Ilość receptorów występujących w narządach zmysłu człowieka:

advertisement
2013-01-23
Model system wzrokowego
człowieka
Modelowanie systemu wzrokowego
Wykład nr 15 z kursu
Biocybernetyki
dla Inżynierii Biomedycznej
prowadzonego przez
Prof. Ryszarda Tadeusiewicza
Wzorzec dla wszelkich sztucznych
systemów wizyjnych
Ilość receptorów występujących
w narządach zmysłu człowieka:
Ponad 70% wszystkich informacji
ze świata zewnętrznego
pozyskiwanych jest
przez człowieka
za pomocą narządu wzroku
- wzrok zawiera ich ok. 2,5·108,
- węch – 4·107,
- dotyk – 2,5·106,
- smak – 1·106,
- słuch – 2,5·104
Naturalne przetwarzanie obrazu
WPROWADZENIE
Akwizycja
obrazu
Każdy człowiek w czasie rzeczywistym dokonuje czynności przetwarzania
i rozpoznawani obrazów.
*
Czynności te nasz mózg wykonuje w sposób bardzo szybki i naturalny.
Przetwarzanie
wstępne
Segmentacja
Lokalizacja
obiektów
PROCES ANALIZY
Wyznaczenie
cech
*
Umiejętności pozyskiwania informacji za pomocą wzroku uczymy się we
wczesnym okresie niemowlęcym i doskonalimy ja przez całe życie.
Wydaje się więc ona czymś naturalnym i oczywistym.
*
Prawdziwą złożoność procesu widzenia, ujawnia dopiero próba stworzenia jego
sztucznego odpowiednika
Pamięć
Decyzja
1
2013-01-23
Ogólna budowa
Struktur narządu wzroku
Budowa gałki ocznej
Zmysł wzroku zapewnia zdolność
układu nerwowego do odbierania
bodźców świetlnych i przetwarzania
ich w mózgu na wrażenia
wzrokowe.
*
Anatomiczną postacią tego zmysłu
jest narząd wzroku, który składa się
z:
• gałki ocznej,
• aparatu ochronnego i
ruchowego oka,
• połączeń nerwowych siatkówki
oka ze strukturami mózgu.
Schemat ukrwienia błony naczyniowej oka
Mechaniczny opis gałki ocznej
2
2013-01-23
Modelowanie odkształceń gałki ocznej
Deformacje gałki ocznej
w czasie akomodacji
Choroby oka
Choroby wykrywane na
podstawie badania oka
Schemat unerwienia oka
Droga wzrokowa
3
2013-01-23
System wzrokowy jest tak
zorganizowany, że najdokładniej
odwzorowywane są w mózgu
elementy związane z centralnym
fragmentem pola widzenia
Pierwszym, który podał prawidłowy
(w tamtych czasach w dużej mierze hipotetyczny)
schemat systemu wzrokowego - był Kartezjusz
Trochę o fizyce widzenia
Światło – pasmo długości fali
WPROWADZENIE
Światło widzialne
WPROWADZENIE
400
Radiofonia
Fale długie
105
Mikrofale
Telewizja
1
Ultrafiolet
Podczerwień
< Długość fali >
700 [ nm ]
Promienie gamma
Promienie X
Światło widzialne (tzw. okno optyczne)
10-13 [m]
Jak widać światło widzialne zajmuje bardzo wąska szczelinę długości spośród
fal elektromagnetycznych.
*
Informacją, którą odbiera i analizuje wzrok, jest światło - czyli promieniowanie
elektromagnetyczne o odpowiedniej długości fali.
*
Falami elektromagnetycznymi nazywamy fale poprzeczne, będące drganiami pól
magnetycznych i elektrycznych. Mają one szeroki zakres długości (10-16 – 105 m) i
częstotliwości (103 – 1024 Hz) oraz mogą rozchodzić się we wszystkich ośrodkach,
nie wyłączając próżni.
Fale elektromagnetyczne niosą ze sobą pewna energie, która dana jest wzorem:
E =hν
Jest to Energia promieniowania elektromagnetycznego niesiona przez jeden
kwant fali elektromagnetycznej o częstości ν, h – stała Plancka.
