XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Оптические иллюзии

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Махалина А.Р. 1

---

1МАОУ "Лицей №38"

Еделев А.Ю. 1

---

1МАОУ "Лицей №38" г. Нижний Новгород

Работа в формате PDF

2.8 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Оптические иллюзии - это ошибка в зрительном восприятии, а также различные искусственно создаваемые зрительные эффекты и виртуальные образы, основанные на использовании особенностей зрительных механизмов. Большинство обманов зрения, зависит от того, что мы не только смотрим, но и бессознательно при этом рассуждаем. "Мы смотрим не глазами, а мозгом", - говорят физиологи. Методы исследования: Анализ литературы и интернет-источников, опрос, сравнение, обработка полученных данных.

Актуальность

Проект об оптических иллюзиях важен, потому что они помогают понять, как работает наш мозг.Сегодня, когда вокруг так много визуальной информации, понимание иллюзий может быть очень полезным.Оно помогает замечать обман в дизайне и рекламе, создавать удобные интерфейсы и учит мыслить критически.

Цель:

Изучить природу оптических иллюзий, их виды и механизмы возникновения, понять, как особенности человеческого зрения приводят к ошибкам восприятия.

Задачи:

• Познакомиться с понятием оптических иллюзий и узнать причины их возникновения;

• Изучить наиболее распространённые виды оптических иллюзий;

• Провести эксперимент с одноклассниками по восприятию иллюзий;

• Сделать соответствующие выводы.

Глава I

1.1.Виды оптических иллюзий

Зрительный аппарат человека - сложно устроенная система с определенным пределом функциональных возможностей. В нее входят: глаза, нервные клетки, по которым сигнал передается от глаза к мозгу, и часть мозга, отвечающая за зрительное восприятие. В связи с этим выделяются три основные причины иллюзии:

1. Наши глаза так воспринимают идущий от предмета свет, что в мозг приходит ошибочная информация;

2. Нарушения происходят уже во время передачи сигнала по нервным путям к мозгу;

3. Мозг не всегда правильно реагирует на сигналы, приходящие от глаз.

Часто оптические иллюзии возникают сразу по двум причинам: являются результатом специфической работы глаза и ошибочного .

Также все зрительные иллюзии поддаются классификации и условно делятся на следующие группы:

1. Невозможные объекты

2. Зрительные искажения

3. Иллюзии восприятия размера

4. Цвет и контраст

5. Кажущиеся фигуры

6. Восприятие глубины

7. Перевёртыши

8. Двойственные образы

9. Движение

1.2.Ход оптических лучей и физиология зрительного восприятия

Фундамент оптических иллюзий заложен в двух ключевых процессах: физическом прохождении света через оптические среды глаза и последующей нейрофизиологической обработке сигнала. Для понимания их природы необходимо детально рассмотреть оба этапа.

1.2.1.Физическая оптика глаза и формирование изображения

Зрительная система начинается с глаза как оптического прибора. Роговица и хрусталик, обладающие разной преломляющей способностью, формируют сложную составную линзу. Световые лучи, отражаясь от объекта, проходят через следующие структуры:

• Роговица: обеспечивает примерно 2/3 общей преломляющей силы глаза благодаря разнице коэффициентов преломления воздуха и роговичной ткани. Является наиболее сильной биологической линзой из-за резкого перехода показателя преломления.

• Хрусталик: обладает переменной кривизной (аккомодация), что позволяет фокусировать на сетчатке лучи от объектов, находящихся на разном расстоянии. Его преломляющая сила достаточно большая - 15-20 диоптрий. Имеет градиентный показатель преломления: центральная часть плотнее, чем периферия.

• Водянистая влага передней камеры создаёт однородную среду для распространения света и поддерживает давление.

• Стекловидное тело — гелеподобное (студнеобразное) прозрачное вещество, заполняющее пространство между хрусталиком и сетчаткой в глазу. Оно занимает около 2/3 объёма глазного яблока, является его постоянной структурой, не регенерирует и замещается при потере внутриглазной жидкости. Завершает путь луча до сетчатки.

Процесс формирования изображения на сетчатке не является идеальным. Ему присущи аберрации:

• Хроматическая аберрация: лучи с разной длиной волны (разного цвета) преломляются под слегка разными углами, что может создавать цветовые ореолы.

• Сферическая аберрация: лучи, проходящие через периферию хрусталика, преломляются сильнее, чем центральные, что приводит к небольшому размытию.

В результате на сетчатке формируется действительное, уменьшенное и перевёрнутое изображение объекта.

