МИНОБРНАУКИ РОССИИ

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ

ЭЛЕКТРОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«ЛЭТИ» ИМ. В.И. УЛЬЯНОВА (ЛЕНИНА)

Кафедра биотехнических систем и технологий

ОТЧЕТ

по лабораторной работе №3

по дисциплине «Биофизика»

Тема: «Исследование частотно-контрастной чувствительности зрения человека»

Выполнили		Малышев К.А.
Студенты гр. 2503		Ковалёва Д.Д.
		Новикова С.Л.
Преподаватель		Гапанёнок А.Е.

Санкт-Петербург

2024

Лабораторная работа №3. Исследование частотно-контрастной чувствительности зрения человека

Цель работы – выявление зависимости порогов контраста восприятия зрительных стимулов от пространственной частоты тестового изображения при различных условиях проведения психофизиологического эксперимента.

Теоретические сведения

Частотно-контрастная чувствительность (ЧКЧ) является пространственной передаточной характеристикой зрительной системы и показывает зависимость порогового контраста восприятия от пространственной частоты (угловых размеров) воспринимаемых зрительных образов.

Для человека видимым является практически весь пространственно-частотный диапазон: от нулевой частоты до верхней граничной частоты лимитируемой дифракцией.

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.

Пространственно-частотная полоса пропускания человека меняется в течение его жизни. В начале полоса пропускания зрительной системы захватывает только низкочастотную область, при этом верхняя граничная частота и соответствующая ей острота зрения невелики. С возрастом происходит рост чувствительности и расширяется полоса пропускания в область высоких пространственных частот. Окончательное развитие зрительной системы заканчивается к шестнадцати годам. В этот возрастной период чувствительность зрительной системы максимальна, а пространственно-частотная полоса пропускания наиболее широкая, причем у мужчин чувствительность несколько выше, чем у женщин. После 25 лет начинается медленное уменьшение полосы пропускания зрительной системы человека. Важно отметить, что в возрастной период от пяти до сорока пяти лет ЧКХ изменяются незначительно, и этими изменениями можно пренебречь. У пожилых людей происходит плавное снижение чувствительности в области средних и высоких частот.

Постоянно ведется поиск нетрудоемких и общедоступных приемов ранней диагностики глаукомы. Определение ЧКХ может оказаться весьма полезным в решении этой задачи. У больных на ранней стадии заболевания снижена контрастная чувствительность в области средних пространственных частот. Кривая ЧКХ принимает двугорбый вид. Изменение ЧКХ пропорционально тяжести заболевания при глаукоме.

Исследования ЧКХ проводят обычно с помощью изображений вертикальных черно-белых полос с синусоидальным распределением яркости – «синусоидальных решеток» с различными пространственными частотами и изменяющимся контрастом. Яркость тестового изображения определяется выражением:

B(x) = B_ф + BSin(ω_пx),

где B_ф − средний уровень яркости (яркость фона), В − амплитуда яркости (амплитуда полос), ω_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.

В пределах тестового изображения из набора контраст синусоидальной решетки одной частоты изменяется плавно сверху вниз по логарифмическому закону, начиная с нулевого значения и до 0,4…0,5. Предъявляя последовательно изображения простых синусоидальных решеток, можно построить зависимость минимально различимого контраста от частоты решетки. Обычно достаточно набора, содержащего 8–10 тестовых изображений.

Стремление к уменьшению количества тестовых изображений привело к разработке другого варианта теста − сложной решетки. Изображение этого теста строится так, чтобы пространственная частота синусоидальной решетки возрастала по одной координате, а ее контраст по другой. Изображение испытуемому предъявляется целиком, и он фиксирует огибающую минимального контраста при различении периодичности решетки. Процедура регистрации ЧКХ при таком тесте упрощается, но точность ее определения ниже. Кроме того, возрастает трудоемкость синтеза такого тестового изображения. В настоящее время невозможно, в силу ряда причин, построить полную передаточную функцию зрительной системы. Однако этот метод позволяет провести анализ пространственно-частотной полосы пропускания, как всей зрительной системы, так и ее отдельных частей, представить характер информации, передаваемой по отдельным каналам в системе глаз-мозг, косвенным путем установить качество восприятия изображений нормальной и патологически измененной зрительной системы.

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 (решеток) с синусоидальным распределением яркости и определяется пороговый контраст (контрастная чувствительность) 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iw_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 Δk/B_ф) нарастающим по линейному закону от нулевого значения до уровня превышающего порог его восприятия обследуемым.

Затем исследования повторяются на следующей пространственной частоте ω_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.

1. Предварительные исследования проводились с параметрами:

Линейная частота тестовой решетки: от 5 до 135 циклов.

Яркость фона: 128 отн. ед.

Шаг изменения контраста: 1 отн. ед.

Расстояние до монитора: 70 см.

Время адаптации: 2 с.

Время ожидания реакции: 500 мс.

Количество повторов: 5

Исследование проводилось бинокулярно, а также для левого и правого глаза по отдельности:

Рис. 1. Результаты анализа для бинокулярного зрения.

Рис. 2. Результаты анализа для правого глаза.

Рис. 3. Результаты анализа для левого глаза.

Из-за большого количества линейных частот и количества повторов, график обладает множеством пиков и сложен для анализа, однако по нему можно определить время адаптации и время ожидания ответной реакции испытуемого, которые обеспечат минимальное время реализации тестового задания без потери диагностической значимости.

2. Далее проводилось бинокулярное исследование с тремя разными цветами тестовых решеток. Синий, зеленый и красный.

Рис. 4. Результаты анализа для зелёного цвета.

Рис. 5. Результаты анализа для красного цвета.

Рис. 6. Результаты анализа для синего цвета.

Графики соответствуют спектральным характеристикам поглощения света фоторецепторами сетчатки глаза: 1, 2, 3 – различные виды колбочек.

Кривые соответствуют фиолетово-синей – 1, зеленой – 2 и желтокрасной – 3 областям спектра. Их максимумы, соответственно, расположены на длинах волн около 449, 500 и 562 нм.

Вывод.

В ходе работы было произведено выявление зависимости порогов контраста восприятия зрительных стимулов от пространственной частоты тестового изображения при различных условиях проведения психофизиологического эксперимента, на сером цвете отдельно для левого и правого глаз и бинокулярно, прослеживается наложение графиков для разных глаз и соответствие его бинокулярному. При исследовании трех цветов (желтого, синего и зеленого) наблюдались пики на одной частоте, что также соответствует теории.