Пространственные характеристики зрительной информации

При проектировании и эксплуатации средств отображения рассматриваются три группы факторов: 1) размещение средств: отображения на РМ и в оперативных залах; 2) опти­мальные размеры знаков и их элементов в разных системах ото­бражения; 3) оптимальная компоновка знаков на средствах ото­бражения. Размещение средств отображения в оперативном зале. Разме­щение средств отображения в поле зрения наблюдателя должно производиться с учетом оптимальных углов обзора и зон наблю­дения.

При рассматривании объектов сложной конфигурации, а также при восприятии объемного и перспективного изображения опти­мальный угол обзора и горизонтальной плоскости составляет 30–40°. Для восприятия плоского изображения со сравнительно про­стой знаковой индикацией рекомендуется угол обзора 50–60°, охватывающий зону неясного различения формы (в пределах этого угла наблюдатель замечает происходящие изменения перифериче­ским зрением, а для точного рассмотрения объекта переводит на него взгляд). Предельный угол обзора при одновременном дви­жении глаз и головы составляет 180°. Однако при ОИ с требованиями высокой скорости ее обработки до­пустимый угол обзора составляет 90°.

В вертикальной плоскости оптимальный угол обзора состав­ляет 0–30° по отношению к горизонтали (15° вверх и 15° вниз от нормальной линии взора). Нормальная линия взора соответст­вует наиболее удобному положению глаз и головы при рассматри­вании объектов и располагается под углом 15° вниз от горизон­тальной линии взора. Максимальный угол обзора в вертикальной плоскости при повороте только глаз составляет 70°, при одновре­менном движении глаз и головы предельный угол видимости со­ставляет 90° вверх и 55° вниз от горизонтали. В соответствии с ними проектируются высота и ширина индикаторов, их пропор­ции. Рассчитываются при заданных размерах индикаторных устройств расположение наблюдателей в горизонтальной и верти­кальной плоскостях, углы наклона индикационных устройств, взаимное расположение индикационных средств на РМ и средств отображения коллективного пользования в оперативном помещении.

Большие экраны, находящиеся на значительном расстоянии от операторов, располагаются вертикально. Исходя из соотношения вертикального и горизонтального углов обзора ширина экрана примерно вдвое больше его высоты. При ширине экрана меньше 10м отношение ширины экрана к его высоте берется равным 1,3:1. Лучшее для наблюдателя место находится на расстоянии, которое в 2–2,5 раза больше ширины экрана. Максимальное рас­стояние до большого экрана в 8 раз больше ширины экрана. Рас­положение экрана должно производиться с учетом отношения к линии взора наблюдателя. Точность восприятия изображения зависит от величины угла, под которым оно рассматривается. Оптимальный угол наблюдения составляет ±15° к нормали экра­на. При рассматривании изображения сбоку допустимый угол обзора составляет 45° к нормали экрана.

Общие требования к организации оптимальных зон наблюде­ния применимы и при размещении индикаторов на пультах. Дополнительно учитывается необходимость одновременного обзора коллективных средств отображения и индикаторов на рабочих местах. В соответствии с этим расположение ЭЛТ, телевизоров, дисплеев должно быть ниже линии взора. Для сидящего операто­ра расстояние от пола до линии взора составляет 1240–1250 мм.

Расположение индикаторов оптимально в вертикальном угле обзора 45° вниз от горизонтальной линии взора оператора.

Для оптимальных условий наблюдения плоскость лицевых па­нелей индикаторов должна приближаться к перпендикулярному расположению по отношению к линии взора. Это достигается наклоном лицевых панелей. Из практики проектирования РМ оператора наклон трубок составляет от 0–4 до 0–20° к вер­тикали. Пространственное размещение индикационных устройств, невозможно без учета светотехнических характеристик индикато­ров, и прежде всего коэффициента яркости, определяющего види­мую яркость изображения при изменении пространственного поло­жения наблюдателя.

Оптимальные размеры знаков и их элементов. Оптимальные размеры знаков соответствуют понятию оперативных порогов восприятия, при которых обеспечиваются максимальная точность и скорость восприятия и опознания человеком поступающей И.

