MĒNEŠA PĒTĪJUMS 3D bez brillēm – Fizikas, matemātikas un optometrijas fakultāte pēta cilvēku redzi darbā ar volumetrisko ekrānu

Efektīvās sadarbības projekta pamatā ir sadarbības veicināšana starp LU zinātniekiem un komersantiem, lai nodrošinātu tautsaimniecībā pieprasītu pētniecības un attīstības uzdevumu kvalitatīvu risinājumu, kas ietver pētniecības rezultātu nodošanu zināšanu un tehnoloģiju pārneses veidā. Šāda veida sadarbība gan pasaulē, gan Latvijā kļūst aizvien pieprasītāka, jo neļauj zinātnei kļūt izolētai no sabiedrībā aktuālām vajadzībām un caur efektīvās sadarbības partneri nodrošina mērķtiecīgi virzītu zinātnisko pētījumu rezultātu praktisko pielietojamību. Pirmais LU Efektīvās sadarbības projekts top sadarbībā starp FMOF jaunajiem un topošajiem pētniekiem (FMOF doktorantiem un bakalauriem) un SIA “LightSpace Technologies”, kas kopīgi pievēršas redzes funkciju un redzes uztveres atbilžu analīzei, testējot inovāciju trīsdimensionālo (3D) attēlošanas tehnoloģijas jomā – Latvijā izstrādātu volumetrisku ekrānu.

Panākumu atslēga ir sadarbībā

Jauno tehnoloģiju attīstība un pieprasījums pēc tām šobrīd aug ļoti strauji, palielinās arī kopējais lietotāju skaits un cilvēku vecuma diapazons, kas vēlas savā ikdienā izmantot tehnoloģiju sniegtās priekšrocības. No ražotāju puses tas ir milzīgs tehnoloģiju industrijas bizness, kura produkta izstrādes posmā nemaz tik bieži neparādās posmi, kas ietvertu zinātniskus pētījumus par topošās iekārtas vai tehnoloģijas ietekmi uz lietotāja veselību. Kvalitatīva trīsdimensionāla attēla nepieciešamība lēmumu pieņemšanā profesijas līmenī sastopama tādās jomās kā drošība (cilvēku seju atpazīšana, kravu un bagāžas analīze), medicīna (operāciju vizualizācijas iespējas; rentgena, datortomogrāfijas attēlu diagnostikas precizitātes uzlabošana), būvniecība, lietišķais dizains un multiplikācijas animācija. Daudzās jomās, kurās ar divdimensionālu attēlu nevar iegūt pilnvērtīgu informāciju par ainas telpiskumu, aktuāla problēma kļūst trešās dimensijas jeb attēla dziļuma atveide, kas ļauj vizualizēt un uztvert objektus un ainas, pielīdzinot reālajiem apstākļiem. Latvijas uzņēmums SIA “LightSpace Technologies” jau vairākus gadus strādā pie 3D attēlošanas tehnoloģijas volumetriskā ekrāna izveides un pilnveidošanas. Izstrādātā tehnoloģija ir konkurētspējīga pasaules līmenī un kā vienu no ceļiem, kā pārspēt citus jauno tehnoloģiju radītājus, savā ceļā no produkta izstrādes līdz lietotājam SIA “LightSpace Technologies” vēlas redzēt pārbaudītu un drošu ekrānu cilvēka acīm. Latvijā redzes procesus gan no fizikālās un bioloģiskās, gan neiroloģiskās un kognitīvās puses pēta FMOF Optometrijas un redzes zinātnes nodaļā. Pirms diviem gadiem SIA “LightSpace Technologies” vērsās pie nodaļas vadītājas, profesores Guntas Krūmiņas ar sadarbības projekta piedāvājumu. Uzņēmums bija motivēts iegūt zinātniski pamatotus rezultātus un pierādījumus par cilvēka telpiskās uztveres un redzes funkcijas darbību, strādājot ar volumetrisko ekrānu. Aktuālie jautājumi bija – vai uzlabojas cilvēka atbildes sniegšanas laiks, aplūkojot reālus, telpiskus attēlotus objektus, un vai attēlotais objekts palīdz cilvēkam pieņemt lēmumu par dziļuma dimensiju un, cik ērti no redzes komforta ir lietot šādu tehnoloģiju ekrānus. Tādējādi Optometrijas un redzes zinātnes nodaļa ir iesaistījusies šo jautājumu pētniecībā un, sadarbojoties ar uzņēmuma programmētājiem un inženieriem, realizē pirmo LU efektīvās sadarbības projektu. Projekta galvenie izpildītāji ir nodaļas jaunie pētnieki (FMOF doktoranti un bakalauri), kuri izstrādā un aprobē redzes sistēmas efektivitātes novērtēšanas metodes, lai sniegtu ieguldījumu 3D attēlošanas tehnoloģiju pilnveidošanā.

