Юрков Н.К. Интеллектуальные компьютерные обучающие системы

Подождите немного. Документ загружается.

281

3) оценку именно силы процесса «релаксация – активация»,

что дает возможность его анализа как с качественной, так и с ко-

личественной стороны (индекс ПФС).

Градация значений ИПФС в пяти уровнях выглядит следую-

щим образом: «отлично», «хорошо», «удовлетворительно», «не-

удовлетворительно», «плохо». Использование такой дифференци-

рованной оценки позволило разработать для каждого из теорети-

чески возможных вариантов динамики ЭКС развернутые характе-

ристики текущего состояния психофизической сферы и рекомен-

дации по коррекции этого состояния.

7.3. Клавиатурный почерк как способ определения

психофизического состояния

В исследованиях по биометрии ряда ученых (А. И. Иванов,

В. Ф. Гузик, А. И, Суздальцева) показано, что каждый человек

имеет свой клавиатурный почерк, являющийся проявлением рабо-

ты вегетативной нервной системы (подсознательными движениями

человека), его изменение отражает развитие торможения моторных

функций человека. Использование клавиатурного почерка для оп-

ределения психофизического состояния по изменению торможе-

ния моторных функций позволяет определять не только динамику

состояния обучаемого, но дает возможность избавиться от приме-

нения дополнительных специализированных устройств, что значи-

тельно снижает затраты на разработку и внедрение таких систем в

интеллектуальную компьютерную обучающую систему.

Для математической обработки данных, полученных в ре-

зультате экспериментов с биологическими объектами использует-

ся аппарат искусственных нейронных сетей. Параметрами для ана-

лиза клавиатурного почерка являются следующие:

 скорость (или частота) ввода символов. Для обработки бе-

рутся временные интервалы, затраченные на ввод отдельных букв.

При расширенном анализе берутся нажатия всех клавиш вообще.

При накоплении достаточного для расчета количества статистиче-

ских испытаний получается множество временных интервалов, по-

траченных на ввод каждого символа. На основе полученных зна-

чений рассчитывается среднее время ввода отдельно взятого сим-

вола (математическое ожидание и отклонение от среднего (дис-

персия)). Эта матрица значений символ/математическое ожида-

ние/дисперсия можно принять как эталон для конкретного пользо-

вателя;

282

 разность между соседними временными интервалами,

длящимися между отдельными нажатиями. По разностям находит-

ся дополнительная дифференциальная характеристика, производ-

ная по времени, показывающая изменение скорости набора. Она

также индивидуальна.

Смешанная модель учитывает как дифференциальную харак-

теристику, так и рассматривает предысторию.

При использовании выбранного метода точками измерения

состояния обучаемого являются интервалы нажатий на клавиши и

время удержания между нажатиями. Для измерений выбирается

определенная последовательность, которую обучаемому необхо-

димо периодически набирать. Максимальная работоспособность

приравнивается к наилучшему состоянию оператора, это состоя-

ние является эталоном и оценивается в сто процентов работоспо-

собности.

Минимальная работоспособность оценивается в ноль про-

центов. На основании полученной информации происходит опре-

деление психофизического состояния обучаемого и в дальнейшем

формирование управляющего воздействия.

Динамика изменения моторных функций обучаемого опреде-

ляется по отклонению от эталонного значения, характеризующего

его наилучшее психофизическое состояние. По степени отклоне-

ния текущего состояния обучаемого принимается решение о це-

лесообразности дальнейшего процесса обучения.

Использование стандартного средства ввода данных (клавиа-

туры) для определения психофизического состояния обучаемых в

ИКОС делает данный метод наиболее предпочтительным. Инфор-

мация о клавиатурном почерке может использоваться для иденти-

фикации пользователя, что также является актуальной задачей в

задачах идентификации пользователей в обучающей системе.

