Содержание к диссертации
Введение
1. Проблемы исследования бинокулярного зрения 9
1.1. Бинокулярное зрение. Основные понятия 9
1.2. Анатомия и физиология бинокулярного зрения в норме и при патологиях 14
1.3. Характеристики бинокулярного зрения и принципы их измерения 23
1.4. Модели бинокулярного зрения 28
1.5. Технические средства исследования стереоскопического зрения 34
1.6. Постановка задачи 39
2. Структурно-функциональная имитационная модель стереоскопического зрения человека 42
2.1 Требования к структурно-функциональной модели 42
2.2 Общие характеристики структурно-функциональной модели 43
2.3. Подсистемы структурно-функциональной модели 46
2.4 Оценка глубинных характеристик стереограмм с помощью модели 55
2.5 Выводы 58
3. Синтез случайно-точечных стереограмм и методики исследования стереоскопического зрения с их помощью 60
3.1. Алгоритмы синтеза случайно-точечных стереограмм 60
3.2. Методики исследования стереоскопического зрения человека с помощью случайно-точечных стереограмм 70
3.2.1. Методики психофизиологических исследований стереоскопического зрения и их модернизация 70
3.2.2. Методики исследования стереоскопического зрения с помощью структурно-функциональной модели 78
3.3. Выводы 80
4. Исследования стереозрения человека с помощью структурно-функциональной модели 82
4.1. Тестирование модели с помощью случайно-точечных стереограмм 82
4.2. Построение модельных психометрических кривых 90
4.3. Выбор оптимальных типов изображений для исследования различных аспектов стереозрения 93
4.4. Выводы 96
5. Аппаратно-программный комплекс исследования стереоскопического зрения человека 97
5.1. Общие характеристики аппаратно-программного комплекса 97
5.2. Структура аппаратной части комплекса 99
5.3. Структура программной части комплекса 105
5.4. Интерфейсная часть аппаратно-программного комплекса 111
5.5. Выводы 116
6. Исследование стереоскопического зрения человека с помощью аппаратно-программного комплекса 118
6.1 Влияние характеристик методики исследования на оценки чувствительности стереозрения 118
6.2 Использование оптимальных типов стереограмм для расширения методических возможностей исследования стереозрения 130
6.2.1. Выявление утомления стереоскопического зрения 130
6.2.2. Стимуляция стереозрения субъектов, страдающих амблиопией 137
6.3 Рекомендации по использованию аппаратно-программного комплекса 139
6.4 Выводы 141
Заключение 142
Библиографический список
- Характеристики бинокулярного зрения и принципы их измерения
- Общие характеристики структурно-функциональной модели
- Методики исследования стереоскопического зрения человека с помощью случайно-точечных стереограмм
- Построение модельных психометрических кривых
Введение к работе
Бинокулярное зрение - это зрение с использованием информации, поступающей в мозг от обеих сетчаток глаз. Наибольший интерес представляет высшая функция бинокулярного зрения - стереоскопическое зрение, при котором сигналы от двух сетчаток обрабатываются совместно для получения информации о третьей координате объектов - глубине. Важными задачами являются изучение патологий стереозрения, утомления стереозрения человека-оператора. Ухудшение стереозрения приводит к трудностям в оценке удаленности объектов и их положения в окружающем пространстве. Наличие стереозрения необходимо для операторов сложных систем управления, в ряде профессий, связанных с особо точными и тонкими производственными операциями, при работе с бинокулярными и стереоскопическими приборами.
Основная проблема исследований стереозрения заключается в отсутствии надежной аргументационной базы для обоснования выбора набора тестовых изображений. В известных методиках используются специальные стимулы: стереограммы -изображения, одна часть которых предъявляется левому, а другая - правому глазу. Как правило, применяют случайно-точечные стереограммы [80], стимулирующие только механизмы стереозрения. Однако не существует критериев оценки оптимальности тестового изображения для изучения некоторой характеристики стереозрения. Для разработки таких критериев необходима модель, позволяющая, во-первых, связать измеряемый параметр стереозрения с его физиологическими механизмами и, во-вторых, выявить параметры тестового изображения, значимые для стимуляции этих механизмов. К сожалению, известные модели [99, 120] не достигают требуемого для решения этих задач уровня обобщения.
