Программа: Оптико-электронные приборы и системы


ГЛАВА 1. ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБЪЕМНОГО ВИДЕНИЯ



страница2/12
Дата29.04.2018
Размер0.78 Mb.
ТипПрограмма
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12

ГЛАВА 1. ФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ОБЪЕМНОГО ВИДЕНИЯ

1.1. Бинокулярное видение и стереоскопический эффект


При рассматривании близко расположенных предметов ресничная мышца изменяет радиусы кривизны поверхностей хрусталика, чем изменяется оптическая сила глаза и достигается фокусирование изображения объекта на поверхности сетчатке. Это явление изменения оптической силы глаза для получения резкого изображения предметов называется аккомодацией1. Данная способность человеческого глаза играет важную роль в объемном видении.

При адаптации глаза с близко расположенных предметов на более дальние и наоборот мы получаем информацию об относительном расстоянии до наблюдаемых предметов и, сопоставляя их, воспринимаем картинку объемно.

Важнейшей особенностью бинокулярного зрения является то, что при рассматривании предметов одновременно двумя глазами изображения, видимые правым и левым глазом, сливаются в одно пространственное изображение.

Направление, в котором мы видим предметы одним глазом, определяется тем местом сетчатки, на которое попадают изображения этих предметов. При бинокулярном зре­нии направление видения предметов определяется линией, проходящей посередине между правым и левым глазом. Расстояние между центрами зрачков правого и левого глаз называется нормальным стереоскопическим базисом2. В зависимости от возраста и индивидуального тело­сложения межзрачковое расстояние у различных лиц колеблется в пре­делах от 52 до 74 мм. Чаще всего используют его среднее значение, равное 65 мм. [1].

На Рис.1.1 изображена поверхность, заданная точками A1, A2, A­3, которые находятся на одинаковом расстоянии от наблюдателя. На точку A2 (точку фиксации) направлен взгляд наблюдателя, поэтому она проецируется в центральную ямку сетчаток его глаз (точки Ol, Or). Поверхности левой и правой сетчаток связаны с системами координат OlXL, OrXR таким образом, что центр (центральная ямка) находится в точке 0. Пусть слева от точек Ol и Or лежит область отрицательных значений координат. Проекции точки A1 имеют на левой и правой сетчатке координаты x1l и x1r соответственно, проекции точки A3 - координаты x3l и x3r. Координаты проекций точек, отстоящих от наблюдателя на то же расстояние, что и точка фиксации, на обеих сетчатках совпадают, то есть x1l = x1r, x3l = x3r. Говорят, что эти точки пространства проецируются на соответственные (корреспондирующие) точки сетчаток.


Рис.1.1. Проекции точек пространства на сетчатки глаз



Гороптер – это геометрическое место точек (для любого данного расстояния), которые попадают на корреспондирующие точки сетчаток. Все точки гороптера видятся слитно и (теоретически) должны казаться равноудаленными от наблюдателя.

Рассмотрим точку A4, расположенную ближе, чем точка фиксации. Координаты проекций такой точки связаны неравенством x4l < x4r (так как x4l < 0, x4r < 0). Для точки A5 (не показана на рисунке), расположенной дальше точки фиксации, справедливо неравенство x5l > x5r. Эти точки окружающего мира проецируются на некорреспондирующие или диспаратные точки сетчаток или, что то же самое, обнаруживают диспаратность3 [2]. Выделяют конвергентную (у точек, расположенных ближе точки фиксации) и дивергентную (у точек, расположенных дальше точки фиксации) диспаратность [13]. Распределение диспаратностей по изображению иногда называют картой диспаратностей [3].

Количественно диспаратность определяют как разность между координатами проекций объектов на сетчатки. Единица измерения диспаратности, очевидно, зависит от того, в каких единицах проградуированы системы координат OlXL и OrXR. В физиологических и психофизиологических экспериментах диспаратность обычно измеряют в угловых минутах, в модельных экспериментах – в пикселях.

Преимущества бинокулярного зрения по сравнению с монокулярным общеизвестны. При видении двумя глазами увеличивается поле зрения и возрастает чувствительность, так как суммируются сигналы от обеих сетчаток. Острота бинокулярного зрения выше остроты монокулярного зрения примерно в 1.4 раза, а время реакции оператора в 1.1-1.2 раза меньше. При бинокулярном рассмотрении изображения уменьшается утомляемость и растет распознаваемость объекта рассматривания [4].

Выделяют три функции системы бинокулярного зрения – элементарное бинокулярное, глубинное и стереоскопическое зрение. При элементарном бинокулярном зрении мозг использует информацию от обоих глаз наблюдателя. В основе глубинного зрения лежит процессе слияния в единый образ сетчаточных изображений, происходящий в высших зрительных центрах мозга. При глубинном зрении наблюдатель способен оценивать трехмерное пространство на основе двумерных сетчаточных изображений. В основе стереозрения лежит процесс объединения монокулярных образов в бинокулярный, который сопровождается специфическим переживанием глубины. Стереозрение – способность наблюдателя воспринимать третье пространственное измерение в стереоскопических приборах, где создаются условия искусственной диспаратности.

