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

стает, а разрешающая способность уменьшается. Так происходит взаимный обмен разрешающей способности и световой чувстви­ тельности. РП функционирует как своеобразная следящая система, реагируя лишь на изменение освещенности, подчеркивая только смену состояния разражителя. Обратную связь обеспечивает глазодвигательная система. Выявленные зоны нечувствительности, в которых мигрирующие точки фиксации не вызывают ответной реакции, ограничивают автоколебания системы. Выделение изме­ нений в пространстве и времени обеспечивает декорреляцию, т. е. нарушение избыточных статистических связей. По сути дела декорреляция — первая стадия кодирования сигнала в зритель­ ном анализаторе. Практически декорреляция в сетчатке осущест­ вляется разными способами, в частности предсказанием, индук­ цией, кинестетическим путем [83]. Система предсказания в сет­ чатке довольно сложная. Замечено, что глаз человека реагирует не только на первые разности сигналов (первые производные), но и на вторые и более высшие производные. Так осуществляется обработка зрительной информации в РП.

Дальнейшая обработка зрительной информации, связанная с перекодированием непрерывных сигналов в дискретные нерв­ ные импульсы, происходит в ганглиозных клетках. Отсюда им­ пульсы идут по волокнам зрительного нерва в подкорку и кор­ ковый центр зрительного анализатора. Скорость передачи им­ пульсов колеблется в пределах от 6 до 60 имп./сек. Зрительная информация здесь кодируется частотой импульсов, числом им­ пульсов в посылке, а также распределением интервалов между импульсами. В подкорковых зрительных центрах осуществляется общее редуцирование поступающих импульсов. Дискретизация сигналов с последующим их декодированием и объединением в известной мере обеспечивает генерализацию зрительного воспри­ ятия и уменьшение вредного воздействия случайных помех на этот процесс.

Окончательная обработка информации, связанная с декоди­ рованием нервных импульсов, формированием и запечатлением зрительных образов в виде психического изображения, их опоз­ нанием, а также управлением зрительным процессом, происходит в корковом центре анализатора. Современные исследования поз­ воляют говорить о наличии по крайней мере трех иерархически связанных друг с другом зон в корковом отделе зрительного анализатора [178]. Первичная зона состоит в основном из высоко­ специализированных нейронов, избирательно отвечающих на элементарные яркостные, геометрические и цветовые параметры (признаки) сигнала. В [84 и др. ] показано, что продолжительность выделения подобных элементарных признаков постоянна и не зависит от их информационного содержания. Следовательно, корковые РП, состоящие из специализированных клеток, видимо, «работают» по врожденным программам безусловно-рефлектор­

30

ного типа. В настоящее время достаточно подробно изучены РП, выделяющие элементы формы: углы наклона линий и длины линий контура. В первичной зоне осуществляется анализ элементов «проекционного сетчаточного изображения». Вторичная зона со­ стоит не только из специализированных, но и из ассоциативных нейронов различного характера, обеспечивающих избирательное объединение (синтез) выделенных элементов. В следующей зоне, целиком состоящей из ассоциативных и так называемых мульти­ модальных нейронов, осуществляются преобразование признаков и становление зрительного образа нак некоторого целостного образования. Корковые РП последних зон «работают» по времен­ ным, условнорефлекторным программам. Так ценой сложной структуры корковых РП обеспечивается высокая степень кор­ ковой интеграции.

Физиологические механизмы процессов обработки информа­ ции на корковом уровне, представляющие особый интерес для

наков образов, связанный с функционированием корковых РП по генетически закрепленным программам; б) механизм выделения так называемых сложных признаков, связанный с функциониро­ ванием сложных нейронных сетей по условнорефлекторным прог­ раммам. В той же работе делается интересная попытка раскрыть процедуру опознания отдельных образов или системы образов на основе использования присущих им сложных признаков. Показано, что эта процедура опирается на последовательное развертывание признаков, инвариантных к оптическим и геомет­ рическим преобразованиям, без поэлементного описания, за ис­ ключением случаев совершенно незнакомых объектов. В качестве одного из доводов в пользу этого положения приводятся экспе­ риментальные материалы о зависимости времени опознания це­

сификации образов на одном уровне, с последующим выбором наиболее адекватного из «словаря зрительных образов».

