CC BY
77
31
Технические средства и технологии обеспечения Безопасности человека
УДК 612.84
Е. В. Логунова1, научный сотрудник,
Ю. Е. Шелепин2, д-р мед. наук, профессор, зав. лабораторией, Н. А. Шабалина1, канд. пед. наук, старший научный сотрудник, А. А. Бритиков1, канд. техн. наук, старший научный сотрудник, С. В. Пронин2, научный сотрудник,
1 ФГУП «Государственный научно-исследовательский институт прикладных проблем» (ГосНИИПП), Санкт-Петербург
2 ФГБУН «Институт физиологии им. акад. И. П. Павлова» РАН, Санкт-Петербург
Изучение экологической безопасности визуальной среды
Ключевые слова: визуальная экология, пространственно-частотный анализ, визуальное поле, семантическое значение, зрительные стимулы.
Keywords: visual ecology, spatial-frequency analysis, visual field, semantic meaning, visual stimuli.
Безопасность восприятия человеком окружающей биотехносферы зависит от особенностей структуры, сочетания и количества элементов, составляющих сложную среду. Для описания особенностей физических параметров воспринимаемых цифровых изображений естественных ландшафтов и изображений сложной техногенной среды мы применили пространственно-частотный анализ. Установлено, что определенные пространственно-частотные характеристики позволяют прогнозировать особенности восприятия и оценить степень возможной экологической опасности.
Введение
Среди многообразия экологических проблем биотехносферы, таких как загрязнение воды, воздуха, повышение уровня шума и радиации, особое место занимает визуальная среда. В целом ряде исследований установлено, что именно зрительные стимулы создают доминирующий тон мироощущения человека [1—4].
Видимые поля являются реальным отражением существующей действительности, от них напрямую зависят психофизиологическое состояние человека и его здоровье. Данная работа посвящена описанию ряда методологических подходов к оценке безопасности окружающей среды, т. е. к проблемам видеоэкологии. Видеоэкология — это наука, которая изучает особенности влияния как природных, так и искусственных факторов визуальной среды, оказывающих благоприятное или негативное воздействие на психику человека.
Впервые термин «видеоэкология» (vedeoecology) ввел В. А. Филин (1987). Теоретической основой
концепции «автоматия саккад» (В. А. Филин, 1987) является способность глазодвигательного аппарата совершать быстрые движения глаз непроизвольно в определенном ритме. Безопасность зрительных стимулов на начальном этапе развития визуальной экологии определялась факторами, которые тормозят либо ускоряют автоматию саккад: свет, количество и размер воспринимаемых объектов, разнообразие или однородность элементов сцены. Говоря о безопасности зрительных стимулов, В. А. Филин ввел такие понятия, как агрессивные и гомогенные визуальные поля [1]. Агрессивная визуальная сцена состоит из множества повторяющихся по форме элементов, которые равномерно располагаются в поле зрения человека (рис. 1).
Большое число одинаковых окон на плоской стене здания, которая своим видом напоминает ткань в горошек или шахматную текстуру, создает экологически опасную визуальную среду. При восприятии подобных однообразных элементов человек теряет объект фиксации, т. е. реперную точку, которая необходима для формирования центра саккад, при этом амплитуда саккад увеличивается в 1,5—2,5 раза [2].
Такие множественные повторяющиеся сигналы (ритмические стимулы) с сетчатки глаза являются информационной атакой для мозговых центров и приводят к перегрузке зрительной системы, что в значительной степени усложняет целостность восприятия и построения образа, которая необходима для своевременной работы механизмов принятия решения. Недостаток информации и постоянный афферентный поток повторяющихся сигналов противоречат основам взаимодействия биологических систем с внешней средой, базирующимся на принципе наименьшего сопротивления, что вызывает у человека дискомфорт, раздражительность, агрессивность и приводит к ощущению когнитив-
Рис. 1
Примеры агрессивных визуальных полей: а — текстура «горошек»; б — текстура «шахматы»; в — реальный объект «жилой дом»
ного диссонанса. По мнению А. Вилкинса, данные ощущения при наблюдении подобных изображений связаны с аномально большой активацией зон зрительных областей головного мозга [3].
Помимо статичных агрессивных полей существуют и динамические агрессивные поля. Например, агрессивными стимулами служат мелькающие или шахматные поля, т. е. поля с чередующимися (реверсивными) черными и белыми квадратами [2]. Аналогом такого поля в реальном мире является вид автомобильной магистрали с плотным движением машин (рис. 2).
