автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.09, диссертация на тему:Разработка метода и инструментальных средств для исследования характеристик цветового зрения

На правах рукописи

Семаков Сергей Владимирович

РАЗРАБОТКА МЕТОДА И ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫХ СРЕДСТВ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ЦВЕТОВОГО ЗРЕНИЯ

Специальность: 05.13.09 - Управление в биологических

и медицинских системах (включая применение вычислительной техники)

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург - 2000

Работа выполнена в Северо-Западном заочном политехническом институте и Санкт-Петербургском государственном электротехническом университете "ЛЭТИ"

Научные руководители:

Заслуженный деятель науки и техники РФ, доктор биологических наук, профессор Гуткин В.И.,

Доктор технических наук, профессор Юлдашев З.М.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Исмаилов Ш.Ю.-0 кандидат технических наук, ст.н.с. Федченков К.А.

Ведущая организация - Санкт-Петербургский государственный университет Телекоммуникаций им. М. А. Бонч-Бруевича

Защита диссертации состоится " ^■¿¿'¿¿Л 2000 г. в часов на

заседании диссертационного совета Д 063.36.09 Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета "ЛЭТИ" по адресу: 197376, Санкт-Петербург, ул. Проф. Попова, 5.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан

«с? & иггьъ?

2000 г.

Ученый секретарь диссертационпого совета

Юлдашев З.М.

О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Зрение играет важную роль в жизнедеятельности человека, обеспечивая ему получение более 80% информации об окружающем мире. Даже незначительные нарушения в работе зрительной системы могут стать причипой ограничений в производственной деятельности человека и невозможности выполнения им задач, связанных с обработкой зрителыюй информации. Появление новых зрительно-напряженных профессий сегодня вызывает необходимость в совершенствовании методов и инструментальных средств профессионального отбора и профориентации по зрению, обеспечивающих более полную оценку функциональных возможностей зрения.

Среди различных функций зрения особую роль играет цветовое зрение. Оно существенно увеличивает объем зрительной информации, получаемой человеком, позволяет эффективно решать задачу зрительного обнаружения, различения и опознания. Этот факт широко используется в операторской деятельности для повышения скорости обработки зрительной информации и надежности решения задач поиска и обнаружения объектов по цветовым характеристикам за счет применения цветового кодирования и индикации. Существует много профессий, для которых характеристики цветового зрения, в частности цветоразличительная способность, входят в число основных показателей для профессионального отбора. Современная офтальмодиагно-стика располагает эффективными методами и средствами оценки порогов цветового зрения (таблицы Юстовой E.H. - Алексеевой К.А., зарубежные образцы изохроматических таблиц). Однако цветоразличительная способность зависит от размеров поля зрения, угловых размеров объекта наблюдения, а современные методы и средства предназначены для оценки порогов цветового зрения только стандартного колориметрического наблюдателя при угловых размерах объекта наблюдения 4 угловых градуса. Они не позволяют оценить пространственные передаточные характеристики цветового зрения, зависимость порогов цветового зрения от угловых размеров. Сегодня имеется потребность в методах исследования и инструментальных средствах, пригодных для решения этой задачи.

В настоящее время для исследования функций зрения широкое применение получают электронные офтальмологические приборы и системы, в основе которых используется цифровой синтез зрительных стимулов с последующим их воспроизведением на экране цветной электронно-лучевой трубки (ЦЭЛТ). Они позволяют автоматизировать достаточно сложный процесс исследования зрения, включая этапы синтеза зрительных стимулов, регистрации ответной реакции испытуемого, обработки и анализа результатов исследований, обеспечивают широкий диапазон изменения пространственных, цветовых и временных характеристик тестовых стимулов, возможность выявления слабых изменений порогов зрения. Применение таких средств связано с решением проблем обеспечения точности и воспроизводимости результатов исследований. Световые характеристики ЦЭЛТ недостаточно стабильны, имеют место нелинейные искажения, которые приводят к погрешностям оценки энергетических характеристик зрения. Поэтому использование электронных систем для оценки пространственных характеристик цветового зрения требует разработки специальных методик исследования, информационного и метрологического обеспечения, которые учитывали бы с одной стороны особенности исследования системы зрения, а с другой - возможности электронных средств синтеза и визуализации зрительных стимулов.

Таким образом, комплекс проблем, связанных с необходимостью изучения пространственных характеристик цветового зрения для задач профотбора и профориентации по зрению, разработки специальных методик и инструментальных средств и обеспечения воспроизводимости и точности результатов исследований определили цели и задачи диссертационной работы.

Цель диссертационной работы состоит в разработке инструментального метода и программно-алгоритмических средств для исследования пространственных характеристик цветового зрения.

Задачи исследовании. Для достижения поставленной цели в диссертации сформулированы и решены следующие задачи:

- разработка математической модели цветового зрения, учитывающей механизм пространственного восприятия;

- разработка методики оценки цветоразличительной способности, позволяющей исследовать ее зависимость от размеров поля зрения;

- исследование погрешностей оценки порогов зрения при использовании ЦЭЛТ для формирования зрительных стимулов и разработка метрологических требований к средству визуализации тестовых изображений;

- разработка программно-алгоритмического обеспечения исследований пространственных характеристик цветового зрения;

- разработка автоматизированного комплекса и проведение экспериментальных исследований цветового зрения с помощью разработанных инструментальных методов и средств.

Объектом исследования является биотехническая система для исследования пространственных характеристик цветового зрения человека.

Предметом исследования являются компоненты биотехнической системы - элементы методического, информационного, метрологического и инструментального обеспечения.

Методы исследования. Теоретические и прикладные разделы диссертации разработаны с применением теорий синтеза биотехнических систем, математического анализа, методов аналитической и проективной геометрии, аппарата теории измерений и метрологии.

Экспериментальные исследования проводились в Северо-Западном заочном политехническом институте и государственном электротехническом университете "ЛЭТИ" и базировались на применении методов математической статистики.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Пороги цветоразличепия и их зависимость от размеров поля зрения могут быть оценены косвенным методом на основе исследований частотно-контрастной чувствительности цветовых каналов зрения;

2. Погрешности косвенной оценки порогов цветового зрения по результатам цветовых визоконтрастометрических исследований обусловлены в основном нелинейностью преобразования сигнал-свет ЦЭЛТ, погрешностью дискретизации цветовых сигналов изображения и временной нестабильностью модуляционной характеристики устройства визуализации.

