ГРАФИЧЕСКИЙ ИНТЕРФЕЙС ОПЕРАТОРА. Учебное пособие для студентов специальности 220301 Москва 2011 2 Содержание
 Скачать 2.77 Mb.
|
|
Глава 3. Сведения из теории информации и инженерной психологии 3.1. Количество информации Количество информации можно определить как меру неопределенности, снятую во время акта передачи информации. Пусть x 1 , x 2 , …x n – возможные события. Р. Хартли в 1928 году предложил измерять количество информации с помощью энтропии Н, которую следует вычислять по формуле: Н=log(m) , где m – количество возможных исходов. Энтропия как раз и является мерой неопределенности: чем больше неопределенность (неизвестность точного результата), тем больше энтропия. Клод Шеннон в 1948 г. предложил эту формулу модифицировать с учетом различных вероятностей p 1 , p 2 , …p n возможных исходов: i m i i p p H log 1 , где вероятности исходов подчиняются нормирующему правилу: 1 1 m i i p Количество информации – это разность между энтропией, которая была до акта передачи, и той энтропией, которая осталась после него: J = H 1 – H 2 В том случае, когда после акта передачи информации неопределенность полностью снята, т.е. при Н 2 =0,количество информации численно равно исходной энтропии: J=Н 1. 3.1.1. Свойства количества информации 1. Энтропия является неотрицательной величиной: J 0. 2. Энтропия заранее известного события равна нулю. 3. Количество информации одного объекта относительно другого не превышает энтропию любого из этих объектов. 4. Никакое преобразование объекта не увеличивает в нем количество информации о другом объекте. 3.1.2. Избыточность информации Избыточность информации R: R J J J max max , 38 J max – максимальное количество информации, возможное для данного алфавита сообщений. J – количество информации в данном сообщении. Избыточность увеличивает помехозащищенность информации. В подтверждение этого утверждения рассмотрим пример. Пример. Попытаемся прочитать фразу: Озботочность онформоцоо оволочовоот вромо оо породочо. Большинство сумеет восстановить правильное написание и прочитать ее, несмотря на то, что в этой фразе количество ошибок весьма велико, так как вместо любой гласной используется только одна – «о»: Избыточность информации увеличивает время ее передачи. Для естественных языков избыточность составляет приблизительно 60%. Для специальных языков значение избыточности может доходить до 95%. 3.1.3. Скорость создания информации Источник сообщений характеризуется скоростью создания информации G=nH 0 n – число, созданных источником сообщений Н 0 – энтропия сообщений. 3.1.4. Пропускная способность Характеристикой канала связи является пропускная способность – максимальная скорость передачи сообщения по данному каналу. G=max{V} V dJ dt Рис. 32. Структура канала передачи информации На рис. 32 показана структура канала передачи информации. 3.2. Факторы, влияющие на переработку информации человеком 1. Объективные характеристики сообщений и сигналов. 2. Условия работы человека-оператора. 3. Индивидуальные характеристики человека. 39 3.2.1. Объективные характеристики сообщений и сигналов Сигналы как физические носители, содержащие информацию, оцениваются следующими количественными характеристиками. 1) Отношение «сигнал – шум» h=P сигнала /P шума представляет собой отношение мощности полезного сигнала к мощности помехи. 2) Ширина частотного спектра сигнала F учитывает все частоты, формирующие сигнал, от наименьшей частоты до наибольшей. 3) Время существования сигнала T выражает длительность действия (экспозиции) сигнала. Существует понятие объема сигнала как произведения всех трех вышеуказанных характеристик (рис. 33). Возможны преобразования сигналов, инвариантные к их объему. Изменение же объема приводит, как правило, к потере информации. Рис. 33. К понятию объема сигнала К информационным характеристикам сигналов относят алфавиты сообщений, распределение вероятностей их появления, статистические связи, избыточность сигналов, значимость сигналов, соотношение релевантной (полезной, важной) и иррелевантной (не важной, не полезной) информации. Очевидно, что объективные характеристики сигналов и сообщений в значительной степени оказывают влияние на результат деятельности человека- оператора: так, например, при низком значении отношения «сигнал – шум» h c человек хуже распознает такой зашумленный сигнал, нежели при большом значении этого отношения. 3.2.2. Условия работы человека-оператора Сюда входят статические и динамические характеристики полей информационной модальности, соотношение величины информационного потока и пропускной способности человека. Кроме того влияние на условия работы оказывают следующие факторы: 1) совместимость стимула и реакции; 2) особенности деятельности оператора; 40 3) особенности информационного процесса с точки зрения психики (запоминание, распознавание, перекодирование); 4) мотивация деятельности; 5) воздействие на оператора физических и иных возмущений. К иным возмущениям можно отнести, например, психологическое воздействие на человека, которое по силе воздействия иногда может даже превышать физические возмущения. 