Будко В.Н. Человек - интерфейс

Подождите немного. Документ загружается.

S – скорость передачи информации различными источниками;

R – скорость (количество информации в секунду ) «прихода» информации в память ;

– скорость убывания количества информации в памяти , определяемая процессом

забывания.

Измерение находящейся в памяти информации в единицу времени будет:

−=

Примем гипотезу , что забывание информации R

пропорционально разности между

информацией, имеющейся в данный момент t и некоторым ее конечным значением. I

∞

определяемым уровнем памяти через достаточно большой промежуток времени.

)(

∞

− II

где µ≤1 безразмерный коэффициент в общем случае зависящий от объема памяти ,

характеристик индивидуума, способа подачи информации и др .

τ - некоторая константа – постоянная времени.

Итак:

dI/dT = R - µ/τ *(I - I

∞

)

При R= const (не зависит от времени)

µ =const τ =const

и начальных условиях:

I=I

, при t=0

получим решение этого дифференциального уравнения 1-го порядка :

Τ−

∞∞

⋅−−++=

eRIIRII )(

, где

безразмерное, нормированное к τ

время.

Введем безразмерное количество информации, нормируя к

Ĭ=I / I

∞

/ I

∞

Î=

Τ−

⋅⋅

⋅−−++

∞∞

)1 Î (1

Формулы (2), (3) позволяют прогнозировать процесс накопления или убывания

информации в памяти в зависимости от комплекса свойств человека , поступающей

информации и уровня ее начального количества .

3.6 Переработка информации иконической (зрительной ) памятью .

Эксперименты Дж . Сперлинга (1967 г).

Испытуемому показывали в течение 0,05 с карточку с 9-ю буквами в три ряда , а затем

выясняли , что он помнит из увиденного через различные промежутки времени.

Для этого показывали 2-ю карточку , где значком отмечено только место одной из

букв. До предъявления одной карточки оператор почти не знает какая из 9-ти букв будет

отмечена . Назвать букву , место которой отмечено значком.

Если вторая карточка идет сразу же после 1-ой то оператор почти всегда правильно

называет отмеченную букву . Вывод – в иконической памяти помещается не более 9-ти

букв.

Но если после показа 1-ой карточки надо назвать все буквы, то оператор называет

какие -то 4-5 букв, и за время их произношения остальные буквы из памяти стираются.

Для определения кривой забывания вторая карточка показывается с разной

задержкой 0,1… 1 с.

Так как время переработки информации зрительным анализатором на порядок

больше времени поступления информации, в данном эксперименте , т.е . за время

поступления 0,05 с переработки информации еще нет, то задача сводится к решению

уравнения (1) при R=0.

Из (2) получаем, вводя безразмерные величины

Ĭ =I/ I

∞

= I

∞

/ I

Ĭ = Ĭ

∞

+(1-Ĭ

∞

)*e

-μΤ

При выборе µ=1, τ =0,15 с, I

∞

= 4,3 буквы экспериментальные данные довольно хорошо

ложатся на теоретическую кривую.

Время реакции человека .

Различают:

ü сенсомоторную реакцию - то или иное движение в ответ на появление сигнала ;

ü реакцию интеллектуальных процессов - выбор одной реакции из многих

возможных, принятие решения.

Величину латентного периода (задержки ) реакции оператора можно определить как

время накопления поступающей в память информации до некоторого уровня I

лат

соответствующего началу реагирования оператора на это накопленное количество .

Этот уровень может быть принят равным значению I

∞

, которое находится в памяти

достаточно долго и является как бы эталоном сравнения действующего сигнала и заранее

заданного .

Теоретическая зависимость для расчета получается из формулы (2) при исходных

условиях I

=0, µ =1:

I = (I

∞

+Rt)*(1-e)

Откуда при I= I

∞

найдем t = t

лат

= τ *ln(1 + I

∞

/Rt) (5)

Видим, что время латентного периода уменьшается с увеличением темпа R поступления

информации и с уменьшением величины I

∞

необходимого уровня информации, при

котором произойдет реагирование человека .

