Особенности зрительного восприятия глазом человека

Глаз представляет собой сложную оптическую систему. Оптическая часть глаза состоит в основном из двояковыпуклой линзы – хрусталика, диафрагмированного отверстием в радужной оболочке – зрачком (рис.1). Хрусталик создаёт на светочувствительной поверхности сетчатки, устилающей глазное дно, действительное, уменьшенное и обратное изображение фиксируемым глазом предметов.

 

Рис.1. Глаз как оптическая система:

1 – сетчатка; 2 – зрачок; 3 – хрусталик

 

Сетчатка имеет сложное строение и состоит из приемников света – палочек, колбочек и нервных клеток. Свет, проникший в глаз, воздействует на фотохимическое вещество элементов сетчатки и разлагает его. Достигнув определённой концентрации, продукты распада раздражают нервные окончания, заложенные в палочках и колбочках. Возникшие при этом импульсы по зрительному нерву поступают в нервные клетки зрительного центра головного мозга. В результате человек видит цвет, форму и величину предмета. Сетчатка глаза содержит 130 млн палочек и 7 млн колбочек. Колбочки отвечают за цветное зрение, палочки не различают цветов. Одновременно с расходованием фотохимического вещества происходит процесс его регенерации. Процесс регенерации фотохимического вещества происходит в палочках значительно медленнее, чем в колбочках, различна также чувствительность тех и других к различным длинам волн излучения.

Палочки присоединены к волокнам зрительного нерва большими группами, т.е. «подключены» к нему параллельно, колбочки присоединены к волокнам по отдельности или по нескольку штук.

При очень малых уровнях яркости разложение фотохимического вещества происходит медленно, но так как полочки присоединены к волокнам зрительного нерва большими группами, то на малые яркости реагируют именно они. Наоборот, при высоких яркостях колбочки работают хорошо, палочки же практически выключаются из работы, так как быстрый расход фотохимического вещества не компенсируется его медленной регенерацией.

Это является причиной существования дневного, ночного и сумеречного зрения. Дневное зрение – зрение нормального глаза, возникающее примерно при яркости более 10 кд/м², которая имеет место при освещённости поверхности не менее 50 лк с коэффициентом отражения r=0,6. Ночное зрение – при яркости не менее 0,01 кд/м², т.е. при освещённости той же поверхности не более 0,05 лк. В промежутке между указанными уровнями яркости, в котором происходит переход от одного вида зрения к другому, имеет место сумеречное зрение.

Приспособление глаза к различению объекта осуществляется за счёт трёх процессов:

- аккомодации – изменения кривизны хрусталика глаза таким образом, чтобы изображение предмета оказалось в плоскости сетчатки глаза (при изменении кривизны хрусталика происходит изменение величины фокусного расстояния – осуществляется «наводка на фокус»);

- конвергенции – поворота осей зрения обоих глаз так, чтобы они пересекались на рассматриваемом объекте;

- адаптации – приспособление глаза к данному уровню освещения.

Процесс адаптации – это изменение площади зрачка. При адаптации глаза, кроме изменения площади зрачка, происходят и другие процессы. Например, при увеличении яркости происходит подавление палочек и уменьшение количества светочувствительного вещества в колбочках. При адаптации глаза к малым яркостям происходя обратные явления. Для освещения процесс адаптации имеет особое значение, так как именно ему глаз обязан столь широкому диапазону работоспособности.

Хорошо известно, что при переходе из светлого помещения в тёмное способность различать детали возникает медленно, а при выходе из тёмного помещения в светлое первоначально возникает состояние ослеплённости.

При переходе от больших освещённостей к практической темноте процесс адаптации происходит медленно и заканчивается за 1…1,5 ч. Обратный процесс идёт быстрее и длится 10..15 мин. В обоих случаях речь идёт о полной переадаптации зрения; при изменении яркости не более чем в 5-10 раз переадаптация происходит практически мгновенно.

Необходимо помнить, что в процессе адаптации глаз работает с пониженной работоспособностью, поэтому необходимо избегать условий, требующих частой и глубокой переадаптации.

Проиллюстрировать процессы перестройки зрения можно на таких простейших опытах.

