Evaluating model of conditions for forming volumetric visual perception of flat images.pdf Введение Известно, что физиологически-физическими принципами действия естественно-природной зрительной системы человека являются бинокулярность и стереоскопичность. Биологи, физики и другие исследователи считают, что физическая основа восприятия глубины и объемности образов объектов окружающего мира - это формирование фокусирующими составляющими глаз двух смещенных изображений, получаемых на сетчатках [1, 2]. Ранее предполагалось, что если в поле зрения попадает плоское изображение, то оно не может иметь полноценного объемного восприятия [3. С. 120]. Отметим, что на уровне психического восприятия произведений живописи допускалась возможность «игнорировать наблюдение картины как плоского физического объекта» и воспринимать мир художника в пространственном построении, «а не как цветовые пятна на плоской поверхности» [2. С. 185]. Также исследователями показано, что при определенных условиях, например при движении плоского изображения, возможно восприятие трехмерной структуры, т.е. объемности изображения [4]. В последние десятилетия изучению движения глаз, а также процессам зрительного восприятия объемного изображения посвящено значительное количество работ [5, 6]. Так, в работе [7] изучен процесс восприятия объема с плоского экрана при просмотре видеофильмов. В нашей работе изучен феномен формирования объемного зрительного восприятия образов на плоских изображениях. С 2001 г. в Казанском государственном университете проводятся исследования по развитию полноценного объемного зрительного восприятия плоских изображений, называемого далее когнитивным, образно-структурированным зрительным восприятием (КОСЗВ) [8-13]. Разработана методика обучения, техническое обеспечение которой запатентовано Казанским университетом [8, 11]. Апробация исследований в формате образовательного проекта [13] показывает, что до 90% студентов и школьников (выборка более 600 человек) обладают способностью рельефного восприятия некоторых образов физической карты мира (http://www.karty-mira.ru). Субъективные показатели рельефного восприятия плоских изображений, особенно по цвету образов, как мы полагаем, относятся к начальным этапам развития КОСЗВ [12]. Поэтому можно предположить, что зрительная система современной молодежи уже приобрела первичные навыки воспринимать глубину различных цветовых распределений на плоских изображениях. Более того, предполагается, что «в настоящее время мы становимся свидетелями начального этапа радикальных изменений зрительного восприятия, происходящих в результате искусственно вызванных изменений в визуальной окружающей среде» [14]. Следует отметить, что однозначного восприятия направления вектора глубины относительно друг друга, например синего, красного и белого цвета не наблюдается. На рис. 1 показан тест - информационный плакат «медицинская аптечка» - красный и синий (в центре) кресты на синем фоне, белое кресло и белая рамка. Выборка из 51 человека показывает, что крест красного цвета воспринимают на дальнем плане относительно белого кресла 26 человек (51%). Для 21 человека (41%) красный крест воспринимается ближе, чем кресло. Не наблюдают эффектов рельефности 4 человека. Одной из возможных причин такого восприятия может быть выделение (или разделение) разных цветов на фон и образ. Иными словами, только около 8% выборки не обладают эффектами разделения по цвету образов плоских изображений. Семь человек из 20 (35%) утверждают, что при концентрации взгляда все образы на рис. 1 преобразуются в объемное изображение. Добавим, что ощущение концентрации взгляда является одной из отличительных особенностей КОСЗВ [12]. Представленные данные свидетельствуют, что у значительной части молодых людей (14-22 года) зрительная система подпадает под начальные условия развития КОСЗВ. Наличие эффекта рельефности по цветовым «пятнам» и ощущение концентрации взгляда позволяют высказать предположение, что сначала КОСЗВ может формироваться физиологическими условиями строения глаза с последующим усилением эффекта глубины образов, структуризацией вектора направления глубины на уровне обработки информации в нейронных сетях головного мозга. Иными словами, подпадать под условия психологического развития. Рис. 1. Тест на определение эффекта рельефности Мы допускаем предположение, что современная информационно-компьютеризованная окружающая среда, разнообразие плоскостных изображений, воздействующих