CC BY
54МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА
DOI: 10.17725/rensit2021.13.389
Физиологические аспекты восприятия визуальной
информации глазодвигательным аппаратом 1Грачев В.И., 1Колесов В.В., 2Меньшикова Г.Я., 1Рябенков В.И.
1Институт радиотехники и электроники им. В.А. Котельникова РАН, http://cplire.ru/ Москва 125009, Российская Федерация
2Московский государственный университет им. М.В. Ломоносова, http://www.psy.msu.ru/ Москва 125009, Российская Федерация
E-mail:grachev@cplimru, kvv@cplire.ru, menshikova@psy.msu.ru, ryabenkov.vi@list.ru Поступила 06.09.2021,рецензирована 13.09.2021, принята 20.09.2021
Аннотация: Индивидуальные особенности зрительного аппарата человека связаны с анатомическими и психофизиологическими параметрами его организма. В работе на основе технологии EyeTracking исследованы физиологические аспекты восприятия визуальной информации глазодвигательным аппаратом, не связанные с активной когнитивной деятельностью. Исследованы индивидуальные особенности в размере фиксации при чтении текста и рассматривании полутоновых графических объектов у различных людей. Исследованы временные длительности фиксаций у разных людей, связанные с процессом аккомодации, а также внутренняя структура фиксаций. Показано, что траектория смещения взгляда в фиксации обладает внутренней неоднородной структурой. Суммарная траектория движения глаза в области фиксации определяется набором последовательных кластеров. Такая структура фиксации, по-видимому, связана с процессами восстановления светочувствительности родопсина в фоторецепторах сетчатки. Все приведенные исследования фиксаций различных испытуемых на основе различных изображений показали, что глазодвигательная система с учетом физиологических особенностей зрительного аппарата одинаково управляется "видеопроцессором" головного мозга при аккомодации глаза на элементы изображения. Единственной объективной индивидуальной особенностью зрения человека, которая однозначно характеризует восприятие графической информации, является величина среднего смещения в фиксации. Именно она является «визитной карточкой» испытуемого и остается практически неизменной и при чтении, и при рассматривании полутоновых изображений, и в тестовой валидации при принудительной фиксации взгляда.
Ключевые слова: глазодвигательные реакции (окуломоторика), технология айтрекинга, фиксации, саккады, чтение текста, восприятие графики, индивидуальные особенности зрительного аппарата УДК 004.932.2; 159.931
Благодарности: Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства науки и высшего образования РФ - проект № 0030-2019-0016 и РФФИ - грант № 19-29-07392. Для цитирования: Грачев В.И., Колесов В.В., Меньшикова Г.Я., Рябенков В.И. Физиологические аспекты восприятия визуальной информации глазодвигательным аппаратом. РЭНСИТ, 2021, 13(3):389-402. DOI: 10.17725/rensit.2021.13.389._
Physiological aspects of visual information perception of the oculomotor apparatus
Vladimir I. Grachev, Vladimir V. Kolesov, Viktor I. Ryabenkov
Kotelnikov Institute of Radioengineering and Electronics, Russian Academy of Sciences, http://www.cplire.ru/
Moscow 125009, Russian Federation
E-mail:gra(hev@(plire.ru, kvv@cplire.ru, ryabenkov.vi@list.ru
Galina Ya. Menshikova
Lomonosov Moscow State University, http://www.psy.msu.ru/
МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА
Moscow 125009, Russian Federation E-mail: menshikova@psy.msu.ru
Received Sept. 06.2021, peer-reviewed Sept. 13.2021, accepted Sept. 20.2021
Abstract The individual characteristics of the human visual apparatus are associated with the anatomical and psychophysiological parameters of his body. Based on the EyeTracking technology, the physiological aspects of the perception of visual information by the oculomotor apparatus, which are not associated with active cognitive activity, have been investigated. The individual features in the size of fixation when reading text and examining halftone graphic objects in various people have been investigated. The time durations of fixations in different people, associated with the process of accommodation, as well as the internal structure of fixations, were investigated. It is shown that the trajectory of the gaze shift in fixation has an internal heterogeneous structure. The total trajectory of eye movement in the fixation area is determined by a set of successive clusters. This fixation structure is apparently associated with the processes of restoration of the photosensitivity of rhodopsin in the photoreceptors of the retina. All the above studies of the fixations of various subjects on the basis of various images showed that the oculomotor system, taking into account the physiological characteristics of the visual apparatus, is equally controlled by the "video processor" of the brain when the eye is accommodated to the image elements. And the only objective individual feature of human vision, which uniquely characterizes the perception of graphic information, is the value of the average displacement in fixation. It is she who is the "visiting card" of the subject and remains practically unchanged both when reading and when examining halftone images and in test validation with forced fixation of the gaze. Keywords: oculomotor reactions (oculomotorics), technology of eye-tracking, fixation, saccades, reading text, perception of graphics, individual characteristics of the visual apparatus UDC 004.932.2; 159.931
Acknowledgments: This work was financially supported by the Russian Ministry of Science and Higher Education (No. 0030-2019-0016) and Russian Foundation for Basic Research (grant No. 19-29-07392). For citation: Vladimir I. Grachev, Vladimir V. Kolesov, Galina Ya. Menshikova, Viktor I. Ryabenkov. Physiological aspects of visual information perception of the oculomotor apparatus. RENSIT, 2021,
13(3):389-402. DOI: 10.17725/rensit.2021.13.389._
Содержание В настоящее время доказано, что мы видим не
1. Введение (390) глазами, а мозгом. Т.е. распознавание объектов
2. Технология EyeTracking (394) происходит в головном мозгу, в который с
3. Индивидуальные особенности фиксаций при сетчатки поступает только «сырая» информация восприятии графических изображений (395) о распределении световых пятен в пространстве.