Оптимальный размер знаков, предъявляемых да средствах ото­бражения, рассчитывается с учетом яркости знаков, величины кон­траста, вида контраста, сложности графического начертания зна­ков, использования цвета. Предъявляемые знаки подразделяются на две группы: алфавит буквенно-цифровой и алфавит условных знаков.

Допустимый размер букв и цифр при учете только точности считывания на фоне других знаков составляет 18–20°.

При одновременном учете точности и скорости опознания опти­мальный размер знаков составляет 35–40°.

Для читаемости цифр необходимо выдерживать оптимальные соотношения осн. параметров знака: высоты, ширины, тол­щины обводки. Толщина линий для знаков обратного контраста составляет 1/10 к высоте знака. Знаки, рассматриваемые на про­свет, могут иметь меньшую толщину обводки – 1/30; 1/40. Эти вели­чины значительно меньше тех, которые рекомендованы для про­порций знаков прямого контраста в силу иррадиации, увеличиваю­щей видимую толщину штрихов и уменьшающей видимое про­странство между элементами знака. Однако в целом ряде случаев уменьшение толщины знаков нежелательно по ряду обстоятельств. Одно из них связано с необходимостью введения цвета как опти­мального кода при отображении И. Правильная иден­тификация цвета возможна только при размерах цветовых полей не меньше критических. При их дальнейшем уменьшении цвет поверхностей сильно искажается. Для а<15° желтый, зеленый и пурпурный цвета меняют свой оттенок соответственно на сине-зеленый, темно-серый и коричневый. Наибольшему изменению под­вержены желтый и синий цвета, которые при а<2° практически воспринимаются как ахроматические. Поэтому при введении цвета оптимальные размеры знаков рассчитываются, исходя из необхо­димой толщины штрихов для передачи цвета с соблюдением про­порций знака для прямого контраста.

Размер знака в 35–40° при К>60% в указанных пропорциях обеспечивает хорошую их различимость с введением основных ко­довых цветов.

Взаимное расположение линий, образующих знак, в соответст­вии с показателями остроты зрения, влияет на читаемость знаков. Лучшим из начертаний цифр обычного типа считается шрифт Макворта, в котором наклонные линии в знаках расположены под углом в 45°, и шрифт Бергера, в котором буквы и цифры состав­лены прямыми линиями.

Для алфавита условных знаков оптимальная величина знака, обеспечивающая наиболее быстрое и точное восприятие, зависит от сложности их конфигурации. Для знаков простой конфигура­ции, представляющих собой контур – треугольник, квадрат, тра­пецию, овал и т.п., величина оперативного порога опознания со­ставляет 18±1° для наибольшей грани контура. При определении размера сложных знаков следует учитывать как величину знака в целом и величину его детали, так и наименьшее расстояние меж­ду его деталями. При знаках средней сложности – с деталями внутри и снаружи контура, угловой размер знака должен состав­лять 21 ± 1°. Размер наименьшей детали – 4–5°. Если знак слож­ный – с наружными и внутренними деталями, его опознавание затруднено и безошибочная работа осуществляется при больших размерах знаков а=35±2°. Размер наименьших деталей должен составлять 6°.

Оптимальное соотношение величины условного знака и цифро­вой И, относящейся к нему, 2:1 или 1,8:1.

Знаки, компонуемые из дискретных светящихся элементов. Для отображения алфавитов знаков используются ЭЛТ специаль­ного назначения. Отображаемые знаки компонуются из дискретных светящихся элементов: способом точечных матриц или строчного изображения. Для них определяются число элементов изображе­ния, размер и площадь элементов изображения, расстояние между элементами знака. Оптимальный размер знаков определяется ха­рактеристиками оперативной работы и соотносится с требования­ми, предъявляемыми к печатным знакам.

Минимальная же величина знака зависит от числа элементов, необходимых для их опознания. Для растрового способа мини­мальное число линий растра для букв и цифр равно 10. Для точ­ечной матрицы число точек такое же.

Читаемость знаков, образованных с помощью точечных матриц и растровым способом, одинакова, однако операторы предпочи­тают точечные знаки.

Оценка скорости и точности по параметрам необходимого ко­личества элементов разложения для букв русского алфавита и цифр показала преимущество матриц 6x9 и 5X7 при растровом способе знакогенерирования и 8–16 элементов при функцио­нальном.

Следует добиваться неразличимости элементов изображения: точек матрицы, растра и др.

