Наука и технологии

О методе анализа межсаккадических интервалов

Анализ движений глаз – популярное направление исследований в инженерной психологии и юзабилити. Прежде всего, анализируют зрительные маршруты, т.е. перемещения взгляда по внешней обстановке (монитору компьютера, пульту, приборам, внешним объектам). Считается, что в моменты фиксаций взгляда человек воспринимает и анализирует визуальную информацию.

Для анализа движений глаз используют разные методы. Самый популярный из них – видеоокулография, которая развивается в двух направлениях – наголовном и дистанционном.

Первое направление представляют различные конструкции, закрепляемые на голове человека, когда через систему из видеокамеры, световодов и инфракрасных подсветок глаз фиксируется как внешняя обстановка, так и метка (пятно) на ней, указывающее направление взгляда. Этот метод широко применяется для исследования человеко-компьютерного взаимодействия, различных видов операторской деятельности, особенно летчиков и водителей.

Второе направление развивается относительно недавно. Напротив человека на пульте или около монитора крепятся две видеокамеры. Первая фиксирует движения головы, вторая – повороты глаз. В результате рассчитывается точка фиксации взгляда на дисплее. Этот метод используется не только для анализа деятельности, но и для непосредственного управления (взгляд вместо мыши), особенно для тяжелобольных и парализованных.

Результаты многочисленных исследований как отечественных, так и зарубежных показали, что в наибольшей степени сложность деятельности связана с длительностью фиксаций взгляда. При этом длительность фиксаций как параметр оценки использовался в основном в тех видах операторской деятельности, которые связаны с активным информационным поиском. Максимальная длительность указанных фиксаций достигала нескольких десятков секунд.

Однако с позиции классификации существует два основных типа движения глаз. Первый – дрейфы, т.е. медленные движения глаза, второй – быстрые скачки или саккады. Фиксации как раз и представляют собой дрейфовые движения вблизи некоторого объекта или точки. При этом фиксация не может достаточно продолжительной, дрейф глаз является причиной сползания взгляда с точки фиксации, возврат на которую осуществляется с помощью саккад. Сами саккады бывают как контролируемые, произвольные, когда человек меняет точки фиксации, так и непроизвольные, т.е. неконтролируемые им, которые возникают в ходе фиксаций.

В работах отечественных исследователей показана особая роль саккад в цикличности переработки и дискретизации поступления зрительной информации, самого процесса видения.

Очень интересные результаты по исследованию движений глаз были получены в МГУ Ю.Б.Гиппенрейтер и ее сотрудниками. Ими было выдвинуто предположение, что саккады ограничивают любой «квант» процессов регуляции, даже если последний не использует зрительную информацию [2, с. 238].

Аналогичную позицию занимает другой наш исследователь В.А. Филин, которым разработана концепция автоматии саккад [7]. Согласно этой концепции саккады возникают не в ответ на стимул, а генерируются в определенном ритме в основном через 0.2-0.6 с подобно автоматии (ритмике) сердца и дыхания. Это подтверждается и тем, что саккады существуют при закрытых глазах и у слепых, когда вроде бы они не нужны. Но в случае умственной работы саккады следуют гораздо реже, т.е. интервалы между ними резко, в несколько раз увеличиваются.

Во многих работах показано, что при усложнении деятельности происходит увеличение интервалов между саккадами (или межсаккадических интервалов) как произвольного, так и непроизвольного характера [1, 2, 7, 8]. При этом диапазон изменения длительности указанных интервалов составляет значительную величину от 0.03 с [8] до 30 с и более [2].

Легко видеть, что длительность фиксаций и длительность межсаккадических интервалов во многом аналогично зависят от сложности деятельности. В то же время в понятии «длительность фиксаций» акцентируется больше внешний план деятельности, связанный с различного вида информационным поиском. Однако, этом всем известно явление, когда в случае глубокой задумчивости человек «смотрит, но не видит», т.е. глаз фиксирует какой-то объект, но человек его не замечает. Поэтому использование акцентированного на внешней стороне деятельности понятия «длительность фиксаций» в общем случае приводит к серьезной неоднозначности в понимании результатов анализа движений глаз.

Кроме того, термин «фиксация» предполагает неподвижность взгляда и, соответственно, глаз относительно некоторого внешнего объекта. Однако в ходе фиксации возможны медленные, дрейфовые движения глаз, приводящие к смещению взгляда по объекту, что делает нечеткими различия между отдельными фиксациями.

От перечисленных неоднозначностей свободно понятие «длительность межсаккадических интервалов», так как в нем нет привязки к внешнему или внутреннему плану деятельности, а также не предъявляется требование к неподвижности глаз. Поэтому нами было выдвинуто предположение, что наиболее адекватно свойства циклов регуляции должна отражать длительность межсаккадических интервалов (МСИ) движений глаз и она может быть использована как параметр оценки сложности психических процессов. Задача заключается в том, чтобы определить, какие диапазоны изменения МСИ соответствуют разным уровням психической регуляции.

