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/ Illusion - Is Seeing Really Believing? / Illusion - Is Seeing Really Believing (1998)(Marshall Media)[Mac-PC].iso / pc / illusion / hub_fie.cxt / 00068_Field_frep16.txt < prev    next >
Text File  |  1996-12-30  |  7KB  |  249 lines

  1. THE SIGNIFICANCE OF CENTER-
  2. SURROUND FIELDS
  3. Colors and brightnesses are 
  4. relative concepts: they are the 
  5. result of a computation done by 
  6. our retina and brain on the 
  7. visual scene.
  8.  
  9.     Why should evolution go to 
  10. the trouble of building up such 
  11. curious entities as center-
  12. surround receptive fields? This 
  13. is the same as asking what use 
  14. they are to the animal. 
  15. Answering such a deep question 
  16. is always difficult, but we can 
  17. make some reasonable guesses. 
  18. The messages that the eye sends 
  19. to the brain can have little to 
  20. do with the absolute intensity 
  21. of light shining on the retina, 
  22. because the retinal ganglion 
  23. cells do not respond well to 
  24. changes in diffuse light. What 
  25. the cell does signal is the result 
  26. of a comparison of the amount 
  27. of light hitting a certain spot 
  28. on the retina with the average 
  29. amount falling on the 
  30. immediate surround.
  31.  
  32.     We can illustrate this 
  33. comparison by the following 
  34. experiment. We first find an 
  35. on-center cell and map out its 
  36. receptive field. Then, 
  37. beginning with the screen 
  38. uniformly and dimly lit by a 
  39. steady background light, we 
  40. begin turning on and off a spot 
  41. that just fills the field center, 
  42. starting with the light so dim 
  43. we cannot see it and gradually 
  44. turning up the intensity. At a 
  45. certain brightness, we begin to 
  46. detect a response, and we 
  47. notice that this is also the 
  48. brightness at which we just 
  49. begin to see the spot. If we 
  50. measure both the background 
  51. and the spot with a light meter, 
  52. we find that the spot is about 2 
  53. percent brighter than the 
  54. background. Now we repeat the 
  55. procedure, but we start with the 
  56. background light on the screen 
  57. five times as bright. We 
  58. gradually raise the intensity of 
  59. the stimulating light. Again at 
  60. some point we begin to detect 
  61. responses, and once again, this 
  62. is the brightness at which we 
  63. can just see the spot of light 
  64. against the new background. 
  65. When we measure the 
  66. stimulating light, we find that 
  67. it, too, is five times as bright as 
  68. previously, that is, the spot is 
  69. again 2 percent brighter than 
  70. the background. The 
  71. conclusion is that both for us 
  72. and for the cell, what counts is 
  73. the relative illumination of the 
  74. spot and its surround.
  75.  
  76.     The cell's failure to respond 
  77. well to anything but local 
  78. intensity differences may seem 
  79. strange, because when we look 
  80. at a large, uniformly lit spot, 
  81. the interior seems as vivid to us 
  82. as the borders. Given its 
  83. physiology, the ganglion cell 
  84. reports information only from 
  85. the borders of the spot; we see 
  86. the interior as uniform because 
  87. no ganglion cells with fields in 
  88. the interior are reporting local 
  89. intensity differences. The 
  90. argument seems convincing 
  91. enough, and yet we feel 
  92. uncomfortable because, 
  93. argument or no argument, the 
  94. interior still looks vivid! As we 
  95. encounter the same problem 
  96. again and again in later 
  97. chapters, we have to conclude 
  98. that the nervous system often 
  99. works in counterintuitive 
  100. ways. Rationally, however, we 
  101. must concede that seeing the 
  102. large spot by using only cells 
  103. whose fields are confined to the 
  104. borders--instead of tying up the 
  105. entire population whose 
  106. centers are distributed 
  107. throughout the entire spot, 
  108. borders plus interior--is the 
  109. more efficient system: if you 
  110. were an engineer that is 
  111. probably exactly how you would 
  112. design a machine. I suppose 
  113. that if you did design it that 
  114. way, the machine, too, would 
  115. think the spot was uniformly 
  116. lit.
  117.  
