3.2.1. Пространственные характеристики зрительного анализатора

Пространственные характеристики позволяют определить количество и размеры воспринимаемых глазом объектов и их положение в пространстве. К ним относятся: острота зрения, поле зрения, зоны зрительного восприятия, информационные поля, моторика глаз. Перечисленные характеристики играют исключительно важную роль в деятельности оператора, при создании для него зрительного комфорта и снижения за счет этого уровня зрительного утомления.

Острота зрения является характеристикой пространственного порога зрения, характеризующей разрешающую способность глаз. Острота зрения определяется величиной, обратной минимальным размерам объекта, при которых он различим глазом, т.е. минимальным углом, при котором две равноудаленные точки видны как раздельные. Эта способность зрительного аппарата оператора особенно важна при слежении за отклонениями шкальных приборов с минимальным расстояние между делениями, при высокоточной токарной обработке, работе с микросхемами и т.д.

Оценивается острота зрения угловой величиной– , определяемой по формуле V = 1/ и измеряемой в (угловых минутах)^–1. При нормальной остроте зрения опознаётся цель размером в 1 угловую минуту. При проектировании систем управления нормальная острота зрения принимается в диапазоне 1,5–1,75⁰. На остроту зрения влияет уровень освещенности, форма и цвет объекта, расстояние до него и положение относительно наблюдателя.

Решающим условием для увеличения остроты зрения, особенно при работе с видеотерминалами, является повышение яркостной контрастности от 60 до 96%.

При проектировании систем управления (лицевых частей) и их элементов (цифровых шкал, диапазона изменения стрелочных показателей) следует учитывать, что компактные объекты различаются хуже, чем удлинённые. Превышение длины объекта над шириной в четыре раза сглаживает эту зависимость. Острота зрения уменьшается при отклонении наблюдаемого объекта от направления взгяда под углом 10° в 10 раз, а под углом 30° в 23 раза.

Сведения об определении угловых размеров различных знаков и элементов изображения, предъявляемые оператору в процессе деятельности, будут приведены ниже.

Острота зрения зависит также от цветности сигналов. Это объясняется различной степенью преломления спектральных волн в сетчатке. В нормальных условиях видимости на периферийных участках сетчатки глаза крайние цвета спектра–красные, фиолетовые, а также сине–зеленые отображаются недостаточно чётко, что затрудняет чтение таких цветных символов (см. табл.). Оптимальных характеристик остроты зрения можно добиться путём применения для высвечиваемых знаков белого и жёлто–зелёных цветов (см. цвет–видность). Особенно это важно при разработке интерфейсов взаимодействия оператора с VDT, в т.ч. программных окон.

С возрастом острота зрения ослабевает и изменяется следующим образом: двадцать лет–100%, сорок лет–90%, шестьдесят—до 74% и восемьдесят—47% []. Компенсируется возрастное влияние путём повышения уровня освещения, применения оптических средств увеличения изображения (очков).

П оле зрения представляет пространство перед оператором, видимое им во время одной фиксации глаз на объекте (точке Ц), расположенном на уровне глаз. Условная горизонтальная линия, соединяющая глаз с неподвижной точкой Ц, называется горизонтальной линией взора (ГЛВ). Размеры поля зрения определяются в линейных и угловых единицах. Простpанство, воспринимаемое двумя неподвижными глазами одновременно называется бинокулярным зрительным полем, складывающимся из областей монокулярных полей зрения правого и левого глаза. Особенностью бинокулярного зрения является выраженное ощущение глубины пространства.

Средние размеры зрительного бинокулярного поля приведены на рис 3.3. Из рисунка следует, что зона видимости в фиксированном положении взгляда на точке Ц, составляет в вертикальной плоскости– 70° (30° вверх и 40° вниз от ГЛВ) и в горизонтальной– примерно 120°. Естественно, что наиболее отчетливо распознаются объекты, расположенные в зоне фиксации глаз– точке Ц. При неподвижном положении головы размеры поля зрения могут увеличиваться за счет движения глаз в вертикальном (вверх–вниз) и горизонтальном (вправо–влево) направлениях, соответственно, до 140⁰ и 180⁰. Таким образом, различительные возможности глаз в горизонтальной плоскости больше чем в вертикальной.

