СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ СПОСОБНОСТИ ТРЕХМЕРНОГО ВОСПРИЯТИЯ ПЛОСКОСТНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
METHOD OF DETECTING CAPABILITY FOR THREE-DIMENSIONAL SENSING OF FLAT IMAGES

Изобретение относится к физиологии, психофозиологии, оптике, нейронауке и может быть использовано в области когнитивных исследований для изучения взаимодействия психических и физиологических уровней зрительного восприятия, в области образования для выявления креативных способностей.
Известно, что стереоскопическое зрение, бинокулярная диспарантность являются природными механизмами восприятия глубины и объема объектов окружающей среды [1]. Стереоскопическое зрение - это получение зрительной информации двумя глазами, с двух точек, расположенных на расстоянии 6-8 см друг от друга. Две точки наблюдения приводят к тому, что при попадании в поле зрения трехмерных объектов, расположенных на различных расстояниях друг от друга, на сетчаточных изображениях глаз образуются смещенные изображения (бинокулярная диспарантность). Полагают, что именно бинокулярная диспарантность сетчаточных изображений позволяет воспринимать человеку предметы объемными, однозначно располагать их  относительно друг друга по глубине поля зрения. В том случае, если на сетчаточных изображениях образуются две идентичные проекции, то ни глубины, ни объемности не должно наблюдаться. Такой вариант возникает для удаленных на 200-250 м (и далее) трехмерных объектов, для плоскостных изображний.
Известно, что тренинг наблюдения стереоскопической глубины стереограмм в условиях их наложения развивает способность трехмерного восприятия изображений на плоскостных носителях [2-4]. Наложение проекций осуществляется при концентрации взгляда вне плоскости расположения стереограмм, перед ней или за ней. Составным элементом тренинга является приобретение навыка быстрого перехода восприятия стереоскопической глубины от одного метода наблюдения к другому. Происходит постоянный процесс взаимодействия механизма движения глаз с различным состоянием восприятия вектора глубины стереограмм. В изобретениях [2, 3] устранены физические и технические противоречия. Это - необходимость для трехмерного восприятия использование двух стереоскопических проекций и применение либо условий наложения проекций, или иных технических приспособлений, направляющий в правый и левый глаза стереоскопические проекции. В завершающей стадии тренинга на одной плоскостной проекции наблюдаются эффекты пространственной перспективы образов [3].
Известен субъективный метод выявления способности трехмерного восприятия плоскостных изображений [5]. При его реализации монтируются несколько стереопар со смещением отдельных образов на расстоянии от 0 до 6 см. Стереопары предъявляются испытуемому, который выбирает ту проекцию, которая наиболее близко подходит под ощущение восприятия глубины на одной проекции.
Le
Ra
Известно, что движение глаз при восприятии изображений используется в объективной методике выявления способности трехмерного восприятия плоскостных изображений [6]. Испытуемому предъявляются плоскостные изображения, стереограммы, растровые 3D-изображения. На бинокулярном айтрекере за время воздействия стимульного материала регистрируется направление концентрации взгляда правого (Ra) и левого (Le) глаза, определяются X-координаты, вычисляются разности ∆X=X-X. Способность трехмерного восприятия плоскостного изображения выявляется из условия, когда регистрируются условие ∆X≠0. Сравнение получаемых параметров активности движения глаз в условиях наблюдения стереоскопической глубины стереограмм, глубины растровых 3D-изображений с аналогичными характеристиками при восприятии глубины плоскостного изображения показывает, что они подчиняются общим закономерностям и, как минимум, одного уровня величины. Техническое обеспечение выполнения регистрации на бинокулярном айтрекере составляет от 1 до 5 млн рублей. Это метод выбран прототипом.
Задачей изобретения является расширение объективных методов регистрации способности трехмерного восприятия плоскостных изображений, удешевление проведения измерений.
БЛ
ЭГ
ЭГ
<mrow><msub><mi>И</mi><mrow><mi>Б</mi><mi>Л</mi></mrow></msub><mo stretchy="false">(</mo><mi>Σ</mi><msub><mo stretchy="false">(</mo><mrow><mi>К</mi><mi>Г</mi></mrow></msub><msup><mi>А</mi><mrow><msub><mi>И</mi><mrow><mi>Б</mi><mi>Л</mi></mrow></msub></mrow></msup><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mo stretchy="false">(</mo><mi>Σ</mi><msub><mo stretchy="false">(</mo><mrow><mi>К</mi><mi>Г</mi></mrow></msub><msup><mi>А</mi><mrow><msub><mi>И</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>Г</mi></mrow></msub></mrow></msup><mo stretchy="false">)</mo><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>Σ</mi><msub><mo stretchy="false">(</mo><mrow><mi>К</mi><mi>Г</mi></mrow></msub><msup><mi>А</mi><mrow><msub><mi>И</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>Г</mi></mrow></msub></mrow></msup><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
<mrow><mi>Σ</mi><msub><mo stretchy="false">(</mo><mrow><mi>К</mi><mi>Г</mi></mrow></msub><msup><mi>А</mi><mrow><msub><mi>И</mi><mrow><mi>Б</mi><mi>Л</mi></mrow></msub></mrow></msup><mo stretchy="false">)</mo></mrow>
Задача достигается регистрацией электрической активность (ЭЭГ) головного мозга, на предъявление белого листа (И) и на предъявление изображения с эффектами восприятия глубины (И) вычислением суммы полной амплитуды когерентности по всем отведениям и компонентам ЭЭГ ритмов, сначала на предъявление
, затем на предъявление И изображения
и при значении
больше
в 1,8 и более раза определением способности трехмерного восприятия плоскостных изображений.
