Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Основные принципы формирования и восприятия информационных моделей

1. Информационная модель и формирование её элементов

1.1 Понятие информационной модели

В любых средствах отображения информация представляется информационной моделью (ИМ).

Информационная модель - это организованное в соответствии с определенной системой правил отображение состояний объекта, внешней среды и способов воздействия на них.

Представление физического состояния одной системы физическим состоянием другой, называется кодированием. В ИМ в закодированной форме представляется сущность реальных процессов, явлений, объектов.

Так как ИМ отражает только наиболее существенные для конкретной цели обследования параметры, то один и тот же объект обследования можно представить различными моделями. Так, в случае наблюдения за пациентом, страдающим ишемической болезнью сердца, для дежурной медсестры достаточна информация о патологиях частоты сердечных сокращений, а для врача - временные диаграммы биопотенциалов в заданных отведениях.

Кодирование информации в ИМ осуществляется с помощью элементов информационной модели. Число элементов, образующих алфавит, называют основанием кода алфавита. В состав алфавита могут включаться и такие признаки ИМ, как цвет, градации яркости, размер, ориентация и др.

Часть пространства, в пределах которого происходит формирование информационной модели, называется информационным полем(ИП). Отношение ширины информационного поля В к его высоте Н называется форматом ИП kф:

kф = В/Н .

По используемому алфавиту выделяют следующие основные типы ИМ:

- буквенно-цифровые;

- полутоновые;

- графические;

- буквенно-цифровые;

- комбинированные.

1.2 Буквенно-цифровые ИМ

В буквенно-цифровых ИМ в качестве элемента ИМ используются буквы, цифры, условные знаки (символы), а свойства отображаемого объекта или процесса представляются в виде буквенного текста, цифровой комбинации, формул, таблиц. При построении буквенно-цифровой ИМ все ИП разбиваются на отдельные знакоместа. Знакоместа - это части ИП, необходимые и достаточные для изображения одного знака в виде буквы, цифры, символа.

Для отображения буквенно-цифровой информации рекомендуется выдерживать следующие соотношения между шириной знакоместа bзн, его высотой hзн, промежутком между знаками в строке bп и промежутком между текстовыми строками hп:

bзн = (0,7 - 0,8) hзн;bп = (0,3-0,6) bзн.

Множество ЭИМ образуется из множества элементов отображения (ЭО). ЭО - это простейший ЭИМ, который может быть реализован выбранным типом индикатора. ЭО характеризуется формой, геометрическими размерами, яркостью, временем послесвечения, цветом и т.д. ЭО могут быть: контуры знаков, выполненные конструктивно как простейшие элементы (например, буквы газосветной рекламы): сегменты - протяженные конструкции, площадь которых ограничена прямыми линиями или кривыми второго порядка (например, сегменты цифр электронных наручных часов); точечные элементы.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

В соответствии с используемыми ЭО все способы формирования знаков можно разделить на две основные группы: знакомоделирующий и знакосинтезирующий способы.

Знакомоделирующий способ - характеризуется целостным представлением знака, при этом форма ЭО совпадает с контуром знака;

Знакосинтезирующий способ - характеризуется тем, что знаки формируются из более простых ЭО (из сегментов, например).

Набор сегментов в знакоместе составляет некоторую обобщенную фигуру - полиграмму. Простейшей из широко используемых полиграмм является 7-ми сегментная (синтезируются все арабские цифры и некоторые буквы). Расширение алфавита достигается за счет увеличения числа сегментов в полиграмме (например, 18-сегментная полиграмма позволяет синтезировать не только цифры, но и все буквы русского (украинского) и латинского алфавитов).

К точечным ЭО относят такие ЭО, геометрические размеры которых намного меньше размеров синтезируемых знаков (hэ <<hзн; bэ<<bзн). В пределах знакоместа точечные ЭО образуют матрицу знака. Число ЭО в матрице знаков выбирают исходя из требований безошибочной и быстрой идентификации (опознавания) всех знаков алфавита. Так, например, матриц 5x7 (Рис. 1) (5 столбцов и 7 строк) является практически минимально приемлемой для синтеза букв русского и латинского алфавитов и цифр. Для синтеза только арабских цифроразмерность матрицы можно уменьшить до 3х5.