В современных комплексах применяют разнообразные принципы разделения частей стереограммы при предъявлении наблюдателю: пространственный, цветовой, поляризационный и фазово-временной. Однако, вследствие вышеозначенной проблемы, выбор тестовых изображений и измеряемой характеристики стереозрения, как правило, жестко ограничен. Большинство комплексов исследования стереозрения дают возможность синтеза лишь черно-белых стереограмм для измерения остроты стереозрения и фузионных резервов. В то же время, несомненный интерес представляет измерение контрастной и спектральной чувствительности стереозрения, устойчивости
стереозрения, верхнего предела циклопической диспаратности. При этом исследователю могут потребоваться не только черно-белые, но и полутоновые, и размытые сте-реограммы.
Дополнить существующий арсенал моделей, методов и технических средств исследования стереозрения и призвана настоящая работа.
Целью работы является разработка автоматизированного комплекса исследования стереозрения человека и модернизация методик изучения стереозрения, позволяющих существенно расширить набор методов изучения стереозрения в норме и при патологиях, на базе структурно-функциональной имитационной модели стереозрения человека.
Для достижения поставленной цели сформулированы следующие задачи исследования:
Анализ известных подходов исследования стереозрения человека.
Создание имитационной модели стереозрения человека для оценки глубинных характеристик стереограмм.
Разработка алгоритмов синтеза стереограмм и методик исследования стереозрения человека с их помощью.
Постановка модельных экспериментов с целью выбора оптимальных стимулов для изучения различных аспектов стереозрения.
Разработка аппаратно-программного комплекса для исследования стереозрения человека.
Обоснование эффективности разработанных методик и технических средств при изучении стереозрения в норме и при патологиях.
Объектом исследования являются методики и технические средства исследования стереозрения человека.
В качестве предмета исследования выступают имитационные модели стереозрения, позволяющие предложить более совершенные методики изучения стереозрения, а также методы синтеза стереограмм, адекватных для выполнения различных исследований.
Методы исследования основаны на использовании теории вероятностей и математической статистики, теории нечетких множеств, теории биотехнических систем,
методов имитационного моделирования, методов постановки психофизиологических опытов.
Основные положения, выносимые на защиту:
Структурно-функциональная имитационная модель стереозрения человека, построенная на основе физиологических и морфологических экспериментальных данных, более полно, чем другие модели, воспроизводит в модельных экспериментах психометрические кривые чувствительности стереозрения, поэтому она пригодна для оценки эффективности использования стереограмм для исследования различных аспектов стереозрения.
Модернизация методик исследования стереозрения человека за счет использования новых разновидностей случайно-точечных стереограмм, оригинальной схемы «пустых» проб и отказа от кратковременного предъявления стимулов позволяет существенно снизить субъективность исследований стереозрения человека.
Аппаратно-программный комплекс исследования стереозрения человека расширяет программу исследований, включая оценку остроты, устойчивости, контрастной и спектральной чувствительности стереозрения, верхнего предела циклопической диспаратности, времени реакции испытуемого на тестовое воздействие.
Научная новизна. В работе получен ряд результатов, которые сводятся к следующему:
Предложена новая структурно-функциональная имитационная модель стереозрения человека, позволяющая воспроизвести в модельных экспериментах психометрические кривые чувствительности стереозрения.
Предложены новые типы (многоградационные, с различным коэффициентом размывания частей) случайно-точечных стереограмм на основе модельных экспериментов, позволяющие повысить достоверность экспериментальных оценок порогов стереозрения человека.
Модернизированы методики исследования стереозрения человека за счет использования оригинальной схемы «пустых» проб и отказа от кратковременного предъявления стимулов, что привело к повышению достоверности оценок порогов стереозрения.
