книги / Конструкторско-технологическое проектирование электронной аппаратуры

12. Эргодизайн электронной аппаратуры

472

12.1. Характеристика человека-оператора как звена в системе человек—машина

Взаимодействие человека-оператора с управляющей системой осуще­ ствляется поэтапно (см. рис. 12.1).

На п е р в о м э т а п е (восприятие информации) человек-оператор дос­ тупными ему анализаторами (см. табл. 12.5) проводит обнаружение объекта восприятия, выделение в объекте отдельных признаков, ознакомление с вы­ деленными признаками и распознавание объекта восприятия. Важным па­ раметром, характеризующим способность человека-оператора воспринимать поступающую информацию, является возможная скорость переработки ин­ формации (бит/с). Максимальная пропускная способность человека по воспри­ ятию информации не превышает 40 бит/с, а номинальная пропускная способ­ ность составляет 2.. .6 бит/с (для сравнения, средняя пропускная способность телевизионного канала 3 • 104 бит/с, а сетевого, например ATM, несколько Гбит) [25].

Пропускная способность человека-оператора связана с темпом (скоро­ стью) поступления информации от вычислительной системы. Низкий темп поступления информации проявляется в падении активности человекаоператора. Высокий темп, наоборот, приводит к резкому росту ошибок и отказу человека-оператора от выполнения задачи. Пропускная способность человека-оператора зависит также от условий работы и от того, насколько полно они соответствуют психофизиологическим и антропометрическим характеристикам.

На в т о р о м э т а п е (оценка информации и принятие решений) время анализа и принятия решений складывается из целого ряда субъек­ тивных характеристик, таких как: личностные характеристики умствен­ ных возможностей человека-оператора, параметры памяти, его опыт и навыки, которые трудно поддаются количественным оценкам (табл. 12.7).

На т р е т ь е м э т а п е (реакция на информацию) определяющей со­ ставляющей во времени реакции является длительность моторного дейст­ вия, которая труднее, чем латентный период поддается измерению, так как зависит от многих случайных факторов (места нахождения человека-оператора в момент приема информации, его позы, степени усталости и т. п., формы пульта управления, расположения органов управления, уровня образования и опыта работы человека-оператора и т. д.). Большинство данных парамет­ ров носит субъективный характер. Их трудно оценить численно, поэтому длительность моторного действия определяется статистически на моделях или макетах тех или иных устройств с участием человека. Средние силовые показатели групп мышц человека-оператора представлены в табл. 12.8. Время выполнения типовых операций строго регламентировано и определяется соответствующими стандартами, данные в которых устанавливаются путем экспериментальных измерений с дальнейшей статистической обработкой и усреднением (см. табл. 12.8) [20, 25].

473

12. Эргодшайн электронной аппаратуры

Таблица 12.7. Характеристики умственной деятельности человека

Примечание, б — время стирания информации; X — индивидуальный пока­ затель; ц — емкость памяти; К — характер исполнительного органа.

При разговоре люди ожидают ответа (даже если это кивок или нев­ нятное бормотание) около 2 с, и того же они ждут при работе с компьюте­ ром. Например, очень показателен пример с организацией дистанционного обучения посредством электронной почты: если в течение дня слушатель, отправивший свой вопрос преподавателю, не получает ответа, то он практи­ чески теряет интерес к данной проблеме.

Так как на представления пользователя оказывает сильное влияние его предшествующий опыт работы с технической системой, важным является преемственный и предсказуемый отклик системы. Пользователи могут об­ наружить малые изменения во времени ответа, хотя обычно малые отклоне­ ния их не беспокоят. Если при работе с системой, которая обычно дает ответ в течение 2 с, ответ задерживается до 10 с, некоторые пользователи начина­ ют нажимать клавиши, чтобы проверить, не вышла ли система из строя.

