Введение к работе
Актуальность проблемы. Зрение играет важную роль в жизнедеятельности человека, обеспечивая ему получение более 80% информации об окружающем мире. Даже незначительные нарушения в работе зрительной системы могут стать причипой ограничений в производственной деятельности человека и невозможности выполнения им задач, связанных с обработкой зрительной информации. Появление новых зрительно-напряженных профессий сегодня вызывает необходимость в совершенствовании методов и инструментальных средств профессионального отбора и профориентации по зрению, обеспечивающих более полную оценку функциональных возможностей зрения.
Среди различных функций зрения особую роль играет цветовое зрение. Оно существенно увеличивает объем зрительной информации, получаемой человеком, позволяет эффективно решать задачу зрительного обнаружения, различения и опознания. Этот факт широко используется в операторской деятельности для повышения скорости обработки зрительной информации и надежности решения задач поиска и обнаружения объектов по цветовым характеристикам за счет применения цветового кодирования и индикации. Существует много профессий, для которых характеристики цветового зрения, в частности цветоразличительная способность, входят в число основных показателей для профессионального отбора. Современная офтальмодиагно-стика располагает эффективными методами и средствами оценки порогов цветового зрения (таблицы Юстовой Е.Н. - Алексеевой К.А., зарубежные образцы изохроматических таблиц). Однако цветоразличительная способность зависит от размеров поля зрения, угловых размеров объекта наблюдения, а современные методы и средства предназначены для оценки порогов цветового зрения только стандартного колориметрического наблюдателя при угловых размерах объекта наблюдения 4 угловых градуса. Они не позволяют оценить пространственные передаточные характеристики цветового зрения, зависимость порогов цветового зрения от угловых размеров. Сегодня имеется потребность в методах исследования и инструментальных средствах, пригодных для решения этой задачи.
В настоящее время для исследования функций зрения широкое применение получают электронные офтальмологические приборы и системы, в основе которых используется цифровой синтез зрительных стимулов с последующим их воспроизведением на экране цветной электронно-лучевой трубки (ЦЭЛТ). Они позволяют автоматизировать достаточно сложный процесс исследования зрения, включая этапы синтеза зрительных стимулов, регистрации ответной реакции испытуемого, обработки и анализа результатов исследований, обеспечивают широкий диапазон изменения пространственных, цветовых и временных характеристик тестовых стимулов, возможность выявления слабых изменений порогов зрения. Применение таких средств связано с решением проблем обеспечения точности и воспроизводимости результатов исследований. Световые характеристики ЦЭЛТ недостаточно стабильны, имеют место нелинейные искажения, которые приводят к погрешностям оценки энергетических характеристик зрения. Поэтому использование электронных систем для оценки пространственных характеристик цветового зрения требует разработки специальных методик исследования, информационного и метрологического обеспечения, которые учитывали бы с одной стороны особенности исследования системы зрения, а с другой - возможности электронных средств синтеза и визуализации зрительных стимулов.
Таким образом, комплекс проблем, связанных с необходимостью изучения пространственных характеристик цветового зрения для задач профотбора и профориентации по зрению, разработки специальных методик и инструментальных средств и обеспечения воспроизводимости и точности результатов исследований определили цели и задачи диссертационной работы.
Цель диссертационной работы состоит в разработке инструментального метода и программно-алгоритмических средств для исследования пространственных характеристик цветового зрения.
Задачи исследовании. Для достижения поставленной цели в диссертации сформулированы и решены следующие задачи:
разработка математической модели цветового зрения, учитывающей механизм пространственного восприятия;
разработка методики оценки цветоразличительной способности, позволяющей исследовать ее зависимость от размеров поля зрения;
исследование погрешностей оценки порогов зрения при использовании ЦЭЛТ для формирования зрительных стимулов и разработка метрологических требований к средству визуализации тестовых изображений;
разработка программно-алгоритмического обеспечения исследований пространственных характеристик цветового зрения;
разработка автоматизированного комплекса и проведение экспериментальных исследований цветового зрения с помощью разработанных инструментальных методов и средств.