на зрительное восприятие, выполняют функцию «инкубации вызревания мыслительной задачи» [15]. Под мыслительной задачей понимаем процесс переноса трехмерного восприятия (объемность, глубина, пространственная перспектива) с объектов окружающего пространства на образы плоскостных изображений. Методы исследований Физиологически-физическая компонента. В первой части настоящей работы на уровне рассмотрения физиологического строения глаз предпринята попытка построения оценочной модели первичных условий возникновения КОСЗВ. Остановимся на схематичном устройстве принципа действия глаза. Ограничимся хрусталиком, являющимся оптической линзой, и сетчаткой. Хрусталик фокусирует световой поток поля зрения глаз и направляет его на сетчатку. Сетчатка состоит из фоторецепторов (колбочки и палочки) и многослойной экранной структуры нервных клеток различного размера со своими соединительными отростками. В этом слое клеток производятся преобразование оптической информации с фоторецепторов в электрические сигналы и их последующая передача в нейронные сети мозга. Фоторецепторы располагаются на наиболее удаленной от хрусталика стороне сетчатки. Таким образом, прежде чем попасть на фоторецепторы, свет проходит через все остальные слои сетчатки. Толщина сетчатки в средней части составляет 0,35-0,5 мм, на краях уменьшается до 0,1 мм [16. С. 27], максимальная плотность слоя колбочек сосредоточена ближе к центральной части сетчатки. В центральной части сетчатки также имеется ямка фовеа с углублением диаметром 0,2-0,4 мм. Перед ямкой нет плотных экранных слоев клеток. Следовательно, если рассматривать один и тот же объект, но на различных участках поля зрения, то в обработке информации светового потока от него используется слой сетчатки с изменяемыми плотностью фоторецепторов и толщиной экранной структуры перед ними. Очевидно, что если перед фоторецепторами располагается экранный слой нервных клеток, неоднородный по трем направлениям, то во всех слоях сетчатки возможно возникновение дифракции светового потока [17]. Строгое математическое описание такого явления представляет сложнейшую математическую задачу [18, 19], поэтому упростим ее до получения только принципиальных ответов на вопрос о возможной причине возникновения эффекта рельефности в зависимости от цветовой раскраски образов и некоторых особенностей КОСЗВ, представленных далее. Теоретическое описание. Для теоретического описания дифракционных явлений на амплитудной прозрачной решетке используем дифракцию Фраунгофера. Она наблюдается на значительном расстоянии от отверстия или преграды. Одно из основных преимуществ использования дифракции Фраунгофера - инвариантность к положению объекта дифракции относительно плоскости регистрации. Простейшим для расчета и практически очень важным случаем является фраунгоферова дифракция на длинной прямоугольной щели шириной b. Пусть на щель нормально падает плоская монохроматическая волна с длиной волны X. Результирующее световое поле за щелью находится по принципу Гюйгенса как результат интерференции когерентных вторичных источников, исходящих из различных точек волнового фронта на щели [17. С. 293]. После вычисления интеграла и всех упрощений решение имеет вид: _ , sin а E = b-, а где введено обозначение: kb sin 6 %b sin 6 Угол 0 определяет направление распространения фронта волны относительно нормали к щели. Из (1) находится распределение для интенсивности света I по направлениям: ' = 10 (™]2, где I0 - интенсивность в направлении падающей волны. Практически можно считать, что максимумы располагаются посередине между соседними минимумами. Условие минимума а = m% можно также записать в виде известного соотношения: b sin 6 = mX. (2) Вывод формулы (2) основан на использовании свойств симметрии щели [17. С. 294] и применим при любых углах дифракции 0. Вид распределения интенсивности при дифракции на прямоугольном отверстии, полученный с применением численного моделирования, представлен на рис. 2. Перейдем к рассмотрению дифракции от круглого отверстия. Случай круглого отверстия на практике представляет большой интерес, так как все оправы линз и объективов имеют обычно круглую форму. При малых углах дифракции результирующее поле выражается через функцию Бесселя первого порядка ^1(а), где а = 2nRQ/X (R - радиус отверстия, 0 - угол дифракции) [17. С. 299]. Дифракционная картина имеет вид концентрических светлых и темных колец. Рис. 3. Распределение интенсивности по направлениям