Новые научные результаты, подтверждающие эти научные положения:

- математическая модель цветового зрения, раскрывающая единую шумовую природу порогов различения яркости и цветового зрения и возможность косвенной оценки порогов цветового зрения по результатам исследований контрастной чувствительности;

- метод косвенной оценки порогов цветового зрения по результатам исследований частотно-контрастной чувствительности цветовых каналов зрения, позволяющий определить зависимость порогов цветового зрения от размеров поля зрения;

- аналитические соотношения, определяющие размеры эллипсов неразличимых цветностей через дифференциальные пороги различения яркости цветовых каналов зрения;

- результаты исследований погрешности косвенной оценки порогов цветового зрения, обусловленные нелинейностью преобразования сигнал-свет и дискретностью формирования цветовых сигналов изображения.

Практическая ценность работы составляют:

- аналитические соотношения для оценки порогов цветового зрения и их зависимости от размеров поля зрения по результатам цветовых визокон-трастометрических исследований;

- алгоритм исследования цветовой частотно-контрастной чувствительности зрения при формировании зрительных стимулов на экране цветовой ЭЛТ;

- аналитические соотношения для определения погрешностей оценки порогов цветового зрения, обусловленные нелинейностью преобразования сигнал-свет и дискретностью изменения цветовых сигналов изображения;

- программно-алгоритмические средства автоматизированного комплекса для исследования цветовой частотно-контрастной чувствительности зрения;

- результаты экспериментальных исследований цветовой частотно-контрастной чувствительности зрения, подтверждающие шумовую природу порогов различения яркости и цветоразличения.

Внедрение результатов.

Результаты диссертационной работы использовались при выполнении на кафедре Биомедицинской электроники и охраны среды Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета в 1997-1999 гг.

научно-исследовательских работ "Методы формирования и измерения параметров спектрально-распределенных световых потоков для диагностических исследований", № гос. регистрации 0197 0006877 и "Автоматизированный комплекс для оценки зрительной способности человека - оператора", № гос. регистрации 0197 0006874 по НТП Министерства образования РФ и внедрены в ГЭТУ.

Апробация работы. Научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались в 1996-1999 гг. на Всероссийских научно-технических конференциях "Диагностика, информатика, метрология, экология, безопаспость"(Санкт-Петербург, 1996-1998 гг.), и на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ГЭТУ (Санкт-Петербург, 1998-1999 гг.).

Разработанный автоматизировашшй комплекс для исследования цветовой частотно-контрастной чувствительности зрения демонстрировался на выставках достижений ГЭТУ, Санкт-Петербург, 1997-1998 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, из них 1 статья и 4 тезиса докладов па научно-технических конференциях.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 119 наименований, и одного приложения. Основная часть работы изложена на 127 страницах машинописного текста. Работа содержит 17 рисунка и 5 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во - введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы цель и задачи исследований, приводится краткое содержание работы по главам.

В первой главе диссертации приводится обзор моделей цветового зрения, методов и инструментальных средств для их исследования.

Существующие модели цветового зрения (трехкомпонентная, цвегооп-понентная, мультизонная, сферическая, линейная и нелинейная и т.д.) разрабатывались в целях исследования процессов кодирования, передачи и анализа информации о цвете в зрительной системе человека. Они с определенной адекватностью отражают психофизические и психофизиологические процессы на этапах зрительного восприятия и хорошо дополняют друг друга. Однако ни одна из моделей не раскрывает природу порогов цветоразличения. Для

решения задач профотбора и профориентации по зрению необходима модель, которая раскрывала бы зависимость порогов цветового зрения от условий наблюдения - яркости стимулов и угловых размеров поля зрения.

Известные методы исследования цветового зрения основаны на изучении восприятия относительных цветовых различий между эталонным и тестовым стимулом и используют для этих целей полиизохроматические таблицы, аномалоскопы Нагеля и Раутиана, светотехнические средства. Однако известные методы и средства предназначены для исследований порогов цве-торазличения либо стандартаого колориметрического наблюдателя, которые осуществляются при размерах поля зрения 4 угловых градусов, либо дополнительного колориметрического наблюдателя при размерах поля зрения 10 угловых градусов. Эти методы и средства не позволяют оценивать пространственные передаточные характеристики цветового зрения, зависимость порогов цветового зрения от размеров поля зрения.

В связи с актуальностью и необходимостью проведения таких исследований для профориентации операторов зрительно-напряженных профессий сформулированы цель и задачи диссертационной работы.

Вторая глава диссертации посвящена рассмотрению биотехнической системы (БТС) для исследования цветового зрения, использующей цветную электронно-лучевую трубку (ЦЭЛТ) для формирования зрительных стимулов, разработке математической модели цветового зрения, объясняющей причины порогов цветового зрения и их зависимость от размеров поля зрения, и методике их оценки.

Разработка БТС для исследования цветового зрения, ее методического, информационного, метрологического и аппаратно-программного обеспечения требует знания свойств и характеристик объекта исследования, в связи с чем необходима разработка модели цветового зрения.

За основу разрабатываемой модели цветового зрения была взята модель Фрея-Фожры. Она учитывает неравномерность пространственных передаточных характеристик каналов цветового зрения, в результате чего при размерах поля зрения менее 1 углового градуса восприятие становится сначала тританошшм, а затем - ахроматичным. Для объяснения причин возникновения порогов цветового зрения были рассмотрены собственные шумы фоторецепторов. Они являются дробовыми и носят мультипликативный характер, т.е. зависят от интенсивности возбуждения фоторецепторов. На уровне биполярных и горизонтальных клеток сетчатки имеет место кодирование

зрительной информации и формирование сигналов яркости UL и цветооппо-нентных сигналов красно-зеленый Urg и желто-синий Цув, в результате чего собственные шумы фоторецепторов красного Urüj, зеленого Uguj и синего 11вш цветов попадают в каналы передачи сигналов Ul, Urg и Uyb:

UL=aLUR+ßL Ug+7LUb;

Urg = CCRG Ur - ßRG UG;

Uyb = cxyb Ur +рув Ug - 7VB Ub, где a¡, ßi, Y¡ - постоянные коэффициенты, определяющие доли сигналов фоторецепторов красного Ur, зеленого Ug и синего UB в сигналах UL, Urg, UYb-

Сигналы Ur, Ug, Ub - определяются с учетом спектральной чувствительности фоторецепторов Sr(à), Sg(?0, Sn(A.) и спектра излучения объекта наблюдения

Ur= ÍSh(X) Sr(X) dX + Uruj = ^r Lr + URm;

UQ = / SH(\) SG(>t) dA, + UGUI = ríe LQ + UGI„; Ub = í S„(к) Sb(X,) dl + UBm = Лв LB + Unl„, где t|r, t|g и t]b - постоянные коэффициенты, LR, Le, LB - компоненты яркости излучения, вызывающего возбуждение фоторецепторов красного, зеленого и синего цветов.

Шумовые флуктуации иип, Ugui и иВщ характеризуются нулевыми средними значениями и эффективными (действующими) значениями шумов U Ría исшии инь

U Rui = CrLr; U Gm = CgLq; U вш = CbLb.

