Исследование остроты стереоскопического зрения человека
Цель работы – оценка порогов глубинного зрения человека, с использованием анаглифического метода формирования стереоскопических стимулов на плоских экранах.
Общие положения
Способность к объемному, глубинному зрению имеет важнейшее значение для жизнедеятельности человека, являясь необходимым условием для многих профессий, требующих точной оценки расстояния до объекта: водитель, летчик, гимнаст и др. У животных схема построения органа зрения зависит от способа существования. Большинству хищников, например, во время охоты необходимо точно определять расстояние до своей жертвы, в связи с чем, способность к стереоскопическому зрению является для них жизненно важной функцией. Напротив, для животных–жертв гораздо важнее как можно раньше заметить хищника, что достигается за счет как можно более широкого поля зрения.
Возможность зрительной системы человека к объемному восприятию окружающей нас действительности определяют две группы факторов:
– первичные (врожденные), основанные на использовании бинокулярного зрения;
– вторичные (эмпирические), позволяющие оценить глубину наблюдаемого объекта по косвенным признакам, доступным при монокулярном восприятии (при этом, как правило, используется накопленный человеком опыт ориентации в пространстве).
В последнем случае человек подсознательно оценивает:
расстояние до предмета на основе информации о его размерах (чем меньше объект, тем он дальше);
порядок наложения предметов друг на друга (тот, который выше, – ближе);
глубину пространства за счет использования эффекта перспективы – визуального сближения параллельных линий, уходящих вдаль;
световые блики на предмете;
ощущение протяженности пространства, возникающее благодаря рассеивающему действию воздушной дымки и ослаблению воспринимаемого контраста наблюдаемых объектов по мере увеличения расстояния до них (воздушная перспектива).
Вторичные факторы объемного восприятия лежат в основе технологии создания трехмерных компьютерных изображений, формируемых на плоских экранах (так называемой 3D графики). Использование этих факторов заметно улучшает реалистичность создаваемых зрительных образов, однако не обеспечивает так называемого эффекта присутствия. Для создания же изображений, наиболее полно отражающих предметы реального мира необходимо задействовать возможности бинокулярного зрения (то есть первичные факторы).
В процессе бинокулярного восприятия можно условно выделить три этапа:
– конвергенция – пересечение оптических осей обоих глаз на наблюдаемом объекте;
– аккомодация – фокусировка изображений от рассматриваемого объекта на сетчатках глаз путем изменения силы оптических элементов глазных яблок;
– фузия – слияние изображений, полученных на сетчатках левого и правого глаза в единый пространственный образ.
При наблюдении
точечного
объекта (например, точки N
на рис. 1.) оптические оси глаз
пересекаются на нем. Угол ,
под которым они пересекаются, называется
углом конвергенции (параллактическим
углом). Ощущение глубины объекта вызвано
тем, что при наблюдении удаленных на
разное расстояние от наблюдателя точек
M
и Q
углы конвергенции M
и Q
оказываются
различными. Разность
= M
- Q
называется угловым параллаксом.
Минимально различимый угловой параллакс
min
называется порогом глубинного зрения,
а величина обратная min
– остротой глубинного (стереоскопического
зрения). В норме величина min
составляет в среднем 10…20.
Наличие углового параллакса приводит к тому, что длины отрезков mлqл и mпqп, являющихся проекциями отрезка MQ на сетчатку каждого глаза, оказываются различными. Следовательно, различны и возбуждения рецепторов обоих глаз. В результате анализа этих возбуждений головным мозгом у человека формируется ощущение объемности объекта, то есть он получает возможность оценивать размер объекта по глубине.
По различным данным, от 2 до 6% людей не обладают стереоскопическим зрением и еще около 10% имеют различные отклонения от нормы.
Для формирования на плоских экранах изображений, имеющих глубинную протяженность, применяются различные инструментальные методы, позволяющие задействовать первичные факторы стереовосприятия. Общий принцип достижения результата заключается в формировании так называемой стереопары (двух изображений одного и того же объекта) с последующим их раздельным предъявлением каждому глазу. Разделение (сепарация) элементов стереопары может быть осуществлена одним из трех способов:
– временной селекции (например, затворным методом);
– спектральной селекции (например, поляризационным или анаглифическим методом);
– комбинированным методом.
