ЧЕЛОВЕЧЕСКИЙ ФАКТОР

Восприятие отображаемой САПР информации

Хотя графика в САПР основывается на таких базовых гео­метрических понятиях, как поверхности (проекции или виды), линии (грани) и точки (вершины углов), оператор САПР рабо­тает на более высоком концептуальном уровне, имея дело с формами или свойствами [93]. Например, при трехмерном механическом проектировании отверстия, щели и карманы фор­мируются из таких базовых примитивов, как поверхности, линии и точки. Восприятие включает процесс ощущения световых об­разов на экране, комбинирование образов в базовые элементы и затем построение объектов из базовых элементов. Очевидной проблемой является необходимость представления трехмерных объектов на двумерной поверхности экрана. Другой проблемой является то, что физические объекты имеют скрытые области, но эти области должны быть видны оператору САПР, что мо­жет спутать его и затруднить представление о том, как различ­ные линии соединяются друг с другом. Не столь очевидной яв­ляется проблема, вызванная тем, что представленные на экране объекты кажутся «плавающими» в пространстве, а понятия верха и низа, правой и левой сторон обусловлены слабо. Напри­мер, в работах [81] и [82] показано, что изменения ориентации относительно горизонтальной оси, перпендикулярной плоскости основной проекции, могут повлечь модификации верхней, ниж­ней, левой и правой плоскостей изделия, что в свою очередь повлияет на восприятие, распознавание и идентификацию изо­бражения. Это явление объясняется тем, что наблюдатель неяв­но устанавливает на изображении ориентацию вверх, вниз, вправо и влево, основываясь на побочной информации типа гра­витационных свойств или видимой структуры связей. Указан­ные направления в большинстве САПР не отображаются.

Хотя все эти потенциальные проблемы имеют место в САПР, методы решения некоторых из них могут быть созданы в ходе дальнейших исследований механизмов поведенческого восприя­тия. Предлагаемое ниже обсуждение посвящено двум аспектам: восприятию трех измерений и цветного изображения, которые могут иметь существенное значение при создании САПР и вы­боре возможностей, которые следует включать в существующие САПР.

Многие изделия, спроектированные с использованием САПР, создавались в предположении, что они являются трехмерными.

Основная трудность соответствующего отображения этих объек­тов заключается в том, что трехмерные объекты необходимо отобразить на двумерной поверхности. Это может быть выпол­нено с помощью идентифицирующих меток глубины для опе­ратора. При визуальном восприятии многие из этих меток идентифицируются. Некоторые из них используются в САПР.

Метки глубины можно разделить на моно - и бинокулярные. Монокулярные метки — это метки, которые могут восприни­маться одним глазом и, следовательно, могут отображаться на двумерной поверхности. Бинокулярные метки — это метки, кото­рые должны восприниматься двумя глазами и потому зависят от наличия третьего измерения при наблюдении. Мэрч [69] вы­деляет следующие монокулярные метки восприятия глубины. Во-первых, размер изображения объекта дает представление о глубине: когда на плоской поверхности представлены изобра­жения двух объектов примерно одинакового размера, объект, изображение которого меньше, воспринимается как более уда­ленный по сравнению с имеющим изображение большего раз­мера. Во-вторых, взаимное расположение объектов может нести информацию: когда один из объектов частично закрывает дру­гой, частично закрытый объект воспринимается как находящий­ся позади и более удаленный по сравнению с закрывающим его объектом. В-третьих, использование линейной перспективы ос­новано на том, что с увеличением расстояния параллельно рас­положенные объекты сближаются. В-четвертых, сочетание кон­траста, четкости и яркости изображения объекта позволяет указать глубину: расположенные близко объекты кажутся более четкими и более ясными, а удаленные объекты — более тусклы­ми. В-пятых, падение тени от объекта указывает на относитель­ное расположение объекта. В-шестых, используется градиент текстуры, детальность поверхности становится тоньше с увели­чением расстояния до объекта. Наконец, можно использовать свойство параллакса движения: скорость движения объектов кажется различной в зависимости от расстояния до них. Уда­ленные объекты кажутся движущимися несколько медленнее, чем расположенные близко.

