Анализ методов и систем регистрации окуломоторной активности



В статье даётся краткая характеристика видов движения глаз и приводится анализ методов и систем регистрации окуломоторной активности.

Движения глаз — естественная составляющая зрительного восприятия. Даже при относительной неподвижности взгляда, глаза совершают микродвижения. Всего известно восемь видов движения глаз [1], которые относят к микро– и макродвижениям.

Макродвижения глаз характеризуют изменение направления взгляда и поддаются контролю. Их разделяют на макросаккады (резкие изменения направления взгляда), прослеживающие движения (плавное смещение взгляда вслед движущемуся объекту фиксации), вергентные движения (сведение и разведение зрительных осей), нистагм (колебательные движения глаз в совокупности с прослеживающими движениями) и торзионные движения (вращательные движения глаз относительно зрительной оси).

Микродвижения глаз — естественный фон окуломоторной активности, не поддающийся контролю и прослеживающийся в момент фиксации точки. Микродвижения глаз разделяют на тремор (частые колебания глаз), дрейф (плавное смещение взгляда, прерываемое микроскачками) и микросаккады (быстрое перемещение глаз, возникающие при смене точек фиксации).

Каждый вид обладает характерными свойствами, а прослеживаемость видов зависит от чувствительности и точности методов, регистрирующих окуломоторную активность. Такие методы можно разделить на две группы: контактные и бесконтактные. К первой относятся электроокулография, фотооптический и электромагнитный методы. Вторая группа включает фотоэлектрический метод и видеорегистрацию (кинорегистрацию).

Электромагнитный метод

Электромагнитный метод (Рисунок 1) основан на измерении эквивалентного напряжения, в которое переводится любое движение глаз.

Индукционный излучатель закрепляется с помощью присоски (контактной линзы или кольца) на глазном яблоке, приёмные катушки помещаются вокруг головы. Излучатель создаёт переменное электромагнитное поле в приёмных катушках. Перемещение излучателя вызывает изменение напряжённости электромагнитного поля. Далее этот сигнал усиливается и передаётся на вход регистрирующего осциллографа.

Рис. 1. Схема установки для регистрации окуломоторной активности электромагнитным методом [3]: 1 — приёмные катушки; 2 — индукционный излучатель; 3 — тестовое изображение; 4 — усилители сигналов; 5 — регистрирующий осциллограф

Н. Ю. Вергилес [2] предложил обратный способ: к глазному яблоку присоской крепится приёмная катушка, а пара излучателей помещается вокруг головы, создавая переменное магнитное поле вокруг глазного яблока. При изменении направления взгляда в приёмной катушке наводится электродвижущая сила, фаза которой связана с углом поворота глаза. Полученный сигнал поступает на вход несимметричного нерезонансного усилителя, после передаётся на вход регистрирующего устройства. Усилители заранее настраиваются на частоту излучения.

Чувствительность электромагнитного метода позволяет изучать макро– и микродвижения глаз, одновременно их горизонтальную и вертикальную составляющие. Калибровка проводится в начале эксперимента.

Использование присосок и жёсткая фиксация головы — главные недостатки метода, время регистрации окуломоторной активности ограничивается до 20–30 минут. Метод не применим в повседневной и профессиональной деятельности. Ограничения накладываются также на испытуемых, в экспериментах не могут участвовать дети и люди с повышенным внутриглазным давлением (глаукомой).

Функциональность метода повышается использованием контактной линзы [4], но останется необходимость в доработке линзы под особенности склеры каждого испытуемого.

Применение взаимоиндуктивных преобразователей [5, 6] повышает время непрерывной регистрации. Один короткозамкнутый виток в виде дюралюминиевого кольца прикрепляется к глазному яблоку, на оправу очков крепятся приёмные катушки. При изменении положения глаза с кольцом, относительно приёмных катушек, наводится электродвижущая сила, которая и регистрируется. Такой способ не ограничивает движения головы, а время регистрации увеличивается на 10–15 минут.

Основным назначением электромагнитного метода является лабораторный эксперимент. Он представляет собой эффективное средство психофизиологического и психофизического исследования восприятия и механизмов окуломоторной активности.

Важной составляющей контактных методов, в том числе электромагнитного, является присоска. Она выполняет роль каркаса, несущего миниатюрные устройства.

Присоска может крепиться к центральной части склеры (центральная присоска (Рисунок 2)) или к височной части (боковая присоска (Рисунок 3)).

Рис. 2. Конструкция центральной присоски: 1 — резиновый баллончик; 2 — корпус; 3 — зеркало; 4 — стеклянная пластинка

Рис. 3. Конструкция боковой присоски: 1 — зеркало; 2 — корпус; 3 — резиновый баллончик

Корпус присосок обычно делается из лёгких материалов, например, пластмассы. Перед установкой глазное яблоко анестезируется. Резиновым баллончиком создаётся пониженное давление в камере, образованной поверхностью глаза и корпусом присоски, обеспечивая её устойчивое положение. Веки глаза фиксируются, что позволяет избежать смещения присоски и исключить моргательные движения.

