Методы кодирования зрительной информации

В качестве элементов информационной модели, предназначенной для визуального восприятия, обычно используются цифры, буквы, геометрические фигуры, условные знаки, цветовые тона, яркости, точки, линии и т. д. При помощи этих элементов осуществляется кодирование информации о тех или иных свойствах и состояниях управляемого (контролируемого) объекта. Каждый такой элемент, являясь носителем информации, выступает для человека (или воспринимающих устройств) в роли сигнала, а последовательность элементов того или иного вида образует алфавит символов.

Выбор способа кодирования, определение характеристик отдельных сигналов и алфавита в целом – важнейшая задача, возникающая при построении информационной модели, а следовательно, и тех устройств, посредством которых она строится, т. е. систем (средств) отображения информации. Центральное место в решении этой задачи принадлежит оценке элементов информационной модели в отношении надежности и эффективности их обнаружения, различения, идентификации и декодирования человеком.

Цифровое и буквенное кодирование информации.

Исторически сложившееся цифровое и буквенное кодирование информации, позволяет передавать и принимать практически любые объемы информации. Алфавиты символов и правила пользования ими строго определены. Вместе с тем количество возможных вариантов начертания каждого символа и их комбинаций велико; человек достаточно хорошо может идентифицировать цифры и буквы, начертанные разными шрифтами или написанные разными почерками. Поэтому вполне естественно, что цифровое и буквенное кодирование нашло очень широкое распространение в системах отображения информации.

Способы получения цифровых и буквенных знаков, используемые в технике, весьма разнообразны. Но каким бы ни был способ, образуемые с его помощью знаки должны удовлетворять некоторым требованиям, вытекающим из характеристик зрительного восприятия и опознания. Эти требования относятся к размерам цифр и букв, их начертанию, освещенности, яркости (контрасту по отношению к фону), расположению в пространстве, допустимой скорости перемещения по экрану и т. д.

Скорость и точность опознания как цифр, так и букв зависят от их формы. Буквы и цифры, образованные прямыми линиями, опознаются быстрее и точнее тех, которые включают криволинейные элементы. Чем более сложную комбинацию прямолинейных и криволинейных элементов имеет цифра (или буква), тем менее точно она опознается. Точность и скорость опознания цифр и букв зависит не только от начертания каждой из них, но и от степени различия между ними. Как правило, при опознании смешиваются (перепутываются) знаки, имеющие сходные начертания (3 и 5; 2 и г; Л, А и Д; З и 3; Э и З и т. д.).

Поэтому при выборе системы начертания цифр важно учитывать различимость и опознаваемость каждой из них и алфавита в целом. Построение алфавита требует оценки степени подобия его элементов для наблюдателя.

В инженерной психологии разработано несколько систем начертания цифр, обеспечивающих достаточно высокие скорости и точность их идентификации. При создании систем их авторы исходили из анализа ошибок идентификации и стремились упростить начертание (например, свести до минимума криволинейные элементы), а также увеличить степень различия между цифрами.

Основная масса ошибок, допускаемых при опознании букв, состоит в смешении одних из них с другими. При этом характер ошибок зависит от шрифта. Так, например, прописная буква А в стандартном шрифте смешивается только с Д, в шрифте зодчего и академическом – только с Л, в промышленном – с Д и Л, в архитектурном – с буквами Д, В, Р, К. Точно так же в разных шрифтах безошибочно воспринимаются разные буквы.

При опознании букв имеют место ошибки как двустороннего, так и одностороннего смешения (аналогично опознанию цифр). Обычно смешиваются буквы, имеющие сходное начертание; буквы, резко различающиеся по начертанию (А и Ж, Ш и О), не смешиваются никогда. Иногда встречаются ошибки, обусловленные не пространственной конфигурацией букв, а подобием обозначаемых ими звуков речи (Г и К, И и Ы.).

