биофизика

1 = 180 - 2arctg[(b + dэ + dП)/(2l)]; 2 = 180 - 2arctg[(b + dэ - dП)/(2l)],

Следовательно:

min = 2(arctg[(b + dэ + dП)/(2l)] - arctg[(b + dэ - dП)/(2l)])

ВНИМАНИЕ! Работа с анаглифическими изображениями не является естественной для зрительной системы, что может привести к достаточно быстрому ее утомлению. В связи с этим рекомендуется ограничивать время постоянного пребывания в стереоскопических очках до 7…10 минут. После этого работу необходимо прервать и дать зрительной системе непродолжительный (5…7 минут) отдых. Целесообразно выполнить также несколько упражнений для релаксации органа зрения.

3.3. Задание по лабораторной работе

1.Внимательно изучите общие принципы стереоскопического восприятия, методы формирования стереоскопических изображений на плоских экранах и методику проведения психофизиологических исследований по оценке порогов глубинного зрения.

2.По аналогии с методикой, приведенной выше, выведите аналитическое выражение (аналогичное формуле 1) для определения остроты стереоскопического зрения при использовании в процессе тестирования зрительных образов, имеющих положительный горизонтальный параллакс.

3.Ознакомьтесь с программным обеспечением и убедитесь в наличии всех необходимых атрибутов (анаглифические очки, удлинитель (в случае необходимости) для манипулятора мышь) для успешного осуществления психофизиологического эксперимента.

4.Проведите оценку наличия у обследуемого стереоскопического зрения, используя соответствующий раздел программного обеспечения. Научитесь правильно воспринимать изображения, формируемые в виде анаглифической стереопары.

5.Осуществите оценку минимально различимого углового параллакса, используя тестовые изображения, имеющие отрицательный горизонтальный параллакс. Сохраните результаты в виде электронного файла и распечатки.

6.Проведите оценку минимально различимого углового параллакса, используя тестовые изображения с положительным горизонтальным параллаксом. Также сохраните результаты в виде электронного файла и распечатки.

7.Проведите расчет остроты стереоскопического зрения для результатов, полученных при выполнении пунктов 6 и 7.

8.Сформулируйте выводы по работе.

151

3.4. Требования к отчету

Отчет по лабораторной работе должен содержать:

1.Краткое теоретическое введение.

2.Математические зависимости (вместе с описанием метода их получения), используемые для расчета остроты стереоскопического зрения.

3.Описание хода проведения психофизиологического эксперимента, включающее

всебя установленные параметры тестирования и протоколы хода проведения исследования, подписанные преподавателем.

4.Результаты оценки остроты стереоскопического зрения, полученные в ходе обработки экспериментальных данных.

5.Выводы по работе.

152

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ЧАСТОТНО-КОНТРАСТНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТИ

ЗРЕНИЯ ЧЕЛОВЕКА

Цель работы – выявление зависимости порогов контраста восприятия зрительных стимулов от пространственной частоты тестового изображения при различных условиях проведения психофизиологического эксперимента.

4.1. Общие положения

Различение зрительной системой окружающих предметов зависит не только от их размеров, но и от количества деталей на единицу площади и их контраста с фоном. Для оценки этого свойства глаза служит исследование частотно-контрастной чувствительности (ЧКЧ) зрения.

ЧКЧ зрения является пространственной передаточной характеристикой зрительной системы и показывает зависимость порогового контраста восприятия от пространственной частоты (угловых размеров) воспринимаемых зрительных образов.

Визоконтрастометрия как метод исследования зрительной системы объединяет большую группу практических методик и технических средств измерения пространственных модуляционных передаточных функций зрительной системы человека. Методом исследования частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) является пространственно-частотный анализ. Результаты фундаментальных исследований по оптике и физиологии глаза позволили рассматривать зрительную систему как фильтр пространственных частот. В то же время на основании психофизиологических работ была выдвинута гипотеза, согласно которой изображение обрабатывается большим числом параллельно действующих каналов, каждый из которых избирательно настроен на определенную пространственную частоту. Возникающее в результате такой обработки описание изображения является Фурье-разложением. Таким образом, метод пространственно-частотного анализа отражает внутренние механизмы работы зрительной системы и удобен для описания процесса восприятия изображения.

Первые измерения передаточной функции зрительной системы человека были проведены инженерами для решения технических задач физической оптики и телевидения. В 1951 году на международном симпозиуме, посвященном методам измерения качества оптических систем и изображений, Шаде впервые было сделано сообщение об измерениях модуляционных передаточных функций оптических систем и зрительной системы наблюдателя. В 50-60-ые годы было выполнено множество работ по

153

поэтому данная характеристика имеет большое диагностическое значение. С ее помощью удается обнаружить заболевания на ранних стадиях, что невозможно сделать, используя другие диагностические методы.