3.2.3. Индивидуальные характеристики человека-оператора К индивидуальным характеристикам человека-оператора относят: пол, возраст, характеристики высшей нервной деятельности человека, обученность, тренированность, способности опыт, состояние, соотношение психической нормы и патологии, особенности физического, биологического и психологического характера. Индивидуальные различия играют тем большую роль, чем сложнее характер деятельности. Важную роль играет состояние и тренированность. 3.3. Применение теории информации в инженерной психологии Некоторые количественные оценки используются для определения пропускной способности оператора, а также для определения характеристик восприятия человеком информации, переработки ее и хранении. При информационной оценке сообщений в виде символов необходимо знать алфавиты сообщений и статические характеристики связей между символами, если таковые имеются. 3.3.1. Информационные оценки восприятия и памяти Кратковременная память Человек может безошибочно различать не более: – 4-х концентраций растворов – 6-и тонов звуков (по частоте) – 5-и уровней интенсивности звука – от 10 до 15 позиций между двумя отметками на линейной шкале. Число различных состояний объекта возрастает при увеличении числа измерений. Например, при 6-и различных акустических переменных число различных категорий звука примерно равно 150 элементов. Экспериментальные исследования кратковременной памяти человека, показали, что человек способен удерживать не более 9-и двоичных цифр (9 бит), 9-и десятичных (25 бит) или 7-и букв алфавита (33 бита) или 5-и односложных слов(50 бит). 41 Емкость кратковременной памяти измеряется не количеством информации, а числом информационных единиц. Следовательно, при кодировании информации, предназначенной для использования человеком, следует использовать наиболее информационно-емкие символы. Информационная емкость символов увеличивается с возрастанием длины алфавита. Алфавит должен быть твердо усвоен оператором. Следовательно, надо применять либо знаковые алфавиты (буквы и цифры), либо нужно обучать оператора новому алфавиту. Наличие связей между единицами информации уменьшает количество информации в последовательности символов и при этом лучше запоминается. Долговременная память Объем зависит в основном от информационного содержания, нежели от числа единиц информации. Этот объем измеряется количеством информации, которая усваивается в среднем при одном предъявлении запоминаемого материала и составляет от 5 до 20 бит. Иррелевантная информация является для долговременной памяти помехой. Избыточность релевантной информации способствует долговременному запоминанию. Максимальная скорость переработки информации человеком оценивается по-разному при однократном и непрерывном предъявлении информации. При однократном предъявлении оценивается время реакции человека, в зависимости от стимула, по одной из следующих схем: 1) стимул – ответная моторная реакция; 2) стимул – отсроченный словесный отчет. Схема №1. В экспериментах, соответствующих первой схеме установлена линейная зависимость между скоростью реакции и количеством информации в стимуле. Иррелевантная информация увеличивает время обнаружения полезного сигнала. Тренировка позволяет уменьшить это время. При запоминании временных интервалов человеком существует неопределенность, которая связана с несовершенством памяти человека. Эта неопределенность тем сильнее, чем больше интервал времени между сигналами. Другой фактор – вариативность времени появления сигнала (изменение интервала). Чем больше вариативность интервала между стимулами, тем больше время простой сенсорно-моторной реакции. Схема №2. Она характеризует не столько скорость обработки информации, сколько объем поля восприятия. Объем поля зрительного восприятия в экспериментах 42 наиболее постоянен и примерно равен 4-5 объектам независимо от их информационного содержания. При непрерывном поступлении информации человек может рассматриваться как канал связи. При этом нужно стремиться, чтобы этот канал удовлетворял свойству стационарности (не менял своих характеристик во времени). Для этого нужно иметь отчетливый источник информации, хорошо обученный оператор, нормальный условия работы и т.д. При этом под пропускной способностью человека-оператора понимают максимальную скорость безошибочной переработки информации. 