книги из ГПНТБ / Рубахин, В. Ф. Психологические основы обработки первичной информации

В экспериментах на опознание с альтернативными ответами выделяются три типа восприятия у испытуемых по характеру со­ отношения аналитических и синтетических процедур:

а) аналитический, с преобладанием развернутого анализа, со скрупулезным проникновением в детали воспринимаемой структуры; б) синтетический, с преобладанием синтетических операций, целостным отражением воспринимаемых структур; в) промежуточный. По полученным данным, подобная классифи­ кация испытуемых связана не только с особенностями их вос­ приятия, но и общим психологическим складом личности. К ана­ литическому типу чаще относятся «осторожные» испытуемые, стремящиеся к альтернативным ответам, даже при высоком каче­ стве изображения; к синтетическому типу — «решительные» ис­ пытуемые, стремящиеся к категорическим ответам при самых низких уровнях разрешения. Соотношение между аналитическими и синтетическими операциями у испытуемых, как будет показано дальше, меняется в генетическом плане, по линии «усиления» синтетических. Однако индивидуальные различия у наблюдателей сохраняются.

Для дальнейшего изложения важно отметить психологические особенности экстраполяции воспринимаемых зашумленных стиму­ лов к «реальным» (внешним) эталонам. Большинство наблюдате­ лей в процессе экстраполяции опирается на выявление признаков воспринимаемой информационной модели в эталонах. Это под­ тверждается наблюдениями за испытуемыми и их речевыми отве­ тами. Другая часть испытуемых стремится «достраивать» текущий образ зашумленной модели до эталона. Полученные материалы говорят о большей эффективности и «экономичности» первого пути.

Вопрос оценки индивидуальных эвристических качеств тре­ бует самостоятельного изучения.

§3.6. Проблемы количественной оценки приема

ипереработки первичной информации оператором

Процессы восприятия детерминированы, с одной стороны, решаемой перцептивно-опознавательной задачей, а с другой — информативностью воспринимаемых стимулов. Последняя опре­ деляется совокупностью структурных и внеструктурных парамет­ ров стимулов. К структурным относятся система информативных признаков и степень их выраженности; к внеструктурным — система и величина алфавита стимулов, вероятностное распределе­ ние стимулов, взаимосвязи между ними. Для полного учета этих параметров необходим системный подход.

Как было показано выше, восприятие сложных изображений в процессе дешифрирования представляет собой, по сути дела, решение многоуровневой задачи. Очевидно, на каждом уровне извлекается различное количество информации. Отсюда возникает

128

необходимость разработки иерархической системы показателей оценки извлекаемой информации. Эти показатели должны прежде всего отражать систему и величину алфавита опознаваемых объ­ ектов; вероятностное распределение объектов и взаимосвязи между ними; систему информативных признаков.

Нетрудно видеть, что теоретико-вероятностный подход к из­ влечению информации при восприятии и опознании, основанный на предположении о том, что этот процесс опирается на оценку человеком вероятностных характеристик предъявляемой последо­ вательности стимулов с учетом длины их алфавита, в данных усло­ виях ограничен. Дифференцированная система вероятностных оценок, нередко используемая в практике дешифрирования, включающая оценку полноты дешифрирования, достоверности (ве­ роятности) опознания, точности ответа и т. д., имеет определенные недостатки. К ним могут быть отнесены: разнородность показате­ лей, трудности формализации, шкалирование по разным основа­ ниям, трудности учета уровня опознания. Подобные системы не позволяют строго оценивать результаты, содержащие разную степень неопределенности. Они могут иметь значение для реше­ ния частных задач.

Более эффективен теоретико-информационный подход, но при корректном использовании аппарата теории информации с учетом психологических закономерностей переработки информации опера­ тором. Этот подход позволяет ввести более универсальную систе­ му, основанную на определении количества извлекаемой информа­ ции, учитывая уровень опознания, характер различных видов ошибок, включая пропуски, в принципе без потерь информации. Однако на этом пути много трудностей, ибо «канал» переработки информации здесь детерминирован весьма относительно; простран­ ства сигналов на входе и выходе системы не определены или опре­ делены условно-избирательно; алфавит сигналов зачастую не­ известен.

