Оптическое устройство для объемного восприятия плоского изображения
OPTICAL DEVICE FOR VOLUME PERCEPTION OF A PLANE IMAGE

Изобретение относится к области когнитивного восприятия, к системам перспектив, учитывающим деятельность мозга при зрительном восприятии пространства предметов, и является оптическим средством, обеспечивающим объемное восприятие плоских изображений, при отсутствии бинокулярной диспарантности. Диапазон применения устройства охватывает применение его для наблюдения статических и подвижных изображений на широком ряде устройств вывода двумерного изображения от телевизоров и дисплеев до планшетов и смартфонов, а также фотографий и другой печатной продукции, в компьютерной графике, кино-, теле- и видеоиндустрии, системах контроля промышленных процессов, видеоконтроля охраняемых объектов, систем досмотра с применением рентгеновских установок.
Известно устройство «Спектральные сферопризматические очки» (патент на полезную модель №88542). Конструктивно устройство представляет собой сферопризматические очки, снабженные светофильтрами, отсекающими ультрафиолетово-синюю и сине-зеленую части спектра, уменьшающие эффект фототоксичности. Такой подход нарушает целостность цветового восприятия и не позволяет убрать влияние длинноволновой части спектра, что уменьшает степень объемности при восприятии плоского изображения.
Наиболее близким аналогом, принятым за прототип, является «Оптическая система объемного изображения» (патент на полезную модель №16873), включающая световой источник изображения и не менее трех прозрачных плоскостей, расположенных между глазом зрителя и световым источником изображения.
Недостатками данного устройства являются плохая эргономика, возникновение усталости глазных мышц и повышенное психологическое напряжение при работе, вследствие «рысканья» фокусировки глаз. Также не компенсируется главный механизм, мешающий объемному восприятию двумерного (плоского) изображения, а именно конвергенция глаз, создается система мнимых изображений, что мешает фокусировке глаза на изображении, создается размытость и нечеткость изображения, ограничивается поле зрения.
Задачей изобретения и техническим результатом является создание оптического устройства для объемного восприятия плоского изображения, имеющего хорошую эргономику для мобильного применения, широкое поле зрения, обеспечивающего главное условие объемного восприятия двумерного изображения, а именно деконвергенцию глаз и высокую четкость изображения.
Поставленная цель достигается тем, что оптическое устройство для объемного восприятия плоского изображения, расположенное между глазом наблюдателя и изображением, содержит две оптические низкодисперсные призмы, направленные основаниями друг к другу, и светофильтры с возможностью пропускания видимого излучения и подавления ближнего инфракрасного излучения, начиная с длинноволновой части видимого диапазона.
Светофильтры могут быть выполнены в виде интерференционных фильтров и наноситься непосредственно на поверхности призм. Призмы, выполненные сферическими, эргономически эффективны и легко интегрируются на различных монтировках, включая очковую оправу. Для универсальности применения призмы могут включать в себя сферические и цилиндрические корректирующие элементы. Для повышения эффективности и защиты поверхности, на призмы могут быть нанесены просветляющие или упрочняющие покрытия. Применение призм и фильтров может быть расширено путем размещения в любой комбинации на защитных оправах со щитками, мягких и жестких масках и шлемах для обеспечения работоспособности в специализированных применениях. В ряде случаев, включая подбор преломляющей оптики, призмы и фильтры, в комбинации с другими оптическими элементами, могут крепиться на юстируемых по всем степеням свободы кассетных держателях. Для комфортного применения в быту и на производстве, призмы с фильтрами могут быть выполнены в виде контактных линз.
Технический результат состоит в том, что с помощью уменьшения конвергенции глаз и нивелирования хроматических перспективных признаков обеспечивается наиболее полное объемное восприятие обычного плоского изображения без дополнительных модификаций и вне зависимости от способа представления последнего.
На фиг. 1 представлена общая конструкция устройства, а на фиг. 2 представлен вариант со сферическими призмами и нанесенными на их поверхность фильтрами.
