Инженерно-психологические требования к построению кодовых алфавитов (Т. П. Зинченко)

Проблема оптимального кодирования поступающей к человеку информации является одной из важнейших проблем согласования характеристик человека-оператора и сложной автоматизированной системы управления. Оптимальность кода предполагает, что он обеспечивает максимальную скорость и надежность приема и переработки информации человеком, т. е. максимальную эффективность выполнения операций зрительного поиска, обнаружения различения, идентификации и опознания сигналов. Выбор модальности сигналов, вида алфавита, определение основания кода, выбор способа предъявления знаков и т. п. - все эти вопросы могут быть решены только при компромиссном соглашении, поскольку часто улучшение параметров кодов в одной задаче приводит к снижению эффективности работы человека в других условиях. Следует учитывать, что для человека имеются существенные и несущественные признаки, что прием и передача сообщений зависят от их значимости, от вероятности появления сигналов. Необходимо принимать во внимание тренировку человека, позволяющую наиболее экономно кодировать предъявляемую ему информацию.

Для приема и передачи информации человеком большое значение имеет объем постоянной и оперативной памяти. Наконец, при построении систем кодирования следует учитывать характер отображаемой информации и специфику задач, решаемых оператором. Все это затрудняет разработку рекомендаций и требований к кодированию информации. Тем не менее, обобщая результаты экспериментальных исследований, мы определили [5; 6] ряд относительно независимых параметров, по которым должны строиться и оцениваться алфавиты кодовых сигналов. К числу таких параметров могут быть отнесены следующие: модальность сигнала, вид алфавита (или категория кода), основание кода (или длина алфавита), мерность кода, мера абстрактности кода, компоновка кодового знака.

Выбор модальности сигналов

В реальных системах управления информация, передаваемая человеку - оператору, адресована преимущественно зрительному анализатору. Поэтому в настоящее время остро стоит вопрос о возможности перераспределения потоков информации, передаваемой человеку, между различными анализаторами с целью снять перегрузку со зрительного анализатора. В связи с этим возникает необходимость в изучении условий, обеспечивающих высокую эффективность приема и обработки информации, адресованной слуховому анализатору.

Слуховой анализатор является филогенетически одним из наиболее рано сформировавшихся, а потому и наиболее устойчивых к внешним воздействиям. Он адекватно отражает внешнюю среду в таких условиях, когда функционирование зрительного анализатора затруднено: например, в условиях кислородного голодания на больших высотах, при воздействии больших ускорений и т. п. Такие преимущества слухового сигнала, как большой диапазон частот и интенсивностей, относительная независимость от пространственного положения, высокая помехоустойчивость, обусловливают его предпочтительное использование в ряде ситуаций. Гибкость и чувствительность слуховой системы человека обеспечивают возможность выполнения следующих операций со звуковыми сигналами: обнаружение сигнала тревоги; обнаружение и опознание звуковых сигналов в большом диапазоне частот и интенсивностей; локализация источника звука; анализ компонентов звукового сигнала и выделение полезного сигнала из шума; слежение за звуком, исходящим из определенного источника [7] . В то же время существенный недостаток состоит в том, что слуховой анализатор, являясь "анализатором времени", принимает информацию не симультанно, как зрение, а сукцессивно и потому замедленно. В связи с этим оперативная память оператора оказывается загруженной, раньше наступает утомление.

Слуховую форму предъявления информации рекомендуется использовать в следующих случаях [8] :

- для сигналов опасности, так как слух, в отличие от зрения, не способен к непроизвольному самовыключению;

- при перегрузке зрения;

- когда работа оператора требует его постоянного перемещения и информация должна приниматься независимо от ориентации головы опера- тора;

- при ограничении зрения внешними или внутренними условиями (например, когда пункт получения сообщения ярко освещен или, наоборот, в условиях ограниченной видимости);

- в специфических условиях (аноксия, состояние невесомости, воздействие больших положительных ускорений и т. п. );

- когда в сообщении идет речь о событиях, разворачивающихся во времени;

- при необходимости выделения сигнала из шума, так как слуховой анализатор - хороший детектор периодических сигналов на фоне шума.

