クロモステレオプシス

クロモステレオプシスは、通常は赤青または赤緑の2次元カラー画像で奥行きの印象が伝えられる視覚錯覚であるが、赤灰色または青灰色の画像でも知覚されることがある。 ^{[1] [2]}このような錯覚は1世紀以上にわたって報告されており、一般的に何らかの色収差に起因すると考えられてきた。^{[3] [4] [5] [6] [7]}

色収差は、光の波長に応じて異なる屈折を起こすことで生じ、一部の光線が眼の中で他の光線よりも先に収束したり（縦方向色収差、LCA）、両眼で見ているときに両眼の対応しない位置に光線が位置したり（横方向色収差、TCA）します。

クロモステレオプシスは通常、赤と青のバーと無彩色の背景を持つターゲットを使用して観察されます。赤いバーが青の前に知覚される場合は正のクロモステレオプシスが示され、赤いバーが青の後ろに知覚される場合は負のクロモステレオプシスが示されます。^[8]この効果を説明するためにいくつかのモデルが提案されており、これは縦方向および/または横方向の色収差に起因することがよくあります。^[6]しかし、いくつかの研究では、立体効果の大部分は横方向の色収差と皮質因子の組み合わせによるものであるとしています。^{[1] [5] [7]}

クロモステレオプシスは、特定の蝶の種の眼状模様の発達において進化上の影響を及ぼす可能性があると提案されています。

色の光学的パワーの知覚される違いは約2ディオプターの範囲です（青：-1.5、赤+0.5）。^{[9] [自己出版ソース] [10]} 近視を矯正するために必要な眼鏡をかけながら適切な画像を見ると、その効果はさらに顕著に現れ、眼鏡を外すと効果はほぼ完全に消えます。

これはステンドグラスによく見られ、歴史的に芸術家たちはこの効果を認識しており、画像内に前進または後退の遠近感を生み出すために使用してきました。^[11]

2世紀以上前、色の奥行き知覚の効果は、ゲーテが「色彩論」で初めて指摘し、青は後退する色、黄色/赤は突出する色であると認識しました。彼は、「高い空や遠くの山々を青く見るのと同じように、青い野原は後退するように見える...（また）完全に黄色/赤の野原を見つめると、色が器官に突き刺さるように見える」と主張しました。^[12]現在、クロモステレオプシス、または立体効果と呼ばれるこの現象は、この色の奥行き効果の背後にある視覚科学を説明し、芸術、メディア、進化、そして色や物体の知覚方法に関する私たちの日常生活に多くの影響を与えています。

ゲーテは自身の観察の背後に科学的な根拠を提示しなかったが、1860年代後半にブリュッケとドンダースは、眼の光学系は無色ではなく、赤い物体を網膜に焦点を合わせるにはより多くの調節が必要であることから、クロマステレオプティック効果は調節認識によるものであると初めて示唆した。この調節の概念は、距離の知覚に置き換えることができる。しかし、ドンダースとブリュッケが当初理論で見逃していたのは、クロマステレオプティックを生み出すには両眼観察が必要であるということである。後にブリュッケは、調節認識から逸れて、色収差と瞳孔の時間的軸外効果によってクロマステレオプティック効果を説明できると提案した。この仮説は、現在でもクロマステレオプティックに関する理解の基礎となっている。^[12]

長年にわたり、美術分析によってクロモステレオプティック効果の十分な証拠が示されてきましたが、約 30 年前まで、この現象の背後にある神経学的、解剖学的、および/または生理学的説明についてはほとんど知られていませんでした。たとえば、1958 年にオランダの美術史家 De Wilde は、キュビズムの画家Leo Gestelの絵画「詩人レンズブルク」を分析する際に、従来の段階的な奥行きの手がかりを使用する代わりに、「紫を黄色の隣に、または緑をオレンジの隣に配置すると、紫と緑は後退します。一般的に、暖色は前面に出て、寒色は後退します」と述べています。^[12]この意味で、クロモステレオプティック効果は形状に可塑性を与え、色の操作による奥行きの知覚を可能にします。

クロマステレオプシスの両眼的性質はブリュッケによって発見され、光軸に対する中心窩の位置によって生じる。中心窩は光軸に対して時間的に位置し、その結果、視軸は鼻の水平偏心で角膜を通過する。つまり、中心窩に向かう平均光線は必ずプリズム偏向を受け、したがって色分散の影響を受ける。プリズム偏向は両眼で反対方向であり、その結果、反対の色シフトが生じ、赤と青の物体間の立体視深度がシフトする。偏心した中心窩受容系は、スタイルズ・クロフォード効果とともに、互いに反対方向に作用し、ほぼ相殺されるため、被験者が「規則に反して」（予想される結果の逆）色の立体視を示す理由の別の説明となる。^[12]

