Masarykova univerzita Fakulta informatiky Demonstrační aplikace pro koncepční letový simulátor BAKALÁŘSKÁ PRÁCE Jaroslav Hanzlík Brno, podzim 2014
Prohlášení Prohlašuji, že tato práce je mým původním autorským dílem, které jsem vypracoval samostatně. Všechny zdroje, prameny a literaturu, které jsem při vypracování používal nebo z nich čerpal, v práci řádně cituji s uvedením úplného odkazu na příslušný zdroj. Vedoucí práce: Ing. Milan Brož i
Poděkování Na tomto místě bych chtěl poděkovat panu Ing. Milanu Brožovi, vedoucímu mé práce, za řadu cenných rad a podnětů. Dále bych rád poděkoval kolegům z laboratoří firmy Honeywell za příjemné pracovní prostředí. Děkuji také všem svým blízkým, pracovním kolegům a přátelům, kteří mě průběhu práce plně podporovali. ii
Shrnutí Technologický vývoj prostupuje nejedno odvětví a letectví není vyjímkou. Snímání pohybu by mohlo v budoucnu nahradit některé z ovládacích prvků leteckých kokpitů a přispět tak ke snížení nároků na pilota. Je jen otázkou času, kdy se tak stane. Tato práce shrnuje poznatky z návrhu designu a ergonomie ve vývoji leteckých kokpitů. Praktická část práce se zabývá snímáním pohybu rukou v prostorách simulovaného leteckého kokpitu. iii
Klíčová slova: HCI, letecký kokpit, snímání pohybu, ergonomie, Motive, Optitrack iv
Obsah Úvod... 1 1. Komunikace člověka s počítačem... 3 1.1. Člověk... 3 1.1.1. Tok informací... 4 1.1.2. Uchování informací... 7 1.1.3. Zpracování informací... 8 1.2. Počítač... 8 1.2.1. Příjem informací... 8 1.2.2. Zprostředkování informací... 10 1.3. Prostředí komunikace... 11 1.3.1. Modely interakce... 11 1.3.2. Náčrty systému... 12 1.3.3. Ergonomie... 13 1.3.4. Dialog... 15 1.3.5. Shrnutí... 18 2. Letecký kokpit... 19 2.1. Současný stav... 19 2.1.1. Letecké přístroje... 21 2.1.2. Hlavní řídící prvek... 25 2.1.3. Ergonomie... 26 2.2. Omezení vývoje... 30 3. Praktická část... 31 3.1. Optitrack demo... 31 3.1.1. Instalace... 31 3.1.2. Spuštění aplikace... 37 3.1.3. Použití... 38 3.1.4. Výsledek... 41 3.2. Zhodnocení... 42 Závěr... 44 v
Zkratky Tabulka 1: Anglické zkratky (1) Označení DO-160 DO-178 EASA EICAS FBW FCS FMS HSI ICAO MFD PFD RTCA TCAS Význam Environmental Conditions and Test Procedures for Airborne Equipment Software Considerations in Airborne Systems and Equipment Certification European Aviation Safety Agency Engine-indicating and Crew-alerting system Fly-by-Wire Flight Control System Flight Management System Horizontal Situation Indicator International Civil Aviation Organization Multi Function Display Primary Flight Display Radio Technical Commission for Aeronautics Traffic Allert and Collision Avoidance System Tabulka 2: Český překlad zkratek (1) Označení DO-160 DO-178 EASA EICAS FBW FCS FMS HSI ICAO MFD PFD RTCA TCAS Překlad Standard pro testování leteckého vybavení na účinky životního prostředí Softwarové nároky pro certifikaci palubních systémů a zařízení Evropský úřad pro leteckou bezpečnost (Palubní) Systém indikace a signalizace překročení limitů motorových veličin Elektronické řízení (Palubní) Systém řízení letu Systém řízení a optimalizace letu Navigační ukazatel (horizontální situace) Mezinárodní organizace pro civilní letectví Více-funkční zobrazovací jednotka/displej Primární letový displej Radiotechnická komise pro letectví Varovací protisrážkový systém vi
Úvod Už od pradávna se lidstvo muselo přesouvat nejen za potravou. Jednotlivé generace využívaly objevů své doby a tak lidstvo ke svému transportu obsadilo nejenom zemi, vodu, ale nakonec i vzduch. Éra letectví mohla naplno propuknout. Moderní technologie jsou základním kamenem letectví. Ale je to právě sám člověk, který je vytvořil, a je tak zodpovědný za jejich funkčnost. A i on je hlavním faktorem nebo viníkem většiny leteckých havárií. Kolize způsobené chybou jedince na palubě letadla nebo letištního personálu tvoří nadpoloviční většinu všech incidentů a havárií v leteckém provozu (2). Snahou dnešních společností a dalších zúčastněných stran v leteckém odvětví je, jak již na pozici civilního, tak armádního letectví, eliminace chyb způsobené lidským faktorem. K tomu jsou využívány moderní technologie, které vstupují již do počátku procesu konstrukce, vývoje, výroby, ale objevují se i v samotném provozu. Využití moderních technologií při vývoji leteckého kokpitu je možno rozdělit do několika úrovní. Cílem je nalézt nejenom optimální rozvržení ovládacích prvků na přístrojové desce, ale i uspořádání letecké přístrojů na kapitánském můstku. Mezi hlavní faktory ovlivňující celkovou použitelnost ovládacích prvků patří jejich samotná funkčnost za normálních i kritických situací. Na použitelnost má vliv frekvence použití, vzdálenost a dosah jednotlivých prvků pro pilota. Velká role je zde kladena na čitelnost a kontrast při jakékoliv nahodilé situaci. Pilot musí být schopen obdržet zpětnou vazbu z řídících či kontrolních prvků přístrojové desky, například při turbulencích nebo vibracích během přistání a vzletu. Tímto způsobem jsou testovány během vývoje velikosti textu, jejich typografická specifika, kontrast ikon i funkčních prvků zobrazovaných na řídících panelech. Prototypy kokpitů jsou následně otestovány skutečnými piloty za pomocí technologií, jako jsou zařízení pro snímání pohybu oka (eye tracking) nebo zařízení pro snímání pohybu objektů nebo lidí (motion tracking). Na základě dat z jednotlivých testů jsou pak upravovány prvky v kokpitu ještě dříve, než je samotné letadlo puštěno do výroby. Při samotném provozu letadel jsou nové technologie používány převážně ve vojenském odvětví, a to díky financím, které do něj plynou ze státních zdrojů. Jsou tak velice chráněny, protože je zde riziko, že by mohl nepřítel vyvinout lepší techniku, či použít tu naši. V kokpitech armádních letadel se kromě již výše zmiňovaných technologií uplatňuje především technologie neboli rozšířená realita (augmented reality, reálné okolí doplněné o počítačem generované prvky). Hlavním využitím rozšířené reality je zavedení této technologie do brýlí pilota, kde se na vnitřní straně pilotovi zobrazují potřebné informace. Tím pádem je pilot plně 1
soustředěn na svůj cíl a nemusí sledovat přístrojovou desku pro zjištění potřebných informací. Díky těmto technologiím je vytvořena další vrstva pro tok informací, usnadňující bojovým pilotům splnění jejich úkolů. Další technologií používanou v letectví je zpětná vazba ovládacích prvků (force feedback), kterou známe i mimo letecký průmysl, například u ovladačů pro počítačové hry. Jedním z cílů této bakalářské práce bylo zmapování momentálního stavu využívání technologií v leteckých kokpitech. Dalším z cílů bylo prozkoumat možnosti interakce člověka se stávajícími systémy a nalézt jejich přednosti a nedostatky. Pro praktickou část této práce bylo vybráno snímání pohybu, které jsem se pokusil ohodnotit a doporučit jeho spektrum využití a možnosti zabudování do kokpitů letadel. Na základě nabytých znalostí a výsledků fungování demonstrační aplikace, byly zhodnoceny reálné možnosti použití.. 2
1. Komunikace člověka s počítačem 1.1. Člověk Lidé nejsou stroje. S tímto faktem se pojí i omezení, které lidské tělo skýtá. Vytváří se důležitý prvek a tlak na vývojáře všech systémů, strojů a všech věcí nás obklopujících, se kterými přijdeme do styku. Od zvuku, který nás ráno probudí, přes horký hrnek s kávou, pokračujeme pohledem do ranních novin a to jsme stále neopustili vlastní obydlí. Abychom mohli něco pro někoho vytvořit, musíme znát a chápat vlastnosti a omezení, které lidské tělo představuje. Tento oddíl si klade za cíl připomenout vlastnosti, kterými lidské tělo disponuje společně s klady a zápory jeho částí. Člověk reaguje na podněty z okolí obdobně jako počítač. Můžeme proces vnímání a reakcí rozdělit do tří subsystémů známých jako Human Processor Model 1 (Obrázek 1 1). Smyslová, kognitivní a motorická část tvoří celek tohoto systému, kde most mezi smysly a reakcemi tvoří část kognitivní. V počítačové mluvě ji můžeme přirovnat k procesoru s pamětí a zbývající dvě části ke vstupním a výstupním kanálům počítače. (3 str. 12) Informace z okolí lidské tělo získává převážně z vjemů, oproti tomu informace předává za pomocí motorických funkcí. Za předpokladu pěti hlavních smyslů, jakými jsou zrak, sluch, hmat, chuť a čich, se zaměříme na první tři, které jsou pro komunikaci člověka s počítačem nejdůležitější. Chuť ani čich momentálně nemají zásadní roli v komunikaci člověka s počítačem (dále HCI), i když by se jejich využití jistě dalo najít. (3 str. 12) Obrázek 1 1: Human Processor Model (4) 1 Human Processor Model popsali ve své práci The Psychology of Human Computer Interaction Card, Moran a Newell (32 str. 12) 3
