（企业管理专业论文）虚拟仪器人机界面的人性化设计研究.pdf

大连理工大学硕士学位论文 摘要 虚拟仪器是随着现代计算机技术、通信技术、测量技术发展起来的毅型高科技产品。 它是一种依赖软件，通过计算机控制仪器硬件，分析并提供测试数据的仪器。虚拟仪器 的出现，打破了传统仪器的设计思想，代表了仪器的发展方向与潮流，也为中国仪器产 业的发展提供了一条新途径。 人机界面是虚拟仪器系统的重要组成部分，它是人与虚拟仪器传递和交换信息的媒 介。人性化的人机界面，不仅有利于虚拟仪器人机系统效能的发挥，还能带动虚拟仪器 在中国的快速发展。 论文比较了虚拟仪器与传统仪器的界面，用人类工效学学科方法分析虚拟仪器系统 中的人、机、环境设计要素，运用人类工效学、认知心理学、艺术设计等理论，基于人 性化的设计理念，提出了硬件界面及软件界面设计原则，结合以用户为中心的方法提出 了软面板的开发过程及方法。通过分析虚拟示波器的界面要素，基于虚拟仪器人机界面 的设计原则，设计虚拟示波器软面板及虚拟仪器通用硬件计算机平台。 论文对虚拟仪器人机界面设计研究，为设计者提供一种系统的设计方法与界面理论 的同时，也希望人性化的设计理念能够得到设计者的重视，通过设计缩小设计者与使用 者之间的距离，向使用者准确地传达设计者的思想与意图，消除沟通障碍，使设计变得 透明。 关键词：虚拟仪器；人机界面；人性化；软面板；硬界面 虚拟仪器人机界面的人性化设计研究 a b s t r a c t v i r t u a ii n s 帆l m e n t ( v i ) i san e wt y p eh i g h t e c hp r o d u c t i o nd e v e l o p e dw i t l lm o d e m c o m p u t e r ，c o m m u n i c a t i o na n dm e a s u r e m e n tt e c h n o l o g y t h ev i r _ 【u a l i n s t r u m e n ti sm e i n s t n l m e n tu s i n gc o m p u t e rb yt h es o f h v a r et oc o n t r d lt h ei n s e n th a r d w a r et oa 1 1 a l ”ea n d p i 。o v i d et h et e s t i n gd a t a t h e 邳p e a r a n c eo f 也ev ib r o k e 吐l et r a d i t i o n a li d e a so fi n s t r 嘲e n t d e s i g n ，a n ds h o w e dt 1 e 矗l t u r ed i r e c t i o na n dn 即do ft l l ei n s t 工砌e n t ，a n da l s op r o v i d e dan e w p a mf o ro u ri n s 咖e n ti n d u s 时d e v e l o p m e n t b e i n g 血em e d i u mb e t w e e nh 眦a na 1 1 dm a c h i n et 0t r a l l s f e r 缸de x c h a i l 2 et l l ei n f o m 测j o n ， h u m a n m a c h j n ei n t e r f & c ei st h ei m p o n a n tp a no fm ev i r t u a li n s t r 哪e n ts y s t e m a h u m 眦i s t i ch u m a n m a c h i n ei t e r f h c eh e l p sn o to i l l y 山ee 简c i e n c yo f t h ev ih u m a n - m a c h i n e s y s t e m b u ta l s ot h ef h s td e v e l o 肿e n to f t h ev m a lh l 曲m e mi no l l rc o u n t r y t h ep a p e rc o m p a r e d 血ei n t e r f h c eo fv i r t u a l1 1 1 s 虮m l e i l tw i ml h et r a d i t i o n a li 1 1 s 扭m l e n t ， a n a l y z e d 也ed e s i 2 丑e l e m e n ：t so fh u m a 玛m a c 唐血1 ea n d 也ee n v i r o i 】n e n to f 恤v i r t i l a l i n s t n l m e ms y s t e mw “hm em e t l l o do fh 啪a ne n g i n e e r i n 氍a n do nb a s i so ft h eh u