Однако такой подход, опирающийся на трактовку образа, как отражение формы (контура) объекта, и сложных признаков, как некоторых статических интегральных образований, выпол­ няющих разделительную функцию в пространстве образов, не­ достаточно полно раскрывает механизмы опознавательного про­ цесса в случае зашумленных изображений и не показывает их связи с механизмами становления образа. Здесь не учитывается многоуровневость опознавательного процесса с изменением ин­ формативности воспринимаемых объектов при переходе от одного уровня к другому. Процессы преобразования и объединения приз­ наков, формирования инвариантных структур, синтеза эталонных

31

образов и опознания сложных изображений более адекватно1 раскрываются на основе собственно психологического анализа перцептивно-опознавательной деятельности, что будет показано в следующей главе.

Ряд работ [51, 126] посвящен исследованию мнемичес-ких свойств зрительной системы. В них показано, что сенсорные и мнемические функции этой системы находятся в единстве. Кратко­ временная память есть не что иное, как состояние рецепторного звена зрительного анализатора. Специальные эксперименты, про­ веденные по методике стабилизации изображения относительно сетчатки, показали, что на короткое время сетчатка запечатляег большое количество стимулов («иконическая» память). Ограни­ чение объема кратковременной памяти, по мнению авторов, свя­ зано лишь с разрешающей способностью сетчатки и явлением иррадиации. Мнемические процессы имеют избирательный ха­ рактер и обеспечивают избирательность восприятия. Нам пред­ ставляется, что исследования рассмотренного цикла имеют су­ щественное значение для выяснения природы структурирования сложных признаков в процессе опознания образов.

Как видно из изложенного, прием и первичная обработка зрительной информации осуществляются на основе совместного функционирования сенсорного и кинестетического аппаратов, но приоритет принадлежит первому из них.

Взаимодействие функций сенсорного и эффекторного звеньев зрительной системы в целом раскрыто в [167]. Авторами пока­ заны отличия проекционных сетчаточных эффектов, обеспечи­ вающих интеросистемную афферентацию двигательных процессов и получение прединформации об объектах от центрального пер­ цептивного образа и динамика становления последнего.

§ 2.2. Эффективность функционирования зрительной системы при восприятии первичных информационных моделей

Эффективность зрительного процесса при рассматривании малых деталей, с которыми приходится иметь дело при восприятии зашумленных изображений, определяется различительной, в том числе цветоразличительной, чувствительностью, разрешающей способностью зрительного анализатора и продолжительного вос­ приятия [246]. С другой стороны, эффективность этого процесса зависит от характера воспринимаемых объектов; технических характеристик системы построения информационной модели; ат­ мосферно-оптических и съемочных условий; физической природы самих изображений.

Ниже рассматривается эффективность функционирования зри­ тельной системы, главным образом при дешифрировании наиболее изученных аэрофотографических изображений, включая неко­ торые их разновидности.

32

2.2.1. Светоразличительная чувствительность

Как известно, светоразличительная (контрастная) чувстви­ тельность анализатора обратно пропорциональна порогу конт­ растности и зависит от силы раздражителей, взаимодействия их между собой, яркости поля адаптации, места и площади раздра­ жения на сетчатке, продолжительности раздражения, от исходного уровня возбуждения анализатора, от взаимодействия различ­ ных анализаторов между собой и от ряда других общих физи­ ологических условий [157]. Она изменяется у различных опера­ торов в значительных пределах.

Под дифференциальным порогом контрастности понимается отношение минимальной, еще ощущаемой, разности яркостей объекта и фона (А В = В —Вф) к яркости фона (Вф). При средних яркостях раздражителей отношение прибавки к величине исход­ ного раздражителя константно:

ДВ

К = -g—= const (закон Вебера).

Фактически ощущения изменяются медленнее, чем растет сила раздражителя. По Фехнеру, интенсивность ощущения растет пропорционально логарифму раздражения. Однако и этот закон имеет лишь приближенное значение. Исследования последних лет показывают, что связь между изменениями интенсивности раздражителей и интенсивности ощущений является нелинейной, связанной с изменениями чувствительности анализатора, со ско­ ростью изменений раздражителя и т. д. [174]. Более точно пороговые отношения описываются степенной функцией. По мне­ нию ряда исследователей, процесс различения имеет «квантовый» характер. В [20] выдвинута гипотеза о зонном изменении порога различения, зависящем от отношения между приростом перемен­ ного раздражителя и разрешающей способностью сетчатки.