  118.     In one way, the cell's weak 
  119. responses or failure to respond 
  120. to diffuse light should not come 
  121. as a surprise. Anyone who has 
  122. tried to take photographs 
  123. without a light meter knows 
  124. how bad we are at judging 
  125. absolute light intensity. We are 
  126. lucky if we can judge our 
  127. camera setting to the nearest f-
  128. stop, a factor of two; to do even 
  129. that we have to use our 
  130. experience, noting that the day 
  131. is cloudy-bright and that we are 
  132. in the open shade an hour 
  133. before sunset, for example, 
  134. rather than just looking. But 
  135. like the ganglion cell, we are 
  136. very good at spatial 
  137. comparisons--judging which of 
  138. two neighboring regions is 
  139. brighter or darker. As we have 
  140. seen, we can make this 
  141. comparison when the 
  142. difference is only 2 percent, 
  143. just as a monkey's most 
  144. sensitive retinal ganglion cells 
  145. can.
  146.  
  147.     This system carries another 
  148. major advantage in addition to 
  149. efficiency. We see most objects 
  150. by reflected light, from sources 
  151. such as the sun or a light bulb. 
  152. Despite changes in the 
  153. intensity of these sources, our 
  154. visual system preserves to a 
  155. remarkable degree the 
  156. appearance of objects. The 
  157. retinal ganglion cell works to 
  158. make this possible. Consider 
  159. the following example: a 
  160. newspaper looks roughly the 
  161. same--white paper, black 
  162. letters--whether we view it in a 
  163. dimly lit room or out on a beach 
  164. on a sunny day. Suppose, in 
  165. each of these two situations, we 
  166. measure the light coming to our 
  167. eyes from the white paper and 
  168. from one of the black letters of 
  169. the headline. In the following 
  170. table you can read the figures I 
  171. got by going from my office out 
  172. into the sun in the Harvard 
  173. Medical School quadrangle:
  174.  
  175.         Outdoors     Room    
  176. White paper    120    6.0    
  177. Black letter    12    0.6    
  178.  
  179.     The figures by themselves 
  180. are perfectly plausible. The 
  181. light outside is evidently 
  182. twenty times as bright as the 
  183. light in the room, and the black 
  184. letters reflect about one-tenth 
  185. the light that white paper does. 
  186. But the figures, the first time 
  187. you see them, are nevertheless 
  188. amazing, for they tell us that 
  189. the black letter outdoors sends 
  190. twice as much light to our eyes 
  191. as white paper under room 
  192. lights. Clearly, the appearance 
  193. of black and white is not a 
  194. function of the amount of light 
  195. an object reflects. The 
  196. important thing is the amount 
  197. of light relative to the amount 
  198. reflected by surrounding 
  199. objects.
  200.  
  201.     A black-and-white 
  202. television set, turned off, in a 
  203. normally lit room, is white or 
  204. greyish white. The engineer 
  205. supplies electronic 
  206. mechanisms for making the 
  207. screen brighter but not for 
  208. making it darker, and 
  209. regardless of how it looks when 
  210. turned off, no part of it will 
  211. ever send less light when it is 
  212. turned on. We nevertheless 
  213. know very well that it is 
  214. capable of giving us nice rich 
  215. blacks. The blackest part of a 
  216. television picture is sending to 
  217. our eyes at least the same 
  218. amount of light as it sends 
  219. when the set is turned off. The 
  220. conclusion from all this is that 
  221. "black" and "white" are more 
  222. than physical concepts; they 
  223. are biological terms, the result 
  224. of a computation done by our 
  225. retina and brain on the visual 
  226. scene.
  227.  
  228.     As we will see in Chapter 8, 
  229. the entire argument I have 
  230. made here concerning black 
  231. and white applies also to color. 
  232. The color of an object is 
  233. determined not just by the light 
  234. coming from it, but also--and to 
  235. just as important a degree as in 
  236. the case of black and white--by 
  237. the light coming from the rest 
  238. of the scene. As a result, what 
  239. we see becomes independent 
  240. not only of the intensity of the 
  241. light source, but also of its 
  242. exact wavelength composition. 
  243. And again, this is done in the 
  244. interests of preserving the 
  245. appearance of a scene despite 
  246. marked changes in the 
  247. intensity or spectral 
  248. composition of the light source.
  249.