Пороги различения яркости и цветового зрения обусловлены обработкой сигналов UL, Urg, Uyb на фоне собственных шумов фоторецепторов.

Пространственная организация рецептивных полей сетчатки и неравномерность передаточных характеристик цветовых каналов является причиной зависимости сигналов цветовых каналов от угловых размеров ф (пространственной частоты со) зрительных стимулов, т.е. Ur(k>), Ug(co), UB(ra) и Ul(cû), URg(cü), Uyb(o). Эта гипотеза подтверждается зависимостью частотно-контрастной чувствительности зрения S(ca) от пространственной частоты S(ra) =К"'(ю) = Ьф/ЛЦю), где К(со) - пороговый контраст различения яркости; Ьф - яркость фона; AL (и) - минимально различимые изменения яркости стимула относительно яркости фона.

Для оценки порогов цветоразличения зрительный стимул с цветовыми координатами R, G и В представляется в физиологической колориметрической системе 11фОфВф и принимается гипотеза о линейной зависимости цве-

товых сигналов Ur, Ug, Ub и цветовых координат. В случае нелинейной зависимости имели бы место цветовые искажения воспринимаемого стимула при разных уровнях и соотношениях цветовых сигналов. Цветовые координаты R, G и В пропорциональны яркости (интенсивности) возбуждения фоторецепторов LI{, Lq, Lb :

R = LR/LfR]; G = Lg/L[G]; В = Le/Lp], где L[rj, L[gj и Lp] единичные количества яркости.

В соответствии с шумовой природой порогов зрения пространство неразличимых изменений цвета представляет собой эллипсоид, главные оси которого AR, AG и ЛВ определяются собственными шумами фоторецепторов Ujuib Uciu ,Uum • Величины AR, AG и AB можно определить путем оценки порогового контраста зрения к основным цветам Kr(o), Kg(co) и Кв(©) : AR = Kr(Ü))R; AG = Kg(cü)G; ДВ = Кв(ю)В.

Из-за неравномерности пространственных передаточных характеристик каналов зрения Kr(o), Ко(ш) и Кв(ш) размеры эллипсоида неразличимых цветов зависят от угловых размеров объекта наблюдения.

Пороги цветоразличения представляют собой зоны неразличимых изменений цветности и определяются путем проекции эллипсоида неразличимых цветов на плоскость единичной яркости. Они имеют вид вытянутых эллипсов и характеризуются главными осями dr и dg. Их значения можно определить с учетом углов ссо, р0, у0, которые образованы вектором цвета F(Ro,Go,Bo), вызывающего возбуждение фоторецепторов глаза, с осями коор-дипат, и ±Аа, ±ДР, ±Ду, ограничивающих предельные шумовые флуктуации цветовых координат R,G,B:

ф = п\ sin [90° + Да]/ sin [9Г + ао - Да]; dg = mg sin [90° + ДР,]/ sin [9, + Рю - APi], где шг= [1 +2(г02 + go2 + rogo - r0 - go]"1/2 tgAa;

i% = [1 +2(г02 + go2 + rogo - ro-go]"1/2 tgApi;

a0=arceos [Ro/(Ro2 + G02 + B02H/2];

P,o= arceos [Gc/(G02+B02>,/2];

Да = arcsin [AR/Ro] « AR/Ro

ДР, - arcsin [(AG2 + AB2)"1/2/(G02 + B02)"1/2]« (AG2 + AB2)",/2/(G02 + В02)"ш;

9r= arctg [sin(135° - p10)/ sin(45°)];

r0 и go - координаты цветности стимула F.

Теоретические исследования показали, что размеры dr, dg эллипсов неразличимых цветностей в колориметрической системе RoGoB® минимальны

для равностимулыюго цвета r0=go=l/3 и увеличиваются к краям диаграммы цветпоста, что согласуется с известными результатами экспериментальных исследований цветового зрения.

Для обеспечения сопоставимости результатов и стандартизации исследований цветового зрения пороги цветоразличения необходимо оценивать в стандартной колориметрической системе. В результате перехода из колориметрической системы ЯфОфВф в равпоконтрасгаую систему UVW МКО-64 эллипсы неразличимых цветностей характеризуются параметрами uo, vo, dtJ, dv, а цветоразличительная способность может быть оценена в порогах МакАдама Р = d/0,0038.

Зависимость цветоразличительной способности от размеров поля зрения обусловлена тем, что величины Да, Др, Лу зависят от передаточных ха-рактерисгак цветовых каналов и угловых размеров наблюдаемого зрительного стимула F: Да « arctg KR(co); Др » arctg KG(<o); Ау ~ arctg KD(c>).

В соответствии с полученными соотношениями, связывающими дифференциальные пороги различения яркости основных цветов KR(©), Кс(ю) и K[¡(ffl) с размерами главных осей эллипсов неразличимых цветностей dr, dg, предложен метод исследования цветового зрепия. Он основан на оценке контрастной чувствительности цветовых каналов зрения Sr(oj), Sg(co) и Sb(co) при использовании цветных решеток с синусоидальным распределением яркости в диапазоне изменения пространственных частот о от 0,5 до 20 циклов/градус, воспроизводимых на однородном цветном фоне F(Ro,Go,Bo). Адаптация системы зрепия к яркости фона в процессе исследования определяет уровни шумовых флуктуаций AR; AG и ДВ, величины которых эквивалентны шумовым флуктуациям яркости: ALR = AR Lpj; ALg = AG L[G]; ALb-ЛВ Lpj. Регистращм пороговых изменений яркости цветных решеток при их изменении от нулевого уровня до минимально различимого для раз-пых позволяет получить необходимые параметры для косвенной оценки порогов цветового зрения, определения размеров главных осей эллипсов неразличимых цветностей d и выявления се зависимости не только от яркости и цветности зрительного стимула, но и угловых размеров (пространственной частоты со).

Третья глава диссертации посвящена исследованию погрешностей оценки порогов цветоразличения и влияния цветовых искажения зрительных стимулов, воспроизводимых на экране цветной электронно-лучевой трубки.

Методическая погрешность оценки порогов цветоразличения обуслов-

лена ограниченной адекватностью разработанной модели из-за принятых допущений.

Предложенная модель цветового зрения позволила установит взаимосвязь между порогами цветоразличения и пространственными передаточными характеристиками каналов зрения: dr(io)= Гг{Ко,Оо,Во)Кя(ш),Ко(сй),Кв(о>)}; dg (to)=fg{Ro,Go,Bo,KR(ß>XKG(<a),KB(ffl)}. При выводе этих зависимостей были принято допущение о симметричности флуктуаций ±Да, ±Aß и ±Ду из-за Kr(co)«1, Kg(ü))«1, Кв(со)«1. Оно позволило несколько упростить проективные преобразования, в результате которых эллипсы неразличимых цвет-ностей стали симметричными относительно центра. Принятое допущение, несомненно, отразилось и на предложенной методике исследования порогов цветового зрения. Обусловленные этим допущением погрешности можно оценить путем сравнения порогов цветового зрения, полученных при использовании классической методики согласования цветовых различий и предложенной методики косвенной оценки. Эти исследования рассматриваются в экспериментальной части работы.

