Вахрамеева О.А. Движения глаз: техники регистрации, миниатырные движения глаз

Презентация доклада Ольги Анатольевны Вахрамеевой в рамках семинаров Cogito ergo.
Пост о событии: http://cogitoergo.ru/event/vakhrameeva-o-dvijeniyah-glaz/

Transcript

1. Движения глаз: техники регистрации, миниатюрные движения глаз Вахрамеева О.А. Институт физиологии им. И.П. Павлова РАН Санкт-Петербург, 2014 г.
2. История изучения движений глаз Э. Джаваль (Javal Е., 1879) - показал, что глаза совершают быстрые скачкообразные движения - саккады, чередующиеся с короткими остановками- фиксациями. Е. Делабарр (Delabarre, 1898) предложил систему записи движения глаз на вращающийся барабан при помощи стилуса, который был механически соединен с роговицей Эрдманн и Додж (Erdmann, Dodge 1898) направляли луч света на роговицу, фокусировали систему линз, а затем записывали движения глаз на подвижной фотопластинке. Оршанский И. (1899) прикреплял к роговице чашечку на которой располагалось зеркальце, отражающее направленный на него пучок света. Е. Шотт (Schott, 1922) предложил использовать метод электроокулографиии - регистрацию электрических потенциалов между роговицей и сетчаткой. Альфред Лукьянович Ярбус (Ярбус,1965; Yarbus, 1967) разработал целый ряд методик регистрации движений глаз методом отраженного света, а также методки получения не движущегося по сетчатке изображения. В своих работах он использовал присоски различной конструкции, на которых располагались те или иные миниатюрные приборы.
3. Иллюстрация из книги А.Л. Ярбуса Наблюдателю показывали картинку и давали 7 заданий: 1. Рассмотреть изображение 2. Оценить материальное состояние персонажей 3. Оценить возраст персонажей 4. Угадать, что делали остальные персонажи до прихода посетителя 5. Запомнить во что одеты персонажи 6. Запомнить расположение персонажей и объектов в комнате 7. Оценить время прошедшее с момента последнего визита посетителя «В зависимости от задач, которые стоят перед человеком, т.е. в зависимости от характера сведений, которые он должен получить, будет соответственно изменяться и распределение точек фиксации на объекте, поскольку различные сведения обычно локализованы в различных частях объекта».
4. Методы регистрации движений глаз
5. Механическая запись движений глаз  Это такие методики, при которых связь между глазом и записывающим устройством осуществлялась механически.  Например при помощи рычажка (Дж. Ом,1928; Кордс, 1927), или эластичного резинового балончика, заполненного воздухом, или нити закрепленной одним концом на чашечке расположенной на роговице (Делябарр, 1898; Хьюи, 1898, 1900; Оршанский, 1899).
6. Запись движений глаз отраженным пучком света (contact lens optical lever)  Оптический рычаг – метод регистрации движений глаз основанный на регистрации света отраженного от зеркала, расположенного на контактной линзе (Оршанский, 1899; Маркс, 1911; Дольман, 1925). Отраженный свет записывается фотоэлектрическим преобразователем, либо каким-то другим способом. Метод оптического рычага крайне точный: некоторым авторам удавалось добиться регистрации вертикальных и горизонтальных движений глаз амплитудой менее 10 угловых секунд (Ditchburn & Ginsborg, 1953; Nachmias, 1959; Steinman, 1965) – точность достаточная для регистрации самых миниатюрных фиксационных движений глаз.  Минусы: 1. требуется создать отрицательное давление под линзой, чтобы избежать ее скольжения по роговице, а это травмирует глаз; 2. запись отраженного света ограничивается веком.  Таким образом, несмотря на высочайшую точность метода оптического рычага, длительная запись движений глаз и запись в условиях просмотра большого по размерам изображения не представляется возможной.
7. Регистрация движений при помощи измерительной катушки (search coil)  К контактной линзе крепится катушка, вокруг глаза помещается магнит, который генерирует магнитное поле. За счет электромагнитной индукции в катушке возникает электрический ток. Полярность и амплитуда тока зависит от движений глаз, измеряя эти значения, могут быть зарегистрированы движения глаз.  Метод измерительной катушки похож на метод оптического рычага. В результате регистрируются изменения положения глазного яблока относительно головы, поэтому как и метод оптического рычага метод измерительной катушки при его достаточно высокой точности не может показать направление взора, если голова наблюдателя не закреплена. Громоздкость всей аппаратуры создает дискомфорт для наблюдателя. И также как и метод отраженного пучка света меняет момент инерции глаза, что искажает быстрые движения глаз: саккады, тремор.
8. Бесконтактные методы регистрации движений глаз.  Изучение движений глаз при помощи фото- и киносъемки Додж и Клайн 1901, Джадд 1905  Запись роговичного блика
