книги из ГПНТБ / Митькин А.А. Электроокулография в инженерно-психологических исследованиях

Дрейф представляет собой неупорядоченное п относи­ тельно медленное перемещение глазных осей, при котором фиксируемая точка остается внутри lovea. Скорость дрей­ фа хаотически меняется в пределах от нуля до 30 угловых минут в секунду. Средняя скорость дрейфа составляет приблизительно 6 угловых минут в секунду.

Тремор— высокочастотные, но очень маленькие по амплитуде колебательные движения осей глаз. Частота тремора колеблется от 30 до 150 гц (Ярбус, 1965), а но некоторым данным даже до 200 гц (Зинченко и др., 1969). В основном тремор складывается нз движений, частота которых равна 70—90 гц. Амплитуда тремора составляет 20—40 угловых секунд.

Микросаккады имеют амплитуду, изменяющуюся в пределах от двух до 50 угловых минут. Продолжитель­ ность таких скачков составляет 10—20 мсек. В результате малой продолжительности (при небольшой амплитуде) эти скачки не замечаются наблюдателем, и процесс фиксации взора субъективно воспринимается как непрерывный. Микросаккады выполняют в основном функцию корректи­ ровки (корректирующие скачки) в тех-случаях, когда фик­ сируемая взором точка в результате дрейфа (или неточ­ ного макродвижения при смене точек фиксации) оказыва­ ется за пределами fovea.

Кроме того, микросаккады возникают в условиях фик­ сации взора, если продолжительность фиксации стано­ вится больше 0,3—0,5 сек, а также при попытках наблю­ дателя плавно обвести взглядом коптур неподвижного предмета.

Микродвижения глаз, обеспечивая постоянное разло­ жение образов предметов иа сетчатке, составляют обяза­ тельное условие видения. Микродвижения приводят к по­ стоянному изменению уровня освещенности рецепторов, чем стимулируется поток импульсов в нервных волокнах, который прекращается как только изображение стано­ вится неподвижным относительно сетчатки. В условиях искусственно созданной неподвижности объекта относи­ тельно сетчатки (в эксперименте это достигается путем помещения тестового поля на присоске, которая крепится к роговице) уже через 1—3 сек объект, независимо от его размеров, цвета и яркости, перестает восприниматься: те­ стовое поле сменяется «пустым полем» (Ярбус, 1965). Исключение составляют случаи, когда неподвижность об-l

ll

раза относительно сетчатки компенсируется цветовыми модуляциями объекта (Знпчеико, Вергилес, 1969).

По мнению Ярбуса (1965), основным видом движения глаз, препятствующим образованию пустого поля во время фиксации неподвижного объекта, является дрейф.

Микродвиженпя глаз обеспечивают возникновение ми­ кросигналов, на основе которых формируется образ пред­ мета (Ломов, 1966). Характерно, что каждая новая зри­ тельная задача вызывает увеличение числа микродвиже­ ний. На этом основании можно заключить, что микродвпжения являются необходимым компонентом зрительной ориентировочной реакции на новое (Зинченко, 1964).

Наряду с положительной ролью непроизвольные микродвткеиня глаз во время фиксации могут в некоторых случаях оказаться и помехой.

Такая «помехогенная» роль микродвнжеиий была по­ казана Гиппенрейтер (1964), которая установила, что в условиях однородного н дискретного зрительного поля с высокой плотностью элементов глаз в результате мнкродвпженпй теряет фиксируемый элемент. Это влияние микродвпжешш получило название «собственных двигатель­

подвергается первый вид движений.

Моторика глаз оператора-паблюдателя органически включена в процесс конкретной деятельности. В зависи­ мости от специфики и этапов этой деятельности меняют­ ся и функции движений глаз.

Этап информационного поиска обычно характеризует­ ся наибольшей глазодвигательной активностью операто­ ра. При этом интенсивность моторики глаз находится в прямой зависимости от трех основных факторов: а) угло­ вых размеров информационного поля; б) плотности распо­ ложения элементов, несущих информацию; в) сложности решаемых оператором задач и в обратной зависимости — от степени выработки трудовых навыков у оператора.

На этапе переработки оператором полученной инфор­ мации н принятия решения моторика глаз становится бо­ лее скупой и связана с последовательностью определенных логических действий, производимых оператором.

12

Наконец, на этапе исполнения решения последователь­ ность глазных скачков обычно совпадает с последователь­ ностью действий, направленных на органы управления.