Исходя из многоуровнего характера перцептивно-опознава­ тельной деятельности при обработке первичной информации, предложены системы количественной оценки извлекаемой инфор­ мации при опознании дискретных стимулов и простых целост­ ных ситуаций [150, 204].

3.6.1. Система информационных показателей для дискретных стимулов

Система показателей для дискретных стимулов включает:

а) показатели классификационной информативности, отражаю­ щие иерархическую систему алфавита опознаваемого множества объектов, с условным делением их на подмножества;

б) показатели относительной (экспериментальной) информатив­ ности, отражающие величину алфавита на уровне определенного

подмножества, с учетом взаимосвязей («перепутываыия») между зашумленными стимулами и ошибок всех родов;

в) показатели абсолютной информативности, отражающие внутриструктурную информативность, присущую тем или иным сти­ мулам на уровне основного множества.

Каждый из этих показателей отражает некоторые компо­ ненты информации. Между ними существует определенная связь.

Для выявления количества предъявляемой информации (при избирательном решении задачи) и для упрощенного вычисления количества извлекаемой при дешифрировании информации с уче­ том уровня опознания могут быть использованы показатели клас­ сификационной информативности с применением «иерархических альтернатив». Для их реализации необходимо построение иерар­ хического алфавита дешифрируемого множества объектов с деле­ нием на подмножества (классы, подклассы, типы и т. п.).

Тогда количество информации на уровне класса, подкласса и типа в случае равновероятности объектов и других ограниче­ ний может быть определено двумя способами: 1) непосредственно по формуле (1.12), исходя из количества типов, принадлежащих данному классу и подклассу; 2) более точно, как разность между исходной энтропией и остаточной неопределенностью, используя выражения:

где N x, N m — количество типов объектов, принадлежащих дан­ ному классу и подклассу.

Понятно, что количество рядов в (3. 13) зависит от принятой таксономической классификации. При опознании на уровне типа неопределенность системы полностью снимается и количество информации становится равным исходной энтропии. При подсчете количества информации следует учитывать разную величину алфа­ вита сформированных классификационных категорий.

Практически задача сводится к подсчету общего количества опознанных объектов разного уровня опознания и определению взвешенного среднего.

Приведем пример из области лесного дешифрирования. Классификационная система лесов европейской части СССР

условно была подразделена на 9 классов — лесных формаций, каждая из которых включала 3 подкласса — подформации, а под­ класс — 3 типа; всего типов iV=81. Тогда количество информации, извлекаемое при дешифрировании на уровне класса, — / к= =3.17 дв. ед., на уровне подкласса — / пк=4.74 дв. ед., на уровне типа — / т= 6.32 дв. ед. За счет знания априорной информации исходная энтропия уже заранее может быть сужена, а количество информации увеличено.

130

Следует подчеркнуть, что изложенная методика дает прибли­ женную оценку извлекаемой информации. Для того чтобы пол­ ностью преодолеть сформулированные выше трудности и получить более объективные результаты, необходимо введение указанных выше дополнительных критериев. Для этих целей необходимы также систематизация и формализация дешифровочных признаков объектов, их весовая оценка, набор статистики по распределению дешифрируемых объектов и их признаков.

Для расчета относительной информативности, на основании проведенных исследований, может быть использована следующая методика:

а) оценка вероятности опознания дешифрируемого объекта у} при его предъявлении xi=1—Рх{=1(у^)',

б) оценка вероятности принятия в качестве дешифрируемого объекта — у при предъявлении всех объектов алфавита;

в) оценка вероятности отказа от опознания — Рк; г) определение информативности зашумленного объекта в г-м

д) определение средней информативности объектов в условиях

помех:

s

В соответствии с теорией информации среднее количество информации, заключенной в признаках предъявляемого объекта х{ о других объектах ал­ фавита yj, может быть определено из выражения

Количество информации в x i по отношению ко всем объектам алфавита равно:

* Аппроксимирующие экспериментальные данные выражений (3. 14) и (3. 15) получены В. И. Николаевым и В. Ф. Рубахиным.

