Классификация систем отображения информации

• Введение

С интенсивным внедрением вычислительной техники и автоматизированных систем управления (АСУ) в различные отрасли производства, существенно увеличилась роль систем и средств сбора, обработки и отображения информации. С помощью этих средств осуществляется оперативное взаимодействие людей с объектами контроля и управления, происходит диалог операторов с электронными вычислительными машинами (ЭВМ) и другими техническими средствами сложных человеко-машинных систем (ЧМС).

Одним из основных звеньев ЧМС являются средства отображения информации (СОИ), выполняющие функции звена связи в системе человек-машина. В первых системах управления в качестве СОИ использовались электронно-лучевые приборы. Однако все усложняющиеся требования, предъявляемые к АСУ и соответственно к средствам отображения, потребовали разработки других эффективных средств, решающих эти задачи.

Развитие микроэлектроники позволило разработать такие дискретные устройства отображения, как матричные индикаторы, газоразрядные панели, лазерные проекционные приборы, обладающие необходимыми параметрами для создания СОИ коллективного пользования.

Средствами отображения информации создаются динамические информационные модели управляемых объектов. Оператор взаимодействует не с самими объектами, а через СОИ с информационными моделями реальных объектов, которые позволяют представить образ реальной действительности, производить анализ и оценку обстановки, наблюдать и оценивать результаты управляющих воздействий, принимать решения.

Особое место в общении оператора АСУ с техническими средствами занимает форма диалога. Ручной ввод требует значительного зрительного внимания и является медленным, утомительным процессом. Предпочтительным является устная форма диалога, которая дает большие преимущества. Это оперативность и естественность, не нужна специальная подготовка, допускается одновременное использование других способов обмена информацией. Речевой ввод-вывод информации освобождает глаза и руки оператора для других целей. В настоящее время системы речевого общения успешно внедряются в ЧМС и бытовую технику (компьютерные игры и т.п.).

Для грамотной разработки ЧМС необходимо знать технические характеристики СОИ, учитывать способы взаимодействия человека с ЭВМ, закономерности психических процессов, физиологические, антропометрические и другие характеристики человека, относящиеся к области инженерной психологии. Эти вопросы и рассматриваются в данной лекции. 

•          Назначение СОИ

         Информационные процессы невозможны без средств воспроизведения и отображения информации, которая в вычислительных системах и в системах управления представляется символами и образами. Воспроизведение информации - это регистрация символов на материальном носителе.

Средства воспроизведения и отображения информации в основном являются автономными, но могут использоваться как элементы систем [1-10].

Отображение информации - это представление ее в форме, приемлемой для непосредственного восприятия человеком. Человек воспринимает информацию органами чувств. Наиболее эффективным является зрительное восприятие. Многообразие, большой объем и частая обновляемость информации требуют применения средств, обеспечивающих представление ее именно в визуальной форме.

Средства отображения информации, являющиеся в большинстве случаев элементами систем и представляющие собой выходные устройства ЭВМ, обеспечивают связь человека со средствами управления и переводят машинные языки в языки знаков, известных человеку.

Средства воспроизведения и отображения информации - одна из важных частей автоматизированных систем управления, качество которых определяет эффективность процесса управления. В АСУ этими средствами создаются информационные модели управляемых объектов. Человек-оператор взаимодействует с информационными моделями реальных объектов через средства отображения, посредством которых можно оценивать ход производственных процессов и принимать решения.

Существенно ускорить процесс ввода-вывода оперативной информации в ЧМС позволили успехи электронной технологии в создании речевых систем общения человека с ЭВМ. Речевые диалоговые системы имеют существенное преимущество перед традиционными средствами общения человека с техническими средствами. Это особенно проявляется в АСУ реального времени (предупреждающая информация, рекомендации для выхода из аварийных ситуаций и др.).

 Информация, подлежащая воспроизведению и отображению

          В автоматизированных системах управления в соответствии с информационными процессами используется информация, которую можно классифицировать функционально по трем видам: базовая, оперативная и результирующая [35].

К базовой относятся нормативные, справочные, постоянные данные многократного пользования, плановые и директивные сведения; к оперативной - сведения о состоянии контролируемых процессов, отчетные и статистические данные; к результирующей - итоговые сведения, используемые в процессах управления. Эти виды информации подлежат отображению в информационных системах.