Инструментальные погрешности оценки частотно-контрастной чувствительности зрения обусловлены в основном искажениями яркости стимулов при их воспроизведении на экране цветной электронно-лучевой трубки. Классификация источников погрешности и анализ характера их влияния позволила выделить наиболее значимые из них: нелинейность преобразования сигнал-свет, временную нестабильность яркости и дискретность изменения яркости основных цветов.

При исследовании частотно-контрастной чувствительности зрения оценка порогового контраста Кпор=АЬ/Ьф может быть обеспечена только косвенным методом по параметрам сигналов изображения AU и иФ. Применение прямых методов измерения яркости невозможно, так как существующие измерители яркости не обеспечивают измерение относительных изменений яркости AL с погрешностями менее 0,3% при Кпор « 0.01. Для линейной системы преобразования сигнал-свет:

Кпор= ДЬЪф= ди/иФ.

Из-за нелинейности процесса электро-оптического преобразования в ЦЭЛТ, яркости цветовых компонент формируемого стимула определяются коэффициентами преобразования Sr, Sg, Sb, цветовыми сигналами UR, Ug, Ug, коэффициентом нелинейности у и сигналом отсечки Uro, Ugo и Ubo:

Lr=SR(Ur-Urq)t; LG=SG(UG-UGO)T; LB=SB(UB-UB0)Y.

Использование предварительной гамма-коррекции сигналов изображения ( ук = 1/у) не обеспечивает линейность преобразования сигнал-свет из-за изменчивости у в пределах 5-8 % при изменении сигналов изображения. Наличие незначительного Ау > 1 приводит к погрешности определения яркости фона Ьф и пороговых изменений яркости ДЬ. При вычислении порогового контраста Кпор на величину его абсолютной погрешности в большей степени влияет погрешность определения ЬФ по параметру сигнала изображения иф, а погрешностями оценки АЬ можно пренебречь.

Оценка влияния нелинейных искажений яркости осуществляется следующим образом. Пусть ЬКз, Ь^з и Ьвз- задаваемые уровни яркости цветовых компонент при линейной зависимости преобразования сигпал-свет у = 1, а Ьдр, 1<5Р и 1,ВР - воспроизводимые (реальные) значения при у*1. Использование поправочных коэффициентов кц=Ь1^ш>=(и1сиш))Лг, кс=Ьсз/Ьор=(ис-иооД кв=Ьвз/Ьвр=(ив-иво)Лг позволит определить реальные значения яркости изображения по сигналам и^Ио^в- Поправочные коэффициенты вычисляются по результатам поверки модуляционной характеристики ЦЭЛТ при различных уровнях сигналов Щ, и« и Ив- Таким образом, оценка Ьф осуществляется по сигналам и® с учетом поправочных коэффициентов, а пороговых изменений яркости ДЬ - без учета поправочных коэффициентов. В этом случае реальные значения пороговых контрастов каналов зрения Кщ>(со), Кс!>(со) и Квр(ш) определяются соотношениями:

Кяр(ю) = кя Кя(ю); Кср(со) = ко К0(ш); КВР(ю) = кв Кв(е>). Оценка дифференциальных порогов различения яркости осуществляется путем определения минимально-различимых изменений яркости АЬпор. Дискретность изменения сигналов изображения 8и вызывает погрешности 81, оценки величины ДЬпор- Для формирования сигналов изображения и«, и« и ив в видеоконтроллерах используются 8 разрядные аналого-цифровые преобразователи, а цветовой стимул описывается кодовым словом 3 байт/пиксел. В этой связи дискретность 5ц в некоторых случаях может привести к значительным погрешностям оценки порогового контраста: Кп0р+ АК = (АЬП0р + 5ь) / Ьф. Для нормального зрения Кпор «0.01, а величина 5ь=Ьмах/256. Поэтому для снижения погрешности оценки порогового контраста ДК= 5ь/Ьф необходимо использовать зрительные стимулы с максимально возможным значением яркости фона Ьф-»ЬмАХ- Условие Ьф^Ьмлх исключается, так как для определения порогового контраста следует обеспечить некоторое изменение

яркости решеток. Диапазон изменения яркости тестовых решеток Б, = ЬМах -- Ьф определяется с учетом обеспечения оценки контрастной чувствительности зрения в некотором диапазоне изменения пространственных частот со. Например, при Ьф=220 условных единиц, обеспечивается измерение порогового контраста в диапазоне от 0,0045 до 0,16 единиц, предельная погрешность оценки порогового контраста при этом не превышает 4,5% для нормального зрения на частоте решеток ю = 10 циклов/градус. Для диапазона измерения контрастной чувствительности в области низких и высоких пространственных частот, а также при исследовании зрения людей с функциональными нарушениями погрешность оценки порогового контраста будет уменьшаться из-за снижения чувствительности зрения (увеличения величины пороговых изменений яркости ЛЬпор). Погрешности измерения контраста ЛК при использовании метода косвенной оценки порогов цветового зрения влияют на точность вычисления параметров ёг, Для оценки погрешности вычисления Дс^ и Дс1г используются соотношения:

Лс1г = Гг{Ко,Оо,Во,Ккн-ДКа,Ко+ДКо,Кв+ДКв} - ^ОоАьКьадСв};

^, = ^{!^ОоАьКк+ДКьКс1+-АКаКв+АКв} - ^{11<,,Оо,В())Кк,Кс„Кв}.

Машинное моделирование погрешностей вычисления порогов зрения при разных уровнях и соотношениях сигналов Щ, Ив выявило возрастание параметров Дс!, и Лс1е на краях диаграммы цветности, что определяется характером функций преобразования £ и Однако это возрастание не столь значительно, как изменение размеров главных осей эллипсов й, н из-за снижения погрешностей оценки контрастной чувствительности ЛК^ ДКС и ДКВ при увеличении ЬЯф, Ьсф и Ьвф., определяющих цветовые координаты Ко, во и В0.

Временная нестабильность яркости цветовых стимулов, формируемых на ЦЭЛТ, обусловлена температурной нестабильностью вольт-амперной характеристики в первые 20-30 минут после включения, причем погрешности воспроизведения заданного уровня яркости в первые 5 минут достигают 20% и далее медленно уменьшаются. Снижение влияния временной нестабильности на погрешности оценки порогов зрения может быть достигнуто использованием либо предварительного 30 минутного прогрева устройства визуализации стимулов, либо контура оптико-электрической отрицательной обрат-

ной связи, который будет компенсировать изменения яркости за счет изменения сигнала фона иф.

