Способ развития когнитивного трехмерного восприятия плоскостных изображений

Способ развития когнитивного трехмерного восприятия плоскостных изображений

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к оптике, физиологии, психологии, экологии человека и может быть использовано в экспериментальной психологии, психофизиологии, при изучении деятельности мозга, в тренинге структурирования способностей применения глубинного интуитивного правополушарного мышления.

Известно, что эволюционно развитое стереоскопическое зрение позволяет человеку воспринимать окружающие предметы трехмерными, расставлять их по глубине поля зрения. Физическим и физиологическим принципом объемного восприятия является то, что глаза смещены на 6-8 см, что приводит к образованию на сетчатках глаз несколько смещенных изображений [1, 2]. Смещение называют бинокулярной диспарантностью. Когда на сетчатках формируется два идентичных изображения, то для такого варианта наблюдения принцип стереоскопического зрения не используется, подключаются монокулярные механизмы восприятия. Два идентичных изображения образуются при наблюдении пространственных объектов, расположенных далее 250 м и при рассматривании любых плоских изображений. Монокулярные признаки глубины способны создавать эффекты глубины, которые по величине не соизмеримы с восприятием глубины 3D объектов среды обитания стереоскопического зрения или его аналога при рассматривании стереоскопических проекций в условиях фузии [2].

Известно, что тренировка зрительного восприятия на стереоскопических проекциях, наблюдение на них стереоскопической глубины в динамических и статических условиях структурирует способность креативно-когнитивного восприятия глубины образов плоских изображений и таких удаленных объектов, как облачный покров [3-9]. Для осуществления тренировочного процесса необходимо использовать не менее двух стереоскопических проекций. Эффекты восприятия креативно-когнитивной глубины соизмеримы со стереоскопической глубиной в условиях фузии стереопар. Например, для произведений живописи тренинг наблюдения стереоскопической глубины приводит к эффекту восприятия глубины, объемности, пространственной перспективы на одиночной проекции той картины, на которой проводилась тренировка [4]. Известно, что зрительная система (70-90)% молодого поколения возраста 14-22 года (выборка около 1000 человек) способна воспринимать образы плоских изображений с эффектами рельефности [6]. Более того, около 1% выборки все изображения воспринимает объемными с эффектами креативно-когнитивной глубины друг относительно друга. Полный цикл обучения от эффектов рельефности до 3D креативно-когнитивного восприятия - это длительный процесс и требуется постоянное осуществление условий фузии стереоскопических подборок. При этом использование стереоскопических проекций приводит к уменьшению полезного информационного пространства на плоских изображениях, что ограничивает возможности тренинга.

Известно, что тренинг зрительного восприятия на стереоскопических проекциях в условиях фузии и наблюдение стереоскопической глубины способны усилить эффекты рельефности [7, 8]. Следовательно, этот процесс относится к когнитивной деятельности и соответствует условиям саморазвития.

Известно, что техника регистрации моторики движения глаз на айтрекере способна выявить эффекты креативно-когнитивной глубины. При восприятии плоского изображения на айтрекере регистрируются показания Х-координат направления зрачка правого и левого глаза [9]. Т.к. глаза постоянно находятся в движении, то ряды показаний Х-координат анализируются с применением методов нелинейной динамики [10, 11]. Строятся гистограммы (или вероятностей наблюдения параметров за время регистрации), спектрограммы динамических рядов, вычисляются моменты асимметрии и эксцесса. В процессе наблюдения изображения моторика движения глаз такова, что кратковременно возникают состояния со всем набором спектра их колебаний.

Известно, что для преодоления физического противоречия в решении изобретательской задачи используются ресурсы, в том числе различные ресурсы внешней среды [12]. Особо ценны те ресурсы, которые обеспечивают превращение прежде постоянного параметра в переменный, управляемый.

Известно, что совмещение тренинга восприятия к наблюдению стереоскопической глубины стереопар с техникой построения стереоскопических проекций для 3D-растровых изображений, построенных на основе цилиндрических линз, создают условия получения пространственной перспективы растровых изображений с динамически изменяющимся плоскообъемным восприятием образов [13].

Задачей изобретения является упрощение технологии обучения, повышение его эффективности, насыщение внешней среды ресурсами с обучающими изображениями при динамически изменяющейся глубине восприятия.