7.4. Метод вариационной пульсометрии

Известно, что в течение учебного периода центральная нерв-

ная система (ЦНС) обучаемого испытывает чрезвычайно большую

нагрузку. Помимо учебной нагрузки, сказывается также экологиче-

ское влияние окружающей среды и социально-бытовые проблемы,

проблемы межличностных отношений в быту и в учебной группе,

постоянный дефицит времени. Совокупность этих факторов воз-

действия на ЦНС обучаемого, многие из которых можно опреде-

283

лить как стрессовые, дает основание классифицировать структуру

его деятельности в учебный период как деятельность человека-

оператора. Поэтому крайне необходимо контролировать текущее

функциональное состояние обучаемого в период обучения.

Известно, что перегрузка отдельного органа или системы в

процессе адаптации к физическим или психоэмоциональным на-

грузкам, к неблагоприятному изменению окружающей среды или

патологическому процессу всегда сопровождается оперативной ре-

акцией защитно-компенсаторных механизмов. Эта реакция в пер-

вую очередь характеризуется ростом напряженности функциониро-

вания регуляторных систем (ЦНС, вегетативной нервной системы,

нейро-эндокринной), деятельность которых направлена на компен-

сацию возникших отклонений от функционального оптимума.

Звеном, согласующим все адаптивные реакции на уровне ор-

ганов, является система кровообращения. Обладая совершенным

аппаратом управления и саморегуляции, эта система чутко реаги-

рует на малейшие изменения потребностей органов, обеспечивая

их адекватным кровоснабжением и одновременно согласуя этот ре-

гионарный запрос с гемодинамическими требованиями по жизне-

обеспечению разнообразной деятельности целостного организма.

Все это дает основания рассматривать систему кровоснабжения в

качестве универсального индикатора адаптационно-приспособи-

тельной деятельности целостного организма.

В настоящее время одним из наиболее информативных мето-

дов изучения функционального состояния организма является ме-

тод вариационной пульсометрии – анализа сердечного ритма. Ме-

тод основан на установлении закона распределения кардиоинтер-

валов как случайных величин.

Сердце как компонент мультипараметрического взаимодейст-

вия реагирует на любые изменения гомеостаза, а его физиологиче-

ские показатели могут объективно отражать состояние организма.

Методика анализа сердечного ритма заключаются в том, что-

бы на основании изучения активности синусового узла по после-

довательности кардиоинтервалов, по вариациям их длительности

сделать заключение о состоянии системы управления сердечным

ритмом, как в целом, так и по отдельным ее уровням. При этом си-

нусовый узел рассматривается не только в аспекте автоматизма

сердечной деятельности, но и как индикатор деятельности всего

организма. Общий подход к оценке сердечного ритма заключается

в следующем:

284

 во-первых, более высокие уровни управления рассматри-

ваются как ингибиторы активностей более низких уровней;

 во-вторых, период колебаний сердечного ритма связан с

уровнем управления: чем выше период колебания, тем выше уро-

вень управления. При оптимальном регулировании управление

происходит с минимальным участием высших уровней, при неоп-

тимальном регулировании необходима активация все более высо-

ких уровней управления (централизация управления).

Источником исходной информации для метода вариационной

пульсометрии являются сигналы устройств, позволяющих регист-

рировать пульсовую волну в системе кровообращения человека.

В частности, для этой цели может подойти оптический пальцевой

датчик, используемый для методов пульсоксиметрии и/или фото-

плетизмографии. В конкретном случае интерес представляет ин-

формация о факте возникновения пульсовой волны.

Сущность вариационной пульсометрии заключается в полу-

чении закона распределения кардиоинтервалов как случайных ве-

личин. Для этого строится кривая распределения – гистограмма.

На рис. 72 представлена гистограмма распределения кардиоинтер-

валов с обозначенными на ней основными параметрами вариаци-

онной пульсометрии: Мо – мода, АМо – амплитуда моды, MxDMn –

вариационный размах (Difference between Maximal and Minimal

value).