В четвертой главе на основе полученных результатов теоретических исследований предложена автоматизированная система для косвенной оценки порогов цветового зрения по частотно-контрастной чувствительности цветовых каналов зрения, сформулированы требования к аппаратной части комплекса, проведены фотометрические исследования устройства визуализации и экспериментальные исследования пространственных характеристик цветового зрения.

Ядром комплекса является персональная ЭВМ класса Pentium II -200 с устройством визуализации зрительных стимулов па экране профессионального дисплея СТХ 711F. Так как характеристики видеоконтроллера и устройства визуализации существенно влияют на точность оценки контрастной чувствительности, а в итоге - на точность оценки порогов цветового зрения, сформулированы требования к эти устройствам. Формируемые ими тестовые изображения должны иметь горизонтальный размер не менее 1024 пиксел. Этот параметр определяет диапазон изменения пространственной частоты ю и точность формирования синусоидальных тестовых решеток (количество элементов дискретизации на период сигнала). Количество воспроизводимых градаций яркости основных цветов должно быть не менее 255 для обеспечения предельной погрешности оценки контрастной чувствительности не более 5%. Для периодической поверки нелинейности характеристики сигнал-свет и коррекции временной нестабильности яркости комплекс должен включать измеритель яркости па основе однокаяального фотоэлектрического преобразователя. Он должен обеспечить высокую стабильность и точность измерения яркости в диапазоне от 10 до 150 кд/м2. Основная погрешность измерения яркосга не должна превышать 1%. Спектральная чувствительность фотоприемника должна охватывать спектры излучения люминофоров дисплея. Вид спектральной чувствительности фотоприемника не регламентируется, так как в процессе поверки выявляется линейность зависимости сигнал-свет с целью определения поправочных коэффициентов kR, ко, кв и компенсации относительной нестабильности.

Фотометрические исследования дисплеев проводились с целью выявления неравномерности яркости излучения по полю, которая появляется из-за дефокусировки электронного луча на краях экрана. Для дисплеев со сферическим экраном наблюдается снижение яркости до 20%. Для дисплеев с пло-

ским экраном за счет использования инструментальных средств коррекции неравномерность яркости достигает 5-7%. Неравномерность яркости излучения по полю может повлиять на оценку порогового контраста зрения в области пространственных частот менее 2 циклов/градус. Для исключения такого влияния допустимая величина неравномерности должна удовлетворять условию:

AL/Ьф < KI,op[N/2arctg(2XmiLX/D)], где Кпор - пороговый контраст зрения, N - количество циклов тестовой решетки, на выявление которой не должна сказываться неравномерность яркости по полю, Хшах - максимальный размер экрана по горизонтали, D - расстояние от дисплея до испытуемого. Фотометрические исследования показали, что дисплеи СТХ 711F и Samsyng SyncMaster 15Glsi удовлетворяют рассмотренному требованию и обеспечивают возможность оценки ЧКЧ на частоте 0,5 циклов/градус.

Методика оценки цветового зрения основана на исследовании частотно-контрастной чувствительности зрения при использовании тестовых изображений, 3 из которых имеют цвет фона основных цветов колориметрической системы люминофоров дисплея (R, G, В), 4 изображения имеют цвет фона, составленный в разных соотношениях двух основных цветов (R+G, G+B), и одно изображение имеет цвет равностимульного белого (источник излучения D6500). Выбор зрительных стимулов с указанными цветовыми характеристиками обусловлен тем, что спектры излучения люминофоров не являются монохроматическими и частично вызывают возбуждение фоторецепторов соседних каналов. Взаимовлияние каналов можно учесть, если оценивать дифференциальные пороги различения яркости для основных и дополнительных цветов колориметрической системы люминофоров. Для каждого тестового изображения оценивается контрастная чувствительность зрения в диапазоне изменения пространственных частот от 0,5 до 20 циклов/градус. Программный комплекс обеспечивает задание фиксированных значений пространственных частот ю решеток, яркости фона основных цветов LR<P, Ъсф, Ьвф, шага и скорости изменения яркости тестовых решеток, количества повторов тестирования N, статистическую обработку результатов и вычисление порогов цветового зрения dr и dg для заданных значений пространственной частоты со, вычисление цветоразличительной способности d в равноконтра-стной колориметрической системе UVW-MKO-64.

Экспериментальные исследования зрения проводились на группе ис-

пытуемых с нормальным трнхроматичным зрением, в числе которых были испытуемые с остротой зрения Ув = 1 и различной степенью миопии. Выявлено, что на частотах со до 10 циклов/градус результаты косвенной оценки порогов цветоразличения совпадают с небольшими отличиями (не более 20%) с результатами известных исследований. Эти различия обусловлены допущениями, принятыми при разработке модели и выводе аналитических соотношений. Исследования выявили линейное увеличение порогов цветоразличения при увеличении пространственной частоты решеток ш свыше 10 циклов/градус. В области низких часто пороги цветоразличения практически неизменны. Результаты экспериментальных исследований подтвердили обоснованность теоретических положений работы, связанных с разработанной моделью цветового зрения, предложенной методикой исследования пространственных характеристик цветового зрения, информационным и метрологическим обеспечением исследований.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Решение задач, сформулированных в диссертационной работе, направлено иа разработку метода и программно-алгоритмических средств для исследования пространственных характеристик цветового зрения, изучения зависимости порогов цветового зрения от размеров поля зрения и угловых размеров объекта наблюдения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

1. Разработана модель цветового зрения, раскрывающая причины пороговой чувствительности из-за собственных шумов фоторецепторов, поступающих в каналы обработки информации о цвете;

2. Показана зависимость порогов цветового зрения от размеров поля зрения и угловых размеров стимулов в виду неравномерности пространственных передаточных характеристик каналов цветового зрения;

3. Показана возможность оцепки порогов цветового зрения косвенным методом путем оцепки цветовой частотно-контрастной чувствительности каналов зрения;

4. Разработана методика исследования пространственных характеристик цветового зрения, основанная на исследовании цветовой частотно-контрастной чувствительности зрения, и позволяющая оценить пространст-

венную неравномерность порогов цветоразличения;

5. Проведена классификация факторов, влияющих на точность оценки порогов цветоразличения, исследовано влияние дискретности изменения яркости, нелинейности модуляционной характеристики и временной нестабильности яркости зрительных стимулов на точность оценки контрастной чувствительности и порогов цветового зрения;

6. Разработан автоматизированный комплекс для исследования пространственных характеристик цветового зрения, сформулированы требования к устройству визуализации зрительных стимулов и графическому видеоконтроллеру для обеспечения необходимой точности оценки контрастной чувствительности, программно-алгоритмическое обеспечение и проведены экспериментальные исследования цветового зрения на основе регистрации цветовой частотно-контрастной чувствительности каналов зрения.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Семаков C.B. О соотношении цветовой частотно-контрастной чувствительности и цветоразличительной способности зрения//Труды научн.- техн. конф. Диагностика, информатика, метрология, экология, безопасность -(ДИМЭБ-96): СПб., 1996.- С.283-284.