Получены зависимости порогов стереозрения от методики исследования, степени утомления, состояния зрительной системы (норма/патология) с помощью предложенных типов стереограмм.
Разработан аппаратно-программный комплекс исследования стереозрения человека, позволяющий синтезировать случайно-точечные стереограммы с заданными яркостными, спектральными и пространственными характеристиками и существенно расширяющий возможности изучения стереозрения.
Практическую ценность составляют:
аппаратно-программный комплекс, позволяющий определить время реакции испытуемого, остроту, устойчивость, контрастную и спектральную чувствительность стереозрения, верхний предел циклопической диспаратности;
методы синтеза новых видов случайно-точечных стереограмм, адекватных для исследования стереозрения в норме и при патологиях;
принципы оптимизации методик исследования, позволяющие уменьшить субъективность оценок порогов стереозрения;
результаты экспериментальных исследований порогов стереозрения человека, содержащие ранее неизвестные данные о зрительном анализаторе человека.
Внедрение результатов работы. Результаты, полученные в работе, были использованы: лабораториями физиологии зрения и нейроморфологии Института Физиологии им. И.П. Павлова РАН при разработке методов и алгоритмов морфофунк-ционального анализа группирования бинокулярных нейронов зрительной коры головного мозга в рамках грантов РФФИ 00-04-49289, 03-04-48258; кафедрой Optometry and Visual Science Латвийского Университета (г. Рига) при разработке методов и технических средств изучения стереозрения; кафедрой Биомедицинской электроники и охраны среды СПбГЭТУ при разработке имитационной модели стереозрения в рамках проекта ИТТ/БЭС 67, финансируемого по программе Министерства образования РФ «Научные исследования высшей школы по приоритетным направлениям науки и техники»; кафедрой Биомедицинской электроники и охраны среды СПбГЭТУ в учебном процессе в курсах «Технические методы диагностики и лечебных воздействий», «Тестовые системы в медико-биологических исследованиях».
Апробация результатов работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на: 5-й международной конференции «Распознавание образов и анализ изображений» (Самара, 2000), международной конференции «Офтальмология на рубеже веков» (СПб., 2001), 3-й международной конференции «Логико-лингвистическое управление динамическими объектами» (СПб., 2001), 3-й международной конференция «Телевидение и обработка изображений» (СПб., 2003), 58-й и 59-й научно-технических конференциях, посвященных Дню радио (СПб., 2003, 2004), 5-й международной конференции «Радиоэлектроника в медицине» (М., 2003), всероссийской конференции «Биотехнические системы в XXI веке» (СПб., 2004), 4-м международном семинаре «Биомеханика глаза» (М, 2004), 24-th, 25-th and 27-th European Conference on Visual Perception (24-я, 25-я и 27-я Европейская конференция по изучению зрительного восприятия) (Kusidasi, 2001; Glasgow, 2002; Budapest, 2004).
Публикации. По теме диссертации опубликовано 17 печатных работ, из них -семь статей и тезисы к десяти докладам на международных научно-технических конференциях.
Работа состоит из шести глав. В первой рассмотрены проблемы исследования бинокулярного зрения и его высшей функции, стереозрения. Во второй - предложена структурно-функциональная имитационная модель стереоскопического зрения человека. В третьей - рассмотрены алгоритмы синтеза случайно-точечных стереограмм и методики исследования стереозрения с их помощью. В четвертой рассматриваются эксперименты по исследованию стереозрения человека с помощью разработанной имитационной модели. В пятой - аппаратно-программный комплекс исследования стереозрения человека. И, наконец, в шестой главе обсуждаются результаты исследования стереозрения с помощью разработанного аппаратно-программного комплекса.
Характеристики бинокулярного зрения и принципы их измерения
Основными характеристиками бинокулярного зрения являются наличие элементарного бинокулярного, глубинного и стереоскопического зрения, острота стереозрения и фузионные резервы [35, 42,44,45].
Наличие элементарного бинокулярного зрения проверяется посредством разбиения некоторого изображения на фрагменты, часть которых предъявляется левому, а часть - правому глазу. Наблюдатель обладает элементарным бинокулярным зрением, если он способен составить из фрагментов единое исходное изображение.
