立体視

視覚科学において、立体視とは、空間内の物体が奥行き方向に広がり、物体同士の距離が異なるように感じる感覚です。この感覚は、二次元的な遠近法によって生み出される奥行きの暗示よりもはるかに強い ものです

人間には、少なくとも2つのメカニズム、すなわち両眼深視と（単眼）動視が立体視の感覚を生み出します。両眼深視では、両眼が異なる方向（両眼視差）から見ていることから生じる網膜像の差異を処理することで立体視が生じます。動視では、観察者が動いた際に生じる動きの情報（オプティカルフロー、視差など）を処理することで立体視が生じます。どちらの場合も、立体視の感覚は似ています。

  • 立体視は、交互に表示される立体画像によって生じます。2つの画像を立体視鏡で並べて見ると、動きのない同じ3D画像が認識されます
    立体視は、立体画像が交互に現れることで生じます。2つの画像を立体視鏡で並べて見ると、動きのない同じ3D画像が知覚されます。

奥行き視覚の研究では、 「ステレオプシス」という用語は主に両眼の奥行き視覚を指し、動体視覚による奥行き感覚を指すものではありません。「相対奥行き」という用語が使われることもあります。この用語は、観察者までの距離ではなく、知覚される物体間の相互の奥行き関係を指していることを強調しています。文脈から意味が明らかな場合は、「相対奥行き」ではなく「奥行き」という単語が単独で使用されることもあります。ステレオプシスという言葉は、ギリシャ語の「stereós 」（ 固体）と「ópsis 」（外観、視覚）に由来します。これらは合わせて、三次元の「固体」物体の外側を見ることを意味します。  

両眼の奥行き視力には、粗い立体視と細かい立体視の2つの性質があります。細かい立体視は形や物体の認識に役立ち、粗い立体視は空間の定位に役割を果たします。

研究の概要

両眼の奥行き視覚に関する研究は、初めてステレオスコープを作ったチャールズ・ホイートストンから始まりました。19世紀末、彼は垂直線の水平方向の視差が奥行き感覚を呼び起こすのに十分であることを初めて実証しました。[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ] [ 4 ]ベラ・ジュールスは20世紀に、この感覚はドットでも起こること (ランダム ドット ステレオグラム) と、奥行き視覚が形の知覚に先行することを示しました。ジョディ・クロルはほぼ同時期に、光の遷移 (エッジ) は必要だが、反対のコントラストの 2 つの対応するエッジは奥行き感覚を与えないことを示しました。彼はまた、これらのエッジ間の面の奥行きが解釈であることも発見しました。 [ 5 ] [ 6 ] [ 7

ケネス・オグル（1950）は、小さな視差と大きな視差では奥行き知覚の質が異なることを発見し、これに基づいて異なるタイプの立体視を区別しました。[ 8 ] [ 9 ]立体視の感覚がない場合、知覚される像は通常ホロプターの平面内に見えると一般的に認められています。ジョン・フォーリー（1972）は、例外的な場合には像がホロプターのわずかに後ろまたは前に現れることもあると述べています。[ 10 ]ジョディ・クロル（1982）は、後者は特定の反射により目が無意識のうちに意図した注視点のわずかに前または後ろに向けられ、そのため注視点がホロプター上にない場合に起こることを示しています。[ 7 ]

最後に、視覚皮質には特定の視差に同調する神経細胞が発見されている。[ 11 ]これらの細胞は、両眼の奥行き知覚の神経モデル[ 12 ] [ 13 ]と、後述する対応問題の解決の基礎となる。これらの細胞は、形状と物体の認識[ 14 ]と空間定位[ 15 ]に特化した2つの神経生理学的メカニズムの一部である。

両眼視差

主視線方向と視覚方向

注意が空間内の点 F に向けられると、自動的な眼球運動が行なわれ、眼球が回転して、点 F は眼球で最も鮮明に見える点、すなわち中心窩にマッピングされます。眼球が見る方向は、主眼方向と呼ばれます。空間内のその他すべての点は、眼球によって特定の方向で見られ、この方向は、この方向が主方向に対してなす角度として表すことができます。これは、視方向または単に方向と呼ばれます。それぞれの目が同じ物体を見る方向は同じ場合もありますが、通常は異なります。方向の差は視差と呼ばれます。方向視覚に関する別の記事では、脳がそれぞれの目が見る方向を、単一の画像、二重の画像、および両目の中間の点 (単眼) から見ているように見える融合画像 を含む合成画像 にどのように組み合わせるかを説明しています。

