2.2. Зорові відчуття та сприйняття

Будова зорового аналізатора.

Рис. 1.2. Очне яблуко людини (в розрізі):

1 – передня камера; 2 – кришталик; 3 - райдужна оболонка;

5 – склоподібне тіло; 6 – сітківка

В передній частині очного яблука (рис.1.2) знаходиться прозора роговиця, крізь яку проникають проміні світла. Позаду неї знаходиться райдужна оболонка, яка виконує функцію діафрагми. В центрі знаходиться отвір – зіниця, позаду якої розташовано кришталик, що має форму двоопуклої лінзи. За кришталиком знаходиться склоподібне тіло, яке заповнює всю порожнину ока.

Промені світла, які проходять крізь прозорі переломлюючи частини очей (роговицю, кришталик, склоподібне тіло), потрапляють на внутрішню оболонку ока – сітківку, яка є світлосприймаючим апаратом. Саме на сітківці світлові хвилі перетворюються у нервові імпульси. До сітківки підходять закінчення зорових нервів, які передають зорові імпульси у головний мозок.

Світлосприймаюча система очей реагує на світловий потік так, щоб підтримувати на постійному рівні величину подразнення, яке виникає внаслідок дії світлового потоку. Це здійснюється регулюванням величини зіниці ока та руховими реакціями очей.

Сітківка людини утворена трьома шарами різних спеціалізованих клітин зорового нерва − нейронів: паличок (їх близько 130 млн.) та колбочок (їх близько 7 млн.). В тварин, які ведуть переважно нічний спосіб життя, у сітківці переважають палички. В склад паличок входить особлива речовина – родопсин. Навіть слабке світло викликає розпад родопсину. Продукти цього розпаду збуджують палички, які у свою чергу передають збудження до кори головного мозку. Так виникає відчуття світла. До складу родопсину входить вітамін А. При його нестачі родопсин не синтезується, й людина з настанням сутінок перестає бачити. Така хвороба має назву курячої сліпоти. Вона особливо небезпечна для водіїв при необхідності керування автомобілем у темну пору доби. Палички – рецептори апарату нічного зору – не можуть розпізнавати кольори, мають невелику дозволяючу здатність, але дуже чутливі до світла. Колбочки мають невелику світлову чутливість, але здатні розрізняти кольори, тобто забезпечують кольоровий зір з максимальною гостротою. Існує декілька різновидів колбочок, кожна з яких сприймає певний колір. Дальтоніки – люди з порушеним кольоровим зором. Для них, як правило, немає різниці між червоним та зеленим кольором. Проте якщо вони бачать різницю між цими кольорами, впізнають, який сигнал (верхній чи ніжній) світлофора ввімкнено, то, як правило, допускаються до керування автомобілями.

Центральна частина сітківки ока (fovea) має малі кутові розміри і утворена лише колбочками, периферійна – як колбочками, так і паличками. Палички розповсюджені по периферії більш рівномірно, але мають найбільшу щільність на відстані 10º від fovea. Паличкові поля мають можливість підсумовувати сигнал з великої площі, тому вони можуть сформувати сигнал від слабо освітленого об’єкта. Із збільшенням освітленості окоруховий (окуломоторний) апарат переводить об’єкт, що розглядається, у fovea. Таким чином, периферійна система зору призначена для виявлення, а центральна частина – для розрізнення.

Зорові сприйняття для водія - основні, так як 90% інформації він отримує зором. Характеристики зорового аналізатору наведені на рис. 1.3.

Рис. 1.3. Характеристики зорового аналізатора

Енергетичні характеристики зорового аналізатора визначаються інтенсивністю сигналів, або яскравістю. Світловий потік, що падає на око людини, породжує певні зорові відчуття. Об’єкт краще виглядатиме або сприйматиметься, якщо він випромінює певну кількість світла, тобто матиме певну яскравість, яка визначається за формулою:

, (1.5)

де І – потужність світла, тобто світловий потік на одиницю тілесного кута,

S – площа освітленої поверхні,

α - кут зору, під яким розглядається ця поверхня.

Сама яскравість визначає величину нервових імпульсів, що виникають на сітківці ока.