m a n i s l i c d e s i g nc o n c e p t sr a j s e dm ed e s i 幽gp r i n c i p i e so f 也eh a r d 、a r ei n t e r f k e sa n dm es o f h 眦e i n t e 瓶虬e1 l n d e r 恤t h e o r i e so ft h eh 砌a ne n g i n e e r i n g ，也er e c o g n j z e 巾s y c h o l o 盱a n d 也e a e s t l l e t i c s ，a n ds u g 辞s t e d 也ed e s i g nf l o wa 1 1 d 恤e v a l u “蚰m e 也o do f 也es o f ti n t 刮晤c eu s b g 血eu s e r s - c o r e dm e c h o d na n a l y z e da n dd c s i 弘e d 也ev io s 以l o g r a p ha n dm eg e n e r a l c o m p u t e in a to fv i r m a lh 塔m 瑚删b a 8 e do nt h ed e s i 四lp r i n d p l eo ft h ev ih u m a n m a c m i n t e r f a c et h r o u g hm ea n 丑l y s i so f 曲t e r f 妇e l e m e n t so f 也ev h t u a l0 s c m o 掣a p h t h e p 印e ra l s oc a l l s 血eb 啪a n i s t i cd e s i 肛c o n c e p t st ob er e s p e c t e db yt h ed e s i 印e r s t h a = t i st os h o 咖m ed i 她m c eb e “耽e nt h ed e s i 鲫蚶a i l d 也eu s e rb yt h ed e s i 朗通g ，t o 订锄s f h 也e d e s i g n 盯st h o u g h ta n dp u r p o s et o 也e l l s e r se x a c t l y ，t or 锄o v et h ec o m m u n i c a t i o no b s 加】c t i o n t 0s e et 1 1 eu s e r sa n dt 0 仃a n s p 锄皇n l i z et l l ed e s i p 皿 k e yw o r d s ：v i r t i l 柚i n s t n i m 蛆t ；h m n a n m a c h i n ei n t e r f a c e ih u m a n i s t i c ；s o f tp a n e l ： h a r dp a n e i 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：糜! 蔓叁日期：丝翌：7 大连理工大学硕士学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名：逮堡垒 导师签名：当二堡 盟旦年芝月二堕日 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 问题的提出 “工欲善其事，必先利其器”。仪器是人类认识世界的工具，是信息的源头，其应 用涉及人类活动的各个领域，不但应用在电子测量、电力工程、矿物勘探、国防、工业 生产、航天、振动分析、声学分析、故障诊断、医疗及教学科研等领域，现代仪器还逐 渐走进千家万户，与人们的健康、日常生活、工作和娱乐活动休戚相关。 西方国家将仪器仪表纳入信息技术产业并采取优先发展的政策【i l ，例如，美国商业 部指出：“信息技术生产行业，也就是计算机软、硬件生产者、通讯设备及服务提供者、 仪器仪表生产者”。它把测量用工业仪表、电测仪器、实验室分析仪器，以及相关软件 归属于信息技术生产行业。并把发展信息技术和信息产业摆在优先地位，同时加大了这 方面的战略性投资。美国9 0 年代末期对信息技术的投资占其设备投资的4 5 ，使1 0 年 前还很薄弱的美国信息产业现在已处于领先地位，成为美国国内销售和出口最大的产业 部门，增长速度是国民经济增速的两倍，还大大提高了劳动生产率。对于仪器仪表产业 美国商务部分析说：“仪器仪表总产值仅占工业总产值的4 ，但其对国民经济总产值 ( g 卜p ) 的影响却达到6 秭”，起到了四两拨千斤的作用。日本科学技术厅把测量传感 器技术作为2 1 世纪第一位的发展技术，近年来发展迅速，平均以2 0 3 0 的速度增长， 成为亚洲测量传感器生产第一大国。西欧发展最快的是德国，自动化测控仪器系统得到 了大面积推广应用。欧共体第三个科技发展总体规划( 2 0 世纪9 0 年代) 将测量、检测 技术列为1 5 个专项之一。