2. Семаков C.B. Автоматизированный комплекс для оценки цветоразличительной способности оператора//Труды научн.- техн. конф. Диагностика, информатика, метрология, экология, безопасность - (ДИМЭБ-96): СПб., 1996. -С. 285-286.

3. Семаков C.B. Оценка цветоразличительной способности человека по характеристикам цветовой частотно-контрастной чувствительности//Труды научн.- техн. конф. Диагностика, информатика, метрология, экология, безопасность -(ДИМЭБ-97): СПб., 1997. - С. 334-335.

4. Семаков C.B. О влиянии шумов фоторецепторов на пороговое восприятие зрительной системы//Труды научн,- техн. конф. Диагностика, информатика, метрология, экология, безопасность -(ДИМЭБ-98): СПб., 1998. - С. 199 - 200.

5. Юлдашев З.М., Семаков C.B. Цветовое зрение и пороги цветоразличения// Изв.ТЭТУ: Сб. науч. тр. государственного электротехнического ун-та,- СПб., 1999.- Вып. N 518.- С. 18-21.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА I. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ЗРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ.

1.1. ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ И ПСИХОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЦВЕТОВОГО ЗРЕНИЯ.

1.2. МОДЕЛИ ЦВЕТОВОГО ЗРЕНИЯ.

1.3. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ЦВЕТОВОГО

ЗРЕНИЯ.

1.4. ПРИБОРЫ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ЦВЕТОВОГО

ЗРЕНИЯ.

1.5. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

ГЛАВА II. РАЗРАБОТКА МЕТОДА ИССЛЕДОВАНИЯ

ЦВЕТОВЫХ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

ЗРЕНИЯ.

2.1. БИОТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОЦЕНКИ СОСТОЯНИЯ ЦВЕТОВОГО ЗРЕНИЯ.

2.2. МОДЕЛЬ ЦВЕТОВОГО ЗРЕНИЯ.

2.3. МЕТОДИКА ОЦЕНКИ ПОРОГОВ

ЦВЕТОВОГО ЗРЕНИЯ.

2.4. ВЫВОДЫ.

ГЛАВА Ш. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ЦВЕТОВОГО ЗРЕНИЯ.

3.1. ИСТОЧНИКИ ПОГРЕШНОСТИ ОЦЕНКИ ПОРОГОВ ЦВЕТОВОГО ЗРЕНИЯ.

3.2. ИСТОЧНИКИ ИСКАЖЕНИЙ ФОРМИРОВАНИЯ

ЦВЕТОВЫХ ЗРИТЕЛЬНЫХ СТИМУЛОВ

3.3. ИССЛЕДОВАНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ ОЦЕНКИ

КОНТРАСТА ТЕСТОВЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ.

3.4. МЕТОДЫ СНИЖЕНИЯ ПОГРЕШНОСТИ ФОРМИРОВАНИЯ ЗРИТЕЛЬНЫХ СТИМУЛОВ.

3.5. ВЫВОДЫ.

ГЛАВА IV. РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОМПЛЕКСА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЯ ЦВЕТОВОГО ЗРЕНИЯ.

4.1. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЦВЕТОВОГО ЗРЕНИЯ.

4.2. ИССЛЕДОВАНИЕ ФОТОМЕТРИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК УСТРОЙСТВ ВИЗУАЛИЗАЦИИ.

4.3. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ ЦВЕТОВОГО ЗРЕНИЯ

4.4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

ЦВЕТОВОГО ЗРЕНИЯ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

Зрение, являясь сенсорной системой организма, играет важную роль в жизни человека. Оно обеспечивает человеку получение более 80% информации об окружающем его мире. Даже незначительные нарушения в работе зрительного анализатора, не сказывающиеся в бытовой повседневной деятельности, могут стать причиной ограничения производственной деятельности человека, невозможности выполнения им ряда задач, связанных с обработкой зрительной информации. Появление новых зрительно-напряженных профессий сегодня вызывает необходимость совершенствования методов и средств профессионального отбора по зрению, разработке рекомендаций по обеспечению оптимальных условий для зрительной деятельности человека.

Среди различных функций зрения особое значение имеет цветовое зрение. Оно существенно увеличивает объем зрительной информации, получаемой человеком, позволяет эффективно решать задачу зрительного обнаружения, различения и опознания. В этой связи при проведении профессионального отбора по зрению особое внимание уделяют оценке цветоразличи-тельной способности, которая определяется в порогах цветоразличения. Эта характеристика зрения зависит от целого ряда факторов - условий наблюдения, состояния зрительной системы, психоэмоционального состояния человека и других факторов. Все это обуславливает сложность исследований цветового зрения, значительную вариабельность и низкую воспроизводимость результатов исследования. Проблемы исследования цветового зрения особенно сильно проявляются при изменении угловых размеров объекта наблюдения, необходимости выявления слабых изменений цветоразличительной способности человека-оператора. По этой причине вопросы разработки методического и инструментального обеспечения исследований цветового зрения для задач профессионального отбора и оперативного контроля утомления цветового зрения остаются сегодня актуальными.

В настоящее время для решения задач исследования зрения широко применяются электронные офтальмологические приборы, в основе которых используется цифровой синтез зрительных стимулов с последующим воспроизведением на экране цветной электронно-лучевой трубки (ЦЭЛТ). Они позволяют автоматизировать достаточно сложный процесс исследования зрения, включая этапы синтеза зрительных стимулов, регистрации ответной реакции испытуемого, обработки и анализа результатов исследований, обеспечивают широкий диапазон изменения пространственных, цветовых и временных характеристик тестовых стимулов, возможность выявления слабых изменений порогов зрения. Для эффективного использования преимуществ электронных средств в офтальмологических исследованиях сегодня требуется разработка методик исследования и метрологического обеспечения, которые учитывали бы с одной стороны особенности исследования системы зрения, а с другой - возможности электронных средств синтеза и визуализации зрительных стимулов. Интенсивный процесс совершенствования средств вычислительной техники и визуализации изображений, непрерывное улучшение их характеристик делает достаточно привлекательным их использование для исследований функций зрения. В этой связи задача разработки новых инструментальных методик исследования зрения тесно связана с изучением функциональных возможностей электронных средств визуализации для формирования эталонных зрительных стимулов, обеспечения воспроизводимости тестовых изображений.

