людинно-машинна взаємодія / лекции / Лекция №3

21

ЧЕЛОВЕК-ОПЕРАТОР КАК ЗВЕНО ОБРАБОТКИ ИНФОРМАЦИИ

Лекция №3

Зрительная система оператора и ее основные характеристики

Усложнение деятельности человека-оператора в технической среде сложных систем автоматизированного управления объектами вызывает необходимость при инженерном про­ектировании учета психофизиологических аспектов деятельности человека. В настоящее время разработку средств взаимодействия чело­века с техническими средствами ведут в основном специалисты по техническому и программному обеспечению АСУ. Знание инженернопсихологических характеристик человека, определяющих качественно и количественно процессы приёма, переработки и передачи информации человеком при осуществлении им деятельности по управлению сложными объектами и процессами, необходимо для этих специалистов.

Основной объем информации человек-оператор полу­чает с помощью зрительного анализатора, до 80%. Представление информации в виде, удобном для восприятия, осущест­вляется устройствами отображения. Правильный выбор вида информационной модели системы управления, спо­соба визуального кодирования информации, оптимизация процесса взаимодействия человека-оператора и техни­ческих средств ЭВМ невозможны без знания и учета ха­рактеристик зрительной системы человека.

Приведем данные о зрении, о механизмах, обеспечи­вающих работу зрительной системы, и ее основные ха­рактеристики, которые могут быть использованы при про­ектировании интерфейса взаимодействия.

Процесс видения окружающего мира связан у чело­века с регулированием светового потока и фокусирования изображения на сетчатке с помощью оптической системы глаза. Одним из способов приспособления глаза к работе при различных освещенностях является изменение диа­метра зрачка. При изменении диаметра от 1,8 мм при ярком дневном свете до 8 мм в темноте, что соответствует изменению площади зрачка в 17 раз, меняется количест­во света, проходящего в глаз. Сужение и расширение зрачка имеют разные временные характеристики: сужение зрачка начинается через 0,2—0,5 с после увеличения освещенности и продолжается 2—5 с до приобретения устойчивого уровня, расширение зрачка происходит не менее чем через 2 с и длится до 3 мин, т. е. расширение зрачка — более медленный процесс.

К четкому видению различно удаленных от глаза предметов человек приспосабливается за счет изменения формы хрусталика. Эту способность глаза называют ак­комодацией. Границы, в пределах которых глаз в состоя­нии аккомодировать, определяются положениями ближ­ней и дальней точек ясного видения. Зрительная работа на расстоянии ближней точки ясного видения очень утомительна и может продолжаться лишь краткое время. Наиболее неутомительно для глаза длительное рассмат­ривание близких предметов на расстоянии около 300 мм. Процесс аккомодации может длиться 0,5—1,5 с, причем при переводе взгляда от ближнего предмета к дальнему аккомодация совершается быстрее, чем в обратном на­правлении. Частая переаккомодация приводит к возрас­танию напряженности аккомодационного аппарата и к увеличению времени восприятия информации.

В сетчатке глаза существует два вида фоторецепто­ров — палочки и колбочки, которые отличаются друг от друга как морфологически, так и функционально. Они обеспечивают способность глаза работать при низких и при очень высоких освещенностях. При слабом освеще­нии функционируют палочки и позволяют воспринимать только оттенки серого цвета. В условиях дневного света функционируют колбочки и обеспечивают цветовые (хроматические) ощущения.

Палочки и колбочки распределены по сетчатке нерав­номерно: палочек больше на периферии, а колбочек — в центре сетчатки. В связи с этим при слабых освещен­ностях наиболее чувствительна область 10—20° к пе­риферии от центра сетчатки, а в дневных условиях — центральная область сетчатки (область желтого пятна). Размеры желтого пятна по данным разных авторов сос­тавляют 5—10°. В центре этого пятна имеется углубле­ние, так называемая центральная ямка, или фовеа, раз­мером 1,3—1,7°. Фовеальная область сетчатки содержит только колбочки, причем плотность их в этом участке наиболее высока, что и обеспечивает наилучшее зритель­ное восприятие деталей изображения и цвета.

