空间知觉测试系统小组报告.doc

人因工程课程设计报告（小组） 专 业 工业工程 年 级 2007级 组 长 卢方方 组长学号 20070770518 小组成员 吴玉洁 、张玉雪 张红旭 、王文 指导教师 许立敏 日 期 2010-05 郑州大学管理工程系摘要 以空间知觉知识为基础，运用人因工程学理论，探讨空间知觉特性及刺激反应的性别差异和空间结构特点对信息传递效率的影响；分析了人对空间知觉测试系统中在不同环境下的反应刺激结果。通过对人因工程人机界面设计的实践运行，基本掌握人机界面设计的要领、原则和需要注意的问题，同时着重扩展了系统性误差对整个实验的影响因素程度等等，并总结出，通过改善实验方法和程序，以提高实验本身的可行性、科学性和说服性。学习系统优化的方法。关键词 空间知觉 ；人机界面；性别差异；系统性误差研究类型 实验研究 目录1 课程设计时间 32 小组成员33 实验内容34 实验目的35 实验原理35.1 空间知觉的介绍35.2反映机理45.3实验机理45.4实验方法56 系统设计与实现56.1系统分析56.2人机界面设计66.3数据输入86.4系统实现86.5 功能介绍87 实验步骤108 实验数据119 数据分析129.1空间知觉反应的性别差异分析129.2 空间知觉反应的系统性差异分析149.3 空间知觉系统的纵向反应分析1610 实验结论1811 总结1911.1小组成员个人评价1911.2分工介绍20参考文献20空间知觉测试系统报告1 课程设计时间2010-4-262010-5-32 小组成员吴玉洁（20070770429） 张玉雪（20070770436）卢方方（20070770518） 张红旭（20070770534）王文（20070770528）3 实验内容（1） 通过刺激，测定被试对空间复杂图形的辨别能力及反应时；（2） 探究实验原理并通过计算机语言进行实验软件模拟；（3） 运用软件进行数据测试，检验软件的操作性；（4） 统计实验数据并分析，绘制相关图表，得出实验结论；（5） 通过实验成果联系实际生活作出相关扩展。4 实验目的（1） 探究空间知觉特性；（2） 分析对空间特性辨别能力的个体特别是性别差异性；（3） 验证刺激的空间结构特点对信息传递效率的影响；（4） 通过这次实习，加深对空间知觉的理解，增强自身动手操作及数据分析的能力，锻炼小组合作精神。5实验原理5.1 空间知觉的介绍物体有大小、形状、远近、方位等空间特性。空间知觉就是人脑对物体空间特性的知觉。空间知觉是多种分析协同活动的结果，如视知觉、听知觉、运动知觉、平衡觉等。心理学家通过观察和实验有力地证明了，空间知觉不是先天存在的，而是后天经过学习获得的。不过这种学习的过程是在早年进行的，不为人所察觉与记忆，但是科学实验已经重复了这一过程，确认这一过程的存在。本实验主要研究形知觉。形状知觉是靠视觉、触模觉和动觉获得的。对物体形状、大小的知觉时，物体在视网膜上成像起着巨大的作用。同时，在观察物体时眼球沿着物体轮廓运动所产生的动觉刺激，为物体的形状提供了信号，用手触摸物体时，肌肉活动产生连续的动觉刺激也传到大脑，大脑皮层对这些信号进行分析综合的结果，人们才能够形成物体的形状知觉。 形状知觉具有恒常性。无论从什么角度看，人对形状的知觉相当稳定，保持不变。当人们用眼睛感知物体的形状时，由于观察角度的不同，物体形状在视网膜上的投影会发生很大的变化。正方形的物体从侧面看去，网膜上的投影是一个长方形，正圆的盘子从侧面看去，网膜上的印象是椭圆形，但是人们仍然将它们感知为正方形和圆形。由于在日常生活中，人们多次从不同角度观察过同一物体，加上有触觉的配合就形成了对物体形状的正确知觉。