автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.17, диссертация на тему:Разработка метода и средств для исследования стереоскопического зрения с использованием электронного дисплея

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПРОБЛЕМЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТЕРЕОСКОП И ЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ.

1.1. ПСИХОФИЗИКА СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ.

1.2. МЕХАНИЗМ СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ И ЕГО НАРУШЕНИЯ.

1.3. МЕТОДЫ И ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ СРЕДСТВА ИССЛЕДОВАНИЯ СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ.

1.4. МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ В ЕСТЕСТВЕННЫХ УСЛОВИЯХ.

1.5. ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ.

ГЛАВА И. ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ И БИОТЕХНИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ

СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ.

2.1. ФЕНОМЕНОЛОГИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ

СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ.

2.2. РАЗРАБОТКА БИОТЕХНИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗРЕНИЯ.

2.3. МЕТОДИКА ИССЛЕДОВАНИЯ СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ.

2.4. РАЗРАБОТКА ТЕСТОВОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ ДЛЯ ОЦЕНКИ ХАРАКТЕРИСТИК СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ.

2.5. ВЫВОДЫ.

ГЛАВА III. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ.

3.1. ИСТОЧНИКИ ПОГРЕШНОСТЕЙ ОЦЕНКИ ХАРАКТЕРИСТИК СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ.

3.2. ВЛИЯНИЕ ДИСКРЕТНОСТИ РАСТРА И РАСТРОВЫХ ИСКАЖЕНИЙ НА ПОГРЕШНОСТЬ ОЦЕНКИ ПОРОГА СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ.

3.3. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОВЛИЯНИЯ КАНАЛОВ ВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ ТЕСТОВОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ.

3.4. МЕТОДИЧЕСКИЕ ПОГРЕШНОСТИ ОЦЕНКИ ХАРАКТЕРИСТИК СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ.

3.5. ВЫВОДЫ.

ГЛАВА IV. РАЗРАБОТКА АВТОМАТИЗИРОВАННОГО КОМПЛЕКСА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЗРЕНИЯ

4.1. АВТОМАТИЗИРОВАННЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ.

4.2. МЕТОДИКИ ОЦЕНКИ ХАРАКТЕРИСТИК

СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ.

4.3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

Стереоскопическое зрение играет значительную роль в жизнедеятельности человека. Благодаря стереоскопическому зрению человек ощущает окружающий нас мир в объеме, чувствует пространственную удаленность и протяженность объектов, ощущает глубинную перспективу. Особенно велика роль стереоскопического зрения в производственной деятельности. Существует целый ряд профессий, работа по которым возможна при развитом стереоскопическом зрении. К таким профессиям можно отнести водителей транспортных средств, пилотов летательных аппаратов, операторов механических манипуляторов и роботов, нейрохирургов и т.д. Насколько важно иметь хорошее, развитое стереоскопическое зрение можно представить на следующих примерах: посадка летательного аппарата (самолета или вертолета) на ограниченную в пространстве посадочную площадку авианосца в условиях волнения моря, погрузка-выгрузка габаритных деталей в условиях ограниченного объема, управление летящим объектом в пространстве, микрохирургическая операция на сосудах головного мозга. Для выгрузки космического модуля станции Альфа из грузового отсека корабля SHATL с помощью механического манипулятора космическим агентством NASA были отобраны операторы по характеристиками стереоскопического зрения.

Сегодня вопросы профессионального отбора и профессиональной ориентации по зрению и, в частности, по стереоскопическому зрению, оценки зрительной способности, прогнозирования зрительного утомления стали актуальными. Высокотехнологическое производство нуждается в специалистах, операторах, которые в состоянии выполнить прецизионные операции по перемещению, ориентации, указанию, наводке объектов в пространстве, по глубине.

Оценка характеристик стереоскопического зрения интересовала человечество более 500 лет. Для исследования стереоскопического зрения сегодня существуют приборы, системы, которые модно разделить на три группы: зеркальные, приборы с разделением каналов на цветовых и поляроидных очках. Однако существующие приборы не в полной мере отвечают современным требованиям офтальмодиагностики.

Во-первых эти приборы не обеспечивают автоматизации исследований стереоскопического зрения, которые достаточно сложны и по времени занимают достаточно много времени.

Во-вторых, из-за большой продолжительности исследований проявляется зрительное утомление испытуемого, изменение характеристик зрения, что приводит к появлению значительных методических погрешностей.

В-третьих, сегодня отсутствуют какие-либо требования по метрологическому обеспечению, неясно какими должны быть инструментальные и методические погрешности, отсутствуют рекомендации по снижению погрешностей измерения.

