percepção humana

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Percepção humana sobre

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  • Percepo Humana na Visualizao de Informao Crtica

    Hugo Miguel dos Reis Costa Sousa

    Fevereiro 2009

  • Percepo Humana na Visualizao de Informao Crtica

    Dissertao submetida para satisfao parcial dos requisitos do Curso de Mestrado em Tecnologia Multimdia

    Hugo Miguel dos Reis Costa Sousa Licenciado em Informtica (Ensino, de) pela Universidade dos Aores (2006)

    Orientador

    Joo Manuel Ribeiro da Silva Tavares Professor Auxiliar da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto

    Departamento de Engenharia Mecnica e Gesto Industrial

    Fevereiro 2009

  • Agradecimentos

    Em primeiro lugar, ao professor Joo Tavares; por todo o interesse e apoio que demonstrou desde o

    primeiro momento e ao longo da elaborao desta Dissertao; pela partilha de conhecimento; pelo permanente

    incentivo excelncia. Sem ele, este seria por certo um projecto inacabado.

    Na Faculdade de Engenharia, a todos os que tiveram a amabilidade de colaborar na fase experimental; e

    ao Danilo e Helena, meus colegas de Mestrado, pelos remos de nimo e conversas.

    Ao Lus Cruz e ao Hugo Ferreira, controladores na Torre de Controlo do Porto, pelo tempo e explicaes

    que me concederam.

    Aos colegas e amigos, em particular aos do ARO do Porto; que pelas perguntas, sugestes e participao

    na parte experimental, foram um estmulo. Ao Paulo Silva e ao Carlos Borges, em especial, por todo o interesse

    com que me ouviram divagar acerca da investigao.

    Ao Ivo, meu amigo, por me lembrar de mim; aos meus pais e ao meu irmo, a minha janela para casa,

    pelo vosso exemplo e por todas as palavras de encorajamento.

    Raquel Por tudo. Sem ela, seria eu o projecto inacabado.

  • Aos meus Avs; Lus, Odlia e Conceio.

  • Sumrio Esta Dissertao resultou de um trabalho de investigao que se centrou, fundamentalmente, em trs

    domnios: Percepo Humana, Visualizao de Informao, e Interaco Homem-Computador no Controlo de

    Trfego Areo. O principal objectivo foi o de estabelecer uma relao entre estas trs reas de estudo, de modo a

    que fosse possvel fundamentar devidamente o desenvolvimento de uma nova ferramenta de visualizao de

    informao. Uma vez atingido esse objectivo foi ento possvel proceder implementao e avaliao da

    ferramenta concebida.

    Os primeiros captulos desta Dissertao explicitam vrios aspectos relativos s caractersticas de

    funcionamento do sistema cognitivo humano, relacionando-os com princpios e fenmenos considerados

    relevantes para a visualizao de informao. So depois analisados os principais problemas de visualizao

    existentes no domnio dos processos de Controlo de Trfego Areo. Do cruzamento destas duas de linhas de

    investigao surgiu a ideia do desenvolvimento de um filtro visual baseado no efeito Blur. Este filtro insere-se

    numa categoria de ferramentas de visualizao de apoio aos Controladores de Trfego Areo que tentam

    melhorar a gesto dos recursos cognitivos, atravs da eliminao de informao visual irrelevante para uma

    determinada tarefa.

    O filtro desenvolvido resulta da combinao de quatro algoritmos de pesquisa visual de informao

    crtica com o efeito Blur. Para avaliar a performance deste filtro foi construdo um Simulador de Controlo de

    Trfego Areo que serviu de plataforma de testes, numa experincia de pesquisa visual. Considerando as

    caractersticas do filtro Blur e os resultados obtidos na fase experimental, chegou-se concluso que este filtro

    uma alternativa s estratgias de filtragem actualmente utilizadas em displays radar.

  • Summary This Dissertation results from a research work that was centered, mainly, in three domains: Human

    Perception, Information Visualization, and Air Traffic Control (ATC) Human-Computer Interfaces. The main goal of

    this analysis was to establish a relationship between these three areas of study in a way that the development of

    a new visualization tool was well grounded from the theoretical perspective. Once this goal was achieved, it was

    possible to start the implementation and evaluation of the developed tool.

    The first chapters of this Dissertation are dedicated to the description of the main mechanisms and

    features of the human cognitive system, linking them with phenomena considered relevant to information

    visualization. Air Traffic Control visualization problems are then analyzed. From the intersection of these two main

    research lines, results the idea of developing a visual filter, based on the Blur effect. This filter belongs to a

    category of ATC tools that attempt to eliminate irrelevant information available to Controllers in their visual search

    tasks, thus, improving their cognitive resourse management.

    The developed filter consists of a combination of 4 ATC filtering algorithims with the graphical blur filtering

    strategy. In order to evaluate the performance of this filter, an ATC simulator was also developed. This simulator

    was used in a visual search task experiment. Considering the main features of the proposed filter and the results

    obtained in the experimental stage of this study, it is concluded that the filter developed is an alternative to

    current filtering strategies used in ATC radar displays.

  • ndice

  • ndice

    i

    NDICE DE FIGURAS .................................................................................................................................................... v LISTA DE SIGLAS E ACRNIMOS .........................................................................................................................xiii CAPTULO I..................................................................................................................................................................... 1

    1.1 - ENQUADRAMENTO.................................................................................................................................................. 3 1.2 - OBJECTIVOS E ABORDAGEM ADOPTADA ................................................................................................................. 3 1.3 - ESTRUTURA ORGANIZATIVA ................................................................................................................................... 4 1.4 - PRINCIPAIS CONTRIBUIES ................................................................................................................................... 5

    CAPTULO II ................................................................................................................................................................... 7 2.1 - INTRODUO .......................................................................................................................................................... 9

    2.1.1 - Evoluo do conceito..................................................................................................................................... 9 2.1.2 - Mundo real e mundo percepcionado............................................................................................................ 10

    2.2 - DEFINIO............................................................................................................................................................ 11 2.3 - PROCESSO PERCEPTIVO......................................................................................................................................... 11 2.4 - ABORDAGENS PERCEPO ................................................................................................................................ 12

    2.4.1 - Nveis de anlise .......................................................................................................................................... 13 2.5 - PERCEPO DIRECTA VERSUS PERCEPO INDIRECTA.......................................................................................... 13 2.6 - FISIOLOGIA DA PERCEPO................................................................................................................................... 14 2.7 - SISTEMAS SENSORIAIS E MEIO AMBIENTE.............................................................................................................. 14 2.8 - ASPECTOS NEUROFISIOLGICOS DA PERCEPO VISUAL....................................................................................... 15

    2.8.1 - Crebro ........................................................................................................................................................ 15 2.8.2 - Neurnios..................................................................................................................................................... 16 2.8.3 - Organizao cerebral .................................................................................................................................. 17 2.8.4 - Codificao sensorial .................................................................................................................................. 18

    2.9 - SISTEMA VISUAL HUMANO.................................................................................................................................... 18 2.9.1 - Propriedades da luz ..................................................................................................................................... 18 2.9.2 - Pathway Visual Central ............................................................................................................................... 19

    2.10 - PROCESSAMENTO INTEGRADO DE INFORMAO VISUAL..................................................................................... 24 2.10.1 - Topografia e funes das reas do crtex occipital .................................................................................. 25 2.10.2 - Problema da Integrao de Caractersticas .............................................................................................. 25

    2.11 - VISO COMPUTACIONAL .................................................................................................................................... 29 2.11.1 - Extraco de informao........................................................................................................................... 29 2.11.2 - Processsamento distribudo ....................................................................................................................... 29 2.11.3 - Modelo de processamento perceptivo........................................................................................................ 29

    2.12 - SUMRIO ............................................................................................................................................................ 30 CAPTULO III ............................................................................................................................................................... 33

    3.1 - INTRODUO ........................................................................................................................................................ 35 3.2 - ORGANIZAO PERCEPTIVA.................................................................................................................................. 35

    3.2.1 - Abordagens Tericas Organizao Perceptiva ........................................................................................ 35 3.2.2 - Modelo de organizao perceptiva.............................................................................................................. 40 3.2.3 - Segmentao ................................................................................................................................................ 41 3.2.4 - Organizao Figura/Fundo ......................................................................................................................... 49 3.2.5 - Interpolao visual ...................................................................................................................................... 51

    3.3 - IDENTIFICAO DE OBJECTOS ............................................................................................................................... 52 3.3.1 - Teorias de Identificao .............................................................................................................................. 53 3.3.2 - Modelo de Identificao .............................................................................................................................. 54 3.3.3 - Inteligncia Perceptiva ................................................................................................................................ 55

    3.4 - SUMRIO .............................................................................................................................................................. 56 CAPTULO IV................................................................................................................................................................ 59

    4.1 - INTRODUO ........................................................................................................................................................ 61 4.2 - SELECO VISUAL ................................................................................................................................................ 61

    4.2.1 - Campo visual e acuidade ............................................................................................................................. 61 4.2.2 - Movimento dos olhos ................................................................................................................................... 63 4.2.3 - Ateno visual.............................................................................................................................................. 65

