Образовательный сайт - Конспекты, лекции, рефераты - Средства отображения информации. ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ВОСПРИЯТИЯ ЗРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ ОПЕРАТОРОМ

2. ПСИХОФИЗИОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ ВОСПРИЯТИЯ ЗРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ ОПЕРАТОРОМ

Глаз имеет шарообразную форму диаметром 2,5 см, помещается в глазнице - углублении черепа. Глазное яблоко (рис. 2.1) окутано белковой оболочкой – склерой, сохраняющей форму глаза и защищающей его от внешних воздействий. Поверхность склеры покрыта светочувствительной оболочкой, называемой сетчаткой или решетиной. В передней части глазного яблока склера переходит в прозрачную роговую оболочку, за которой на небольшом расстоянии находится радужная оболочка, в середине которой имеется отверстие - зрачок. За зрачком располагается хрусталик. Радужная оболочка и мышцы изменяют размеры зрачка (при сильном освещении зрачок сужается, при слабом – расширяется). Этим достигается регулирование световой энергии, поступающей на сетчатку. По дну глаза разветвлены окончания зрительного нерва – три ряда нейронов: фоторецепторы – 150 000 000 (колбочки и палочки, биполярные и ганглиозные клетки). Количество палочек более чем на порядок превосходит количество колбочек.

Зрительное ощущение вызывает только свет, действующий на палочки и колбочки. В центральной части сетчатки – зоне наиболее ясного видения (область желтого пятна и центральной ямки) имеются только колбочки. В сетчатой оболочке имеется участок с угловым размером в 5⁰, без фоторецепторов – слепое пятно. При наблюдении только одним глазом в отдельные моменты фиксации взгляда участок зрительного поля соответствующего размера не воспринимается. В центре желтого пятна в его углублении располагается фовеа. Угловой размер фовеа около одного градуса, число колбочек в нем примерно 4000, а плотность их распределения – 180 тыс. на мм². При взгляде на предмет глаз непроизвольно устанавливается так, чтобы изображение предмета попадало на желтые пятна обоих глаз. Форма и цвет предмета воспринимаются только при яркости зрительного стимула не менее или равного 10 кд/м². При яркостях менее 0,003 кд/м² функционируют только палочки (сумеречное зрение). Следовательно, различение цветов возможно лишь при достаточно высоких значениях яркости зрительного стимула. Надежное и более тонкое различие цветовых оттенков возможно при яркости 175 кд/м². Колбочки чувствительны к длине световых волн. При равенстве энергии воздействующих волн различия их длин ощущаются как различия в цвете зрительных стимулов. Глаз различает семь основных цветов и более сотни их оттенков. С изменением длины волны изменяется и качество ощущений. Длинам волн от 380 до 445 мкм соответствует ощущение фиолетового цвета, от 445 до 470 – синего, от 470 до 500 – голубого, от 500 до 540 – зеленого, от 540 до 590 – желтого, 590 до 610 – оранжевого, от 610 до 780 – красного.

Строением сетчатки объясняется факт лучшего обнаружения слабого светового стимула, если проекция его осуществляется на периферические отделы сетчатки, а не на центральные. В других условиях центральная зона сетчатки имеет преимущество в процессе зрения.

Механизм преобразования зрительной информации следующий. Воздействие светового потока вызывает возбуждение фоторецепторов. В каждый момент времени совокупность возбужденных и невозбужденных фоторецепторов образует мозаичную картину изображения, проецируемого на сетчатку. Возбуждение фоторецепторов передается вторым нейронам сетчатки. Далее сигналы генерируются ганглиозными клетками. Кроме того, в сетчатке в это время осуществляется ряд операций преобразования первоначального нервного сигнала. Нервное возбуждение не является копией возбуждения фоторецепторов. Дальнейшее преобразование сигнала как процесс описания изображения осуществляется системами рецептивных полей более высокого ранга. Формирование же сложных признаков и принятие решения о визуально воспринимаемом объекте происходит как процесс преобразования информации в высших корковых отделах зрительного анализатора в их взаимодействии с корковыми отделами других анализаторов.

Чувствительность фоторецепторов неодинакова к разным участкам спектра: наиболее высока к желтым и зеленым и значительно ниже к красным.

Ограничения поступления светового сигнала к фоторецепторам характеризуются величиной пространства, в пределах которого возможна проекция изображения на сетчатку глаз. Границы такого пространства, называемого полем зрения, определяется возможностями оптической системы глаз, площадью, характером распределения фоторецепторов и выступающими частями лица. Поле бинокулярного зрения является производным полей зрения обоих глаз. Оно состоит из участка, видимого двумя глазами одновременно (в центре) и участков в периферической области, входящих в поле зрения только одного из глаз. Область перекрытия полей зрения левого и правого глаз является областью наиболее ясного видения (табл. 2.1). Возможности обнаружения сигнала существенно возрастают за счет поворотов головы и глазных яблок. Но рабочая зрительная зона близка по размерам к участку бинокулярного поля зрения, который может рассматриваться двумя глазами. Надежное обнаружение сигналов осуществляется в более узких (» в 2 раза) границах.

