamíferos en células binoculares que tienen campos receptivos en diferentes posiciones horizontales en los dos ojos. Una célula de este tipo está activa sólo cuando su estímulo preferido está en la posición correcta en el ojo izquierdo y en la posición correcta en el ojo derecho, lo que la convierte en un detector de disparidades.

Cuando una persona mira fijamente un objeto, los dos ojos convergen de modo que el objeto aparece en el centro de la retina en ambos ojos. Otros objetos alrededor del objeto principal aparecen desplazados en relación con el objeto principal. En el siguiente ejemplo, mientras que el objeto principal (delfín) permanece en el centro de las dos imágenes en los dos ojos, el cubo se desplaza hacia la derecha en la imagen del ojo izquierdo y hacia la izquierda cuando está en la imagen del ojo izquierdo. Imagen del ojo derecho.

Debido a que cada ojo está en una posición horizontal diferente, cada uno tiene una perspectiva ligeramente diferente de una escena que produce imágenes retinianas diferentes. Normalmente no se observan dos imágenes, sino una única visión de la escena, fenómeno conocido como unicidad de visión. Sin embargo, la estereopsis es posible con visión doble. Esta forma de estereopsis fue denominada estereopsis cualitativa por Kenneth Ogle.

Si las imágenes son muy diferentes (por ejemplo, si se pone bizco o si se presentan diferentes imágenes en un estereoscopio), entonces se puede ver una imagen a la vez, un fenómeno conocido como rivalidad binocular.

Hay un efecto de histéresis asociado con la estereopsis. Una vez que la fusión y la estereopsis se han estabilizado, la fusión y la estereopsis se pueden mantener incluso si las dos imágenes se separan lenta y simétricamente hasta cierto punto en la dirección horizontal. En la dirección vertical, hay un efecto similar pero menor. Este efecto, demostrado por primera vez en un estereograma de puntos aleatorios, se interpretó inicialmente como una extensión del área fusional de Panum. Posteriormente se demostró que el efecto de histéresis llega mucho más allá del área de fusión de Panum y que se puede percibir profundidad estereoscópica en estereogramas de líneas aleatorias a pesar de la presencia de ciclodisparidades de aproximadamente 15 grados, y esto se ha interpretado como estereopsis con diplopía. .

Interacción de la estereopsis con otras señales de profundidad

En circunstancias normales, la profundidad especificada por la estereopsis concuerda con otras señales de profundidad, como el paralaje del movimiento (cuando un observador se mueve mientras mira un punto de una escena, el punto de fijación, los puntos más cercanos y más lejos que el punto de fijación parecen moverse en contra o con el movimiento, respectivamente, a velocidades proporcionales a la distancia desde el punto de fijación), y señales pictóricas como la superposición (los objetos más cercanos cubren los objetos más lejanos) y el tamaño familiar (los objetos más cercanos parecen más grandes). que objetos más lejanos). Sin embargo, utilizando un estereoscopio, los investigadores han podido oponerse a varias señales de profundidad, incluida la estereopsis. La versión más drástica de esto es la pseudoscopía, en la que las medias imágenes de los estereogramas se intercambian entre los ojos, invirtiendo la disparidad binocular. Wheatstone (1838) descubrió que los observadores aún podían apreciar la profundidad general de una escena, en consonancia con las señales pictóricas. La información estereoscópica iba junto con la profundidad general.

Visión estéreo por computadora

La visión estéreo por computadora es parte del campo de la visión por computadora. A veces se utiliza en robótica móvil para detectar obstáculos. Las aplicaciones de ejemplo incluyen el ExoMars Rover y la robótica quirúrgica.

Dos cámaras toman fotografías de la misma escena, pero están separadas por una distancia, exactamente como nuestros ojos. Una computadora compara las imágenes mientras mueve las dos imágenes una encima de la otra para encontrar las partes que coinciden. La cantidad desplazada se llama disparidad. La computadora utiliza la disparidad con la que los objetos en la imagen coinciden mejor para calcular su distancia.

Para un ser humano, los ojos cambian su ángulo según la distancia al objeto observado. Para un ordenador esto representa una complejidad adicional significativa en los cálculos geométricos (geometría epipolar). De hecho, el caso geométrico más simple es cuando los planos de la imagen de la cámara están en el mismo plano. Alternativamente, las imágenes pueden convertirse mediante reproyección mediante una transformación lineal para que estén en el mismo plano de la imagen. Esto se llama rectificación de imagen.

La visión estéreo por computadora con muchas cámaras bajo iluminación fija se llama estructura a partir del movimiento. Las técnicas que utilizan una cámara fija y una iluminación conocida se denominan técnicas estéreo fotométricas o "forma a partir de sombreado".

