Эргономические аспекты психофизиологии и психофизики зрения

Размещено на http://allbest.ru/

Введение

Эргономика находит в стандартизации эффективное средство управления проектированием и созданием техники и условий ее функционирования с тем, чтобы они обеспечивали высокую эффективность деятельности человека и одновременно способствовали его всестороннему развитию, обеспечивали комфорт и безопасность человеку, сохраняли его здоровье и работоспособность. Вместе с тем не следует преувеличивать возможности стандартизации в области эргономики, особенно в отношении организации деятельности. Стремление унифицировать приемы и способы работы содержит в себе серьезные опасности.

Становится общепризнанным, что стандартизация в руках умных и думающих проектировщиков сулит большие результаты. Проектировщики оборудования, среды и систем должны научиться соединять стандарты с эргономическим пониманием ситуаций, с которыми они имеют дело. Стандартизация упрощает их работу в том случае, если они разбираются в вопросах, относящихся к взаимодействию внутри системы «человек--оборудование -- среда».

Стандартизация эргономических норм и требований, ставшая возможной на основе достигнутого уровня развития эргономических знаний, выявила целый ряд сложных и нерешенных проблем данной научной дисциплины. Дальнейшее развитие работ в этом направлении возможно лишь при углубленной разработке теоретических и методических проблем эргономики, многие из которых тесно связаны с кардинальными проблемами наук о человеке и его деятельности.

Показатели физической среды на производстве также должны быть согласованы с характеристиками человека, только при этом условии можно рассчитывать на высокую эффективность его труда. В некоторых видах производства человек в течение рабочего дня вынужден находиться в помещениях с искусственным освещением, с определенным, требуемым технологией, химическим составом воздуха. Иногда ему приходится работать при повышенном, иногда при пониженном атмосферном давлении. Некоторые профессии связаны с необходимостью переносить большие ускорения, изменения гравитации, шумы, вибрацию и т. д. Создание новых машин и разработка новых технологических процессов есть создание новой среды для человека. Иногда эта среда представляет собой сочетание естественных и искусственных условий, иногда полностью является искусственной. Поэтому, когда создается новая машина, речь должна идти не просто о машине как таковой, а о системе «человек -- машина -- производственная среда».

Комплексный, системный подход к изучению перечисленных проблем явился методологической основой рождения новой отрасли знания -- эргономики. Разумеется, в той или иной степени указанные проблемы ставились и ранее, некоторые из них находили известное решение в исследованиях психологии, физиологии и гигиены труда. В ходе этих исследований усиливалось взаимодействие названных наук, возникла необходимость взаимопроникновения некоторых из них, например физиологии и психологии труда.

Изучение и проектирование систем «человек -- машина -- производственная среда» создали предпосылки для объединения технических дисциплин и наук о человеке и его трудовой деятельности, обусловили появление новой психофизиологической проблематики. Эргономика сложилась на стыке психологии, физиологии, гигиены труда и технических наук. Все они, за исключением технических наук, изучают один и тот же объект, но при этом рассматривают человека в труде с разных точек зрения и пользуются для этого разными методами.



§1. Пространственные характеристики зрительной информации

При проектировании и эксплуатации средств отображения рассматриваются три группы факторов: 1) размещение средств: отображения на рабочем месте 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 отображении информации 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 рабочих местах 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 10 м 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 рабочих мест 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 информации.

Оптимальный размер знаков, предъявляемых для средств 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 основных 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 информации. 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 информации, 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 точкой 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 информации осуществляется в момент фиксации, движение же глаз обеспечивает последовательность обработки воспринимаемой информации.

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 двигательной системы глаза. Величина оперативного поля зрения ограничивает количество объектов для одномоментной (200--300 мс) переработки зрительной информации.

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

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

К первому относятся формулярный и табличный способы организации знаковой информации.

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 отдельных типов сообщений и расшифровки сведений, закодированных цифрами и буквами.

Для оптимального выделения информации, кодируемой в формуляре на определенных знакоместах, необходимо выдерживать определенные расстояния между его элементами.

Рекомендуются следующие интервалы между элементами формуляра:

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

-- между отдельными 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 информации 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 информация. 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 другими 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.

