автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.05, диссертация на тему: Устройства для измерения критической частоты световых мельканий с использованием линейно-точечного источника света
Автореферат диссертации по теме "Устройства для измерения критической частоты световых мельканий с использованием линейно-точечного источника света"
На правах рукописи
РОЖЕНЦОВ Валерий Витальевич
УСТРОЙСТВА ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ КРИТИЧЕСКОЙ ЧАСТОТЫ СВЕТОВЫХ МЕЛЬКАНИЙ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ЛИНЕЙНО-ТОЧЕЧНОГО ИСТОЧНИКА СВЕТА
Специальность: 05.13.05 - Элементы и устройства вычислительной техники и систем управления
диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Диссертация выполнена на кафедре проектирования и производства
электронно-вычислительных технического университета
средств Марийского государственного
Заслуженный деятель науки и техники РТ, доктор технических наук, профессор, член-корреспондент АН РТ Песошин В. А.
Заслуженный изобретатель РСФСР, Заслуженный деятель науки и техники РТ, доктор технических наук, профессор Ференец В. А.
Заслуженный деятель науки и техники РТ, доктор технических наук, профессор Белавин В. А.
НПО «Медфизприбор», г. Казань
Защита состоится « 1999 г. в часов
на заседании диссертационного совета К.063.43.05 при Казанском государственном техническом университете им. А. Н. Туполева в зале заседаний ученого Совета по адресу: 420111, г. Казань, ул. К. Маркса, д. 10.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Казанского государственного технического университета им. А. Н. Туполева.
Автореферат разослан « » 1999
Ученый секретарь диссертационного совета
к.т.н., доцент / Козлов В. А.
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРНО I ИКА РА [ЮТЫ
Актуальность проблемы. Все большее значение и последнее время приобретает наука о здоровье - валеологня, означающая переход о: лечения болезнен к сохранению и постановлению здоровья. Пока опелем здоровья служит определенный уровень функционального состояния (ФСД организма, являющийся характеристикой его резервных возможностей и качества их регулирования. Актуальность изучения ФС определяется тем, что его оценка связана не только с работоспособностью человека, но и с такими физиологическими понятиями, как утомление, переутомление и восстановление организма.
Известны многочисленные работы в области диагностики ФС, а также значительное количество патентов и авторских свидетельств, что говорит о большом интересе к этой проблеме. Решению задач определения ФС посвящены работы ученых Баевского Р. М., Берсеневой А. П., Будченко Л. Л.. Гаркав» Л. X., Годика М. А.. Горнпспского В 15.. I раевской Н. Д.. Гржимайло 1-. М.. Данько Ю. И.. Дембо А. 1".. Дибнер Р. Д . Забелина С. I".. Ивановского Ь. А.. Игнатьева В. Р. Иорданской'IX А.. К'арпмана В. Д.. Красновой А. Ф., Крячко И. А.. Кузнецовой Т. 11.. Лес-гафгаИ.Ф.. Логунова С. П., Мот ыллнской Р. Н., Мошкова В. П.. Муравьева А. В., Протасова А. И.. Семашко II. А.. Ступниикого Ю. А.. Фа-лалеева А. Г. и многих других.
В отечественной и зарубежной литературе рассматриваемся большое число методов определения ФС и утомления человека, ею отдельных систем, однако недостаточно изучены процессы врабатывания, адаптации к нагрузке с учетом индивидуальных особенносчей конкретного организма, отсутствует простой и наглядный инструментальный метод принятия решения о моменте наступления утомления и переутомления. Актуальна проблема метода интегральной оценки ФС, простого в использовании и комфортного для исследуемого.
Анализ литературных источников показал, что таким меюдом является метод критической частот!,I световых мельканий (КЧСМ), т. е. частоты световых мельканий (СМ) в секунду, при которой наступает слияние СМ и зрительный анализатор воспринимает источник сведшимся непрерывно. Экспериментально установлена зависимость значения КЧСМ от различных факторов, но не исследовано влияние этих факторов на точность измерений КЧСМ.
В связи с выбором для определения ФС метода КЧСМ актуальной остается и разработка устройств вычислительной техники (ВТ) для измерения КЧСМ, обеспечивающих необходимую точность и достоверность измерений.
Цель работы. Целью диссертационной работы является создание устройств для измерения КЧСМ, обеспечивающих повышение точности и достоверность измерений, разработка метода определения уровня ФС организма человека и степени его утомления по динамике КЧСМ.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
- выполнить анализ существующих методов определения ФС;
- разработать модель зрительной функции КЧСМ;
- разработать метод определения ФС человека и степени его утомления по динамике КЧСМ;
- разработать устройства для измерения КЧСМ, обеспечивающие повышение точности и достоверность измерений;
- разработать методику измерения КЧСМ;
- разработать аппаратно-програмные средства ВТ для автоматизации определения ФС человека и степени его утомления.
