Технология измерения критической частоты световых мельканий

Афоньшин Владимир Евгеньевич генеральный директор, ООО "ЛЭМА" 424007, Россия, республика Марий Эл, г. Йошкар-Ола, ул. Прохорова, 28 Afon'shin Vladimir Evgen'evich General Director, "LEMA" L.t.d. 424007, Russia, Mari El, Yoshkar-Ola, ul. Prokhorova, d. 28 lod@mari-el.ru Другие публикации этого автора

Роженцов Валерий Витальевич доктор технических наук профессор, кафедра Проектирование и производство электронно-вычислительных средств, Поволжский государственный технологический университет 424000, Россия, республика Марий Эл, г. Йошкар-Ола, пл. Ленина, 3 Rozhentsov Valerii Vital'evich Doctor of Technical Science Professor of the Department of Design and Manufacture of Electronic Computing Means at the Volga State University of Technology 424000, Russia, Mari El, Yoshkar-Ola, pl. Lenina, 3 VRozhentsov@mail.ru Другие публикации этого автора

Уникальность организации зрительной системы обусловливает интерес к ней не только психологов, физиологов и офтальмологов, но и специалистов в области технических наук. Это определяется необходимостью получения данных о процессах зрительного восприятия для решения прикладных задач создания современных человеко-машинных систем, прежде всего устройств восприятия и отображения видеоинформации.

Зрительная система обладает определенной инерционностью. Между моментом воздействия света на сетчатку и моментом возникновения соответствующего зрительного ощущения проходит некоторое время, обозначаемое как время ощущения. В свою очередь, зрительные ощущения не исчезают с прекращением воздействия света на сетчатку, так как при световом воздействии расходуется некоторая доля светочувствительного вещества глаза. На его восстановление требуется определенное время, происходят и остающиеся после воздействия света восстановительные процессы в зрительных центрах. Время между моментом прекращения воздействия света на сетчатку и моментом исчезновения соответствующего зрительного ощущения обозначается как время восстановления ^[1-2].

Следствием совместного действия времени ощущения и времени восстановления является критическая частота световых мельканий (КЧСМ), при которой наступает субъективное ощущение слияния световых мельканий и зрительная система воспринимает источник светящимся непрерывно.

Метод КЧСМ находит применение в экспериментальной психологии для изучения свойств нервной системы, является одним из наиболее известных психофизиологических методов исследований, используется в офтальмоэргономике для диагностики зрительного утомления, в физиологии и гигиене труда и спорта для диагностики напряженности труда, работоспособности, умственного и физического утомления, исследования функционального состояния; в офтальмологии для оценки функций сетчатки, диагностики глаукомы, катаракты, рассеянного склероза, воспаления и атрофии зрительного нерва и других заболеваний ^[3].

Вопросы измерения КЧСМ отражены в работах ^[4-7]. Недостатком известных методик измерения КЧСМ является ограниченность условий проведения теста.

Цель работы — разработка технологии измерения КЧСМ в расширенном диапазоне условий тестирования с использованием дополненной реальности.

Дополненная реальность (augmented reality, AR) – это технология наложения информации в форме текста, графики, аудио и других виртуальных объектов на реальные объекты в режиме реального времени. Изначально термин «дополненная реальность» был введён в противовес виртуальной реальности: вместо погружения пользователя в синтезированное, полностью информационное окружение, задачей дополненной реальности является дополнение реального мира возможностями по обработке дополнительной информации. Именно взаимодействие вычислительных устройств с картинкой реального мира отличает дополненную реальность от виртуальной ^[8].

Измерение КЧСМ выполняется методом последовательного приближения ^[9] путем периодического предъявления обследуемому световых мельканий с изменяющейся частотой, формируемых в виде дополненной реальности мобильным устройством. Обследуемый в процессе какой-либо деятельности при предъявлении световых мельканий определяет КЧСМ и условным действием или сигналом сообщает об этом исследователю. При удалении обследуемого на значительное расстояние от исследователя связь и обмен информацией осуществляется по радиоканалу ^[10].

Дополненная реальность сама по себе представляет специальный случай более общей концепции опосредованной реальности, которая позволяет сознательно дополнять или сокращать, а также иным образом модифицировать реальность ^[8].

Как отмечает Д. В. Калитин ^[8], первым исследователем дополненной реальности можно считать Айвэна Сазерленда, который построил работающий прототип системы в 1967 г. Он использовал стереоочки Sword of Damocles для показа трехмерной графики. Впервые система была использована в проекте, выполненном в 1968 г. для Bell Helicopter Company, в котором стереоочки работали в паре с инфракрасной камерой, находящейся под днищем вертолета. Камера управлялась движением головы пилота.