4
2013-01-23
Proces widzenia zapoczątkowują
procesy fotochemiczne
zachodzące w światłoczułych
receptorach: pręcikach i czopkach
Zasadniczym związkiem chemicznym,
który w tym uczestniczy, jest
rodopsyna
Pręciki i czopki wyścielają dno gałki ocznej
Widok z mikroskopu skaningowego
Liczba czopków wrażliwych na różne
barwy jest silnie zróżnicowana
5
2013-01-23
Obraz plamki żółtej w tomografie OCT
(Optical Coherence Tomography)
Obrazy
siatkówki
ze starczym
obrzękiem
Rozkład gęstości czopków
OCT
zdrowej
siatkówki
Odklejenie
siatkówki
Kluczową rolę w rejestracji
bodźców świetlnych odgrywają
szczytowe części fotoreceptorów
6
2013-01-23
Widoki
z mikroskopu
elektronowego
Oko człowieka rejestruje obrazy barwne, ponieważ
posiadamy trzy rodzaje receptorów (czopków),
które selektywnie odbierają światło o różnej
długości fali
Czułość spektralna fotoreceptorów
Charakterystyki wrażliwości spektralnej trzech
typów czopków
Modelowy obraz siatkówki oka
z wyróżnionymi trzema rodzajami
czopków oraz z pręcikami, które
są na barwy niewrażliwe
Wrażliwość czopków i pręcików
na określone długości fal
Wrażenie barwy zależy nie tylko od
pigmentu pokrywającego
powierzchnię obiektu
7
2013-01-23
Obrazy barwne tworzone są jako
złożenie (superpozycja) trzech (przy
wyświetlaniu) oraz czterech (przy
drukowaniu) barw podstawowych.
Wszystkie metody wytwarzania barwnego wrażenia
zmysłowego wywodzą się z teorii widzenia barw
zapoczątkowanej jeszcze przez Newtona
Składowymi podstawowymi przy wyświetlaniu są komponenty RGB:
Red, Green, Blue
Z nich tworzy się dowolne wrażenia barwne dodając składowe świetlne o
wybranej długości fali, stąd taki sposób tworzenia barw nazywa się addytywnym.
Składowymi podstawowymi przy drukowaniu są komponenty CMYK:
Cyan, Magenta, Yellow, blacK
Z nich tworzy się dowolne wrażenia barwne usuwając (przez pochłaniający
światło pigment) z padającego światła białego składowe świetlne o wybranej
długości fali, stąd taki sposób tworzenia barw nazywa się substrakcyjnym.
Praktycznym zastosowaniem teorii
Newtona jest koło barw
Każda barwa jest
scharakteryzowa
na przez 3
wielkości:
odcień,
nasycenie
i jasność.
Kolory na okręgu
są w pełni
nasycone, a barwy
powstałe z
mieszaniny barw
okręgu nie są w
pełni nasycone.
Obecnie stosowany jest tak zwany
CIE 1931 Chromaticity Diagram
Jeśli jedną barwę oznaczy
się literą A, a drugą
literą B, to
mieszanina C
znajduje się
zawsze na
odcinku AB.
W środku
koła znajduje
się charakterystyczny
„punkt bieli”, odpowiadający
czystej barwie białej.
Obszar podkowy ograniczony przez trójkąt RGB
jest obszarem kolorów które można wygenerować
przy użyciu 3 kolorów podstawowych RGB.
Porównanie modeli barw
Części podkowy które znajdują
się poza tym obszarem nie da
się wygenerować z tych
kolorów podstawowych!
RGB
CMY
YIQ
HSV
HSI
CIELab
YUV
CIELuv
8
2013-01-23
Oko człowieka
schemat uproszczony
WPROWADZENIE
Budowa oka – oko a kamera
Pod względem optycznym oko można przyrównać do kamery
fotograficznej z następującymi elementami:
Oko jest z punktu widzenia optyki raczej marną
kamerą, ale połączone z mózgiem jest absolutnie
najdoskonalszym analizatorem obrazu
Do naprowadzania oka na właściwy
przedmiot służą mięśnie okoruchowe

siatkówką spełniającą role warstwy światłoczułej i zmieniającej
impuls EM na sygnał elektryczny.

soczewką oczną i rogówką, które stanowią układ
odwzorowujący – obiektyw wraz ze źrenicą, która kontroluje
ilość światła docierającego do siatkówki –
układ zmienno - ogniskowy ).
