А10 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ОТДЕЛЬНЫХ

А10 ИССЛЕДОВАНИЕ ВЗАИМОСВЯЗИ ОТДЕЛЬНЫХ
ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ЧЕЛОВЕКА С
ЦВЕТОВОЙ КОНТРАСТНОЙ ЧУВСТВИТЕЛЬНОСТЬЮ ОРГАНА
ЗРЕНИЯ
Беляев Р.И., Гвоздев С.М., Ливенцова А.А., Садовникова Н.Д.,
ООО «ВНИСИ им. С.И. Вавилова», г. Москва
Одним
из
физиологических
параметров,
позволяющих
оценивать
психофизиологическое состояние человека, является контрастная чувствительность
органа зрения. Известно, что ухудшение состояния человека, вызванное экстремальными
условиями, усталостью или болезнью, приводит к сокращению объема получаемой
визуальной информации. Данное сокращение определяется снижением контрастной
чувствительности в широкой области пространственных частот. Целью данной работы
является установление корреляции цветовой пространственно-частотной контрастной
чувствительности, зависящей от яркости, цветности, пространственного спектра
наблюдаемого изображения, и психофизиологических функций человека. Таким образом,
мы сможем связать светотехнические параметры световой среды с воздействием на
физиологию человека. Это позволит контролировать влияние освещения на состояние
человека и проектировать осветительные установки, улучшающие самочувствие человека
при искусственном освещении.
Зрительная система получает информацию об освещенном пространстве исходя из
цветного распределения яркости в поле зрения. Одним из инструментов преобразования
получаемой информации являются рецептивные поля зрительных нейронов, размеры
которых различны по величине и могут меняться в зависимости от яркости адаптации.
Система рецептивных полей органа зрения является основой для создания фильтров
цветовых пространственных частот, определяющих уровень воспринимаемой визуальной
информации. Изменение пропускания зрительных нейронов в зависимости от
пространственного расположения, размера и формы объекта происходит практически во
всей зрительной системе, начиная с уровня ганглиозных клеток. Результатом
варьирования пропускания зрительной системы является изменение ее контрастной
чувствительности. Физиологические исследования позволяют предполагать, что
изображение, попадающее на сетчатку, обрабатывает и передает в зрительный мозг набор
сигналов определенной амплитуды. При этом одной из существующих гипотез является
предположение, что изображение с синусоидальным распределением яркости
преобразуется в единичный сигнал нейронов. Это позволяет выбрать тест для измерения
контрастной чувствительности зрительной системы в виде изображения решетки с
синусоидальным распределением яркости. Рис. 1 иллюстрирует определение углового
периода этой решетки, который является величиной, обратной пространственной частоте.
Полученные в результате тестирования пространственно-частотные характеристики
(ПЧХ) являются одними из важнейших характеристик органа зрения и позволяют судить о
функциональном состоянии зрительной системы и возможностях зрения в заданных
условиях.
Для оценки динамики психофизиологического состояния человека при изменении
цветовой пространственно-частотной контрастной чувствительности органа зрения была
создана специализированная экспериментальная установка. Данная установка состояла из
двух устройств визуализации изображения (мониторов компьютеров), полупрозрачного
зеркала, кресла наблюдателя (с возможностью фиксации головы), комплекта датчиков для
определения отдельных физиологических функций оператора, а именно: пульс, частота и
глубина дыхания, электрокожное сопротивление, температура, электрокардиограмма.
Синусоидальное
распределение яркости
Дистанция наблюдения, R
Угловой период
тест-объекта Θx
Точка наблюдения
Рисунок 1. Определение пространственной
частоты тест-объекта с синусоидальным
распределением яркости
Рисунок 2. Пример тестового изображения, которое
состоит из тестового объекта (изображение с
синусоидальным распределением яркости) и фона
На рис. 3 и 4 показаны схема экспериментальной установки и наблюдатель с
комплектом датчиков. На одном мониторе отображался равномерный фон с заданной
яркостью (30 кд/м2) и координатами цветности, на другом – тест-объект с
синусоидальным распределением яркости и теми же координатами цветности, что и фон.