ЭГ
БЛ
ЭГ
ЭГ
Фиг.1, фиг.2 иллюстрируют принцип действия способа. На фиг.1 приведено фото - изображение каменной плитки «И», создающее эффекты восприятия глубины черно-белых оттенков. На фиг.2 показаны значения суммы полной амплитуды при восприятии белого листа - «И» и изображения с эффектами глубины - «И». Величина суммы полной амплитуды когерентности отложены по вертикальной шкале. Условия восприятия белого листа и изображения «И» размещены на горизонтальной шкале. Числами «1», «2», «3», «4» обозначены показания четырех испытуемых.
R
L
Проверка проводилась для четырех испытуемых. Эффективность использования изображения фиг.1 была проверена на бинокулярном айтрекере при регистрации моторики движения глаз. Были получены значения ΔХ=X-X≠0, подтверждающие способность восприятия глубины изображения фиг.1 испытуемым «1». Оставшимися цифрами обозначены испытуемые, которые прошли семестровый курс обучения по методике развития способности восприятия глубины плоскостных изображений. Субъективный метод тестирования на стереограммах в процессе фузии стереопроекций показал, что они способны воспринимать глубину образов плоскостных изображений, в том числе и фотоизображение каменной плитки фиг.1.
<mrow><mo>∑</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mrow /><mrow><mi>к</mi><mi>г</mi></mrow></msub><msup><mi>А</mi><mrow><msub><mi>И</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>Г</mi></mrow></msub></mrow></msup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mo>∑</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mrow /><mrow><mi>к</mi><mi>г</mi></mrow></msub><msup><mi>А</mi><mrow><msub><mi>И</mi><mrow><mi>Б</mi><mi>Л</mi></mrow></msub></mrow></msup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mo>∑</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mrow /><mrow><mi>к</mi><mi>г</mi></mrow></msub><msup><mi>А</mi><mrow><msub><mi>И</mi><mrow><mi>Э</mi><mi>Г</mi></mrow></msub></mrow></msup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
<mrow><mo>∑</mo><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mrow /><mrow><mi>к</mi><mi>г</mi></mrow></msub><msup><mi>А</mi><mrow><msub><mi>И</mi><mrow><mi>Б</mi><mi>Л</mi></mrow></msub></mrow></msup></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow>
Принцип действия способа следующий. На голове испытуемых закрепляются датчики показаний ЭЭГ ритмов. Они поступают в анализатор ЭЭГ. Он должен быть снабжен программным обеспечением, позволяющим выделять дельта, тета, альфа, бета-ритмы вычислять полную амплитуду когерентности всех ритмов. Сначала испытуемому предъявляется белый лист бумаги и проводится регистрация ЭЭГ. Далее предъявляется изображение «ИЭГ» и вновь проводится регистрация ЭЭГ. Затем программными методами находятся значения амплитуды когерентности для каждого отведения и для всех компонент ЭЭГ. Для изображения белого листа изображения «ИЭГ» показания амплитуды складываются по всем отведениям и по всем ритмам. Тем самым находятся по два интегральных значения полной амплитуды, характеризующие восприятие глубины изображения «ИЭГ» -
и белого листа
. В том случае, если показания суммы
больше показаний
, то следует утверждать, что данный испытуемый обладает способностью восприятия глубины на плоскостном изображении.
Покажем применения способа для четырех испытуемых и при регистрации ритмов ЭЭГ по восьми отведениям. Регистрация ЭЭГ осуществлялась с помощью компьютерного электроэнцефалографа Нейрон-Спектр-1 фирмы "Нейрософт" (Россия) (частота пропускания усилителей 0.5-35 Гц) монополярно от 8 симметричных отведений правого и левого полушарий: затылочных (О1, О2), височных (Т3, Т4), центральных (С3, С4), лобных (F1, F2), расположенных по международной схеме 10-20. После пятиминутного периода адаптации к экспериментальной обстановке регистрировали фоновую электрическую активность мозга открытыми глазами при фиксации взора на плоскостном белого листа изображении. Изображения размером 40×30 см устанавливались на расстоянии ~1,5 м от испытуемого. Задачей испытуемых было обеспечить условия трехмерного восприятия изображения «ИЭГ». О трехмерном восприятии судили по ранее проведенным тестам, а также по субъективным ощущениям испытуемых.