Методы исследований. Для решения поставленных задач использован аппарат теории случайных процессов, теории автоматического регулирования, а также методы алгоритмизации и математического программирования.
Научная новизна работы заключается в следующем:
- предложена модель зрительной функции КЧСМ как низкочастотной фильтрации световых мельканий. Моделью служит идеальный фильтр низких частот (ФНЧ), отображающий низкочастотный случайный процесс (СП);
- разработан метод определения ФС человека и степени его утомления, параметром, характеризующим ФС, предложен интервал корреляции (ИК), вычисляемый по значению КЧСМ, уровень ФС человека и степень его утомления определяются по результатам анализа фазовой траектории (ФТ), отображающей динамику КЧСМ;
- исследовано влияние способа предъявления СМ на точность измерений КЧСМ;
- исследовано влияние методики измерения на точность измерений КЧСМ, рассмотрены причины погрешностей измерений, выполненных по методике, принятой в клинической практике, а также различными исследователями по известным методикам;
- на основе анализа теоретических и экспериментальных исследований разработана методика измерения КЧСМ, использующая метод последовательного приближения.
Г] раки! ческ ая не 1 щ о сть работы:
- разработаны и внедрены опытные экземпляры устройств ВТ для измерения КЧСМ - индикаторы ИКЧСМ-1, ИКЧСМ-1М. ИКЧСМ-2. ИКЧСМ-2М, ИКЧСМ-3, ИКЧСМ-4 и ИКЧСМ-5. обеспечивающие повышение точности и достоверность измерений. Практическая цепносп» разработок подтверждена пятью а. с. СССР и одним патентом РФ. Индикаторы используются в Марийском государственном техническом университете и в Марийском государственном педагогическом институте им. Н. К. Крупской для определения ФС спортсменов и степени их утомления в процессе тренировок;
- разработан и внедрен опытный экземпляр аппаратно-программных средств ВТ, позволяющий автоматизировать определение ФС и степени утомления организма человека, наглядно отобразить в виде ФТ динамики КЧСМ на фазовой плоскости процессы врабатывання, адаптации к нагрузке с учетом индивидуальных особенностей конкретного организма и принять решения о моменте наступления у томления и перехода от состояния утмления к состоянию переутомления:
- результаты проведенных исследований использованы при выполнении договора № 136 о научно-техническом содружестве, заключенном между кафедрами «Техническая кибернетика» и «Физическое воспитание» Марийского поли технического института имени М. Горького, действовавшем с 1 ноября 1988 г-, по 31 декабря 1990 т.. договора о научно-техническом содружестве, заключенном между Марийским государственным техническим университетом и Марийским государственным педагогическим институтом им. Н. К. Крупской, действующем с 10 июня 1996 г. по настоящее время;
-результаты проведенных исследований используются и учебном процессе специальности 220500 «Конструирование и 1ехнология электронно-вычислительных средств» кафедрой «Проектирование и производство электронно-вычислительных средств» Марийского государственного технического университета при проведении занятий по дисциплине СД-13 «Учебная научно-исследовательская работа студентов». в учебном процессе специальности 022300 «Физическая культура и спорт» кафедрами «Спортивные дисциплины» и «Теоретические основы физического воспитания» Марийского государственного педатотческого института им. Н. К. Крупской при проведении занятии по дисциплинам ПР.04 «Педагогическое физкультурно-спортивное совершенствование» и ПР.05 «Биомеханика и спортивная метрология».
Использование материалов диссертационной работы при выполнении договоров и в учебном процессе подтверждается актами о внедрении.
На защиту выносятся:
- модель зрительной функции КЧСМ;
- метод определения уровня ФС человека и степени его утомления, основанный на построении и анализе ФТ;
- структура устройств ВТ для измерения КЧСМ, обеспечивающих повышение точности и достоверность измерений;
-методика измерения КЧСМ, использующая метод последовательного приближения.
Апробация работы. Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технической конференции «Биомедицинское и экологическое приборостроение: наука, промышленность, рынок» (г. Рязань, 1992 г.), всероссийской методической конференции по проблемам современного бадминтона (г. Йошкар-Ола, 1993 г.), российской межвузовской методической конференции «Вопросы физического воспитания студенческой молодежи» (г. Йошкар-Ола, 1993 г.), научно-практической конференции «Совершенствование системы подготовки специалистов физической культуры и спорта» (г. Калининград, 1995 г.), республиканской научно-методической конференции, посвященной 100-летию радио «Прикладные исследования в электронике и новые технологии в обучении студентов» (г. Йошкар-Ола, 1996 г.), всероссийской конференции «Цифровая обработка многомерных сигналов» (г. Йошкар-Ола, 1996 г.), а также на ежегодных научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава Марийского государственного технического университета (1998 - 1999 гг.).