§2. Яркостные характеристики зрительной информации

зрительный визуальный яркость нормирование

В оценку оптимальности яркостного режима включается нормирование уровня яркости и ее перепадов в поле зрения наблюдателя для достижения заданных показателей эффективности обработки зрительной информации. 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 ветловых характеристик отображаемых объектов. Специальная 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» основного 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 (|3), 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 информации 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 информации. 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 переэдаптации 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; |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 информации 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 (например, важности объектов), пределом числа яркостных градаций являются 4 градации, а наиболее употребляемым числом -- 2 градации яркости.

§3. Временные характеристики зрительной информации

Основная особенность зрительного восприятия -- наличие инерционности в работе глаза.

Практическое значение этой особенности зрения проявляется в двух аспектах. Первый связан с определением времени экспозиции зрительных сигналов для неизменности воспринимаемой интенсивности сигнала. Другой связан с определением временных интервалов для ощущения раздельности сигналов, следующих один за другим, и оптимального восприятия каждого из них или, напротив, определения временных интервалов для ощущения слитности последовательно предъявляемых сигналов.

И в том и другом случае исходной для расчетов величиной является время зрительной инерции.

Время инерции определяется яркостью фона. Для яркостей свыше 100 кд/м2 время инерции можно принять равным 50 мс. Для уровня яркостей, с которым работает оператор на всех видах средств отображения, время экспозиции для восприятия неизменной интенсивности сигнала должно быть не меньше 50 мс. Для восприятия мелькающих сигналов слитными следует обеспечивать величину мелькания, равной или большей критической частоты мелькания (Кчм).

Величину частоты мельканий необходимо учитывать для создания качественного изображения на различных устройствах отображения, основанных на технике дискретных сигналов (телевизионные трубки, электронно-лучевые трубки, кино). Мелькание утомляет зрение и отрицательно влияет на качество работы оператора.

Кчм зависит от частоты и относительной длительности светлой фазы. С увеличением длительности темного периода (скважность проблесков) с 0,35 до 0,5 при яркостях 2,5 + 250 кд/м2 Кчм увеличивается на 3±6%.

Мерцание усиливается при увеличении углового размера мелькающих полей. Применительно к телевизионному экрану рассчитывается Кчм для всего размера трубки и для размера изображения. При проектировании полей больше 2--4° и яркости поля порядка 30--100 кд/м2 (что соответствует яркостям телевизионного изображения) частота смены информации должна быть не меньше 40 Гц.

В пределах изменения угла наблюдения от 10 до 55° Кчм пропорциональна логарифму углового размера поля зрения, что требует увеличения скорости мелькания на 15 Гц.

Характеристики Кчм для технических условий предъявления знаковой индикации на экранах и электронно-лучевых трубках связаны с небольшими угловыми размерами мелькающих полей до 1°. Кчм при величине знака до 1° с ростом яркости от 1 до 120 кд/м2 возрастает от 14 до 35 Гц. Уменьшение углового размера знака от 1° до 24° изменяет Кчм от 24 до 19 Гц (при яркости 50 кд/м2).

При проецировании знаков с угловым размером 5 + 15° Кчм может быть снижена до 20 кадров/с.

Однако величина Кчм определяется не размерами отдельных знаков, а общей площадью изображения.

Изменение конфигурации знака (а значит, и площади светящегося изображения) сказывается на величине критической частоты мельканий так же, как и изменение углового размера мелькающего знака.

§4. Кодирование зрительной информации

Одной из важных является проблема кодирования информации, под которой понимают операцию отождествления символов или групп символов одного кода с символами или группами символов другого кода. Под кодом понимают систему условных знаков (символов) для передачи, обработки и хранения (запоминания) различной информации. В настоящее время разработаны общие эргономические требования к построению систем кодирования зрительной информации.