Яскравість об’єкта можна визначити за формулою:

В_об. = В_вип.+В_відб., (1.6)

де В_вип. – яскравість випромінювання самого об’єкта,

В_від. – яскравість відбиття об’єктом зовнішнього світла.

Яскравість випромінювання визначається потужністю та світловіддачею самого об’єкта.

Яскравість відбиття об’єктом певного світлового потоку залежить від кольору та розташування поверхні об’єкта відносно ока людини:

, (1.7)

де Е – освітленість поверхні, лк;

ρ – коефіцієнт кольорового відбиття поверхні.

Діапазон чутливості зорового аналізатора значний – від 10^-6 до 10⁶ кд/м².

Контрастність між об’єктом і фоном теж зумовлює ефективність приймання інформації. Розрізняють два види контрасту: прямий і зворотний. Кількісно коефіцієнт контрастності вираховується за формулами:

К_зв = ; (1.8)

К_пр. = , (1.9)

де В_об – яскравість об’єкту; В_ф – яскравість фону.

Оптимальна величина коефіцієнта контрастності знаходиться у межах 0,60 – 0,95.

Робота у прямому контрасті більш сприятлива, ніж у зворотному. Але для забезпечення нормальних умов роботи оператора необхідно знати, як цей контраст сприймається в конкретних умовах. Для цього вводиться поняття порогового контрасту:

, (1.10)

де В_пор. – порогова різниця яскравості, тобто мінімальна різниця яскравості між об’єктом і фоном, яка відчувається оком. Величина К_пор. – визначається диференціальним порогом. Величина порогового контрасту залежить від яскравості та розмірів об’єкта. Для оперативного порогу величина повинна бути у 10…15 разів більша за диференціальний поріг, тобто коефіцієнт контрасту К_пр чи К_зв повинен бути в 10…15 разів більшим за диференціальний поріг.

До того ж величина порогового контрасту залежить від яскравості та розмірів об’єкта (кутові величини α). Характер цих співвідношень зображений на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Залежність порогової контрастності від яскравості й кутових розмірів об’єкта

Аналіз наведених на рис. 1.4 даних свідчить, що об’єкти великих розмірів добре сприймаються і при найменших контрастах.

Значний вплив на ефективність сприймання інформації має характер зовнішнього освітлення. Цей вплив буде іншим при роботі оператора з інформацією, що подається у прямому або зворотному контрасті. Збільшення освітлення за прямого контрасту поліпшує умови сприйняття, оскільки яскравість фону зростає більше, ніж яскравість об’єкта, а за зворотного контрасту – навпаки. Величина порогового контрасту залежить також від часу експозиції інформації. При необмеженій експозиції користуються графіком на рис.1.4, а за обмеженого часу експозиції величина порогового контрасту визначається за формулою:

, (1.11)

де К_пор. – величина порогового контрасту при необмеженому часі експозиції, - час експозиції, - час реакції людини.

Засліплююча яскравість

Оператори сприймають інформацію різної інтенсивності, проте сигнали значної яскравості можуть спричинити засліплення.

Засліплююча яскравість визначається розміром освітленої поверхні, яскравістю сигналу, а також рівнем адаптації ока:

, (1.12)

де ω – тілесний кут, під яким оператор бачить освітлену поверхню (в стерадіанах).

Значення засліплюючої яскравості при різних рівнях адаптації наведені в табл.1.2.

Таблиця 1.2

Значення засліплюючої яскравості при різних рівнях адаптації

Яскравість поля адаптації, кд/м2	Засліплююча яскравість, кд/м2	Яскравість поля адаптації, кд/м2	Засліплююча яскравість, кд/м2
3,2 х 10-6	6,4 х 10	3,2 х 10	1,11 х 104
3,2 х 10-3	5,9 х 102	3,2 х 103	4,62 х 104
3,2 х 10-1	2,18 х 103	15,9 х 104	15.9 х 104

Прийнятними вважаються перепади яскравостей у межах 1/10 …1/30.

Таким чином, для створення нормальних умов зорового сприймання інформації необхідно забезпечити певну яскравість і контрастність сигналів, а також рівномірність розподілу яскравостей у полі зору оператора.

