Непараметрическая идентификация движений глаз спортсменов-борцов с применением дифференциальной нейронной сети

Непараметрическая идентификация движений глаз спортсменов-борцов с применением дифференциальной нейронной сети

Автор: Мухамедов А.М., Леонов С.В., Поликанова И.С., Чертополохов В.А., Якушина А.А., Исаев А.В., Чернозубов Д.Я., Чаирез И.О.

Журнал: Российский журнал биомеханики @journal-biomech

Статья в выпуске: 2 (100) т.27, 2023 года.

Бесплатный доступ

В настоящее время существуют различные современные технологии, позволяющие изучать корреляты развития профессионально важных качеств спортсменов. Одной из таких технологий, активно использующихся в спортивной практике, является технология отслеживания движения глаз, или окулография ( еye-tracking ). В статье показано применение окулографии в тестировании спортсменов-единоборцев с помощью демонстрации виртуальной среды в шлеме HTC Vive Pro Eye . Одной из существенных проблем при использовании, встроенных в шлем окулографов становится их низкая частота дискретизации и возможные потери зрачка в процессе работы. Для борьбы с этими эффектами можно применять фильтрацию, в том числе фильтр Калмана и аналоги. Для решения задачи оценивания с использованием данных фильтров обычно требуется наличие адекватной математической модели в пространстве состояний. Обычно по экспериментальным данным входных и выходных сигналов строится параметрическая либо непараметрическая модель рассматриваемой системы. В случае наличия информации об уравнениях модели задача обычно сводится к идентификации параметров системы. Далеко не всегда удается дать адекватное математическое описание процессов, происходящих в системе, либо сама система может представляться «черным ящиком». К подобным системам можно отнести и глазодвигательную систему. В таких случаях применима непараметрическая идентификация, то есть идентификация динамики системы. В данной работе предлагается идентифицировать динамику системы, используя дифференциальные нейронные сети. Они обладают хорошими аппроксимирующими свойствами для нелинейных систем. Стандартная сигмоидальная функция активации была заменена на функцию активации Ижикевича, описываемую дифференциальными уравнениями. Результатом работы нейросетевого идентификатора стала приближенная система, описывающая динамику движения глаза. Проведено численное моделирование. Исследована работоспособность модели на нескольких наборах данных, полученных при записи глазодвигательной реакции спортсменов-борцов на визуальные стимулы в виртуальной среде, показана эффективность работы законов обучения нейросети.

Еще

Окулография, глазодвигательный отклик, дифференциальные нейронные сети, виртуальная реальность

Короткий адрес: https://sciup.org/146282748

IDR: 146282748   |   DOI: 10.15593/RZhBiomeh/2023.2.07

Список литературы Непараметрическая идентификация движений глаз спортсменов-борцов с применением дифференциальной нейронной сети