水平視差

ホロプター

両眼間の水平距離は約6.5cmであるため、注視点に対して異なる奥行きにある空間上の点は、水平方向に方向差が生じます。この差は水平視差と呼ばれ、図の角度αとβの差として表されます。水平視差に加えて、垂直視差もあります。これは、垂直方向の眼球運動または頭の傾きによって引き起こされる、両眼間の垂直方向のずれを示します。後者は通常、自動的に行われる眼球運動によって部分的または完全に修正されます。垂直視差は、場合によっては奥行き感覚を呼び起こすこともあります。[ 16 ]

水平視差と垂直視差という用語は、観察者が直立している場合にのみ意味を持ちます。負荷をより適切に表す別の用語として、両眼視差が時々使用されます。両眼視差は運動視差と多くの類似点があるため、両眼視差と呼ばれることもあります。運動視差も奥行き感覚を呼び起こしますが、観察者が動くか、観察対象が互いに相対的に動くことが必要です。神経生理学的メカニズムによれば、運動視差は粗い立体視と同じシステムで処理されている可能性があります。

ホロプター

視差。ホロプターより近い点Cは交差視差（-）です。ホロプターより遠い点Pは平行視差（+）です

注視点と同じ深さにある点は、両眼と注視点を通る円周上にあります。この円はホロプターと呼ばれます。この円上の点は、両眼の対応する点、つまり左右の眼で同じ方向を向いている点に投影されます。私たちはホロプターを、世界を見るための一種のスクリーンとして認識しています。

交差視差

この画面では、ホロプターよりも近い点Cの両眼の方向が交差して見えます。つまり、左眼の方向は右眼の方向よりも右側に見えるのです。これは交差視差または負の視差と呼ばれます

平行視差

この画面では、ホロプターよりも遠い点Pの両眼の方向が並んで見えます。右側には右方向が見えます。これは平行視差または正視差と呼ばれます

ホイートストンの証明

ホイートストンの線立体図

チャールズ・ホイートストンは1838年、水平方向の視差のみが異なる2つの物体が相対的な奥行きの感覚を生み出すことを示しました。[ 17 ]この感覚が二次元的な遠近法によって引き起こされないことを保証するために、彼は2本の垂直線を持つ一対の平板、すなわち線立体図を用いて視覚的な方向を表し、これらの板を見るための 立体鏡を発明しました

視差の関数としての奥行き

視差と奥行きの関係（オグルによる）

オグル（1950）は、奥行き感覚が視差の程度によってどのように変化するかを調査した。[ 18 ]オグルは被験者に点Fを注視させ、垂直の棒をXからYだけ奥行き方向に移動させた。知覚される奥行きの大きさは、視差が小さい場合は直線的に増加し、視差が大きくなると再び減少し、さらに大きな視差では完全に消失することが分かった。後者の場合、Yはホロプターの距離に見えた。

オグル氏が観察者にXとYの間を行ったり来たりするように指示した場合（輻輳）、はるかに広い範囲で奥行き知覚が可能になることがわかった。

立体視の領域。オグル後。

オグルらの研究によると、奥行きの違いはホロプターよりも遠くも近くも狭い空間領域でのみ知覚され、微細立体視、粗い立体視、そして立体視なしという3つの性質で現れる。[ 19 ] [ 20 ]

微細立体視

微細立体視により、観察者は奥行きの大きさを示すことができます。視差が大きいほど、知覚される奥行きも大きくなります。オーグルはこれを「特許立体視」と呼びました。その後、研究者たちはこの用語を「微細立体視」に 置き換えました

粗い立体視

粗い立体視では、観察者は一方の物体が他方の物体よりも遠いかどうかは判断できますが、どれだけ遠いかは判断できません。オーグルはこのことを「定性的立体視」と呼んでいました。その後、研究者たちはこの用語を「粗い立体視」に置き換えました。