Хотя строение обеих сетчаток глаз одинаково, поле зрения обоих глаз практически симметрично, но вследствие разделения глаз расстоянием порядка 60—70 мм при смотрении на близкий предмет двумя глазами на сетчатках получаются сходные, но все-таки чуть различные изображения. Сходство обоих изображений — основе слияния их в один образ, различие — основа ощущения объемности образа, восприятия глубины. При переводе взгляда с удаленного объекта на ближний осуществля­ется разворот глазных яблок к средней линии, т. е. про­исходит сведение зрительных осей, или конвергенция. Ближняя точка конвергенции находится примерно на расстоянии 10 см от глаз. При дистанции наблюдения объекта свыше 6 м зрительные оси идут практически параллельно. В среднем время, необходимое для конвер­генции, равно приблизительно 165 мс.

Рассмотрим некоторые характеристики глаза.

Представление о диапазоне яркостей, в которых функ­ционирует глаз человека, дают следующие данные. Верх­няя оптимальная граница освещенности для человеческого глаза равна 2000 лк на белом. Для сравнения: белая поверхность при освещении прямыми солнечными лучами или снеговой покров при хорошем солнечном ocвещении могут иметь яркость 2,5—3 сб (стильба), что соответствует освещенности 100 000 лк на белом фоне. Слепящей при всех уровнях аккомодации считается яр­кость, близкая к 32,5 сб. Зрительный анализатор чело­века в состоянии улавливать и чрезвычайно слабые све­товые раздражения. Звезды 6-й величины, которые нахо­дятся на границе видимости невооруженным глазом, создают на Земле освещенность около 8 × 10-9 лк. При идеальных условиях можно видеть пламя свечи на рас­стоянии 27 363 ом. Таким образом, диапазон изменения световых сигналов, воспринимаемых глазом, чрезвычайно широк.

Различают абсолютный и дифференциальный по­роги чувствительности глаза.

Под абсолютным порогом чувствительности глаза по­нимают минимальное обнаруживаемое количество лучис­той энергии или яркость светового потока в условиях отсутствия какого-либо освещения. Значение абсолют­ного порога чувствительности составляет 9,57 × 10-7— 9,57 × 10-6 кд/м2. Абсолютный порог чувствительности глаза имеет две характеристики: нижний абсолютный порог и верхний абсолютный порог.

Нижний порог — это численное значение стимула, вызывающее едва заметное ощущение. Энергия светового -тока в этом случае равна 2,2—5,7 Дж.

Верхний абсолютный порог характеризует максималь­ное значение яркости светового потока, воспринимаемое человеком (10⁵ НИТ). Если оно превышено, то возникают болевые ощущения.

Диапазон яркостей, который воспринимает глаз, огро­мен, однако он охватывается не одновременно по всей шкале яркости, а по частям. Это обусловлено способностью светоощущения системы глаза под влиянием световых раздражений изменять свою чувствительность. Данное явление называют адаптацией. Адаптация предо­храняет наше зрение при больших яркостях наблюда­емых объектов.

В большинстве случаев условия работы оператора характеризуются внешней фоновой засветкой, поэтому введено понятие дифференциального (контрастного) порога чувствительности глаза. Под дифференциальным порогом k_o понимают отношение минимальной ощущаемой раз­ности яркостей объекта и фона к яркости фона.

при L_ф < L,

при L_ф > L,

где L — яркость объекта; L_ф — яркость фона.

Усредненное значение порога контрастной чувствительности глаза при наблюдении объектов с угловой величиной порядка 1° составляет 0,02. Этот порог может быть уменьшен за счет создания благоприятных условий. Зависимость порога контрастной чувствитель­ности от яркости фона (поля адаптации) показана на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость порога контрастной чувствительности глаза от яркости фона.