Mięśnie zewnętrzne gałki ocznej
Układ mięśni sterujących ruchem oka jest
najdokładniej kontrolowanym fragmentem
systemu ruchowego człowieka
9
2013-01-23
Mięśnie okoruchowe i dźwigacz powieki
górnej widziane od strony skroniowej
Schemat mechaniczny mięśni
sterujących gałką oczną
Elektronystagmografia
Śledzące ruchy gałek ocznych są
bardzo ważne dla percepcji wzrokowej
Elektronystagmografia
Badanie przy pomocy kamer
umieszczonych w specjalnych goglach
10
2013-01-23
System pozwalający analizować
ruchy gałek ocznych („Ober 2”)
Kompletna aparatura do śledzenia ruchu
oka
Lewy okular
LYO1
LYN1
Prawy okular
LYN2
RXN1
RXO1
Diody nadawcze
Detektory
RXO2
RXN2
LYO2
Zasada działania systemu
śledzenia ruchów oka
System pomiarowy OBER2
Promieniowanie nadane
(IRT)
N1
Promieniowanie tła
(IRA)
O1
O2
Promieniowanie odebrane
(IRR)
N2
Para odbiorników
Para nadajników
Podczas pomiaru stosuje się jako wymuszenie
impulsy podczerwieni, żeby uniezależnić wynik
pomiaru od zmian promieniowania tła
Prawidłowa pozycja gogli
pomiarowych względem oka
NIRTmax
Natężenie
strumienia
NIRT
NIRR
NIRA0P
NIRA0
NIRT Wł
NIRT Wy
A
D
NIRA
C
B
NIRR0P
tp
Pomiar tła
Pomiar
Czas
11
2013-01-23
Przykładowe ruchy oczu
trajektoria ruchu oka lewego i prawego
podczas kalibracji
0
F ik s a c ja
100
P
S akada
200
300
C z a s [m s ]
Lewe oko
400
P ra w e o k o
500
600
700
Wizualizacja trajektorii ruchu gałek ocznych
w postaci ścieżki wzrokowej i mapy termicznej
Obserwacja bardziej złożonego
obrazu
-6
-5
-4
-3
-2
W z g le d n a p o z y c ja o k a [ d e g ]
-1
0
Prosta obserwacja obrazu
0
Koniec poprzedniej linii
A
Lewe oko
Prawe oko
500
C
B
Nieudane szukanie początku następnej linii
D
1000
Czas [ms]
Czytanie wyraz po wyrazie
1500
2000
E
Szukanie następnej linii
2500
-10
-8
-6
-4
-2
0
2
Wzgledna pozycja oka [deg]
4
6
12
2013-01-23
Ruch oczu podczas płynnego
czytania
reading skills assessment
vehicles queue counting
web page scanning strategy
Oculomotoric habits and visual tasks
Automatic eyetrack processing
Ruch oka z nawrotami podczas czytania,
sygnalizujący trudności ze zrozumieniem
celowo zakłóconego tekstu
Eyetracking method
The observer equipped
with eyetracker goggles
is asked for the
interpretation of the CSE
database originated ECG
traces of known features
Experimental results
SCANPATH ANALYSIS
STUDENT EXAMPLE
13
2013-01-23
Experimental results
SCANPATH ANALYSIS
Experimental results
STUDENT EXAMPLE
SCANPATH ANALYSIS
EXPERT EXAMPLE
Result: 
Experimental results
SCANPATH ANALYSIS
Experimental results
EXPERT EXAMPLE
PERCEPTUAL STRATEGY
STUDENT EXAMPLE
Result: 
Experimental results
PERCEPTUAL STRATEGY
STUDENT EXAMPLE
Experimental results
PERCEPTUAL STRATEGY
STUDENT EXAMPLE
14
2013-01-23
Experimental results
PERCEPTUAL STRATEGY
STUDENT EXAMPLE
Experimental results
PERCEPTUAL STRATEGY
STUDENT EXAMPLE
Experimental results
PERCEPTUAL STRATEGY
STUDENT EXAMPLE
Experimental results
PERCEPTUAL STRATEGY
STUDENT EXAMPLE
Experimental results
PERCEPTUAL STRATEGY
STUDENT EXAMPLE
Experimental results
PERCEPTUAL STRATEGY
STUDENT EXAMPLE
15
2013-01-23
Experimental results
PERCEPTUAL STRATEGY
Experimental results
STUDENT EXAMPLE
PERCEPTUAL STRATEGY
EXPERT EXAMPLE
Result: 
Experimental results
PERCEPTUAL STRATEGY
EXPERT EXAMPLE
Experimental results
PERCEPTUAL STRATEGY
EXPERT EXAMPLE
Experimental results
PERCEPTUAL STRATEGY
EXPERT EXAMPLE
Experimental results
PERCEPTUAL STRATEGY
EXPERT EXAMPLE
16
2013-01-23
Śledzenie ruchu gałek ocznych
jako sygnał diagnostyczny
Experimental results
500
PERCEPTUAL STRATEGY
EXPERT EXAMPLE
osoba chora
osoba zdrowa młoda
osoaba zdrowa starsza
wzorzec
480
460
440
420
400
380
360
340
320
Result: 
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Oko – widzenie ostre
WPROWADZENIE
Układ skupiający promienie świetlne stanowią:
•
•
•
•
300
Właściwości optyczne gałki ocznej
rogówka,
ciecz wodnista,
soczewka,
ciało szkliste.