Суть изобретения и его конструктивные особенности поясняются на фиг. 1, где указан источник изображения 1 в виде двумерного плоского изображения на экране монитора, оптические низкодисперсные призмы 2, расположенные перед глазами наблюдателя, основаниями призм друг к другу, условный наблюдатель 3, линии направления лучей зрения 4, светофильтры ближнего инфракрасного излучения 5, под 6 обозначено межзрачковое расстояние, а под 7 - расстояние максимального комфорта для наблюдения двумерного плоского объекта заданного размера.
На фиг. 2 представлен вариант устройства со сферическими призмами 2 и интегрированными светофильтрами ближнего инфракрасного излучения 5, дополненными просветляющими и упрочняющими покрытиями, остальные обозначения совпадают с таковыми на фиг. 1.
Устройство выполнено следующим образом. Глаза наблюдателя 3 смотрят на изображение 1, расположенное достаточно близко, на расстоянии 7 так, что лучи зрения 4 (справа) образуют явно выраженный треугольник. Расположенные между глазами наблюдателя 3 и источником изображения 1 оптические низкодисперсные призмы 2 позволяют изменить направление угла зрения, не вводя дополнительные хроматические искажения, при этом лучи зрения становятся близки к параллельным 4 (слева), как при рассматривании удаленного предмета (на бесконечности). Таким образом уменьшается или устраняется конвергенция глаз. Перед призмами расположены интерференционные светофильтры ближнего инфракрасного излучения, которые уменьшают хроматические аберрации в длинноволновом диапазоне и способствуют улучшению объемного восприятия плоского изображения. Угол поворота определяется расстоянием максимального комфорта для наблюдения 7 и межзрачковым расстоянием 6. Граница пропускания интерференционного светофильтра определяется границей диапазона видимого излучения.
Пространственная (объемная) визуализация данных является достаточно сложной и трудозатратной, если принять за основу стереоскопическую систему. Необходимо обеспечить две точки зрения и продублировать все системы визуализации. Дублирование современных средств регистрации изображений и визуализации процессов - тепловизоров, теневых и интерференционных систем, высокоскоростных камер и сопутствующих систем не всегда оправдано и даже не всегда возможно. Это, как минимум, требует систем и устройств пространственной и временной синхронизации, наличия свободного пространства для размещения дополнительного оборудования, систем обработки и визуализации данных регистрации, что усложняет и удорожает комплекс визуализации многократно.
Обычно данные экспериментально-численной визуализации выводятся на экран монитора в двумерном виде. Зрительное восприятие по двум пространственным измерениям не вызывает особых затруднений, так как каждую точку двумерной сцены можно отобразить в точку на поверхности сетчатки глаза. Намного сложнее дело обстоит с восприятием глубины и расстояния до объекта, так как при этом задействуются специальные механизмы восприятия и обобщения пространства. Главными являются аккомодация (фокусировка глаза), конвергенция (сведение глаз на точку в трехмерном пространстве), мозговая деятельность (психология зрительного восприятия). В то же время, трехмерное представление, в большинстве случаев, способствует более адекватному восприятию данных визуализации. При визуализации данных численного моделирования не возникает особых проблем формирования данных с нескольких углов зрения и использования их в дальнейшем для получения стереоизображения на основе широко распространенных методов, как-то: затворные системы, анаглифные системы, поляризационные системы.
Данное устройство обеспечивает частичное или полное уменьшение конвергенции глаз, то есть исключение механического индикатора расстояния и активное задействование средств зрительного опыта и психологии зрительного восприятия для дополнения двумерного пространства информацией о глубине или расстоянии до объекта и его протяженности. Для передачи мозгу информации о глубине привлекается ряд чисто изобразительных признаков - перспективное искажение, градиент текстуры, принцип затенения [Грегори Г.Л., Разумный глаз: Пер с англ. Изд. 2-е. - М.: Едиториал УРСС, 2003], макроконтраст, возвышение над горизонтом, атмосферная перспектива, дисперсионная перспектива, микроконтрастная или текстурная перспектива, динамика саккадических движений глаза в процессе исследования образа сцены как особенность перцептивно-моторного взаимодействия. Все эти признаки относятся к когнитивным факторам, способствующим восприятию и изображению пространственных отношений в различных системах отображения [Когнитивная психология. Учебник для вузов / Под ред. В.Н. Дружинина, Д.В. Ушакова - М.: ПЕР СЭ, 2002].