474

12.1. Характеристика человека-оператора как звена в системе человек—машина

Таблица 12.8. Средние силовые показатели групп мышц человека-оператора

Согласно известному правилу, человек может одновременно запомнить сведения о 7 j 2 предметах. Поэтому, например, номер телефона разбивают на группы цифр, чтобы набирать его можно было удобными порциями информа­ ции. Считается также, что хранение данных в памяти ограничено во времени: в среднем мы можем хранить речевую информацию длительностью 2 с. Люди имеют склонность разбивать свою деятельность на этапы, соответствующие порциям информации. Мозг делает метаморфический вздох облегчения при достижении паузы, величина которой свидетельствует о значительности паузы. Последняя группа цифр номера телефона воспринимается, например, с боль­ шим вздохом облегчения, чем любая из предыдущих групп. Задержки, предше­ ствующие завершению этапа, очень вредны и неприятны, так как содержимое временной памяти требует постоянного обновления и легко стирается под влиянием внешних факторов. Большинство людей спокойно воспринимают задержку в несколько секунд между последней набранной цифрой номера те­ лефона и моментом соединения с абонентом. Но задержка после нажатия каж­ дой клавиши цифрового телефона будет восприниматься неестественно.

475

12. Эргодизайн электронной аппаратуры

Диалог с вычислительной системой накладывает сходные требования, которые во многом определяются уровнем нервно-психологической нагруз­ ки на человека-оператора (табл. 12.9).

Таблица 12.9. Х а р а к т е р и с т и к и н е р в н о -п с и х о л о ги ч е с к о й н а г р у з к и ч е л о в е к а

Характеристики нервно-психологической нагрузки человека-оператора по вниманию

Если время ответа значительно превышает 2 с, функции, которые человек хочет или может выполнить, изменяются. Человек должен изме­ нить свой ритм работы, как вам пришлось бы изменить привычку наби­ рать телефонный номер, если бы была необходима задержка между наби­ раемыми цифрами.

Многие ранние работы, посвященные времени ответа, были выполне­ ны Р.Б. Миллером (AFIPS, 1985 г., Труды национальной компьютерной конференции), который пришел к следующему заключению: «Нельзя ука­ зать четкой границы, когда увеличение времени ответа снижает эффектив­ ность работы, скорее имеют место случайные спады в умственной деятель­ ности, если задержки превышают заданное значение. Эти случайные спады

476

12.1.Характеристика человека-оператора как звена в системе человек—машина

вопределенные моменты можно рассматривать как прерывания, снижаю­ щие психологическую деятельность».

Физиологические характеристики человека-оператора

Физиологические показатели человека являются отправной точкой для обеспечения согласования его возможностей с требованиями, опреде­ ленными машинной составляющей системы и средой обитания. Согласно требованиям эргодизайна конкретное рабочее место должно быть макси­ мально адаптировано для работника с конкретной квалификацией, учитывая его антропометрические, физиолого-психологические особенности и общие гигиенические показатели.

Гигиенические показатели регламентируют уровень комфортности среды обитания. Между комфортными и некомфортными условиями труда существует психологическая граница, а между некомфортными и невыно­ симыми (опасными) — физиологическая (табл. 12.10). Допустимые значе­ ния гигиенических параметров приведены в системе стандартов по Безопас­ ности труда и СанПиН.

Рассмотрим физиолого-психологические характеристики человекаоператора: зрительные, слуховые, скоростные, силовые, тактильные и ин­ формационные.

477

12. Эргодизайн электронной аппаратуры

Зрительное восприятие обеспечивает возможность воспринимать форму, цвет, яркость и движение. Установлено, что 80 % информации чело­ век получает с помощью органов зрения. Глаз среднего человека способен воспринимать электромагнитные излучения длиной волны 380...780 нм. Способность человека воспринимать информацию зрением характеризуется чувствительностью, полем зрения обоих глаз, остротой зрения, аккомодаци­ ей, адаптацией, конвергенцией, цветовым восприятием, стробоскопичностью и стереоскопичностью.

Чувствительность глаза зависит от уровня освещенности и яркости, диапазон оценки которой лежит в пределах от КГ4 до 10* кд/м2. Оптималь­ ная яркость фона, обеспечивающая наибольшую разрешающую способность зрения, составляет 104 кд/м2.

