РОБОТОТЕХНИКА

ИНФОРМАЦИОННАЯ ЕМКОСТЬ ЧЕЛОВЕЧЕСКОГО ГЛАЗА

Представляет интерес рассмотреть требования к зрительным связям человека с точки зрения теории информации, поскольку это может способствовать составлению требований к зрительной системе робота.

В экспериментах, выполненных Ликлидером и др. [29], испы­туемым предлагалось по возможности быстро называть предъяв­ляемые им визуально объекты. Было обнаружено, что скорость поступления информации достигает величин порядка 30 бит/с. Если, однако, при ответе требовалось указывать рукой на соот­ветствующие объекты, то скорость падала до 15 бит/с. Если испы­туемым разрешалось отвечать одновременно рукой и голосом, то скорость, которой удавалось достигнуть, представляла сумму отдельно взятых скоростей, т. е. порядка 45 бит /с. Пирс и Карлин получили аналогичные результаты, когда задание состояло в чте­нии вслух односложных слов. Оказалось, что связный текст читается быстрее, чем список случайных слов [3].

Полагают, что около 1% от 1010 нейронов человеческого мозга полностью заняты в зрительных процессах, а 60% — частично. Хотя в ретине человеческого глаза имеется порядка 2-Ю8 рецеп­торов, они соединяются приблизительно с 2-Ю6 выходящих нерв­ных волокон. Возможно, однако, что число нервных волокон воз­растает по мере того, как они достигают коры головного мозга.

Якобсон [41 оценил максимальную способность человече­ского глаза передавать информацию величиной порядка 4,3 X X 106 бит/с. Эта величина было получена комбинированием изме­рений частоты слияния в целое мерцающего источника с данными, полученными из опытов по пределам остроты монокулярного зрения. Таким образом, средняя пропускная способность опти­ческого нервного волокна составляет приблизительно 5 бит/с. Келли оценил величину максимальной способности глаза пере­давать информацию в 10® бит/с при высоком уровне освещенности. Это больше, чем скорость передачи информации с телевизионного экрана, но меньше, чем с киноэкрана.

На зрение человека воздействует ряд факторов: форма, кон­трастность, яркость, освещенность фона, резкость края, время рассматривания. Чувствительность глаза зависит от цвета. Ма­ксимальная чувствительность достигается в зелено-голубом свете с длиной волны 5100 А. Цвет, равно как и детали формы, обна­руживается центральной, наиболее чувствительной, частью сет­чатки. Периферийные районы сетчатки реагируют только на силь­ные светотеневые контрасты. Таким образом, человеческий глаз способен различать тонкие детали только вблизи центра поля зрения и эта способность, известная как острота зрения, очень быстро ухудшается с увеличением угла зрения по отношению к области наилучшего видения. В целом можно сказать, что относительная острота зрения уменьшается на 50% при отклоне­нии всего лишь на 5° от центра, но эта величина определяется также и многими другими факторами, например контрастностью и временем рассматривания. Периферийные районы максимально чувствительны к более коротким длинам волн по сравнению с цен­тральной областью. Ограниченная чувствительность отдельных областей сетчатки, снабженных светочувствительными клетками, приводит к угловым ограничениям в способности распознать цвет при фиксированном положении глаза; причем эти ограничения различны в горизонтальной и вертикальной плоскостях. Эти ограничения можно представить в виде следующей таблицы:

Как и во всей нервной системе, сильное воздействие на работу зрительных органов оказывает нехватка кислорода, при­водящая к значительному уменьшению чувствительности глаза. При давлении, эквивалентном высоте в 6000 м, чувствительность уменьшается примерно в 10 раз.

Наименьшее приращение яркости, различаемое человеческим глазом, зависит от абсолютного уровня яркости:

Наименьшие детали изображения, обнаруживаемые при хоро­шем освещении, например в 180 кд/м2, соответствуют дуге в 0,5'.

Распределение клеток сетчатки человеческого глаза показано на рис. 10.1. Светочувствительные колбочки сосредоточены в центральной области.

10.2. НЕКОТОРЫЕ ДРУГИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ГЛАЗА

До тех пор пока не будут проведены дополнительные исследо­вания методов концентрации внимания на определенных объектах, находящихся в поле зрения, трудно ожидать введения средств автоматической фокусировки глаза робота. Технические трудности фокусировки сами по себе невелики. Задача состоит главным обра­зом в том, чтобы решить, на каком из множества объектов, нахо­дящихся перед глазами, следует сфокусироваться. Ясно, что в этот процесс должна быть включена обратная связь от сетчатки к «мышцам» линз, но на эту обратную связь некоторым образом воздействует и центральная нервная система.