Публикации. Основное содержание диссертационной работы опубликовано в 21 работе, включая 5 а. с. СССР и 1 патент РФ.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа изложена на 148 страницах машинописного текста, содержит 25 рисунков и 2 таблицы, состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы из 185 наименований и приложения на 21 странице.
КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируются цель и задачи исследования, перечислены положения, выносимые на защиту, приведена структура диссертации.
Первая глава диссертационной работы содержит обзор методов определения ФС и утомления организма человека.
Неизбежным следствием деятельности человека является утомление. Необходимость контроля ФС вызвана тем, что при несоответствии нагрузок ФС и индивидуальным особенностям конкретного человека появляется переутомление, ухудшаются защитные механизмы, возможно появление различных пред- и патологических состояний.
Сопоставлены возможности и проанализированы недостатки используемых методов определения ФС и утомления человека. Для диагностики отдельных систем организма человека используется комплекс методов определения их состояния, в качестве интегральной оценки ФС человека используются КЧСМ, время сенсомоторной реакции, температура и электропроводность кожи и другие параметры.
Показан ряд преимуществ метода КЧСМ, что позволяет сделать вывод о целесообразности его использования как метода экспресс-диагностики. Из анализа литературных источников следует, что значение КЧСМ помимо утомления зависит от множества Й1 параметров, характеризующих предъявляемый световой раздражитель, множества психо-физиологических параметров, характеризующих состояние организма человека, и множества П3 параметров, характеризующих среду, в которой находится человек, причем множество находится в некоторой зависимости от множества В целом множества параметров в каждом конкретном случае образуют случайную совокупность, поэтому определение ФС человека по значению КЧСМ является статистической задачей.
Во второй главе предложена модель зрительной функции КЧСМ, рассмотрена процедура определения ФС и утомления человека методами спектрального и корреляционного анализа, предложен метод определения ФС и степени утомления по динамике КЧСМ, рассмотрены составляющие погрешности измерений КЧСМ, представлены структуры устройств ВТ, разработанных для измерения КЧСМ.
Предложенная модель основана на представлении зрительной функции КЧСМ, как низкочастотной фильтрации световых мельканий. Это позволяет в качестве модели выбрать идеальный ФНЧ с изменяющейся частотой среза, отображающий низкочастотный СП, при этом значение КЧСМ интерпретируется как частота среза ФНЧ.
Рассмотрена процедура определения ФС и утомления человека методом спектрального анализа, моделью зависимости КЧСМ от влияющих факторов является система с несколькими входами и одним выходом, как показано на рис. 1.
Рис. 1. Модель зависимости КЧСМ от влияющих факторов
Система состоит из q линейных подсистем с параметрами, задаваемыми частотными характеристиками Hj(f), i = 1, 2, . , q, на входы подсистем поступают наблюдаемые входные процессы Xj(t), которые преобразуются в один наблюдаемый выходной процесс y(t). В ненаблюдаемый шум n(t) включены все отклонения от идеальной модели, в том числе ненаблюдаемые входные процессы, нелинейные и нестационарные эффекты. Вклад исследуемого фактора в значение КЧСМ определяется через функцию когерентности (ФК). В случае, когда n(t) не коррелирован ни с одним из Xj(t) и входные процессы попарно не коррелированны, ФК для входного процесса'xj(t), i = 1, 2, . , q и выходного процесса y(t) находится по спектральным плотностям по формуле
и удовлетворяет неравенствам 0 < у?у (f) < 1.
' Отмечено, что метод спектрального анализа имеет существенные недостатки, связанные с появлением ложных спектральных составляющих в процессе дискретизации, размыванием спектральных составляющих, паразитной амплитудной модуляцией спектра, необходимостью больших 'вычислительных процедур V' сложностью получения эффективных оценок. , " *
Рассмотрена процедура определения* ФС человека методом корреляционного анализа, который предпочтителен при исследовании статистических связей между последовательными значениями наблюдаемых процессов, когда один из факторов зависит не только от данного второго, но и от ряда других меняющихся условий, среди которых могут быть общие для них обоих, что характерно для определения ФС и утомления методом КЧСМ. ' 1 " - :
Для характеристики связи исследуемых факторов и ФС человека применимы корреляционные функции (КФ) и коэффициенты корреляции (КК). Несмещенные оценки КФ rio выборочным данным при сдвигах г = О, 1. ш, m < N, находятся по формуле
где N - число отсчетов, Аг - интервал выборки.