Для получения непрерывного изображения нужно, чтобы рас­стояние между краями соседних пятен было меньше 1°. Для полу­чения изображения с иллюзией непрерывной яркости нужно обес­печить условие, при котором меньше 1° должно быть расстояние между центрами пятен.

Если дискретная структура знака заметна, читаемость знака, помимо перечисленных факторов, определяется воспринимаемой яркостью элементов изображения. Воспринимаемая яркость не за­висит от размеров (площади) элементов, если они составляют не меньше 2°. Однако при меньших размерах воспринимаемая яркость определяется произведением площади изображения на интен­сивность светового потока (закон Рикко) и, следовательно, будет ослабевать с уменьшением размеров светящихся эле­ментов.

Оптимальные характеристики компоновки знаков. В процессе обработки сигналов глаз совершает движения от объекта к объек­ту с их последовательной фиксацией. Содержательная обработка И осуществляется в момент фиксации, движение же глаз обеспечивает последовательность обработки воспринимаемой И.

В соответствии с закономерностями этих двух этапов «поведе­ния» глаза формулируются требования к компоновке знаков и их взаимному расположению в контролируемом пространстве.

Требования к компоновке знаков определяются величиной опе­ративного поля зрения и разрешающей способностью двиг. системы глаза. Величина оперативного поля зрения ограничивает количество объектов для одномоментной (200–300 мс) перера­ботки зрительной И.

Разрешающая же способность глаза определяет плотность рас­положения объектов или одномоментно воспринимаемых групп.

В практике отображения возможны два разных способа пред­ставления И: организованное и «хаотическое».

К первому относятся формулярный и табличный способы орга­низации знаковой И.

Формуляр – это объединенные в компактную группу буквы, цифры и условные знаки, кодирующие данные о контролируемых объектах.

Исходя из величины оперативного поля зрения количество зна­ков в строке формуляра не должно превышать 4–5 цифр. Опти­мальное общее число знакомест в формуляре – 12. Это число определено на основании минимального числа фиксаций при считывании формуляра и минимального времени селекции отд. типов сообщений и расшифровки сведений, закодированных циф­рами и буквами.

Для оптимального выделения И, кодируемой в фор­муляре на опред. знакоместах, необходимо выдерживать опред. расстояния между его элементами.

Рекомендуются след. интервалы между элементами фор­муляра:

– между условным знаком и формуляром, к нему относящим­ся, не менее 1/4 высоты условного знака;

– между отд. знаками в формуляре 1/2 ширины знака;

– между строками 1/2 высоты знака.

Табличный способ представляет собой распределение знаков по столбцам и строчкам, имеющим самостоятельное значе­ние. Считывание нужных данных обеспечивается при безоши­бочном определении координат информации, извлекаемой из таблицы.

Точное и безошибочное считывание И с таблицы осуществляется при ее оптимальной организации, учитывающей общий размер таблицы (в угловых величинах), число столбцов и строк, общее число знаков в таблице, плотность знаков по верти­кали и горизонтали, степень однородности таблицы.

При обычных способах работы с цифровыми таблицами необ­ходимо, чтобы размеры самостоятельных частей таблицы не пре­вышали величины оперативного поля зрения. Плотность располо­жения объектов должна быть больше величины, вызывающей дви­гательные шумы глаза.

Допустимая плотность чисел в таблице зависит от общих раз­меров таблицы, с которой считывается И. Чем меньше общий размер таблицы, тем с большей плотностью можно рас­полагать числа при сохранении режима быстрого и точного считы­вания.

Оптимальные соотношения плотности чисел и величины табли­цы, в которой возможно точное и быстрое прослеживание чисел или их нахождение по заданным координатам, составляют 3° при плотности в 10°, 5–7° при плотности в 15°, 10–15° при плотности чисел в 20°. При больших таблицах рекомендуемая плотность чи­сел составляет не менее 60°. При плотности в 40–50° безошибоч­ная работа выполняется с большим напряжением.

Соответствие размерам оперативного поля зрения достигается делением общего поля таблицы разграничительными линиями либо др. способами, уменьшающими ее однородность. Рекомендуются интервалы:

– между отдельными знаками (цифрами) интервал должен составлять величину, равную толщине обводки;

– между столбцами (числами) – от 1/2 ширины знака до рас­стояния, равного высоте знака.