Стереозрение невозможно в отсутствии глубинного зрения. Если субъект обладает стереозрением, то, следовательно, у него присутствует и глубинное зрение. Обратное неверно - наличие глубинного зрения не подразумевает наличие стереозрения.

У человека, в отличие от животных, поля зрения обоих глаз почти совпадают и, следовательно, оба глаза одновременно наблюдают одни и те же предметы, т.е. расширяется поле зрения и, кроме того, видение двумя глазами позво­ляет заглядывать за края впереди стоящего предмета. Таким образом, глаза человека взаимно заменяют функции друг друга. Именно этот эффект позволяет человеку чувствовать глубину наблюдаемого пространства.

Поле зрения одного глаза у чело­века составляет по горизонтали приблизительно 150° и по вертикали 135°. Границы поля зрения для различных цветов (красного, желтого, синего) при достаточно сильных раздражениях совпадают с границами для белого цвета; границы же видимости зеленого цвета на 20-25° уже этих границ.

При бинокулярном видении поле зрения расширено по горизонтали на 30° и составляет около 180°, при этом поле зрения одного глаза только частично перекрывает поле зрения второго глаза. Общее поле зрения, получаемое при перекрывании полей обоих гла­з, составляет по ширине до 120° и по высоте до 135°. Предметы, нахо­дящиеся в этом общем поле зрения, видны одновременно и правым и ле­вым глазом.

При рассматривании какого-либо предмета одновременно правым и левым глазом глазные яблоки поворачиваются так, что направление визирных линий каждого глаза определяется фиксируемой обоими глазами точкой, в которой пересекаются визирные линии правого и левого глаза. Это явление носит название конвергенции, а фиксируемая точка на предмете называется центром конвергенции осей глаз. Угол между визирными линиями правого и левого глаза называется углом конвергенции.

Очевидно, чем ближе фиксируемая точка, тем больше угол конвергенции, и, наоборот, при бесконечно большом удалении фиксируемой точки угол конвергенции равен нулю.

Изменения аккомодации связаны с изменениями конвергенции, и, наоборот, каждое состояние конвер­генции вызывает соответст­венную степень аккомода­ции. Эта функциональная зависимость представлена на Рис.1.2.



Рис.1.2 Связь аккомодации с конвергенцией.



а – зона относительной аккомодации и относительной конвергенции.

В результате проведения ряда экспериментов было установлено, что человеческие глаза переносят расхождение расстояний конвергенции и аккомодации в 3 дптр. При создании стереоскопических приборов это расхождение следует удерживать в зоне комфорта ±1 дптр.

Принято различать несколько типов конвергенции:

- конвергенция, определяемая естественным напря­жением глазных мышц, называется тонической;

- конвергенция, вы­зываемая определенным напряжением аккомодации, называется аккомодативной;

- разность между аккомодативной и тонической конвергенциями называется фузионной или сливающей конверген­цией.

Если глаза не сведены на фиксиру­емом предмете, то изображение «двоится в глазах». Когда же оси обоих глаз сведены на фиксируемом предмете, то психофи­зиологическое суммирование изображе­ний, полученных правым и левым гла­зом, дает восприятие объемной трех­мерной протяженности рассматривае­мого предмета.

При раздражении коррес­пондирующих точек обоих глаз возникает единичное изображе­ние предмета. Для каждого по­ложения глаз только вполне определенные точки внешнего пространства дают изображения на соответствующих им корре­спондирующих точках. Геомет­рическое место точек внешнего пространства, которые дают изображения на корреспондирующих местах сетчатки, назы­вается гороптером. Гороптер представляет собой по­верхность сферы, и для раз­личных положений глаз (раз­личных поворотов глазных яб­лок) он различен. Также не­сколько различен гороптер для различных цветов ввиду хроматической аберрации глаз.



Рис.1.3. Гороптер и радиус стереоскопического видения.

На Рис.1.3. окружность LBR изображает гороптер в сечении его плоскостью рисун­ка. L и R — точки зрения левого и правого глаза, сконвергированных на точку В. Очевидно, по этим трем точкам L, R и В можно всегда лег­ко построить поверхность гороптера для любого положения глаз (т. е. для любых условий конвергенции).

В том случае, если рассматриваемая точка В' лежит не на гороптере, изображение ее получается не на корреспондирующих точках сетчаток правого и левого глаза. В этом случае говорят, что изображение лежит на диспаратных точках сетчаток. Если диспаратность, т. е. не­соответствие раздраженных мест сетчаток, велика, то получается двоение видимого изображения; если же диспаратность невелика, то возникает ощущение пространственной удаленности точки В' от В. Диспаратность изображений на сетчатке глаз является причиной бинокулярного стерео­эффекта, т. е. эффекта пространственного видения, проявляемого при би­нокулярном зрении. При одновременном рассматривании разноудален­ных предметов изображения, получаемые на сетчатках глаз, всегда попа­дают на диспаратные точки.

