О возможности использования фиксационных микросаккад для повышения качества видимых образов в фовеальной зоне

Обложка

Цитировать

Полный текст

Открытый доступ Открытый доступ
Доступ закрыт Доступ предоставлен
Доступ закрыт Только для подписчиков

Аннотация

Статья посвящена описанию и анализу компьютерной модели, которая была создана Д. С. Лебедевым для демонстрации возможности положительного влияния фиксационных микросаккадических движений глаза на восприятие мелких стимулов. Модель основана на предположении о том, что в процессе фиксации взора на рассматриваемом тестовом стимуле осуществляется суммация в мозгу нескольких “нейронных изображений” этого стимула, возникающих в результате микросаккад. Серии суммируемых “нейронных изображений” соответствуют последовательности смещенных позиций оптического изображения на сетчатке. Для точного наложения “нейронных изображений” друг на друга в модель введен механизм компенсации фиксационных саккадических микросдвигов, идентичный механизму, обеспечивающему константность пространственного восприятия в случае макросаккад, т.е. при поворотах глаз для осмотра больших объектов или сцен. Автор модели оценивал возможность улучшения качества видимых образов за счёт увеличения отношения сигнал/шум, которое может быть достигнуто при использовании реалистичных пространственно-временных параметров тестовых изображений, нейронного шума и микродвижений глаз, выбранных на основе анализа литературы. Результаты расчёта модели, полученные для использованных конкретных параметров сетчатки и движений глаз, показали, что рассмотренный механизм суммации с компенсацией саккадических сдвигов может прогрессивно улучшать качество видимых тестовых стимулов при увеличении числа суммируемых нейронных изображений примерно до семи-восьми, после чего позитивный эффект практически не увеличивается. В статье на материале записей движений глаз в соответствующих экспериментах обсуждается степень реалистичности данной модели.

Полный текст

Доступ закрыт

Об авторах

Д. С. Лебедев

Институт проблем передачи информации им. А.А. Харкевича РАН

Email: gir@iitp.ru
Россия, Москва

А. В. Белокопытов

Институт проблем передачи информации им. А.А. Харкевича РАН

Email: gir@iitp.ru
Россия, Москва

Г. И. Рожкова

Институт проблем передачи информации им. А.А. Харкевича РАН

Автор, ответственный за переписку.
Email: gir@iitp.ru
Россия, Москва

Н. Н. Васильева

Институт проблем передачи информации им. А.А. Харкевича РАН

Email: gir@iitp.ru
Россия, Москва

М. А. Грачева

Институт проблем передачи информации им. А.А. Харкевича РАН

Email: gir@iitp.ru
Россия, Москва

Список литературы

  1. Басова О. А. Модели дефектов матрицы фотоэмиссионных дисплеев и методы их камуфлирования. Дис. канд. технич. наук. М., 2022. 120 с.
  2. Бонгард М. М., Голубцов К. В. О типах горизонтального взаимодействия, обеспечивающих нормальное видение перемещающихся по сетчатке изображений (моделирование некоторых функций зрения человека). Биофизика. 1970. Т. 15. № 2. С. 361–373.
  3. Лебедев Д. С. Компьютерная модель сети карликовых нейронов в центральной сетчатке. Сенсорные системы. 2003. Т. 17. № 2 С. 91–106.
  4. Лебедев Д. С. Модель механизма распознавания ориентации 3-полосных двухградационных оптотипов. Сенсорные cистемы. 2015. T. 29. № 4. C. 309–320.
  5. Лебедев Д. С., Белозеров А. Е., Рожкова Г. И. Оптотипы для точной оценки остроты зрения. Пат. 2447826 РФ, МПК А61В 3/00. Заявитель и патентообладатель ИППИ РАН. № 2010146806 от 20.04.2012.
  6. Лебедев Д. С., Бызов А. Л. Электрические связи между фоторецепторами способствуют выделению протяженных границ между разнояркими полями. (Модель сети фоторецепторов на гексагональной решетке). Сенсорные cистемы. 1998. T. 12. № 3. C. 329–342.
  7. Лосев И. С., Шура-Бура Т. М. Модель восприятия движущихся и неподвижных объектов. Биофизика. 1981. Т. 26. № 5. С. 854–859.
  8. Рожкова Г. И., Грачева М. А., Лебедев Д. С. Оптимизация тестовых знаков и таблиц для измерения остроты зрения. Невские горизонты-2014. Материалы научной конференции офтальмологов. СПб: Политехника-сервис. 2014. С. 563–567.
  9. Рожкова Г. И., Николаев П. П., Щадрин В. Е. О факторах, определяющих особенности восприятия стабилизированных сетчаточных изображений. Физиология человека. 1982. Т.8. № 4. С. 564–571.
  10. Терехин А. П., Грачева М. А., Рожкова Г. И., Лебедев Д. С. Интерактивная программа для оценки остроты зрения на основе точного измерения порогов с использованием трёх оптотипов “Тип-Топ”. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2015616714 от 19.06.15.
  11. Филин В. А. Автоматия саккад. М.: Изд-во МГУ, 2002. 240 с.
  12. Харкевич А. А. Борьба с помехами. М.: Наука, 1965. 276 с.
  13. Ярбус А. Л. Роль движений глаз в процессе зрения. М.: Наука, 1965. 166 c.
  14. Arend L. E. Spatial differential and integral operations in human vision: implications of stabilized retinal image fading. Psychol. Rev. 1973. V. 80. Р. 374–395.
  15. Bridgeman B., Palca J. The role of microsaccades in high acuity observational tasks. Vision Res. 1980. V. 20. Р. 813–817.
  16. Cherici C., Kuang X., Poletti M., Rucci M. Precision of sustained fixation in trained and untrained observers. J. Vis. 2012. V. 12(6). Р. 1–16. https://doi.org/10.1167/12.6.31
  17. Cornsweet T. N. Determination of the stimuli for involuntary drifts and saccadic eye movements. J. Opt. Soc. Am. 1956. V. 46. Р. 987–988.
  18. Curcio C. A., Sloan K. R., Kalina R. E., Hendrickson A. E. Human photoreceptor topography. J. Comp. Neurol. 1990. V. 292(4). P. 497–523. https://doi.org/10.1002/cne.902920402
  19. Ditchburn R. W. Eye-movements and visual perception. Oxford. Clarendon Press, 1973.
  20. Ditchburn R. W. The function of small saccades. Vision Res. 1980. V. 20. Р. 271–272.
  21. Ditchburn R. W., Fender D. H., Mayne S. Vision with controlled movements of the retinal image. J. Physiol. 1959. V. 145(1). Р. 98–107. https://doi.org/10.1113/jphysiol.1959.sp006130.
  22. Donner K., Hemilä S. Modelling the effect of microsaccades on retinal responses to stationary contrast patterns. Vision Research. 2007. V. 47. P. 1166–1177. https://doi.org/10.1016/j.visres.2006.11.024
  23. Engbert R. Microsaccades: A microcosm for research on oculomotor control, attention, and visual perception. In S. Martinez-Conde S. L. Macknik J.-M. Alonso P. U. Tse. Progress in Brain Research. 2006. V. 154. P. 172–192. https://doi.org/10.1016/S0079-6123(06)54009-9
  24. Engbert R., Kliegel R. Microsaccades uncover the orientation of covert attention. Vision Research. 2003. V. 43. P. 1035–1045. https://doi.org/10.1016/S0042-6989(03)00084-1
  25. Gerrits H. J., Vendrik A. J. Artificial movements of a stabilized image. Vision Research. 1970. V. 10. P. 1443–1456. https://doi.org/10.1016/0042-6989(70)90094-5
  26. Hafed Z. M., Clark J. J. Microsaccades as an overt measure of covert attention shifts. Vision Research. 2002. V. 42. P. 2533–2545. https://doi.org/10.1016/S0042-6989(02)00263-8
  27. Holmqvist K., Blignaut P. Small eye movements cannot be reliably measured by video-based P-CR eye-trackers. Behav. Res. 2020. V. 52. Р. 2098–2121. https://doi.org/10.3758/s13428-020-01363-x
  28. Intoy J., Rucci M. Finely tuned eye movements enhance visual acuity. Nat Commun. 2020. 11. 795. https://doi.org/10.1038/s41467-020-14616-2
  29. Kelly D. H. Motion and vision. I. Stabilized images of stationary gratings. J. Opt. Soc. Am. 1979. V. 69(9). Р. 1266–1274. https://doi.org/10.1364/JOSA.69.001266
  30. Kowler E. Eye movements: the past 25 years. Vision Res. 2011. V. 51. Р. 1457–1483. https://doi.org/10.1016/j.visres.2010.12.014
  31. Kowler E., Steinman R. M. Miniature saccades: eye movements that do not count. Vision Res. 1979. V. 19. Р. 105–108.
  32. Kowler E., Steinman R. M. The role of small saccades in counting. Vision Res. 1977. V. 17. Р. 141–146. https://doi.org/10.1016/0042-6989(77)90212-7
  33. Lebedev D. S., Byzov A. L., Govardovskii V. I. Photoreceptor coupling and boundary detection. Vision Research. 1998. V. 38. P. 3161–3169.
  34. Lebedev D. S., Marshak D. W. Amacrine cell contributions to red-green color opponency in central primate retina: A model study. Visual Neuroscience. 2007. V. 24(40). Р. 1–13. https://doi.org/10.1017/S0952523807070502
  35. Lebedev D. S., Rozhkova G. I., Bastakov V. A., Kim C.-Y., Lee S.-D. Local contrast enhancement for improving screen images exposed to intensive external light. GraphiCon’2009. Conference Proceedings. 19th International Conference on Computer Graphics and Vision. Moscow State University. 2009. P. 112–116.
  36. Martinez-Conde S., Macknik S. L., Hubel D. H. The role of fixational eye movements in visual perception. Nature Reviews Neuroscience. 2004. V. 5. 229–240. https://doi.org/10.1038/nrn1348
  37. Otero-Millan J., Troncoso X. G., Macknik S. L., Serrano-Pedraza I., Martinez Conde S. Saccades and microsaccades during visual fixation, exploration and search: Foundations for a common saccadic generator. Journal of Vision. 2008. V. 8(14). Р. 1–18. https://doi.org/10.1167/8.14.21
  38. Poletti M., Rucci M. A compact field guide to the study of microsaccades: challenges and functions. Vis. Res. 2016. V. 118. Р. 83–97. https://doi.org/10.1016/j.visres.2015.01.018
  39. Ratnam K., Domdei N., Harmening W. M., Roorda A. Benefits of retinal image motion at the limits of spatial vision. J. Vis. 2017. 17(1): 30. Р. 1–11. https://doi.org/10.1167/17.1.30
  40. Riggs L. A., Ratliff F., Cornsweet J. C., Cornsweet T. N. The disappearance of steadily fixated visual test objects. J. Opt. Soc. Am. 1953. V. 43. Р. 495–501.
  41. Rolfs M. Microsaccades: small steps on a long way. Vision Res. 2009. V. 49. Р. 2415–2441. https://doi.org/10.1016/j.visres.2009.08.010
  42. Roorda A., Metha A. B., Lennie P., Williams D. R. Packing arrangement of the three cone classes in primate retina. Vis. Res. 2001. V. 41. Р. 1291–1306. https://doi.org/10.1016/S0042-6989(01)00043-8.
  43. Rozhkova G., Lebedev D., Gracheva M., Rychkova S. Optimal optotype structure for monitoring visual acuity. Рroceedings of the Latvian Academy of Sciences. 2017. V. 71. No. 5(710). Р. 327–338. https://doi.org/10.1515/prolas-2017-0057
  44. Rozhkova G. I., Nikolaev P. P. Visual percepts in the cases of binocular and monocular viewing stabilized test objects, Ganzfeld stimuli, and prolonged afterimages. Perception. 2015. V. 44(8-9). Р. 952–972. https://doi.org/10.1177/0301006615594957
  45. Rozhkova G. I., Nickolayev P. P., Shchadrin V. E. On the factors that determine the peculiarities of stabilized retinal image perception. Human Physiology. 1982а. No. 8. Р. 564–571.
  46. Rozhkova G. I., Nickolaev P. P., Shchadrin V. E. Perception of stabilized retinal stimuli in dichoptic viewing conditions. Vision Res. 1982 b. V. 22. N 2. P. 293–302.
  47. Rucci M. Fixational eye movements, natural image statistics, and fine spatial vision. Network: Computation in Neural Systems. 2008. V. 19(4). 253–285. https://doi.org/10.1080/09548980802520992
  48. Rucci M. Visual encoding with jittering eyes. In Y. Weiss, B. Scholkopf, J. Platt (Eds.). Advances in neural information processing system. 2006. V. 18. Р. 1137–1144.
  49. Rucci M., Poletti M. Control and function of fixational eye movements. Annu. Rev. Vis. Sci. 2015. V. 1. Р. 499–518. https://doi.org/10.1146/annurev-vision-082114-035742
  50. Tulunay-Keesey U. Effects of involuntary eye movements on visual acuity. J. Opt. Soc. Am. 1960. V. 50. Р. 769–774. https://doi.org/10.1364/JOSA.50.000769
  51. Tulunay-Keesey U. Fading of stabilized retinal images. J. Opt. Soc. Am. 1982. V. 72. Р. 440–447. https://doi.org/10.1364/JOSA.72.000440
  52. Wade N. How Were Eye Movements Recorded Before Yarbus? Perception. 2015. V. 44(8-9). Р. 851–883. https://doi.org/10.1177/0301006615594947
  53. Wade N. J. Why do patterned afterimages fluctuate in visibility? Psychological Bulletin. 1978. V. 85(2). Р. 338–352. https://doi.org/10.1037/0033-2909.85.2.338
  54. Westheimer G. The spatial sense of the eye. Proctor lecture. Invest. Ophthalmol. Vis. Sci. 1979. V. 18. Р. 893–912.
  55. Whitham E. M, Fitzgibbon S. P, Lewis T. W, Pope K. J, Delosangeles D. et al. Visual experiences during paralysis. Front. Hum. Neurosci. 2011. V. 5. № 160. Р. 1–7. https://doi.org/10.3389/fnhum.2011.00160
  56. Winterson B. J., Collewijn H. Microsaccades during finely guided visuomotor tasks. Vision Res. 1976. V. 16. Р. 1387–1390. https://doi.org/10.1016/0042-6989(76)90156-5
  57. World Medical Association. Declaration of Helsinki ethical principles for medical research involving human subjects. JAMA. 2013. V. 310(20). P. 2191–2194. https://doi.org/10.1001/jama.2013.281053
  58. Yarbus A. L. Eye movements and vision. New York: Plenum Press. 1967.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML
Скачать
2. Рис. 1. Схематическое изображение фрагмента реальной мозаики колбочек из сетчатки обезьяны Macaca fascicularis. Рисунок сделан по данным статьи (Roorda et al., 2001). В модели механизма суммации нейронных изображений использовали список координат и спектральных типов 904 колбочек реального фрагмента сетчатки. Фрагмент расположен на расстоянии 1.5 угл. град. от центра фовеа. Его размер – 36×36 угл. мин (0.125×0.125 мм). Плотность колбочек – около 70 000 на мм2; среднее расстояние между ними приблизительно равно 1.2 угл. мин (4 мкм)

