حدة فائقة

تُحدد حدة حواسنا بأدق التفاصيل التي نستطيع تمييزها. تُقاس حدة البصر بأصغر الأحرف التي يمكن تمييزها على لوحة فحص البصر، وتخضع للمسافة التشريحية بين عناصر الشبكية الحسية. ومع ذلك، يمكن التمييز المكاني على نطاق أدق: إذ يمكن رصد عدم محاذاة الحدود بدقة تصل إلى عشرة أضعاف دقة حدة البصر، كما أثبت إيوالد هيرينغ عام ١٨٩٩. ^{[ ١ ]} تعتمد هذه الحدة الفائقة، التي تتجاوز بكثير حدود حجم "البكسلات" في الشبكية، على معالجة معلومات متطورة في الدماغ.

أفضل مثال على التمييز بين حدة البصر ودقة البصر الفائقة يأتي من الرؤية، كما هو الحال عند رصد النجوم في سماء الليل. المرحلة الأولى هي التصوير البصري للعالم الخارجي على شبكية العين. يسقط الضوء على فسيفساء من الخلايا الحسية المستقبلة، العصي والمخاريط، التي تغطي سطح الشبكية دون فجوات أو تداخل، تمامًا مثل وحدات البكسل في مستوى فيلم الكاميرات الرقمية. يستقبل كل مستقبل الضوء الذي يصل إليه، لكنه يعمل كوحدة واحدة، ممثلاً موقعًا واحدًا في الفضاء البصري . يحدد هذا التقسيم حدًا لإمكانية تحديد ما إذا كانت الصورة ناتجة عن نجم واحد أو نجمين (الدقة). لكي يظهر إدراك النجوم المنفصلة، ​​يجب أن تكون صور النجمين متباعدة بما يكفي لترك بكسل واحد على الأقل بينهما غير محفز نسبيًا. هذا ما يحدد حد الدقة وأساس حدة البصر.

تعمل آلية مختلفة تمامًا في فرط حدة البصر، ومثالها الأمثل، والذي صِيغ المصطلح لأجله في الأصل، ^{[ 2 ] [ 3 ]} هو حدة البصر الدقيقة : إذ يمكن الحكم على محاذاة حافتين أو خطين بدقة تفوق حدة البصر العادية بخمس أو عشر مرات. في رسومات الحاسوب، يُستخدم مصطلح " دقة دون البكسل " أحيانًا في مناقشات منع التعرجات والدقة الفائقة الهندسية . مع أن ما يُقصد به في الواقع ليس الدقة (هل هي بكسل واحد أم اثنان؟ - تمييز نوعي ) بل تحديد الموقع (أين بالضبط؟ - حكم كمي )، إلا أنه يُلخص العملية. عندما تمتد صورة على عدة بكسلات، لكل منها استجابة شدة متدرجة ولكن بقيمة مكانية واحدة فقط، يمكن تحديد موقع مركز الصورة بدقة أكبر من عرض البكسل، تمامًا كما يمكن حساب متوسط ​​المدرج التكراري لجزء من عرض الخانة.

في الشكل على اليمين، تظهر في أعلى الصورة فسيفساء شبكية العين ، حيث تظهر صورتان لنجمين عند الحد الأقصى للدقة، وذلك عندما تضمن الفجوة بينهما التأكد من وجود نجمين وليس نجمًا واحدًا ممتدًا. أما في الأسفل، فتظهر صورتان لخطين قصيرين منفصلين؛ وتتجاوز دقة تحديد فرق موقعهما أبعاد عناصر الفسيفساء.

لا تزال تفاصيل الجهاز العصبي المسؤول عن تحقيق حدة الإبصار الفائقة غير مكتشفة. إن حقيقة أن هذا الجهاز يعتمد على إشارات من مجموعة من الخلايا المستقبلة الفردية، عادةً في أكثر من موقع ضمن فضاء التحفيز، لها آثار على الأداء في هذه المهام. يُعد انخفاض التباين، والتقارب الشديد بين المحفزات المتجاورة (التزاحم)، وعدم التزامن الزمني لمكونات النمط، أمثلة على العوامل التي تُسبب انخفاض الأداء. ^{[ 4 ]} ومن الأمور ذات الأهمية المفاهيمية التغيرات المرتبطة بالعمر ^{[ 5 ]} وقابلية التعلم الإدراكي ^{[ 6 ]} ، والتي يمكن أن تُساعد في فهم التوجيه العصبي الكامن.