Наличие глубинного зрения проверяется путем предъявления силуэтных, а стереоскопического - случайно-точечных стереограмм, которые должны вызывать у наблюдателя специфическое переживание глубины, отличающееся от впечатления про-странственности, основанного на монокулярных признаках.
Острота стереозрения - это величина, обратная порогу стереоскопического восприятия. Порог стереоскопического восприятия - это минимальная обнаруживаемая диспаратность (угловое смещение) между частями стереограммы. Для его измерения используется принцип, который заключается в следующем. Три пары фигур предъявляются раздельно левому и правому глазу наблюдателя. В одной из пар положение фигур совпадает, в двух других одна из фигур смещена по горизонтали на определенное расстояние. Испытуемого просят указать фигуры, расположенные в порядке возрастания относительного расстояния. Если фигуры указаны в правильной последовательности, то уровень теста увеличивается (диспаратность уменьшается), если нет - диспаратность увеличивается.
Фузионные резервы - условия, при которых существует возможность моторной фузии стереограммы. Фузионные резервы определяются максимальной диспарат-ностью между частями стереограммы, при которых она еще воспринимается в качестве объемного изображения. Для измерения фузионных резервов используется принцип, обратный применяемому при исследовании остроты стереозрения. Например, испытуемого просят соединить (сфузировать) в одно изображение две вертикальных полосы, одна из которых видна левому, а другая - правому глазу. Экспериментатор при этом начинает медленно разводить полосы сначала при конвергентной, а затем при дивергентной диспаратности. Изображение начинает «разваливаться» при значении диспаратности, характеризующей фузионный резерв наблюдателя.
В лабораторных условиях исследуются верхний предел циклопической диспаратности (ВПЦД), спектральная и контрастная чувствительность стереозрения, а также устойчивость к утомление стереозрения.
Несмотря на то, что в литературе нет четких данных о движениях глаз по трехмерным объектам, а тем более по двумерным изображениям с закодированной глубиной, при исследованиях бинокулярного зрения часто стремятся разделить моторную и сенсорную фузию. Для этого используется методический прием, который заключается в кратковременном предъявлении изображений с целью исключения моторной фузии, обусловленной вергентными движениями глаз. Таким образом, кратковременное предъявление тестовых изображений направлено на исследование сенсорной составляющей фузионных резервов, которую характеризует ВПЦД [133].
Контрастная чувствительность стереозрения определяется минимальным контрастом между яркостью фона и переднего плана стереограммы, при котором испытуемый еще способен воспринимать глубину изображения [42].
Для исследования спектральной чувствительности используют стереограммы, содержащие синусоидальные решетки различной частоты, [132] и СТС, пропущенные через фильтры низких и высоких частот с различной частотой среза [101]. Известно, что пороги стереозрения зависят от спектрального состава стереограммы. Для измерения монокулярной остроты зрения разработаны оптотипы, содержащие только высокочастотные гармонические составляющие [41], однако для определения остроты стереозрения стереограммы, подвергнутые частотной фильтрации, практически не применяются.
Устойчивость стереозрения характеризует способность наблюдателя к фузии частей СТС, которые несколько отличаются друг от друга значением некоторого параметра изображения (линейными размерами, контрастом, характеристиками пространственного спектра). Чем больше различие между значениями некоторого параметра в левой и правой части стереограммы, при котором еще возможен стереопсис, тем устойчивее стереозрение.
При исследованиях спектральной чувствительности используют стереограммы, обе части которых пропущены через один и тот же фильтр. Однако представляет интерес имитация ухудшенных условий восприятия одного глаза для воспроизведения стереозрения больных, страдающих амблиопией и катарактой. Для этого следует пропускать через низкочастотный фильтр лишь одну часть стереограммы [84, 85, 113]. При катаракте снижается контрастная чувствительность пораженного глаза. Поэтому для имитации ухудшенных условий восприятия при катаракте используются стереограммы, в которых контраст уменьшается лишь в одной части изображения [84, 86, 114].