Задача достигается выбором плоского изображения «И» с креативно-когнитивной глубиной восприятия, сначала построением на его основе n-наборов из 1-стереоскопических проекций «И^стерео(1)», далее, по стереоскопическим проекциям n-растровых 3D-изображений «И^растр(1)», регистрацией на айтрекере динамических рядов изменения Х-координат направления зрачка правого и левого глаза при восприятии изображений, построением гистограмм разности значений Х-координат правого и левого глаза, определением местоположения максимума распределения гистограмм, по местоположению максимума распределения гистограмм определением параметров восприятия глубины на плоском изображении «И», стереоскопической глубины на «И^стерео(1)», глубины восприятия растрового 3D-изображения «И^растр(1)», для трех вариантов наблюдения глубины построением спектрограмм изменения динамических рядов Х-координат, разности показаний Х-координат для правого и левого глаза, вычислением коэффициентов эксцесса и асимметрии контуров гистограмм разности, выбором и изготовлением растрового изображения «И^растр(j)», с параметрами местоположения максимума гистограмм разности Х-координат, коэффициентами асимметрии, эксцесса, спектрограммой максимально приближенным к тем же характеристикам, что и при наблюдении креативно-когнитивной глубины плоского изображения «И». Где 1, n - целые числа.

На фиг.1 - фиг.12 показано пояснение принципа действия способа. На фиг.1 показана одиночная проекция проволочной модели и три ее стереопроекции. При конвергенции осей глаз, получении двоения и фузии так, чтобы проекций в нижнем ряду стало четыре, две средние приобретают стереоскопическую глубину восприятия. На фиг.2 дан фрагмент записи Х-координаты положения зрачка глаза движения правого (R) и левого (L) глаза, полученного на айтрекере при восприятии креативно-когнитивной глубины одиночной модели, фиг.1. Под словосочетанием креативно-когнитивная глубина плоского изображения понимаются эффекты восприятия отделения различных образов друг относительно друга. На фиг.3 показаны значения гистограмм разности Х-координат левого и правого глаза за время проведения регистрации наблюдения одиночной модели, фиг.1. Фиг.4 иллюстрирует значения Х-координат правого и левого глаза в условиях фузии проекций при конвергенции осей глаз и наблюдении стереоскопической глубины нижнего ряда из трех проекций, фиг.1, а на фиг.5 показана гистограмма разности значений Х-координат левого и правого глаза за все время проведения измерений. Экспериментальные ряды значений Х-координат правого и левого глаза при наблюдении растрового изображения, построенного по трем стереопроекциям фиг.1, показано на фиг.6. На фиг.7 показаны гистограммы разности левого и правого глаза за время наблюдения растрового изображения. На фиг.8 показаны характерные закономерности экспериментальных рядов при наблюдении растрового изображения (I-растр), в условиях креативного-когнитивного восприятия глубины одиночного изображения (II-креатив), при наблюдении стереоскопической глубины стереопроекций (III-стерео) и в условиях плоского восприятия 2D-изображения (моно-IV). Гистограммы разности для вариантов регистрации условий фиг.8 представлены на фиг.9. Для тех же реализации были вычислены коэффициенты эксцесса (фиг.10) и асимметрии (фиг.11). Фрагменты спектрограмм рядов для четырех вариантов наблюдения глубины изображены на фиг.12.

Способ работает следующим образом. Выбирается изображение «И». На фиг.1 - это фотография объемной модели проводящих путей головного мозга. Изображение одиночной модели выводится на монитор айтрекера, демонстрируется испытуемому и регистрируются Х-координаты правого (^RX(t)) и левого глаза (^LX(t)). Образец регистрации Х-координат - это фиг.2. Строится гистограмма разности текущих значений Х-координат ΔX(t)=^RX(t)-^LX(t) (фиг.3). На фиг.3 максимум гистограммы разности находится на уровне значений 50-60 горизонтальной шкалы. Отдельные значения разности регистрируются в области 230-250.