С другой стороны, сервосистема, управляющая ирисовой диа­фрагмой [7, 9, 27], может быть легко осуществлена в роботе. Подобные устройства используются в киноаппаратах. Такой сервомеханизм уменьшит влияние изменений освещенности рас­сматриваемой сцены. Кроме того, при использовании наименьшей возможной апертуры глубина фокусирования возрастает и самому фокусированию можно уделить меньше внимания. Действительно, для начала весьма желательно применить в роботах линзы с ма­лым действующим отверстием. При условии достаточно яркого освещения использование такой линзы полностью исключит необ­ходимость автоматического фокусирования.

Неизвестно, однако, насколько тесно связаны между собой механизмы фокусировки и управления концентрацией внимания. Возможно, окажется желательным сохранить фокусирование по

причине его активной связи с механизмом, посредством которого глаз и мозг концентрируются на одном из объектов, находящихся в поле зрения.

Одно из преимуществ исключения любой формы управления диафрагмой у робота состоит в том, что при этом удается избежать колебаний в управляющей сервосистеме. Вполне возможно суще­ствование других, еще не обнаруженных функций управления радужной оболочкой, поскольку эффективное изменение площади зрачка, составляющее приблизительно 16 : 1, недостаточно для компенсации диапазона изменения яркости (порядка 105 : 1), в котором глаз способен успешно работать. Эти величины недавно приведены Грегори [2]. Однако по данным Вагмана и Натансона [61, относящимся еще к 1940 г., изменения площади зрачка со­ставляют лишь 5:1, между тем как изменения интенсивности света составляют по крайней мере 1 : 108. Они же полагали, что площадь зрачка линейно связана с логарифмом интенсивности света в диапазоне порядка 10s кд/м2, т. е. что закон Вебера - Фехнера выполняется в этой центральной части диапазона интен­сивностей, простирающейся приблизительно от 35 до 3,5 • 10“5 кд/м2.

Судя по работам, посвященным зрению роботов, выполненным в Астоне и других лабораториях, сетчатка глаза человека едва ли послужит в качестве непосредственной модели сетчатки глаза робота, ибо вследствие эволюции она представляет собой с инже­нерной точки зрения слабую конструкцию. Чувствительные фото­электрические клетки сетчатки располагаются в задней части глаза. Перед этими клетками и между ними и светом, попадающим в глаз, находятся разнообразные нервные клетки и нервные во­локна, которые несут информацию в мозг. Чтобы волокна могли подойти к мозгу, они должны выводиться, причем в одной точке, где-то в задней части глаза. Поскольку чувствительные фото­клетки не могут располагаться там, где волокна выводятся из глаза наружу, то в этой точке образуется слепое пятно глаза. Весь свет, достигающий чувствительных клеток, прежде чем попасть на чувствительную сетчатку, должен пройти через нерв­ные волокна и нервные клетки, что, конечно, приводит к значи­тельному ослаблению света вдоль пути движения.

Глаза робота не будут страдать от этих недостатков человече-_ ского глаза. Светочувствительные «клетки» будут обращены к свету, и не будет никакой необходимости в «слепом пятне».

Один из видов автоматического управления диафрагмой был использован в экспериментальной системе «Видеофон», где теле­видение сочеталось с обычной речевой связью по телефону. Диа­фрагма в этой системе регулирует действующее отверстие линзы в соответствии с изменениями падающего светового потока. Она управляется за счет усреднения видеосигнала, поступающего от трубки телекамеры. Диафрагма открыта полностью, когда освещенность падает приблизительно до 40 кд/м2, после чего вступает в работу схема автоматического управления коэффи-

циентом усиления видеоусилителя, хотя это и приводит к повыше­нию уровня шумов при уменьшении количества света. Преимуще­ство введения управления диафрагмой состоит в том, что глубина фокусирования увеличивается при высоком уровне освещенности, а диафрагма имеет малую апертуру.

Передаточная функция замкнутого контура управления радуж­ной оболочкой человеческого глаза была определена главным образом из таких экспериментов, где колебания вызывались эф­фективным увеличением коэффициента усиления системы за счет освещения края апертуры радужной оболочки малым световым пятном высокой интенсивности. Подобные эксперименты пока­зали, что эта передаточная функция может быть представлена как

exp (—Tdp) - jjrpf-fAk log /,

где Td — время задержки в нерве; Т — временная константа; А характеризует адаптационную способность, или свойство опе­режения по фазе, а /г log / — логарифмическую чувствительность к световому потоку /, падающему на сетчатку.

В нормальном состоянии контур устойчив; его коэффициент усиления составляет 0,015, а время задержки в контуре — 0,18 с.

Клайне [8] дал сложную зависимость для реакции зрачка и сопоставил предсказания, полученные математически, с дей­ствительной работой глаза. Хотя это и представляет интерес для биологии, едва ли стоит пытаться точно воспроизвести биологиче­скую реакцию в какой-либо робототехнической системе, так что упомянутая сложная зависимость в дальнейшем рассматриваться не будет.