可以说，2 0 世纪9 0 年代是欧洲国家大幅度提高测控自动化水 平的年代，是跃进的经济年代。 中国仪器仪表科学技术水平相对落后。根据专家和院士的综合分析，以制造业为代 表的材料靠8 造业的科学技术水平如表1 所示： 表1 1 中国材料制造业的科技水平表 t a b1 1t e c h n i c a ll e v e l so fc h i n e s em 8 t e r i a lm a n u f a c t u r ei n d u s t r y 项目中国世界发达国家的平均水平 科学技术水平 0 7 5l 产品技术水平 o 7 01 制造工艺水平 0 5 0】 0 2 51 测控仪器仪表与自动化 虚拟仪器人机界面的人性化设计研究 以上分析明显表明，中国仪器仪表科学技术与国外差距很大，并不适应国内相关技 术的要求，而且还有继续增大的趋势。它己成为国民经济制造业的主要瓶颈之一。 随着被测系统日益复杂化，如果仍使用传统的测试仪器，必然会需要众多的仪器设 备，或者在原有的硬件基础上增加新的功能硬件，这样的仪器使用效率及利用率都很低， 而且硬件存在巨大的冗余，废弃的仪器对环境也会造成极度污染。虚拟仪器打破了传统 的仪器观念，将计算机技术、仪器技术和通信技术等技术相结合，在计算机的基础上通 过增加相关仪器硬件和软件构建而成，它的出现是仪器发展史上的一场革命，代表着仪 器发展的方向和潮流。据“世界仪表及自动化”杂志预测，2 1 世纪初叶，世界虚拟仪器 的生产厂家将超过千家，其品种将达到数千种，市场占有率将达到5 0 左右【2 】。中国传 统仪器技术比较落后，与国外相比，测量精度和可靠性均低一个数量级，而虚拟仪器的 出现，提供了一个提高仪器整体水平的机会，在中国进行研究、开发具有十分现实的意 义。 虚拟仪器概念提出以后，为了给擞拟仪器的设计使用馈定统一的标准，1 9 9 3 冬，美 国国家仪器公闭( n a t i o n a lm s 协u m e m s ，简称n i ) 等著名仪器公司成立了v 础l u g p l a y 联盟，并制定了珊l u g p l a y 规范，简称v p p 规范。 人操作虚拟仪器，必然通过人机界面进行。人机界面( h l l a n m a c h i n ei n t e r f 缸e ) ， 又称人机接口、用户界面( u s e r m t e r f 如e ) 、入机交互( h 啪粕- m a c h i n e 触e r 妣t i o n ) ， 是计算机科学中最年轻的分支学科之一。它是计算机科学和认知心理学里两大科学相结 合的产物，同时吸收了语言学、人类工效学和社会学等科学的研究成架。随着科学技术 酌持续发袋，辑授产耐遣宋越商耩尖纯，入梳界面关系得劐进一步加深和拓宽。入机界 蔼技术是2 1 畿纪信意技术需要避军的重要领域，它是羡国2 1 世纪信怠技术计划中的基 础研究内容之一，中酸遣将入祝交互技术戮为十蠢计翊的主娶内容之一强4 】。 髫翦蛉痘搂仪器设计辉戳v p p 鬟范为标准，餐楚，在虚拟仪器a 梳界面方面，它 更多蟪铡羹于技术方瑟约分绥。设计怒为久；嚣进学翡，脱离了“入本主义”的设计将毫 无意义。虑拟仪器人投爨嚣是人与仪器交互静经繁，磷究糟不僵要在技术上不新深入研 究，程爨蠢人性化设计数方瑟也霪要付出不叛瓣努力。基予天生理、，豁理特经豹天性亿 的虚拟仪器人枧爨恧，剥予人她学习翻使魍，套劈予实现人与仪器戆完美结合，麸嚣发 挥人机系统的最大效能。 虚拟仪器人机界面作为使爆者和虚拟仪嚣耀互交瀛的媒分，扮演蔫重要的熊色。盛 拟仪器人机界面设计的好坏，囊接影响到虚拟仪器效熊发挥的优劣。良好的虚拟仪器人 机界面，能够使使用者迅速获得信息，做出反应，使用起来彳导心应手，心悸舒畅，是我 满足的同时也会提高工作效率；反之，没有考虑人的因素的虚拟仪器人枫界面，处处给 大连理工大学硕士学位论文 使用者带来障碍，影响工作效率。因此，人性化的虚拟仪器人机界面，不但会充分提高 人的主动性，也会有效地发挥虚拟仪器的效能，使人与虚拟仪器系统效能淋漓尽致地发 挥。 受传统观念的影响，很长一段时间里，人机界面一直不为重视，认为这纯粹是为取 悦用户而进行的低级活动，没有任何实用价值。评价一台机器质量高低的唯一的标准， 就是看它是否具有强大的功能，能否帮助用户顺利完成他们的任务。近年来，随着产品 数量的增多，在商品化环境下，市场的供需关系发生了很大变化，由以往的需求大于供 给而发生1 8 0 度的大转弯供给远远大于市场需求。在激烈的竞争市场环境下，生产厂 家为了稳定并开拓更大的市场空间，不仅在广告方面不惜大把投资，更在产品设计方面 下大力气。拓展产品的功能、开发新产品自不待言，在进行技术开发的同时，积极开展 市场调查研究，根据用户需要开发产品也是手段之一。个虚拟仪器系统获得成功与否， 在商品竞争中某种程度上取决于用户使用界面的体验。尽管虚拟仪器系统的好坏与它的 功能、精度有关，但一个低劣的界面能够葬送一个原本非常好的系统，使它失去应有的 光彩，丽一个漂亮的用户界面能够拯救一个并不十分理想的系统，并使该系统易于被用 户接受，而且在功能几近相同的条件下，用户当然希望使用舒适、轻松、省力、省资源 的产品，对用户而言，界面就是产品，这就刺激了生产厂家致力于人机界面友好的产品 开发。 