Регистрация саккад в движениях глаз нами осуществляется достаточно комфортным методом электроокулографии (ЭОГ). Дело в том, что глаз человека представляет собой электрический диполь, т.к. его сетчатка имеет отрицательный заряд. Поэтому движение глаза, т.е. его поворот вправо-влево и вверх-вниз приводит к изменению разности потенциалов в окрестностях глаза. Их можно измерять, если на лице человека рядом с глазами прикрепить электроды, соединенные с усилителем (см. рис. 1).

image001.jpg

Рис. 1. Принцип работы ЭОГ.

Обычно используют 4-х электродную схему, когда измеряют вертикальную и горизонтальную составляющую движений глаз в ортогональной системе координат (см. рис. 2).

image002.jpg

Рис. 2. 4-х электродная схема ЭОГ.

Мы разработали новую 3-х электродную схему, измерение в которой происходят в косоугольной системе координат с лучшей точностью (см. рис. 3). Аппаратная часть системы регистрации ЭОГ состоит из электродов для съема потенциалов, усилителя с гальванической развязкой, аналого-цифрового преобразователя и персонального компьютера.

image003.jpg

Рис. 3. 3-х электродная схема ЭОГ.

Диапазоны изменения МСИ для каждого уровня регуляции получены с помощью специального метода таксономического анализа. Данный метод осуществляет группировку МСИ на пять групп, что позволяет разбить максимально возможный диапазон длительности МСИ от 0.03 до 30 секунд на пять поддиапазонов.

Параметры таксонов для разных уровней регуляции приведены в таблице 2. При этом размытость таксонов выражается в том, что они перекрываются, т.е. нижняя граница каждого следующего таксона меньше, чем верхняя граница предыдущего. Тем самым МСИ, попадающие в диапазоны перекрытия, нельзя однозначно соотнести с конкретным уровнем регуляции. Размытость границ между соседними таксонами увеличивается при возрастании уровней регуляции.

Таблица 2. Параметры таксонов МСИ для уровней психической регуляции деятельности

Уровни психической регуляции Таксоны МСИ (с)
1 Непосредственного взаимодействия 0.03 – 1.0
2 Опосредованной координации 0.9 – 2.0
3 Программно-целевой организации 1.9 – 5.0
4 Личностно-нормативных изменений 4.6 – 11.5
5 Мировоззренческих коррекций > 10.7

Для количественной оценки деятельности в процессе экспериментальных исследований параметры таксонов МСИ введены в программу обработки сигналов ЭОГ. Эта оценка осуществляется посредством отнесения каждого из регистрируемых МСИ к определенному таксону с помощью его сравнения со значениями границ таксонов. При этом наличие таксонов переводит количественную оценку МСИ (по номерам таксонов) в качественную (по уровням регуляции).

Программа позволяет получить в реальном масштабе времени графическое представление динамики деятельности в виде циклограммы длительностей МСИ, в которой по горизонтальной оси откладывается время деятельности (в секундах), на правой вертикальной оси – величины длительности МСИ (также в секундах), на левой – границы таксонов, которые на графиках обозначены в виде серых полос разной ширины, которая зависит от величины их размытости. Соответственно, каждый МСИ на циклограмме представляет собой столбец определенной высоты, попадающей в тот или иной таксон. В случае, если МСИ попадает в область размытости границ между соседними таксонами (т.е. в одну из серых полос), то такой межсаккадический интервал может относиться как к одному, так другому таксону.

Эксперименты с использованием данных методов проводились много лет для разных видов операторской деятельности – для анализа уровня профессиональной подготовленности космонавтов на тренажерах, для оценки сложности выполняемых космонавтом задач по управлению роботом-манипулятором для МКС в Канадском космическом агентстве, для оценки летчиков как на тренажерах, так и в реальных полетах, водителей-дальнобойщиков на компьютерном симуляторе и т.п.

Рассмотрим некоторые примеры результатов. Начнем с результатов исследований в школе летчиков-испытателей ЛИИ им. М.М. Громова. На рис. 4 представлена циклограмма МСИ для летчика Вл на тренажере вертолета Ми-8. Примерно до 230 с это типичная картина фактически для любого опытного летчика (МСИ меньше 1 с). А вот дальше была отработка нештатной ситуации посадки с выключенными двигателями, которая представляет серьезную опасность. В результате возникла МСИ примерно 6.5 с (проблемности личностно-нормативного уровня), что особенно показательно на всем остальном фоне.

image005.gif

Рис. 4 Циклограмма длительностей МСИ у летчика Вл на тренажере вертолета Ми-8.

