Введение (Учебник - информационные системы), страница 4

Порог слышимости (минимальный уровень звукового давления) зависит от частоты звука. Человеческое ухо наиболее чувствительно в диапазоне частот 2000 … 5000 Гц. Громкость звука (уровень звукового давления) является амплитудной характеристикой. Звуки равной громкости слышатся по-разному, в зависимости от их частоты. Для учета этого факта, в физиологии используются кривые равной слышимости, приведенные к частоте 1 кГц. Громкость звука на этой частоте получила название фона. На этой частоте 1 фон равен 1 децибелу (дБ). Средний порог слышимости составляет 4 фона, а предельное значение громкости достигает величины 130 фон. При этом значении возникает звуковая травма. В частотной области пределы слышимости человека соответствуют диапазону 20 … 16000 Гц. Частоты и громкости звука, характерные для речи, образуют речевую зону. По частоте это, в среднем, 300 … 3500 Гц. Порог различения частот весьма субъективен, и также зависит от частоты сигнала. В оптимальной области 100 Гц он составляет  0,3% или 3 Гц. Заметим, что для музыкальных звуков частоты определяются принципами построения звукоряда. Так, для темперированной октавы, состоящей из 12 ступеней, каждая частота отличается от предыдущей в , или в 1,06 раза. Это различие вдвое выше указанного порога различения частот.

Слуховая ориентация в пространстве определяется бинауральным эффектом. Он основан на том, что расстояния от каждого уха до источника звука различны, и, следовательно, различны уровни звуковых давлений в соответствующей барабанной перепонке. Слуховая система способна воспринять эту разницу уже на уровне 1 дБ. Вычисленная временная задержка составит всего  3 10^-5 с, что соответствует смещению источника относительно центральной линии на 3⁰. При определенном навыке точность ориентации можно удвоить.

В.3.3. Механизмы зрения

Визуальные анализаторные системы человека - это сложные многоуровневые образования, служащие для анализа оптических сигналов. То, что воспринимается зрением, есть результат взаимодействия сенсорных и двигательных механизмов глаза и центральной нервной системы, поскольку как произвольные, так и непроизвольные движения глаз и головы заставляют изображение смещаться каждые 200 ... 600 мс. Мозг создает целостную картину из последовательности дискретных изображений. Движения, изменяющие направления взгля­да, устанавливают глаз в такое положение, при котором изображение попадает в ту точку сетчатки, где острота зрения максимальна. Крупный объ­ект сканируется глазом за счет резких скачков - саккад, амплитудой от нескольких угловых минут до 90^о, и скоростью до 500^о/с. Применительно к мелким объектам характерны микросаккады, частотой  20 ... 150 Гц и амплитудой в несколько угловых минут. В то же время, при сканировании быстродвижущихся объектов (со скоростью более 80^о/с) глаз отстает, и изображение «размывается», т.е. не попадает в область максимальной остроты зрения. (В этом случае, в дело вступает движение головы, что характерно, например, для зрителей на автогонках).

Зрительная система организована по явно выраженному иерархическому принципу. Ее основными уро­внями являются: фоторецепторы сетчатки глаза, зрительный нерв, область пересечения зрительных нервов (хиазма), зрительный канатик (место выхода зрительного пути из области хиазмы), а также нервные пути к зрительной коре головного мозга.

Сетчатка глаза представляет собой очень сложный орган. Ее рецепторный слой содержит два типа рецепторов:  6 10⁶ колбочек (образующих аппарат дневного, фотопического зрения) и  120 10⁶ палочек (относящихся к аппарату сумеречного, скотопического зрения). Количество колбочек и палочек неравномерно распределено в различных областях сетчатки; колбочек значительно больше в ее центральной части - центральной ямке и желтом пятне - зоне максимально ясного зрения. Здесь палочки отсутствуют, они распределены вокруг ямки. Желтое пятно несколько сдвинуто в сто­рону от места выхода зрительного нерва - эта зона, где рецепторов нет, называется слепым пятном. Геометрические особенности распределения цветового зрения по элементам сетчатки были впервые опубликованы в 1894 г. в работе А. Кенига. Он установил, что различение цвета зависит от углового размера объекта. Так, при угле большем 10’ объект представляется полноцветным, при угле (4,5 … 10)’ - двухцветным (ора­н­же­во-голубым), а при угле еще меньшем - ахроматическим (черно-белым).

