Mona Lisa as you've never seen

A new study explains how you can look at the picture of the Mona Lisa with tools suggested by the same genius da Vinci. Discovering that the Master was also the father of 'stereoscopy'.

Nicola Vacca (nicola.vacca@gmail.com)

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Brief

Leonardo was among the first to use aerial perspective: the depth and distance of the objects represented are made through a wise use of color and modulation of light and shadow, in extraordinary atmospheric effects [Enc].
In the Leonardo's Treatise on painting is written that "painting is the composition of light and darkness mixed together with the different features of all its simple and compound colors." With the fading technique, space acquires a depth of perspective that he defined "aerial", because the natural air filter [TdP].
A team of Canadian researchers at the National Research Council of Canada studied the applied fade effect on the Mona Lisa's portrait and succeeded in proving that the technique was based on an overlay of colors, through which Leonardo gave depth to the picture [cnrc].
Several references demonstrate the ability of Leonardo using special techniques to give his paintings, and especially the Mona Lisa, a sense of depth.
Till now in literature it's missing that the sense of depth can be considerably magnified with the aid of simple tools suggested by Leonardo himself in his studies. And watched through them his work seems even more extraordinary.
The Gioconda should be admired and then interpreted as a test of the Leonardo's studies about optics, or even better, as the demonstration of some theories described in his Treatise on painting [TdP].
This interpretation is intensified by the characterization of the most famous painting in the world as an image on which to apply the principles of Stereoscopy.
That wuold be a revolutionary interpretation because the origins of stereoscopy are commonly attributed to the inventor of first stereoscope Charles Wheatsone, in the nineteenth century. This study, however, suggests and invites you - on the basis of indications of Leonardo - to check the following intuition: Leonardo already possessed and experienced, ahead, techniques related to the stereo vision.
This process of visualization, conducted with rudimentary tools probably similar to those used by the genius da Vinci and verifiable by anyone, suggests that we should attribute to Leonardo the invention of the stereoscope; four centuries earlier than we think today.
This is what I discovered watching the painting incessantly. Even since the popularity of the work has. Today no less than yesterday.

A more hidden depth in the Gioconda

Usage of fading, careful use of shadows, fogging effects on the landscape's background: the painting of the Mona Lisa, by itself, evidences the volume of its forms, because the sense of depth achieved with the right combination of painting techniques.
In the literature is missing that these depth effects can be visibly magnified looking at the painting in conditions that cause the pupils' dilation of the watcher. As we know, the pupil expands in darkness condition. To obtain the desired effect, however, we must ensure the lighting to the painting and, at the same time, darkness to our eyes. In his studies Leonardo suggests look through a hole on paper as wide as the thickness of a needle.
Here we describe the instruments and the specific conditions used in the observations. These requirements may not be strictly adhered to the success of the experiment.
The image of the Mona Lisa is in jpeg format, with a resolution of 800x1184 pixels at 72 dpi. It's observed with zoom to 100% on a 15" screen at a distance of 75 cm. The observation is done through binoculars whose characteristics are shown in Fig. [spec-bin].

Fig. [spec-bin]: binoculars' specifications

Looking at the image through the two small holes under the conditions specified, there are two circles (one for each eye) which bound visible area. This way you can very easily define for each eye the part of the painting to watch in detail.
Overlapping the two circles, the painting acquires depth visibly. The body of the Mona Lisa now has its own perceptible volume and no longer only imagined. The magnified depth effect can be observed throughout the painting, but it's particularly evident on the face and on the part of the head in front of the landscape's background (fig. [proof]). A consideration must be made also on the details more clearly distinguishable (fig. [partic]); this effect has explained by Leonardo in his studies on the pupil (... you'll see that strongly illuminated, and you'll quickly understand every tiny part of anything ... , In most darkness places the pupil enlarges and grows so much power that its size ...).
Once the sight has accustomed to this "deepest" version of the Mona Lisa, try to quickly remove the binoculars from your eyes: the painting is much more flat.
The experiment therefore allows to appreciate the full volume that Leonardo was capable to give his works. It is such as beyonding the veil of crushed bidimensional image, experiencing the third dimension within the painted scene.