1.2.2. Фототрансдукция: преобразование света в нервный импульс

Физиология сетчатки — первый этап обработки. Сетчатка выполняет роль высокочувствительной матрицы, где происходят не только сбор света, но и первичная обработка информации. Сетчатка — не пассивный экран. Свет фокусируется на фоторецепторах: колбочках (ответственных за цветовое зрение при высокой освещённости) и палочках (обеспечивающих чёрно-белое зрение при низкой освещённости).

Процесс фототрансдукции заключается в том, что фотон света вызывает химическую реакцию в молекуле зрительного пигмента (родопсина в палочках, йодопсина в колбочках). Эта реакция запускает каскад процессов, приводящий к гиперполяризации мембраны фоторецептора (электрофизиологическому явлению, представляющему собой увеличение разности электрических потенциалов между внутренней и наружной сторонами клеточной мембраны в ответ на световой стимул) и, как следствие, уменьшению высвобождения нейромедиатора (химического вещества, служащего сигнальной молекулой для передачи информации от фоторецептора к следующим нейронам сетчатки). Таким образом, свет не "активирует", а, наоборот, "тормозит" рецепторы, что является уникальным свойством зрительной системы.

1.2.3. Нейронная обработка: от сетчатки к коре головного мозга

Сигнал от фоторецепторов проходит через несколько слоёв нейронов сетчатки и претерпевает первичную обработку. Критически важным механизмом на этом этапе является латеральное торможение.

• Суть латерального торможения: возбуждённый нейрон (получивший сигнал от освещённого рецептора) тормозит активность соседних нейронов. Это усиливает контраст на границах разных по яркости объектов. Благодаря этому механизму мы чётко видим края и контуры, что жизненно важно для распознавания форм. Однако именно этот механизм лежит в основе многих иллюзий контраста и искажения (например, решётка Германа, иллюзии Геринга).

• Аксоны ганглиозных клеток формируют зрительный нерв, по которому сигнал передаётся в таламус (латеральное коленчатое тело), а оттуда — в первичную зрительную кору затылочных долей мозга.

• Роль зрительной коры: В зрительной коре возникают: анализ ориентации линий, распознавание глубины, анализ движения, интерпретация перспективы, обработка цвета. Нейроны в области первичной зрительной коры настроены на выделение конкретных признаков изображения: одни реагируют на линии определённой ориентации, другие — на движение в конкретном направлении, третьи — на диспаратность (разницу изображений на двух сетчатках, ключевую для стереозрения). Дальнейшая обработка в ассоциативных зонах коры (вторичная зрительная кора , область анализа цвета и сложных форм , средневисочная область (зона анализа движения) ) интегрирует эти признаки в целостный образ.

Именно на этих высших уровнях обработки, где мозг интерпретирует сырые данные, и возникают большинство иллюзий. Мозг не является пассивным приёмником информации. Большинство оптических иллюзий возникают не из-за дефектов оптической системы глаза, а вследствие работы сложных нейронных механизмов обработки зрительной информации. Мозг не просто регистрирует изображение с сетчатки, а активно интерпретирует его, опираясь на врождённые нейронные алгоритмы и прошлый опыт. Это называется предиктивной обработкой мозга. Таким образом, оптические иллюзии — это не дефекты зрительной системы, а, наоборот, демонстрация её высочайшей эффективности и адаптивности.

Глава II. Примеры оптических иллюзий

2.1.Невозможные фигуры

Иллюзии невозможных фигур возникают из-за конфликта между локальной корректностью отдельных элементов и глобальной пространственной противоречивостью. Мозг последовательно интерпретирует фрагменты как возможные, но их совокупность нарушает трёхмерную логику.

2 .1.1.Треугольник Пенроуза (трибар)

2.1.2.Невозможный трезубец («космическая вилка»)

2.1.3.Лестница Пенроуза

2.2. Зрительные искажения

Механизм: гиперактивность латерального торможения в зрительной коре. Нейроны, анализирующие ориентацию линий, получают асимметричные тормозные сигналы от соседних участков. Мозг ошибочно интерпретирует фоновые паттерны как признаки перспективы и автоматически «корректирует» форму линий, воспринимая их искривлёнными в трёхмерном пространстве.

1. Иллюзия кафе "Wall. Кажется, что линии не параллельны, а самом деле это не так.

2. Иллюзия изогнутых квадратов. Узор как бы изгибается вовнутрь. На самом деле квадраты ровные.

3. Иллюзия Геринга— оптическая иллюзия, где две прямые и параллельные линии на рисунке выглядят так, как будто они изогнуты наружу. Искажения создаются за счёт фона, который создаёт ложное впечатление глубины.

