奥行き知覚

奥行き知覚は、視覚系と視覚知覚を使って世界にある物体までの距離を知覚する能力です。これは世界を3次元で知覚する上で重要な要素です。

奥行き感覚は人間以外の動物に対応する用語です。人間以外の動物は物体の距離を感知できることは知られていますが、人間と同じように物体の距離を知覚するかどうかはわかっていません。 ^[1]

奥行き知覚は、さまざまな奥行き手がかりから生じます。これらは通常、両眼手がかりと単眼手がかりに分類されます。両眼手がかりは、両眼から3次元の感覚情報を受け取ることに基づいており、単眼手がかりは片目だけで観察できます。^{[2] [3]}両眼手がかりには、視差と輻輳を利用する網膜視差が含まれます。立体視は両眼視によって可能になります。単眼手がかりには、相対的なサイズ（遠くの物体は近くの物体よりも小さな視角を占める）、テクスチャの勾配、遮蔽、線形遠近法、コントラストの違い、および運動視差が含まれます。^[4]

単眼の手がかりは、片目だけでシーンを見ている場合でも奥行き情報を提供します。

観察者が動くと、背景に対して静止している複数の物体の相対的な動きから、それらの相対的な距離がわかる。動きの方向と速度に関する情報がわかっていれば、運動視差から絶対的な奥行き情報が得られる。^[5]この効果は、車の運転中にはっきりと見ることができる。近くのものは素早く通り過ぎるが、遠くの物体は静止しているように見える。両眼の共通視野が小さいために両眼視力を持たない動物の中には、奥行きの手がかりとして人間よりも明確に運動視差を利用しているものもある（例えば、運動視差を得るために頭を上下させる鳥類や、同じことをするために対象物と直交する線上を移動するリスなど）。^{[注 1 ]}

物体が観察者に向かって移動すると、物体の網膜投影が一定時間にわたって拡大し、観察者に向かって一直線に動いているように知覚される。この現象は光学的拡大による奥行きとも呼ばれる。^[7]刺激の動的変化により、観察者は物体が動いているように見えるだけでなく、動いている物体までの距離も知覚できる。したがって、この文脈では、大きさの変化が距離の手がかりとなる。^[8]関連する現象として、視覚系が光学的拡大の速度から接近する物体との接触時間（TTC）を計算する能力がある。これは、車の運転から球技までさまざまな場面で役立つ能力である。しかし、TTCの計算は厳密に言えば、奥行きではなく速度の知覚である。

静止した剛体（例えば、針金でできた立方体）を点光源の前に置いて、その影が半透明のスクリーンに落ちるようにすると、スクリーンの反対側にいる観察者は 2 次元の線のパターンを見ることになる。しかし、立方体が回転すると、視覚系は線の動きから 3 次元の知覚に必要な情報を抽出し、立方体が見えるようになる。これは、運動奥行き効果の一例である。^[9]この効果は、回転する物体が（輪郭線ではなく）立体である場合にも発生する。ただし、投影された影が明確な角または端点を持つ線で構成され、回転中にこれらの線の長さと方向が変化する場合に限る。^[10]

平行線が遠く、無限遠で収束するという性質により、物体または景観の特徴の2つの部分の相対的な距離を再構築することができます。例としては、まっすぐな道路に立って、道路を見下ろすと、遠くに行くにつれて道路が狭くなっているのに気づくでしょう。部屋、集落、自然などの実際の空間での遠近感の視覚的知覚は、いくつかの光学的印象と視覚システムによる解釈の結果です。視覚の角度は見かけの大きさにとって重要です。近くの物体は網膜上のより大きな領域に像を結び、同じ物体または同じ大きさの物体は遠くにあるとより小さな領域に像を結びます。^[11]遠近感の知覚は片目だけで見ている場合でも可能ですが、立体視により空間の印象が強まります。目に入ってくる光線が3次元空間から来るか2次元画像から来るかに関係なく、光線は面として目の内部の網膜に当たります。人が見るものは、視覚システムによる再構成に基づいており、網膜上の同じ画像が2次元的にも3次元的にも解釈される。3次元的解釈が認識された場合、それが優先され、知覚が決定される。^[12]