Відносна видимість

Око людини здатне сприймати електромагнітні хвилі, які лежать в діапазоні 380 – 760 нанометрів (рис.1.5), але чутливість до них неоднакова. Найбільшу чутливість око має до хвиль, які лежать у середині спектра видимого світла (500-600 нм). Цей діапазон відповідає випромінюванню жовто-зеленого кольору.

Важливою характеристикою зору е відносна видимість:

, (1.13)

де S_max − відчуття, викликане джерелом випромінювання довжиною 550 нм;

S_λ − відчуття, викликане джерелом випромінювання тієї самої потужності довжиною λ.

Рис.1.5. Крива відносної видимості очей

Із цієї залежності зрозуміло, що для забезпечення однакового зорового відчуття сигналів різного кольору необхідно, наприклад, потужність синього випромінювання збільшити у 16,6 рази, а червоного − у 9,3 рази відносно жовто-зеленого кольору сигналів. Підвищення потужності сигналів можна забезпечити за рахунок яскравості, розміру сигналу та збільшення часу його сприймання.

Просторове сприйняття кольору і ступінь його емоційно-фізіологічної дії на людину залежать від довжини хвилі λ (колірний фон), коефіцієнта відбиття р, насиченості Р (наближення кольору до чистого спектрального).

У міру наближення до периферії поля зору відчуття світла і виразність зорового образу, так само як і здатність розрізняти кольори, зменшуються.

Залежно від умов освітлення на дорозі розрізняють денний зір (середня яскравість фону більше 10 кд/м²), сутінковий зір (в межах 0,01 − 10 кд/м²), нічний зір (менше 0,01 кд/м²). Сутінковому та нічному зорові притаманні значне зниження гостроти зору; розпізнавання об’єктів на дорозі відбувається лише за їх контрастністю порівняно з фоном (так званий контурний зір); неможливість розпізнавання кольорів. Гострота зору в світлу ніч падає на 30–70 %, в безмісячну ніч складає лише 3-5 % денної. На гостроту зору і світлову чутливість впливає вміст кисню у повітрі (в горах, у задимленому просторі кабіни тощо гострота зору падає).

Інформаційні характеристики зорового аналізатора зумовлені пропускною здатністю, що визначає кількість інформації, яку може сприйняти аналізатор за одиницю часу.

Якщо зоровий аналізатор уявити каналом зв’язку, котрий складається з ділянок різної пропускної здатності, то найбільша пропускна здатність − 5,6 · 10⁹ біт буде на рівні фоторецепторів (сітківки) ока, на рівні кори головного мозку — 20...70 біт, а для діяльності в цілому (прийняття рішень та виконання керуючих дій людини) використовується лише 2...4 біт. Саме тому зоровий аналізатор порівнюють з інформаційною «лійкою» − на вході має місце значна кількість інформації, яка поступово зменшується, досягаючи рівня прийняття рішення або рівня реакції.

Просторові характеристики зорового аналізатора залежать від гостроти зору, поля зору та обсягу сприймання.

Гостротою зору характеризується властивість ока розрізнювати дрібні деталі об'єкта. Вона визначається величиною, еквівалентною тому мінімальному розмірові об'єкта, за якого він розрізнюється оком.

Розмір об’єкта виражається в кутових величинах, котрі пов’язані з його лінійними розмірами таким співвідношенням:

, (1.14)

де L - відстань до об’єкта,

h і α − відповідно лінійний і кутовий розмір об’єкта (рис. 1.6).

Рис. 1.6. Зв’язок лінійного і кутового розмірів об'єкта

Нормальним вважається зір, при якому людина розрізняє об’єкти величиною 1^/, що є одиницею гостроти зору, котра залежить від освітлення об’єкта, відстані до нього та його положення відносно спостерігача.

Так, наприклад, якщо розглядати об’єкт під кутом 10°, гострота зору буде в 10 разів менша, а під кутом 30° − у 23 рази менша, ніж коли цей об’єкт знаходиться прямо перед спостерігачем.

Гострота зору характеризує абсолютний просторовий поріг зорового аналізатора. Оператор повинен працювати на рівні оперативного порога, в якому кутовий розмір об’єкта буде не менший, ніж 15^/ для об’єктів найпростішої форми, а для складних об’єктів цей розмір має бути в межах 30^/ − 40^/. Саме такі розміри повинен мати дорожній знак та елементи зображень об’єкта, котрі мають зовнішні та внутрішні деталі.