Fig. [proof]: image portion observed during depth analisys

Fig. [partic]: more discernible details when observed with dilated pupil

The Gioconda: first stereoscopic work

Stereoscopy is an innovative technique that allows the viewing of images, photos and movies, giving a sense of depth [ste-def]. Basic concept of stereoscopic vision is to send a different image to each eye. This happens regularly, since our eyes are among their few centimeters far and then they see the same object from two different angles. The brain's task is to combine images from two eyes into one image.
This study will demonstrate the application of principles of stereoscopy to the Gioconda. We'll look, even with naked eyes, the only image resulting from the composition of two different images "sent" to our eyes.
Before proceeding with the experiment you should practice the observation of stereoscopic images following the examples contained in the references [st-url].
Under the same conditions of the previous experiment look with the right eye at the portion of the painting shown in the picture [img-dx]. Look with the left eye at the portion of the painting shown in the picture [img-sx].

Fig. [imm-dx]: Part of the painting abserved by the right eye

Fig. [imm-sx]: Part of the painting observed by the left eye

This experiment step can be facilitated using a supporting structure for the binoculars that allow you to adjust horizontally and vertically the two monoculars independently. Such an instrument can be defined as a stereoscope (fig. [st-sco]).

Fig. [st-sco]: stereoscope sketch for slides made with two binoculars side by side

Observing the resulting image with the same technique used for the stereoscopic images, it's perceived an image of a the third face less feminine. The final perception shows a face distinctly more masculine. Is it the face of a man? (fig. [imm-ste]).

Fig. [imm-ste]: Image perceived using stereoscopic observation

Even this experiment, therefore, allows us to conclude that Leonardo possessed the principles of stereoscopy and the Mona Lisa portrait was made using it as a test for his research.

A comparison between the male face and the self-portrait of Leonardo

There are numerous references that see the Gioconda's face as the Leonardo self-portrait. Hereafter some references.

[msn-enc-rit]: researchers, artists and writers have seen on the face of the Mona Lisa the beauty fatal, of eternal female, androgynous primitive, even a self portrait of Leonardo himself.

[wik-schw-rit]: In Schwartz's most famous work, the Mona Leo, she spliced the left side of the Mona Lisa with a flipped left side of the red chalk portrait of Leonardo, arguing that the Mona Lisa is a self-portrait by Leonardo.

[book-hid-rit]: It is confirmed the work of Schwartz offering a serious philosophical justification of why Leonardo would have done the Mona Lisa a secret self-portait.Similarly to what has been done by Lillian Schwartz, the following pictures show some overlap between the well-known self-portrait of Leonardo and the face obtained by applying the principles of stereoscopy. The facial features overlap perfectly.
If we consider the overlap between the Mona Lisa and the famous Leonardo's self-portrait a sufficient condition to infer that Leonardo would have done the Mona Lisa a secret self-portrait, then the overlap of the new face to the famous Leonardo's self-portrait can be considered one of the sufficient conditions to infer that the new face is the Leonardo's self-portrait.

Reading the Leonardo's theory

It is interesting to read some of Leonardo's theory (here in native language only) considering the evidences described so far.

Limitations of the painting art to give a sense of depth

The following notes highlight the limitations that Leonardo was found in painting. Leonardo considered the "classical painting" far from being able to represent the same effects that nature showed to all, but using the nature itself and science to overcome those limitations.