立体視なし

残りの領域では、物体はホロプターの距離またはその付近で奥行き感覚なしに見え、通常は二重像として見えます

両眼深視力の条件

水平視差は相対的な奥行きを認識するための条件ですが、十分な条件ではありません。左右の目の視覚方向は、光の遷移（エッジ）や点の等間隔など、ある程度の類似性を持ち、ほぼ同時に刺激される必要があります。眼球運動は、空間上の物体が両目の対応する点に可能な限り収まるようにし、視差を可能な限り小さく保ちます。

等しいエッジ

ヘリングは1864年という早い時期に、視覚方向は等しい「エッジ」を含まなければならないこと、そしてこれらのエッジ間の面は知覚中に「埋められる」ことを示唆しました。[ 21 ]これはクロル（1982、p.38-39）によって確認されています。[ 22 ]反対のコントラストを持つエッジは奥行き感覚を与えません。反対のコントラストを見ると眼球運動反射が誘発され、反対のコントラストは対応する点に当たらないため、エッジは注視点のわずかに前または後ろにあるように見えます。[ 7 ]

色と明るさ

色と明るさは同じである必要はありません。立体視は反対色でも起こり、知覚される色は2つの色の間で交互に現れます。色の混合は起こりません（Krol 1982, p. 38-39）。[ 22 ]

ランダムドットステレオグラム

ジュールズ（1971）は、ランダムドットステレオグラムを用いて、視覚方向が小さなランダムな白と黒の点で構成されている場合にも立体視が生じることを示した。この場合、左眼の画像の特定の点群が右眼では移動している。片方の目では点しか見えないが、両眼を合わせると、移動した点群は奥行きのある形状として見える。[ 23 ]

図.ランダムドットステレオグラム

図隠れた図形。上のランダムドットステレオグラムの左右の画像が交互に表示されます。その動きによって、ステレオグラムに隠れている図形が明らかになります。この場合は正方形です。この正方形は、ステレオグラムをステレオスコープで見ると見えますが、その場合、正方形は動きません。

同時性

プルフリッヒ錯視。Aは運動の瞬間的な位置、A′は（覆った目で見た）前の位置、A*は見かけの位置を示す。BとCも同様である。

左右の目の視覚方向は、同時に、あるいは短い間隔で刺激される必要があります。同時ではない刺激の例としては、プルフリッヒ錯視があります。プルフリッヒ錯視では、（プルフリッヒ効果の説明によると）片方の目の前に暗いガラスを置くと、その目からの信号が遅れます。

灰色のフィルターまたはサングラスのレンズを片目の前に置き、車のワイパーの前後運動を見ると、ワイパーは奥行き方向に楕円運動をしているように見えます。ガラスを透過しているように見えることさえあります。この錯視は、 1922年にプルフリッヒによって初めて報告されました。

眼球運動

眼球運動は、立体視に必要な条件を達成し維持するために重要です。垂直方向の眼球運動と回転運動は、左右の眼の像が正しく等しい高さにあり、頭が直立していない場合でも同じ高さを維持することを保証します。輻輳運動（輻輳と発散）は、ホロプターが空間に配置され、関心のある物体が立体視領域内に最適な位置にあるように保持されることを保証します。[ 24 ]これらの運動の大部分は反射的に起こります

正しい固定を確認する

研究において、眼が正しい点を注視していること（輻輳）と反射が結果に影響を与えないことを確実にするために、様々な方法が用いられます。一つの方法は、刺激を突然かつ短時間提示し、眼球運動反射を起こす時間を与えないというものです。もう一つの方法は、いわゆる副尺を用いて、観察者が正しく注視していることを可視化するというものです。左右の目はそれぞれ注視点の上下に細い線を見ますが、これはもう一方の目には見えず、一直線上になければなりません。最後の方法は、実験中の眼球運動を記録するというものです。

