Информационные характеристики

Основной информационной характеристикой зрительного анализатора является пропускная способность, то есть то количество информации, которое анализатор способен принять в единицу времени. Зрительный анализатор можно представить в виде канала связи, состоящего из нескольких участков передачи информации (рис. 8.4). /Pict 8-23/ Очевидно, что пропускная способность канала в целом будет определяться пропускной способностью того участка, для которого она минимальна.

Рис. 8.4 Информационная воронка в зрительном анализаторе

Наибольшая пропускная способность (≈ дв.ед./с) имеет место на уровне фоторецепторов (сетчатки). По мере про­движения к более высоким уровням приема информации пропуск­ная способность уменьшается, составляя на корковом уровне лишь 20–70 дв.ед./с. Еще меньше пропускная способность на уровне реакций. Здесь она составляет 2–4 дв.ед./с.

Приведенные данные позволяют представить зрительный ана­лизатор в виде информационной «воронки», широкая часть которой соответствует сетчатке, (нижний уровень), а узкая – зрительной области коры головного мозга (верхний уровень).

В подобном принципе работы зрительной системы заложен глубокий биологический смысл – информационная «воронка» по­вышает надежность линии передачи и резко сокращает вероятность посылки в мозг ошибочного сигнала. Благодаря этому сообщения, характеризующиеся в нижних отделах зрительного анализатора значительной статистической избыточностью, по мере передачи в вышележащие отделы принимают все более и более экономную форму.

Пространственные характеристики

Пространственные характеристики зрительного анализатора опре­деляются воспринимаемыми глазом размерами предметов и их месторасположением в пространстве. К ним относятся: острота зрения,поле зрения, объем зрительного восприятия.

Острота зрения. Остротой зрения называется способность глаза различать мел­кие детали предметов. Она определяется величиной, обратной тому минимальному угловому размеру предмета в минутах, при котором он различим глазом. Угол зрения равный 1΄ соответ­ствует единице остроты зрения. Острота зрения зависит от уровня освещенности, расстояния до рас­сматриваемого предмета, его по­ложения относительно наблюдате­ля и возраста наблюдателя.

Размеры предметов выражаются в угловых величинах, которые связаны с линейными размерами следующим соотноше­нием: /Pict 8-24/

,

где h и α – соответственно линейный и угловой размеры предмета; l – расстояние от глаза до предмета (рис. 8.5). /Pict 8-25 /

Рис. 8.5 Взаимосвязь между угловыми (α) и линейными (h) размерами предметов

Острота зрения характеризует абсолютный пространственный порог восприятия. Минимально же допустимые размеры элементов изображения, предъявляемого оператору, должны быть на уровне оперативного порога и составлять не менее 10–15΄. Однако это спра­ведливо только для предметов простой формы. Для сложных пред­метов, опознавание которых ведется не только по внешним, но и по внутренним признакам, оптимальные условия восприятия будут в том случае, если их размеры составляют не менее 30–40΄. /Pict 8-26/

Эта величина принимается в инженерной психологии в качестве реко­мендуемого размера отдельных знаков и элементов изображения.

Поле зрения. Поле зрения человека показано на рис.8.6. /Pict 8–27/ Условно все поле зрения можно разбить на три зоны: цент­рального зрения (4–10°), где возможно наиболее четкое различе­ние деталей; ясноговидения (30–35°), где при неподвижном глазе можно опознать предмет без различения мелких деталей; периферического­зрения (75–90°), где предметы обнаруживаются, но не опознаются. Зона периферического зрения играет большую роль при ориентации во внешней обстановке. Объекты, находя­щиеся в этой зоне, легко и быстро могут быть перемещены в зону ясного видения с помощью установочных движений (скачков) глаз и головы (рис. 8.7) – (рис. 8.9). /Pict 8-28/ – /Pict 8-30/

Рис 8.6 Поле зрения человека

Рис 8.7 Оптимальные и максимальные углы обзора в вертикальной и горизонтальной плоскости при повороте глаз

Рис 8.8 Оптимальные и максимальные углы обзора в вертикальной и горизонтальной плоскости при повороте головы

Рис 8.9 Оптимальные и максимальные углы обзора в вертикальной и горизонтальной плоскости при повороте головы и глаз

Необходимо также учитывать и дифференцирование цвета в различных областях поля зрения (рис. 8.10) и (рис. 8.11). /Pict 8-31/ и /Pict 8-32/

Рис. 8.10 Пределы нормальной дифференциации цвета в вертикальной плоскости

 

Рис. 8.11 Пределы нормальной дифференциации цвета в горизонтальной плоскости

Объем зрительного восприятия. Объем зрительного восприятия определяется числом объектов, которые может охватить и запомнить человек в течение одной зрительной фиксации. При предъявлении не связанных между собой объектов объем зрительного восприятия составляет 4–8 элементов. Следует отметить, что объем воспроизведенного материала определяется не столько объемом восприятия, сколько объемом памяти. В зрительном образе может отражаться значительно большее число объектов, однако они не могут быть воспро­изведены из-за ограниченного объема памяти. Следова­тельно, практически важно учитывать не столько объем восприятия, сколько объем памяти. Для нормальной работы оператора необходимо, чтобы в центральное поле зрения, ограниченное углом 4–10°, попадало не более 6±2 элемента (рис. 8.12). /Pict 8-33/

Рис. 8.12 Объем зрительного восприятия

 

Тогда размер центрального поля зрения может быть определен по формуле /Pict 8-34/

,

где l – расстояние до рассматриваемого предмета (элемента); α_пз – угол центрального поля зрения.