Бинокулярные метки глубины обеспечивают стереоскопич- ьость, причем восприятие глубины обычно ассоциируется с трех­мерным видением. Бинокулярные метки глубины зависят от расстояния между глазами. Воспринимаемое каждым глазом изображение близко расположенных объектов смещено одно от­носительно другого и несколько отлично. Этот эффект, выража­ющийся обычно в несоответствии изображений^ объекта, учиты­вается при стереоскопическом восприятии глубины. Если объек­ты удалены, различия в изображениях, воспринимаемых каж­дым глазом, невелики.

Таблица 6.2. Источники восприятия информации о трехмерной структуре объекта и глубине, используемые в САПР

Источник воспринимаемой информации о глубине

Размер объектов Взаимное расположение

Линейная перспектива

Контраст, четкость и яркость

Затенение

Параллакс движения Стереоскопичность

Техника его реализации в САПР

Удаление скрытых линий и поверх­ностей

Параллельные линии пересекаются в точке схода

Интенсивность, плотность и искус­ственное текстурирование Возможность использования техники затенения ограничена Кинетический эффект глубины Доступность использования метода ограничена

Ограничение (отсечение) по глубине

Различные технические приемы разработаны в САПР для использования преимуществ монокулярных меток глубины, так что объекты, отображаемые на двумерной поверхности, воспри­нимаются как трехмерные (см. табл. 6.2). Одним из таких прие­мов является удаление скрытых линий и скрытых поверхностей. В этом случае линии или группы линий и поверхностей, нор­мально находящиеся позади объекта, не отображаются. Этот прием использует взаимное расположение геометрических эле­ментов для передачи трехмерности объекта. Вторым приемом является использование линейной перспективы; отображаемые параллельные линии сходятся в некоторой точке схода. Третий прием — использование кинетического эффекта глубины — свя­зан с ощущением глубины на основе параллакса движущегося относительно наблюдателя объекта и возникающим при этом ощущением глубины. Когда одиночный объект вращается отно­сительно вертикальной оси, расположенные ближе к наблюда­телю линии движутся медленнее, чем более удаленные. Четвер­тым приемом является использование ощущения глубины в за­висимости от интенсивности, контраста, четкости и яркости изо­бражения. Интенсивность линий выбирается таким образом, чтобы удаленные линии отображались с меньшей интенсивно­стью, чем расположенные близко. В работе [41] показано, что с возрастанием сложности воспроизводимого изображения эф­фективность этого приема снижается. Наконец, искусственное текстурирование используется для указания глубины по тексту­ре поверхности, что позволяет передать трехмерность. Интенсив­ность отображения можно менять в зависимости от расстояния до объекта.

Другие доступные средства создания реалистичных трехмер­ных изображений не обязательно связаны с монокулярными метками глубины, описанными выше. В частности, в некоторых САПР используется отсечение плоскостью отображаемой части объекта. Меняя положение отсекающей плоскости, оператор имеет возможность динамически получать информацию о глуби­не. В общем случае простота визуализации изображений в САПР напрямую связана с проекцией и типом используемых графических возможностей [45]. Ортографические виды менее удобны для восприятия, чем изометрические, особенно для вос­приятия глубины. В дополнение к этому перспективные виды с использованием цвета или движения дают наилучшие резуль­таты восприятия.

Эти выводы справедливы в отношении восприятия каркас­ных и сплошных моделей. В работе [45] обсуждаются некото­рые ограничения, присущие каркасному моделированию, наи­более подходящему для моделирования трехмерных объектов. Одной из проблем является удаление со сложных изображе­ний скрытых линий, причем линии границ объекта остаются видимыми на изображении, в результате чего его интерпре­тация становится неоднозначной. Другой проблемой является то, что каркасные модели не дают информации о поверхностях объекта, а проектировщик не может различить точки, нахо­дящиеся внутри и вне его. По этой причине вновь оказывает­ся, что каркасные модели имеют неоднозначную интерпрета­цию.

Неоднозначность, присущая каркасному моделированию, в меньшей степени относится к сплошному моделированию. При использовании сплошного моделирования возможно со­здание недвусмысленных объектов, если последовательно при­меняются следующие критерии [33]:

1. Допустимость. Должен существовать трехмерный объект, соответствующий любому данному его представлению.

2. Уникальность. Должен существовать единственный трех­мерный объект для любого данного представления.

3. Лаконичность. Представление сплошного объекта не должно содержать избыточной информации.

4. Простота создания и модификации. Внутреннее представ­ление объекта должно быть максимально близким к модели, создаваемой проектировщиком.

