Исследование процесса локализации объектов в поле зрения

Психологическая наука, в частности инженерная психология, имеет непосредственное отношение к решению многих научно-технических и практических задач, которые поставлены в «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года», принятых на ХХУ1 съезде КПСС. Решение многих практических задач становится затруднительным, если не невозможным, без опоры на фундаментальные психологические знания, основой которых является изучение общих законов психической жизни человекаисследование его психических функций, его возможностей и способностей, психических свойств и качеств человека, психических процессов и состояний (Забродин, 1980).

Одной из центральных проблем инженерной психологии также является изучение психических процессов человека, с целью выяснить, какие требования к орудиям труда и технологии и возможности для оптимизации взаимодействия в системах контроля и управления вытекают из психологических характеристик операторов (Ломов, 1966), в частности, из знания закономерностей работы зрительной системы.

От эффективности зрительной локализации окружающих объектов зависит эффективность ориентации и передвижения человека в пространстве. С развитием техники и появлением новых форм человеческой деятельности стало актуальным установление закономерностей локализации сигналов в поле зрения, характеризующих способности оператора к приему и переработке информации. К практическим задачам, решение которых опирается на способности человека к локализации объектов в пространстве, относятся, например, соотнесение стрелки индикатора со шкалой измерительного прибора, определение координат объекта на экране радарного устройства, обнаружение места значимого сигнала среди шумов.

Несмотря на достаточную разработанность эгоцентрической локализации, т. е. случая, когда рассматривается расположение объектов относительно самого наблюдателя, имеется очень мало работ по проблеме относительной физической или экзоцентриче-ской локализации, т. е. определения местоположения объекта относительно других предметов. Как правило, при решении реальных задач наблюдения от человека требуется определение координат объекта именно во внешней физической системе отсчета (координатная сетка дисплея, географическая карта, шкала прибора и т. п.).

На сегодняшний день в психологии эта проблема недостаточно изучена. Но сама необходимость выявления закономерностей зрительной локализации и механизмов, участвующих в определении относительного физического местоположения объекта при разных условиях наблюдения, не вызывает сомнений. Знание закономерностей визуального определения местоположений сигналов весьма важно для теории и практики инженерной психологии. Оно находит свое применение в проектировании более эффективных технических средств отображения информации и создает основы для более разумного и оптимального проектирования деятельности человека-оператора.

Источники настоящего исследования. В общеметодологическом плане за основу принят принцип системного исследования структуры и свойств внешних воздействий на психику человека и особенностей внутренней организации субъективного образа (Ломов, 1975). Ведь человек сам — это часть той физической системы, внутри которой он действует. Для его успешной деятельности вопросом первостепенной важности является то, каким образом человеку удается определить местоположение окружающих значимых (и менее важных) объектов относительно самого себя.

В советской психологии существуют многолетние традиции исследования пространственной локализации объектов. Так, в своей монографии Б. Г. Ананьев (1955) обобщил многочисленные данные о восприятии пространственных отношений разными анализаторами, в первую очередь — зрительной системой. Он отмечает особое значение восприятия зрительного направления объектов и важную роль в этом положении человеческого тела, головы и глаз по отношению к окружающим предметам.

Наиболее плодотворным путем определения работоспособности зрительной системы человека является применение психофизических методов. Нужно отметить, что психофизические исследования функций восприятия являются успешно развиваемой отраслью в сегодняшней отечественной психологии (Забродин, 1977; Забродин, Лебедев, 1977). Кажется закономерным, что в начале современного этапа психофизических исследований главное внимание уделялось проблеме порогов (Бардин, 1969; 1976; Михалевская, 1972; Бардин, Забродин, 1972). Существенным вкладом в дальнейшее развитие исследования сенсорных процессов оказалась разработка единой системы методов исследования и описания качественных и количественных характеристик многомерного сенсорного пространства (Забродин, 1977; Забродин, Лебедев, 1977; Забродин, Фриш-ман, Шляхтин, 1981). Естественно, что на основе теории субъективного сенсорного пространства исследованию должны быть подвергнуты не только пороговые явления, но и сама структура сенсорного пространства.