Pantalla estéreo de computadora

Se han realizado muchos intentos de reproducir la visión estéreo humana en pantallas de computadora que cambian rápidamente y, con este fin, se han presentado ante la USPTO numerosas patentes relacionadas con la televisión y el cine en 3D. Al menos en Estados Unidos, la actividad comercial relacionada con esas patentes se ha limitado exclusivamente a los concesionarios y licenciatarios de los titulares de las patentes, cuyos intereses tienden a durar veinte años desde el momento de la presentación.

Sin contar la televisión y el cine 3D (que generalmente requieren más de un proyector digital cuyas imágenes en movimiento estén acopladas mecánicamente, en el caso del cine IMAX 3D), Sharp ofrecerá varios LCD estereoscópicos, que ya ha comenzado a comercializar un portátil con pantalla LCD estereoscópica integrada. Aunque la tecnología más antigua requería que el usuario se pusiera gafas o visores para ver imágenes generadas por computadora, o CGI, la tecnología más nueva tiende a emplear lentes o placas de Fresnel sobre las pantallas de cristal líquido, liberando al usuario de la necesidad de ponerse anteojos o gafas especiales.

Pruebas

En las pruebas de estereopsis (abreviadas: stereotests), se muestran imágenes ligeramente diferentes a cada ojo, de modo que se percibe una imagen en 3D en caso de que haya estereovisión. Esto se puede lograr mediante vectografías (visibles con gafas polarizadas), anaglifos (visibles con gafas rojo-verde), lentes lenticulares (visibles a simple vista) o tecnología de visualización montada en la cabeza. El tipo de cambios de un ojo a otro puede diferir según el nivel de estereoagudeza que se desee detectar. Por tanto, una serie de estereotests para niveles seleccionados constituye una prueba de estereoagudeza.

Hay dos tipos de pruebas clínicas comunes para estereopsis y estereocuidad: estereotipados de puntos aleatorios y estereotipados de contorno. Las pruebas de estereopsis de punto aleatorio usan imágenes de figuras estéreo que están incrustadas en un fondo de puntos aleatorios. Los estereotipos de contorno usan imágenes en las que los objetivos presentados a cada ojo se separan horizontalmente.

Pruebas estereoscópicas de puntos aleatorios

La capacidad de la estereopsis puede comprobarse, por ejemplo, mediante el Lang-Stereotest, que consiste en un estereograma de puntos aleatorios sobre el que se imprimen una serie de tiras paralelas de lentes cilíndricas con determinadas formas. , que separan las vistas vistas por cada ojo en estas áreas, de manera similar a un holograma. Sin estereopsis, la imagen parece sólo un campo de puntos aleatorios, pero las formas se vuelven discernibles a medida que aumenta la estereopsis, y generalmente consiste en un gato (lo que indica que existe una capacidad de estereopsis de 1200 segundos de arco de disparidad retiniana), una estrella ( 600 segundos de arco) y un coche (550 segundos de arco). Para estandarizar los resultados, la imagen debe verse a una distancia del ojo de 40 cm y exactamente en el plano frontoparalelo. Si bien la mayoría de los estereotest de puntos aleatorios como el Random Dot "E" Stereotest o TNO-Stereotest requerirá gafas específicas para la prueba (es decir, con gafas polarizadas o de color rojo-verde), Lang-Stereotest funciona sin el uso de gafas especiales, lo que facilita su uso en niños pequeños.

Estereopruebas de contorno

Ejemplos de estereopruebas de contorno son las estereopruebas de Titmus, siendo el ejemplo más conocido la estereoprueba de mosca Titmus, donde se muestra una imagen de una mosca con disparidades en los bordes. El paciente utiliza gafas tridimensionales para mirar la imagen y determinar si se puede ver una figura tridimensional. La cantidad de disparidad en las imágenes varía, como 400-100 segundos de arco y 800-40 segundos de arco.

Deficiencia y tratamiento

La deficiencia en estereopsis puede ser completa (entonces llamada estereoceguera) o más o menos alterada. Las causas incluyen ceguera en un ojo, ambliopía y estrabismo.

La terapia visual es uno de los tratamientos para personas que carecen de estereopsis. La terapia visual permitirá a las personas mejorar su visión a través de varios ejercicios, como fortalecer y mejorar el movimiento ocular. Existe evidencia reciente de que la estereoagudeza puede mejorarse en personas con ambliopía mediante el aprendizaje perceptual (ver también: tratamiento de la ambliopía).

En animales

Existe buena evidencia de estereopsis en todo el reino animal. Ocurre en muchos mamíferos, aves, reptiles, anfibios, peces, crustáceos, arañas e insectos. Los estomatópodos incluso tienen estereopsis con un solo ojo.