Важными факторами, от которых зависит идентификация цифр и букв, являются их размеры, внешняя освещенность, яркость, величина контраста по отношению к фону. Исследования показали, что пороговое время экспозиции цифр (черные цифры на белом фоне) сокращается с увеличением их углового размера, но лишь до некоторой величины (рис. 1.3.5). Критическим угловым размером при освещенности от 20 до 1000 лк является 35' (по высоте); при меньшей освещенности критическим угловым размером является 52'. Пороговое время идентификации с уменьшением освещенности увеличивается. Эти данные справедливы и для букв (черных на белом фоне). Цифры, высвечиваемые в обратном контрасте, достаточно быстро и точно опознаются при значительно меньшем угловом размере (6–9' для белых цифр, отображаемых на просвет, на темном фоне).

Для больших дистанций наблюдения рекомендуется определять размер букв и цифр по формуле: h= 0,005D, где h – высота буквы (цифры), мм; D – дистанция наблюдения, мм. Рекомендуемое отношение ширины к высоте для цифр – 1:3 - 3:4, для букв – 3:5 — 1:1.

Наиболее точно опознаются высокие и узкие буквы, особенно при слабой освещенности. Толщина обводки выбирается в зависимости от высоты букв (и цифр). При диффузном освещении для белых знаков на черном фоне (обратный контраст) рекомендуется толщина обводки, равная 1/8—1/13 высоты; для черных знаков на белом фоне (прямой контраст) — 1/6—1/8 высоты. На больших расстояниях (30 м и более) при одинаковой толщине обводки белые знаки различаются лучше черных. Цифры и буквы, рассматриваемые на просвет, могут иметь толщину обводки, составляющую 1/30–1/40 их высоты. Приведенные величины характеризуют пределы, в которых желательно выбирать толщину обводки, чтобы обеспечить хорошую различимость букв и цифр.

Абстрактные геометрические фигуры и контуры.

Экспериментально показано, что наиболее быстро и точно различаются и опознаются те фигуры, контур которых имеет резкие перепады (углы); фигуры, в которых линии соединены при помощи сопряжений, различаются и опознаются хуже. По точности различения и опознания абстрактные фигуры располагаются в следующем порядке: треугольник, ромб, прямоугольник, квадрат.

1 2 3 4

Рис. 3. Последовательность фигур по точности различения и опознания

Алфавит, образованный из выпуклых правильных многоугольников, различающихся только числом углов, может включать не более четырех элементов; иначе он не обеспечит необходимой скорости и точности их различения и опознания. Различение выпуклых многоугольников, имеющих более шести углов, потребует от оператора сложной системы действий, включающих счет, что неизбежно поведет к большим затратам времени и снижению точности.

Степень различия между фигурами должна определяться в зависимости от длины всего образуемого ими алфавита. Понятно, что различение и опознание геометрических фигур зависит от их угловых размеров. При четком контуре и достаточном контрасте этот размер должен быть не менее 12 угловых минут.

Нередко перед оператором возникает задача различения и опознания сложных контуров (при работе с картографическим материалом, при радиолокационном наблюдении за местностью и т. и.). Исходя из общих характеристик восприятия, можно предполагать, что скорость, точность и полнота различения (и опознания) контуров зависят от числа их элементов, величины перепадов между элементами и пространственной ориентации контуров.

Условные знаки.

Кодирование информации при помощи условных знаков имеет очень широкое распространение. Им пользуются для передачи информации на транспорте (дорожные знаки), в медицине (символические обозначения (фармакологических веществ), на промышленных предприятиях (при построении чертежей, мнемосхем и т. д.). Этот способ кодирования начинают все более широко применять и для представления информации при помощи электронных систем отображения. Можно сказать, что знаковая индикация в каком-то отношении соперничает с цифро-буквенной. Ее преимущества состоят, прежде всего, с том, что условные знаки позволяют передавать большие объемы информации, используя для этого малое пространство. Кроме того, условный знак позволяет пользоваться принципами мнемоники. Наконец, этот способ кодирования легко сочетается с другими (кодирование цветом, величиной, яркостью и т. д.). Возможное число условных знаков практически безгранично. Человек может усвоить и пользоваться весьма длинным алфавитом. Достаточно сказать, что в китайской письменности насчитывается 40 000 иероглифов (иероглиф можно рассматривать как условный знак). Конечно, их изучение требует большого времени. Но для передачи информации оператору нет необходимости применять столь длинный знаковый алфавит, особенно если иметь в виду возможности сочетания разных способов кодирования.