3D redzes uztvere

Dziļuma informācijas analīze ir balstīta uz okulomotorām un redzes norādēm. Katra acs saņem nedaudz atšķirīgu objekta attēlu. Lai trīsdimensionāls attēls būtu veiksmīgi uztverts, centrālai nervu sistēmai jānodrošina informācijas nosūtīšana no abām acīm uz redzes garozu un citām binokulāro attēlu analizējošām smadzeņu struktūrām, kur notiek šīs informācijas analīze un savietošana jeb sapludināšana, lai iegūtu vienu attēlu. Cilvēka smadzenēs saņemtā redzes informācija tiek apstrādāta un tiek izrēķināts objektu attālums, savstarpējais novietojums, dziļums un forma, salīdzinot ar apkārtējo vidi. Rezultātā iegūtā dziļuma sajūta saucas stereopse. Ja binokulārā redzes sistēma darbojas, tad cilvēkam nav grūtību spriest par attēla dziļumu dabīgos apstākļos. Bet situācija būtiski mainās, kad attēla dziļumu cenšas nodrošināt ar tehnoloģiju palīdzību, kuras mākslīgi simulē telpisku attēla izveidi un uztveri. LightSpace Technologies izstrādātais volumetriskais ekrāns sastāv no 20 šķidrā kristāla plaknēm, kas ļauj atveidot attēlu reālā dziļumā. Šīs plaknes spēj pārslēgties starp caurspīdīgu un izkliedējošu stāvokli, un brīdī, kad tiek projicēts attēls, visas plaknes ir caurspīdīgas, izņemot vienu, uz kuras šis attēls tiek projicēts. Teorētiski tiek uzskatīts, ka pārslēgšanās starp attēliem notiek tik ātri, ka redzes sistēma nepamana attēla atjaunošanos un uztver to, kā vienoto telpisku attēlu, bet eksperimentāli nav noteikts, kā tas ietekmē redzes funkcijas un uztveres īpatnības. Viens no pirmajiem pētījuma uzdevumiem bija novērtēt redzes sistēmas spēju uztvert un atšķirt informāciju uz dažādām ekrāna plaknēm un noteikt acs fokusēšanās sistēmas (akomodācijas) saspringuma līmeni pirms un pēc darba ar volumetrisko ekrānu. Pirmie rezultāti parādīja, ka tuvā skatīšanās attālumā relatīvā dziļuma noteikšana ir precīza dažādām plaknēm, bet var mainīties atkarībā no stimulu savstarpējā attāluma. Turklāt akomodācijas atbilde bija stabila un neliecināja par pārlieku lielu redzes saspringumu pēc ilgstošas darbības ar ekrānu. Metodikas būtība un zinātniskā darba rezultāti ir prezentēti vairākās starptautiskās konferencēs (OSA Imaging and Applied Optics Congress, SPIE Optics+Photonics, World Congress on Medical Physics & Biomedical Engineering, SPIE Structured Light, Developments in Optics and Communications), kā arī publicēti rakstā (“Visual search effieciency depending on spatial layout of stimuli in volumetric image”). Šobrīd turpinās darbs pie izstrādātās metodikas testēšanas dažāda vecuma cilvēkiem un tās pielāgošanas cita veida ekrāniem.

Izaicinājums 3D attēlu vizualizācijā – kāpēc ar esošām tehnoloģijām neiztikt?

Ikdienā pielietotie divdimensionāli ekrāni atveido plakanus attēlus, kuros trūkst kvalitatīvas informācijas par dziļumu. Savukārt 3D simulāciju ekrāni, uz kuriem cilvēks skatās ar speciālām brillēm, rada nogurumu cilvēkas redzes sitēmai, jo tie nav dabīgi apstākļi. Tas ir fundamentāls ierobežojums, kas ievērojami ietekmē uztveri un attēla novērtēšanu ne tikai ikdienā, bet arī profesionāliem lietotājiem. Dažādu jomu darbinieki veic ilgstošu, monotonu, saspringtu redzes uzdevumu uz digitāla ekrāna nelielā skatīšanās attālumā un vērtē trīsdimensionālo informācijas vizualizāciju. Pašlaik eksistē dažādas tehnoloģijas un metodes, kas nodrošina attēlu dziļumu un telpiskumu. Medicīnā tiek plaši izmantotas attēlu kopas, kas sastāv no aptuveni 1000 attēliem un lietotājs var pārvietoties attēla dziļumā turp un atpakaļ, pārvietojot peli. Rezultātā speciālistiem jāizskata katrs attēls atsevišķi un jāiegaumē ievērojams redzes informācijas daudzums, kas palielina kognitīvo slodzi un kļūdīšanās varbūtību. Izmantojot volumetrisko ekrānu, meklēšanas laiks būtu ieekonomēts, tāpēc ka nav jāiegaumē katra attēla informācija, bet var redzēt dziļumā visu informāciju vienlaikus un precizēt to, skatoties uz ekrānu no neliela leņķa jeb mazliet pakustinot galvu un acis. Ņemot vērā projektā iegūtos rezultātus par dziļuma noteikšanas precizitāti uz volumetriskā ekrāna, otrajā aktivitātē tika izstrādāts redzes uzdevums, lai pētītu vizuālās meklēšanas efektivitāti un stratēģijas īpatnības attēlu kopu izskatīšanai uz vairākām ekrāna plaknēm. Topošajā zinātniskajā rakstā tiks atspoguļotas svarīgākās atradnes. Piemēram, pieaugot informācijas apjomam un objekta sarežģītībai cilvēks ilgāk veic uzdevumu, taču uz volumetriskā ekrāna attēlu aplūkošanas laiks būtiski samazinās salīdzinot ar attēlu kopu aplūkošanu uz parastiem ekrāniem. Cita alternatīva divdimensionālu attēlu kopām ir stereoekrāns, kur dziļums tiek nodrošināts, parādot atšķirīgus attēlus abām acīm un izmantojot speciālās brilles ar filtriem. Stereopses dēļ cilvēks spēj savienot abus attēlus, taču tas rada acs fokusēšanas (akomodācijas) sistēmas un acu savērsuma (konverģences) sistēmas kopdarbības disbalansu attiecīgajā skatīšanās attālumā, izraisa acu nogurumu un var pat radīt nopietnus redzes traucējumus. Turklāt jāatzīmē, ka šai metodei ir noteikti ierobežojumi, lai cilvēks justos labi, ilgstoši skatoties uz tādiem ekrāniem, jo primāri šī tehnoloģija viegli panesama tikai skatoties tālumā.