При построении системы кодирования объекты и их характеристики делят на классификационные группировки. Для этого устанавливают сходства и различия объектов, распределяют их по значимости и определяют основание деления. Вид алфавита кода выбирают с учетом характера передаваемой информации и задач, решаемых оператором, опираясь на системы знаний, закрепленных в опыте человека. В зависимости от характера и объема передаваемой информации устанавливают целесообразность использования одномерного и многомерного кода. Основание кода выбирают исходя из количества кодируемых объектов и их характеристик. Оно должно содержать минимальное число знаков. Основание кода определяют с учетом абсолютной чувствительности глаза (нижнего и верхнего абсолютного порогов), дифференциальной чувствительности зрения по отношению к различным видам алфавита и длительности экспозиции. Основание кода для различных видов алфавита должно составлять следующие величины: размер-- 5, пространственная ориентация -- 8, длина линии -- 6, ориентация линии -- 4, количество точек (при условии ограниченного времени предъявления)--5, буквенно-цифровой алфавит -- неограниченное количество комбинаций обозначений, яркость -- 4, цветовой алфавит--11, частота мельканий -- 4.

При передаче информации о нескольких признаках объекта используют многомерное кодирование. В структуре многомерного кода могут быть использованы сочетания различных видов алфавита: формы и цвета; формы и пространственной ориентации; размера, яркости и частоты мельканий.

При группировке знаков в кодовые 'обозначения (формуляры) следует отдавать предпочтение смешанным алфавитам кода. Структура кодового обозначения должна быть неизменной. Предпочтительно, чтобы крайние знаки кодового обозначения передавали наиболее важную информацию. Оптимальное число знаков кодового обозначения -- 8, предельное число знаков--12, в отдельных случаях -- до 20 знаков.

При конструировании кодовых знаков при кодировании следует руководствоваться следующими положениями. Основной классификационный признак объекта должен кодироваться контуром. Знак должен быть хорошо различим (иметь достаточный угловой размер и яркость) и представлять собой замкнутую фигуру. В алфавите должно быть установлено оптимальное количественное соотношение признаков знака и признаков объекта. В состав знака должны входить основные и дополнительные детали. Дополнительные детали не должны пересекать или искажать контур знака (исключение могут составить знаки, выражающие отмену информации, запрещение каких-либо действий, окончание их и т. п.). При конструировании знаков предпочтение следует отдавать внутренним деталям перед наружными. Детали кодовых знаков должны быть унифицированы.

В качестве опознавательных признаков знаков в пределах одного алфавита нельзя использовать следующие:

число элементов в знаке (исключение могут составить знаки, обозначающие признак множественности без точной количественной характеристики, например, отображающие понятия «мало/много», «одиночный /групповой»);

отличие знаков по признаку позитив-негатив;

отличие знаков по признаку прямое зеркальное отражение (за исключением случаев, когда это необходимо для отображения пространственной ориентации или направленности по принципу «вверх/вниз», «влево/вправо», «вперед/назад» и т. п.).

В алфавитах используют знаки симметричной формы с единообразием ориентации: контуры знаков должны быть по возможности ориентированы в соответствии с основными пространственными осями - горизонталями и вертикалями.

При выборе вида алфавита следует руководствоваться следующим. При кодировании различных качественных и количественных характеристик объектов могут использоваться различные виды алфавитов: форма, размер, пространственная ориентация, длина ориентация линии, количество точек, буквы, цифры, яркость, цвет, частота мельканий.

Форму используют для кодирования класса и вида объекта. Кодирование размером используют для передачи информации, устанавливая соответствие между площадью или линейными размерами знака с характеристиками объекта (размером, удаленностью, высотой и т. п.), при этом желательно, чтобы шкала размера менялась в геометрической, а не в арифметической прогрессии.

Пространственную ориентацию используют для передачи информации о направлении движения объекта, отклонении от курса и т. п.

Для асимметричных фигур изменение пространственной ориентации достигается путем поворота фигуры в поле зрения наблюдателя. Для симметричных фигур в качестве признака пространственной ориентации используют утолщение одной из линий контура знака. Длину и ориентацию линии используют для передачи информации. о скорости и направлении движения цели.

Длина линии не должна иметь более четырех градаций. Целесообразно линию делать штриховкой, в этом случае скорость определяется по числу масштабных отметок. Для упрощения счета следует группировать штрихи по 2, 3, 4.