Глаз человека различает объекты не только по яр­кости, но и по цвету. Видимая часть характеризуется диапазоном 396—760 мкм. Порог чувствительности глаза неодинаков для различных участков спектра. Для ха­рактеристики способности зрительной системы человека-оператора воспринимать объекты, имеющие разный цвет, введено понятие видности. Видностью называют величи­ну, обратную интенсивности лучистой энергии, необходи­мой для вызывания у человека впечатления некоторой определенной яркости, и характеризующую чувствитель­ность глаза к излучению на данной частоте. Как по­казано на рис. 2, максимальная чувствительность глаза зрительной системы лежит в желтой области спектра. Спектральная чувствительность глаза дает возможность правильно осуществить выбор спектра излучения люми­нофора ЭЛТ устройства отображения или, используя светофильтры, обеспечить оптимальные условия приема информации в системе отображения информации в слу­чае применения метода кодирования цветом.

Рис. 2. Спектральная чувствительность глаза.

Зависимость видности в относительных единицах от длины волны для дневного освещения при поле зрения 2° иллюстрируется табл. 1.

Таблица 1

Зависимость видности от длины волны излучения

Длина волны, мкм	Видность	Длина волны, мкм	Видность	Длина волны, мкм	Видность
400	0,004	520	0,710	640	0,175
420	0,004	540	0,954	660	0,061
440	0,023	560	0,995	680	0,017
460	0,060	580	0,870	700	0,004
480	0,139	600	0,631	720	0,001
500	0,323	620	0,381	740	0,0003

Для указанных условий максимальная чувствитель­ность лежит в желтой области спектра (Я= 555 мкм). Характерной особенностью видности является ее зависи­мость от внешней освещенности (рис. 2.2).

Характеристика — острота зрения — определяет спо­собность зрительной системы человека-оператора обнаруживать или различать мелкие детали информационной модели.

В режиме информационного поиска процесс обнару­жения и восприятия элементов информационной модели зрительной системой человека-оператора характеризуется различными типами остроты зрения, например остротой зрения «минимального видения», остротой зрения «мини­мального восприятия», остротой зрения «минимального разделения», верьерной остротой зрения и т.д.

Острота зрения «минимального видения» и «мини­мального восприятия» являются подтипами остроты зрения «минимального обнаружения». Остротой зрения минимального обнаружения называется размер, который должен иметь элемент информационной модели для того, чтобы быть видимым. Если такой элемент различим, то кажется, что он имеет размер, равный размеру мини­мально различимого глазом пятна, диаметром в одну угловую минуту. В действительности может быть много меньше. Это объясняется тем, что острота минимального обнаружения существенно зависит от яркости, контраст­ности и вида контраста — прямого или обратного. Причи­ной является кажущееся увеличение размеров яркостной отметки при увеличении ее яркости. Наоборот, темные объекты кажутся меньшими, чем они есть. Это приводит к тому, что острота зрения «минимального видения» (соответствует углу 0,05') является функцией яркости, а не размера.

Острота зрения «минимального обнаружения» приме­нима в том случае, когда перед оператором поставлена задача обнаружения объекта (например, отметки цели) на экранах устройств отображения РЛС или подобных системах, без выяснения его смыслового содержания.

Зависимость остроты зрения «минимального обнару­жения» от яркости поля адаптации при различных уров­нях контрастности приведена на рис. 3.

Рис. 3. Зависимость остроты зрения «минимального обнаружения» от яркости поля адаптации и контраста

Если перед оператором поставлена задача, требу­ющая распознания сигнала, применяется параметр остро­та зрения «минимального разделения». Так, острота зре­ния «минимального разделения» характеризует способ­ность человека воспринимать буквенно-цифровую инфор­мацию.

Верьерная острота зрения применяется при считыва­нии шкал или совмещении нитей перекрестий в опти­ческих приборах. Минимальные визуальные углы, харак­теризующиеся этими параметрами, различны. У идеального глаза острота зрения составляет 0,5'. Однако наи­более распространенной является величина 1', которую принято считать усредненным, типовым значением остро­ты зрения «минимального разделения». Необходимо иметь в виду, что для распознавания знаков глаз должен быть способен к различению линий контура символа, длина которых составляет 0,5 высоты символа и толщи­на — порядка 0,12 высоты.