Для того, чтобы задействовать скрытую в когнитивных факторах визуализации информацию, разработано оптическое устройство, обеспечивающее уменьшение конвергенции глаз. При снятии мышечной информации о расстоянии до предмета у большинства людей (по статистике до 92%) происходит активное когнитивное восприятие по топологической обработке пространственной информации [Антипов В.Н., Жегалло А.В. и др. 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]. Основными моментами, способствующими определению глубины пространства, являются перспективное искажение и связанный с ним градиент текстуры, принцип затенения [Гончаров О.А. Восприятие пространства и перспективные построения. СПб.: СПбГУ, 2007], возвышение (как эквивалент глубины по отношению к горизонту) [Раушенбах, Б. В. Пространственные построения в живописи / Б.В. Раушенбах. - М.: Наука, 1980].
Разработанное устройство служит для объемной визуализации плоских изображений, которая базируется на уменьшении конвергенции, для чего используются призматический (дивергентная дезаккомодация) и спектральный компоненты (фиг. 1). Данный аспект базируется на работах Антипова В.Н. [Антипов В.Н., Щербаков B.C., Чугунов А.В. Экспериментально-физический подход в методике развития интуиции синергетически-когнитивной образно-структурированной зрительной системы // Учен. зап. Казан, ун-та. Сер. естест. науки. - 2009. - Т. 151, кн. 1. - С. 188-195], в которых выявлена возможность полноценного объемного восприятия образов плоских изображений и показано, что данная особенность зрительной системы способствует развитию интуитивно-креативного мышления. Пространственный рельеф изображения формируется мозгом на основе предшествующего опыта. Важно отметить, что аккомодация глаза оказывает слабое влияние на пространственное восприятие.
Особенность устройства заключается в том, что один только призматический компонент, уменьшая конвергенцию глаз, не до конца устраняет признаки плоскостности изображения. Для более полного восприятия объемности плоского изображения применены высокочастотные фильтры, аналогичные фильтрам, установленным перед цветными фотоприемными матрицами. Принцип действия фильтров состоит в подавлении низкочастотных оптических компонент, начиная с границы видимого диапазона оптического спектра, и пропускании высокочастотных компонент. Применение высокочастотных фильтров позволяет уменьшить влияние нескольких факторов: длинноволновое рассеяние, повышенные сферические аберрации, дисперсионную или хроматическую перспективу, поперечную хроматическую аберрацию.
Человеческий глаз обладает повышенной сферической аберрацией на длинноволновом участке видимой части оптического спектра, включая и ближний инфракрасный диапазон. Глаз взаимодействует не столько с микроконтрастом изображения, сколько с низким, по сравнению с разрешающей способностью глаза, оптическим разрешением существующих средств вывода изображений. Психологически это заставляет воспринимать информацию о плоскостности изображения как значимую. Можно сделать вывод о необходимости уменьшения длинноволнового рассеяния.
Особенностью человеческого глаза также является значительная разница в преломляющей способности на красной и синей длинах волн. Проведение эксперимента для точечного источника на двух длинах волн - 400 нм и 750 нм показало, что разница в оптической силе достигает 2 и даже более диоптрий [Faubert, J. (1994) ‘Seeing depth in colour: More than just what meets the eyes’. Vision Research, 34 (9). pp 1165-1186]. Это, так называемая, продольная хроматическая аберрация оптической системы глаза. Синий свет преломляется сильнее и, за счет аккомодации глаза, кажется расположенным дальше от наблюдателя. Этот эффект известен еще художникам средневековья и активно используется с того времени в живописи, дизайне и рекламе [Milner D, Goodale М. The Visual Brain in Action. New York, NY: Oxford, University Press, 2006]. С точки зрения информации о глубине окрашенного предмета, данный эффект называется хроматической или дисперсионной перспективой. Примененные в разработанном оптическом устройстве для пространственного восприятия фильтры минимизируют указанный эффект.