9. Бесконтактные оптические методы регистрации движения глаз  Инфракрасная подсветка, которая отражается глазным яблоком, регистрируется видео камерой или другим оптическим сенсором. В процессе обработки видеозаписи получается информация об ориентации глазного яблока в пространстве и её временная динамика. Айтрекеры, основанные на видео записи, часто используют отражение инфракрасной подсветки от роговицы глаз (первое изображение Пуркинье) для расчета направления на центр глазного яблока и дальнейшего сравнения с координатами центра зрачка.  Более сложный тип айтрекера использует как отражение от роговицы, так и отражение от хрусталика глаза. Данная категория айтрекеров наиболее часто используется в задачах гейзтрекинга (отслеживания взгляда - нахождение точки пересечения оптической оси глазного яблока и плоскости экрана, на котором предъявляется некоторый визуальный стимул), которые требуют, чтобы процедура эксперимента была неинвазивна, а оборудование было относительно недорогим.
10. Электроокулография (ЭОГ) Схема расположения электродов для записи электроокулограммы ЭОГ – техника для измерения движений глаз, в основе которой лежит регистрация электрического потенциала вокруг глаз. Роговица имеет более положительный заряд в сравнении с зарядом сетчатки. Минусы: наличие других биопотенциалов, источником которых является активность мозга и мышечная активность и которые вносят помехи в запись движений глаз. Качество сигнала также зависит от положения электродов, качества контакта между электродом и кожей, от движений головы и проч. Таким образом, электроокулограмма может быть использована для регистрации только саккад и морганий.
11. Типы движений глаз
12. Типы движений глаз -Саккады – быстрые скачкообразные движения обоих глаз -Фиксации – остановка взора, в течение которой взор колеблется с амплитудой не более 1 углового градуса -Миниатюрные движения глаз (дрейф, тремор, микросаккады) – совершаются во время фиксации (иначе – фиксационные движения глаз), амплитуда не превышает 1 углового градуса -Нистагм – непроизвольное скачкообразное движение -Прослеживание – плавное, без резких скачков движение, наблюдается при прослеживании равномерно движущейся цели
13. Горизонтальные саккады и нистагм
14. Прослеживающие движения глаз в норме и при патологии
15. Контроль движений глаз
16. Контроль за движениями глаз CBT – кортико-бульбарный тракт CER – мозжечок ICTT – внутренний кортико-тектальный тракт MRF – ретикулярная формация промежуточного мозга и моста PT – ядра претектума SA – афференты от экстраокулярных мышц SC – верхние бугры четверохолмия SCC – полукружные каналы VN – вестибулярные ядра II – зрительный нерв III, IV, VI – окуломоторные, блоковые и отводящие нервы и ядра
17. Миниатюрные (фиксационные) движения глаз Han Collewijn, 2008 Взгляд во время фиксации не неподвижен, а совершает микродвижения, называемые также миниатюрными движениями глаз. К этому типу движений относят тремор, дрейф и микросаккады.
18. Дрейф  Дрейф – сравнительно медленные движения, совершаемые в межсаккадическом интервале, ранжируются в амплитудном промежутке от 1.5 до 4 угловых минут, со средней скоростью около 4 угловых минут в секунду.
19. Тремор  Тремор (дрожание)- быстрые вздрагивающие (дрожащие) движения с частотой около 200 Hz и типичной амплитудой в диапазоне 5–30 угловых секунд. В настоящее время для записи бинокулярного тремора используется миниатюрный акселерометр (Spauschus et al, 1999).
20. Микросаккады  Микросаккады – это такие саккады, амплитуда которых варьирует от 2 до 12 угловых минут в одном направлении и, которые происходят через промежутки времени от 0.2 до 10 секунд. Саккады являются содружественными движениями для обоих глаз.
21.  Микросаккады  Тремор  Дрейф Martinez-Conde & Macknik, 2008
23. Микросаккады во время фиксации  Распределение размеров микросаккад у 4-х испытуемых Boyce, 1967, Proceedings of the Royal Society of London B, 167, 293–315
24. Микросаккады при выполнении задач, сопровождающихся движением взора по экрану
26. Вергентные движения глаз и скрытое внимание
30. Движения глаз и внимание  Bottom-up и top-down пути контроля внимания, определяют движение глаз при выполнении различных задач. В частности задач зрительного поиска.
31. Теория объединения признаков (Treisman and Gelade, 1980)
32. Теория объединения признаков (Treisman and Gelade, 1980)
33. Feature Guided Search Model Модель поиска обусловленная признаками M. Pomplun, 2006, Vision Research, 46, 1886-1900.
34. Найдите кота
35. Найдите кота
36. 4 класса объектов, которые испытуемый должен был найти в сложной сцене.
41. t праймер маска цель реакция испытуемого праймер Фрагменты фона выделенные когда испытуемый искал объект «кот» Фрагменты фона выделенные когда испытуемый искал объект «рыба» цель 80 мс 100мс 100мс