На полупрозрачном зеркале происходило наложение изображения тест-объекта на фон.
На рис. 2 показан пример изображения, созерцаемого наблюдателем на полупрозрачном
зеркале (тест – объект на фоне). Наблюдатель при этом сидел в кресле в комфортном
положении на фиксированном расстоянии от мониторов. Датчики были закреплены на
теле наблюдателя. В эксперименте участвовали 5 наблюдателей с нормальным зрением в
возрасте от 20 до 25 лет.
1
2
4
3
Рисунок 3. Схема расположения объектов в ходе
эксперимента: 1, 2 – дисплеи, 3 – полупрозрачное
зеркало, 4 – кресло наблюдателя.
Рисунок 4. Наблюдатель с комплектом датчиков
для измерения физиологических параметров.
Экспериментальные исследования проводились по специально разработанной
методике. Перед началом измерений наблюдатель адаптировался в надпороговых
условиях на пространственную частоту тест-объекта и цветность изображения при
заданной яркости адаптации. Затем, при изменении амплитуды синусоидального
распределения яркости, определялась пороговая яркость обнаружения тест-объекта. По
полученной пороговой яркости рассчитывалась пороговая цветовая контрастная
чувствительность для установленной пространственной частоты. Каждое измерение
повторялось 10 раз. На протяжении всего эксперимента осуществлялась электронная
запись физиологических параметров наблюдателя. Аналогичные измерения проводились
для трех пространственных частот (область низких, средних и высоких пространственных
частот), трех цветов изображений (синего, зеленого, красного).
Для определения влияния спектрального состава создаваемого излучения на
психофизиологическое состояние человека был проведен аналогичный эксперимент, в
котором измерения проводились при освещении помещения: а) светильником на основе
светодиодов, б) светильником на основе люминесцентных ламп (рис. 5 и 6). При этом
среднюю яркость предъявляемого изображения сохраняли равной 30 кд/м2, а цветность
изображения изменялась из-за различного спектрального состава излучения светильников.
Рисунок 5. Светильник на основе светодиодов
Рисунок 6. Светильник на основе КЛЛ
Результаты
эксперимента
показывают,
что
значение
контрастной
чувствительности органа зрения, а так же исследованные физиологические параметры
зависят от пространственной частоты и цвета наблюдаемого объекта. На рис.7 показана
усредненная для всех наблюдателей пространственно - частотная характеристика
зрительной системы. Полученные данные показывают, что значение контрастной
чувствительности органа зрения зависит от пространственной частоты и цвета
предъявляемого оператору объекта. Наименьшая контрастная чувствительность
зафиксирована на синем цвете, максимальная - на зеленом. Наибольшее отличие
контрастной чувствительности наблюдается на высоких пространственных частотах.
220
26
200
Пороговая цветовая контрастная
чувствительность ОЗ, отн.ед.
24
22
ЭКГ, кОм
180
20
18
160
140
16
14
120
12
100
10
0.01
0.1
1
пространственная частота, 1/мрад
1
2
3
Рисунок 7. Усредненная цветовая ПЧХ,
для тест-объектов для трех цветов: 1 - зеленого, 2
- синего, 3 - красного.
0.01
0.1
1
Пространственная частота, 1/мрад
3
2
1
Рисунок
8.
Зависимость
ЭКГ
от
пространственной
частоты
наблюдаемого
объекта для объектов трех цветов: 1-зеленого, 2синего, 3-красного.
