Психофизиологические особенности восприятия зрительной информации оператором. Структура и основные параметры СОИ

Зрение человека характеризуется следующими основными па­раметрами: чувствительностью, разрешающей способностью, по­лем ясного зрения, критической частотой мелькания, временем адаптации, пропускной способностью оператора.

Минимальная (пороговая) величина яркости светового пятна, обнаруживаемого глазом на черном фоне, называется нижним абсолютным порогом чувствительности. Верхний абсолютный порог чувствительности характеризуется болевыми ощущениями. Диапазон яркостей между верхним и нижним порогами чувствительности находится в пределах от 10^-6 до 10⁶ кд/м². При изменении освещенности сетчатки световая чув­ствительность не остается постоянной, а адаптируется. Средняя интегральная яркость информационного поля и других источников света (первичных и вторичных), находящихся в поле зрения, соз­дает яркость адаптации L_VA. Лучшими условиями для работы считаются такие, когда уровень яркости адаптации находится в пределах от нескольких десятков до тысячи кандел на квадрат­ный метр.

Минимальное приращение яркости ΔL_V.мин, которое различает глаз при данной яркости адаптации L_VA, называется дифферен­циальным порогом чувствительности, а относитель­ное приращение яркости различимое глазом, - пороговым контрастом:

K_пор = ∆L_V.мин/L_{V A}. (1.15)

Значение k_пор зависит от уровня яркости адаптации. В рабочем диапазоне яркостей от 10 до 1000 кд/м² можно принять k_пор ≈ 0,02-0,05. Для уверенного восприятия изображения на фоне необходимо, чтобы контраст изображения в СОИ, рассчитанный по формулам. (1.11) или (1.12), не менее чем в 10 раз превы­шал пороговый контраст. Отсюда диапазон контраста рекоменду­ется выбирать в пределах 0,60-0,95.

Разрешающая способность,или острота зрения,характеризу­ется минимальным углом, при котором возможно отдельное раз­личение двух соседних точек. Этот угол называется порогом остроты зрения a_V. Для нормального зрения порог остроты равен одной угловой минуте (угл. мин.). Рекомендуемое значение a_V.P в расчетах берут равным 2-3 угл. мин. Угол зрения a_V.ид, необходимый для надежной идентификации элементов информационной модели, за­висит от их сложности, оцениваемой количеством k_Э минимально различимых дискретных элементов, на которые их можно разло­жить:

a_V.ид≈ k_Э a_V.P (1.16)

Как уже отмечалось ранее, для синтеза букв и цифр требует­ся 7-9 дискретных элементов по высоте. Следовательно, для них a_V.ЭМ = 14-27 угл. мин.

Зависимость между угловыми и линейными размерами иллю­стрируется рис. 1.5, из которого следует

, (1.17)

или, при малых углах α,

H ≈ 2La, (1.18)

где α - угол зрения, под которым видно изображение высотой H на расстоянии L до наблюдателя.

Разрешающая способность падает по мере удаления от оси глаз. Поле ясного зрениячеловека огра­ничено угловыми размерами: 16 ¸ 20° - по горизонтали и 12 ¸ 15° по вертика­ли. В соответствии с этим, в телевиде­нии выбраны рекомендуемые рассто­яния до наблюдателя L ≈ (3 ¸ 6)H и формат информационных полей k_Ф = 4:3.

Восприятие буквенно-цифровой ин­формации при фиксированном поло­жении оператора предусматривает не­которое движение глаза по строке текста, что позволяет увеличить угловой размер информационного поля по горизонтали до 50°. Формат информационного поля буквенно-цифровых СОИ часто берут равным 5:3.

Угол между перпендикуляром, опущенным из центра глаза на поверхность наблюдения, и линией, соединяющей центр глаза с наблюдаемой точкой, называют углом наблюдения. С его увеличением острота зрения падает также из-за того, что излу­чение большинства индикаторов имеет направленный характер, максимум интенсивности которого совпадает с нормалью в плос­кости излучателя. Максимальное значение угла наблюдения, при котором обеспечивается считывание информации с индикатора, называют углом обзора.