9* 131

Последнее выражение в значительной мере свободно от объема исследуе­ мого алфавита объектов. Связь с ним осуществляется лишь через значение Р (уj). Однако это связь достаточно слабая, что подтверждается специальными расчетами по последовательному исключению из алфавита различных объек­ тов (при обработке экспериментальных данных). При таких операциях ло­

гарифм отношения- '"•=7 (Vj)■меняется сравнительно незначительно. А если

P(Vi)

учесть, что с уменьшением объема алфавита происходит перераспределение вероятностей, то следует ожидать еще меньшего влияния отмеченного фак­ тора.

Для учета отказов, которые уменьшают информативность предъявляе­ мого стимула, формула информативности должна быть уменьшена в (1—Рк) раз.

Так определяется относительная (экспериментальная) информативность зашумленных информационных моделей.

Для более точного определения количества перерабатываемой информа­ ции оператором-дешифровщиком целесообразно использовать систему пока­ зателей «классификационной» и относительной (экспериментальной) инфор­ мативности.

Для расчета абсолютной (теоретической) информативности применительно к зашумленным изображениям геометрических фигур была разработана спе­

где S0 — площадь круга, в которой вписывается фигура; S — площадь за­ черненной части круга, потенциального источника помехи, за счет размытости

Очевидно, что абсолютная информативность практически выражается через относительную.

На основании изложенных методик была рассчитана абсолют­ ная информативность всех геометрических фигур, рассмотренных в § 3.4, с учетом действия шумов, и определена их относительная информативность с использованием экспериментальных данных по всем уровням зашумленности, при различных способах наблю­ дения, с учетом их весов (табл. 3.10).

* Для этих целей, в случае сложных фигур, может быть использована и описанная выше энтропийно-смысловая методика.

132

Затем была найдена зависимость между этими двумя значе­ ниями информативности, которая аппроксимируется линейным уравнением регрессии, рассчитанным по способу наименьших квадратов (рис. 3.24):

ностью 0.95. Корреляция существует с вероятностью 0.99. Как видно из приведенных данных, экспериментально опре­

деленная информативность зашумленных стимулов примерно в 1.5—2 раза меньше абсолютной. Следовательно, в опыте на разных уровнях зашумленности не вся информация извлекается. Это зависит как от нарушенности структурной целостности сти­ мула, так и от величины алфавита. Видимо, в процессе восприятия и опознания информационных моделей функционирует несколько механизмов извлечения информации, причем роль механизмов абсолютной информативности повышается при низких разреше­ ниях, в условиях перепутывания стимулов, когда величина алфавита сказывается незначительно.

Рассматриваемая проблема имеет серьезное значение для инженерной психологии вообще и для обработки нечисленной информации в частности. Здесь содержатся потенциальные воз­ можности объективного решения ряда вопросов оптимального кодирования информации и построения приборных информа­ ционных моделей. Велико значение данной проблемы и для прогно­ зирования степени эффективности дешифрирования первичной информации в зашумленных условиях. Приведенное выше выра­ жение относительной информативности (3.15) может рассматри­

133

ваться как количественный показатель системы «алфавит объек­ тов—реальный наблюдатель». Для его практического использо­ вания необходимо нахождение средней информативности объектов алфавита в различных литерных условиях. Этот показатель может быть найден по предельным значениям. Для общего прогно­ зирования эффективности необходимо установление закона изме­ нения информативности и, следовательно, вероятности от литер­ ных характеристик информационной модели. Для этих же целей могут быть использованы и другие показатели информативности.

Л

Однако для разработки общей теории информативности зашум­ ленных информационных моделей необходимы дополнительные эксперименты, дальнейшее психологическое обоснование функ­ ционирования различных механизмов информативности и очень тонкое использование аппарата теории информации с учетом влия­ ния различных факторов на конечную эффективность и определе­ ния их значимости (ценности).