Как показали исследования, динамические агрессивные поля изменяют ориентацию саккад, увеличивают их число и амплитуду. При долгом наблюдении за движущимися объектами у многих людей отмечается головокружение, что свидетельствует о нарушении работы вестибулярного аппарата, который оказывает большое влияние на автоматию сак-кад, так как при поствращательном нистагме нарушение саккад продолжается еще в течение 1 мин [4].
Резкое снижение элементов в визуальном поле человека делает его гомогенным. Примерами являются современные высокие стеклянные строения, однообразные огромные стены. Глаз в такой среде
а)
не находит деталей для фиксации, как и в случае с агрессивными видимыми полями, поэтому при последующих саккадах происходит увеличение их амплитуды. Длительное сохранение режима максимальных саккад приводит к усталости глаз. Гомогенное поле является неким блокатором своевременного афферентного сигнала, поскольку после совершения саккады нет подтверждения этому действию, что может вызвать неприятные ощущения или головные боли [2].
Таким образом, как показывают исследования в области визуальной экологии, основой комфортного психофизиологического восприятия окружающей действительности является наличие разнообразия видимых деталей. Например, изображение природного ландшафта (лес, море и т. п.) является идеальным, экологически безопасным стимулом, так как после каждой саккады человек находит элемент для фиксации взгляда. Дальнейшие исследования требуют связать эти наблюдения с количественным описанием изображений. Интерес представляет изучение пространственно-частотных характеристик изображений различных естественных ландшафтов и техногенных сцен, что и явилось целью данной работы.
б)
Рис. 2
Примеры динамических агрессивных полей: а — статическое изображение мелькающей или реверсивной «шахматной» текстуры; б — изображение движущегося потока машин
3!
Технические средства и технологии обеспечения Безопасности человека
Методика исследования
В рамках исследования проводили изучение возможности оценки экологической безопасности визуальных стимулов на основе соответствия пространственно-частотных характеристик изображения и его семантического значения [6]. В качестве пространственно-частотной характеристики нами был использован угол наклона амплитудного спектра изображения в логарифмической системе координат. Так как исходный спектр изображения двумерный, перед вычислением наклона он преобразовывался в одномерный путем усреднения его сечений, ориентации которых охватывали угол 360° (с шагом 1°). Затем полученное усредненное сечение спектра аппроксимировалось прямой линией и вычислялся тангенс угла между этой линией и осью абсцисс. Значение этого тангенса и использовалось в качестве характеристики степени наклона спектра.
Известно [5], что графики сечений амплитудных спектров большинства изображений достаточно точно описываются параметром ^, где f — пространственная частота, а коэффициент к, равный тангенсу наклона сечения спектра (в логарифимическом масштабе), для натуральных сцен составляет приблизительно —1,2. Поэтому в качестве признака естественности изображения нами была принята близость коэффициента k к значению —1,2.
На первом этапе исследования нами была разработана методика оценки экологической безопасности визуальных стимулов по степени их близости к есте-
ственной (безопасной) среде. Экспертами были отобраны по 20 наиболее типичных изображений для каждой визуальной сцены. Так, в изображениях визуальных сцен на рис. 3, а, б зрительный стимул выражает естественную среду и умиротворенную архитектуру, а на рис. 3, в архитектуру агрессивную [1].
Для каждой опасной и неопасной сцен экспертами были отобраны по 25 наиболее типичных изображений (рис. 4).
Результаты исследования
В ходе исследования характеристик сцен и их влияния на восприятие и эмоциональную реакцию наблюдателя для каждого изображения методом спектрального анализа был рассчитан угол наклона, выявлены средняя, минимальная и максимальная оценки для каждой из сцен в целом. Далее полученные результаты сравнивали со значениями эталонных изображений. С точки зрения визуальной экологии эталонными являются изображения сцен «лес» [2]. Д. Филд также определяет их как наиболее естественные сцены (угол наклона в его исследованиях «естественных» пейзажей варьируется от —1 до —1,4°) [5].