Общие характеристики структурно-функциональной модели
Выходами модели являются изображения, визуализированные на основании ответов «нейронов» НКТ, и набор ответов «интернейронов», которые интерпретированы как значения функции, потенциала вергентности, зависящей от распределения планов глубины (глубинных характеристик) стереограммы.
Включение в модель не только бинокулярных нейронов, но и предшествующих им структур зрительного анализатора увеличило ее гибкость. Так, использование «фоторецепторов» различных типов (палочек и трех видов колбочек) позволяет проводить модельные эксперименты не только с черно-белыми, но и полутоновыми, и цветными СТС. Принятие во внимание увеличения размера РП с ростом эксцентриситета позволяет исследовать и центральное, и периферическое зрение. При моделировании РП монокулярных нейронов учитывались только возбуждающие связи, так как основное внимание уделялось взаимодействиям между слоями. Отметим, что именно для системы бинокулярного зрения такое упрощение более, чем правомерно, так как известно, что ответ бинокулярных нейронов непосредственно не зависит от тонкой структуры РП монокулярных нейронов предыдущих уровней зрительной системы [62].
Адекватность подкорковых подсистем модели соответствующим структурам зрительного анализатора подтверждена с помощью различных экспериментов. Изучено «восприятие» цветных прямоугольных решеток различной пространственной частоты, иллюзий размера (Мюллера-Лайера) и одновременного цветового контраста [14, 94]. Результаты модельных экспериментов качественно совпали с данными психофизических исследований. Это означает, что модель позволяет изучать не только стереозрение, но и другие аспекты работы зрительно-глазодвигательной системы (цветовое зрение, восприятие формы).
Модель, так же как и зрительный анализатор, построена из отдельных слоев -блоков, взаимосвязанных друг с другом. Такой подход позволяет сделать структуру модели открытой, то есть модель при необходимости легко дополняется новыми слоями «нейронов» и синаптических переключений с заданными характеристиками (например, «горизонтальными клетками» и возбуждающе настроенными на диспа-ратность «нейронами» VI).
Программная реализация модели создана в среде программирования Borland Delphi 4.0, позволяющей работать с динамическими массивами, не прибегая к низкоуровневой работе с указателями, а также достаточно хорошо оптимизирующей результирующий код. Слои модельных нейронов представлены в виде матриц. За передачу сигналов со слоя на слой отвечают отдельные блоки программного кода. Информация о частях стереограммы выбирается из файлов в формате bitmap ( .bmp), содержащих сведения об относительных яркостях элементов изображения в формате RGB. Обработка программой одного изображения при одном положении сетчаток занимает менее одной секунды на компьютере с процессором Pentium 100, что дает возможность быстро провести большое количество экспериментов. При написании программы стандартные классы Delphi без крайней необходимости не использова лись, что обеспечивает возможность легкой перекодировки алгоритма под другую среду программирования (например, Matlab). Модель включает в себя три подсистемы: сетчатки, НКТ и первичную зрительную кору. Фоторецепторное поле сетчатки человека состоит из 160 млн. колбочек трех типов и палочек. В табл.2.1 представлено отношение числа палочек к числу колбочек (П/К) на единицу площади сетчатки человека в зависимости от эксцентриситета () [ПО].
Здесь ctot - общее количество колбочек, сг, cg, Сь - доля «красных» (длинноволновых), «зеленых» (средневолновых) и «синих» (коротковолновых) колбочек среди всех колбочек.
В модели рассмотрена зона сетчаток, лежащая на расстоянии до 50 от fovea (область, в которой возможно бинокулярное зрение). При моделировании произведено прореживание размерности с сохранением пропорциональной структуры для всех элементов сетчатки в соотношении 1:1000. То есть, слой «фоторецепторов» представлен двумя матрицами размером 384x384 элемента, каждая из которых содержит около 148 тыс. «фоторецепторов». Предполагается, что искажениями, возникающими в результате представления овальной сетчатки в виде квадратной матрицы, можно пренебречь.
