СИСТЕМА ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ И РАЗВИТИЯ КОГНИТИВНЫХ СПОСОБНОСТЕЙ ЧЕЛОВЕКА
SYSTEM FOR DIAGNOSTICS AND DEVELOPMENT OF HUMAN COGNITIVE ABILITIES

Изобретение относится к психологии, в частности когнитивной психологии, экспериментальной психологии и психофизиологии и представляет собой систему для диагностики и развития когнитивных способностей человека.
В качестве наиболее близкого по техническому уровню можно принять устройство "Чудо-ящик" с развивающими играми" для развития, коррекции, восстановления психических и психофизиологических функций в разные возрастные периоды посредством активизации способности к перекодированию информации из тактильно-кинестетической модальности в визуальную [1]. Для организации контролируемой развивающей среды в данном случае используется прямоугольный ящик с фиксированными размерами, имеющий вырезы для доступа рук пользователя, расположенные на боковых поверхностях, а также вырез для видеокамеры, ведущей протокол работы и светодиодные лампы для подсветки, расположенные во внутренних верхних углах для обеспечения работы видеокамеры. Верхняя поверхность "ящика" является съемной для помещения во внутреннюю полость игровых предметов.
В качестве достоинств такого решения можно отметить возможность контроля канала визуальной обратной связи за счет ограничения области пространства, в котором проводится исследование, непрозрачными "глухими" стенками. Кроме того, обеспечивается видеофиксация действий пользователя, позволяющая выполнять детальный анализ особенностей выполнения познавательных задач, реализованных в виде игровой ситуации.
К основным недостаткам, присущим данной конструкции, относится ограничение количества уровней независимой переменной, направленной на полное устранение визуального канала обратной связи и невозможность осуществлять визуальные коррекции в действиях пользователя в какой-либо форме. В действительности современные когнитивные исследования все чаще построены по принципу увеличения количества уровня экспериментальных переменных, что позволяет получить более полное представление о закономерностях решения познавательных задач в различных условиях, моделирующих реальные отношения человека с элементами окружающего мира.
Недостатком является также конструкция корпуса, не учитывающая требования быстрой смены рабочей области. Исследователь должен каждый раз извлекать одни предметы из ящика и помещать другие через съемную верхнюю крышку, что в некоторых случаях может не только занимать длительное время, но и даст возможность ознакомиться испытуемому с элементами задачи заранее, сформулировав при этом неконтролируемые исследователем познавательные гипотезы.
Еще одним недостатком является недостаток автоматизации в действиях, предусмотренных предложенным решением. Косвенно это признается авторами, выбравшими для его названия термин "приспособление". Действительно, все изменения во внутреннем пространстве, инструкция пользователю и учет его действий проводится непосредственно исследователем.
Отметим также конструкционное ограничение, не позволяющее использовать объем "ящика", превышающий незначительные размеры, которые в описании полезной модели определены достаточно жестко: 40x35x25 см по ортогонально направленным основным ребрам. Такое ограничение задано эргономическими характеристиками приспособления, не позволяющими даже взрослому человеку поместить руки через вырезы в боковых панелях, сохранив при этом комфортный уровень подвижности. Такая конструкция существенно снижает количество используемых внутри ящика предметов и неоправданно ограничивает их размер.
В качестве еще одного недостатка можно было бы упомянуть невозможность управлять уровнем освещения во внутреннем объеме приспособления, однако эта возможность не только не предусмотрена, но и вовсе не используется в качестве экспериментальной переменной, так как имеет значение только для обеспечения работы видеокамеры.
Задачей, на решение которой направлено изобретение, является создание технической системы, обеспечивающей возможность изменения в широких пределах степени связи между тактильным, кинестетическим и визуальным восприятием человека при решении познавательной задачи в специально сконструированной проблемной ситуации, введение в проблемную ситуацию дополнительных обстоятельств, усложняющих или упрощающих познавательную деятельность.