Конструкция присоски сохраняется независимо от метода, заменяются только вспомогательные устройства.

Фотооптический метод

Фотооптический метод основан на записи отражённого света: на глазное яблоко устанавливается присоска с миниатюрным зеркальцем, от которого отражается узкий пучок света, направленный осветителем, и попадает на вход фоторегистрирующего устройства (Рисунок 4).

Рис. 4. Схема установки для регистрации окуломоторной активности фотооптическим методом: 1 — глазное яблоко; 2 — присоска с зеркалом, 3 — осветитель, 4 — экран регистрации; 5 — фотоаппарат; 6 — проектор; 7 — тестовое изображение

Фотооптический метод [7] дал возможность исследовать особенности движений глаз при наблюдении за сложными объектами и в процессе чтения, показал взаимосвязь различных видов движений. С его помощью были описаны основные виды окуломоторной активности человека.

Фотооптический метод позволяет раскрыть микроорганизацию окуломоторной активности. В связи с чем возможно зарегистрировать такие параметры движений глаз, как амплитуда, скорость дрейфа, ускорение микросаккад, частота физиологического нистагма, что дополняет характеристику познавательных процессов, внимания и зрительного восприятия. Этот метод исследований является исключительно лабораторным, так как не приспособлен к оперативной обработке и представления получаемых во время эксперимента данных, использоваться может только в затемнённом помещении при жёсткой фиксации головы испытуемого. За счёт применения присосок время исследований ограничивается до 20–30 минут.

Электроокулография

В основе электроокулографии лежит измерение разности потенциалов в тканях, прилегающих к глазнице. Разность потенциалов существует между роговицей и склерой, внутренней и наружной сторонами сетчатки. Движения глаз регистрируются с помощью электродов, которые устанавливаются вокруг глазных впадин (около височных углов, верхнего и нижнего края глаза) (Рисунок 5).

При горизонтальных движениях глаз происходит изменение разности потенциалов на участках кожи слева и справа от глаза. При вертикальных — сверху и снизу. Знак потенциала говорит о направлении взгляда, величина изменения разности потенциалов отражает угол поворота [8].

Рис. 5. Схема расположения электродов: 1 — электрод; 2 — усилитель

Точность электроокулографии зависит от продолжительности исследования, чем дольше проходит эксперимент, тем больше погрешность, связанная с использованием усилителя. Каждое измерение предполагает последующую корректировку дрейфа нуля. Сильное влияние оказывают также индивидуальные особенности окуломоторного аппарата, плохой контакт электродов с поверхностью кожи, частота моргания.

Метод применим во внелабораторных условиях, но не предназначен для использования в повседневной или профессиональной деятельности.

Исследования с использованием электроокулографии не нарушают естественных условий зрительной активности, могут проводиться неограниченное время, при любом освещении.

Фотоэлектрический метод

В основе фотоэлектрического метода лежит преобразование отражённого от роговицы пучка инфракрасного света в электрический сигнал.

При перемещении глаз количество отражённого света изменяется и соответственно изменяется величина фототока или фотосопротивления.

Усиливая выходной сигнал, возможно получить запись движения глаз.

Одна из вариаций фотоэлектрического метода (Рисунок 6) была предложена А. Д. Владимировым и Е. Д. Хомской [9].

Изображение глаза проецируется на матовое стекло, покрытое фотосопротивлением и разделённое вертикальной перегородкой. Движение глаза вызывает смещение его изображения и изменение освещённости светочувствительного слоя. Фотосопротивления подключаются к схеме, на выходе изменение напряжения соответствует движению глаза.

За одно измерение возможно отследить одну из составляющих движения глаз — вертикальную или горизонтальную.

Для одновременной регистрации двух составляющих используется роговичный блик, изменение его положения даёт информацию о перемещении взгляда.

Рис. 6. Схема установки для фотоэлектрического метода: 1 — глаз испытуемого; 2 — осветитель; 3 — объектив; 4 — фотосопротивления; 5 — матовое стекло с изображением радужки глаза

Фотоэлектрический метод требует жёсткой фиксации головы, но даёт возможность длительного измерения и имеет бесконтактный характер. Его основным назначением является лабораторный эксперимент, позволяющий изучить механизмы управления движениями глаз, зрительные эффекты, сопровождающие окуломоторную активность. Он обеспечивает монокулярное измерение длительности, частоты фиксаций, скорости, частоты колебаний преимущественно макродвижений глаз.

Видеорегистрация (кинорегистрация)

Метод видеорегистрации включает две взаимосвязанные процедуры: видеосъёмку глаз испытуемого и программное определение направления взгляда на каждом кадре видеоряда. Источником информации о направлении взгляда служат край или центр зрачка, кровеносные сосуды склеры или роговичный блик. Этот метод более предпочтителен за счёт бесконтактного характера измерения глазодвигательной активности. Возможна моно– и бинокулярная регистрация.

