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

манне проектировщика сосредоточивается иа обеспеченип читаемости отдельных элементов информационной модели, организацпя же маршрутов обзора рассматривается как третьестепенная задача.

В действительности же глазодвигательный аппарат утомляется быстрее, чем сетчатка, чем и обусловлено, в первую очередь, развитие зрительного утомления (Кравков, 1950). Поэтому при квалифицированной компоновке средств отображения информации учет особенностей биомеханики глаз столь же важен, как учет биомехани­ ческих возможностей руки при размещении органов управления на пульте. Тем не менее фактические сведе­ ния о сравнительной биомеханической сложности различ­ ных маршрутов обзора настолько скудны, что ие могут быть, видимо, объединены в законченные рекомендации проектировщику. Речь должна идти скорее о необходимо­ сти накопления такпх фактических данных.

Ниже описана методика и приведены результаты двух проведенных автором лабораторных исследований', по­ зволивших получить ответы иа некоторые вопросы относи­ тельно биомеханических возможностей глаз человека.

Влияние пространственной направленности глазных скачков на утомляемость глазодвигательного аппарата

Нами исследовалась утомляемость глазодвигательного аппарата при ритмичных возвратно-поступательных дви­ жениях глаз по прямолинейным маршрутам с различным пространственным положением. Каждый из восьми марш­ рутов являлся диаметром одной и той же окружности, раз­ деленной отметками на 16 равных частей п расположенной в плоскости, перпендикулярной осн зрения испытуемого (рис. 12). Величина диаметра составляла 60 угловых гра­ дусов. Углы наклона маршрутов к горизонтали составляли: 0; 22,5; 45; 67,5; 90; 112,5; 135; 157,5° (начиная отсчет с левого верхнего квадранта по часовой стрелке). Центр ок­ ружности находился иа 8° ниже оси зрения испытуемого. Такое положение центра тест-объекта было выбрано с уче­ том асимметричности моторного поля глаз относительно горизонтальной осп. Известно (Вудсон, Коновер, 1968),1

1 Эксперименты проведены совместно с В. Ф. Писаревой.

61

Рас. .12. Тест-объект, па ко­ тором проводилось псследоваппе влияния пространствен­ ной иаправленпости глазных скачков па утомляемость гла­ зодвигательного аппарата

что предельный угол поворота глаз вниз составляет 53°, а предельный угол поворота вверх — лишь 37°, При поло­ жении центра объекта, соответствующего исходной точке фиксации, на 8° ниже оси зрения предельные утлы пово­

испытуемого подбирался индивидуальный ритм, близкий к предельным биомеханическим возможностям глаз. В соот­ ветствии с этим в основных опытах число ударов метроно­ ма в минуту варьировано для разных испытуемых от 140 до 170. От испытуемого требовалось, чтобы каждое возврат­ но-поступательное движение (цикл) от одной из двух диа­ метрально-противоположных точек к другой и обратно со­ впадало во времени с двумя ударами метронома. Таким об­ разом, каждый цикл включал в себя (как минимум) 2 противоположно направленных скачка и 2 фиксациоиальиых паузы.

В опытах участвовало 8 испытуемых. Программа, опре­ деляющая последовательность прохождения маршру­ тов, была различной для разных испытуемых. Благодаря этому суммарный результат (по всем испытуемым для каждого маршрута) не зависел от утомления, растущего к концу опытов (каждый испытуемый выполнял всю про­ грамму в течение одного сеанса).

Движения глаз испытуемых регистрировались по векторэлектроокулографическому методу. Запись окуло-

62

Грамм позволила Проанализировать характер Изменений в движениях глаз но мере роста утомления и сопоставить скорость глазных скачков на разных этапах работы ис­ пытуемых. Визуальный контроль по экрану осциллоскопа позволял проводить в ходе опытов постоянный контроль'

по каждому маршруту проводились до тех пор, пока ис­ пытуемый не терял способность выдерживать заданный ритм движений.

На рис. 13 показаны типичные окулограммы, запи­ санные на разных стадиях развития двигательпого утом­ ления. Наличие временных отметок на окулограммах (затемнений на трассе луча) дает возможность судить о скорости прохождения различных маршрутов. В на­ стоящем исследовании подтвердилось ранее установлен­ ное положение, согласно которому скорость отдельного глазного скачка не зависит от его направления (Гиппенрейтер, 1964 и др.).

Анализ окулограмм показал, что утомление глазо­ двигательного аппарата также не оказывает влияния на скорость отдельных глазных скачков. Признаками утом­ ления являются: а) отклонения от прямолинейного (кратчайшего) маршрута; б) снижение точности глазных скачков («недолеты» и «перелеты»), что вызывает по­ явление дополнительных корректировочных скачков и

г) появление дополнительных промежуточных фиксаций; д) учащение мигательных движений. Совокупность этих факторов приводит в конечном итоге к тому, что испытуемый теряет способность работать в заданном ритме.

Таким образом, утомление глазодвигательного аппа­ рата проявляется в тех же признаках, что и утомление любой двигательной системы, обеспечивающей локомо­ цию тела, а именно в ухудшении координации движений, снижении их точности и увеличении варьятивности (Бернштейн, 1966).

В интересующем нас аспекте важно отметить, что перечисленные признаки утомления в различной степени проявляются на маршрутах с разной пространственной направленностью. Наиболее быстро и отчетливо утомле-

63

150

Рис. 14. Зависимость между пространственным положением марш­ рутов и средним количеством циклов движении

Исследование показало, что прн однотипных ритми­ чески повторяющихся движениях глаз (т. е. в условиях облегченной афферептации глазных скачков) амплитуда скачков может быть намного больше, чем при «свободном рассматривании» объекта. В описанных опытах поворо­ ты глаз на 60° осуществлялись в основном одним скач­ ком. Это, видимо, не предельная величина для скачков такого типа. Есть основания полагать, что фактором, ограничивающим амплитуду скачков в обычных услови­ ях, является не биомеханика глаза, а специфика афферентации глазных скачков. Этот вывод согласуется с данными Зинченко и Вергилеса (1969), свидетельствую­ щими о том, что при искусственном ограничении поля зрения величина скачков не превышает величину ра­ диуса этого поля.

Основные результаты исследования представлены графически (в виде круговой диаграммы) на рнс. 14.

Из данной диаграммы видно, что (несмотря на не­ зависимость скорости глазного скачка от его направле-

ння) утомляемость глазодвигательного аппарата различ­ на для разных направлений движения. Быстрее всего вызывают утомление наклонные движения глаз, медлен­ нее — вертикальные и еще медленнее — горизонтальные.

Объективные результаты опытов совпадают с данны­ ми словесных отчетов испытуемых. Большинство испы­ туемых оценило горизонтальный маршрут как наиболее легкий, а наклонные — как наиболее трудные.

Основные причины такого распределения маршрутов по степени их трудности сводятся, видимо, к следующим:

а) горизонтальные движения глаз обеспечиваются ра­ ботой одной пары мышц, в то время как вертикальные и наклонные движения требуют участия двух пар мышц и, следовательно, более сложной координации в работе этих мышц;

б) горизонтальные и вертикальные движения глаз яв­ ляются более привычными по сравнению с наклонными (влияние повседневного опыта, горизонталь и вертикаль как основные пространственные ориентиры).

Диаграмма на рис. 14 асимметрична относительно вертикальной оси: маршруты с углами наклона 112,5; 135 и 157,5° обладают некоторым преимуществом (по количе­ ству выполненных циклов движений) по сравнению с симметричными им маршрутами (с углами наклона 22,5; 45 и 67,5°). Предполагается, что эта особенность обуслов­ лена ведущей ролью правого глаза и асимметричностью монокулярного моторного поля. Однако данное предполо­ жение требует проверки в дальнейших экспериментах.