При исследовании процесса зрительной пространственной локализации мы исходили из общей теории сенсорного пространства, в частности, из положения этой теории, постулирующей наличие сенсорного и объективного пространств сигналов, при этом первое образуется на основе последнего через множество преобразований (Забродин, 1977). Далее происходит преобразование состояний сенсорного пространства во множество гипотез о характере ответного действия, формирование субъективного образа и программы действия.

В ряде исследований были экспериментально установлены закономерности локализации объектов в поле зрения в контексте участия движений глаз в пространственном восприятии (Леушина, 1965; 1975; 1978; Глезер, 1966; Гуревич, 1971; Андреева, Верги-лес, Ломов, 1972; Луук, Барабанщиков, Белопольский, 1977; Луук, Раук, 1978; Гиппенрейтер, 1978). Наряду со значением изучения характеристик работы глазодвигательной системы, не менее важным, на наш взгляд, является более общий исполнительский аспект при выполнении задач бинокулярной оценки положения предметов в поле зрения. Какая именно система отсчета является решающей при определении местоположения объектов? Согласно какой модели действует наблюдатель в разнообразных ситуациях, требующих пространственной локализации объектов на находящейся перед ним плоскости? Некоторые предположения относительно построения модели делают в своих работах Зысин (1967; 1970) и Леушина (1970; 1975; 1978), однако проблема еще далеко не решена.

Общая цель данной работы заключается в выявлении закономерностей и механизмов процесса зрительной локализации объектов в разных ситуациях наблюдения.

Для достижения этой цели необходимо решение следующих з, а д, а ч: (I) Проанализировать существующие теоретические концепции и экспериментальные данные (на основе литературы), касающиеся разных форм зрительной локализации, — восприятие положения глаз относительно головы, восприятие положения объектов относительно наблюдателя, восприятие положения одних объектов относительно других, — с целью выяснения основных механизмов процесса зрительной локализации объектов и определения круга вопросов, требующих дальнейшего исследования. (2) Выявить экспериментальные подходы и методы, при которых закономерности зрительной локализации проявлялись бы в наиболее явном и для исследования доступном виде. (3) Экспериментально исследовать свойства внутренней сенсорной репрезентации и ее информационной емкости при решении оператором разных задач локализации сигналов в поле зрения: определить возможные влияния конкретной исполнительской деятельности оператора (процедуры измерения), и характеристик самой структуры поля физических сигналов на формирование внутреннего сенсорного эталона наблюдателявыявить пропускную способность механизма, осуществляющего одновременную локализацию нескольких объектов в поле зрения.

Определение границ исследования. Для более подробного исследования определенных аспектов процесса локализации в данной работе вводятся следующие ограничения: (I) Исследуются только самые базисные задачи локализации, решаемые наблюдателем: задача абсолютной идентификации, задача обнаружения, задача различения. (2) В качестве упрощения в данной работе исследуется только одномерный случай локализации: локализация объектов на линейном отрезке, расположенном на фронто-параллельной плоскости. (3) В работе будут рассматриваться только случаи, называемые статической локализацией, т. е. случаи, когда игнорируются такие возможные характеристики положения объекта, как скорость и ускорение. Это значит, что локализуемые объекты в поле обзора неподвижного наблюдателя остаются физически неподвижными.

Научная новизна данной работы заключается в следующем:

— Впервые в психологической литературе проведен систематический анализ процессов зрительной локализации и показано особое значение экзоцентрической локализации среди других форм локализации. — Экспериментально установлено, что внутренняя сенсорная репрезентация, на основе которой выносятся суждения о местоположениях объектов в поле зрения, является не фиксированной относительно некоторой нейроанатомической структуры зрительной системы, а функционально перестраиваемой системой. — Показано, что психологическая процедура локализации объектов заключается прежде всего в измерении относительного расстояния объекта от особых точек внутренней сенсорной репрезентации. Такие точки определяются зрительно воспринимаемыми референтными точками (напр., оба конца линейного отрезка), но могут быть определены и физически немаркированными частями изображения (напр., центр стимульного поля). — Изучены закономерности появления систематических ошибок локализации при выполнении оператором задач абсолютной идентификации и обнаружения местоположения сигналапоказано, что полученные эмпирические функции характеризуют не отдельные процедуры локализации, а свойства внутренней сенсорной репрезентации совокупности объектов в поле обзора. — Выявлена ограниченная пропускная способность механизма, осуществляющего одновременную локализацию нескольких объектов в поле зрения.