4. Иллюзия Вундта — классическая оптическая иллюзия. Суть: две красные вертикальные линии — прямые, но для некоторых наблюдателей они могут выглядеть искривлёнными внутрь.

5. Иллюзия Цёлльнера — классическая оптическая иллюзия. На этом рисунке длинные линии кажутся не параллельными, но в действительности они параллельны.

6. «Непоседливые стрелки»

Суть фокуса в том, чтобы нарисовать на листке бумаги два изображения друг под другом. Затем установить перед ним стеклянный стакан или банку без граней. Налить в сосуд воды так, чтобы нижнее изображение было под водой - стрелка поворачивается в другую сторону. Наливая воду в стеклянный сосуд, вы создаёте простейшую двояковыпуклую собирающую линзу.

2.2.7. Иллюзия наклонной башни

Кажется, что эти фотографии сняты под разными углами. На самом деле это две идентичные фотографии, поставленные рядом.

2.3.Иллюзии восприятия размера

Глазомерные оценки геометрических реальных величин очень сильно зависят от характера фона изображения. Это относится к длинам, площадям, радиусам кривизны.

Механизм: конфликт между монокулярными сигналами перспективы и механизмом константности размера. Мозг компенсирует кажущуюся удалённость объектов, изменяя их воспринимаемый размер. Дополнительную роль играет сравнительный контекст — объект кажется крупнее на фоне меньших элементов.

1. Иллюзия Понцо — параллельные линии, нарисованные между двумя наклонными линиями, кажутся намного длиннее или короче, чем на самом деле.

2. Иллюзия Мюллера-Лайера. Кажется, что линии разной длины. На самом деле они равные.

2.3.3.Иллюзия кинескопа. Кажется, что правая линия длинее. Нет, они одной длины.

2.3.4.Иллюзия Эббингауза (или «колесо Титони») — один и тот же круг, окружённый разными размерами кругов, кажется больше или меньше в зависимости от окружающих его элементов.

2.3.5.Столы Шепарда (иллюзия восприятия размера) — оптическая иллюзия, описанная Роджером Шепардом. Столы кажутся разными, что не так.

2.4.Цвет и контраст

Двойной механизм: на уровне сетчатки латеральное торможение создаёт ложные контрасты, на уровне коры цветопостоянство заставляет мозг «вычитать» предполагаемое освещение. При изменении условий освещения может проявляться сдвиг спектральной чувствительности .

1.  Эффект Пуркинье -  явление изменения цветового восприятия человеческим глазом при понижении освещённости объектов. Красные цвета в сумерках кажутся более тёмными, нежели зелёные, а в ночное время — практически чёрными, в то время как синие объекты «становятся» более светлыми. Это вызван более высокой чувствительностью колбочек в сетчатке глаза к жёлтому свету, тогда как палочки более чувствительны к синему свету, но при этом палочки не способны обеспечить цветное зрение.

2. Ц ветопостоянство— особенность человеческого восприятия цвета, которая заключается в том, что воспринимаемый цвет объекта остаётся примерно одинаковым при изменении цвета освещения.

3. О птическая иррадация — явление зрительного восприятия человеком трехмерных объектов и плоских фигур на контрастном фоне, при котором происходит оптический обман зрения, заключенный в том, что наблюдаемый предмет кажется иного размера, нежели его истинный размер.

4. И ллюзия тени Адельсона— оптическая иллюзия восприятия цвета. На рисунке изображена шахматная доска, стоящий на ней цилиндр и тень, отбрасываемая цилиндром. На первый взгляд кажется, что клетки A и B разного цвета. Однако, на самом деле, чёрно-белые клетки — просто различные оттенки серых. «Белые» клетки под тенью (включая B) являются фактически точно тем же оттенком серого, как «чёрные» клетки снаружи.

5. Р ешётка Германа (иллюзия решётки). В классическом варианте иллюзия проявляется в том, что места пересечения линий белой решётки, изображённой на чёрном фоне, воспринимаются как имеющие серые пятна. Серые пятна исчезают, если смотреть непосредственно в область пересечения белых линий.

2.5.Кажущиеся фигуры

Они связаны с тем, что на фоне разных объектов и фигур создается впечатление наличия несуществующих фигур. Мозг гипотетически достраивает отсутствующие фрагменты, создавая иллюзорные формы.

1. треугольник Каниша— оптическая иллюзия, в которой многие люди видят белый равносторонний треугольник, хотя на самом деле его нет. 