1.1.1. Tok informací Všechny vjemy člověka jsou nějakým způsobem limitovány. Jak již bylo uvedeno v úvodu kapitoly, pro návrh úspěšného řešení musíme tyto limitace znát a na jejich základě vymezit schopnosti, kterými lidské tělo disponuje. 1.1.1.1. Zrak Zrak je nejdůležitějším smyslem. Pomáhá zpracovat informace o okolí a významně se podílí na orientaci člověka v prostoru. Lidské oko je orgánem zraku se svými fyzickými limitacemi. O zpracování informací se však stará mozek, který dokáže zpracovat obraz i z nekompletních dat. Lidské oko je mechanismem, který přijímá světelné paprsky a ty následně transformuje do signálů směřujících do mozku. Zpracovat je možné pouze určitý rozsah vlnových délek, vyšší, či nižší světelné vlnové délky buď nejsou viditelné, či mohou způsobit poškození orgánu. Samotné zpracování signálů provádí lidský mozek. Pro vytvoření jednoho obrazu využívá signály z levého i pravého oka. Díky rozdílné poloze každého oka dokáže doplnit chybějící části obrazu jednoho oka obrazem jeho protějšku, způsobené například slepou skvrnou v zadní části sítnice (Obrázek 1 2). Dalšími omezeními jsou nestandardní poruchy zraku, na které je potřeba brát ohled při vývoji. Krátkozrakost, dalekozrakost, ale i barvoslepost nám dále člení skupiny uživatelů. V rámci možností by měl být finální produkt schopen pracovat s celou škálou uživatelů, nehledě na jejich limitace. Obrázek 1 2: Lidské oko (5) 4
1.1.1.2. Sluch Sluch je často odsunut až na druhé místo za zrak z pohledu důležitosti, nicméně jeho síla je často podceňována. Zavřeme-li oči, dokážeme na základě poslechu určit polohu a směr, odkud a kam zdroj zvuku směřuje. Spolu se zrakem tvoří sluch silnou dvojici pro celkovou orientaci člověka. Obdobně jako lidské oko, lidské ucho má tendenci slyšet zvuky v určitém frekvenčním rozmezí. Oproti některým zvířatům lidské ucho nedokáže rozeznat, či zachytit signály v příliš nízkém, či vysokém frekvenčním rozsahu. Amplituda frekvence, udávající hlasitost zvuku, může poškodit sluch při dlouhodobém překročení hranice 85 decibelů a krátkodobě při vyšších hodnotách. Lidský sluch si je v mnohém podobný lidskému zraku. Poruchy sluchu jako je nedoslýchavost, kde dochází k snížení schopnosti vnímat zvukové informace, můžeme přirovnat ke krátkozrakosti nebo dalekozrakosti. Hluchotu pak přirovnáme ke slepotě, kdy dochází k úplné ztrátě příjmu informací daným orgánem. Kromě sluchu je ve vnitřním uchu orgán pro orientaci v prostotu tvořen trojicí polokruhových kanálků (Obrázek 1 3). Fungují na podobném principu, jako gyroskopický kompas. Pro plnohodnotnou informaci o poloze mozek využívá skoro všech vjemů. Obrázek 1 3: Lidské ucho (6) 1.1.1.3. Hmat Obdobně jako všechny vjemy, je hmat specificky zaměřen. Nemůžeme říct, že kterýkoliv z vjemů dokáže alespoň částečně zaujmout pozici vjemu, který ztratil svoji funkčnost. Kdykoliv se něčeho dotkneme, zjistíme, zda je to horké, nebo 5
studené. Hmat v tomto působí jako varovný mechanismus. Provádí i nezbytnou zpětnou vazbu pro přímou manipulaci s předměty. Orgán hmatu, můžeme-li ho takto nazvat, není centralizovaný, tak jako tomu je u zraku a sluchu. Podnět dostává centrální nervový systém pomocí receptorů uložených v kůži, ve svalech a šlachách. Receptory nejsou rozprostřeny v těle rovnoměrně. V závislosti na hustotě a počtu receptorů jsou některé části těla více citlivé a naopak. Samotné receptory můžeme rozdělit do skupin, podle podnětu, který detekují. Tlakové, teplotní, dotykové a varovné signály bolesti poškození, ať již na povrchu těla nebo uvnitř. Citlivost na konečcích prstů je asi desetinásobná oproti citlivosti na předloktí a ještě mnohem větší oproti zádům. Dalšími faktory, ovlivňující citlivost jsou jak mechanická poškození, tak i chlad, popáleniny a v neposlední řadě únava. Dalším aspektem hmatu je schopnost rozpoznat pozici lidského těla a končetin. Tyto informace jsou detekovány za pomocí receptorů ve svalech a kloubech společně s polokruhovými kanálky z předchozí kapitoly. 1.1.1.4. Pohyb Pohyb je první z vlastností lidského těla, která má obrácený tok informací. Oproti hmatu, zraku a sluchu informace nezískává, ale předává dále. Informace z receptorů hmatu jsou zachyceny a předány do mozku. Zde jsou podněty zpracovány a vytvořena zpětná odezva. Následně je odeslána informace do svalů vykonávajících pohyb. Rychlost pohybu je velmi závislá na fyzických vlastnostech jedince, převážně pak na věku a fyzické kondici. Reakční rychlost je velmi odlišná na základě vjemového orgánu, ze kterého přichází. Kombinací několika signálů se reakční čas rapidně snižuje. Dalším faktorem ovlivňující reakční čas je dovednost a trénink. Společně se svalovou pamětí na danou aktivitu, se rychlost snižuje na minimum. Druhým atributem u pohybu je přesnost. Jedna z otázek, kterou si můžeme položit je, zda ovlivňuje rychlost pohybu míru přesnosti. Pokud ano, tak v jakém měřítku. Tato otázka je však velice široce položená a je závislá na uživateli a daném úkolu. V některých případech se zvýšenou rychlostí opravdu klesá míra přesnosti. Na tomto podkladu je položena většina arkádových her, kdy zvyšující se nárok na reakční rychlost vede k postupnému vyřazení méně dovedných hráčů. (3 str. 27) Rychlost a přesnost hrají významnou roli, v návrhu designu, při snaze zaměřit cílený prvek (tlačítko, lišta apod.). Daný problém je popsán velkým množstvím 6
pravidel a rovnic. Kupříkladu Fittovo pravidlo (Obrázek 1 4 a Rovnice 1-1), které měří rychlost, potřebnou k přesunutí kurzoru o vzdálenost D a zastavení na pozicí v rámci ohraničení, dané proměnou W. Rovnice 1-1: Fittova rovnice (7 sekce 2.3) D T a blog 2 1 W Obrázek 1 4: Fittovo pravidlo 1.1.2. Uchování informací Velká část každodenního života je závislá na naší paměti. Dovoluje nám pracovat s informacemi, které jsme získali s pomocí našich smyslů. Používat jazyk, ať už svůj rodný nebo cizí, k dorozumívání. Jak tedy paměť pracuje, a proč si někteří pamatují více než ostatní? Pro naši potřebu rozdělíme paměť na tři části. Senzorická paměť, krátkodobá paměť a jako třetí paměť dlouhodobá. (3 stránky 27 40) Senzorickou paměť můžeme přirovnat k obrazovce. Zobrazí nám informace pouze na zlomek vteřiny, pokud však potřebuje informace uchovat, dokáže ji uložit. Pro člověka to znamená zobrazení informací přicházejících z očí a následně jejich nahrazení aktuálnějším obrazem. Části, které jsou vyhodnoceny, jako důležité se přesouvají do krátkodobé paměti. Druhou částí paměti je paměť krátkodobá neboli pracovní. Uchovává informace na dobu pouhých několika vteřin. Vytváří spojovací prvek mezi senzorickou a dlouhodobou pamětí. Její kapacita je omezena na malý počet prvků, přibližně 7 ± 2. (3 str. 30) Jako poslední zbývá paměť dlouhodobá. Dá se říci, že kapacita dlouhodobé paměti je neomezená a dělíme ji na dvě části, explicitní a implicitní. Explicitní část můžeme dále rozdělit na epizodickou a sémantickou část. 7
