Вы находитесь на сайте журнала "Вопросы психологии" в девятнадцатилетнем ресурсе (1980-1998 гг.).  Заглавная страница ресурса... 

159

 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДИКИ И АППАРАТУРА

 

АППАРАТУРНЫЙ КОМПЛЕКС ДЛЯ ПСИХОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИЙ ЗРИТЕЛЬНОГО ВОСПРИЯТИЯ

 

А.И. НАЗАРОВ

 

Для современных психофизических исследований зрительного восприятия характерно применение сложных и разнообразных стимулов: это могут быть точечные матрицы, геометрические фигуры, пространственные решетки, символический и буквенно-цифровой материал и т.д. Техническая реализации соответствующих экспериментов невозможна без использования специальной электронной аппаратуры, а в ряде случаев — и ЭВМ В связи с этим возникает задача наиболее полного, рационального, экономного и эффективного использования технических средств в практике психофизических экспериментов. Одним из необходимых условий ее решения является создание типовых аппаратурных комплексов, способных оперативно изменять свою архитектуру в соответствии с требованиями конкретного эксперимента. В данной статье описывается вариант такого комплекса, созданного в проблемной лаборатории восприятия на факультете психологии МГУ и работающего без существенных перестроек уже на протяжении 5 лет. В том виде, в каком он изображен на блок-схеме (рисунок), комплекс позволяет управлять различными параметрами тонового изображения. Для генерирования стимулов иного типа (контурного, точечного и силуэтного) можно использовать те же технические средства, изменив, если необходимо, их количество и межблочные связи.

Экспозиция зрительных стимулов осуществляется на экране дисплея, имеющего электроннолучевую трубку (ЭЛТ) с электростатическим отклонением луча и «быстрым» фосфорным покрытием (Р-4), два усилителя постоянного тока (входы «X» и «Y») с полосой пропускания 5 МГц, усилитель для яркостной модуляции (вход Z) с полосой пропускания 0÷20 МГц, систему динамической фокусировки луча и управление его гашением логическими сигналами ТТЛ-уровня (вход Z'). Разрешающая способность экрана ЭЛТ хуже 3 линий/мм, размер экрана по диагонали — 47 см.

Зрительный стимул создается путем подачи напряжений на входы X и Y дисплея. Эти напряжения вырабатываются формирователем растра, состоящего из двух генераторов — низкочастотного (НЧ) и высокочастотного (ВЧ). Генератор НЧ формирует пилообразный сигнал в диапазоне 0,1 —10 кГц. Конкретное значение частоты выбирается в зависимости от задач эксперимента и определяет минимальную единицу дискретизации временного параметра. Например, если выход НЧ имеет частоту 1 кГц, то минимальная длительность экспозиции стимула равна 1 мс и может увеличиваться с таким же шагом, при частоте 100 Гц этот минимум равен 10 мс и т.д.

Пилообразный сигнал состоит из двух частей: 1) линейно изменяющегося во времени напряжения (прямой ход) и 2) быстрого возврата этого напряжения к исходному уровню (обратный ход), Обычно экспозиция стимула осуществляется только в течение прямого хода, который занимает подавляющую часть времени одного цикла дискретизации; за это время луч на экране дисплея равномерно и непрерывно перемещается на некоторое расстояние, пропорциональное величине отклоняющего напряжения. Во время обратного хода луч возвращается в исходное положение, но одновременно с этим происходит его гашение специальным импульсом, вырабатываемым генератором НЧ и подаваемым на вход Z' дисплея. В нашем случае этот импульс (С) подается на дисплей через логическую матрицу, поскольку гашение изображения может происходить не только во время обратного хода луча.

Генератор ВЧ формирует треугольный сигнал, частота которого должна быть во много раз больше НЧ: соотношение этих двух частот определяет количество «строк» (N) в растре, т.е. изображение прямоугольной плоскости, которое получается на экране дисплея при одновременной подаче отклоняющих НЧ и ВЧ напряжений на входы X и Y. Опять-таки конкретное значение ВЧ определяют в зависимости от требований эксперимента. Например, для получения однородного по яркости растра размером 15Х 15 см при НЧ=1 кГц величина ВЧ должна быть не менее 1 МГц; тогда в случае треугольного сигнала N=2 (ВЧ:НЧ) = 2000 строк, что намного превосходит разрешающую способность экрана и поэтому полностью исключает возможность различения на нем какой-либо строчной текстуры.

В некоторых экспериментах по восприятию движения или стимулов, стабилизированных относительно сетчатки, необходимо перемещать растр по экрану. Такая возможность обеспечивается путем подачи управляющих напряжений на входы X и Y формирователя. Закон изменения этих напряжений будет определять закон перемещения растра. Если на входы X и Y подать электрические сигналы о движениях глаз наблюдателя, меняя знаки и коэффициенты их усиления, то легко создать в эксперименте различные условия манипулирования обратной связью в системе стимул-сетчатка.