Авторство термина «дополненная реальность» принадлежит Томасу Престону Коделлу, инженеру исследовательской лаборатории Боинга. В 1992 г. он применил принципы технологии в системе, созданной для помощи рабочим в монтаже электрических кабелей в самолетах ^[11].

Одним из наиболее известных исследователей в этой области сегодня является Рональд Азума (Ronald Azuma) из HRL Laboratories. Наиболее успешные и известные организации, специализирующиеся на дополненной реальностью, располагаются в Японии — Mixed Reality Systems Lab и Германии — консорциум Arvika ^[8].

В настоящее время дополненная реальность широко используется в разных областях: военные технологии, картография, медицина, образование, медиа, компьютерные игры и во многих других.

В военной сфере для обучения солдат, разработки стратегий ведения военных операций, для решения задач ориентирования в темное время суток с наложением на изображение местности теплового изображения людей и объектов с навигационными параметрами и т. д. В шлеме пилотов встроена дополненная реальность так, что он может видеть окружающий мир с дополненной информацией для удобства и простоты управления летательным аппаратом, не отвлекаясь на отдельные приборы на панели ^{[8, 11-12]}.

Использование дополненной реальности при картографировании чрезвычайных ситуаций для использования оперативными службами МЧС и других служб может иметь опции ^[13]:

— наложение на изображение пути движения (навигация);

— отображение особенностей местности (глубина водоема, углы склонов и др.);

— отображение особенностей искусственных объектов (высота и материал стен здания, назначение сооружения и др.);

— отображение прогнозных значений (границы паводковых вод, показатели атмосферы и др.);

— получение информации, связанной с конкретным местонахождением человека.

В медицине доктор при обследовании пациента может увидеть органы, находящиеся у человека внутри и поставить более точный диагноз. Перспективным направлением является интраоперационная навигация на основе предоперационного обследования ^[14]. Метод дополненной реальности позволяет виртуальное изображение зоны операционного пространства или выделенного органа сопоставить с его реальным прототипом в статическом режиме или в реальном времени ^[15].

Применение метода совмещения компьютерного изображения, полученного при компьютерной томографии, и изображения на экране монитора при выполнении видеоэндоскопической операции позволило хирургу при операции на почке точнее представить ее анатомию, расположение опухоли почки, ее связь с кровеносными сосудами, в результате резекция почки проведена радикально в пределах здоровых тканей ^[16].

Для повышения качества и надежности хирургического лечения привычного вывиха плеча разработана методика закрытого подвешивания плеча с применением компьютерно-навигационной системы с использованием дополненной реальности. Данный способ лечения привычного вывиха плеча позволяет в значительной степени уменьшить продолжительность операции до нескольких минут, минимизировать объем операционной травмы, снизить операционные риски и сократить сроки реабилитации, а также надежно фиксировать плечо относительно суставной впадины лопатки ^[17].

Дополненная реальность используется при патоморфологическом исследовании, когда изучение препарата невооружённым глазом сопровождается видео с помеченными на нём клетками и рассчитанной статистикой, облегчающими постановку диагноза. Совмещение процессов непосредственного изучения препарата и его автоматической оценки значительно упрощает процедуру исследования ^[18].

Применение дополненной реальности в образовании позволяет повысить заинтересованность учеников или студентов к изучаемым предметам. Вместо статичных картинок в учебниках или плоских изображений на экранах они смогут получить полноценные трехмерные объекты, на которые можно будет влиять непосредственно, включать-выключать их, крутить, разбирать и т. д. ^[8].

Показано, что разработка и использование технологий дополненной реальности в процессе обучения информатике учащихся способствует повышению наглядности и эффективности изучения курса информатики, традиционно вызывающих затруднения у школьников ^[19].

Благодаря технологии дополненной реальности при обучении иностранному языку появляется возможность «объединения» ресурсов информационной среды и объектов реального мира, построения единой среды обучения языку. В этом случае обучение иностранному языку включается не только в систему аудиторных занятий, но и реализуется в виде самостоятельной и игровой деятельности, что очень важно для успешного освоения языка ^[20].

Дополненная реальность широко используется в медиа при трансляции спортивных соревнований ^{[8, 12]}:

— в футболе отображаются желтая линия, показывающая положение игрока в «офсайде»; желтый круг, показывающий запрещенную зону расположения игроков при штрафном ударе; направление и расстояние до ворот при штрафном ударе;

— в хоккее линия, показывающая траекторию движения шайбы;

— в футболе, хоккее и при проведении других спортивных соревнований дополнительная информация об их ходе;

— в гонках болидов «Формулы 1» сведения о гонщике, командной принадлежности, положении относительно автомобилей важнейших соперников, иногда даже графики, отображающие количество оборотов двигателя.