    4.3 - CAPACIDADE ........................................................................................................................................................ 78 4.3.1 - Limitaes de performance.......................................................................................................................... 79

    4.4 - INTRODUO PERCEPO DA COR, LUMINOSIDADE E MOVIMENTO ................................................................... 81 4.4.1 - Descrio computacional da percepo da cor........................................................................................... 82 4.4.2 - Mecanismos fisiolgicos da cor................................................................................................................... 84

  • Percepo Humana na Visualizao de Informao Crtica

    ii

    4.4.3 - Teorias da viso da cor................................................................................................................................ 86 4.4.4 - Fenmenos bsicos ...................................................................................................................................... 87 4.4.5 - Experincia e cor ......................................................................................................................................... 91 4.4.6 - Percepo da Luminosidade........................................................................................................................ 91 4.4.7 - Funes da cor............................................................................................................................................. 92 4.4.8 - Categorizao e Cor .................................................................................................................................... 93 4.4.9 - Factores perceptivos na aplicao da cor ................................................................................................... 94 4.4.10 - Uso da cor em Sistemas de Gesto de Trfego Areo ............................................................................... 95 4.4.11 - Problema computacional da percepo do movimento ............................................................................. 97 4.4.12 - Funes da percepo de movimento ...................................................................................................... 100 4.4.13 - Mecanismos fisiolgicos .......................................................................................................................... 101 4.4.14 - Percepo de movimento e Experincia .................................................................................................. 103 4.4.15 - Aplicao do Movimento na Visualizao de Informao....................................................................... 104

    4.5 - SUMRIO ............................................................................................................................................................ 105 CAPTULO V ............................................................................................................................................................... 109

    5.1 - INTRODUO ...................................................................................................................................................... 111 5.2 - PROCESSO DE ACESSO INFORMAO................................................................................................................ 111 5.3 - LINGUAGEM VISUAL ........................................................................................................................................... 111

    5.3.1 - Poder de uma visualizao ........................................................................................................................ 112 5.3.2 - Semntica visual ........................................................................................................................................ 113 5.3.3 - Sintaxe visual ............................................................................................................................................. 113

    5.4 - REPRESENTAO VISUAL DE INFORMAO ........................................................................................................ 113 5.4.1 - Correlao................................................................................................................................................. 114 5.4.2 - Glifos.......................................................................................................................................................... 114 5.4.3 - Entidades, Relacionamentos e Atributos.................................................................................................... 115 5.4.4 - Integrao de informao verbal e visual ................................................................................................. 115

    5.5 - INTERACO HOMEM-COMPUTADOR EM SISTEMAS DE GESTO DE TRFEGO AREO ....................................... 117 5.5.1 - Sistema ATM.............................................................................................................................................. 117 5.5.2 - Filosofia de design..................................................................................................................................... 121 5.5.3 - Princpios gerais de design de interfaces .................................................................................................. 122 5.5.4 - Displays Radar .......................................................................................................................................... 124

    5.6 - PROBLEMAS DE DETECO E INTEGRAO DE INFORMAO VISUAL ................................................................. 130 5.6.1 - Confuso perceptiva .................................................................................................................................. 130 5.6.2 - Procura visual............................................................................................................................................ 131 5.6.3 - Integrao visual ....................................................................................................................................... 131

    5.7 - SUMRIO ............................................................................................................................................................ 132 CAPTULO VI.............................................................................................................................................................. 133

    6.1 - INTRODUO ...................................................................................................................................................... 135 6.2 - OBJECTIVOS E HIPTESES................................................................................................................................... 136 6.3 - VARIVEIS.......................................................................................................................................................... 136 6.4 - AMOSTRA ........................................................................................................................................................... 137 6.5 - DESIGN EXPERIMENTAL ...................................................................................................................................... 137 6.6 - PROCEDIMENTOS ................................................................................................................................................ 138 6.7 - IMPLEMENTAO................................................................................................................................................ 140

    6.7.1 - Software ..................................................................................................................................................... 140 6.7.2 - Desenho da Interface ................................................................................................................................. 140 6.7.3 - Funcionalidades......................................................................................................................................... 141

    6.8 - RESULTADOS ...................................................................................................................................................... 144 6.9 - DISCUSSO ......................................................................................................................................................... 148 6.10 - SUMRIO .......................................................................................................................................................... 148

    CAPTULO VII ............................................................................................................................................................ 151 7.1 - CONCLUSES FINAIS........................................................................................................................................... 153 7.2 - PERSPECTIVAS DE DESENVOLVIMENTO FUTURO ................................................................................................. 154

    BIBLIOGRAFIA .......................................................................................................................................................... 157

  • ndice de Figuras

  • ndice de Figuras

    v

    Figura 2.1 O processo perceptivo organizado de uma forma circular para que seja realado o seu aspecto dinmico. As setas azuis apontam para o estmulo; as verdes para o processamento; e as vermelhas para as respostas perceptivas. As setas A, B e C indicam os trs relacionamentos estudados no mbito da percepo (adaptado de [Goldstein, 2007]). ........................................................................................................................................................... 12 Figura 2.2 Os relacionamentos bsicos da investigao perceptiva (adaptado de [Goldstein, 2001])........................... 13 Figura 2.3 Vista lateral do crtex cerebral (adaptado de [Ramachandran, 2002]). ....................................................... 16 Figura 2.4 Um neurnio bsico, uma vez que existem muitos tipos de neurnios (adaptado de [Arbib, 2003]). ....... 16 Figura 2.5 O espectro de radiao electromagntica (adaptado de [Ware, 2004]). ....................................................... 19 Figura 2.6 Seco lateral do olho (adaptado de [Paxinos, 2003]). ................................................................................. 20 Figura 2.7 A estrutura laminar da retina e os tipos de clulas nela existentes, vistos esquematicamente (a) e atravs de microscpio (b) (adaptado de [Gallagher, 2003]). .......................................................................................................... 20 Figura 2.8 Antagonismo centro-periferia. Resposta de um campo receptivo de centro-excitatrio/periferia-inibitria, em funo do aumento do estmulo. As zonas a cor correspondem rea estimulada com luz. Verifica-se que a maior resposta ocorre quando toda a rea excitatria iluminada (b) (adaptado de [Goldstein, 2007]). ............................... 21 Figura 2.9 Percurso efectuado pelos sinais neuronais atravs do Central Visual Pathway. Depois de passarem pelo LGN os sinais seguem para o Striate Crtex, tambm designado por Crtex Visual Primrio ou rea V1 (adaptado de [Ramachandran, 2002]). .................................................................................................................................................. 22 Figura 2.10 Dois neurnios que respondem melhor a um crculo ou quadrado ligado a uma linha (adaptado de [Tanaka, 1996])................................................................................................................................................................ 24 Figura 2.11 Desenho esquemtico de um mdulo cortical. O crtex visual primrio est organizado em mdulos que consistem em colunas de orientao e dominncia ocular. Dentro de cada mdulo todas as clulas respondem mesma parte do campo visual, mas variam relativamente a qual olho respondem, sensibilidade orientao, cor e tamanho (no representado) (adaptado de [Paxinos, 2003]). ........................................................................................................ 24 Figura 2.12 Os principais pathways visuais do Macaque Monkey. V1 V4, reas visuais 1 4; PO, parieto-occipital area; MT, middle temporal area ou V5; DP, dorsal prestiate area; PP, posterior parietal complex; STS, superiotemporal sulcus complex; IT, inferotemporal cortex (adaptado de [Ware, 2004]). ............................................. 25 Figura 2.13 Topografia e funo de reas visuais identificadas no lobo occipital e reas prximas (adaptado de [Ramachandran, 2002]). .................................................................................................................................................. 26 Figura 2.14 Os tamanhos relativos das reas corticais envolvidas no processamento visual. Mais uma vez, a espessura das linhas refere-se ao nmero de projeces ascendentes entre reas (retirado de [Lennie, 1998]). ........................... 27 Figura 2.15 Percentagem de clulas selectivamente activadas pela cor, disparidade, orientao e direco. Cada crculo representa um estudo, e cada circunferncia, a mdia (adaptado de [Lennie, 1998]). ....................................... 28 Figura 2.16 Uma verso simplificada dos pathways envolvidos na viso, desde a retina at ao crtex. Note-se que existem mecanismos de feedback no representados neste modelo (adaptado de [Eysenck, 2005]). .............................. 28 Figura 3.1 Embora sejam semelhantes, o estmulo distal e o estmulo proximal so eventos distintos. O primeiro o padro ou a condio externa que percepcionada, o segundo o padro de actividade sensorial que determinado pelo estmulo distal (adaptado de [Levitin, 2002]............................................................................................................ 36 Figura 3.2 Exemplo de uma figura multiestvel: o cubo de Necker (retirado de [Levitin, 2002]). ................................. 37 Figura 3.3 O problema da organizao perceptiva, considerando o output de um receptor retinal como um array numrico onde os valores mais baixos correspondem s zonas mais escuras e os mais altos s mais claras (a); ou como a imagem correspondente em escala cinza (b) (adaptado de [Levitin, 2002])................................................................. 38 Figura 3.4 Duas vistas em perspectiva, equivalentes, de um cubo. No entanto, em (a) a estrutura tridimensional preferencialmente percepcionada; enquanto que em (b) a bidimensionalidade que prevalece (adaptado de [Boff, 1986]). .............................................................................................................................................................................. 39 Figura 3.5 Uma teoria computacional da organizao visual. Depois da deteco de orlas, a formao de regies conjuga-se com os princpios Figura/Fundo para dar origem a unidades de entrada. O Agrupamento e o Parsing podem ento ocorrer para dar origem a unidades superiores e inferiores na hierarquia Parte/Todo (adaptado de [Healy, 2003]). ................................................................................................................................................................. 40 Figura 3.6 a) A imagem ser primeiro visualizada como uma regio uniforme, para depois ser segregada em duas partes: um ramo e um pssaro. b) Neste caso, ao nvel de entrada, esta imagem seria dividida em oito regies que os processos subsequentes se encarregariam de integrar, dando origem a dois objectos: um ramo e um pssaro (adaptado de [Goldstein, 2001])........................................................................................................................................................ 40 Figura 3.7 Em cada uma destas imagens existem certas estruturas que so mais salientes em relao ao que as circunda; e com maior tendncia para serem visualizadas como figuras. As propriedades do contorno afectam a salincia percepcionada (adaptado de [Ullman, 1996]). ................................................................................................. 41 Figura 3.8 Princpios clssicos de agrupamento: a) Inexistncia de agrupamento, comparativamente a b) agrupamento por proximidade, c) semelhana de cor, d) semelhana de tamanho, e) semelhana de orientao, f) destino comum, g) simetria, h) paralelismo, i) continuidade, j) fechamento, e k) regio comum (adaptado de [Healy, 2003]). .................. 42 Figura 3.9 Graus de Agrupamento. Nem todos os factores produzem agrupamento. Em a) elementos que diferem 180 na sua orientao no produzem um efeito to pronunciado de agrupamento quanto os elementos em b), que s diferem 45 (adaptado de [Levitin, 2002]). ................................................................................................................................... 43