Поле зору − це видимий простір, який можна охопити за непорушності очних яблук. Його умовно поділяють на три зони:

• центральне поле ≈ 4°, де найповніше розрізняються всі деталі об’єкта. В центральному полі можна читати, розрізняти колір, відстань між предметами тощо;

• поле ясного бачення ≈ 30°...35°, де не розрізняються невеликі деталі об’єкта;

• периферійне поле ≈ 75°...90°, в якому об’єкт тільки виявляється, але не розпізнається.

Рис. 1.7. Зони гостроти зору:

3-4 ° - центральний зір;

7-8° - добрий зір;

13-14° - задовільний зір

Здатність розрізняти форму і чітко бачити контури предметів навіть на значній відстані від ока називається гостротою зору.

Предмети, розташовані за межами 12°-14°, зазвичай видно без чітких деталей і кольору. Гострота бічного зору в 4 рази менша за гостроту центрального зору.

Об’єкти, що перебувають у периферійній зоні, можуть бути переміщені в іншу зону при простому повороті голови або русі очей.

Поле зору одного ока (монокулярний зір) під час споглядання білого фону поширюється в середньому на 90° до зовнішнього боку і на 65° до внутрішнього, донизу на 75°, вгору на 65°. Для кольорових об’єктів поле зору істотно зменшується. Так, при блакитному фоні воно менше на 15%, а при зеленому на 50%. Поле зору обома очами (бінокулярний зір) становить 120 − 130° і практично охоплює весь простір перед автомобілем.

Рис. 1.8. Поле зору обох очей:

1 − границя суміщеного (бінокулярного) поля зору обох очей;

2 − „сліпа пляма” — місце виходу очного нерва

Обсяг сприймання характеризується кількістю об’єктів, які охоплює людина за одну фіксацію ока. Доведено, що за одну фіксацію людина може охопити 4 − 8 не пов’язаних між собою об’єктів. Хоча в зоровому образі відображається значна кількість об’єктів, але відтворюється їх значно менше, і цей процес залежить від обсягу пам’яті, тобто при визначенні цього параметра потрібно враховувати не стільки характеристики сприймання, скільки характеристики короткочасної пам’яті, зокрема обсяг зберігання та відтворення інформації.

Щоб роздивитися предмет, водій повинен перенести на нього погляд (розташувати об’єкт в гострому зорі). Для цього потрібен час, наприклад, при проїзді перехрестя на перенесення погляду з фіксацією від одного боку перехрестя на інший - 0,5 - 1,2 с. Час візуального пошуку для водіїв, що хочуть проїхати перехрестя в прямому напрямку, триває 1.1 – 2.6 с. При перестроюванні у суміжних рядах цей час становить 0,8 – 1,6 с для бічного огляду та для погляду в зворотному напрямку − 0,8 – 1,0 с. Чим більша щільність транспортного потоку, тим більша фіксація поглядів, тим більша тривалість цих фіксацій.

Переведення погляду на спідометр і знов на дорогу потребує в середньому 1,5-1,9 с, сприйняття всіх контрольно-вимірювальних приладів при тих же переміщеннях зору – 5,5- 7,0 с.

Акомодація – зміна опуклості кришталика ока, яка дозволяє бачити предмети, що знаходяться на різному віддаленні від водія, сприймати їх форму, взаємне просторове розташування і віддаленість. Акомодація зумовлена пружністю кришталика ока та його м’язів. Ця властивість змінюється з віком (так звана вікова далекозорість). Акомодація пов’язана з конвергенцією – зведенням зорових осей на предметі, що фіксується. Час конвергенції становить в середньому 0,17 с. Кут конвергенції безпосередньо використовується як далекомір.