Необходимость повышения качества исследований стереоскопического зрения и стали причиной появления настоящей диссертационной работы.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности исследования характеристик стереоскопического зрения на основе использования электронных дисплеев и стереоскопических очков для пространственно-временного разделения каналов изображения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи исследования:

1. Разработать феноменологическую модель стереоскопического зрения, позволяющую связать глубинную удаленность и протяженность объекта наблюдения с угловой диспаратностью и углами конвергенции и определить условия стереоскопического видения;

2. Разработать методику исследования характеристик стереоскопического зрения, основанную на алгоритмах статистических измерений, и обеспечивающую оперативную оценку минимально различимой диспаратности;

3. Исследовать процесс формирования стереоскопического стимула и разработать математическое описание тестового изображения, формируемого на экране электронного дисплея;

4. Исследовать источники инструментальной и методических погрешностей оценки порога стереоскопического зрения и разработать рекомендации по их снижению;

5. Разработать автоматизированный комплекс для исследования стереоскопического зрения с использованием электронного дисплея и стереоскопических очков с временным разделением каналов, провести экспериментальные исследования стереоскопического зрения в целях проверки полученных результатов работы.

При решении сформулированных задач были использованы методы теории синтеза биотехнических систем, математического анализа, аналитической и проективной геометрии, аппарат теории вероятностей и случайных процессов, теории измерений и метрологии.

В диссертации были получены следующие научные результаты:

- разработана феноменологическая модель, описывающая воспринимаемую испытуемым глубинную удаленность и протяженность объекта наблюдения с углами конвергенции и диспаратности, и определяющая условия стереоскопического видения;

- разработана методика исследования стереоскопического зрения, основанная на алгоритме стохастических измерений и обеспечивающая оперативную оценку порога стереоскопического зрения методом дихотомии диапазона горизонтального смещения тестовых фрагментов;

- исследованы этапы синтеза и разработано математическое описание тестового изображения для исследования стереоскопического зрения с использованием электронного дисплея;

- проведен анализ источников погрешностей измерения порога стереоскопического зрения, исследованы инструментальные погрешности, обусловленные дискретизацией растра и растровыми искажениями, инерционностью свечения люминофоров, разработаны рекомендации для снижения методических погрешностей.

Практическую ценность представляют следующие результаты работы:

- автоматизированный комплекс и методики для оценки порога стереоскопического зрения с использованием электронного дисплея и стереоскопических очков с временным разделением каналов для формирования зрительных стимулов;

- аналитические соотношения для оценки испытуемым глубинной удаленности и протяженности объектов наблюдения, минимально-различимой диспаратности;

- рекомендации по снижению инструментальных и методических погрешностей исследования зрения при использовании электронного дисплея;

- результаты экспериментальных исследований стереоскопического зрения, подтвердившие эффективность использования электронного дисплея и стереоскопических очков с временным разделением каналов для задач оф-тальмодиагностики.

Результаты диссертационной работы использовались при выполнении на кафедре Биомедицинской электроники и охраны среды Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета в 20002001 гг. научно-исследовательских работ "Компьютерные технологии оценки состояния здоровья, реабилитации и развития детей", номер госрегистрации № 01960013040, "Разработка автоматизированного комплекса для исследования характеристик зрения детей дошкольного возраста" номер госрегистрации № 01970006874 по научно-техническим программам Минобразования РФ.

Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международных научно-технических конференциях по биомедицинскому приборостроению "БИОМЕДПРИБОР-2000 "

Москва, ВНИИМП, 2000 г.), "Биотехнические, медицинские и экологические системы и комплексы БИОМЕДСИСТЕМЫ-2000" (Рязань, РГРТА, 2000 г.), "Современные технологии обучения СТО-2001" (Санкт-Петербург, ГЭТУ, 2001 г.), I международном конгрессе "Новые медицинские технологии" (Санкт-Петербург, 2001 г.), и на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ГЭТУ (Санкт-Петербург, 1999-2001 гг.).

По теме диссертации опубликованы 4 тезиса докладов на конференции и получено свидетельство на регистрацию программы "Программный комплекс для оценки порога стереоскопического зрения" № 2001611150.

В первой главе диссертации рассмотрены психофизика глубинного восприятия объектов наблюдения и причины нарушений стереоскопического зрения, проведен обзор методов и инструментальных средств исследования стереоскопического зрения. Показано, что зеркальные приборы и системы не обладают высокой эффективностью из-за погрешностей абсолютного совмещения тестовых изображений левого и правого каналов зрения в разных плоскостях пространства. Инструментальные средства на основе цветных светофильтров также не обеспечивают требуемой эффективности из-за ограниченной цветовой гаммы используемых зрительных стимулов. Все известные методы и средства не обеспечивают автоматизации процесса исследования. Их использование приводит к значительной продолжительности исследований. В связи с развитием электронных средств визуализации для исследования стереоскопического зрения являются перспективными электронные дисплеи, специальные графические видео контроллеры, работающие с стереоскопическими очками с временным разделением каналов, методы электронного синтеза тестовых изображений. Однако для разработки систем для исследования стереоскопического зрения на основ перечисленных инструментальных средств необходимо решить ряд задач, связанных с разработкой модели стереоскопического видения, методики и алгоритмов исследования, структуры тестового изображения, разработкой компонентов метрологического обеспечения, автоматизированной системы.

