Conocer cómo funciona nuestra visión nos permite entender cómo la iluminación de un ambiente impacta sobre las personas, y nos brinda herramientas para diseñar la iluminación en función de los objetivos que querramos cumplir.
Anatomía del ojo
El funcionamiento del ojo humano tiene algunas similitudes con el funcionamiento de una cámara fotográfica.
En la parte frontal de los ojos se encuentra el iris, que a través de las pupilas regula la cantidad de luz que entra a los ojos, como lo hace el diafragma de una cámara fotográfica.
La luz que atraviesa las pupilas pasa por un lente, que puede cambiar su forma gracias a los músculos ciliares, modificando de esa forma el ángulo con el que entran los haces de luz y cambiando en qué parte de la retina pega la luz. Esto funciona como el sistema de enfoque de una cámara, y es lo que le permite al ojo enfocar la imagen en objetos que se encuentran a diferentes distancias.
Finalmente tenemos la retina, que sería el análogo a la película fotográfica en las cámaras analógicas, o a los sensores CCD o CMOS en una cámara digital.
La retina posee en su capa exterior, dos tipos de células fotorreceptoras que son sensibles a la luz: bastones y conos.
En la parte periférica de la retina se encuentran los bastones (entre 120 y 125 millones de bastones). Los bastones son sensibles a la cantidad de luz, y se activan cuando los niveles de iluminación son bajos (luminancia menor a 0.25cd/m2).
Los bastones no distinguen los colores, por lo que nos proporcionan una visión monocromática.
Cuando la visión se realiza básicamente con los bastones (en condiciones de poca luz), se dice que usamos la visión Escotópica, también llamada visión de noche.
En la parte central de la retina, contra el nervio óptico (zona Fóvea) se encuentran los conos (entre 6 y 7 millones de conos).
Hay 3 tipos de conos:
Conos mayormente sensibles al azul --> pico de sensibilidad a los 420-440nm
Conos mayormente sensibles al verde --> pico de sensibilidad a los 530-540nm
Conos mayormente sensibles al rojo --> pico de sensibilidad a los 560-580nm
Cuando la luminancia es mayor a los 3cd/m2, se activa la visión Fotópica, también conocida como visión de día, que es cuando vemos principalmente con los conos, que sí distinguen los colores, por lo que nos proporcionan la visión a color.
En la visión Fotópica, cuando luz compuesta por una suma compleja de ondas electromagnéticas de diferentes frecuencias y amplitudes entra a nuestros ojos, los 3 grupos de conos son excitados y crean un código que viaja a nuestro cerebro, que le dice qué color estamos viendo en cada punto de nuestro campo visual.
En conjunto, los 3 tipos de conos tienen una curva de sensibilidad que tiene su pico en los 555nm, como se muestra en la siguiente figura.
Cuando las condiciones de luz están entre medio de la visión Fotópica y la Escotópica (entre 0.25 y 3cd/m2), se produce la visión Mesópica (Espacios Nocturnos Exteriores, Iluminación de Alumbrado Público e Interiores de Luz Artificial).
Es una visión intermedia y tanto los conos como los bastones están activos pero la capacidad para distinguir los colores va disminuyendo a medida que baja el nivel de luz.
El desplazamiento que existe entre las dos curvas (Visiones Fotópica-Escotópica) se conoce con el nombre de Efecto Purkinje.
Tanto los conos como los bastones, poseen un pigmento que se decolora al ser excitado por la luz y se recolora en reposo. Este pigmento en el caso de los bastones se llama rodopsina, mientras que los conos tienen tres diferentes pigmentos:
eritrolabe: sensible al color rojo,
clorolabe, sensible al color verde,
cianolabe, sensible al color azul.
Todos estos pigmentos están compuestos por un aldehído de la vitamina A (llamada 11 cisretinal) y una proteína llamada opsina, la cual es diferente para cada uno de los pigmentos mencionados:
eritropsina para el eritrolabe (conos rojos),
cloropsina para el clorolabe (conos verdes),
cianopsina para el cianolabe (conos azules),
escotopsina para la rodopsina (bastones).
La retina posee una estructura estratiforme (siguiente figura) compuesta por varias capas de neuronas especializadas en distintas tareas.