تم اقتراح خوارزميتين أساسيتين لتفسير حدة البصر الفائقة لدى الثدييات: الخوارزمية المكانية، القائمة على معدلات إطلاق النبضات العصبية، والخوارزمية الزمنية، القائمة على التأخيرات الزمنية في الاستجابة لحركات العين الدقيقة. ورغم أن أياً منهما لم يحظَ بدعم تجريبي حتى الآن، إلا أن معقولية الخوارزمية الأولى قد تم التشكيك فيها بشكل كبير بسبب الطبيعة المتقطعة لإطلاق النبضات العصبية ^{[ 7 ].}

تتميز بصريات العين البشرية ببساطتها الشديدة، إذ يتكون عنصر التصوير الرئيسي فيها من عدسة أحادية العنصر قابلة لتغيير قوتها عن طريق التحكم العضلي. ولا تتوفر سوى إمكانيات محدودة لتصحيح العديد من الانحرافات التي تُصحح عادةً في الأنظمة البصرية عالية الجودة. ^{[ 8 ]} ولا بد أن تحتوي هذه العدسة البسيطة على قدر كبير من الانحراف الكروي، مما يُنتج فصوصًا ثانوية في دالة الانتشار. ومع ذلك، فقد أظهرت التجارب أن الضوء الداخل إلى البؤبؤ خارج المحور يكون أقل كفاءة في تكوين الصورة ( تأثير ستايلز-كروفورد )، مما يُقلل بشكل كبير من هذه الفصوص الجانبية غير المرغوب فيها. كما يمكن، مع مراعاة الدقة، استخدام تأثيرات حدود الحيود للتعويض جزئيًا عن هذه الانحرافات.

تقع مستقبلات الشبكية خلف طبقة عصبية تحمل عناصر المعالجة اللاحقة للشبكية. لا يمكن للضوء المرور عبر هذه الطبقة دون تشويه. في الواقع، تشير قياسات دالة نقل التعديل (MTF) إلى أن تدهور دالة نقل التعديل الناتج عن الانتشار عبر تلك الطبقة العصبية مماثل في شدته لتلك الناتجة عن البصريات. ومن خلال التفاعل بين هذه المكونات المختلفة، وُجد أن الجودة البصرية الإجمالية، على الرغم من كونها ضعيفة مقارنةً بالبصريات الفوتوغرافية، يمكن أن تظل ثابتة بشكل مقبول ضمن نطاق واسع من أقطار الحدقة ومستويات الإضاءة.

عند عرض المعلومات الملونة، تبرز العيوب البصرية بشكل ملحوظ. إذ تعاني العدسات من انحراف لوني متبقٍ غير مصحح يصل إلى حوالي 2 ديوبتر، من الأحمر القاني إلى الأزرق/البنفسجي القاني، وخاصةً في نطاق الأخضر إلى الأزرق/البنفسجي. وقد استغل أطباء العيون لعقود طويلة هذا التغير الكبير في التركيز عبر الطيف في عملية تصميم النظارات التصحيحية. وهذا يعني أن هذه التصحيحات قد تكون بسيطة كعدسة العين نفسها.

بالإضافة إلى ذلك، استُغلّ هذا الانحراف اللوني الكبير لصالح العين نفسها. فبدلاً من استخدام الألوان الأساسية الثلاثة (الأحمر والأخضر والأزرق)، وظّفت الطبيعة هذا التحوّل اللوني الكبير لتوفير وظيفة بصرية قشرية تعتمد على ثلاث مجموعات من تضاد الألوان بدلاً من الألوان الأساسية الثلاثة. ^{[ 9 ]} هذه المجموعات هي الأحمر/الأخضر، والأصفر/الأزرق، والأسود/الأبيض، حيث يُرادف الأسود/الأبيض السطوع. ثم، باستخدام تضاد واحد عالي الدقة بين اللونين الأحمر والأخضر الأساسيين، تستخدم الطبيعة بذكاء متوسط ​​هذين اللونين (أي الأصفر)، بالإضافة إلى الأزرق منخفض الدقة، لخلق خلفية لونية. وبدورها (باستخدام قدرة الحدة الفائقة على التضاد منخفض الدقة)، يمكن أن تُشكّل هذه الخلفية مصدرًا لإدراك العمق ثلاثي الأبعاد.

تحتوي العين البشرية على مصفوفة سداسية الشكل تقريبًا من الكواشف الضوئية. ^{[ 10 ]} وهناك الآن أدلة كثيرة تشير إلى أن هذا الترتيب المصفوفي يوفر كفاءة مثلى لنقل المعلومات. وقد فكر عدد من الباحثين الآخرين في استخدام المصفوفات السداسية، لكنهم اعتمدوا على ما يبدو على منهج رياضي ومحاور بزاوية 60 درجة. وهذا بدوره يستلزم استخدام الأعداد المركبة. أما أوفيرنجتون وفريقه، فقد سعوا (ووجدوا) طريقة لتقريب المصفوفة إلى شكل سداسي، مع الحفاظ في الوقت نفسه على الترتيب الديكارتي التقليدي للمعالجة.