Поля зрения обоих глаз при неподвижном положении головы пред­ ставлены на рис. 12.2 и табл. 12.11. Увеличение углов обзора происходит при поворотах и наклонах головы и туловища. Концентрация внимания су­ жает угол эффективной видимости порядка на 30° в горизонтальной и вер­ тикальной плоскостях [25].

Таблица 12.11. К о л и ч е с т в е н н ы е х а р а к т е р и с т и к и д о с т у п н о г о зр и т е л ь н о го п р о ­ с т р а н с т в а (р и с . 12.2)

Острота зрения, или разрешающая способность — свойство глаза обнаруживать малые объекты и различать тонкие детали. Это свойство сильно меняется в зависимости от вида объекта, спектрального состава рас­ пределения энергии светового излучения, освещенности фона, контраста между объектом и фоном, продолжительности действия зрительных стиму­ лов и других факторов. Для движущихся объектов острота зрения зависит от скорости их движения. Остроту зрения выражают в единицах, обратных уг­ лу зрения. Порог восприятия минимальных движений в угловых единицах составляет: на свету при наличии неподвижных объектов — 0'21" в 1с, в темноте без неподвижных предметов — 1'15"... 1'55" в 1 с.

478

12.1. Характеристика человека-оператора как звена в системе человек—машина

Рис. 12.2. Поля зрения глаз человека-оператора:

а — в вертикальной плоскости, б — в горизонтальной плоскости; I — благо­ приятная область видимости; И — допустимая область видимости; Ш — до­ пустимая область видимости при отсутствии стола

Аккомодация — процесс фокусировки хрусталика глаза на близкие или далекие предметы. С возрастом хрусталик глаза теряет свою эластич­ ность. Объекты, расположенные на расстоянии 6 м и далее от наблюдателя, находятся для глаза в оптической бесконечности и фокусировка на эти объ­ екты не требует аккомодации.

Адаптация — изменение чувствительности глаза в зависимости от воздействия на него раздражителей. Приспособление глаза к темноте назы­ вают темновой адаптацией. При переходе из светлого помещения в темное для адаптации глаза к темноте требуется приблизительно 20 мин.

Конвергенция — нацеливание глаз на одну точку с помощью совме­ стного действия глазных мышц и хрусталика. Среднее время, необходи­ мое для нацеливания глаз и фокусировки на новую точку, смещенную на некоторое расстояние, составляет около 165 мс. При чтении с печатного листа это время составляет 20 мс, а при чтении с экрана монитора около 40 мс.

Цветовое восприятие глаза заключается в его способности различать цвета по цветовому тону, насыщенности и контрастности с фоном. Нор­ мальное цветовое зрение называют трихроматическим (трехцветным), так как любой из 160 различаемых человеком цветовых тонов можно получить в виде смеси трех базовых цветов: красного, зеленого, синего (RGB-палитра, вспомните, что современные мониторы воспроизводят 16, 256, 16К, 24К и 32К цветов).

На зрительную способность большое влияние оказывает контраст — разность яркостей объекта и фона. Существует цветовой и яркостный кон­ траст. Различают контраст прямой (объект темнее фона) и обратный (объект ярче фона). Численно контрастность можно оценить по формуле

479

12. Эргодизайн электронной аппаратуры

К = [|2?ф - Д>| /Яф] 100 % при Вф > В0,

где Вф, В0 — соответственно яркости фона и объекта.

Рекомендуемый диапазон контраста составляет 65... 100 %. Оптималь­ ный контраст составляет 85...95 % для диффузных поверхностей, равномерно отражающих падающий световой поток (в отличие от зеркальных поверхно­ стей). Яркость и освещенность связаны следующей зависимостью:

В = рЕ/п,

где В — яркость, кд/м2; р — коэффициент отражения поверхности; Е — ос­ вещенность, лк.