При сравнении получаемых индивидуальных физиологических зависимостей и
ПЧХ наблюдается некоторая корреляция. Так, например, при сравнении ПЧХ и
зависимости от пространственной частоты времени между ударами сердца (рис. 8), на
низких и средних пространственных частотах кривые находятся в пределах
доверительного интервала, на высоких частотах на обоих графиках измеряемые величины
при синем и красном цвете предъявляемого изображения совпадают, а при зеленом цвете
наблюдается различие. При этом при предъявлении зеленого тест-объекта на зеленом
фоне контрастная чувствительность максимальна на данной частоте и сердцебиение реже.
Измеренные физиологические параметры также зависят от пространственной
частоты и цвета наблюдаемого объекта. На рисунках для двух наблюдателей приведены
зависимости времени между ударами сердца (Тс) (рис. 9), частоты дыхания (Nд ) (рис.10)
от пространственной частоты. Как видно из приведенных графиков, для разных
операторов ход кривых подобен. Наблюдается изменение исследуемого параметра при
изменении пространственной частоты наблюдаемого объекта и его цвета. Была выявлена
взаимосвязь между измеренными физиологическими параметрами и цветовой
контрастной чувствительностью органа зрения.
Изменение контрастной чувствительности может быть использовано в качестве
численного критерия для регулирования характеристик светоцветовой среды.
Оператор 2
Оператор 1
660
640
Тс, мс.
Тс, мс.
650
630
620
610
600
0
0.2
0.4
0.6
940
920
900
880
860
840
820
800
780
0.8
0
0.2
пространственная частота,1/мрад.
к
с
0.4
0.6
0.8
пространственная частота,1/мрад.
з
к
с
з
Рисунок 9. Зависимости времени между ударами сердца (Тс) от пространственной
частоты
для двух операторов для трех цветов тест-объекта и фона: к – красного, з зеленого, с – синего.
Оператор 2
2,9
2,75
2,8
Nд, шт./цикл
Nд, шт./цикл
Оператор 1
2,8
2,7
2,65
2,6
2,55
2,7
2,6
2,5
2,4
2,5
2,3
0
0,2
0,4
0,6
пространств енная частота,1/мрад.
к
с
0,8
0
0,2
0,4
0,6
0,8
пространств енная частота,1/мрад.
з
к
с
з
Рисунок 10. Зависимость частоты дыхания (количества вдохов за период измерений) от
пространственной частоты наблюдаемого объекта для объектов трех цветов: 1-зеленого, 2-синего, 3красного.
Полученные во второй части исследований данные показали, что светильники на
основе светодиодов и на основе люминесцентных ламп оказывают различное влияние на
психофизиологические параметры и на контрастную чувствительность органа зрения. При
этом было зарегистрировано изменение объема получаемой визуальной информации и
работоспособности при различных вариациях спектрального состава освещения.
Значение цветовой контрастной чувствительности, отн.ед.
Цвет изображения
Люминесцентный
Темновая адаптация
Светодиодный светильник
Зеленый
18.4
16.3
16.5
Синий
13.1
9.2
10.0
Красный
16.1
16.4
14.7
светильник
Как следует из таблицы, контрастная чувствительность ОЗ максимальна при
темновой адаптации ОЗ. При освещении различными типами светильников ее значение
изменяется, при этом оптимальным вариантом освещения следует считать тот, при
котором контрастная чувствительность наиболее близка к максимальной.
По полученным данным
можно сделать вывод, что светильник на основе
светодиодов оказывает практически такое же влияние на физиологические параметры,
как и светильник на основе компактных люминесцентных ламп. Однако, для более
комфортной работы оператора в помещении, освещаемом светодиодными
светильниками, цветовую температуру источников излучения (светодиодов) необходимо
установить в диапазоне Тцв = (4000-5500 К).
При анализе экспериментальных данных было обнаружено, что цветовая пространственночастотная контрастная чувствительность органа зрения является информативным показателем
взаимосвязи переработки визуальной информации и психофизиологических параметров человека.
Использование цветовой пространственно-частотной контрастной чувствительности возможно в
качестве количественного критерия для анализа влияния световой среды на организм человека и
регулирования его психофизиологического состояния.