但是，当相似的图像获取，在方位，视野以及环境背景等其他因素的影响使我们在信息处理方面造成某种差异，也会因影响我们对空间知觉的判断辨别能力。5.2 反映机理一般将外界刺激出现到操作者根据刺激信息完成反应之间的时间间隔称为反应时。反应不能在给予刺激的同时立即发生，而是有一个反应过程。 反应过程包括刺激使感觉器官产生活动，经由神经传递至大脑，经过加工处理，再从大脑传给肌肉，肌肉收缩后作用于外界的某种客体。如果呈现的刺激只有一个，被试只在刺激出现时做出特定的反应，这时获得的反应时间称为简单反应时。精神准备时间的长短、外界的干扰、性别都会影响简单反应时。5.3 实验机理剌激空间结构特点的研究既有理论的意义，也具有实践意义，通过这类研究，可以有助于理解人对图形或剌激空间结构知觉过程，掌握空间结构的过程，以及结构中各成分的作用等，从而充实了感知心理学的理论；在实践方面，人所接触的外界剌激总离不开一定的空间结构，怎样更有效地对它们进行反应乃是首先需要考虑的问题。在教育心理学中，对学生空间知觉，表象的研究，是与几何、语文、劳动、美术、体育各科教育有着密切的关联。图形识别是指人们在一定条件下知觉到什么形状的问题。60年代有许多学者在这方面曾有过大量的研究。研究有形状识别阈限和特征提取二个方面。形状识别阈限：是指人们识别出一个形状所需要的最低的剌激强度。波里(Bory)的实验证明三角形和长方形的识别阈限最低，圆形的识别阈限居中，识别阈限最高的是十字形和星形(不规则形)。亥基(Hake)按不同的任务要求把形状识别分为侦查、辨别、再认、确认和评价五类。侦查要求被试者对是否呈现剌激作出判断。再认要求被试者判断当前所看到的图形是否先前见过。确认要求被试者对呈现剌激说出名字或代码。评价要求被试者对所给予的一组图形按一定的要求逐一排列或分类。一般而言侦查任务的识别阈限最低，确认任务的识别阈限最高。识别阈限常用速示仪来测定：实验者把剌激呈现控制在极短的时间内，通常是要求被试来不及作眼球转动的极短时距内作出反应，以能正确说出剌激的名称或样式时的最短时间为其识别阈限。在心理学中研究图形或剌激空间结构的方法有多种，如使用速示器、大屏幕呈现器呈现剌激，以及采用掩蔽的等等方法，要求被试对图形的再认和再现，但都具有一定的局限性。当今信息论的发展为这方面的研究提供了新的研究方法。空间知觉测试仪就是人们凭借视觉对空间位置中形状、方位的辨别过程来鉴别个体对空间特性的辨别能力的。该实验主要由显示区、主试控制区、被试操作区这三个主要部分构成。其通过小灯的不同组合能呈现几十种图形，供实验时任意选用。所输出的图形分为条形、块形和不规则形三类，每类又可分为四种图案两种情况。每种实验条件前，主试会将图形的空间位置所对应的应答按键号演示出来。实验时将会随机呈现不同位置的图形，根据所记住的对应键号，又快又准的应答。实验中，被试对不同的图案进行辨别反应，主试记录下必要的数据。所得数据可用常规统计进行比较。根据实验5.4 实验方法控制变量法，简单常规统计分析法。6 系统设计与实现6.1 系统分析针对软件系统是测试空间反应的原理，针对人接收到的视觉刺激到手的反应动作，软件的程序将设定两个时间的统计。根据这两个时间的测定，界面将向测试者输出他本次测试的时间和正确错误次数，并且系统将把每一次输出的信息自动收集到txt文档中，便于实验者的数据收集、整理和分析。软件定性为测试软件，测试界面的设计必须符合人机界面的原则。因此，界面图片的选择，按钮的设计，都要为测试者的方便、测试结果的准确提供很好的环境。6.2 人机界面设计在人机系统中，存在着一个人与机相互作用的“面”，所有的人机信息交流都发生在这个面上，通常称之为人机界面。用户本身的技能、个性上的差异、行为方式的不同，都可能对人机界面造成影响。