WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

На основании морфологических и электрофизиологических экспериментальных данных разработана структурно-функциональная имитационная модель стереозрения человека, состоящая из трех подсистем: двух трехслойных сетчаток (фоторецепторы, биполяры, ганглиозные клетки), двух шестислойных наружных коленчатых тел (два крупноклеточных и четыре мелкоклеточных слоя) и двухслойной первичной зрительной коры (тормозно настроенные на диспаратность бинокулярные нейроны и интернейроны).

В разработанной модели значительное внимание уделено структуре «нейронных связей». Включение в модель структур, предшествующих бинокулярным нейронам, увеличило ее гибкость. Использование фоторецепторов различных типов дает возможность проводить эксперименты не только с черно-белыми, но и полутоновыми, и цветными стереограммами. Учет зависимости размера рецептивного поля от эксцентриситета позволяет исследовать и центральное, и периферическое зрение.

На входы модели – слои фоторецепторов сетчаток – подается информация о стереограмме. Выходом модели является набор ответов интернейронов, которые интерпретированы как значения функции, потенциала вергентности:

где, L и R – ответы монокулярно управляемых из левого и правого глаз нейронов наружных коленчатых тел, (xl, y) и (xr, y) – положение их рецептивных полей на сетчатках, r – диспаратность (относительный сдвиг вдоль оси абсцисс области изображения в одной части стереограммы по отношению к другой части стереограммы), (xin, y) – координаты пикселя входного изображения. Суммирование идет по соответственным областям сетчаток, одна из которых сдвинута по отношению к изображению на величину r.

Глубинные характеристики стереограммы определяются на основе анализа формы потенциала вергентности - поверхности с диспаратностью r0 отвечает минимум функции. Для последующих этапов анализа использовано два типа потенциала вергентности – ULF и UHF, которые связаны с активностью низко- и высокочастотного бинокулярного канала соответственно.

Пусть в стереограмме присутствуют две поверхности с диспаратностями r0 и r1. Модель воспринимает глубину обеих поверхностей, если между минимумами ULF(r0) и ULF(r1) расположен локальный максимум ULF(ri), т.е:

(1)

где Ut – некоторая константа, Umax – максимальное значение ULF в области определения.

Качество модельной фузии (т.е. процесса слияния частей стереограммы в единый объемный зрительный образ) характеризуется глубиной минимума потенциала вергентности, выражающей уменьшение значения функции в точке r0, соответствующей диспаратности некоторой поверхности, содержащейся в стереограмме, по отношению к близлежащим (в точках r0–1 и r0+1) значениям функции:

(2)

Чем больше H(r0), тем устойчивее модельная фузия.

Для оценки степени различимости поверхностей использован математический аппарат теории нечетких множеств. Значения U(r) принадлежат одному из двух классов нечеткого множества - классу «существует поверхность с диспаратностью r­» принадлежит минимум U, а классу «не существует поверхности с диспаратностью r» - иные значения U. Мера размытости множества значений потенциала вергентности определяется как:

(3)

где, Umin – минимальное значение потенциала вергентности в области определения, N – количество значений потенциала вергентности.

Чем меньше размытость множества значений потенциала вергентности, тем проще разделить классы нечеткого множества и, следовательно, тем выше различимость диспаратных поверхностей, содержащихся в стереограмме.

Программная реализация модели создана в среде программирования Borland Delphi 4.0. Слои модельных нейронов представлены в виде числовых матриц. За передачу сигналов со слоя на слой отвечают отдельные блоки программного кода. Информация о частях стереограммы выбирается из файлов в формате Windows Bitmap, содержащих сведения об относительных яркостях элементов изображения в формате RGB.

В третьей главе рассмотрены алгоритмы синтеза случайно-точечных стереограмм (СТС) и методики исследования стереозрения человека с их помощью.

СТС – шумоподобное изображение, не содержащее иных признаков глубины кроме диспаратности. На рис. 1, а изображена левая (т.е. предъявляемая левому глазу) часть СТС, формируемая путем равномерного разбрасывания окрашенных точек по фону другого цвета.

