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.
При разработке средств отображения движущихся объектов необходимо вносить поправки на скорость, длительность, путь и направление движения с учетом характеристик динамической остроты зрения и возможной оценки скорости [25].
Информационная емкость СОИ
Максимальное количество информации, которое может быть воспроизведено на СОИ, называется информационной емкостью. Значение этой емкости зависит от структуры информационного поля, количества позиций и числа символов в алфавите, закрепленном за позицией.
Информационная емкость СОИ, в которых информационные поля используют алфавиты с различным числом символов, закрепленные за определенными группами позиций, выражается соотношением
где 
- информационная емкость, бит;
- общее количество одновременно отображаемых элементов в пределах информационного поля;
- количество отображаемых знаков.
Если воспроизведение осуществляется на экране, то его емкость - это максимальное количество символов, воспроизводимых на экране. В данном случае информационную емкость определяют следующие параметры: площадь экрана - 
; расстояние между экраном и человеком-оператором; угол обзора, образуемый двумя лучами, направленными от глаза наблюдателя к крайним точкам экрана. Если 
и 
- линейные размеры экрана, то его площадь 
Общее количество одновременно воспроизводимых элементов на экране
где 
и 
- линейные размеры одного знакоместа. Информационная емкость
где 
- количество различных воспроизводимых знаков на экране.
Количество информации, воспроизводимое СОИ, в общем случае не равно информационной емкости. Оно возможно только в том случае, когда для любой позиции информационного поля равновероятно появление любого из символов алфавита. При появлении символов и алфавите 
, общем для всех 
- позиций информационного поля, количество воспроизводимой информации 
(бит) составит
где 
- вероятность появления 
-го символа, 
.
При вопроизведении разных алфавитов для различных групп позиций последнее выражение принимает вид
Информационную емкость экрана воспроизведения можно также характеризовать удельной информационной емкостью 
и площадью экрана 
. Тогда 
, т.е. удельная информационная емкость представляет собой количество информации, приходящееся на единицу площади экрана, и выражается в бит/см2.
Изобразительная возможность
Изобразительная возможность определяется языком изображения и возможными приемами оперирования с отображаемой информацией.
Язык изображения - это набор символов, который может быть воспроизведен на экране (алфавитно-цифровые знаки, условные знаки, линии, фигуры и т.д.). Количественный состав языка изображения определяется классом решаемых задач, т.е. разнообразием, числом градаций и явлений, информация о которых отображается на экранах СОИ.
Приемы оперирования с отображаемой информацией могут быть следующие:
- стирание, изменение, дополнение отдельных знаков;
- отображение символа с поворотом;
- отображений линий, заштрихованных областей;
- изменение форматов отображаемой информации (маштабирование);
- осуществление динамических изменений в обстановке (работа в реальном масштабе времени);
- использование различных цветов и полутонов;
- использование различных размеров знаков, разной толщины линий;
- использование мерцания.
В системах отображения информации количество символов может достигать 200400. Дальнейшее увеличение их числа нецелесообразно, т.к. это снижает мнемоническую ценность и затрудняет работу оператора в системе. Для конкретной задачи выбирается наименьший набор знаков, причем знаки должны легко запоминаться и опознаваться.
Быстродействие СОИ
Быстродействие СОИ зависит от скорости протекания физических и химических процессов регистрации воспроизведения информации. Под быстродействием СОИ понимают максимальное количество информации, воспроизводимое данным устройством в единицу времени. Быстродействие измеряется в бит/с, или количеством воспроизводимых знаков в секунду.
В средствах наглядного воспроизведения быстродействие определяется временем воспроизведения знака, измеряемым от момента поступления кодовой посылки до образования полного изображения на экране индикаторного устройства.
Быстродействие характеризуется также временем формирования воспроизводимой информации и временем выдачи информации. Время формирования определяется временем выборки данной информации из памяти ЭВМ и временем передачи массива информации на индикаторное устройство.
Время выдачи информации - это время, необходимое для приема информации, преобразования ее в конфигурацию символов и воспроизведения на экране устройства, отсчитываемое с момента поступления ее на выход источника информации, сопряженного с СОИ, до момента воспроизведения изображения.
Если рассматривать средства воспроизведения информации в информационной системе, то для быстродействия системы необходимо учитывать время запроса информации и время восприятия информации оператором. С оперативной и психологической точек зрения важно, чтобы изображение формировалось как можно быстрее, после того как оператор вызовет необходимую для воспроизведения информацию. Это время не должно превышать 2 с. По экспериментальным данным, время запроса в 3 с достаточно велико для того, чтобы операторы в 50 % случаев забыли, о чем они запросили [35].
Время восприятия человеком-оператором информации - это время, в течении которого оператор осмысленно воспринимает выданную на СОИ информацию. Оно характеризуется пропускной способностью человека.
С увеличением количества информации время восприятия ее человеком возрастает. Для сопряжения СОИ с человеком-оператором пропускная способность его должна перерабатывать в заданный период времени воспроизводимое количество информации.
Надежность СОИ
Под надежностью понимают вероятность сохранения основных параметров в заданных пределах в течение требуемого интервала времени.
При использовании СОИ в информационных системах надежность системы определяют как произведение вероятностей надежной работы каждого из ее составляющих. Решающим для обеспечения надежности является определение ее у оператора. Надежность человека - это способность к сохранению необходимых качеств в условиях взаимного усложнения обстановки.
Надежность человека-оператора определяется следующими факторами: его индивидуальными качествами, степенью подготовки, работоспособностью, маневренностью, гибкостью, выносливостью и т.д. Согласно закону надежности надежность оператора можно определить:
где 
- интенсивность отказов, определяемая по формуле
где 
- число отказов оператора в 
опытах.
Надежность СОИ в системе с последовательными звеньями, когда оператор может парировать отказы, возникшие в 
-звеньях, равна:
где 
и 
- вероятности отказа и безотказной работы 
-го звена за время 
; 
и 
- условные вероятности своевременного необнаружения и обнаружения отказа 
-го звена при его возникновении; 
- условная вероятность своевременного неустранения оператором отказа 
-го звена при его возникновении и несвоевременном обнаружении.
Для повышения надежности используют методы структурной избыточности или двух операторов, повторяющих одинаковые операции; при этом число ошибок уменьшается. Доказано, что если один оператор за 10 000 операций совершает 116 ошибок, то два за 1 000 000 операций - одновременно в 300 раз меньше [35].
Потребляемая мощность
Потребляемая мощность - это один из главных конструктивно-технических параметров. Существующие средства отображения пока еще не являются экономичными. Малая потребляемая энергия обеспечивается там, где элементами средств индикации являются люминесцентные материалы, светодиоды, жидкие кристаллы и некоторые другие.
Стоимость устройств отображения информации
Стоимость СОИ часто является определяющим параметром при выборе конкретного устройства. Общая стоимость СОИ при технико-экономической оценке складывается из стоимости изготовления (
) и эксплуатационных расходов (
эксп)
эксп.
Для сравнения различных устройств отображения используется понятие относительной стоимости (стоимость единицы информации, воспроизводимой на средствах отображения).
где 
- стоимость СОИ;
- количество воспроизводимой информации в битах.