Ч еловек относится к числу так называемых «фрон­тальных» млекопитающих, у которых зрительные поля (области, воспринимаемые каж­дой сетчаткой отдельно) пе­рекрываются. Это позволяет человеку выполнять точные манипуляции руками под контролем зрения, а также обеспечить точность и глубину видения (стереоскопическое или бинокулярное зрение). Бинокулярное зрение характеризует возможность совмещения образа объекта, возникающего в одной сетчатке, с образом объекта, возникающего в другой. Зона перекрытия зрительных полей обоих глаз соста­вляет  120^о, в то время как зона монокулярного видения составляет  30^о для каждого глаза (име­нно такой угол зрения имеет глаз, относительно его це­н­­тральной точки). Визуальная информация передается в головной мозг по зрительному нерву, состоящему из  1 10⁶ аксонов. Зрительные волокна, идущие от носовых половин сетчаток пересекаются в хиазме и переходят на противоположную часть зрительной коры, волокна же височных областей не пересекаются. Следовательно, участки сетчатки, расположенные к носу от средней линии (нозальные отделы), участвуют в механизмах бинокулярного зрения, а участки, расположенные в височных отделах (тем­поральные отделы) - монокулярного

Одно время считалось, что механизмы стереоскопии обу­сло­влены исключительно параллаксом, т.е. разностью углов зре­ния левого и правого глаза. Однако, хотя действительно расстояние одним глазом оценивается менее точ­но, чем двумя, утрата этой способности не так существенна, как в случае пространственного слуха. В настоящее время полагают, что восприятие глубины пространства за­висит также от ряда дополнительных факторов, в том числе зрительного опыта. Изображение объекта проецируется на сетчатку справа от центральной ямки в левом глазу и слева от нее в правом. Это позволяет при бинокулярном зрении создать неперекрещивающиеся двойные изображения. Их наложение осу­ществляется в так называемом циклопическом глазе, во­ображаемом органе, в который проецируются сетчатки правого и левого глаза (рис. В.7). Установлено, что изображение не будет двоиться, если объект находится в области гороптера.- кри­волинейной поверхности, на которой лежат узловые точки обоих глаз и точка фиксации. Бинокулярное зрение у людей не является врожденным и формируется в результате опыта в возрасте 8 … 27 недель

В.3.4. Особенности тактильной рецепции

Биологическая значимость тактильной сенсорной функции, пожалуй, наиболее высока. Действительно, отсутствие специальных видов чувствительности - зрения, слуха, обоняния и т.д. не приводит к гибели организма. Отсутствие же кожной рецепции несовместимо с жизнью. Существо, лишенное возможности воспринимать тактильную информацию, не могло бы уберечься от опасных внешних воздействий, о которых сигнализируют болевые ощущения, сохранять стабильность ориентации и движения в пространстве, поддерживаемые мышечным тонусом и т.д. Тактильная рецепция и в филогенетическом смысле является самой древней. Она объединяет несколько видов чувствительности, которые можно разделить на две категории: чувствительность, связанная с кожными рецепторами и виды чувствительности, связанные с рецепторами, находящимися в мышцах, суставах и сухожи­лиях.

Кожа является предохранительной оболочкой организма. Ее общая площадь достигает, в среднем 2,5 м². В коже, мышцах, суставах и сухожилиях находится огромное количество рецепторов. Вну­три кожи, например, можно выделить, по крайней мере, 4 са­мостоятельных вида рецепции: температурная (тепловая и холодовая), тактильная, болевая и вибрационная (иногда ее характеризуют е как зависимую от трех других). Этим четырем видам кожной чувствительности соответствуют различные рецепторные аппараты. К числу основных относятся [ ]: колбочки Краузе, раздражение которых дает ощу­­щение холода, цилиндрические рецепторы Руффини, формирующие тепловые ощущения, корзинчатые сплетения и тельца Меснера, ответственные за возник­но­вение ощущений прикосновения и давления и, наконец, так называемые свободные нервные окончания, связанные, по-видимому, с болевыми функциями. Кроме кожных рецепторов существуют рассмотренные ранее рецепторы мышц, суставов и сухожилий, связанные с проприоцептивной (кинестетической) чувствительностью. Они вырабатывают сигналы в тот момент, когда происходит изменение силовых факторов в опор­но-двигательном аппарате, являясь, таким образом, носителями информации о расположении и движении мышечно-суставного комплекса. Существует и ряд других ре­цепторов, назначение которых пока неизвестно.