Если максимум гистограммы разности не совпадает с нулевым значением (фиг.3), то для изображения (в рассматриваемом случае модель проводящих путей) строятся стереоскопические проекции. Для 3D-модели фиг.1 они получаются 1 раз при съемке со смещением. Проекции располагаются, как показано на фиг.1, в нижнем ряду и образуют ряд «И^стерео(3)» (1=3). Стереоскопические проекции демонстрируются испытуемому, осуществляется конвергенция с концентрацией взгляда перед монитором так, чтобы изображения сначала двоились, а затем произошла фузия, проекций останется четыре. Две средние приобретают восприятие стереоскопической глубины. Процесс наблюдения стереоскопической глубины регистрируется на айтрекере с фиксированием X-координаты правого и левого глаза (фиг.4). Строится гистограмма разности Х-координат правого и левого глаза (фиг.5). По фиг.5 видно, что максимум распределения находится в области чисел 220-250 единиц горизонтальной шкалы. Для всех наборов стереоскопических проекций монтируются 3D-растровые изображения и демонстрируются испытуемому. На айтрекере регистрируются Х-координаты правого и левого глаза. Вариант записи наблюдения глубины растрового изображения, построенного на основе трех стереопроекций фиг.1, показан на фиг.6. Распределение гистограмм разности зафиксировано в области - 650, 150 и 400 единиц шкалы. Представленный вариант отбраковывается и приводится как иллюстрация.

Для реализации способа следует использовать результаты наблюдения изображений с рядами Х-координат, показанными на фиг.8. Цифрой «I» обозначен фрагмент записи Х-координат, полученный при восприятии глубины растрового изображения. Под цифрой «II» приведен фрагмент записи при восприятии глубины плоского изображения, а цифрой «III» обозначен фрагмент записи восприятия стереоскопической глубины. Если при наблюдении плоской проекции Х-координаты правого и левого глаза изменяются в пределах 2-5% от уровня абсолютных величин Х-координат (цифра «IV»), то такое изображение не используется для монтирования стереоскопических проекций и растровых изображений. Для отбракованных изображений максимум гистограммы разности находится в области нулевых значений (цифра «IV», фиг.9). Гистограммы разностей X-координат изображений, которые целесообразно использовать для построения растровых изображений, приведены на фиг.9 под номерами «I, II, III». Контуры распределения гистограмм разности при наблюдении глубины растрового изображения (I) и восприятия креативно-когнитивной глубины (II) плоского изображения имеют несимметричный вид. Их максимумы гистограмм разности находятся в интервале 100-110 единиц шкалы, что иллюстрирует - по моторике движения глаз возникают общие закономерности восприятия креативно-когнитивной глубины и глубины растрового изображения. Следовательно, при наблюдении подобранного растрового изображения осуществляется тренинг восприятия, аналогичный ранее развитой способности наблюдать креативно-когнитивную глубину образов плоского изображения.

Далее для экспериментальных рядов показаний Х-координат и их разности вычисляются коэффициенты эксцесса (фиг.10) и асимметрии (фиг.11). Зависимости, фиг.10, построены по значениям разности показаний Х-координат правого и левого глаза, а фиг.11 - по Х-координатам моторики движения правого глаза.

Расчет точечной оценки коэффициента эксцесса выборки был выполнен по формуле:

где - среднее арифметическое значение выборки ΔХ, σ_j - точечная оценка среднего квадратического отклонения выборки ΔХ, E(t) - наиболее вероятная оценка параметра t.

Расчет коэффициента асимметрии проводился по формуле:

где - среднее арифметическое значение выборки ΔХ, σ_j - точечная оценка среднего квадратического отклонения выборки ΔX, E(t) - наиболее вероятная оценка параметра t.

Коэффициент эксцесса показывает, насколько выборка ΔХ по наклону кривой функции плотности вероятности соответствует нормальному закону. Для нормального закона коэффициент эксцесса равен 0. Законы распределения с более острой вершиной, чем у нормального, имеют коэффициент эксцесса более 0 и с менее острой вершиной - менее 0. Из диаграммы фиг.10 следует, что для картин с 2D-восприятием (цифра IV) или с наблюдением стереоскопической глубины (цифра III) величина коэффициент эксцесса подпадает под распределение нормального закона. Варианты наблюдения изображений с растровой глубиной восприятия (цифра I, фиг.10) или креативно-когнитивной глубиной (цифра II, фиг.10) имеют распределение с более острой вершиной. Фиг.10 показывает, что восприятие глубины растрового изображения максимально приближено к варианту наблюдения креативно-когнитивной глубины плоского изображения.