Объектом исследования является биотехническая система для исследования пространственных характеристик цветового зрения человека.
Предметом исследования являются компоненты биотехнической системы - элементы методического, информационного, метрологического и инструментального обеспечения.
Методы исследования. Теоретические и прикладные разделы диссертации разработаны с применением теорий синтеза биотехнических систем, математического анализа, методов аналитической и проективной геометрии, аппарата теории измерений и метрологии.
Экспериментальные исследования проводились в Северо-Западном заочном политехническом институте и государственном электротехническом университете "ЛЭТИ" и базировались на применении методов математической статистики.
Научные положения, выносимые на защиту:
-
Пороги цветоразличепия и их зависимость от размеров поля зрения могут быть оценены косвенным методом на основе исследований частотно-контрастной чувствительности цветовых каналов зрения;
-
Погрешности косвенной оценки порогов цветового зрения по результатам цветовых визоконтрастометрических исследований обусловлены в основном нелинейностью преобразования сигнал-свет ЦЭЛТ, погрешностью дискретизации цветовых сигналов изображения и временной нестабильностью модуляционной характеристики устройства визуализации.
Новые научные результаты, подтверждающие эти научные положения:
математическая модель цветового зрения, раскрывающая единую шумовую природу порогов различения яркости и цветового зрения и возможность косвенной оценки порогов цветового зрения по результатам исследований контрастной чувствительности;
метод косвенной оценки порогов цветового зрения по результатам исследований частотно-контрастной чувствительности цветовых каналов зрения, позволяющий определить зависимость порогов цветового зрения от размеров поля зрения;
аналитические соотношения, определяющие размеры эллипсов неразличимых цветностей через дифференциальные пороги различения яркости цветовых каналов зрения;
- результаты исследований погрешности косвенной оценки порогов
цветового зрения, обусловленные нелинейностью преобразования сигнал-
свет и дискретностью формирования цветовых сигналов изображения.
Практическая ценность работы составляют:
аналитические соотношения для оценки порогов цветового зрения и их зависимости от размеров поля зрения по результатам цветовых визокон-трастометрических исследований;
алгоритм исследования цветовой частотно-контрастной чувствительности зрения при формировании зрительных стимулов на экране цветовой ЭЛТ;
аналитические соотношения для определения погрешностей оценки порогов цветового зрения, обусловленные нелинейностью преобразования сигнал-свет и дискретностью изменения цветовых сигналов изображения;
программно-алгоритмические средства автоматизированного комплекса для исследования цветовой частотно-контрастной чувствительности зрения;
результаты экспериментальных исследований цветовой частотно-контрастной чувствительности зрения, подтверждающие шумовую природу порогов различения яркости и цветоразличения.
Внедрение результатов.
Результаты диссертационной работы использовались при выполнении на кафедре Биомедицинской электроники и охраны среды Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета в 1997-1999 гг.
научно-исследовательских работ "Методы формирования и измерения параметров спектрально-распределенных световых потоков для диагностических исследований", № гос. регистрации 0197 0006877 и "Автоматизированный комплекс для оценки зрительной способности человека - оператора", № гос. регистрации 0197 0006874 по НТП Министерства образования РФ и внедрены в ГЭГУ.
Апробация работы. Научные и практические результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались в 1996-1999 гг. на Всероссийских научно-технических конференциях "Диагностика, информатика, метрология, экология, безопаспость"(Санкт-Петербург, 1996-1998 гг.), и на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ГЭТУ (Санкт-Петербург, 1998-1999 гг.).
Разработанный автоматизированный комплекс для исследования цветовой частотно-контрастной чувствительности зрения демонстрировался на выставках достижений ГЭТУ, Санкт-Петербург, 1997-1998 гг.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ, из них 1 статья и 4 тезиса докладов па научно-технических конференциях.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы, включающего 119 наименований, и одного приложения. Основная часть работы изложена на 127 страницах машинописного текста. Работа содержит 17 рисунка и 5 таблиц.