К основным временным характеристикам зрительного анализа­тора относят критическую частоту мелькания и время адаптации. Критическая частота мелькания f_КЧМ - минимальная частота, при которой глаз перестает воспринимать мелькание прерывисто све­тящегося изображения. Критическая частота мельканий возраста­ет с увеличением яркости и угловых размеров мерцающих эле­ментов. Для изображений с яркостью до нескольких сотен кан­дел на квадратный метр частоту критического мелькания прини­мают равной примерно 50 Гц.

Средняя (кажущаяся) яркость мерцающего элемента L_V.каж, воспринимаемая глазом, определяется законом Тальботта:

. (1.19)

где L_V(t)-закон изменения яркости в интервале времени свече­ния элемента (t₂- t₁); T -период повторения мерцания эле­мента.

Время адаптации-это время, необходимое для самонастрой­ки чувствительности зрительного анализатора при изменении яр­кости объекта наблюдения. Величина времени темновой адапта­ции (переход от света к темноте) может составлять десятки, а световой (переход от темноты к свету) - единицы минут.

Пропускная способность оператора(ПСО) оценивается коли­чеством информации, воспринимаемой оператором за единицу времени. При опознании букв и цифр ПСО 50-55 бит/с, при чте­нии - 30-40 бит/с, при сложении двух однозначных цифр - 12 бит/с. Следовательно, период обновления информации Т_обнзависит от сложности информационной модели и задач, решаемых оператором при ее восприятии.

1.4. Структура и основные технические параметры

средств отображения информации

Технические средства, используемые для формирования ин­формационных моделей, называются средствами отобра­жения информации (СОИ). С помощью СОИ полученная от одного или нескольких источников информация преобразуется в информационную модель, удобную для восприятия оператором. Процесс формирования ИМ в СОИ сопровождается преобразова­нием кодов. Например, для отображения времени в цифровых часах двоично-десятичный код, занесенный в счетчик времен­ных интервалов, преобразуется в десятичные цифры, указывающие время на циферблате. В часах средства отображения явля­ются их составной частью, однако в случае управления объекта­ми или при взаимодействии человека с ЭВМ СОИ могут иметь достаточно сложную структуру.

Обобщенная структурная схема СОИ показана на рис. 1.6. От источника (ИИ) информация поступает в СОИ через устройство интерфейса (УИ) по параллельным или последовательным кана­лам связи. С помощью устройства интерфейса осуществляется механическое, электрическое и алгоритмическое согласование между собой выходных цепей ИИ и входных цепей СОИ. В уст­ройство интерфейса входят совокупность линий связи, устройства согласования сигналов по уровню и мощности, а также устройст­ва формирования управляющих сигналов, обеспечивающих задан­ный алгоритм обмена информацией. Стандартный интерфейс, включающий в себя аппаратную часть и программное обеспе­чение, определяющее алгоритм обмена информацией, играет важ­ную роль в унификации узлов информационных систем, обеспе­чивающей взаимозаменяемость отдельных устройств и наращивае­мость системы.

Источниками информации могут быть информационно-измери­тельные устройства, клавиатура ввода буквенно-цифровой инфор­мации, ЭВМ, устройства формирования фото-, кино- и телевизи­онных изображений и т. д. Следует отметить, что в системах с ЭВМ возможен двусторонний обмен информацией (как от ЭВМ к СОИ, так и наоборот), что позволяет организовать диалоговый режим работы. При таком режиме оператор с помощью специ­альных устройств редактирует информацию, выведенную на СОИ , с ЭВМ, а затем вновь вводит ее в ЭВМ. Диалоговый режим широко используется в системах автоматического проектирования и в системах автоматизации научных исследований.