Шумы информационных потоков, поступающих в мозг от левого и правого глаза наблюдателя, не связаны друг с другом [104]. Поэтому распределение «фоторецепторов» по обеим «сетчаткам» проводилось независимо друг от друга. Каждая «сетчатка» - это одна реализация закона распределения «фоторецепторов» с параметрами, приведенными в табл.2.1 и в формулах {1 )-(3).
На рис. 2.2 показан фрагмент слоя фоторецепторов модельной «сетчатки». Из рисунка видно, что в "fovea" присутствуют только колбочки - фоторецепторы, отвечающие за цветовое зрение [48] (об этом свидетельствует нулевое значение в последнем столбце табл.2.1). Причем количество красных и зеленых колбочек значительно превосходит число синих (см. формулы (1)-(3)). По мере удаления от "fovea" соотношение между палочками (отображены на рисунке белым цветом) и колбочками увеличивается в соответствии со значениями, приведенными в табл.2.1.
Смешение трех монохроматических цветов в синей, зеленой и красной части спектра вызывает цветоощущение любых произвольных спектральных композиций [49]. Поэтому общепринятой является цветовая модель RGB, в которой цвет задается сложением относительных яркостей трех основных цветов - красного, зеленого и синего. Модель RGB отражает принцип работы большинства цветных мониторов, в которых для управления цветом настраивают яркости свечения красного, зеленого и синего люминофоров [39].
Методики исследования стереоскопического зрения человека с помощью случайно-точечных стереограмм
Как правило, в серии экспериментов определяют чувствительность стереозрения к изменению одного параметра изображения (плотности СТС, диспаратности и т.д.) в то время, как остальные параметры остаются неизменными.
Простой, но дающий самый большой разброс результатов, метод определения порога - квазинепрерывное изменение параметра с надпороговых до подпороговых значений и обратно с фиксацией значения, при котором испытуемый перестает видеть СТС как объемное изображение.
Более сложная методика, широко используемая в психофизике [131], - «лестничная» (рис. 3.5), суть которой заключается в следующем. С наблюдателем проводится серия проб ПІ-ПІ, в которых находят пороговое значение влияющего на чувствительность стереозрения параметра X. Пусть, для определенности, чем меньше его значение, тем меньше вероятность принятия наблюдателем некоторого правильного решения (таким свойством обладает контраст СТС). В каждой пробе наблюдатель, которому на некоторое время предъявляется СТС, делает выбор из двух взаимоис ключающих решений. После некоторого числа последовательных правильных решений Пп (отмечены знаками "+") значение параметра уменьшается (с хі до х2, с х2 до х3), приближаясь к пороговому. После некоторого числа последовательных неправильных решений iVong (отмечены знаками "-") значение параметра увеличивается, удаляясь от порогового. Графическое отображение результатов проб напоминает лестницу, что и дало название методике. Эксперимент заканчивается после, например, 10 перегибов лестницы. За пороговое принимается среднее значение параметра по всем перегибам.
Для определения формы психометрической функции используют метод постоянных раздражителей. Испытуемому предъявляются тестовые изображения, основные параметры которых остаются неизменными в течение эксперимента. В каждом тестовом изображении значение исследуемого параметра принимает одно значение из постоянного набора xrXj. В каждой отдельной пробе испытуемый должен давать ответ о своих впечатлениях от предъявленного тестового изображения в заранее обусловленных категориях («вижу - не вижу», «есть - нет»).
Результатом является число ответов разных категорий (частота различных суждений), приходящееся на каждое из предъявляемых изображений. Обычно, по мере изменения одного из параметров с надпороговых до подпороговых значений, частота правильных суждений испытуемого постепенно уменьшается от значений, близких к 1, до значений, близких к 0. На рис. 3.6 приведена типичная форма психометрической функции, построенной по точкам хгх;. По оси абсцисс - значения изменяемого параметра X, по оси ординат - частота правильных ответов Р. Величина порога находится вычислительным путем - за величину порога (хп) принимается такое значение параметра тестового изображения, которое в половине случаев вызывает ответ о наличии ощущения, а в половине - не вызывает его.