Назначение информационной системы должно определять конкретное содержание того или иного вида информации. Состав отображаемой информации обусловливается уровнем звена управления в общей структуре системы и задачами, решаемыми данным звеном при управлении.

Для эффективности использования информационных систем необходимы качественное и своевременное сбор и воспроизведение исходной информации. В связи с этим большое значение имеют характеристики машинных носителей информации.

Под машинным носителем информации понимают носитель, используемый в вычислительных машинах и несущий закодированную машинную информацию. К машинным носителям информации относятся перфокарты, перфоленты, магнитные ленты, карты, диски и барабаны.

•           Способы представления информации в наглядном виде

           Существует много способов представления информации визуально. Для упрощения и запоминания информации оператором при визуальных способах часто используют специальные символы, если объект имеет характерные изобразительные формы.

Деятельность оператора ограничивается тем, что он имеет дело не с реальными объектами, а с информационными моделями реальных объектов. Физической реализацией информационной модели, предназначенной для зрительного восприятия, является информационное поле средств воспроизведения.

Информационное поле - это находящаяся в поле зрения оператора часть пространства, предназначенная для передачи информации, представленной совокупностью оптических образов.

Все сообщения, поступающие на средства воспроизведения информации, кодируются, т.е. всему сообщению или отдельным его частям присваивается определенный символ.

Различают три основные группы символов: геометрические, физические и цифровые.

Геометрические выражают значение какого-либо фактора длиной линии, расстоянием между двумя точками или углом. Они используются и для воспроизведения трехмерной информации.

Физические отображают значения параметров физическим состоянием носителя информации. В качестве физической символики используются: интенсивность одноцветной окраски участков поверхности носителя - тонография; степень почернения светочувствительного материала - фотография; интенсивность свечения люминесцентного вещества - люминография; величина электрического потенциала в точках наэлектризованного диэлектрика - электроннография; цвет окраски участков поверхности носителя - колография; величина магнитной индукции в элементах намагниченного носителя - феррография.

Знаковые (цифровые) символы отображают цифры, буквы и условные знаки, их сочетания, соответствующие системам счисления.

Для кодирования информации применяется ряд способов: например изменение формы, цвета и размера знаков; положения и ориентации знаков на информационном поле; яркости свечения.

Применяют три основных способа: 1) буквенно-цифровой; 2) в виде специальных условных знаков; 3) с помощью линий, площадей, геометрических фигур.

Буквенно-цифровой способ представления информации широко распространен, как наиболее привычный и удобный для восприятия. Символы кода (буквы, цифры) объединяются в более сложные кодовые группы (слова, числа, таблицы), которые отображают действительные предметы или отвлеченные понятия.

Способ представления информации в виде специальных условных знаков применяют для упрощения понимания и запоминания информации при визуальных способах. При этом часто используют специальные символы, особенно тогда, когда воспроизводимое понятие или объект имеют характерные изобразительные формы. Этот способ удобен для восприятия логических взаимосвязей отдельных элементов систем, для отображения решения, состояния управляемых объектов, типов объектов. Максимальное число различных символов ограничивается памятью оператора. Для облегчения восприятия информации в условиях кратковременного воспроизведения быстроменяющейся обстановки используются символы различных цветов, частот мерцаний и яркостей.

Способ представления информации с помощью линий, площадей, геометрических фигур применяют тогда, когда некоторые виды информации невозможно отобразить на визуальных индикаторах с помощью буквенно-цифровых знаков или символов. Так, авиалинии, изотермы, дороги, топографические контурные линии, графики функций, метеорологические карты лучше всего воспроизводить прочерчиванием линий.

Часто возникает необходимость воспроизводить площади, геометрические фигуры: для обозначения болот, участков выпадения вредных осадков, районов действий, различных участков на картах и графиках.

Информационные поля могут строиться в виде: текста, таблиц, условных знаков на картах, схем, экранов, сетевых графиков, функциональных графиков, диаграмм, гистограмм и т.д.

Целесообразность использования того или иного вида кодирования определяется видом информации.

Классификация средств воспроизведения и отображения информации

           В средствах воспроизведения и отображения информации используется большое количество новейших материалов; для их изготовления применяются различные технологические процессы. За последнее время средства отображения претерпели значительные технические изменения в связи с применением электроники, микроминиатюризации, эргономики, а также повышением надежности и эффективности использования.

Имеется несколько подходов к классификации средств воспроизведения информации. Так, например, исходными данными могут быть параметры информационного поля устройств; параметры сигналов, посредством которых информация передается человеку-оператору; источники информации, квалификация операторов, область использования и т.д.