Для повышения точности оценки направления линии используют вспомогательные трафаретные сетки.

Количество точек используют для обозначения числа объектов.

При считывании точек в короткие временные интервалы (порядка 0,1 с) не следует одновременно предъявлять более пяти точек. Для повышения точности оценки числа одновременно предъявляемых точек необходимо придерживаться единообразия их пространственной ориентации.

Буквенно-цифровой алфавит используют для передачи информации о дискретно-изменяющихся количественных параметрах объектов, а также для обозначения классов или типов объекта.

Для исключения вероятности смешения знаков выделяют характерные признаки, отличающие знаки друг от друга. При этом необходимо выдерживать оптимальные соотношения основных параметров знака: высоты, ширины, толщины линии ( по ГОСТ 2930--62).

Яркость знаков выбирают с учетом общей освещенности в конкретных условиях труда, частоты и диапазона изменения освещенности, перепадов яркости в поле зрения оператора и светлотного контраста.

Цветовой алфавит используют для передачи информации о состоянии или значимости объектов.

Частота мельканий может быть использована для привлечения внимания оператора/

Пороговая частота мельканий -- 4--6 Гц; Частота мельканий предупредительных сигналов -- 0,5--1 Гц; Частота мельканий аварийной сигнализации -- 5--6 Гц.

Число одновременно, мелькающих знаков должно, быть не более 3/

Следует избегать искажения восприятия контура мелькающего знака. Для этого целесообразно, чтобы мелькал не весь знак, а его часть.

Требования к использованию цветового алфавита состоят в следующем. В алфавите следует отдавать предпочтение зеленому, красному, голубому, желтому и фиолетовому цветам. Общее число используемых цветов может быть увеличено, если обозначения меняются не только по цветовому тону, но и по яркости. Знаки алфавита должны быть хорошо различимы при точном опознании цвета.

Цветовой код применяют при освещении белым цветом, поскольку видимый цвет зависит от общего освещения. Допустимая яркость цветных знаков в/кд/м2: минимальная--10, рекомендуемая-- 170, для отраженного света, а также в условиях темной адаптации -- 30--70. Оптимальная угловая величина цветового знака --35--45'.

Для знаков алфавита используют цвета в соответствии с таблицей.

Для выделения особо важной информации внутри алфавита (например, информации, требующей экстренного принятия решения) применяют дополнительный цвет. Для кодирования информации, содержащей сообщение о том, что произошло одно из двух (да, нет) равновероятных событий, могут быть использованы красный и синий цвета.

§5. Требования к визуальным индикаторам

Индикаторы нужно конструировать так, чтобы выход их из строя или неисправность становились немедленно очевидными для оператора.

Торговые знаки и наименования завода или фирмы-изготовителя, так же как и другие обозначения, не связанные с функциями индикатора, не должны находиться на лицевой стороне панели.



Индикаторы необходимо конструировать и размещать так, чтобы оператор мог считывать информацию с требуемой точностью.

Индикаторы следует конструировать и размещать так, чтобы избежать потери информации вследствие отражения внешнего освещения от поверхности индикатора. В некоторых случаях предусматривают специальные средства, предотвращающие ухудшение условий восприятия информации. К таким средствам, в частности, относятся экраны, колпаки, предохраняющие индикаторы от освещения прямым солнечным светом.

Индикаторы с подсветом. Имеются три основных типа индикаторов с подсветом:

подсвечиваемые панели с одной или многими надписями, несущими информацию в виде слов, чисел, символов или сокращений;

простые индикаторные лампочки (сигнальные и др.).

панели с подсветом, отображающие информацию о готовности системы.

Индикаторы с подсветом применяются для отображения качественной информации, необходимой оператору (главным образом информации, требующей немедленной реакции оператора либо привлекающей его внимание к состоянию системы). Такие индикаторы могут иногда использоваться персоналом, выполняющим функции технического обслуживания и регулирования.

