Ученые объяснили, как зрительный аппарат воспринимает 3D-форму и материал поверхностей
Одной из самых давних проблем в науке о зрении является понимание того, как изображения, которые воспроизводятся нашим зрительным аппаратом, несут информацию о форме и материале различных поверхностей. Предыдущие работы ученых рассматривали форму и восприятие материала как вычислительно некорректные: по ранним исследованиям считалось, что либо материал должен быть известен для вывода формы, либо форма должна быть известна для вывода материала. Именно поэтому задача извлечения трехмерной формы и материальных свойств поверхностей из изображений считается изначально некорректной.
В своем новом исследовании ученые предложили объяснение того, как зрительная система человека одновременно корректно передает и трехмерную форму, и материал. Они показали, что существуют пересекающиеся физические ограничения, обусловленные кривизной поверхности, на различные «виды» структуры изображения — подповерхностное рассеяние, зеркальные отражения и самозакрывающиеся контуры. Пересекающиеся ограничения вызывают специфические паттерны ковариации, характерные для полупрозрачных материалов, а также являются мощными сигналами для определения трехмерной формы. Так ученые решили показать, что в изображениях содержится информация, которая определяет состав материала и трехмерную форму светопроницаемых или полупрозрачных материалов.
В частности, в новой работе учеными было показано, что градиенты интенсивности, генерируемые подповерхностным рассеянием, формой самозакрывающихся контуров и распределением зеркальных отражений, ковариируют систематическими способами. Именно по этому принципу зрительному аппарату удается диагностировать как трехмерную форму поверхности, так и ее материальные свойства.
Эти источники ковариации изображений возникают из причинно-следственной связи с общим источником окружающей среды: кривизной трехмерной поверхности. Согласно данным, полученным с помощью аналитического оборудования, эти источники ковариации принимают форму «фотогеометрических ограничений», которые связывают изменения интенсивности, или так называемые фотометрические ограничения со знаком и направлением кривизны трехмерной поверхности, или с геометрическими ограничениями.
Ученые экспериментально продемонстрировали, используя контрольно-измерительное оборудование, что эта ковариация генерирует эмерджентные сигналы, которые визуальная система использует для получения трехмерной формы и материальных свойств полупрозрачных поверхностей, и демонстрирует эффективность этих сигналов, создавая поддельные изображения, которые вызывают яркие восприятия трехмерной формы и полупрозрачности. Сформулированные здесь концепции ковариации и коспецификации предлагают принципиальный концептуальный путь для выявления эмерджентных сигналов, которые могут быть использованы для решения проблем видения, которые исторически считались некорректными.