3.1. Геометрические параметры фиксаций (395) В обработку визуальных сигналов вовлечено
3.2. Продолжительность фиксаций (397) большое количество структур мозга, взаимосвязи 3.2. Динамические особенности которых многочисленны и до конца не изучены. восприятия графической информации (399) Совокупная функция глазодвигательного 3.4. Внутренняя структура фиксаций (400) аппарата заключается в том, чтобы обеспечить
4. Заключение (401) на двух сетчатках сфокусированное четкое
Литература (402) изображение внешнего мира. Для обоих глаз
1 ВВЕДЕНИЕ задача слежения за объектом должна выполняться
т-, с точностью до нескольких угловых минут —
В восприятии внешнего мира ведущее место
тт г иначе видимое изображение будет двоиться.
принадлежит органу зрения. Чтобы видеть, нужен 1 1
Все глазодвигательные реакции призваны свет. Орган зрения человека способен воспринимать r г
обеспечить основную задачу зрительного
свет различной длины волны, различные его яркости,
1 аппарата — максимальное восприятие человеком
форму и величину предметов, ориентироваться в
визуальной информации. Физиология зрения
пространстве, может оценить расстояние между
обеспечивается различными системами,
предметами, их объемность.
МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВОСПРИЯТИЯ ВИЗУАЛЬНОЙ 391 ИНФОРМАЦИИ ГЛАЗОДВИГАТЕЛЬНЫМ АППАРАТОМ
входящими в состав зрительного аппарата. Оптическая система глазного яблока фокусирует изображения на сетчатке, зрачок регулирует количество падающего на сетчатку света, а мышцы глазного яблока обеспечивают его непрерывные перемещения.
Зрительная система человека состоит из периферической части, представленной оптическим зрительным трактом в глазном яблоке, проводящими путями, включающими в себя зрительный нерв, аксоны зрительных нейронов и центральный отдел системы в головном мозге. Центральный отдел состоит из подкорковых центров и коркового зрительного центра затылочной доли головного мозга.
За восприятие электромагнитного излучения видимого диапазона, лежащее в основе зрения, отвечают рецепторы белковой природы, содержащиеся в фоторецепторной мембране клеток сетчатки глаза, — родопсин и йодопсин. Зрительными пигментами колбочек являются йодопсины, которые настроены на разные части спектра, а палочки обладают лишь родопсином, способным из цветов различать лишь изумрудную часть спектра.
Сетчатка образована двумя главными типами зрительных клеток — палочками со светочувствительным родопсином (около 120 млн. клеток на сетчатку человека) и колбочками со светочувствительным йодопсином (около 7 млн. клеток). Колбочки, сконцентрированные преимущественно в центральной области сетчатки (называемой центральной ямкой), функционируют только при ярком свете и отвечают за цветовое зрение и чувствительность к мелким деталям, а более многочисленные палочки ответственны за зрение в условиях слабой освещенности и отключаются при ярком освещении. Таким образом, из всех существующих млекопитающих трихроматическим зрением обладают только высшие приматы, к которым относится и человек. Наличие двух фоторецепторных систем (колбочки и палочки), различающихся по световой чувствительности, обеспечивает подстройку к изменчивому уровню внешнего освещения.
Поглощение родопсином кванта света приводит к ряду его фотохимических превращений — фотолизу. Фотолиз происходит
в несколько последовательных этапов, каждый из которых имеет соответствующую длительность. Первичный акт, связанный с поглощением фотона родопсином, занимает около 200 фс. За этим событием следует образование в течение миллисекунд нескольких промежуточных форм родопсина, каждая из которых характеризуется своим спектром поглощения.
Светоактивация родопсина является единственным светозависимым процессом. Все остальные стадии фотолиза светонезависимые, они сопряжены с молекулярными конформационными перестройками и являются следствием этого первичного акта поглощения света. Электрофизиологический ответ фоторецепторной клетки на световой стимул длится в течение сотен миллисекунд, а затем прекращается благодаря существованию механизмов, ответственных за выключение светозависимого каскада и восстановление темнового состояния.
Колбочки, расположенные в центральной части сетчатки, обеспечивают центральное форменное зрение и цветоощущение. Центральное форменное зрение — способность различать форму и детали рассматриваемого предмета благодаря остроте зрения. Сетчатка глаза млекопитающих называется инвертированным органом, т.к. фоторецепторы, которые являются первым рабочим звеном сетчатки, находятся в нижнем слое, а над ними лежат два слоя нейронов, которые собирают информацию от фоторецепторов и передают ее в головной мозг.
Самым важным участком сетчатки является желтое пятно или макула, которое определяет остроту зрения. Диаметр пятна составляет 5-5.5 мм, оно отличается по цвету от окружающих тканей, поскольку здесь более интенсивно окрашен подлежащий пигментный эпителий. В центре макулы находится центральная ямка, или фовеа, которая образуется в результате истончения сетчатки. Центральная ямка составляет 5% оптической части сетчатки, но в ней сосредоточено до 10% всех колбочек. В середине центральной ямки лежит ямочка — углубление диаметром 0.2-0.4 мм, она является местом наибольшей остроты зрения, содержит только колбочки (около 2500 клеток).
У человека и других высших приматов (но не всех млекопитающих) фовеа достигает примерно
МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА
700 микрометров в диаметре. В фовеа наблюдается наибольшая зрительная активность в сравнении с другими участками сетчатки, что вызвано структурными и композиционными изменениями в этом регионе. Особенностью этой зоны является сдвиг клеток проксимальных нейронов сетчатки в сторону, чтобы свет достигал фоторецепторов с минимальными искажениями. Фовеа состоит преимущественно из колбочек, количество которых увеличивается по мере движения в сторону фовеолы (светлая точка в центре фовеа). Такая система дает очень высокое разрешение зрительной информации, что вызвано еще одним интересным механизмом: каждая колбочка в фовеа соединена только с одной биполярной и одной ганглионарной клеткой. В других частях сетчатки каждая биполярная и ганглионарная клетка работает со множеством фоторецепторов, а не с одним, как в фовеа.