Пространственно-частотная полоса пропускания человека меняется в течение его жизни. В начале полоса пропускания зрительной системы захватывает только низкочастотную область, при этом верхняя граничная частота и соответствующая ей острота зрения невелики. Так, у детей на первом месяце жизни верхняя граничная частота составляет 1,5 цикла/градус, в два месяца она может достигать 8 циклов/градус. С возрастом происходит рост чувствительности и расширяется полоса пропускания в область высоких пространственных частот. Окончательное развитие зрительной системы заканчивается к шестнадцати годам. В этот возрастной период чувствительность зрительной системы максимальна, а пространственно-частотная полоса пропускания наиболее широкая, причем у мужчин чувствительность несколько выше, чем у женщин. Важно отметить, что в возрастной период от пяти до сорока пяти лет ЧКХ изменяются незначительно, и этими изменениями можно пренебречь. После 25 лет начинается медленное уменьшение полосы пропускания зрительной системы человека. У пожилых людей происходит плавное снижение чувствительности в области средних и высоких частот.

При пигментной дегенерации сетчатки наблюдаются существенные изменения модуляционных передаточных функций. При данном заболевании ЧКХ меняется следующим образом: при высокой остроте зрения, измеренной по таблицам, резко снижена чувствительность к высоким пространственным частотам. Чем тяжелее заболевание, тем более существенны изменения в ЧКХ. Поэтому при диагностике пигментной дегенерации сетчатки, текущих осмотрах метод измерения модуляционных передаточных функций является важнейшим методом, позволяющим оценить тяжесть заболевания. Это нельзя сделать с помощью применяемых в настоящее время методов измерения остроты и границ поля зрения.

Постоянно ведется поиск нетрудоемких и общедоступных приемов ранней диагностики глаукомы. Определение ЧКХ может оказаться весьма полезным в решении этой задачи. У больных на ранней стадии заболевания снижена контрастная чувствительность в области средних пространственных частот. Кривая ЧКХ принимает двугорбый вид. Изменение ЧКХ пропорционально тяжести заболевания при глаукоме. Определение ЧКХ существенно в целях ранней диагностики глаукомы. Это имеет большое значение, в частности, возможна дифференциальная диагностика

155

офтальмогипертензий и глаукомы. В первом случае данные визоконтрастометрии не изменяются, во втором изменения есть.

Ретробульбарный неврит это поражение зрительного нерва самой разнообразной этиологии. ЧКХ позволяет оценить тяжесть заболевания, преимущественную локализацию поражения, количественно измерить сохранность зрительных функций, выражающуюся в таких субъективных нарушениях восприятия, которые больные характеризуют как туман, мушки перед глазами и так далее.

Исследования ЧКХ проводят обычно с помощью изображений вертикальных черно-белых полос с синусоидальным распределением яркости («синусоидальных решеток») с различными пространственными частотами и изменяющимся контрастом. Яркость тестового изображения определяется выражением:

B(x) = Bф + BSin( пx),

где Bф средний уровень яркости (яркость фона), В амплитуда яркости (амплитуда полос), п пространственная частота решетки (число периодов сигнала на 1 поля зрения).

Контраст решетки (глубина модуляции) определяется следующим соотношением:

К = (Bmax Bmin)/(Bmax + Bmin) = B/Bф.

Известно несколько видов тестовых изображений для исследований ЧКХ зрения. Наиболее простым представляется набор изображений в виде синусоидальных решеток фиксированных частот – «пространственных решеток». Обычно используются пространственные частоты в диапазоне 0,5…20 циклов/градус. В пределах любого из этого набора тестового изображения контраст синусоидальной решетки одной частоты изменяется плавно сверху вниз по логарифмическому закону, начиная с нулевого значения и до 0,4…0,5. Различия в известных методиках заключаются в том, что изображения решеток могут быть изготовлены на бумаге в виде атласа, на листах пленки и в виде диапозитивов, и демонстрироваться с помощью негатоскопа или проекционного аппарата соответственно.

При предъявлении испытуемому тестового изображения в виде атласа всю таблицу (трафарет) закрывают серой карточкой (коэффициент отражения карточки равен коэффициенту отражения таблицы), кроме той части, где контраст ниже порога. В этот момент трафарет кажется испытуемому однотонно серым. Затем исследователь медленно перемещает карточку, показывая части трафарета с прогрессивно увеличивающимся контрастом. При определенном положении карточки испытуемый начинает различать решетки. Это положение отмечается на шкале, нанесенной на трафарете.

156

При предъявлении наблюдателю тестового изображения с помощью пленки или слайдов используют два вида масок. Первый из них представляет собой щель постоянных размеров. Перемещая щель по направлению увеличения контраста изображения, исследователь фиксирует момент, когда испытуемый начинает видеть решетку. Второй тип маски представляет собой ограничитель лишь со стороны максимального контраста. Исследователь фиксирует пороговый контраст, при котором наблюдатель перестает видеть периодичность в изображении.

осциллоскопом помещают лист белого картона с окном, соответствующим размеру тестовой решетки. Необходимо освещать картон добавочным источником света через цветовой фильтр для создания соответствия тестового спектра картона и зеленого экрана осциллоскопа с тестирующей решеткой. Методика исследований аналогична описанным выше.