不同类型的人对同一界面的评价也不同。人机界面设计的原则：一般可交互性；信息显示；数据输入。人机界面设计主要是指显示区、控制区以及它们之间的关系设计，应使人机界面符合人机信息交流的规和特性。6.2.1 界面设计图 6-2 空间知觉测试系统主界面在此人机系统中，根据人接受信息的感觉通道，主要通过四个界面以视觉效应显示，视觉显示可以传递比较复杂、抽象的信息或含有科学技术术语的信息。主界面设计，背景颜色以淡蓝色为主调，插入的图片清新淡雅，给人以舒服怡人的感官刺激。单击主界面上的辅助说明控件，即可分别进入副界面。“系统介绍”,“系统说明”主要帮助用户了解软件系统的背景以及使用方法。以黄色作主背景，突出醒目。然后是测试界面。综合人因设计的因素，考虑到本机测试系统主要和人的记忆思维，信息逻辑处理敏捷度以及干扰有很大联系，固本机的测试界面设计的比较简洁，颜色主调是光滑的淡黄色，达到既舒服又不干扰测试系统。数据显示区以纯白为底色，图形为蓝色，形成鲜明对比，便于记忆测试。而红、黄、绿颜色灯考虑了它们各自的含义，便于给测试者以提醒布局上，简洁大方美观，强调对称原则，符合测试环境。6.2.2 错误信息处理交互系统给出的出错消息和警告应具备以下特征：a 消息以用户可以理解的术语描述问题。b 消息应提供如何从错误中恢复的建议性意见。c 消息应指出错误可能导致哪些不良后果（比如破坏数据），以便用户检查是否出现了这些情况或帮助用户进行改正。d 消息应伴随着视觉或听觉上的提示，也就是说，显示消息时应该伴随警告声或者消息用闪耀方式，或明显表示错误的颜色显示。e 消息应是“非批评性的”，即不能指责用户。本例主要以颜色显示错误。即按照IS9000国际标准化，以红色显示错误，绿色显示正确，黄色显示等待。6.2.3 系统反应时间系统反应时间指从用户执行某个控制动作（如按回车键或点鼠标）到软件作出响应（期望的输出或动作）的时间。系统响应时间长会使用户感到不安和沮丧。稳定的响应时间（如1秒）比不定的响应时间（如0.1秒到2.5秒）要好。同时，在测试时候的反应时间，我们设置的是5秒，以便于测试者进行反应和记忆处理。由于此测试系统是类似图形的逻辑变幻，在空间认知上还是有一定的难度的，所以测反应时间的设置还是合理的。6.3 数据输入 用户与系统交互的大部分时间用于键入命令、数据以及提供其它的系统输入。输入手段主要有键盘、鼠标、数字化仪甚至语音识别系统等。处理数据输入的问题时应该注意： 尽量减少用户输入动作的数量。 允许用户定制输入。 交互应该是灵活的并可调整到用户喜欢的输入方式。 保持信息显示和数据输入的一致性。 隐藏当前动作语境中不可选用的命令。6.4 系统实现 创建设计模型后，通常可使用相关的工具开发界面原型，把一般应用程序定义界面时所必需的界面元素，如窗口、菜单、窗口中的控件（如按钮、对话框等）预定义为对象，并预测每个对象可能需要作出的响应事件（例如单击鼠标或按键等），将这些预定义的对象组织成构件库，每个对象有自己的属性、方法和事件过程。经过努力实现了系统的初步成果。然后需要小组内进行测试及改进。采用头脑风暴法，主要要改进的是软件的界面，界面的设计要根据人的习惯来确定。因此，软件的界面要更适于人机环境中的人机交互。从而实现系统的不断优化。6.5 功能介绍空间知觉测试系统主要是用于测试测试者的空间知觉的反应时和辨别能力。该系统通过类似图形的变幻，让被试者作出快速正确的反应，从而得出测试者的反应时间和错误次数，并自动保存到txt文档中。