3D bez brillēm un redzes diskomforta – mīts vai neatņemama nākotnes sastāvdaļa?

Attīstoties mūsdienu tehnoloģijām, rodas jaunas iespējas nodrošināt attēla trešo dimensiju. Piemēram, objekta attēla uztvere no volumetriskā ekrāna ir salīdzināma ar reālu objektu dabisko skatīšanu. Turklāt daudzu plakņu izmantošana volumetriskajā ekrānā ir inovācija, kas paver jaunas iespējas kvalitatīvai objektu vizualizācijai. "Pateicoties atsaucīgajai Latvijas Universitātes Optometrijas un redzes zinātnes nodaļai, prof. Guntas Krūmiņas vadībā, Lightspace Technologies var īstenot iepriekš nepieejamus pētījumus. Nodaļā strādājošie speciālisti līdz šim ir nodrošinājuši augstas kvalitātes pētījumus, kas uzņēmumam palīdz pārbaudīt tehnoloģijas, kuras izstrādājam," atzīmē LightSpace Technologies vadošais inženieris Krišs Osmanis, pozitīvi vērtējot uzsākto sadarbību. Turpinās darbs arī pie ekrāna tehnisko parametru uzlabošanas, kur svarīga loma ir fizikas un matemātikas zināšanu pielietojumam.

Virzienā no zinātnes uz praktisko pielietojumu

Pētījums rit pilnā sparā un drīzumā projekta izstrādātās metodikas tiks izmantotas, lai noteiktu redzes uztveres un funkciju īpatnības medicīnas speciālistiem un studentiem. Ārzemju pētījumi liecina, ka speciālistiem, kuru ikdienas darbs ir saistīts ar vizuālo meklēšanu, ir novērojamas nozīmīgas atšķirības vizuālās meklēšanas procesos, bet nav zināms, vai arī attēliem uz daudzplakņu ekrāna būs novērojami līdzīgi rezultāti. Tādēļ tiek cerēts uz Latvijas profesionāļu un studentu atsaucību, jo tikai eksperimentāli nosakot redzes uztveres un funkciju atbildi, būs iespēja pārliecināties par volumetriskā ekrāna pielietojuma iespējām un veikt nepieciešamos pilnveidojumus. Uzlabojoties cilvēka redzes veselībai un komfortam, vai to neapgrūtinot un nenoslogojot, ikvienā jomā, kurā lietos 3D informācijas attēlošanas tehnoloģijas, darba efektivitāte var palielināties, lietojot redzes sistēmai draudzīgu tehnoloģiju. Objektu atpazīšanas laikam samazinoties pat par 10%, tiek būtiski uzlabota pakalpojumu sniegšanas efektivitāte – mazināsies rindas un sastrēgumi drošības pārbaudes zonās, muitās; ārstiem uzstādot diagnozi, samazināsies attēlu aplūkošanas laiks un mazāk noguris speciālists pieļaus mazāk kļūdu, un tas kopumā sekmēs dzīves kvalitātes uzlabošanu. Projektu īsteno LU profesore Gunta Krūmiņa, zinātniskās asistentes, doktorantes Tatjana Pladere un Karola Panke, bakalaura studiju programmas studentes Marina Seļezņova un Vita Konošonoka, SIA “LightSpace Technologies”. Pētījumu atbalsta LU un SIA „LightSpace Technologies” (ESP projekts "3D volumetriskais ekrāns un redzes sistēmas funkcionalitāte"), kā arī projektu atbalsta mecenāta SIA “Mikrotīkls” ziedojums projektam “Redzes ergonomikas pētījumu vides attīstība”, ko administrē LU fonds.