Наиболее характерные для деятельности оператора радиусы фиксации (фокусировки) глаза приведены на рис. 3.4: максимальный–760 мм, нормальный–560 мм и минимальный–380 мм. Эти расстояния необходимо учитывать, когда требуется выбрать необходимые варианты расположения панелей информации пульта управления, обеспечивающих оператору зрительный комфорт.

В зависимости от чёткости и времени восприятия объектов, сигналов в поле зрения условно можно выделить четыре зоны зрительного восприятия:

Зона центрального зрения (ЗЦЗ) составляет 1,5—3,0°. В этой зоне обеспечивается наиболее чёткое различение деталей, сигналов, знаков. Здесь, как правило, располагается точка фиксации глаза– Ц при распознании объекта;

Зона мгновенной видимости (ЗМВ)–18°. Зона характеризуется достаточно чётким восприятием сигналов при ограниченном времени сканирования (восприятия) информации. В её пределах на пультах управления рекомендуется размещать наиболее важную информацию, например, СОИ постоянного контроля, мониторы, высокоточные приборы и т.д.;

Зона эффективной видимости (ЗЭВ)–30° в вертикальной и 60° в горизонтальной плоскостях. Специфика данной зоны заключается в достаточно чётком восприятии объектов (сигналов) при условии концентрированного внимания. В этой зоне распознаются объекты и системы объектов без элементов малых размеров. Зона является основной в поле зрения и рекомендуется для размещения основных СОИ пульта, а также желательно и органов управления постоянного пользования. При условиях концентрированного внимания и сравнительно неподвижной позы оператора размеры ЗЭВ можно уменьшить до 30° в горизонтальной и вертикальной плоскостях;

Зона периферического зрения (ЗПЗ)– в вертикальной плоскости–70°, горизонтальной–90°. В ЗПЗ объекты обнаруживаются по общим контурам, но не распознаются. Для данной зоны характерно расположение СОИ, элементов управления эпизодического пользования и второстепенного значения.

Согласно данным Международной Организации по стандартизации (ISO) рекомендуемая граница для объектов визуального контроля, СОИ, панелей управления пульта в вертикальной плоскости должна находиться в диапазоне 15⁰–50⁰ ниже ГЛВ. Компьютерная работа, слежение за монитором отличается от других видов работы тем, что требуется пристальной фиксации взгляда под одним углом. Поэтому здесь соблюдение данных рекомендаций считается наиболее актуальным.

Размер поля зрения может изменятся вследствии следующих факторов:

• наличия габаритных и тяжеловесных средств защиты головы (шлем, противогаз, маска, скафандр), акустических (наушники, головной телефон, микрофон) и визуальных устройств (очки, виртуальный шлем), которые осложняют подвижность головы;

• ограниченности поворота глаз вследствие выступающих элементов оборудования;

• конструкции рабочего кресла с ремнями фиксации тела, когда движение головы ограничено подголовником;

• вида окружающей среды–воздух, вода, космическое пространство. Так, например, при глубоководном погружении водолазов, поле зрения уменьшается вследствии множественного преломления световых лучей под острым углом. В результате объекты под водой воспринимаются с искажением расстояния в сторону уменьшения, т.е. более близко и, соответственно, больше естественных размеров;

• движения объекта слежения относительно оператора или оператора относительно объекта наблюдения, а также их совместного перемещения;

• энергетических характеристик контролируемых объектов.

Следующими пространственными характеристиками зрительного анализатора являются информационные поля. Учитывая важность этих компонентов в операторской деятельности, рассмотрим их более подробно.

Информационное поле—область поля зрения, в которой находятся источники и средства отображения информации (СОИ), необходимые оператору в процессе деятельности (управления). Для большинства современных систем управления характерно наличие двух видов информационных полей: информационное поле пульта (ИПП) и информационное поле за пультом (ИПзП). Источник информации в ИПП располагается непосредственно на пульте управления в виде лицевых панелей СОИ, а в ИПзП —за пределами рабочего места (диспетчерские щиты, мнемосхемы, экраны коллективного пользования и другие объекты наблюдения). Для зоны ИПзП характерно наличие контролируемой области (КО), поток информации из которой менее интенсивен по сравнению с ИПзП, но она необходима в целях безопасности работы. В работе оператора основным элементом информационного поля является информационная модель, правила построения которой рассмотрены в параграфе 5.5. При офисной работе в состав информационного поля входят: VDT (видеодисплейный терминал), коммутатор внутренней связи, телефонный, факсимильный аппарат, множительная техника, текстовая документация, переговорное устройство в виде микрофона, дигитайзер, экран коллективного пользования для пресс–конференций, вывода текущей информации.

