ИСТИНА

Проект направлен на исследование характеристик и функций микродвижений глаз в процессе зрительного восприятия. Развитие бесконтактных высокоскоростных и высокоточных технологий регистрации движений глаз, а также разработка современных методов компьютерного анализа треков в последние десятилетия привели к значительному росту числа исследований глазодвигательной активности и ее связи с когнитивными процессами человека. При этом особый интерес представляют микродвижения глаз - непроизвольная форма активности глаза во время фиксации взгляда на определенном объекте, в ходе которой происходит основная обработка внешней стимуляции зрительной системой. К микродвижениям относятся низкоамплитудный высокочастотный тремор, медленные плавные дрейфы и быстрые амплитудой до 1 угл. градуса скачки (микросаккады). Функции микродвижений глаза до настоящего момента изучены недостаточно. Нет однозначного общепринятого мнения о том, какой вклад вносят микродвижения в процесс зрительной обработки информации – являются ли они артефактами (или шумами), обусловленными биомеханикой глаза и работой подсистемы управления, или движениями, необходимыми для сенсорной и перцептивной обработки информации. Текущее состояние проблемы обусловлено отсутствием общепринятой комплексной модели движения глаз как функциональной динамической системы. Мы предполагаем, что микродвижения глаза, в частности дрейф и микросаккады, – не чисто случайный мешающий процесс, а процесс, обеспечивающий некую оптимальную динамическую траекторию для считывания и передачи информации о предъявляемой сцене. Параметры этого процесса могут определяться строением самого глаза, особенностями мышечного аппарата, многоуровневой системой управления движениями глаз, собственно когнитивной задачей и параметрами стимульной сцены. Целью данного исследовательского Проекта является построение функциональной динамической модели микродвижений глаз в процессе зрительного восприятия, основанной на выявлении связи параметров микродвижений с индивидуальными характеристиками наблюдателя, особенностями задачи и внешней стимуляции. В рамках Проекта предполагается разработка и апробация новых процедурных методов исследования микродвижений глаз в ситуациях естественной глазодвигательной активности и усовершенствование алгоритмов математической обработки данных айтрекинга на основе современных методов анализа нелинейных динамических систем с целью корректного выделения микросаккад и дрейфов, определения и описания их параметров. Результаты Проекта могут быть использованы при решении широкого круга задач, связанных с обработкой изображений и созданием систем технического зрения, а также в офтальмологии при создании современных методик коррекции и восстановления зрения.

The aim of the Project is to study the characteristics and functions of fixational eye movements in the process of visual perception. The development of contactless high-speed and high-precision technologies for recording eye movements, as well as the development of modern methods for computer analysis of tracks in recent decades have caused a significant increase in the number of studies of oculomotor activity and its relationship to human cognitive processes. Of particular interest here are fixational eye movements - an involuntary form of activity of the eye during the fixation at a certain object. The main processing of external stimulation by the visual system takes place when the eye fixates the goal. Fixational eye movements include low-amplitude high-frequency tremor, slow smooth ocular drifts and fast microsaccades with amplitude up to 1 arc. degrees. The functions of the fixational eye movements have not been sufficiently studied to date. There is no commonly accepted opinion about the contribution that fixational eye movements make to the visual processing - whether they are artifacts (or noises) caused by the biomechanics of the eye and the operation of the control subsystem, or movements are necessary for sensory and perceptual information processing. The up to date state of the problem is caused by the absence of a generally accepted complex eye movement model as a functional dynamic system. We assume that fixational eye movements, in particular drift and microsaccades, are not a purely random disturbing process, but a process that provides some optimal dynamic trajectory for acquiring and transmitting information about the scene being presented. The parameters of this process can be determined by the structure of the eye itself, the features of the oculomotor system, the multilevel control system of the eye movements, the cognitive task itself and the parameters of the stimulus scene. The purpose of this research Project is to construct a functional dynamic model of fixational eye movements during the process of visual perception, based on the relationship between the parameters of fixational eye movements and the individual characteristics of the observer, the characteristics of the cognitive task and external stimulation. It is also planned to develop and test new experimental methods for studying eye movements in situations of natural oculomotor activity and to improve the algorithms for mathematical processing of tracking data based on modern methods for analyzing nonlinear dynamic systems with the aim of correctly identifying microsaccades and drifts and determining and describing their parameters. The results of the Project can be used to work out a wide range of problems related to image processing and the creation of vision systems, as well as in ophthalmology in the creation of modern methods for correcting and restoring vision.