Существует общее подразделение средств воспроизведения и отображения информации - по способу использования. По назначению СОИ подразделяются на устройства индивидуального и коллективного пользования. Устройства индивидуального пользования предназначены для получения информации только одним человеком-оператором, а коллективного - для одновременной работы более чем одного оператора.

В соответствии с целевым назначением данного курса разработана классификация средств воспроизведения и отображения информации на основе использования различных технических принципов. Эта классификация дана на рис. 4.1 [35].

Все средства воспроизведения и отображения информации можно разделить на две большие группы: регистрирующего воспроизведения и наглядного отображения, которые в свою очередь делятся на две подгруппы.

К средствам регистрирующего воспроизведения относятся подгруппы механических и немеханических устройств. Группа средств наглядного отображения информации подразделяется на подгруппы непосредственного и проекционного отображения.

В механических регистрирующих устройствах информационный отпечаток получают нанесением слоя красящего вещества на носитель и снятием его с носителя. В обоих случаях получение отпечатка связано с механическим перемещением регистрирующего органа и красящего вещества.

Нанесение слоя красящего вещества на носитель производится тремя способами: печатным, струйным, перьевым, а снятие - двумя способами: резцовым и перфорационным. Быстродействие этих устройств ограничено инерционностью всех подвижных элементов, участвующих в процессе создания отпечатка. Из механических наиболее распространены печатные устройства.

Немеханические регистрирующие средства подразделены на две подгруппы: 1) устройства, в которых отпечаток получается нанесением красящего вещества полем на носитель и 2) устройства, в которых получение отпечатка связано с изменением состава вещества носителя.

К первой подгруппе немеханических устройств относятся такие устройства, в которых отпечаток получают нанесением красящего вещества на носитель, но в отличие от механических устройств перенос этого вещества производится в результате притягивающего действия поля (электрического, магнитного) на элементарные частицы красящего вещества. Сюда отнесены электрофотографические, электростатические, феррографические и термографические устройства.

Ко второй подгруппе относятся фотографические, диазографические, электрохимические, электроискровые и термопластические.

В немеханических устройствах не требуется перемещение регистрирующих органов для нанесения отпечатка на носитель, вследствие чего они обладают большим быстродействием.

Группа средств наглядного отображения информации подразделяется на системы непосредственного отображения и проекционного типа.

Системы непосредственного отображения информации на экране строятся либо с использованием электронно-лучевых трубок (обычных и знаковых), либо с использованием знаковых индикаторов в виде матрицы. К электронно-лучевым средствам непосредственного отображения относятся знаковые электронно-лучевые трубки (ЗЭЛТ) типа «характрон», «композитрон», тайпотрон», «принтоскоп» и специальные ЭЛТ.

К матричным средствам непосредственного отображения относятся устройства, в которых используется набор готовых знаков: газоразрядные знаковые лампы, световые решетки, волоконно-оптические индикаторы, знаковые барабаны, транспаранты, знаковые лампы накаливания, электролюменесцентные индикаторы и индикаторы на жидких кристаллах. 

Рис. 4.1 - Классификация средств воспроизведения и отображения информации 

Проекционные воспроизводящие средства представлены электронно-оптическими, электромеханическими, лазерными и системами прямого видения.

Электронно-оптические системы основаны на формировании изображения электронным лучом на экране трубки или промежуточном носителе информации с последующей проекцией его на экран. Это системы воспроизведения с использованием электрографических, фотографических, термопластических, фотохромных средств. Сюда относятся системы воспроизведения, основанные на проектировании изображений с использованием ЭЛТ с темновой записью (типа «Скиатрон») и светоклапанных устройств (типа «Эйдофор», «Аристон»).

К электромеханическим проекционным средствам относятся кинопроекторы, стилографические системы и системы типа «Иконорама».

Системы прямого видения включают в себя отражательные с ЭЛТ и голографические. Последние являются наиболее перспективными и дающими наиболее полную (объемную) информацию об объекте.

Лазерные системы используют в качестве источника отображения информации лазер. К ним относятся системы с пассивным и активным экранами.