Рис. 1

В этом изображении задается план глубины фона B и специально сформированная область – план глубины стимула S. Для создания правой части СТС (рис. 1, б) сначала воспроизводится левая часть, а затем область S в ней сдвигается вдоль оси абсцисс на величину d. При бинокулярном наблюдении сдвиг, создающий диспаратность d между областями S изображений для сетчаток левого и правого глаза, предопределяет восприятие плоской СТС как объемного изображения с двумя планами глубины – фона с нулевой диспаратностью и стимула с диспаратностью d.

Как правило, алгоритмы синтеза СТС используют следующие характеристики: размер элемента СТС; плотность СТС; диспаратность, размер и форму закодированного (т.е. не воспринимаемого монокулярно) стимула; размер СТС; интенсивности излучения пикселей СТС. Предложено дополнить этот набор характеристик следующими: способом заполнения области зазора (область g на рис. 1), коэффициентом размывания частей СТС, количеством градаций (цветов, в которые окрашены разбрасываемые точки), типом диспаратности (область S сдвинута на величину d в одной или в обеих частях стереограммы).

При измерении порогов стереозрения перед исследователем встает проблема выбора «руководящего» принципа, т.е. подхода, руководствуясь которым испытуемый выполняет тестовое задание. Обычно испытуемому предлагается определить знак диспаратности стимула, форму стимула или факт присутствия стимула в СТС. Для уменьшения субъективности экспериментальных оценок порога в опыт включают «пустые» пробы, не содержащие объемного изображения. В качестве пустых проб используют СТС, содержащие только план глубины фона. Однако предварительные психофизиологические эксперименты показали, что предпочтительно применять более сложное изображение - СТС, в одной из частей которой область S вновь заполнена случайно-точечными элементами.

Часто стремятся уменьшить время предъявления СТС, чтобы исключить возможность движения глаз. Предложены «специальные» СТС, в которых область S сдвинута на величину d в противоположные стороны в обеих частях изображения, для изучения влияния движений глаз испытуемого на пороги стереозрения. Фузия такой СТС может произойти либо за счет бинокулярных нейронов, настроенных на диспаратность 2d, либо за счет поворота обоих глаз на угол d. Пороговые диспаратности для обычных и «специальных» СТС одинаковы, если движения глаз значительно влияют на пороги стереозрения. В противном случае пороговые диспаратности для обычных и «специальных» СТС различаются в два раза. Показано (см. гл.6), что для большинства испытуемых движения глаз не влияют на чувствительность стереозрения. Этот факт позволяет исключить время предъявления стимула из значимых характеристик методики исследования.

Измерения порогов стереозрения человека направлены на нахождение экстремального значения некоторого параметра СТС, обеспечивающего заданную вероятность правильного суждения испытуемого о глубине стимула. Следовательно, разработанная структурно-функциональная имитационная модель позволяет исследовать все характеристики стереозрения (остроту, верхний предел циклопической диспаратности, устойчивость и т.д.). Методика исследования состоит из нескольких этапов. Во-первых, следует найти параметры СТС, при которых модель будет реагировать на диспаратность r0 закодированного стимула. Для этого достаточно убедиться в том, что ULF и UHF имеют локальные минимумы в точке r0. Во-вторых, следует оценить пороги стереозрения. Для этого необходимо, задавшись константой Ut, определить по формуле (1) пороговое значение r0, при этом r1 (диспаратность фона) следует принять равной 0. В-третьих, следует оценить качество «фузии» путем сравнения глубин минимумов H(r) или же значений d(Unorm) (по формулам (2) и (3)) для СТС, синтезированных при различных значениях некоторого параметра.

В четвертой главе рассмотрены исследования возможностей предложенной структурно-функциональной имитационной модели по описанию характеристик стереозрения человека. Стимулами служили СТС. Качество модельной фузии определялось на основе анализа значений потенциала вергентности. Программа исследований включала построение модельных психометрических кривых (1) и обоснование оптимальности использования определенного типа СТС для двух вариантов исследований (2а, 2б).

1. Известно, что острота стереозрения человека падает по мере увеличения степени размывания одной из частей СТС. В модельных экспериментах использовали СТС, размытые с помощью гауссовского фильтра. Для каждой степени размывания находили минимальную rстимула, при которой выполнялись требования формулы (1).

На основе полученных пар значений (,) построена «психометрическая» кривая (рис. 2, квадраты), подобная по форме психометрической кривой, определенной в психофизиологических опытах (рис. 2., треугольники).

