СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ СПОСОБНОСТИ ВОСПРИЯТИЯ ГЛУБИНЫ И ОБЪЕМА ПЛОСКОСТНОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ

Изобретение относится к оптике, нейронауке, медицине, физиологии, экологии человека и может быть использовано в экспериментальной психологии, системе образования всех уровней обучения, при контроле качества образования, в области подготовки экспертов по контролю качества образования, в области экспериментальной психологии.

Известно, что принцип стереоскопического восприятия (или стереопсис) впервые был сформулирован Ч. Уитстоном в 1838 году [1]. Физиологическим фактом стереоскопического зрения является то, что при рассматривании пространственных объектов ощущение глубины возникает в тех случаях, когда два сетчаточтых (или ретинальных) изображения несколько смещены друг относительно друга в горизонтальном направлении. Принцип стереопсиса используется в изобретенном Ч. Уэтстоном стереоскопе. Стереоскоп устроен так, что из двух несколько смещенных изображений, направляет в каждый глаз только одно из них. Смещенные изображения могут быть получены при фотографировании неподвижного объекта (или сцены) со смещением 5-7 см. Разница между двумя ретинальными изображениями окружающих объектов называется бинокулярной диспарантностью [2]. Все современные технические средства для получения трехмерного восприятия кино, теле экрана, монитора компьютера, полиграфической продукции используют принцип стереопсиса и, как минимум, две смещенные проекции изображаемых сцен или предметов. Принцип стереопсиса, бинокулярная диспарантность создают восприятие объема и глубины, если в каждый глаз направляются смещенные изображения трехмерных объектов среды обитания. Трехмерные объекты, удаленные более чем на 250-300 метров, плоские изображения не должны создавать эффектов восприятия глубины, соизмеримой с глубиной, обеспечивающей смещением бинокулярной диспарантности, т.к. формируется два идентичных ретинальных изображения.

Известно, что стереоэффект с применением случайно-точечных стереограмм, впервые был продемонстрирован Б. Джулезом в 1964 году [2]. Стереограммы состояли из двух идентичных изображений, полученных случайными конфигурациями точек, центральные части которых были смещены друг относительно друга в противоположных направлениях. При слиянии двух стереограмм отчетливо воспринимается латерально-направлениях. При слиянии двух стереограмм отчетливо воспринимается латерально-смещенный участок, «парящий» над окружающей его текстурой. По мнению Джулеза для возникновения эффекта глубины или стереопсиса достаточно одной бинокулярной диспарантности, а стереоскопический эффект извлекается зрительной системой автоматически процессами, протекающими на нейронном уровне. В том случае, если рассматриваются две идентичные стереограммы, то при их слиянии эффекта глубины не должно возникать. Эффекты глубины, соизмеримые со стереоскопической, отсутствуют и на любых плоских изображениях (или произведениях живописи), содержащих монокулярные признаки перспективы [3].

Известно, что бинокулярная диспарантность при наблюдении слияния двух стереограмм может быть зарегистрирована с применением технических средств и айтрекера [9], обеспечивающих определение координат местоположения правого и левого глаза. Показатель бинокулярной диспарантности прямо пропорционален разнице горизонтальных координат правого и левого глаза. В том случае, когда оба глаза наблюдают одно изображение, то бинокулярная диспарантность не должна регистрироваться, а показания координат для правого и левого глаза совпадают.

С приоритетом от 2003 года известно, что при тренировке зрительной системы на стереоскопических проекциях, развивается способность восприятия глубины плоских изображений [4, 5]. Глубина образов, соизмеримая со стереоскопической, наблюдается на любых плоских изображениях, в том числе и текстовых, таких удаленных объектах, как облачных покров [4]. Система тренировки развивает способность восприятия пространственной перспективы произведений живописи [6, 7]. Способность восприятия глубины, пространственной перспективы образов плоских изображений относится к условиям развития стереоскопического зрения [8].

Известен способ регистрация восприятия глубины образов одиночного плоского изображения [10]. Его принцип следующий. Зрительной системе демонстрируется изображение, состоящее из двух разделенных наборов слов, набранных в горизонтальных строчках, перевода этих наборов из левого в правые сектора обзора глаз и ответов о наблюдении эффектов глубины между наборами, отдельными строчками, буквами. По тем же наборам слов строятся стереопары. Уровень восприятия глубины сопоставляется со стереоскопической глубиной, в условиях наложения (или фузии) стереопар. Это субъективный способ, зависящий от мнения того или иного человека, только косвенно позволяющий выявить и сопоставить наблюдаемую глубину образов одиночного изображения со стереоскопической глубиной. Этот способ выбран прототипом.