  • Percepo Humana na Visualizao de Informao Crtica

    vi

    Figura 3.10 Princpio da Continuidade. Linhas curvas (a) so mais eficazes do que linhas rectas (b) no agrupamento de elementos. (adaptado de [Ware, 2004]). ..................................................................................................................... 43 Figura 3.11 Princpio da Regio Comum. Regies mais pequenas dominam regies maiores (adaptado de [Levitin, 2002]). .............................................................................................................................................................................. 44 Figura 3.12 Princpio da Ligao Uniforme e a sobreposio aos Princpios da Proximidade (a), Semelhana de Cor (b), de Tamanho (c), ou Forma (d) (adaptado de [Ware, 2004]). .................................................................................... 44 Figura 3.13 Princpio de Agrupamento por Sincronia. Tudo o resto mantendo-se igual, objectos que mudam as suas caractersticas simultaneamente so percepcionados juntos (adaptado de [Healy, 2003]). ........................................... 44 Figura 3.14 Resposta neuronal (d) a: (a) uma barra orientada no campo receptivo do neurnio (o quadrado); (b) a mesma barra rodeada de outras barras orientadas aleatoriamente; e (c) a barra quando passa a fazer parte de um grupo de barras verticais, devido aos princpios da Continuidade e Semelhana (adaptado de [Kapadia, 1995]). ....... 45 Figura 3.15 Efeitos da experincia prvia na organizao perceptiva (retirado de [Levitin, 2002]).............................. 46 Figura 3.16 Uma imagem em escala cinza de um pinguim (a); uma segmentao regional utilizando o algoritmo de normalizao de Malik (b); e o resultado do algoritmo de deteco de orlas de Canny (c) (retirado de [Healy, 2003])........................................................................................................................................................................................... 47 Figura 3.17 A separao mais evidente entre os Ts inclinados e os totalmente verticais (a), do que entre estes ltimos e os Ls; Mas relativamente semelhana dos elementos individualmente b), maior a diferena entre os Ts e os Ls (adaptado de [Healy, 2003]). ........................................................................................................................................... 48 Figura 3.18 Princpio da concentrao espacial (a): quanto maior for o nmero de objectos numa dada rea, maior ser a tendncia para serem percepcionados com um aglomerado; (b) embora o ponto destacado a vermelho esteja mesma distncia dos dois pontos que esto localizados abaixo dele, percepcionado como pertencendo ao aglomerado superior de pontos; (c), (d) pontos com densidades iguais so percepcionados juntos (adaptado de [Ware, 2004] (b); e de [Sadahiro, 1997] (a),(c),(d))........................................................................................................................................ 48 Figura 3.19 A deteco de uma fronteira de textura, num contexto monocromtico (a); e aps a adio de cor textura (b). Verifica-se que no segundo caso a salincia da fronteira menor (adaptado de [Itti, 2005]).................................. 49 Figura 3.20 Exemplos de organizao Figura/Fundo e Figura/Figura. Contorno atribudo figura negra, sendo esta vista mais perto do que o fundo branco (a); contornos partilhados (b); contornos percepcionados em perspectiva (c). O contorno crtico significa a juno de duas faces de um cubo (adaptado de [Goldstein, 2001]). ................................... 49 Figura 3.21 A robustez das regras de segregao perceptiva. Observadores que nunca tenham visto esta figura percepcionam-na como sendo seis blocos negros; no entanto, se esta organizao Figura/Fundo for percepcionada para que os espaos em branco entre os blocos sejam vistos como figura, a palavra THE surge evidente (adaptado de [Boff, 1986]). ............................................................................................................................................................... 50 Figura 3.22 Figura ambgua em termos de organizao figura/fundo (1); Princpios de organizao figura fundo: envolvncia (2); tamanho (3); contraste (4); convexidade (5); e simetria (6) (adaptado de [Wilson, 1999]). ................ 50 Figura 3.23 Imagem (1a) que percepcionada amodalmente como sendo um crculo oculto por um quadrado (b); em vez das alternativas possveis: um quadrado e trs quartos de crculo (c); ou outras formas ocultas: (d) e (e); Interaco entre o Princpio de Fechamento e a completao amodal (2) (adaptado de [Palmer, 1999] (1); e [Ware, 2004] (2)).......................................................................................................................................................................... 51 Figura 3.24 Tringulo de Kanizsa (retirado de [Pessoa, 1998]). .................................................................................... 52 Figura 3.25 A percepo da transparncia. Verifica-se (a); ou no, porque: a figura se encontra em apenas numa regio (b); no verifica o principio da boa continuidade (c) e (d); e no verifica as propores adequadas de cor (e) (retirado de [Healy, 2003]). ............................................................................................................................................. 53 Figura 3.26 Modelo hierrquico da identificao e nomeao de objectos (adaptado de [Rapp, 2001])....................... 55 Figura 3.27 Ao contrrio do que sugeriram os psiclogos da Gestalt com o Princpio da Pragnanz, Helmhotz atribua a percepo desta figura determinada pelo Princpio da Probabilidade (retirado de [Palmer, 1999])............................. 55 Figura 3.28 Efeitos contextuais. Embora existam outras possibilidades, o sistema perceptivo geralmente identifica a frase THE CAT, RED e SPOT (1); estmulos utilizados numa experincia para determinar a influencia contextual (2) (adaptado de [Levitin, 2002] (1); [Healy, 2003] (2)). .............................................................................. 56 Figura 4.1 Campo visual de um observador olhando em frente: possvel identificar a zona de sobreposio (mais escura) dos campos visuais de cada olho, sendo esta irregular devido a caractersticas faciais como o nariz (adaptado de [Ware, 2004]). ............................................................................................................................................................. 61 Figura 4.2 Acuidade visual: A rea correspondente a cerca de 2 a partir da fvea corresponde zona onde o olho humano consegue distinguir melhor o detalhe. A um ngulo de 10 em relao fvea j s possvel distinguir um dcimo do detalhe (adaptado de [Ware, 2004]). .............................................................................................................. 62 Figura 4.3 Acuidades bsicas (adaptado de [Ware, 2004])............................................................................................. 62 Figura 4.4 Registos dos movimentos sacdicos tpicos na observao de uma face (retirado de [Palmer, 1999]). ....... 64 Figura 4.5 Efeito do conhecimento na pesquisa de cenas coerentes ou desorganizadas. Biederman verificou que a organizao de uma cena visual facilitava a performance perceptiva (adaptado de [Biederman, 1973]). ..................... 65 Figura 4.6 Formas como os vrios tpicos relativos ateno se relacionam (adaptado de [Eysenck, 2005]). ............ 66 Figura 4.7 Componentes funcionais da ateno: os processos que contribuem para a ateno esto a vermelho. A ateno voluntria envolve estes processos operando num ciclo recorrente (setas a preto) (adaptado de [Knudsen, 2007]). .............................................................................................................................................................................. 67 Figura 4.8 Interferncia na supresso de informao Bottom-up (adaptado de [Driver, 1989]).................................... 69