Отсутствие подсвета не следует использовать для обозначения таких понятий, как «готовность», «в пределах допуска», или команды «продолжать», а также для обозначения «неисправности», «выхода за допустимые пределы» или команды «прекратить действие»; однако отсутствие подсвета допустимо для указания об отключении питания (например, при индикации надписи «Питание вкл.»). Изменения состояния индикаторов должны отображать изменения функционального состояния системы, а не только результаты действия органов управления.

Световые сигналы предостережения и тревоги, а также сигналы, используемые для. отображения состояния комплексов аппаратуры системы, располагают отдельно от световых сигналов, показывающих состояние различных компонентов и узлов.

Если индикатор с подсветом связан с органом управления, индикаторную лампу размещают так, чтобы она была однозначно связана с этим органом управления и видна оператору при работе с ним.

Для критичных функций индикаторы нужно располагать в зонах оптимальной видимости.

Индикаторные лампы, которые используются редко или исключительно для целей технического обслуживания и регулировки, должны быть закрыты или невидимы при эксплуатации системы, но легко досягаемы.

Если индикаторы предназначаются для использования в условиях различной освещенности, в них следует предусмотреть регулировку яркости. Пределы регулирования яркости должны обеспечивать хорошую различимость информации, отображаемой на индикаторе, при всех предполагаемых условиях освещенности. Во всяком случае, они не должны казаться светящимися, когда они не светятся, и восприниматься погасшими, когда светятся. В некоторых руководствах и стандартах для индикаторов на лампах накаливания рекомендуется использовать лампы с резервными нитями накаливания или сдвоенные лампы, чтобы в случае отказа одной нити лампы сила подсвета уменьшалась, указывая тем самым на необходимость замены лампы, но не настолько, чтобы оператор не мог работать.

Для индикаторных ламп требуется предусмотреть контроль. Желательно, чтобы конструкция обеспечивала возможность проверки всех индикаторных ламп сразу. Панели, содержащие три и менее индикаторных ламп, могут иметь отдельные кнопки для проверки ламп. Если важным требованием является быстрая адаптация к темноте, предусматриваются средства уменьшения яркости свечения всей, индикаторной цепи во время проверки.

Желательно иметь возможность снимать лампы с лицевой стороны индикационной панели без применения инструментов или каким-либо иным быстрым и удобным способом. Индикационные цепи проектируются так, чтобы лампы можно было снимать и заменять, не отключая электропитания, не вызывая опасности повреждения компонентов индикаторной цепи и не подвергая опасности обслуживающий персонал.

Экраны индикаторов или указателей с надписями (стекла индикаторов) следует конструировать так, чтобы предотвратить случайную перестановку стекол.

Широкое применение нашли лампы с надписями, которые в большинстве случаев предпочтительнее простых индикаторных ламп. Лампы с надписями могут кодироваться цветом, а также размерами и миганием. Лампы с надписями, предназначенные для обозначения повреждений, причиненных оборудованию или обслуживающему персоналу (мигающий красный), для предостережения о надвигающейся опасности (желтый), для суммарного контрольного сигнала, должны быть больших размеров и по возможности ярче других индикаторов. Надпись на лампе должна быть различима независимо от того, включен индикатор или выключен.

Индикаторы с множественными надписями (пластинки с надписями расположены одна на другой) необходимо конструировать с учетом следующих требований:

когда освещается задняя надпись, она не должна быть затемнена передними;

задние пластинки с надписями размещаются так, чтобы параллакс сводился к минимуму;

Простые индикаторные лампы следует использовать в случаях, когда конструктивные данные не позволяют использовать лампы с надписями. Расстояние между соседними лампами должно быть достаточным для однозначного их обозначения, для правильной интерпретации информации и удобства замены.

Стрелочные индикаторы. Имеются два типа таких индикаторов: с движущейся стрелкой и неподвижной шкалой; с неподвижной стрелкой и движущейся шкалой.

В зависимости от характера поставленных задач стрелочные индикаторы могут использоваться либо с рукоятками управления, либо без них.

