СПОСОБ ВЫЯВЛЕНИЯ ДИАПАЗОНА УСЛОВИЙ ВОСПРИЯТИЯ ГЛУБИНЫ ОБРАЗОВ ПЛОСКОСТНЫХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
METHOD OF DETERMINING RANGE OF CONDITIONS FOR PERCEPTION OF DEPTH OF PLANE IMAGES

Изобретение относится к оптике, стереоскопии, физиологии, психологии, когнитивной науке, экологии человека и может быть использовано в нейронауке, экспериментальной психологии, нейрофизиологии, технологиях обучения и образования.
Известно, что механизм стереоскопического зрения, бинокулярная диспарантность основаны на анализе трехмерных сцен, полученных со смещением точки наблюдения [1]. В том случае, если в поле зрения попадает плоскостное изображение, то изобразить на плоскости все бинокулярные признаки нельзя [2]. Получаемые эффекты глубины за счет монокулярных признаков существенно меньше, чем при восприятии стереоглубины двух (и более) стереограмм при их наложении.
Известно, что тренинг наблюдения стереоскопической глубины стереограмм, стереопроеций в условиях их наложения развивает способность трехмерного восприятия изображений на плоскостных носителях [3-5]. Наложение проекций осуществляется при концентрации взгляда вне плоскости расположения стереограмм. Если точка концентрации располагается перед стереограммой, то происходит сведение направления правого и левого глаза в точку, расположенную между глазами и стреограммой. Второй вариант - точка концентрации направления осей фиксируется за плоскостью стереограммы. 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 [3, 4] устранены физические и технические противоречия. Это необходимость для трехмерного восприятия использование двух стереоскопических проекций и применение либо условий наложения проекций, или иных технических приспособлений, направляющих в правый и левый глаза стереоскопические проекции. В завершающей стадии тренинга на одной плоскостной проекции наблюдаются эффекты пространственной перспективы образов [4]. По субъективным признакам эффекты глубины на одной проекции не меньше, чем стереоскопическая глубины при наблюдении стереопары.
Известен субъективный метод выявления способности трехмерного восприятия плоскостных изображений [6]. 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 [7]. Испытуемому предъявляется стимульный материал в виде плоскостных изображений, стереограмм, растровых 3D-изображений. На бинокулярном айтрекере за время воздействия стимульного материала регистрируется направление концентрации взгляда правого (Ra) и левого (Le) глаза, определяются Х-координаты, строятся динамические ряды Х-координат, разности ΔХ=X-X, спектрограммы рядов, контура гистограмм разности, определяется местоположение максимума контура гистограмм разности. Способность трехмерного восприятия выявляется из условия, когда при его восприятии ΔХ≠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. Это метод выбран прототипом.
Известно, что если при решении изобретательской задачи удается устранить технические и физические противоречия, то такие изобретения подпадают под высший уровень классификации и способны структурировать новую отрасль техники [8]. В изобретениях [3, 4] в завершающем этапе процесса тренинга эффекты глубины и объема воспринимаются на одиночной проекции. Следовательно, нет необходимости применения стереоскопических проекций, осуществления направления их в правый и левый глаз. Экспериментальные данные показывают, что эффекты глубины на одной проекции не меньше, чем стереоскопическая глубина на двух (и более) стереоскопических проекциях. Техническими элементами в упоминаемых изобретениях является, как минимум, зрение.
Задачей изобретения является расширение показателей, характеризующих способность восприятия глубины, объема плоскостных изображений.