Така властивість зору дозволяє розрізняти відносну і абсолютну віддаленість об’єктів. Найбільш правильне сприйняття забезпечує знання розмірів предметів, які зустрічаються на дорозі найчастіше (оцінка ширини дороги та її деталей, відстаней між автомобілями, відстань до пішоходів тощо). Найточніше визначається відстань і взаємне розташування об’єктів, які рухаються в поперечному напрямку. Значно гірше – у напрямку руху (напрямку осі зору). Відчуття віддаленості предметів визначається відчуттями, які виникають при зведенні оптичних осей обох очей (конвергенції). При розгляданні предметів, які розташовані близько, людина зводить очі один до одного, при розгляданні віддалених предметів – розводить їх. Відчуття, які виникають при скороченні м’язів, покращання або погіршення чіткості зображення, зміна окремих деталей об’єкта дозволяють визначити відстань до нього.

Чим вище швидкість руху, тим вище поріг гостроти зору. Якщо кутова швидкість пересування об’єкта сягає 50-100 град/с, то динамічна гострота зору знижується в 2 рази відносно статичної. При швидкості пересування 200 град/с динамічна гострота зору знижується в 10 разів по відношенню до статичної. Ця залежність частково пояснює втрату зорової інформації водія із збільшенням швидкості руху.

Гострота динамічного зору залежить від кутової швидкості руху об’єкта сприйняття, ступеня координації між шийними та очними м’язами, а також від ступеня розвитку периферійного зору. Від кутової швидкості переміщення об’єкта сприйняття залежить час, протягом якого водій на безпечній відстані може фіксувати його. Якщо об’єкт пересувається із занадто високою кутовою швидкістю, очні м’язи не встигають фіксувати його в центральному полі зору. В результаті об’єкт сприймається як розмита пляма і може залишитися нерозпізнаним.

Часові характеристики зорового аналізатора визначають­ся часом та його складовими, що потрібні для виникнення зорового відчуття і наступного сприйняття інформації в пев­них умовах роботи оператора.

Латентний період – це час з початку подавання сигналу до виникнення відчуття. Цей час залежить від потужності подразника, його значущості та індивідуально-типологічних характеристик, складності роботи та віку оператора тощо. У середньому для людини він становить 150...240 млс.

Розглянемо часову діаграму роботи зорового аналізатора (рис.1.9).

Рис.1.9. Часова діаграма роботи зорового аналізатора

Упродовж часу t₀ – t₃ діє подразник, втім зорове відчуття починається лише через певний період t₀ – t₁, тобто латентний період. Зорове відчуття, що виникає в момент t₁, поступово розвивається (період t₁ – t₂) і адекватно відображає сигнал протягом часу t₂ – t₃, тобто до кінця дії подразника (t₃). Після закінчення дії подразника зорове відчуття зникає не відразу, а поступово «згасає» за період t₃ – t₄, який називають періодом інерції відчуття.

Тривалість інерції відчуття залежить не тільки від характеристик сигналу (яскравості, кутових розмірів тощо), а й від того, яким буде наступний сигнал, тобто наскільки він зможе «загасити» дію попереднього. В цей час виникають так звані «послідовні образи», які мають різні характеристики (за кольором і розміром) і в певній послідовності змінюють один одного.

Може виникнути така ситуація, коли дія попереднього (першого) сигналу буде мати своє продовження завдяки послідовним образам, і в той самий час почнеться дія наступного (другого) сигналу, тобто послідовний образ може накластися на перцептивний образ наступного сигналу, і оператор не зможе відрізнити елементи першого сигналу від елементів другого. Тому час дії основного сигналу повинен ураховувати час дії послідовного образу (табл.1.3).

Таблиця 1.3

Залежність часу інерції відчуття, млс, від яскравості та кутових розмірів об’єкта

Кутові розміри об'єкта	Рівень яскравості, кд/м2
	64	32	10	1	0,2
11´	31	32	34	73	113
23´	26	25	26	48	88
1,5°	17	15	19	38	68
90°	13	17	14	26	54

Якщо сигнали подаються дискретно, то їхній період має бути не менший за 0,2...0,6 с, в іншому випадку образи попереднього і наступного сигналів будуть накладатись один на інший.

Критична частота мерехтіння (КЧМ) – це частота, за якої вибувається злиття поточних образів подразників у єдиний образ об’єкта, тобто окремі проблиски сигналу сприймаються сукупно.