Исследования моторики глаз в процессе различного ро­ да деятельности показали, что наряду с выполнением сво­

что движением глаз сопровождается зрительное представ­ ление различных объектов (как при закрытых, так и при открытых глазах субъекта).

Из данных Ярбуса (1965) вытекает, что последователь­ ность обзора объекта является показателем последова­ тельности переключения внимания с одних элементов на другие 2.

В. Н. Пушкин (1965), исследовавший особенности движений глаз шахматистов в процессе решения шахмат­ ных задач и оценки шахматных позиций, установил, что моторика глаз служит достаточно надежным индикато­ ром для выявления последовательности логических опе­ раций, проводимых на конкретном наглядном материале. Следовательно, движения глаз являются показателем хо­ да оперативного мышления.

Приведенные данные говорят о том, что моторика глаз может служить эффективным показателем различных внутренних сторон человеческой деятельности, особенно деятельности оператора-наблюдателя.

Регистрация и последующая расшифровка саккадических макродвижений глаз оператора, сопровождающих его работу с информационной моделью объекта, позволя­ ет получить ответ на следующие основные вопросы:

а) Какую из имеющейся в распоряжении оператора информацию следует относить к релевантной (необходи­ мой) и какую — к иррелевантной (избыточной) ?

2 Могут быть ситуации, в которых направленность взгляда не сов­ падает с направленностью внимания. Так, например, человек, сосредоточившийся на своих .мыслях, может фиксировать взгля­ дом какой-нибудь предмет и не замечать его; можно сосредото­ чить (на ограниченное время) внимание на объекте, восприни­ маемом периферическим зрением. Однако такие ситуации явля­ ются исключением из общего правила.

13

б) G какой частотой обращается оператор к различ­ ным информативным элементам?

в) В какой последовательности воспринимаются' от­ дельные элементы (каков маршрут-обзора) ?

г) Имеет ли место повторное фиксирование уже ос­ мотренных ранее элементов (наблюдается ли цикличность в обзоре)?

д) Каким образом распределяется- (и изменяется в разных ситуациях) продолжительность фиксаций отдель­ ных элементов?

с) Какие участки информационной модели в большей мере привлекают внимание оператора и какие — в мень­ шей?

ж) В какой последовательности выполняются опера­ тором основные логические действия?

з) В каких ситуациях возникают затруднения в ре­ шении задач оперативного управления и с восприятием (илп оценкой) каких элементов связаны такие затрудне­ ния?

и) Какова последовательность действий, приводящих

кошибочным оценкам и решениям?

к) Возвращается ли оператор к дополнительному (повторному) приему информации на стадии принятия

решения и какова эта информация?

л) В какой последовательности производятся опера­ тором основные исполнительные действия?

м) Каким образом меняется структура деятельности оператора по мере совершенствования навыка работы с информационной моделью управляемого объекта?

Ответив на перечисленные вопросы, исследователь, участвующий в проектировании средств отображения ин­ формации, может дать исчерпывающий анализ деятель­ ности оператора п выдвинуть основные инженерно-пси­ хологические требования к проекту, выполнение кото­ рых обеспечит определенную оптимизацию условий дея­ тельности оператора-наблгодателя (Митышн, 1967).

Окулографический анализ особенно эффективен в тех случаях, когда проектированию средств отображения ин­ формации предшествует лабораторный эксперимент, про­ водимый на специально изготовленных для этой цели мо­ делях. При планировании экспериментов такого типа исследователь должен заранее предвидеть те основные ме­ тодические приемы, которые позволят ему осуществить

14

всесторонний инженерно-психологический анализ дея­ тельности оператора, связанный с приемом и переработ­ кой информации.

Опыт уже проведенных в этом направлении исследо­ ваний позволяет выделить следующие основные методи­ ческие приемы, применение которых предполагает ис­ пользование окулографическнх данных:

а) анализ маршрутов обзора иа основании окулограмм, записанных в процессе работы оператора с инфор­ мационной моделью объекта;

б) анализ плотности распределения точек фиксации (по зонам информационной панели и с привязкой к от­ дельным информативным элементам) ;

в) анализ данных по продолжительности фиксаций (известно, что средняя продолжительность фиксаций яв­ ляется надежным индикатором сравнительной трудности

анализу макродвижений глаз оператора-наблюдателя, дол­ жен учитывать, что при отработке навыков любой визу­ альной деятельности у человека происходит довольно быст­ рая редукция (сокращение) числа глазных скачков. Это обусловлено тем, что по мере обучения происходит все бо­ лее точное и быстрое выделение нужных сигналов и объ­ единение их в целостные структуры — так называемые

оперативные единицы восприятия (Зинченко, 1964). По­ этому для получения развернутой картины глазодвигатель­ ных операций особый интерес представляет начальная ста­ дия становления навыка.