Необычная анатомическая особенность сетчатки заключается в том, что она обращена фоторецепторами к пигментному эпителию. Это обеспечивает возможность фоторецепторам эффективно восстанавливать зрительные пигменты. Фоторецепторы очень чувствительны к окружающей среде, так как им постоянно приходится сталкиваться с воздействием большого потока фотонов и свободных радикалов. Укладка светочувствительных элементов в наружном сегменте фоторецепторов делает возможным ежедневное плановое восстановление (обновление) этих элементов. При этом новые структуры собираются у основания фоторецепторов, в то время как старые элементы на верхушке уничтожаются соседними клетками ретинального пигментного эпителия. Полное обновление наружного сегмента занимает ~10 дней у высших позвоночных и 6-9 недель у низших позвоночных.
Острота зрения — это способность глаза воспринимать две точки, расположенные на минимальном расстоянии друг от друга, как отдельные. Минимальное расстояние, при котором две точки будут видны раздельно, зависит от анатомо-физиологических свойств сетчатки. Если изображения двух точек попадают на две соседние колбочки, то они сольются в короткую линию. Две точки будут восприниматься раздельно, если их изображения на сетчатке (две возбужденные колбочки) будут
разделены одной невозбужденной колбочкой. Таким образом, диаметр колбочки определяет величину максимальной остроты зрения. Чем меньше диаметр колбочек, тем больше острота зрения. Для большинства людей пороговый угол зрения (угловой размер объекта) соответствует одной минуте. На этом принципе построены все таблицы для исследования остроты зрения.
Электрофизиологический эффект
фоторецепторной клетки на световой стимул длится в течение сотен миллисекунд, а затем прекращается благодаря специальным механизмам, «выключающим» возбуждение и восстанавливающим «темновое» состояние. Наиболее сложным в процессе возвращения фоторецептора в темновое состояние является восстановление светочувствительности
родопсина. Самой медленной реакцией является распад комплекса родопсина.
Из сетчатки электрический сигнал по зрительному нерву передается в специализированное клеточное скопление, расположенное в глубине мозга, — так называемое наружное (латеральное) коленчатое тело. Далее сигнал поступает в зрительную область коры, расположенную в затылочной части мозга. Вначале информация попадает в первичную зрительную зону, откуда, пройдя через несколько слоев синаптически связанных клеток, она передается соседним зонам более высокого порядка, где в конечном счете и формируется образ предмета, на который мы смотрим.
Зрительные функции тесно связаны друг с другом и составляют единое целое, именуемое актом зрения. При этом палочки и колбочки не могут воспринимать и передавать нейронам информацию о движении зрительного сигнала в ту или иную сторону.
Глазодвигательный аппарат и бинокулярное зрение представляют собой сложный сенсомоторный механизм, физиологическое значение которого определяется двумя его главными функциями: двигательной (моторной) и сенсорной (чувствительной). Двигательная функция обеспечивает наведение обоих глаз, их зрительных осей и центральных ямок сетчаток на объект фиксации; сенсорная — слияние двух монокулярных (правого и левого) изображений в единый зрительный образ.
Положение каждого глаза контролируется
МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ВОСПРИЯТИЯ ВИЗУАЛЬНОЙ 393 ИНФОРМАЦИИ ГЛАЗОДВИГАТЕЛЬНЫМ АППАРАТОМ
шестью отдельными мышцами, две из них — наружная прямая и внутренняя прямая — контролируют горизонтальный поворот глаз, осуществляемый при переводе взгляда слева направо или от близких объектов к удаленным. Другие восемь мышц, по четыре на каждый глаз, контролируют поднятие и опускание глаз, т.е. поворот в вертикальной плоскости.
Всякое движение одного глаза почти всегда является частью более сложного комплекса движений. Если мы смотрим на объект, расположенный очень близко, оба глаза поворачиваются внутрь. Если мы смотрим налево, правый глаз поворачивается внутрь, а левый — наружу. Если же мы смотрим вверх или вниз, оба глаза вместе поворачиваются вверх или вниз. Всеми этими движениями управляет мозг. Практически каждое осуществляемое движение это результат совместного сокращения многих мышц и расслабления многих других.
Естественно было бы ожидать, что при обследовании окружающего мира наши глаза будут плавно сканировать всю сцену непрерывными движениями. На самом же деле при фиксации какого-то объекта глаза устанавливаются так, чтобы изображение этого объекта попало в область центральной ямки обоих глаз. Затем глаза удерживаются в таком положении в течение короткого времени, и потом глаза скачком перемещаются в новую позицию и фиксируют новую мишень, которая находится где-то в другом месте зрительного поля и привлекает к себе внимание тем, что несколько сдвигается относительно фона или имеет какую-то интересную форму. Во время такого скачка, или саккады, скорость движения глаз столь велика, что зрительная система не успевает отреагировать на перемещение изображения по сетчатке и мы его просто не замечаем. (Возможно, что зрение отключается на период скачка с помощью какой-то нейронной схемы, которая связывает глазодвигательные центры с главным зрительным путем).
Скачкообразные движения глаз (саккады) возникают при рассматривании неподвижных предметов. Быстрые повороты глазного яблока (10-80 мс) чередуются с периодами неподвижной фиксации взгляда в одной точке (200-600 мс).
Таким образом, процесс обследования зрительного поля при чтении или просто при
рассматривании окружающего пространства состоит из серии быстрых скачков с одной точки на другую.
Задача глазодвигательной системы, видимо, заключается не в том, чтобы удерживать изображение на сетчатках неподвижным, а в том, чтобы предотвращать его плавное непрерывное смещение.
При прослеживании движущейся сцены взгляд фиксирует какой-нибудь объект и поддерживает его фиксацию путем плавного движения глаз до тех пор, пока объект не выйдет из зоны видимости. После чего делается скачок и фиксируется новый объект. Такая последовательность движений глаз — плавное прослеживающее движение в одну сторону, а затем саккада в другую называется нистагмом.