Рис. 2

Отметим, что данная психофизиологическая зависимость не использовалась при разработке структурно-функциональной имитационной модели.

2а. В эксперименте определяли зависимость размытости значений UHF от количества градаций и степени размывания СТС (по формуле (3)). Показано, что по мере увеличения количества градаций размытость значений UHF уменьшается (с 5.4 для черно-белых СТС до 4.1 для СТС, содержащих 8 градаций серого), а по мере увеличения степени размывания – увеличивается (до 7.9 при = 1пикс). На основе анализа результатов модельного эксперимента выдвинута гипотеза об увеличении достоверности оценок порогов стереозрения при использовании многоградационных СТС в психофизиологических экспериментах.

2б. При амблиопии снижается чувствительность поврежденного глаза к высоким пространственным частотам. В силу этого для исследования стереозрения амблиопов предложено использовать СТС, одна часть которой размыта. Если не размытую часть СТС подать в поврежденный глаз, то она как бы пройдет через низкочастотный фильтр. Больной фактически фузирует два низкочастотных изображения. Минимум UHF при «фузии» двух размытых частей СТС на 470 относительных единиц глубже, чем при «фузии» размытой и не отфильтрованной частей СТС (по формуле (2)). Это позволяет предположить, что амблиопу проще фузировать именно «полуразмытую», а не обычную СТС.

В пятой главе рассмотрена структура и основные характеристики аппаратно-программного комплекса (АПК), являющегося составной частью биотехнической системы исследования стереозрения человека (рис. 3).

Исследователь (Исс.) управляет устройством формирования тестового задания (УФТЗ). УФТЗ позволяет изменять яркостные, пространственные (в том числе глубинные) и спектральные характеристики частей СТС, вид и процент пустых проб, руководящий принцип (определить знак диспаратности стимула, форму стимула или факт присутствия стимула в СТС) и

Рис. 3

методику исследования (лестничная или метод постоянных раздражителей). СТС синтезируются с помощью устройства формирования тестовых стимулов (УФТС) и предъявляются испытуемому (Исп.) посредством устройства предъявления тестовых стимулов (УПТС). УПТС содержит

монитор (ЭЛТ), жидкокристаллические (ЖК) очки и видеоадаптер, синхронизирующий работу ЭЛТ и ЖК очков.

УФТС поддерживает различные режимы визуализации СТС на экране ЭЛТ:

а) с использованием аппаратных возможностей видеоадаптеров (УПТС включает видеоадаптер с интегрированным контроллером ЖК очков);

б) с использованием программных возможностей пользовательских библиотек функций Windows (УПТС содержит стандартный видеоадаптер и специальный внешний контроллер ЖК очков);

в) с использованием автостереоскопических методов (УПТС содержит стандартный видеоадаптер, наблюдатель фузирует СТС без использования вспомогательных устройств).

В каждой пробе испытуемый должен вынести одно из двух суждений о структуре предъявляемого стимула. Ответы и время реакции испытуемого регистрируются устройством фиксации ответных реакций (УФОР), содержащим стандартную клавиатуру, и после окончания опыта поступают в устройство обработки информации (УО) для управления УФТЗ и запоминаются с помощью устройства хранения (УХ) для последующего предъявления исследователю через средства отображения информации (СОИ).

С помощью АПК определены время реакции испытуемого на некоторый тип стимула, острота стереозрения, устойчивость стереозрения, контрастная и спектральная чувствительность стереозрения, верхний предел циклопической диспаратности и ряд других параметров.

В шестой главе рассмотрены возможности практического использования разработанного АПК. Программа установочных экспериментов изучения стереозрения с помощью АПК включала: исследование влияния движений глаз на значения порогов (1) и выявление преимуществ СТС, предложенных на основе анализа модельных экспериментов, перед обычными черно-белыми СТС (2а, 2б).

1. У одних и тех же испытуемых измеряли верхний предел циклопической диспаратности с помощью обычных и «специальных» СТС. У 6 из 7 испытуемых верхний предел циклопической диспаратности для обычных СТС примерно в два раза больше, чем для «специальных» СТС (2.06±0.31), т.е. для большинства испытуемых движения глаз не влияют на пороги стереозрения.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»