36. Comparazione della pittura alla
scultura.La pittura è di maggior discorso mentale e di maggiore artificio e maraviglia che la scultura, conciossiaché necessità costringe la mente del pittore a trasmutarsi nella propria mente di natura, e a farsi interprete infra essa natura e l'arte, comentando con quella le cause delle sue dimostrazioni costrette dalla sua legge, ed in che modo le similitudini degli obietti circostanti all'occhio concorrano co' veri simulacri alla pupilla dell'occhio, e infra gli obietti eguali in grandezza quale si dimostrerà maggiore ad esso occhio, e infra i colori eguali qual si dimostrerà piú o meno oscuro, o piú o men chiaro; … ; e degli obietti eguali posti in varie distanze, perché si dimostreranno men noti l'un che l'altro.… ; il pittore ti mostrerà varie distanze con variamento del colore dell'aria interposta fra gli obietti e l'occhio;
…
La pittura è di maggior discorso mentale che la scultura, e di maggiore artificio; conciossiaché la scultura non è altro che quel ch'ella pare, cioè nell'essere corpo rilevato, e circondato di aria, e vestito da superficie oscura e chiara, come sono gli altri corpi naturali; e
l'artificio è condotto da due operatori, cioè dalla natura e dall'uomo; ma molto
è maggiore quello della natura; conciossiaché s'ella non soccorresse tale opera
con ombre piú o meno oscure, e con i lumi piú o men chiari, tale operazione
sarebbe tutta di un colore chiaro e scuro a similitudine di una superficie
piana. E oltre questo vi si aggiunge l'adiutorio della prospettiva, la quale co'
suoi scorti aiuta a voltare la superficie muscolosa de' corpi a' diversi
aspetti, occupando l'un muscolo l'altro con maggiore o minore occupazione. Qui
risponde lo scultore e dice: s'io non facessi tali muscoli, la prospettiva non
me li scorterebbe; al quale si risponde: se non fosse l'aiuto del chiaro e
scuro, tu non potresti fare tali muscoli, perché tu non li potresti vedere. Dice
lo scultore ch'egli è esso che fa nascere il chiaro e lo scuro col suo levare
dalla materia sculta; rispondesi, che non egli ma la natura fa l'ombra, e non
l'arte, e che s'egli scolpisse nelle tenebre, non vedrebbe nulla, perché non vi
è varietà, né anco nelle nebbie circondanti la materia sculta con eguale
chiarezza, non si vedrebbe altro che i termini della materia sculta ne' termini
della nebbia che con lei confina.

39. Differenza ch'è dalla pittura alla scultura.
La prima maraviglia che apparisce nella pittura è il parere spiccata dal muro od altro
piano, ed ingannare i sottili giudizi con quella cosa che non è divisa dalla
superficie della parete; qui in questo caso lo scultore fa le opere sue che
tanto paiono quanto elle sono, e qui è la causa che il pittore bisogna che
faccia l'ufficio della notizia nelle ombre, che sieno compagne de' lumi. Allo
scultore non bisogna tale scienza, perché la natura aiuta le sue opere, com'essa
fa ancora a tutte le altre cose corporee, dalle quali tolta la luce sono di un
medesimo colore, e renduta loro la luce, sono di varî colori, cioè chiaro e
scuro. La seconda cosa che al pittore con gran discorso bisogna, è che con
sottile investigazione ponga le vere qualità e quantità delle ombre e lumi; qui
la natura per sé le mette nelle opere dello scultore. Terza è la prospettiva,
investigazione ed invenzione sottilissima degli studi matematici, la quale per
forza di linee fa parere remoto quel ch'è vicino, e grande quel ch'è picciolo;
qui la scultura è aiutata dalla natura in questo caso, e fa senza invenzione
dello scultore.

Lights, shadows and pupil dilation

Several studies on shadows, light, and how the pupil perceives the figure varying its dilatation:

198. Della causa de' perdimenti de' colori e figure de' corpi
mediante le tenebre che paiono e non sono.Molti sono i siti in sé illuminati
e chiari che si dimostrano tenebrosi ed al tutto privati di qualunque varietà di
colori e figure delle cose che in essi si trovano: questo avviene per causa
della luce dell'aria illuminata che infra le cose vedute e l'occhio s'interpone,
come si vede dentro alle finestre che sono remote dall'occhio, nelle quali solo
si comprende una uniforme oscurità assai tenebrosa; e se tu entrerai poi dentro
a essa casa, tu vedrai quelle essere in sé forte illuminate, e potrai
speditamente comprendere ogni minima parte di qualunque cosa dentro a tal
finestra che trovar si potesse. E questa tal dimostrazione nasce per difetto
dell'occhio, il quale, vinto dalla soverchia luce dell'aria, ristringe assai la
grandezza della sua pupilla, e per questo manca assai della sua potenza: e ne'
luoghi piú oscuri la pupilla si allarga, e tanto cresce di potenza, quanto essa
acquista di grandezza, com'è provato nel secondo della mia prospettiva.