Различают звуковые и шумовые сигналы, с одной стороны, и речевые - с другой. Использование звуковых и шумовых сигналов рекомендуется в следующих случаях:

- при приеме простого и короткого сообщения, не связанного с последующими сообщениями;

- когда сообщение требует немедленного действия;

- когда оператор специально обучен пониманию смысла закодированного сообщения;

- если оператор перегружен речевыми сигналами;

- если необходимо соблюдение тайны;

- когда оператор работает в группе;

- при сильных акустических помехах.

Звуковое предъявление информации используется во всех гидролокационных системах для обнаружения и определения контуров объектов по отраженному звуку. Предупредительные сигналы и сигналы тревоги во многих системах также являются звуковыми.

Выбор вида алфавита

Различные качественные и количественные характеристики управляемых объектов могут кодироваться различными способами: условными знаками, буквами, цифрами, цветом, яркостью и т. п. Каждый самостоятельный способ кодирования называется видом алфавита, или категорией кодирования. Установлено, что при решении оператором различных задач, таких, как опознание, декодирование, счет, поиск и т. п., проявляются преимущества тех или иных видов алфавитов, поскольку различные признаки сигнала обеспечивают различную эффективность выполнения этих операций. Поэтому вопрос о выборе вида алфавита должен решаться с учетом задач, стоящих перед оператором, специфики его деятельности.

В ряде исследований определялась относительная эффективность различных категорий кодовых знаков в зависимости от задач, стоящих перед оператором. Так, У. Д. Хитт [9], сравнивая пять видов алфавитов: числа, буквы, геометрические фигуры, цвета и конфигурации, - приходит к выводу, что цветовое и числовое кодирование наиболее эффективно.

При сравнении скорости обнаружения на панели сигналов, отличающихся друг от друга одним из четырех признаков - формой, размером, яркостью и цветовым оттенком, - было установлено, что время поиска объектов по цвету - минимальное, а по яркости и размеру - максимальное

[10]. Преимущества цвета в задачах зрительного поиска были обнаружены и при сравнении таких категорий кодовых знаков, как цвет, цифры и геометрические фигуры [11].

В ряде исследований [2; 3; 4; 15], в которых в качестве кодовых категорий использовались форма, размер, цвет и пространственная ориентация фигур и изучались операции идентификации, опознания и зрительного поиска, было установлено, что наибольшую эффективность выполнения всех перечисленных операций обеспечивают категории цвета и формы. Наименьшая точность и скорость работы отмечается для признака размера. При оценке эффективности различных алфавитов в задачах информационного поиска в качестве одного из существенных параметров может использоваться средняя длительность зрительных фиксаций:

При использовании для кодирования информации сигналов слуховой модальности также возникает необходимость в сравнительной оценке эффективности приема и обработки информации для различных категорий слухового сигнала: частоты, интенсивности, длительности и т. п. Известно, что оценка интенсивности и частоты очень коротких звуков затруднена. При длительности тона в 2-3 мс человек отмечает лишь его наличие, но не может определить его качеств. Любой звук при этом оценивается как щелчок. С увеличением длительности звука человек начинает различать его частоту и интенсивность. Дифференцировка двух тонов по частоте и интенсивности также зависит от их отношения по длительности и от интервала между ними. Как правило, звуки, равные по длительности, различаются точнее, чем неравные. Очевидно, что оценки характеристик частоты, интенсивности и длительности звукового сигнала тесно связаны между собой. Однако способность человека к распознаванию этих качеств различна: лучше всего распознается частота звукового сигнала, хуже всего - его длительность.

В нашем исследовании идентификации по параметрам частоты, интенсивности и длительности пар звуковых сигналов, разделенных 5-секундным межстимульным интервалом, наибольшая точность идентификации также установлена для параметров частоты и наименьшая - для параметра длительности. Однако максимальные значения времени реакции отмечались для категории интенсивности звукового сигнала (табл. 1).