Elementy te działają tak, aby na siatkówce pojawiał się ostry obraz
obserwowanego przedmiotu i dawał jak najostrzejsze wrażenie wzrokowe.
*
Soczewka ma możliwość zmiany swojego kształtu, a co za tym idzie
mocy optycznej. Pozwala to na ogniskowanie na siatkówce przedmiotów
znajdujących się w różnych odległościach od oka. Zdolność tę nazywamy
akomodacją.
Najważniejszym składnikiem gałki
ocznej jest siatkówka
Siatkówka powstaje jako
wypączkowany w okresie
embrionalnym fragment
kory mózgowej!
17
2013-01-23
Oko – pasmo widzialne
WPROWADZENIE
Spośród całego pasma fali elektromagnetycznych padających
na oko, własności fizyko – chemiczne rogówki, czopków i
pręcików pozwalają odbierać tylko ich część. Odbieramy
zatem tylko światło, z zakresu okna optycznego.
WPROWADZENIE
Światło po przejściu przez soczewkę oczną pada siatkówkę,
w której w jednej z trzech warstw, znajduje się zespół sensorów:

czopków –

pręcików – wysoka czułość, przeznaczone do widzenia nocnego,
które jest widzeniem peryferyjnym, występują poza
dołkiem środkowym, brak czułości na barwę.
czułość względna
1.0
Widzenie jasne – przy
świetle dziennym – fotonowe
Widzenie ciemne – w
nocy – skotopowe
Budowa oka – sensory
niska czułość, służą do obserwacji przy świetle
dziennym, największe zagęszczenie w okolicy dołka
środkowego, wyróżniamy 3 typy czopków
odpowiadających za widzenie barwne RGB.
0
400
500
600
700
długość fali [nm]
Wykres czułości widmowej oka.
Zdjęcie z mikroskopu elektronowego pokazujące
przekrój przez warstwę pręcików i czopków
w siatkówce małpy
WPROWADZENIE
Budowa układu wizualnego człowieka
Pozostałe dwie warstwy składają się z neuronów przewodzących
bodźce wzrokowe.
Schemat ulokowania siatkówki
(powiększonej) w gałce ocznej
Obraz dna oka
*
Na siatkówce znajduje się plamka żółta, będąca miejscem o największym
skupieniu czopków. Z tego powodu cechuje ją największa wrażliwość na
barwy i światło.
*
Nieco niżej znajduje się plamka ślepa - miejsce pozbawione komórek
światłoczułych i dlatego niewrażliwe na światło. Jest miejscem zbiegu
nerwów łączących komórki światłoczułe z nerwem wzrokowym.
*
Obszar siatkówki to około 1000 mm2 i jest na niej skupione około 100
Milionów sensorów.
18
2013-01-23
Proces widzenia
WPROWADZENIE
Światło wpadające do oka biegnie przez rogówkę, komorę przednią oka,
soczewkę i ciało szkliste. Swą podróż kończy na siatkówce, wywołując
wrażenie wzrokowe, które następnie za pośrednictwem nerwów łączących
się w nerw wzrokowy jest przekazywane do mózgu.
*
Widzenie wywoływane jest dzięki fotonom, które padając na siatkówkę, a
dokładniej na zawarte w niej sensory, powodując tym rozpad pigmentów
światłoczułych. Następuje zmiana potencjału całej komórki, a następnie
wysłanie, poprzez związane z nią włókno nerwowe, impulsu elektrycznego
do mózgu. Po chwili pigment rekombinuje i komórka znowu gotowa jest
do detekcji fotonu.
Siatkówka zbudowana jest
z komórek receptorowych
oraz komórek nerwowych,
przetwarzających od razu na
miejscu informacje wizyjne.