Специальный интерес представляют эксперименты

 

160

 

с поворотом или вращением растра вокруг его центра. Эта возможность реализуется соответствующим устройством, на входы которого подаются напряжения НЧ и ВЧ. Устройство вращения (УВ) осуществляет преобразование координат следующего вида:

 

X=Bcosβ+Asinβ,

Y=BsinβAcosβ,

 

где X и Y — выходные сигналы УВ, А и В — входные сигналы УВ, соответствующие НЧ и ВЧ, β — угол поворота растра. Последний задается в виде электрического напряжения либо экспериментатором вручную, либо внешними устройствами (квадратурным генератором или ЭВМ). Входы X и Y блока УВ, так же как и аналогичные входы формирователя растра1, служат для перемещения последнего в плоскости экрана. Таким образом можно совмещать движение растра с его поворотом.

 

 

Рис. Блок-схема аппаратурного комплекса

Сплошные линии — каналы передачи аналоговых сигналов, пунктир — каналы передачи дискретных(логических) сигналов. Остальные объяснения в тексте.

 

 

161

 

Управление временным режимом экспозиции растра (его включением и выключением) осуществляется путем подачи прямоугольных импульсов требуемой длительности и скважности на логический вход дисплея, соединенный с соответствующим выходом логической матрицы. Аналоговый вход Z дисплея служит для управления яркостью растра по любому закону, воспроизводимому на выходе суммирующего усилителя. Управление экспозицией по входу Z' необходимо, в частности, в исследованиях критической частоты слияния мельканий, а управление по входу Z — в исследованиях дифференциальной чувствительности (как статической, так и динамической).

Прямоугольный растр с однородной яркостью представляет собой простейший стимул. Более сложные изображения получаются путем быстрой модуляции яркости луча по входу Z, синхронизированной с одной (обычно НЧ) или двумя (НЧ и ВЧ) составляющими растра. Например, если во время каждого прямого хода пилообразного сигнала (НЧ) подавать на вход Z синусоидальный сигнал такой частоты, чтобы на 1 цикл НЧ приходилось 10 периодов синусоиды, то на экране дисплея будет наблюдаться изображение, неоднородное по яркости вдоль горизонтальной оси X (поскольку сигнал НЧ подается на вход X дисплея), но одинаковое по яркости вдоль вертикальной оси Y. При этом закон изменения яркости по горизонтали также будет синусоидальным. Наблюдаемое изображение, таким образом, будет иметь вид вертикальной решетки с плавными периодически повторяющимися переходами светлой полосы в темную, и наоборот, с числом периодов, равным 10. Еще более сложные пространственные распределения яркости на экране дисплея получаются путем взвешенного сложения нескольких синхронизированных синусоид, формируемых генераторами функций (ГФ). Каждый из четырех ГФ помимо входа внешней синхронизации (пунктир) имеет вход управления частотой от внешних источников сигналов и ручное управление фазой выходного (синусоидального, пилообразного или треугольного) сигнала. Весовые коэффициенты для каждой из четырех функций устанавливаются экспериментатором вручную с помощью линейных многооборотных потенциометров с дисковой шкалой отсчета в пределах 0÷100% от полного размаха сигнала на выходе ГФ. Эти потенциометры расположены на лицевой панели сумматора, выполненного по типовой схеме инвертирующего сложения на базе операционного усилителя К2ЖА521. Умножение суммарного сигнала на —1, что требуется при контрфазной временной модуляции изображения на экране и вообще в случаях необходимости обращения контраста, осуществляется с помощью другого такого же операционного усилителя, соединенного последовательно с первым. Управление знаком контраста производится через вход φ сумматора, к которому подключены аналоговые ключи К143КТ1. Электронное управление фазой суммарного сигнала и квантование напряжений, поступающих на входы сумматора с помощью ключей K1÷K4, позволяют даже во время одного экспериментального сеанса получать множеством комбинаций стимульных изображений. В недавней работе описывается вариант стробоскопической экспозиции пространственных решеток [1]. Дополнительные примеры будут приведены ниже.

Особый интерес представляет возможность электронного управления размером или пространственным положением тонового изображения в пределах растра, образующего однородный по яркости фон. Такие условия необходимы, в частности, для исключения эффектов, вызванных реадаптацией вновь стимулируемых участков сетчатки к измененным уровням средней яркости (например, при движении светлого растра по темному фону экрана). Указанная возможность реализуется путем квантования выходного сигнала сумматора ключом К7, управляемым логическим выходом блока компараторов. Замыкание ключа К7 происходит в различные моменты времени, когда напряжения НЧ или ВЧ достигнут некоторого эталонного уровня, устанавливаемого по входам X и Y, либо экспериментатором, либо внешними источниками сигналов. А так как при прочих равных условиях каждому уровню напряжений НЧ и ВЧ соответствуют определенные пространственные положения в координатах экрана ЭЛТ, то, задавая различные значения X и Y, можно «вписывать» тоновое изображение (фигуру) в различные участки растра (фон).