Настоящая работа выполнена в рамках плановых исследований, проводимых на отделении психологии Тартуского государственного университета по теме «Исследование структуры и особенностей когнитивных процессов человека». Результаты работы использовались в отчетах по хоздоговорной теме (I977−1983гг.), а также вошли в учебные курсы по общей экспериментальной и инженерной психологии на отделении психологии ТГУ. Практическое значение работы определяется возможностью на основе ряда положений, установленных в итоге настоящего исследования, дать более адекватное объяснение некоторым противоречивым данным, относящимся к самому процессу и результатам (в том числе систематическим ошибкам) локализации объектов в поле зрения. Выявленные закономерности процесса зрительной локализации могут быть использованы при конструировании информационных табло и индикаторов и выработке оптимального режима передачи визуальной информации оператору в системах контроля и управления.

На защиту выносятся следующие основные положения и результаты экспериментального исследования:

1) Внутренняя сенсорная репрезентация, на основе которой выносятся суждения о местоположениях объектов в поле зрения, не является фиксированной относительно морфо-анатомической структуры зрительной системы.

2) Местоположения объектов во внутренней сенсорной репрезентации содержат в себе информацию лишь об относительном расположении объектов в пространстве.

3) Объем непосредственной зрительной памяти при локализации объектов является ограниченным.

Г л, а в a I.

ПСИХОЛОГИЧЕСКАЯ ПРОБЛЕМА ЗРИТЕЛЬНОЙ ЛОКАЛИЗАЦИЙ ОБЪЕКТОВ В ПРОСТРАНСТВЕ. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ.

I. Понятие и виды зрительной локализации.

Одной из важнейших функций зрительной системы человека является ее способность оценивать местоположение разных объектов в окружающем пространстве. В повседневном опыте мы постоянно воспринимаем объекты в определенном положении относительно друг друга и нас самих. Назовем такое определение местоположения объектов в поле обзора процессом локализации. Однако подобное определение понятия «зрительной локализации» требует некоторого уточнения.

Рассматриваемый предмет не может иметь какое-то «абсолютное» местоположение в пространстве. Положение наблюдаемого объекта всегда определяется только в отношении некоторого количества других объектов, неподвижных один относительно другого или медленно изменяющих свое положение. Следовательно, суждения, выносимые наблюдателем о пространственном положении рассматриваемых объектов, являются относительными и описывают пространственное положение с точки зрения некоторой системы отсчета. Для реального наблюдателя положение наблюдаемого объекта заранее неизвестно, поскольку никто не может задать ему пространственные координаты этого объекта. В каждом отдельном случае наблюдатель должен вычислить положение этого объекта относительно системы отсчета, параметры которой также выбираются наблюдателем и не могут быть априорно заданы экспериментатором (Бриллюэн, 1972). Такое определение местоположения объекта наблюдателем (а не просто местоположения и позиции объекта) мы будем называть «локализацией» или «процессом локализации». «Определение положения» или «локализация» может означать, что наблюдатель дает какие-то словесные отчеты или числовые оценки, выражающие главные пространственные координаты. Под этим понятием может также подразумеваться некоторый физический процесс измерения расстояния. Суть в том, что оцениваемый объект получает как бы «прописку» или «паспортизацию» в системе определенных координат.