Оператор может читать текстовую информацию, со­ответствующую меньшему углу зрения, чем тот угол, при котором он может читать буквы, не связанные по смыслу. Установлено, что человек способен реагировать на за­зоры в знаках, соответствующие всего одной угловой минуте. На рис. 4 приведена зависимость вероятности обнаружения зазора от его угловых размеров. Что ка­сается верьерной остроты зрения, то положение оказы­вается несколько иным. Установлено экспериментальным путем, что некоторые операции, такие, как совмещение стрелки с отметкой шкалы, оператор может выполнить с точностью, превышающей одну угловую минуту. Достига­емая при этом точность совмещения зависит от размеров линии, а также от яркости и коэффициента контраст­ности изображения. Типовое изображение верьерной ост­роты составляет 10—12". При определенных условиях значение указанного параметра может быть снижено до одной угловой секунды. Приведенные значения верьерной остроты зрения используются при выборе толщины отме­ток шкал и нитей перекрестий.

Рис. 4. Вероятность обнаружения зазора.

Работа с некоторыми видами информационных моделей требует от оператора способности различать детали движущихся объектов. Для количественной оценки возможности восприятия этой информации вводится параметр – порог динамической остроты зрения, зависимость которого от скорости движения объекта описывается соотношением

n_Д = a + bω²,

где n_Д - порог динамической остроты зрения; a - порог статической остроты зрения; b - коэффициент, величина которого зависит от яркости поля адаптации; ω - угловая скорость объекта.

Острота зрения зависит также от места проецирования элемента информационной модели на сетчатку глаза (рис. 5). По мере увеличения углового расстояния ср от оси (центральной ямочки) острота зрения снижается и для дневного, и для ночного зрения.

Рис. 5. Относительная острота зрения в различных областях сетчатки.

Следующим параметром, который следует рассмот­реть, является поле зрения. Этот параметр характеризует ограничения поступления светового сигнала к рецеп­торам. При фиксированном положении глаза границы пространства, называемого полем зрения, определяются физиологическими особенностями зрительной системы и лица человека. Область перекрытия полей правого и ле­вого глаза является областью наибольшего многовидения. Возможности зрительной системы человека-опера­тора при фиксированном положении головы поясняются рис. 6. Так как человек помимо движения глазным яблоком обладает способностью осуществлять поворот головы, то в действительности поле обнаружения сиг­нала возрастает по сравнению с размерами, указанными на рис. 6. Однако в реальных условиях при выборе соответствующих характеристик индикаторной панели и размещении приборов на панели принято, что все поле зрения можно разделить на три зоны. Первая зона — оперативное поле, в нем производится одномоментная обработка информации, ограничено размерами 3°ХЗ°. Вторая зона — поле постоянного контроля — ограничено по горизонтали значением ±31°, по вертикали +23°, —32°. В этой зоне размещаются наиболее важные и час­то использующиеся индикаторы. Третья зона — поле пе­риодического контроля — определяется предельными воз­можностями зрительной системы человека. Размеры поля периодического контроля определяют общие размеры ин­дикаторных панелей.

Рис. 6. Бинокулярное поле зрения.

Во многих типах устройств отображения информации, например при использовании ЭЛТ, матричных экранов, лазеров и т. д., яркость изображения изменяется с опре­деленной частотой. Параметр — критическая частота мельканий характеризует то минимальное значение час­тоты прерываний входного визуального сигнала, при ко­тором яркость изображения воспринимается оператором как непрерывная (неизменная), что объясняется инер­ционностью зрительного анализатора. Критическая час­тота мельканий зависит от яркости изображения, спектра излучения, местоположения изображения на сетчатке глаза, размеров наблюдаемого объекта, от возраста опе­ратора и ряда других факторов. На рис. 7 приве­дены зависимости критической частоты мельканий от яр­кости наблюдаемого объекта и его угловых размеров.