 

§3. Яркостные характеристики зрительной информации (ЗИ)

В оценку оптимальности яркостного режима включается нор­мирование уровня яркости и ее перепадов в поле зрения наблю­дателя для достижения заданных показателей эффективности обработки ЗИ. Для оценки качества изобра­жения на индикационных устройствах нормируются значения кон­траста, контрастности или интервала яркостей, необходимого для передачи заданного числа градаций яркости и обеспечения четко­сти изображения, а также уровень и интервал яркостей для пра­вильной передачи в изображении светлотных характеристик ото­бражаемых объектов. Спец. задача решается при исполь­зовании яркости в качестве кода.

Уровень яркости. Оптимальной яркостью считаются те ее зна­чения, при которых обеспечивается максимальное проявление кон­трастной чувствительности – ведущей функции глаза. Показателем максимального проявления функции являются минимальные зна­чения порогового контраста. В табл.5 даны значения яркостей для объектов разных угловых размеров, начиная с которых обес­печивается наивысшая контрастная чувствительность глаза.

Для практики отображения существенно, что при уровне опти­мальной яркости имеющийся «запас прочности» обеспечивает устойчивость эффективности обнаружения и различения к помехогенным факторам. К последним следует отнести как аппаратурные помехи, снижающие контрастность изображения, так и «зашум­ленность» осн. изображения картографическим фоном, вспо­могательными линиями, цветовыми полями. При яркостях, обеспе­чивающих высокую контрастную чувствительность, можно в из­вестных пределах снижать контраст изображения без ухудшения различимости. Приведенные значения оптимальных яркостей отно­сятся лишь к операциям обнаружения объектов простой конфигу­рации с пороговой достоверностью, для вероятности обнаруже­ния 0,5. При различении объектов сложной конфигурации, при требованиях высокой точности опознания и большой скорости обработки данных вводятся поправочные коэффициенты, увеличи­вающие значения яркости, полученные для задач обнаружения. Яркость фона (для объектов прямого контраста), обеспечиваю­щая наивысшую остроту различения (S=2,5), составляет 104 кд/м2. При различении сложных объектов наивысших значений острота зрения достигает при яркости фона в 3000 кд/м2. Однако с уменьшением яркости острота зрения изменяется не столь резко. Для яркостей 300–200 кд/м2 острота зрения состав­ляет 90% по сравнению с наибольшими ее значениями. Резкое падение остроты зрения наблюдается при выходе из диапазона яркостей дневного зрения, т. е. В<10 кд/м2.

При выборе яркости следует учитывать знак контраста изо­бражения. Острота зрения растет для обратного контраста с уве­личением яркости до 30–31 кд/м2, при дальнейшем ее росте острота зрения падает вследствие иррадиации.

Соотношение яркостей в поле зрения. При установлении опти­мального диапазона яркостей, одновременно находящихся в поле зрения оператора, необходимо обеспечить перепад яркостей, близ­кий к уровню адаптации. Яркости, попадающие в зону слепящих яркостей или в зону неразличимо-черного, резко снижают эффек­тивность работы оператора.

Максимально допустимый перепад яркостей в поле зрения опе­ратора не должен превышать 1:100. Оптимальное же соотноше­ние яркостей в поле зрения оператора, обеспечивающее высокий уровень контрастной чувствительности и быстроты различения, составляет 20:1 между источником света и ближайшим окруже­нием и 40:1 между самым светлым и самым темным участками изображения.

Градации яркости и качество изображения. Для передачи изображения алфавита знаков, условной картинной обстанов­ки и передачи реальных объектов (телевидение, кино) важнейшей характеристикой является число элементов или признаков, необ­ходимых для опознания объекта разных классов.

При опознании алфавита буквенно-цифровых знаков это число составляет 4–10. Для более сложных изображений оно равно 12–17, а опознание некоторых объектов требует четкого выделе­ния до 40 признаков.

В зависимости от типа изображения эти опознавательные эле­менты передаются разным числом градаций яркости. Минималь­ное число при передаче изображения равно двум. Таким числом градаций высвечиваются знаковые, символические сообщения – темные знаки на белом фоне (прямой контраст) или, наоборот, светлые на темном (обратный контраст). В этом случае качество изображения оценивается величиной контраста (К), вычисляемого как отношение разности объекта и фона к большей яркости.