Для учета скорости изменений интенсивности раздражителя введен динамический порог различительной чувствительности. Наряду с интенсивностными порогами ныне выделяют временные и пространственные пороги, находящиеся в тесном единстве. Интересная «поведенческая» концепция пороговых процессов раз­ вивается в [114]. Автор показывает относительный характер функционирования этих процессов.

Для решения практических задач в инженерно-психологи­ ческих исследованиях введено понятие оперативного порога различения, как правило, на порядок превышающего значения дифференциального порога. Дифференциальный порог контрастной чувствительности (К) не является постоянной величиной. Он зависит от абсолютной яркости объекта и фона, от угловых раз­ меров объекта, от четкости его контура. Применительно к аэро-

снимкам, по данным Г. П. Жукова, К зависит от ширины полосы размытости (I) между смежными плотностями:

коэффициент, зависящий от формы полосы размытости (для прямоугольной и близкой к ней формы е= 8.4 мм); К 0 — порого­ вая разность плотностей при отсутствии полосы размытости.

На практике порог контрастной чувствительности для объ­ ектов с угловой величиной ая^1° при нормальных условиях освещенности, при резкой границе между объектом и фоном и недефицитной продолжительности наблюдения в среднем равен 0.02 [192]. Этот порог может уменьшиться при благоприятных условиях до 0.01 и в десятки раз увеличиться при ухудшении условий рассматривания. Так, например, на аэроснимках при наличии значительных полос размытости величина К достигает 0.35 [256]. При благоприятных условиях величина К обеспечивает восприятие яркостных контрастов между объектами, передающихся фотоэмульсиями существующих аэропленок.

Рекомендуемая в инженерной психологии зона контраста лежит в пределах от 0.65 до 0.95, причем оптимальным является контраст, равный 0.85—0.9 [132]. Следует сказать, что уровень «видимости» определяется отношением контраста объекта с фоном к пороговому контрасту:

Для получения хорошей видимости величина V должна быть приблизительно 15—30.

Светоразличительная чувствительность зависит от уровня адаптационной яркости. Оптимальная яркость фона приблизи­ тельно 500—700 нт. Оптимальное соотношение между самым светлым и темным объектами в поле зрения 40 : 1.

Практически зрительный анализатор человека способен раз­ личать до сотни ахроматических тонов. Под влиянием тренировки различительная чувствительность может быть значительно повы­ шена. На черно-белых аэроснимках число воспринимаемых ахрома­ тических тонов меньше: примерно 20 для матовой фотобумаги, 25 для глянцевой и 40 для позитивной пленки. Для целей дешиф­ рирования очень важна разработка градуированной шкалы ах­ роматических тонов.

Возможности дешифрирования могут быть увеличены за счет объективного изучения яркостных и контрастных характеристик изображений объектов на аэроснимке. Для этого используется микрофотометрический способ, основанный на инструментальном измерении по аэроснимкам оптических параметров дешифрируе-

34

мых объектов. В настоящее время принципам, методике и воз­ можности микрофотометрического способа в различных областях дешифрирования посвящено большое количество разработок в

СССР и за рубежом [94, 256, 302, 303, 332]. В нашей стране микрофотометрический способ всесторонне исследуется в разработках ЛАЭМ МГ СССР.

Фотометрический способ основан на измерении оптических плотностей объектов на аэроснимке (негативе) с помощью микрофотометров, денсито­ метров и других приборов. Наибольшее распространение получили реги­ стрирующие микрофотометры — МФ-2, МФА-2, МФ-4 и др. Регистрирующие

дают геометрические характеристики объектов, по оси ординат — фотоме­ трические.

Поскольку зависимости между оптическими свойствами объектов и их фотографическим изображением имеют случайный характер, постольку для получения информации об изучаемых объектах по их регистрограммам целе­ сообразно использовать многократные измерения характеристик объектов с последующей обработкой результатов с помощью аппарата математической статистики. В [94] предложен ряд статистических характеристик для мате­ матического описания аэрофотоизображения объектов: средняя деталь опти­ ческой плотности, средняя величина оптической плотности, средняя длина волн регистрограмм, средние квадратические отклонения и кривые распре­ деления каждой из этих характеристик, корреляционные зависимости между ними, автокорреляционная функция регистрограммы. Есть попытки для этих целей применить аппарат теории информации.