立体効果の証拠は、多くの場合、非常に簡単に見ることができます。たとえば、暗い環境で赤と青を並べて見ると、ほとんどの人は赤が青の前で「浮いている」ように見えます。しかし、これはすべての人に当てはまるわけではなく、反対に見える人もいれば、まったく効果がない人もいます。これは、ゲーテとデ・ヴィルデの両方が観察で示したのと同じ効果です。大多数の人は赤が青の前で「浮いている」ように見えますが、他の人は効果が逆転し、赤の前に青が浮いているように見えたり、奥行き効果がまったく見られなかったりします。この逆転はクロモステレオプシスの信頼性を低下させるように見えるかもしれませんが、そうではなく、アイントホーフェンが最初に提案したように、光軸に対する瞳孔の偏心位置をブロックすることで効果が増大し、その後反転することで説明できます。^[12] クロモステレオプシス効果の多様性は、色深度効果が知覚的要因と光学的要因の両方と密接に絡み合っているためです。言い換えれば、クロモステレオプシスを説明するために、光学的要因も知覚的要因も単独で考えることはできない。クロモステレオプシスのこの多因子的要素は、同じ視覚的手がかりを与えられた異なる人々における効果の逆転を説明する一つの方法である。^[2]

もう一つの興味深い反転効果は、1928年にVerhoeffによって観察された。これは、バーが黒の背景ではなく白の背景に対になっている場合、赤いバーはより遠くに見え、青いバーは突き出ているように見えるというものである。Verhoeffは、この逆説的な反転は瞳孔の輝度輪郭線の観点から理解できると提唱した（錯視輪郭を参照）。瞳孔には一定の輝度効率の線があり、その後の各線は効率が25％低下することを示す。1998年頃、Winnと同僚は、異なる色の背景での実験を使用して、Verhoeffのこの反転の解釈を確認した。^[12]他の研究でも、境界コントラストの変化が黒から白の背景への切り替えで色深度の反転につながる可能性があることが示唆されている。^[2]

1933年、スタイルズとクロフォードは、中心窩の光感度が瞳孔の中心から眼に入る光線と周辺部から眼に入る光線で大きく異なることを発見した。彼らは、通常の「強度×開口」の法則が中心窩視覚には当てはまらず、瞳孔の周辺部から眼に入る光線の効率はおよそ5分の1に低下することを観察した。この効果は現在スタイルズ・クロフォード効果として知られており、逆クロモステレオプティック効果にも影響を及ぼしている。^[12]

1885年、アイントホーフェンは次のような理論を提唱した。「この現象（クロモステレオプシス）は色の倍率の違いによるもので、例えば青い光線は赤い光線よりも眼球媒体によって屈折されるため、焦点は異なるレベルにあるだけでなく（色収差）、光軸と異なる角度を作り、したがって異なる点を刺激する。したがって、側頭方向に偏心した瞳孔を持つ人は青の前に赤が見え、鼻方向に偏心した瞳孔を持つ人はその逆になる。」^[13]アイントホーフェンは、最初に目の色収差について説明した。これは、目がすべての色に同時に焦点を合わせないことを意味する。波長に応じて、目の焦点は変化する。彼は、人が青の前に赤を見る理由は、異なる波長の光が網膜の異なる部分に投影されるためであると結論付けた。視覚が両眼の場合、視差が生じ、奥行き知覚を引き起こす。赤は時間的に焦点が合うため、前方にあるように見える。しかし、単眼視ではこの現象は観察されない。^[13]

しかし、ブリュッケは、すべての人が赤を青よりも近くに見るわけではないという理由で、アイントーヴェンの理論に反対した。アイントーヴェンは、この負のクロマステレオプシスは、瞳孔の位置がずれているために起こる可能性が高いと説明した。瞳孔の位置を変えると、光の波長が眼の中で焦点を合わせる位置が変わるからである。負のクロマステレオプシスは、アレンとルービンによってさらに研究され、瞳孔中心と視軸の角度を変えるとクロマステレオプシスの方向が変わる可能性があると示唆した。瞳孔中心が視軸に対して側頭にある場合、赤は近くに見える。瞳孔中心が視軸に対して鼻側にある場合は、逆の効果が見られる。^[12]