а б

Рис. 1.10. Залежність критичної частоти мерехтіння:

а – від яскравості; б) від розмірів і конфігурації знаків (1,2,3 відповідно знаки складної, середньої та простої конфігурації)

Критична частота мерехтіння залежить від яскравості і спектрального складу сигналу, його розмірів та конфігурації символів (рис.1.10). В нормальних умовах спостереження критична частота мерехтіння становить 15...25 Гц, в разі втоми вона знижується. Потрібно мати на увазі, що зорова втома буде найменшою за частоти 3–8 Гц; саме це має бути враховано у випадку застосовування мерехтіння для кодування інформації (привертання уваги оператора).

Адаптація попереджає зір від надмірного подразнення при великій освітленості та забезпечує можливість розрізняти об’єкти при слабкому освітленні. Кольорова адаптація відбувається при зміні кольоровості поля зору, яскрава – при швидкій зміні яскравості поля зору, тобто освітлення сітківки ока в зоні зображення.

Найбільш важлива для водія саме яскрава адаптація. Розрізняють світлову та темряву адаптацію

Світлова адаптація, яка супроводжується звуженням зіниці ока, відбувається в середньому за долі секунди.

Темрява адаптація виникає при зменшенні яскравості поля з певного значення, яку називають яскравістю переадаптації, до нульового значення. Це процес зміни чутливості периферійної і центральної ланок зорового апарату, який супроводжується розширенням зіниці ока. Світлова чутливість сітківки ока при цьому збільшується в 200 тис. разів.

Час адаптації – період зміни чутливості зорового аналізатора, при цьому чутливість може змінюватися у 10⁸ разів.

Час адаптації залежить від її форми і становить десятки хвилин при темрявій та хвилини або частки хвилини при світловій адаптації.

а б

Рис.1.11. Графіки зміни чутливості ока при адаптації:

а) темрявій; б) світловій

Час адаптації тим менший, чим менша різниця між початковим і кінцевими рівнями яскравостей – при співвідношенні 10:3 (більша до меншої) час адаптації 1с, при співвідношенні 3:5 – адаптація практично миттєва. Повне відновлення зору після засліплення відбувається за 3–40 с, що має бути враховано при розробці багаторежимних систем освітлення, зокрема дорожніх об’єктів; світлофорної сигналізації, дорожніх знаків, розмітки тощо.

Тривалість інформаційного пошуку

При зоровому сприйнятті мають місце мікро- та макрорухи очей.

Мікрорухи – невеликі коливальні рухи ока, які відбуваються весь час, навіть при фіксації погляду на об’єкті. Ці рухи мимовільні, свідомістю не контролюються. Дякуючи ним око виділяє об’єкти з найбільшою інформацією

Макрорухи можуть бути слідкуючими та пошуковими (оцінювальними). Слідкуючі – плавні рухи, дозволяють оку безперервно бачити об’єкт, що пересувається.

Пошукові рухи – швидкі скачки (при читанні або розгляданні нерухомих об’єктів) При читанні короткий скачок триває 0,022 с, довгий (до початку строки) – 0,04 с. Амплітуда цих рухів більш 1º. Коли око нерухомо, а погляд спрямований на об’єкт, кажуть про його зорову фіксацію. Як раз в момент фіксації мозок отримує максимум інформації. «Зчитування», тобто сприйняття інформації, відбувається при фіксації погляду тривалістю 0,2- 0,5 с, іноді до 2 с (залежно від контрастності об’єкта та фону, розмірів символів тощо).

Пошукові рухи дозволяють водієві вибрати з великої кількості об’єктів найбільш важливі (чим більший досвід роботи, тим менший час тривають пошукові рухи), при пересуванні об‘єкта водій «включається» в рух слідкування При цьому зображення на сітківці ока стає нерухомим.

Оцінювальні рухи – це пересування точок фіксації по поверхні об’єкта, за рахунок чого водій його розпізнає (оцінює).

При відсутності перешкод на дорозі попереду автомобіля водій оцінює дорожню ситуацію на відстані 40–60 м і більше, по місту – в межах 40 м. Під час руху завантаженими міськими дорогами відбувається близько 140 рухів ока на хвилину, з них 79% не перевищують 15º, 85% не перевищують 20º. На позаміських, менш завантажених рухом дорогах, відбувається 55 рухів очей за хвилину, з яких 72% не перевищують 15º, 83% – 20º.