•           Основные характеристики средств воспроизведения и отображения информации

          Устройства отображения характеризуются рядом параметров, которые можно объединить в 4 группы:

- информационно-технические - характеризуют объем, форму, качество, своевременность, значимость отображаемой информации (информационная емкость, емкость буферного запоминающего устройства, изобразительная возможность, быстродействие и др.);

- инженерно-психофизиологические - определяют создание комфортных условий работы оператора (например, яркость и контрастность изображения, разрешающая способность, точность воспроизведения информации, частота повторения изображения, размеры воспроизводимых символов;

- конструктивно-технические - характеризуют сложность и качество конструкции (например, надежность функционирования, потребляемая мощность);

- технико-экономические - определяют стоимостные показатели, затраты на проектирование и эксплуатацию.

Среди большого числа технических и эксплуатационных характеристик средств воспроизведения и отображения информации выделим основные. К ним относятся: статические (амплитудная характеристика, характеристическая кривая носителя, коэффициент передачи, дифференциальная и предельная чувствительность); полный или динамический диапазон; точность и достоверность; разрешающая способность; основные характеристики зрительного восприятия человека-оператора; информационная емкость; быстродействие и надежность. 

• Статические характеристики СОИ

Одной из статических характеристик средств воспроизведения и отображения информации является зависимость величины полезного выходного эффекта от величины воздействия на ее вход - амплитудная характеристика.

В качестве входного параметра рассматривают величину сигнала информации, поступающего на вход устройства воспроизведения, т.е. . Под полезным выходным эффектом системы воспроизведения понимают сигналы, возникающие на выходе устройства воспроизведения. Зависимости значений от величины образуют амплитудные характеристики или характеристики передачи процессов воспроизведения . Интенсивность входного воздействия оценивают величиной, подводимой к входу устройства воспроизведения энергии, которая необходима для создания на носителе информации.

В том случае, когда носитель предназначается для наглядного воспроизведения информации электрооптическими средствами, на нем создают оптические неоднородности, мерой которых является величина оптической плотности, характеризующей ослабление света, проходящего или отраженного от него. Оптическую плотность определяют как меру непрозрачности или прозрачности изображения: или . В то же время

где и - световые потоки: падающий на носитель и прошедший через него соответственно.

При получается полная непрозрачность, при - полная прозрачность.

Зависимость называют характеристической кривой носителя.

Входные сигналы часто непосредственно не несут энергии, воздействующей на носитель, а лишь управляют ее потоком, подводимым к носителю извне. Внешняя энергия воздействует на устройство воспроизведения или на другие его компоненты. Отношение величины энергии, необходимой для создания требуемой неоднородности носителя, к энергии, подводимой к устройству воспроизведения, называют коэффициентом передачи энергии устройства воспроизведения.

Рис. 4.2 - К определению чувствительности средств воспроизведения и отображения информации

Величина сигнала, необходимого для создания на носителе требуемой неоднородности, определяется состоянием носителя до воспроизведения, видом его амплитудной характеристики и положением рабочей точки на ней.

Величину, обратную отношению входной энергии , необходимой для создания полезного выходного эффекта требуемой величины к величине этого эффекта, называют чувствительностью системы регистрации(рис. 4.2).

Если знаменатель в этом выражении стремится к нулю, то получим дифференциальную чувствительность или крутизну амплитудной характеристики.

Отношение полезного выходного эффекта к величине энергии, воздействующей непосредственно на носитель и необходимой для достижения этого эффекта, называют предельной чувствительностью способа воспроизведения.

•           Полный или динамический диапазон СОИ

           При рассмотрении амплитудной характеристики рабочая точка, соответствующая нулевому воздействию на носитель, в зависимости от конкретных требований может занимать разное положение.

Значение выходного эффекта при нулевом воздействии устройства воспроизведения представляет собой величину шума (помехи), которой обладает данная система воспроизведения. Отношение максимального значения полезного выходного эффекта, достигаемого данной системой воспроизведения, к значению шума в рабочей точке называется полным или динамическим диапазоном системы, равным

в логарифмическом виде в дБ

или в единицах контрастности изображения, определяемой как разность оптической плотности черного на изображении и оптической плотности уровня фона (вуали) на пробельных местах изображения.

•           Точность и достоверность СОИ

           Точность, с которой в процессе регистрации удается достигнуть заданной величины , определяется величиной помехи, которая может быть аддитивной или мультипликативной.

Аддитивной называют помеху, величина которой не зависит от уровня входной величины сигнала , а мультипликативной -помеху, которая изменяется с изменением уровня входного сигнала.

