Инженерная психология. возможности управления динамическим объектом по стереоскопическому изображению
Автор: А. И. ИВАНОВ, В. В. ЛАПА
А. И. Иванов - Доктор мед. наук, начальник отдела Гос. НИИИ военной медицины, Москва
В. В. Лапа - Доктор мед. наук, профессор, ведущий научный сотрудник того же института, Москва
Рассматриваются результаты экспериментального исследования эффективности управления динамическим объектом по стереоскопическому изображению пространственных отношений, формируемому гаплоскопическим методом. Установлено, что повышение качества управления (по сравнению с плоским изображением на дисплее) достигается при динамической диспаратности формируемого изображения. Реализация потенциальных преимуществ стереоскопического представления пространства связывается с выбором его характеристик, обеспечивающих соответствие восприятия визуальным образам реального пространства.
Ключевые слова: стереоскопическое изображение, гаплоскопический метод, зрительное восприятие, управление объектом.
В системах отображения информации динамических объектов все более широкое применение находят многофункциональные электронные дисплеи, сопряженные с бортовой цифровой вычислительной машиной и позволяющие предъявлять экипажу различные изображения внешней обстановки. При этом появляется возможность генерирования на экране дисплея стереоизображений для обеспечения адекватных условий восприятия пространства, тождественных визуальному восприятию пространства в реальном полете.
Настойчивые попытки создания "трехмерных" дисплеев обусловлены практической потребностью повышения надежности пространственной ориентировки операторов динамических объектов и эффективности управления ими. В частности, одной из причин потери пространственной ориентировки и снижения эффективности действий экипажей воздушных судов при пилотировании считают трудности мыслительных преобразований инструментальной информации, воспринимаемой с "двумерных" индикаторов, в адекватный ("трехмерный") пространственный образ объекта [1,2]. При этом актуализация в полете по приборам всей совокупности механизмов психического отражения, которые функционируют в визуальном полете, связывается с воспроизведением на средствах индикации трехмерного пространства, метрика которого идентична реальному [3].
Как известно, физиологической основой глубинного и стереоскопического зрения является функциональная корреспонденция сетчатых оболочек глаз, т.е. слияние изображений, падающих на идентичные (корреспондирующие) точки сетчатки, и отнесение в глубину изображений объектов, проекция которых приходится на некорреспондирующие участки сетчатки [4, 6]. Указанные физиологические закономерности позволяют создать на экране плоского индикатора объемное изображение с помощью гаплоскопического (раздельного) предъявления изображений правому и левому глазу. Сущность метода состоит в создании с помощью программных средств пар идентичных изображений, которые попеременно предъявляются на экране дисплея с некоторым сдвигом в горизонтальном направлении. Наблюдение экрана ведется через специальные очки-сепараторы, в которых используются жидкокристаллические пленки, изменяющие свою прозрачность в зависимости от приложенного электрического напряжения. Предъявление изображений и управление прозрачностью пленок осуществляется с помощью специального драйвера ПЭВМ. Управление организовано таким образом, что в каждый момент наблюдатель видит изображение только одним глазом. Частота смены кадров и переключение полей зрения в очках-сепараторах синхронизованы и составляют не менее 25 Гц, что обеспечивает ощущение слитности изображения. Реализуемый методом принцип разделения полей зрения не в пространстве, а во времени позволяет создавать объемные изображения не только статических, но и динамических сцен. В этой связи ведутся работы по реализации метода в системах отображения информации динамических объектов. По существу речь идет о разработке стереоскопического дисплея, который мог бы сочетать функции объемной визуализации внешней обета-
C) 2003 г.
стр. 43
новки и отображения динамических характеристик объекта управления [5, 7 - 9].
Для определения целесообразности использования гаплоскопического предъявления информации на экране авиационного дисплея необходимо прежде всего установить принципиальную возможность управления динамическим объектом по стереоизображению, создаваемому данным методом. Описанное ниже исследование является экспериментальной оценкой этой возможности.
МЕТОДИКА
Эксперименты проведены на диалогово-моделирующем стенде (ДМС) динамического объекта на базе локальной сети ПЭВМ, программные средства которого позволяли моделировать динамику движения объекта и обеспечивали гаплоскопическое предъявление динамических изображений, моделирующих внекабинную обстановку. На экране монитора (см. рис.) отображались: символ объекта (1), прямоугольные фигуры с горизонтальными линиями (2), индицирующими высоту "полета", счетчик скорости с тенденцией ее изменения (3); линия горизонта (4) и плоскость земной поверхности с линиями геометрической перспективы (5). Задача оператора состояла в облете прямоугольных фигур по кратчайшей траектории с заданными значениями высоты (400 м) и скорости (500 км/час). Заданная высота соответствовала второй горизонтальной линии на прямоугольных фигурах.