Контраст до 20% рассматривают как малый, до 50% – сред­ний и свыше 50% – высокий. Рекомендуемая зона величины кон­траста лежит в пределах от 65 до 95%; при этом оптимальным является контраст, равный 85–90%. Контраст свыше 90% следует использовать в тех случаях, когда требуется наибольшая четкость изображения, а общее время работы небольшое. При длительной работе предпочтительнее контраст 85–90%.

При отображении же реальных объектов средствами телевиде­ния, кино важно точно передать соотношение яркостей деталей объектов пропорционально их коэффициентам отражения. Для хорошего изображения обязателен расчет числа градаций ярко­сти и определение шага при переходе от одной градации к другой. Для передачи крупных объектов с плавными световыми пере­ходами в соответствии с коэффициентом отражения необходимо не менее 15–40 градаций.

Обеспечение заданного числа градаций яркости возможно лишь при достаточном уровне контрастности изображения, т.е. при интервале яркостей, внутри которого распределены эти градации.

Минимально допустимое значение контрастности, создающее удовлетворительное изображение, создается в интервале 1:10.

Требуемая контрастность изображения зависит от содержания отображаемой И и вида контраста. Для передачи слож­ного полутонового изображения с сохранением деталей необходи­мая контрастность составляет 1:100. Печатные изображения или изображения, образуемые штриховыми линиями, требуют кон­трастности 1:25. Величина контрастности существенно зависит от того, светлее или темнее фона отображаемые объекты. Для зна­ков обратного контраста в связи с необходимостью адаптации к небольшим значениям яркости контрастность приемлема в диа­пазоне 5–10. При высоких уровнях контрастности высвечиваемые знаки кажутся яркими источниками света.

Минимально допустимое значение контрастности при ее считы­вании знаков на фоне помехогенного и однотонного изображения определяется с учетом критериев эффективности считывания та­кой И. Если учитывается только точность считывания, соотношение яркости полезного изображения и яркости помехи должно быть не меньше 2:1. При одновременном учете быстроты и точности опознания это соотношение увеличивается до 7:1, 9:1. Контрастность изображения снижается при внешнем освещении тем значительнее, чем ниже яркость экрана и чем больше яркость, создаваемая освещением извне. Уровень внешней засветки не дол­жен превышать 3–10% яркости экрана.

В оценку качества отображения входит определение числа градаций, воспринимаемых глазом, и сравнение их с числом гра­даций яркости, передаваемых на средствах индикации. Реальные условия отображения: малая яркость изображения, наличие шу­мов – приводят к невозможности различать отображаемое число градаций яркости из-за снижения чувствительности глаза.

Так, расчетное число различаемых градаций для телевизион­ного изображения составляет 95–100. Однако из-за перепадов яркостей в поле зрения наблюдателя и необходимости переадаптации в этих условиях глаз различает не более 30–35 градаций, а при помехах число различаемых градаций для лучших металли­зированных экранов составляет 17, а для обычных телевизионных экранов не превышает 8–10.

Число различаемых глазом градаций яркости определяется на основании величины контрастной чувствительности в данных усло­виях по формуле

где т – число различаемых градаций яркости; 2,3 – контрастность изображения;

Кпор – величина порогового контраста в данных условиях на­блюдения.

Кпор определяют по соответствующим кривым с учетом ярко­сти адаптации, угловых размеров объектов, вида контраста, рав­номерности распределения яркостей в пространстве.

Кодирование яркостью. При передаче И на средст­вах отображения, где яркость выступает в качестве кода, число градаций ограничивается возможностью абсолютной оценки чело­веком каждой из ступеней яркости. Пределом этой оценки явля­ются 3–10 световых градаций, включая уровень полного затем­нения.

Исходя из этого на средствах отображения типа телевизионных экранов, передающих вторичную обстановку (т.е. освобожденную от помех), используется 5–7 градаций в диапазоне контрастности 10:1. Если уровень яркости служит кодом для передачи качест­венных характеристик сообщений (н-р важности объектов), пределом числа яркостных градаций являются 4 градации, а наи­более употребляемым числом – 2 градации яркости.