Таблица 1. Зависимость эффективности идентификации звуковых сигналов от вида алфавита

Оценивая относительную эффективность приема и обработки звуковых сигналов по перечисленным выше параметрам, следует уравнивать влияние таких факторов, как число градаций параметра, величина шага шкал, условия предъявления сигналов, задачи оператора и т. п.

Определение основания кода (длины алфавита)

Высокая дифференциальная чувствительность анализаторов человека по отношению к отдельным свойствам сигнала, казалось бы, позволяет использовать для передачи ему информации достаточно длинные алфавиты одномерных сигналов. Однако, по экспериментальным данным, при использовании таких алфавитов скорость и надежность приема информации человеком невелики. В ряде исследований было показано, что одним из наиболее важных ограничителей пропускной способности анализаторов человека является фактор различимости. По данным Б. Ф. Ломова [7], оптимальные условия различения одномерных сигналов создаются лишь в том случае, если различие между парой одномерных сигналов превышает пороговую величину в несколько раз. Это обстоятельство ограничивает допустимую длину алфавита сигналов. Другое ограничение связано с низкой способностью человека точно идентифицировать возрастающее количество одномерных сигналов.

Многочисленные эксперименты по абсолютным оценкам одномерных сигналов различных модальностей показали, что при их использовании можно передать очень ограниченное количество информации.

Допустимая длина алфавита должна определяться экспериментальным путем для каждого вида алфавита. В инженерно-психологической литературе имеются данные относительно допустимой длины алфавита для некоторых видов алфавитов зрительных сигналов:

- форма - не ограничена в связи с возможностью использования различных дополнительных, внутренних и наружных, деталей;

- размер - 5;

- цифры и буквы - не ограничена в связи с возможностью использования различных сочетаний;

- цвет -11;

- яркость - 4;

- частота мельканий - 4.

Выбор мерности кода

Наиболее целесообразным способом увеличения длины кодового алфавита является использование многомерного кодирования, т. е. увеличение числа значимых и меняющихся параметров сигнала. С помощью многомерных сигналов человеку можно передавать одновременно значительно больше информации о состоянии внешней среды или объектов управления, чем с помощью одномерных сигналов, поскольку информация на сигнал увеличивается пропорционально логарифму числа его измерений.

В ряде экспериментальных исследований измерялось количество переданной информации при работе с многомерными сигналами как зрительной, так и слуховой модальности. Так, Поллаком с соавт. [13] были проведены исследования на материале двумерных и многомерных слуховых алфавитов. При двумерном кодировании использовались такие параметры звукового сигнала, как частота и интенсивность чистых тонов. Результаты показали, что добавление второго параметра приводит к увеличению пропускной способности, но за счет уменьшения переданной информации на каждый параметр.

Результаты наших исследований также показали, что с увеличением мерности алфавитов слуховых сигналов линейно растет количество переданной информации при выполнении задач идентификации и опознания сигналов (рис. 1). Обзор исследований процессов приема и обработки информации, передаваемой с помощью многомерных сигналов, позволил У. Гарнеру сформулировать общий принцип перцептивного различения у человека: различимость стимулов улучшается с увеличением их мерности, т. е. числа параметров, по которым они различаются.

Рис. 1. Зависимость количества информации от мерности алфавита в задачах идентификации (И) и опознания (0) слуховых сигналов

При использовании многомерных сигналов возникает вопрос об оптимальном соотношении числа переменных параметров сигнала и числа градаций каждого из параметров. Согласно данным Поллака и Фикса [13], три градации на каждый параметр слухового сигнала обеспечивают более высокую точность различения, чем четыре. Это значит, что максимально возможная передача информации будет достигнута в том случае, когда применяется не больше трех альтернатив на один параметр, но вводится много переменных параметров.

Экспериментально установлено, что количество передаваемой информации различно для различных параметров многомерного сигнала Так, при использовании сигналов слуховой модальности наиболее точно распознаются градации частоты и числа перерывов, наименее точно - градации длительности. Различия между отдельными параметрами влияют и на длительность тренировки испытуемого.