При локализации всегда следует выделить объект, местоположение которого оценивается, т. е. что локализуется и относительно чего местоположение этого объекта определяется. Логический анализ показывает, что в принципе имеется три возможности: (I) то, что локализуется и то, относительно чего ведется локализация — части самого наблюдателя (напр., глаза и голова) — (2) оценивается положение некоторого внешнего объекта относительно наблюдателя или некоторой его части (напр., глаз или головы) или, наоборот, оценивается положение наблюдателя относительно некоторого внешнего объекта. Назовем такую локализацию эгоцентрической- (3) оценивается местоположение одного внешнего физического объекта относительно другого. Будем называть такую локализацию экзоцентрической.

В дальнейшем обзоре эти три возможности локализации будут рассматриваться как виды зрительной локализации.

В существующей литературе наибольшее внимание уделялось первым двум видам локализации. Они образуют т.н. классические проблемы зрительной локализации. В задачу настоящего теоретического анализа входило показать, что эти два вида локализации в чистом виде исследовались крайне редко. Как правило, из-за методической некорректности они фактически заменялись исследованием экзоцентрической локализации.

Задачей теоретического анализа существующих литературных источников является также обоснование положения, соответственно которому практически большинство задач ориентации и передвижения в пространстве требуют от наблюдателя именно экзоцентриче-ской локализации, т. е. определения местоположения одних объектов относительно других объектов окружающего человека пространства,.

ВЫВОДЫ.

Общие результаты настоящего исследования по локализации объектов в поле зрения позволяют сделать следующие выводы:

1) Анализ теоретических концепций и экспериментальных данных по зрительной локализации показал, что в зависимости от того, что именно принимается в качестве объекта локализации (что локализуется) и что в качестве референтной системы (относительно чего локализуется) можно выделить три вида зрительной локализации: восприятие поворота глаз относительно головы, эгоцентрическая локализация, экзоцентрическая локализация. Почему-то исследователи до сих пор четко не различали этих форм локализации. Это обстоятельство, в свою очередь, привело как к противоречиям в конкретных эмпирических данных, так и к ошибочным теоретическим рассуждениям. а) Мы показали, что во многих случаях, когда исследователи пытались установить закономерности эгоцентрической локализации, за основу локализации наблюдателем принималась именно экзоцентрическая референтная система, то есть задача эгоцентрической локализации подменялась экзоцентрической локализацией. б) Показано, что операторская деятельность (наблюдения) зависит именно от эффективности экзоцентрической локализации сигналов в поле зрения. Но данных о закономерностях и механизмах процесса экзоцентрической локализации и ее информационной емкости очень мало.

2) В работе даны экспериментальные методы и процедуры, позволяющие выявить закономерности процесса зрительной, локализации и правила образования внутреннего сенсорного представления, на основании которого оператором определяется местоположение одного объекта относительно других.

3) Анализ экспериментальных работ позволил сформулировать гипотезу о том, что внутренняя сенсорная репрезентация, на основе которой выносятся суждения о местоположениях объектов, не является фиксированной относительно морфо-анатомической структуры зрительной системы. В работе экспериментально установлено, что внутренняя сенсорная репрезентация при локализации объектов является функционально перестраиваемой системой, зависящей от условий наблюдения.

4) За единицу измерения во внутренней сенсорной репрезентации берется отрезок с неизменной величиной, который формируется на основе визуально воспринимаемых точек отсчета, указывающих на границы физического континуума стимулов. Единичный объект локализуется как находящийся в некотором относительном местоположении на этой внутренней шкале с постоянной величиной.

5) Особыми точками внутренней сенсорной репрезентации могут служить не только крайние элементы стимульного ряда, но и точка фиксации взора, а также такая физически немаркированная часть изображения, как центр стимульного поля (центр кругообразного экрана, середина отрезка).

6) Установлено, что характерная форма функций ошибок локализации сохраняется независимо от выполняемой наблюдателем задачи локализации (абсолютная идентификация, обнаружение, воспроизведение местоположения сигнала). Следовательно, полученная функция характеризует свойства внутренней сенсорной репрезентации при зрительной локализации внешних стимулов.

7) При одновременной локализации нескольких объектов в одномерной последовательности объем непосредственной зрительной памяти ограничен: наблюдатель способен запомнить и правильно восстановить местоположения не более четырех объектов.

Рекомендации к практическому применению.