С
А
Ra
Le
С
А
,
q
q
q
q
q
Max
q
Max
q
q
q
q
q
q
q
q
q
q
Задача достигается выбором такого плоскостного изображения ПИ  во-первых, с субъективным восприятием эффектов глубины, проверкой восприятия эффектов глубины с получением динамических рядов направления взора по Х-координатам правого (Ra) и левого (Le) глаза, с выявлением состояний X≠X и подтверждением восприятия глубины образов, во-вторых, с содержанием артефактов динамических рядов Х координат в виде кратковременных (Δt) выбросов амплитуды показаний с размахом в  n раз больше среднего значения динамического ряда, а на спектрограммах регистрацией состояний со всем набором частот, после чего за время наблюдения ΔТ построением динамических рядов Х и У координат для правого и левого глаза, разностей координат ΔX, ΔY, получением спектрограмм всех динамических рядов, построением контуров гистограмм разности ΔX, ΔY, определением местоположения максимумов контуров (ΔX) и (ΔY), значений ΔX, ΔY при максимальной ширине контуров на уровне основания Max (ΔX) и Max (ΔY), вычислением расстояния Н до плоскости воспринимаемого изображения, выбором интервала времени Δτ, в которых регистрируются артефакты, для них построением изменений Х и Y координат для правого и левого глаза, разностей координат, при возникновении условий, когда ΔX≈d или ΔY≈d, то фиксацией состояний сингулярности в вычислении Н, определением временных интервалов возникновения состояния сингулярности и их количество за время наблюдения ПИ выбором временных интервалов Δt вне состояний артефактов, построением для них фрагментов динамических рядов Х и Y координат для правого и левого глаза, разностей ΔX, ΔY получением для этих условий значений Н, объединением двух состояний восприятия с учетом показаний ширины контуров гистограмм разности Max (ΔX) и Мах (ΔY) и нахождением диапазонов изменения глубины восприятия образов плоскостного изображения,
1
2
Le
Ra
Ra
Le
где ΔX=X-X или ΔХ=X-X, q=1,2,
1
2
Le
Ra
Ra
Le
ΔY=Y-Y или ΔY=Y-Y, q=1,2,
q
С
А
Н=h d/(d-ΔX), d - расстояние между зрачками глаз, h - расстояние от глаз до изображения ПИ.
С
А
С
А
1
1
1
1
1
На фиг.1-фиг.15 представлен принцип применения способа. На фиг.1 показано плоскостное фотоизображение каменной плитки ПИ. Оно выводится на экран монитора компьютера бинокулярного айтрекера на расстоянии h от глаз. Начало координат находится в левом верхнем углу монитора. На фиг.2 показаны динамические ряды по X-координате (фиг.2-I) и Y-координате (фиг.2-II) левого глаза. По вертикальной шкале откладываются относительные значения координат, по горизонтальной ΔT - время регистрации или наблюдения изображения. Аналогичные показатели для правого глаза представлены на фиг.3. Динамический ряд по разности координат ΔX и ΔY получен на фиг.4. Для Х-координат - это фиг.4-I, по Y-координате - фиг.4-II. Фиг.4-I относится к подтверждению состояния восприятия глубины изображения фиг.1, при котором разность ΔX≠0. Это первое требование к выбору изображения. Второе требование - наличие артефактов восприятия - это вертикальные выбросы на диаграмме динамического ряда записи Х-координат (фиг.2-I и фиг.2-II). Спектрограммы динамических рядов разности ΔX и ΔY приводятся на фиг.5. По горизонтальной шкале откладывается время записи ΔТ восприятия изображения, по вертикальной - частотный состав динамических рядов. Верхний рисунок фиг.5-I получен для Х-координат, нижний фиг.5-II - по показаниям Y-координат. Черные вертикальные линии показывают наличие синхронного движения правого и левого глаза, но происходящие с определенной временной задержкой и с различной амплитудой по правому и левому глазам. Они относятся к состояниям наблюдаемых артефактов, т.е. второму условию для выбора изображения ПИ. По значениям спектрограмм (и яркости заполнения диаграммы) динамических рядов для Х и Y - координат видно отличие частотного фона в области до 10-15 Гц. На записи динамического ряда, спектрограммах наблюдается до 10 случаев появления артефактов.
1
1
q
Max
q
Max
q
q
,
q
С
А
С
А
На верхней диаграмме фиг.6-II построен контур гистограммы разности по Y-координате, а на нижней фиг.6-I по Х-координате. По горизонтальной шкале даны значения разностей ΔX и ΔY в см, по вертикальной - количество отсчетов каждого значения разности координат. Вертикальной белой линией обозначено местоположение максимумов контур - (ΔX) и (ΔY). На диаграмме для Y-координаты черной короткой линией показано нулевое значение горизонтальной шкалы. Контура фиг.6 позволяют определить весь диапазон изменения разности координат между правым и левым глазом. Это значения на уровне основания контуров гистограмм разности фиг.6 - Max (ΔX) и Max (ΔY). Они включают значения от правого крыла контура для Y координат и доходит до левого крыла контура для Х координат. Контура гистограмм разности располагаются в области отрицательных значений горизонтальной шкалы. Отрицательные значения разностей показывают, что показания для левого глаза всегда меньше, чем для правого. Стрелки на левом крыле контура фиг.6-I показывают значение разности, равное 6,4 см, при котором выражение для вычисления расстояния Н, т.е. до местоположения воспринимаемого изображения становится бесконечно большим. Расстояние Н определяется по ранее представленной формуле. Расстояние Н - это расстояние до плоскости воспринимаемого изображения от плоскости расположения ПИ  т.е. до той области, в которой правый и левый глаз концентрируются в точку. Оно находится из равносторонних треугольников, в основании которых расположены расстояние d между зрачками правого и левого глаза и разность ΔX, а высотой являются расстояние от ПИ - до точки соединения правого и левого глаза - это Н и сумма H+h.