4. Общие характеристики воспринимающих информацию

сенсорных анализаторов органов чувств человека.

4.1 Основные понятия. Терминология.

Сенсорный – чувствующий, ощущающий. От латинского sensus – чувство ,

ощущение .

Органы чувств – анатомо -физиологический аппарат, воспринимающий воздействия

(сигналы) от раздражителей (источников информации), находящихся вне и внутри тела .

Раздражители воздействуют на периферический воспринимающий «прибор» - рецептор,

являющийся окончанием органа чувств . Информация в виде нервных импульсов,

возникающих в результате раздражения, передается по чувствующему афферентному (в

сторону мозга ) нерву в группу нейронов определенного участка коры больших полушарий

головного мозга . Воздействия раздражителей воспринимают все органы чувств (зрение ,

слух, вкус, обоняние , осязание ) и специальные рецепторные образования в органах,

тканях, суставах, сосудах, мышцах.

Рецептор – от латинского receptor – принимающий. Это концевые образования

чувствительных нервных волокон, воспринимающих раздражение и преобразующих

энергию сигналов раздражения различной природы в нервное возбуждение , которое

передается в центральную нервную систему .

Анализаторы. Анализатором называют участок коры головного мозга ,

чувствующий нерв и рецептор, а также эфферентный (в сторону периферии) нерв, по

которому мозг посылает ответную информацию в рецепторную систему . Анализатор

разбирает, дифференцирует, классифицирует, определяет природу раздражителей и

обеспечивает целесообразную реакцию на изменение условий в окружающей и

внутренней среде . Уже рецепторная сеть начинает элементарный анализ восприятия

информации. Но более тонкий дифференцированный анализ осуществляется в

сложнейшей нейронной сети соответствующего центра головного мозга . Понятие

«анализатор» введено в науку И.П . Павловым в 1909 г.

4.2. Классификация и параметры

Классификация анализаторов человека по специфике принимаемых сигналов.

По внешним сигналам:

- зрительный анализатор. Рецепторная сеть – сетчатка глаза .

- слуховой анализатор. Рецепторная система – улитка внутреннего уха .

- тактильный анализатор(осязание).

- температурный анализатор.

- обонятельный анализатор. Рецепторная сеть - чувствительные клетки носа .

- вкусовой анализатор. Рецепторные клетки на языке и небе.

По внутренним сигналам:

- анализаторы давления

Кинестетический – рецепторы в мышцах и сухожилиях.

Вестибулярный – рецепторы в полости уха .

По экстра сенсорным сигналам:

- гипотетическое восприятие информации вне перечисленных выше сенсорных

каналов восприятия.

Рецепторы

–

чувствительные клетки кожи и

внутренних органов.

4.3 Основные параметры анализаторов

1. Абсолютный порог ощущения интенсивности сигнала . Минимальное значение

раздражения, при котором возникает осознаваемое ощущение .

2. Болевой порог – предельно допустимая интенсивность сигнала .

3. Динамический диапазон чувствительности . Отношение болевого порога к

абсолютному порогу .

4. Дифференциальная чувствительность к изменению сигнала .

- абсолютная дифференциальная чувствительность ∆ J – минимальное изменение ,

ощущаемое анализатором.

- относительная (разностная) дифференциальная чувствительность ∆ J/ J – отношение

абсолютной дифференциальной чувствительности к интенсивности сигнала .

5. Число различимых воспринимаемых градаций интенсивности сигнала .

6. Пороги различения частоты сигнала .

7. Временные пороги длительности сигнала . Минимальные длительности сигналов,

необходимые для возникновения ощущения, например, яркости вспышки света ,

тна звука и т.п.

Общие особенности рецепторов различной модальности .

1. Основной ответ рецепторов на воздействие сигналов – это реакция на изменение

параметров воздействующего сигнала .