Задача достигается сначала регистрацией моторики движения глаз на одиночном изображение «И1», состоящим из образов размером на экране монитора компьютера, не превышающего 0,2 величины изображения по горизонтали И1_гор и вертикали, демонстрацией его зрительной системе в течение времени Δt и вычислением показателей разницы горизонтальных координат для правого и левого глаза ΔX(t) на изображении «И1», фиксированием области концентрации взгляда правого и левого глаза за время Δt, затем построением стереоскопических проекций «И1^стерео», с бинокулярной диспарантностью не более величины 0,2х И1_гор, демонстрацией их зрительной системе с концентрацией взгляда вне плоскости расположения проекций, получением двоения, осуществлением их слияния, наблюдением стереоскопической глубины, определением горизонтальных координат местоположения зрачка правого и левого глаза, нахождением их разности Δ^стepeoX(t), фиксацией области концентрации правого и левого глаза и сопоставлением разности координат для правого и левого глаза ΔX(t) и Δ^стepeoX(t), если ΔX(t)≠0, для правого и левого глаза расположением в горизонтальные ряды изображения И1 с зафиксированными траекториями движения, стереопары с областями концентрации при наблюдении глубины стереоскопических проекций, осуществлением конвергенции глаз, фузией проекций рядов и в завершении на средних проекциях сравнением глубины восприятия траекторий движения глаз.

На фиг.1 - фиг.7 показано применение способа при работе на айтрекере SMI High Speed. На фиг.1 показано одиночное изображение, фрагмент картины американского художника Д. Поллока, которое демонстрируется испытуемому, на фиг.2 белым цветом обозначена область изображения, на котором концентрировался взгляд правого (R) и левого (L) глаза, а на фиг.3 представлен фрагмент записи Х-координат монитора компьютера направления зрачка глаз для правого (R) и левого (L) глаза. На фиг.4 показаны две стереопары с различной величиной бинокулярной диспарантности для четырех слоев глубины фрагмента картины. При концентрации взгляда вне плоскости расположения стереопар, сначала, необходимо получить двоение, а затем их слияние. Проекций станет три. Средняя проекция приобретает восприятие стереоскопической глубины. На фиг.5 показаны условные горизонтальные координаты монитора для правого и левого глаза, зафиксированные при наблюдении стереоскопической глубины. На фиг.6 показана область концентрации положения зрачков глаз правого (R) и левого (L) глаза в условиях наблюдения стереоскопической глубины. На фиг.7 объединены в один горизонтальный ряд: проекции для правого и левого глаза фиг.2, правая проекция с траекторией движения правого глаза и левая проекция для левого глаза фиг.6.

Принцип действия способа следующий. Используется техника, позволяющая регистрировать моторику движения глаз, область концентрации взгляда при рассматривании изображения, регистрацию координат местоположения зрачка каждого глаза, определение бинокулярной диспарантности при рассматривании стереопар. Подбирается изображение - фиг.1, образы которого на экране монитора компьютера не более 20% от размера по вертикали и горизонтали. Изображение демонстрируется испытуемому и регистрируются: область концентрации взгляда - фиг.2, текущие за время проведения измерения координаты местоположения зрачка каждого глаза - фиг.3. По фиг.2 видно, что правый и левый глаза анализируют различные области изображения. Определяется разность между горизонтальными координатами правого и левого глаза - ΔX(t). Для фрагмента записи, представленного на фиг.3 она составляет от 60 до 100 условных единиц экрана монитора компьютера. Значения ΔX(t)≠0 свидетельствуют о возможности восприятия глубины изображения фиг.1.