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  文脈に応じたサイズの解釈
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  異なる距離でのショット
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  地平線は肘掛けの高さにあります。
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  家の2階の窓からの眺め
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  雪線近くの山頂と雪線より上のいくつかの山頂
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  地球の曲率

空間視覚では、水平視線が役割を果たすことがあります。家の窓から撮った写真では、水平視線は2階の高さにあります（黄色の線）。この線より下では、物体が遠くにあるほど、視野内でより高い位置に表示されます。水平視線より上では、遠くにある物体は近くにある物体よりも低く見えます。グラフィカル遠近法で空間印象を表すには、消失点を使用できます。^[13]地理的に遠い距離を見ると、遠近法の効果は視線の角度によっても部分的に生じますが、それだけが原因ではありません。シリーズの5枚目の画像では、背景にアルプス山脈の最高峰であるモンブランがあります。画像中央の前面の山よりも低く見えます。測定と計算を使用して、主観的に知覚される比率における地球の曲率の比率を決定できます。

2 つの物体が同じ大きさであることが分かっている場合 (たとえば、2 本の木)、その絶対的な大きさが不明な場合、相対的な大きさの手がかりから 2 つの物体の相対的な奥行きに関する情報を得ることができます。一方が網膜上で他方よりも大きな視角を占める場合、視角が大きい物体の方が近くに見えます。

網膜に投影される物体の視角は距離とともに減少するため、この情報と物体のサイズに関する事前知識を組み合わせることで、物体の絶対的な奥行きを判定できます。たとえば、人々は平均的な自動車のサイズをよく知っています。この事前知識と、網膜に投影される角度に関する情報を組み合わせることで、シーン内の自動車の絶対的な奥行きを判定できます。

物体の実際の大きさが不明で、見える物体が1つしかない場合でも、同じ場所にある大きな物体よりも小さい物体の方が遠くに見える。^[14]

大気による光の散乱により、遠くにある物体は輝度のコントラストが低く、色の彩度も低くなります。このため、人の視点から遠いほど画像はぼやけて見えます。コンピュータグラフィックスでは、これを「遠景霧」と呼ぶことがよくあります。前景はコントラストが高く、背景はコントラストが低くなります。背景とのコントラストのみが異なる物体は、異なる奥行きにあるように見えます。^[15]遠くにある物体の色も、スペクトルの青の端に向かってシフトします（遠くの山など）。一部の画家、特にセザンヌは、特徴を視聴者に向かって前面に出すために「暖色系」の顔料（赤、黄、オレンジ）を使用し、図形の平面から離れて曲がる部分を示すために「寒色系」の顔料（青、紫、青緑）を使用します。

調節は、奥行き知覚のための眼球運動の合図です。人間が遠くの物体に焦点を合わせようとすると、毛様体筋が弛緩し、眼の水晶体が薄くなって焦点距離が長くなります。遠くの物体の奥行き知覚は、調節以外の方法によっても可能になります。毛様体筋（眼内筋）の収縮と弛緩の運動感覚は視覚皮質に送られ、距離と奥行きを解釈するために使用されます。調節は 2 メートル未満の距離にのみ有効です。

掩蔽（または介在とも呼ばれる）は、近くの表面が遠くの表面と重なるときに発生します。^[16]ある物体が他の物体の視界を部分的に遮ると、人間はそれをより近いものとして認識します。しかし、この情報によって観察者は相対的な近さの「順位付け」をすることができるだけです。単眼アンビエントオクルージョンの存在は、物体の質感と形状で構成されます。これらの現象は、自然刺激と人工刺激の両方で奥行き知覚の潜時を短縮することができます。^{[17] [18]}