En la cara más externa de esta estructura (OPL - capa plexiforme externa) están las células fotorreceptoras, que descansan en el epitelio retinal pigmentario (RPE). Éste se encuentra, a su vez, unido a la coroides, la cual tiene como función principal el aporte de nutrientes y oxígeno a las células de la retina.
El RPE sirve de repositorio de pigmentos para los conos y los bastones, además, las células del epitelio se encargan de fagocitar los restos producidos por la decoloración de los pigmentos de los fotorreceptores con el fin de contribuir a su regeneración.
También, las células que componen el RPE poseen gránulos de melanina que poseen una doble función protectora: absorber la luz que no es atrapada por los fotorreceptores y además tienen propiedades antioxidantes.
(1) - conos, (2) - bastones, (3) - células horizontales, (4) - células bipolares, (5) - células amacrinas, (6) - células ganglionares.
Cuando los pigmentos de los fotorreceptores se decoloran, comienza una cadena de reacciones bioquímicas que terminan con la generación de patrones de activación en el otro extremo de la célula fotorreceptora (conos o bastones).
Éstos patrones de activación son transferidos a las células bipolares y horizontales.
Las células horizontales, de las cuales existen entre uno y tres tipos diferentes en la
retina, interaccionan con células laterales dentro de la capa plexiforme externa (OPL),
de manera que realizan un procesamiento en paralelo de la información.
Las células bipolares están ligadas a las células fotorreceptoras. Éstas se encargan de conducir las señales generadas por los fotorreceptores al interior de la capa plexiforme interna (IPL), sobre las dendritas de las células amacrinas y ganglionares, las cuales se encargan de codificar la información en forma de impulsos que son transmitidos al córtex visual del cerebro por medio de las fibras del nervio óptico (ONF).
La relación entre células fotorreceptoras y ganglionares no es uno a uno, sino que el número de células se va reduciendo en cada capa, de modo que el nervio óptico está formado por alrededor de un millón de axones.
Como consecuencia de la actividad desarrollada en la OPL y en la IPL, la información capturada por los fotosensores se va depurando, comprimiendo y simplificando hasta que adquiere un formato inteligible para el cerebro pero a la vez soportable por el ancho de banda del nervio óptico.
Algo particular e interesante es que el estímulo visual crea una serie de patrones de activación de carácter analógico, de manera que son señales continuas tanto en el tiempo como en el rango de valores que toman. Esta característica es diferente en el resto del sistema nervioso central, en el cual la información se codifica mediante impulsos, de manera que es la frecuencia de estos impulsos la que da una idea de la amplitud de la señal. Este tipo de funcionamiento se debe a que el esquema de impulsos neuronales es incapaz de soportar el ancho de banda que se requiere para transmitir la cantidad de datos contenidos en el estimulo visual.
Detección de movimiento
Dado que los fotoreceptores reaccionan a los cambios de luz, el ojo solamente detecta variaciones del campo visual, esto es, que si los ojos quedaran perfectamente quietos observando una imagen estática, la imagen comenzaría a desvanecerse y no podríamos ver nada.
Nuestro cerebro combina la información de los fotoreceptores con la realimentación de nuestros movimientos y la posición de los ojos, construyendo una visión coherente de la escena.
Incluso cuando sentimos que estamos inmóviles y con la vista fija, nuestros ojos continúan produciendo pequeños movimientos involuntarios (llamados movimientos micro-sacádicos), que nos permiten ver una imagen estática.
Esta es la esencia de nuestra visión: detecta el cambio, no lo estático.
Visión estéreo
Al igual que otros animales cazadores, nuestros ojos están montados juntos en la parte delantera de la cabeza, dando una visión frontal y enfocada.
Nuestro campo visual tiene unos 120º en paneo vertical, y 180º en paneo horizontal.
La visión de cada ojo está restringida lateralmente por la nariz y verticalmente por la frente y pómulo. Cuando la visión de cada ojo se combina, obtenemos un campo de visión como este diagrama:
Las áreas oscuras en la parte superior e inferior son donde las cejas y las mejillas obstruyen la vista. El área clara en el centro es donde la cobertura de los dos ojos se superpone y da una visión estéreo. El área sombreada es donde la visión viene de un solo ojo por la oclusión de la nariz.
Nuestro cerebro recibe dos imágenes ligeramente diferentes, una de cada ojo.
Al combinar las dos imágenes, obtiene la capacidad de estimar con precisión las imágenes tridimensionales. La cantidad de desplazamiento entre las dos imágenes es proporcional a la distancia entre nuestras ojos y el objeto.