Предъявляя последовательно изображения простых синусоидальных решеток, можно построить зависимость минимально различимого контраста от частоты решетки. Обычно достаточно набора содержащего 8-10 тестовых изображений.

Стремление к уменьшению количества тестовых изображений привело к разработке другого варианта теста сложной решетки. Изображение этого теста строится так, чтобы пространственная частота синусоидальной решетки возрастает по одной координате, а ее контраст по другой. Изображение испытуемому предъявляется на экране ЭЛТ целиком, и он фиксирует огибающую минимального контраста при различении периодичности решетки. Процедура регистрации ЧКХ при таком тесте упрощается, но точность ее определения ниже. Кроме того, возрастают трудоемкости синтеза такого тестового изображения.

В настоящее время существуют варианты компьютерной визоконтрастометрии, разновидность одного из которых положена в основу данной лабораторной работы.

Приведенные методики исследования основаны на обнаружении испытуемым периодичности в изображении. Однако возможны другие подходы. Например, известен

метод, основанный на уравнивании контрастов. Испытуемому предъявляют изображение, 157

состоящее из двух частей. В одной из них находится эталонное изображение простой синусоидальной решетки постоянного контраста, изображением в другой части экрана управляет испытуемый. Цель управления подобрать такое изображение решетки, чтобы поля не отличались по контрасту. Эта методика позволяет оценить дифференциальную ЧКЧ зрения.

В заключение необходимо указать, что измерения модуляционных пространственных передаточных функций зрительной системы человека не позволяет дать исчерпывающую характеристику зрительного анализатора в прямой аналогии с простейшими оптическими приборами. В настоящее время невозможно, в силу ряда причин, построить полную передаточную функцию зрительной системы. Однако этот метод позволяет провести анализ пространственно-частотной полосы пропускания, как всей зрительной системы, так и ее отдельных частей, представить характер информации, передаваемой по отдельным каналам в системе глаз-мозг, косвенным путем установить качество восприятия изображений нормальной и патологически измененной зрительной системы.

4.2. Методика проведения исследований

Методика оценки ЧКЧ зрения, используемая в данной лабораторной работе, основана на различении периодичности тестового стимула при достижении его контраста пороговой величины. В ходе проведения психофизиологического эксперимента испытуемому предъявляется тестовое изображение в виде полос (решеток) с синусоидальным распределением яркости и определяется пороговый контраст (контрастная чувствительность) зрения на 16-ти различных пространственных частотах в диапазоне от 0,5 до 24 циклов/градус.

Первым шагом проведения тестовых испытаний является расположение тестируемого на заданном расстоянии от экрана монитора, на котором отображаются зрительные стимулы. Данная процедура необходима для обеспечения заданных угловых размеров решеток и исключения каких-либо изменений поля зрения, уровня фонового освещения и шумовых факторов, способных влиять на устойчивость зрительного внимания и точность результатов исследования.

158

Затем исследователь (роль которого в данном случае выполняет другой студент

повышения достоверности проведения исследований в качестве длительности периода адаптации используется случайная величина лежащая в пределах от Ta до Ta + Ta/3.

-Время ожидания ответной реакции испытуемого Tож, определяющее скорость изменения контраста тестовой решетки: 100, 500, 1000, 2000, 3000 или 5000 мс.

-Количество повторов исследования на каждой пространственной частоте n: 1, 3, 5, 7 или 9.

-Шаг изменения контраста изображения k: 1…10 отн. ед.

-Расстояние от испытуемого до монитора h: 70…500 см.

-Характер проводимых исследований: бинокулярно, для левого или правого глаза. Следующим шагом после задания условий проведения эксперимента является

процесс формирования зрительных стимулов, которые будут использоваться непосредственно в ходе осуществления исследований.

159

Рис. 8. Результаты исследований

Учитывая дискретность экрана монитора, на котором осуществляется воспроизведение тестовых стимулов, зависимость размера элемента дискретного растра от физического размера экрана, его разрешающей способности и текущего разрешения, закон распределения яркости тестового стимула вдоль оси абсцисс может быть описан следующим аналитическим соотношением:

B(i) = Bф + A sin(2 Qi/L) = Bф + A sin(2 i j /L) =

= Bф + A sin(4 i j[arctg(0,5Ldpix/h)]/L),

где: Bф – яркость фона изображения, A – амплитуда «синусоидальной решетки», Q – количество периодов синусоидального сигнала, L – горизонтальный размер тестового стимула (в элементах дискретного растра), i – номер отсчета (элемента дискретного растра), j – пространственная частота, – угол зрения, dpix – горизонтальный размер элемента дискретного растра, h - расстояние от испытуемого до экрана монитора.

Поскольку данный программный комплекс предназначен для эксплуатации не в условиях медицинского учреждения, а, следовательно, нельзя с полной уверенностью говорить о технических характеристиках используемого оборудования и жестком обеспечении условий проведения эксперимента, не представляется возможным заранее создать изображения всех тестовых стимулов. Данный процесс приходится осуществлять непосредственно из программной оболочки после фиксации параметров тестирования. Подлежащая выполнению операция не требует от пользователя системы каких-либо

160