視野の外側の端では、魚眼レンズで撮影した写真のように、平行線が曲がって見えます。この効果は、通常は絵画や写真の切り取りやフレーミングによって除去されますが、鑑賞者が実際の 3 次元空間内にいるという感覚を大いに高めます。(古典的な遠近法では、このいわゆる「歪み」は役に立ちませんが、実際には「歪み」は光学法則に厳密に従い、完全に有効な視覚情報を提供します。これは、古典的な遠近法が視野のフレーム内の一部に対して行うのと同じです。)

近くの物体の細かいディテールははっきりと見えますが、遠くの物体のディテールは見えません。テクスチャのグラデーションは、物体の粒子です。たとえば、長い砂利道では、観察者の近くにある砂利の形、サイズ、色がはっきりと見えます。遠くでは、道路のテクスチャをはっきりと区別することはできません。

光が物体に当たってその表面で反射する様子や、物体によって投げかけられる影は、脳が物体の形状や空間内の位置を判断するための効果的な手がかりとなります。^[19]

選択的な画像のぼかしは、写真やビデオで奥行きの印象を確立するために非常に一般的に使用されています。これは、他のすべての手がかりが削除された場合でも、単眼の手がかりとして機能することができます。人間の目の焦点深度は限られているため、自然な網膜画像での奥行き知覚に寄与する可能性があります。さらに、焦点のずれとぼかしに基づく奥行き推定アルゴリズムがいくつかあります。^[20]一部のハエトリグモは、画像の焦点のずれを利用して奥行きを判断することが知られています。^[21]

物体が地平線に対して見える場合、人間は地平線に近い物体を遠くに感じ、地平線から遠い物体を近くに感じる傾向があります。^[22]さらに、物体が地平線に近い位置から地平線よりも高い位置または低い位置に移動すると、見る人に対して近づいてくるように見えます。

眼球視差は、眼球の回転によって遠近感に依存した画像シフトが生じる知覚効果である。これは、眼球の光学中心と回転中心が同じではないために起こる。^[23]眼球視差は頭の動きを必要としない。これは運動視差とは別のものである。

両眼の手がかりは、両目でシーンを見るときに奥行き情報を提供します。

目が正面にある動物は、それぞれの網膜への物体の異なる投影から得られる情報を使って奥行きを判断することもできます。わずかに異なる角度から撮影された同じシーンの 2 つの画像を使用することで、物体までの距離を高精度で三角測量することができます。左右の目が見る物体は、それぞれの目でわずかに異なる角度で見えます。これは、目の水平分離視差が原因です。物体が遠い場合、両方の網膜に落ちるその画像の視差は小さくなります。物体が近い場合、視差は大きくなります。マジック アイ、オートステレオグラム、3D 映画、立体写真などを見たときに奥行きを感じさせるのは、この立体視のためです。

輻輳は、距離と奥行きの知覚のための両眼眼球運動の手がかりである。立体視のため、両眼の眼球は同じ物体に焦点を合わせ、その際に輻輳する。輻輳により外眼筋が伸張する。 この受容器は筋紡錘である。単眼調節手がかりと同様に、これらの外眼筋からの運動感覚も距離と奥行きの知覚を助ける。目が遠くにある物体を注視しているときは、輻輳角は小さくなる。輻輳は10メートル未満の距離で有効である。^[24]

アントニオ・メディナ・プエルタは、視差はないが影が異なる網膜像が立体的に融合され、画像化されたシーンに奥行き知覚を与えることを実証した。彼はこの現象を「影立体視」と名付けた。したがって、影は奥行き知覚にとって重要な立体的手がかりである。^[25]

これらのさまざまな手がかりのうち、絶対的な距離情報を提供できるのは、輻輳、調節、および見慣れたサイズだけです。他の手がかりはすべて相対的です (つまり、どのオブジェクトが他のオブジェクトよりも近いかを判断するためにのみ使用できます)。立体視は相対的であるに過ぎません。近くのオブジェクトの視差が大きいか小さいかは、それらのオブジェクトの相対的な奥行きが大きく異なるか小さくなるか、中心窩オブジェクトがより近いか遠いかを意味する可能性があるためです (シーンが遠いほど、同じ奥行きの違いを示す網膜の視差は小さくなります)。