q
q
Ra
Le
С
А
Условие, когда d=ΔX - это состояние сингулярности и перенесение плоскости воспринимаемого изображения на бесконечно большие расстояния. Фиг.7 иллюстрирует состояние изменения расстояния Н при различных соотношениях величины ΔX и d. По вертикальной шкале откладывается Н, по горизонтальной - ΔХ=X-X. Все, что располагается левее вертикальных стрелок фиг.6-I, характеризует расположение плоскости воспринимаемого изображения в направлении от плоскости ПИ к глазам наблюдателя. На фиг.7 - это отрицательные значения Н.
2
2
2
Изменение показаний Х и Y координат правого и левого глаз, их разности в течение ≈100 мс в условиях наблюдения сингулярности показано на фиг.8 (Х-координата), фиг.9 (Y-координата) и фиг.10 (разности ΔХ и ΔY). На фиг.8 и фиг.10 вертикальными стрелками указаны показания для Х координат, разности ΔХ, когда появляются условия сингулярности. Шкала диаграмм фиг.8, фиг.9, фиг.10 получена по числовым рядам показаний X.Y - координат с учетом разрешающей способности монитора, айтрекера.
С
А
С
А
.
На фиг.11 (Х-координата) и фиг.12 (Y-координата) показаны значения расстояний Н (вертикальная шкала диаграмм) до плоскости воспринимаемого изображения. Расстояние Н отсчитывается от местоположения экрана монитора айтрекера, на котором находится изображение ПИ  Отрицательные значения Н показывают, что плоскость воспринимаемого изображения располагается в направлении от плоскости монитора к глазам. Состояние сингулярности получено только для Х-координаты, его местоположение указано вертикальными стрелками (фиг.11). Диаграммы на фиг.11 и фиг.12 показывают изменение расстояний от плоскости расположения изображения ПИ (т.е. от экрана монитора) до плоскости воспринимаемого изображения.
1
1
С
А
Показания Х и Y - координат, разности ΔX и ΔY вне условий артефактов за временной интервал ≈100 мс показаны на фиг.13-фиг.15. Положительные значения разности (фиг.15) свидетельствуют, что плоскость воспринимаемого изображения располагается между плоскостью монитора и глазами, а отрицательные значения попадают в диапазон, находящийся за плоскостью ПИ. На вертикальной шкале фиг.13, фиг.14, фиг.15 откладываются показания Х, Y - координат в единицах числовых массивов. Пересчет в расстояния Н проводится с учетом разрешающей способности монитора айтрекера.
Способ работает следующим образом. Для регистрации Х и Y - координат направления взора выбирается айтрекер SMI HiSpeed в бинокулярном режиме (частота регистрации 500 Гц) и изображение, на котором по субъективному мнению испытуемого наблюдаются эффекты глубины и объема. Изображение экспонируются на 19” ЭЛТ мониторе ViewSonic 90Gf, расположенном на расстоянии h=58 см от глаз наблюдателя (разрешение 1280×1024 пикселей; 38 пикселей/см). Время экспозиции ΔT составляло от 15 до 150 с, расстояние между зрачками правого и левого глаза d=6,4 см.
С
А
На экран монитора выводится изображение ПИ (фиг.1). Регистрируются X, Y координаты направления взора правого (Ra) и левого (Le) глаз. Для каждого глаза строятся динамические ряды. На фиг.2 показан динамический ряд левого, на фиг.3 - правого глаз. Цифрой I обозначен ряд по Х-координате, цифрой II - ряд Y-координаты.
1
1
1
1
1
1
С
А
Динамические ряды выбранного изображения должны состоять из стационарных участков и артефакторов как импульсных кратковременных режимов движений глаз. Импульсные режимы для правого и левого глаз имеют различную амплитуду. По динамическим рядам Х и Y координат вычисляют динамические ряды разности ΔX и ΔY (фиг.4). Для всех динамических рядов получают спектрограммы (фиг.5), строят контуры гистограмм разности ΔX и ΔY (фиг.6). Первое необходимое условия выбора изображения ПИ как объективный показатель восприятия глубины - это наличие условия ΔX≠0 или ΔY≠0 показано на фиг.4 и фиг.6. Второе условие - это наличие артефактов видно из записи динамических рядов фиг.2-фиг.4 как выбросы амплитуды с размахом в 2-3 раза больше среднего значения и спектрограмм фиг.5, на которых те же выбросы состоят из вертикальных полос темного и белого оттенка.