على الرغم من وجود تفاعلات مكانية عديدة ومتنوعة في الشبكات العصبية المبكرة للجهاز البصري البشري، إلا أن القليل منها فقط ذو أهمية بالغة في استشعار المعلومات بدقة عالية. أما البقية، فترتبط في الغالب بعمليات مثل التكيف الموضعي. ولذلك، وُجد أن أهم التفاعلات ذات نطاق موضعي ضيق، ولكن دقة استخدام هذه التفاعلات هي الأهم. بالنسبة للمصفوفات السداسية، تُعد حلقة واحدة من ستة مستقبلات تحيط بالبكسل المُستهدف أبسط تخطيط متناظر. والنتيجة العامة من دراسات مجال الاستقبال لدى الرئيسيات هي أن أي مجموعة موضعية من هذا القبيل لا تُنتج أي مُخرجات عند إضاءة مُدخلة موحدة. لذا، يُشبه هذا إلى حد كبير أحد مجالات الاستقبال الكلاسيكية لابلاس للمصفوفات المربعة - ذلك الذي تكون فيه الأوزان -1 على كل جانب و-0.5 على كل زاوية. والفرق الوحيد هو نسبة العرض إلى الارتفاع 8:7.07 (أو ما يقارب 8:7 في حدود 1%). تُقدّم دراسات المجهر الإلكتروني التي أجراها كولب ^{[ 11 ]} أدلةً إضافيةً قيّمةً للغاية حول العمليات الجارية في هذا المجال . تُظهر هذه الدراسات بوضوح البنى العصبية التي تؤدي إلى نقل إشارات الاختلاف. عند دمج دالة انتشار نقطية ذات شكل غاوسي وانحراف معياري قدره 1.3 بكسل مع مُؤثر لابلاس أحادي الحلقة، تكون النتيجة دالة ذات خصائص مشابهة جدًا لدالة DOG كما ناقشها مار ^{[ 12 ] .}

يُفترض عادةً، في معالجة الصور الحاسوبية وعلم البصريات، أن عملية التنشيط/التثبيط الموضعية هي في الواقع عملية تفاضلية ثانية. مع ذلك، يبدو أن هناك أدلة نفسية فيزيائية قوية تُشير إلى أن الفروق الأولى هي التي تتحكم في الأداء البصري البشري. من الضروري فصل الأجزاء الموجبة والسالبة لجميع مخرجات الخلايا العصبية الشبيهة بخلايا لابلاس لإرسالها إلى القشرة الدماغية، إذ يستحيل نقل الإشارات السالبة. هذا يعني أنه يجب اعتبار كل خلية عصبية من هذا النوع مجموعة من ستة ثنائيات أقطاب، بحيث لا يستطيع أي تثبيط محيطي إلغاء سوى جزءه الخاص من التحفيز المركزي. يتوافق هذا الفصل بين المكونات الموجبة والسالبة تمامًا مع وظائف الشبكية، وهو إحدى الوظائف المحتملة للزوج المعروف من القنوات ثنائية القطب الصغيرة لكل مستقبل. ^{[ 13 ]}

الدليل الأساسي على استشعار الاتجاه في الرؤية البشرية هو أنه يبدو أنه يتم (في المنطقة 17 من القشرة البصرية الأولية) بواسطة مجموعات من الخلايا العصبية ذات اتجاهات متباعدة نسبيًا. ^{[ 14 ]} تتميز الخلايا العصبية المقاسة بحقول استقبال بيضاوية الشكل. ^{[ 15 ]} ومع ذلك، فإن كلًا من الفاصل الزمني الفعلي بين الاتجاهات والشكل الدقيق ونسبة أبعاد حقول الاستقبال البيضاوية محل تساؤل، ولكن في الوقت نفسه، لا بد أن تكون حقول الاستقبال هذه قد تداخلت مع حقول الاستقبال الصغيرة في الشبكية. ومرة ​​أخرى، بالنسبة لقياسات أداء "الخلية العصبية المفردة"، يشمل حقل الاستقبال المقاس تأثيرات جميع مراحل المعالجة البصرية والعصبية السابقة.