для различных длин волн: J - 770 нм; 2 - 580 нм; 3 - 510 нм; 4 - 475 нм Рис. 4. Зависимость положения первого минимума от ширины щели b для различных длин волн: J - 770 нм; 2 - 475 нм 1С 20 30 40 50 ео 70 60 90 100 Координата, отн ед Рис. 2. Распределение интенсивности на экране при дифракции на прямоугольном отверстии Распределение интенсивности по направлениям в зависимости от длины волны света представлено на рис. 3. Из соотношения (1) следует, что с увеличением длины волны наблюдаются размытие максимумов и изменение положений их центров. Также размытие наблюдается при изменении ширины щели (рис. 4). Дифракцию Фраунгофера при прохождении когерентного пучка через оптическую систему с достаточно малой угловой апертурой описывает преобразование Фурье. Следовательно, дифракционную картину можно считать физической интерпретацией преобразования Фурье. Действительно, любая оптическая система с помощью когерентных волн кроме изображения объекта, определяемого законами геометрической оптики, ставит ему в соответствие двумерный Фурье-образ на плоскости, определяемый законами дифракции. Знание основных свойств преобразования Фурье позволяет значительно упростить анализ закономерностей пространственного спектра и построить практически любую дифракционную картину [18. С. 37]. Существенное значение имеет свойство симметрии, являющееся одним из фундаментальных свойств дифракционных спектров. Наличие дополнительной симметрии в форме отверстия приводит к появлению соответствующей дополнительной симметрии и в картинах дифракции Фраун-гофера (рис. 5, 6). Рис. 5. Система квадратных отверстий Рис. 6. Преобразование Фурье от системы квадратных отверстий Приведенные упрощенные теоретические выкладки и численное моделирование по ним позволяют использовать их для объяснения дифракционных явлений объектов окружающей среды и наблюдаемых КОСЗВ особенностей объемного восприятия плоских образов в зависимости от цвета (т. е. длины волны) и от сеточного размера объектов. Полученные результаты Когнитивная образно-структурированная зрительная система развивается в результате взаимодействия человека с изображениями, полученными с применением современных компьютерных технологий, и наблюдения объектов в среде обитания [8-12]. Предполагается, что восприятие стереоскопической глубины в обучающих стереоскопических проекциях (ОСП) при осуществлении режима их наложения затем преобразуется в объемное восприятие образов любых плоских изображений. При этом происходит объединенное восприятие с учетом опыта построения глубины на пространственных объектах окружающей среды. Поэтому используем явления (возможно, дифракционные), наблюдаемые в окружающей обстановке. Выбор примеров из окружающей среды обусловлен тем, что необходимо применять образы, которые реально видит зрительная система любого человека. Пример 1. Свет включенных фар машин, прошедший через прозрачную занавеску (рис. 7). Рис. 7. Пример изображения света фар движущейся машины, наблюдаемого через прозрачную занавеску Внешний вид условий съемки показан на верхнем кадре. Съемка фонарей машин велась при настройке фотоаппарата от самых удаленных левых частей кадра до их исчезновения в правом участке поля зрения объектива. Имеются условия четкой картины света фар - это наиболее удаленные расстояния от занавески и фотоаппарата. Они расположены на левых кадрах. Свет каждой фары создает распределение по одному пятну по горизонтали и вертикали, справа и слева от центра. Всего наблюдается пять изображений фонаря. По мере приближения машины распределение изменяется и преобразуется в одиночное размытое изображение фонаря. Влияние плотности занавески на ее складках выражается в повышении резкости одного из двух изображений фонарей (четвертый снимок слева на первом верхнем ряду кадров). Складки хорошо видны на панораме места съемки. Если они становятся плотными (т.