  • ndice de Figuras

    vii

    Figura 4.9 Dois estmulos utilizados no estudo realizado por Duncan; cada estmulo consiste em dois objectos: uma linha que atravessa uma caixa (adaptado de [Duncan, 1984])........................................................................................ 70 Figura 4.10 Estmulos e resultados da experincia 1 realizada por Watson e Kramer: os sujeitos procuraram por uma ponta aberta e por uma ponta dobrada; os tempos de reaco esto direita (adaptado de [Watson, 1999]). ............. 71 Figura 4.11 Segundo Notdurft, a salincia de um objecto no est apenas nas suas caractersticas, mas no contraste entre as suas caractersticas e as do contexto que o rodeia: assim, um mesmo objecto pode ser considerado como sendo saliente: a), c), d), ou no: b) e e) (adaptado de [Itti, 2005]). ......................................................................................... 72 Figura 4.12 Exemplo de um tipo de estmulo utilizado por Treisman e Schmidt nas suas experincias de conjunes ilusrias (adaptado de [Treisman, 1982])........................................................................................................................ 74 Figura 4.13 Os tempos de resposta de uma tarefa de busca visual dependem da incluso ou no de determinadas caractersticas (adaptado de [Treisman, 1986]). ............................................................................................................. 75 Figura 4.14 Caractersticas detectadas em paralelo, excepto o paralelismo e a juno (adaptado de [Ware, 2004]). .. 76 Figura 4.15 Busca visual de uma conjuno espacial de caractersticas onde no existem elementos detectados em paralelo (a) influenciada pelo agrupamento espacial (b); fazendo com que a percepo da elipse cinza passe a ser detectada paralelamente, apesar de possuir a mesma forma que outros elementos circundantes (adaptado de [Ware, 2004]). .............................................................................................................................................................................. 77 Figura 4.16 A profundidade estereoscpica pode ser utilizada para destacar informao (retirado de [Ware, 2004]). 77 Figura 4.17 Estmulos usados por Trick e Enns (adaptado de [Trick, 1997]). ................................................................ 78 Figura 4.18 Modelo simplificado das estruturas e processos humanos de processamento de informao (modelo de Wickens e Carswell adaptado de [Borman, 2003]). ......................................................................................................... 78 Figura 4.19 Estmulos utilizados para determinar capacidade da memria operacional visual: (a) e (c) em [Vogel, 2001]; (b) em [Xu, 2002] (adaptado de [Ware, 2004]).................................................................................................... 80 Figura 4.20 O espectro electromagntico: A luz visvel corresponde a uma pequena parte do espectro electromagntico (entre os 400 e os 700 nm) (adaptado de [Palmer, 1999])............................................................................................... 82 Figura 4.21 Distribuio espectral da luz que chega ao olho de um receptor (c) o produto do espectro de radincia da fonte de luz (a) pelo espectro de reflectncia do objecto percepcionado (b); a escala no eixo das ordenadas arbitrria (adaptado de [Gallagher, 2003]). ................................................................................................................... 83 Figura 4.22 Um espao de cor, em termos psicolgicos (b) define-se atravs de trs coordenadas: cor, saturao e intensidade; um crculo de cor (a) corresponde a uma seco do espao de cor, fixado um valor para a intensidade (adaptado de [Palmer, 1999]). ......................................................................................................................................... 83 Figura 4.23 Curvas do espectro de absoro de bastonetes e cones existentes na retina humana, baseada em medies efectuadas em onze bastonetes, trs cones sensveis ao azul; onze cones sensveis ao verde; e dezanove cones sensveis ao vermelho (adaptado de [Bowmaker, 1980]). ............................................................................................................... 84 Figura 4.24 Espectro de absoro dos fotopigmentos encontrados em duas espcies distintas (abelha e macaco): como possvel verificar, a abelha possui um fotopigmento com absoro mxima na parte ultravioleta do espectro, o que no acontece com os primatas (adaptado de [Gallagher, 2003]). ................................................................................... 85 Figura 4.25 Quatro medies das capacidades de discriminao humanas: a) Funo da Sensibilidade Espectral; b) Funo da discriminao de comprimentos de onda; c) Saturao espectral; d) Cores (Hues) espectrais (adaptado de [Ramachandran, 2002]). .................................................................................................................................................. 86 Figura 4.26 O espectro de absoro dos trs tipos de cones na retina de pessoas com viso da cor normal (adaptado de [Ramachandran, 2002]). .................................................................................................................................................. 87 Figura 4.27 No modelo proposto por Hering os sinais processados pelos cones correspondem a trs canais distintos: Vermelho-Verde; Amarelo-Azul e Branco-Preto (adaptado de [Ware, 2004]). ............................................................... 88 Figura 4.28 Mistura de luzes no espao da cor: a cor resultante da mistura de duas luzes estar sempre na linha do espao da cor que as une (a); e a cor resultante da mistura de trs luzes estar no tringulo por elas definido (adaptado de [Palmer, 1999]). ......................................................................................................................................... 88 Figura 4.29 Persistncia de cor: ao fixar o olhar numa imagem com cores saturadas (a) durante um perodo suficientemente longo (30-60 segundos) possvel verificar o resultado de uma Afterimage composta pelas cores complementares dessa imagem em (b) (adaptado de [Palmer, 1999]). ........................................................................... 89 Figura 4.30 Contraste simultneo de cor (ou induo de cor); possvel verificar que embora o anel seja uniformemente cinza a percepo da sua cor influenciada pelos fundos que o rodeiam: a) parece mais verde quando rodeado por vermelho; b) parece mais vermelho, quando rodeado por verde; c) parece mais azul, quando rodeado por amarelo; d) e parece mais amarelo, quando rodeado por azul (adaptado de [Palmer, 1999])....................................... 89 Figura 4.31 Contraste simultneo de cor (ou induo de cor): clulas que respondem a uma cor em particular numa dada rea inibem o mesmo tipo de neurnio numa rea vizinha. Adicionalmente, uma clula que detecta uma dada cor excita clulas que detectam a cores complementar em reas vizinhas do espao. Desta forma, as orlas vermelho/verde e azul/amarelo so intensificadas (adaptado de [Ramachandran, 2002]).......................................................................... 89 Figura 4.32 Adaptao cromtica: ao fixar a imagem (a) durante cerca de 60 segundos, e olhando em seguida para a imagem (b) possvel verificar que a percepo das cores diferente nas duas seces da imagem (adaptado de [Palmer, 1999]). ............................................................................................................................................................... 90 Figura 4.33 Exemplo do efeito small field color blindness: a distino de cores dificultada pelo tamanho do campo. Isto verifica-se, quer no eixo amarelo-azul (a,b); quer no eixo verde-vermelho (c,d) (adaptado de [Ware, 2004]). ...... 91