Далее на экран выводится стереопара фиг.4, взгляд концентрируется вне плоскости экрана, получают двоение, затем слияние двух изображений. Их становится три. На средней проекции воспринимается стереоскопическая глубина. Этот процесс регистрируется на айтрекере и определяются горизонтальные координаты. Разброс горизонтальных координат Δ^стереоX(t), для фрагмента фиг.5 составляет от 180 до 200 единиц шкалы. Такая величина разности возникает как результат смещения проекций на расстояние в 12 см. Однако в каждой проекции проведено смещение четырех слоев различного цвета на величину от 0,3 до 1,2 см. Именно они обеспечивают восприятие стереоскопической глубины фиг.4 в условиях наложения (или фузии) и относятся к определению бинокулярной диспарантности стереопар. Для сопоставления уровня восприятия глубины фиг.1 и стерео глубины стереопары фиг.4, объединяются изображения с траекторией движения, представленные на фиг.2 (на фиг.7 - цифра «I»). Другой горизонтальный ряд состоит из траектории движения при наблюдении стереоскопической глубины фиг.6 (на фиг 7 - цифра «II»). При концентрации взгляда в условиях конвергенции (взгляд ориентируется до плоскости листа фиг.7) и фузии на средних проекциях видно, что белые области траектории двух горизонтальных рядов отделяются от изображений и воспринимаются над ее плоскостью. На ряду «II» отделение возникает за счет бинокулярной диспарантности и смещения четырех уровней глубины стереопары. На ряду «I» отделение белой области возникает как следствие восприятия правым и левым глазом различных участков одного изображения фиг.1. Они показано на фиг.2. Сравнение двух горизонтальных рядов фиг.7 относится к области выявления способности восприятия глубины и объема образов плоских изображений.

Приведенный пример показывает, что с использованием технологии айтрекера при наблюдении одиночного изображения можно регистрировать параметр, аналогичный бинокулярной диспарантности. В отличие от штатного получения величины бинокулярной диспарантности при рассматривании стереопары в условиях их фузии, регистрируется аналог бинокулярной диспарантности при рассматривании одиночного изображения. Величина аналога восприятия глубины одиночного изображения одного уровня величины с эффектом стерео глубины при наличии бинокулярной диспарантности.

Исследования развития способности восприятия глубины и объемности образов плоских изображений показало, что первичными элементами следует считать эффект рельефности. Он зарегистрирован у 90% из выборки в 1000 чел. участников проекта по развитию зрительной системы. Особо отметим, что 1% из них все плоские изображения наблюдают с эффектами глубины и объема. Очевидно, что развитие зрительного восприятия относится к культурно историческим детерминантам развития современной молодежи в информационно-коммуникационной и компьютеризованной среде обитания. Поэтому, объемное восприятие плоских изображений следует считать новым подходом к решению известной задачи. Это позволяет классифицировать их как креативные способности. Учитывая, что зрение и мышление используют общие принципы обработки информации в нейронных сетях головного мозга, креативное зрение инициализирует и креативное мышление. Иными словами, предлагаемый способ позволяет диагностировать не только новые, креативные способности зрения, но и креативность мышления.

Изобретение относится к оптике, нейронауке, медицине, физиологии, экологии человека и может быть использовано в экспериментальной психологии, системе образования всех уровней обучения, при контроле качества образования, в области подготовки экспертов по контролю качества образования, в области экспериментальной психологии.

Список литературы

1. Хьюбел Д. Глаз, мозг, зрение. Пер. с анг. - М.: Мир, 1990. - 230 с.

2. Шиффман Х.Р. Ощущение и восприятие. 5-е изд. - СПб.: Питер, 2003. - 928 с.

3. Раушенбах Б. Геометрия картины и зрительное восприятие. - СПб.: Азбука-классика, 2001. - 320 с., ил.

4. Пат. 2264299 RU. Способ формирования трехмерных изображений (варианты) / В.Н. Антипов - Опубл. 20.11.05; Бюл.№32.

5. Антипов В.Н., Балтина Т.В., Якушев Р.С., Антипов А.В. Когнитивный контроль зрительного восприятия современного человека как объект изучения биоэкологии // Ученые записки КазГУ. Серия естест. науки. - 2008. - Т.150, кн.3. - С.145-151.

6. Пат. 2318477 RU. Способ развития зрительной системы человека / В.Н. Антипов - Опубл. 10.03.2008. - Бюл. №7.

7. Антипов В.Н, Гайсин Р.Х., Шадрина Н.А. и др. Методика развития когнитивного восприятия глубины, объемности и пространственной перспективы произведений живописи // Казанский педагогический журнал. - 2009. - №6. - с.52-57.

8. Пат. №2391948. Способ развития стереоскопического зрения / В.Н. Антипов, А.В. Антипов - Опубл. 20.06.2010. - Бюл. 17.

9. Барабанщиков В.А., Окутана Г.Ю., Окутин О.Л. Чувствительность айтрекера и точность измерения положения глаз // Экспериментальная психология в России: традиции и перспективы / Под ред. В.А. Барабанщикова. - М..: Изд-во «Институт психологии РАН», 2010. - С.90-96.

10. Патент №2367344. Способ визуализации развития новых связей нейронных сетей коры головного мозга / В.Н. Антипов - Опубл. 20.09.2009. - Бюл. №26.