Los objetos distantes no se moverán mucho, pero uno que está cerca de nosotros aparecerá para saltar significativamente entre las dos vistas cuando se ven en relación con el fondo.
La visión estéreo nos permite recoger objetos con precisión, o escalar y saltar sobre las ramas de los árboles, y nos da percepción de profundidad.
Otros estímulos ópticos pueden sugerir profundidad sin la necesidad de usar los dos ojos. Estos incluyen objetos superpuestos, escala, escorzo y perspectiva aérea, y son herramientas empleadas por los pintores para dar una impresión tridimensional en una superficie bidimensional.
Un diseñador experimentado puede aprovechar estas señales visuales y usar la luz para manipular y mejorar nuestra respuesta visual al espacio.
Adaptación visual
El ojo humano se puede adaptar para ver en un amplio rango de condiciones de iluminancia.
En un día soleado podemos ver objetos iluminados con aproximadamente 100.000 luxes, mientras que en una noche sin luna podemos llegar a ver objetos iluminados con tan solo 0.001 luxes.
Los ojos se adaptan a los diferentes niveles de iluminación por dos mecanismos.
El primero es dilatando o contrayendo las pupilas, lo cual regula la cantidad de luz que entra a los ojos. Cuando la iluminación es alta, las pupilas se contraen reduciendo la cantidad de luz, mientras que cuando la iluminación es baja, se dilatan las pupilas para recolectar la mayor cantidad de luz posible.
Este mecanismo es relativamente rápido, siendo más rápida la contracción que la dilatación.
El segundo mecanismo es mediante el ajuste de la sensibilidad de los fotorreceptores, mediante complejos mecanismos bioquímicos.
El ajuste de las sensibilidad se da a su vez de dos maneras diferentes:
Por un lado, existe una adaptación a la iluminación del fondo, a la media de la iluminación ambiental, esto se conoce como adaptación a la luz. Este mecanismo eleva el umbral de sensibilidad de los conos y bastones a medida que la iluminación ambiental crece. Se produce por tanto una desensibilización de los fotorreceptores por efecto de la iluminación de fondo.
Por otro lado, la exposición a niveles intensos de luz produce también una subida de estos umbrales posterior a la sobreexposición. Este fenómeno está relacionado con el nivel de decoloramiento de los pigmentos visuales. Tras una exposición intensa, la cantidad de fotopigmentos disponible está ciertamente limitada por la tasa de recuperación de los mismos, por lo tanto el ojo tarda un tiempo en recuperar la sensibilidad original, es lo que se llama adaptación a la oscuridad.
En lo que se refiere a la adaptación a la iluminación ambiental, esta sigue la ley de
Weber-Fechner, según la cual, la sensibilidad disminuye a medida que aumenta la
intensidad del estímulo, o sea, mientras mayor sea la iluminación ambiental, mayor
tiene que ser la amplitud del estímulo para ser detectado destacándose del fondo. Los
cambios introducidos en la dinámica de la captura del estímulo que constituyen esta
adaptación son los siguientes: desensibilización de la retina, aceleración de la respuesta
y ampliación del rango de operación.
La velocidad de ajuste de la sensibilidad de los fotorreceptores está relacionada con las opsinas de los fotoreceptores. La rodopsina tiene una constante de tiempo mucho más lenta que las opsinas de los conos, por lo que los conos se adaptan mucho más rápido a los cambios de luz que los bastones.
El tiempo promedio de adaptación visual a la oscuridad es de 30 minutos, mientras que el de la adaptación a la luz es de solamente algunos segundos.
Este proceso de adaptación visual nos muestra la importancia que tiene obtener ciertos niveles de iluminación promedio y uniformidad en la iluminación de emergencia.
En caso de un incendio, si se apaga la iluminación artificial y se prende la iluminación de emergencia, los ojos de las personas deberán adaptarse a la oscuridad, y como vimos los tiempos de adaptación a la oscuridad son muy largos respecto a la necesidad de evacuación en caso de incendio, por lo tanto, para que las personas puedan evacuar por una ruta de escape, se debe tener en la ruta un mínimo de nivel de iluminación y de uniformidad, para que las personas sean capaces de ver lo suficiente y poder evacuar en forma segura.