Коэффициент асимметрии (фиг.11) выборки является мерой смещенности распределения относительно среднего арифметического значения. Отрицательный коэффициент асимметрии соответствует распределению, смещенному влево относительно среднего значения. Положительный коэффициент асимметрии соответствует распределению, смещенному вправо относительно среднего значения. Для нормального закона или любого другого симметричного распределения коэффициент асимметрии равен нулю. Моторика движения правого глаза показывает, что распределение экспериментального ряда при наблюдении растровой (цифра I) и креативно-когнитивной глубины (цифра II) смещено влево относительно среднего значения. Следовательно, для них формируются общие закономерности движения восприятия глубины. С другой стороны, стереоскопическое восприятие глубины изображения (цифра III) максимально приближено к нормальному распределению, а коэффициент асимметрии 20-восприятия в десять раз больше и смещен вправо относительно среднего значения.

Коэффициенты эксцесса и асимметрии свидетельствуют, что по моторике движения глаз можно подобрать такие растровые изображения, восприятие которых максимально приближено к восприятию креативно-когнитивной глубины. Следовательно, в процессе наблюдения глубины на таких растровых изображениях зрительная система получает опыт, который аналогичен приобретенной способности восприятия креативно-когнитивной глубины плоских изображений.

Спектрограммы экспериментальных рядов Х-координат показывают, что при восприятии глубины подобранного растрового изображения (цифра I, фиг.12) и изображения с эффектами креативно-когнитивной глубины (цифра II) глаза совершают движения в интервале до 250 Гц. На указанных фигурах - это черные вертикальные линии. При восприятии стереоскопической глубины (цифра III, фиг.12) и плоском восприятии 2D-изображения моторика движения глаз ограничивается частотами до 50 Гц.

При 2D-восприятии плоских изображений максимум гистограммы разности X-координат находится в области нулевых значений и подпадает под нормальный закон распределения. Область нулевых значений, вид нормального закона показывают, что правый и левый глаза концентрируются в одну область изображения и хаотически сканирует ограниченную его часть. Наблюдение стереоскопической глубины стереоскопических проекций является аналогом восприятия 3D-объектов среды обитания. Гистограмма разности восприятия стереоскопической глубины Х-координат двух глаз смещается на величину расположения стереопроекций. Происходит анализ различных областей одного изображения, как и в случае наблюдения объектов среды обитания. Следовательно, когда происходит восприятие креативно-когнитивной глубины плоского изображения, то глаза также анализируют различные области плоского изображения и структурируют их как трехмерные объекты. Тем самым формируется моторика движения глаз, максимально приближенная к восприятию 3D-объектов среды обитания. Восприятие предлагаемых вариантов растровых изображений способствуют процессу преобразования плоскостного изображения в трехмерное.

Эффективность реализация способа возможна для испытуемых, у которых развита способность восприятия глубины образов любых плоских изображений, называемая ранее креативно-когнитивной глубиной. Или для тех, у которых возникают эффекты рельефного восприятия некоторых образов. Выборка в 1000 чел. (возраст 14-22 года) показывает, что 1% из них уже обладает способностью восприятия глубины любых 2D-изображений. До 90% имеют способность рельефного восприятия глубины. Именно для них можно подобрать растровые изображения и эффективно развивать способности до уровня креативно-когнитивного восприятия глубины и объема любых плоских изображений. Наиболее эффективным приемом следует считать произведения живописи и изготовленные по ним растровые 3D-изображения с необходимыми условиями построения слоев (стереопроекций). Предлагаемый способ показывает, какие характеристики необходимы для их изготовления. Тем самым будет активирован ранее не используемый ресурс среды обитания. Ранее произведения живописи выполняли эстетически-культурную функцию, а с изготовлением их 3D-растрового аналога возникает направление использования в области развития когнитивных способностей.

Аналогичную технику подготовки стереопроекций и растровых изображений можно использовать при любой фотосъемке. Тогда может произойти замена плоскостных фотографий на трехмерные проекции и появляется возможность эффективного тренинга когнитивных способностей в области фотоискусства

Изобретение относится к оптике, физиологии, психологии, экологии человека и может быть использовано в экспериментальной психологии, психофизиологии, при изучении деятельности мозга, в тренинге структурирования способностей применения глубинного интуитивного правополушарного мышления.