е. имеют черный цвет), как на правой части кадра, то свет от фонаря не проходит через них. В том случае, если уплотнение незначительное, структура распределения света фар может изменяться. Их становится семь, как на пятом слева кадре нижнего ряда. Уплотнение занавески приводит к тому, что она уже не является условно плоской, а образует объемную структуру. Фактически приведенные распределения света фар - это повторение структуры занавески, но в увеличенном масштабе. Если внимательно посмотреть на столбы, стоящие вдоль дороги, то видно, что они группируются по три. Пример 2. Второй пример показывает изменение изображения от света уличных фонарей (рис. 8). Прозрачная занавеска расположена перед фотоаппаратом. Съемка проводится при оптическом увеличении объектива фотоаппарата. Рис. 8. Пример изображения света уличных фонарей на прозрачной занавеске при оптическом увеличении объектов фотосъемки Ночное время, два фонаря, находящихся на различных расстояниях друг от друга. Левый кадр - минимальное увеличение, правый - максимальное. На крайнем правом кадре наблюдается четкая картина по вертикальному и горизонтальному направлениям. Фотоаппарат настроен на левый фонарь, который расположен дальше. Правый фонарь в таких условиях не имеет четкой картины, а только размытый вид. Пример 3. Фотосъемка Луны через прозрачную занавеску, расположенную перед фотоаппаратом (рис. 9). Съемка проводится с изменением увеличения объекта. Когда увеличение максимальное, фотоаппарат начинает автоматически настраиваться, и изображение Луны выглядит от расплывчатого пятна до образования резких границ Луны (нижнее изображение). По нижнему кадру можно увидеть, что имеется сдвиг изображения вправо и влево, вниз и вверх. Отметим, что размер ячейки занавески значительно меньше, чем размер изображения Луны. Рис. 9. Фотографии Луны при съемке через прозрачную занавеску Расчетная часть показывает, что приведенные примеры относятся к дифракционным явлениям реальных объектов в окружающей среде на прозрачной решетке (занавеска). Возможно, они иллюстрируют Фурье-преобразование светового потока прозрачной занавеской как аналогом амплитудной прозрачной решетки. В общем случае дифракция зависит от соотношения размеров объекта и ячеек прозрачной решетки и наблюдается не только на источнике света, но и на отраженных световых потоках (пример 1, изображение столбов). Можно подобрать условия размера изображения объекта на периодике прозрачной решетки, когда наблюдается четкое двоение объектов по двум взаимно перпендикулярным направлениям. По дифракционной картине можно предполагать архитектуру строения дифракционной решетки. Характерные особенности КОСЗВ Применим методологию расчетов для моделирования реально наблюдаемых явлений к зрительной системе с объемным восприятием плоских изображений [12] (зрение близорукое -4D, наблюдение ведется без коррекции). Рассмотрим простейшее изображение, которое можно выполнить на экране монитора компьютера или на обычном листе бумаги. Выберем word, два восклицательных знака, шрифт размером 16 pt, построим четыре ряда символов. На рис. 10 показаны варианты построения символов, набранные в программе Adobe Photoshop. Именно так для когнитивного зрения происходит изменение восприятия двух восклицательных знаков по мере их удаления от глаз. Рис. 10. Варианты изменения КОСЗВ двух восклицательных знаков по мере их удаления от глаз когнитивной зрительной системы На расстоянии 25 см от глаз изображений два, и они резкие (рис. 10, а). По мере удаления знаков от глаз происходит двоение каждого знака и изменяется их интенсивность (рис. 10, b). На расстоянии ~ 40 см происходит слияние средних изображений (рис. 10, с). Изображений знаков становится три, среднее имеет наибольшую плотность, соизмеримую с интенсивностью первичных символов. На расстоянии 60 см - изображений четыре (рис. 10, d). На расстоянии приблизительно 80 см изображения размываются, на фоне листа их не видно. Данный пример доступен любому человеку с близоруким зрением. В зависимости от качества зрения будут меняться расстояния, но тенденция сохранится. На рис. 11 показано численное моделирование аналогичных символов текстового редактора. На рис. 12 - дифракционная картина от них. Моделирование проведено с применением упрощенных формул, приведенных выше. Рис. 12. Результаты дифракционной картины численного моделирования символов Рис. 11. Протяженные символы текстового редактора Приведем еще один наблюдаемый эффект КОСЗВ двух источников света (светодиоды) диаметром 2-3 мм. Светодиоды красного и зеленого цветов. На расстоянии 25-30 см границы от них резкие и они одного размера. По мере удаления от них сначала происходят размытие границ и изменение восприятия размера источников различных цветов. Далее вместо одного их становится больше (пять-шесть), и они распределены по окружности. Затем происходит их преобразование в одиночные размытые пятна различного диаметра. Аналогичное изменение восприятия каждого источника можно представить по нижнему ряду рис. 7. Обсуждение результатов