بالنسبة للوحدات ذات التوجيه المحدد التي تعمل على مصفوفة سداسية، من الأنسب أن تتواجد محاورها الأساسية والثانوية كل 30 درجة من التوجيه. يتوافق هذا الفصل بين التوجيهات، البالغ 30 درجة، مع التباعد الزاوي لهذه الوحدات الذي استنتجه جون كاني من خلال منهج رياضي. ^{[ 16 ]} في غياب تفاصيل محددة، بدا أن الحل الأمثل تقريبًا بين الكفاءة الحسابية والبساطة من جهة، والضبط التوجيهي المناسب من جهة أخرى، هو أن يكون بحجم 5 × 1 بكسل. وهذا يتوافق أيضًا مع ما اقترحه كاني بشكل مستقل، وما لاحظه باحثون آخرون في دراسات رؤية الرئيسيات. تتميز وحدات المجال الاستقبالي بوظائف ضبط توجيهي تُشابه إلى حد كبير وظائف ضبط التوجيه التي تم تحديدها للرؤية من خلال الاختبارات النفسية الفيزيائية.

توجد إمكانية لإعادة تجميع دوال الفروق الجزئية الواصلة إلى القشرة الدماغية بطريقتين. ^{[ 17 ]} من الممكن تحليل خريطة الفروق الثانية - بالبحث عن نقاط تقاطع الصفر، وهي الطريقة الأكثر شيوعًا حتى منتصف ثمانينيات القرن الماضي. بدلاً من ذلك، يمكن استشعار القمم المحلية في خريطة الفروق الأولى، وهي طريقة ازدادت شعبيتها منذ ذلك الحين. تعتمد هذه الطريقة الأخيرة على إيجاد موضع قمة صورة الحافة من خلال تحليل 3 × 1 ومطابقة منحنى تربيعي . في كلتا الحالتين، ثبت أنه يمكن تحديد موضع الحافة بدقة أفضل من 0.1 بكسل نظرًا لانتشار الحافة الواسع جدًا بسبب ضعف الصورة البصرية، كما ثبت أيضًا أنه من خلال عمليات حسابية بسيطة، يمكن استنتاج اتجاه الحافة المحلي بدقة أفضل من درجة واحدة. علاوة على ذلك، يوفر التفاعل بين بيانات الفروق الأولى والثانية وسيلة فعالة للغاية لتحليل الحركة، والرؤية المجسمة، واللون، والملمس، وخصائص المشهد الأخرى.

يُعدّ التمييز بين القدرة على التمييز أو حدة البصر، والتي تعتمد على تباعد المستقبلات الفردية التي تُستَقبَل من خلالها المعلومات الخارجية، والقدرة على تحديد المواقع الفردية في الفضاء الحسي، تمييزًا عالميًا بين مختلف الحواس. وهناك أمثلة أخرى كثيرة يتجاوز فيها أداء الكائن الحي تباعد خلايا المستقبلات المعنية بشكل كبير. يمتلك الإنسان الطبيعي ثلاثة أنواع فقط من مستقبلات الألوان في شبكية العين، ومع ذلك، في رؤية الألوان ، من خلال الموازنة الدقيقة ومقارنة مخرجاتها النسبية، يمكن للمرء أن يكتشف آلاف الألوان. تتطلب قراءة برايل حدة فائقة بين مستقبلات اللمس في أطراف الأصابع. ^{[ 18 ]} يمكننا سماع نغمات مختلفة أكثر بكثير من عدد الخلايا الشعرية في القوقعة ؛ فتمييز النغمات، الذي بدونه لا يمكن عزف الكمان بشكل صحيح، هو حدة فائقة. ^{[ 19 ]} تم تحديد حدة البصر الفائقة في العديد من أنواع الحيوانات، على سبيل المثال في اكتشاف الفريسة بواسطة السمكة الكهربائية ، ^{[ 20 ]} وتحديد الموقع بالصدى لدى الخفافيش، ^{[ 21 ]} وفي قدرة القوارض على تحديد مواقع الأشياء بناءً على التشوهات الميكانيكية لشواربها. ^{[ 22 ]}

في اختبارات الرؤية السريرية، ^{[ 23 ]} تحتل حدة الإبصار الفائقة مكانة خاصة لأن معالجتها تتم عند نقاط التقاء بصريات العين، ووظائف الشبكية، وتنشيط القشرة البصرية الأولية، والجهاز الإدراكي. وعلى وجه الخصوص، يُعد تحديد الإبصار المجسم الطبيعي مهمة تعتمد على حدة الإبصار الفائقة. ويُستخدم قياس مجال الرؤية بدقة عالية في التجارب السريرية لتقييم علاجات التغيرات التنكسية في الشبكية. ^{[ 24 ]}

• حدة