При рассмотрении неподвижной сцены и фиксации на какой-либо точке эта фиксация не бывает абсолютно неподвижной. Несмотря на все попытки жестко фиксировать точку, глаза не остаются в полном покое, а совершают непрерывные микродвижения, называемые микросаккадами. Они совершаются несколько раз в секунду и направлены более или менее случайно, достигая амплитуды 1—2 угловых минут [1].
Известно, что если изображение на сетчатке искусственно стабилизировать специальными методами, устранив его смещения относительно сетчатки, то зрительный образ спустя примерно секунду как бы «выцветает» и поле зрения становится совершенно пустым! (Простейший способ стабилизации состоит в том, что точечный источник света прикрепляют к контактной линзе; когда глаза движутся, источник света тоже движется и световое пятно быстро становится невидимым). Если после стабилизации хотя бы чуть-чуть сместить изображение на сетчатке, световое пятно тотчас появляется снова.
Таким образом зрительная система обеспечивает нечувствительность клеток к неподвижным объектам. При этом, микросаккады необходимы для того, чтобы непрерывно видеть неподвижные объекты. Можно предположить, что в этом процессе участвуют сложные клетки коры, особо чувствительные к движению стимула, но, вероятно, не участвуют клетки с дирекциональной избирательностью, так как микросаккады явно случайно распределяются по направлениям.
МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА
С другой стороны, механизм дирекциональной избирательности должен быть полезным для выявления движений объектов относительно неподвижного фона, сигнализируя о наличии движения и о его направлении. Для того чтобы следить за движущимся объектом на неподвижном фоне, нужно фиксировать объект и перемещать взор вместе с ним. В этом случае изображение всей сцены будет передвигаться по сетчатке. Перемещение всех деталей неподвижного фона по сетчатке должно приводить к бурной активности клеток коры головного мозга.
Поэтому механизм того, как формируется в мозге изображение действительности, — это не только оптика и химические реакции, происходящие на сетчатке. Важнейшую роль в создании этой картинки играет наш мозг —причем не только зрительная кора, которая делает фигуры объемными, отделяет их от фона и раскрашивает в нужные цвета, но и остальные отделы, которые отвечают за жизненно важные функции.
Цель настоящей работы — исследование индивидуальных особенностей зрительного аппарата человека с использованием специальной технологии записи движений глаз, позволяеющей наглядно продемонстрировать, все особенности поведения глазодвигательного аппарата. Такая технология широко используется в различных задачах, связанных со зрительной системой, исследованиях в области психофизиологии, психологии, когнитивной лингвистики, медицины и прочих сферах науки, техники, и даже спорта, и даже в маркетинговых исследованиях для оценки эффективности печатной рекламы и дизайна.
2. ТЕХНОЛОГИЯ EYETRACKING
EyeTracking (айтрекинг или отслеживание перемещения глаз) — это метод, который определяет координаты взора: точки пересечения оптической оси глазного яблока и плоскости наблюдаемого объекта или экрана, на котором находится некоторый визуальный объект. Устройство Eye Tracker распознает и записывает позиции зрачка и движения глаза. Оно может быть носимым на голове (очки) или стационарным (специальная стойка перед экраном монитора). Существует несколько технологий, обеспечивающих регистрацию движения глаз. В настоящее время чаще всего используется специальная высокоточная
инфракрасная камера, которая снимает зрачок и направление взора респондента [2].
Исследования проводились на установке iView X™ HiSpeed 1250/500 немецкой компании SMI (HSSMI), предназначенной для высокоскоростной видеорегистрации движения глаз в инфракрасном диапазоне излучения. Она состоит из регистрирующей скоростной видеокамеры, источника инфракрасного света, стойки-колонны с упором головы и подбородником, монитора для предъявления графических объектов, персонального компьютера и пакета программного обеспечения. Оценка направленности движений глаз опирается на видеоинформацию об относительном расположении центров зрачка и роговичного блика (Pupil center/corneal reflex метод). Частота видеосъемки поверхности глаз в монокулярном режиме — 1250 или 500 Гц. В системе видеорегистрации голова испытуемого фиксируется с помощью офтальмологической рамки, что позволяет избежать дополнительных вычислений, связанных с движением головы испытуемого [3].
Хотя в целом аппаратура EyeTracking удовлетворительно воспроизводит микро-и макродвижения глаз, существуют возмущающие воздействия, искажающие картину фиксаций и целенаправленных саккадических поворотов глаз. Высокая частота видеосъемки поверхности глаз сама по себе недостаточна для адекватного отображения окуломоторных процессов. Необходима процедура сепарации собственно движений от совокупности событий, протекающих внутри глаза и на его поверхности. Анализ сырых данных координат центра зрачка и центра инфракрасного блика показывает, что искажения генерируются при изменении координат центра зрачка, но при практически неизменных координатах центра блика. Поскольку подвижность блика рассматривают как основной признак работы экстраокулярных мышц, зарегистрированные искажения имеют не окуломоторную, а какую-то иную природу. Наиболее вероятно, что они обусловлены динамическими процессами, протекающими внутри глазного яблока, например микродинамикой структуры зрачка при резких движениях глаза, или особенностями работы математической модели, заложенной в основу
МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА
Ф1131ЮЛОП ГЧЕСК11Е АСПЕКТЫ ВОСПР11ЯТ1Ш В113УАЛБНОЙ 395 ИНФОРМАЦИИ ГЛАЗОДВИГАТЕЛЬНЫМ АППАРАТОМ
программы обработки изображений глаз. В любом случае речь идет о внешних факторах, искажающих действительную картину окуломоторной активности [4].
Уже первые исследования показали, что формальная задача, поставленная испытуемому, пмеет огромное влияние на результат эксперимента по айтрекпнгу. Серпя экспериментов показала, что результат эксперимента зависит не только от визуального стимула, но п от задачи, поставленной испытуемому, а также от информации, которую испытуемый рассчитывает получить из визуального стимула [5].