孛鬻转绫坟器接零觅鞍漆嚣，与謦努赣跪，灏爨精度襄霹靠整垮繇一令数量缀，嚣 盛拟仪器的出现，为我们提供了一个提高仪器整体水平的辊会。对予初级用户，对虚拟 仪器的概念知之甚少，心理上自然会存在一种恐惧，宁可将就使用传统的仪器也不会尝 试接受虚拟仪器，因此，发好的虚拟仪器人机界灏自然成为虚拟仪器推广的条件之一。 另外，发好的虚拟仪器人机器蕊不但能为生产厂窳开拓市场，带来受大的幂4 润，同时辘 够翔毒熨多瓣爨金投入虚苏纹嚣鹣秀发骚究，掇辩审嚣虚熬纹器懿按拳窳乎，影残一个 良装懿循环。由魏可见，纛羧彼器人枫赛丽豹设计在商品纯环境下典霄重要的意义。 1 2 虚拟仪器概述 1 ，2 1 虚拟仪器的贪绍 仪嚣瓣工佟楚接毂个镶号，对竣入落号遴行熬形、鼓大、滤波，熬磊怼售号遴学 数字讫；接下来，数字讫信号麓可班送入处理器中避行分孝厅，麸两掩供控翩穗分折羝新。 5 0 年代韵，仪器仪表技术敬得了较大突破，数字技术的出现使各种数字仪器得以问世， 把模拟仪器的精度、分辨力与测量速度提高了几个量级，为实现测试囱动化打下了良好 的基础a6 0 年代中期，测试技术又取得了重大突破，计算机的引入，使仪器的功能发生 虚拟仪器人机界面的人性化设计研究 了质的变化，从个别电量的测试转变成测量整个系统的特征参数：从单纯的接收、显示 转变为控制、分析、处理、计算与显示输出；从用单个仪器测量转变成用钡5 量系统进行 测量。口j 进入7 0 年代以来，计算机技术的进一步渗透，使现代电子仪器在传统的时域与 频域之外，又出现了数据域( d a t a d o m a i n ) 测试，被测系统的信息载体为二进制数据流， 仪器前面板则向键盘化方向发展，不同于传统独立仪器( s t a n d a l o n ei n s 加i m c 玎t ) 模式， 而充分利用个人计算机的软硬件资源的个人仪器得到发展。随着计算机技术、电子技术 的深入发展，个人计算机( p c ) 应用越来越广泛，测试技术与计算机技术、电子技术的 深层次结合产生了虚拟仪器。 虚拟仪器( v i n l l a li i l s m l l n e n t ，简称) ，就是在以通用计算机为核心的硬件平台上， 由用户设计定义、具有虚拟面板、测试能由测试软件实现的计算机仪器系统同。使用者 用鼠标点击虚拟面板，就可操作这台计算机系统硬件平台，就如同使用一台专用电测量 仪器。虚拟仪器作为计算机仪器系统，它利用p c 机显示器( c r d 的显示功能模拟传统 仪器的控制面板，以多种形式表达输出检测结果，利用p c 机强大的软件功能实现信号 数据的运算、分析、处理，由i o 接口设备完成信号的采集、测量与调理，从而完成各 种测试功能。图1 1 反映了常见的虚拟仪器方案。 被信数数 测号 据据 对调采 处 - i 虚拟仪器面板 象理集理 卡 图1 - 1 常见的虚拟仪器方案 f i g1 1c o m m o nv i r h l a li n s 饥n e n td e s i 印 虚拟现实( v i r t u a lr e a l i t y ，简称v r ) 是利用计算机建立一种逼近真实世界的模拟 环境，并通过多媒体传感交互设备进入一种人工媒体空间场景，进而具有逼真的、亲临 现场的感觉，直接参与其中的事物变化和相互作用，其最高境界是集视、听、触、嗅、 味、思维等多种感官刺激于一体。【7 】在虚拟仪器中，“虚拟”二字主要包含两方面的含 义： 虚拟仪器的面板是虚拟的虚拟仪器砸板上的各种“控件”与传统仪器面板上的 各种“器件”所完成的功能是相同的。如由各种开关、按键、显示器等实现电源的“通”、 大连理工大学硕士学位论文 r 断”：被测信号“输入通道”、“放大倍数”等参数设置；测量结果的“数值显示”、 “波形显示”等。 虚拟仪器测量功能是由软件编程来实现的在以p c 机为核心组成的硬件平台支 持下，通过软件编程来实现仪器的测试功能，而且可以通过不同测试功能的软件模块的 组合来实现多种测试功能，因此有在硬件平台确定后“软件就是仪器”的说法a 它体现 了测试技术与计算机技术深层次的结合。 虚拟仪器与传统仪器相比，具有很多优点，两者比较如表1 1 所示。 表1 2 虚拟仪器与传统仪器之比较 t a b1 2c o i n p a r eb e 押e e nv i r t u a li n s t r u m e n ta n dt r a d i t i o n a li n s t r u m e n t 1 2 2 虚拟仪器的发展状况及趋势 仪器技术、计算机通信技术与网络技术是信息技术最重要的组成部分，它们被称为 2 l 世纪科学技术中的三大核心技术。虚拟技术蕴含的巨大潜力，使发达国家趋之若鹜， 在这一领域的研究上投入了巨资，希望有朝一日能在它的带动下，率先进入信息时代， 而把工业时代远远地抛在后面。2 0 世纪8 0 年代首先在美国兴起和发展起来的虚拟仪器 无疑是虚拟技术领域中的重要组成部分。它已成为发达国家研究开发的热点技术之一。 