физиологически-физической компоненты Перед началом обсуждения приведем пример технического решения формирования глубины на растровых объемных изображениях (http://www.master-3d.com). Известно, что построение глубины изображения для цилиндрических пластиковых растровых линз задается величиной смещения образов. Например, для изображения эмблемы Казанского университета (рис. 13) в растровом исполнении, чтобы белая надпись «КГУ» воспринималась ближе всех (как бы парила над остальными образами), величина смещения должна быть максимальной. На рис. 14 приведено изображение эмблемы после применения обработки различных слоев с помощью специального программного обеспечения. Таким образом, техническое решение получения построения глубины на пластиковых линзах (растрах) основано на величине смещения образов и применении периодики растровых линз. Сравнение численного моделирования дифракционной картины (рис. 12) с реально наблюдаемым распределением (рис. 10, с, d) для когнитивной зрительной системы позволяет предположить влияние дифракционных явлений в экранном слое нейронов сетчатки на формирование объемного восприятия образов плоских изображений. Добавим, что примеры, показанные на рис. 7-9, наблюдаются и для КОСЗВ при рассматривании плоских изображений. Рис. 13. Эмблема Рис. 14. Эмблема перед склейкой Казанского университета с цилиндрическими пластиковыми линзами Вторым фактором, подтверждающим возможность влияния дифракционных явлений на экранном слое нейронов, расположенных перед фоторецепторами, является наблюдаемая для КОСЗВ зависимость креативной глубины плоских образов от их цвета (или длины волны светового потока) [12]. На рис. 3, 4 показаны расчетные распределения интенсивности и дифракционных максимумов от длины волны. Следовательно, если для КОСЗВ формируется дифракционное распределение, то возможно образование на слое фоторецепторов смещенных изображений, в том числе и по глубине, величина смещения зависит от длины волны. Допустим, в поле зрения глаз попадает плоское изображение с образами различного цвета. Тогда в результате прохождения светового потока через экранный слой клеток возможно образование на фоторецепторах сетчатки дифракционного изображения, резкость образов которого будет зависеть от цвета. И если механизмом распознавания глубины и объемности является четкость образа на фоторецепторах, то любое плоское изображение приобретает образы с различной глубиной относительно друг друга. Иными словами, отраженный свет от реального плоского изображения, пройдя экранный слой нейронов, преобразуется в объемное дифракционное распределение, с которого фоторецепторы «снимают» информацию. Кроме того, дифракционное распределение светового потока от плоских образов будет зависеть от соотношения их размеров и размеров ячеек «решетки» экранного слоя нейронов. Аналогичная зависимость для реальных природных объектов показана на рис. 7-9. Действительно, для объемного восприятия когнитивной зрительной системы наилучшие эффекты креативной глубины зависят от размеров наблюдаемых образов в поле зрения, расстояния между образами. Экранный слой нейронов сетчатки представляет собой неравномерную по толщине объемную, возможно, амплитудно-фазовую прозрачную решетку. Поэтому в зависимости от того, в какую часть поля зрения попадает одно и то же изображение, дифракционная картина и, следовательно, восприятие глубины (и объемности) образов относительно друг друга могут изменяться. Возможно возникновение зависимости глубины плоских образов, даже одного цвета, от всех тех условий, о которых упоминается в работах [8, 11, 12]. В упрощенном приближении: сначала экранный слой нейронов сетчатки формирует объемную дифракционную картину (как смещение на рис. 14), далее информация кодируется и преобразуется в нейронных сетях головного мозга в объемные ощущения плоских образов. Причем именно размерность трехмерной дифракционной картины в экранном слое нейронов сетчатки является тем физическим фактором, который далее преобразуется в нейронных сетях головного мозга в объемное восприятие образов плоских изображений. Аналог такого предположения технически реализован в получении объемных изображений с применением цилиндрических пластиковых линз (растров). В растровой технологии сначала программным методом «готовятся» изображения в виде узких вертикальных полос, далее они соединяются с пластиной цилиндрических линз, образуя объемное изображение. Отметим, что когда осуществляются режим