Рис. 72. Гистограмма распределения кардиоинтервалов

Мода (Мо) – наиболее часто встречающееся в данном дина-

мическом ряде значение кардиоинтервала. В физиологическом

смысле, это наиболее вероятный уровень функционирования сер-

285

дечно-сосудистой системы. При нормальном распределении и вы-

сокой стационарности исследуемого процесса Мо мало отличается

от математического ожидания.

Амплитуда моды (АМо) – это число кардиоинтервалов, соот-

ветствующих значению моды, в процентах к объему выборки.

Этот показатель отражает стабилизирующий эффект централиза-

ции управления ритмом сердца, который обусловлен в основном

степенью активации симпатического отдела вегетативной нервной

системы.

Вариационный размах (MxDMn) отражает степень вариа-

бельности значений кардиоинтервалов в исследуемом динамиче-

ском ряде. Он вычисляется по разности максимального и мини-

мального значений кардиоинтервалов. Следует отметить, что при

аритмиях или артефактах могут быть допущены ошибки вычисле-

ния этого показателя, если динамический ряд кардиоинтервалов не

подвергся предварительному редактированию. При вычислении

MxDMn следует отбрасывать крайние значения кардиоинтервалов,

если они составляют менее трех процентов от общего объема ана-

лизируемой выборки.

При обработке динамического ряда кардиоинтервалов можно

с высокой долей достоверности непрерывно определять адекват-

ность эмоциональной и физической нагрузки состоянию организма:





k Mî

ÀÍ

где П

АН

– показатель адекватности; k – коэффициент, учитывающий

индивидуальные особенности состояния организма в области боль-

ших уровней напряженности систем организма (k = 1,0–1,25 с);

Мо – мода динамического ряда кардиоинтервалов; N – объем вы-

борки динамического ряда; σ = D – среднеквадратичное отклоне-

ние динамического ряда; D – дисперсия динамического ряда.

Для оценки состояния организма в данный момент можно

также использовать индекс напряженности регуляторных систем

Баевского:

MxDMnMî2

MîA

Èí





Величина Ин в норме колеблется в пределах от 50 до 150 ус-

ловных единиц. При эмоциональном стрессе и физической работе

у здоровых людей значения Ин увеличиваются до 300–500 единиц,

а у людей старшего возраста со сниженными резервами такие зна-

286

чения наблюдаются даже в покое. При наличии стенокардии Ин

достигает 600–700 единиц, а в предынфарктном состоянии даже

900–1100 единиц.

Методы анализа вариабельности сердечного ритма могут ис-

пользоваться для оценки состояния человека в различных условиях

трудовой деятельности, физической нагрузки, уровня стресса и т.д.

В настоящее время особый интерес для исследователей представ-

ляет изучение медленных волн второго порядка и компонент спек-

тра колебаний с частотами менее 0,01 Гц, включая минутные и ча-

совые волны, а также разработка новых методов анализа вариа-

бельности сердечного ритма, учитывающих сложный нестацио-

нарный характер динамики сердечно-сосудистой системы.

7.5. Определение психофизического состояния

по видеокамере

Проблема контроля функционального состояния обучаемых в

ИКОС в настоящее время стоит очень остро. Потеря концентра-

ции внимания либо засыпание делает невозможным процесс обу-

чения, поэтому построение надежной и устойчивой системы опре-

деления функционального состояния оператора сложной системы,

работающей дистанционно и не имеющей носимых частей, являет-

ся актуальной задачей.

В психофизиологии наибольший интерес представляют три

категории глазных реакций: сужение и расширение зрачка, мига-

ние и глазные движения.

Пупиллометрия – метод изучения зрачковых реакций. Зрачок –

отверстие в радужной оболочке, через которое свет попадает на

сетчатку. Диаметр зрачка человека может меняться в пределах от

1,5 до 9 мм. Величина зрачка существенно колеблется в зависимо-

сти от количества света, падающего на глаз: на свету зрачок сужа-

ется, в темноте – расширяется. Наряду с этим размер зрачка суще-

ственно изменяется, если испытуемый реагирует на воздействие

эмоционально. В связи с этим пупиллометрия используется для

изучения субъективного отношения людей к тем или иным внеш-

ним раздражителям.