Исследования последнего времени (О. В. Ронжин и др.) сви­ детельствуют о необходимости учета временной неопределенности при определении количества информации, перерабатываемой опе­ ратором за некоторый отрезок времени. Количество информации определяется на основе оценки формируемых безошибочных ответ­ ных действий, с последующим суммированием всех «дискретов».*

* См., например: О. В. Р о н ж и н . Некоторые аспекты информацион­ ной теории процесса управления в системах «человек-машина». Тезисы докла­ дов IV Всесоюзного совещания по автоматическому управлению. Тбилиси, 1968.

134

3.6.2. Зависимость эффективности опознания дискретных стимулов от информативности фигур

Рассмотрим непосредственную зависимость эффективности ■опознания от информативности фигур. Прежде всего определим зависимость экспериментальной информативности фигур от разре­ шающей способности их изображений. В табл. 3.11 приведены

средние значения информативности (в дв. ед.) но всем фигурам для каждого уровня разрешения, начиная от самого низкого. По данным табл. 3.11 построен график (рис. 3.25), свидетельствующий об экспоненциальном характере зависимости средней информа­ тивности фигур в опыте от уровня разрешения.

Для объектов различной конфигурации эта зависимость варьи­ рует в определенных пределах. На рис. 3.26 представлены выбо­ рочные графики зависимости информативности от уровня разре­ шения для некоторых экспериментальных фигур первой, второй и четвертой групп. Эти графики говорят о том, что информатив­ ность фигур по мере улучшения разрешения изменяется неодина­ ково. Фигурально выражаясь, на низких и средних уровнях разрешения то одна, то другая фигура «вырывается» вперед в соответствии со спецификой своих признаков. Видно, что перво­ начально «лидирует» объект № 4 силуэтного типа, близкий к кругу, за счет действия эффекта «спутывания»; затем «выходит вперед» объект № 1, имеющий разорванный контур с вытянутыми элементами; при i?^3.55 дв. ед. объект № 4 «опережается» объек­ том № 12, имеющим квадратную форму, и т. д. На изменение относительной опознаваемости различных фигур в разных усло­ виях шума обращается внимание в [21, 79]. Динамика функцио­ нальной изменчивости признаков по мере зашумления стимулов требует специального изучения.

Какова же зависимость вероятности опознания от информа­ тивности фигур? Как видно из рис. 3.27, зависимость эта линей­ ная, описываемая следующими уравнениями:

135

а) для экспериментальной информативности

с коэффициентом корреляции 0.46 < гэ= 0 .7 ^ < 0.92, с довери­ тельной вероятностью 0.95;

б)'для расчетной информативности

В обоих случаях с вероятностью более 0.95^корреляция суще­ ствует. Однако, как и следовало предполагать, разброс фигур в случае расчетной информативности больше.

При использовании всех способов и случаев опознания зави­ симость вероятности опознания от экспериментальной информа­

с более компактным распределением точек (гэ=0.88).

136

Итак, обычная вероятность опознания геометрических фигур, не вскрывающая подлинную вероятностную картину, находится в прямо пропорциональной зависимости от количества заключен­ ной в них информации. Наибольшей эффективностью опознания отличаются объекты первой группы, имеющие определенную внутреннюю структуру, наименьшей эффективностью — силуэт­ ные объекты четвертой группы. Объекты второй и третьей групп, включая круг, занимают в зашумленных условиях срединное

Роп

ординат — отн. ед.) от информативности (по оси абсцисс — дв. ед.).

положение. В условиях опыта оптимальными оказались наиболее сложные знаки.

Полученные результаты на первый взгляд противоречат дан­ ным [46, 152]. В этих работах показана обратная зависимость вероятности опознания контурных объектов от степени сложности их контура, оцениваемой в энтропийных мерах, с помощью поляр­ ной развертки. По результатам экспериментов [152], вероятность опознания фигур в условиях ограниченного времени наблюдения уменьшается более чем в два раза с увеличением энтропии кон­ тура.

Дело в том, что если в наших экспериментах опознавался сравнительно однородный класс правильных геометрических фи­ гур, то в рассматриваемых экспериментах опознавались объекты, относящиеся к трем классам: правильным геометрическим фигу­ рам, неправильным линейно-ломаным фигурам, географическим контурам. Причем предъявлялись представители всех этих клас­

137