Процесс аккомодации. Если в течение 1…2 мин через окно на удалённый предмет (желательно небольшого размера – ветку, дерево, мачту антенну и т.д.), затем быстрого переведите взгляд на текст книги. В первый момент текст книги плохо различим. При хорошем зрении процесс изменения кривизны хрусталика происходит достаточно быстро – изменяется фокусное расстояние, наблюдаемый объект фокусируется на сетчатке. При ухудшение зрения этот процесс замедляется.

Процесс адаптации. Если во время чтения книги выключить искусственное освещение или уменьшить его так, чтобы значительно уменьшилась освещённость поверхности страницы книги, то в первый момент текст становится плохо различимым и лишь спустя некоторое время его можно читать. От степени изменения освещённости зависит время, необходимое для адаптации зрении (изменения размеров зрачка), к новым условиям пониженной освещённости.

К работе зрительного аппарата применим известный психофизический закон Вебера-Вехнера, в соответствии с которым, как равные воспринимаются приращения яркости, одинаковые не по своему абсолютному значению, а по их отношению к исходному уровню яркости, т.е. уровень зрительного восприятия пропорционален не яркости, а логарифму отношения яркостей.

Работоспособность глаза характеризуется несколькими показателями. Деталь различима на фоне, если она отличается от него по яркости или по цветности. Важнейшее значение при этом имеет яркостный контраст К. Величина, обратная контрасту, называется контрастной чувствительностью (V_k=1/K) и измеряется в единицах контрастной чувствительности. Наименьший различимый глазом контраст называется пороговым контрастом. Пороговый контраст равен 0,01…0,015, что соответствует контрастной чувствительности 100…67 единиц.

Для того чтобы детали различались как отдельные, они должны быть разделены определённым промежутком, наименьший размер которого определяет разрешающую способность глаза. Разрешающая способность выражается как отношение размера наименьшего различаемого глазом объекта к расстоянию от него до глаза и измеряется в угловых или относительных единицах. Величина, обратная разрешающей способности глаза, называется остротой зрения. Нормальное зрение в благоприятных условиях имеет остроту около 3500 (разрешающая способность около 1 угловой минуты). У некоторых лиц острота зрения может быть значительно большей.

Процесс видения происходит быстро, но не мгновенно. Время различения имеет значение для скорости работы, а иногда, будучи лимитированным обстоятельством, играет решающую роль при выполнении работы. При условиях, близких к пороговым в отношении размера детали, контраста и времени, различение становится недостоверным. Поэтому наряду с другими параметрами рассматривается вероятность различения р. Поэтому следует говорить о существовании зависимости V k =ƒ(α,L,t,p), где α – угол различения объекта; L - яркость; t - время различения; p - вероятность различения.

Для зрительного восприятия очень большое значение имеет яркость фона L_ф. Работоспособность глаза повышается с ростом L_ф сначала быстро, потом замедленно, постепенно достигая предельного уровня. В зависимости от параметров освещения и вида работы стабилизация зависимости работоспособности от яркости достигается по значениях L_ф = 10…100 кд/м2, что соответствует освещённости 50…5000 лк. При чрезмерной яркости фона наступает состояние ослеплённости, характеризующееся пониженной работоспособностью глаза.

Характеристиками взаимосвязи условий освещения и работоспособности глаза является видимость V и относительная видимость V₀.

Видимость определяется как имеющееся в данных условиях значение той или иной характеристики глаза по сравнению с наименьшим её уровнем, необходимым для выполнения данной зрительной работы. Например, если работа требует разрешающей способности глаза 500, а при имеющихся условиях освещения она достигает 1500, то видимость равна 3. При видимости, равной 1, состояние глаза находится на границе «вижу - не вижу». Основной характеристикой глаза в настоящее время признаётся контрастная чувствительность. Поэтому в данное время видимость принято определять по этой функции. При оценке видимости для реальных условиях вводится коэффициент сверхпорогового контраста с, который принимается равным 1,8…2. Так как зависимость зрительного процесса от яркости носит логарифмический характер, видимость определяют по логарифмической шкале. Поэтому, чтобы на границе «вижу – не вижу» значение видимости оставалось равным единице, в формулу для определения видимости вводится множитель 10:

где К – фактический контраст; К_пор – пороговый контраст для того же объекта различения.

Для каждого данного объекта различения может быть определено максимальное значение видимости Vmax, которое соответствует таким условиям минимального значения К_пор.min:

Степень соответствия имеющихся осветительных условий тем, при которых пороговый контраст достигает минимума, характеризуется значением относительной видимости

которая в настоящее время считается наиболее удобным критерием для оценки световых условий.