Стрелочные индикаторы с рукоятками применяют для установки заданной величины параметра, а также при восстановлении положения стрелки при ее отклонении от заданной величины. Лучшим типом индикатора в этом случае является движущаяся стрелка с неподвижной шкалой; лучшая форма шкалы -- горизонтальная. Можно использовать и круглые шкалы. Выбор формы шкалы зависит от конкретных условий -- величины панели, количества и формы других приборов и т. п. Стрелочные индикаторы с рукоятками применяются также для контроля за объектом путем непрерывного изменения положения одной стрелки при движении другой (операция, слежения). Лучший тип индикатора для подобных задач -- движущаяся стрелка с неподвижной шкалой; лучшая форма шкалы -- круглая.

Стрелочные индикаторы без рукояток обычно используются, когда решаются следующие задачи:

а) количественное чтение. Оператора интересуют точные числовые значения измеряемого параметра. Однако лучшим прибором является счетчик с цифровым отсчетом, так как цифровые данные оператор воспринимает быстрее и с меньшим числом ошибок;

б) качественное чтение. Для оператора важны не абсолютные показания, а сведения об изменении того или иного параметра исследуемого объекта или тенденции развития процесса (возрастает или уменьшается данная величина и т. п.).

Использование индикатора с движущейся стрелкой и неподвижной шкалой обеспечивает наилучшую точность и скорость считывания; лучшая форма шкалы -- круглая;

в) проверочное (контрольное) чтение. Оператору важны не количественные данные, а лишь контрольные показания, т. е. ему необходимо знать, работает аппаратура в установленных пределах или нет. Для этого рекомендуется неподвижно закрепленная шкала с движущейся стрелкой; лучшая форма шкалы -- круглая;

г) сравнение показателей. Эта операция требует исключительной точности, поэтому для нее также целесообразно применять счетчики.

При выборе стрелочного индикатора необходимо знать, в каком временном режиме, он будет использоваться. При коротких экспозициях (менее 0,5 с) точнее считываются показания прибора с подвижной шкалой и неподвижной стрелкой: условия считывания в этом случае приближаются к условиям считывания показаний со счетчика. Однако с увеличением экспозиции предпочтение отдается приборам с подвижной стрелкой и неподвижной шкалой. Скорость и точность считывания показаний во многом зависят от формы шкалы. Лучшие результаты дает круглая, за ней следует полукруглая3 и прямолинейная горизонтальная шкалы; худшие -- вертикальная шкала.

При считывании показаний с одной и той же шкалы результаты получаются различные в зависимости от того, с какого участка шкалы ведется считывание. Круглые шкалы дают лучшие результаты при считывании показаний с центрального верхнего сектора, а горизонтальные -- с центральной части шкалы (здесь они превосходят круглые); по мере же приближения к концам этих шкал скорость и точность считывания значительно падают.

При выборе формы шкалы необходимо учитывать и предполагаемую ее длину. Если на панели управления необходимо установить прибор с длинной шкалой, то для повышения скорости и точности считывания показаний рекомендуется:

снабжать шкалу несколькими указателями: одним -- для точного считывания и одним или несколькими для считывания, при котором не требуется точности;

на основной шкале размещать под шкалу, с которой ведут более точное считывание;

объединять шкалу со счетчиком. Такие комбинированные индикаторы целесообразно применять тогда, когда выполнение задачи предусматривает и качественное, и количественное считывание информации.

Форму шкалы нужно выбирать с учетом характера информации, для которой она предназначена. Так, для приборов, с помощью которых контролируются параметры глубины, высоты, температуры, лучшими являются вертикальные шкалы; при этом на глубиномерах показатель нуля должен размещаться у верхнего края шкалы, а на высотометрах -- у нижнего.

Точность считывания показаний со шкалы зависит от ее размера, расстояния, с которого ведется считывание, интервала между отметками.

Шкалы приборов градуируют штриховыми отметками определенных размеров. Эти отметки подразделяются на главные, средние и малые. Точность считывания возрастает с увеличением интервала между отметками, но лишь до определенного предела. Оптимальная длина основного интервала между главными отметками-- 12,5--18 мм (дистанция наблюдения -- 750 мм). Дальнейшее увеличение ухудшает считывание показаний прибора.