  • Akba S.A., Marszalek W., Kamieniarz A., Polecho'nski J., Slomka K.J., Juras G. Application of virtual reality in competitive athletes-a review // Journal of human kinetics. - 2019. - Vol. 69, No. 1. - P. 5-16.
  • Akman, O.E., Avramidis, E. Optimisation of an exemplar oculomotor model using multi-objective genetic algorithms executed on a GPU-CPU combination // BMC Systems Biology. - 2017. - Vol. 11. - P. 40-59.
  • Bandow N., Emmermacher P., Stucke C, Masik, S., Witte K. Comparison of a video and a virtual based environment using the temporal and spatial occlusion technique for studying anticipation in karate // International Journal of Computer Science in Sport (International Association of Computer Science in Sport). - 2014. - Vol. 13, No. 1. -P. 79-89.
  • Bideau B., Kulpa R., Menardais S., Fradet L., Multon F., Delamarche P., Arnaldi B. Real handball goalkeeper vs. virtual handball thrower // Presence. -2003. - Vol. 12, No. 4. - P. 411-421.
  • Broomhead, D., Akman, O., Abadi, R. Eye movement instabilities and nystagmus can be predicted by a nonlinear dynamics model of the saccadic system // Journal of Mathematical Biology. - 2005. - Vol. 51. - P. 661-694.
  • Cohen M.A., Botch T.L., Robertson C.E. The limits of color awareness during active, real-world vision // Proceedings of the National Academy of Sciences. - 2020. - Vol. 117, No. 24. - P. 13821-13827. DOI: 10.1073/pnas.1922294117
  • Ehinger B. V. et al. A new comprehensive eye-tracking test battery concurrently evaluating the Pupil Labs glasses and the EyeLink 1000 // Peer J. - 2019. - Vol. 7. -P. e7086.
  • Feldman A.G. Once More on the Equilibrium-Point Hypothesis (X Model) for Motor Control // Journal of Motor Behavior. - 1986. - Vol. 18. - P. 17-54.
  • Haid M., Breitenbach J. Low-cost inertial orientation tracking with Kalman filter //Applied Mathematics and Computation. - 2004. - Vol. 153, No. 2. - P. 567-575.
  • Happee R. Time optimality in the control of human movements // Biological cybernetics. - 1992. - Vol. 66. -P. 357-366.
  • Harwood M.R., Mezey L.E., Harris C.M. The Spectral Main Sequence of Human Saccades // The Journal of Neuroscience. - 1999. - Vol. 19, No. 20. - P. 9098-9106.
  • Heilmann F., Witte K. Perception and Action under Different Stimulus Presentations: A Review of Eye-Tracking Studies with an Extended View on Possibilities of Virtual Reality //Applied Sciences. - 2021. - Vol. 11, No. 12. - P. 5546-5559. DOI: 10.3390/app11125546
  • Iskander J., Hossny M., Nahavandi S. Simulating eye-head coordination during smooth pursuit using an ocular biomechanic model //2017 IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics (SMC). - IEEE, 2017. - P. 3356-3361.
  • Izhikevich E. Simple Model of Spiking Neurons //IEEE Transactions on Neural Networks. - 2003. - Vol. 14, No. 6. DOI: 10.1109/TNN.2003.820440
  • Kahloul A. A., Sakly A. Constrained parameterized optimal control of switched systems based on continuous Hopfield neural networks //International Journal of Dynamics and Control. - 2018. - Vol. 6. - P. 262-269.
  • Kahloul A.A., Sakly A. Constrained parameterized optimal control of switched systems based on continuous Hopfield neural networks // International Journal of Dynamics and Control. - 2018. - Vol. 6, - P. 262-269.
  • Kruchinina A.P., Yakushev, A.G. Statistical study of the single saccade eye movement forms // Journal of Mathematical Sciences. - 2018. - Vol. 74, No. 4. -P. 97-100.
  • Kruchinina A.P., Yakushev A.G. A mathematical model of optimal saccadic eye movement by a pair of muscles // Biophysics. - 2018. - Vol. 63, No. 2. - P. 241-247.
  • Kumar V. V., Raghunath K.K., Rajesh N., Venkatesan M., Joseph R.B., Thillaiarasu N. Paddy plant disease recognition, risk analysis, and classification using deep convolution neuro-fuzzy network //Journal of Mobile Multimedia. - 2022. - P. 325-348-325-348.
  • Lapicque L. Recherches quantitatives sur l'excitation electrique des nerfs traitee comme une polarization // Journal de physiologie et de pathologie générale. - 1907. -Vol. 9. - P. 620-635.
  • Liu B., Liu Z., Zhang T., Yuan T. Non-differentiable saddle points and sub-optimal local minima exist for deep ReLU networks // Neural Networks. - 2021. - Vol. 144 -P. 75-89.
  • Pastel S., Chen C.H., Martin L., Naujoks M., Petri K., Witte K. Comparison of gaze accuracy and precision in real-world and virtual reality // Virtual Reality. - 2021. -Vol. 25. - P. 175-189. DOI: 10.1007/s10055-020-00449
  • Petri K., Bandow N., Masik S., Witte K. Petri K. et al. Improvement of early recognition of attacks in karate kumite due to training in virtual reality // Journal Sport Area. - 2019. - Vol. 4, No. 2. - P. 294-308. DOI: 10.25299/sportarea.2019.vol4(2).3370
  • Prud V. et al. Non-parametric spiking neural network modelling of the eye-movement response to enforced controlled accelerations //IFAC-PapersOnLine. - 2021. -Vol. 54, No. 13. - P. 311-316.
  • Roth T., Weier M., Hinkenjann A., Li Y., Slusallek P. A quality-centered analysis of eye tracking data in foveated rendering // Journal of eye movement research. -2017. - Vol. 10, No. 5. D0I:10.16910/jemr.10.5.2
  • Tauscher J.-P., Schottky F.W., Grogorick S., Bittner P.M., Mustafa M., Magnor M. Immersive EEG: evaluating electroencephalography in virtual reality // 2019 IEEE Conference on Virtual Reality and 3D User Interfaces (VR). - IEEE, 2019. - P. 1794-1800. DOI: 10.1109/VR.2019.8797858
  • Valenti R. G., Dryanovski I., Xiao J. A linear Kalman filter for MARG orientation estimation using the algebraic quaternion algorithm // IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement. - 2015. - Vol. 65, No. 2. - P. 467-481.
  • van Opstal, A., van Gisbergen, J. Scatter in the metrics of saccades and properties of the collicular motor map // Vision Research. - 1989. - Vol. 29. - P. 1183-1196.
Еще
Статья научная
QR-код для установки приложения SciUp Наведите камеру и скачайте бесплатное приложение SciUp