Учитывая зависимость цветового зрения от целого ряда факторов, для получения полноценной картины о его состоянии необходима оценка пространственного восприятия контраста и цветности изображения. Пространственное восприятие контраста характеризуется частотно-контрастной чувствительностью зрения, а цветности - порогами цветового зрения при различных угловых размерах зрительных стимулов.

Традиционные методики оценки цветоразличительной способности, используемые сегодня в клинической практике, не позволяют исследовать зависимость восприятия цвета при разных угловых размерах и яркости стимулов. При использовании этих методик для задач профессионального отбора по зрению особенно сильно проявляются их недостатки - трудоемкость и низкая точность, низкий уровень автоматизации и как следствие - высокая продолжительность исследований.

Цель работы состоит в разработке инструментального метода и программно-алгоритмических средств для исследования пространственных характеристик цветового зрения.

Задачи исследования. Для достижения поставленной цели в диссертации сформулированы и решены следующие задачи:

- разработка математической модели цветового зрения, учитывающей механизм пространственного восприятия;

- разработка методики оценки цветоразличительной способности, позволяющей исследовать ее зависимость от размеров поля зрения;

- исследование погрешностей оценки порогов зрения при использовании ЦЭЛТ для формирования зрительных стимулов и разработка метрологических требований к средству визуализации тестовых изображений;

- разработка программно-алгоритмического обеспечения исследований пространственных характеристик цветового зрения;

- разработка автоматизированного комплекса и проведение экспериментальных исследований цветового зрения с помощью разработанных инструментальных методов и средств.

Объектом исследования является биотехническая система для исследования пространственных ¿¿рактеристик цветового зрения человека.

Предметом исследования являются компоненты биотехнической системы - элементы методического, информационного, метрологического и инструментального обеспечения.

Методы исследования. Теоретические и прикладные разделы диссертации разработаны с применением теорий синтеза биотехнических систем, математического анализа, методов аналитической и проективной геометрии, аппарата теории измерений и метрологии.

Экспериментальные исследования проводились в Северо-Западном заочном политехническом институте и государственном электротехническом университете "ЛЭТИ" и базировались на применении методов математической статистики.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Пороги цветоразличения и их зависимость от размеров поля зрения могут быть оценены косвенным методом на основе исследований частотно-контрастной чувствительности цветовых каналов зрения;

2. Погрешности косвенной оценки порогов цветового зрения по результатам цветовых визоконтрастометрических исследований обусловлены в основном нелинейностью преобразования сигнал-свет ЦЭЛТ, погрешностью дискретизации цветовых сигналов изображения и временной нестабильностью модуляционной характеристики устройства визуализации.

Новые научные результаты, подтверждающие эти научные положения:

- математическая модель цветового зрения, раскрывающая единую шумовую природу порогов различения яркости и цветового зрения и возможность косвенной оценки порогов цветового зрения по результатам исследований контрастной чувствительности;

- метод косвенной оценки порогов цветового зрения по результатам исследований частотно-контрастной чувствительности цветовых каналов зрения, позволяющий определить зависимость порогов цветового зрения от размеров поля зрения;

- аналитические соотношения, определяющие размеры эллипсов неразличимых цветностей через дифференциальные пороги различения яркости цветовых каналов зрения;

- результаты исследований погрешности косвенной оценки порогов цветового зрения, обусловленные нелинейностью преобразования сигнал-свет и дискретностью формирования цветовых сигналов изображения.

Практическая ценность работы составляют:

- аналитические соотношения для оценки порогов цветового зрения и их зависимости от размеров поля зрения по результатам цветовых визокон-трастометрических исследований;

- алгоритм исследования цветовой частотно-контрастной чувствительности зрения при формировании зрительных стимулов на экране цветовой ЭЛТ;

- аналитические соотношения для определения погрешностей оценки порогов цветового зрения, обусловленные нелинейностью преобразования сигнал-свет и дискретностью изменения цветовых сигналов изображения;

- программно-алгоритмические средства автоматизированного комплекса для исследования цветовой частотно-контрастной чувствительности зрения;

- результаты экспериментальных исследований цветовой частотно-контрастной чувствительности зрения, подтверждающие шумовую природу порогов различения яркости и цветоразличения.

Внедрение результатов.

Результаты диссертационной работы использовались при выполнении в 1997-1999 гг. на кафедре Биомедицинской электроники и охраны среды

Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета научно-исследовательских работ "Методы формирования и измерения параметров спектрально-распределенных световых потоков для диагностических исследований", № гос. регистрации 0197 0006877 и "Автоматизированный комплекс для оценки зрительной способности человека - оператора", № гос. регистрации 0197 0006874 по НТП Министерства образования РФ и внедрены в ГЭТУ.

Апробация работы. Научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались в 1996-1999 гг. на Всероссийских научно-технических конференциях "Диагностика, информатика, метрология, экология, безопасность"(Санкт-Петербург, 1996-1998 гг.), и на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ГЭТУ (Санкт-Петербург, 1998-1999 гг.).

Разработанный автоматизированный комплекс для исследования цветовой частотно-контрастной чувствительности зрения демонстрировался на выставках достижений ГЭТУ, Санкт-Петербург, 1997-1998 гг.

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, из них 1 статья и 4 тезиса докладов на научно-технических конференциях.

В первой главе работы рассматриваются психофизические и психофизиологические характеристики цветового зрения, существующие модели цветового зрения, методы и приборы для исследования цветового зрения. Показаны механизмы обработки информации о цвете в зрительной системе. Отмечены недостатки существующих моделей зрительной системы. В результате проведенного анализа методов и средств оценки состояния зрительной системы отмечаются их недостаточное соответствие современным требованиям офтальмодиагностики при решении задач профессионального отбора по зрению.

На основе анализа существующих проблем оценки порогов цветового зрения сформулированы основные задачи диссертационной работы и намечены пути их решения.

Во второй главе показано, что используемая для исследования порогов цветового зрения биотехническая измерительно-вычислительная система (БТИВС) содержит аппаратное, методическое, информационное и метрологическое обеспечения. Основой для их разработки является модель объекта исследования, свойства и характеристики которой должны быть учтены с элементами БТИВС. С этой целью проведена разработка математической модели цветового зрения с учетом цветовой пространственной фильтрации изображения. В этой модели показано, что пороги восприятия яркости обусловлены собственными шумами фоторецепторов. Они носят мультипликативный характер и зависят как от интегральной яркости, так и угловых размеров объекта наблюдения. При кодировании зрительной информации шумы фоторецепторов поступают в каналы передачи цветооппонентных сигналов и далее, поступая в зрительные центры коры, определяют пороги цветового зрения. На основе предложенной модели получены аналитические соотношения, связывающие пороги различения яркости фоторецепторов с порогами цветоразличения, и предложены методы оценки порогов пространственного цветового зрения.