Первые вариации этого метода основывались на киносъёмке глаз испытуемого, покадровом анализе плёнки и совмещении траектории перемещения взгляда с тестовым изображением.

Например, метод [11], который применяли Judd, McAllister и Steele: голова испытуемого фиксировалась, к ней прикреплялся металлический шарик, служивший началом координат, на роговицу глаза наносилась маленькая точка китайскими белилами, положение которой определялось на каждом кадре.

Или метод фоторегистрации Dodge и Cline [12], заключавшийся в получении ряда сдвинутых относительно друг друга изображений глаза. Изображения впоследствии анализировались.

При съёмке глаз без дополнительной подсветки получить информацию о направлении взгляда сложно. Такой способ отличается высокой чувствительностью к условиям освещения поверхности лица и трудоёмкостью покадровой обработки материала.

Распознавание объекта (радужки или зрачка) в видеопотоке не даёт достаточно информации для определения направления взгляда, важно следить за объектом, совмещая при этом определение точки пересечения оптической оси глазного яблока и плоскости экрана, на котором представлен некоторый зрительный раздражитель.

Другая разновидность метода видеорегистрации предполагает подсвечивание глаза точечным источником инфракрасного излучения и скоростную съёмку инфракрасной видеокамерой. Такой способ применяется в устройствах компании Tobii.

Tobii REX [13], Tobii EyeX [13], Tobii TheEyeTribe [14] — устройства, отслеживающие направление взгляда. Точность определения позволяет использовать их для лабораторного эксперимента и повседневной деятельности. Они дополняют стандартные средства управления компьютером (мышь, клавиатуру), позволяют выполнять некоторые операции при помощи взгляда, например, переключение между элементами интерфейса. Не требуют жёсткой фиксации головы пользователя, но сильная подвижность влияет на точность определения. Калибровка производится в начале работы с устройством, за счёт отслеживания движения головы данные первой калибровки дополняются.

Заключение

Ни один из перечисленных методов не является универсальным. Каждый обладает определёнными достоинствами, выбор зависит от цели использования, если это медицинские исследования, важна точность вычисления направления взгляда и возможность распознавания вида движения: тремор, дрейф, нистагм и т. д. Когда задача сводится к управлению устройствами посредством взгляда, важным критерием будет удобство метода.

Если исследование должно проводиться длительное время и с высокой точностью, следует использовать электромагнитный метод в совокупности с контактными линзами.

В случаях, когда голова испытуемого должна оставаться подвижной, целесообразно пользоваться видеорегистрацией, но потребуется сложная обработка экспериментального материала.

Литература:

1. А. Л. Ярбус. Роль движений глаз в процессе зрения. Наука, 1965, 167 стр.
2. Н. Ю. Вергилес, В. П. Зинченко. Формирование зрительного образа (исследование деятельности зрительной системы). М.: МГУ, 1969, 107 стр.
3. Е. А. Андреева, Н. Ю. Вергилес, Б. Ф. Ломов. Механизм элементарных движений глаз как следящая система // Моторные компоненты зрения. М.: Наука, 1975, стр. 7–55.
4. Э. Д. Морняков, А. М. Котлярский. Некоторые данные о движениях глаз у человека и животных и методах их регистрации // Вестник МГУ. Биология. 1971, № 6. стр. 35–41.
5. В. П. Лауритис, К. С. Крищунас. Взаимоиндуктивный измеритель микро- и макродвижений глаз // Вестник МГУ. Психология, 1977, № 4. стр. 82–86.
6. В. П. Лауритис, К. С. Крищунас, А. Луук, Я. Хуйк, Ю. Аллик. Развитие электромагнитной методики регистрации движений глаз человека // Труды по психологии, IV, Тарту, 1977. стр. 34–51.
7. А. Л. Ярбус. Новая методика записи движении глаз // Биофизика, 1958, № 8. стр. 63–70.
8. Р. Н. Лурье. Векторэлектроокулографическая методика изучения движений глаз в процессе онтогенетического развития // Развитие познавательных и волевых процессов у дошкольников. М.: Просвещение, 1965.
9. А. Д. Владимиров, Е. Д. Хомская. Фотоэлектрический метод регистрации движений глаз // Вопросы психологии, 1961, № 2. стр. 177–183.
10. Л. Митрани. Саккадические движения глаз и зрение. Изд-во болгарской академии наук, 1973, 170 стр.
11. Judd, C.H., McAllister, C.N. & Steel, W.M. (1905). General introduction to a series of studies of eye movements by means of kinetoscopic photographs. In J. M. Baldwin, H. C. Warren & C. H. Judd (Eds.) Psychological Review, Monograph Supplements. 7:1–16. The Review Publishing Company, Baltimore.
12. Dodge and Cline (1901). The angle velocity of eye movements. Psychological Review, 8, 145–157.
13. Tobii REX, Tobii EyeX — технологии отслеживания направления взгляда [Электронный ресурс] URL: http://www.tobii.com/
14. Tobii TheEyeTribe — технологи отслеживания направления взгляда [Электронный ресурс] URL: https://theeyetribe.com/order/