Таблица 2.1
Границы бинокулярного поля зрения

Направление от центра поля зрения	Границы, град.
Направление от центра поля зрения	общие	участка, видимого одновременно двумя глазами
Вправо и влево	70	55
Книзу	70	60
Кверху	60	50

2.2. Особенности восприятия зрительной информации

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

Чувствительность определяется тремя основными величинами:

Нижний абсолютный порог чувствительности – это та минимальная (пороговая) величина яркости светового пятна, обнаруживаемого глазом на черном фоне. Она составляет 10^-6кд/м².

Верхний абсолютный порог чувствительности характеризуется болевыми ощущениями и составляет 10⁶ кд/м². 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_υa. 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_υ_min, которое различает глаз при данной яркости адаптации L_υa, называется дифференциальным порогом чувствительности, а относительное приращение яркости, различимое глазом, - пороговым контрастом:

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

При неудовлетворительном распределении яркости в освещаемом пространстве возникает ощущение зрительного дискомфорта, который определяется выражением:

где - яркость блеского источника; ω – телесный угол, в пределах которого находится блеский источник; Р – коэффициент позиции блеского источника относительно линии горизонта; - яркость окружающей среды.

При совокупном действии n блеских источников суммарное ощущение дискомфорта определяется по формуле

Границей дискомфортности зрительного ощущения являются:

При М = 120 ( = 10 кд/м²) и М = 60 ( = 100 кд/м²) возникают болезненные ощущения.

Дискомфортные ощущения возникают не только в результате больших яркостей, но и вследствие недостаточной освещенности поля зрения. Существует некоторая область значений яркости, наблюдаемая без напряжения, переносимая без утомления и наиболее благоприятная для глаза.

Цвет характеризуется тремя параметрами – яркостью, цветовым тоном и насыщенностью и поэтому является величиной трехмерной.

Под яркостью цвета (светового потока или окрашенной поверхности) понимается величина светового потока, излучаемого в данном направлении единицей площади поверхности, в пределах единичного телесного угла. Яркость цвета оценивается по эквивалентности зрительного восприятия интенсивности свечения окрашенной поверхности и соответствующей ступени серой шкалы.

Наряду с яркостью применяется понятие светлота цвета для оценки его интенсивности. Светлота является относительной величиной, определяется путем сравнения яркости цвета с яркостью белой поверхности в тех же условиях освещения и совпадает с величиной коэффициента отражения или пропускания (т. е. светлота равна отношению светового потока, отраженного или пропущенного телом, к световому потоку, падающему на тело).

Под цветовым тоном (оттенком) понимают то свойство цвета, которое позволяет нам оценить его как красный, синий, зеленый и т. д.

Под насыщенностью цвета понимают степень его свободы от примеси белого света. Более точно, насыщенность представляет собой число цветовых порогов, т. е. едва заметных переходов (изменений), отделяющих данный цвет от белого, равной с ним яркости.

Спектральные цвета имеют максимальную насыщенность, а для белого цвета насыщенность равна нулю.

Цветовой тон, яркость и насыщенность не являются полностью взаимонезависимыми. Так, например, цветовой тон слегка изменяется при изменениях яркости и насыщенности.

Цветовой тон и насыщенность характеризуют цветность светового потока, независимо от его яркости. Таким образом, цвет может быть охарактеризован яркостью и цветностью.

Цветовой тон и насыщенность являются субъективными параметрами, так как они оцениваются субъективно. Им соответствуют физические параметры цветности.

Цвет величина трехмерная (характеризуемая тремя параметрами - яркостью, цветовым тоном и насыщенностью) и может быть представлен в виде точки в пространстве трех измерений, положение которой задается тремя координатами или вектором Ц, начало которого помещается в начале координат, а конец - в данной точке пространства, изображающей цвет Ц. При этом длина вектора характеризует яркость цвета, а направление вектора определяет цветность (т. е. цветовой тон и насыщенность) цвета. Пространство, в котором находятся цветовые векторы, называется цветовым пространством (цветовым телом).

Положение цветового вектора в цветовом пространстве и его геометрическая длина не зависят от выбора основных цветов, а определяются цветностью и яркостью цвета, представленного данным вектором.

Если Ц₁ и Ц₂ - цвета одинаковой цветности, но различной яркости, то Ц₂ = кЦ₁, т. е. эти два цветовых вектора имеют одинаковое направление в пространстве и отличаются только своей длиной (к – постоянный коэффициент).