Технический результат, достигаемый приведенной совокупностью признаков, заключается увеличении количества факторов, определяющих диагностику и развитие познавательных способностей человека, степень их контроля в специально организованных условиях и повышение степени эффективности решения человеком познавательных, когнитивных задач в условиях, максимально полно моделирующих условия реальной жизнедеятельности.
Указанный технический результат достигается за счет того, что корпус системы, собранный в единое целое из двух конструктивных составляющих - интерфейса пользователя и картриджа сцены, обеспечивает быструю смену внутренних подвижных элементов, образующих развивающие игры, головоломки, логические задачи и допускает в продолжительном режиме работы выполнять ручные манипуляции внутри контролируемого объема, гибко изменяя при этом характеристики визуальной обратной связи с содержимым, обеспечивает управление уровнем освещения внутреннего пространства, управление дополнительными факторами, такими как задержка времени, пространственные преобразования визуального канала, введение дополнительных визуальных стимулов, усложняющих или упрощающих решение познавательной задачи при наличии средств автоматизации предъявления дополнительных условий и предварительной обработки видеоданных.
Изобретение поясняется фигурой 1, на которой изображен общий вид системы.
Корпус интерфейса пользователя (1, фиг.1) предназначен для выполнения нескольких конструкционных и функциональных задач. Основная его функция - визуальная изоляция области пространства, в котором размещены элементы сцены, определяющие когнитивную задачу, решаемую пользователем. Под изоляцией здесь подразумевается полное ограничение возможности пользователя видеть все, что находится внутри корпуса без посредства экрана пользователя. Кроме того, корпус интерфейса пользователя обеспечивает максимально полное разграничение световых потоков от собственного источника света системы, расположенного внутри корпуса интерфейса пользователя и внешних по отношению к нему световых источников. Конструкционные задачи, решаемые корпусом интерфейса пользователя, заключаются в объединении всех составных элементов системы в единую конструкцию, и обеспечении доступа одной или двух рук пользователя во внутреннее, визуально изолированное пространство при сохранении их подвижности в отношении элементов сцены. Корпус интерфейса пользователя состоит из нескольких соединенных между собой граней, вписанных в условный куб или призму, в зависимости от эргономических характеристик и дизайнерских решений. Наиболее существенное ограничение заключается здесь в отсутствии задней грани, роль которой играет задняя грань корпуса сцены после того, как корпус интерфейса пользователя и корпус сцены совмещаются между собой, образуя полностью подготовленное к работе законченную систему.
Корпус сцены (2, фиг.1) вписывается во внутренний габарит корпуса интерфейса пользователя, и в свою очередь может выполняться без передней и верхней грани. Верхняя грань корпуса сцены не нужна потому, что на внутренней грани корпуса интерфейса пользователя установлена одна или более видеокамеры, а также один или более источник света, необходимые для видеофиксации процесса ручной манипуляции пользователем элементами сцены. В то же время допустимо отсутствие любой другой грани для снижения веса системы, экономии материалов, а также удобства доступа во внутреннее пространство корпуса сцены во время его обслуживания, для чего корпус сцены извлекается из корпуса интерфейса пользователя. Если отсутствие каких-либо граней в корпусе сцены препятствует надежному совмещению его с корпусом интерфейса пользователя, возможно применения жестких ребер в том месте, где должны сходиться отсутствующие грани. Отсутствие передней грани корпуса сцены объясняется необходимостью доступа ко всему его объему через вырезы для ручных манжет пользователя в передней грани корпуса интерфейса пользователя. Кроме того, отсутствующие грани обеспечивают свободный доступ во внутреннее пространство корпуса сцены для установки ее элементов и выполнения процедур гигиенической обработки в то время, когда корпус интерфейса и корпус сцены разъединены. В состав корпуса сцены может входить набор крепежных приспособлений, фиксирующих элементы сцены (3, фиг.1) для обеспечения пространственных отношений между ними как на старте решения когнитивной задачи, так и в любых промежуточных состояниях.