В результате выполнения Проекта предполагается построение функциональной динамической модели микродвижений глаз в процессе зрительного восприятия. Разрабатываемая в ходе проекта экспериментальная парадигма исследования в условиях естественной динамики глаза позволит получить новые более валидные данные, касающиеся характеристик микродвижений глаз и их участия в окуломоторном обеспечении познавательной активности. Усовершенствование математического алгоритма обработки данных айтрекинга, устойчивого к шумам аппаратуры и индивидуальным особенностям окуломоторной активности испытуемого, позволит создать программное приложение для анализа микродвижений глаз к существующим стационарным пакетам систем регистрации движений глаз. Стремительное развитие цифровых и информационных технологий делает все более доступными и распространенными методы бесконтактной диагностики и анализа психологического состояния человека. Очевидными сферами применения подобного рода систем являются диагностика в режиме реального времени функционального состояния, эмоционального состояния и уровня когнитивной загрузки человека-оператора; выявление сознательно скрываемой информации на основе анализа микродвижений глаза; медицинская диагностика функций мозга; разработка систем управления программными интерфейсами с помощью физиологической обратной связи. Планируемое в Проекте исследование относится к области понимания процессов, происходящих в обществе и природе, развития природоподобных технологий, человеко-машинных систем – одной из приоритетных задач, заявленных в Стратегии научно-технологического развития Российской Федерации. Результаты реализации Проекта могут быть успешно применены для решения целого ряда прикладных технических задач. Так, в последнее десятилетие активно разрабатываются алгоритмы обработки изображений, позволяющие синтезировать изображение высокого разрешения из набора изображений низкого разрешения или плохого качества, с искажениями. Особый интерес представляет ситуация, при которой источником изображений является передающая камера, размещенная на вибрирующем основании (например – аэрофотосъемка, фотографии, сделанные со спутника и т.п.). Уже известные методы позволяют успешно синтезировать изображения, разрешение которых превышает разрешающую способность передающей камеры. Как показывает анализ, зрительная система решает практически те же задачи, причем более эффективно, чем современные технические системы. Можно ожидать, что экспериментальное исследование и моделирование механизмов зрительного сверхразрешения совместно с анализом микродвижений глаз приведет к созданию новых алгоритмов обработки изображений и технического зрения, которые позволят более эффективно решать подобные задачи. Современная офтальмология достигла значительных успехов в решении проблем, связанных с коррекцией и протезированием зрения. Разработаны методы, позволяющие почти мгновенно настроить оптическую модель глаза для каждого конкретного пациента, и рассчитать параметры хирургической операции, улучшающей зрение. В то же время, все подобные модели рассматривают глаз как своего рода оптический прибор (“фотоаппарат”, согласно Г. Гельмгольцу). Между тем, модель глаза как сложной динамической системы, в которой микродвижения играют роль специфического блока обработки информации, а не мешающего фактора, может привести к пересмотру устоявшихся понятий и появлению новых подходов в офтальмологии. Практически все современные системы, предназначенные для создания изображений, наблюдаемых человеком оператором (от простого телевизора до танкового прицела), создаются на основе все той же модели “глаз как фотоаппарат”. Модель зрительной системы, учитывающая микродвижения, может привести к появлению новых подходов при создании таких устройств. В частности, можно будет оптимизировать полосу частот, которая необходима для передачи изображений, оптимизировать конструкцию микродисплеев, разработать более эффективные алгоритмы сжатия изображений и т.п.

Основу научного коллектива Проекта составляют специалисты лаборатории «Восприятие» факультета психологии МГУ имени М.В.Ломоносова. Основные направления работы коллектива связаны с моделированием процессов зрительного восприятия, исследованиями сенсорной и перцептивной функции, и во многом базируются на методах регистрации движений глаз. Значительная часть исследований проводится на современном высокоточном оборудовании для регистрации движения глаз, закупленном по Программе развития МГУ имени М.В.Ломоносова до 2020 г. на факультет психологии МГУ, в частности на установках SMI HiSpeed1250, RED500, а также SMI Eye Tracking Glasses. В последние несколько лет коллектив лаборатории успешно разрабатывает следующие научные направления, связанные с основной темой Проекта: - Разработка новых математических методов обработки больших массивов данных (в частности, метода фрактального анализа) применительно к анализу записей движений глаз. - Разработка методов выявления сознательного сокрытия информации с применением методики регистрации движений глаз. - Психофизические исследования эффекта сверхразрешения при видимом движении. На созданной в лаборатории оригинальной конструкции стимулятора с использованием сверхярких светодиодов впервые был измерен порог обнаружения видимого движения для двух точек со сверхмалыми угловыми размерами и временами предъявления. Было экспериментально показано, что видимое движение наблюдается при угловых смещениях меньших предела разрешения двух точек (Акимов, А. В. Гарусев, В. Е. Дубровский и др., 2016 и др.). Результаты исследований, проводимых сотрудниками лаборатории «Восприятие» представлены в многочисленных докладах на отечественных и международных конференциях (ECVP 2013-2018; ECEM 2013,2015,2017; Cogsci 2014,2016; IOP 2016, 2018, SPCN 2016 и др.), публикациях (Web of Science, Scopus, РИНЦ) и научных отчетах.