  • Percepo Humana na Visualizao de Informao Crtica

    viii

    Figura 4.34 Grelha de Hermann: possvel verificar a existncia de imagens fantasma cinzentas nas interseces. Este facto resulta das caractersticas dos campos receptivos das clulas ganglionares (retirado de [Ware, 2004]). ............ 92 Figura 4.35 a) Whites illusion. b) Benary Cross. No caso destas figuras, a explicao dos efeitos de contraste resultantes est relacionada com as Junes em T, (c) (adaptado de (a) [Gazzaniga, 1999]; (b) de [Goldstein, 2007]; e (c) de [Wilson, 1999])....................................................................................................................................................... 92 Figura 4.36 Os frutos so mais facilmente percepcionados na verso a cores (b) do que na verso em nveis de cinzento (a), o que ilustra a importncia da trocromacia numa tarefa de busca visual (adaptado de [Sumner, 2000]). .............. 92 Figura 4.37 Resultados de uma experincia de categorizao onde foi solicitado aos sujeitos a nomeao de 210 cores. As linhas cinza delimitam as reas onde cujos estmulos corresponderam mesma categoria de cor com uma probabilidade superior a 75% (adaptado de [Ware, 2004]). ........................................................................................... 93 Figura 4.38 Conjuntos de cores recomendadas para a codificao de informao (retirado de [Ware, 2004]). ........... 94 Figura 4.39 Exemplo de uma combinao de cores de igual luminncia que resulta numa pobre distino de detalhe (adaptado de [Ware, 2004]). ............................................................................................................................................ 95 Figura 4.40 Diagramas de espao-tempo de trs eventos simples: cada grfico representa o movimento de um nico ponto ao longo de uma trajectria vertical, sendo que em (a) o ponto move-se para cima com velocidade uniforme; em (b) move-se continuamente para cima e para baixo em movimento harmnico; e em (c) move-se discretamente para cima e para baixo produzindo movimento aparente (adaptado de [Palmer, 1999])........................................................ 98 Figura 4.41 Representao de movimento atravs de vectores: o tamanho do vector representa a velocidade e a sua orientao representa a direco do movimento (adaptado de[Palmer, 1999]).............................................................. 98 Figura 4.42 O problema da correspondncia do movimento aparente: se mais de que um objecto est presente numa configurao visual, o sistema perceptivo necessita determinar qual objecto corresponde a qual (c) nas duas imagens representadas em (a) e (b) (adaptado de [Palmer, 1999]). .............................................................................................. 99 Figura 4.43 Movimento induzido: o movimento do rectngulo gera a percepo do movimento do ponto (adaptado de [Palmer, 1999]). ............................................................................................................................................................... 99 Figura 4.44 O modelo da corollary discharge: a rea motora envia o sinal motor (SM) para os msculos oculares e envia um sinal Corollary Discharge Signal (SDC) para uma estrutura chamada comparador. Movimento na retina gera um sinal de movimento de imagem (SMI) que tambm enviado para o comparador. O comparador, por sua vez, envia um sinal para o crtex visual (adaptado de [Goldstein, 2007]). .......................................................................... 101 Figura 4.45 Respostas de um neurnio no crtex de um macaco: em (a) o neurnio dispara quando uma barra (S) se movimenta ao longo do campo receptivo do neurnio (RF) ao mesmo tempo que o macaco olha para o ponto de fixao (FP); em (b) o neurnio no dispara, quando o olho que se movimenta, embora isso tambm faa a barra atravessar o campo receptivo do neurnio (adaptado de [Galletti, 2003]). .................................................................................... 102 Figura 4.46 Visualizaes de pontos dinmicos: criadas por computador, estas visualizaes permitem estabelecer a relao entre deteco de movimento e a coerncia entre pontos em movimento. Cada ponto permanece no ecr durante cerca de 20 a 30 segundos, para depois serem substitudos por outros cuja correlao espacio-temporal varia entre 0 (a) e 100% (c), sendo que numa posio intermdia (b) num dado instante, metade dos pontos esto a mover-se na mesma direco (adaptado de [Newsome, 1988])..................................................................................................... 102 Figura 4.47 Point Light walker (retirado de [Blake, 2007]). ......................................................................................... 103 Figura 4.48 Estmulos utilizados numa experincia realizada por Ramachandran e Anstis: o tringulo e o quadrado inferior so primeiro apresentados, e em seguida apresentado o quadrado superior (a); dos resultados possveis: fuso das duas formas (a); deslocamento do quadrado com o tringulo a estar intermitente (c); e deslocamento do tringulo para trs do quadrado, apenas esta ltima foi vista pelos observadores. ...................................................... 104 Figura 4.49 De acordo com a Limitao do Caminho mais Curto, o movimento aparente entre dois pontos, alternando rapidamente, deve ocorrer ao longo do caminho mais curto, embora outros sejam possveis (adaptado de [Goldstein, 2007]). ............................................................................................................................................................................ 104 Figura 5.1 Dois exemplos de como representar graficamente relaes entre entidades (retirado de [Ware, 2004]). .. 112 Figura 5.2 O comprimento e a altura so dimenses percepcionadas de modo integrado; no caso a) B percepcionado como sendo mais semelhante a C; b) a luminosidade e a altura no so, porm, integradas o que faz com que A seja identificado como mais semelhante a B (adaptado de [Ware, 2004])............................................................................ 114 Figura 5.3 Exemplos de conjugaes de propriedades segundo o grau de integrao ou de separao das propriedades utilizadas: as mais separveis esto esquerda, as menos, direita (adaptado de [Ware, 2004]). ............................. 115 Figura 5.4 Tcnicas de visualizao de vectores: linhas orientadas; glifos 2D e glifos 3D (adaptado de [Hansen, 2005]). ............................................................................................................................................................................ 115 Figura 5.5 Gramtica visual baseada em elementos utilizados em diagramas entidade-relacionamento (adaptado de [Ware, 2004]). ................................................................................................................................................................ 116 Figura 5.6 A integrao de elementos texturais e visuais possvel ser realizada considerando os princpios propostos pelos psiclogos da Gestalt: (a) Proximidade, (b) Continuidade, (c) Regio comum, e (d) regio comum e continuidade (adaptado de [Ware, 2004]). .......................................................................................................................................... 117 Figura 5.7 Principais componentes de um sistema ATM/CNS (adaptado de [Kelly, 2000]). ........................................ 118 Figura 5.8 Organizao funcional simplificada do sistema ATM onde possvel discernir a localizao no fluxo de informao da informao relativa aos planos de voo (adaptado de [Spouge, 2005]).................................................. 119 Figura 5.9 Exemplo de um formulrio para depsito de um plano de voo (retirado de [NAV, 2008]).......................... 120 Figura 5.10 Exemplo de uma mensagem de plano de voo (retirado de [CFMU, 2008]). .............................................. 120

  • ndice de Figuras

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    Figura 5.11 Exemplo de uma fita de progresso de voo utilizada na Torre de Controlo do Aeroporto Francisco S Carneiro, no Porto e o plano de voo que lhe deu origem............................................................................................... 121 Figura 5.12 Exemplo da fonte Bleriot, desenvolvida para displays ATM (retirado de [Vinot, 2008])...................... 124 Figura 5.13 Exemplos de smbolos utilizados em displays radar (adaptado de [EUROCONTROL, 2008b]). .............. 125 Figura 5.14 Tracks de voo (adaptado de [EUROCONTROL, 2008b]). ......................................................................... 126 Figura 5.15 Tipos de especiais de tracks e smbolos (adaptado de [EUROCONTROL, 2008b]). ................................. 126 Figura 5.16 Trs representaes de etiquetas de voo (retirado de [EUROCONTROL, 2008b])................................... 126 Figura 5.17 Representao da capacidade RVSM de uma aeronave: a) no equipada; b) equipada (retirado de [EUROCONTROL, 2008b]). .......................................................................................................................................... 126 Figura 5.18 Exemplo do contedo de uma etiqueta expandida, atravs da qual o controlador tem acesso a dados adicionais acerca do voo (retirado de [EUROCONTROL, 2008b]). ............................................................................. 127 Figura 5.19 Exemplo de uma alterao grfica resultante do uso de uma ferramenta do tipo lupa (retirado de [EUROCONTROL, 2008b]). .......................................................................................................................................... 127 Figura 5.20 Funcionalidade Wheelie: a) desactivada; e b) activa (adaptado de [Sporer, 2007]). ............................... 128 Figura 5.21 Exemplo de uma indicao de conflito (STCA) e as consequentes alteraes nos tracks e nas etiquetas dos voos (retirado de [EUROCONTROL, 2008b]). .............................................................................................................. 128 Figura 5.22 Etiquetas com informao relativa capacidade CPDLC: a) sem capacidade CPDLC; b) CPDLC inactivo; c) CPDLC activo (adaptado de [ICAO, 2000])............................................................................................... 128 Figura 5.23 Exemplo das alteraes visveis no display aquando de uma comunicao de uma alterao de nvel de voo pelo controlador e resposta positiva por parte da aeronave: a) controlador autoriza novo nvel; b) visualizao do nvel do novo nvel autorizado; c) indicao de subida (adaptado de [ICAO, 2000])................................................... 128 Figura 5.24 Visualizao de uma resposta negativa por parte do piloto atravs da utilizao de um rectngulo e texto de cor amarela ([ICAO, 2000]). ..................................................................................................................................... 129 Figura 5.25 Exemplos de como seria possvel codificar informao semelhante do ponto de vista perceptivo de modo a reduzir a possibilidade de erros visuais. ........................................................................................................................ 131 Figura 5.26 Exemplo da utilizao da informao de profundidade como forma de gerar salincia: a) ecr radar normal; b) funcionalidade de Blur activada para destacar um voo (adaptado de [Sporer, 2007])............................... 131 Figura 5.27 Exemplo de como atravs da criao campos manipulveis seria possvel aceder a informao geralmente dispersa por vrias fontes e sistemas. Neste caso concreto, informao relativa ao plano de voo actualizado; e informao relativa ao procedimento de descolagem previsto. ..................................................................................... 132 Figura 6.1 Fluxograma relativo aos processos de procura de conflitos/verificao de segurana no controlo de trfego areo de rota/aproximao (retirado de [Dittmann, 2000]). ......................................................................................... 135 Figura 6.2 Exemplo de uma janela de apresentao de uma tarefa............................................................................... 138 Figura 6.3 Janela de resultados: esta janela disponibiliza informao relativa ao teste, apresentando dados relativos a cada questo individualmente, e tambm um grupo de estatsticas globais no final...................................................... 138 Figura 6.4 Formulrio para registo dos dados de perfil de cada sujeito....................................................................... 139 Figura 6.5 rea de trabalho e barra de ferramentas do ATCBlur. ................................................................................ 141 Figura 6.6 Barra de ferramentas do ATCBlur. Tal como em sistemas de visualizao radar actuais, est localizada no topo do ecr e permite ao utilizador interagir com o sistema. ....................................................................................... 141 Figura 6.7 Detalhe de um grupo de voos durante a simulao. Cores, smbolos e fontes utilizadas tendo em conta as recomendaes do EUROCONTROL. ............................................................................................................................ 142 Figura 6.8 Painel de configurao. Atravs desta janela possvel definir vrios aspectos da simulao. O acesso a esta janela restrito, atravs do uso de uma palavra passe. ......................................................................................... 142 Figura 6.9 Detalhe do ecr durante a utilizao do filtro Blur. Antes da activao (a), todos os voos so visualizados do mesmo modo; depois (b) os voos no relevantes pesquisa so filtrados; neste caso, o voo AAF311 mantido desfocado. ....................................................................................................................................................................... 143 Figura 6.10 Utilizao do filtro baseado na cor: na primeira imagem (a) o filtro no est activo; na segunda (b) o filtro S activado tendo como referncia o voo TAM8610, fazendo os voos relevantes mudarem de cor.......................... 144 Figura 6.11 Mdias calculadas a partir da varivel Tempo Mdios de Resposta de cada teste. .............................. 144 Figura 6.12Comparao dos resultados de preciso dos testes Blur e No Filter. ......................................................... 146 Figura 6.13 Comparao dos resultados de preciso relativos aos testes Blur e Colour, no cenrio Blur versus Colour......................................................................................................................................................................................... 146 Figura 6.14 Comparao entre os resultados da preciso relativa aos testes Blur e Erase.......................................... 147