Две ручные манжеты (4, фиг.1) пользователя предназначены для сопряжения рук пользователя с внутренним пространством системы, образованном совмещением корпуса интерфейса пользователя и корпуса сцены, обеспечивая при этом эргономичный упор для рук и световую и визуальную изоляцию внутреннего пространства системы. В простейшем случае функции манжет могут выполнять вырезы в передней грани корпуса интерфейса пользователя, однако в этом случае пользователю необходимость постоянно держать руки на весу или опирать их на нижние ребра выреза, что может создавать риск нарушения кровообращения рук, перегрузку мышц и растяжение сухожилий.
Видеоэкран системы (5, фиг.1) обеспечивает просмотр пользователем тех действий, которые он выполняет при помощи рук во внутреннем объеме корпуса системы. Видеоэкран может быть установлен на передней или верхней гранях и может иметь угол наклона, обеспечивающий удобный обзор видеоизображения пользователем. Возможна установка двух или более видеоэкранов на различных гранях корпуса интерфейса пользователя. Установка видеоэкранов на корпус сцены не имеет смысла, так как только задняя его грань образует внешнюю поверхность корпуса системы в сборе.
На видеоэкран попадает изображение, полученное при помощи внутренней видеокамеры (6, фиг.1). Видеокамера устанавливается на заранее определенные места таким образом, чтобы положение рук пользователя и элементов сцены давало как можно более информативное изображение пользователю с точки зрения содержания познавательной задачи, решаемой во внутреннем пространстве системы. Наиболее очевидным местом установки видеокамеры является внутренняя поверхность верхней грани корпуса интерфейса пользователя, так как именно взгляд сверху вниз оказывается наиболее естественным для пользователя в ситуации использования системы для диагностики и развития когнитивных способностей человека. Возможно также использование двух или более видеокамер, установленных на любой внутренней поверхности корпуса интерфейса пользователя с тем, чтобы обеспечить трансляцию видеоизображения из различных ракурсов внутреннего пространства системы для обслуживания нескольких видеоэкранов, формирования составного или панорамного видеоизображения, сборку которых обеспечивает микропроцессорное устройство управления. Возможна также установка дополнительных видеокамер на внешние поверхности корпуса интерфейса пользователя для видеофиксации его мимики и двигательной активности, информация о которых может использоваться для интерпретации особенностей познавательной деятельности.
Уровень освещенности, необходимого для работы одной или более внутренних видеокамер, обеспечивает источник света (7, фиг.1), стационарно устанавливаемый на внутренней поверхности корпуса интерфейса пользователя. Для обеспечения равномерного освещения возможно применение нескольких источников света. Для создания световых эффектов может быть использовано микропроцессорное устройство управления.
Микропроцессорное устройство управления (8, фиг.1) предназначено также для формирования видеоизображения, поступающего с выхода одной или более видеокамер и передачи его на один или более видеоэкран пользователя и оператора. Основной функцией устройства управления является проведение пространственно-временных преобразований, дополнений или искажений видеоизображения в соответствии с инструкциями из базы данных диагностических и развивающих алгоритмов. Смысл этих действий состоит в том, чтобы управлять каналом визуальной коррекции движений пользователя во время выполнения когнитивной задачи, заданной базой данных диагностических и развивающих алгоритмов и составом элементов сцены, установленных в корпусе сцены. Например, изображение от видеокамеры передается на видеоэкран не непосредственно, а с некоторой задержкой, для выявления корректирующей роли зрительной обратной связи. В другом случае изображение может быть повернутым на некоторый угол для диагностики когнитивного стиля полезависимость-поленезависимость. Кроме того, устройство управления обеспечивает видеофиксацию действий пользователя для создания протокола и дальнейшего анализа полученных видеоданных. Первичный анализ видеоданных, заключающийся в отслеживании ключевых точек изображений и построении на их основе треков движения рук пользователя может осуществляться микропроцессорным устройством управления.