Помимо тренировки большое влияние на точность опознания сигналов оказывает очередность идентификации градаций отдельных параметров: градации параметров, идентифицируемых в первую очередь, опознаются более точно, чем градации параметров, идентифицируемых в последнюю очередь. По данным Е. Я. Войтинского, количество передаваемой информации для сигналов с меньшим шагом шкал меньше, чем для сигналов с большим шагом шкал. И по мере тренировки сохраняются преимущества в количестве переданной информации для сигналов с большим и средним шагом шкал.

В целом результаты исследований свидетельствуют о высокой эффективности многомерного кодирования слуховой информации. Оно уже нашло применение в ряде систем. Так, в Англии информация о скорости ветра при посадке самолета на авианосец представляется с помощью изменения частоты и скорости прерывания звука. В системе "Флайбар" используется трехмерное кодирование поворота, крена самолета и скорости его полета частотой, интенсивностью и скоростью прерывания звука.

Для обеспечения надежной работы оператора с многомерными зрительными алфавитами также необходимо решить ряд проблем. Использование многомерного кодирования предполагает необходимость оперирования в процессе считывания информации одновременно несколькими признаками зрительного сигнала. Возникает вопрос о том, как изменяется эффективность процессов опознания, декодирования, поиска и других при оперировании несколькими признаками сигналов и каково максимальное число сочетаемых признаков, при котором скорость и точность выполнения этих операций остаются на достаточно высоком уровне. Иначе говоря, возникают задачи определения допустимой мерности кода и оптимальных сочетаний различных кодовых категорий в структуре многомерного алфавита. Без решения этих задач эффект увеличения информации на входе будет нивелироваться уменьшением точности и скорости переработки входных сигналов человеком.

В ряде наших исследований [3; 4; 8] изучалась эффективность работы с алфавитами различной мерности в режимах идентификации, опознания, информационного поиска и подготовки решения. Мерность алфавита варьировалась от одномерного до четырехмерного путем сочетания кодовых категорий формы, размера, цвета и пространственной ориентации сигнала. Полученные данные свидетельствуют о преимуществах многомерных алфавитов, обеспечивающих более высокую скорость обработки информации в различных режимах (рис. 2).

Рис. 2. Зависимость обработки информации от мерности алфавита в задачах опознания (О) и зрительного поиска (П)

Один из важных вопросов, возникающих в связи с использованием многомерного кодирования, - оценка эффективности многомерных алфавитов при длительной работе оператора. С этой целью нами исследовалась динамика работоспособности испытуемых в условиях длительного, шестичасового, эксперимента. Испытуемые работали в режимах идентификации, опознания и информационного поиска, оперируя одномерными и многомерными алфавитами зрительных сигналов. Для оценки функций внимания и памяти испытуемых до начала и после окончания эксперимента использовались различные пробы: корректурная проба, таблицы Платонова - Горбова, тест на оперативную память Дюкера и т. п. Результаты исследования показали, что длительная работа в указанных режимах не привела к снижению устойчивости,

концентрации и переключения внимания, а также характеристик оперативной памяти испытуемых. Сравнительная оценка продуктивности работы с одномерными и многомерными алфавитами в различных режимах не обнаружила снижения в ходе эксперимента продуктивности работы с многомерными алфавитами. Эти данные свидетельствуют о высокой эффективности многомерного кодирования и в условиях длительной работы оператора.

Определение доминирующего признака

Восприятие многомерных сигналов не является простой суммой параллельно развертывающихся процессов. Экспериментально установлено, что существует определенная последовательность различения признаков сигнала. В многомерных сигналах обычно есть доминирующие и рецессивные признаки. Доминирующие признаки являются опорными в процессе различения и определяют характеристики реакции субъекта. Иерархия признаков в многомерном коде соответствует рангу эффективности этого признака при одномерном кодировании, что говорит об относительной независимости признаков в структуре многомерного кода. Наибольшую эффективность слухового различения обеспечивают признак частоты, зрительного - признаки цвета и формы.