アイザック ニュートンは、人間や他の霊長類の視神経は、目から脳へと向かう途中に特定の構造を持つと提唱しました。人間の網膜から出る視神経のほぼ半分は、その発生源である目と同じ側の脳半球に投射します。この構造は、半交差または同側視覚投射 (IVP) と呼ばれます。他のほとんどの動物では、これらの神経繊維は脳の反対側に渡っています。

ベルンハルト・フォン・グッデンは、 OC には交差した網膜繊維と交差していない網膜繊維の両方が含まれていることを示し、ラモン・イ・カハール^{[26] は}、半交差の程度が種によって異なることを観察した。^{[27] [26]} ゴードン・リン・ウォールズは、一般的に受け入れられている概念をニュートン・ミュラー・グッデン (NGM) の法則として公式化した。それは、視交叉における視繊維の交差の程度は、眼の光軸の正面配向の程度と逆に関係しているというものである。 ^{[28] [ページが必要]}言い換えれば、正中線を横切らない繊維の数は、両眼視野の大きさに比例する。しかし、ニュートン・ミュラー・グッデンの法則の問題は、哺乳類以外の種に見られる IVP の種間変動がかなり大きいことである。その変動は、生活様式、分類学的状況、視野の重なりとは無関係である。^[29]

そのため、一般的な仮説は長い間、霊長類と人間の視交叉の神経繊維の配置は、主に正確な奥行き知覚、立体視を生み出すために発達した、つまり、目が多少異なる角度から物体を観察し、この角度の違いが脳が距離を評価するのを助けるというものでした。

眼前肢仮説（EF仮説）は、正確な眼と手のコントロールの必要性が立体視の進化の鍵であったことを示唆している。EF仮説によれば、立体視はより重要なプロセスから派生した進化であり、視交叉の構造と眼の位置（横方向または正面方向の度合い）は、動物が四肢（手、爪、翼、ひれ）を調整するのを助けるために進化によって形作られるという。^[30]

EF仮説は、手に関する視覚情報を受け取る脳の領域と手の協調を制御する運動核との間の神経経路が短いことに選択的価値があると仮定している。EF仮説の本質は、OCの進化的変化がこれらの神経経路の長さ、ひいては速度に影響を与えるということである。^[31] 霊長類タイプのOCを持つということは、例えば右手の動きを制御/実行する運動ニューロン、右手に関する感覚情報（例えば触覚情報）を受け取るニューロン、右手に関する視覚情報を取得するニューロンがすべて同じ（左）脳半球に位置することを意味する。左手の場合はその逆で、視覚、触覚情報、運動コマンドの処理はすべて右半球で行われる。ネコ科動物や樹上性（木登り）有袋類も同様の配置をしている（IVPの30～45%と前向きの目）。その結果、前肢の視覚情報が適切な（実行）半球に届くようになります。進化の結果、OC の神経経路の方向に小さく緩やかな変動が生じました。この変化はどちらの方向にも起こり得ます。^{[30] [32]} ヘビ、円口類、その他の四肢のない動物は、比較的多くの IVP を持っています。注目すべきことに、これらの動物には方向付ける四肢（手、足、ひれ、翼）がありません。さらに、ヘビのような動物の左右の体の部分は、互いに独立して動くことができません。たとえば、ヘビが時計回りにとぐろを巻くと、左目は体の左側だけを見、反時計回りの位置では、同じ目は体の右側だけを見ます。そのため、ヘビが OC（裸）にいくらかの IVP を持つことは機能的です。進化によりカールをやめ、代わりに前肢を発達させた円口類の子孫（言い換えれば、ほとんどの脊椎動物）は、前肢が主に横方向に使われている限り、完全に交差した経路を実現することで有利になるだろう。四肢を失ったヘビなどの爬虫類は、進化の過程で交差していない繊維の塊を再び集めることで有利になるだろう。それは実際に起こったようで、EF仮説をさらに裏付けている。^{[30] [32]}