2. И ллюзия Эренштейна— это оптическая иллюзия восприятия яркости или цвета. Классический первоначальный вариант иллюзии состоит из четырёх линий (лучей в виде креста), которые вызывают восприятие иллюзорного круга в центре конфигурации. Поверхности, окружённые областями противоположной контрастной полярности, кажутся более яркими или более тёмными (если белый рисунок изображён на чёрном фоне).

2.6.Восприятие глубины

Иллюзии восприятия глубины — неадекватное отражение воспринимаемого предмета и его свойств. Мозг бессознательно видит рисунки только одновыпуклые (одновогнутые). Восприятие зависит от направления внешнего (реального или подразумеваемого) освещения. При конфликте сигналов мозг отдаёт приоритет более надёжным в эволюционном плане признакам (перспектива, известный размер), что может приводить к ошибкам оценки расстояния.

1. К омната Эймса. Став офтальмологом, он не прекратил свои исследования восприятия глубины, результатом которых и стала знаменитая комната Эймса. Комната Эймса – популярная оптическая иллюзия искажения размера. Комната, придуманная Адельбертом Эймсом младшим, представляет собой пример трёхмерной оптической иллюзии. Комната спроектирована таким образом, что при взгляде спереди кажется обычной, с перпендикулярными стенами и потолком. На самом деле, форма комнаты представляет собой трапецию, где дальняя стена расположена под очень острым углом к одной стене и, соответственно, под тупым углом к другой. Правый угол, таким образом, значительно ближе к наблюдателю, чем левый. За счёт иллюзии, усиливаемой соответственно искажёнными шахматными клетками на полу и стенах, человек, стоящий в ближнем углу, выглядит великаном по сравнению со стоящим в дальнем. Когда человек переходит из угла в угол, наблюдателю кажется, что он резко растёт или, наоборот, уменьшается.

2. 3D эффект (2D изображения кажутся объёмными)

Отрицательная диспаратность создаёт условия для восприятия человеком иллюзии обратной перспективы.

3. Иллюзия перекрытия (эффект перекрытия) — это восприятие пространства, при котором один объект перекрывает другой, создавая ощущение глубины.

4. Стереоэффект

 — ощущение протяжённости пространства и рельефности, возникающие при наблюдении реальных объектов, рассматривании стереопар, стереофотографий, стереоизображений и голограмм. Стереоэффект бывает прямой, обратный и нулевой. Для того чтобы увидеть прямой стереоэффект нужно создать условие, чтобы правый глаз видел только правый снимок, но не видел левого, а левый глаз видел только левый снимок, но не видел правого снимка. Обратный стереоэффект достигается путём замены правого и левого снимка местами,. Физиологические параллаксы меняют знак, и наблюдатель видит обратное изображение.

С тереофотография  (3D-фотография) — разновидность фотографии, позволяющая видеть заснятую сцену объёмной за счёт бинокулярного зрения. Принцип: объекты фотографируют одновременно с двух и более ракурсов (точек съёмки), в результате чего получается стереопара, части которой раздельно рассматриваются глазами зрителя.  Стереопара— пара плоских изображений одного и того же объекта (сюжета), полученных с двух разных точек зрения.

5. «Стереофеномен Пульфриха» — психофизический эффект восприятия, возникающий при искусственной или естественной задержке зрительного сигнала одного из глаз, в результате которого движущийся вбок объект в поле зрения интерпретируется зрительной корой как находящийся, в зависимости от направления и скорости движения, ближе или дальше от реального положения.

2.7.Перевёртыши

Перевёртыш — вид оптической иллюзии, в которой от направления взгляда зависит характер воспринимаемого объекта. Перевёртыши связаны с распознаванием различных образов в зависимости от пространственной проекции объекта. Мозг не может стабилизировать одну интерпретацию, из-за чего восприятие переключается, зависимость распознавания от ориентации и контекста.

2 .8.Двойственные образы— оптическая иллюзия, основанная на графической схожести предметов и свойстве зрительной системы интерпретировать одно и то же изображение по-разному. 

2.9. Движение

Иллюзия движения — статичные изображения могут создавать ощущение движения благодаря определённой композиции и взаимодействию элементов.

1. Иллюзия вращения

Если смотреть на картинку, то складывается ощущение, что круги вращаются, хотя на самом деле изображение статично.

2. И ллюзия волн

Работает аналогично иллюзиям вращения, но вместо вращения происходит волнение.

3. Ф рактальная пульсирующая иллюзия. Если рассматривать картинку, то заметны пульсирующие изменения в ее форме.

4. Стробоскоп (от греч.στρόβος — «кружение», «беспорядочное движение» и σκοπέω — «смотрю») — прибор, позволяющий быстро воспроизводить повторяющиеся яркие световые импульсы.