Смещение точки изображения в одном глазу относительно соответствующей точки изображения в другом глазу носит название бинокулярного или стереоскопического параллакса. Бинокулярный параллакс определяется разностью углов, образуемых в обоих глазах визирными линиями (см.Рис.1.3.), идущими к фиксируемой точке В , лежащей в гороптере, и теми линиями, которые идут к сетчатке через узловые точки глаза (O1 и O2) от рассматриваемого предмета, нахо­дящегося ближе С или дальше А точки фиксации.

Бинокулярный параллакс может быть выражен в угловом измерении, как дифференциальный или разностный параллакс, равный разности углов конвергенции LBR (Рис.1.3.) и параллактического угла LB'R, обозначая которые соответственно θ иθ1,можно написать, что дифференциальный параллакс равен:



(1.1)

Под остротой стереоскопи­ческого (бинокулярного) зрения обыч­но понимают величину предельного угла Δθ0 дифференциального парал­лакса, которую человек способен еще различить. Эта величина отлична от угла, определяющего разрешаю­щую способность одного глаза, и силь­но зависит от индивидуальных спо­собностей человека к стереоскопиче­скому видению пространства.

Обычно предельную величину угла Δθ0 при­нимают для расчетов равной 30", хо­тя многие лица обладают значитель­но большей остротой стереоскопиче­ского зрения. Статистическое распределение остроты стереоскопического зрения, определенное на основе об­следования 106 лиц, представлено графически на Рис.1.4. [2]

Рис.1.4. Статистическое распределение стереоскопической остроты зрения.

Острота стереоскопического зрения для каждого человека в отдель­ности сильно зависит от яркости наблюдаемого объекта и от длительности наблюдения. Опытные данные о зависимости остроты стереоскопического зрения от освещенности при наблюдении черных объектов на белом фоне (по данным Е. М. Белостоцкого) приведены на Рис.1.5

Рис.1.5. Зависимость порога глубины зрения от освещенности фона.

Зависимость по­рога стереоскопического зрения от продолжительности наблюдения (по Л. Н. Гассовскому и Н. А. Никольской) представлена на Рис.1.6. [2]

Рис.1.6. Зависимость порога глубины зрения от продолжительности наблюдения.

Значительное влияние на остроту стереоскопического восприятия оказывает также отношение вертикаль­ного размера объекта к горизонтальному и длина периметра объекта. Радиус стереоскопического видения определяется как предельное рас­стояние, начиная с которого предметы, удаленные дальше вплоть до бесконечности, уже не различаются по удаленности друг от друга при помощи бинокулярного зрения.

Предположим, что глаза фиксируют точку, удаленную в бесконечность, т. е. визирные линии обоих глаз параллельны, тогда предельный угол дифференциаль­ного параллакса Δθ0 определит радиус стереоскопического видения r0 согласно формуле (1.2).



(1.2)

Полагая нормальный стереоскопический базис bo=65 мм, предель­ный угол Δθ0=0,000029 (т. е. равным 10"), будем иметь радиус стереоскопического видения



(1.3)

Очевидно, все предметы, удаленные от глаза больше, чем на 1350 мм, при наблюдении их двумя глазами будут казаться на одном расстоянии, как и бесконечно удаленные.

Различимость рельефа (разноудаленность рассматриваемых предме­тов) определяется величиной дифференциального параллакса и удален­ностью предметов. Из геометрических соотношений Рис.1.3. можно определить, что удаленность рассматриваемой точки В' от точки фикса­ции глаз В, лежащей на гороптере, по нормали к гороптеру, выра­жается уравнением

(1.4)

Считаем и , так как удаленность точки фиксации В значительна по сравнению с межзрачковым расстоянием b, тогда



(1.5)

Отсюда:


(1.6)

Уравнение можно переписать в более простом виде:



(1.7)

Откуда


(1.8)

Наименьшая величина глубины рельефа Δd0, различимая при бинокулярном зрении, зависит от порога глубины Δθ0 и от удален­ности рассматриваемых предметов d и может быть определена по формуле



(1.9)

где угол Δθ0 выражается в радианной мере. Отсюда видно, что различимость рельефа обратно пропорциональная Δd0 уменьшается пропорционально квадрату расстояния наблюдателя от рассматриваемого предмета.




Каталог: Structure -> Universe -> ire -> electrical engineering -> structure -> lighttech -> Documents
Structure -> Операционная система, память, интерфейс
Structure -> География транспортного комплекса
Structure -> Учебное пособие для самостоятельного изучения и выполнения лабораторных работ (для студентов агроинженерных специальностей). Иркутск: Иргсха, 2006. 118 с ил
Structure -> Программа учебной дисциплины основы неврологии
Structure -> Ко дню освобождения Новошахтинска. Новошахтинск в годы Великой Отечественной войны
Documents -> Программа: Оптико-электронные приборы и системы


Поделитесь с Вашими друзьями:
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12


База данных защищена авторским правом ©vossta.ru 2019
обратиться к администрации

    Главная страница