Во второй главе диссертации проведена разработка феноменологической модели стереоскопического видения, которая позволила связать глубинную удаленность и протяженность объекта наблюдения с углами конвергенции и диспаратности, установить условия объемного восприятия глубинно-протяженного объекта. Было показано, что для оценки глубинных характеристик объекта наблюдения зрительная система работает как углоизмери-тельный инструмент и эффективность ее работы зависит от минимально-различимой диспаратности. Таким образом, минимально-различимая диспа-ратность определяет порог стереоскопического видения. Другие характеристики - острота и глубина (радиус) стереоскопического зрения являются производными показателями минимально-различимой диспаратности. Для автоматизированной оценки минимально-различимой диспаратности предлагается использовать биотехническую измерительно-вычислительную системы, в которой синтез зрительных стимулов осуществляется с помощью персональной ЭВМ, их визуализация - на экране электронного дисплея, а сепарация изображений левого и правого каналов зрения - с помощью стереоскопических очков. Для реализации исследований стереоскопического зрения предложена методика и алгоритм, которые учитывают шумовую природу порогов зрения, используют алгоритм статистических измерений и метод дихотомии диапазона измерений для оперативной оценки порога стереоскопического зрения. Для реализации таких исследований предложено использовать сте-реограммы со случайно распределенными элементами и горизонтально смещенными тестовыми фрагментами. Для обеспечения высокой достоверности результатов исследований предложено оценивать минимально-различимую диспаратность при изменении смещения от максимального к минимальному. Это позволило в процессе тестирования испытуемого накапливать информацию о частоте ошибок, которая является показателем достоверности результатов.

Третья глава диссертации посвящена изучению источников погрешностей оценки характеристик стереоскопического зрения, проведена классификация источников инструментальной и методической погрешностей. Показано, что среди инструментальных погрешностей наиболее значимыми являются погрешности дискретизации растра изображения, растровые искажения и взаимовлияние каналов изображения из-за длительности послесвечения люминофоров. Получены аналитические выражения и сформулированы требования к характеристикам электронного дисплея (формату растра, коэффициенту растровых искажений, частоте кадров), при которых рассмотренные погрешности не будут соизмеримы с минимально-различимой диспаратно-стью нормального зрения. Методические погрешности обусловлены свойствами объекта исследования. Их оценка достаточно сложна из-за невозможности учета психоэмоциональных и психофизиологических факторов. Поэтому низкий уровень методических погрешностей может быть обеспечен за счет выполнения специальных требований, сформулированных в виде рекомендаций к проведению исследований.

Четвертая глава диссертации посвящена разработке автоматизированного комплекса для исследования характеристик стереоскопического зрения на базе персональной ЭВМ, в котором для визуализации зрительных стимулов используется электронный дисплей и очки с временным разделением каналов для сепарации изображения каналов зрения, определены технические характеристики такого комплекса. Разработаны методики оценки порога стереоскопического зрения, радиуса (глубины) и остроты стереоскопического зрения, зависимость порога стереоскопического зрения от размеров поля зрения. Рассмотрены результаты экспериментальных исследований, которые подтвердили эффективность использования разработанных метода и средств для исследования характеристик стереоскопического зрения.

2.5. ВЫВОДЫ.

1. Разработана феноменологическая модель стереоскопического восприятия, связывающая угловую диспаратность объекта наблюдения с углами конвергенции точек фиксации. Глубинная удаленность объекта наблюдения определяется только углом конвергенции точек фиксации, а глубинная протяженность линейно зависит от угловой диспаратности. Получены соотношения между фронтальными размерами объекта наблюдения левым и правым каналами зрения, при которых возможно стереоскопическое видение. При равенстве фронтальных размеров глубинное восприятие объекта наблюдения отсутствует.

2. Для исследования характеристик стереоскопического зрения предложена биотехническая интеллектуальная измерительно-вычислительная система с устройством визуализации зрительных стимулов на экране электронного дисплея и сепарацией изображения левого и правого каналов зрения на основе очков с временным разделением каналов восприятия.

3. Предложена методика и алгоритм исследования характеристик зрения, обеспечивающие высокую точность оценки порога стереоскопического зрения и основанные на использовании стереограмм со случайным распределением элементов изображения и последовательного смещения тестового фрагмента, алгоритма стохастических измерений и быстрого поиска уровня углового порогового смещения.

4. Разработаны структура синтеза тестового изображения и математические описания информационных преобразований, осуществляемых при синтезе тестовых изображений, удовлетворяющих принципам синтеза биотехнических систем для исследования зрения.

ГЛАВА Ш. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ СТЕРЕОСКОПИЧЕСКОГО ЗРЕНИЯ

1. Источники инструментальной погрешности.

2. Источники методической погрешности.

3. Отразим все перечисленные источники инструментальной и методической погрешностей в таблице с учетом значимости их влияния.

4. В соответствии с проведенным анализом структура источников погрешности оценки характеристик стереоскопического зрения по значимости их влияния представлена в Таблице 3.1.