П ри размещении ИП следует учитывать, что различительная способность глаз в вертикальной плоскости ниже линии ГЛВ лучше, чем выше её. Это объясняется тенденцией расхождение глаз при рассмотрении объектов выше ГЛВ и стремлением сойтись при наблюдении объектов ниже ГЛВ. Кроме того, в области выше ГЛВ, человеку свойственно оценивать объекты с искажением размеров в сторону уменьшения истинных, при этом расстояние до них воспринимается большим, чем в реальности. Для нижних областей характерна противоположная тенденция, т.е. мы воспринимаем объекты расположенными к нам ближе. Этим объясняется выбор направления линии взора НЛВ, как оптимальной для размещения центральной части ИПП. Эргономическими исследованиями было установлено, что распознание объекта на уровне НЛВ создаёт наиболее благоприятные условия работы, обеспечивающие комбинированный визуальный контроль ИПП и ОУ, ручных действий. В данных условиях не возникает сильных напряжений в шейном отделе позвоночника и сокращаются головные боли. Это актуально при работе с визуальными системами, управляемыми клавиатурой, когда приходиться выбирать оптимальные размеры пространства для одновременной регистрирации и корректировки с помощью ОУ информационных данных.

Размеры ИПзП и КО должны быть согласованы со зрительными возможностями оператора с учётом структуры поля зрения, границ зон зрительного восприятия и заданных условий обзора этих полей. Размеры ИПзП и КО непосредственно влияют на параметры пульта управления и прежде всего на его максимальную высоту. Для определения размеров ИПзП, КО и максимальной высоты пульта (h_{n max}) следует выполнить графические построения, показанные на рис. 3.4.

Из рисунка следует, что вертикальные размеры КО—Н и ИПзП —h зависят от углов их обзора, соответственно ^/_в и ^//_в, а также от расстояния центров этих полей (точка Ц) до глаз оператора (L) и определяются по формулам:

, ,

Горизонтальные размеры ИПзП–B и КО–b определяются по аналогичному выражению с учетом угловых размеров в горизонтальной плоскости ^/_г и ^//_г.

Для создания оптимальных условий визуального наблюдения ИПзП и КО следует использовать следующие эргономические рекомендации:

• точка Ц должна находиться на уровне глаз, т.е. условная прямая ЦГ совпадает с ГЛВ;

• ИПзП должно размещаться в ЗМВ, т.е. ^/_в=^//_r=18°, а КО в ЗЭВ, т.е. ^/_в=30° и ^//_r=60°;

• по точности восприятия наилучший фронтальный обзор в горизонтальной плоскости обеспечивается при угле обзора 30°. При боковом восприятии СОИ угол обзора не должен превышать 40°, т.к. при его увеличении происходит геометрическое искажение изображения, называемое явлением параллакса;

• при размещении ИПзП и КО следует соблюдать оптимальное расстояние между ними и оператором, равное 3–4м.

Увеличение вышеуказанных угловых и линейных значений способствует ухудшению восприятия информации оператором, и следовательно –повышению напряжённости зрительной системы и увеличению уровня совершаемых ошибок.

Использую знания особенностей пространственного восприятия можно рационально спроектировать:

• пространственное размещение СОИ на рабочем месте в операторском помещении;

• оптимальные размеры диспетчерских щитов, мнемосхем, дисплеев и их элементов (знаков, символов), параметры других наблюдаемых объектов и расстояния между ними и оператором.

Кроме этого эффективность выше указанных рекомендаций в процессе контроля ИП может быть увеличена при учёте моторики глаз, т.е. траектории движения глаз при фиксации контролируемых объектов. Особенности моторики зрительного аппарата при восприятии объектного мира учитываются, прежде всего, при компоновке СОИ по принципу важности и последовательности их использования.