При построении многомерных алфавитов следует учитывать преимущества того или иного вида алфавита в решении различных задач. Кодовая категория, обеспечивающая оптимальную различимость и тем самым максимальную эффективность решения задач оператором, должна использоваться в качестве доминирующего признака, т. е. для кодирования наиболее значимой характеристики объекта. Так, в системах со знаковой индикацией доминирующим признаком должен быть контур знака. При использовании категорий формы и цвета в структуре многомерного алфавита возникает вопрос, какой из этих категорий отдать предпочтение. Эффективность решения различных задач для двух данных видов алфавитов примерно одинакова. В одном из исследований испытуемым предъявлялось в течение нескольких секунд некоторое число простых геометрических фигур, окрашенных в различные цвета. Регистрировалось отношение числа удержанных в памяти форм к числу удержанных в памяти цветов. По этим показателям были выделены три группы испытуемых: видящие преимущественно формы, видящие преимущественно цвет, видящие и цвет, и форму. Таким образом, результаты этого исследования не позволяют однозначно ответить на вопрос о доминировании формы или цвета в зрительном различении.

Другие данные приводит С. Смит [14]: когда на экране индикатора совмещаются цвет и форма, в зрительном различении доминирует цвет. В связи с этим Смит полагает, что цвет должен использоваться как основное, а форма - как вспомогательное средство кодирования информации, отображаемой на индикаторе. Однако следует иметь в виду, что превосходство цвета над формой не обязательно будет сохраняться при увеличении длины алфавита. По мере увеличения числа цветовых тонов может наблюдаться ухудшение цветоразличения, что приведет к снижению эффективности цветового кодирования, в то время как увеличение числа фигур в символическом коде может не дать такого эффекта.

Определение меры абстрактности кода

При разработке систем кодирования возможны различные варианты приближения кодовых знаков к кодируемым объектам. С этой точки зрения можно выделить два возможных варианта: "абстрактный" код, никак не связанный с содержанием сообщения, и "конкретный код, в определенной мере связанный с содержанием сообщения. В соответствии с мерой абстрактности кода выделяют следующие типы знаков: абстрактные, схематические, иконические и пиктографические. Известно, что конкретность, наглядность опознавательных признаков знака ускоряет процесс декодирования, поскольку в этом случае процессы различения, опознания и декодирования осуществляются одновременно.

Использование принципа конкретности, т. е. связи формы сигнала со значением, смыслом кодируемого объекта, обеспечивает более продуктивное запоминание и хранение символов в памяти [15]. В опытах Г. В. Репкиной [16] было показано, что увеличение нагрузки на оперативную память наблюдателя приводит к более значительным различиям в эффективности разных способов кодирования. Наиболее эффективными при этом являются буквенный и цифровой коды, что определяется наличием у испытуемых сложившихся способов обработки этих кодов с точки зрения образования различных оперативных единиц памяти.

Вопрос о мере абстрактности каждой категории кодовых знаков должен решаться в соответствии с их особенностями. Буквы и цифры являются абстрактным кодом, но они могут отражать названия характеристик объектов или ранжировать их по порядкому номеру. В таком случае буквенный и цифровой коды будут приближаться к конкретному коду.

При цветовом кодировании также рекомендуется использовать цвета, возможно точнее отображающие реальную ситуацию. Согласно международному стандарту, сигналами опасности являются теплые тона, безопасности - холодные. Красный цвет требует немедленной остановки действия, является запрещающим и аварийным цветом. Желтый цвет означает внимание и слежение, зеленый - разрешающий цвет.

Вопрос о мере абстрактности имеет наибольшее значение для категории формы. Экспериментально установлено, что частичное воспроизведение в опознавательных признаках сигнала признаков кодируемого объекта обеспечивает высокую точность декодирования. Вместе с тем следует соблюдать определенную меру "картинности", которая должна определяться требованием хорошей различимости знака.