На втором этапе исследования изучались особенности воздействия визуальных сцен в зависимости от их семантического значения. То или иное изображение, воздействуя на эмоциональную сферу, может формировать определенные «погранич-
Рис. 4
Примеры анализируемых изображений сцен с семантическими признаками «опасность» (а, б, в) и «безопасность» (г)
ные» состояния (фобия, стресс, эйфория), тем самым влияя на психологическое здоровье человека. Несколько иной подход к вопросам опасности и безопасности визуальных стимулов на здоровье человека использовал А. Вилкинс. Если В. А. Филин в основу визуальной экологии закладывает механизмы зрительного восприятия, соответствующие физиологическим нормам зрения, которые зависят от количества и композиционного расположения элементов сложной сцены, то А. Вилкинс использует семантический признак зрительного образа. Он показал, что существуют модели визуальных стимулов, которые влияют на эмоциональную сферу, вызывая у человека болезненное состояние, что, с нашей точки зрения, может свидетельствовать о визуальной экологической опасности для определенной группы людей. Так, визуальные сцены, вызывающие трипофобию (боязнь повторяющихся отверстий), по мнению А. Вилкинса, ассоциативно связываются людьми со смертельно опасными объектами. Такие выводы свидетельствуют о необходимости включения семантического компонен-
та при оценке визуальной безопасности стимула. Поэтому в данном исследовании объектом изучения явились изображения сцен, которые ассоциативно связываются с опасностью и смертью. Первая категория изображений — «череп» — в эпоху барокко в таком жанре живописи, как ванитас (лат. уаш-tas — суета, тщеславие), стал композиционным центром аллегорического натюрморта и должен был напоминать о быстротечности жизни и о смерти.
Вторая категория изображений — «разрушенные дома» — воспринимаются человеком как символ обездоленности, угрозы, опасности и часто ассоциируются с войной. Третья категория изображений (использовалась А. Вилкинсом) — «семенная коробочка лотоса» — и четвертая категория — «сложная архитектура», т. е. целостные здания, — не имеют семантического признака опасности. Такой тип зданий определен В. А. Филиным как экологически безопасное визуальное поле.
Особый интерес представляют изображения потенциально опасных сцен, выделенные А. Вилкин-сом и В. Филиным как опасные визуальные поля.
Рис. 5
Cредние значения оценки угла наклона сложных сцен
Для каждого изображения опасной и безопасной сцен методом спектрального анализа был рассчитан диапазон частот и построены усредненные кривые совмещения спектров в логарифмическом масштабе. Далее проводился сравнительный анализ характера распределения диапазона частот визуальных сцен с однородным и противоположным семантическим значением.
При изучении изображений «лес» минимальный показатель угла наклона составил —0,9, максимальный —1,3. В целом средняя оценка для сцены —1,08. Данный показатель, согласно теории Д. Филда, можно назвать эталонным, т. е. соответствующим признаку «естественности» как основному показателю экологической безопасности визуальных стимулов (рис. 5).
Объекты визуальной сцены «церкви» (диапазон оценок угла наклона от —1,05 до —1,36) соответствуют диапазону оценки угла наклона природных пейзажей, т. е. также безопасны для восприятия. Сочетание округлых форм куполов с полукруглыми выступами стен церквей не только придают визуальной сцене объемность, но и «выравнивают» соотношение низких частот к высоким.
Диапазон оценок угла наклона для сцены «современная архитектура» варьируется в пределах от —1,47 до —1,9, и, согласно классификации В. Филина, данная группа изображений относится к гомогенному полю (отсутствие или минимальное количество визуальных элементов). Таким образом, экологически небезопасные визуальные стимулы могут быть выявлены не только классическим образом по изменению автоматии саккад, но и по нарушению гармонии соотношения низких и высоких частот при спектральном анализе.
Анализ потенциально опасных сцен позволил определить типичное распределение пространственно-частотных характеристик изучаемого семанти-
ческого признака, что дает возможность оценить степень экологической безопасности (опасности) сцены или ее изображения как фактора неосознанного влияния на психоэмоциональное состояние человека (рис. 6).
Кривые на графике — это линии тренда. Усредненные кривые совмещения спектров в логарифмическом масштабе 1, 2, 3 имеют подъем в середине диапазона пространственно-частотного спектра, т. е. спектральные характеристики сцен, имеющих семантический признак опасности («разрушенные здания» — среднее значение оценки угла наклона —1,40, «черепа» — среднее значение оценки угла наклона —1,63), указывают на высокую константность среднечастотных составляющих сцены. Как показал сравнительный анализ спектральных характеристик, в визуальных сценах с противоположным семантическим значением, т. е. не имеющих семантического признака опасности, таких как «сложная архитектура» (среднее значение оценки угла наклона —1,20), отмечается константность энергий на всем диапазоне пространственно-частотного спектра, что в свою очередь выравнивает оценку угла наклона и делает изображение комфортным для человека.