対応障害

対応問題。2つの刺激AとBは、2つの刺激CとDと同じ視覚方向を示します。どちらが見えますでしょうか？

片方の目の視覚方向が、もう片方の目の複数の視覚方向と組み合わさって奥行きの感覚を生じさせる場合、脳は選択問題に直面する。つまり、どの組み合わせが正しく、見えるのか、ということである。ジュールズはこれを対応問題と呼び、ランダム ドット ステレオグラムを用いてこの問題を調査した。[ 23 ]この研究は、とりわけ、視覚系は面を見ることを優先すること (大域性原理) と、視差が確立されて初めて形状が埋められることを示している。クロルも対応問題を調査したが、今度は自然刺激 (二重釘錯視) を用いて、複数の位置から見て感じることで、どの「解釈」が正しいかを判断できる。その結果、奥行きが最も小さい解釈が常に見えることが判明した。

両眼ゴースト像

二重釘錯視では、2本の釘または針がAとBの位置に配置されます。適切な観察条件下では、これらの針は見えず、実際の物体の代わりに、CとDの位置にある2本の針が見えます。これらの針は実際には存在しないため、クロルはゴースト像と呼んでいます

神経生理学的メカニズム

1960年代、ホレス・バーロウ、コリン・ブレイクモア、ジャック・ペティグルーは、ネコの視覚皮質において、両眼の受容野が異なる水平位置にあるニューロンを発見しました。 [ 25 ]これは立体視の神経基盤を確立しました。彼らの発見はデイヴィッド・フーベルとトルステン・ヴィーゼルによって異議を唱えられましたが、最終的にサルの視覚皮質で同様のニューロンを発見した際に認めました。[ 26 ] 1980年代、ジャン・ポッジョらは、サルの脳のV2において、ランダムドットステレオグラムの奥行きに反応するニューロンを発見しました。[ 27 ]

微細立体視は、比較的ゆっくりと変化する環境において、微細なディテールや色彩を処理する小さな細胞系によって処理されていると考えられています。[ 14 ]このシステムは、形状や物体の認識において重要な役割を果たし、「何」を見ているかに関係しています。粗い立体視（およびそれに伴う複視）は、動き、コントラスト、そして比較的急速に変化する環境における急激な変化といった大きな変化を処理する大きな細胞系によって処理されています。[ 15 ]このシステムは、空間における位置と方向の特定に重点を置いています。両システムの神経経路は、眼から視覚野へと伸びています。微細立体視システムは、そこから下側頭葉皮質へと伸び、そこで「何」の情報が処理されます（パルボ経路）。粗い立体視システムは後頭頂葉皮質へと伸び、そこで「どこで」そして「どのように」の情報が処理されます（マグノ経路）。両システムは部分的に並行して機能しているように見えますが、同時に連携して機能しているようにも見えます。片方のシステムが故障しても、もう片方のシステムは機能し続けることがある。つまり、細かい立体視ができない人は、粗い立体視を経験することがある。[ 28 ]動的視差処理については、[ 29 ] [ 30 ] [ 31 ]を参照。

利点

立体視は、針に糸を通す、ボールをキャッチする（特に速球競技）などの実用的な作業の練習にプラスの効果をもたらします。[ 32 ]）、液体を注ぐなど。職業活動には、双眼顕微鏡などの立体視機器の操作が含まれる場合があります。これらの作業の中には、他の奥行きの手がかりによる視覚系の補償から利益を得るものもありますが、立体視が必要な機能もあります。正確な距離判断を必要とする職業では、ある程度の立体視が必要な場合があります。特に航空機のパイロットはそのような要件があります（世界一周単独飛行を初めて達成したパイロット、ワイリー・ポストは、単眼視のみでその偉業を成し遂げましたが）。[ 33 ]また、外科医[ 34 ]は通常、高い立体視力を示します。運転に関しては、ある研究では、特定の状況において、中距離においてのみ立体視がプラスの効果があることがわかりました[ 35 ]さらに、高齢者を対象とした研究では、グレア、視野欠損、有効視野が事故の予測因子であったのに対し、高齢者の視力、コントラスト感度、立体視力スコアは事故とは関連がなかったことがわかった。[ 36 ]

両眼視には立体視以外にも利点があり、特に両眼加算による視力の質の向上が挙げられます。斜視の人は（複視でない人でも）両眼加算のスコアが低く、このことが斜視の人が視覚的に厳しい状況で片目を閉じる原因となっているようです。[ 37 ] [ 38 ] 立体視は物体認識や迷彩を見通すためにも重要です。[ 23 ]

参照

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