Fatiga visual
Como ya vimos, los fotorreceptores funcionan decolorando pigmentos que deben ser repuestos por el epitelio retinal pigmentario, lo cual tarda su tiempo.
Esto provoca que si miramos fijamente una imagen estática, o nos exponemos a una intensidad luminosa elevada, parte de nuestro campo visual pierde la capacidad de ver correctamente, hasta que los fotorreceptores que se quedaron sin pigmentos logran ser reabastecidos.
En las siguientes imágenes podemos ver claramente cómo funciona esto:
La siguiente imagen está en blanco y negro, y sin tener los fotoreceptores fatigados, efectivamente la podremos ver de esa forma.
Ahora realizaremos el siguiente experimento. Observe fijamente la siguiente imagen durante 45 segundos, sin mover la vista del punto rojo central. Luego, vuelva a ver la imagen interior, que sabemos que es una imagen en blanco y negro.
Si dejamos descansar la vista por un momento, el epitelio retinal pigmentario repondrá los pigmentos de los conos, eliminará los residuos y los fotorreceptores estarán listos para ver nuevamente la imagen en blanco y negro.
Este fenómeno de nuestra visión debe ser tenido en cuenta también a la hora de diseñar la iluminación de un ambiente, en especial cuando se trata de un ambiente destinado a tareas visuales más exigentes.
Procesamiento de la información visual
Como vimos, la información que viaja por el nervio óptico hacia nuestro cerebro se encuentra sintetizada; sin embargo, nuestro cerebro procesa y modifica esa información en base a nuestras experiencias anteriores, a qué buscamos y a cómo le podemos dar sentido a esa información.
Nuestro cerebro evolucionó como una máquina muy potente para detectar patrones y reconocer movimientos, especialmente aquellos que en antaño eran claves para nuestra supervivencia, como los movimientos de un depredador o el de otra persona.
En el siguiente video podemos ver cómo nuestro cerebro es capaz de distinguir movimientos humanos con un mínimo de información visual.
En el siguiente video se nos explica otro ejemplo en el que nuestro cerebro modifica la imagen para entender un movimiento.
En el siguiente video se nos explica cómo el análisis de las sombras nos ayudan a entender los movimientos
En el siguiente y último video, vemos cómo nuestro cerebro puede cambiar los colores que vemos para darle sentido a una imagen.
En el ejemplo del video anterior, nuestros fotorreceptores detectaban el mismo color para ambos elementos, sin embargo, nuestro cerebro cambia los colores de los dos cuerpos para que sean coherentes con la interpretación del resto de la imagen.
El cerebro tambíen procesa la información en el aspecto temporal.
A cada instante la vista recibe una gran cantidad de información, miles de formas, colores y movimientos que cambian constantemente debido a cambios externos, punto de vista, parpadeos, movimiento de los ojos, de la cabeza, etc.
Sin embargo, nosotros percibimos la vista como algo estable, debido a que nuestro cerebro suaviza automaticamente nuestra entrada visual a lo largo del tiempo. El cerebro percibe en un instante la media de lo que ha visto en los últimos 15 segundos.
Este descubrimiento bastante reciente, explica por qué, por ejemplo, al ver una película muchos espectadores no reparan en las sutiles alteraciones que se dan muchas veces entre escenas.
En las revisiones radiológicas, los radiólogos escanean secuencias de radiografías en busca de tumores. Hay investigaciones que demuestran que debido a que nuestra visión está constantemente sesgada hacia el pasado, sus juicios sobre una radiografía actual podrían estar sesgados hacia la anterior. Por ejemplo, si no hay ningún tumor en la radiografía anterior, y hay un tumor en la actual, los radiólogos podrían no verlo en la actual porque están predispuestos hacia el pasado. Este descubrimiento ha permitido utilizar métodos para evitar esos errores.
Resumen:
La visión es un proceso extremadamente complejo que se lleva a cabo por nuestros ojos y nuestro cerebro. A diferencia de una cámara fotográfica o una cámara de video, nuestra visión modifica la información visual que llega a nuestros ojos para darle sentido y compatibilizar esa información con nuestros sesgos mentales.
Entender cómo funciona la visión es clave para diseñar correctamente la iluminación de diferentes espacios.
Nota: Todas las imágenes y videos de esta nota son extraídas de Google search images, y los derechos sobre esos contenidos les perteneces a sus propietarios y esta nota las utiliza sin ningún fin de lucro.
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