Первичные данные записи ЭЭГ обрабатывались с помощью пакета стандартной программы «Нейрон-Спектр.NET». Изучали пространственные и амплитудно-частотные характеристики корковой электрической активности. Выделенные единичные отрезки ЭЭГ (эпохи анализа), по 10 секунд каждый, лишенные артефактов, обрабатывались методом спектрального анализа в области 3-30 Гц с использованием алгоритма быстрого преобразования Фурье в программе BrainLoc. Оценивали следующие критерии ЭЭГ: мощность и максимальную частоту основных диапазонов ЭЭГ (дельта, тета, альфа, бета); выявляли пространственно-временные характеристики активности мозга.
Амплитуда когерентности вычислялась для следующих пар отведений F1-C3; С3-О1; F2-C4; С4-О2; F1-T3; Т3-О1; F2-T4 и Т4-О2. При восприятии белого листа наибольшее значение суммы амплитуды в 805 мкВ/Гц получено испытуемым «1». Значения по парам отведений находились в интервале от 95 до 106 мкВ/Гц. Восприятие глубины изображения «ИЭГ» увеличивает значение суммы амплитуды более чем в 2 раза, до 1639 мкВ/Гц.
У испытуемых «2» и «3» в условиях восприятия белого листа зарегистрированы значения амплитуды когерентности 714 и 662 мкВ/Гц. При восприятии глубины изображения «ИЭГ» наблюдалось повышение значений амплитуды до 1305 и 1221 мкВ/Гц. Следовательно, показания амплитуды возрастают в 1,8 раз. При восприятии белого листа наименьшее значение выявлено для испытуемого «4» - 290 мкВ/Гц. Для этого испытуемого регистрируется наибольший коэффициент увеличения полной амплитуды когерентности в условиях рассматривания изображения «ИЭГ». Он достигает величины 4,6, или уровня значений амплитуды когерентности - 1344 мкВ/Гц.
Приведенный пример показывает, что способность восприятия глубины и объема может быть выявлена по результатам регистрации ЭЭГ и вычислении полной амплитуды когерентности. Следовательно, допустимо сделать вывод, что восприятие глубины плоскостного изображения приводит к повышению когерентности параметров ЭЭГ. По стоимости аппаратура по проведению регистрации ЭЭГ ритмов в десятки раз меньше, чем стоимость бинокулярного айтрекера.
Опросы приблизительно по 1000 чел. возраста старших классов средней школы и студентов показывают, что до 90% из них уже обладают способность воспринимать некоторые изображения с эффектами рельефности, в том числе и такие удаленные объекты, как облачный покров.
Способность трехмерного восприятия плоскостного изображения позволяет наблюдать любые плоские изображения как трехмерные сцены, регулировать глубину отдельных образов. Возникают условия преобразования ранее плоского восприятия в динамически изменяющие по глубине трехмерные распределения, особенно по цветовой палитре, или множественное решение восприятия глубины и объема ранее плоскостного изображения. В «формате» метатеории психолога У. Найссера и обобщенной когнитивной схемы способа поиска, получения, переработки информации структурируются механизмы дивергентного мышления. Иными словами, предлагаемое решение может относиться к экспериментальной технологии выявления, не только восприятия объема плоского изображения, но и элементов дивергентного мышления, следовательно, и креативных способностей.
С одной стороны, развитие способности воспринимать плоскостные изображения с глубиной и объемом могут привести к процессам совершенствования технических средств, использующих принципы действия зрительного восприятия. С другой стороны, регистрация движения глаз на бинокулярном айтрекере, в условиях трехмерного восприятия плоскостных изображений выявила и отрицательные стороны. Это возникновение нестационарных условий движения глаз. Нестабильность восприятия может привести к увеличению времени принятия решений при вариантах использования плоскостных изображений в критических условиях. Отрицательные стороны вызывают необходимость поиска существенного снижения затрат на оборудование по выявлению способности трехмерного восприятия плоскостных изображений. Именно такой подход предлагается в настоящей заявке.
Изобретение относится к физиологии, психофозиологии, оптике, нейронауке и может быть использовано в области когнитивных исследований для изучения взаимодействия психических и физиологических уровней зрительного восприятия, в области образования для выявления креативных способностей.
Литература
1. Хьюбел Д. Глаз, мозг, зрение: Пер. с анг. - М.: Мир, 1990. - 239 с.
2. Пат. 2264299 RU. Способ формирования трехмерных изображений (варианты) / В.Н. Антипов. - Опубл. 20.11.05; Бюл. №32.
3. Пат. RU №2391948. Способ развития стереоскопического зрения / В.Н. Антипов, А.В. Антипов. - Опубл. 20.06.2010. - Бюл.17.
4. 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.
5. Пат. 2321034 RU. Способ определения степени адаптации зрительной системы человека / Антипов В.Н. и др. - Опубл. 27.03.2008. - Бюл. №9.
6. Антипов В.Н., Вахрамеева О.А., Галимуллин Д.З., Жегалло А.В., Хараузов А.К., Шелепин Ю.Е. Экспериментальное изучение 3D-восприятия образов плоскостных изображений // «Экспериментальный метод в структуре психологического знания / Отв. ред. В.А. Барабанщиков. - М.: Изд-во «Институт психологии РАН», 2012. - С.187-194