研究では、スタイルズとクロフォードの研究を含め、従来のクロステレオプティック理論の基礎を拡張しようと試みられてきました。1933 年、スタイルズとクロフォードは、目の中心から入ってくる光線と周辺領域から入ってくる光線では光に対する感度が異なることを偶然発見しました。周辺領域から入ってくる光線の効率は低くなります。これは、入射量子を集める錐体細胞の形状が、目の中心にある錐体受容体の形状と異なるためです。この効果は、瞳孔の位置に応じて、正のクロステレオプティックと負のクロステレオプティックの両方を引き起こします。瞳孔が光軸の中心にある場合、正のクロステレオプティックが発生します。ただし、瞳孔が光軸から大きく外れている場合は、負のクロステレオプティックが発生します。ほとんどの人は最大光効率の点が中心から外れているため、スタイルズ-クロフォード効果は一般に拮抗的なクロステレオプティック効果をもたらします。したがって、赤が青の前に見えるのではなく、青が赤の前に見えることになり、効果が逆転します。スタイルズ・クロフォード効果は、照明が低下すると正のクロマステレオプシスが減少する理由も説明します。照明が低下すると、瞳孔が拡張して瞳孔周辺領域が拡大し、スタイルズ・クロフォード効果の大きさが増加します。^[12]

2次元の赤と青、または赤と緑の画像から得られる立体的な奥行き知覚は、主に光学的な色収差によって引き起こされると考えられています。^[1]色収差は、目の屈折特性の結果として発生する光学的な歪みの一種として定義されます。ただし、他の[光学]要因、画像特性、および知覚要因も、自然な視聴条件下での色深度効果に影響を与えます。さらに、刺激のテクスチャ特性も役割を果たす可能性があります。^[2]

ニュートンは1670年に初めて人間の目に色収差があることを実証した。彼は、目に近づけた不透明なカードに向けられた孤立した入射光線が目の屈折面に斜めに当たり、そのため強く屈折することを観察した。屈折率（屈折率を参照）は波長に反比例するため、青い光線（短波長）は赤い光線（長波長）よりも屈折する。この現象は色分散と呼ばれ、立体効果を含む目の光学的性能に重要な意味を持つ。例えば、ニュートンはこのような色分散によって白い物体の端が色を帯びることに注目した。^[14]

色収差に関する現代の説明では、眼球の色収差は縦色収差（LCA）と横色収差（TCA）の2つの主要なカテゴリーに分類されています。^[14]

LCAは「異なる波長に対する目の焦点合わせ力の変化」と定義されます。^[14]この色差は、可視スペクトル全体で約400nmから700nmまで変化します。^[14] LCAでは、目の屈折特性により、青などの波長の短い光線が、波長の長い色よりも先に収束します。

TCA は、異なる波長の屈折した主光線間の角度の変化として定義されます。この場合の主光線とは、点光源から発せられ、瞳孔の中心を通過する光線を指します。LCA とは異なり、TCA は視野内の物体の位置と眼内の瞳孔の位置に依存します。物体の位置によって、選択された光線の入射角が決まります。スネルの屈折の法則により、この入射角によって色分散の量が決まり、異なる波長の光の網膜像の位置が決まります。^[14] TCA では、両眼で見ているときに、異なる波長の光が各眼の網膜上の対応しない位置にずれます。クロモステレオプティック効果は、一般に TCA の両眼差によるものと考えられています。TCA による色による奥行き効果は、無彩色情報と単一の非無彩色色を含む画像でのみ知覚できます。^[2]立体効果による画像の奥行き知覚の振幅は、誘発されるTCAの量から予測できます。言い換えれば、中心窩の無彩色軸からの瞳孔距離が増加すると、知覚される奥行きも増加します。

縦方向と横方向の色収差は、一緒に働いて網膜像の質に影響を与えます。さらに、視軸からの瞳孔のずれは、自然な視聴条件下での収差の大きさを決定する上で重要です。 ^[14]クロモステレオプシスでは、両眼の瞳孔が視軸から時間的にずれている場合、点光源からの青い光線は、同じ光源からの赤い光線の鼻側で網膜と交差します。この誘発された眼の視差により、青い光線は赤い光線よりも遠くの光源から来ているように見えます。

クロモステレオプシスは捕食動物と獲物にとって進化上の意味合いを持つ可能性があり、歴史的かつ実用的な意義がある。クロモステレオプシスの進化上の意義の証拠として考えられるのは、狩猟動物の側眼の中心窩が光軸と視軸の間の角度が非常に大きく、少なくともある程度の両眼視野を確保できるように発達しているという事実である。これらの狩猟動物にとって、目は捕食動物を検知するために役立つため、完全なパノラマ視野を確保するために側方に位置する。対照的に、この中心窩の発達は捕食動物と霊長類では逆である。捕食動物と霊長類は主に両眼視に依存しているため、目は正面に位置するように発達した。したがって、光軸と視軸の間の角度は、人間で約5度と、ほとんど無視できる値にまで減少する可能性がある。^[12]

蝶は、羽に現れる独特の「目」の模様を発達させる際に、クロモステレオプシスの進化的利点も利用した可能性がある。これらの眼点は、色のパターンに基づいて前方または後方に見え、それぞれ突き出ている目または後退している目のような効果を生み出す。自然選択によって、実際の蝶よりもはるかに大きな生物の突き出ている目または後退している目のような錯覚を生み出し、潜在的な捕食者を寄せ付けないため、これらの色と質感の図式が発達した可能性がある。^[2]