Программные средства позволяли задавать значения диспаратности символа объекта и фигур, а также изменять размеры и положение фигур на плоскости.
В первой серии экспериментов объемность изображения создавалась фиксированными значениями диспаратности для символа объекта и фигур. Для символа объекта значение диспаратности было равным минус 10 пикселам, что соответствовало положению символа на расстоянии 6 - 8 см перед плоскостью экрана, а для фигур - плюс 2 пиксела, что соответствовало положению 2 - 3 см за плоскостью экрана.
Во второй серии диспаратность символа была фиксированной, что соответствовало его фиксированному положению перед экраном. Диспаратность фигур изменялась в соответствии с их относительной дальностью по отношению к объекту, т.е. с помощью изменения диспаратности моделировалось перемещение фигур по глубине. Скорость изменения диспаратности зависела от величины истинной скорости объекта.
В экспериментах сравнивались качество управления объектом при нулевой диспаратности (плоское изображение) и - по объемному стереоизображению. Критериями оценки служили: точность выдерживания заданных значений высоты и скорости, вероятность столкновения объекта с плоскостями фигур и поверхностью "земли", а также интегральный показатель точности облета фигур. Данный показатель соответствовал площади, образованной траекторией облета фигур: чем точнее траектория облета описывает плоскости фигур, тем меньше величина интегрального показателя.
В экспериментах приняли участие восемь операторов, имеющих устойчивые навыки управления на ДМС. При статистической обработке данных достоверность различий оценивалась с помощью - критерия Стьюдента.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
Сравнительные данные, характеризующие качество выполнения задачи облета фигур по плоскому и объемному изображениям, представлены в таблице. Как видно, показатели качества управления по плоскому и объемному изображению при фиксированной диспаратности достоверно не различаются (р > 0.05). Что касается вероятности "столкновения" с фигурами, то она оказалась выше при использовании объемного изображения. Анализ субъективных отчетов операторов позволил выявить вероятную причину полученных различий. Все операторы отметили, что введение диспаратности дает устойчивое ощущение глубины изображения.Поскольку величина диспаратности постоянна, оператор всегда видит наличие некоторого расстояния между символом объекта и плоскостью фигуры. В определенный момент это вступает в противоречие с монокулярными признаками глубины, дезориентируя оператора и провоцируя столкновения с плоскостью облетаемой фигуры.
Для исключения отмеченного противоречия во второй серии экспериментов диспаратность фигур изменялась в соответствии с пространственной моделью визуальной обстановки и динамикой объекта. Программно задавался диапазон изменения диспаратности, а также минимальное и максимальное расстояния в пространственной модели, в диапазоне которых происходило это изменение. В качестве минимального расстояния была выбрана дальность 1000 м от объекта, что в естественных условиях является пределом глубинного восприятия. Скорость изменения диспаратности определялась величиной истинной скорости объекта относительно плоскости фигуры. Минимальная величина диспаратности фигур в задаваемом диапазоне соответствовала диспаратности символа объекта. Достижение равенства этих диспаратностей означало, что объект и грань фигуры находятся в одной фронтальной
Вид изображения на экране дисплея (обозначения в тексте).
стр. 44
Качество управления динамическим объектом при облете фигур (ориентиров)
| Тип изображения | Показатели (X +/- т) | Вероятность столкновения с фигурами | ||
| Интегральная ошибка управления (отн. ед.) | Высота, м | Скорость, км/ч | ||
| Плоское | 223 +/-11 | 382 +/-13 | 509 +/-3 | 0.3 |
| Объемное при фиксированной диспаратности | 216+/-8 | 415 +/-19 | 486 +/- 16 | 0.4 |
| Объемное при переменной диспаратности | 206 +/-8 | 380 + 9 | 497+18 | 0.1 |
плоскости. После этого плоскость исчезала, т.е. объект "пролетал" фигуру и последняя исчезала из поля зрения оператора.