Эксперименты, проведенные в рамках настоящей работы, выполнены в условиях, моделирующих реальные условия деятельности человека-оператора, требующих идентификации местоположения сигнала на табло, на экране устройства, относительно шкалы измерительного прибора или обнаружения сигнала именно в некотором критическом положении в поле зрения. Для уменьшения ошибок локализации показаний информационных устройств следует учесть характер постоянных ошибок локализации и закономерности процесса локализации, выявленные в настоящем исследовании. Для повышения эффективности и надежности работы оператора необходимо знать, в какой области видимого поля, при каких условиях местоположение кратковременных сигналов локализуется с самой высокой точностью. Для повышения надежности деятельности оператора, следящего одновременно за положением множества сигналов, необходимо увеличить размерность стимуляции, создавая таким образом более оптимальный режим работы. Основные результаты исследования могут быть реализованы при конструировании информационных табло и визуальных индикаторов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

Проблема локализации объектов в пространстве является классической проблемой психологической науки. Те или иные решения ее представлены уже в теориях Беркли, Сеченова, Геринга, Гельмгольца и др. Способность воспринимать взаимное расположение объектов в поле зрения и оценивать их местоположение по отношению к наблюдателю является одной из ведущих функций, обеспечивающих существование и успешную деятельность организма в окружающей его среде. В осуществлении этой функции принимают участие разные сенсорные системы (зрительная, слуховая, вестибулярная, тактильная и др.). В известных монографиях Ананьева (1955) и Кликса (1965) представлены некоторые концепции пространственного восприятия в единстве разных модальностей восприятия. Но если даже ограничиться исследованием работы зрительного анализатора, то возникает ряд спорных вопросов и нерешенных проблем. Например, само понятие «зрительная пространственная локализация» содержит в себе несколько разных аспектов. Хотя задача у наблюдателя в конечном итоге одна — определить положение объекта в пространстве, имеется несколько возможностей реализации этой задачи в зависимости от того, какую именно референтную систему наблюдатель использует. В настоящей работе мы ограничились лишь теоретическим и экспериментальным анализом вопросов, касающихся определения зрительного направления (в плоскости) в статических ситуациях наблюдения. Но и в этом случае есть несколько возможностей в системе «глаз-голова-тело/ внешние объекты» для образования адекватной референтной системы.

Анализ данных литературы показал, что человек способен, но не с очень высокой точностью, контролировать положение глазного яблока относительно головы. Если в среде отсутствуют зрительные ориентиры, то ошибка удержания глаз в неизменном положении составляет как минимум 2° (но обычно больше), а при совершении рефиксационных саккад — 3−20°. Надо сказать, что данные разных авторов не всегда совпадают и колеблются в довольно широком диапазоне, что, видимо, в первую очередь обусловлено применением неточных методик измерения. Здесь к решению проблемы следовало бы подойти с совершенно противоположной точки зрения. А именно: неточное восприятие положения (движения) глаз относительно головы должно привести к правильному определению местоположения объекта, а хорошо видимое, структурированное зрительное поле как форма обратной связи (но последняя может быть дана в ином виде, например, через слуховой канал, как в опытах Allik, Rauk, Luuk, 1981), создает условия для позиционного чувства глаза. Новым убедительным доказательством такой точки зрения является исследование Matin и его сотрудников (1982), в котором показывается, что точность локализации анестезированными испытуемыми положения горизонтальной или вертикальной осей полностью зависит от наличия освещенной среды вокруг единственной стимульной точки. Таким образом влияние вне-сетчаточной позиционной информации полностью подавляется структурированным зрительным полем, а если последнее отсутствует, то локализация точки происходит с ошибкой в 20° и больше.

Одной из референтных систем, с которой связывают определение местоположений объектов в поле зрения, является эгоцентр наблюдателя. Мы попытались показать, что это понятие несколько расплывчато для принятия его за принципиальную основу оценки местоположений объектов. Во-первых, местоположение эгоцентра, т. е. точки, в которой наблюдатель по своему ощущению всецело находится, может быть подвижным вследствие взаимных движений глаз, головы и тела. В грубом виде эгоцентрическое направление может вычисляться на основе данных о повороте глаз относительно головы, с одной стороны, и проекции объекта на сетчатке — с другой (так как эгоцентр не привязан жестко к анатомическим координатам сетчатки и головы). Оба эти источника дают информацию с постоянной ошибкой. На основании данных других исследователей мы показали, что система отсчета восприятия зрительного направления является функциональным образованием, которое перестраивается адаптивно как функция стимуляции. Прямым доказательством этого являются факты, по которым воспринимаемое эгоцентрическое направление смещается в сторону более частого предъявления сигналов (Wallace, 1974), а также то, что перекалибровка внутренней системы отсчета при призматическом искажении зрительной сцены протекает в зависимости от распределения сигналов, с которыми сталкивается наблюдатель. Следовательно, при изучении способности наблюдателя оценивать местоположения объектов в поле зрения главное внимание должно быть уделено закономерностям преобразований взаимных пространственных отношений физических объектов во внутреннем субъективном представлении.

С точки зрения задачи испытуемого в проанализированных работах в подавляющем большинстве случаев наблюдатели должны были давать ответы о положении данного объекта по некоторым другим физическим параметрам видимого поля. Такая задача локализации, названная нами экзоцентрической локализацией, является фундаментальной с точки зрения экологической значимости, а также практического применения. Отношения между расстояниями являются экологически более существенными, чем просто абсолютное расстояние между точками изображения (Johansson, 1974; 1978) и, нужно думать, что зрительные механизмы локализации местоположений объектов являются именно механизмами оценки отношений. Проведенный нами первый эксперимент подтверждает эту точку зрения. Функция ошибок локализации не менялась при изменении абсолютных метрических расстояний между положениями отдельных сигналов на шкале. В ответ на дискретное равномерное распределение физических объектов во внутреннем пространстве образовывалась шкала с инвариантной величиной, на которой размещались по своим законам одиночные ооъекты. Главным детерминирующим фактором точности локализации некоторого ооъекта является его отношение к начальным и конечным точкам шкалы, а также к другим физически предъявленным ориентирам. В точке фиксации взгляда (эксперименты I, II, 1У), а также в представляемой центральной точке сти-мульного поля (эксперимент III), искажения были очень малыми или отсутствовали вообще. Эти точки можно назвать главными точками отсчета, в направлении которых всегда делаются ошибки локализации. Происходит как бы «сжатие» пространства сигналов вокруг этих точек отсчета. Такие локальные изменения в метрике зрительного пространства в однои двумерной локализации обнаруживались и в других исследованиях (Зысин, 1967; I970-Attneave, 1955; Kelson, Chaiklin, 1980), но, как правило, в них наблюдателю предлагалась лишь задача воспроизведения местоположения.

В результате настоящей серии экспериментов выяснилось, что динамика эффективности локализации внутри линейной последовательности сигналов оказывается сходной при разных задачах локализации, являясь инвариантной универсальной характеристикой процесса локализации сигналов в поле зрения.

По нашим данным процесс локализации можно представить следующим ооразом: I) на основе внешних опорных точек, физически маркированных или немаркированных, формируется внутренняя шкала.

Для одномерной последовательности выделяется некоторая относительно постоянная часть сенсорного пространства. 2) Независимо от физической величины шкалы или количества физических градаций эта шкала проецируется или отображается на выделенное сенсорное пространство. Поскольку разрешающая способность сенсорной шкалы относительно постоянна, то на переменное количество физических расстояний и шкальных делений приходится одно и то же количество сенсорных «делений». В силу ограниченного числа сенсорных «делений», начиная с определенного момента, физические различия в положениях более не различаются. 3) Физическая шкала связана с сенсорной шкалой нелинейным преобразованием: одинаковые физические отрезки имеют разное сенсорное представительство. Около референтных точек количество сенсорного представительства больше и, следовательно, ошибок локализации меньше. 4) Одновременно на сенсорной шкале удается отобразить ограниченное количество объектов. По экспериментальным данным это количество содержит не больше четырех объектов.