Общая характеристика зрительного анализатора

Раздражителем зрительного анализатора является световая энер­гия, а рецептором – глаз. Зрение позволяет воспринимать форму, цвет, яркость и движение предметов. Человек-оператор около 90% всей информации получает через зрительный анали­затор.

Глаз человека работает по принципу фотографической камеры, роль объектива в которой выполняет хрусталик. Световые лучи, проходя через хрусталик, преломляются и создают уменьшенное обратное изображение на внутренней стенке глазного яблока (сетчатке). На сетчатке находятся светочувствительные нервные окончания (рецепторы), которые носят название палочек (черно- белое зрение) и колбо­чек (цветное зрение). Рецепторы поглощают падающий на них световой поток и преобразуют его в нервные импульсы, которые передаются по зри­тельному нерву в мозг. Величина этих импульсов зависит от осве­щенности сетчатки на том ее участке, на котором получается изо­бражение рассматриваемого предмета.

Возможность зрительного восприятия определяется энергети­ческими, информационными, пространственными и временными характеристиками сигналов, поступающих к оператору. Совокуп­ность этих характеристик и их численные значения определяют видимость объекта (сигнала) для глаза. В соответствии с назван­ными характеристиками сигналов можно выделить четыре группы характеристик зрительного анализатора:

– энергетические;

– информационные;

– пространственные;

– временные.

Энергетические характеристики

Энергетические характеристики зрительного анализатора опре­деляются мощностью (интенсивностью) световых сигналов, воспринимаемых глазом. К ним относятся: яркость, слепящая яркость, адаптирующаяяркость, контраст, спектральная чувствительность.

Яркость. Световой поток, излучаемый источником или отражаемый поверхностью, попадая в глаз наблюдателя, вызывает зрительное ощущение. Оно будет тем сильнее, чем больше плотность светового потока, излучаемого или отражаемого по направлению к глазу. Следовательно, источник света или освещенный предмет будет тем лучше виден, чем большую силу света излучает каждый элемент поверхности в направлении глаза. Яркостью пред­мета называется величина /Pict 8-01/

,

где I – сила света в рассматриваемом направлении (световой поток, излучаемый на единицу телесного угла); S – площадь светящейся поверхности; α – угол, под которым рассматривается поверхность.

Единицей яркости является кандела на метр квадратный (кд/ ) или нит (нт). Яркостью в 1 кд/ обладает равномерно светящаяся плоская поверхность, излучающая в перпендикулярном к ней направлении свет силой 1 кд на каждый квадратный метр. Яркость является основной характери­стикой света. Величиной яркости определяется величина нервных импульсов, возникающих в сетчатке глаза.

В общем случае яркость предмета определяется двумя состав­ляющими — яркостью излучения и яркостью отражения: /Pict 8-02/

.

Яркость излучения определяется силой света источника и площадью светящейся поверхности: /Pict 8-03/

.

Яркость отражения опре­деляется уровнем освещенности данной поверхности и ее отражаю­щими свойствами: /Pict 8-04/

,

где Е – освещенность поверхности в люксах; ρ – коэффициент отраже­ния поверхности.

Освещенностью называется величина /Pict 8-05/

,

где I – сила света источника; S – площадь освещаемой поверхности.

Единицей освещенности является люмен на метр квадратный (лм/ ) или люкс (лк). Освещенность поверхности определяется по формуле /Pict 8-06/

,

где R – расстояние от освещаемой поверхности до источника освещения, α – угол, под которым на поверхность падает свет.

Коэффициент отражения во многом определяется цветом поверх­ности (табл. 8.1). /Pict 8-07/ Он показывает, какая часть падающего на по­верхность светового потока отражается ею.

Таблица 8.1 Приближенные значения коэффициентов отражения поверхностей различного цвета

Слепящая яркость. В ряде случаев в поле зрения оператора могут попадать сигналы разной интенсивности. При этом сигналы с большей яркостью могут вызвать нежелательное состояние глаз – ослепленность. Слепящая яркость определяется адаптирующей яркостью и размером светящейся поверх­ности: /Pict 8-08/

,

где В_А – адаптирующая яркость, – телесный угол, под которым оператору видна светящаяся поверхность (в стерадианах).

Для создания оптимальных условий зритель­ного восприятия необходимо не только обеспечить требуемую яркость и контраст сигналов, но также и равномерность распре­деления яркостей в поле зрения. В случаях, когда невозможно рассчитать слепящую яркость, необходимо обеспечить перепады яркостей не более 1 к 30, то есть /Pict 8-09/

.