Зрительный анализатор обладает спектральной чувствительностью. Наибольшая чувствительность у органа зрения к световым излучениям с длиной волны 500-600 нм. Этот диапазон соответствует излучению жёлто-зелёного цвета.

Наибольшая видимость днём отвечает жёлтому цвету, а ночью и в сумерках – зелёному. У некоторых людей наблюдается полная или частичная цветовая слепота, когда не различаются некоторые цвета. Такое явление называется дальтонизмом (см. рис.2).

 

Рис. 2. Спектральная чувствительность.

 

Пространственные характеристики включают в себя остроту, поле зрения, объём восприятия.

Острота зрения определяется как отношение расстояния, на котором человек различает знаки специальной таблицы к расстоянию, на котором он должен их различать при нормальной остроте зрения.

При зрении обоими глазами (бинокулярном) человек в силу строения глаз и их расположения может правильно воспринимать предмет без поворота головы только в определённом поле (см. рис. 3):

 

 

Рис.3. границы полей зрения.

Информационной характеристикой зрительного анализатора является прежде всего пропускная способность, характеризующаяся количеством зрительной информации, которую орган зрения способен принять в единицу времени. Пропускная способность органа зрения (с учётом ответных действий человека) составляет 2-4 двигательных единиц в секунду.

Ощущение, вызванное световым сигналом, сохраняется в течение 0,1-0,3с. (несмотря на изменение или исчезновение характеристики). Ощущения, оставшиеся после снятия раздражителя, называются последовательными образами. Так, если наблюдать некоторое время предметы, постоянно движущиеся в одном направлении, а затем перевести взгляд на неподвижные предметы, то может показаться, что последние движутся в противоположном направлении.

К информационным характеристикам относят так же оптико-геометрические иллюзии. Например, существует тенденция оценивать горизонтальные линии боле коротким, чем вертикальные той же длины; острые углы переоцениваются, тупые – недооцениваются.

К временным характеристикам зрительного анализатора относят латентный период зрительной реакции, длительность ощущения, критическую частоту мелькания, время адаптации, длительность информационного поиска.

В среднем латентный период длится в пределах от 0,16 – до 0,24с. Затраты времени на оценку зрительной ситуации совместно с принятием решения составляет до 2,2с., перемещение взора 0,1-0,3с., фиксация зрения – 0,1-0,3с. Оценка ситуации – до 0,6с, принятие решения – до 1с.

С учётом рассмотренных особенностей зрительного восприятия разработаны требования к СОИ (средствам отображения информации). Эти требования необходимо выполнять, особенно при управлении объектом в системе человек-машина.

К функциям зрения, играющим наиболее важную роль в трудовом процессе, относятся: контрастная чувствительность, быстрота различения деталей, устойчивость ясного видения, цветовая чувствительность, а также острота зрения и зрительная адаптация.

Контрастная чувствительность – это способность глаза различать минимальные уровни яркости объекта и фона. Наличие в поле зрения очень больших яркостей может приводить к ослеплённости и повреждения светочувствительных элементов сетчатой оболочки.

Скорость зрительного восприятия – скорость различения объекта. Эта функция находится в прямой зависимости от уровня освещённости.

Устойчивость ясного видения – способность удерживать отчётливое изображение рассматриваемого объекта. Это отношение времени ясного видения к общему времени рассматриваемой детали. Наблюдается заметное повышение устойчивости ясного видения при увеличении освещённости и её снижение в процессе работы в результате развития зрительного утомления.

Цветоощущение – это способность глаза человека различать отдельные цвета и цветовые оттенки. Цветоощущения особенно важно при выполнении производственных операций, связанных с необходимостью цветоразличения.

Острота зрения – способность глаза чётко различать границы объекта различения. Она измеряется углом (от 0,5 до 10), при котором две точки ещё воспринимаются отдельно на расстоянии 5 м.

Адаптация – приспособление глаза к данному уровню освещённости. При переходе от высоких уровней освещённости к практической темноте адаптация происходит медленно и заканчивается за 1-1,5 ч. Обратный процесс идёт быстрее и длится 5-10 мин. В период осуществления адаптации глаз работает с повышенной работоспособностью, поэтому необходимо избегать частой и «глубокой» переадаптации.