С тробоскопический эффект — это возникновение зрительной иллюзии неподвижности предмета или его мнимого движения при его прерывистом визуальном наблюдении. Этот эффект возникает из-за инертности человеческого зрения, когда движение объекта наблюдается не непрерывно, а отдельными фрагментами. Примером может служить кинофильм.

5. Дракон Гарднера

«Дракон Гарднера» — зрительная иллюзия, в которой бумажная фигурка дракона будто следит за зрителем, поворачивая голову и не отрывая от него взгляда.

С екрет заключается в том, что дракон изготовлен из картона по специальному шаблону и размещён под нужным углом освещения.

Глава III. Экспериментальная часть

3.1.Состав группы испытуемых

В экспериментальной части приняло участие 15 человек в возрасте от 14 до 16 лет.

3.2.Материалы и методика исследования

Для проведения эксперимента применялись изображения зрительных иллюзий, описанные ранее в теоретическом разделе. Были использованы следующие иллюзии:

• иллюзия Мюллера—Лайера;

• иллюзия Понцо;

• иллюзия Эббингауза;

• иллюзия движения (иллюзия вращения).

• иллюзия тени Адельсона

• иллюзия «Дракон Гарднера»

После каждого предъявления участники отвечали на вопросы, касающиеся восприятия формы, величины или динамики объектов.

• 3.3.Ход проведения экспериментальной части

• Испытуемым объяснялась цель исследования и порядок его проведения.

• Участникам демонстрировалось изображение иллюзии Мюллера—Лайера. Испытуемые должны были определить, какой из отрезков кажется им более длинным.

• Затем демонстрировалась иллюзия Понцо, после чего участники отвечали на вопрос о сравнении размеров объектов.

• На следующем этапе предъявлялась иллюзия Эббингауза, где испытуемые оценивали размеры центральных кругов.

• Далее испытуемым демонстрировалась иллюзия движения, и участники отмечали, возникает ли у них ощущение движения на статичном изображении.

• После этого предъявлялось изображение иллюзии «дракон Гарднера», при котором испытуемые фиксировали наличие или отсутствие ощущения того, что фигура следит за наблюдателем.

• В завершение эксперимента демонстрировалась иллюзия тени Адельсона, и участники определяли, отличаются ли по цвету представленные элементы изображения.

• Все ответы фиксировались и в дальнейшем использовались для анализа результатов.

3.4.Результаты экспериментальной части

3.5.Анализ результатов эксперимента

Сравнительный анализ результатов показал, что наиболее устойчивыми оказались иллюзии, связанные с восприятием размера. Иллюзия «Дракон Гарднера». вызвали наибольшее количество ошибочных ответов.

Иллюзия Эббингауза также продемонстрировала высокую степень искажения восприятия, что подтверждает влияние окружающих объектов на оценку размеров. Иллюзия движения показала, что даже при отсутствии реального движения зрительная система может интерпретировать изображение как динамичное.

Также было выявлено, что иллюзия тени Адельсона продемонстрировала высокую устойчивость искажения восприятия. Это подтверждает значительное влияние освещения, контекста и глубины изображения на формирование зрительных образов.

3.6.Выводы по экспериментальной части

В ходе экспериментального исследования были сделаны следующие выводы:

• Большинство испытуемых подвержены зрительным иллюзиям.

• Иллюзии восприятия размера являются наиболее устойчивыми.

• Контекст изображения существенно влияет на зрительное восприятие.

• Даже статичные изображения могут вызывать ощущение движения.

• Восприятие цвета, формы и глубины в значительной степени определяется контекстом изображения.

• Экспериментальные данные подтверждают теоретические положения о природе зрительных иллюзий.

Заключение

Таким образом, оптические иллюзии — это не дефекты зрительной системы, а, наоборот, демонстрация её высочайшей эффективности и адаптивности. Они возникают в точках «принятия решений», где мозг применяет эволюционно выверенные и опытным путём усвоенные алгоритмы для интерпретации неоднозначной сенсорной информации. Изучение иллюзий позволяет раскрыть фундаментальные принципы восприятия, которые в обычных условиях остаются для нас невидимыми, обеспечивая стабильное и адекватное восприятие окружающего мира.

Список использованных источников:

1. Свободная энциклопедия: википедия. – 2024.-URL: https://ru.wikipedia.org/wiki/Оптическая_иллюзия (дата обращения 25.11.2025)

2. А.М. Анисимов : учебное пособие для вузов – 4-е изд. – Екатеринбург : УрФУ, 2020.– URL: https://mathus.ru/phys/geometricaloptics.pdf (дата обращения 25.11.2025)