Из-за наличия помехи амплитудная характеристика является неоднозначной. На рис. 4.2 она изобразится не линией, а полосой неопределенностей. При аддитивной помехе ширина полосы имеет постоянное значение , а при мультипликативной - ее размер изменяется с изменением уровня сигнала: .

Помеха - величина случайная и характеризуется распределением вероятностей, показывающим, с какой вероятностью она может принимать одно из своих возможных значений. Вследствие этого ширину полосы неопределенностей устанавливают с учетом допустимой величины погрешности.

Имея определенную величину ширины полосы неопределенностей, можно однозначно определить разрешающую способность по уровню, т.е. количество различимых с заданной достоверностью уровней на амплитудной характеристике средства воспроизведения.

Точность воспроизведения информации в СОИ после передачи ее от источника информации по каналам связи называют достоверностью воспроизведения или отображения.

Для оценки степени достоверности вычисляется вероятность соответствия воспроизводимой информации переданной. Достоверность оценивается коэффициентом достоверности

,

где - вероятность искажения. Чем ближе коэффициент к единице, тем выше достоверность от переданного сообщения.

Требования к достоверности передачи информации зависят от того, какие функции выполняет данная система. Иногда оказывается достаточной вероятность ошибки порядка , т.е. она допускается в среднем при искажении одного импульса из 10 000 переданных.

    Разрешающая способность СОИ

         Под разрешающей способностью понимают максимальное количество локальных участков, обладающих полезным выходным эффектом на единицу длины, поверхности или объема, достигаемое при использовании определенного вида СОИ. Так, например, в средствах наглядного отображения разрешающую способность индикаторов можно оценивать по возможности различения двух воспроизводимых световых точек, находящихся на некотором расстоянии друг от друга. При низкой разрешающей способности оператор принимает две точки за одну, когда их центры расположены сравнительно далеко один от другого, а при высокой две очень близкие точки воспринимаются как отдельные.

В электронно-лучевых трубках разрешающая способность измеряется общим числом различимых строк, укладывающихся на диаметре экрана, или числом различных линий на единице длины (сантиметре, миллиметре).

Орган зрения человека характеризуется своей разрешающей способностью, поэтому при использовании средств наглядного отображения повышать ее можно до некоторого предела, свыше которого изображение не будет восприниматься глазом.

При проектировании СОИ необходимо знать характеристики зрительных способностей глаза.

Основными характеристиками зрительного восприятия являются угловые размеры изображения, адаптирующая яркость, контраст и временные параметры.

Угловой размер изображения - это угол между двумя лучами, направленными от глаза к крайним точкам изображения. Его находят по формуле

где - линейный размер изображения;

- расстояние от оператора до  знака по линии взора.

Адаптирующая яркость - это яркость, к которой приспособлен глаз. Ее определяют как среднюю из суммы яркостей, воспринимаемых глазом.

Контраст - это отношение разности изображения и фона к яркости фона (степень воспринимаемого различия между двумя яркостями). Различают прямой и обратный контрасты:

где и - прямой и обратный контрасты;

и - яркости фона и знака.

Все параметры зрительного восприятия человека взаимосвязаны между собой так, что уменьшение численного значения одного из них требует увеличения других.

К временным параметрам глаза человека относятся критическая частота мельканий и длительность сохранения инерционного образа. Критическая частота мельканий определяет границу ощущения прерывистого сигнала. При превышении этой частоты сигналы сливаются в стабильный немигающий свет.

Длительность сохранения инерционного образа или время инерции - это время накопления воздействия света на глазную сетчатку. Инерция связана с остротой зрения, т.е. способностью глаза различать детали объекта наблюдения. Острота зрения зависит от освещенности, расстояния до рассматриваемого объекта и определяется как величина, обратная углу зрения, а также характеризуется порогом разрешения - минимальным углом, под которым две равноудаленные точки видны как раздельные. При нормальной остроте зрения возможно различение деталей с угловыми размерами не менее 1.

При работе со средствами отображения информации от оператора требуется также различение деталей движущихся объектов, которое оценивается порогом динамической остроты зрения. Эта характеристика зависит от скорости движения объекта и его направления. Детали объекта (символов на экране ЭЛТ) лучше различаются при перемещении справа налево и снизу вверх, чем при перемещениях в противоположных направлениях. Длительность наблюдения объектов в фиксированной позиции, необходимая для различения деталей, зависит от скорости движения объектов, уровня их освещенности и контрастности.