マウスの足は通常、横方向の視野でのみ活発に動いています。したがって、マウスの目が横方向に位置し、OC での交差が非常に少ないことは EF 仮説と一致しています。EF 仮説を支持する動物界のリストは長いです (BBE)。EF 仮説は基本的にすべての脊椎動物に適用されますが、NGM 法則と立体視仮説は主に哺乳類にのみ適用されます。一部の哺乳類でさえ重要な例外を示します。たとえば、イルカは捕食動物であるにもかかわらず、交差しない経路しかありません。^[32]

一般的に、捕食動物は獲物までの距離を測れるように正面に目があるのに対し、捕食される動物は敵を素早く探知できるように横に目があると考えられています。しかし、捕食動物の多くは獲物になることもあり、ワニなどの捕食動物の中には横に目がありIVPが全くないものもあります。OC構造は神経接続を短くし、ワニの前足の最適な目制御を可能にします。^[32]

鳥類は、通常、横向きの目を持っていますが、密林の中を飛ぶことができます。結論として、EF仮説は立体視の重要な役割を否定するものではなく、霊長類の優れた奥行き知覚（立体視）は手のために進化したと提唱しています。霊長類の視覚システムの特定の構造は、主に手の調整に関与するニューロン間の迅速な神経経路を確立するために進化し、手が正しい枝をつかむのを助けます^[31]

平原に生息する草食動物、特に有蹄類は両眼視力がありません。頭の側面に目があるため、ほぼ 360 度のパノラマで地平線を見渡すことができ、ほぼどの方向からでも捕食動物が近づいてくることに気づくことができます。しかし、ほとんどの捕食動物は両眼とも前方を向いており、両眼で奥行きを知覚できるため、獲物に飛びかかったり急降下したりするときに距離を判断するのに役立ちます。樹上で多くの時間を過ごす動物は、枝から枝へと素早く移動するときに距離を正確に判断するために両眼視力を活用します。

ボストン大学の人類学者で解剖学者のマット・カートミルは、リスや特定の鳥など、両眼視力を持たない他の樹上性動物を例に挙げ、この理論を批判している。代わりにカートミルは、「視覚捕食仮説」を提唱し、祖先の霊長類はメガネザルに似た食虫性の捕食動物であり、他の捕食動物と同様に正面視力の選択圧を受けていたと主張している。カートミルはまた、この仮説を使って霊長類の手の特殊化を説明し、猛禽類が爪を使うのと似た方法で獲物をつかむのに適応したのではないかと示唆している。

遠近感を捉えた写真は二次元画像であり、奥行きの錯覚をよく表す。写真は、大きさ、環境的背景、照明、質感のグラデーション、その他の効果を利用して奥行きの錯覚を捉える。^[33] ステレオスコープやビューマスター、3D映画は、わずかに異なる位置（視点）から作成された2つの画像を視聴者に見せることで両眼視を採用している。チャールズ・ホイートストンは、奥行き知覚が両眼視差の手がかりであると初めて論じた。^[34]彼はステレオスコープを発明した。これは、2つの接眼レンズを備えた器具で、比較的異なる角度で撮影された同じ場所/シーンの2枚の写真を表示する。それぞれの目で別々に観察すると、2つの画像から明らかな奥行き感が生じた。^[35]対照的に、たとえばテレビで放映されるスポーツでスタジアムの観客に焦点を合わせるために使用される望遠レンズは、逆の効果をもたらす。視聴者は、シーンの大きさと詳細を、触れられるほど近くにあるかのように見ますが、カメラの視点は、100 メートル離れた実際の位置から導き出されたものであるため、背景の顔や物体は、前景のものとほぼ同じサイズで表示されます。

訓練を受けた芸術家は、空間の奥行きを表現するさまざまな方法（色の濃淡、距離の霧、遠近感、相対的な大きさ）を熟知しており、それらを利用して作品を「リアル」に見せています。鑑賞者は、レンブラントの肖像画の鼻やセザンヌの静物画のリンゴに手を伸ばしてつかむことができる、あるいは風景の中に足を踏み入れて木々や岩の間を歩き回ることができると感じるのです。

