Разработка метода и инструментальных средств для исследования характеристик цветового зрения тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.09, кандидат технических наук Семаков, Сергей Владимирович

• Семаков, Сергей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Семаков, Сергей Владимирович

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка метода и инструментальных средств для исследования характеристик цветового зрения»

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".

Заключение диссертации по теме «Управление в биологических и медицинских системах (включая применения вычислительной техники)», Семаков, Сергей Владимирович

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).

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Семаков, Сергей Владимирович, 2000 год

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