Рис. 7. Зависимость критической частоты мельканий от яркости наблюдаемого объекта и его угловых размеров: 1 – сложные знаки; 2 – знаки средней сложности; 3 – простые знаки.

Особенно высокой чувствительностью к изменению яркости изображения обладают окраинные области сетчат­ки. Например, мы не различаем изменения яркости све­чения элементов изображения на экране телевизора, ко­торый находится прямо перед нами, но замечаем их, когда экран наблюдается боковым зрением.

При решении вопросов световой сигнализации, пе­редачи информации световыми сигналами или цветом не­обходимо знать реакцию глаза на очень яркие источ­ники света в виде проблескового или постоянного сигнального огня. Временное ослепление не представляет непосредственной угрозы для зрительного аппарата, но может привести к аварийной ситуации или к невыпол­нению поставленной перед оператором задачи. При пере­паде яркости в указанных выше диапазонах на переадаптацию может потребоваться определенное, возможно и продолжительное время. Этот срок зависит от уровня адаптации глаза, яркости и величины источника света, длительности световой адаптации и т. д. Именно времени, необходимого глазу для адаптации к изменившемуся уровню, может не хватить на выполнение функции в условиях дефицита времени. Так, исследование ин­тервала после временного ослепления, в течение которо­го летчик не мог снимать показания приборов, а также исследование в этом случае остроты зрения показало, что время восстановления зрения после световой вспыш­ки при освещенности панели 5 лк оказалось равным в среднем 13,6 с. Реактивный самолет со скоростью1800 км/ч за это время пролетает («вслепую») более 7 км.

Зависимость минимальной слепящей яркости от яр­кости поля зрения выражается формулой

(в стильбах), (в ламбертах),

где L — яркость поля зрения.

Время восстановления световой чувствительности может достичь 50—130 с.

Аналогичные явления происходят при быстром пере­воде взгляда на разноосвещенные панели и средства отображения. Например, если космонавт должен наблю­дать дневное небо (яркость около 100 000 лк), то сред­няя яркость экрана дисплея, необходимая для быстрого снятия показаний, должна быть 1000 лк на белом и более.

При фиксации движущегося в поле зрения объекта глазодвигательная система осуществляет прослеживаю­щие движения глаз. Движение возникает через 150 - 170 мс после появления движущейся цели и начинается сразу со скоростью, соответствующей скорости ее движения. По­рог восприятия движения точечного объекта фовеальной частью сетчатки составляет 1—2'/с при наличии в поле зрения неподвижных ориентиров и 2—6'/с без них, для периферии сетчатки соответственно 18 и 3 — 6'/с. Максимальная скорость, которая может быть вос­произведена при прослеживании, колеблется от 30 до 40°/с; если одновременно с глазами движется голова, то верхняя граница поднимается до 60 °/с. Если же движение объекта — случайный процесс, то скорость следящих движений изменяется не чаще чем через 0,1 с.

Таким образом, независимо от того, двигаются наши глаза или движется в пространстве сам объект, изоб­ражение всякий раз перемещается по рецепторам сет­чатки, а человек при этом четко отличает истинное движение объекта от ложного и воспринимает внешний мир стабильно. Однако порой вследствие запаздываний в работе нервных аппаратов появляются ошибочные оценки движения, или иллюзии. Некоторые из них имеют практическое значение. Именно иллюзиям движения и инерции зрения обязаны своим развитием кино и телеви­дение.

Наиболее типичный вид кажущегося движения из­вестен под названием фи-феномена. Он заключается в том, что при определенном расстоянии между двумя сигналами и определенном промежутке времени между включением одного и другого создается впечатление движения сигнала. Такое индуцированное движение мо­жет быть, например, помехой в восприятии изображения на экране дисплея, когда при определенной скорости чередования строк и расстояний между ними воз­никает иллюзорное восприятие движения строк рас­тра.