表6-5 详细功能介绍界面界面元素功能说明主界面标题系统名称系统介绍介绍软件开发人员、产品、版本及最终解释权系统说明介绍系统使用规则进入测试系统进入测试系统退出测试系统退出测试系统一界面内容说明系统介绍返回返回主界面副二界面内容说明系统说明返回返回主界面测试界面图案类型选择要测试的图形类型，作对比实验图形刺激反应对象，实验开始后，图片开始变化，测试者努力辨别图形编号，并记忆判断。次数选择测试次数，以供作对比实验性别选择性别，以作对比实验对应数字对图形变化的应答，每个图形都有“1、2、3、4”中的一个对应的数字，测试者在测试的过程中，一边注视图形区，一边作出辨别判断并迅速填入空格中颜色标示黄色圆圈表示测试进入准备反应时间，同时反应时间开始计时；绿色圆圈表示反应正确，同时反应时间停止计时；红色圆圈表示反应错误，同时反应时间停止计时。测试完毕提示测试反应正确达到预定次数，系统跳出提示框，本次测试结束。正确次数当被试者反应正确，计数一次，直至次数达到预先设定的测试次数即停止。总反应时间即测试者对图形变幻并作出判断所花费的累积反应时间。记错次数表示测试者在一次测试过程中出现错误的次数。开始表示开始测试。复位进行数据信息刷新，预备进入下一次测试。保存结果保存测试数据于预先设定的txt文档中。退出退出本系统。7 实验步骤（1）打开空间知觉测试系统，进入主界面。（2）分别进入系统介绍、系统说明界面，简单熟悉了解系统及操作方法。返回主界面。（3）进入主测试界面，熟悉测试界面及工具。（4）开始测试，选择测试图形类型。（5）选择测试次数。（6）选侧测试者性别。（7）点击开始按钮，开始测试。（8）被试者根据图形变幻作出辨别记忆判断，并迅速地在“对应数字”空栏中填入相应数字。（9）正确次数达到预定次数，本次实验停止。（10）在界面上相应的区域即可看见数据信息，正确次数、错误次数、总反应时间。（10）保存记录测试数据。（11）点击复位按钮，准备下次测试。（12）选择不同的图形类型，测试次数重复710步骤。（13）不同的测试者进行测试，包括不同的性别的人，重复上述实验。（14）结束实验，检查并汇总数据。8 实验数据实验数据详见附表，空间知觉数据统计.xls表 8-1 空间知觉测试系统数据统计空间知觉测试系统统计数据汇总平均总反应时间（ms）平均错误次数平均错误率平均正确率空间知觉综合指数性别男150590.370.631.80 女198290.350.651.44 图形类型条形码2075100.410.59块形码152050.250.75不规则形码1769110.40.6测试次数10141380.40.6202090110.310.6930303590.210.79说明，由于本系统测试时，图形的选择上原本有六种类型。即初始图形分为三大类：条形码、块形码和不规则码。而每一类又根据位置的微小变化衍生出另一组图形及相关码。对此，我们做了相关实验和调查，发现每一类下的两种图形码的实验数据基本上是相似的，对实验结果的几乎不会造成影响。固证明了这种变化与实验目的的无相关性，我们在做数据收集整理的时候忽略了图形码的再分类，即图形码只分三大类：条形码、块形码和不规则码。9 数据分析9.1 空间知觉反应的性别差异分析（1）统计男女测试者的空间知觉系统反应数据，获取相关信息并处理如下表所示。 表9-1-1 性别差异总体分析平均总反应时间ms平均错误次数平均错误率平均正确率空间知觉综合指数男150590.370.631.80 女198290.350.651.44 （2）根据以上数据信息绘制直方图以便更直观的反应差异分析。 这里我们重点分析“平均总反应时间”和“空间知觉综合指数”与性别的关系。 图9-1-2 平均总反应时间柱形图我们发现，男生的平均总反应时间明显低于女生的总反应时间，这是在我们的实验猜测之中的，一般来说，男生的反应时间要高于女生的反应时间。而依据上表，男生的平均错误率稍微高于女生。