Как показали психофизические исследования при опознавании символов, синтезированных с помощью матрицы 5х7, возможны ошибки (например, часто путают В и 8, R и S, Q и O, и др.). Это делает целесообразным использование матриц с увеличенным числом точек, например 7х9.

В ряде случаев знаки синтезируются из укрупненных элементов, составленных из более простых ЭО (например, сегменты составлены из точечных ЭО). ЭО могут выполняться в виде отдельных конструктивных элементов, например электрической лампы накаливания, светодиода, катода газоразрядной лампы, выполненного в виде цифры или сегмента, такие ЭО называют дискретными.

В электронно-лучевых приборах ЭО, входящие в знак, генерируются электронным лучём в процессе воспроизведения изображения. Синтез знаков из полученных таким образом элементов называют знакогенерирующим способом формирования знаков.

1.3 Графические ИМ

Графические информационные модели (ГИМ) представляют чертежами, диаграммами, схемами и т.д. Основными элементами ГИМ являются линии, точки, двумерные области.

Наиболее универсальными элементами отображения, из которых формируются элементы ГИМ, являются точечные ЭО. Каждый точечный ЭО, входящий в формируемую модель, должен быть задан координатами Х, Y, определяющими его положение на информационном поле.

Синтез из отдельных ЭО приводит к дискретизации изображения. Абсолютное значение погрешности дискретизации лежит в пределах + 1/2 dэ, где dэ - шаг квантования, определяемый как расстояние между центрами точечной ЭО. При угловом размере ЭО, близком к предельному углу, под которым человек различает две раздельные точки, глаз не замечает дискретного характера изображения.

Для упрощения графических СОИ при синтезе ГИМ часто используют укрупнённые графические элементы (ГЭ) - графемы (отрезки прямой, дуги различной кривизны, двумерные фигуры). Синтез ГИМ с помощью графем заключается в разбиении ГИМ на отдельные фрагменты с последующим подбором ГЭ, наиболее точно аппроксимирующего выделенный фрагмент. В частном случае при использовании в качестве графем отрезков прямых полученная ГИМ представляется кусочно-линейной аппроксимацией.

Выделение фрагментов ГИМ осуществляется путем разбиения ИП на графические знакоместа. Зачастую графическое знакоместо совмещают с положением буквенно-цифрового, В этом случае для обеспечения слитности графического изображения размеры графического знакоместа bзнг и hзнг увеличивают на величину интервала между знакоместами bП и между текстовыми строками hп ( bзнг=bзп+bп ; hзн=hзн+hп ).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Совмещение графических и буквенно-цифровых знакомест позволяет сохранить общую структуру СОИ для формирования двух типов ИМ. Графема является укрупненным элементом отображени, формируемым из точечных ЭО. Таким образом, при синтезе ГИМ с помощью графем возникает погрешность апроксимации фрагмента ИМ графическим элементом в пределах знакоместа, а также погрешность, связанная с искажением самой графемы из-за дискретного характера её формирования.

Для уменьшения погрешности аппроксимации ГИМ используют принцип переменного формата графических знакомест и их свободного позиционирования, что связано с усложнением аппаратурной реализации СОИ.

1.4 Полутоновые ИМ

Полутоновые ИМ используют широкий диапазон градаций яркости, что позволяет обеспечить наглядный, картинный характер формируемых изображений (фотографии, диопракции, кино и телевизионные изображения).

1.5 Комбинированные ИМ

Комбинированные ИМ составляют из компонентов разных классов.