Процесс зрительного восприятия не завершается фор­мированием изображения на сетчатке глаза, а лишь начинается с него, так как конечная цель — зритель­ное распознание какого-либо объекта — есть результат сложнейшей цепи преобразования изображения на раз­ных уровнях зрительной системы. В общих чертах зри­тельные пути довольно хорошо известны. От сетчатки сигналы идут по нервным волокнам, совокупность кото­рых образует зрительный нерв. В месте соединения во­локон, называемом зрительным перекрестком, или хиазмой, около половины волокон сетчатки каждого глаза направляется в противоположное полушарие мозга, дру­гая остается на той же стороне. Причем правые полови­ны сетчаток соединены с правым полушарием, а левые — с левым. В результате такой перегруппировки нервных волокон поле зрения разбирается на половины: объект в левой части поля зрения спроецируется на правой половине сетчатки, сигнал от которой придет затем в пра­вое полушарие; правая часть поля зрения будет пред­ставлена в левом полушарии. После хиазмы волокна зрительного нерва направляются через наружное колен­чатое тело в зрительную область коры головного моз­га, в которой более 50 % нервных клеток заняты анализом информации, поступающей из центральной ям­ки (фовеа) сетчатки.

В настоящее время нет достаточно удовлетворитель­ной общей теории о механизмах переработки инфор­мации в зрительной системе. Однако в результате многочисленных исследований были предложены опреде­ленные гипотезы о принципах работы отдельных звеньев зрительной системы. Передача сообщений от сетчатки в высшие корковые отделы зрительного анализатора рас­сматривается как совокупность ряда операций по преоб­разованию информации. В сетчатке, содержащей нес­колько слоев специализированных клеток различного назначения, происходит первичная обработка зрительной информации. Возбужденные светом фоторецепторы передают нервные импульсы вторым и третьим нейронам сетчатки, так называемым биполярным и ганглиозным клеткам. Совокупность фоторецепторов, с которых сигналы поступают в одну ганглиозную клетку, называю рецептивным полем этой клетки. Рецептивное поле ганглиозной клетки организовано так, что сигналы переда­ются только с тех элементов, где происходит изме­нение освещенности во времени и пространстве.

Дальнейшее преобразование информации осуществля­ется системами рецептивных полей более высокого порядка, которые являются специализированными. Так, нейроны зрительной коры избирательно реагируют на определенные характеристики изображения: яркость, цвет, местоположение на сетчатке, скорость, типичные конфигурации контура. Однако объяснить все виды восприятия наличием только врожденных механизмов детекции признаков нельзя.

Зрительное опознание окружающих объектов у чело­века не является врожденным, так как оно всегда включает одновременно и акт обобщения (осмысления) на основе прошлого опыта, и направленность внима­ния. Человек может узнавать объекты, несмотря на из­менения их яркости, контраста, цвета, размера и ра­курса изображения. Такое независимое от вариантов (инвариантное) опознание формы изображения требует высокого уровня обобщения и не может быть сведено к врожденным механизмам. Наряду с выделением обоб­щенных классов зрительных изображений человек может, когда это ему требуется, различать разные варианты изображений внутри одного класса, выявляя их конкрет­ные индивидуальные особенности. Способность к такому опознанию еще долго будет недоступна компьютеру, который лишен способности анализа принципиально но­вой информации, ее обобщения и осмысления. На ос­новании многих исследований была предложена гипоте­тическая схема механизма опознания изображения: в зрительной системе работает несколько независимых ка­налов, передающих информацию об изображении: ос­новной из них предназначен для опознания формы изображения, по другим каналам передаются конк­ретные сведения о размере, цвете, местоположении и других свойствах объекта. И только в высших отде­лах головного мозга эти данные сливаются воедино в зрительный образ. Гипотеза о голографическом (целостном, иногда называемом гештальтным) способе запи­си информации в мозгу получает все большее распрос­транение для объяснения принципов работы сенсорных систем и мозга в целом.