1
1
Контур гистограммы разности ΔX показывает (фиг.6-I), что интервалы изменения параметра ΔX доходят до значений, по абсолютной величине более чем 6,4 см. Для вычисления глубины восприятия используется параметр Н. Формула для вычисления Н была представлена раньше.
q
q
q
.
С
А
С
А
С
А
Сингулярность в вычислении Н возникает тогда, когда знаменатель в определении Н (6,4-ΔX)=0. При таких условиях плоскость воспринимаемого изображения располагается в бесконечности. При переходе в области (6,4-ΔX)<0 или 6,4<ΔX - происходит инверсия расположения плоскости воспринимаемого изображения на участки в минус удаленные расстояния по отношению от плоскости расположения ПИ  В результате, в областях малых величин от значения 6,4 см возможны состояния с наличием плоскости воспринимаемого изображения как в положительных, так и в отрицательных направлениях от плоскости ПИ. Происходит заполнение всего пространства от плоскости ПИ объемным содержанием образов выбранного изображения (фиг.7) как в положительном, так и в отрицательном направлении. Таких состояний на фиг.5 наблюдается не менее 10 раз. Сингулярность в вычислении расстояния до плоскости воспринимаемого изображения возникает только для показаний Х-координат в области, указанной на фиг.6-I стрелками.
Диаграмма фиг.8 показывает, что в области артефакта, движение правого (Ra) и левого (Le) глаза разнонаправлено. Взгляд правого глаза смещаются на 5-6 см, а левый глаз сдвигается на величину 30-32 см. По Y-координате, глаза двигаются синхронно (фиг.9).
2
2
С
А
Первое состояние сингулярности возникает между четвертой и пятой точками диаграмм (фиг.8, фиг.10). Дискретизация замеров координат проводилась с разрешением в 2 мс. По фиг.10 от первой до 4-й точки отсчета разность ΔХ сначала уменьшилась с 5 до 4,2 см, а на пятой достигла 9,6 см. Через 6 мс она уменьшилась до 3,8 см. Затем на 44 мс значения разности стали отрицательной величиной. Процесс длится ~80-90 сек. Затем вновь регистрируется достижение ΔХ значений 6,3-6,4-6,7-6,8 см (это второе состояние сингулярности) (фиг.10). В данном фрагменте, длительностью регистрации в 106 мс возникают два состояния сингулярности (фиг.10, фиг.11). В «формате» единиц расстояний до плоскости воспринимаемого изображения в первые 4 мс Н уменьшалось от 212 см до 110 см, затем после сингулярности на 8 мс переходило в область отрицательных значений до -584 см. Затем возвращалось на 84 см. Далее располагалась ближе к глазам, но не более чем на 47 см. В завершении цикла артефакта плоскость восприятия изображения перемещалась за плоскость ПИ с удалением на 26 и более метров. Приведенный фрагмент получен из состояний артефактов начала записи (фиг.5) в диапазоне до 15 сек. В таких условиях плоскость восприятия изображений за ≈100-120 мс охватывает диапазон, минимум, ±5-6 м.
Плоскость воспринимаемого изображения - это идеализированный вариант восприятия глубины образов плоскостного изображения. В это понятие необходимо внести поправку, в которой расстояния вычисляются не для всего изображения, а для отдельных распределений цветовой палитры. Плюс в анализе не учитываются возможные погрешности регистрации координат определения местоположений направления взора правого и левого глаза в состояниях сингулярности.
Из анализа распределения расстояний по Y-координате (фиг.9, фиг.12) следует, что местоположение восприятия образов располагается на расстояниях от плоскости монитора в глубину на +110 см и перед ним на 40 см.
Фиг.5 показывает, что подавляющее время восприятия изображения не включает состояний артефактов. В таких условиях по Х координате, главным образом, регистрируются превышение показаний для правого глаза над левым (фиг.13), что свидетельствует о расположении плоскости воспринимаемого изображения за плоскостью монитора (фиг.15). На фиг.15 разность по Х-координате не более 1,8 см. В пересчете на величину Н - это ≈23 см. По Y координате плоскость воспринимаемого изображения располагается перед экраном монитора на расстоянии от него в 11 см (фиг.14, фиг.15). За время регистрации фрагмента записи в ≈120 мс изменение показаний X, Y координат, следовательно, и их разностей приводит к тому, что плоскость воспринимаемого изображения (или глубина отдельных образов) охватывает интервал в 30 см (фиг.15).