В этом методе подбор тестовых изображений приобретает особо важное значение. Неудачный их подбор приводит к тому, что диапазон изменения некоторого параметра тестового изображения охватывает лишь часть пороговой зоны, и тогда по результатам эксперимента весьма сложно определить величину порога. Удачно выбранным диапазоном изменения параметра считается такой, в котором самый слабый из раздражителей дает частоту правильных ответов примерно 0.05, а самый сильный -примерно 0.95.
Для определения диапазона изменения параметра основному эксперименту обязательно предшествует краткий предварительный, позволяющий экспериментатору правильно составить набор тестовых изображений. Причем результаты предварительного эксперимента дают лишь самую приблизительную ориентировку относительно того, в каких пределах должен строиться этот набор. Число тестовых изображений, применяемое для того, чтобы охватить область перехода от «неощущения» к ощущению, не должно быть слишком велико. Чаще всего используют от 5 до 7 тестовых изображений, каждое из которых предъявляется от 20 до 100 раз. Порядок предъявления тестовых изображений внутри серии проб должен быть случайным [4].
Одним из наиболее существенных параметров, определяющих чувствительность стереозрения, является диспаратность изображения. Исследование пороговой диспаратности облегчается тем, что она практически не зависит от контраста изображения в широком диапазоне надпороговых значений контраста (до 4%) [125].
Проблема выявления пороговой диспаратности заключается в сложности определения удаленных от порога значений величины X. Дело в том, что у наблюдателей с плохим стереозрением диспаратность, характеризующая остроту стереозрения, xmin, и диспаратность, характеризующая фузионный резерв, хтах, находятся вблизи друг от друга. Это означает, что значения Xj как бы «зажаты» между двумя близлежащими порогами xmin и хтах (рис. 3.7). И, удаляясь от одного из них, х; приближается к другому.
В этих условиях лестничная методика неприменима [4], а практическая реализация метода постоянных раздражителей зависит от искусства и терпения экспериментатора. Отметим, что стандартные клинические тесты для определения наличия стереозрения содержат набор тестовых изображений лишь с небольшими значениями диспаратности [127] и поэтому в некоторых случаях ошибочно не выявляют наличие стереозрения у больных, страдающих амблиопией [84].
Важными характеристиками всякой методики являются время предъявления тестового изображения и время, которое дается испытуемому на принятие решения.
Часто стремятся уменьшить время предъявления СТС, чтобы исключить возможность движения глаз наблюдателя по СТС. Перед началом эксперимента наблюдателю дается инструкция сфокусировать взгляд на некоторой стереоскопически предъявляемой точке фиксации, обладающей нулевой диспаратностью и расположенной в центре пустого поля. Затем, через некоторое время, точка фиксации исчезает, и на 150-200 мс появляется СТС.
Построение модельных психометрических кривых
Аппаратно-программный комплекс (АПК) исследования стереозрения является важной составляющей биотехнической системы исследования стереозрения человека (рис. 5.1).
Исследователь (Исс.) управляет устройством формирования тестового задания (УФТЗ), которое позволяет изменять значения следующих параметров СТС, влияющих на чувствительность стереозрения, - контраста, плотности, размера, степени размывания, количества градаций и диспаратности закодированного стимула. Причем предоставлена возможность изменения значения параметра как в одной, так и в обеих частях СТС (для изучения устойчивости стереозрения).
При работе с УФТЗ исследователь может выбрать один из трех руководящих принципов, рассмотренных в пп.3.2., - испытуемый должен вынести суждение о знаке диспаратности закодированного прямоугольника (за или перед плоскостью фона), о существовании объемного стимула в СТС или же о форме закодированного объемного стимула. Предложены и различные варианты формирования пустых проб, которые содержат случайно-точечный фон или же случайно-точечный фон, на котором расположен шумоподобный прямоугольник.