На следующем рисунке (см. рис. 5) представлены результаты реального полета на самолете Ан-24. Показательно, что на фоне малых МСИ примерно на 43 с инструктор стал давать летчику указании по корректировке программы полета. Это привело к МСИ примерно 3 и 7 с, т.к. потребовало осмысления новых данных, т.е. возникли МСИ программно-целевого и личностно-нормативного уровней.

image007.gif

Рис. 5. Циклограмма длительностей МСИ у летчика Кн на самолете Ан-24.

Чрезвычайно интересную ситуацию отражает следующей рисунок (см. рис. 6). Примерно до 150 с это участок снижения и приземления – МСИ иногда более 1 с или около 2 с. Но вот сразу после касания полосы самолет без торможения начал разбег для нового взлета. А для этого летчик должен был быстро и аккуратно перевести оборудования самолета из посадочного режима во взлетный. Это требует строго соблюдения всех технических норм. Результат – МСИ примерно 10 и 7.5 с, т.е. проблемности личностно-нормативного уровня. После взлета опять наблюдаются мелкие МСИ.

image009.gif

Рис. 6. Циклограмма длительностей МСИ у летчика Кр на самолете Ан-24

На следующих рисунках 7 и 8 показаны результаты исследований на тренажере робота-манипулятора Международной космической станции в Канадском космическом агентстве. На них представлены данные для одного из операторов в относительно простой и сложной задачах.

image011.gif

Рис. 7. Циклограмма длительностей МСИ у оператора Лр на тренажере робота-манипулятора МКС (простая задача)

image013.gif

Рис. 8. Циклограмма длительностей МСИ у оператора Лр на тренажере робота-манипулятора МКС (сложная задача)

Видно, что в первом случае МСИ в основном менее 2 с и только иногда превышают эту границу. Во втором случае превышение границы 2 с имеет гораздо более выраженный характер и есть три МСИ, длительностью примерно 6, 5.5 и 7.5 с.

Последние рисунки иллюстрируют результаты исследований на автомобильном тренажере. На рисунке 9 показана циклограмма типичного вождения: МСИ не превышают 1 с.

image015.gif

Рис. 9. Циклограмма длительностей МСИ у оператора Тх на автомобильном тренажере (1)

На рисунке 10 показана ситуация, когда водитель нарушил правила и был перехвачен полициейской машиной с сиреной и мигалками. Это произошло примерно на 100 с, а осмысление ситуации и неопределенность в том, как поступать в этой ситуации привело к возникновению МСИ примерно 10 с, т.е. проблемностям личностно-нормативного уровня.

image017.gif

Рис. 10. Циклограмма длительностей МСИ у оператора Тх на автомобильном тренажере (2)

Выводы

Экспериментально доказана продуктивность методов анализа проблемностей и таксономии МСИ движений глаз для психологического анализа динамики индивидуальной деятельности на разных уровнях и оценки ее субъективной сложности. Этим они принципиально отличаются от других методов, имеющихся в настоящее время.

Результаты анализа, полученные с помощью разработанных методов позволяют выявлять критические интервалы деятельности, связанные с различными факторами, в т.ч. и недостатками интерфейсов, а также оценивать процесс обучения и сложность выполняемых задач.

Литература

  1. Буякас Т.М., Линде Н.Д. Эффект подавления саккадических движений глаз в процессе деятельности // Восприятие и деятельность. М.: Изд-во МГУ, 1976. С. 68-86
  2. Гиппенрейтер Ю.Б. Движения человеческого глаза. М.: Изд-во МГУ, 1978
  3. Зинченко В.П., Вдовина Л.И., Гордон В.М. Использование функциональной структуры процесса решения комбинаторных задач // Моторные компоненты зрения. М.: Наука, 1975. С. 191-192
  4. Голиков Ю.Я., Костин А.Н. Анализ многоуровневых процессов психической регуляции в операторской деятельности // Практикум по инженерной психологии и эргономике: Учеб. пособие для студ. высш. учеб. заведений / Под ред. Ю.К. Стрелкова. М.: Издательский центр «Академия», 2003. С.113-135.
  5. Голиков Ю.Я., Костин А.Н. Теория и методы анализа проблемностей в сложной операторской деятельности // Проблемность в профессиональной деятельности: теория и методы психологического анализа. М.: Институт психологии РАН. 1999. С. 6-79
  6. Голиков Ю.Я., Костин А.Н. Психология автоматизации управления техникой. М.: Институт психологии РАН, 1996.
  7. Филин В.А. Автоматия саккад. М.: Изд-во Московского университета. 2002.
  8. Филин В.А. О механизме непроизвольных скачков глаз и их роли в зрительном восприятии // Моторные компоненты зрения. М.: Наука, 1975. С. 69-101