自2 0 世纪8 0 年代以来，n i 公司已研制和推出了多种总线系统的虚拟仪器，特别 是它推出的l a b v i e w 图形编程环境和l a b w i n d o w “c v i 编程环境已享誉世界，成为这 类新型仪器开发系统的世界生产大户。在n i 公司之后，著名的美国惠普( h p ) 公司紧 虚拟仪器人机界面的人性化设计研究 紧跟上推出了h p v e e 编程系统可提供数十至数百种虚拟仪器的组建单元和整机，用户 可用它组建或调试自己所需的仪器。除此之外，世界上陆续有数百家公司，如t e k 昀n i ) ( 公司、r a c a l 公司等也相继推出了总线系统多达数百个品种的虚拟仪器。 在短短1 0 余年，虚拟仪器就占有了世界仪器市场的1 0 左右。目前，国际上大约 有6 0 的仪器仪表厂家( 如f l u k e 公司、h i o 公司、瑞士a b b 公司和l e m 公司等) 都已采用虚拟仪器技术作为产品开发的手段。在中国，虚拟仪器的研究与开发尚属于起 步阶段。从9 0 年代以来，清华大学、重庆大学、成都电子科技大学、西安交大以及中 科泛华电子科技公司、东方震动和噪声技术研究所等高校和公司，在研究和开发虚拟仪 器产品和虚拟仪器设计平台以及消化吸收n i 等产品方面做了大量工作，已经在虚拟仪 器开发方面形成了自己的特色，其成果已在汽车发动机检测、自动计量控制系统等方面 得到了广泛的应用。另外，国家自然基金委员会将虚拟仪器研究工作作为现代机械工程 科学前沿学科之一，并被列为“十五”期间优先资助领域。虚拟仪器将会逐步取代传统 仪器，成为仪器发展的主流。 1 3 研究思路及主要内容 论文以人类工效学的理论为基础，结合多方面的学科理论，分析研究虚拟仪器人机 界面的特点及其重要性，采用虚拟仪器与传统仪器界面比较、人机环境系统分析的方 法对虚拟仪器人机界面形成要素进行分析，建立虚拟仪器用户模型，提出了虚拟仪器人 机界面的设计原则、以用户为中心的开发过程及方法，并从虚拟仪器人机界面设计的理 论出发，以常用的虚拟示波器为例进行研究设计来验证相关理论。希望借此分析，为设 计者提供虚拟仪器人机界面设计的参考，并且，将人性化的设计理念注入到人机界面设 计中，使虚拟仪器受到更多用户的青睐，从而加快虚拟仪器的发展速度。 大连理工大学硕士学位论文 2 虚拟仪器人机界面的人性化设计的基本理论 2 1 产品的人性化设计 2 。1 1 人性化设计的涵义 人性化设计的理念不是由一场运动或者一个设计团体提出的，它的出现与人类物质 文明的发展息息相关。在不同的历史条件下，人对设计或是人性化的需要是有局限性的。 在人们为了衣食温饱忙碌的年代，设计更多侧重的是产品的功能设计，满足人们的使用 需求，即使机器粗暴、冷漠，人们也可以顺从它、迁就它，似乎机器是主人，人是奴隶； 当物质文明不断发展，人们生活富足，不但解决了衣食住行等基本问题，人们对产品的 需求不限于使用需求，而是需要能够张扬个性的产品，需要舒适、安全、可靠的产品。 此时的产品设计为了满足使用者的需求心理，不断增加产品的附加价值。在这种形势下， 就将以人为本，人的因素放在首位的人性化设计理念不断融入到产品设计中，促成了“人 要适应机器和产品”到“机器和产品要适应人”的转变。 美国设计家普罗斯曾经说过“人们总以为设计有三维：美学、技术和经济，然而更 重要的是第四维：人性。”【8 1 人性是人的自然性和社会性的统一。【9 】设计中使用“人性 化”这一概念是有其特定的内涵和外延的。这里所说的乃是在设计文化的范畴中，以提 升人的价值，尊重人的自然需要和社会需要，满足人们日益增长的物质和文化的需要为 主旨的一种设计观。 设计是协调自然与社会，科学与艺术的一种催化剂。产品不仅仅是作为物质财富而 发挥作用，它还具有文化的意义。设计必须注重人的心理及精神文化的因素。我们设计 产品的同时，不仅设计了产品本身，而且也设计或规划了人与人之间的关系，设计了使 用者的情感表现、审美感受和心理反映的基本方面，也即设计了人们的生活方式。产品 没有生命，但是人性化的产品能够赋予产品生命与情感，使产品给人们带来方便的同时， 还能使人与产品之间建立起某种情感联系，使产品使用者与产品之间关系更加融洽，也 使人类社会更加和谐。人性化设计使冷冰冰的机器具有一种温情，从而消除人与机器之 间的隔阂，真正达到“人机合一”的境界【1 0 】。 2 1 2 人性化设计应考虑的因素 从人性化设计观出发进行产品开发设计时，应重点考虑需求因素、入机关系因素、 美学因素、环境因素和文化因素。针对这些因素进行创造性思考，是实施人性化设计策 略的具体举措。 ( 1 ) 需求因索 虚拟仪器人机界面的人性化设计研究 产品设计的动机是为了满足人们物质和精神享受的各种需求，人类的需求问题是设 计动机的主要因素。总的来说，主要包括生理需求、心理需求( 如审美需求、归属需求、 认知需求、自我实现需求) 和智性需求。 ( 2 ) 人机关系因素 人机关系因素的考虑，在于追求人与产品之间的协调关系，以使设计的产品更适合 人的使用。比如设计汽车的操纵系统时，就应当考虑所需的操纵力、操纵范围等要求是 否与驾驶者相适应。一般来说，在具体设计中要考虑的人机关系因素主要包括运动学因 素、动量学因素、动力学因素、心理学因素、美学因素等。 ( 3 ) 文化因素 文化因素对产品设计风格、观念以及市场定位都具有重要的影响，设计必须符合文 化环境的特点，应与其协调，以提高人们的生活质量。 ( 4 ) 环境影响因素 任何产品设计无不打上时代环境的烙印，受到生活环境及工作环境的制约或影响。 主动适应环境因素进行设计，也是人性化设计观的基本要求。 ( 5 ) 环保因素 以环境和资源保护为核心的设计理念，即绿色设计，也列于人性化设计优先考虑的 因素。人类为了维护自身的生存、健康和发展，保护环境，节约能源、资源的消耗，保 护生态环境，越来越得到重视。人性化设计不但要以使用者为出发点，还要兼顾周围的 人与环境，防止对其构成直接的或者间接的破坏与污染。 2 2 人机界面设计的理论 人机界面设计，是多个学科综合的产物，涉及人类工效学、认知心理学、计算机语 言学、艺术设计、社会学和人类学等。在人机界面设计中，应多角度地考虑与设计相关 的因素。 2 2 1 人类工效学 2 2 1 1 人类工效学的哲学思想 人类工效学，是运用生理学、心理学和医学、人体测量学等有关科学知识，研究人、 机器、环境三者之间的相互关系，舒适、安全的环境，人和机的最佳匹配，以保证人们 安全、健康、舒适地工作，从而提高整个系统工效的新兴的综合性的边缘学科。它起源 于欧洲，形成于美国，应用范围极广。美国称为“人类工程学”( h u m a i lf a c t o r s e n g i n e e r j n g ) ，或“人体工程学”，“人类工效学”：日本称之为“人同工学，( ( ：凡 铲 ，二 ) ；大多数西欧国家称为“人类工效学”“e r g o n o m i c s ”。在中国，存在 大连理工大学硕士学位论文 着多种称谓( 译法) ：人类工效学、人体工程学、人机工程学、人- 机一环境系统工程等 等。 美国人类工效学家c c 伍德( c h a r l e sc w o o d ) 对人类工效学的定义为：设计必须 符合人的方面的因素，以便在操作上付出最小的代价而求得最高效率。w - b - 伍德森 ( w b w o o d s o n ) 则认为：人类工效学研究的是人与机器相互关系的合理方案，亦即对 人的知觉显示、操作控制、人机系统的设计及其布置、作业系统的组合等进行有效的研 究，其目的在于获得最高效率及作业时感到安全和舒适。国际人类工效学会 ( h l t e m a t i o n a le r g o n o m i c sa s s o c i a t i ，简称i e a ) ，将工效学界定为：研究人在某种工 作环境中的解剖学、生理学和心理学等方面的因素：研究人和机器及环境的相互作用； 研究在工作中、生活中甚至休假时怎样统一考虑工作效率、人的健康、安全和舒适等问 题的学科u ”。 虽然称谓与定义不同，只是在服务对象、侧重点和研究方法上稍有差异，其核心理 念基本上是致的。本文采用“人类工效学”这一名称。 人类工效学在人机关系的发展主要可以概括为以下三个阶段。 ( 1 ) 人类工效学的开端：人宣机 1 8 世纪后半叶，工业化的进程激发工厂主对高效率、商利润的追求，从而促进了对 生产效率的研究。研究首先着眼于机械设计方面，将工程技术原理应用于机器的发明与 改良，大幅度地提高了机器的效能。但同时，高效能的机器也使得人与机器的矛盾愈加 尖锐。为了缓解这一矛盾，人们开始了对人的工作效率研究。管理学大师美国工程 师泰勒等人进行了时间与动作、工作流程与工作方法、设备和装置等布局的实验，制定 出了科学的作业、管理方法，通过选拔和训练人员，以机器为中心，使人适应于机器。 ( 2 ) 人类工效学的形成：机宜人 随着科技的发展，机器的性能和结构越来越复杂，甚至超出了人的使用能力界限。 特别在第二次世界大战期间，各国都致力于发展高性能、大威力的武器和装备，由于研 究开发过程中片面注重功能的研究而忽略了“人的因素”，导致了大量意外事故的发生。 通过事故分析，人们发现在人与机器的关系中，“人的因素”不仅不能忽略，而且是一 个重要的因素。从此，决策者和设计师们开始着眼于机器适应人的研究。例如，在军事 领域的机械研究方面，组织解剖学家、生理和心理学家等，为设计出谋划策。1 9 6 1 年， 亨利德雷夫斯( h e n r yd r e y f e s s ) 出版了人体度量( t l l em e a s u r eo f m a j l ) 一书，人 类工效学的重心由“人迁就机器”变为“机器迁就人”【1 2 1 。 ( 3 ) 人类工效学的完善：人、机、环境相互协调 虚拟仪器人机界面的人性化设计研究 人类工效学的完善体现在两个方面。其一，作为一门独立的学科，成立了专门的国 际性学术组织、专业队伍、学术刊物，并且学科被纳入高校体系，可授予相应的学位和 学衔，在上世纪6 0 年代已形成了基本的社会建制。其二，以系统的观点，将“人机 环境”作为对象来研究。“人一机环境”系统是指由共处于同一时闯和空间的人与其所 使用的机以及他们周围的环境所构成的系统。其中，人是系统的操作者、监控者和决策 者，对系统的有效运作起着至关重要的作用；机泛指人操作与使用的物，可以是机器， 也可以是用具或生活用品、设旋、软件，甚至可以是管理学中的人；环境是人与机共处 的环境，如作业场所和作业空间，自然环境和社会环境等。大量新设备、装置、器具和 电子计算机的广泛运用，使人和机器的关系变得更为复杂，在这阶段，设计不能片面 地考虑人与机的相互关系，还要考虑人与机存在的环境要素。系统中的人、机、环境相 互作用、相互协调，才能真正发挥系统的整体工效。 2 。2 1 ，2 人类工效学与虚拟仪器人枫界爱的人性饯设计 久类工效攀以人必本，运翔人体溺爨学、生理学、心壤学等穗关学零； 懿翔谈与方法， 搽求人工物( 产品) 如何避会人的操作、适应人要求的信息表选方式、工佟方式粒复杂 的人极系统控露4 方法等，傻设诗受热邋应人在感懿上、壤神上及冀媳方瑟瓣屡牲，以餐 取得最佳的效能。人类工效学对虚拟仪器人机界面设计的指导作用可以概括为： ( 1 ) 为虚拟仪器人枧界颟中“入的强素”掇供人嚣参数 人类工效攀应用人体测量学、人体力学、生理学、心理学等学科的研究方法，对人 体结拇特镊和梳能特征进行研究，提供入体各部分的尺寸、体繁、体表萄粳、比冀、重 心，以及人体餐部分在活动时相甄关系和可及范围等人体结构特饺参数，提供人体各部 分静发力范围、涵韵范围、动千譬速度、频窜、置心交俄以及动律时的惯性筹动态参数， 分析入的褪觉、祈觉、触激、唳觉以及肢体感擞器官的技能特征，分析入在劳动时的生 理交毯、麓量消耗、疲劳程度蔽及辩各耱劳动受胬酌逸应惩力，探讨工作中影响心理状 态的茵索，班及心理因索澍工作效率的影晌等。人类工效学为虚拟仪嚣入机界面的设计 撬供了镬翅者豹人体绪襁尺度、人落生瑾尺度耩入豁心理尺度等数据，为嶷入讫酌界西 竣诗撵供了理论基穑。 ( 2 ) 是盛擞仪器人规爨瑟中“掇豹功糍”挺镞竣计袋器 麴露察决瘫羧仪器与人禚关鹣各释葫耱静滚谯纯，创造盘与人豹奎瑾和心疆机能稳 协调鲍人虮界联，是虚孝鼗仪器人枧界磷中艨要鳃决的睡嚣。熟计算援裂 牛、霪拟仪器软 落投以及工作套等数影状、位墨，色彩及蠢弱等，都是戳人类工效学提供耱参鼗耪要求 为设计依据。 ( 3 ) 为虚拟仪器人孝凡爨嚣中“环境因素”提供设计浪则 大连理工大学硕士学位论文 通过研究人体对环境中各种物理因素的反应和适应能力，分析电磁波、声、光、热、 振动、尘埃和有毒气体等环境因素对人体的生理、心理以及工作效率的影响程度，确定 了人在生产和生活活动中所处的各种环境的舒适范围和安全限度，从而保证人体的健 康、安全、舒适和高效，同时，力求达到虚拟仪器与环境的融合。 ( 4 ) 为虚拟仪器“人机环境”系统提供理论依据 人类工效学不单纯着眼于个别要素的优良与否，而是将人、机和人机共处的环境作 为一个系统来研究。在系统研究中。没有绝对完美的设计，只有不断趋近于完美，通过 对参数和模式进行动态调整，确保理想组合方案的实现。 人类工效学为虚拟仪器人机晃面的设计提供了科学的技术支撑，可以较好地解决虚 拟仪器在用户生理方面的舒适健康问题；人类工效学是创造良好设计的关键，人性化的 设计离不开人类工效学的指导；人类工效学是虚拟仪器人机界面的人性化设计的关键实 现途径。 2 2 2 认知心理学 认知心理学是2 0 世纪5 0 年代中期在西方兴起的一种心理学思潮，在2 0 世纪7 0 年 代成为西方心理学的一个主要研究方向。它研究人的高级心理过程，主要是认知过程， 如注意、知觉、表象、记忆、思维和语言等，从心理学的观点研究人机交互的原理。该 领域包括如何通过视觉、听觉等接受和理解来自周围环境的信息的感知过程，以及通过 人脑进行记忆、思维、推理、学习和解决问题等人的心理活动的认知过程。 以信息加工观点研究认知过程，它将人看作是一个信息加工的系统，认为认知就是 信息加工，包括感觉输入的变换、简约、加工、储存和使用的全过程。 2 2 3 计算机语言学 人机界面的形式定义中使用了多种类型的语言，包括自然语言、命令语言、菜单语 言、填表语言或图形语言等。计算机语言学就是专门研究这些语言，以及涉及它们的计 算机语言学和形式语言理论等各个方面的内容。 2 2 4 艺术设计 艺术设计主要从美的需求出发，研究人机界面以何种形式呈现，包括硬件界面设计 和软件界面设计。硬件界面设计主要由工业设计师与技术工程师完成，软件界面设计主 要由艺术设计人员、界面设计师与软件工程师完成。 虚拟仪器人机界面的人性化设计研究 2 2 5 社会学和人类学 社会学主要涉及到人机系统对社会结构影响的研究，而人类学则涉及到人机系统中 群体交互活动的研究。人机界面设计要研究人类文化特点、审美情趣以及个人、群体的 爱好偏向等。 大连殚工大学硕士学位论文 3 虚拟仪器与传统仪器的人机界面比较分析 3 1 虚拟仪器人机界面的界定 3 1 1 人机界面的定义 从人类诞生的那一天起，人与人之间、人与自然之间和人与工具之问的交流就无处 不在。只要有交流，都会有“界面”问题的产生。界面这个词语最早源自希腊，本意是 两张或两张以上的脸采取面对面的方式进行沟通。同样，人与工具对话，必须找到一个 界面，使自己的意愿能够通过某种输送方式传达到工具，并且使得工具在完成人所传送 的命令之后，用某种方式反馈给人。例如，在使用数码相机时，操作者可以通过选择液 晶显示屏内菜单并触动快门的方式来将操作传达给相机本身，使相机接受操作者的使用 信息，明白操作者这一操作的目的性，完成拍摄任务。