Não ước lượng chiều sâu bằng cách kết hợp hàng chục manh mối khác nhau, chia thành hai nhóm: manh mối một mắt (dùng được cả trên tranh ảnh: chồng lấp, kích thước tương đối, phối cảnh, sáng tối, độ mờ do không khí, vị trí cao thấp, kết cấu dày dần, thị sai khi di chuyển) và manh mối hai mắt (chênh lệch giữa hình của hai mắt, độ quy tụ của hai mắt). Không manh mối nào đủ một mình; não cân đo chúng như một thám tử, và ảo giác xảy ra khi các manh mối bị làm giả hoặc mâu thuẫn.
Bài này là "bản đồ" các manh mối chiều sâu: mỗi loại là gì, hiệu quả ở khoảng cách nào, và hoạ sĩ, nhà làm phim, kỹ sư thực tế ảo dùng chúng ra sao.
Vấn đề cốt lõi: võng mạc là mặt phẳng
Ảnh của thế giới rơi lên võng mạc, một lớp tế bào cong nhưng về bản chất là hai chiều. Thông tin "xa bao nhiêu" đã mất khi ánh sáng chiếu lên đó. Một chiếc ô tô đồ chơi ở gần và một chiếc ô tô thật ở xa có thể cho ảnh y hệt. Não phải suy ra chiều thứ ba từ những dấu vết gián tiếp. Đó là lý do một bức ảnh phẳng vẫn cho cảm giác sâu, và cũng là lý do ta có thể bị đánh lừa.
Bảng các manh mối chiều sâu
| Manh mối | Loại | Nội dung | Hiệu quả ở khoảng cách |
|---|---|---|---|
| Chồng lấp | Một mắt | Vật che vật kia thì ở gần hơn | Mọi khoảng cách |
| Kích thước tương đối | Một mắt | Vật cùng loại mà nhỏ hơn thì ở xa hơn | Mọi khoảng cách |
| Kích thước quen thuộc | Một mắt | Biết người cao khoảng 1,6 – 1,8 m, từ cỡ ảnh suy ra khoảng cách | Mọi khoảng cách |
| Phối cảnh tuyến tính | Một mắt | Đường song song hội tụ ở xa | Trung bình đến xa |
| Kết cấu dày dần | Một mắt | Sỏi, gạch, cỏ nhỏ và dày dần về phía xa | Trung bình đến xa |
| Vị trí so với đường chân trời | Một mắt | Vật trên mặt đất càng gần đường chân trời càng xa | Trung bình đến xa |
| Sáng tối, bóng đổ | Một mắt | Cho hình dạng khối và vị trí so với mặt đất | Gần đến trung bình |
| Phối cảnh không khí | Một mắt | Vật xa nhạt, xanh, kém tương phản | Rất xa (hàng trăm mét trở lên) |
| Thị sai chuyển động | Một mắt, cần di chuyển | Khi ta di chuyển, vật gần trôi nhanh, vật xa trôi chậm | Gần đến trung bình |
| Điều tiết | Một mắt | Độ căng cơ mắt khi lấy nét | Rất gần (dưới vài mét) |
| Chênh lệch hai mắt | Hai mắt | Mỗi mắt thấy hình hơi khác; chênh lệch càng lớn, vật càng gần | Gần, mạnh nhất trong vài mét, giảm dần tới vài chục mét |
| Quy tụ | Hai mắt | Hai mắt xoay vào trong để nhìn vật gần | Rất gần |
Hai mắt: lợi thế của loài săn mồi
Mắt trái và mắt phải của người cách nhau trung bình khoảng 6 – 6,5 cm. Mỗi mắt thấy thế giới từ một vị trí hơi khác, nên hai ảnh trên võng mạc lệch nhau một chút. Não so hai ảnh và tính ra chiều sâu, quá trình gọi là nhìn nổi (stereopsis). Nhà vật lý Charles Wheatstone mô tả điều này năm 1838 và chế tạo kính nhìn nổi (stereoscope) đầu tiên để chứng minh.
Thử ngay: giơ một ngón tay trước mặt, nhắm mắt trái rồi mắt phải luân phiên. Ngón tay "nhảy" qua lại so với nền phía sau. Khoảng nhảy đó là chênh lệch hai mắt.
Loài săn mồi như mèo, cú, người có hai mắt hướng về phía trước, vùng nhìn chung của hai mắt rộng, nên nhìn nổi tốt, giúp ước lượng khoảng cách tới con mồi. Loài bị săn như thỏ, ngựa có mắt ở hai bên đầu, vùng nhìn chung hẹp nhưng nhìn bao quát gần như toàn bộ xung quanh.
Không ai cần hai mắt để thấy chiều sâu hoàn toàn
Một tỉ lệ nhỏ dân số không nhìn nổi được, thường do lác hay nhược thị từ nhỏ. Họ vẫn lái xe, chơi thể thao, làm việc bình thường nhờ các manh mối một mắt. Nhà khoa học thần kinh Susan Barry kể trong cuốn Fixing My Gaze (2009) rằng bà bị lác từ nhỏ, đến ngoài bốn mươi tuổi mới luyện tập thị giác và lần đầu trải nghiệm nhìn nổi, như "thấy không gian giữa các vật".
Thị sai chuyển động: vì sao chim gật đầu
Khi ngồi trên xe nhìn ra cửa sổ, hàng rào bên đường vụt qua nhanh, cánh đồng trôi chậm, núi xa gần như đứng yên. Não dùng tốc độ trôi tương đối này để biết khoảng cách. Đây là manh mối một mắt rất mạnh, nhưng chỉ có khi ta di chuyển.
Chim bồ câu, gà gật đầu khi đi một phần để ổn định hình ảnh, và các loài như cú hay một số côn trùng lắc lư đầu để tạo thị sai, đo khoảng cách trước khi lao tới.
Vách đá thị giác: trẻ sơ sinh có thấy chiều sâu không
Năm 1960, Eleanor Gibson và Richard Walk công bố thí nghiệm "vách đá thị giác" (visual cliff). Một tấm kính dày phủ trên một cái bàn: một nửa có mặt bàn kẻ ô ngay dưới kính, nửa kia mặt kẻ ô hạ thấp xuống sàn, tạo cảm giác vực sâu. Trẻ đang tuổi bò (khoảng 6 – 14 tháng) phần lớn không chịu bò qua phía "vực" dù mẹ gọi, cho thấy các em đã cảm nhận được chiều sâu. Nghiên cứu sau này của Joseph Campos và cộng sự cho thấy kinh nghiệm tự bò góp phần lớn vào nỗi sợ độ cao này.
Khi các manh mối mâu thuẫn
Phần lớn ảo giác về chiều sâu xảy ra khi các manh mối "nói" khác nhau, và não phải chọn:
- Mặt nạ rỗng: hai mắt nói "lõm", kiến thức về khuôn mặt nói "lồi". Kiến thức thắng.
- Phòng Ames: kích thước quen thuộc của người nói "khác khoảng cách", phối cảnh căn phòng nói "cùng khoảng cách". Phòng thắng.
- Kính thực tế ảo: hai mắt và thị sai nói "vật ở xa 3 mét", nhưng mắt vẫn phải lấy nét ở màn hình cố định gần mắt. Mâu thuẫn giữa điều tiết và quy tụ này là một nguyên nhân gây mỏi mắt.
Ứng dụng: hoạ sĩ, nhà làm phim, kỹ sư
- Hoạ sĩ chỉ có manh mối một mắt tĩnh: chồng lấp, kích thước, phối cảnh, sáng tối, không khí. Họ là bậc thầy kết hợp chúng.
- Nhà làm phim thêm thị sai chuyển động bằng máy quay di chuyển (cảnh "dolly"), làm cảnh sâu hơn hẳn ảnh tĩnh.
- Phim 3D và thực tế ảo thêm chênh lệch hai mắt bằng cách đưa hai ảnh khác nhau vào hai mắt.
- Ô tô tự lái và robot dùng camera đôi (bắt chước hai mắt), cảm biến đo khoảng cách bằng tia laser, và cả thuật toán suy chiều sâu từ một camera, học từ đúng các manh mối mà não người dùng.
Góc nhìn hôm nay: cảm nhận từng manh mối
- Chênh lệch hai mắt: nhắm một mắt, thử chạm đầu hai cây bút vào nhau từ hai phía. Khó hơn hẳn so với mở hai mắt.
- Thị sai chuyển động: nhắm một mắt, lắc đầu sang hai bên khi nhìn một góc phòng. Cảm giác chiều sâu quay lại ngay.
- Kích thước quen thuộc: chụp ảnh một chiếc xe đồ chơi đặt gần ống kính trên nền một con phố xa. Trong ảnh, nó có thể trông như xe thật.
- Kết cấu: chụp một mặt sân lát gạch từ đầu sân. Quan sát gạch nhỏ dần và sít lại về phía xa.
Câu hỏi thường gặp
Não cảm nhận chiều sâu bằng cách nào?
Não kết hợp nhiều manh mối: manh mối một mắt như chồng lấp, kích thước, phối cảnh, sáng tối, thị sai khi di chuyển, và manh mối hai mắt như chênh lệch giữa hình hai mắt và độ quy tụ. Không manh mối nào đủ một mình.
Nhìn bằng một mắt có thấy chiều sâu không?
Có. Các manh mối một mắt như chồng lấp, kích thước tương đối, phối cảnh, sáng tối và thị sai khi di chuyển vẫn cho cảm giác chiều sâu tốt. Chỉ mất phần nhìn nổi từ chênh lệch hai mắt, quan trọng nhất ở khoảng cách gần.
Nhìn nổi là gì?
Nhìn nổi là khả năng cảm nhận chiều sâu nhờ não so sánh hai hình hơi khác nhau từ hai mắt. Charles Wheatstone mô tả và chứng minh nó năm 1838 bằng kính nhìn nổi đầu tiên.
Thí nghiệm vách đá thị giác là gì?
Là thí nghiệm năm 1960 của Eleanor Gibson và Richard Walk, đặt trẻ đang tuổi bò trên tấm kính phủ qua một vực giả. Phần lớn trẻ không chịu bò qua vực, cho thấy các em đã cảm nhận được chiều sâu.
Vì sao dùng kính thực tế ảo lâu bị mỏi mắt?
Một nguyên nhân là mâu thuẫn giữa quy tụ và điều tiết: hai mắt xoay theo khoảng cách ảo của vật nhưng vẫn phải lấy nét ở màn hình cố định gần mắt. Não nhận hai thông tin chiều sâu trái ngược nhau.