วิทย์ประถม: การรับรู้ความสว่างและสี, เซลล์ร็อด, เซลล์โคน

ผมไปทำกิจกรรมวิทย์กับเด็กประถมศูนย์การเรียนปฐมธรรมมาครับ เด็กๆหัดคิดแบบวิทยาศาสตร์โดยพยายามอธิบายมายากล ได้สังเกตว่าสิ่งที่เรามองเห็น เกิดจากการตีความและวาดขึ้นด้วยความคิดในสมอง ได้รู้จักเซลล์ร็อดและเซลล์โคนที่รับรู้ความสว่างและสีที่ตกในลูกตา ได้ดูปรากฎการณ์ที่เซลล์ล้าจากการมองสิ่งเดิมนานๆแล้วเห็นสีหรือความสว่างตรงข้ามเมื่อมองไปที่อื่น

(อัลบั้มบรรยากาศกิจกรรมอยู่ที่นี่ ส่วนลิงก์รวมทุกกิจกรรมอยู่ที่นี่นะครับ)

ก่อนอื่นเด็กๆได้ดูมายากลในคลิปนี้ครับ เด็กๆดูกลก่อนแล้วพยายามอธิบายก่อนเฉลย คราวนี้เดินทะลุแผ่นเหล็ก:

กิจกรรมนี้ฝีกเด็กๆให้คิดแบบวิทยาศาสตร์ มีการสังเกต การตั้งสมมุติฐานเพื่ออธิบายสิ่งที่สังเกตมา การตรวจสอบสมมุติฐานกับข้อมูลที่สังเกตมา การตั้งสมมุติฐานใหม่เมื่อสมมุติฐานเดิมขัดกับข้อมูล นอกจากนี้เราพยายามให้เด็กๆมีความกล้าคิดและออกความเห็น และหวังว่าเมื่อโตไปจะไม่ถูกหลอกง่ายๆครับ

จากนั้นเรามาดูภาพลวงตานี้กัน:

ทุกคนเห็นได้ชัดเจนว่าสี่เหลี่ยมข้างบนมืดกว่าสี่เหลี่ยมข้างล่างมาก แต่ถ้าเอาอะไรไปบังตรงกลาง เราจะพบว่าทั้งสองที่สีใกล้เคียงกันมาก (ลองเอานิ้วทาบจอดูครับ)

เด็กๆได้ดูภาพลวงตาจำพวกนี้ที่สีเดียวกันแต่เราเห็นสว่างต่างกันเพราะมีส่วนประกอบรอบๆต่างกัน:

สีไหนเข้มกว่ากันระหว่าง A และ B

ตาเราจะเห็นว่า A เข้มกว่า B แต่ถ้าพิมพ์ออกมาแล้วตัดชิ้น A, B ออกมา จะพบว่ามันมีสีเดียวกัน สลับที่ A กับ B แล้วจะมองเห็น B สีเข้มกว่า A ครับ 

มีคลิปการทดลองที่คนตัดสลับให้ดู:

ผมมาทำให้เด็กๆดูสดๆโดยตัดกระดาษมาบังส่วนอื่นๆไว้ให้เห็นเฉพาะสี่เหลี่ยมสองอันที่จริงๆมีสีเดียวกันแต่เรามองเห็นต่างกัน:

สาเหตุที่เราเห็นอย่างนี้ก็เพราะว่าการมองเห็นของเรา เกิดจากการวาดภาพประมวลผลในสมอง สมองพิจารณาสิ่งแวดล้อมหลายอย่างก่อนที่จะเดาว่าภาพที่เราเห็นควรจะเป็นอย่างไร แสงและเงาต่างๆมีส่วนสำคัญที่เราจะคิดว่าควร”เห็น”อะไรครับ เราไม่ได้เห็นสิ่งที่เป็นจริงๆ แต่เห็นอย่างที่สมองคิดว่าควรจะเป็น

จากนั้นเราดูภาพขาวดำที่มีแถบสีบางๆพาดทับ เราจะเห็นเป็นภาพสีได้ด้วย:

ถ้าเราขยายภาพ เราจะเห็นว่าภาพเป็นภาพขาวดำที่มีแถบสีพาดผ่าน

วิดีโอขาวดำที่มีแถบสีพาดก็ทำให้เราเห็นเป็นสีต่างๆได้เหมือนกัน:

เว็บของผู้สร้างภาพลวงตาแบบนี้อยู่ที่นี่ครับ: Color Assimilation Grid Illusion

ถ้าอยากทดลองเล่นกับภาพของตัวเอง เข้าไปที่เว็บ Grid Illusion นี้ได้ครับ หน้าตาเว็บจะเป็นแบบนี้:

ต่อจากนั้นเด็กๆได้ดูภาพนักเต้นรำว่าหมุนทวนเข็มหรือตามเข็มนาฬิกากัน:

เราสามารถเห็นว่าเธอหมุนได้ทั้งตามเข็มและทวนเข็มเลยครับ เพราะสมองพยายามแปลการเคลื่อนที่ของเงาแบนๆให้เป็นสิ่งของสามมิติ ภาพแสงเงาที่เคลื่อนไหวบนจอแบนๆสามารถตีความเป็นการหมุนในสามมิติได้ทั้งตามเข็มและทวนเข็มนาฬิกา

มีคนทำภาพนักเต้นรำโดยใส่เส้นสีต่างๆให้บอกใบ้สมองว่าควรตีความว่าหมุนแบบไหน วิธีดูคือพยายามมองไปที่รูปซ้ายหรือขวา แล้วค่อยมองคนตรงกลาง คนตรงกลางจะหมุนตามรูปซ้ายหรือขวาที่เรามองครับ:

จากนั้นเราก็ดูภาพลวงตาที่เกิดจากการล้าของเซลล์รับแสงในตาครับ รูปแรกเป็นรูปขาวดำของในหลวง ร.9:

ก่อนอื่นเราจะขยายภาพให้ใหญ่ๆเต็มๆจอแล้วเราจะมองภาพนี้โดยไม่กระพริบตาและไม่ขยับหัวไปมา ให้ตาโฟกัสไปที่จุดๆเดียวกลางๆภาพ (เช่นตาหรือคางในภาพ) มองอยู่สัก 10-30 วินาที แล้วเราก็หันไปมองเพดานหรือผนังสีอ่อนๆ แล้กระพริบตาถี่ๆ เราจะเห็นภาพในหลวงที่มีสีกลับกับภาพที่เรามองในตอนแรก (คือเส้นสีขาวก็เห็นเป็นสีดำ พื้นสีดำก็เห็นเป็นพื้นสีขาว)

ต่อไปผมให้เด็กๆดูภาพกลับสี (ภาพเนกาตีฟ) นี้ประมาณ 15-30 วินาที (ขยายภาพให้เต็มจอ แล้วให้เด็กๆจ้องมองตรงกลางรูป ไม่กระพริบตา ไม่ขยับหัว):

ภาพกลับสี

แล้วเปลี่ยนภาพเป็นภาพนี้ทันทีครับ:

ภาพขาวดำ

สามารถลองดูที่ภาพนี้ก็ได้ครับ ภาพจะสลับระหว่างรูปสองแบบทุก 15 วินาที ตอนเห็นภาพสีกลับให้จ้องมองตรงกลางรูปเอาไว้

ภาพจะเปลี่ยนทุก 15 วินาทีครับ ตอนเป็นสีกลับให้จ้องมองตรงกลางไว้

ตอนภาพเปลี่ยน เราจะเห็นสีที่ดูเหมือนปกติ (แต่ซีดๆ) ทั้งๆที่ภาพที่แสดงเป็นภาพขาวดำครับ ถ้าเราขยับตาภาพจะกลายเป็นขาวดำทันที ถ้าเราจ้องตรงกลางไว้ เราจะเห็นภาพสีอยู่แป๊บนึง

มีภาพสลับให้ดูอีกสองชุดครับ ภาพจะสลับเปลี่ยนกันทุก 15 วินาที ตอนเป็นสีกลับให้จ้องมองตรงกลางไว้:

เราอธิบายปรากฎการณ์นี้ได้โดยเข้าใจว่าในเรตินาของตาเราจะมีเซลล์รับแสงอยู่สองประเภทคือเซลร็อดหรือเซลล์แท่ง หน้าตามันเป็นแท่งๆทรงกระบอก และเซลล์โคนหรือเซลล์กรวย หน้าตามันจะเป็นกรวยแหลม โดยที่เซลล์ร็อดจะรับความสว่างของแสงภายนอกแต่จะไม่แยกเแยะสีต่างๆ ส่วนเซลล์โคนจะรับสีต่างๆโดยที่เซลล์โคนจะแบ่งย่อยออกเป็นสามประเภทที่รับแสงแถบๆสีแดง สีเขียว สีน้ำเงินได้ดี

ภาพวาดหน้าตาของเซลล์ร็อดและเซลล์โคน
ภาพจาก http://webvision.med.utah.edu
เซลล์ร็อดและเซลล์โคนอยู่บนจอรับภาพข้างหลังลูกตาของเราครับ
ภาพจาก https://www.sciencenews.org/article/how-rewire-eye
ภาพถ่ายเซลล์ร็อดและเซลล์โคนด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเลคตรอน แล้วระบายสีให้เห็นชัดขึ้น
ภาพจาก https://fineartamerica.com/featured/rods-and-cones-in-the-eye-omikron.html

เจ้าเซลล์รับแสงนี้เมื่อโดนแสงหรือสีเดิมๆนานๆ (เช่นเกิดจากการจ้องภาพเดิมนานๆโดยไม่กระพริบตาและไม่ขยับหัว) จะส่งสัญญาณไฟฟ้าไปที่สมองว่าได้รับแสงหรือสีอะไรโดยการเปลี่ยนสารเคมีในเซลล์ พอโดนแสงหรือสีเดิมนานๆสารเคมีก็จะร่อยหรอลงไปเรื่อยๆ ปกติเวลาเรากระพริบตาหรือไปมองภาพอื่นๆเซลล์จะมีโอกาสได้พักและเติมเต็มสารเคมีขึ้นมาใหม่ ในกรณีของเราที่ไม่กระพริบตาและดูภาพเดิมสารเคมีจะเหลือน้อย พอเราหันไปดูภาพขาวดำ เจ้าเซลล์ที่อ่อนล้าสารเคมีร่อยหรอก็จะส่งสัญญาณอ่อนกว่าปกติไปยังสมอง สมองจึงตีความว่าแสงหรือสีที่ตกลงบนเซลล์เหล่านั้นเป็นสีตรงข้าม ทำให้เราเห็นเป็นภาพลวงตาที่มีสีตรงข้ามกับภาพที่เราจ้องมองตอนแรกนั่นเอง

(*** สำหรับผู้ที่ใช้โปรแกรม Mathematica เป็น ผมมีโค้ดที่ใช้สร้างภาพกลับสีและภาพขาวดำแบบนี้ครับ เปิดรูปที่เราต้องการแล้วโปรแกรมจะสร้างไฟล์อีกสองไฟล์ที่เริ่มต้นด้วย inv_ สำหรับภาพกลับสี และ gray_ สำหรับภาพขาวดำ เผื่อเอาไปเล่นดูง่ายๆ:

Module[{file = SystemDialogInput["FileOpen"], 
   img, inv, gray, dir, basename, ext},
 If[file =!= $Canceled, img = Import[file];
  dir = DirectoryName[file];
  basename = FileBaseName[file];
  ext = FileExtension[file];
  inv = ColorNegate[img];
  Export[dir <> "inv_" <> basename <> "." <> ext, inv];
  gray = ColorConvert[img, "GrayScale"];
  Export[dir <> "gray_" <> basename <> "." <> ext, gray];
  ]]

(ถ้าสนใจหัดใช้ Mathematica ผมมีเขียนแนะนำไว้นิดหน่อยที่นี่นะครับ)

ถ้าไม่ใช้ Mathematica จะใช้วิธีอื่นๆก็ได้ครับ เช่น Pillow ในภาษา Python หรือใช้โปรแกรมตกแต่งภาพต่างๆก็ได้ ***)

Leave a Reply

Your email address will not be published.

This site uses Akismet to reduce spam. Learn how your comment data is processed.