这一点我们也持怀疑态度，并作出推测假设。空间知觉系属记忆视觉空间逻辑思维模式，而基于男性的逻辑信息处理优于女性的普遍性原则，男生在本实验中理论上应该在错误率上要低一些。我们小组又反复研究了整个系统的影响因素。最后得出结论，可能跟测试时的环境及测试者当时的心理有关。由于不可或免的因素，测试环境的不利，特别是男性测试者对本次实验并不是很热心，这在一定程度上降低了男生的信息处理效率。为此，我们为本次实验自行设定了一个指标，即空间知觉综合指数。我们将之定义为：空间知觉综合指数=1000/（平均总反应时间*平均错误率）其中，1000ms=1s，当实验总反应时间最短，平均错误率最低的时候，他们的乘积最小，倒数最大，这时我们认为测试结果最佳。所以，得到空间知觉综合指数越大，说明测试成绩愈好。我们可以发现，男生的综合指数要明显高于女生，所以之前我们作的假设还是成立的。图 9-1-3 空间知觉综合指数9.2 空间知觉反应的系统性差异分析（1）统计不同图形类型的空间知觉测试系统反应数据，整理分析数据信息，并作表如下。表 9-2-1 图形的空间知觉差异性平均总反应时间（ms）平均错误次数平均错误率平均正确率空间知觉综合指数条形码2075100.410.59块形码152050.250.75不规则码1769110.400.60 （2）根据以上数据信息绘制直方图以便更直观的反应差异分析。图 9-2-2 图形的空间知觉差异性根据上图分析，条形码的反应时间最长，块形码的反应时间最短，不规则码的反应时间还要短于条形码。这里出现了反常。不规则码的反应时间却比条形码的反应时间要短。我们设定的不规则码的难度要高于条形码的。基于这点，我们小组又做出大胆设想推测，最终讨论得出可能的解释。一般预定的本系统测试的顺序为条形码，接着是块形码，再就是不规则码，由于大多数测试者是第一次运用本实验系统，虽然实验图形比较简单，但是对系统及操作技巧还不是很熟悉，测得的反应时间平均都很长。而当实验进入块形码时，测试者一方面熟悉了测试系统，掌握了测试技巧，同时在很大程度上，我们小组认为这与图形的聚焦有很大的联系。我们对此作出了仔细研究。当人的视觉聚焦在某一相对的小区域时的注意力要较注意相对大的区域时集中，当然这是在一定的距离范围内，这时候人对信息的处理效率更高一些。而当进入不规则码测试的时候，由于前面已经学习了相当的经验，这时可以很镇定地进行测试。所以，我们发现，这三类图形的错误率，块形码最低，条形码和不规则码相当次之。这正好符合我们的分析结果。（3）统计不同的测试次数下空间知觉的反应数据，整理数据信息，并作出以下表。表 9-2-3 测试时间造成的差异性平均总反应时间ms平均错误次数平均错误率平均正确率空间知觉综合指数10141380.400.60202090110.310.6930303590.210.79我们可以从表中看出，平均总反应时间依次升高，平均错误次数大致相同，平均错误率却依次降低。可见，系统性因素造成的差异在本实验中的影响十分明晰。这与实验的无可或免性客观条件联系紧密。而这正是我们力求改善系统的地方。9.3 空间知觉系统的纵向反应分析 前面我们对数据的分析是基于每一项目对各个指标的反应，是一种横向的分析，同时我们要做到基于每一个指标的对各个项目的反应，这是另外一种分析角度，即空间知觉系统的纵向分析（1）总反应时间的影响分析根据统计数据绘制总反应时间因素表，如下：表 9-3-1 总反应时间因素差异分析性别图形类别测试次数总反应时间ms男女条形码块形码不规则码10203015051982207515201769141320903035根据上表绘制相关直方图，便于信息形象生动的获取。直方如下图。图 9-3-2 总反应时间直方图我们可以很清楚的看见，在各中情况下，测试者的总反应时间的差异性。首先，对于测试反应时间起决定性影响的是测试次数，由于总反应时间是一个累积值，所以，当测试次数增加时，这种反应时间的线性增加是符合理论分析的。 （2）错误率的影响分析 依据实验，分析整理数据信息，并制作表如下用以反应错误率信息。 表 9-3-3 平均错误率分析性别图形类别测试次数平均错误率男女条形码块形码不规则码1020300.370.350.410.250.40.40.310.21 根据上表绘制相关直方图，便于信息形象生动的获取。直方如下图。图 9-3-4 平均错误率直方图分析我们发现，错误率最高的是条形码分类,其次是不规则码和测试次数为10次的测试造成的误差。那么这些影响可以归结为两类，即一是对系统的不熟悉及经验值的稀少，另一类就是测试刺激本身的难易程度，这一点无可避免的。所以将影响测试反应错误率的关键性可控因素只能定义在系统性误差的改善上了。10 实验结论空间知觉属于人的一个非常重要的功能性特征，它影响着人学习工作生活中的方方面面，研究空间知觉对实际现实惧有十分重要的意义。本次实验，我们运用自编的软件空间知觉测试系统，进行关于空间知觉的刺激反应的测试实验。分析评价了人机界面中的显示器和控制器和优化人机系统具有重大的意义。实验中我们采用控制变量的方法，得到了不同实验环境下的实验数据，在数据分析中，我们采用数据分类、求平均、数据比较等数据分析的手段，并辅以大量的图表对结果进行分析，得出我们的实验结论。（1）空间知觉特性辨别能力的性别差异性实验证明，在同样的环境下，即男性的空间知觉综合能力要高于女性的空间知觉综合能力。从数据分析中可知，男性的平均总反应时间为1505ms，而女性的平均总反应时间为1982ms，平均要比男性慢477ms。而正确率女性较男性高两个百分点。空间知觉综合指数男性为1.80，而女性为1.44，男性高于女性25%。在简单视觉刺激下，女性的平均反应时间波动比较稳定，不如男性的波动性那么明显。说明女性对空间知觉的辨识能了更稳定于男性。（2）空间结构特点对信息传递效率的影响本次实验中，通过空间不同图形及位置变幻的刺激，测试人对空间知觉辨识反应能力。基于本实验的数据，我们发现并没有造成非常大的差别，反而在难度不断增加的情况下，我们的测试结果反应，我们对空间知觉的辨识记忆反应能了并没有多大改变或下降。例如初次测试本系统时，即条形码的平均总反应时间为2075ms，错误率为0.41，而块形码的总反应时间为1520ms，错误率为,不规则码的总反应时间为1769ms，错误率为0.40，这是违反理论规律的。对此，我们小组做了深入的研究探讨，从实验本身到软件模拟，再到数据统计处理，最后我们得出一致性意见，我们认为系统性差异是造成这种异常性结果的主要因素。这里包括原始实验的缺乏科学严谨性，测试系统本身的不完善，客观条件的差异性，还有实验操作流程的设计的欠缺等等。而影响其误差的因素可能是初次实验的生疏和经验值的稀少。而块形码，借助于视觉聚焦的优势性，空间知觉辨识绝对优于测试者在另外两类情况下的测试结果。所以我们得出结论，系统性误差是本实验的关键细节，如何提高系统的实验的真实度旨在消除客观因素的影响。这一点可以从改善测试系统的测试方法，对实验流程做随机性分配，增加测试系统的趣味性等等相关措施。11 总结11.1 小组成员个人评价在这次小组报告中，我们收获很多，下面是我们小组的个人感慨吴玉洁：在这次小组报告中，我主要负责空间知觉软件的开发，刚开始感觉很难，就慢慢摸索，我和方方弄了三天才，界面设计才得以成型，其中主要参考了人因工程界面设计的相关要求和其他资料，我们感觉很满意。在编程方面，我感觉我们的软