Explicitní paměť se vztahuje k událostem z minulosti, které si spojujeme s příjemnými, či negativními zážitky (vzpomínky z dovolených, citové vztahy, sportovní úspěchy aj.). Sémantická část explicitní dlouhodobé paměti pojme informace, které si osvojujeme během života (matematické vzorce, kódy letišť, odletové časy pravidelných linek aj.). Implicitní část dlouhodobé paměti slouží k ukládání a vybavování si znalostí a dovedností a to i nevědomě. Převážně se ukládají zkušenosti a data v podobě motorické a svalové paměti. Jde o zautomatizování často opakovaných činností. Oproti explicitní paměti je zde možnost neustálého zlepšování a s tím spojená obtížnost zapomenutí dané činnosti. Jízda na kole či chůze je jedním z příkladů využití implicitní paměti. Jde o činnost, kterou provádíme nevědomě a i po delší době jsme schopni daný úkon zvládnout vykonat. (8; 3 stránky 32 38) 1.1.3. Zpracování informací V předchozích kapitolách jsme si připomněli, jak člověk informace získává a ukládá. Zbývá nám tedy pokrýt část, kde se informace zpracovávají a lidský mozek s nimi pracuje. Přesně v tento moment se člověk vzdaluje od zvířat, jelikož jeho myšlení je odlišné. Inteligence a množství vědomostí jedince zásadně ovlivňuje jeho myšlení. Jednoduché úkony typu sčítání dvou čísel nevyžadují velké množství znalostí. Naproti tomu hledat řešení úlohy na aerodynamiku křídel vyžaduje vědomosti v oboru matematiky, fyziky a zvláště mechaniky. Zmiňované příklady počítáme na základě postupu, krok za krokem, což je charakteristický přístup pro analytické myšlení. Opakem je myšlení intuitivní, kde výsledek nezískáme na bázi postupu, ale intuitivního odvození opírajícího se o již získané vědomosti. (3 stránky 39 51) 1.2. Počítač Od předchozí kapitoly o fungování lidského těla, přecházíme na druhou stranu naší komunikace člověka s počítačem. Počítač je vytvořen lidmi. Z toho pramení, že je zde zanechána stopa člověka, a tak nebude natolik těžké si některé vlastnosti přiřadit k těm lidským. Počet zařízení, se kterými člověk jakkoliv spolupracuje, se v posledních letech dramaticky zvyšuje. 1.2.1. Příjem informací Jedním ze zařízení, za pomoci kterého člověk předává informace počítači je klávesnice. Mluvíme tedy o textovém přenosu informací. Klávesnice může nabývat velkého množství tvarů a velikostí. Od klasické samostatné klávesnice, která je 8
součástí každého počítače či notebooku, po klávesnice na mobilním telefonu, bankovním automatu, či kalkulačce. Každá z klávesnic slouží k jinému účelu a z toho důvodu obsahuje tlačítka pro zadávání jiných hodnot. Kalkulačka nám v základní verzi nedovoluje zadávat písmena, obdobně tak i bankomat. Obě zmiňované klávesnice zpracovávají číslice, nikoliv písmena. Dotyková klávesnice v základním rozložení nedovoluje zadávat písmena z důvodu šetření místa na obrazovce, nicméně tato vlastnost je řešena za pomocí přechodu na klávesnici s čísly a speciálními znaky a zpět. Podobné zpracování rozložení je z důvodu úspory místa na dotykových obrazovkách v dnešní době zvláště viditelné u chytrých telefonů. Klávesnice (Obrázek 1 5) se skládá z klávesnicového rozložení typu QWERTY a numerického bloku. Společně s klávesou Fn je možné využít celou škálu znaků a funkčních tlačítek, která pro některé typy klávesnic nebyla možná. (3 stránky 63 71) Obrázek 1 5: Rozložení klávesnice (9) Celý předchozí odstavec bychom mohli charakterizovat, jako textový vstup informací. Kromě již známého způsobu předávání informací stlačením kláves (odpovídajících danému písmenu, slovu či funkci), můžeme využít i psané, či mluvené slovo. Mluvené slovo a od ní odvozené rozpoznávání řeči je detekováno mikrofonem. Jde o složitý problém, kde intonace, rychlost mluvy a hlavně obsáhlost rozlišitelných pojmů ve slovníku softwaru, je náročným úkolem při vývoji. Psané slovo, které dříve bylo jedinou možností pro předávání informací na delší vzdálenost, se dnes pomalu přesouvá do elektronické podoby. Rukopisem však můžeme předat informace počítači, obdobně jako tomu je u klávesnice a to za pomocí stylusu neboli elektronické tužky. (3 stránky 63 71) Funkcionalita klávesnice je jasná, kromě ní však používáme jako ukazovací zařízení počítačovou myš. Původní myš měla pouze dvě tlačítka, avšak některé 9
dnešní herní myši mají i více jak patnáct tlačítek. 2 Taktéž zaznamenávání pohybu se přesunulo od mechanického k optickému. Dalšími zařízení, které jsou svojí funkcionalitou podobné počítačové myši jsou: trackball, trackpoint a pro notebooky obvyklý touchpad. Trackball je funkcionalitou velice podobný klasické myši, zde však je myš ve statické pozici a kuličkou-snímačem pohybujeme palcem ruky. Trackpoint se dá přirovnat k zmenšenině joysticku. Neovládáme ho pákově pohybem celé ruky, nýbrž pouze jedním prstem. Touchpad je obdobně statický prvek jako trackball, nicméně přenos informací probíhá na ohraničené plošce za pomocí snímání pohybu prstů. Další možností určení polohy je použití stylusu. Jde o nástroj podobný tužce, na kterém je umístěno obvykle jedno až dvě tlačítka. Přenos informací je obdobný psaní na papír, nicméně papír je zde zaměněn za tablet citlivý na hrot stylusu. Všechny výše zmiňované aparáty jsou svojí funkcionalitou odvozené od původní počítačové myši. Pro určování polohy a ovládání můžeme použít i joysticky, gamepady, kurzory klávesnice a mnohé další. (3 stránky 63 71) 1.2.2. Zprostředkování informací Pro zprostředkování informací počítač využívá spoustu kanálů. Za hlavní médium pro zobrazení informací považujeme displej Do stejné kategorie pro zobrazování informací však patří i tiskárny, projektory, hologramy, poloprůhledné displeje a mnoho dalších. Všechny mají stejnou vlastnost a to, že informace člověk získává výhradně pomocí zraku. Počítač pro přenos informací využívá kromě zraku i dalších vjemů člověka. Dalším hlavním médiem je zvuk, až dále pak následuje hmat a nakonec experimenty s chutí, čichem apod. Počítač pro zobrazovanou informaci využívá displej, v dnešní době hlavně bitmapový. Jde v principu o plochu, která je rozdělena na velké množství pixelů. Každý pixel pak nabývá určitou barevnou hodnotu a dohromady jako celek tvoří výsledný obraz. Počet pixelů je dán rozlišením a poměrem stran displeje. Předchůdci dnešních bitmapových displejů byly CRT obrazovky. Katodová trubice je základním prvkem tohoto druhu obrazovek, nicméně CRT obrazovky jsou v dnešní době razantně vytlačeny technologií LCD. Oproti svému předchůdci jsou LCD displeje razantně menší, lehčí a spotřeba energie je taktéž nižší. Dnešní trh s mobilními telefony poskytuje obrovské možnosti pro rozvoj zobrazovacích zařízení. Základem dnešních obrazovek většiny telefonů a jim podobných kapesních elektronických zařízení displej využívající OLED (organic lightemitting diode) technologii. 2 Počítačová herní myš Razor Naga má v základní verzi 17 tlačítek. http://www.razor.com 10
Základní vlastností a nejdůležitějším faktorem pro jakýkoliv displej, či zobrazovací zařízení je jeho čitelnost. Nemusí vždy jít o obrazovku počítačovou, mobilní, ale patří sem i odjezdová tabule na nádraží. Určení velikosti a rozlišení je prvním krokem výběru vhodného displeje. Taktéž volba malého zorného úhlu může být vhodná pro bankomaty, nikoliv však pro odletovou letištní tabuli. Dalšími vlastnostmi jsou kontrast barev, svítivost displeje a obnovovací frekvence. 1.3. Prostředí komunikace V předchozích kapitolách jsme se zabývali lidským tělem a počítačem samostatně. Oba tyto subjekty jsou však velice složité a velmi si vzdálené ve svých vlastnostech. Zaměřením této kapitoly není zkoumat každý subjekt samostatně, ale společně jako jeden celek. Zajímá nás reakce systému na podněty uživatele. Vliv prostředí komunikace mezi subjekty na vzájemnou komunikaci a přenos informací. Pro návrh komunikace můžeme využít několik typů modelů a struktur. Tyto návrhy prostředí nám pomohou pro představu fungování spojení mezi uživatelem a počítačem. Následně budou užitečné pro identifikaci chyb či nedostatků, které se objevily v průběhu ladění, či běhu systému. 1.3.1. Modely interakce 1.3.1.1. Provedení a vyhodnocení Jednou z možností, jak přistoupit k návrhu, je postupné štěpení interakce na menší a menší části. Samotný cyklus můžeme rozdělit do dvou skupin: provedení a vyhodnocení. Podle Donalda Normana můžeme provedení definovat jako sérii několika kroků. Určit cíl, zformulovat záměr, definovat kroky provedení a následné provedení akce. Obdobně můžeme takto rozštěpit i fázi vyhodnocení. Vnímat a interpretovat stav systému, a jako poslední vyhodnotit jeho výsledek na základě prvních dvou stádií (určení cíle a formulace záměru). Sedm fází tvoří celek tohoto cyklu. Tato sedmice je používaná jako seznam bodů, kterými by se měli designéři řídit při návrhu. (10) 1.3.1.2. Struktura cyklem Další možnost, jak si pomoci při návrhu a vývoji, je za pomoci cyklických grafů (Obrázek 1 6). Každý z uzlů grafu reprezentuje část komunikace uživatel, systém, vstupní a výstupní složka. Vstupní a výstupní složky tvoří přechod mezi uživatelem a systémem, vytvářejí komunikační prostředí. Celý cyklus začíná na straně uživatele, který si určí svůj záměr a definuje ho do podoby, kterou může předat na vstupu. Na vstupu se tyto instrukce převedou do podoby příkazů, se 11