Wyróżnia się cztery rodzaje komórek
nerwowych o różnym przeznaczeniu
Budowa
siatkówki oka
człowieka
(historyczna rycina
Raymondo y Cayala)
Główne elementy oka
Współczesny schemat budowy
siatkówki
Światło
19
2013-01-23
Wśród komórek nerwowych sygnalizujących
do mózgu stan komórek receptorowych oka
wyróżnia się komórki wrażliwe na włączenie
i na wyłączenie światła
Typowy jest też efekt hamowania obocznego:
neurony są pobudzane przez centrum swojego
„pola widzenia” i hamowane przez jego otoczenie
-
+
+
Receptory typu „on”
Receptory typu „off”
Seria takich komórek może sygnalizować
obecność linii o określonym nachyleniu
-
Bywają też efekty
odwrotne:
hamowania
centralnego
i pobudzania
obocznego
Powoduje to charakterystyczną
zmienność reakcji oka
(odpowiednio „on” lub „off”)
przy powiększaniu wielkości
plamki świetlnej rzutowanej na
siatkówkę
Sąsiednie komórki nerwowe siatkówki oka
mają „pod opieką” sąsiednie i częściowo
nakładające się pola widzenia
Procesy elektryczne w siatkówce psa
Pola receptorowe
poszczególnych
neuronów
wysyłających
sygnały do nerwu
wzrokowego
(zasada hamowań
obocznych)
20
2013-01-23
Pole receptorowe o charakterystyce
zależnej od położenia i od czasu
Pole receptorowe wykrywające
ruch w określonym kierunku
Wyjście nerwu wzrokowego z gałki ocznej
Sposoby protezowania narządu wzroku
Sposoby protezowania narządu wzroku - cd
Sposoby protezowania narządu wzroku – cd1
21
2013-01-23
Sposób pobudzenia nerwowych
elementów siatkówki przez elektrody
Realizacja sposobu
elektrycznego
drażnienia siatkówki
na podstawie
obrazu świetlnego
Obraz całości systemu wzrokowego
Skrzyżowanie
nerwów
wzrokowych
i podział pola
widzenia
Uproszczona budowa drogi wzrokowej
biegnącej od oka do mózgu
Nieliniowe
skalowanie
pola widzenia
22
2013-01-23
Schematyczny obraz systemu
wzrokowego
Ogólny schemat systemu wizyjnego
Budowa i funkcjonowanie
ciała kolankowatego bocznego
Biegunowy układ współrzędnych na siatkówce
i jego reprezentacja w korze wzrokowej byka
Przestrzenna rekonstrukcja reprezentacji
pola widzenia w mózgu pokazuje, jak bardzo
„faworyzowana” jest plamka żółta (fovea)
Mapa kory wzrokowej małpy
23
2013-01-23
Mapa kory wzrokowej człowieka
Mikroskopowa budowa kory wzrokowej
wskazuje na jej dużą regularność
W korze mózgowej można zidentyfikować
komórki sygnalizujące określone położenie
lub określony kierunek ruchu bodźca
Są też w korze mózgowej komórki, które sygnalizują linię
o określonym nachyleniu niezależnie od tego,
w jakim rejonie pola widzenia się pojawi
Mapa obszarów w korze wzrokowej
wykrywających linie o różnych
nachyleniach dla prawego i lewego oka
Mapę taką można przedstawić w bardziej
atrakcyjnej formie
24
2013-01-23
Efekt reagowania przez komórki tylko na
obiekt poruszający się w określonym kierunku
oraz schemat takiego pola recepcyjnego
Aktywność kory
wzrokowej w trakcie
normalnej percepcji
bodźców wizualnych
Przejmowanie funkcji śledzenia bodźca
od jednej grupy komórek do drugiej
Działanie pola receptorowego
wrażliwego na kierunek ruchu
Komórki
w mózgu mogą
się interesować
bodźcem
o dowolnej
wielkości, albo
mogą być
wrażliwe tylko
na bodźce nie
za małe i nie za
duże
Można w mózgu wykryć komórki, które
reagują na określoną scenę tylko wtedy,
gdy jest ona widziana obuocznie
25
2013-01-23
Rozmieszczenie komórek reagujących na różne
właściwości bodźców wzrokowych na powierzchni kory
Kolekcja jednorodnych tematycznie wzorców zebranych
w polach percepcyjnych kory wzrokowej
Kolekcja różnorodnych tematycznie wzorców zebranych
w polach percepcyjnych kory wzrokowej
Dla potrzeb budowy wiarygodnych
modeli systemów biomedycznych
konieczne jest zbieranie danych,
więc to zastosowanie komputerów
w inżynierii biomedycznej
koresponduje z zastosowaniem
ich do analizy i przetwarzania
sygnałów biomedycznych
26
Download
Random flashcards
ALICJA

4 Cards oauth2_google_3d22cb2e-d639-45de-a1f9-1584cfd7eea2

Create flashcards