Эксперименты и практический опыт свидетельствуют, что игнорирование закономерностей моторики глаз может привести к возникновению и развитию негативных функциональных состояний: монотонии, потери бдительности, наблюдательности и т.д. Поэтому при проектировании рабочих мест сложных систем управления необходимо учитывать ряд особенностей моторики глаз, способствующих зрительной работоспособности и минимальной утомляемости глаз. Эти особенности и определяют точки появления двоящихся, пересекающихся изображений, различные возможности зрительного восприятия при изменении угловых размеров наблюдения за объектами системы управления. Движения классифицируются в зависимости от: направления движения глаз на вергентные, содружественные и вращательные; времени и функциональных связей с мозгом на саккады, периоды фиксации и следящие движения; от компонетов деятельности на гностические и поисковые.

Первая группа определяет пространственную настройку глаз, например при вергентных движениях, при которых направление движения глаз зеркально симметричны возникает явление конвергенции, заключающиеся в сближении зрительных осей при наблюдении объекта, расположенного на расстоянии 100–700мм от переносицы. Его продолжительность составляет 165мс. С увеличением расстояния восприятия до 760мм и более, происходит дивергенция, сопровождающаяся расхождением глазных осей;

При переводе взгляда с близкорасположенного объекта, находящегося в правой части поля зрения на более дальний в левой области и наоборот, вергентные и содружественные (вверх–вниз, вправо–влево) движения глаз выполняются одновременно. Такая настройка зрительного аппарата переводом взгляда называется аккомодацией. Явление аккомодации характерно для работы оператора различных сфер деятельности (транспорт, энергетика) когда он одновременно контролирует области ИПзП и ИПП. Соответственно это требует определённых энергетических и временных затрат.

В процессе распознания объекта глаза совершают несколько видов движений–скачки (саккады), периоды фиксации и медленные следящие движения глаз.

Саккады–быстрые скачки глаз при свободном рассматривании объекта, совершаемые с одной точки фиксации на другую. Амплитуда саккадических движений глаз может варьировать от нескольких угловых минут до нескольких градусов (например, при переводе взор из левой части поля зрения в правую). Средняя угловая скорость глаз увеличивается одновременно с амплитудой саккад, и доходит до 200–600 колебаний в секунду. Длительность саккады варьирует от 10 до 80 мс. Саккады чередуются с периодами фиксации, длящимися до 2 с. Даже во время фиксации глаза немного смещаются за счет глазного дрожания, которое никогда не прекращается (его амплитуда составляет несколько угловых минут, а частота находится в пределах 20–150 Гц). Показатели периодов зрительных фиксаций для различных условиях поиска приведены в п. табл. 5. .

Для фиксации движущегося в поле зрения объекта характерно выполнение плавных следящих движений, состоящих из микродвижения с различной угловой амплитудой колебания от 3–30^// до 10^/ соответственно со скоростями 2–10^//с и 3–12⁰/с. При наблюдении за движущимися объектами происходит периодическое чередование саккад и медленных следящих движений глаз. Движение глаз начинается через 150–170мс с момента возникновения в поле зрения движущейся цели. Угловая скорость вращения глаз при этом примерно соответствует скорости движения предмета, при условии ограничения скорости последнего 60–80°/с. С увеличением скорости предмета следящие движения глаз происходят значительно медленнее, чем движения объекта. Это характерно при наблюдении за шкалой измерительного прибора, с движущейся в горизонтальной или вертикальной плоскости стрелкой. При оценки движущихся с одинаковой скоростью идентичных объектов (грузовой и легковой автомобиль, стрелки приборов разных размеров) скорость объекта с большими угловыми размерами (грузовик) также кажется большей по сравнению с меньшим объектом (легковой автомобиль).

При наблюдении и управлении объектами необходимо учитывать возможность возникновения зрительных иллюзий движения и временную инерцию зрительного анализатора. Зрительные иллюзии движения обусловлены временными особенностями процесса передачи сигналов в сетчатке, например при исчезновении видимого объекта из поля зрения его изображение фотографически сохраняется на сетчатке в течение долей секунды (эффект последовательно движущихся образов).

В процессе зрительного восприятия движения глаз также подразделяются на два основных класса: гностические (познавательные) и поисковые (установочные).

К гностическим относятся движения, участвующие в построении образа, опознании объекта и различении его деталей. Эти движения являются познавательными. Во время них глаза совершают фиксации и плавные следящие движения при относительно неподвижном положении глаз.