kterými dokáže pracovat jádro systému. Systém se transformuje na základě instrukcí, které mu byly předány. V tento moment končí část výpočtu (provedení) a začíná část vyhodnocování. Momentální stav sytému musí být předán uživateli. Výsledky jsou prezentovány na výstup, odkud jsou zpracovány uživatelem. Následně je na něm, zda byl původní cíl úlohy splněn, či je třeba provést další modifikované opakování na základě informací z předchozího cyklu. Obrázek 1 6: Cyklus návrhu (3 str. 128) Všechny tyto metody a prostředky mají za úkol vyvarovat se chybám při návrhu řešení. Nemusí jít vždy o komunikaci mezi uživatelem a počítačem, ale i kupříkladu ovládání světel ve velkých místnostech. Počítač je v tomto případě nahrazen světelnými rozvody. Vstupní data jsou předány spínači, jádro systému je elektronika za spínači a výstupem můžeme považovat rozsvěcování žárovek a z nich zářící světlo. Obvyklý problém pro ilustraci právě z tohoto prostředí je snaha rozsvítit pouze světla v určité oblasti místnosti. Postup zapnutí a vypnutí za pomoci kombinací vypínačů se opakuje a vytváří se cyklus, kdy se nám nedaří zapnout daná světla. Buď jich rozsvítíme velké množství, nebo přesně naopak. Zpětná vazba systému a zpracování informací probíhá na straně uživatele. Ten okamžitě rozpozná a porovná svůj cíl s aktuálním stavem osvětlení. I když je v dnešní době tendence přenechávat velkou část výpočtu na počítači, stále však mnoho zůstává na uživateli, jako tomu bylo v příkladu s osvětlením. Zde si můžeme klást otázku, zda jde návrh dobře řešen a pokud ne, jestli je možnost na základě získaných poznatků vylepšit. (3 stránky 124 130) 1.3.2. Náčrty systému Obrázek 1 6 je velice strohým náčrtem, aplikovatelným na velké množství návrhů designu. Pro lepší představu však tento model můžeme dále rozpracovat 12
pro detailnější pohled. Pro představu již při brzkém návrhu nebo i v pokročilém stádiu vývoje jde o účinnou pomůcku odchycení chyb a nedostatků. (3 str. 131) 1.3.3. Ergonomie V předchozí kapitole jsme si všimli, že každý zúčastněný v celkovém komunikačním schématu má svou vlastnost, na kterou se musíme zaměřit. Jako první přichází na řadu samotný uživatel a jeho specifikem je oblast ergonomie. Tento vědní obor je velice široký. Navzdory tomu, že je velice blízce spjat s HCI, je velmi odlišný. Cílem, či doménou tohoto oboru je studie charakteristiky ovládání, fyzického prostředí, ve kterém se komunikace odehrává a rozložení prvků, se kterými uživatel přichází do styku. V potaz se bere také pohled z hlediska psychologie osobnosti a jak daný systém na člověka a jeho emoce působí. 1.3.3.1. Rozmístění ovládacích prvků a displejů V kapitolách 1.1 a 1.2 jsme okrajově zmínili některé z vlastností, které jsou charakteristické pro ergonomii. Jak již bylo zmíněno, rozmístění prvků je jednou z větví, kterými se ergonomie zabývá. Prvky ovládání a jejich rozmístění by mělo být logicky uspořádané. Na první pohled se v určitých případech nemusí jednat o kritický prvek návrhu, ale praxe často ukáže pochybení. Rozložení nabývají kritických vlastností, v oborech, kde nutnost rychlého reakčního času a stresové situace vedou k selhání lidského faktoru. Lidská chyba v těchto případech může napáchat velké finanční škody nebo ztráty na životech, zvláště u profesí jako jsou piloti letadel a operátoři letištního provozu. Toto je právě jeden z důvodů, proč se k rozložení kontrolních prvků přistupuje jako k jednomu z kritických částí návrhu designu. Poloha prvků a jejich uspořádání by mělo být seskupeno na základě obdobné funkcionality. Dále je při vývoji nutno přihlížet na posloupnost operací. Kontrolní prvky, které je potřeba použít v určitém pořadí by měly být situovány za sebou. Poslední základní otázkou, kterou si klademe při návrhu s pohledem na ergonomii je frekvence využívání. Je logické, že nejčastěji využívané prvky jsou situovány do středu, popřípadě lehce dostupné v závislosti na možnostech a určení. Všechny tyto vlastnosti se vztahují na obě části komunikace s uživatelem. Nejde tedy pouze o ovládací prvky ve směru od uživatele, ale i prvky předávající informaci uživateli. V potaz se tedy berou nejenom mechanická tlačítka a uspořádání prvků v oknech systému, ale i všechny druhy displejů, kontrolních světel a uspořádání zobrazovaných informacích na obrazovkách. 13
1.3.3.2. Fyzická omezení uživatele Otázka, kterou si při návrhu pokládáme, je pro koho daný systém navrhujeme. Často však tato otázka se zaměří na požadavky uživatele, nebere však v potaz jeho fyzické vlastnosti. Pokud navrhujeme webovou aplikaci, či software do počítače, nemusíme se touto otázkou hluboce zabývat. Z tohoto důvodu se i dobře provedený návrh pro jednoho člověka nemusí stát stejně dobrým návrhem pro širší spektrum uživatelů Výška, je jedním z faktorů ovlivňující celkový vzhled a použitelnost. Možnost ovládat všechny prvky vzrůstově vysokými i malými lidmi může být požadavkem, na druhou stranu do skupiny malých patří i děti a těm by bylo vhodné zamezit ovládání některých prvků. Snaha o komfort je jedním z cílů ergonomie, proto se v potaz bere i výškové umístění ovládacích prvků. V kapitole 1.1.1 jsme se zmínili o omezeních, kterými jednotlivé lidské orgány mohou být ovlivněny. Pro doplnění by měl být zvážen i uživatel na vozíčku, či jinak pohybově handicapovaný. Není horšího scénáře, než člověk, který nemůže využít systém, jelikož je fyzicky indisponován a při návrhu tento scénář nebyl brán na zřetel. 1.3.3.3. Zdraví uživatele Zmiňovali jsme, že ergonomie je velice rozsáhlý vědní obor. Jednou z částí, na kterou se zaměřuje, je zdraví. Z prvního pohledu se nemusí jevit jako něco nebezpečného ve spojení s počítačem. Musíme brát v potaz délku trvání a intenzitu činnosti. V následující kapitole neřešíme, co špatný návrh systému může způsobit za škody a havárie, ale zaměřme se, co může způsobit uživateli, který s ním pracuje. Níže je pět základních pojmů, které by v souvislosti s ergonomií měly být promyšleny. Umístění Jak již bylo několikrát zmíněno, pozice prvků by měla být snadno dostupná. Nemělo by se předpokládat dlouhé stání, popřípadě nepřirozená nebo nepohodlná pozice uživatele. Obdobně je důležité i vhodné postavení zobrazovacích zařízení v závislosti na odlesky světla. Teplota Každý uživatel má nastavenou komfortní teplotu odlišně, nicméně obvyklá pokojová teplota je zlatým středem pro uvažování okolní teploty. Extrémy ať už vysoké, či nízké nesvědčí koncentraci uživatele při výkonu úlohy. 14
Osvětlení Jas displeje je jedním z faktorů, se kterým má velké množství uživatelů problém. Osvětlení a jas by z tohoto důvodu mělo být ovlivněno denním časem a prostředím, ve kterém uživatel bude pracovat. Hluk Na základě znalostí z kapitoly 1.1.1.2 víme, že hlasitý zvuk může být nebezpečný, z tohoto důvodu by měla hlasitost být regulovatelná. Berme však v potaz zvuk, jako možnost odezvy systému, či varování. Čas Umístění systému je úzce spjato s dobou trvání, po kterou systém uživatel používá. Cílem pak je zabránit přetížení způsobené dlouhodobým vypětím. 1.3.3.4. Použití barev V předchozích kapitolách jsme se zabývali ergonomií z pohledu fyzických charakteristik, rovněž barvy mají velký vliv na psychiku člověka. Taktéž už víme, že lidský zrak má své limitace (1.1.1.1 Zrak). Barvy v designu by měly být dostatečně rozdílné tak, aby nebyly zaměnitelné při rozdílném kontrastu barev. Za předpokladu, že je barva použita jako indikátor, neměla by být použita samostatně, ale doplněna o další indikátor ve formě popisu, zvuku apod. Toto pravidlo však není nutné používat u všeobecně známých a obvyklých situací. Kupříkladu u semaforu není nutné přidávat popis, jelikož konvenční seřazení červená-žlutá-zelená odshora dolů, je všeobecně známo. Při návrhu je třeba brát v potaz i rozdílné kulturní pojetí barev. Červená barva tak může nabývat více vlastností. Pro západní svět je červená barva brána jako nebezpečí nebo upozornění. Pro obyvatele Číny je to barva znamenající štěstí a radost. Z tohoto důvodu je třeba brát zřetel zvláště pro webové stránky a oblast potenciálních zákazníků. 1.3.4. Dialog Komunikaci člověka s počítačem můžeme brát jako typ dialogu. Výběr toho správného zásadně ovlivňuje výslednou kvalitu komunikace. Příkazový řádek Stal se prvním typem dialogu. V dnešní době je již skoro nepoužíván, avšak má stále spoustu svých zastánců mezi zkušenými uživateli. Pro člověka, který je novým uživatelem, není vhodnou volbou. 15