3.3.2. Модели работы человека-оператора как канала связи В теории информации рассматриваются каналы с памятью и без памяти. Работу человека-оператора можно рассматривать, используя одну из следующих 3-х моделей: 1) человек как канал связи без памяти; 2) человек как канал с кратковременной памятью; 3) человек как канал с долговременной памятью. В первом случае человек работает как канал передачи информации, последовательно передающий сигналы, которые считаются независимыми друг от друга. При этом пропускная способность лежит в пределах от 10 до 70 бит/с. Конкретное значение сильно зависит от вида деятельности. В табл. 3 представлены экспериментально полученныеданные по пропускной способности человека (бит/с) при различных видах деятельности. Таблица 3. Для сравнения: скорость обмена информацией у муравьев составляет около 0,1 бит/сек. Если в процессе деятельности человеку нужно запомнить отрезок входной последовательности сигналов по объему, не превышающего объема его кратковременной памяти, то его деятельность можно рассматривать как работу канала с кратковременной памятью. Если же отрезок информации, который необходимо запомнить превосходит объем кратковременной памяти, то для его запоминания необходимо многократное повторение. 1 Чтение текста про себя 45 2 Чтение вслух 30 3 Игра на фортепьяно 23 4 Работа корректора 18 5 Печатание на машинке 15 6 Умножение двух цифр 12 7 Сложение двух цифр 8 8 Счет предметов 3 43 Следовательно, пропускная способность падает до десятых долей бита в секунду и ниже. Для увеличения пропускной способности такого канала можно уменьшать длину входной последовательности, или уменьшать нагрузку на память. 3.4. Способы борьбы с избытком и недостатком информации Многие технические устройства плохо согласованы с органами чувств человека. Так, например, телевизионные каналы имеют пропускную способность в десятки миллионов бит/сек. Информационные перегрузки перевозбуждают нервную систему человека, вызывают стрессы. Существуют как объективные, так и субъективные способы решения этих проблем. Для устранения информационных перегрузок используют следующие способы. Объективные способы. 1) Оптимальный для человека код; 2) Уменьшение избыточности информации (не в ущерб надежности); 3) Организуют параллельные потоки информации; 4) Организуют резервные системы. Субъективные способы. Человек самостоятельно борется с информационными перегрузками (чаще всего автоматически, спонтанно), прибегая к следующим действиям. 1) Пропуск информации 2) Ошибки 3) Фильтрация 4) Загрубление 5) Избегание 6) Отказ С другой стороны недостаток информации также оказывает негативное воздействие на человека. Психологи установили, что всего 15 минут пребывания в сенсорной депривации (то есть при полном отсутствии внешних раздражителей) достаточно для того, чтобы у людей начались галлюцинации. Свои результаты ученые опубликовали в журнале Journal of Nervous and Mental Disease, а краткое изложение работы приводит издание Wired. В рамках исследования ученые помещали по очереди 19 добровольцев в темную звукоизолированную комнату. Все участники эксперимента прошли предварительный отбор, целью которого было проанализировать склонность добровольцев к галлюцинациям. В результате были отобраны люди наименее и наиболее предрасположенные к подобным эпизодам. Оказалось, что 15 минут достаточно для того, чтобы совершенно здоровые и не склонные к галлюцинациям люди начинали видеть вещи, которых нет в действительности. Так, из всей группы пятеро участников видели лица, а шестеро – непонятные формы. Некоторые участники отмечали повышенную обостренность обоняния, а двое почувствовали присутствие в комнате «чего-то ужасного». 44 Ученые полагают, что причиной возникновения подобных временных расстройств является отсутствие поступления привычного уровня информации в человеческий мозг. На это, например, указывает обостренное чувство обоняния. По словам ученых, на опыт их вдохновили результаты американского психолога Джона Лилли (John Lilly), который в 50-х годах прошлого века изобрел так называемую сенсорно-депривационную камеру, представляющую собой темный звукоизолированный бак. Для борьбы с «информационным голодом» используют следующие меры: 1) устанавливают дополнительные источники информации; 2) применяют меры к устранению монотонности поступления информации. 3.5. Оценка полезности информации О полезности судят по тому, насколько информация служит достижению цели. Общих методов оценки полезности информации не существует. Большинство способов оценки основано на вероятностном подходе. Например, можно использовать сравнение вероятностей достижения цели до получения информации и после него. Если вероятность достижения цели после получения информации окажется выше, то информацию следует признать полезной. 