Поисковые движения направлены на фиксацию заданного объекта. Длительность простых поисковых движений Т_п определяется углом, на который перемещается взор,

Т_п=(_лат+ 0,004),

где: _лат–время скрытого периода реакции в процессе сканирования объекта. Для стандартных условий _лат принимается 0,25с.

–угол перемещения взора, град.

Основную информация глаз получает во время зрительной фиксации. В момент скачка (в среднем 0,025с) человек не принимает информации совсем. Результаты исследований показали, что время фиксации составляет 90–95% от времени зрительного восприятия. Продолжительность фиксации для различных задач и условий информационного поиска приведена в табл. 5. . Таким образом, общее время информационного поиска Т_ип имеет вид:

,

где: Т_ni и Т_fi —соответсвенно длительность i–го перемещения взора (зрительного скачка) и i–го периода фиксации глаз. Они зависят от способа кодирования информации.

n–среднее число шагов поиска, затрачиваемых для нахождения требуемого объекта.

Учитывая, что в условиях конкретной задачи, когда Т_f постоянно, а , среднее время информационного поиска составляет: , где n–среднее число зрительных фиксаций.

При нахождении в поле зрения нескольких объектов их опознание начинается практически одновременно. Однако, пока один объект не будет опознан с вероятностью 70% идентификация остальных не начнётся.

По данным эргономических исследований оценка функционального состояния зрительного анализатора должна производиться в зависимости от продолжительности информационного поиска, определяющего три режима деятельности:

• комфортный, Т_ип70с;

• напряжённый, Т_ип=40–70с;

• не достаточный для работы анализатора, Т_ип40с.

Функциональные возможности и стереотипность моторики глаз оператора при работе с конкретной системой изучается с помощью специального графического регистратора движения глаз. Запись движений глаз позволяет воссоздать двигательный "портрет стимула" и использовать его при проектировании модификаций системы управления, например, при настройке программных окон для разных операторов. Дополнительно, при продвижении продукции на рынки сбыта этот факт используется в рекламных целях.

При проектировании СОИ индивидуального и коллективного пользования, объектов наблюдения следует учитывать следующие закономерности моторики глаз с целью снижения уровня зрительного утомления:

• движения глаз должны быть в основном и горизонтальной плоскости, так как восприятие и опознании информации в этой плоскости протекают быстрее и менее утомительно, чем в вертикальной. Поэтому в системах управления СОИ располагаются на информационных щитах и панелях пультов управления горизонтальными рядами.

• ф иксационные точки распределяются главным образом по физическим характеристикам стимула в местах изображения, где имеются контрастные границы тёмного и светлого, разрывы границ или перекрывание разных границ (углы, криволинейные изгибы). Кроме этого, следует учитывать, что управление взором осуществляется также с учётом степени значимости информации для оператора.

• вынужденное считывание информации по ломанным и криволинейным контурам способствует развитию преждевременного зрительного утомления. Поэтому прямолинейные контуры, как более привычные и закономерные предпочтительнее.

• особенно регулярный характер имеют движения глаз, характерные стереотипу считывания информации печатного текста, например, данной страницы при чтении вдоль строк слева–направо со скачком влево на начало следующей строки. На амплитуду и частоту скачков влияет объём информации, характер её распределения, конфигурация символьного алфавита. Кроме того, на эти параметры оказывает влияние степень понимания оператором информации. Неясность или трудность объекта для восприятия приводит к возвратным движениям глаз в противоположном направлении–справа–налево, что крайне нежелательно. Значительным числом возвратных зрительных скачков характеризуется процесс обучения и тренировок операторов.

• при наблюдении за плоскостью панели управления, СОИ или любым другим объектом характерно направление движения глаз, показанное на рис. 3.5., т.е. в первый момент внимание оператора сосредоточено на верхнем левом углу объекта, далее взгляд перемещается на правый верхний, правый нижний и левый нижний угол. Этот принцип следует учитывать при компоновке панелей управления по принципу важности предъявляемой информации. В случае группировки СОИ на горизонтальной или вертикальной оси оператор фиксирует объекты, не требующие поворотов головы, т.е. находящиеся в зоне центрального зрения (в точке фиксации взора Ц).

Рассмотренные характеристики зрительного анализатора являются основными компонентами процесса опознания объекта. В общем, проблема формирования перцептивных (чувственных) систем представления образа и его восприятия требует дальнейшего изучения с целью разработки оптимальных систем управления и обучения, тренировки операторов.