Выходной сигнал сумматора определяет форму распределения яркости по горизонтали экрана. Одним из важнейших параметров этого распределения является его амплитуда, от которой зависит величина контраста изображения на экране дисплея. Наиболее гибкое управление контрастом, приспособленное к различным психофизическим методикам, достигается с помощью аналого-цифровых и цифро-аналоговых преобразователей (АЦП и ЦАП). Выходной сигнал сумматора подается через ключ К7 на аналоговый (опорный) вход умножающего ЦАП2 а цифровые входы последнего соединяются с соответствующими выходами АЦП Амплитуда сигнала на выходе ЦАП1, повторяющего по форме входной аналоговый сигнал, в конечном счете определяется числом 2n, где n — количество цифровых разрядов ЦАП'а или АЦП (для психофизических измерений n≥10) В свою очередь, состояние цифровых выходов АЦП зависит от величины аналогового напряжения на его входе, которое поступает через коммутирующие ключи K8÷K10 и многооборотные потенциометры Rи и Rэ от источника опорного напряжения (ИОН) Если контраст регулируется испытуемым (путем вращения Rн, как, например, в психофизическом методе установки), то замыкается ключ К8, а Кэ и К10 разомкнуты. Если контраст задается экспериментатором (путем установки Rэ, как, например, в методе контрастных стимулов), то замыкается только один из ключей К9 или К10. Подавая на ключи К810 управляющие сигналы от блока компараторов через логическую матрицу, можно применять другие психофизические методы — вынужденного выбора или подравнивания. Контроль напряжений, устанавливаемых на Rи или Rэ, производится с помощью цифрового вольтметра ЦВ, имеющего не менее 4 десятичных разрядов.

Для реализации более сложных временных функций амплитудной модуляции контраста используется второй ЦАП2 Его аналоговый вход соединен с выходом ЦАП1, а цифровое управление

 

162

 

осуществляется синтезатором временной функции f(t), синхронизируемым импульсами обратного хода горизонтальной (НЧ) развертки. В нашем случае использовался синтезатор синусоиды, описанный в [2]. Управление частотой f(t) осуществляется делителем тактовой частоты (÷). Аналоговое напряжение с выхода ЦАП2 поступает на вход дисплея через суммирующий усилитель, в котором он складывается с корригирующим сигналом, вырабатываемым в контуре отрицательной обратной связи. Этот контур состоит из чувствительного фотодиода Д (например, ФД-11), мягко прикрепленного к экрану дисплея; усилителя У с коэффициентом усиления > 20; сравнивающего элемента (кружок с зачерненным сектором) на опорный вход которого подается напряжение установки U, определяющее требуемый уровень средней яркости экрана. Применение контура обратной связи позволяет значительно повысить стабильность средней яркости на протяжении даже многочасового эксперимента. Для развязки фотодиода и модулированного по яркости изображения на экране дисплея с помощью одного из компараторов осуществляется временное вырезание выходного сигнала сумматора; на месте образующейся полосы с однородной яркостью (обычно у правой границы растра) и устанавливается фотодиод.

Управление временным режимом работы подсистем комплекса осуществляется с помощью логической матрицы, программируемых счетчиков импульсов Сч1-3 и ЭВМ. Основное назначение логической матрицы сводится к выработке команд для элементов коммутации аналоговых сигналов (ключей K1 — К10), импульсов запуска генераторов функций ГФ1 — ГФ4, и АЦП и импульсов гашения изображения, подаваемых на вход Z' дисплея. Она представляет собой наборное поле из 20 двухвходовых логических элементов НЕ—ИЛИ и 5 триггеров j—к (серии К155) с выведенными на лицевую панель информационными входами и выходами. Связи между элементами матрицы устанавливаются экспериментатором в зависимости от требуемых условий экспозиции стимулов в конкретном опыте. Организация стандартных связей может быть передана ЭВМ.

Данный комплекс создан из разных приборов, удовлетворяющих описанным выше условиям их работы. В нашей лаборатории использовался следующий набор: дисплей типа НР-1310 (США), АЦП типа Ф4222, ЦАП — К572АП1А с операционным усилителем К2ЖА521, генераторы функций типа НР-3310В (США), программируемые счетчики Ф5007, аналоговые ключи К143КТ1, делитель частоты — Ф5093, остальные блоки — самодельные (описание некоторых из них готовится к печати).

 

1. Назаров А. И. Стробоскопическая экспозиция пространственных решеток.  — Вопр. психол. 1980. № 6. С. 135—138.

2. Пузанов А. В. Генератор инфранизкой частоты. — Приборы и техника эксперимента. 1981. № 5. С. 117—119.

 

Поступила в редакцию 28.III 1984 г.



1 В зависимости от условий эксперимента сигналы X и Y подаются либо на устройство вращения, либо на формирователь растра, если первое не используется.