УФТЗ поддерживает лестничную методику и метод постоянных раздражителей, которые широко используются в психофизиологии для определения порогов.
При использовании более быстрой лестничной методики среднее время проведения одной серии, состоящей из 60-80 проб (в зависимости от длины «пролетов» лестницы), составляет 5-8 мин. Это означает, что наблюдатель практически не успевает утомиться от работы в пороговых условиях стимуляции. Следовательно, эта методика пригодна и для определения изменения порогов, обусловленного утомлением (например, при операторской деятельности).
При использовании метода постоянных раздражителей время эксперимента зависит от количества проб в серии, которое задается перед началом исследования.
При выборе лестничной методики СТС с заданными значениями параметров синтезируются в ходе эксперимента непосредственно перед предъявлением пробы (так как заранее неизвестен диапазон изменения исследуемого параметра). При выборе метода постоянных раздражителей используется набор тестовых изображений, синтезированных исследователем до начала эксперимента (диапазон изменения исследуемого параметра определен с помощью серии предварительных испытаний).
СТС синтезируются с помощью устройства формирования тестовых стимулов (УФТС) и предъявляются испытуемому (Исп.) посредством устройства предъявления тестовых стимулов (УПТС). УПТС содержит монитор (ЭЛТ), ЖК очки и видеоадаптер, синхронизирующий работу ЭЛТ и ЖК очков. УПТС поддерживает различные режимы визуализации СТС на экране ЭЛТ:
1) режим фазово-временного предъявления, использующий возможности специального программного обеспечения (ПО), поставляемого вместе с видеоадаптерами ASUS Deluxe, содержащими интегрированный контроллер ЖК очков;
2) режим фазово-временного предъявления, использующий возможности стандартных библиотек DirectX, работающих с любыми видеоадаптерами (УПТС включает стандартный видеоадаптер и специальный внешний контроллер ЖК очков);
3) режим автостереоскопического предъявления (УПТС содержит стандартный видеоадаптер, наблюдатель фузирует СТС без использования вспомогательных устройств).
В каждой пробе испытуемый должен вынести одно из двух суждений о структуре предъявляемого изображения. Ответы и время реакции испытуемого регистрируются устройством фиксации ответных реакций (УФОР), содержащим стандартную клавиатуру. После окончания эксперимента они поступают в устройство обработки информации (УО) для управления УФТЗ и запоминаются с помощью устройства хранения (УХ) в базе данных для последующего предъявления исследователю через средства отображения информации (СОИ). База данных содержит информацию как об испытуемом, так и о результатах экспериментов, в которых он принимал участие.
С помощью АПК определены время реакции испытуемого на различные типы СТС, острота стереозрения, устойчивость стереозрения, контрастная и спектральная чувствительность стереозрения, верхний предел циклопической диспаратности и ряд других параметров [25].
Стереограмма может быть представлена на экране монитора (ЭЛТ) различными способами и восприниматься наблюдателем с помощью вспомогательных устройств или же невооруженным глазом. Состав аппаратной части автоматизированного комплекса (блок УПТС) зависит от выбранных методов разделения частей стерео-граммы и форматов стереокадра. Рассмотрим достоинства и недостатки основных методов сепарации стереоизображений и форматов стереокадра для того, чтобы обосновать выбор аппаратных средств для предъявления стереограмм, поддерживаемых разработанным АПК.
Правая и левая части стереограммы могут предъявляться на экране ЭЛТ одновременно (метод анаглифов, автостереоскопия) или попеременно (метод фазово-временного предъявления) [20].
Основным недостатком метода анаглифов является, очевидно, неполная цветопередача. С его помощью возможно изучать лишь зависимости порогов стереозрения от формы и диспаратности закодированного стимула. Изучение цветовой и контрастной чувствительности стереозрения невозможно или же затруднено. Кроме того, достаточно сложно подобрать цвета анаглифов для хорошей сепарации изображений. По-видимому, это связано с ограниченным набором исходных цветов используемых люминофоров и высокой насыщенностью этих цветов.