Записи траекторий движения глаз показали, что только небольшая часть элементов изображения привлекает внимание испытуемого п его глаза совершают фиксации на этих элементах. Процесс движения глаз отражает процесс мышления человека. Взгляд с некоторым отставанием следует за точкой, куда направлено внимание испытуемого. Таким образом, достаточно просто определить, какие элементы изображения привлекают внимание испытуемого, в каком порядке п как часто [6].
Однако на записях траектории движения глаз видно, что траектория взгляда п точки фиксации часто проходят мимо объектов, к которым реально привлекалось внимание п только иногда показывают непродолжительные по времени фиксации. Таким образом, было показано, что невозможно однозначно связать напрямую протекание когнитивных процессов в головном мозге с результатами экспериментов по айтрекпнгу [7]. Однако анализ траекторий движения глаз, связанных с процессом аккомодации в области фиксаций, позволяет псследовагъ алгоритм, который использует "видеопроцессор", расположенный в головном мозге для управления непроизвольными движениями глазодвигательного аппарата при визуальном восприятии графической информации, а также исследовать индивидуальные физиологические особенности зрительной системы различных людей.
3. ИНДИВИДУАЛЬНЫЕ ОСОБЕННОСТИ ФИКСАЦИЙ ПРИ ВОСПРИЯТИИ ГРАФИЧЕСКИХ ИЗОБРАЖЕНИЙ
Локализация п идентификация объектов зрительной системой происходит в процессе
аккомодации—способностпглазафокуспроваться на предметах, находящихся на разном расстоянии. При этом запускаются различные механизмы аккомодации, обеспечивающие хорошее четкое зрение. Деформируется капсула хрусталика, в результате чего изменяется преломляющая сила глаза. Световые лучи фокусируются на сетчатке, обеспечивая четкость объектов. Глазодвигательным аппаратом осуществляются мпкродвпженпя глаза в области центральной части сетчатки при фиксировании взглядом какого-либо объекта, привлекающего внимание, при этом фиксация не бывает абсолютно неподвижной [8].
Известно, что глазодвигательные реакции оказывают определяющее влияние на остроту зрения [9]. Высокая острота зрения чрезвычайно важна в различных жизненных ситуациях п для многих профессиональных задач, от уверенного распознавания объектов до вождения автомобилей п самолетов. Хорошо известно, что оптические п анатомические характеристики глаза способствуют хорошему зрению п пространственному разрешению, однако влияние индивидуальных особенностей рефлекторных движений глаз на характеристики зрения практически не исследовано. 3.1. Геометрические параметры фиксаций Пример записи траектории движения глаз при рассмотрении объекта показан на Рис. 1. В экспериментах все графические объекты демонстрировались на мониторе размером 295x520 мм с разрешением 1920x1080 пиксел. При этом расстояние от глаз до экрана составляло 800 мм.
Рис. 1. Траектория движения глаз при рассматривании графического объекта. Кружками обозначены области
глаза.
МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА
Известны различные интегральные критерии определения индивидуальных различий при движении глаз разных наблюдателей при рассмотрении идентичных изображений [10]. В свою очередь размер фиксации при восприятии графических изображений может также отражать индивидуальные особенности зрительного аппарата различных наблюдателей.
Внешние контуры фиксаций на реальных трекингах имеют, как правило, довольно сложную конфигурацию. Для того, чтобы приблизительно оценить площадь, занимаемую фиксацией, необходимо упростить геометрию. В первом приближении под площадью фиксации будем понимать площадь описанного вокруг фиксации прямоугольника, т.е. в каждой фиксации можно найти максимальное и минимальное значения для каждой координаты, найти разность между ними и получить площадь прямоугольника. Вычисленные таким образом оценки будут иметь завышенное значение, но в первом приближении они дают объективное представление о реальных площадях (размерах) фиксаций и их соотношении.
На Рис. 2 представлены результаты таких исследований в виде распределений по величине площади для трех испытуемых Е, О и V, рассматривающих три различные графические изображения с разной структурой Т, ¥ и XV при восьми различных ориентациях, отличающихся поворотом против часовой стрелки на 45° (всего 24 изображения). Полное количество фиксаций, зафиксированных на трекингах для всех испытуемых, равно 1723. По отдельным испытуемым это количество распределилось следующим образом: Е — 551, О — 485, V — 687. Естественно предположить,
О 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500
Рис. 2. 'Распределения фиксаций по величине площади для трех испытуемых Е (зеленый), О (черный) и V (красный). Площадь фиксации откладывается на горизонтальной оси в мм2.
что размер фиксаций определяется диаметром фовеа, т.к. при рассматривании для обеспечения четкого конкретного фрагмента изображения он должен проецироваться на область фовеа. При этом конкретный фрагмент изображения может иметь самые разные размеры и не всегда проецироваться на всю область фовеа.
Рис. 2 демонстрирует, что все три распределения имеют схожую, весьма характерную форму: малое количество фиксаций с небольшой площадью, характерный максимум и довольно длинный хвост.
Если оценить диаметр круглой области с такой площадью, то получится величина порядка 30 мм. Для диаметра фовеа, с учетом геометрических данных установки и считая фокусное расстояние хрусталика порядка 20 мм, получим приблизительно 750 мкм, что является несколько завышенной величиной. Последний результат легко объясняется весьма грубым способом вычисления площадей фиксаций.
Характерные максимумы распределений индивидуальных размеров фиксаций для испытуемых Е, О и Л^ с учетом фокусного расстояния хрусталика глаза порядка 20 мм, приходятся на площади 150, 75 и 50 мм2. Оценка размеров фовеа для этих значений площадей фиксаций дает величины порядка 400, 250 и 200 мкм соответственно, что близко к его реальным размерам. Геометрические размеры фиксаций приведены в системе координат экрана.
Размер фиксаций зависит от типа наблюдаемого объекта. Это можно показать, сравнивая процесс аккомодации при восприятии графических объектов с разными размерами. На Рис. 3 представлены распределения всех фиксаций по площади для двух испытуемых А
Рис. 3. Распределения фиксаций по величине площади для двух испытуемых V (¡фасный) и Л (черный). Площадь фиксации откладывается на горизонтальной оси в мм2.
МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА
Ф1131ЮЛОГ11ЧЕСК11Е АСПЕКТЫ ВОСПР11ЯТ11Я В113УАЛЬНОЙ 397 11НФОРМАЦ1III ГЛАЗОДВ11ГАТЕЛЬНЫМ АППАРАТОМ
и V. Испытуемым было предложено прочитать 12 коротких текстов. Анализировались фиксации на траектории движения глаз. Также использовались данные валпдацпп перед началом измерений, когда каждый испытуемый проходит индивидуальную настройку процесса записи посредством принудительной фиксации взгляда на контрольных точках экрана монитора. При построении графиков на Рис. 3 распределение для фиксаций данного текста складывалось с распределением для предыдущего текста. В результате получилось суммарное распределение для 12 текстов и фиксаций, имевших место в валпдацпп. Из рисунка видно, что для каждого испытуемого распределения фиксаций для всех текстов чрезвычайно похожи, максимумы распределений практически не меняют своего положения, а полуширина распределений остается практически неизменной.
Если сравнить распределение для испытуемого V, полученные при рассматривании трех графических сюжетов в восьми различных угловых положениях (Рис. 2 — красная кривая) с распределением, полученным для того же испытуемого при чтении, то можно отметить, что максимум распределения сместился в сторону меньших площадей (с 50 на 30 мм2) п полуширина распределения также уменьшилась приблизительно с 80 мм2 до 30 мм2. Уменьшение размера фиксаций можно, по-видимому, объяснить тем, что при чтении текста задействована лишь центральная область фовеа — фовеола, т.к. буквы имеют существенно меньший размер по сравнению с элементами полутоновой графики.
Достаточно интересен случай восприятия при отсутствии изображения (имитация тумана), когда испытуемый смотрит вдаль сквозь белый лист. На Рис. 4 показаны общее распределение длин в фиксациях и саккадах в траектории взгляда для одного испытуемого в случае восприятия полутонового изображения и в случае отсутствия изображения.
Из рисунка видно, что в случае отсутствия изображения видеопроцессор глазодвигательного аппарата работает по стандартному алгоритму, но при этом распределение длин в фиксациях и саккадах становится почти вдвое уже.
Рис. 4. Распределения смещений во всех фиксациях по длине, нормированные на свой максимум, для одного испытуемого в случае восприятия полутонового
изображения и в случае отсутствия изображения.
3.2. Продолжительность фиксаций
При восприятии графической информации задействованы различные элементы зрительного аппарата. При этом длительность фиксаций может быть связана с некоторыми индивидуальными особенностями процесса, обусловленного как физиологическим строением глазного яблока, так п процессами, происходящими в головном мозге [11].
Из Рис. 5 видно, что максимум в распределении фиксаций по их продолжительности для испытуемых по трем полутоновым графическим изображениям для всех испытуемых находится приблизительно в одном месте (0.25 с), что несколько превышает аналогичную величину в случае чтения [12].
I -
-
1т л л Щ ШЛ I ■
Рис. 5. Распределения фиксаций по их пр д,ш испытуемых Е (черный), О (зеленый) и \ Т (красный), по прем графическим изображениям, повернутым на восемь раз,шчных уг^юв. Время отложено по горизонтальной оси в секундах.
МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА
Рис. 6. Суммарное распределение фиксаций по их продолжительности при чтении шести коротких текстов (номер текста указан в правом вернем углу) одиннадцатью испытуемыми (а, Ь, с,...к). По горизонтальной оси- время в секундах.
На Рис.6, показаны распределения количества фиксаций по их продолжительности при чтении шести коротких текстов одиннадцатью испытуемыми (а, Ь, с,...Л). При этом текст №1 грамматически безупречен, а остальные были искажены с точки зрения увеличения трудностей при чтении. Таким образом, было обработано 66 траекторий и для каждого трекинга строилось свое распределение. При этом все распределения были одинаковыми (содержали по 100 точек с шагом 0.02 с), поэтому их можно было складывать. Такое суммирование выполнялось по каждому тексту для всех одиннадцати испытуемых и именно эти суммарные распределения представлены на Рис. 6. Видно, что из-за однотипности задачи (чтение текста) максимумы для всех распределений лежат в пределах 0.2- 0.25 с. При этом наиболее компактным получилось распределение по первому (неискаженному) тексту. При анализе учитывается полное число фиксаций в распределении.
На Рис. 7 показаны результаты анализа фиксаций для двух испытуемых А и V при чтении неискаженного текста. Представлена суммарная длина в каждой фиксации и средняя величина смещения в каждой фиксации.
На Рис. 8 показаны результаты анализа фиксаций для испытуемого V при чтении остальных пяти текстов и точек принудительной
Рис. 7. а — (уммарная длина в каждой фиксации, Ь — средняя величина смещения в каждой фиксации для двух испытуемых Л (черный) и V (красный) при чтении
неискаженного текста. фиксации на контрольных точках в процессе валидации. На рисунке видно, что все параметры фиксаций для испытуемого V практически тождественны результатам и повторяют результаты, полученные при анализе первого неискаженного текста.
Необходимо отметить, что при выполнении задачи принудительной фиксации, когда глаз специально удерживается некоторое время на одной точке, общая длина фиксации увеличивается в несколько раз (максимумы на начальном участке верхнего графика). Хотя принудительная фиксация принципиально отличается от процесса чтения и требует дополнительных усилий при фиксации глаза, средняя величина смещения в этих фиксациях также остается практически неизменной.
Рис. 8. а — (уммарная длина в каждой фиксации, Ь — средняя величина смещения в каждой фиксации для испытуемого V при чтении пяти текстов и точек принудительной фиксации на контрольных точках и в процессе валидации.
МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА
Ф1131ЮЛОГ114ECKIIE АСПЕКТЫ ВОСПР11ЯТ1Ш BI13УАЛЬНОЙ 399 11НФОРМАЦ1III ГААЗОДВ11ГАТЕАЬНЫМ АППАРАТОМ
Рис. 9. Средняя величина смещения в каждой фиксации для трех испытуемых Е (зеленый), О (черный) и \ Т (красный) при восприятии восьми вариантов тестового изображения Vue. 10, повернутого на разбитные углы.
На Рис. 9 показаны результаты анализа фиксаций на траектории движения глаз для трех испытуемых Е, О и V при восприятии восьми вариантов тестового полутонового изображения Рис. 10, повернутого на различные углы. Явные вертикальные и горизонтальные детали этого рисунка позволяют продемонстрировать индивидуальные особенности восприятия сложного графического изображения.
Все приведенные исследования фиксаций различных испытуемых на основе различных изображений показали, что глазодвигательная система с учетом физиологических особенностей зрительного аппарата одинаково управляется "видеопроцессором" головного мозга при аккомодации глаза на элементы изображения. Единственной объективной индивидуальной особенностью зрения человека, которая однозначно характеризует восприятие графической информации, является величина среднего смещения в фиксации. Именно она является «визитной карточкой» испытуемого и остается практически неизменной и при чтении, и при рассматривании полутоновых изображений, и в тестовой валпдацпп при принудительной фиксации взгляда.
На Рис. 11 показаны количества саккад в шести текстах по их продолжительности для одиннадцати испытуемых [13]. Суммирование
Рис. 11. Распределения количества саккад в 6 текстах
по их продолжительности для 11 испытуемых. выполнено для каждого текста по всем испытуемым. II в этом случае наиболее компактным также является первое суммарное распределение, относящееся к неискаженному тексту. На этом распределении явно выражены два максимума. Первый (0.03 с) определяется строчными саккадамп (интервалы между словами в строке). Второй (0.06-0.08 с) определяется межстрочными или обратными саккадами. Также видно, что из-за однотипности задачи (чтение текста) все распределения достаточно похожи. 3.3. Динамические особенности восприятия
графической информации
Динамические особенности восприятия графической информации удобно
исследовать на задачах при чтении текстов. По-видимому, быстрота чтения определяется продолжительностью пребывания взгляда в фиксациях, т.к. в них взгляд находится порядка 80% времени и основная экономия времени может быть только в фиксациях.
Например, анализируя первый
(неискаженный) текст для одиннадцати испытуемых, можно сделать некоторые выводы об индивидуальных особенностях скорости чтения. Результаты исследования представлены на Рис. 12. По этому параметру наилучшими являются испытуемые №7 и №10, соответственно средние времена пребывания взгляда в фиксациях для них 0.1965 п 0.1973 сек.
Рис. 10. Тестовое графическое изображение.
длительность из 11 испытуемых.
МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА
Рис. 13. Одиннадцать испытуемых читают один и тот же неискаженный текст. Черная кривая — количество фиксаций в тексте, красная кривая — ирода/житыъностъ чтения, зменая кривая— длительность всех фиксаций в сек.
На Рис. 13 представлены зависимости продолжительности каждой фиксации для всех испытуемых. Из рисунка видно, что количество фиксаций у испытуемых меняется от 17 до 31, а время, затраченное на чтение, от 4.94 до 10.2 сек.
Из Рис. 13 можно сделать вывод, что все испытуемые тратят на саккады практически одинаковое время, т. к. разность между полным временем чтения и суммарной длительностью всех фиксаций для них почти постоянна и составляет 1.5-2 сек.
На Рис. 14 показано суммарное смещение взгляда в фиксациях, нормированное на свой максимум, для испытуемого V по пяти разным изображениям с перерывом в шесть лет [13]. Из рисунка видно, что общий характер восприятия графической информации практически не изменился.
Длительность фиксаций напрямую связана с общей длиной траектории взгляда в фиксации, который с достаточной точностью может фиксироваться аппаратурой ЕуеТгасЫп^
Рис. 15. а - трекинги взгляда трех испытуемых для изображения на Vue. 10,b- суммарная длина всех смещений в конкретной выбранной фиксации, с - величина реднего смещения взгляда в конкретной выбранной фиксации.
На верхних изображениях Рис. 15 представлены трекинги взгляда трех испытуемых для изображения на Рис.10. Средние графики демонстрируют суммарную длину всех смещений в конкретной выбранной фиксации, а нижние графики демонстрируют величину среднего смещения взгляда в конкретной выбранной фиксации.
Из Рис. 15 явно видны индивидуальные особенности испытуемых при восприятии данного изображения. У испытуемого Е площадь, общая средняя длина трека и среднее смещение взгляда в фиксации значительно больше, чем у испытуемых О и V. Средняя величина смещения взгляда в фиксации для Е равна 2.1 мм, у О эта величина равна 0.9 мм, а для V наименьшая и составляет приблизительно 0.7 мм. 3.4. Внутренняя структура фиксаций Траектория смещения взгляда в фиксации обладает внутренней неоднородной структурой, которая видна на временной развертке трека в фиксации. Данная структура реакций глазодвигательного аппарата, по-видимому, полностью определяется физиологическими особенностями глазного яблока и алгоритмом процесса аккомодации, который регулируется "видеопроцессором" головного мозга при восприятии графической информации.
На Рис. 16 показана траектория движения глаза испытуемого V во время принудительной фиксации в процессе валидации.
МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА
Ф1131ЮЛОГ11ЧЕСК11Е АСПЕКТЫ ВОСПР11ЯТ11Я В1ВУААЬНОЙ 401 11НФОРМАЦ1III ГААЗОАВ11ГАТЕАЬНЫМ АППАРАТОМ
Рис. 16. Траектория движения взгляда испытуемого Iг во время принудительной фиксации в процессе всишдации. Вся фиксация последовательно разбита на 7 фрагментов по 314 точек, прекинг каждого фрагмента на рисунке представлен своим цветом. Последовательность цветов от первого до последнего фрагмента: синий, зелёный, красный, циан, маджента, жёлтый, черный.