Однако в отличие от обычного геометрического пространства единичные цветовые векторы (т. е. векторы, представляющие единичное количество цвета) обычно имеют различную геометрическую длину, так как единичные количества цветов могут иметь различную яркость, а длина цветового вектора определяется яркостью цвета.

Таким образом, геометрическая длина цветового вектора, представляющего любой цвет, определяется его яркостью, а не трихроматическим количеством цвета.

Модуль цветового вектора есть его длина, выраженная в трихроматических единицах. Модуль цвета Ц и единичное количество цвета [Ц] зависят от выбора основных цветов и от цветности цвета Ц. Модуль цвета Ц зависит также от яркости этого цвета.

Основные цвета, взятые в единичных количествах, могут быть представлены тремя единичными векторами (ортами) , как показано на рис. 2.2. Длины их могут быть не одинаковы и равны одной трихроматической единице. Точка 0 здесь представляет черное, так как длина вектора в ней равна нулю и, следовательно, эта точка имеет нулевую яркость.

Так как при аддитивном смешивании двух цветов не может быть уменьшения яркости, то не может быть и цветовых векторов противоположных направлений, поэтому совокупность всех реальных цветовых векторов занимает в пространстве телесный угол, меньший 2π.

Чтобы быть взаимонезависимыми, векторы должны быть некомпланарными (т.е. не должны лежать в одной плоскости).

Для цветового вектора в цветовом пространстве можно написать

где - векторы основных цветов, взятых в количествах U, V, W, аддитивная смесь которых дает цвет Ц.

Здесь U, V, W являются контрвариантными декартовыми координатами вектора , т. е. координатами, полученными путем проекции вектора на оси координат параллельно этим осям.

Как уже говорилось, единичные цветовые векторы не должны лежать в одной плоскости (т. е. объем параллелепипеда, построенного на них, не должен быть равен нулю). Тогда сумма двух из них не сможет дать третий из них. При этом углы между векторами могут быть любыми.

На ортах может быть построен в цветовом пространстве так называемый единичный параллелепипед, диагональ которого, проходящая через начало координат, представляет собой вектор равностимульного цвета с координатами U=V=W=1 T, равный

Обычно в качестве такого цвета берут белый цвет. На рис. 2.3 показан в цветовом пространстве вектор равностимульного цвета в прямоугольной системе координат и единичный параллелепипед, ребрами которого являются .

Единичная плоскость в цветовом пространстве

Как известно, уравнение плоскости, находящейся в обычном геометрическом пространстве, в общем виде таково:

где X, Y, Z – контрвариантные декартовы координаты точки плоскости; А, В, С, D – постоянные коэффициенты.

Это уравнение называется единичным и описывает плоскость, называемую единичной. Если X, Y, Z – координаты U, V, W цвета соответственно, то условие (2.2) описывает единичную плоскость в цветовом пространстве. В цветовом пространстве все цвета (концы цветовых векторов), отвечающие условию (2.2), лежат в единичной плоскости и величина их равна одной трихроматической единице Т (хотя эти векторы имеют различную длину, зависящую от положения единичной плоскости, т. е. от выбора основных цветов).

Если X = Y = 0, т. е. U = V = 0, то из (2.2) следует Z =1 (т. е. W=1) и этой точке на единичной плоскости соответствует из рис. 2.2 цветовой вектор

Отсюда следует, что конец орта лежит в единичной плоскости. Аналогично можно показать, что концы ортов и лежат в единичной плоскости, если Y = Z = 0, Х=1 и если X = Z = 0, Y = 1.

Концы ортов образуют на единичной плоскости в цветовом пространстве цветовой треугольник UVW, как показано на рис. 2.4.

Вершины цветового треугольника имеют координаты (X; 0; 0), (0; Y; 0), (0; 0; Z). Положение единичной плоскости определяется ортами .

Если взять в пространстве другую систему взаимно независимых ортов, то единичная плоскость в этой системе ортов не будет совпадать с единичной плоскостью в системе ортов и в общем случае не будет ей параллельна.

Единичная плоскость играет в колориметрии важную роль, так как положение точки на ней может быть задано только двумя координатами, поскольку третья координата находится по двум другим из уравнения (2.2). Например, Z = 1 - (X+Y). Следовательно, точками на этой плоскости удобно изображать не цвет, а цветность, так как цветность определяется только двумя параметрами, а не тремя.

Расположение цветового треугольника на единичной плоскости и его форма определяются выбором ортов основных цветов. Представляет интерес такой выбор этих ортов, когда координаты X, Y, Z (т.е. U, V, W) имеют только положительные значения для всех спектральных цветов, изображаемых векторами, исходящими из общего начала координат. Тогда спектральные цвета будут изображаться на единичной плоскости точками на некоторой кривой, называемой спектральным локусом, лежащей внутри треугольника основных цветов на этой плоскости, как показано на рис. 2.4. Форма спектрального локуса зависит от выбора ортов основных цветов.