Как видно из данных таблицы, при использовании переменной диспаратности изображения показатели, характеризующие качество пространственного маневрирования (интегральная ошибка облета, вероятность "столкновения" с фигурами), улучшались. Различия по точности облета не достигали уровня статистической значимости (р > 0.05), но количество столкновений с объектами при использовании объемного изображения было значительно меньшим. Очевидно, что минимальная величина ошибки огибания фигур при их облете ограничивается динамическими характеристиками объекта управления, поэтому непосредственное восприятие пространственных отношений между объектом и фигурами (по объемному изображению) значимо не отразилось на интегральной ошибке пилотирования в сравнении с облетом фигур по плоскому изображению. Что касается вероятности "столкновений" с фигурами, то при использовании динамической диспаратности она снизилась в три раза по сравнению с управлением по плоскому изображению. И все же определенная вероятность "столкновения" с фигурами сохраняется, достигая 0.1. По оценкам операторов, использование объемного динамичного изображения (с переменной диспаратностью) дает определенные преимущества при выполнении задачи облета фигур, однако метрика используемого стереоскопического пространства отличается от таковой в реальных условиях визуального восприятия пространственных отношений, что затрудняет планирование и своевременное выполнение пространственных маневров. Все операторы указали на затруднения при оценке абсолютных значений расстояний от объекта до фигур и, соответственно, определения момента, когда и с какими параметрами следует начать маневр. Отмеченные затруднения, по-видимому, связаны с особенностями субъективного восприятия стереоскопического пространства, формируемого гаплоскопическим предъявлением изображений (его протяженностью, особенностями восприятия глубины стереоизображения, а также линейных размеров стереообъектов в зависимости от их расположения по глубине).
С точки зрения человеческого фактора, стереоскопия представляется оптимальным методом моделирования пространственных взаимоотношений объектов, поскольку в основе восприятия глубины естественного и стереоскопического пространства лежит единый механизм корреспонденции и диспаратности областей сетчатых оболочек глаз. Различия состоят в том, что восприятие глубины естественного пространства базируется на значительном количестве дополнительных признаков, как монокулярных, так и бинокулярных, которые, вступая в сложные взаимоотношения, формируют богатый чувственный образ трехмерного пространства. Именно с неполноценностью чувственного образа пространства мы склонны связывать сохраняющуюся вероятность "столкновения" объекта с ориентирами (фигурами) при их облете.
ВЫВОДЫ
1. Результаты экспериментов показали принципиальную возможность управления динамическим объектом по изображению стереопространства, сформированному гаплоскопическим методом.
2. Реализованные в экспериментах характеристики гаплоскопического изображения внекабинного пространства не в полной мере обеспечивали адекватные реальным условия восприятия, что вызывало затруднения в оценке пространственных отношений.
3. Реализация потенциальных преимуществ объемного представления визуальной информации на дисплеях операторов динамических объектов требует дальнейших исследований, направленных на выявление психофизиологических особенностей восприятия стереоскопического пространства и выбор его характеристик, обеспечивающих соответствие восприятия стереоизображения визуальным образам реального пространства.
стр. 45
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Завалова Н. Д., Ломов Б. Ф., Пономаренко В. А. Образ в системе психической регуляции деятельности. М: Наука, 1986.
2. Коваленко П. А. Пространственная ориентировка пилотов. М.: Транспорт, 1989.
3. Пономаренко В. А., Лапа В. В., Лемещенко Н. А. Психологическое обоснование проектирования индикации пространственного положения самолета // Психол. журн. 1990. N 2. С. 37 - 46.
4. Фресс П., Пиаже Ж. Экспериментальная психология. М.: Прогресс, 1978. Вып. 4. С. 143 - 150.
5. Aukstakalnis S., Blatner D. Silicon mirage: the art and science of virtual reality. Berkeley: Peachpit Press, 1992.
6. Ogle K. Theory of stereoscopic vision // Psychology: a study of science / Ed. Koch. 1959. V. 7. P. 362 - 394.
7. Pepper R. L., Smith D. C., Cole R. E. Stereo TV improves operator performance under degraded visibility conditions // Optical Engineering. 1981. V. 20. N 3. P. 579 - 585.
8. Turner T. L., Hellbaum R. F. A 3-D pictorial stereo cockpit display // Society for informational display digest of Technical Papers. 1986. V. 17. P. 444 - 447.
9. Way T. Stereopsis in cockpit display - A part-task test // Proceeding of Human Factors Society 32-nd Ann. Meet. 1988. P. 8 - 62.