Дополнительно к продольной хроматической аберрации, глаз обладает и поперечной хроматической аберрацией, возникающей вследствие того, что зрительная ось глаза не совпадает с оптической осью. Хотя эффект поперечной хроматической аберрации и выражен слабее, чем эффект продольной, но он влияет на положение или конвергенцию глаз, в зависимости от угла поворота глаз при саккадических движениях, и, потому, обеспечивает значительный вклад в информацию о глубине. При использовании дополнительных оптических устройств, данный эффект может быть выражен еще сильнее, за счет более сильного преломления синего света в оптических средах. Причем, в зависимости от знака призматичности используемой оптики, эффект хроматической аберрации глаза может быть усилен или нивелирован [Christian Ucke, 3-D VISION WITH CHROMADEPTH™ GLASSES // Proceedings of the International ICPE/GIREP conference ‘Hands-On Experiments in Physics Education’ August 23-28, 1998, Duisburg/Germany]. В нашем случае, при использовании отрицательных призм, к сожалению эффект усиливается. Именно для уменьшения эффекта дисперсионной перспективы [Lee Е.С., Lee J.W., Park K.R., Experimental investigations of pupil accommodation factors // Investigative Ophthalmology & Visual Science, 2011 Aug 17; 52(9):6478-85], которая вводит искажение в интерпретацию глубины пространства рассматриваемого двумерного изображения пространственной сцены, и применяются интерференционные светофильтры ближнего инфракрасного излучения [Lourdes L., OD, Luis Diaz-Santana, David Lara-Saucedo, Susana M. Aberrations of the Human Eye in Visible and Near Infrared Illumination // OPTOMETRY AND VISION SCIENCE (American Academy of Optometry), VOL. 80, NO. 1, January 2003, PP. 26-35].
Важно отметить, что несоответствие перспективных изображений прямоугольной сцены на близком расстоянии, наблюдаемой разными глазами, компенсируется механизмом константности восприятия [О.А. Гончаров, Закономерности восприятия и изображения перспективных отношений // Психологический журнал Международного университета природы, общества и человека «Дубна». 2009. №4] и не вносит дополнительных искажений на пространственное восприятие.
Рекомендации по использованию устройства основаны на опыте применения макета, в котором оптические элементы были интегрированы в очковую оправу. Применение вышеуказанного оптического устройства в виде призматических очков, с основаниями призм, ориентированными к носу, и нанесенными на них в виде многослойных покрытий, интерференционными фильтрами ближнего инфракрасного излучения, позволяет получить технический результат в виде обеспечения естественного зрительного когнитивного восприятия пространства предметов, их соотношений и глубины пространства без искажений. Интерференционные фильтры, естественно, комбинируются с обычными просветляющими и упрочняющими поверхность покрытиями, что позволяет сохранить эргономику обычных очков и практически не удорожает производство.
При использовании оптического устройства для объемного восприятия плоского изображения отмечается некоторое увеличение размера экрана монитора и, соответственно, отображаемых на нем данных. Поэтому, для более точного восприятия глубины на изображении следует использовать мониторы высокого разрешения - не менее 100 пиксел на дюйм, или не менее 4 линий на миллиметр. То есть мониторы с соотношением сторон 16:9 и диагональю до 22" должны иметь разрешение HD (1920×1080 пиксел), а мониторы с большей диагональю - QHD (2560×1440 пиксел). Начиная с диагонали 37" минимальным требованием по разрешению становится так называемое 4К или UHD, что соответствует 4096×2160 или 3840×2160 пиксел. Точно такое же требование, а именно - соответствовать разрешению монитора, предъявляется и для отображаемых данных. Уменьшение разрешения монитора или данных приводит к тому, что заметность пиксельной структуры начинает играть роль деструктора текстурного признака глубины и, следовательно, нарушать пространственность восприятия.
Устройство просто в эксплуатации и приспособлено для использования неподготовленным человеком. В связи с широким диапазоном применения, на ряде устройств вывода двумерного изображения от телевизоров и дисплеев до планшетов и смартфонов, требуется подбор параметров устройства. Подбор параметров преломляющих призм крайне прост - определяется расстояние максимального комфорта для данного устройства вывода изображения, что определяет высоту треугольника зрения. Основанием треугольника является отрезок между зрачками условного зрителя. Размер межзрачкового расстояния обычно составляет от 58 до 68 мм; расстояние максимального комфорта для смартфона примерно 250 мм, соответственно применяются призмы силой -10…-12 диоптрий. Для дисплея расстояние максимального комфорта составляет примерно 0.8-1.0 м и применяются призмы -3…-4 диоптрии. Для телевизора, или большого монитора размером более 60" по диагонали и расстоянии максимального комфорта в 2.5-5.0 м применяется очковая призма оптической силы примерно -1 диоптрия.