Menu Jedno z klasických dialogových rozhraní. Výběr je zobrazen a uživatel si vybírá správnou volbu. Charakteristické pro bankomaty. Přirozený jazyk Přirozený jazyk je předmětem intenzivního výzkumu a vývoje. Výsledné produkty zatím nejsou dokonalé. Rozdíly v intonaci, syntaxi a struktuře vět jsou rozdílné člověk od člověka. Připravit na takové rozdílnosti systém je velice obtížné. Pokud se však uživatel zaměří na slovník, kterým systém disponuje, jeho zadání bývá většinou úspěšně zpracováno. V tento moment, už bychom neměli použít termín přirozený jazyk, ale ovládání hlasem. Ukaž a klikni Pro tento případ je charakteristická počítačová myš, nemusí však být jedinou variantou výběru. Bezdotykové displeje fungují na stejném principu, místo myši však používáme dotyk prsty. Najetím myši nad aktivní prvek a následným kliknutím spustíme další akci. Dalšími variantami dialogu mohou být otázky a odpovědi, webové formuláře, textové tabulky a WIMP. WIMP je částečné propojení výše zmiňovaných variant, proto mu budeme věnovat vlastní kapitolu. 1.3.4.1. WIMP prostředí WIMP je zkratkou pro okna, ikony, kurzory a menu (windows, icons, menus, pointers). Dohromady tvoří komunikační prostředí, které je charakteristické pro velkou většinu dnešního softwaru počítače. Jde o odzkoušený princip, který je uživatelsky přívětivý, avšak závislý na jednotlivých komponentech. Kromě klíčových čtyř prvků, celý vzhled je tvořen i řadou dalších neméně důležitých částí. Samotné využití tohoto prostředí nebo jeho jednotlivých prvků, nezaručuje kvalitní design a ani úspěšnou komunikaci uživatele s počítačem. (3 stránky 141-143) Okna Tváří se a jejich posláním je uživateli psychologicky oddělit části systému. Okna se chovají jako samostatné jednotky, jejichž velikost nebo pozici si může uživatel upravit. Samozřejmostí je možnost otevřít větší počet oken současně, pro paralelní práci na několika úkolech. Ikony Nabývají obvykle podobu programu nebo akce, které reprezentují. Za každou ikonou by mělo být schováno, co daná ikona představuje, ikona tiskárny značí, že 16
půjde o tiskárnu, ikona odpadkového koše za sebou skrývá okno pro odstranění nechtěných souborů apod. Porušení těchto konvencí má způsobuje matení uživatele, který se cítí dezorientován. Kurzory Jsou nerozlučně spojeny s počítačovou myší. Jejich primární funkce je zobrazit pozici myši na obrazovce. Fungují na principu Ukaž a klikni. Aby uživatel byl schopen identifikovat, že dané pole je aktivní a skrývá se za ním nějaká akce, kurzor myši mění svůj tvar a tím pádem vypovídající hodnotu pro uživatele o prvku nad kterým se nachází. Menu Menu je posledním klíčovým prvkem a jedním ze čtveřice tvořící zkratku WIMP, jehož cílem je zobrazit možnosti výběru. Je žádoucí, aby jednotlivé možnosti byly výstižné a samotné menu nebylo příliš obsáhlé. Jednotlivé prvky by měly být odlišeny, v momentě kdy je nad nimi situovaný kurzor. U hlavního menu bývá obvyklé, že je viditelné nepřetržitě. Jinou možností je zobrazení menu po stisknutí pravého tlačítka myši. Menu je vyvoláno na pozici kurzoru a není tak fixně umístěno. Při řešení návrhu menu je dobré se zamyslet nad Fittovým pravidlem (Obrázek 1 4). Dlouhé seznamy položek v menu potřebují větší množství času pro výběr položek na samém konci, z tohoto důvodu se využívá kaskádovitý výběr položek. Na základě těchto informací je vypovídající, že určit počet a uspořádání položek je náročné. V tento moment je dobré si také připomenout zásady ergonomie, které se pro návrh menu velice hodí. Tlačítka Jde o aktivní prvky designu, které po stisknutí vyvolávají operaci. Často se vyskytují izolovaně. Tyto aktivní oblasti jsou indikovány rámečkem s popisem nebo ikonou (piktogramem). Lišty nástrojů Jednou z otázek, kterou se zabývá ergonomie, je umístění často používaných funkcí. Tuto problematiku řeší lišty nástrojů. Shlukují často používané funkce, které umisťují do lišt po krajích pracovní plochy. Zabírají méně místa, jsou snadno dostupné a obvykle poskytují možnost modifikace uživatelem tak, aby vyhověly jeho potřebám. Vyskakovací okna Pro případy, kdy chceme získat pozornost uživatele pro provedení důležité operace, využijeme vyskakovací okno. Tato operace spočívá v zobrazení nového okna, které vyžaduje akci od uživatele. Bez toho, aby uživatel provedl operaci nad 17
tímto oknem, není možno pokračovat v dalším běhu programu mateřského okna. Klasickým příkladem je vyskakovací dialog pro uložení souboru. 1.3.5. Shrnutí V této kapitole jsme se zabývali komunikací mezi uživatelem a počítačem. Snahou bylo ukázat na klíčové prvky návrhu a k čemu nám slouží. Zmínili jsme si otázky, které by měly být zodpovězeny před samotným návrhem, pomohli jsme si náčrtem komunikace celého systému a uživatele. V další podkapitole jsme se zabývali důležitostí ergonomie při návrhu a jejími klíčovými prvky. Rozmístění částí, ale i záležitostí týkající se zdraví uživatele. V krátkosti jsme si zmínili, že systém ovlivňuje i naše emoce. Poslední část byla zaměřena na dialog mezi uživatelem a naším systémem. Ukázali jsme si základní platformy pro dialog a v samostatné kapitole si rozebrali rozhraní oken, neboli prostředí WIMP. 18
2. Letecký kokpit Většina z nás se již někdy v minulosti pozastavila nad některými technologiemi, které se objevily ve sci-fi filmech nebo seriálech. Seriál Star Treck byl v tomto ohledu jedním z průkopníků.v osmdesátých letech minulého století představil poloprůhledné brýle a dotykové obrazovky. V tehdejší době šlo o sci-fi, pro generaci jednadvacátého století již jde o realitu. Představme si pilota, který sedí v kokpitu, před očima má displej, který mu zobrazuje horizont země, i když letí v naprosté mlze. Na palubní desce se vyjímají dva desetipalcové dotykové monitory, kde jeden z nich zbrazuje předpověď počasí a oblačnost v 3D modelu. A pokud se nenacházíme v komerčním letadle, přidejme si ještě spoustu informací, které se dokáží zobrazit na vnitřní stranu helmy pilota armádního letadla. Pokud si nejste jistí, zda je to realita, či nikoliv, tak věřte, že spousta mnohem zajímavějších technologií se právě testuje a vyvíjí. Rozpoznání řeči, gestikulace rukou, ale i automatické přistávání letadel jsou jen některé technologie, které se v nejbližší době ocitnou v plném leteckém provozu. 2.1. Současný stav Momentální stav letadel je diametrálně rozlišný v závislosti na stáří letadla a jeho účelu. Mezi staršími rekreačními letadly a nejnovějšími komerčními speciály jsou tak razatní rozdíly ve výbavě kokpitu, že přechod pilota v obou směrech je velice náročný. Mnohem razantnější pokrok je viditelný v armádní technice technologicky vyspělých států, ale následně I v civilních projektech. 19
Obrázek 2 1: Boeing 747 kokpit (11) Avionika zažila velkou změnu při přechodu z analogových ukazatelů na LCD panely a spolu s nimi nový termín glass cockpit 3 na počátku osmdesátých let minulého století. Ukazatele, které dříve pilot potřeboval pro stav letadla, se z několika samostatných analogových budíků přesunuly na dva LCD displeje. Tyto velké displeje, obvykle nazývané jako primární letový displej (PFD) a více-funkční zobrazovací displej (MFD), jsou doplněny mnohými dalšími podpůrnými. Mnohé nové displeje jsou spojené s přechodem z ručního ovládání letadla na elektronické řízení (FBW). Jelikož se elektronika postavila mezi mechanické prvky letadla a pilota, proto kupříkladu jedním z nových displejů instalovaných do letadel je i systém indikace a signalizace překročení limitů motorových veličin (EICAS). Na obrázku (Obrázek 2 1) je zobrazeno prostředí Boeingu 747. Tento model uspořádání patří ke starším verzím, jelikož využívá analogové ukazatele. Oproti tomuto se Gulfstream Symetry Flight Desk (Obrázek 2 2), instalovaný do posledních modelů G500/G600 výrobce, jeví mnohem jednodušeji. Oponovat by se dalo rozdílem ve velikosti letadel, kde Boeing 747 je čistě komerční dopravní letadlo, oproti tomu výrobce Gulfstream se specializuje na business letadla. Hlavní pointou je však ukázat vývoj z analogových leteckých přístrojů na digitální. 4 3 Pro letecký kokpit osazený elektronickými přístroji a (obvykle) LCD displeji budeme v práci nadále používat označení glass cockpit pro lepší čitelnost textu. 4 Pro ukázku, že je pokrok vidět i v rámci jednoho výrobce, je v příloze přiložena fotka kokpitu dopravního Boeingu 787 Dreamliner (787_cockpit.jpeg). (33) 20