Сам процесс микрофотометрического дешифрирования может быть осу­ ществлен по двум направлениям: а) путем непосредственного сравнения ре­ гистрограмм с эталонными, полученными по данным многократных наблю­ дений; б) на основе предварительной статистической обработки рабочих ре­ гистрограмм и последующего сравнения полученных результатов с эталон­ ными количественными описаниями данного класса объектов. В перспективе микрофотометрирование может быть использовано в целях автоматизации дешифровочного процесса [15, 283]. В настоящее время микрофотометрический способ дешифрирования находится в стадии экспериментальных разра­ боток, На пути его реализации много трудностей, связанных с отсутствием воздушных спектрофотометрических характеристик многих объектов; влия­ нием большого количества факторов на получение аэрофотоизображения; с нестандартными условиями фотолабораторной обработки и т. п.

Разумеется, микрофотометрирование не применимо при реше­ нии сложных дешифровочных задач и может рассматриваться как вспомогательный способ, в известной мере облегчающий труд оператора.

2 .2 .2 . Цветоразличительная чувствительность

Зрительный анализатор обладает цветоразличительной чув­ ствительностью. Механизм цветового зрения далеко не изучен. В свете современных представлений природа цветового зрения связана, с одной стороны, с функционированием специализирован­ ных фоторецепторов и клеток в подкорковых и корковом центрах зрительного анализатора, а с другой — с динамикой нервных процессов, явлениями ассимиляции и диссимиляции цветочувст­

вительного вещества в клетках анализатора в зависимости от длины волны раздражителя. Согласно трехкомпонентной теории цветового зрения Ломоносова—Гельмгольца, дифференцированное восприятие цветов обусловлено функционированием трех видов нервных элементов в колбочках, чувствительных к красному, зеленому и фиолетовому цветам. В зависимости от соотношения процессов возбуждения, вызываемых в этих элементах действиями света различной длины волны, возникают ощущения разных цветов. Эти ощущения возникают в специализированных РП коры, отвечающих узким участкам спектра. Однако, как пока­ зывают исследования последнего времени, их функционирование связано с динамикой и взаимодействием нервных процессов.

Ощущение цвета зависит от интенсивности цветового тона, его насыщенности и светлоты, от действия одновременного и пос­ ледовательного цветового контраста, а также от условий и интен­ сивности освещения, величины цветовой поверхности, дистанции наблюдения, от взаимодействия различных анализаторов между

к цветовым тонам, чем к ахроматическим. Но к разным лучам спектра зрительный анализатор чувствителен неодинаково. На­ иболее чувствителен глаз к желтому и голубому цветам. Диф­ ференциальный порог чувствительности в этих участках спектра равен примерно 1 ммк. Значительно ниже чувствительность глаза к красному и сине-фиолетовым цветам. Наиболее высокое сенсибилизирующее и наименее утомляющее воздействие на чув­ ствительность глаза оказывают средневолновые участки спектра. В целом зрительный анализатор способен различать, по мнению некоторых авторов, до десяти и более тысяч цветовых тонов различной насыщенности и светлоты. Вот почему в процессе дешифрирования полезно использование цветовых (трехслойных) и спектрозональных'аэроснимков, так как на них лучше опоз­ наются многие малоконтрастные объекты, даже если разрешаю­ щая способность таких аэроснимков ниже черно-белых.

Ощущения цветов у различных наблюдателей подвержены значительным изменениям. Весьма распространены пониженная цветоразличительная чувствительность и различные виды частич­ ной цветовой слепоты, особенно на красный и зеленый цвета. Наиболее тяжелый случай расстройства цветового зрения харак­ теризуется полной цветовой слепотой. Дефекты цветоощущения имеются примерно у 10% всех мужчин и у 0.1% женщин [158].