クロモステレオプシスのもう一つの進化的例は、イカです。イカは立体視によって獲物までの距離を推定していると考えられています。追加の証拠は、イカの迷彩選択が色によって引き起こされる奥行き効果に基づく視覚的奥行きにも敏感であることを示唆しています。^[15]

人間の奥行き知覚に対するクロモステレオプシスの影響を調べるために、さまざまなテスト方法が採用されてきました。技術の進歩により、人々が単に現象を観察するだけだった過去に比べて、正確で効率的、かつより決定的なテストが可能になりました。

1 つの方法では、25 人の対照被験者を対象に、5 つの異なる色の正方形のペアを使用して色に基づく奥行き効果をテストしました。異なる色は、青、赤、緑、シアン、黄色の 5 色です。被験者は暗い部屋に置かれ、色付きの正方形の刺激がそれぞれ 400ミリ秒間提示され、この間、被験者は右または左の正方形 (被験者間で均等にバランスが取られている) に注意を向けるように求められました。被験者はジョイスティックを使用して、正方形がそのペアの後ろ、前、または同じ平面にあるかどうかを示しました。理論によれば、色の波長が長いほど、正のクロモステレオプシスの場合、観察者によってより近くに知覚されるはずです。他の色よりも波長が長いため、赤が最も近く見えるはずです。この効果を高めるために、被験者は、光を約 1° の角度に屈折させるプリズム構造を含む、ブレーズドグレーティングのHigh Definition ChromaDepth® C3D™ 3D レンズメガネをかけ、再度テストされました。^{[16] [17]}

脳の活動を検査するために電極を使用する方法は、クロモステレオプシスを検査する比較的新しい方法の 1 つです。この形式の検査では、電極を使用して視覚誘発電位のEEG記録を利用します。ある実験では、被験者は色のコントラストに関するさまざまな刺激を見せられ、以前と同じようにその深さについて質問されました。その後、被験者に取り付けられた電極は、実験が行われている間にデータを収集しました。^[16]

より日常的に使用される別の技術は、被験者の色収差の程度を検査するものである。そのような実験の1つでは、被験者の目の前に置かれたスリットが、スリットの間隔の関数として目の色分散を測定した。目の前のプリズムは、視軸とヌル軸の間隔を決定する。これらの個別の測定値の積は、全瞳孔立体視で予想される見かけの奥行きを予測した。予想された結果とよく一致し、色立体視が色分散に依存するというさらなる証拠を提供した。^[18]

他の実験技術は、少数の人々に見られる現象である逆クロマステレオプシスをテストするために使用できます。クロマステレオプシスの方向は、両方の人工瞳孔を自然瞳孔の中心に対して鼻方向または時間方向に動かすことによって反転できます。人工瞳孔を鼻方向に動かすと、赤の前に青がある立体視が誘発され、時間方向に動かすと逆の効果が得られます。これは、瞳孔を動かすと光軸の位置は変わりますが、視軸は変わらないため、横方向の色収差の符号が変わるためです。したがって、小さな人工瞳孔間の横方向の距離を変えることで生じる横方向の色収差の大きさと符号の変化は、クロマステレオプシスの同等の変化を伴います。^[19]

クロモステレオプシスを引き起こす生理学的メカニズムは数多く発見され、研究されてきましたが、まだ答えが出ていない疑問もあります。例えば、多くの研究者は、クロモステレオプシスは複数の要因の組み合わせによって引き起こされると考えています。このため、背景の異なる発光と赤と青の異なる発光がクロモステレオプシス効果にどのように影響するかを調査しようとする研究もあります。^[13]

さらに、これまでの研究では、クロモステレオプシスを知覚効果として記録し、その光学メカニズムを観察するために心理物理学的アプローチを採用してきましたが、クロモステレオプシスの神経生理学的基礎を調査した研究はありませんでした。^[16]

Cauquil らによる神経生理学的研究では、V1 および V2 色選好細胞は、それぞれ局所的な画像特性 (両眼視差など) と 3D シーンの表面特性をコード化していると説明されています。Cauquil らが実施した研究では、電極刺激の結果に基づいて、脳の背側経路と腹側経路の両方がクロモステレオプティック処理に関与していることが示されています。この研究では、クロモステレオプティックは視覚皮質処理の初期段階で始まり、最初は脳の後頭頭頂領域で始まり、次に右頭頂領域と側頭葉で第 2 段階が続くと結論付けられています。さらに、3D 皮質処理が優位な右半球の活動が大きいことがわかり、クロモステレオプティックはタスク依存のトップダウン効果であることを示しています。全体として、クロモステレオプティックには、単眼および両眼の両方の手がかりの奥行き処理の基礎となる皮質領域が関与しています。^[16]