При выборе вида алфавита также следует опираться на системы знаний, сложившиеся и прочно закрепленные в опыте человека. Это помогает быстрому оживлению ассоциаций и повышает скорость и точность декодирования. На этом основании буквы используются для передачи информации о названии объекта, цифры - о его количественных характеристиках, цвет - о значимости. Геометрические фигуры могут быть использованы для кодирования информации в тех случаях, когда оператору необходима наглядная картина для быстрой переработки информации.

При создании алфавитов слуховых сигналов также предпочтительно использовать "натуральные" взаимоотношения между параметрами сигнала и кодируемыми характеристиками объекта. Например, различия в частоте звукового сигнала могут обозначать движение самолета вверх и вниз и т. п.

Компоновка кодового знака

При компоновке кодовых знаков следует соблюдать требование хорошей различимости. Учитывая результаты ряда экспериментальных исследований, можно сформулировать некоторые требования к построению кодовых знаков.

1. При построении алфавитов знаков необходима четкая и последовательная классификация символов внутри алфавита.

2. Основной классификационный признак объекта кодируется контуром знака, который должен представлять собой замкнутую фигуру.

3. Знак должен иметь не только контур, но и дополнительные детали.

4. Дополнительные детали не должны пересекать или искажать основной символ.

5. Не следует перегружать знак внутренними или наружными деталями. Использование букв снаружи или внутри контура также затрудняет различение знака.

6. Предпочтительно использование симметричных символов, поскольку они легче усваиваются и более прочно сохраняются как в оперативной, так и в долговременной памяти.

7. В качестве различительных и опознавательных признаков знаков в пределах одного алфавита не рекомендуется использовать следующие: число элементов в знаке или его протяженность, отличие знаков по признаку позитив - негатив, отличие знаков по признаку прямое - зеркальное отражение.

8. Различимость знаков должна оцениваться также по их угловым размерам, яркости и контрасту с фоном.

Литература

1. Ломов Б. Ф. Человек и техника. М., 1966.

2. Гайда В. К., Забродин Ю. М., Зинченко Т. П. Сравнительное исследование опознания и идентификации одномерных и многомерных зрительных кодов Эргономика. Труды ВНИИТЭ. М., 1971.

3. Зинченко Т. П. Чудесенко О. А. Гордон В.М. Особенности идентификации и опознавания кодовых признаков//Эргономика. Труды ВНИИТЭ. М., 1974. Вып. 8.

4. Зинченко Т. П. Исследование опознания одномерных и многомерных стимулов//Техническая эстетика. 1971. № 5.

5. Зинченко Т. П. Кодирование зрительной информации//Методология исследований по инженерной психологии и психологии труда. Л., 1975. Ч. 2.

6. Зинченко Т. П. Требования к кодированию зрительной и звуковой информации II Руководство по эргономическому обеспечению разработки техники. М.,

7. Соловьева А. И. Основы психологии слуха. Л., 1973.

8. Инженерная психология в применении к проектированию оборудования. М., 1971.

9. Хитт У. Д. Оценка абстрактных методов кодирования//Инженерная психология. М., 1964.

10. Eriksen C. W. Location of objects in a visual display as a function of the number ot dimension on which the objects differ//Journ. Exper. Psychol. 1952. Vol. 44.

11. Кристнер Ш., Рэй Г. Оценка влияния некоторых комбинаций кодов целей и фона на эффективность чтения картографической информации на экране индикатора//Инженерная психология. М., 1964.

12. Зинченко Т. П. Исследование процесса приема и переработки визуальной информации и проблема многомерного кодирования//Инженерная психология в приборостроении. Л., 1972.

13. Pollack Т., Ficks F. Information of multidimensional aufitory displays. I.//Journ. Acoust. Soc. Amer. 1954. Vol. 26.

14. Smith S.L. Color coding and visual separability in information displays//Journ. oi Applied Psychol. 1963. Vol. 47. № 6.

15. Рыжкова Н. И. О некоторых способах кодирования информации//Проблемы инженерной психологии. Л., 1965. Вып. 3.

16. Репкина Г. В. Исследование оперативной памяти//Проблемы инженерной психологии. Л., 1965. Вып. 3.

Зинченко Т. П. Опознание и кодирование. Л., 1981.