Буферное запоминающее устройство (БЗУ) слу­жит для промежуточного хранения информации, получаемой от ИИ, что позволяет согласовать работу СОИ и ИИ по скорости, а также организовать режим регенерации изображения без обра­щения к источнику информации. Информационная модель в БЗУ хранится в виде совокупности кодов элементов информационной модели, расположенных в той последовательности, в которой они должны располагаться на информационном поле. Так, при фор­мировании текстовой информационной модели в БЗУ заносятся стандартные коды знаков в последовательности, определяемой текстом.

Преобразователь кодов информационной моде­ли (ПКИМ) осуществляет преобразование кодов элементов ин­формационной модели, заданных алфавитом источника информа­ции, в код, определяемый алфавитом индикатора. Для приведен­ного примера с цифровыми часами при использовании семисегментных индикаторов ПКИМ преобразует четырехразрядный двоично-десятичный код в семиразрядный. При использовании газоразрядных индикаторов с профилированными катодами циф­ра формируется методом знакомоделирования, в этом случае ПКИМ выполняет функцию дешифратора 4 на 10 (4 входа и 10 вы­ходов). Для формирования тех же цифр на телевизионном экране ПКИМ должен преобразовать параллельный код цифр в последо­вательность сигналов управления интенсивностью электронного луча ЭЛТ.

Преобразователи кодов информационной модели для синтеза знаков в СОИ с ЭЛТ называют знакогенераторами.

Устройство адресации (УА) задает положение (адрес) элемента информационной модели на информационном поле.

Индикатор является прибором, осуществляющим непосред­ственное преобразование электрических сигналов в видимое изо­бражение.

Устройство управления (УУ) осуществляет энергети­ческие и другие преобразования сигналов с выхода ПКИМ, необ­ходимые для управления работой индикатора. Например, при ис­пользовании газоразрядных индикаторов, в устройство управления входят ключи, обеспечивающие переключение с уровня возбужде­ния на уровень гашения газового разряда и наоборот.

Индикатор вместе с устройством управления образуют блок индикации, на­зываемый также видеомонитором или дисплейным блоком.

Устройство синхронизации (УС) обеспечивает син­хронизацию работы всех узлов СОИ между собой и с источником информации.

При формировании сложной информационной модели инфор­мация, получаемая от различных источников, должна пройти предварительную подготовку и обработку по определенному алго­ритму. Следовательно, кроме технических средств для отображе­ния информации, необходимо создать соответствующее програм­мное обеспечение. Комплекс средств отображения информации и средств математического обеспечения, включающих в себя алго­ритмы обработки информации, образует систему отображения информации. СОИ, обеспечивающие связь человека с ЭВМ, называют терминальными СОИ (или дисплеями).

Параметры средств отображения информации должны определить информационно-технические, инженерно-психологические, кон­структивно-технические и технико-экономические особенности СОИ. К основным параметрам СОИ следует отнести используемый алфавит, информационную емкость, разрешающую способ­ность, быстродействие, точность воспроизведения информации, фотометрические параметры (яркость, контраст), надежность, сто­имость, потребляемую мощность.

Используемый алфавит и основание кода алфавитаинформа­ционной модели определяются классом решаемых задач и зада­ются числом и типом знаков (цифр, букв, условных знаков, гра­фем и т. д.), количеством градаций размеров, яркости, ориентации символов, используемых цветов, частот мерцаний изображений и т. д.

Основание кода полного алфавита, включающего все кодовые признаки, не должно превышать 200-400. Дальнейшее его уве­личение затрудняет работу оператора. При представлении эле­ментов алфавита информационной модели двоичным кодом число его разрядов п_аопределяют из условия

n_a ≥ [log₂N_a], (1.20)

где N_a -основание кода полного алфавита ИМ; [log₂N_a] - дво­ичный логарифм числа N_a , округленный до ближайшего больше­го целого числа.