2. Способность анализаторов к адаптации, т.е . к приспосабливанию нормально

функционировать при разных интенсивностях сигналов.

3. Большой диапазон чувствительности к восприятию сигналов.

4.4 Обнаружение и интерпретация сенсорных сигналов

Удобная модель наглядного представления начального этапа восприятия и обработки

информации, постулируемая на сегодня в когнитивной психологии, показана на рис.

4.1. Сразу подчеркнем, что это лишь модель простой наглядности , а не описания

устройства и функционирования мозга и анализаторов человека .

Рис. 4.1 Движение информации

Термин «стимул» - из психофизики и психологии. Термины «сигнал», «шум» - из

электроники. Под стимулированием в психологии понимается воздействие внешнего

фактора – физического агента (стимула ) – на органы чувств . Понятие «сигнал» для

психологии означает тот стимул, который наблюдаемого (испытуемого ) просят

идентифицировать , а понятия «шум», «помеха» - тот стимульный контекст, в котором

может проявиться сигнал. Ш ум может иметь как внешние , так и внутренние источники ,

например, в результате случайной нервной активности .

Выделение сенсорными системами информации из внешнего физического мира

происходит по принципу экономии. Т.к. количество сенсорной информации, непрерывно

возбуждающей нашу нейронную сеть астрономически велико , то для дальнейшей

обработки информации когнитивными системами «высшего уровня» отбирается только

часть сенсорной информации – структуры 5 и 7 на рис. 4.1 Для этого выбора необходимо

время хранения информации в системе отбора. Например, длительность хранения

(структура 6 на рис. 4.1) зрительных образов, называемых иконическими, примерно равна

250 мс, длительность хранения слуховых образов, называемых эхоическими, больше – от

250 мс до 4 сек. А время хранения в кратковременной памяти (структура 8 на рис. 6.1)

достигает 10-30 сек.

Отчет испытуемого о воспринятых стимулах состоит из двух этапов. Собственно

восприятия, т.е . актуальное сенсорное запечатление , и воспроизведение , т.е . способность

изложить то , что было запечатлено до его стирания. Таким образом, иконическое и

эхоическое хранение позволяют на отбирать существенную информацию для дальнейшей

переработки, ограничивая пропускную способность нашей системы обработки

информации.

Первичный процесс приема информации описывают термином «ощущение», связывая его

с реакцией анализаторов органов чувств (глаза , уха и т. п .) в результате воздействия на них

элементарных видов стимуляции.

Под «восприятием» понимают следующий уровень переработки информации, в

котором участвуют высшие когнитивные механизмы, интерпретирующие сенсорную

информацию.

Внешние

источники

помех и

шума

Внутренние шумы

Источник

стимула

Рецепторна

я сеть

Преобра-

зование

Сенсорное

обнаруже -

ние +

хранение

Переработка

(кодирование )о

тбор

информации

Память

кратко -

вре-

менная

долго -

вре-

менная

Поведение

внимание

Интерпретация наблюдаемых данных зависит от многих сложных когнитивных факторов,

в том числе от предшествующих знаний о мире, от целей наблюдения и т.п. Поэтому

восприятие и интерпретация могут не совпадать с объективной реальностью предмета

наблюдения.

Например, на рис. 4.2

Воспринимаемая информация: вверху отрезок А

больше

отрезкаВ

, внизу отрезки равны.

Объективная информация: вверху отрезки

=В

=22 мм,

внизу А

=18 мм, В

=26 мм

Рисунок иллюстрирует простую геометрическую иллюзию. Но заметим, как в быту , так и

в науке , восприятие и интерпретация также могут не совпадать с объективной

реальностью.

4.5 Закон Вебера - Фехнера

Вебер (1846 г.), исследуя ощущение силы тяжести нашел, что минимально

обнаруживаемое ощущение зависит не от приращения стимула (причины, вызывающей

ощущение ), а от отношения этого приращения к первоначальному значению стимула .

Вебер сформулировал общее для разных анализаторов психофизиологическое

соотношение : минимально различимый прирост раздражителя составляет постоянную

долю от первоначальной

интенсивности стимула (для некоторой средней области интенсивностей J):

∆J

, ∆J= (J

пор

-J)/J (1)

где ∆J – пороговый прирост интенсивности , который надо добавить к интенсивности J,

чтобы стала едва заметной разница между ощущением J и ощущением J+∆J.

Фехнер (1860 г.) дал математическую трактовку константе (1). Введем понятие

уровня раздражителя L. Если считать , что формула (1) верна для бесконечно малых

приращений, то :

dJ/J = a*dL,

где dL – минимально заметный («бесконечно» малый) прирост величин ощущения;

а – произвольный коэффициент, определяющий выбор единиц измерения L.

Откуда :

ln J + C = a*L.

Величину «C» найдем из условия, что при J= J

пор

ощущение пропадает,

L=0

Последнее выражение называется законом Вебера - Фехнера.

Например, для зрительного анализатора закон Вебера - Фехнера устанавливает, что

при восприятии яркостей зрительного ощущения, называемого светлотой, последняя

пропорциональна логарифму яркости .

const

b =

ln J

пор

= -

1 J

а J

пор

ln L= ; b * ln

пор

= ,

(2)

N =

lg (J

max

min

)

lg (1+ k

пор

)

4.6 Количество воспринимаемых градаций ощущений

Подсчитаем на участке величин стимула , для которых справедлив закон Вебера -

Фехнера, количество различимых градаций ощущения в заданном диапазоне изменения

величины стимула от J

min

до J

max

Обозначим для этого участка пороговую величину :

пор

= ∆J/J = const; (J

- J)/J; k

* J = J

– J.

Первую различимую ступень ощущения найдем согласно выше приведенных формул:

пор

= (J

– J

min

)/J

min

;

Откуда :

= J

min

(1+ k

пор

)

Очевидно , следующая ступень ощущения, т.е . J

будет подобно определяться

приращением сигнала первой ступени на величину К

пор

* J

= J

+ J

пор

= J

(1+ k

пор

) = J

min *

(1+ k

пор

)

Следующая ступень: J

= J

min *

(1+ k

пор

)

И, наконец, последняя ступень: J

max

= J

min *

(1+ k

пор

)

Следовательно , количество искомых градаций ощущения:

Например, в телевидении величину отношения яркостей элементов изображения на

экране :

K = B

max

min

или K = B

называют контрастом двух сравниваемых объектов.

Пример .

Для К=В

max

/В

min

=100. Например, В

min

- черный бархат с коэффициентом

отражения 0,009 на снегу В

max

с коэффициентом отражения 0,9 и при угловом размере

объекта наблюдения 4

имеем, согласно опытных данных, К

пор

=0,02.

Тогда :

градации различимых глазом яркостей.

(3)

N =

lg (100)

lg (1+ 0,002)

=232

5. Восприятие звука

5.1 Пороги слышимости

Уровень ощущения громкости звука согласно закону Вебера-Фехнера

L=a*ln(J/J

пс

), (1)

где J - интенсивность звука , равная мощности звуковой волны, падающей на единицу

поверхности , измеряется в Вт/м

пс

- абсолютный порог слышимости - величина интенсивности или звукового

давления, которая едва заметна на слух при отсутствии всяких помех.

Интенсивность и звуковое давление связаны формулой

J=p

/ρ *c,

где : ρ - эффективная величина мгновенного звукового давления, измеряемая в Паскалях:

Па = Н/м

; ρ - плотность воздуха , измеряемая в кг/м

; с- скорость звука в воздухе ,

измеряемая в м/с. Для нормальной температуры ρ *с=400.

Взяв в (1) а =0,23 перейдем к десятичному логарифму

L=10*lg(J/J

пс

)=20*lg(ρ /ρ

пс

) (2)

В формуле (2) безразмерная величина L представляет сравнение отношением

величин J и ρ и их пороговым значениям.

Вообще в акустике и других отраслях науки и механики широко применяют для

сравнения двух величин логарифмическую шкалу децибел. Одному децибелу (дБ)

соответствует отношение двух значений какой-либо энергетической величины. при

котором десятичный логарифм этого отношения равен единице . Под энергетической

величиной понимается либо энергия, либо мощность , либо пропорциональные им

квадраты : звукового давления, скорости частиц, сил, скорости смещений, электрических

напряжений, токов, зарядов и т. п.

Для удобства различения абсолютных размерных величин от выраженных в

децибелах последние называют уровнями.

Логарифмические уровни электрических величин

N = 10lg(W/W

) = 20g(U/U

) = 20lg(I/I

), т.к. W=U

/R=I

N - логарифмический уровень в дБ величин W,U,I.

Нулевые уровни электрических величин выбирают так, чтобы мощность

выделяемая на R=600Ом при напряжении U

составила W

=1мВт. Следовательно

=0,775В, I

=1,29мА.

Для шкалы децибел акустических величин принимают в качестве нулевых уровней

международный стандарт порога слышимости

пс

= 10

-12

Вт/м

; ρ

пс

= 2*10

-5

Па

на частоте звука 1000Гц .

Получаем:

L = 10*lgJ-10*lg*10-12=(10*lgJ+120)дБ J - в Вт/м

Численно такие же значения будут иметь в дБ и уровни давления

L = 20*lgp-20*lgp

пс

=20*lgp-20*lg(2*10-5)=(2*lgp+93,9794)дБ, p- в Па

Соотношения шкал J, Вт/м

с p, Па и L, дБ показаны на рис. 5.8.

Кривые зависимости порога слышимости (ПС) от частоты зависят от постановки

эксперимента . Проводилось ли прослушивание одним ухом – моноуральный порог; двумя

ушами от одного или нескольких источников – биноуральные пороги . Измерялось ли

звуковое давление у барабанной перепонки или у ушной раковины, либо в свободном

звуковом поле , т.е . при отсутствии головы слушателя. Наконец, ПС очень сильно зависят

от индивидуальных свойств человека , особенно на краях частотного диапазона

слышимости . Кроме того с возрастом чувствительность слуха к высоким частотам

заметно уменьшается, рис. 5.6.

С 1938 по 1958 гг. в Англии, СШ А , СССР проводились систематические измерения

зависимости ПС от частоты для международного соглашения о стандарте . Испытуемым

предъявлялось прослушивать в полной тишине чистые тоны фиксированной длительности

с разными частотами и интенсивностями. Причем в половине предъявлений

интенсивности были равны нулю и слушателю предлагалось ‘угадать ’ был ли звук или

нет. Вычислялись вероятности 4-х возможных ответов. Правильные ответы : ‘слышу’,

когда звук подан и ‘не слышу’, когда звука нет. Неправильные ответы : ‘слышу’, когда

звука нет и ‘не слышу’, когда звук есть . Эти ответы зависят от инструкции, наличия

вознаграждения за ответы и от других психолого - эмоциональных факторов.

За стандартную кривую зависимости ПС от частоты принята усредненная кривая

для здоровых молодых людей 18..23 лет, для которых 50% всех испытуемых имеют более

низкий (т.е . более острый слух), а 50% - более высокий порог.

Стандартная кривая ПС показана на рис. 5.7 областей слухового восприятия.

Стандартной значение ПС для частоты 1000Гц как раз и принято за нуль шкалы децибел

-12

Вт/м

2 или

2*10

-5

Па. Эта величина всего лишь 2*10

-10

доля от атмосферного давления.

Рис. 5.6 Потеря слуховой чувствительности с возрастом

Рис. 5.7 Области слухового восприятия

Рис. 5.8 Кривые равных громкостей

ПС – кривая порога слышимости

−

Будко В.Н. Человек - интерфейс - компьютер

Подождите немного. Документ загружается.