Увеличение числа мелких отметок приводит к снижению скорости и точности считывания. Оптимальная величина самого малого интервала равна примерно 1,5 мм или 6--8' (дистанция наблюдения -- 750 мм). При увеличении интервала от 3,5' до 6,5' точность и время безошибочного считывания возрастают весьма интенсивно. Однако дальнейшее увеличение интервала (до 10,5') не дает существенных улучшений.

Если стрелка прибора останавливается между отметками шкалы при считывании показаний, то возникает необходимость зрительной интерполяции. Наилучшие результаты интерполяции наблюдаются тогда, когда оператор должен мысленно делить отмеченный интервал не более чем на 4--5 частей.

Зависимость между диаметром шкалы и точностью считывания показаний не является линейной. Оптимальные размеры диаметра круглой шкалы (при расстоянии 750--900 мм от глаз оператора) составляют 40--60 мм. Однако существенной разницы в точности считывания шкал диаметром от 35 до 70 мм нет. При уменьшении диаметра до 17--18 мм и менее скорость и точность считывания значительно снижаются. То же наблюдается и при увеличении диаметра до 120--150 мм.

Эффективность чтения определяется не абсолютной величиной диаметра шкалы, а ее отношением к дистанции наблюдения, т. е. угловыми размерами шкалы. Оптимальные угловые размеры диаметра шкалы находятся в пределах 2,5--5°.

Наилучшими являются шкалы с ценой деления 1; 5; 10 и соответствующей оцифровкой. Длина оцифрованных отметок должна равняться 0,5--1 длины интервала между отметками, длина неоцифрованных отметок -- 0,5 длины основных отметок. Толщина основных отметок должна составлять 5--10% расстояния между неоцифрованными отметками -- 2/3 толщины основной отметки.

Цифры на шкалу следует наносить прямыми линиями, и только у основных (главных отметок). Они должны быть простыми, без каких-либо украшений. Точность считывания цифр зависит от соотношения высоты, ширины и толщины обводки. На последнюю влияют освещение и контрастность: оптимальное отношение толщины обводки к высоте цифр при диффузном освещении белых цифр на черном фоне (обратный контраст) составляет 1:10, а при таком же освещении черных цифр на белом фоне (прямой контраст) --1:6. Отношение ширины к высоте должно составлять 2:3. Расстояние между цифрами должно равняться половине ширины цифры.

Важное значение при считывании показаний со шкал имеет расположение стрелок и указателей:

стрелка должна доходить до наименьшей отметки шкалы, но не перекрывать ее (минимальное расстояние между концом стрелки и отметкой составляет не менее 0,4--0,8 мм, максимальное -- не более 1,6 мм) и находиться как можно ближе к плоскости циферблата, чтобы свести к минимуму параллакс;

конструкция стрелки должна быть простой, толщина острия -- не более ширины самой малой отметки шкалы;

рекомендуется, чтобы часть стрелки от центра вращения до самого кончика была того же цвета, что и отметки шкалы, а остальная часть -- того же цвета, что и плоскость циферблата;

стрелки для прямолинейных шкал должны быть отчетливо видны; их изготавливают довольно широкими у основания, но к концу, обращенному к шкале, они сужаются, переходя в ясно видимую точку;

стрелки не должны закрывать цифр; желательно также, чтобы, цифры были размещены с наружной стороны шкалы.

Если стрелки компактно расположенных шкал в нормальном положении ориентированы в одном направлении, то любое отклонение стрелки от нормального положения немедленно замечается и времени на проверку показаний требуется значительно меньше, чем в том случае, когда стрелки ориентированы в разных направлениях.

Эффективность работы оператора значительно повышается; с введением дополнительных сигнализаторов. Например, при выделении на шкале цветной полоской зоны «Нормально» оператору при контрольном чтении достаточно лишь воспринять и оценить взаимное положение стрелки указателя и отметки-сигнализатора. Отметка-сигнализатор для привлечения внимания оператора должна отличаться от других отметок шкалы не только цветом, но и формой. В ряде случаев дополнительные сигнализаторы следует делать подвижными. Это позволяет при изменении зоны «Нормально» соответственно изменять и положение отметки. Целесообразно также выделять цветом различные участки шкалы, но при условии, что прибор цветным светом не освещен.