Временные характеристики

Временные характеристики зрительного анализатора определя­ются временем, необходимым для возникновения зрительного ощущения при тех или иных условиях работы оператора. К ним относятся: латентный (скрытый) период, длительность инерции ощущения, критическаячастота мельканий, время адаптации, времяинформационного поиска.

Латентный период и длительность инерции ощущения. Временная диаграмма работы зрительного анализатора показана на рис. 8.13. /Pict 8–35/ В промежутке времени t₀–t₃ на глаз человека действует световой сигнал. Зрительное ощущение этого сигнала начинается не в момент времени t₀, а в момент t₁.

Рис. 8.13 Временная диаграмма работы зрительного анализатора: а – входной сигнал; б – принятый сигнал

Промежуток времени t₀–t₁ представляет собой латентный (скрытый) период зрительного анализатора. Латентным периодом называется промежуток времени от момента подачи сигнала до момента возникновения ощущения. Это время зависит от интенсивности сигнала (чем сильнее раздражитель, тем реакция на него короче), его угловых размеров, зна­чимости сигнала (реакция на значимый для оператора сигнал короче, чем на сигналы, не имеющие значе­ния для оператора), сложности ра­боты оператора (чем сложнее выбор нужного сигнала среди осталь­ных, тем реакция на него будет больше), возраста и других индивидуальных особенностей человека. В среднем для большин­ства людей латентный период зри­тельной реакции лежит в пределах 160–240 мс.

Зрительное ощущение, возникнув в момент времени t_{1 ,}развивается не сразу, а постепенно и достигает своего максималь­ного значения в момент t₂, после чего оно сохраняется в течение всего времени действия сигнала (раздражителя). После окончания воздействия раздражителя (момент t₃) зрительное ощущение исче­зает не сразу, а также постепенно и заканчивается в момент t₄. Промежуток времени t₃ – t₄ носит название длительности инерции ощущения. Длительностью инерцииощущения называется промежуток времени от момента прекращения действия сигнала до момента полного отсутствия ощущения. Для большинства людей длительность инерции ощущения составляет 10–120 мс.

Рассмотренные особенности работы зрительного анализатора следует учитывать при организации деятельности оператора. Прежде всего, время действия сигнала не должно быть меньше латентного периода. В противном случае воспринимаемый конт­раст и интенсивность сигнала будут во столько раз меньше действительных значений, во сколько раз время действия сигнала меньше латентного периода.

Однако этого еще не достаточно для правильного опознания сигнала. Для опознания необходимо дополнительное время, так называемый «выяснительный период», который обычно не может быть меньше 0,1 с. При трудном различении (сложности знаков) процесс опознания становится еще более медленным, составляя для знаков средней сложности более 0,2 с, а для знаков повышенной сложности – более 0,6 с.

Если же возникает необходимость в последовательном реа­гировании оператора на дискретно появляющиеся сигналы, то период их следования должен быть не меньше времени сохранения ощущения, равного 0,2–0,5 с. В противном случае будет замед­ляться точность и скорость реагирования, поскольку во время прихода нового сигнала в зрительной системе оператора еще будет оставаться образ предыдущего сигнала.

Критическая частота мельканий. Критической частотой мельканий называется та минимальная частота проблесков, при которой возникает их слитное восприятие. Эта частота зависит от яркости, размеров и конфигурации знаков (рис. 8.14) и (рис. 8.15). /Pict 8–36/ и /Pict 8–37/Зависимость критической частоты мельканий от яркости подчинена основному психофизическому закону /Pict 8-38/

,

где к и с – константы, зависящие от размеров и конфигурации знаков, а также от спектрального состава мелькающего изображения.

Из формулы ирисунков видно, что снижение величины f_кр, если это необходимо по каким-либо техническим причинам, может быть достигнуто путем уменьшения яркости знака, уменьшения его размеров или упрощения конфигурации. При обычных условиях наблюдения величина критической частоты мельканий лежит в пределах 15–25 Гц. При зрительном утомлении она несколько понижается.

Вопрос о частоте мельканий имеет большое значение при решении двух видов инженерных задач. В тех случаях, когда необходимо, чтобы мелькания не замечались (например, при проектировании изображения на экран, в технике кино и телевидения), частота смены информации должна превышать f_кр и составлять не менее 40 Гц. При необходимости использовать мелькание для кодирова­ния информации (например, для привлечения внимания оператора) следует иметь в виду, что наименьшее зрительное утомление будет при частоте мельканий 3–8 Гц.