База данных диагностических и развивающих алгоритмов представляет собой программу для работы микропроцессорного устройства управления и выполнена как набор последовательностей действий или шаблонов описанных на формальных языках, включающих инструкцию пользователю, которая может быть выведена в текстовом и графическом виде на видеоэкран. В состав такой базы данных включаются также визуальные фильтры, трансформирующие изображение в соответствии с поставленной диагностической или развивающей задачей и набор заданий, которые могут быть выполнены пользователем. Другими составляющими базы данных диагностических и развивающих алгоритмов является набор управляющих последовательностей для изменения состояний источника света и алгоритмы выделения ключевых элементов видеоизображения, а также построения треков таких ключевых элементов как отдельных наборов данных, синхронизированных с действиями пользователя.
Пополнение базы данных диагностических и развивающих алгоритмов или коррекция ее содержимого возможно при помощи дополнительного модуля конструирования когнитивных задач.
Система работает следующим образом. Предварительно проводится подготовка корпуса сцены, который заполняется элементами сцены. Например, один из вариантов когнитивной задачи, эксплуатируемой с данной системой, представляет собой известную логическую задачу "Ханойская башня". Элементами сцены для этой задачи являются набор вертикально установленных стержней, фиксируемых на нижней внутренней поверхности корпуса сцены, и набор колец различного размера, которые надеваются на эти стержни. После подготовки сцены корпус интерфейса системы и корпус сцены, совмещаются между собой при помощи быстроразъемных соединений, образуя единую законченную конструкцию, готовую к взаимодействию с пользователем. В качестве второго примера возможно использование задачи, определяющей степень детализации восприятия человека. В этом случае в качестве элементов сцены выступает плоский или объемный объект, предварительно разрезанный на составные части. Набор этих частей выдается испытуемому в объеме корпуса сцены для последующей сборки в целостный объект, имеющий для испытуемого определенную смысловую нагрузку - плоскую или объемную форму, связный текст или изображение.
Пользователь вставляет одну или обе руки в корпус системы через манжеты и получает возможность ознакомиться с инструкцией, выводимой на видеоэкран системы. Ознакомившись с инструкцией, пользователь приступает к решению логической задачи, перемещая кольца с одного стержень на другой, в соответствии с выбранной им стратегией. В это время ведется видеофиксация этих действий, какое-либо пространственно-временное изменение видеопотока в соответствии с выбранным планом исследования, с последующим выводом на экран канала визуальной обратной связи.
В случае специально спланированных искажений видеоизображения мы можем получить ряд эффектов, которые демонстрируют когнитивные особенности пользователя и динамику преодоления им трудностей, создаваемых в канале визуальной обратной связи. Например, при повороте видеоизображения на некоторый угол, мы можем оценивать проявление когнитивного стиля полезависимость-поленезависимость. Введение в визуальный канал задержки по времени приводит к эффекту нарушения двигательной активности рук, что требует от испытуемого дополнительных усилий, что учитывается как дополнительная диагностическая информация. Переворот изображения на 180 градусов имитирует ситуацию известного психологического эксперимента с призматическими очками и т.д.
Фиксируемое видеоизображение может быть оценено как результат выполнения задачи при помощи специального протокола. Кроме того, фиксация трека ключевых точек, таких как кончиков пальцев испытуемого, а также характерные отметки на элементах сцены, может служить информацией об особенностях выполнения задачи, пригодной для дальнейшей автоматизированной обработки при помощи статистических методов.
После выполнения задания испытуемый может закончить работу, или перейти к новому заданию, которое оператор может инициировать подключением другого алгоритма из соответствующей базы данных.
Источники информации, принятые во внимание:
1. Патент RU 163902, МПК A63H 33/00. «Чудо-ящик» с обучающими играми. Опубл. 10.08.2016.