Obrázek 2 2: Gulfstream kokpit (12) 2.1.1. Letecké přístroje Přechod na glass cockpit neproběhl během jedné iterace, ale šlo o dlouhodobý vývoj v oblasti avioniky. Přeskočme počátky avioniky a čistě mechanické přístroje, které se objevovaly v kokpitech před druhou světovou válkou a přejděme k přístrojům, které již obsahovaly elektroniku. 2.1.1.1. Primární letový displej Jeden z typů rozložení šestice přístrojů po druhé světové válce, který se zachoval až do dnešní doby, je rozdělen do dvou řad po třech přístrojích. Toto rozložení je stále typické pro většinu starších letadel, které nebyly předělány na PFD. Obvyklé složení šestice je následující. Barometrický výškoměr (altimeter indicator), rychloměr (airspeed ind.), variometr (vertical speed ind.), ukazatel polohy (attitude ind.), ukazatel kurzu (heading ind.), zatáčkoměr (turn coordinator) a magnetický kompas (magnetic compass). Vývoj těchto přístrojů s ohledem na pilota se během let změnil. Původní výškoměr používal tři šipky, kde každá šipka ukazovala na jiný řád hodnot. Nástupcem bylo bubínkové zobrazování výšky, avšak ručička pro 1000 stop (50x20 stop) byla zachována (Obrázek 2 3). 21
Obrázek 2 3: Bubínkový výškoměr (13 str. 5-4) Obrázek 2 4: Magnetický kompas (14 str. 7-23) Obrázek 2 5: Horizontal situation indicator (14 str. 7-21) Kompas se také dočkal změn. Změna z horizontálně orientovaného magnetického kompasu na vertikálně orientovaný gyroskopický ukazatel kurzu, zapříčinila lepší čitelnost a menší chybovost. 5 Inovace eliminuje riziko nechtěné záměny severu za jih (Obrázek 2 4). Pro usnadnění a snížení nároků na pilota byly některé z přístrojů spojeny do jednoho. Takovým příkladem je i navigační ukazatel horizontální situace (HSI), spojující funkce magnetického i gyroskopického kompasu spolu s rádiovou navigací a sestupovou rovinou (glideslope) (Obrázek 2 5). Tímto HSI nahradilo přístroj ukazatele kurzu na pozici uprostřed dolní trojice v rozložení šestice základních přístrojů. (14 stránky 5-10 až 5-16, 5-23) Obrázky Obrázek 2 6 a Obrázek 2 7 zobrazují přechod a mapování z původní základní šestice na PFD. Snahou není změnit návyky pilota za letu, avšak zobrazit mu stejné informace, jako při použití přístrojů základní šestice. 5 Chyby způsobené náklonem magnetického kompasu při zatáčení a akceleraci. Gyroskopický ukazatel kurzu takové problémy nemá, ale je třeba provádět kalibraci na základě magnetického kompasu. 22
Obrázek 2 6: Mapování přístorojů na PFD I. (14 str. 2-13) 23
Obrázek 2 7: Mapování přístorojů na PFD II. (14 str. 2-14) 2.1.1.2. Průhledový displej Prvotní myšlenkou, jak snížit zatížení pilota při přistání a vzletu, kde se odehrává nejvíce instrukcí v krátkém časovém úseku, bylo omezení nutnosti kontrolovat přístrojovou desku a nechat pilota sledovat prostředí před letadlem. Do prostředí kokpitů se instalovaly průhledové displeje (HUD). Jejich funkcí je zobrazit pilotovi v zorném poli dodatečné informace za pomocí technologie syntetického vidění. Tato technologie přidává dodatečné počítačově generované informace k reálnému obrazu (Obrázek 2 8). Obrácený postup, kdy se na displej přidává vrstva s reálným přostředím se nazývá enhanced vision. Obě tyto technologie mají společný cíl a to zobrazení dodatečných informací bez další zátěže pro pilota.(15 stránky 16 18) 24
Obrázek 2 8: Průhledový displej (15 str. 17) 2.1.1.3. Ostatní multifunkční displeje Kromě PFD se do glass cockpitu instalují i další multifunkční displeje (MFD). Obvykle obsahují navigační prvky jako systém optimalizace a řízení letu (FMS), zobrazují předpověď počasí, protisrážkové informace (TCAS) předávají informace o chybách (EICAS), a mnohé další. Rozložení kokpitu je vždy specifické pro dané letadlo, avšak je často postaveno na již zavedeném rozložení. Není vhodné dělat razantní změny, jelikož piloti se na jednotlivých strojích střídají. Při přechodu do nového letadla je snahou, aby pilot očekával zásadní ovládací prvky umístěné na standardních pozicích v kokpitu. 2.1.2. Hlavní řídící prvek Vývoj se odehrál na všech částech leteckého kokpitu a ovládací prvky nebyly vyjímkou. Velkou změnou, která rozděluje piloty na dva tábory a hlavně zásadně rozlišuje strategii mezi dvěma největšími hráči na poli výrobců letadel, je pohled na pravomoci softwaru letadla vůči pilotovi a s tím související rozdíl mezi středovým sloupkem a bočním joystikem. Strategie Boeingu je jednoznačná, nechat zásadní rozhodnutí na pilotovi a elektroniku přesouvat až na pozici podpůrné funkce, která má usnadnit řízení letadla. Na druhou stranu Airbus jde cestou ochrany, kdy hlavní roli má na starosti systém řízení letu (FCS) letadla. Airbus ve svých letadlech již delší dobu využívá systém FBW, naproti tomu Boeing na tento systém přešel až s modelem 777. Není však náhodou, že rozdíl v 25
řízení a rozložení v kokpitu se u Boeingu s přestupem na FBW nezměnil. Pilot stále používá stejné rozložení středového sloupku a pedálů pro řízení primárních řídících ploch, avšak ovládání již není hydromechanické. Do cesty komunikace byl vložen FCS, který přepočítává úhly v ovládacích prvcích na úhly pro akční členy řídících ploch. Z pohledu pilota však žádná změna v základním ovládání letadla při naklánění, zatáčení a klopení nenastává. (16 str. 42) Obvyklým případem rozdílného přístupu je také chování letadla při snaze opustit limity, kdy technologie letadla zaručuje bezpečný a efektivní let (envelope 6 ). Středový řídící sloupek bude signalizovat odpor při provádění nestandardního manévru, kdy náklon letadla vystupuje z envelope, avšak pilot i přes tuto signalizaci může manévr dokončit. Aplikujeme-li stejný případ pro Airbus, tak neuspějeme. Elektronika v letadle nedovolí letadlu přesáhnout envelope pro riskantní manévr. Letadla Airbusu tak nedosahují plný rozsah svých schopností, na druhou stranu možnost dostat dopravní letadlo typu Boeing do pozice břichem vzhůru není bezpečným manévrem. 7 (17 str. 168; 16 stránky 34 43) Hlavním důvodem, proč tento rozdíl popisujeme je rozdíl v ovládání mezi středovým sloupkem a bočním joystikem. Obě strategie přístupu mají své klady i zápory, které se v konečném důsledku vyrovnávají. Finální rozhodnutí spadá na osobní preference jednotlivce, zda upřednosťnuje ovládací prvek umístěný mezi nohy pilota, či u levé ruky (pravé ruky pro druhého pilota). 2.1.3. Ergonomie Standardní let se skládá ze sedmi částí, počínaje posunem po ranveji a vzletem a konče přistáním. Každá z fází vyžaduje specifické úkony od pilota a je též rozdílně časově i operačně náročná. Nejkritičtějšími fázemi jsou vzlet a přistání. 2.1.3.1. Pozice přístrojů vůči pilotovi Nejzákladnějším, ale často zapomínaným prvkem v návrhu designu je usazení pilota do správné pozice v prostoru kokpitu. (18) Špatné nastavení sedadla může mít za následek nedostatečný výhled (Obrázek 2 9), rychlejší únavu či dokonce nemožnost dosáhnutí na ovládací prvek. V tomto případě nemusí jít o špatný návrh rozložení, ale o možné pochybení na straně pilota. 6 Obálka (letových parametrů, režimů, výkonů, omezení) 7 V obou případech počítáme, že jde o letadla létající na principu FBW, nikoliv mechanicky ovládaná. 26