 

 

Рис. 8.14. Зависимость критической частоты мельканий от яркости

Рис. 8.15 Зависимость критической частоты мельканий от размеров и конфигурации знаков (1,2,3 – соответственно знаки сложной, средней и простой конфигурации)

Время адаптации. В процессе адаптации в значительной степени (до 10¹² раз) меняется чувствительность зрительного ана­лизатора. Различают два вида адаптации: темновую (при пере­ходе от света к темноте) и световую (при переходе от темноты к свету). Время адаптации зависит от ее вида и составляет десятки минут при темновой адаптации (рис. 8.16) /Pict 8-39/ и единицы минут при свето­вой (рис.8.17). / Pict 8-40/

 

Рис. 8.16 График изменения чувствительности глаза при темновой адаптации

 

 

Рис. 8.17 График изменения чувствительности глаза при световой адаптации

Время информационного поиска. Большую роль в процессе зрительного восприятия играют движения глаз. Они делятся на поисковые (установочные) и гностические (познавательные).

С помощью поисковыхдвижений осуществляется поиск задан­ного объекта, установка глаза в исходную позицию и корректировка этой позиции. Длительность поисковых движений определяется углом, на который перемещается взор.

К гностическимдвижениям относятся движения, участвующие в обследо­вании объекта, его опознании и различении деталей объекта. Основную информацию глаз получает во время фиксации, то есть во время относительно неподвижного положения глаза, когда взор пристально устремлен на объект. Во время скачка глаз почти не получает никакой информации. Если продолжительность скачка в среднем составляет 0,025с, то продолжительность фиксации в зависи­мости от условий восприятия составляет 0,25–0,65с и более. Результаты исследований показывают, что общее время фиксаций составляет 90–95% от общего времени поиска.

Фиксации неотделимы от микродвижений глаз. В ряде опытов при помощи специального устройства изображение объекта стаби­лизировалось относительно сетчатки глаза, то есть изображение не перемещалось по сетчатке. Уже через 2–3 с после стабилизации человек переставал видеть объект. Следовательно, движения глаз являются необходимым условием зрительного восприятия.

Для некоторых видов операторской деятельности процесс вос­приятия сводится к информационному поиску – нахождению на устройстве отображения объекта с заданными признаками. Такими признаками может быть проблесковое свечение, особая форма или цвет объекта, отклонение стрелки прибора за допустимое значение и т. д. Задача оператора заключается в нахождении такого объекта и характеризуется временем, затраченным на поиск.

Общее время информационного поиска равно /Pict 8-41/

,

где t_фi и t_пi – соответственно время i -ой фиксации и i -го перемещения взора; n – число шагов поиска (число фиксаций), затрачен­ных для нахождения нужного объекта.

Время фиксации зависит от целого ряда факторов: свойств информацион­ного поля, способа деятельности наблюдателя, степени сложности искомых элементов. Однако в условиях конкретного информацион­ного поля (особенно при однородности его элементов) и конкрет­ной задачи величина времени фиксации относительно постоянна и является характе­ристикой данных условий работы оператора (табл. 8.2). /Pict 8-42/

 

Таблица 8.2 Средняя длительность зрительной фиксации в различных задачах информационного поиска

Учитывая, что в условиях конкретной задачи, при которых t_ф постоянно и t_п << t_ф (практически ), /Pict 8-43/ можно записать: /Pict 8-44/

.

 

 

Математическое ожидание числа шагов поиска (числа зрительных фиксаций, необходимых для нахождения предмета с заданными признаками) находится при построении математической модели информационного поиска. С учетом этого, время информационного поиска равно /Pict 8-45/

,

 

где N – общий объем (количество элементов) информационного поля; М – число элементов, обладающих заданным для поиска признаком; А – объем зрительного восприятия.

Объем зрительного восприятия ограничен, с одной стороны, объемом оперативной памяти (4–8 элементов), а с другой стороны – пространственными характеристиками зрения (размерами зоны ясного видения). Следует иметь в виду, что в процессе поиска размеры зоны ясного видения составляют примерно 10°. Поэтому под объемом зрительного восприятия в данном случае следует считать то количество предметов (но не более 4–8), которое одновременно попадает в зону, ограниченную углом 10° в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

На основании сказанного можно определить основные тре­бования к организации информационного поля с точки зрения минимизации времени поиска:

– элементы поля следует располагать так, чтобы в центральное поле зрения, ограниченное зоной 10°, попадало не более чем 4–8 объек­тов;

– следует по возможности уменьшать объем поля, не допуская нахождения в нем ненужных элементов;

– искомые элементы следует выделять таким образом, чтобы обеспечить наименьшее время фиксации.

Очень тесно с временными характеристиками зрительного анализатора связано и восприятие движущихся объектов. Минималь­ная скорость движения, которая может быть замечена глазом, зависит от наличия в поле зрения фиксированной точки отсчета. При наличии такой точки абсолютный порог восприятия скорости равен 1–2 угл. мин/с, без нее – 15–30 угл. мин/с. Эти дан­ные справедливы, когда время предъявления составляет не менее 10–15с.