操作者与相机对话所使用的输送 方式就是触摸按钮，液晶显示屏里出现相应的菜单以供操作者选择，这也是相机在接受 操作者的命令之后，所反馈给操作者的信息。按下快门，数码相机就会在显示屏中反馈 给操作者操作相机所得到的图像结果。 人机界面( h i m a n m a c h i n cm c c r e s ) ，是人与机器进行交互的操作方式，即用户 与机器相互传递信息的媒介，其中包括信息的输入和输出。【3 人机界面的形象解释可从人机系统图模型( 如图3 1 ) 获得。人机系统包括人、机、 环境三个组成部分，它们相互联系构成一个整体。从图中可见，操作过程的情况由显示 器显示出来，操作者要感知显示器上信号的变化，然后分析、解释显示的意义并做出相 应决繁，再通过必要的控制方式实现对操作过程的调整。这是一个封闭的人机系统，即 闭环人机系统。 在人机系统模型中，人与机之间存在一个相互作用的“面”，称为人机界面，人 与机之问的信息交流和控制活动都发生在人机界面上。机器的各种显示都“作用”于人 的视觉和听觉等感官系统，实现机- 人信息传递：人通过感官系统接受来自机器的信息， 经过人脑的加工、决策，然后做出反应，实现人机的信息传递。 人机界面设计涉及领域非常广泛，从计算机硬件外观到内部功能，从操作系统到应 用软件，凡是与人有关的部分都需要进行人机界面的设计。人机界面设计，具有两方面 的含义：( 1 ) 在设计领域，人机界面不是架空的，它是机器的某一部分( 如显示器、 控制器) ，而不足人的某。部分。因为设计只能设计机器，不能设计人的五官、手脚， 也就是说，人机界面设计是对机器的人机界面设计；( 2 ) 机器是供人使用的，机器的 人机界面的造型、材料等要素的设计要阱人的生理、心理特性为基础，适于人使用， 人机界面的造型、材料等要素的设计要毗人的生理、心理特性为基础，适于人使用， 虚拟仪器人机界面的人性化设计研究 r 一天君饼面一i 环 境 输入输出 l 感官系统l l 目；镕l 俞 t+ 一- 、 u 运行系统ll 决策系统 u tt 操作系统l 1 * t i i 镕 输出输入 环 境 l 丛扭墨亘一l 图3 1 人一机系统图 f i g 3 1h u m a n - m a c h 抽es y s t e m 3 1 2 虚拟仪器人机界面的界定 虚拟仪器系统是由人、仪器硬件、计算机硬件平台、仪器软件共同组成的人机系统。 在系统搭建完成之后，人与仪器硬件接触的机会很少，因此，人与计算机硬件、仪器软 件结合部分以及它们所处的环境，构成虚拟仪器人机界面。即，虚拟仪器人机界面研究 主要包括以下三方面内容： ( 1 ) 软面板界面：虚拟仪器应用软件与人的信息通道的界面 ( 2 ) 硬界面：计算机硬件平台与人的运动器官的界面 ( 3 ) 环境界面：使用者、虚拟仪器与环境的界面 良好的虚拟仪器人机界面，可使人机之间传递交换信息畅通无阻，使人自迅速、正 确、轻松识别并获取机内信息，人脑加工处理后的信息能容易准确地发送给虚拟仪器， 使人与仪器之间实现良好的交互。 3 2 传统仪器与虚拟仪器之人机界面比较 3 2 1 传统仪器的人机界面 传统仪器，包括以电磁感应定律为基础的指针式仪器、以电子管或晶体管电子电路 为基础的分立元件式仪器、以集成电路芯片为基础的数字化仪器、以微处理器为基础的 传统智能仪器。以传统智能仪器为例，解析传统仪器的人机界面。 奎塑王查兰堡主鲨笙苎 _ _ _ _ _ _ _ - _ _ r _ _ - _ _ - _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - _ 智能仪器大致可将其分成三部分： ( 1 ) 数据采集：将输入的模拟信号波形进行调理，并经刖d 转换成数字信号以待 处理； ( 2 ) 数据的分析与处理：由微处理器( c p u ) 按照功能要求对采集的数据作必要 的分析和处理； ( 3 ) 存储、显示或输出：将处理后的数据存储、显示或经d a 转换成模拟信号输 出。 传统智能仪器是由厂家将上述三种功能的部件根据仪器功能按固定的方式组建，一 般一种仪器只有一种功能或数种功能。传统智能仪器工作系统结构图如图3 2 所示。 测 控 对 象 图3 2 传统仪器工作结构图 f i g3 2s 廿v c t i 鹏o f n a d i 缸0 n a lh l s 仃u m e n ts y s t e m 为了完成被测对象的测量监控任务，往往需要一台或多台传统仪器进行工作，由于 仪器空间的分离、数据记录的复杂等原因，一名操作员只能管理一台或少数几台仪器。 在工作过程中，操作员观测仪器显示屏上的波形、数据等信息，通过大脑对显示结果分 析判断，操作开关、按钮、旋钮、键盘等实物，对仪器进行输入控制操作，河接地控制 被测对象，即通过反馈保证被测对象正常工作运行。 从传统智能仪器工作过程可见，传统仪器的人机界面包括人与显示屏的界面和人与 实物控制器两部分。操作员从显示屏读取数字和波形信息，利用仪器上的开关、按钮等 实物控制器调节仪器的输入输出。在操作方面，操作员操作的部件较多，手臂活动范围 较大。 虚拟仪器人机界面的人性化设计研究 3 2 2 虚拟