В исследовании выявились существенные различия в отношении индивидуальных возможностей глазодвига­ тельного аппарата у разных испытуемых. Эти различия касаются:

а) способности испытуемых к более или менее быст­ рому усвоению требуемого ритма движений (в процессе тренировки);

б) предельной интенсивности ритма (предельного ко­ личества циклов в минуту), при которой испытуемый мог выполнять движения;

в) утомляемости глазодвигательного аппарата (сред­ нее количество циклов по всем маршрутам колебалось у разных испытуемых от 51 до 189).

Основные результаты исследования свидетельствуют о том, что при выборе компоновочных вариантов средств

66

отображения информации далеко не безразлично (учиты­ вая биомеханику глаз), какого порядка придерживается оператор, обозревая информативные элементы. На рис. 15 показаны простейшие схемы оценки (с указанных пози­ ций) трех компоновочных вариантов. Под схематическим изображением «абстрактного» блока индикаторов может практически подразумеваться цифровое табло, матрица с символами, приборная панель и т. и. Стрелками показана (схема обзора информативных (в данной ситуации и при

Рис. 15. Схема организации маршрутов обзора средств отображе­ ния информации (пояснения в тексте)

решении данной задачи) элементов. Принимая во внима­ ние общие итоги описанных выше экспериментов, есть основание полагать, что вариант «а» предпочтительней, чем вариант «б», так как в первом из них отсутствуют наклонные движения глаз. Если нельзя исключить на­ клонные скачки, то вариант «в» имеет некоторые преиму­ щества перед вариантом «б», так как движения по на­ клонной в варианте «в» сопряжены с меньшей «биомеха­ нической нагрузкой», чем в варианте «б» (см. рис. 14).

Приведенные соображения нельзя, разумеется, расце­ нивать как рекомендации, пригодные «для всех случаев жизни» — они должны рассматриваться лишь как приме­ ры принципиального подхода к решению аналогичных практических задач. От «догматического» использования рекомендаций Такого типа должен предостеречь хотя бы тот факт, что слишком монотонные движения, даже если они составлены из «оптимальных» элементов, скорее при­ водят к утомлению, чем движения «неоптимальные», но разнообразные.

Сравнительная узость решенной в этом исследовании задачи также предостерегает нас от преждевременных обобщений. Нам представляется, что перспективным про­ должением описанной здесь работы мог бы стать анализ,

3* 67

направленный на выявление корреляции между амплиту­ дой глазных скачков, их ритмом и утомляемостью глазо­ двигательного аппарата. Проводя еще раз аналогию меж­ ду биомеханикой руки и биомеханикой глаза, следует ука­ зать, что современная физиология труда располагает обширными данными, позволяющими взаимоувязать кри­ вую утомления (прп выполнении ручных операций) с ве­ личиной прилагаемого усилия и ритмом рабочих движе­ ний. Установление аналогичных корреляции в моторике глаз и их практическое использование будет способство­ вать решению одной из центральных задач инженерной психологии — оптимизации условий зрительной деятель­ ности оператора, обслуживающего автоматизированные и иолуавтоматизированные системы.

Особенности биомеханики глаз при изменении маршрута движения взора

В практической зрительной деятельности оператора любой маршрут обзора двухмерного информационного ус­ тройства представляет собой ломаную линию более пли мепее сложной конфигурации. Поэтому при оценке мар­ шрута обзора в целом необходимо учитывать ие только про­ странственную направленность отдельных глазных скач­ ков, но и особенность их сопряжения. Иными словами, не­ обходим анализ элементов сопряжения. Такая задача и была поставлена ламп в приведенном ниже исследовании. Специфика выбранных для тест-объектов маршрутов в данном случае заключается в том, что при прохождении их глаза должны былп один раз изменить направление движения. При этом угол, иод которым менялось направ­ ление движения, различен для разных маршрутов. Коли­ чество исследованных маршрутов очень ограничено, вы­ бранные маршруты следует рассматривать как элементы,

из которых могут быть составлены значительно более сложные маршруты обзора.