Стробоскопичность — свойство зрения, обусловленное задержкой в восприятии информации. Критическая частота мельканий (частота кадров), которую еще способен различать глаз, зависит от яркости. Важным для гла­ за является также соотношение между светлой и темной фазами. Если ин­ формация поступает чаще, чем ее порции становятся различимыми, то от­ дельные ее фрагменты могут не восприниматься. Сильное мерцание изо­ бражения утомляет глаза.

Стереоскопичность — свойство зрения, обусловленное возможно­ стью восприятия двух различных изображений, которое в свою очередь оп­ ределено только одним световым раздражением. Стереоскопичность имеет «порог глубины», который соответствует бинокулярному параллаксу 5 угл. с. Данные параметры важно учитывать при разработке электронных 3Dсистем «виртуальной реальности».

Наиболее ярким примером учета физиологических особенностей зри­ тельного восприятия являются форматы представления графической ин­ формации в Интернет/Интранет сетях, 95 % которых приходится на форма­ ты GIF и JPEG.

Формат GIF (Graphics Interchange Format) был предложен в 1987 г. для передачи растровых изображений. Наиболее распространена модификация GIF89a, принятая в 1989 г. В формате GIF используется цветовая палитра RGB. Главными преимуществами формата является высокая компрессия без потери качества контрастных изображений при небольшом количестве цве­ тов, поддержка прозрачности фона и анимации.

Формат JPEG был предложен в 1990 г. группой Joint Photographic Ex­ perts Group. JPEG использует свое собственное цветовое пространство YCbCr, которое может быть приведено к 8-битной RGB палитре путем сле­ дующих преобразований:

Y = 0,299R + 0,587G + 0,114В;

Cb = -0,1687R -0,3313G + 0,5В + 128;

Cr = 0,5R - 0,4187G - 0,0813В +128.

480

12.1. Характеристика человека-оператора как звена в системе человек—машина

Формат JPEG максимально учитывает особенности восприятия цвета глазом. Визуальными сенсорами человеческого глаза являются колбочки и па­ лочки (расположенные на сетчатке). Y определяет яркость изображения, фак­ тически это черно-белый вариант изображения (оттенки серого) — за воспри­ ятие этого компонента отвечают палочки; за цветовое восприятие — СЬ- и Сгколбочки. Наибольшее значение в рассматриваемом формате придается зеленой составляющей, так как человеческий глаз наиболее чувствителен к зеленому цвету, далее идут красная и синяя. Ст- и Cb-колбочки носят название — цветоразрядность, они показывают количество красной и синей компонентов в кон­ кретном цвете.

Слуховое восприятие обеспечивает человеку-оператору прием звуко­ вых колебаний от источника звука. Слух человека способен воспринимать зву­ ковые колебания в частотном диапазоне от 16 до 20 000 Гц. Звуки с частотами ниже 16 Гц относятся к инфразвуку, а с частотами выше 20 000 Гц к ультразвуку.

Степень восприятия звука ухом человека зависит от частоты, энерге­ тической характеристики звукового поля и состояния слухового аппарата человека в данный момент времени. Громкость — субъективный аналог ин­ тенсивности звука, оцениваемой в единицах звуковой энергии (Вт/см2) или в относительных единицах — децибелах (дБ).

В табл. 12.12 представлена усредненная оценка действия звука раз­ личной интенсивности на человека на частоте 1000 Гц.

Таблица 12.12. Усредненная оценка действия шума на человека-оператора

Как правило, источником звуковой энергии являются поверхности кон­ струкций, совершающие колебания, которые и создают акустическое поле шу­ мящего объекта. Образующееся акустическое поле характеризуется звуковым давлением Р (Па) и колебательной скоростью и (м/с), возникающими в точке воздушной среды при прохождении через нее звуковой волны. Энергетически­ ми характеристиками акустического поля является интенсивность / (Вт/м2) (ко­ личество энергии упругих волн, проходящих за единицу времени через едини­ цу поверхности в направлении нормали); мощность излучения (Вт) (коли-