биофиз_3ЛР

_{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

Студентка гр. 9502		Позняк В.Ю.
Преподаватель		Виллевальде А.Ю.

Санкт-Петербург

2021

Цель работы:

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

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: 100 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. Проведите исследование. Установите 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: 100 см.

Время адаптации: 2 с

Время ожидания реакции: 100 мс

Количество повторов: 5

Зрительный канал: бинокулярно

Цвет тестовой решетки: фиолетовый, красный, зеленый.

5. Сохраните результаты в графическом и текстовом видах.

6. Проведите сравнительный анализ результатов.

7. Сформулируйте выводы по работе.

Основные теоретические положения:

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.

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

Обработка результатов эксперимента

, цикл,град	Чувствительность (1/отн.ед.)
	Фиолетовый	Красный			Зеленый
0,3	22,1		23,3	22,1
0,8	24,6		26,7	22,9
1,3	25,6		27,8	26,7
3,1	26,7		25,6	23,7
3,6	23,7		21,3	22,1
4,1	22,9		19,4	21,3
6,4	20,6		17,8	16
7,0	20,6		17,3	16

Рисунок 3. Результаты визоконтрастометрических исследований (фиолетовый, красный, зеленый)

Выводы

В ходе выполнения данной лабораторной работы, мы выявили зависимости порогов контраста восприятия зрительных стимулов (бинокулярно) от пространственной частоты тестового изображения при различных условиях проведения психофизиологического эксперимента (три разных цвета тестовой решетки: фиолетовый, красный, зеленый).

Полученные графики зависимостей приблизительно совпадают с графиком нормы частотно-контрастной чувствительности зрения человека, что подтверждает верное выполнение эксперимента и норму ЧКЧ зрения испытуемого.

Некоторые отклонения графиков зависимостей связаны в первую очередь с задержкой фиксации значений, а также остротой зрения (испытуемый имеет близорукость -4,5, находился в корректирующих линзах), некорректным расстоянием до монитора, возникновением последовательных образов, а также общим утомлением глаз.