Диаметр зрачка можно измерять путем простого фотографи-

рования глаза в ходе обследования или же с помощью специаль-

ных устройств, преобразующих величину зрачка в постоянно

варьирующий уровень потенциала, регистрируемый на полиграфе.

287

В 1896 г. Хейнрих (Heinrich) и в более позднее время, в 1965 г.,

Хесс (Hess) обратили внимание на то, что на величину зрачка

влияют и эмоциональное состояния человека, и некоторые виды

ментальной активности и что в общем виде она может быть крите-

рием оценки степени возбуждения. Изучение психологических

факторов, влияющих на величину зрачка, называется пупилломет-

рией (Hess, 1975; Janisse, 1977). Хесс доказал, что когда человек

смотрит на что-либо, величина его зрачков может служить индика-

тором интереса, вызываемого у него расматриваемым предметом

(Hess, 1965; Hess & Polt, 1960, 1966).

Умственная активность также вызывает изменение величины

зрачка. В одном исследовании (Hess & Polt, 1964) испытуемым

было предложено устно решить несколько примеров на умноже-

ние, отличавшихся по своей сложности. Как правило, зрачки всех

испытуемых начиная с того момента, когда был сформулирован

вопрос, постепенно расширялись, достигая максимальной величи-

ны сразу же после устного ответа. Более того, чем труднее был

пример, тем заметнее расширялись зрачки. С этими данными

согласуются и результаты другого исследования, из которых сле-

дует, что существует положительная корреляция между расшире-

нием зрачка и грамматической сложностью предложений, пред-

ставленных в вербальной форме (Schluroff, 1982). (Аналогичные

данные приведены также в работах Ahern & Beatty, 1979; Beatty &

Wagoner, 1978).

Мигание (моргание) – периодическое смыкание век. Дли-

тельность одного мигания приблизительно 0,35 с. Средняя частота

мигания составляет 7,5 в мин и может варьировать в пределах

от 1 до 46 в мин. Мигание выполняет разные функции в обеспече-

нии жизнедеятельности глаз. Однако для психофизиолога сущест-

венно, что частота мигания изменяется в зависимости от психиче-

ского состояния человека.

Движение глаз широко исследуются в психологии и психо-

физиологии. Это разнообразные по функции, механизму и биоме-

ханике вращения глаз в орбитах. Существуют разные типы глаз-

ных движений, выполняющие различные функции. Однако наибо-

лее важная среди них функция движений глаз состоит в том, чтобы

поддерживать интересующее человека изображение в центре сет-

чатки, где самая высокая острота зрения. Минимальная скорость

прослеживающих движений – около 5 угл. мин/с, максимальная

достигает 40 град/с.

288

Основной принцип работы системы определения функцио-

нального состояния, основанной на анализе морганий, – построе-

ние графиков движения век, а также изменения направления

взгляда и их последующий анализ (В. А. Барабанщиков, 2008). Как

показывают многочисленные исследования, характер движения

век и характер перевода взгляда на другой объект существенно за-

висят от текущего функционального состояния человека. Этот

факт и позволяет использовать информацию о морганиях для ди-

агностики функционального состояния обучаемого. Кроме этого,

система может дополнительно анализировать информацию, полу-

чаемую от различных органов управления.

Электроокулография – метод регистрации движения глаз, ос-

нованный на графической регистрации изменения электрического

потенциала сетчатки и глазных мышц. У человека передний полюс

глаза электрически положителен, а задний отрицателен, поэтому

существует разность потенциалов между дном глаза и роговицей,

которую можно измерить. При повороте глаза положение полюсов

меняется, возникающая при этом разность потенциалов характери-

зует направление, амплитуду и скорость движения глаза. Это изме-

нение, зарегистрированное графически, носит название электрооку-

лограммы. Однако микродвижения глаз с помощью этого метода не

регистрируются, для их регистрации разработаны другие приемы.

В последнее время широкое распространение получила тех-

нология оценки психофизического состояния по видеокамере на

основе виброизображения.