наложения и наблюдение стереоскопической глубины ОСП, то используются две или более идентично-подобные структуры (ИПС) [8, 11, 13]. Режим наложения осуществляется при концентрации взгляда вне плоскости расположения ОСП. Происходит сначала двоение ИПС, а затем как бы слияние смежных образов и образование стереоскопической глубины. Такое слияние происходит в одной области нейронов сетчатки и далее, возможно, в одной общей структуре нейронных сетей головного мозга. В горизонтальном ряду общее количество ИПС становится на одну больше. Допустим, используются две идентичные структуры, как на рис. 10, а. Тогда, изменяя местоположение концентрации взгляда при увеличении расстояния от ОСП, происходит сначала двоение (рис. 10, b), далее слияние смежных образов (рис. 10, с) и затем вновь двоение (рис. 10, d). Следовательно, наблюдаемые сегодня особенности КОСЗВ постоянно присутствовали в «технологии» условий наложения ОСП. Добавим, что режим наложения можно осуществлять при концентрации взгляда «до» или «за» плоскостью расположения ОСП. Два условия концентрации взгляда создают инверсию направления вектора стереоскопической глубины ИПС относительно друг друга. Эффект рельефности и неоднозначности восприятия глубины образов различного цвета относительно друг друга. Возможно, что структуризация местоположения одних цветовых распределений относительно других может происходить в результате опыта наблюдения стереоскопической глубины ОСП. Для некоторых произведений живописи такая закономерность выполняется. В общем же случае, если в поле зрения попадают плоские образы различного цвета, не имеющие ранее опыта восприятия пространственного построения, то и не возникает единообразия их местоположения и направления вектора глубины относительно друг друга. Например, как для выборки из 51 человека по восприятию рис. 1. Дополним приведенные примеры рассмотрением возможности влияния дифракционных эффектов в эксперименте, проведенном при изучении КОСЗВ методом окуломоторной активности [20]. Ниже представленные исследования проводились с применением портативного бинокулярного айтрекера «TheEyeTribe» (частота регистрации 60 Гц). Прибор позволяет регистрировать Х-координаты направления взора правого (XR) и левого (XL) глаз при демонстрации на экране айтрекера исследуемых изображений. При ОСЗВ на мониторе айтрекера формируются условия XL Ф XR [21]. Тем самым реализуются условия ДХ = XL - XR Ф 0. Набор значений AX(t) за интервал времени Д1 образует контур (гистограмма разности, представляющая собой распределение плотности вероятности экспериментальных фиксаций наборов значений ДХ). На рис. 15 приведен стимульный материал и контуры гистограмм разности при восприятии этого изображения. На рис. 15, b дана гистограмма разности ДХ при восприятии изображения одним из бакалавров, на рис. 15, c - гистограмма испытуемого «А», на рис. 15, d - гистограмма испытуемого «А» при восприятии растрового изображения 15, а. По горизонтальной шкале даны величины ДХ, по вертикальной оси - относительные значения числа наблюдаемых интервалов ДХ. Местоположение контура гистограммы разности в области положительных значений ДХ показывает, что ощущение глубины изображений располагается за экраном монитора айтрекера. Характерной особенностью приведенных гистограмм является то, что нижняя (рис. 15, d) получена при восприятии глубины растрового изображения. Напомним, что глубина растрового изображения образуется при совмещении условий подготовки изображения по слоям глубины с применением программного обеспечения, получении бумажной распечатки и последующего соединения бумажной распечатки с пластиной цилиндрических линз. Естественно, с соблюдением всех требуемых технологических элементов. Две другие гистограммы получены при восприятии без условия соединения бумажной распечатки с пластиной линз. Иными словами, нет необходимого «инструмента» (набора цилиндрических линз) формирования глубины, а глубина наблюдается. Причем не только для испытуемого «А», но и для одного из участников эксперимента. По высказываниям («бак.ад.»), она все плоскостные изображения воспринимает с эффектами глубины и объема. Что касается испытуемого «А», то его результаты - развитие восприятия пространственных атрибутов и изучение этой способности с применением айтрекера - излагаются в работе [20]. Рис. 15. Стимульное изображение (а) и гистограммы разности: b - испытуемый «бак.