Третья глава посвящена исследованию влияния источников погрешностей визуализации зрительных стимулов на погрешности оценки порогов зрения при использовании предложенного косвенного метода оценки. Приведена классификация источников погрешности визуализации зрительных стимулов на экране ЦЭЛТ, получены аналитические соотношения, связывающие дискретность изменения яркости основных цветов ЦЭЛТ и искажений яркости на погрешность оценки цветоразличительной способности. В результате анализа влияния факторов, вызывающих погрешности оценки порогов цветоразличения, предложены методы снижения инструментальной

11 погрешности. Сформулированы метрологические требования к аппаратной части биотехнической измерительно-вычислительной системы.

В четвертой главе на основе полученных результатов теоретических исследований разработан автоматизированный комплекс для оценки порогов цветового зрения, проведены исследования точности воспроизведения яркости устройств визуализации на ЦЭЛТ, экспериментальные исследования цветовой частотно-контрастной чувствительности зрения и получены оценки порогов цветового зрения на основе предложенного косвенного метода определения цветоразличительной способности.

В заключении сформулированы основные результаты диссертационной работы.

Работа выполнялась на кафедре охраны окружающей среды и безопасности жизнедеятельности Северо-Западного Заочного Политехнического института и кафедре биомедицинской электроники и охраны среды Санкт-Петербургского Государственного Электротехнического университета "ЛЭТИ".

2.4. ВЫВОДЫ

Рассмотрение структуры биотехнической системы для исследования цветового зрения позволило выделить следующие основные компоненты системы: аппаратное, информационное, методическое обеспечение и метрологическое обеспечение и программно-алгоритмическое обеспечение. Разработка этих компонент основывается на учете свойств и характеристик объекта исследования - зрительной системы человека. С этой целью была проведена разработка модели цветового зрения. Ее исследование позволило пред

87 ложить методику оценки порогов цветового зрения путем исследования цветовой частотно-контрастной чувствительности зрения и предложить тестовые изображения для проведения таких исследований. Полученные при решении этих задач научные результаты сводятся к следующему:

1. Разработана математическая модель цветового зрения, установившая обусловленность появления порогов цветового зрения собственными шумами фоторецепторов и возможность оценки порогов цветового зрения косвенным методом по дифференциальным порогам различения яркости каналов цветового зрения;

2. Разработаны методика и алгоритм исследования цветовой частотно-контрастной чувствительности зрения с использованием цветных синусоидальных решеток, формируемых на фоне другого цвета заданной яркости, результаты которой позволяют на основе полученных соотношений вычислить размеры эллипсов неразличимых цветностей и определить зависимость порогов цветоразли-чения от размеров поля зрения и пространственной частоты.

ГЛАВА III. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ ХАРАКТЕРИСТИК ЦВЕТОВОГО ЗРЕНИЯ.

Важным этапом разработки технических средств для исследования характеристик цветового зрения является разработка метрологических требований к проводимым исследованиям (измерениям). На этом этапе следует уточнить необходимый уровень точности оценки порогов зрения, решить вопросы воспроизводимости результатов исследований, установить факторы, влияющие на точность результатов, систематизировать факторы погрешности в зависимости от причин их возникновения и степени их влияния, предложить пути по минимизации погрешностей результатов исследования.

заключения

I Конец )

Проверка условий тестового задания

Формирование базы данных КДоох)

Повтор измерений

Ох=Юх+ АЮх

Повтор тестирования на всех заданных частотах решеток

Стат.обработка и вычисление контрастной чувствительности зрения

Рис.2.6. Алгоритм оценки цветовой частотно-контрастной чувствительности зрения.

LRa, Loa, Lßa - амплитуды колебаний значений яркости красной, зеленой и синей компонент вдоль оси х (строки) тестового изображения вертикальных решеток.

Как показано в (2.9-2.10), для оценки цветоразличительной способности необходимо определить пороговый контраст для основных цветов. Для используемых тестовых изображений текущий контраст определяется соотношениями:

Ккпор(ю)= LRa sin((öX-x)/LRO при Lcja(o))=0 и LBa(tö)=0;

KGnop(co)=LGa sin(o3x-x)/LGO при ЬКа(ю)=0 и LBa(co)=0;

KBnop(cö)=LBa sin(cöx-x)/LBO при LRa(ö))=0 и LGa(co)=0.

Текущий контраст тестового изображения в процессе тестирования испытуемого плавно нарастает по линейному закону с нулевого до порогового уровня Кпор(оэ) и фиксируется с использованием одного из способов регистрации выполнения тестового задания [18] :

Ккпор(со) = ALRnop(co)/Lro5 где ÄLRn0p(co)=LRa sin(rox-x);

Копор(ю) = АЬ01Юр(о))/Ь0ф, где ALGn0p(co)=LGa sin(cox-x);

КВПор(со) = АЬвпор(со)/Ьвф, где ALBnop(co)=LBa sin(cöX-x);

По завершении многократной оценки пороговых контрастов Кмюр(<й), Kgiiop(co) и Kbnop(ö)) осуществляется статистическая обработка результатов тестирования, оценка у( средне выборочных значений и доверительного интервала и вычисление порогов цветового зрения на основе полученных соотношений (2.9-2.10).

Анализ разработанной математической модели показывает, что при отсутствии функциональных нарушений цветового зрения определение цветового порогового контраста для трех основных цветов позволяет рассчитать величину зоны неразличимой цветности для любой точки диаграммы цветности. При функциональных нарушениях зрения испытуемого необходимо исследовать пороги зрения на дополнительных цветах, в связи с чем следует оценивать пороги различения яркости на цветном фоне дополнительного цвета [73, 103].

Для тестового изображения с цветным фоном, цвет которого не совпадает с цветом решетки, пороговый контраст изображения будет определяться соотношением:

КтПОр(<а)=[Ьттах(ю)-Ьттт(ю)]/2[ аЬКФ(С)) + (3 Ь<зф(а>) + уЬвф(ю)] (2.13) где Т = Ы, О или В; ЬТтах(со) и ЬТтщ(ш) - максимальное и минимальное значение яркости цветной решетки; а, Р и у - коэффициенты, определяющие вклад цветовых компонент в интегральную яркость.

Пусть яркость компонент зрительного стимула лежит в некотором диапазоне условных единиц от 0 до 255 (такое деление выбрано с учетом характеристиками средств формирования тестовых воздействий на персональной ЭВМ). В зависимости от величины яркостей фоновых составляющих и закона изменения яркости компонент тестовых изображений определим характеристики тестовых стимулов (таблица 2.1).

1. Точность измерения характеристик зрения определяется двумя группами показателей методической и инструментальной (аппаратной) погрешностями.