Метод виброизображения регистрирует микродвижения и

пространственные колебания объекта путем определения парамет-

ров вибрации (частоты и амплитуды) для каждого элемента (пик-

селя) исследуемого изображения. С помощью этого метода уда-

лось установить, что параметры виброизображения отражают (ко-

личественно характеризуют) эмоции и физиологическое состояние

организма человека. Виброизображение – это изображение, полу-

чаемое при обработке видеосигнала и отражающее параметры

вибрации и перемещения объекта. Частотная составляющая виб-

роизображения информативно характеризует психофизиологиче-

ское состояние человека, так как она практически не зависит от

статического изображения и определяется динамикой движения

человека или психомоторикой. Проведенные исследования виб-

роизображения человека объединяют различные направления нау-

ки и включают в себя медико-биологические знания, психологию,

электронику и биометрию.

289

Технически виброизображение человека представляет собой

наложенные друг на друга два процесса вибрации или перемеще-

ния в относительной и абсолютной системах координат. Первая

составляющая определяется микроперемещением точек тела чело-

века друг относительно друга. Вторая составляющая связана с

макроперемещением тела человека, прежде всего, головы. В осно-

ве каждой технической составляющей виброизображения лежат

свои психосоматические механизмы, что делает получаемое виб-

роизображение человека уникально информативным для характе-

ристики психофизиологического состояния.

Макроперемещение (вторая составляющая) виброизображе-

ния определяется двумя основными процессами – работой вести-

булярного аппарата и активностью мозга.

Таким образом, виброизображение, полученное на основе

математической обработки стандартного телевизионного изобра-

жения, оказывается достаточно информативным для анализа пси-

хофизиологического состояния человека.

Технология VibraImage относится к области биометрии и

может быть использована для преобразования, получения, обра-

ботки и анализа электронных изображений живых биологических

объектов, совершающих периодические колебательные перемеще-

ния различной частоты и амплитуды.

Полученное при обработке изображение, может быть исполь-

зовано для получения информации о физиологическом или психо-

физическом состоянии человека.

Ввод изображения объекта осуществляется с любого источ-

ника видео, например, цифровой телевизионной камеры, а про-

граммное обеспечение обрабатывает полученную информацию и

предоставляет интерфейс для сохранения полученных результатов.

Система VibraImage производит мониторинг уровня эмоций,

таких как стресс и агрессия, а также осуществляет детекцию лжи в

режиме реального времени. Система позволяет визуально оцени-

вать интегральное психофизиологическое состояние человека с

помощью ауры, которая программно строится на основании полу-

ченного виброизображения.

Для получения адекватного виброизображения человека ре-

комендуется учитывать следующие факторы:

1. Человек должен быть хорошо и равномерно освещен, и

обычное (черно-белое или цветное) изображение человека должно

290

быть четким и контрастным. Так как аура и виброизображение за-

висят от регистрации мельчайших точечных вибраций и переме-

щений объекта, фиксируемых в отраженном от объекта свете, то

плохая освещенность объекта может существенно исказить полу-

чаемый результат.

2. Данная версия программного обеспечения рассчитана на

визуализацию ауры только для одного объекта, находящегося в

кадре, поэтому живые объекты, находящиеся рядом с основным

объектом исследования, могут существенно влиять и искажать ау-

ру основного объекта. Визуализация виброизображения осуществ-

ляется вне зависимости от количества объектов в кадре.

3. Существует определенная задержка между параметрами

ауры человека и визуализацией ауры на экране монитора. Величи-

на этой задержки в основном определяется выбранным временем

накопления. Например, при реальном быстродействии системы

5 f/s и выбранным временем накопления 50 кадров объективная

аура человека может появиться на экране монитора не ранее, чем

через 10 с после появления человека перед камерой.

4. Разработанная версия системы чувствительна к определен-

ным непериодическим перемещениям объекта, поэтому для полу-

чения объективной ауры человека желательно, чтобы он находился

в своем естественном состоянии.