Известно, что при анализе пространственно-частотных характеристик изображений необходимо учитывать тот факт, что в повседневной жизни человек, как правило, концентрирует внимание на высоких частотах, а низкочастотные составляющие сцены становятся фоном [2]. Если же основной составляющей становится низкочастотный диапазон спектра сложной сцены, то, не находя объектов для фиксации, человек также испытывает чувство дискомфорта.
Повышение значения амплитуды пространственно-частотных характеристик в середине видимого диапазона может указывать на признак опасности, что и показал А. Вилкинс на изображениях «семен-
Амплитуда 1012
10
10
10'
8 г
106
100
10
1
10
2
103
Пространственная частота (цикл/изображение)
Рис. 6
Усредненный спектр групп изображений сцен с семантическим признаком опасности: 1 — разрушенные здания; 2 — семенная коробочка лотоса; 3 — череп
ной коробочкой лотоса» (среднее значение оценки угла наклона —1,62). При этом стоит учитывать, что для комплексного анализа экологической безопасности визуальной среды необходимо выявлять дополнительные признаки и разработать методики их оценки.
Заключение
В данном исследовании биотехногенная среда рассматривается с точки зрения анализа физических параметров воспринимаемого сигнала. Анализ определенных пространственно-частотных характеристик указывает на то, что в результате длительной эволюции зрительная система оказалась оптимально приспособленной к восприятию пространственных свойств окружающей среды, которые определяют не только формы и положения
объектов в поле зрения, но и экологическую безопасность.
Литература
1. Филин В. А. Автоматия саккад. М.: Изд-во МГУ, 2002. 240 с.
2. Филин В. А. Видеоэкология. Что для глаза хорошо, а что — плохо. М.: ТАСС-реклама, 1997. 320 с.
3. Huang J., Zong X., Wilkins A. J. fMRI evidence that precision ophthalmic tints reduce cortical hyperactivation in migraine // Cephalalgia Journal. 2011. Vol. 20.
4. Филин В. А., Сидоров С. П. Послевращательный нистагм и микродвижения глаз // Вестн. оториноларинголога. 1975. № 6. С. 56-59.
5. Field D. J. Scale-invariance and self-similar 'wavelet' transforms: an analysis of natural scenes and mammalian visual system // Wavelets, Fractals, and Fourier Transforms / Edited by M. Farge, J. Hunt, J. Vassilicos. 1993. Р. 151-193.
6. Шелепин Ю. Е., Колесникова Л. Н., Левкович Ю. И. Ви-зоконтрастометрия. Л.: Наука, 1985. 103 с.
Международный Форум по промышленной безопасности
Ml
А
стиТ>1
27-30 мая 2014
Россия, Санкт-Петербург, конгресс-центр «Московские ворота» (гостиница «Холидей Инн Санкт-Петербург- Московские ворога»)
КОНСУЛЬТАЦИИ ОТ ВЕДУЩИХ ЭКСПЕРТОВ
в области промышленной безопасности, охраны труда и окружающей среды группы компаний «Городской центр экспертиз»
СОБЫТИЕ ГОДА
для главных инженеров и специалистов по промышленной безопасности
Основные темы пленарного заседания
Обеспечение промышленной безопасности: мировой опыт государственных органов надзора, промышленных корпораций, экспертных и научно-исследовательских организаций
Техногенные аварии и катастрофы: причины и уроки
Развитие законодательства в сфере промышленной безопасности в свете реализации №22-ФЗ «0 внесении изменений в Федеральный закон «0 промышленной безопасности опасных производственных объектов»
Безопасность перевозок опасных грузов
Перспективные технологические разработки и научные достижения в области прогнозирования техногенных катастроф, обеспечения безопасности и снижения риска
Изменения в законодательстве Российской Федерации в области охраны труда. Специальная оценка условий труда: особенности и трудности
Лучшие практики систем управления охраной труда и промышленной безопасностью российских и зарубежных предприятий
Пакет участника «Премиум» -Пакет участника «Стандарт* -
30 870 рублей (включая НДС) 25 370 рублей (включая НДС)
Организатор
группа компаний
ГОРОДСКОЙ ЦЕНТР ЭКСПЕРТИЗ
По вопросам участия, выступления и спонсорства обращайтесь в отдел конференций группы компаний «Городской центр экспертиз» +7 (812) 331-83-53, +7 (812) 325-06-21, [email protected]
www.conferenceflce.ru