2. Принципы формирования цвета в информационной модели

Введение цвета в качестве одного из признаков ЭО значительно улучшает восприятие и переработку оператором получаемой информации. Три цвета - красный (R - red), зелёный (G - gren) и синий (B - blue) являются основными, т. к. ни один из них нельзя получить смешением двух других. Любой другой цвет может быть получен смешением основных в определённых пропорциях:

Ф=rґR+gґG+bґB,

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

где rґ, gґ, bґ - коэффициенты, указывающие, в каких количествах следует смешать излучение трёх основных цветов, чтобы получить требуемый (называются координатами цвета).

Способ образования цвета путём смешения (суммирования) трех основных цветов называется аддитивным.

Существует три основных метода смешения цветов:

1) пространственный;

2) оптический параллельный;

3) оптический последовательный;

Наиболее распространён пространственный метод, основанный на слитном восприятии разноцветных точек, полосок и других фигур

Такие элементы сформированы в триады, из которых составляется ИП. Одновременное возбуждение элементов триады в соответствии с цветовым кодом обеспечивает формирование точки цветного изображения.

Очевидно, что ИП при пространственном смешении цветов должно иметь в 3 раза больше элементов, чем соответствующее ИП для монохрометического изображения. Этот метод реализован в цветных кинескопах.

Оптическое параллельное смешение цветов достигается формированием изображений трёх основных цветов (UR, UG, UB) на промежуточных полях и последующим их совмещением с помощью оптических систем (ОС) на одном ИП.

Оптическое последовательное смешение цветов осуществляется последовательной сменой изображений 3-х основных цветов, формируемых на одном ИП или проецируемых на него. Смена изображений на экране должна происходить такой частотой, чтобы благодаря инерционности зрения изображение воспринималось как немерцающее (не менее 16 Гц).

Для цветового кодирования информации выбирают наиболее различающиеся друг от друга и точно опознаваемые цвета. Рекомендуется: белый; красный(635 Нм); жёлтый(580 Нм); зелёный(523 - 530Нм); голубой(465 - 490 Нм) и фиолетовый(430 Нм). Человек точно идентифицирует не более 10 - 12 цветовых тонов, а при точной и быстрой работе используемых цветов не должно быть более 7-8. Необходимо, чтобы цветовые обозначения возможно точнее отображали реальную ситуацию. Согласно международному стандарту сигналами опасности являются теплые (желто-красные) тона; безопасности - холодные (сине-зеленые); красный цвет - запрещающий и аварийный; желтый означает внимание и слежение; зеленый - разрешение.

Красный цвет - особый цвет по своим физическим качествам: он меньше всего меняется при уменьшении площади цветовой поверхности. Так, синий и жёлтые цвета становятся практически ахроматическими, если размер цветовой поверхности уменьшается до 20-30, красный же цвет меняется лишь по интенсивности.

Другая задача для практики отображения - подбор цветов, обеспечивающих наибольшую видимую яркость и чёткость различения подбором цветовых контрастов.

Глаз воспринимает излучения с длиной волны 380-760 нм. Наиболее чувствителен он к свету с длиной волны 555 нм, что соответствует жёлто-зелёному цвету.

При выборе цвета для считывания знаков с ИП нужно учитывать следующее: белый цвет наиболее прост в применении, однако оптимальный цвет жёлто-зеленый (500-570 нм), характеризуемый малой насыщенностью (т.е. незначительно отличающийся от белого) и имеющий максимальную видимость. При чтении жёлто-зелёных знаков глаз меньше утомляется, повышается скорость и точность считывания.

Для передачи цвета знака необходима яркость не менее 10 кандел/мІ, а для точного восприятия цвета - до 170 кандел/мІ.

Возможно также комбинированное кодирование, когда в одном сигнале объединяются несколько признаков (многомерное кодирование). Совмещение двух параметров, например цифры на фоне цветовых пятен, даёт увеличение количества воспринятой информации.

3. Основные фотометрические параметры

Создание СОИ требует учёта психофизических возможностей оператора и прежде всего возможностей и особенностей органов зрения человека.

Реакция зрительного анализатора человека зависит от энергетических параметров и спектрального состава излучения.

