Лаба 3 (Исследование частотно-контрастной чувствительности зрения человека) / Отчет

_{МИНОБРНАУКИ РОССИИ}

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра БТС

отчет

по лабораторной работе №3

по дисциплине «Биофизика»

Тема: Исследование частотно-контрастной чувствительности зрения человека

Студенты гр. 7501		Попадьина А.О. Исаков А.О.
Преподаватель		Виллевальде А.Ю.

Санкт-Петербург

2019

1. Цель работы

Выявление зависимости порогов контраста восприятия зрительных стимулов от пространственной частоты тестового изображения при различных условиях проведения психофизиологического эксперимента.

2. Задание к работе

1. Изучите общие принципы проведения визоконтрастометрических исследований и методику изучения ЧКЧ зрения, реализуемую в лабораторной работе.

2. Проведите предварительные исследования. Установите следующие параметры проведения исследования:

Линейная частота тестовой решетки: от 5 до 135 циклов.

Яркость фона: 128 отн. ед.

Шаг изменения контраста: 1 отн. ед.

Расстояние до монитора: 300 см.

Время адаптации: 2 с.

Время ожидания реакции: 100 мс.

Количество повторов: 1.

Установите время адаптации и время ожидания ответной реакции испытуемого, которые обеспечат минимальное время реализации тестового задания без потери диагностической значимости.

3. Установите следующие параметры проведения исследования:

Линейная частота тестовой решетки: 5, 15, 25, 60, 70, 80, 125, 135 циклов.

Яркость фона: 128 отн. ед.

Шаг изменения контраста: 1 отн. ед.

Расстояние до монитора: 300 см.

Время адаптации: 2 с или выбранное в п. 4.

Время ожидания реакции: 1000 мс или выбранное в п. 2.

Количество повторов: 5.

4. Проведите тестирование:

- бинокулярно и для обоих глаз по отдельности;

- бинокулярное исследование с тремя разными цветами тестовых решеток.

5. Сохраните результаты в графическом и текстовом видах.

6. Проведите сравнительный анализ результатов:

- бинокулярного и для обоих глаз;

- для разных цветов тестовых решеток.

7. Сформулируйте выводы по работе.

3. Теория

Различение зрительной системой окружающих предметов зависит не только от их размеров, но и от количества деталей на единицу площади и их контраста с фоном. Для оценки этого свойства глаза служит исследование частотно-контрастной чувствительности (ЧКЧ) зрения. ЧКЧ показывает зависимость порогового контраста восприятия от пространственной частоты (угловых размеров) воспринимаемых зрительных образов.

Методом исследования частотно-контрастной характеристики (ЧКХ) является пространственно-частотный анализ.

Для человека видимым является практически весь пространственно-частотный диапазон: от нулевой частоты до верхней граничной частоты лимитируемой дифракцией. Контрастная чувствительность не одинакова в пределах этого диапазона.

В основе чувствительности к пространственно-частотному спектру изображения лежит довольно простой нейрофизиологический механизм: определенный вид весовых функций рецептивных полей нейронов различных уровней зрительной системы. Однако в реальных условиях видения значение гармонических составляющих не определяется простой передаточной функцией. В любой жизненной ситуации на работу зрительной системы накладываются результаты работы механизмов установки, мотивации, значения тех или иных объектов для наблюдателя. При этом ЧКХ зрения человека определяется не кривой контрастной чувствительности, а настройкой наблюдателя, неким механизмом избирательного внимания, который следует учитывать при проведении психофизиологических экспериментов для определения ЧКЧ.

Исследования ЧКХ проводят обычно с помощью изображений вертикальных черно-белых полос с синусоидальным распределением яркости – «синусоидальных решеток» (см. рисунок. 2) с различными пространственными частотами и изменяющимся контрастом.

Яркость тестового изображения определяется выражением:

B(x) = B_ф + BSin(_пx),

где B_ф  средний уровень яркости (яркость фона), В  амплитуда яркости (амплитуда полос), _п  пространственная частота решетки (число периодов сигнала на 1 поля зрения).

Контраст решетки (глубина модуляции) определяется следующим соотношением:

К = (B_max  B_min)/(B_max + B_min) = B/B_ф.