В настоящее время в практике топографического и специаль­ ного дешифрирования используются два класса цветных аэропленок: трехлойные и спектрозональные. У первого класса аэро­ пленок (ЦН-1, ЦН-3, ЛН-5 и др.) верхний слой несенсибилизирован и чувствителен к синим лучам, средний слой — ортохрома­

36

тический — чувствителен к зеленым лучам, нижний слой — панхроматический — к красным лучам спектра. Они дают изобра­

обратимые пленки ЦО-1 и ЦО-2. Фактически цветные аэроснимки представляют собой специфические разновидности аэрофотографических информационных моделей.

Несмотря на то, что современные цветные аэропленки уступают панхроматическим (тип 10Н-800, тип II и др.) и специальным (изохроматическим, инфрахроматическим) черно-белым аэроплен­ кам по эффективной светочувствительности (в 3—4 раза) и разре­ шающей способности (в 2—2.5 раза), они отличаются более высо­ кой дешифрируемостью по целому ряду компонентов ландшафта и местных предметов.

По результатам исследований, приведенных Л. М. Гольдманом в области топографического дешифрирования в различных географических зонах

СССР [91], аэроснимки, полученные с цветных (трехслойных) аэропленок, обладают более высокой эффективностью по сравнению с черно-белыми при дешифрировании почвенных обнажений, луговых угодий, сельскохозяй­ ственных посевов, лесов осенью, различных строений (в среднем на 0.15), но уступают им в части опознания точечных и линейных объектов, требующих особой резкости изображения. Цветные (трехслойные) аэроснимки сохраняют преимущества при дешифрировании топографических объектов перед черно­ белыми, даже если они имеют масштаб в 1.5-раза мельче (для средних масшта­ бов). Исследования в области геологического дешифрирования, выполнен­ ные в СССР и США, показали, что цветные (трехслойные) аэроснимки обла­ дают хорошей дешифрируемостью скальных пород яркой окраски, но мало отличающихся по тону и структуре аэрофотоизображения [216 и др.].

На спектрозональных аэроснимках более эффективно, чем на панхроматических и цветных (трехслойных), дешифрируются лесная и кустарниковая растительность, болота, увлажненные участки, мелкие водные объекты [22, 91 и др.].

Большой цикл экспериментальных исследований в области инженерно­ геологического дешифрирования показал, что из спектрозональных аэро­ пленок при опознании внешних компонентов ландшафта — индикаторов инженерно-геологических условий — в средней полосе, на северо-востоке евро­ пейской части СССР и в Западной Сибири наибольшей эффективностью отли­ чаются СН-2м (табл. 2.1) и СН-23 [40, 42, 44].

В целом достоверность дешифрирования внешних компонентов ланд­ шафта на СН-2мна0.15—0.20 выше, чем на панхроматических аэроснимках. Особенно целесообразно ее использование в тундровых и таежных районах. Эффективность аэропленки СН-23, являющейся более универсальной, в ряде случаев еще более значительна. Повышение дешифрируемости геолого-гене­ тических комплексов отложений на аэроснимках, полученных с аэропленок СН-2м и СН-23, несомненно связано с использованием цветовой структуры аэрофотоизображения, которая весьма специфична для тех или иных комплек­ сов в определенных ландшафтно-геологических условиях. Менее исследована дешифрируемость других новых спектрозональных аэропленок. По резуль­ татам некоторых разработок аэропленка СН-4-обладает достаточно хорошей дешифрируемостью обнажений почво-грунтов и коренных пород, а СН-5 —

37

Т а б л и ц а 2.1

Сравнительная характеристика дешифрируемое^! индикаторов инженерно-геологических условий по панхроматическим

и спектрозональным аэроснимкам масштабов 1 : 10 000—1 : 20 000

растительности. Но в целом они уступают аэропленкам СН-2м и СН-23. На рис. 2.1 и 2.2 в виде примера представлены летние панхроматический и спектрозональный аэроснимки с аэропленки СН-2м в масштабе 1 : 20 000 на ландшафты Печорской низменности, а на рис. 2.3 — спектрозональный аэро­ снимок с аэропленки СН-23 в масштабе 1 : 5000 на один из ландшафтов средней полосы европейской части СССР.

Следует отметить, что соотношение цветовых характеристик природных объектов, особенно растительности, меняется в зави­ симости от сезона съемки. В частности, динамика цветовых харак­ теристик травянистой растительности, в зависимости от феноло­

38