Представленное оптическое устройство для объемного восприятия плоского изображения было произведено в виде макета и апробировано в реальных условиях (как одно из подтверждений применимости и работоспособности изобретения).
Было произведено несколько образцов как чисто призматических очков с фильтрами (-2.0…-8.0 дптр), так и сложных очков сфера-цилиндр-призма (сфер. -5.0…+3.0 дптр, цил. -2.5…+1.0 дптр) с интерференционными полосно-пропускающими фильтрами (390-670 нм) на разные диапазоны применимости по размеру источника исходного статического и движущегося изображений, и, соответственно на разные расстояния комфортного зрения для данных устройств - от 25 см до 5 м.
Медицинские аспекты применения данного устройства специально не исследовались, так как существует богатая практика применения схожих с ними бифокальных сферопризматических очков (БСПО), предложенных Ю.А. и Е.В. Утехиными в 1959 году [Утехин Ю.А., Цамерян А.П. Метод профилактики и стабилизации близорукости с помощью бифокальных сферопризматических очков (БСПО). Международный симпозиум "Близорукость". Патогенез, профилактика прогрессирования и осложнений. М.: 1990. С. 109, 110]. Данная практика показывает, что уменьшение или полное снятие конвергенции оказывает расслабляющее действие на мышечный аппарат глазного яблока, способствует снятию спазма аккомодации и может быть рекомендовано для профилактики нарушений зрения, особенно у детей.
Испытания устройства были проведены с участием 6 перципиентов как с нормальным зрением, так и с различными нарушениями. Во всех случаях отмечен большой положительный эффект - при работе по построению пространственных моделей в САПР (системах автоматизированного проектирования), построению 3-мерных сеток для моделирования обтекания потоком газа летательных аппаратов (ЛА) и его элементов, визуализации результатов моделирования, в исследованиях по обработке и визуализации данных реального аэрофизического эксперимента по обтеканию ЛА и его элементов потоками газа на различных, в том числе и высокоэнтальпийных, стендах. Значительный положительный эффект достигнут при обработке данных визуализации летного эксперимента. Также положительный эффект наблюдается при просмотре развлекательного и познавательного контентов - изображений, фотографий, слайд-шоу, фильмов и даже мультфильмов.
Отмечено повышение микроконтраста изображений сверхвысокой четкости (на 4К 3860×2180 пиксел устройствах) вследствие уменьшения хроматической аберрации и некоторого рассеяния на больших длинах волн.
Было отмечено, что в некотором, малом, количестве случаев регистрировалось отсутствие восприятия объемности изображения. После нескольких сеансов тренировки по дивергентной дезаккомодации по А.И. Дашевскому [Ватченко А.А. Спазм аккомодации и близорукость. Киев, "Здоров’я", 1977], пространственное восприятие улучшилось. В одном случае было зафиксировано полное отсутствие положительного действия устройства, но как оказалось впоследствии, у данного перципиента имелось медицинское заключение о врожденном отсутствии бинокулярного зрения (отсутствие стереопсиса), а следовательно, и пространственного восприятия.
Устройство может быть востребовано на системах контроля и досмотра без какого-либо изменения конструкции рентгеновских установок, исключая необходимость в сложных тренингах персонала по выявлению глубины залегания предметов на визуализируемой сцене и при сохранении существующих псевдоцветовых палитр. Это относится к устройствам, где создание стереоскопического двухканального варианта построения пространственного изображения практически невозможно.
Таким образом, устройство, устраняя информацию о двумерности плоского изображения за счет деконвергенции глаз и уменьшения влияния хроматических длинноволновых признаков глубины, обеспечивает объемное восприятие плоского изображения, большую четкость и высокий уровень различимости деталей. При этом оно имеет удобную эргономику, не уступающую свойствам обычных очков. Подтверждена применимость и работоспособность данного устройства в полном соответствии с техническим результатом.