キュビズムは、絵画の中に複数の視点を取り入れるというアイデアに基づいていた。これはあたかも、物理的に対象の前にいて、それをさまざまな角度から見ているという視覚体験をシミュレートするかのように思われる。ジョルジュ・ブラック、パブロ・ピカソ、ジャン・メッツィンジェの『血まみれの女』^[36]、 アルベール・グレーズの『フロックスの女』 [ ^{37] [38]}、ロベール・ドローネーのエッフェル塔の眺め^{[39] [40]}などの急進的な実験は、キュビズムの爆発的な角張った表現を用いて、三次元空間という伝統的な錯覚を誇張している。複数の視点の微妙な使用は、セザンヌの先駆的な晩年の作品に見られ、これは実際の最初のキュビズム主義者を先取りし、刺激を与えた。セザンヌの風景画や静物画は、この芸術家自身の高度に発達した奥行き知覚を力強く示唆している。同時に、他のポスト印象派の画家たちと同様に、セザンヌは日本美術から絵画自体の平面（二次元）の長方形を尊重することの重要性を学んでいた。葛飾北斎や広重は遠近法を無視、あるいは逆転させ、それによって鑑賞者に、絵画は自身の平面の真実を認めたときにのみ「真実」となり得ることを思い出させた。対照的に、ヨーロッパの「アカデミック」絵画は、キャンバスの表面はその向こうに広がる「現実」の光景への魅惑的な入り口に過ぎず、画家の主な仕事は、描かれたキャンバスの存在を鑑賞者に気づかせないことであるという、一種の大嘘に捧げられていた。キュビズム、そして実際、ほとんどの現代美術は、平面に空間の深さを示唆するというパラドックスに立ち向かう、あるいは解決しようとする試みであり、革新的な見方、ならびに新しい描画および絵画の方法を通じて、その固有の矛盾を探求する試みである。

ロボット工学やコンピュータビジョンでは、 RGBDカメラなどのセンサーを使用して奥行き知覚を実現することがよくあります。^[41]

• ハワード、イアン・P.、ロジャース、ブライアン・J. (2012)。『Perceiving in Depth』ニューヨーク：オックスフォード大学出版局。全3巻
• パーマー、SE（1999）。視覚科学：光子から現象学まで。マサチューセッツ州ケンブリッジ：ブラッドフォードブックス/MITプレス。ISBN 9780262304016。
• ピラッツォーリ、GP (2015)ル・コルビュジエ、ピカソ、ポリフェムス、その他の単眼巨人 / e altri giganti monòculi。イタリア、フィレンツェ: goWare。
• ピンカー、スティーブン(1997)。「心の目」。心の仕組み。pp . 211–233。ISBN 978-0-393-31848-7。
• Sternberg RJ、Sternberg K、Sternberg K (2011)。認知心理学（第 6 版）。Wadsworth Pub Co.
• Purves D、Lotto B (2003)。『なぜ私たちは物事を見るのか：視覚の経験的理論』、マサチューセッツ州サンダーランド：Sinauer Associates。
• スタインマン、スコット B.; スタインマン、バーバラ A.; ガルジア、ラルフ フィリップ (2000)。両眼視の基礎: 臨床的観点。ニューヨーク: マグロウヒル メディカル。ISBN 978-0-8385-2670-5。
• 大越 孝典. (2012). 3次元イメージング技術. エルゼビア. p. 387. ASIN  B01D3RGBGS.

ウィキメディア・コモンズには、奥行き知覚に関連するメディアがあります。

• 奥行き知覚の例 2016-08-17 にWayback Machineでアーカイブ| GO Illusions。
• 単眼の巨人
• 両眼奥行き知覚とは何ですか?
• なぜ一部の人々は深いところまで見ることができないのか
• 空間認識 | Webvision。
• 奥行き知覚 | Webvision。
• 3Dを作ります。
• 映画、テレビ、写真の奥行きのヒント