По данным некоторых авторов максимальный алфавит, доступный для оператора, может включать несколько сотен знаков. Оптимальная длина знакового алфавита зависит от характера задач, которые должен решать наблюдатель.

В практике используются два способа построения знаковых алфавитов: индуктивный и дедуктивный (или их сочетания). В первом случае в качестве основы берется изображение обозначаемого объекта и затем путем редукции одних элементов и усиления других оно преобразуется в условный знак. Полученный таким способом знак сохраняет некоторые черты сходства с объектом. При построении знака вторым способом в качестве основы используются абстрактные геометрические фигуры, в которые вводятся, если это необходимо, дополнительные элементы (буквы, цифры, штрихи и т, д.).

Согласно основным принципам зрительного восприятия главную роль в опознании знака играет его контур. В зависимости от признаков отображаемого объекта к контуру добавляются внутренние и наружные детали, буквы и цифры, кроме того, используется цвет.

Как показывают исследования, количество элементов знака должно строго соответствовать количеству признаков, свойств (параметров) отображаемого объекта. Если количество элементов знака больше количества отображаемых признаков (т. е. имеется избыточность), то в этом случае наблюдается неоднозначность приема информации: человек приписывает объектам несуществующие признаки. Если же количество элементов знака меньше количества отображаемых признаков (недостаточность), то наблюдается ненадежность приема информации: при декодировании человек путает одни знаки с другими (табл.3.6).

Таблица 3.6

Зависимость точности и времени декодирования

от соотношения количества элементов знака и признаков отображаемого объекта

Соотношение количества элементов знака и признаков объекта	Ошибки декодирования, %	Время декодирования, мс
Равенство	3	223
Избыточность	9	224
Недостаточность	23	250

Сложность знака может оцениваться по числу входящих в него элементов. Знак, состоящий только из контура, можно считать простым; знак, включающий, кроме контура, один дополнительный элемент (внешняя или внутренняя деталь, буква, цифра), – средним по сложности; знак, включающий несколько дополнительных элементов, – сложным. В отношении различения преимуществами обладают простые знаки. Они различаются быстро и точно. Но в отношении опознания (идентификации) лучшими оказываются средние по сложности знаки.

Важным средством повышения опознаваемости условных знаков является использование принципов мнемоники. Многочисленными исследованиями показано, что если знаки имеют черты сходства с отображаемым объектом, то скорость и точность их декодирования оказываются высокими. Ошибок при декодировании мнемознаков примерно в 1,5 раза меньше, чем при восприятии словесных обозначений.

В процессе восприятия знака имеют место фазы, описанные выше, т. е. сначала выделяется контур, затем – внутренние и внешние детали. При опознании внутренних деталей ошибок допускается меньше, чем при опознании наружных, которые часто в восприятии как бы сливаются с основным контуром.

Цветовое кодирование.

Основными характеристиками хроматических сигналов (и объектов вообще) являются цветовой тон, светлота и насыщенность. Если использовать все эти характеристики, то человеческий глаз способен различать огромное число цветовых сигналов. Но число точно идентифицируемых сигналов невелико: в оптимальных условиях – 10 цветовых тонов (1-фиолетовый, 2-голубой, 3-зелено-голубой, 4-голубовато-зеленый, 5-зеленый, 6-желто-зеленый, 7-желтый, 8-оранжевый, 9-оранжево-красный, 10-красный). Добавив к ним белый, получим 11 цветов, рекомендуемых для составления «цветового алфавита».

Рис. 3.8 Точно идентифицируемые цвета

Однако надо иметь в виду, что видимый свет зависит от цвета освещения, расстояния наблюдения, величины окрашенной (отражающей или излучающей) поверхности, т.е. от условий работы оператора.

В ряде случаев цветовое кодирование эффективней, чем кодирование формой – различение 7-8 цветовых тонов лучше, чем различение набора, состоящего из 7-8 геометрических фигур или букв. Цветовое кодирование повышает скорость поиска и пересчета объектов определенного класса, цвет обладает преимуществом перед цифрами и формами в задачах на определение местоположения, а также в задачах, требующих мысленного манипулирования с объектами.