Не менее важно учитывать также влияние размеров оперативного поля зрения на интенсивность макродвижеиий глаз оператора. Восприятие предметов с достаточной для какой-либо конкретной деятельности степенью точно­ сти (при фиксированном взгляде) возможно в пределах не­ которой области, составляющей часть зрительного поля, но значительно превышающей по своим размерам зону фовеального зрения. После исследований Гиппенрейтер (1964) эту область принято называть оперативным полем зрения.

15

Существование оперативного поля зрения связано с устройством глаза как многоканального входа. В пределах этого поля возможно одноактное или одномоментное осу­ ществление зрительной функции. Размеры оперативного ноля значительно колеблются в зависимости от характера объекта, его параметров и задачи, стоящей перед наблюда­ телем. Зинченко и др. (1965) образно сравнивают опера­ тивное поле зрения с «окном», которое благодаря движени­ ям тлаз перемещается по рассматриваемому объекту. Этим сравнением подчеркивается тот факт, что процесс после­ довательного рассматривания элементов объекта нельзя представить себе как перемещение тонкого «луча», диаметр которого соответствует размерам fovea.

Анализируя движения глаз как объективный показа­ тель последовательности поступления информации, необ­ ходимо учитывать, что интенсивность моторики глаз (чис­ ло скачков, или «шагов» при рассматривании объекта) зависит от размеров оперативного поля зрения: чем шире это поле, тем меньше требуется «шагов» для получения ин­ формации об объекте.

Наряду с саккадическими макродвпжепиямп глаз ти­ пичным объектом ннжснерно-нсихологического анализа могут служить плавные, прослеживающие (сканирующие)

движения. Прослеживание движущихся объектов является распространенной формой операторского труда. Примером может служить слежение за целью на экране радиолокато­ ра. Раскрытию функциональных возможностей зрительной системы человека в условиях слежения за движущейся целью посвящен ряд экспериментальных инженерно-пси­

светящейся точки) влияют на быстроту его обнаружения и точность прослеживания, как меняется точность скани­ рования при изменении скорости, ускорения и характера (траекторий) движения объекта, какова предельная ско­ рость сканирования и т. п.

В последние годы повысился интерес к изучению мик­ родвижений глаз в аспекте инженерно-психологических проблем. Примером работ этого направления может слу­ жить указанное выше исследование 10. Б. Гиппенрейтер (1964), которое выявило степень влияния собственных

16

двигательных «шумов» глаза иа точность восприятия объектов с большой плотностью элементов.

Если на начальных стадиях изучения моторики глаз исследование макродвижешш разграничивалось с исследо­ ванием микродвижений, то в настоящее время все боль­ шее значение приобретает комплексный анализ всех ком­ понентов глазодвигательного поведения наблюдателя в процессе выполнения им той или иной конкретной дея­ тельности. Это направление исследований получило раз­ витие в связи с выдвинутой Зинченко (1969) концепцией визуального мышления, тесно связанной с предложенной им же гипотезой о так называемых викарных (замещаю­ щих) действиях, которые представляют собой один из ком­ понентов глазодвигательного поведения наблюдателя.

Окулографический анализ визуальной деятельности требует применения определенного способа записи дви­ жений глаз.

Ниже приведен перечень основных методов (представ­ ленный для удобства сравиеиия в виде таблицы на стр. 21) регистрации движений глаз, применявшихся в раиних исследованиях и применяемых в настоящее время.

1.Изучение движений глаз путем визуальиого наблю­ дения за перемещением зрачка испытуемого.

2.Изучение движения глаз при помощи последова­ тельных образов. Основано иа том, что последовательный образ перемещается вместе с глазом, и по характеру пере­ мещения последовательного образа можно судить о харак­

тере движения глаз.

3. Мехаплческая запись движений глаз. Основана на использовании выпуклости роговицы, движение которой (подобно кулачку) передается рычагу или изменяет дав­ ление воздуха в эластичном баллончике, прижатом к по­ верхности глаза.

4.Киносъемка движений глаз. Осуществляется путем покадровой съемки перемещений зрачка или метай, на­ несенной на роговицу (Запорожец и др., 1967).