470. Precetto.
Infra le cose di eguale altezza che sopra l'occhio sieno situate,
quella che sarà piú remota dall'occhio parrà piú bassa. E se sarà situata sotto
l'occhio, la piú vicina ad esso occhio parrà piú bassa; e le laterali parallele
concorreranno in un punto.
Manco sono evidenti ne' siti lontani le cose che
sono d'intorno ai fiumi, che quelle che da tali fiumi o paduli sono
remote.
Infra le cose di eguale spessitudine, quelle che saranno piú vicine
all'occhio parranno piú rare, e le piú remote si mostreranno piú
spesse.
L'occhio che sarà di maggior pupilla vedrà l'obietto di maggior
figura. Questo si dimostra nel guardare un corpo celeste per un piccolo
spiracolo fatto con l'ago nella carta, che per non poter operare di essa luce se
non una piccola parte, esso corpo pare diminuire tanto della sua grandezza,
quanto la parte della luce che lo vede è mancante del suo tutto.

L'aria che è ingrossata, e s'interpone infra l'occhio e la cosa, ti rende essa
cosa d'incerti e confusi termini, e fa esso obietto parere di maggior figura che
non è. Questo nasce perché la prospettiva lineale non diminuisce l'angolo che
porta le sue specie all'occhio, e la prospettiva de' colori la spinge e rimuove
in maggior distanza che essa non è; sicché l'una la rimuove dall'occhio, e
l'altra le conserva la sua magnitudine. …

544. Che differenza è da ombra semplice a ombra composta.Ombra semplice è quella dove alcuna parte del luminoso non può vedere, ed ombra composta è quella dove infra l'ombra semplice si mischia alcuna parte del lume derivativo.

615. Che le ombre debbono sempre partecipare del colore del corpo ombroso.Nessuna cosa pare della sua naturale bianchezza, perché i siti ne' quali essa è veduta
la rendono all'occhio tanto piú o men bianca, quanto tal sito sarà piú o meno
oscuro; e questo c'insegna la luna, che di giorno ci si mostra nel cielo di poca
chiarezza e la notte con tanto splendore, ch'essa ci rende di sé il simulacro
del sole e del giorno col suo scacciar delle tenebre. E questo nasce da due
cose: e prima è il paragone che in sé ha natura di mostrare le cose tanto piú
perfette nelle specie de' loro colori, quanto esse sono piú disformi; la seconda
è che la pupilla è maggiore la notte che il giorno, com'è provato; e maggiore
pupilla vede un corpo luminoso di maggior quantità e di piú eccellente splendore
che la pupilla minore, come prova chi guarda le stelle per un piccolo foro fatto
nella carta.

707. Della chiarezza del lume derivativo.La piú eccellente chiarezza del lume derivativo è dove vede tutto il corpo luminoso con la metà del suo destro o sinistro campo ombroso. Provasi, e sia il luminoso bc, e il campo suo ombroso destro e sinistro sia dc ed ab, ed il corpo ombroso minore del luminoso sia nm, e la parete ps è dove s'imprimono le specie ombrose e luminose. Dico adunque, sopra essa parete ps nel punto r sarà la piú eccellente chiarezza di lume che in alcun'altra parte di esso pavimento. Questo si manifesta perché in r vede tutto il corpo luminoso bc con la metà del campo scuro ad, cioè cd, come ci mostrano i concorsi rettilinei della piramide ombrosa cdr e la piramide luminosa bcr; adunque in r vede tanta quantità del campo scuro cd quanto si sia il luminoso bc; ma nel punto s vede ab ombroso e vi vede ancora cd ombroso, i quali due spazi oscuri valgono il doppio del luminoso bc; ma quanto piú ti muoverai dall's inverso l'r piú perderai dell'oscurità ab. Adunque, dall's inverso l'r sempre si rischiara il pavimento sr; ancora, quanto piú ti muoverai dall'r all'o, tanto men vedrai del luminoso; e per questo piú si oscura il pavimento ro quanto si avvicina all'o. E per tal discorso abbiamo provato essere r la piú chiara parte del pavimento os.

Stereoscopy

115. Perché la pittura non può mai parere spiccata come le cose
naturali.I pittori spesse volte cadono in disperazione del loro imitare il
naturale, vedendo le loro pitture non aver quel rilievo e quella vivacità che
hanno le cose vedute nello specchio, allegando aver essi colori che per
chiarezza e per oscurità di gran lunga avanzano la qualità de' lumi ed ombre
della cosa veduta nello specchio, accusando in questo caso la loro ignoranza e
non la ragione, perché non la conoscono. Impossibile è che la cosa dipinta
apparisca di tal rilievo, che si assomigli alla cosa dello specchio, benché
l'una e l'altra sia su una superficie, salvo se fosse veduta con un solo occhio;
e la ragione si è che i due occhi che vedono una cosa dopo l'altra, come ab che
vedono mn; n non può occupare interamente m, perché la base delle linee visuali
è sí larga, che vede il corpo secondo dopo il primo. Ma se chiudi un occhio,
come s, il corpo f occuperà k, perché la linea visuale nasce in un sol punto, e
fa base nel primo corpo; onde il secondo di pari grandezza non sarà
visto.