Литература

1. Гусев А.Н. Общая психология. Т.2 Ощущение и восприятие. - М.: Издат. центр «Академия», 2007. - 416 с.

2. Хьюбел Л. Глаз, мозг, зрение. Пер с анг. - М.: Мир, 1990. - 239 с.

3. Антипов В.Н. Способ формирования трехмерных изображений (варианты // Патент России №2264299. 2005. Бюл. №32.

4. Антипов В.Н. Способ развития зрительной системы человека // Патент России №2318477. 2008. Бюл. №7.

5. Антипов В.Н., Антипов А.В. Способ развития стереоскопического зрения // Патент России №2391948. 2010. Бюл.17.

6. Антипов В.Н., Якушев Р.С. Интуитивный экспериментально-физический подход в образовательном проекте по развитию интеллектуальных способностей человека // Образовательные технологии и общество. - 2011. Т.14, №1. - С.400-406.

7. Антипов В.Н., Баландин И.О., Валеева P.P. Рельефность плоских изображений сегодня - это модель развития зрения человека в будущем // Экспериментальная психология в России: традиции и перспективы / Под ред. В.А.Барабанщикова. - М..: Изд-во «Институт психологии РАН», 2010. - С.200-205.

8. Антипов В.Н., Грачев А.В., Антипов А.В., Павлова О.А. Интуитивно-креативный тренинг для специалистов ПИАР-технологий // Образование и саморазвитие. - 2010. - №5(21). - С.153-158

9. Антипов В.Н., Жегалло А.В. О возможности тестирования технологии обучения по 3D-восприятию плоских изображений // Образование и саморазвитие. - 2011. - №3(25). - С.163-169

10. Анищенко B.C. Знакомство с нелинейной динамикой: Лекции соросовского профессора // Учеб. пособие. Москва-Ижевск: Институт компьютерных исследований, 2002. - 144 с.

11. Гнеденко Б.В. Курс теории вероятностей // 8-е изд., испр. и доп. - М.: Едиториал УРСС, 2005-448 с.

12. Г.С.Альтшуллер, Б.Л.Злотин, А.В.Зусман, В.И.Филатов. Поиск новых идей: от озарения к технологии. - Кишинев: Картя Молдовеняскэ, 1989. - 381 с., ил., табл.

13. Антипов В.Н., Хамидуллина Н.А, Куценко Д.И. Способ восприятия плоских изображений. Заявка №2009147057/28(067032). Приоритет 11.01.2010. Полож. решение 30.05.2011.

Способ развития когнитивного трехмерного восприятия плоскостных изображений, включающий определение моторики движения глаз при восприятии изображений, применение техники изготовления стереоскопических проекций, изготовление объемного растрового изображения, отличающийся тем, что сначала готовят растровое изображение с трехмерным восприятием, для чего выбирают плоскостные изображения И(q), на которых возникают эффекты восприятия глубины, строят на его основе n-наборов из 1-стереоскопических проекций И^стерео(1), выводят их на экран монитора бинокулярного айтрекера, демонстрируют испытуемому, регистрируют моторику движения глаз, определяют Х-координат направления взора зрачка правого - (^RX(t)) и левого глаза - (^LX(t)), строят гистограммы разности ΔХ(t)=^RХ(t)-^LX(t) за время демонстрации изображения И(q), гистограммы разности наборов стереоскопических проекций в их плоскостном и стереоскопическом восприятии в условии фузии, выбирают такое плоскостное изображение И(q), для которого максимум гистограммы разности ΔX(t) максимально приближен к значению максимума гистограммы разности при наблюдении стереоглубины стереопроекции И^стерео(1), вычисляют коэффициенты эксцесса и асимметрии, по стереоскопическим наборам изображения И(q), монтируют растровые изображения, выбирают такой растр И^растр(j), который имеет местоположение максимума гистограммы разности ^растрΔХ(t) коэффициенты эксцесса и асимметрии максимально приближенного к аналогичным характеристикам восприятия глубины плоскостного изображения И(q), затем воздействуют выбранным растровым изображением на зрительное восприятие и наблюдают на изображении глубину, где 1, n, q - целые числа- 1, 2, 3, 4, …