  • Lista de Siglas e Acrnimos

  • Lista de Siglas e Acrnimos

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    ACC Area Control Centre ADEXP ATS Data Exchange Presentation AFTN Aeronautical Fixed Telecommunications Network AIS Aeronautical Information Service APP Approach ARO Air Traffic Services Reporting Office ASM Airspace Management ATC Air Traffic Control ATFCM Air Traffic Flow and Capacity Management ATM Air Traffic Management ATS Air Traffic Services CENA Centre d'Etudes de la Navigation Arienne CFMU Central Flow Management Unit CNS Communications, Navigation and Surveillance CPDLC Controller Pilot Data Link Communications DP Dorsal Prestiate Area FAA Federal Aviation Administration FEUP Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto FPL Flight Plan GAT General Air Traffic GCL Ganglion Cell Layer HCI Human-Computer Interaction ICAO International Civil Aviation Organization IFPS Integrated Initial Flight Plan Processing System IFPZ IFPS Zone IFR Instrument Flight Rules INL Inner Nuclear Layer IPL Inner Plexiform Layer IS Inner Segment IT Inferotemporal Cortex LGN Lateral Geniculate Nucleus MT Middle Temporal Area NFL. Nerve FiberLlayer OAT Operational Air Traffic OLM Outer Limiting Membrane ONL Outer Nuclear Layer OPL Outer Plexiform Layer OS Outer Segment PP Posterior Parietal Complex; PO Parieto-Occipital Area RPL Repetitive Flight Plan RVSM Reduced Vertical Separation Minima STCA Short Term Conflict Alert STS Superiotemporal Sulcus Complex TWR Tower VFR Visual Flight Rules UCR Uniform Connected Regions

  • Captulo I Introduo Dissertao e sua estrutura

    All men by nature desire to know. Aristteles

  • Introduo Dissertao e sua Estrutura

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    1.1 - Enquadramento Um livro que no se encontra, costuma dizer-se, um livro que no existe. Carlos Maria Dominguez in A casa de papel. Escolha uma rea de investigao, e Aristteles trabalhou nela, [Barnes, 2000]. Esta frase de Barnes

    salienta a imensa contribuio que Aristteles teve na produo de conhecimento para a humanidade. possvel imaginar que o problema que o motivava era a inexistncia de informao nos mais variados domnios de investigao. Hoje, muitos sculos depois de Aristteles, embora a procura pelo conhecimento continue a motivar a humanidade, a existncia de um cada vez maior volume de informao amplificou os problemas da seleco e organizao desse conhecimento, problemas estes, que esta Dissertao analisa, especificamente, no domnio das representaes visuais de informao.

    Em ambientes onde os recursos cognitivos so particularmente valiosos, e onde a natureza da informao especialmente crtica, como o caso do Controlo de Trfego Areo (ATC), o problema da organizao do conhecimento ainda mais pertinente; tanto mais porque uma m interpretao da informao pode significar vidas humanas.

    Vrios estudos demonstram que os erros perceptivos so os mais comuns no Controlo de Trfego Areo (ver, por exemplo, [Pape, 2001] e [Jones, 1996]). Shorrock, em [Shorrock, 2007], obteve resultados que indicam que os erros de deteco visual foram a maior categoria de erros identificada, sendo que a grande maioria estava directamente associada monitorizao radar.

    Com o desenvolvimento tecnolgico, e, consequentemente, a melhoria das capacidades de processamento, a tendncia para haver um aumento no uso de visualizaes ser maior. A utilizao de fitas de progresso de voo digitais (ver, por exemplo, [PAVET, 2006]) ou a utilizao de sistemas Controller Pilot Data Link Communications (CPDLC) so exemplos disso. Com uma maior utilizao de recursos visuais, surgem, naturalmente, novos problemas. Questes como a confuso relativa s identificaes de aeronaves (callsigns), [EUROCONTROL, 2006a], antes um problema apenas da esfera da percepo auditiva, passa a ser tambm do domnio visual.

    A maior capacidade de processamento trouxe consigo uma maior capacidade de automatizao. No h dvida que os automatismos, em particular os inseridos no contexto da Gesto de Trfego Areo (Air Traffic Management, ATM), libertam capacidade cognitiva, [ICAO, 2000]; e que, com o aumento de trfego (estimativas prevem uma duplicao do nmero de movimentos realizados em 2005 para o ano 2030, [EUROCONTROL, 2008a]) maior automatizao ser necessria. No entanto, no considerar a componente humana no desenvolvimento de novas formas de automatizao provou ser um erro, [Healy, 2003], levando a vrios problemas. Um desses problemas, a complacncia, traduz-se na diminuio de capacidade, quer em termos de uma menor percepo do estado de coisas (situation awearness, [Endsley, 2000] ), quer na deteco de problemas, [Wickens, 2003].

    neste contexto que esta Dissertao aborda as questes da deteco e integrao de informao visual, baseando-se na ideia de que possvel melhorar a performance cognitiva atravs do uso de visualizaes, desenhadas em funo das caractersticas do sistema perceptivo humano, e de acordo com a ideia de Automatizao Centrada no Homem, [Billings, 1996].

    1.2 - Objectivos e Abordagem adoptada Os principais objectivos do projecto registado nesta Dissertao foram os seguintes:

    1) Identificar atravs de um estudo bibliogrfico as principais teorias da percepo humana passveis de serem implementadas na visualizao de informao crtica;

    2) Implementar um sistema de visualizao de informao crtica apoiado nas teorias previamente identificadas;

    3) Avaliar o sistema desenvolvido atravs de um estudo de caso. Com vista a compreender adequadamente os problemas da visualizao de informao, o

    enquadramento terico foi dividido em trs eixos de pesquisa. O primeiro desses eixos foi, naturalmente, a rea da percepo humana. Atravs da anlise dos mecanismos e fenmenos da percepo visual, procuraram-se

  • Percepo Humana na Visualizao de Informao Crtica

    4

    estabelecer os fundamentos de carcter fisiolgico ao argumento da Dissertao. Ainda neste eixo, e tendo em conta a prpria natureza dos processos perceptivos, foram estudados factores dos domnios da ateno e da memria; concretamente, as questes da selectividade e capacidade visuais. O segundo eixo de investigao procurou estabelecer uma relao entre as propriedades do sistema perceptivo visual e as questes da sua aplicabilidade no domnio da visualizao de informao. Finalmente, a terceira rea de investigao, incidiu no domnio das aplicaes ATM, onde se procurou estabelecer uma relao com os outros dois eixos.

    Considerando as linhas de investigao descritas, poder-se- dizer que o primeiro objectivo da Dissertao foi o de estabelecer uma ligao entre estas trs reas de estudo; isto , o estudo dos processos perceptivos enquanto base para as ferramentas de visualizao, aplicadas no domnio dos sistemas ATM. Ao longo da pesquisa procuraram-se identificar factores de ordem perceptiva com potencial interesse para uma aplicao no domnio dos sistemas de visualizao ATM. Assim, acreditava-se ser possvel encontrar pontos de ligao entre mecanismos e fenmenos perceptivos, e as visualizaes ATM. Por outro lado, foram tambm investigados os principais problemas existentes no mbito dos sistemas ATM existentes, em particular, os relativos visualizao radar. Da anlise destas duas vertentes resultou a ideia de avaliar o impacto da utilizao de um filtro visual (fazendo uso do efeito da profundidade de campo, ou Blur) em problemas de pesquisa visual de informao crtica. Esta avaliao assentou em dois objectivos especficos:

    o Medir o impacto da aplicao do filtro desenvolvido (filtro Blur) na gesto da ateno; o Comparar o impacto dessa aplicao com outras estratgias de visualizao j existentes.

    Para atingir estes objectivos foi decidido desenvolver uma plataforma de testes que pudesse servir de

    base realizao de um trabalho de campo onde fosse possvel obter dados concretos (quantitativos) relativamente aplicao prtica proposta. Assim, uma vez concluda a investigao terica, deu-se incio ao desenvolvimento de um simulador radar (a que se deu o nome de ATCBlur) cujo principal objectivo foi o de permitir a obteno de dados relativos s performances dos vrios tipos de filtros visuais, e relativamente a uma situao de ausncia de filtros, em tarefas de pesquisa visual de informao crtica. Aps a obteno dos dados foi realizada uma anlise estatstica aos resultados e, finalmente, foram delineadas algumas concluses e recomendaes.