Световое излучение характеризуется рядом фотометрических параметров, основными из которых являются световой поток, сила света, яркость, освещённость, яркостный контраст.

Световым потоком Фv называют мощность, переносимую энергией излучения, выражается в люменах (лм).

Сила света Iv характеризует пространственную плотность светового потока в данном направлении и определяется как отношение светового потока Фv, проходящего внутри малого телесного угла в рассматриваемом направлении, к величине этого угла:

Iv=Фv/

Телесный угол:

=A/r

где А - площадь, вырезаемая телесным углом из поверхности сферы А; r - радиус этой сферы.

информационный модель цвет фотометрический оператор

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Телесный угол выражается в стерадианах (ср).

Единица силы света- кандела (кд), принята за основную светотехническую единицу

Единица светового потока - люмен (лм), определяется как световой поток от точечного источника в 1лм внутри телесного угла в 1ср

Проиллюстрируем изложенное с помощью рис. 4, на котором изобразим точечный источник e , помещённый в центре сферы радиусом r и создающий равномерный поток во всех направлениях

Поток в 1лм распространяется внутри телесного угла, вырезающего на поверхности сферы участок площадью 1мІ.

В пределе при бесконечном уменьшении А телесный угол стремится к прямой, указывающей направление силы света, что позволяет рассматривать силу света как векторное значение.

Если световой поток от точечного источника равномерен, то сила света одинакова в любом направлении:

Iv=Фv/4

Яркость Lv характеризует излучение светящейся поверхности площадью А в данном направлении. Если понятие силы света относится только к точечному источнику света, то понятие яркости применяется с любым источником, имеющим конечные размеры.

Численно яркость равна отношению светового потока, проходящего в рассматриваемом направлении в пределах малого телесного угла через участок поверхности, к произведению величины телесного угла, площади. участка и косинуса угла б между рассматриваемым направлением и нормали к участку:

Lv=Фv/(Acos) - Iv/(Acos)

Единица яркости - это яркость поверхности, квадратный метр которой даёт в направлении, перпендикулярном этой поверхности, силу света в 1кд (выражается кд/мІ).

Приведём в качестве примера яркости некоторых источников света, выраженных в кд/мІ:

экран телевизионной трубки 30 - 1 000

светодиоды 10 - 400

люминесцентная лампа 5 000 - 10 000

нить вакуумной лампы накаливания 2 · 106 - 3 · 106

нить газонаполненной лампы 8 · 106 - 20 · 106

Сила света, яркость и световой поток являются характеристиками активных (первичных) источников света.

Объекты, которые видны благодаря освещению светом первичных источников, называют пассивными (вторичными) источниками света. Их основной характеристикой является освещенность.

Освещенность Еv характеризуется световым потоком, падающим на единицу освещенной поверхности (рис. 5):

Ev=Фv /dA

Освещенность выражается в люксах (лк). Световой поток в 1 лм, равномерно освещающий площадь в 1м,І создает освещенность в 1 люкс.

Отраженная от объекта часть потока характеризуется коэффициентом отражения:

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

v=Фvотр / Фv

где Фvотр -отраженная часть светового потока Фv.

Поверхность, отражающую свет, можно рассматривать в качестве

вторичного источника света со световым потоком Фvотр. Яркость этого источника:

Iv от= Lvv /

Яркостный контраст определяет соотношение яркостей объекта и фона. Различают прямой и обратный контрасты. Для позитивного изображения (темное изображение на белом фоне ),задается прямой яркостный контраст:

kпр= (Lvф - Lvo) / Lvф

где Lvф и Lvо - яркости фона и объекта соответственно.

Для негативного (светлого на темном фоне) изображения, задается обратный контраст:

kобр = (Lvo - Lvф)/Lvo

B ряде случаев пользуются понятием контрастности kк, представляющим отношение яркостей объекта (фона) и фона (объекта):

при негативном (обратном) контрасте

kк = L0o / L0ф

при Lvo > Lvф,

при позитивном (прямом) контрасте

kк = L0ф/ L0o

при Lvo < Lvф.

