Характеристики зрения

Раздражителем зрительных ощущений является световая энергия, а воспринимающим рецептором — глаз. Зрение позволяет воспринимать форму, цвет, яркость и движение предметов. Человек-оператор около 90% всей информации получает через зрительный анализатор.

Глаз человека работает по принципу фотографической камеры, роль объектива в которой выполняет хрусталик. Световые лучи, проходя через хрусталик, преломляются и создают уменьшенное обратное изображение на внутренней стенке глазного яблока (сетчатке). На сетчатке находятся светочувствительные нервные окончания (рецепторы), которые носят название палочек и колбочек. Рецепторы поглощают падающий на них световой поток и преобразуют его в нервные импульсы, которые передаются по зрительному нерву в мозг. Величина этих импульсов зависит от освещенности сетчатки на том ее участке, где получается изображение рассматриваемого предмета.

Из этого положения можно сделать два основных вывода, определяющих видимость сигналов:

1) зрительное ощущение какого-либо предмета зависит от его яркости;

2) различие предмета на фоне других предметов определяет ся контрастом его с фоном.

Различают два вида контраста: прямой (предмет темнее фона) и обратный (предмет ярче фона). Величина контраста может быть оценена количественно, как отношение разности яркости предмета и фона к большей яркости:

ф(4.5)

где В_ф и В_п — яркость фона и предмета соответственно.

Оптимальная величина контраста считается равной 0,6—0,9. Однако обеспечение такой величины контраста является необходимым, но еще не достаточным условием нормальной видимости предметов, поскольку величина контраста сама по себе еще не определяет уровня видимости. Нужно знать, как этот контраст воспринимается в данных условиях. Для этого вводится понятие порогового контраста, который равен:

ф

где dB — пороговая разность яркости, т.е. минимальная разность яркости предмета и фона, впервые видимая глазом.

Величина dB является дифференциальным порогом различения. Для получения оперативного порога необходимо, чтобы различие в яркости предмета и фона было в 10—15 раз больше порогового. Поэтому в инженерной психологии вводится понятие числа пороговых контрастов, которое определяется выражением, аналогичным (4. 4):

ф

Следовательно, для нормального различения предметов необходимо, чтобы величина контраста была в пределах 0,6—0,9 и число пороговых контрастов было Q> 10-i-15.

Величина порогового контраста зависит от яркости фона (при прямом контрасте) или предмета (при обратном контрасте), а также от угловых размеров предмета и времени экспозиции.

Для определения К_пор при неограниченном времени экспозиции пользуются специальными графиками. На рис. 21 приведена зависимость К_пор от яркости и угловых размеров предмета при неограниченном времени экспозиции. При ограниченном времени экспозиции величина порогового контраста определяется по формуле [49]

ф (5.6)

где К_пор — величина порогового контраста при неограниченном времени экспозиции;

τ_э—время экспозиции;

τ_р — время реакции человека.

Из рис. 21 и формулы (4. 6) следует, что предметы с большими размерами видны при меньших контрастах, а также то, что с увеличением яркости и времени экспозиции уменьшается значение порогового контраста, т. е. быстрее достигается требуемое значение величины Q.

2. Абсолютная чувствительность зрения весьма высока: в условиях темновой адаптации световые ощущения вызываются при яркости источника порядка 1 • 10^-6 нит. Дифференциальный порог чувствительности равен примерно 0,01 исходной интенсивности стимула (сигнала). Диапазон яркостей, соответствующих наиболее оптимальной работе зрительного анализатора, простирается от нескольких десятков до нескольких сотен нит.

В качестве примера на рис. 22 приведена зависимость числа ошибок и перевернутых букв (в процентах от общего числа выполненных операций) в работе наборщиков типографий от яркости шрифта.

Из рисунка видно, что при В < 8 нит число ошибок резко возрастает.

В ряде случаев в поле зрения оператора могут быть сигналы разной интенсивности. При этом сигналы с большей яркостью могут вызвать нежелательное состояние глаза — ослепленность. Слепящая яркость определяется размером светящейся поверхности и яркостью фона:

ф(4.7)

где ω — телесный угол, под которым оператору видна светящаяся поверхность (в стерадианах).

Следовательно, для создания оптимальных условий зрительного восприятия необходимо не только обеспечить требуемую яркость и контраст сигналов, но также и равномерность распределения яркостей в поле зрения. В случаях, когда невозможно использовать для расчетов формулу (4.7), необходимо обеспечить перепады яркостей не более 1/30 –1/10.

Глаз человека воспринимает электромагнитные волны, лежащие в диапазоне 380—760 нм. Однако чувствительность глаза к волнам различной длины неодинакова. Наибольшую чувствительность глаз имеет по отношению к волнам, лежащим в середине спектра видимого света (500—600 нм). Этот диапазон соответствует излучению желто-зеленого цвета. Важной характеристикой глаза является относительная видимость

ф(4.8)

где S_max — ощущение, вызываемое источником излучения длиной 550 нм;

S_λ ¾ ощущение, вызываемое источником той же мощности

длиной λ.

Кривая относительной видимости глаза приведена на рис. 23. Из рисунка видно, что для обеспечения одинакового зрительного ощущения необходимо, чтобы мощность синего излучения была в 16,6, а красного в 9,3 раза больше мощности желто-зеленого излучения.

Влияние цвета в деятельности оператора очень велико. Во-первых, цвет может использоваться как один из способов кодирования информации, во вторых — для эстетического оформления помещений и пультов управления. Например, для комнат отдыха следует выбирать цвета, располагающие человека к покою (зеленый, голубой), для рабочих зон — более насыщенные цвета, стимулирующие активность человека. Основными временными характеристиками зрительного восприятия являются латентный (скрытый) период зрительной реакции, критическая частота слияния мельканий, минимальная длительность сигнала, вызывающего ощущение и время адаптации.

Латентным периодом называется промежуток времени от момента подачи раздражителя до момента возникновения ощущения. Это время зависит от интенсивности сигнала, частоты следования сигналов, значимости и сложности работы оператора. Для большинства людей это время лежит в пределах 160— 240 мсек.

Критической частотой слияния мельканий называется та минимальная частота проблесков, при которой возникает их слитное восприятие. Эта частота зависит от яркости проблесков и подчиняется основному психофизическому закону

f_Kp = a + b lg B, (4.9)

где а и b — константы, зависящие от спектрального состава

мелькающего изображения.

При яркостях знаков в несколько десятков нит f_Kp=20-j-25 гц при зрительном утомлении эта частота понижается. Вопрос о частоте мельканий имеет большое значение при решении двух видов инженерных задач. В тех случаях, когда необходимо, чтобы мелькания не замечались (например, при проектировании изображения на экран, в технике кино и телевидения), частота смены информации должна превышать f_кр и составлять не менее 40 гц. При необходимости использовать мерцание для кодирования следует иметь в виду, что наименьшее зрительное утомление будет при частоте мельканий 3—8 гц.

Временной порог чувствительности глаза зависит от интенсивности и размеров сигнала. На рис. 24 приведена зависимость минимального времени,

необходимого для опознания цифр, от яркости фона (темные цифры на световом фоне) и угловых размеров цифр. В тех случаях, когда нужно только обнаружить сигнал (различение не требуется), это время будет значительно меньше. При большой яркости временной порог обнаружения сигнала составляет примерно 0,001 сек. При длительности вспышки более ОД сек яркость уже практически не влияет на обнаружение сигнала.

К временным параметрам зрения относится и время адаптации. Время неполной темновой адаптации (привыкания к темноте) равно примерно 15 мин, время полной адаптации, связанное с переходом к палочковому (ночному) зрению, составляет 30 мин и более. Световая адаптация (переход к колбочковому зрению) происходит быстрее и составляет всего несколько секунд.

Характеристикой пространственного порога зрения является острота зрения. Она определяется величиной, обратной тем минимальным размерам предмета, при которых он различим глазом. Размеры предметов выражаются в угловых величинах (рис. 25), которые связаны с линейными соотношением

ф(4.10)

где α — угловой размер объекта;

h — его линейный размер;

l — расстояние от глаза до объекта.

У людей с нормальным зрением порог остроты зрения при нормальной яркости объекта соответствует примерно 1'. Оптимальные условия различения объектов будут в том случае, если их размеры составляют не менее 30—40'.

Важной характеристикой зрительного восприятия является его объем, число объектов, которые может охватить человек в течение одной зрительной фиксации, т. е. при симультанном восприятии. Обнаружено, что при предъявлении не связанных между собой объектов объем восприятия составляет 4—8 элементов. Последние исследования показывают, что объем воспроизведенного материала определяется не столько объемом восприятия, сколько объемом памяти. В зрительном образе может находиться значительно большее число объектов, однако они не могут быть воспроизведены из-за ограниченного объема памяти. Следовательно, фактический объем восприятия определяется объемом памяти [66].

Условно все поле зрения можно разбить на три зоны: центрального зрения (~ 2°), где возможно наиболее четкое различение деталей, ясного видения (30—35°), где при неподвижном глазе можно опознать предмет без различения мелких деталей, периферического зрения (75—90°), где предметы уже не опознаются, но обнаруживаются. Зона периферического зрения играет большую роль при ориентации во внешней обстановке. Объекты, находящиеся в этой зоне, легко и быстро могут быть перемещены в зону ясного видения с помощью установочных движений (скачков) глаз.

Большую роль в процессе зрительного восприятия играют движения глаз, что позволяет рассматривать зрительное восприятие как своеобразное действие, направленное на обследование воспринимаемого объекта и создание его копии. Движения глаз делятся на два больших класса: поисковые (установочные) и гностические.

С помощью поисковых движений осуществляется поиск заданного объекта, установка глаза в исходную позицию и корректировка этой позиции. Длительность поисковых движений определяется углом, на который перемещается взор,

t_n = 0,025 + 0,004α, (4.11)

где α — угол перемещения взора, град;

t_п — время перемещения взора, сек.

К гностическим относятся движения, участвующие в построении образа, опознании объекта и различении его деталей. Эти движения являются познавательными и относятся к числу перцептивных действий. По своему характеру они являются микродвижениями и происходят во время так называемой фиксации глаза, т. е. во время относительно неподвижного положения глаза, когда взор пристально устремлен на объект.

Именно в момент фиксации глаз получает необходимую информацию, а во время скачков — не получает. При выполнении различных зрительных задач глаза большую часть времени проводят в состоянии фиксации. Если продолжительность скачка в среднем составляет 0,025 сек, то продолжительность фиксации

в зависимости от условий восприятия 0,25—0,65 сек и более. Результаты исследований показывают, что общее время фиксаций составляет 90—95% от времени зрительного восприятия.

Фиксации неотделимы от микродвижений глаз. В ряде опытов изображение объекта относительно сетчатки глаза стабилизировалось с помощью специального устройства, т. е. изображение не перемещалось по сетчатке. Уже через 2—3 сек после стабилизации человек переставал видеть объект. Следовательно, движения глаз являются необходимым условием зрительного восприятия, а само восприятие необходимо рассматривать как совокупность перцептивных действий [8, 10].