Obrázek 2 9: Vlastnosti nastavení výšky sedadla pilota 8 (19 str. 28) V zorném poli pilota (Obrázek 2 10) by měly být umístěny všechny kritické informace, potřebné pro ovládání letadla, speciálně pak HUD. Dalšími důležitými částmi jsou PFD a autopilot. Toto tvrzení platí zvláště pro vzlet a přistání, oproti tomuto však umístění pro rádiovou komunikaci může být bez problémů umístěno v panelu nad hlavou pilota. Obdobně pak pro navigaci můžeme použít středový panel. Obrázek 2 10: Zorné pole člověka 9 (19 str. 26) 8 1. obrázek zleva: příliš nízké posazení, omezuje pohled dolů při přistání. 2.obrázek: optimální výška posazení. 3.obrázek: příliš vysoké posazení způsobuje špatnou viditelnost na přístroje 9 Zelená plocha zobrazuje optimální rozsah pro rotaci očí, bez nutnosti pohybu hlavy nebo těla. Tmavě zelený pruh označuje optimální úhel pro pozici displejů v rozsahu 30 pod horizontální linií oka. Akceptovatelná poloha displeje je určena na 45 pod a 5 nad horizontální linií, i s přispěním lehkého náklonu hlavy vpřed. 27
Při ovládání letadla není předpokladem, že pilot bude sledovat pozice svých rukou. Z tohoto důvodu nemusejí být páky palivové přípusti umístěny v zorném poli, ale uprostřed mezi piloty. Spoléhá se zde na hmat pilota, který dokáže rozpoznat jednotlivé páky. 2.1.3.2. Ovládací prvky Navážeme-li na předchozí odstavec, hlavním důvodem při návrhu ovládacích prvků, je jejich nezaměnitelnost v krizových situacích. Pilot musí být schopen manipulovat s důležitými ovládacími prvky i za snížené viditelnosti v kabině způsobené kouřem apod. Jednou ze zajímavostí je kupříkladu směr u vypínačů pro pozice zapnuto respektive vypnuto. Snahou je zajistit stejný směr, ať se nacházejí pod palubní deskou, na palubní desce v zorném poli pilota nebo na panelu nad hlavami. Stejně jako zesilujeme hlasitost ve směru hodinových ručiček, tak filosofií Boeingu je přechod do stavu zapnuto pohybem odspodu nahoru, bez závislosti na lokaci vypínače (Obrázek 2 11). Obrázek 2 11: Směr kontrolních vypínačů (20) Kromě směru, ve kterém vypínače pracují je třeba i dalších knoflíků. Velká část je hmatem rozpoznatelná, jelikož využívá jinou strukturu povrchu. Určitý podnět pro výrobce je i ze strany FAA, doporučující barvy a tvary pro ovládací prvky. (20) S rozšířením MFD do kokpitů je třeba vyřešit otázku, jakým způsobem zajistit ovládání. Otočným ovladačem, trackballem, touchpaddem, dotykovým displejem nebo i jinak. Mezi všemi způsoby není jasný vítěz. Dotykový displej je nejsnadnějším prvkem co se týče rychlosti výběru možností a oplývá nejmenší chybovostí při výběru za klidných podmínek. Na druhou stranu není ergonomicky komfortní a v případě turbulencí je mnohem těžší na ovládání než ostatní, jelikož 28
ruka zde nemá žádnou podpěru. (21 stránky 599-609) Systémy Garmin používají okraje displeje z gumy, zajišťující opěrný bod pro prsty pilota. Obdobně pak výběr není závislý na stisku, ale je vybrán až při zvednutí prstu od displeje. Nad všechny tyto prvky dotykové MFD vyžadují ještě potvrzení výběru. Jde o doplňující krok, zamezující nechtěnému výběru možnosti na displeji. (22) 2.1.3.3. Funkce barev v kokpitu Zmíněny byly určité standardy a snahy o podobnost mezi kokpity letadel. Nejde však pouze o rozložení prvků v kokpitu, ale i barevné schéma a vlastnosti, které jednotlivé barvy znamenají. 10 Běžné barevné schéma obsahuje dobře viditelné barvy (Tabulka 2-1). Podmínkou je, aby si zachovaly svou barvu ve dne i v noci a to na přímém světle i ve stínu. I přes možnost nastavení jasu jednotlivých displejů se tyto vlastnosti přesouvají i na kontrolní prvky, které neobsahují LCD, či jiný typ displeje. Tabulka 2-1: Užití barev a jejich charakteristiky (20) Zelená Bílá Fialová Modrozelená Červená Oranžová/Žlutá Černá Aktivní prvek, vybraný mód Ukazatele Připravený prvek, ukazatel, Neaktivní, informační charakter Varování, nebezpečí Výstraha Prázdné místo, neaktivní prvek nebo vypnutý systém 2.1.3.4. Shrnutí Několikrát bylo zmíněno, jak je nezbytné udržovat určité standardy, snažit se nezavádět převratné novinky a zaškolovat piloty na nové stroje. Velice zajímavým zdrojem nejenom pro vývoj leteckých systémů z pohledu HCI je Human Factors Design Standard (HFDS) od FAA, který obsahuje doporučení, kterými by se mělo odvětví řídit. (23) Určitě zde vzejde otázka, jestli tyto standardy nezpomalují vývoj v letectví, na kterou si odpovíme v následující kapitole. 10 Přehled standardů a doporučení k nalezení na http://colorusage.arc.nasa.gov/guidelines_specific.php 29
2.2. Omezení vývoje Každý vývoj je určitým krokem vpřed, ale vždy se pouštíme do neznáma. Jakákoliv změna s sebou nese rizika, že něco nebude fungovat dle předpokladů. Letectví celkově je velice rizikový obor a i sebemenší chyba může být placená životem. Z tohoto důvodu se do kontroly zapojují vlády jednotlivých zemí a s tím vzniklé množství úřadů. Český úřad pro civilní letectví spadá pod Evropský úřad pro leteckou bezpečnost (EASA). EASA je certifikační autoritou pro státy Evropské Unie a je nadřazená národním úřadům. Společná nadřízená organizace pro jednotlivé úřady letectví 191 členských států OSN je Mezinárodní organizace pro civilní letectví (ICAO). (24; 25) Skoro všechny aspekty vývoje, výroby a řízení civilních letadel nějakým způsobem podléhají regulím ze strany certifikačních autorit. Certifikace je důležitým krokem pro přechod letadla do běžného provozu. Hlavním důvodem a snahou, pro certifikaci je vyloučení možných chyb, jelikož daný prvek nemá žádnou historii a není zde možnost ověřit jeho funkčnost v dlouhodobém měřítku. V rámci certifikace výrobce definuje svůj produkt a určí, na základě jakých regulí probíhal vývoj. Následně musí prokázat, že předpoklady byly splněny. (26 stránky 7-1, 7-2) Příprava dokumentů s samotné dodržování regulí již během vývoje softwaru (DO- 178C), či splnění podmínek pro vlivy životního prostředí na hardware (DO-160G) a mnohé další jsou velice časově náročné. 11 11 Revize C u DO-178 a revize G u procedury DO-160 byly posledními verzemi dokumentů k listopadu roku 2014. Aktuální revize jsou k nalezení na stránkách Radio Technical Commission for Aeronautics (RTCA). http://www.rtca.org/ 30
3. Praktická část Teoretická část práce se zaměřila na komunikaci člověka s počítačem na obecné úrovni s následným zaměřením na prostředí leteckého kokpitu. Pro praktickou část byl vybrán snímač pohybu a jeho instalace do prostředí simulovaného kokpitu a následné zachycení pohybu a ovládání. 3.1. Optitrack demo Optitrack je systém od výrobce NaturalPoint určený ke snímání pohybu za pomocí rosmístěných infračervených kamer. Obdobnými produkty využívající technologie snímání za pomocí infračervených kamer je Kinect a Leap Motion. Pro možnosti zaznamenání pohybu v kokpitu letadla však byl pro demo vybrán právě Optitrack, pro jeho rozsah zaznamenání pohybu.. 3.1.1. Instalace Technologie snímání pohybu je postavena na zachycení odrazu infračerveného záření a jeho přepočet do soustavy tří dimenzí. K tomuto slouží reflexní prvky, které odrážejí infračervené záření a jsou tak snímané speciálními kamerami jako pouhé body bez okolního, nejlépe černého, prostředí. Tato technologie má největší využítí má v herním a filmovém průmyslu, kdy je za pomocí nasnímání kostry digitálně vymodelován objekt a ten následně postprodukčně přidán do záběru. Letecký kokpit se liší od možností filmového průmyslu zvláště v rozloze prostoru a viditelnosti snímaných objektů. Pro správně nasnímaný záběr je třeba, aby každý bod byl viditelný minimálně dvěmi kamerami. Při instalaci do prostorů kokpitu jsem se setkal se spoustou omezení. Některá bylo možné odstranit, některá jsou neodstranitelná, avšak nezabránila provedení experimentu. Největším problémem bylo rozestavění kamer tak, aby zachytávaly právě ruce pilota a zároveň nebyly schovány za panely a sedadly. Původní plán rozmístění pouze v přední části kokpitu byl zamítnut při první kalibraci. Postupně se docílilo rozmístění (Obrázek 3 2), které bylo možné zakomponovat do prostor laboratoře a zároveň podporovalo dostatečné pokrytí prostoru pilota. 31
Prostor je snímán osmi kamerami typu Flex 13 12, rozdělených do dvou skupin. První čtveřice je rozmístěna před pilotem pod horizontem očí, druhá zabírá pozici za hlavou pilota. Samotný experiment byl prováděn na pozici kapitána, z tohoto důvodu je směr kamer nastaven do prostoru levého sedadla kokpitu. Kamery se připojují k počítači pomocí dvou Optitrack OptiHub přístrojů, které spojují a synchronizují data z kamer a odesílají je pomocí USB kabelů. Samotný výpočet je pak prováděn v počítači s pomocí softwaru Motive (27), dodávaného ke kamerám Optitrack. Motive lze spustit pouze s licencí na výrobní číslo kamer a hardwerovým klíčem. Obrázek 3 1: Optitrack základní rozložení kamer (28) 12 Informace a technické specifikace k naleznutí na https://www.naturalpoint.com/optitrack/products/flex-13/specs.html 32