В колориметрии вместо единичной плоскости в пространстве иногда пользуются ее проекцией на одну из координатных плоскостей. Положение точки на этих плоскостях также определяется двумя координатами, а не тремя, и поэтому точками на них удобно изображать цветность цвета. Проекция спектрального локуса на эти плоскости зависит от выбора ортов основных цветов и способа проекции.

Рисунок, представляющий собой изображение цветностей на единичной плоскости или ее проекциях, называется хроматической диаграммой (рис. 2.5) или диаграммой цветности. По этому графику можно определить координаты цветности X и Y , а значит, и доли красного, зеленого и синего, необходимые для получения любого цвета видимого спектра. Если основные цвета располагаются вне границы графика, то это значит, что такая система может воспроизводить не все цвета.

Разрешающая способность, или острота зрения, характеризуется минимальным углом, при котором возможно отдельное различение двух соседних точек. Этот угол называется порогом остроты зрения α_υ. Для нормального зрения порог остроты равен 1 угл. мин. Рекомендуемое значение α_υ._р в расчетах берут равным 2 - 3 угл. мин. Угол зрения (α_υ.эм), необходимый для надежной идентификации элементов информационной модели, зависит от их сложности, оцениваемой количеством k_э минимально различимых дискретных элементов, на которые их можно разложить. Для синтеза букв и цифр требуется 7 - 9 дискретных элементов по высоте. Следовательно, для них α_υ.эм = 14 - 27 угл. мин.

Зависимость между угловыми и линейными размерами иллюстрируется рис. 2.5, из которого следует:

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

Угол зрения используется как мера пространственных порогов зрения. Различают несколько видов пространственных порогов:

Порог минимального видения – минимальный угол зрения, под которым объект становится видимым вообще, как нерасчлененное, бесформенное пятно.

Порог раздельного видения – минимальный угол зрения, под которым виден промежуток между двумя объектами или деталями объекта для восприятия их раздельности.

Порог узнавания формы – минимальный угол зрения, под которым становится возможным узнать форму объекта.

Острота зрения – величина, обратная пространственному порогу (порогу раздельного видения), выраженному в угловых минутах.

Чем меньше пространственный порог, тем выше острота зрения. Острота зрения зависит от контраста. Чем выше контраст, тем выше острота зрения.

Разрешающая способность падает по мере удаления от оси глаз.

Поле ясного зрения человека 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°.

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 (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 , воспринимаемая глазом, определяется законом Тальботта:

где L_υ(t) – закон изменения яркости в интервале времени свечения элемента (t1 – t2); Т – период повторения мерцания элемента.

Зависимость между яркостью стимула и КЧМ описывается законом Ферри-Портера, согласно которому КЧМ пропорциональна логарифму яркости сигнала:

где а, b – константы, зависящие от спектрального состава света, L – яркость сигнала.

В условиях дневного света а = 10 – 15, для сумеречного света (L < 10 кд/м²)
а = 1 – 2. Значения приближенны, найдены эмпирически и справедливы только для центральной части поля зрения.

Закон справедлив в диапазоне яркостей 1 – 1000 кд/м².

Результаты исследований показали, что при заданной яркости мелькание становится более заметным, если увеличивается размер объекта.

КЧМ достигает максимума на участке, удаленном на 40⁰ от центра в височной области сетчатки и на 25 – 30⁰ в носовой.

В зависимости от условий освещения, размеров и положения объекта мелькание будет более заметным либо на периферии поля зрения, либо в центральной его части.

Исследователи рекомендуют 50 – 60 Гц для обратного контраста и не менее 80 Гц для прямого контраста.

Для привлечения внимания КЧМ должна составлять 3 – 5 Гц.

При частоте 8 – 10 Гц мелькающий свет кажется более ярким, чем постоянный свет с той же средней яркостью.

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

Яркость адаптации близка к средней яркости поля зрения. Величина яркости поля адаптации определяет вид освещения: ночное (L ≤ 0,01 кд/м²), сумеречное (L = 0,01 – 10 кд/м²), дневное (L ≥ 10 кд/м²). Им соответствуют ночное, сумеречное и дневное зрение. Операторам приходится работать в условиях дневного (реже сумеречного) освещения. В этих условиях раздельное видение предметов определяется контрастом.

После прекращения действия светового раздражителя глаз как бы продолжает видеть источник, и кажущаяся яркость L_К спадает по экспоненциальному закону:

где - яркость в момент прекращения действия раздражителя; τ – постоянная времени инерции, которая обратно пропорциональна яркости .