482. Perché le cose perfettamente ritratte di naturale non
paiono del medesimo rilievo qual pare esso naturale.

Impossibile è che la pittura, imitata con somma perfezione di
lineamenti, ombra, lume, colore, possa parere del medesimo rilievo qual pare il
naturale, se già tal naturale in lunga distanza non è veduto da un sol occhio.
Provasi, e sieno gli occhi a b i quali veggano l'obietto c col concorso delle
linee centrali degli occhi ac e bc, le quali linee concorrono a tale obietto nel
punto c; e le altre linee laterali di essa centrale vedono dietro a tal obietto
lo spazio gd, e l'occhio a vede tutto lo spazio fd e l'occhio b vede tutto lo
spazio ge. Adunque i due occhi vedono di dietro all'obietto c tutto lo spazio
fe; per la qual cosa tal obietto c resta trasparente, secondo la definizione
della trasparenza, dietro la quale niente si nasconde; il che intervenir non può
a quello che vede con un sol occhio un obietto maggiore di esso occhio; né
intervenire potrebbe a quell'occhio che vede obietti assai minori della sua
pupilla, come in margine si dimostra. E per quello che si è detto possiamo
conchiudere il nostro quesito: perché una cosa dipinta occupa tutto lo spazio
che ha dietro a sé, e per nessuna via è possibile veder parte alcuna del campo
ch'è dentro alla linea sua circonferenziale di dietro a sé.

484. Precetto.Le cose di rilievo d'appresso viste con un sol occhio
parranno simili ad una perfetta pittura.
Se vedrai con gli occhi a b il punto
c, ti parrà esso c in d f; e se lo guardi coll'occhio solo g, ti parrà h in m; e
la pittura non avrà mai in sé queste due varietà.

Conclusions

Starting from the stereoscopy's definition, we characterized Mona Lisa painting as an image to which they were applied the principles. This characterization has been made using some simple tools to put ourself in the same hypothetical conditions of the master. It should be emphasized the ability of Leonardo to achieve effects of depth on the pictures with his art and how to amplify the effects applying his studies on the light's perception during a change of pupil's dilation; Effects that we get today in computer graphics using mathematical models and with the help of sophisticated vision tools.
The interpretation of the Gioconda as a test for the principles of stereoscopy, leads to think about Leonardo as the inventor of the stereoscope, most likely used in his research.
Further induction, endorsed by the studies of Leonardo applied to the portrait by his special affection to it, is the possibility that the master intended the painting as the test of his studies about optics and a practical demonstration of his theories gathered in Treatise on Painting.

References

[Enc]: “Leonardo da Vinci” - Microsoft® Encarta® Enciclopedia Online. http://it.encarta.msn.com/encyclopedia_761561520_2/Leonardo_da_Vinci.html

[TdP]: “Trattato della Pittura” - Leonardo da Vinci - progetto Manuzio

[cnrc]: “NRC Scientists Help Solve the Mysteries behind the Mona Lisa” - National Research Council Canada http://www.nrc-cnrc.gc.ca/highlights/2006/0610monalisa_e.html

[ste-def]: Definizione di stereoscopia – wikipedia.it

[st-url]: Osservazioni di immagini stereoscopiche: http://en.wikipedia.org/wiki/Stereoscopy http://www.funsci.com/fun3_it/stsc/stsc.htm#7

[msn-enc-rit]: Leonardo: La Gioconda - Microsoft® Encarta® Enciclopedia Online. http://it.encarta.msn.com/media_461556219_761561520_-1_1/Leonardo_La_Gioconda.html

[wik-schw-rit]: Lillian Schwartz - Wikipedia http://en.wikipedia.org/wiki/Lillian_Schwartz

[book-hid-rit]: Monna Lisa. Il volto nascosto di Leonardo; Leonardo’s hidden face - Manetti Renzo, Schwartz Lillian, Vezzosi Alessandro.
http://www.renzomanetti.com/libri.htm