Универсальность принципов дополненной реальности дает возможность для решения таких интеллектуальных задач, которые приводят к увеличению производительности труда, повышают качество выполняемых работ ^[21].

Технологии AR показали свою полезность в таких областях, как монтаж, техническое обслуживание и ремонт сложной техники, которые проще осуществлять, когда не приходится вручную разбирать агрегаты и узлы, а есть возможность предварительно (с использованием специальных меток, активирующих и инициирующих запуск виртуального представления) ознакомиться с конструкцией и планом проведения работ на объекте. Речь идет о наложении 3D-изображений на реальное оборудование в интерактивном режиме по мере выполнения операций, чтобы оперативно принять решение на выбор способа действия, просматривая шаг за шагом те действия, которые должны быть выполнены, уточняя каким инструментом и каким способом ^[22].

Применение дополненной реальности для сборки механического устройства в виде шарового крана позволило обеспечить строгую направленность процесса за счет предписания действий сборщика, выдаваемых на мониторы видеоочков в виде визуальных и текстовых инструкций. Аналогичная программа разработана для сборки электрошкафов, которая является трудоемким процессом, требующим постоянного обращения к документации в виде альбомов принципиальных и монтажных схем. Широкая номенклатура шкафов, с которой приходится иметь дело монтажнику, приводит к необходимости переключаться со сборки одного шкафа на другой. Всякий раз, когда происходит смена объекта монтажа, неизбежны потери рабочего времени на переоснащение рабочего места технической документацией, на «погружение» монтажника в особенности нового объекта, возрастает вероятность появления ошибок монтажа ^[21].

Для управления воздушным судном разработана мобильная система дополненной реальности со стереоскопической версией «небесный туннель». В режиме стерео-3D с минимальной дополнительной цифровой индикацией система заменяет все навигационные индикаторы, имея при этом простую и естественную для человеческого восприятия визуальную структуру. Система обеспечивает пространственную ориентацию за счет стереовоспроизведения помещённых в реальный мир виртуальных маркеров и снижает нагрузку на пилота ^[23].

Ограниченное пространство для парковки автомобилей на улицах современных городов требует от производителей оборудования оснащения автомобилей различными вспомогательными системами для облегчения водителю процесса парковки. К таким системам относятся камеры кругового обзора, камеры заднего вида, системы мониторинга «мертвых зон», системы PARKTRONIC и активного парковочного помощника. В связи с этим оборудование автомобилей парковочными системами с камерой заднего вида стало на сегодняшний день фактически стандартом для современных автомобилей. Важным аспектом этих систем является получение удобного для водителя изображения. Информативность этих изображений, отображаемых на экране автомобильного навигатора, может быть существенно улучшена с использованием технологии дополненной реальности, которая позволит визуализировать поверх изображения направляющие линии, т. е. линии, по которым будет двигаться автомобиль при заданном положении руля ^[24].

О. В. Климовец ^[25] отмечает, что по прогнозу исследовательской компании ARCchart в области дополненной реальности в будущем будут развиваться пять направлений: поиск, реклама, распознавание изображений, картография и 3D-визуализация.

Однако, по мнению Б. С. Яковлева и С. И. Пустова ^[11] продукты, основанные на дополненной реальности, позволят сделать более простым делом решение различных задач и в таких областях, как проектирование и дизайн, обслуживание, ремонт и покупка различной техники и недвижимости, туризм. В то же время основной областью применения дополненной реальности станут такие отрасли, как розничная торговля, местные органы управления и образование, а также отрасли тяжелой промышленности (включая добычу природных ресурсов, конструирование, машиностроение, металлургию, химическую промышленность и т. д.). Они получат большие выгоды от применения технологии, т. к. в большей степени зависят как от физических активов, так и от информационных данных.

Применение технологии дополненной реальности открывает новые перспективы для применения компьютеров во многих областях человеческой деятельности. В психофизиологических и физиологических исследованиях для диагностики напряженности труда, работоспособности, зрительного, умственного и физического утомления, исследования функционального состояния методом КЧСМ появляются новые возможности:

— повысить достоверность и точность диагностики, т. к. измерение КЧСМ производится непосредственно в процессе выполняемой работы. Это позволит получить новые данные, которые ранее были недоступны;

— провести диагностику не только в стационарных наземных условиях, но и при наземных, водных или полетных перемещений обследуемого, что ранее было затруднено или невозможно.