Ідентифікація око-рухової системи на основі моделі Bольтерри і технології айтрекінгу

Abstract

Дослідження рухів очей людини і траєкторії їх переміщення дозволяють розкрити структуру взаємин індивіда з середовищем, людини зі світом. Аналіз взаємозв'язку окуломоторики з центральною нервовою системою, з одного боку, з вмістом психічних процесів – з іншого, з різноманітними формами активності (поведінкою, діяльністю, спілкуванням) – з третьої, сприяє вивченню механізмів роботи мозку і їх порушення, виявлення динаміки психофізіологічних станів людини, закономірностей сприйняття, мислення, уявлень, диференціації інтенцій, намірів і установок особистості. Знання про рух очей мають велике теоретичне і прикладне значення, розширюючи можливості вивчення специфіки багатьох професій з метою підвищення ефективності функціонування суб'єкта трудової діяльності. Метою роботи є розробка інструментальних програмних засобів побудови непараметричної динамічної моделі око-рухової системи (ОРС) людини з урахуванням її інерційних і нелінійних властивостей на основі даних експериментальних досліджень «вхід-вихід» з використанням тестових візуальних стимулів та інноваційної технології айтрекінгу. Об’єкт дослідження – процес ідентифікації ОРС на основі даних відстеження руху очей – відгуків на зовнішні впливи у вигляді візуальних стимулів, що відображаються на екрані монітора (процес айтрекінгу). Предмет дослідження – інструментальні обчислювальні і програмні засоби побудови моделі Вольтерри ОРС у вигляді багатовимірних перехідних функцій на основі даних айтрекінгу. Розроблено в середовищі системи Matlab програмні засоби ідентифікації ОРС. Використовуються тестові візуальні стимули у вигляді яскравих точок, які послідовно відображаються на різних відстанях від стартової позиції, що формально відповідає різним амплітудам тестових ступінчатих сигналів. Визначаються перехідні функції 1-го, 2-го та 3-го порядків за допомогою методу найменших квадратів. Розроблені програмні засоби обробки даних айтрекінгу апробовано на реальних даних експериментального обстеження ОРС. Верифікація побудованої моделі підтверджує адекватність її досліджуваної ОРС – практичний збіг (в межах прийнятної похибки) відгуків ОРС і її моделі при одному і тому ж тестовому сигналі.

Исследование движений глаз человека и траектории их перемещения позволяют раскрыть структуру взаимоотношений индивида со средой, человека с миром. Анализ взаимосвязи окуломоторикы с центральной нервной системой, с одной стороны, с содержанием психических процессов - с другой, с различными формами активности (поведением, деятельностью, общением) - с третьей, способствует изучению механизмов работы мозга и их нарушения, выявленные динамики психофизиологических состояний человека, закономерностей восприятия, мышления, представлений, дифференциации интенций, намерений и установок личности. Знание о движении глаз имеют большое теоретическое и прикладное значение, расширяя возможности изучения специфики многих профессий с целью повышения эффективности функционирования субъекта трудовой деятельности. Целью работы является разработка инструментальных программных средств построения непараметрической динамической модели глазо-двигательной системы (ГДС) человека с учетом его инерционных и нелинейных свойств на основе данных экспериментальных исследований «вход-выход» с использованием тестовых визуальных стимулов и инновационной технологии айтрекинга. Объект исследования - процесс идентификации ГДС на основе данных отслеживания движения глаз - откликов на внешние воздействия в виде визуальных стимулов, отображаемых на экране монитора (процесс айтрекинга). Предмет исследования - инструментальные вычислительные и программные средства построения модели Вольтерры ГДС в виде многомерных переходных функций на основе данных айтрекинга. Разработано программное обеспечение идентификации ГДС с помощью средств системы Matlab. Используются тестовые визуальные стимулы в виде ярких точек, которые последовательно отображаются на различных расстояниях от стартовой позиции. Это формально соответствует различным амплитудам тестовых ступенчатых сигналов. Переходные функции 1-го, 2-го и 3-го порядков определяются с помощью метода наименьших квадратов. Разработанные программные средства обработки данных айтрегинга апробированы на реальных данных экспериментального исследования ГДС. Верификация построенной модели подтверждает адекватность ее исследуемой ГДС – практическое совпадение (в пределах приемлемой погрешности) откликов ГДС и ее модели при одном и том же тестовом сигнале.

The study of human eye movements and the trajectory of their movement allows us to reveal the structure of the relationship of an individual with the environment, a person with the world. Analysis of the relationship of oculomotoric of the Central nervous system, on the one hand, with the content of mental processes on the other, with various forms of activity (behavior, activity, communication) - with a third, promotes the study of brain mechanisms and their violations of the dynamics of psychophysiological state of man, the laws of perception, thinking, perceptions, differentiation of intentions, intentions and attitudes of the individual. Knowledge about eye movement is of great theoretical and applied importance, expanding the possibilities of studying the specifics of many professions in order to improve the efficiency of the subject of labor activity. The purpose of this work is to develop instrumental software tools for constructing a nonparametric dynamical model of the human eye-motor system (EMS), taking into account its inertial and nonlinear properties, based on data from experimental «input-output» studies using test visual stimulus and innovative eye-tracking technology. The object of the study is the process of identifіcation EMS based on eye-tracking data-responses to external influences in the form of visual stimulus displayed on the monitor screen (the eye-tracking process). The subject of the research is instrumental computing and software tools for building the Volterra model of the EMS in the form of multidimensional transition functions based on data from eye-tracking. Software for identification of the EMS using Matlab tools has been developed. Test visual stimulus in the form of bright points that are consistently displayed at different distances from the starting position are used. This formally corresponds to the different amplitudes of the step test signals. The transition functions of the 1st, 2nd, and 3rd orders are determined using the least squares method. The developed software tools for data processing of the eye-tracking are tested on real data from an experimental study of the EMS. Verification of the constructed model confirms the adequacy model of the investigated EMS – a practical coincidence (within an acceptable error) of the responses of the EMS and its model at the same test signal.