Затворный метод формирования стереоскопических изображений использует принцип отображения элементов стереопары на экране по очереди. Между каждым глазом и экраном, размещаются устройства, выполняющие функции затвора. Синхронно со сменой элементов стереопары эти устройства становятся оптически непрозрачными, перекрывая поле зрения соответствующего глаза. В качестве затворов выступают, как правило, специальные очки, программно управляемые ПЭВМ (активные поляризационные очки). На данный момент подобный принцип получения пространственной глубины изображения наиболее дешев и доступен любому пользователю. К сожалению, следует признать, что использование 3D очков, не позволяет полностью отключить один глаз из зрительного акта, за счет того, что используемый поляризационный светофильтр даже после изменения своей плоскости поляризации пропускает часть падающего на него излучения. Несмотря на то, что данный световой поток незначителен по мощности, ослабленное изображение «соседнего» элемента стереопары попадает на другой глаз, и кроме полезного изображения могут возникнуть его «тени». В нормальных (далеких от пороговых) условиях функционирования зрительной системы данный эффект незначителен и им можно пренебречь.
При спектральном методе поляризационной селекции каждый элемент стереопары должен иметь различную (обычно перпендикулярную друг относительно друга) плоскость поляризации световой волны. Пользователь системы одевает пассивные (не подключаемые к ПЭВМ) очки, со специальными поляризационными стеклами, одно – с вертикальной поляризацией, а другое – с горизонтальной. В результате каждый глаз видит только свой образ. На практике с данным принципом работы можно ознакомиться, посетив стереокино. Метод поляризационной селекции прост и удобен, однако для его осуществления нельзя использовать стандартный дисплей компьютера, а приходится применять специализированные (3D) мониторы, к которым, в частности относятся плоскопанельные мониторы на основе жидко-кристаллических (ЖК) экранов и ЭЛТ-мониторы, оборудованные встроенными или внешними поляризационными ЖК-фильтрами.
Часто используемые в медицинской практике красно-синие, красно-зеленые или красно-синие-зеленые очки (вместо стекол применяются красный и синий/зеленый светофильтры) также позволяют получить необходимое разделение полей зрения для каждого глаза. Это возможно, если на экране компьютера формируются только стимулы однотонных цветов, в соответствии с используемым цветом стеклянных или пластиковых светофильтров. По сравнению с красно-зелеными, красно-синие очки обеспечивают более качественный стереоэффект, поскольку длины волн красного и синего цветов оптических излучений более разнесены по спектру, чем красного и зеленого. Следует однако заметить, что данный метод хотя и является наиболее простым с точки зрения используемой аппаратуры, но обладает, при этом, двумя существенными недостатками:
– плохая цветопередача формируемых зрительных стимулов;
– качество создаваемых изображений значительно уступает качеству, получаемому при применении других методов селекции.
Комбинированный метод селекции элементов стереопары заключается в совмещении в одном устройстве поляризатора и затвора. При функционировании подобных устройств обеспечивается поочередный показ элементов стереопары, каждый из которых отображается со своей поляризацией. Для получения стереоэффекта достаточно использовать пассивные поляризационные очки. Реализация данного принципа является более дорогой и сложной, но позволяет использовать более простые очки, чем затворный метод.
Описанные инструментальные методы формирования стереоскопических изображений с успехом используются в системах медико-биологического назначения для получения необходимой информации о функциональном состоянии зрительной системы или для лечебно-терапевтических воздействий, позволяющих восстановить требуемые параметры органа зрения.
П
роблемы
отображения глубины пространственной
сцены на плоских экранах тесно связаны
с понятием горизонтального параллакса.
В случае представления изображения в
виде стереопары, синтезируемый объект
(в простейшем случае точка, см. рис. 2)
воспринимается наблюдателем в месте
пересечения зрительных осей.
Если элемент стереопары, предъявляемый правому глазу, находится левее второго элемента формируемого стимула (отрицательный горизонтальный параллакс – на рис. 2 точка А*), то у испытуемого создается ощущение расположенности объекта в пространстве между наблюдателем и плоскостью изображений.
В противном случае, когда элемент стереопары, предъявляемый правому глазу, находится правее другого элемента (положительный горизонтальный параллакс – на рис. 2 точка B*), создается визуальное ощущение размещения наблюдаемого объекта за плоскостью экрана.
Компонуя в одном зрительном образе элементы, как с положительным, так и с отрицательным горизонтальным параллаксом можно добиться высокой степени реалистичности передачи глубинной протяженности формируемого изображения.