Яркостный контраст выражается через контрастность соотношением :

kпр(обр) = 1-1/kк

4. Психофизические особенности восприятия зрительной информации оператором

Зрение человека характеризуется следующими основными параметрами:

-чувствительностью;

-разрешающей способностью (остротой зрения);

-полем ясного зрения;

-критической частотой мелькания;

-временем адаптации;

-пропускной способностью.

Различают нижний и верхний пороги чувствительности.

Нижним абсолютным порогом чувствительности называется минимальная (пороговая) величина яркости светового пятна, обнаруживаемого глазом на чёрном фоне.

Верхний абсолютный порог чувствительности характеризуется болевыми ощущениями.

Диапазон яркостей между нижним и верхним порогами чувствительности находится в пределах от 10-6 до 106 кд/мІ. При изменении освещенности сетчатки световая чувствительность не остаётся постоянной, а адаптируется. Средняя интегральная яркость информационного поля и других источников света (первичных и вторичных), находящихся в поле зрения, создаёт яркость адаптации Lva . Лучшими условиями для работы считаются такие, когда уровень яркости адаптации находится в пределах от нескольких десятков до тысяч кд/мІ.

Минимальное приращение яркости ДLvmin, которое различает глаз при данной яркости адаптации Lva, называется дифференциальным порогом чувствительности, а относительное приращение яркости, различимое глазом - пороговым контрастом:

kпор = Lvmin / Lva

Значение kпор зависит от уровня яркости адаптации. В рабочем диапазоне яркостей от 10 до 1000 кд/мІ можно принять kпор = 0,02 - 0,05. Для уверенного восприятия изображения на фоне необходимо, чтобы контраст изображения в СОИ, рассчитанный по формулам для яркостного контраста, kпр(обр) не менее чем в 10 раз превышал пороговый контраст. Диапазон контраста рекомендуется выбирать в пределах 0,6 - 0,95.

Разрешающая способность или острота зрения, характеризуется минимальным углом, при котором возможно отдельное различение двух соседних точек. Этот угол называют порогом остроты зрения бv. Для нормального зрения порог остроты равен одной угловой минуте. Рекомендуемое значение бvр в расчетах берут равным 2-3 угловые минуты. Угол зрения, необходимый для надёжной идентификации элементов ИМ бvэ, зависит от их сложности, оцениваемой количеством минимально различимых дискретных элементов kэ, на которые их можно разложить:

Бvэ kэ бvр

Для синтеза букв и цифр, как отиеченно выше, требуется 7 - 9 дискретных элементов по высоте. Следовательно, для них бvэ=14 - 27 угл. мин.

Зависимость между угловыми и линейными иллюстрируется рис. 6, из которого следует:

h=2Ltg(/2)

Или при малых углах б: h?L,

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

Разрешающая способность падает по мере удаления изображения, т.к.

h / L.

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 kф=4/3.

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

Угол между перпендикуляром, опущенным из центра глаза на поверхность наблюдения, и линией, соединяющей центр глазас наблюдаемой точкой, называют углом наблюдения. В связи с тем, что излучение большинства индикаторов имеет направленный характер, максимум интенсивности которого совпадает с нормалью к плоскости излучателя, с увеличением угла наблюдения острота зрения падает. 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 fкчм - минимальная частота, при которой глаз перестаёт 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 50Гц.

Для мерцающих элементов вводят понятие средней (кажущейся) яркости Lvкаж воспринимаемой глазом (определяется законом Тольботта)

Lvкаж = 1/TLv(t)dt

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

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

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

На качество восприятия информации негативно влияет внешняя освещенность ИП. Снизить влияние внешней освещенности на ИП можно, применяя затеняющие козырьки (бленды), или специальные фильтры, уменьшающие коэффициент отражения. Это уменьшает значение Lvо и Lvф, т.е. выравнивает яркости ИП по отношению к яркости внешних предметов, что улучшает условия адаптации зрения.

Размещено на Allbest.ru