В целом, кожа и опорно-мышечный аппарат представляют собой огромный распределенный рецептор, который вынесен наружу для первичной обработки контактных воздействий. Кожа неоднородна по количеству и характеру представленных в ней рецепторов. В ней есть места очень чувствитель­ные к прикосновению, температурным и болевым воздействиям, есть менее чувствительные. Например, у человека наиболее чувствительны - ладонь руки, язык; наименее - средняя зона спины. Различное количество рецепторов отражает неодинаковую значимость соответствующих участков тела. Рецепторы кожи в физиологии принято делить на три группы - медленно адаптирующиеся (МА), быстро адаптирующиеся (БА) и тельца Пачини (ТП). МА-рецепторы формируют непрерывный поток импульсов при постоянном механическом стимуле (например, действии веса на стопу). БА-рецепторы регистрируют механические стимулы, изменяющиеся во времени, причем величина реакции пропорциональные скорости деформации кожи. ТП представляют собой очень быстро адаптирующиеся рецепторы. В этом смысле, уместны следующие бионические аналогии. МА-рецепторы можно рассматривать как ЧЭ датчиков силы (давления) или деформации кожи. БА-рецепторы, время адаптации которых составляет  50 ... 500 мс подобны датчикам скоро­сти, а ТП-рецепторы являются ЧЭ датчиков ускорения или вибрации кожи. В тактильных системах их функцию выполняют датчики проскальзывания.

Для проведения раздражений от рецепторов кожи и опорно-двигательного аппарата, в организме существует три типа волокон, получивших название А, В и С. Эти каналы связи передают различную информацию и отличаются диаметром и степенью миелинизации, и, тем самым, скоростью проведения нервного импульса. Волокна типа А име­ют наиболь­ший диаметр ~ 8 ... 12 мкм и сильно миелинизированы, что позволяет передавать возбуждение со скоростью ~ 120 м/с. А-волокна являются каналами передачи сигналов тактильной и кинестетической природы, идущих от мышц, сухожилий и суставов. Волокна типа В, снабженные тонкой миелиновой оболочкой имеют меньший диаметр ~ 4 ... 8 мкм, проводят раздражение со скоростью 15 ... 40 м/с и связаны, в основном, с температурной и болевой рецепцией. Наконец, волокна типа С вообще не имеют миелиновой оболочки, обладают диаметром менее 4 мкм и скоростью передачи возбуждения ~ 0,5 ... 15 м/с. Они связаны с болевыми и, частично, температурными ощущениями. В тактильной рецепции, наряду с определенной специализацией наблюдается также перекрытие рецепторных каналов, отвечающих за различные функции. Так, болевая и температур­ная чув­ствительность преимущественно связана с самыми тонкими волокнами, а тактильные ощущения проводятся по наиболее крупным волокнам А и В.

Мы рассмотрели вкратце важнейшие бионические механизмы основных сенсорных функций, тех функций, которые являются основой информационной (сенсорной) системы робота. Подведем некоторые итоги. Заметим, что во многих случаях одна и та же поведенческая задача может решаться путем объединения нескольких сенсорных модальностей. Хорошим примером такого взаимодействия является движение. При ходьбе человек использует зрение, тактильную, кинестетическую, а также слуховую сенсорную функцию. Однако, обычно информация, постав­ляемая этими системами, оказывается избыточной. Например, чтобы пройти по улице до­статочно использовать всего три информационных канала. Замещение одной сенсорной функции другой получило название сенсорной компенсации. В частности, тактильная рецепция слепого частично замещает зрение. Принцип замещения широко используется в робототехнике.

В.4 Понятие об информационном подходе

Информационные связи в измерительной системе проявляются на всех ее уровнях. Действительно, в зависимости от масштаба анализируемых явлений каждая информационная структура может рассматриваться соответственно в терминах информационного устройства, информационной системы и информационной сети. Так, молекула в масштабе вещества является «элементарным кирпичиком», в масштабе собственных размеров - некой системой, в масштабе атома - сложной сетью взаимодействий. Данный подход позволяет информационную структуру различного уровня и различной природы рассматривать с единых - системных позиций и использовать принципы системного проектирования. Представление информационных устройств в виде некоторых технических систем (описываемых как совокупность взаимосвязанных аппаратно-програм­мных средств, име­­­­­­ющих общую функциональную схему и пред­­­назначенных на выполнение единой технической задачи) позволяет при­менять экстремаль­ные методы синтеза (например, метод целевых функций).

В качестве примера рассмотрим информационную систему (рис. В8) в которой происходит последовательное преобразование информации. Для простоты ограничимся двумя преобразователями R и Q. При анализе этой модели воспользуемся известным подходом К. Шеннона и Д. фон Неймана, определяющим информацию I как меру случайного выбора. Согласно этому подходу, в альтернативной ситуации любое событие оценивается не содержанием, а вероятностью или «редко­стью» его наступления. В результате при осуществлении выбора информации оказывается тем больше, чем мень­ше ожидается совершившееся событие. Тогда, при числе возможных вариантов событий n количество информации I, получаемой в ходе реализации выбора пропорционально ln n: