ВВЕДЕНИЕ стигали результатов, которые дают основу для реше- Исследования взаимодействия человека с ин- ния задач данного исследования. В [3] при обработке формационными системами являются одними экспериментальных данных большого набора экс- из самых активно развивающихся научных на- периментов были получены статистические оценки правлений. Информационные системы обычно времени реакции человека на визуальный стимул: содержат избыточное количество информации о самое вероятное значение времени реакции должно выполняемых ими процессах. Важным аспектом составлять 500 мс после подаваемого стимула; рас- для телекоммуникаций является уменьшение пределение времени реакции получается несимме- избыточности информации при обмене между тричным, медианное значение смещено в большую информационными системами или между че- сторону, но доверительный интервал составляет от ловеком и системой. Прикладные задачи при- 250 до 1500 мс. менения информации определяют требования В [4] описано свойство синхронизации и способы к разработке телекоммуникационных систем, её измерения. В исследовании проводились экспе- реализующих каналы обмена информации. Раз- рименты, где после остановки ритма, испытуемые рабатываемые методы анализа и визуализации воспроизводили ритм ударами пальцев рук. Исследо- информации, такие как графические интерфей- вание выявило, что режим внутренней синхрониза- сы с отображением данных в виде диаграмм с ции наблюдается только при звуковой модальности, учетом психофизиологических и эргономиче- при визуальной модальности перехода в режим вну- ских аспектов поведения человека, позволяют тренней синхронизации не происходит. В текущем представить информацию для человека таким исследовании мы применили другой метод передачи образом, чтобы существенно упростить процесс стимулов в «визуальной модальности». принятия решения. В исследовании [4] представлен результат серии Исходя из изложенных обстоятельств, требуется экспериментов с разной длительностью «циклов», определить, как построить оптимальный протокол где была выявлена закономерность «чем меньше взаимодействия между машиной и человеком. Такие длительность цикла, тем меньше отклонения фик- протоколы общения должны быть построены на ком- сируются при проверке синхронизации». Еще была бинациях одинаковых примитивных структур, легко выявлена закономерность, что, чем больше интервал и однозначно опознаваемых человеком. между ударами внутри «цикла», тем устойчивее вы- Ритмичность визуального образа была описана рабатывается «синхронизация» у испытуемого. больше 100 лет назад в работе М.Я. Гинзбурга «Ритм В [5] указан потенциал преодоления времени реак- в архитектуре» [1]. Важным отличием восприятия ции в 250 мс для применения в механизмах взаимо- ритма в музыке и архитектуре является скорость. Для действия человека и машины, если стимул заключен восприятия музыкального ритма нужно прослушать в ритмическую последовательность. В [6] говорится о все звуки одного такта до конца, ведь звук мы воспри- существовании режима внутренней синхронизации нимаем последовательно, и если все ноты такта про- даже в интервале времени, когда слушатель уже вос- звучат одновременно, невозможно будет определить принимает другой ритм, что может косвенно указы- какой ритм они формируют. Для запечатления ар- вать на формирование абстрактного образа ритма в хитектурного орнамента достаточно только взгляда. памяти человека. Все сенсорные системы человека (термин, обоб- [7] позволяет определить, в каких временных мас- щающий органы чувств человека) способны вос- штабах человек воспринимает ритм, слушая музыку, принимать переменное воздействие со сложной и может ли человек, имеющий музыкальное обра- структурой, такое как ритм. Также человек может зование, воспроизвести музыку в предельных вре- воспроизвести ритм любым возможным способом, менных масштабах, заданных ритмом, по нотным задействовав любой тип моторики. записям. Опираясь на знания классических темпов, Ритм можно использовать для передачи информа- которые рассчитываются в ударах в минуту, можно ции машине, но для нее ритм является комбинацией понять, в каких временных масштабах человек адек- интервалов времени, в которые стимул производится ватно воспринимает ритм. Если пересчитать удары с заданной интенсивностью. Комбинация стимулов в минуту в миллисекунды, то получается, что время повторяется несколько раз. Время, за которое вос- реакции на звук как часть ритмической композиции производится одна комбинация стимулов, назовем составляет от 300 до 1500 мс, что немного больше, чем циклом. Для человека, из-за несовершенства сенсор- в исследовании по проверке зрительной реакции [3]. ных систем и адаптивной природы сознания, интер- В [8] было выявлено шесть основополагающих валы времени от цикла к циклу могут быть «похо- «замечательных» ритмов: «Шико», «Сон», «Румба», жими», т.е. допускается небольшое отклонение по «Соукоус», «Гаху», «Босса-нова». Все остальные времени начала и конца цикла [2]. ритмы являются производными от них. В текущем Данная проблематика рассматривалась ранее исследовании все эксперименты были проведены на многими исследователями. В своих работах они до- этих шести «замечательных» ритмах. 8 ЭЛЕКТРОСВЯЗЬ |1|2025 СЕТИ И УСЛУГИ XXI ВЕКА МЕТОДЫ ПРОВЕРКИ ГИПОТЕЗ испытуемый мог оценить свою ошибку при воспро- Основываясь на анализе результатов изученных ис- изведении ритма. Испытуемый взаимодействовал с следований, были сформированы следующие гипо- интерфейсом, изображенным на рис. 2. тезы: Звуковой стимул представляет собой звук удара ба- • можно создать такой человеко-машинный ин- рабана, который на спектре представлен в широкой терфейс, где машина будет сообщать инфор- полосе и имеет короткий передний фронт импульса. мацию человеку через стимулы, заключенные Такие колебания равномерно распределяются в про- в исполняемой ритмической последователь- странстве [9]. ности; В эксперименте участвовали студенты. Каждый • для оценки процесса выработки «синхрониза- испытуемый участвовал в эксперименте только один ции» подходит такой параметр как «устойчи- раз, так как «синхронизация» сохраняется у человека вость синхронизации»; даже после окончания восприятия стимулов. Было • существует ритм, при использовании которо- проведено 53 эксперимента, по которым были со- го достигается наименьшее «время выработки браны результаты для дальнейшей статистической синхронизации» и наибольшая «устойчивость» обработки. по сравнению с другими ритмами; • если машина будет дублировать передаваемую МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТОВ информацию через человеко-машинный ин- При проведении экспериментов установка фикси- терфейс, параллельно используя и звуковую, и ровала время реакции испытуемого на стимулы. Вре- визуальную «модальность», то можно получить мя отсчитывалось от момента начала эксперимента синергетический эффект в процессе выработ- с точностью до миллисекунды. ки «синхронизации». В ритмической последовательности внутри од- Для проверки гипотез был поставлен экспери- ного цикла интервалы времени между стимулами мент. Испытуемому воспроизводился один из ше- не одинаковы. Для определения границ интервалов сти «замечательных» ритмов, который повторялся до принадлежности меток реакции к меткам стимулов тех пор, пока сам испытуемый при помощи кнопки используются следующие формулы: «завершить» не останавливал эксперимент. Время T (cid:7)T проведения эксперимента не ограничивалось. Ис- T (cid:2)T (cid:7) Stim predStim; пытуемому была поставлена задача: получить самую min Gran Stim 2 «устойчивую синхронизацию», которую возможно достигнуть за время проведения эксперимента. Ис- T (cid:7)T T (cid:2)T (cid:8) sledStim Stim, пытуемый повторял ритм цикл за циклом и улучшал max Gran Stim 2 «устойчивость синхронизации». Эксперимент проводился в одном из трех режимов: гдеTTT – время воспроизведения текущего стимула; Stim • ритм воспроизводился в виде звуков однотон- TT – время воспроизведения предыдущего сти- predStim ных ударов барабанов; мула; TT – время воспроизведения следующего sledStim • ритм изображался в виде визуальной схемы, стимула;TT – время нижней границы интервала min Gran циферблата, где весь оборот представлялся принадлежности реакции к стимулу; T – время maxx Gran одним циклом ритма; верхней границы интервала принадлежности реак- • комбинированный режим с одновременным ции к стимулу. звуковым и визуальным способом передачи Все значения измеряются в миллисекундах и от- ритма испытуемому. считываются от начала эксперимента. Промежуток Во время проведения эксперимента испытуемый времени, выделенный границами интервала, назван отбивает ритм пальцами рук по клавиатуре компью- окрестностью момента подачи стимула. На рис. 3 по- тера в те же моменты воспроизведения звука или в казана визуальная схема определения временных соответствии с отметками на визуальной схеме. окрестностей момента подачи стимула. Следует отметить, что все шесть «замечательных» Время реакции на стимул обозначим как TTT . Тог- React ритмов состоят из пяти звуков, которые можно раз- да если выполняется условие TT < TTT < T , min Gran React maxx Gran местить внутри цикла на шкале из 16 позиций. Цена то реакция принадлежит к стимулу, от которого рас- деления для шкалы была выбрана в 200 мс. Длитель- считаны TT и T . min Gran maxx Gran ность цикла составляла 200 мс16=3200 мс. На рис. 1 После определения принадлежности требуется показана окружность с метками, отмечающими вре- найти, на сколько время реакции не совпадает со мя, прошедшее с начала цикла. временем воспроизведения стимула. Это значение Для дополнительной проверки к концу цикла является численной мерой устойчивости «синхро- формировалось две фигуры, где одна фигура накла- низации». Для вычисления используем следующую дывалась поверх второй. По несовпадению фигур, формулу: 9 ELSV.RU TT = TTT – TTT , (1) synch Stim React Рисунок 1 гдеTT – отклонение времени реакции от времени Метки на визуальной схеме с указанием времени syynch подаваемого испытуемому стимула за один цикл ритма воспроизведения стимула, мс. Формула (1) не пред- полагает приведение значений к модулю. Это связан- но с тем, что если получено отрицательное значение, то природа такой реакции отличается от реакции с положительным значением. Отрицательное значе- ние указывает на попытку предугадать появление стимула и отреагировать на него вне зависимости от того, что стимул может и не воспроизвестись в соответствии с ритмической структурой последова- тельности времен между стимулами, ориентируясь только на «внутреннюю синхронизацию». В итоге, на каждую реакцию программа формирует строку со следующими ячейками, которые объеди- няются в таблицу: • Cicle number – номер повторении цикла ритма; • Nuber of hit – номер позиции отметки внутри цикла ритма; • Absolute time – время, прошедшее от начала эксперимента; • Time to hit – время, прошедшее от начала экс- перимента до времени подачи стимула; • Deviation – разность по времени между значе- Рисунок 2 ниями TTT и TTT . Интерфейс экспериментальной установки в момент, когда Stim React Для вычисления статистических показателей ис- испытуемый воспроизвёл все реакции на стимулы в первый следования были выбраны наборы данных из значе- цикл ритма «Румба» ния Deviation, что на графиках, представленных на рис. 4, обозначено как «отклонение реакции». Расчет производился методами, которые основа- ны на стандартах и рекомендациях [1, 10, 11], разра- ботанных для оценки серии экспериментов и полу- чения их статистических показателей. Для изучаемых данных вычислен доверительный интервал, равный 0,95. Полученные значения были распределены на три группы, соответствующие разным типам модально- сти стимулов, для каждой из которых были постро- ены графики плотности распределения (см. рис. 4): 1) стимулы передавались только в звуковой мо- дальности – на рис. 4 эта группа соответствует метке максимальное значение; Q1 – нижний квартиль; «Только звук»; Q2 – медиана; Q3 – верхний квартиль. 2) стимулы передавались только в визуальной мо- Графики сравнения плотностей вероятности дальности – на рис. 4 эта группа соответствует метке значений «отклонений реакции» при разных ре- «Только видео»; жимах применения модальностей передаваемых 3) стимулы передавались одновременно в обоих стимулов, представленные на рис. 4, не соответ- модальностях – на рис. 4 эта группа соответствует ствуют часто употребляемым функциям распре- метке «И видео и звук». деления. Значения для распределений плотностей вероят- Для учета того факта, что сам ритм может являть- ности значений отклонения реакций для каждого из ся фактором, сильно влияющим на «синхрониза- режимов модальности передаваемых стимулов пред- цию» [10], графики сравнения плотностей вероят- ставлены в таблице. ности значений «отклонений реакции» при разных Значения в таблице описываются следующими режимах применения модальностей передаваемых численными показателями: Count – количество из- стимулов были составлены на каждую группы экс- мерений; Mean – среднее; Std – среднеквадратичное периментов, где использовался определенный ритм отклонение; Min – минимальное значение; Max – (рис. 5–10). 10 ЭЛЕКТРОСВЯЗЬ |1|2025 СЕТИ И УСЛУГИ XXI ВЕКА РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЯ Рисунок 3 Результаты экспериментов содержат достаточную Пример расчета окрестностей момента подачи стимула, представленных на визуальной схеме для одного цикла выборку для проведения статистических расчетов ритма для каждого из подобранных начальных условий. Начальные условия позволяют определить влияние следующих факторов на результат: • модальность – способ передачи стимулов ис- пытуемому: «звуковой», «визуальный» или «комби- нированный»; • ритм – структура звуков внутри каждого ритма в отдельности: «Шико», «Гаху», «Сон», «Босса-нова», «Соукоус», «Румба»; • длительность эксперимента – время фиксации реакции на стимул относительно времени всего экс- перимента. Оценивается временем с начала экспе- римента или количеством циклов; • позиция стимула внутри цикла ритма – интер- валы времени между стимулами внутри одного цик- ла, составляющего ритм. Распределение значений «звуковой» модально- сти соответствует нормальному распределению. Но в экспериментах, когда применяется только Рисунок 4 со «звуковая» модальность, наблюдается явление Сравнение плотностей вероятности значений «отклонений «запаздывания» [12] реакции относительно сти- реакции» при разных режимах применения модальностей передаваемых стимулов мула. Распределение значений «визуальной» модаль- ности подходит по виду под сумму нормальных распределений с двумя максимумами или под рав- номерное распределение. Из этого можно предпо- ложить, что испытуемый мог применять две стра- тегии действия: • предугадывать сигнал по визуальной схеме; • представлять ритм абстрактно в виде звука и ре- агировать на него, как если бы звук воспроизводился в действительности, опираясь на память о ритме. Исходя из максимальных значений плотностей вероятности значений отклонения реакций, полу- ченных при разных режимах модальности стимулов, первую стратегию испытуемые использовали чаще. Распределение значений «комбинированной» модальности соответствует сумме трех нормальных распределений. Статистические параметры оценки «синхронизации» для всех групп значений «отклонения реакции» Из полученных результатов можно сделать вы- вод о том, что в значениях среднеквадратичных от- Только видео Только звук Видео и звук клонений видно (см. таблицу), как с увеличением Count, шт 2913 1576 1416 количества циклов уменьшается разница между «отклонением реакции» и временем подачи сти- Mean, мс 1,041881 55,625000 16,028955 мула, определенного на оси Y в значении «0», что Std, мс 176,340660 113,571563 140,028356 соответствует процессу повышения устойчивости «синхронизации». Min, мс –318 –319 –315 Q1, мс –145 3 –75,25 ЗАКЛЮЧЕНИЕ В результате мы можем сформировать следующие Q2, мс –8 68 18 ответы для сформулированных гипотез: Q3, мс 146 122 116 1) исследование показало, что использование рит- ма в интерфейсе, созданного для передачи инфор- Max, мс 351 343 349 11 ELSV.RU Рисунок 5 Рисунок 8 Плотность распределения реакций по продолжительности Плотность распределения реакций по продолжительности экспериментов для ритма «Шико» экспериментов для ритма «Босса-нова» Рисунок 6 Рисунок 9 Плотность распределения реакций по продолжительности Плотность распределения реакций по продолжительности экспериментов для ритма «Гаху» экспериментов для ритма «Соукоус» Рисунок 7 Рисунок 10 Плотность распределения реакций по продолжительности Плотность распределения реакций по продолжительности экспериментов для ритма «Сон» экспериментов для ритма «Румба» мации от машины к человеку, возможно. Человек мы, что уникально для каждого ритма в отдельно- воспримет информацию о ритме и сможет её воспро- сти; извести, если воспроизведение будет поддерживать- 4) исследование показало, что результаты экспе- ся стимулами от машины; риментов при применении режима с «комбиниро- 2) в исследовании использовалась мера «отклоне- ванной» модальностью могут являться результатами ния реакции», которая является обратным значени- выработки стратегии реакции, основанной на синер- ем для «устойчивости синхронизации»: чем меньше гетическом эффекте, полученном при восприятии «отклонения реакции», тем выше «устойчивость син- стимулов и «звуковой», и «визуальной» модальности. хронизации». Параметр «устойчивости синхрониза- Проведенное исследование является основанием ции» показал свою эффективность для выявления для создания модели «внутреннего восприятия изо- факторов, влияющих на исследования; бражения» для исследования восприятия глубины 3) исследование показало, что модальность сти- картины на плоском изображении. мула имеет более значительную роль, чем структура Исследование выполнено ритма. В случае «комбинированной» модальности за счет гранта Российского научного фонда условия эксперимента для испытуемого позволяют № 23-29-00300, определить выгодную стратегию реакций на рит- https://rscf.ru/project/23-29-00300/ 12 ЭЛЕКТРОСВЯЗЬ |1|2025 СЕТИ И УСЛУГИ XXI ВЕКА СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 1. Гинзбург, М.Я. Ритм в архитектуре / C. Palmer // Music Perception. – жению неопределенности измерения. М.Я. Гинзбург. – М.: Среди коллекционе- 1996. – Vol. 14, Issue 1. – P. 23–56. – 11. Можаева, А.И. Эталонная объектив- ров, 1923. – 119 с. https://doi.org/10.2307/40285708. ная метрика оценки качества видео со- 2. Recommendation ITU-R BT.500-15 6.Cooper, G. The rhythmic structure of вместимая с PSNR учитывающая частотные (05/2023). Methodologies for the subjective music / G. Cooper, L.B. Meyer. – Chicago: и периферическую характеристики зрения assessment of the quality of television images. University of Chicago Press, 1963. – 221 p. человека / А.И. Можаева, И.В. Власюк, 3. Castro-Palacio, J.C. Human Reaction 7. Курс теории музыки: учебное пособие; А.М. Поташников, Л. Стритер // DSPA: Во- Times: Linking Individual and Collective под ред. А.Л. Островского. – Л.: Музыка, просы применения цифровой обработки Behaviour Through Physics Modeling / 1988. – 24 с. сигналов. – 2021. – Т. 11, № 2. – С. 44-54. J.C. Castro-Palacio, P.F. de Cordoba, 8. Toussaint, G.Т. The Geometry of Musical 12. Potashnikov, A.M. The Method of J.M. Isidro et al. / Symmetry. – 2021. – Rhythm. What Makes a Good Rhythm / Representing Grayscale Images in Pseudo Vol. 13, Issue 3. – article 451. G.Т. Toussaint. – Routledge, 2013. – 365 p. Color Using Equal-Contrast Color Space / 4.Patel, A.D. The infl uence of metricality 9. Литвин, С.А. Аудиопроцессорная A.M. Potashnikov, I.V. Vlasuyk, V.V. Ivanchev, and modality on synchronization with a beat / обработка сигналов звукового вещания: A.V. Balobanov // 2020 Systems of Signals A.D. Patel, J.R. Iversen, Y. Chen, B.H. Repp учебное пособие / С.А. Литвин, О.Б. Попов, Generating and Processing in the Field of on // Experimental Brain Research. –2005. – Т.В. Чернышева. – М.: Горячая линия –Те- Board Communications. – IEEE, 2020. – DOI: Vol. 163. – P. 226-238. леком, 2017. – 222 с. 10.1109/IEEECONF48371.2020.9078584. 5. Palmer, C. On the Assignment 10. ГОСТ 34100.3-2017. Неопределенность Получено после доработки 28.11.24 of Structure in Music Performance / измерения. Часть 3. Руководство по выра- Research of methods for improving the efficiency of human-machine interfaces by introducing rhythmic audiovisual stimuli V.V. Kudryashov, Moscow Technical University of Communications and Informatics (MTUCI), assistance lecturer; v.v.kudryashov@mtuci.ru V.A. Selivanov, MTUCI, associate professor, Ph.D.; selivanovctc@gmail.com A.M. Potashnikov, MTUCI, senior lecturer; a.m.potashnikov@mtuci.ru V.D. Fedorov, MTUCI, assistance lecturer; v.d.fedorov@mtuci.ru Abstract. The premise of the study is the hypothesis that it takes much less time to compare visual images than to compare two melodies by ear. This study aims to answer two questions: is it possible to perceive the rhythm immediately with the help of a visual image, without changing the image sequentially over time; and how accurately a person can reproduce this rhythm. The purpose of the study is to determine the parameter by which a person’s perception of rhythm can be objectively assessed, the best type of stimulus for transmitting information about rhythm to a person, and how many cycles of perception of a rhythmic structure in a listened melody or in a synthesized image of an ornament is required for a person to be able to repeat this rhythm. Keywords: hearing perception, motor skills, rhythm, visual perception, human-machine interfaces. 13 ELSV.RU СЕТИ И СИСТЕМЫ СВЯЗИ Методологические основы имитационного моделирования помехозащищённого радиоканала декаметрового диапазона А.А. Катанович, ВУНЦ ВМФ «Военно-морская академия», главный научный сотрудник, профессор, д.т.н; andrei.katanovitch@yandex.ru Е.В. Пыков, ВУНЦ ВМФ «Военно-морская академия», адъюнкт; eugene354057@list.ru В.А. Цыванюк,ВУНЦ ВМФ «Военно-морская академия», старший научный сотрудник, к.воен.н; ciwoniuk@mail.ru