5.Запись роговичного блика. Регистрируется переме­ щение луча, отраженного от роговицы (Долбищева, 1961).

6.Запись движений глаз с помощью луча, который от­ ражается от специального зеркальца, укрепленного на ро­ говице (Ярбус, 1965).

7.Электроокулография (электрический способ регист­

рации движений глаз). Основана на изменении потенци-

Гес. публичная

маучно - тэхни-,© ндя бнблнотвна CC<jp

Э К З Е М П Л Я Р *

алов в окружающих глаз тканях при повороте глазного яблока (Лурье, 1965).

8.Фотоэлектрический метод записи движений глаз. Основан на том, что повороты глазного яблока приводят

кизменению интенсивности светового луча, отраженно­ го от роговицы. Изменения в интенсивности луча улавли­ ваются электронным фотоумножителем (Анании, 1965; Владимтгров, 1972).

9.Телевизионный метод. Миниатюрная передающая телекамера крепится на голове испытуемого. В объектив этой камеры попадает объект, на который смотрит испы­

туемый. Вторая камера находится перед испытуемым и передает движения его глаз. Запись, получаемая на экра­ не телевизора, совмещает в себе изображение рассматри­ ваемого объекта и траекторию движения взора (Mackworth, 1958).

10. Электромагнитный метод. На присоске, которая крепится к роговице, помещается миниатюрная катушка индуктивности, подключенная к генератору низкой часто­ ты. В плоскости лица испытуемого устанавливается рам­ ка, несущая иа себе 4 приемных катушки индуктивности (две пз них расположены по горизонтальной осп н две — по вертикальной). При движении излучающей катушки (перемещающейся вместе с глазным яблоком) в прием­ ных катушках изменяется величина наведенного напря­ жения.

Возникающие в результате этого низкочастотные колебания (отражающие моторику глазного яблока) выделяются из несущей частоты па приемном устройст­ ве, усиливаются и регистрируются осциллографом с элект­ ронной памятью (Зинченко, Вергплес, 1969).

Возможна модификация этого метода, при которой катушки индуктивности, помещенные иа рамке, стано­ вятся излучающими, а катушка, укрепленная па присос­ ке,— приемной.

Три первых метода пз этого перечня устарели и в нас­ тоящее время представляют лишь исторический интерес. Из семи остальных каждый имеет свои достоинства и не­ достатки. По мнению большинства исследователей, ни' один из существующих методов не является вполне удов­ летворительным. Поиск новых, более совершенных мето­ дов продолжается. Что же касается перечисленных выше способов, то выбор того или иного из них диктуется сне-

18

но-пспхологическнх исследований. В настоящее время разработаны два варианта этого метода: первый из них обеспечивает неискаженную запись горизонтальных макродвпженпй глаз в пределах 30—35 угловых градусов; второй позволяет регистрировать одновременно как го­ ризонтальные, так и вертикальные движения глаз, но уг­ ловые размеры рассматриваемого объекта ограничива­ ются при этом 10—12°.

Телевизионный метод, применяемый для регистрации макродвшкений глаз, дает наиболее удобную форму за­ писи: совмещение траектории движения взора с рассмат­ риваемым объектом. Однако использование этого метода требует наличия дорогостоящей несерийной телеаннаратуры.

Электроокулография (ЭОГ) как метод регистрации движений глаз имеет ряд существенных преимуществ по сравнению с другими методами:

—запись производится без прикосновения к глазу;

—незначительные движения головы не влияют на за­ пись, что дает возможность исключить жесткую фикса­ цию головы;

—запись может проводиться при любом уровне осве­ щенности и даже в темноте;

—длительность эксперимента практически не ограни­

чена;

—занпсь может осуществляться дистапциоино (в си­ лу этого преимущества ЭОГ в настоящее время широко применяется в космической медицине);

—имеется возможность непосредственно в ходе экспе­

римента визуально наблюдать (на экране осциллоскопа) маршрут движения взора испытуемого;

— обработка материала, полученного при фоторегист­ рации, сравнительно нетрудоемка.

Основным недостатком ЭОГ является мепьшая (по сравнению с другими способам) точность записи (под­ робнее см. в гл. I). Однако этот недостаток не является серьезным препятствием в тех случаях, когда восприни­ маемая оператором информационная модель имеет боль­ шие угловые размеры. ЭОГ в большей мере, чем любой другой способ, позволяет приблизить обстановку экспери­ мента к естественным условиям операторской деятель­ ности, что очень важно для объективного анализа и адек­ ватной оценки этой деятельности.

20