q
Max
q
Max
С
А
За время ΔT в области максимума контура гистограммы разности (ΔY) (фиг.6-I), где концентрируется основная доля показаний Y координат плоскость воспринимаемого изображения располагается на расстоянии ≈120 см от плоскости монитора. Все показания, расположенные на левом крыле контура гистограммы разности для Х координат (фиг.6-II), увеличивают расстояние до местоположения плоскости воспринимаемого изображения. И там, где располагаются вертикальные линии, возникает состояние сингулярности в определении Н. По контуру, еще левее состояния сингулярности происходит инверсия местоположения и плоскость воспринимаемого изображения должна быть в направлении от плоскости экрана монитора к глазам. Правое крыло контура на уровне 0,01 от максимума (ΔY) доходит до значения разности ≈1,3 см или в пересчете на Н это ≈50 см. Следовательно, от плоскости ПИ в интервале за ним на расстоянии 50 см возникают лишь единичные значения восприятия глубины образов.
С
А
С
А
q
Max
Присоединение к контуру гистограммы разности по Х-координатам аналогичного контура по Y-координате (фиг.6-II) заполняет интервал этого промежутка. Совместный анализ контуров гистограмм разности показывает, что возможно заполнение восприятия эффектами восприятия глубины от удаленных расстояний как перед плоскостью расположения ПИ, так и на удаленных расстояниях за ним. Контура гистограмм разности фиг.6 показывают, что образуются максимумы расположения плоскости воспринимаемого изображения при разности: по ΔХ=4,49 см, по ΔY=1,68 см. При переводе (см. фиг.7) в Н они создают максимумы в концентрации плоскостей восприятия изображений на расстояниях 136 см (по Х координате) и 21 см (по Y-координате) от плоскости ΔY. На уровне в 0,9 максимума (ΔX) контура по направлению к левому крылу по Х координате расстояние Н доходит до значений 1102 см. При этом разность ΔХ=6,08 см. Кратковременно возникают состояния, когда ΔY становится положительной величиной и плоскости восприятия изображения располагаются перед ПИ на расстоянии до 26 см.
Представленный в изобретении материал показывает, что при восприятии плоскостного изображения возможно возникновение артефактов нестационарных состояний с появлением сингулярности в определении местоположения воспринимаемых эффектов глубины. В состоянии сингулярности возникает протяженное пространственное распределение образов плоскостного изображения от минус до плюс бесконечно удаленных расстояний. Длительность зарегистрированных артефактов, включающих состояние сингулярности, не выходит за пределы 20-30 мс. В условиях артефактов происходит интенсивное движение направления взгляда, в первую очередь, левого глаза. Правый глаз движется в разы меньше.
Во всех современных оптических системах используются элементы, присущие основным простейшим механизмам действия зрения. Более того, зрительная система относится к наиболее изученной деятельности мозга. И она может являться одним из «инструментов» изучения мышления. Выявленный феномен способности восприятия глубины и объема 2D-изображения относится к новому порядку обработки зрительной информации, мышления в техногенной среде обитания. Отдельные стороны решаемой задачи настоящего изобретения могут найти применение в технических решениях, моделирующих деятельность зрения, мышления.
Изобретение относится к оптике, стереоскопии, физиологии, психологии, когнитивной науке, экологии человека и может быть использовано в нейронауке, экспериментальной психологии, нейрофизиологии, технологиям обучения и образования.
Список литературы
1. Хьюбел Д. Глаз, мозг, зрение: Пер.с анг. - М.: Мир, 1990. - 239 с.
2. Раушенбах Б. Геометрия картины и зрительное восприятие. - СПб.: Азбука-классика, 2001. - 320 с., ил.
3. Пат. 2264299 RU. Способ формирования трехмерных изображений (варианты) / В.Н. Антипов - Опубл. 20.11.05; Бюл. №32.
4. Пат. №2391948. Способ развития стереоскопического зрения / В.Н. Антипов, А.В. Антипов - Опубл. 20.06.2010. - Бюл.17.
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. 2321034 RU. Способ определения степени адаптации зрительной системы человека / Антипов В.Н. и др. - Опубл. 27.03.2008. - Бюл. №9.
7. Антипов В.Н., Вахрамеева О.А, Галимуллин Д.З., Жегалло А.В., Хараузов А.К., Шелепин Ю.Е. Экспериментальное изучение ЗВ-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.
8. Г.С. Альтшуллер, Б.Л. Злотин, А.В. Зусман, В.И. Филатов. Поиск новых идей: от озарения к технологии,- Кишинев: КартяМолдовеняскэ, 1989. - 381 с., ил., табл.