Obrázek 3 2: Optitrack rozmístění kamer Flex 13 3.1.1.1. Kalibrace Při prvním spuštění i kdykoliv v budoucnu, pokud se změní poloha a směr kamer, je třeba provést kalibraci systému. Po spuštění Motive si s pomocí nastavení v červeném obdélníku (Obrázek 3 3) upřesníme správné zaměření kamer. Následně upravíme hodnoty pro snímání a to jak expozici kamery, práh pro rozpoznání reflexního předmětu a sílu vyzařovaného infračerveného záření. Na obrázku (Obrázek 3 3) je patrný i problém s odlesky, který ve volném prostoru nenastane. Pokud jsme s nastavením spokojeni, využijeme možnost blokování viditelných odlesků a viditelnosti ostatních kamer za pomocí tlačítka ve žlutém rámečku (Block visible). Dále začneme zanamenávat polohu (Start wanding) za pomocí tyče se třemi reflexními body (v našem případě byla použita velikost 250 mm. Obrázek 3 4). 33
Obrázek 3 3: Motive kalibrace Po nasnímání dostatečného množství dat spustíme kalkulaci.po dokončeném výpočtu je vhodné si kalibraci uložit. Poslední částí kalibrace je pak nastavení podlahy, pro určení souřadnic systému, za pomocí vodováhy ve tvaru písmene L a třemi reflexními body (Obrázek 3 4). Jako poslední je třeba nastavit odesílání dat z Motive. V okně odesílání dat (Data Streaming) nastavíme potřebné údaje. Typ spojení (Unicast), hodnoty pro ovládací port (1510) a datový port (1511). Tímto máme kalibraci hotovou a schéma v Motive můžeme přepnout do rozložení zachycení. 13 Obrázek 3 4: OptiWand, Calibration Square 13 V příloze je zahrnut výsledný soubor kalibrace. 34
3.1.1.1. Aplikace Program, na kterém experiment běžel byl postaven na kostře již fungujícího programu zprostředkovávajícího komunikaci mezi daty vysílanými z Motive a naší aplikací. Tato aplikace byla rozšířena o funkcionalitu snímání dat na rukavici společně s rozšířením možností kontroly. Hlavní snahou v programové části bylo zanechání funkcionality stávajícího kódu a jeho rozšíření pro další typ snímání pohybu. Byla doplněna dokumentace, přidány komentáře pro snažší čitelnost pro budoucí práci a provedeno dodatečné testování již stávajících funkcí. Samotný kód je však stále určen pro fázi vývoje, nejde tak o finální verzi pro jeden specifický typ snímání. Popis v program se dá v krátkosti popsat následně. Displej i ruka pilota jsou každý osazený třemi reflexními kuličkami. Ruka pilota zde funguje stejně jako počítačová myš. Ovládá dvě osy pohybu na displeji a třetí -kolmá osa k displeji, funguje jako stisknutí levého tlačítka. 3.1.1.2. Programová část Zdrojový kód, psaný v prostředí Visual Studio 2012 (29), byl rozšířen o novou třídu, Glove (Obrázek 3 5). Nejdůležitější funkcí této třídy je metoda Glove::Update (Zdrojový kód 3-1). Do funkce jako parameter vstupuje vektor bodů charakterizující kostru ruky, kterému bylo v Motive přiřazeno ID v rozmezí 30 ;39. Následně byla určena nejdelší a nejkratší strana trojúhelníka tvořícího kostru ruky. Na základě délek určíme dva body přímky, které tvoří ukazatel na displej voláním funkce Glove::GetPointingDirection (Zdrojový kód 3-2). Obrázek 3 5: Diagram tříd (29) 35
Zdrojový kód 3-1: Funkce Glove::Update /* * / /** * Maps position of points in triangle from vector of Glove's rigid body points * * @param points - vector of points defining rigid body of Glove */ void Glove::Update(const vector<point> &points) { if (points.size() == GLOVE_POINTS_NUMBER) {... // Computes longest and shortest side of triangle auto longestside = max_element(begin(numbers), end(numbers) ); auto shortestside = min_element(begin(numbers), end(numbers) ); int raybegin = distance(begin(numbers), longestside); int rayend = distance(begin(numbers), shortestside);... // Maps direction point of the ray from param origin switch (rayend) { case 0: m_points[etriangletop] = p3; break; case 1: m_points[etriangletop] = p1; break; case 2: m_points[etriangletop] = p2; break; default: assert(!"the default case of rayend switch was reached."); } Zdrojový kód 3-2: Funkce Glove::GetPointingDirection /* * / /** * Defines ray direction using two points from the Glove rigid body * * @param origin - initial point of ray * @param end - direction point of ray */ void Glove::GetPointingDirection( Point &origin, Point &end ) { origin = m_points[etrianglebottom]; end = m_points[etriangletop]; } Funkce stisknutí tlačítka myši probíhá protnutím pomyslné stěny před displejem. Tato vzdálenost, příkazy pro stisknutí a povolení levého tlačítka jsou implementovány ve funkci Scene::Process (Zdrojový kód 3-3). 36
Zdrojový kód 3-3: Funkce Scene::Process... // Click left mouse button if (end.distance(intersection) <= 300.0) { if (!m_clicked) { m_clicked = true; // left down Input.type = INPUT_MOUSE; Input.mi.dwFlags = MOUSEEVENTF_LEFTDOWN; ::SendInput(1,&Input,sizeof(INPUT)); //play click sound, sound used from http://www.partnersinrhyme.com PlaySound(TEXT("CLICK18A.wav"), NULL, SND_SYNC); } } else { // left up ::ZeroMemory(&Input,sizeof(INPUT)); Input.type = INPUT_MOUSE; Input.mi.dwFlags = MOUSEEVENTF_LEFTUP; ::SendInput(1,&Input,sizeof(INPUT)); }... m_clicked = false; 3.1.2. Spuštění aplikace Po provedení všech kroků popsaných v kapitole 3.1.1, je před samotným spuštěním potřeba určit jednotlivé prvky pro experiment. Monitor v rozích osadíme reflexními kuličkami, obdobně pak osadíme i ruku tak, aby nám dva body určovaly směr, kterým chceme ukazovat (Obrázek 3 7, Obrázek 3 9 a Obrázek 3 11). V motive vytvoříme kostry monitoru a ruky. Pro kostru monitoru nastavíme ID kostry (Obrázek 3 6) na hodnoty 10 ; 19, obdobně pro kostru ruky na hodnoty 30 ;39. Pro snadnější orientaci můžeme změnit název. Jde čistě o snadnější rozlišení koster v prostředí Motive, nemá však vliv na běh programu. Nakonec spustíme samotný program. 37
Obrázek 3 6: Motive nastavení kostry 3.1.3. Použití Experiment byl proveden nad třemi různými osazeními reflexních prvků na ruce. Předpoklad byl takový, že bude nezbytné použít pevnou kostru definující ruku pro zaznamenání pohybu. Další kladenou otázkou bylo, jak razantní vliv bude mít typ reflexního prvku na snímání pohybu. Pro pokus byla použita reflexní plocha a reflexní kulička. 3.1.3.1. Experiment: Pevná plocha První experiment byl proveden na pevné ploše, opatřené třemi reflexními ploškami (Obrázek 3 7). Hlavní nevýhodou použití ploch místo prostorových těles je jejich horizontální zaměření kamerami ve stejné výšce. Kamera tak dokáže zachytit pouze reflexní plochy pod omezeným úhlem. Obrázek 3 7: Pevná plocha Kostra ruky 38
Snímaná pozice je vypočítána z menšího množství kamerových dat, ovlivňující výsledné určení polohy (Obrázek 3 8). Výhodou je pevné určení bodů, které se během experimentu nemohou změnit a i po opětovném spuštění je kostra stále dobře rozpoznatelná. Obrázek 3 8: Pevná plocha Experiment 3.1.3.2. Experiment: Volné body Druhý experiment vyzkoušel vytvoření kostry nalepením reflexních prvků pomocí suchých zipů na rukavici. Výhodou oproti předchozímu experimentu (Experiment: Pevná plocha) se stalo použití reflexních prostorových kuliček místo reflexních ploch. Jednou z nevýhod je proměnná pozice, jelikož reflexní prvky nejsou pevně ukotveny. Obrázek 3 9: Volné body Kostra ruky 39
Výsledný obraz experimentu (Obrázek 3 10) je sice o něco lepší, než prvně provedený, nicméně stále nedosahuje očekávaných kvalit. Z pokusu vyplývá, že délka se může nepatrně měnit, i když není okem registrovaná. Optitrack dokáže při dobré kalibraci rozlišit sebemenší odchylky pozic reflexních bodů, u kterých předpokládá, že budou neměnné. Obrázek 3 10: Volné body Experiment 3.1.3.3. Experiment: Oficiální snímač Poslední experiment, od kterého se očekávalo nejvíce byl za využití oficiálních koster pro snímání pozic rukou. Tato kostra spojuje dva předchozí experimenty (Obrázek 3 11). Pevnou kostru z prvního experimentu a reflexní kuličky z druhého. Obrázek 3 11: Optitrack Hand Kostra ruky 40