45 Глава 4. Компьютерная графика как инструмент проектирования интерфейса 4.1. Общая характеристика компьютерной графики 4.1.1. От наскальных рисунков – к компьютерной анимации Рис. 34. Сальвадор Дали ... в 3D Studio MAX С доисторических времен и до сего дня человек в силу своего естественного строения значительно лучше (надежнее, быстрее) воспринимает графические образы, нежели таблицы, формулы, текст. В будущем, при нынешних темпах увеличения количества информации, которую вынужден перерабатывать человек, значение графики будет только возрастать, а возможно станет для него единственной альтернативой в условиях информационного взрыва. Сегодня человеку предстоит развить свои естественные способности, заложенные природой, вспомнить и усовершенствовать международный язык графических изображений, широко используемый в искусстве, архитектуре, а также и в таких прагматических областях как дорожное движение, реклама и т.д. Наука и техника, экономика и экология, производство и социальная сфера – 46 практически ни одна область человеческой деятельности не обходится сегодня без графических объектов, созданных преимущественно компьютерными средствами. Современные компьютерные технологии позволяют получать изображения чрезвычайно высокого качества и, используя разнообразные удивительные эффекты, перемещать и трансформировать их по своему желанию любым, самым фантастическим образом. Существуют уникальные компьютерные программы, которые используются в фильмах наряду с «живой» видеосъемкой. 4.1.2. Классификация проблем, связанных с графическими изображениями Обработка информации, связанная с графическими изображениями на экране монитора или на бумаге, подразделяется на 3 основные вида: распознавание образов (РО), обработка изображений (ОИ) и компьютерная графика (КГ) (рис. 35). Рис 35. Схема представления работы с изображением Распознавание образов (изображений) есть совокупность методов, позволяющих получить описание изображения, поданного на вход, либо отнести заданное изображение к некоторому классу (так поступают, например, при сортировке почты или в медицинской диагностике, где путем анализа томограмм оценивают наличие отклонений от нормы). При этом рассматриваемое изображение часто преобразуется в более абстрактное описание набор чисел, набор символов или граф. Одной из интересных задач распознавания образов является так называемая скелетизация объектов, при которой восстанавливается некая основа объекта, его «скелет». Рис. 36. Схема представления распознавания образов Информация на мониторе Распознавание образов Обработка изображений Компьютерная графика Изображение Описание РО 47 Символически, распознавание изображений, или система технического зрения (Computer Vision), может быть описана так (рис. 36): • на входе – изображение; • на выходе – описание этого изображения. Обработка изображений рассматривает задачи, в которых и входные и выходные данные являются изображениями (рис. 37). Примерами обработки изображений могут служить: передача изображений вместе с устранением шумов и сжатием данных, переход от одного вида изображения (полутонового) к другому (каркасному), контрастирование различных снимков, а также синтезирование имеющихся изображений в новые, например, по набору поперечных сечений объекта построить продольные сечения или восстановить сам объект. Рис 37. Схема представления обработки изображения Пример (рис. 38). На входе изображение сферы (а), а на выходе – изображение той же сферы, но преобразованное с помощью другой модели (б). а) б) Рис. 38. Различные изображения сферы Таким образом, обработка изображений (Image Processing) имеет следующую структуру: • на входе – изображение; • на выходе – изображение (преобразованное). Рис 39. Схема представления компьютерной графики Компьютерная (машинная) графика воспроизводит изображение в случае, когда исходной является информация неизобразительной природы (рис. 39). Например, визуализация экспериментальных данных в виде графиков, Изображение Изображение ОИ Описание Изображение КГ 48 гистограмм или диаграмм, вывод информации на экран в компьютерных играх, синтез сцен для тренажеров. А еще есть компьютерная живопись, компьютерная анимация и так далее, вплоть до виртуальной реальности. Можно сказать, что компьютерная графика рисует, опираясь на формальные правила и имеющийся набор средств. Пример (рис. 40). На входе уравнение окружности с указанием ее радиуса и координат центра (а), а на выходе – изображение этой окружности (б). а) б) Рис. 40. Входной и выходной сигналы системы компьютерной графики Символически компьютерную графику (Computer Graphics) можно представить следующим образом: на входе – символьное описание; на выходе – изображение (синтезированное изображение). Удобной для запоминания представляется общая схема (рис. 41), вмещающая в себя описание и функции всех трех задач: РО, ОИ и КГ. Изображение Описание РО ОИ КГ |