Адаптирующая яркость. Так как в поле зрения оператора могут попадать предметы с различной яркостью, в инженерной психологии вводится также понятие адаптирующей яркости. Под ней понимают ту яркость, на которую адаптирован (настроен) в данный момент времени зрительный анализатор. Приближенно можно считать, что для изображений с прямым контрастом (предмет темнее фона) адаптирующая яркость равна яркости фона, а для изображений с обратным контра­стом (предмет ярче фона) – яркости предмета.

Диапазон чувствительности зрительного анализатора лежит в пределах от 10^-6 до 10⁶ кд/ , то есть /Pict 8-10/

.

Наилучшие же условия для работы будут при уровнях адаптирующей яркости, лежащей в пределах от нескольких десятков до нескольких сотен кд/ , то есть для n = 1–10 /Pict 8-11/

.

Контраст. Видимость предметов определяется также их контрастом по отношению к фону: /Pict 8-12/

,

где В _max и B _min – максимальная и минимальная яркость.

Различают два вида контраста: прямой контраст (пред­мет темнее фона) и обратный контраст (предмет ярче фона). Количественно величина контраста оценивается как отношение разности в яркости предмета и фона к большей яркости: /Pict 8-13/ и /Pict 8-14/

; ,

где В _фи В _п – соответственно яркость фона и предмета.

Оптимальная величина контраста должна лежать в пределах 0,60–0,95,то есть /Pict 8-15/

0,6 ≤ (к_п, к_о) ≤ 0,95.

Работа при прямом контрасте является более благоприятной, чем работа при обратном контрасте.

Однако обеспечение требуемой величины контраста является только необходимым, но еще недостаточным условием нормальной видимости предметов. Необходимо знать также, как этот контраст вос­принимается в конкретных условиях. Для этого вводится поня­тие порогового контраста, который равен /Pict 8-16/

,

где ΔВ_пор – пороговая разность яркости (минимальная раз­ность яркости предмета и фона, впервые обнаруживаемая глазом).

Величина К_пор определяется дифференциальным порогом раз­личения яркости. Для получения оперативного порога необходимо, чтобы фактическая величина разности яркости предмета и фона была в 10–15 раз больше пороговой. Это означает также, что для нор­мальной видимости рассчитанная величина контраста должна быть больше пороговой К_пор в 10–15 раз, то есть /Pict 8-17/

к_п, к_о ≥ 10 к_пор. _.

Величина порогового контраста зависит от яркости адаптации (яркости фона Bф) и угловых размеров предметов α (рис. 8.1) /Pict 8-18/.

Рис. 8.1 Зависимость порогового контраста от яркости адаптации и угловых размеров предметов

Из рисунка видно, что предметы с боль­шими размерами видны при меньших контрастах и что с увеличе­нием яркости уменьшается значение порогового контраста.

Большое влияние на условия видимости предметов оказывает величина внешней освещенности. Однако это влияние будет различ­ным при работе оператора с изображениями, имеющими прямой и обратный контраст. Увеличение освещенности при прямом контрасте приводит к увеличению условий видимости (величина к_п увеличивается), при обратном контрасте – к ухудшению видимости (вели­чина к_о уменьшается).

Спектральная чувствительность. Глаз человека воспринимает электромагнитные волны в диапа­зоне 380–760 нм, то есть /Pict 8-19/

Δλ_гл = 380–760 нм.

Однако чувствительность глаза к волнам различ­ной длины неодинакова. Наибольшую чувствительность глаз имеет по отношению к волнам в середине спектра видимого света (500–600 нм). Этот диапазон соответствует излучению желто-зеленого цвета. Важной характеристикой глаза является спектральная чувствительность или относительная видность /Pict 8-20/

,

где Е_λ – ощущение, вызываемое источником излучения c длиной волны λ; Е ₅₅₅ – ощущение, вызываемое источником излучения той же мощности с длиной волны 555 нм.

Кривая спектральной чувствительности глаза приведена на рис. 8.2. /Pict 8-21/ Из рисунка, например, видно, что для обеспечения одинакового зри­тельного ощущения необходимо, чтобы мощность синего излуче­ния была в 16,6 раза а красного – в 9,3 раза больше мощности желто-зеленого излучения. По этой причине цветоощущение (относительная видность) условно также может быть отнесено к энергетиче­ским характеристикам зрительного анализатора.

Рис. 8.2 Кривая спектральной чувствительности глаза

При недостатке освещения (сумеречное зрение) кривая спектральной чувствительности смещается влево приблизительно на 50 нм (эффект Пуркинье) (рис. 8.3). /Pict 8-22/

Рис. 8.3 Кривая спектральной чувствительности глаза при нормальной и недостаточной освещенности

Следует отметить, что влияние цвета в деятельности оператора очень велико. Во-первых, он может использоваться как один из способов кодирова­ния информации, во-вторых, – для эстетического оформления помещений и пультов управления с точки зрения улучшения зри­тельного восприятия.