Оценка КК вычисляется по выборочной оценке КФ:
Рчу0'ДО = г = О, 1. , т ,
непосредственно по выборочным данным определяется по формуле
ХХх1 -х)(У| -у) Ех;у;-Ыху
¿(X; - х)2 ¿(у. - у)2 ^¿х2-Кх2)(£у2-;Ку2) : ¡=1 ¡=1 У'=1 1=1
При исследовании СП, каким является изменение ФС человека, удобны параметры, характеризующие их общие, интегральные свойства. Таким параметром является ИК, который исходя из принятой модели зрительной функции КЧСМ определяется простым вычислением но формуле
где Рс - частота среза ФНЧ, равная значению КЧСМ.
Предложенный метод определения ФС и степени утомления человека по динамике КЧСМ основан на использовании ФТ. В рассматриваемом методе каждая точка на фазовой плоскости несет следующую информацию:
- абсолютное значение КЧСМ в данный момент отображается значением координаты по оси X;
- скорость изменения КЧСМ отображается координатой по оси У;
- если скорость изменения положительна - точка находится над осью X, если отрицательна - под осью X.
В предложенном в диссертационной работе подходе процедура определения времени врабатывания, характера адаптации к нагрузке конкретного организма, принятия решения о моменте наступления утомления и переутомления заключается в анализе ФТ и определении момента изменения ее направления на фазовой плоскости.
Анализ составляющих погрешности измерения КЧСМ показал, что наибольший вклад в погрешность вносят погрешность метода и методики измерений, а также субъективные погрешности проводящего измерения исследователя и испытуемого. Погрешность методики измерений и меры по ее уменьшению рассмотрены в главе 3. Для уменьшения субъективной погрешности проводящего измерения исследователя
и испытуемого предусмотрен ряд мер, в частности, предварительное обучение испытуемого перед измерениями. Известно, что организм человека является сложной динамической системой, поэтому для получения объективной оценки необходимо сокращать время измерений. Это позволяет также уменьшить субъективные погрешности испытуемого, уменьшить утомление его зрительных анализаторов и за счет этого уменьшить случайную составляющую погрешности измерений.
Рассмотрены характеристики и принцип работы известных устройств для измерения КЧСМ. Частота СМ в устройствах регулируется вручную или автоматически, плавно или дискретно.
При разработке устойств для измерения КЧСМ автором использованы известные способы: кварцевая стабилизация частоты, цифровая обработка результатов измерений, сокращение времени измерений. Развитие способов позволило получить новые технические решения, обеспечивающие достижение поставленной цели.
В результате экспериментов установлено, что случайная составляющая погрешности измерений уменьшается при использовании линейно-точечного источника света (ЛТИС), состоящего из линейно расположенных точечных источников, с поочередным проблеском каждого точечного источника по сравнению с одиночным источником света, что использовано во всех разработанных устройствах.
Структурная схема индикатора ИКЧСМ-1, защищенного а. с. СССР 1627130, представлена на рис. 2. Индикатор содержит генератор 1 импульсов длительностью 1 с, пульт 2 управления, табло 3 индикации, содержащее ЛТИС и цифровые индикаторы КЧСМ, генератор 4 частоты СМ и схему 5 счета частоты СМ.
Рис. 2. Структурная схема индикатора ИКЧСМ-1
Индикатор работает следующим образом. При включении питания генератор 1 вырабатывает импульсы, поступающие на схему 5 и разрешающие прохождение в течение 1 с импульсов с генератора 4, при этом на выходе схемы 5 формируется код частоты генератора 4 в гер-
цах. Испытуемый подает питание на ЛТИС и вращением ручки потенциометра пульта 2 увеличивает частоту генератора 4, фиксирует момент слияния СМ и снимает питание с ЛТИС. Для считывания показания КЧСМ испытуемый подает питание на цифровые индикаторы КЧСМ.
Недостатком индикатора ИКЧСМ-1 является периодическое мелькание показаний индикаторов КЧСМ с периодом 1 с, что затрудняет их считывание, вызывает дополнительное утомление зрительных анализаторов, вследствие чего увеличивается погрешность измерений.
Для устранения указанного недостатка предложен индикатор ИКЧСМ-1М, защищенный а. с. СССР 1741778, генератор 1 импульсов которого дополнительно содержит элементы НЕ и И (см. рис. 2). Индикатор работает аналогично индикатору ИКЧСМ-1, но при считывании показаний на индикаторах постоянно отображается значение КЧСМ.
С целью обеспечения автоматического режима работы при многократных измерениях для исследования динамики КЧСМ разработаны индикаторы ИКЧСМ-2 и ИКЧСМ-2М, защищенные а. с. СССР 1623605. 1704764 соответственно.
Для индикатора ИКЧСМ-2 предложена временная диаграмма
работы, представленная на рис. 3.