    1.3 - Estrutura organizativa Os captulos seguintes foram organizados, considerando os eixos de investigao referidos no ponto

    anterior, da seguinte forma:

    Captulo 2 Introduo Percepo Humana: processo perceptivo e mecanismos fisiolgicos visuais Este captulo divide-se em duas partes. Na primeira, introdutria, descrita a evoluo da percepo

    enquanto conceito, apresentando-se e analisando-se o problema que est na base do argumento desta Dissertao; ou seja, saber se as percepes resultam de aprendizagem ou se pelo contrrio so inatas. em seguida contextualizada a percepo enquanto processo pertencente aos domnios sensorial e cognitivo; resultando daqui, a concluso de que necessrio ter em conta factores externos e internos (Bottom-up e Top-down) para a sua explicao.

    Segue-se posteriormente o primeiro passo tendo em vista a defesa da posio adoptada por esta Dissertao; isto , a ideia de que o sistema perceptivo se desenvolveu de acordo com determinadas propriedades do meio ambiente, criando regras (e heursticas) de processamento, de modo a tornar-se mais eficiente, contrariamente ideia de arbitrariedade. Este primeiro passo traduz-se na anlise dos mecanismos perceptivos ao nvel fisiolgico e neurofisiolgico, de modo a que atravs dessa anlise se possam estabelecer bases para a justificao da existncia de uma linguagem visual.

    Captulo 3 Percepo Visual de Objectos Este captulo aproxima-se um pouco mais dos processos cognitivos ao focar as questes ligadas com a

    organizao e identificao perceptiva. Analisa-se a forma como os estmulos so integrados pelo sistema

  • Introduo Dissertao e sua Estrutura

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    perceptivo de modo a darem origem a uma nica percepo consciente; e os processos de identificao, nos quais se estabelece uma relao significativa entre a informao sensorial e o conhecimento do observador.

    Captulo 4 Factores de Performance e Caractersticas Visuais Este captulo estabelece duas relaes importantes. A primeira, desenvolvida ao longo da parte inicial do

    captulo a ligao entre a percepo e os processos denominados de alto nvel. Para isso so abordados: os aspectos relacionados com a selectividade visual, e as questes relativas capacidade visual de processamento, em particular, as limitaes de memria visual. Estas duas reas de estudo so de extrema importncia no design de visualizaes, especialmente, se se considerar que as visualizaes podem servir exactamente como apoio na resoluo de problemas de selectividade e de capacidade cognitiva.

    A outra relao estabelecida neste captulo a ligao entre as bases fisiolgicas dos fenmenos perceptivos (relacionados com a cor, luminosidade e movimento), e os princpios de aplicao que da possam ser inferidos para o desenvolvimento de novas formas de visualizao de informao, no mbito dos sistemas ATM.

    Captulo 5 Representao de informao crtica em sistemas ATM Neste captulo so estabelecidas outras duas pontes conceptuais. A primeira, ao interligarem-se as

    representaes grficas e a visualizao de informao, com os sistemas ATM. Para isso, no incio do captulo, explorada a ideia de linguagem visual e a assumpo de que as visualizaes so artefactos cognitivos, uma vez que estes so os dois pilares da argumentao da Dissertao. A segunda, ao estabelecer-se a ligao entre o enquadramento terico e as questes ATM de mbito operacional. Assim, na segunda parte do captulo analisada a representao de informao crtica em sistemas ATM, em particular nos displays Radar e na visualizao de dados de voo, sendo descritos os problemas da deteco e integrao visual, enquanto tpicos de investigao experimental.

    Captulo 6 Desenvolvimento e avaliao do uso de um filtro visual ATC baseado no efeito Blur

    Neste captulo, so descritas as caractersticas do software desenvolvido para o estudo dos objectivos de investigao e so registadas os principais aspectos relativos ao trabalho experimental realizado; nomeadamente, os objectivos de investigao, metodologia, resultados, discusso e concluses.

    Captulo 7 Concluses e perspectivas futuras

    Finalmente, neste captulo so sintetizadas as principais concluses apresentadas ao longo da Dissertao, juntamente com a descrio das possibilidades de investigao que o trabalho realizado originou.

    1.4 - Principais contribuies As principais contribuies que resultam desta Dissertao enquadram-se: por um lado, num plano

    terico, onde se insere o trabalho de anlise e sntese realizado a partir de investigao bibliografia relevante s temticas em estudo; e por outro, num plano prtico, onde se insere o trabalho de mbito experimental realizado. Destacam-se os pontos seguintes, todos eles com implicaes directas na visualizao de informao crtica:

    o A pesquisa realizada ao processo perceptivo e aos aspectos fisiolgicos da percepo visual, em particular, atravs do estudo das caractersticas do sistema visual humano; que se materializou no captulo II.

    o A abordagem realizada aos fenmenos de organizao perceptiva, na qual foi focado um conjunto de princpios perceptivos; que deu origem ao terceiro captulo.

    o A anlise das questes relativas salincia de estmulos, limitaes de capacidade e selectividade visuais; e o estudo das caractersticas, fenmenos e princpios de aplicao relativos percepo da cor, luminosidade e movimento; da qual resultou o captulo IV.

  • Percepo Humana na Visualizao de Informao Crtica

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    o O estudo dos princpios de representao visual de informao e a sua relao com as tarefas de Controlo de Trfego Areo; materializado no captulo V.

    o O novo filtro ATC, criado a partir da combinao do efeito Blur com um conjunto de algoritmos de filtragem, e o desenvolvimento de um simulador ATC, que funciona como plataforma de testes para um conjunto de filtros visuais; que deram origem ao captulo VI;

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    Captulo II Introduo Percepo humana: processo perceptivo e mecanismos fisiolgicos visuais

  • Introduo Percepo Humana: processo perceptivo e mecanismos fisiolgicos visuais

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    2.1 - Introduo The illusion that perception is a simple process follows from the ease with which we perceive,

    [Goldstein, 2001]. A afirmao de Goldstein serve de ponto de partida para este captulo ao definir a percepo enquanto

    processo, complexo, apesar da aparente facilidade com que o Homem interage com o mundo atravs dos sentidos. Os seres humanos, possuem mecanismos preparados para os fazer movimentar, medir distncias, localizar, identificar e descrever objectos; e de uma maneira muito simples, poder-se-ia afirmar que percepcionam o mundo. A percepo humana, contudo, embora parea transparente e natural, reveste-se de uma grande complexidade.

    2.1.1 - Evoluo do conceito No domnio cientfico, foi com o nascimento da psicologia enquanto cincia que se verificou um impulso

    importante no estudo da percepo. Antes da psicologia, contudo, o campo da percepo humana comeou por ser abordado pela filosofia. Os filsofos debruavam-se sobre os problemas da cognio e tentavam explicar como obtido o conhecimento do mundo, [Hochberg, 1978]. A resposta a essa pergunta, e por consequncia, a explicao dos fenmenos perceptivos, foi evoluindo ao longo do tempo, medida em que aumentava tambm o entendimento acerca do funcionamento do crebro.

    Relativamente fisiologia da percepo, um filsofo em particular teve um papel importante. Descartes, segundo Nicholas Pastore, em [Pastore, 1971], e as suas ideias relativamente percepo, estiveram na base da formulao de todas as teorias perceptivas desde meados do sculo XVII. A sua teoria perceptiva considerada como sendo a primeira a examinar vrios aspectos da percepo em detalhe. Pastore considera particularmente significativo Descartes aceitar o postulado psicofsico, onde se estabelece uma correlao de um-para-um entre o conjunto de percepes sensoriais e o conjunto de eventos cerebrais correspondentes, [Pastore, 1971].

    Na sua teoria, Descartes, define: os rgos dos sentidos, os nervos que os ligam ao crebro, o crebro, os nervos que ligam o crebro aos msculos e os (como ele os designa) espritos animais, como sendo as partes do corpo relevantes para a experincia perceptiva. No crebro, Descartes afirma existir um pequeno rgo (a Glndula Pineal) onde so formadas as imagens quando os rgos dos sentidos so estimulados. Esta viso localizada da mente era oposta de ento, que considerava que a mente circulava por todo o corpo, [Pastore, 1971].

    Especialmente at 1900, grande parte da discusso terica acerca da percepo, e da forma como temos conhecimento do mundo, estava relacionada com as iluses. Exemplos de erros estudados dividem-se em quatro aspectos (distncia relativa, solidez, forma e magnitude), e traduzem a discrepncia entre as caractersticas das percepes e as caractersticas dos objectos, [Pastore, 1971]. As iluses so ainda um aspecto importante no estudo da percepo, no entanto, com o progredir da investigao nesta rea, uma diviso surgiu entre investigadores. A relao mente-corpo e o seu papel nos fenmenos perceptivos, e, nomeadamente, a questo de saber se a percepo resulta apenas de estmulos sensoriais ou se, pelo contrrio, resulta de aprendizagem. Destacam-se em seguida algumas contribuies importantes.

    O empirismo defendia que todo o conhecimento derivava da experincia prvia, e a percepo espacial para alguns empiristas era explicada atravs da associao. A ideia central era que as sensaes visuais no do conhecimento do mundo, mas uma base para o interpretar, [Rock, 1975]. Como explica Pastore, Locke, um dos seguidores desta doutrina, considera o estado original da mente como uma tabula rasa, sendo atravs da experincia que as ideias chegam mente; em primeiro lugar atravs dos sentidos, e tambm atravs das faculdades da mente como a memria e o discernimento, [Pastore, 1971].

    Hermann von Helmholtz, por seu turno, em 1866 direccionava as suas explicaes para os fenmenos perceptivos baseando-se na aprendizagem. Para ele, as sensaes so smbolos para a conscincia, cabendo inteligncia compreender o seu significado. Assim, os estmulos no eram os nicos causadores das percepes, [Rock, 1975]. Philip G. Zimbardo e Richard J. Gerrig, em [Levitin, 2002], afirmam que, segundo Helmholtz, o Homem aprende a interpretar as sensaes atravs da sua experincia com o mundo. Estes autores, em [Levitin, 2002], resumem ainda a teoria proposta por Helmholtz, dividindo-a em duas fases:

  • Percepo Humana na Visualizao de Informao Crtica

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    o Fase analtica: onde os rgos dos sentidos analisam o mundo fsico em sensaes fundamentais;

    o Fase sinttica: onde ocorre uma integrao e sntese dos elementos sensoriais em percepes de objectos e suas correspondentes propriedades.

    Anos mais tarde, Johannes Mller adianta a hiptese de que so as estruturas neuronais (neural

    pathways) que medeiam a experincia sensorial. Ou seja, embora o resultado da converso dos estmulos recebidos pelos sentidos seja o mesmo, o que importa a localizao onde eles terminam no crebro. Mller, afirma que as imagens retinais so percepcionadas na retina, assim como os sons no ouvido. Quer num, quer noutro caso, o autor, como explica Pastore, considera que os nervos actuam como prolongamentos dos sentidos ao sensorium e permitem que a aco da mente se estenda, [Pastore, 1971]. Neste ponto j se tem, portanto, uma viso do mundo enquanto construo da mente.

    Algumas das descobertas feitas no campo perceptivo, foram sendo actualizadas medida que novos conhecimentos e tcnicas surgiram. O trabalho de Hering, por exemplo, que estudando os aspectos relativos cor, explica efeitos de contraste atravs das interaces entre zonas adjacentes na retina. Aquilo que ele chamou de oposite reaction hoje reconhecido como lateral inhibition, [Rock, 1975].

    Com a Escola da Gestalt, verifica-se um abandono das teorias relacionadas com a aprendizagem, uma vez que se assumia a percepo enquanto fenmeno directo, [Rock, 1975]. A ideia central da Teoria da Gestalt que o todo maior que a soma das partes; isto , que a percepo baseada numa organizao de eventos no crebro, [Levitin, 2002]. Foi alis substancial o seu contributo no que concerne ao estudo dos fenmenos de organizao perceptiva, que sero analisados posteriormente.

    A Teoria Ecolgica de Gibson merece, tambm, um destaque. Na linha da convico dos nativistas, James Gibson no cr que seja necessrio recorrer a aspectos internos para explicar os fenmenos perceptivos. No entanto, na sua Teoria Ecolgica, afirma que os fenmenos perceptivos devem ser explicados exclusivamente tendo em conta o meio ambiente, sem qualquer necessidade de estudo da estrutura de quem percepciona. Como explicam Zimbardo e Gerrig, em [Levitin, 2002], a teoria de Gibson preocupa-se essencialmente com o estmulo percepcionado e no com os mecanismos atravs dos quais ele percepcionado.

    2.1.2 - Mundo real e mundo percepcionado Irvin Rock em 1975 descrevia o estudo da percepo distinguindo-o das restantes cincias, na medida

    em que, ao contrrio delas, a percepo interessa-se com a aparncia das coisas e no com a realidade objectiva. O autor afirmava que os factos a serem explicados atravs desse estudo eram as impresses sensoriais que os seres humanos registavam atravs dos sentidos; e a tarefa, a de dar conta dessas impresses, independentemente de serem reais ou no, [Rock, 1975]. Este aspecto (realidade versus iluso) crucial para fazer notar a importncia que tem sido dada ao estudo da percepo. A afirmao de que existe um mundo real e um mundo perceptivo levanta vrios problemas no mbito filosfico. Desde logo, a questo metafsica acerca de qual a derradeira natureza do ser: o universo material ou a conscincia subjectiva? Esta pergunta est intimamente ligada definio de experincia perceptiva e ao problema corpo-mente: qual a relao entre os eventos mentais (percepes, dor, desejos) e os eventos fsicos (actividade cerebral)? Palmer, em [Levitin, 2002], rev a este respeito as posies possveis de adoptar: Dualismo, Monismo, Funcionalismo e Behaviorismo.

    A diviso entre Dualismo e Monismo resulta da aceitao ou no da mente e do corpo como duas entidades diferentes. Descartes, pode caracterizar-se como um Dualista. Foi explcito em relao ao problema corpo-mente afirmando que existiam dois reinos: o mental e o material. Para o filsofo, o que caracterizava a mente era o pensamento racional. O papel da mente na relao que tem com as sensaes do mundo exterior importante para Descartes, na medida em que para ele, entre as ideias que temos, existem algumas que so inatas, como as ligadas s propriedades da forma e do tamanho, [Rock, 1975]. Os Dualistas argumentam que eventos mentais no so apenas eventos neuronais, uma vez que nem todos os eventos no crebro correspondem a estados mentais conscientes. Alguns Dualistas (os psicofsicos paralelistas) afirmam que existem dois domnios paralelos; ou seja, a cada evento cerebral corresponde um estado mental ou experincia consciente simultnea. Ainda dentro da categoria dos Dualistas, h outros que afirmam que os estados cerebrais causam os estados mentais, mas que os dois domnios tm pesos diferentes. Assim, ainda que haja eventos

  • Introduo Percepo Humana: processo perceptivo e mecanismos fisiolgicos visuais

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    cerebrais que no se traduzam em estados mentais conscientes, seguro dizer que no possvel existir um estado mental sem um correspondente estado cerebral, [Sekuler, 1990]. Dentro dos Monistas existe uma diviso fundamental entre: Idealistas que acreditam que apenas existem eventos cerebrais, e, portanto, o mundo fsico no existe; e Materialistas que afirmam que o que existe o mundo dos objectos fsicos e eventos, onde a conscincia no mais do que uma propriedade do crebro (sendo que o crebro um objecto), [Levitin, 2002].

    Em termos perceptivos, o antigo problema filosfico: se uma rvore cair na floresta e no l estiver ningum produzido algum som? , de acordo com a viso adoptada por Sekuler e Rock, fcil de resolver. No s a arvore cai, como tambm a sua queda produz energia acstica sob a forma de ondas de presso de ar. Quanto ao ser produzido som, a ambos concordam que apenas se um ser humano (ou outra criatura com um sistema auditivo semelhante ao do humano) estivesse presente que se poderia dizer que o som existia, considerando que o som uma experincia perceptiva, [Rock, 1975; Sekuler, 1990].

    Dependendo da linha terica que seguida, vrias so as abordagens que so possveis ter na resoluo das questes da percepo. Nesta Dissertao, considera-se a ideia de que o processo perceptivo resulta da interaco entre o mundo real e o mundo perceptivo. Como sintetizado em [Sekuler, 1990]: o mundo real e o mundo percepcionado no so a mesma coisa. So, contudo, correlacionados. Mais, a viso do mundo, do ponto de vista de quem o percepciona, necessariamente incorrecta uma vez que o sistema sensorial no s pode aumentar como tambm limitar a informao que est disponvel ao observador, [Sekuler, 1990].

    2.2 - Definio comum, na introduo de uma determinada rea de estudo, comear por uma definio. Embora seja

    um ponto de partida aceitvel; se no explorado, pode ser bastante redutor. Para a palavra percepo, uma das definies encontradas indica que se trata de uma funo de captao de informao dos acontecimentos do meio exterior, ou do meio interno, pela via dos mecanismos sensoriais,[Doron, 2001]. Irvin Rock apresenta o conceito afirmando que o campo da percepo se situa entre o domnio dos processos sensoriais e o domnio dos processos cognitivos, [Rock, 1975].

    Partindo destas duas definies, pode-se j identificar duas reas de grande interesse no estudo da percepo humana, e cujo aprofundamento depende directamente do tipo abordagem dada ao tema: a dos processos sensoriais e da interaco com o meio externo; e a dos processos cognitivos, portanto, internos. Doron & Parot clarificam isso mesmo na sua explicao do conceito: por um lado existem factores, que esto ligados s caractersticas dos estmulos, aos constrangimentos dos receptores, e s condies neurofsicas da transmisso da informao para os centros nervosos; e os que, de natureza mais cognitiva, resultam de processos conceptuais superiores e da integrao das experincias do sujeito, [Doron, 2001].

    2.3 - Processo perceptivo A palavra percepo no se refere a um acontecimento isolado. Vrios autores descrevem a percepo

    como um processo integrado. So apresentados a seguir dois exemplos. Sekuler & Blake, em [Sekuler, 1990], quando introduzem o conceito, explicam-no como um elemento final de uma cadeia de eventos. O incio da cadeia de acontecimentos refere-se existncia de estmulos. Estes estmulos so de vrios tipos porque a estimulao assume vrias formas de energia fsica: trmica, electromagntica, mecnica e acstica. A segunda etapa a converso destes estmulos pelo sistema nervoso humano em acontecimentos neuronais. Este processo desig