Скачать (241KB)
Метаданные
3. Рис. 2. Результаты расчёта Д.С. Лебедевым изображений тестовых стимулов, полученных на выходе его модели при учёте разного числа фиксационных микросаккад N, приводящих к сдвигам оптического изображения стимула на сетчатке. В каждом квадрате рисунка изображения соответствуют предъявлению четырёх тест-объектов (“кувыркающихся” Е), показанных на рис. 2а. Далее на рис 2б–г показаны нейронные изображения на выходе модели для N = 1; N = 7 и N = 25 соответственно

Скачать (187KB)
Метаданные
4. Рис. 3. Записи движений обоих глаз трех испытуемых при последовательном просмотре пяти букв околопорогового размера (а – исп. М., 7.10 лет; б – исп. Д., 17.0 лет; в – исп. З., 9.0 лет)

Скачать (501KB)
Метаданные
5. Рис. 4. Распределение значений длительности фиксации отдельных букв, построенное по всем данным, полученным в первой серии экспериментов. По оси ординат отложено суммарное число фиксаций, длительность которых попадала в данный интервал, для всей выборки испытуемых. На оси абсцисс указаны значения длительности фиксаций в середине интервалов, выбранных для анализа с шагом 50 мс

Скачать (72KB)
Метаданные
6. Рис. 5. Записи движений правого глаза трех испытуемых при последовательном рассматривании знаков на одной из строк таблицы для оценки остроты зрения (а – исп. Т.Б., строка 0.9; б – исп. Н.В., строка 0.4; в – исп. О.Б., строка 0.3)

Скачать (517KB)
Метаданные
7. Рис. 6. Траектории движений глаз одного из испытуемых (Н.В.), наложенные на изображение рассматриваемой таблицы с оптотипами (на иллюстрации контраст знаков таблицы специально снижен)

Скачать (195KB)
Метаданные
8. Рис. 7. Типы саккадических движений глаз пяти испытуемых при фиксации неподвижной точки. Калибровка: по амплитуде 1°, по времени 1 с (цит. по [Филин, 2002, с. 27], с изм.). 1 – Все микросаккады сдвоены, средняя частота 2.4/с; амплитуда 0.3-0.5°; дрейф слабый. 2 – Почти все микросаккады сдвоены; средняя частота 3.6/с, амплитуда варьирует в диапазоне 0.1–0.6°; дрейф сильный. 3 – Половина микросаккад – сдвоенные, средняя частота 1.2/с, амплитуда варьирует в диапазоне 0.3–0.6°; дрейф сильный. 4 – Микросаккады возникают редко (на записи их всего 5 за 10 с); амплитуда 0.3–0.4°; дрейф сильный. 5 – Микросаккады возникают редко, но группами (по 3–5 штук) с интервалами в несколько секунд; дрейф слабый

Скачать (75KB)
Метаданные

© Российская академия наук, 2024