مسیر بینایی انسان

جهت طراحی سیستم‌های پردازش تصویر کارا، لازم است که در ابتدا دید کافی از مسیر بینایی انسان داشته باشیم، مسیری که شامل چشم، اعصاب مرتبط با چشم و بخش‌های مختلف مغز می‌باشد.

در تصویر زیر یک تصویر عرضی از چشم یک انسان را مشاهده می‌کنید. چشم انسان تقریبا کروی است، که قطر متوسط آن در حدود 40 میلیمتر است. نورهای مرئی را از طریق مردمک چشم(pupil) به داخل وارد شده و سپس ایمپالس‌های الکتریکی تبدیل شده و توسط اعصاب بینایی(optic nerves) جهت تفسیر به مغز منتقل می‌شوند. نور مرئی در ابتدا توسط قرنیه (cornea) شکست خورده و وارد مردمک چشم می‌شود، سپس دوباره توسط عدسی (lens) شکست خورده و وارد غشای درونی یعنی شبکیه(retina) به شکل یک تصویر قرینه می‌شود.

در تصویر زیر نحوه تشکیل تصویر در چشم نشان داده شده است. البته در تصویر زیر شکست نور اولی خوب نشان داده نشده است که در واقعیت نور در قرینه نیز شکست می خورد.

شبکیه چشم

شبکیه چشم از چندین لایه تشکیل شده است، که یکی از آنها اپیتلیوم رنگدانه شبکیه (retinal pigment epithelium) می باشد. این لایه شامل گیرنده‌های نوری است که نور را حس کرده و به ایمپالسهای الکتریکی تبدیل می‌کنند، و این ایمپالسهای توسط اعصاب بینایی به مغز منتقل می‌شوند.

دو نوع گیرنده های نوری در این لایه وجود دارد: سلول‌های استوانه‌ای  (Rods) و سلول‌های مخروطی(Cones). در شکل زیر نمای نزدیک از سلول‌های مخروطی و استوانه‌ای  نشان داده شده است. اسم این سلولها به خاطر شکل ظاهریشان انتخاب شده است.

سلول‌های استوانه‌ای  تعداد زیادی دارند و حدودا 100 میلیون سلول استوانه‌ای  در این لایه توزیع شده اند. این سلول‌های استوانه‌ای  نسبت به سلول‌های مخروطی به نور حساسیت بیشتری دارند. در واقع استفاده از این اصطلاح شاید درست نباشد، چون هر دو سلول حساسیت بالایی به نور دارند و حتی یک فوتون نوری را حس می‌کنند، اما دلیلی که باعث شده سلول‌های استوانه‌ای  در نور کم هم فعال باشند این است که تعداد زیادی از این سلولها همزمان به یک سلول گنگلیا متصل هستند. سلول‌های مخرطی در تعداد کمتری حدود 6 تا 7 میلیون وجود دارند. این سلولها به صورت فشردهدر یک ناحیه مرکزی (به قطر 1.5 میلمتر) نزدیک به مرکز شبکیه، حفره جشم (fovea) قرار دارند.

نحوه توزیع گیرنده های نوری در شبکیه در شکل زیر نشان داده شده است.

همانطور که قبلا ذکر کردیم، سلول‌های مخروطی در مرکز چشم یعنی حفره چشم/ لکه زرد (fovea) متمرکز شده‌اند، در حفره چشم تعداد زیادی از این سلولها وجود دارد، و هرچقدر از مرکز چشم دور می‌شویم، تعداد این سلولها کم شده و همچنین اندازه این سلولها بزرگتر می‌شود. اما سلول‌های استوانه‌ای  در همه جای شبکیه به وفور یافت می شوند. پیوند پیچیده‌ی سلولها برخی از پردازشهای اولیه را حتی قبل از اینکه اطلاعات از شبکیه خارج شوند، تهسیل می‌کنند.

در شبکیه چشم، قسمتی وجود دارد که سلول‌های مخروطی و استوانه‌ای  در آنجا وجود ندارد، از این بخش اعصاب بینایی خارج می‌شوند و از طریق این اعصاب، ایمپالسهای الکتریکی را به مغز منتقل می شوند. به این بخش از شبکیه نقطه کور (optic disk/blind spot)گفته می‌شود و اگر تصویر در این نقطه از شبکیه قرار بگیرد، اطلاعاتی توسط گیرنده ها ثبت نخواهد شد و ما عملا هیچ تصویری مشاهده نخواهیم کرد. در تصویر زیر میزان حساسیت سلول‌های مخروطی و استوانه‌ای  به طیفهای مختلف نوری نمایش داده شده است.

سلول‌های استوانه‌ای بیشتر در نور ضعیف تحریک می‌شوند و به مغز توانایی دیدن در تاریکی را می‌دهند و آسیب به آن موجب بیماری شب کوری می‌شود. این سلولها به رنگ‌ها حساسیت نشان نمی‌دهند؛ به همین دلیل بینایی در تاریکی به رنگ سیاه، سفید و طیفی از خاکستری است.

سلول‌های مخروطی، برخلاف سلول‌های استوانه‌ای، در نور قوی بیشتر تحریک می‌شوند. این سلولها انرژی نورانی را به پیام عصبی تبدیل کرده و به مغز توانایی دیدن رنگ‌ها و جزئیات ظریف اشیا را می‌دهند.

سلول‌های استوانه‌ای  و مخروطی هر کدام از آن‌ها به طول موج خاصی از نور حساسیت نشان می‌دهند که خود سلول‌های استوانه‌ای  به نور سبز-آبی حساس هستند و بیشترین حساسیتها آنها در طول موج حدودا 498nm است اما این سنسورهای رنگ ها را آشکار نمی کنند و تنها شدت روشنایی پایین را آشکار می کنند. دلیل این امر این است که چندین سلول استوانه‌ای  به یک سلول عصبی گنگلیا متصل است و این باعث می شود نتوانند جزئیات را تفکیک کنند، این سلولها در شرایطی که سطح شدت روشنایی کم باشد عمل می کنند و برای دید در شب وجود این سلولها حیاتی می باشد.

در چشم انسان سه نوع سلول مخروطی وجود دارد که هر کدام از آن‌ها به طول موج خاصی از نور حساسیت نشان می‌دهند: 564 نانومتر (رنگ قرمز)، 533 نانومتر (رنگ سبز)، 437 نانومتر (رنگ آبی). از ترکیب این رنگ‌ها، مغز قادر به دیدن رنگ‌های طیف مرئی می‌شود. در شکل زیر طول موج نورهای مختلف به همراه نور مرئی نمایش داده شده است.

نحوه فعال شدن سلولهای عصبی در بخش شبکیه چشم

اگر ما ولتاژ داخل سلول عصبی را نسبت به خارج سلول توسط دو الکترود اندازه‌گیری کنیم، در حالت استراحت، یعنی زمانی که هیچ محرکی مثل نور آنها را تحریک نکند، یک ولتاژ منفی در داخل خود دارند، به این پتانسیل، پتانسیل استراحت غشا می‌گویند، در زمان تحریک سلول‌ها توسط نور، و یا دریافت ورودی از یک سلول عصبی دیگر، سطح ولتاژ تغییر کرده و منفی‌تر می‌شود.

موفق باشید