4. Методика проведения эксперимента

Методика оценки ЧКЧ зрения, используемая в данной лабораторной работе, основана на различении периодичности тестового стимула при достижении его контрастом пороговой величины. В ходе проведения психофизиологического эксперимента испытуемому предъявляется тестовое изображение в виде полос с синусоидальным распределением яркости и определяется пороговый контраст КЧ зрения на 28 различных пространственных частотах в диапазоне примерно от 0,8 до 25 циклов/градус поля зрения.

Учитывая дискретность экрана монитора, на котором осуществляется воспроизведение тестовых стимулов, зависимость размера элемента дискретного растра (пикселя) от физического размера экрана, его разрешающей способности и текущего разрешения, закон распределения яркости тестового стимула вдоль оси абсцисс может быть описан следующим аналитическим соотношением:

B(i) = B_ф + Asin(2Qi/L) = B_ф + Asin(2i_j/L) =

= B_ф + Asin(4i_j[arctg(0,5Ld_pix/h)]/L),

где: B_ф – яркость фона изображения, A – амплитуда «синусоидальной решетки», Q – количество периодов синусоидального сигнала, L – горизонтальный размер тестового стимула (в элементах дискретного растра), i – номер отсчета (элемента дискретного растра), _j – пространственная частота,  – угол зрения, d_pix – горизонтальный размер элемента дискретного растра, h – расстояние от испытуемого до экрана монитора.

В ходе процесса прохождения исследования после предварительной адаптации зрительной системы к фоновой яркости на экране монитора воспроизводятся тестовые стимулы фиксированной пространственной частоты и заданного цвета с контрастом, плавно (с шагом k/B_ф) нарастающим по линейному закону от нулевого значения до уровня превышающего порог его восприятия обследуемым. В момент четкого различения структуры тестового стимула испытуемый сообщает об этом нажатием левой кнопки манипулятора «мышь». Затем исследования повторяются на следующей пространственной частоте _i. Поскольку в данном случае используется субъективный метод регистрации оцениваемого медико-биологического параметра, то для повышения достоверности проводимых исследований тестирование на каждой пространственной частоте повторяются n раз. Кроме того, для снижения вероятности сознательной или бессознательной фальсификации результатов тестирования последовательность предъявления тестовых стимулов формируется случайным образом. В результате автоматически строятся графические зависимости ЧКЧ зрения от пространственной частоты тестовых стимулов

5. Результаты

Обследуемый: Исаков Артем Олегович Муж. 25.02.2000 рождения

, цикл,град	Чувствительность (1/отн.ед.)
	Синий	Серый			Голубой
0,5	26,7		33,7	22,9
1,6	33,7		42,7	24,6
2,7	53,3		49,2	27,8
6,6	25,6		42,7	29,1
7,7	29,1		42,7	27,8
8,8	19,4		37,6	40
9,9	19,4		49,2	27,8
11	26,7		42,7	30,5
13,7	18,8		37,6	18,3
14,8	15,2		45,7	20

Рисунок 3. Результаты визоконтрастометрических исследований

6. Выводы

Проведено исследование ЧКЧ зрения с помощью специально разработанной программы. Было выбрано бинокулярное исследование с тремя разными цветами тестовых решеток: синим, серым и голубым.

Полученные результаты не в полной мере соответствуют теории : хотя все главные максимумы прослеживались при циклической частоте около 10 цикл./град., что согласуется с графиком теоретической ЧКЧ, наблюдались так же побочные пики, то есть вместо одногорбого графика для серого и голубого цвета получили двугорбые графики, что может свидетельствовать о нарушениях контрастного восприятия цветов, однако испытуемый не жаловался на проблемы подобного рода, поэтому в данном случае вероятнее всего имеет место методическая погрешность: переключает решетки не испытуемый, а ассистент, значит, каждое нажатие происходит с задержкой, либо может сопровождаться ошибками при реагировании ассистента раньше или позже поданного сигнала. Огромное влияние оказали условия: яркость дисплея монитора, а так же освещенность в лаборатории: работа снималась при ясной погоде, солнце сильно отражалось от экрана монитора, что мешало испытуемому.