ад.», восприятие бумажной распечатки стимульного изображения; c - испытуемый «А», восприятие бумажной распечатки стимульного изображения; d - испытуемый «А», восприятие растрового изображения О достоверности когнитивного, образно-структурированного зрительного восприятия и основы построения математически-графических ощущений восприятия трехмерных атрибутов Ранее в работе [20] было показано применение стационарного бинокулярного айтрекера при изучении моторики движения глаз в условиях наблюдения КОСЗВ, восприятия глубины растровых изображений и стереоскопической глубины ОСП (ИПС). Общей особенностью всех перечисленных изображений (для «А») является фокусировка глаз вне их плоскости расположения. Иными словами, на мониторе айтрекера регистрируется бинокулярная диспарантность, а ДХ = | XR - XL | Ф 0. Бинокулярная диспарантность записи Х-координат одного из рассматриваемых «пилотных» плоскостных изображений показана на рис. 16. 750 700 550 600 550 500 Я 450 400 а 800 750 700 650 600 550 500 450 400 350 ДХ xR b Рис. 16. Х-координаты правого (XR) и левого (XL) глаз: a - в начале записи; b - в условиях наблюдения состояния КОСЗВ По горизонтальной шкале откладывается время записи, по вертикальной - Х-координаты показаний айтрекера. В начале эксперимента (рис. 16, а) координаты левого и правого глаз располагаются в одном интервале значений Х. Иными словами, фокусировка направления взора происходит в одной области изображения. Далее при возникновении восприятия глубины фокусировка глаз осуществляется вне плоскости изображения, и айтрекер регистрирует условие ДХ Ф 0 (рис. 16, b). Первые эксперименты на стационарном бинокулярном айтрекере (на одном испытуемом «А») были проведены в Центре экспериментальной психологии (ЦЭП) Московского городского психолого-педагогического университета и опубликованы в работах [20-22]. Регистрация движений глаз выполнялась с помощью айтрекера SMI HiSpeed в бинокулярном режиме (частота регистрации 500 Гц). Важным результатом следует считать, что восприятие глубины КОСЗВ и растровой глубины для «А» происходило за плоскостью расположения рассматриваемых изображений. Подробная информация развития КОСЗВ и первых исследований его изучения представлена в работе [20]. Заметим, что результаты исследований, проведенные в ЦЭП, в книге [23] отмечены в разделе «Панорама новейших исследований окуломоторной активности». По числовым массивам записей Х-координат, регистрируемых на бинокулярном айтрекере, вычислялась разность ДX и строились гистограммы разности. Ниже показываем некоторые результаты регистрации показаний Х-координат, полученных на портативном айтрекере TheEye Tribe с частотой регистрации 60 Гц (предоставлен сотрудниками ЦЭП). В экспериментах участвовали 80 человек в возрасте 16-20 лет (из них 30 мужчин). Методика проведения экспериментов разрабатывалась совместно с ЦЭП МГППУ. Работа продолжает изучение КОСЗВ с применением методики движения глаз и дополняет его статистическими результатами. Оговоримся, что испытуемый «А» приобрел восприятие трехмерных атрибутов плоскостных изображений в результате длительного тренинга [20]. Участники же экспериментов на портативном айтрекере - это обычные студенты, обучающиеся в КФУ. Проведенная регистрация движения глаз участников экспериментальных серий сравнивалась с показаниями испытуемого «А». Схема проведения исследований была следующей. На экран монитора ноутбука выводились изображения, на которых испытуемый «А» воспринимал глубину и объемность образов. Для сравнения условий эксперимента некоторые из изображений применялись в исследованиях на айтре-кере в ЦЭП. Например, представленный на рис. 17 фрагмент картины Д. Поллока «Лавандовый туман». Рис. 17. Фрагмент картины Д. Поллока «Лавандовый туман» Положительные величины ДХ характеризуют восприятие глубины за плоскостью экрана монитора ноутбука. Отрицательные значения показывают, что глубина воспринимается между глазами и экраном. Местоположение контуров гистограмм разности рис. 17 показывает, что восприятие глубины осуществляется за экраном монитора ноутбука как для испытуемого «А», так и для одного из магистров «М1» (рис. 18). Рис. 18 подтверждает, во-первых, возможность применения портативного айтрекера для изучения КОСЗВ, во-вторых, общие и характерные особенности КОСЗВ как для «А», так и для большинства испытуемых. Для достоверности восприятия глубины КОСЗВ применялись 3D-растровые изображения. Например, на рис. 19 показано восприятие глубины КОСЗВ магистром «М2» изображения фрагмента картины «Лавандовый туман» (см. рис. 17) -верхний рисунок, а также восприятие глубины растра - нижний рисунок. Сравнение гистограмм рис. 19 доказывает, что движение глаз в условиях КОСЗВ совпадает с движениями глаз при восприятии глубины растрового изображения. Рис. 19. Гистограммы одного испытуемого «М2» при условии КОСЗВ и глубины растра Ширина контура гистограммы разности характеризует диапазон глубины, в пределах которого наблюдается глубина. В одной из серий экспериментов получено, что подавляющее большинство испытуемых воспринимают монокулярную перспективу пространства пилотного изображения (рис. 20) как трехмерную структуру. На рис. 21 приводятся гистограммы для испытуемого «А» и одного из бакалавров («Бак1»). По гистограммам следует сделать вывод, что перспектива пространства воспринимается за плоскостью монитора компьютера. Обобщим понятие математического формализма восприятия плоскостных изображений. Его главная особенность - получение информации о координатах движений глаз при рассматривании пилотных изображений. Далее на полученных массивах Х-координат проводятся построение гистограмм разности ДХ и определение местоположение воспринимаемых образов относительно экрана монитора компьютера. Достоверность восприятия пространственных элементов проверяется по регистрации гистограмм разности SD-растровых изображений. Иными словами, графически-математический формализм переводит субъективные ощущения восприятия пространства плоскостных изображений в анализируемые представления графического формализма. Рис. 18. Гистограммы разности для двух испытуемых Рис. 20. Изображение с монокулярной перспективой образов Рис. 21. Гистограммы испытуемого «А» и одного из бакалавров «Бак1» Заключение Представленный материал показывает, что в первом приближении одной из причин формирования объемного восприятия образов плоских изображений [8-12] могут быть дифракционные явления на экранном слое нейронов, расположенном перед фоторецепторами сетчатки глаз. Следовательно, существуют физиологические условия, описываемые известными физическими законами. Однако они не могут обеспечить построения всех возможных феноменов глубины, наблюдаемых КОСЗВ [11]. Иными словами, для формирования полноценного объемного восприятия плоских изображений и удаленных объектов необходимо когнитивное (или психическое) «подключение» ранее полученного опыта наблюдения стереоскопической глубины ОСП и глубины в расположении объектов окружающей среды. Возможно, получение объемного ощущения от образов плоского изображения (как зрительного стимула) и есть результат интегрированных друг в друга восходящих и нисходящих потоков электрических импульсов в нейронных сетях головного мозга. Для формирования результата опознания от любого зрительного стимула такая модель рассматривается физиологами в работе [24]. Нисходящие потоки являются следствием уровней деятельности сознания, которые и возникают в процессе обучения, т.е. опыта наблюдения стереоскопической глубины ОСП. Восходящие потоки формируются на основе физиологически-физических принципов действия зрительной системы от наблюдаемого зрительного стимула [1, 2]. Представленные выборочные исследования движения глаз для 80 респондентов подтверждают ранее полученные для одного респондента результаты [20]. Более того, получены новые данные, иллюстрирующие различные условия восприятия респондентами трехмерных атрибутов образов плоскостных изображений. Однако пространственную перспективу за плоскостью расположения монитора компьютера (для некоторых изображений - рис. 20) воспринимают более 95% испытуемых. Важным результатом проведенной работы на портативном айтрекере следует считать разработку математически-графического метода анализа восприятия пространственных атрибутов образов плоскостных изображений. Результаты анализа восприятия всех 80 испытуемых предполагается представить в последующей публикации. В перспективе предполагается сначала расширить выборку изображений с пространственным построением сюжетов, затем идентифицировать структуру гистограмм разности и «связать» ее с местоположением составляющих пространственных элементов изображений. Благодарности Авторы и выражают благодарность старшему научному сотруднику ЦЭП МГППУ, Института психологии РАН А. В. Жегалло за предоставленное экспериментальное оборудование (портативный айтрекер TheEyeTribe) и ценные замечания при обсуждении полученных экспериментальных результатов.

Скачать электронную версию публикации