На Рис. 17 показан начальный участок траектории движения глаза во время принудительной фиксации в процессе валпдацпп.
ЫзРис. 16п 17 видно, что траектория смещения взгляда в фиксации обладает внутренней неоднородной структурой. Суммарнаятраекторпя движения глаза в области фиксации определяется
Рис. 17. Начальный участок траектории движения взгляда во время принудительной фиксации в процессе всишдации. Участок также разбит на 7 фрагментов по 100 точек, прекинг каждого фрагмента на рисунке представлен своим цветом. Последовательность цветов от первого до последнего фрагмента: синий, зыеныи, красный, циан, маджента, желтый, черный.
набором последовательных кластеров, которые хорошо просматриваются на рисунках. Такая структура фиксации, по-видимому, связана с индивидуальной структурой фовеа и процессами восстановления светочувствительности
родопсина в фоторецепторах сетчатки.
4. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Работа посвящена выявлению индивидуальных особенностей зрительного аппарата человека, связанных с анатомическими и психофизиологическими параметрами
организма. В работе на основе технологии EyeTracking исследованы физиологические аспекты восприятия визуальной информации глазодвигательным аппаратом, не связанные с активной когнитивной деятельностью. Исследованы индивидуальные особенности в размере фиксации при чтении текста и рассматривании полутоновых графических объектов у различных людей. Исследованы временные длительности фиксаций у разных людей, связанные с процессом аккомодации, а также внутренняя структура фиксаций.
Показано, что траектория смещения взгляда в фиксации обладает внутренней неоднородной структурой. Суммарная траектория движения глаза в области фиксации определяется набором
последовательных кластеров. Такая структура фиксации, по-видимому, связана с процессами восстановления светочувствительности
родопсина в фоторецепторах сетчатки.
Все приведенные исследования фиксаций различных испытуемых на основе различных изображений показали, что глазодвигательная система с учетом физиологических особенностей зрительного аппарата одинаково управляется "видеопроцессором" головного мозга при аккомодации глаза на элементы изображения и единственной объективной индивидуальной особенностью зрения человека, которая однозначно характеризует восприятие графической информации, является величина среднего смещения в фиксации. Именно она является долговременной «визитной карточкой» испытуемого и остается практически неизменной и при чтении, и при рассматривании полутоновых изображений п в тестовой валпдацпп при принудительной фиксации взгляда.
МЕДИЦИНСКАЯ ФИЗИКА
ЛИТЕРАТУРА
1. Hubel DH. Eye, Brain, and Vision. NY 10038, USA, WH Freeman Publ. Group, 1995, p. 256.
2. Барабанщиков ВА, Жегалло АВ. Методы регистрации движений глаз: теория и практика [Электронный ресурс]. Психологическая наука и образованиеpsyedu.ru, 2010, 2(5).
3. ViewPoint EyeTracker, Software User Guide, 2010 © Arlington Research, Inc
4. Жегалло АВ. Система регистрации движений глаз SMI HIGH SPEED: особенности использования. Экспериментальная психология, 2009, 2(4):111-117.
5. Ярбус АЛ. Роль движений глаз в процессе рения. М., Наука, 1965.
6. Hoffman JE. Visual attention and eye movements. In: H. Pashler (ed.), Attention, 1998, pp. 119-154. Hove, UK: Psychology Press.
7. Holsanova J. How We Focus Attention in Image Viewing, Image Description, and during Mental Imagery. In: K. Sachs-Hombach and R. Totzke (eds). Bilder, Sehen, Denken, 2011, pp. 291-313. Cologne: Herbert von Halem Verlag.
8. Кирпичников АП. Видеопроцессор глаза: Микродвижения как фактор аккомодации и видеообработки. Материалы 12 межд. конф. "Цифровая обработка сигнала и ее применение, DSPA-2010, Обработка и передача изображений"', Москва, 2010, c. 170-172.
9. Intoy J, Rucci M. Finely tuned eye movements enhance visual acuity. Nature Communications, 2020, 11:795, doi: 10.1038/s41467-020-14616-2.
10. Беляев РВ, Колесов ВВ, Меньшикова ГЯ, Попов АМ, Рябенков ВИ. Количественный критерий индивидуальных различий траекторий движения глаз. Радиоэлектроника. Наносистемы. Информационные технологии (РЭНСИТ), 2015, 7(1):25-33. DOI: 10.17725/ rensit.2015.07.025.
11. Menshikova GY, Belyaev RV, Kolesov VV, Ryabenkov VI. The evaluation of individual differences using fractal analysis of scanpaths. Journalof eye movement research, 2015, 8(4):282 (Special issue ECEM 18). DOI: 10.16910/jemr.8.4.1.
12. Беляев РВ, Грачев ВИ, Колесов ВВ, Меньшикова ГЯ, Попов АМ, Рябенков ВИ. Окуломоторные реакции в фиксациях и саккадах при визуальном восприятии информации. РЭНСИТ, 2020, 12(2):263-274. DOI: 10.17725/rensit.2020.12.263.
13. Беляев РВ, Колесов ВВ, Меньшикова ГЯ, Попов АМ, Рябенков ВИ. Динамика обратных саккад при чтении текстов и ее связь с особенностями движения глаз. РЭНСИТ, 2018, 10(1):117-127. DOI: 10.17725/ rensit.2018.10.117.
Грачев Владимир Иванович
научный сотрудник
ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН
Москва 125009, Россия
grachev@cplire.ru
Колесов Владимир Владимирович
к.ф.-м.н, с.н.с.
ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН Москва 125009, Россия kvv@cplire.ru
Меньшикова Галина Яковлевна
д.псих.н, завлаб. психологии восприятия МГУ им. М.В. Ломоносова Москва 125009, Россия menshikova@psy.msu.ru Рябенков Виктор Иванович кт.н, с.н.с.
ИРЭ им. В.А. Котельникова РАН Москва 125090, Россия ryabenkov.vi@list.ru.