Крэйг экспериментальным путем установил, что прп изменении па правления движения руки скорость движе­ ния зависит от величины угла: движение под прямым углом осуществляется значительно быстрее, чем под тупым (см. 3. Гератеволъ. Психология человека в самолете. Л., 1956). При организации данного исследования ставилась задача выяснить присущи ли аналогичные (или какие-

68

Рис. 16. Шесть вариантов маршрута обзора и диаграмма, показы­ вающая изменение времени прохождения маршрутов (цифры озна­ чают время в м с е к ; нумерация в тексте — слева направо)

либо иные) закономерности моторике глаз. Проведение такого рода параллели представляется нам вполне право­ мерным, так как исследованиями Зинченко и Ломова (1960) установлен ряд закономерностей, свойственных как моторике руки, так и моторике глаза.

В нашем исследовании применялись шесть вариантов тест-объекта, соответствующие шести различным маршру­ там Движения (рис. 16). Различие между маршрутами оп­ ределялось величиной угла (острый, прямой, тупой) и его пространственным положением. В трех первых вариантах маршрут начинался в правой крайней точке (в начале го­ ризонтальной стороны) и заканчивался в крайней ниж­ ней точке. В трех последних вариантах маршрут начинал­ ся в левой крайней точке и заканчивался в крайней верх­ ней точке. Таким образом, наряду с изменением величи­ ны угла варьировало также направление глазных скачков по сторонам угла: в одних случаях — слева направо и сни­ зу вверх; в других — справа налево и сверху вниз. В даль­ нейшем для краткости каждый маршрут будет обозначать­ ся порядковым номером от 1 до 6 (см. рис. 16).

Маршруты были нанесены черной тушью (толщина линии — 10 мм) на листы ватмана, укрепленные на вер-

69

тнкальной стоике на расстоянии 1 м от глаз испытуемого. Угловые размеры каждой стороны угла составляли 20°. Острый угол был равен 30°, а тупой— 150°. Такая величи­ на углов была выбрана с тем, чтобы подчеркнуть «ост­ рый» или «тупой» характер угла. Вершина угла во всех вариантах совпадала с осью зрения испытуемого. По-вп- дпмому, постоянное центральное положение вершины угла составляет для данного эксперимента необходимое и един­ ственно возможное условие, так как изменение простран­ ственного расположения маршрутов (относительно осп зрения) будет само по себе влиять па биомеханику глаз.

Для точной локализации исходной точки обзора в на­ чале маршрута помещалась фиксационная неоновая лам­ почка (было предусмотрено два положения лампочки — левое и правое — в зависимости от того, с какой стороны начинался маршрут). Эта же лампочка использовалась как сигнальный раздражитель, прекращение которого служило для испытуемого сигналом к началу прохождения марш­ рута. Как известно, современная психофизиология при исследовании скорости реакции ие делает принципиаль­ ного различия между началом и прекращением раздражи­ теля. В этой связи Бойко указывает, что «конечный мо­ мент раздражителя нужно считать таким же положитель­ ным раздражителем, как и его появление» 2. При сопоста­ влении времени реакции на начало и прекращение свето­ вого раздражителя один исследователи ие обнаружили ни­ каких различий, другие — получили меньшее время реак­ ции на прекращение раздражителя (там ж е).

В наших экспериментах принимали участие 6 испыту­ емых (трое мужчин и трп женщины) в возрасте от 20 до 35 лет с нормальным зрением. Чтобы исключить влияние тренировки в ходе опыта на конечный суммарный ре­ зультат, испытуемые были разбиты на две группы: поря­ док предъявления вариантов тест-объекта для второй группы был противоположным по отношению к первой группе (т. е. для первой группы —1, 2, 3, 4, 5, б, а для второй — 6, 5, 4, 3, 2, 1).

Опыты проводились в затемненной комнате. Тестобъект освещался сзади отраженным рассеянным светом, дающим равномерную освещенность его поверхности. Не­ большой уровень освещенности (10 л) обеспечивал доста­

2 Е . И. В о й к о . Время реакции человека. М., 1964, стр, 247.

70