Еще одним аспектом в отношении восприятия, подлежа­щим учету, являются преимущества цветных дисплеев. Ис­пользование цветных терминалов может приводить к увеличе­нию стоимости системы в целом, снижать достижимую разре­шающую способность отображения, уменьшать скорость пере­дачи данных и увеличивать сложность программирования и взаимодействия с системой. Цвет может быть полезен для представления САПР оператору, выделения информации на эк­ране и упрощения восприятия изображений. Если выбрана си­стема с цветными дисплеями, следует принять решение о ко­личестве необходимых цветов. Существуют различия в вос­приятии и скорости реакции человека на различные цвета. Расположение цветов в порядке убывания скорости их распо­знавания следующее: красный, голубой, желтый, зеленый, чер­ный, белый. Этот ряд сохраняется при любом цвете фона [78]. Идентификация цвета ухудшается с уменьшением освещенно­сти, хотя некоторые цвета являются более устойчивыми к ее снижению, чем другие. Красный цвет удобно использовать для наблюдения с некоторого расстояния, но при низкой освещен­ности он заметно меняет яркость. В то же время показано, что наиболее точно идентифицируется желтый цвет [31].

Экспериментальные результаты свидетельствуют, что цвет является ка'к бы «ключом» для быстрой идентификации выде­ленных областей. С целью определения эффективности цвето­вого кодирования были проведены лабораторные эксперимен­ты по восприятию человеком цветов на экране терминала ЭВМ. В типичном эксперименте фиксировалось время, необ­ходимое для распознавания цели на фоне отвлекающих эле­ментов, в то время как цель отличалась либо по цвету, либо по форме. Результаты показывают, что различия цвета обна­руживаются быстрее, чем различия формы [87, 106]. По дан­ным работы [87], распознавание цвета происходит в 2,25 ра­за быстрее, чем распознавание формы. При этом от субъектов не требовалось просматривать весь экран дисплея для обна­ружения появляющегося цвета, а обработка изображения про­исходила по всем параметрам одновременно.

Хотя эти результаты и показывают, что цвет удобно ис­пользовать для повышения скорости работы, результаты дру­гих экспериментов демонстрируют слабые преимущества ис­пользования цвета по сравнению с кодированием формы. На­пример, в работе [100] приведены результаты исследования методов отображения информации для диагностирования про­блемы по телефонной линии с использованием одновременно цветового кодирования и кодирования формы. Исследовались время принятия решений и допущенные при этом ошибки. Не было обнаружено различий ни в скорости, ни в характере до­пущенных ошибок при принятии решений на основе сравнения этих двух способов отображения. Однако при опросе операто­ров они указывают на предпочтительность использования цвет­ного дисплея по сравнению с черно-белым.

Ппследнн'ч подлежащим определению фактором является выбор используемых для выделения информации цветов. Че-

Цвет

Геометрические формы Толщина линий Типы линий Интенсивность

Источник: Foley J. D , Van Dam A., Fundamentals Of Interactive Computer Graphics, © 1982, Addison-Wesley, Reading, Massachusetts, P. 3—40. (Перепечатано с разрешения ); имеется перевод: Фолн Дж., вэн Дэм А Основы интерактивной машинной графики: В 2-х книгах. Пер. с англ. — М.: Мир. 1985.

Ловек способен различать примерно 50 оттенков цвета (см. гл. 5 тома 5), следовательно, приобретение САПР с количеством цветов, большим указанного, нецелесообразно. Исследователи полагают, что цвет следует умеренно использовать во избежа­ние возникновения впечатления хаоса на экране [18]. Макси­мальное количество цветов, которое следует использовать в информационном дисплее, — от 6 до 11 [11, 27, 37]. В табл. 6.3 приводится сравнение кодирования цветом с другими метода­ми по числу кодов, которые допускает каждый метод. Для ограничения числа цветов, применяемых в САПР, Фром [42] предложил использовать белый и черный цвет для меню, де­ления пространства экрана и информационных сообщений. Вы­деление цветом резервируется для важных сообщений и изо­бражений, нарушающих правила проектирования. При проек­тировании отображения с помощью цветового кодирования сле­дует учитывать, что операторы со слабой способностью разли­чать цвета должны тем не менее воспринимать важную ин­формацию. Приблизительно 8% мужчин неправильно воспри­нимают цвета, многие из них затрудняются при различении красного и зеленого.