В буквенно-цифровых СОИ обычно раздельно кодируют алфа­виты знаков и признаков. В этом случае число разрядов кода определяется условием

, (1.21)

где: N_аз и N_aп-основания кодов алфавита знаков и признаков;

n_аз и n_ап - разрядности двоичных кодов знаков и кодов признаков;

. (1.22)

Для кодирования элементов буквенно-цифровой ИМ обычно используют стандартные коды отображения информации - вось­миразрядный код КОИ-8 или семиразрядный КОИ-7.

Информационная емкостьопределяет количество информации, которое может быть единовременно представлено на информаци­онном поле СОИ. Информационная емкость алфавитно-цифровых СОИ задается количеством знаков в текстовой строке N_З.ТС и чис­лом текстовых строк N_TC. В современных алфавитно-цифровых дисплеях объем выводимой информации обычно задается 16-32 строками по 32-80 знаков в каждой. Информационная емкость может быть выражена в битах:

I_и= N_З [log₂N_a], (1.23)

где N_a - основание кода алфавита; N_З- общее число символов, выводимых на экран:

N_a= N_З.ТС N_TC. (1.24)

Отметим, что I_и характеризует некоторую гипотетическую мо­дель, в которой равновероятны любые N_aзначений символов. Формула (1.23) задает технические требования к информационной емкости основных узлов СОИ, например БЗУ. Информационную емкость графическихСОИ часто оценивают суммарной длиной воспроизводимых линий или количеством воспроизводимых точек.

Разрешающая способностьхарактеризует число отдельных ми­нимальных деталей изображения, которое СОИ может воспроиз­вести на информационном поле. В СОИ с точечными дискретными элементами отображения разрешающую способность количествен­но оценивают числом этих элементов на экране. В СОИ с элект­ронно-лучевым индикатором или с проекционными системами в качестве количественной меры разрешающей способности исполь­зуются: число оптических линий (линия + промежуток), при­ходящихся на 1 мм или 1 см; общее число линий, воспроизво­димых на экране по вертикали и горизонтали; минимально возможная ширина линии на экране.

Быстродействиехарактеризует скорость вывода информации на информационное поле СОИ. Одним из параметров количест­венной оценки быстродействия СОИ является время обновления данных, под которым понимается время от момента поступления информации на выход источника информации, сопряженного с СОИ, до момента формирования изображения. В графических СОИ для оценки быстродействия используют скорость формирова­ния линий, заданную в миллиметрах на секунду.

Точность воспроизведенияинформации характеризует степень соответствия формируемой в СОИ информационной модели дан­ным, полученным от источника информации. Одним из способов оценки точности является оценка смещения отдельных элементов отображения от заданных адресных координат, выраженная в аб­солютных или относительных единицах.

Рассмотренные в (1.3) фотометрические параметры(яркость, контраст) характеризуют возможность восприятия информации оператором в условиях различной внешней освещенности. Важны­ми для оценки СОИ являются параметры, характеризующие его надежность, стоимость,а также энергетические параметры (в част­ности, потребляемая мощность).

В отличие от других устройств промышленной электроники, при проектировании средств отображения информации решающее зна­чение имеет учет психофизиологических характеристик человека-оператора. Выбор типа информационной модели, алфавита ИМ и других основных параметров СОИ должен быть прежде всего на­правлен на обеспечение оптимального взаимодействия человека и техники. Определенные из этих условий требования к СОИ позво­ляют выбрать тип индикатора, обладающий возможностями формировать требуемую ИМ и имеющий необходимые фотометри­ческие параметры. Затем уточняется способ формирования эле­ментов ИМ и самой ИМ, учитывающий особенности выбранного индикатора. Только после этого проводится разработка схемотех­нических решений и конструктивного оформления.

Конструктивное оформление СОИ должно обеспечивать высо­кую работоспособность оператора, для чего необходимо учитывать ряд эргономических требований: достаточное рабочее пространст­во, позволяющее осуществлять движения и переме­щения при эксплуатации и обслуживании оборудо­вания; оптимальное размещение оборудования на рабочем месте.