（信号与信息处理专业论文）水声目标分类识别的显示及人机交互技术研究.pdf

摘要 摘要 水声目标识别是水声信号处理的重要环节。目前，自动识别技术有了长足的 发展。但是随着研究的深入，发现了一些计算机无法克服的问题。例如在模糊判 断领域，一些算法远远达不到要求。如何利用好计算机的精确判断和人的模糊 判断，如何使人能更轻松更舒服地利用该系统进行工作等等，这些都是有待研究 的内容。本文将从以上两方面入手，对设计一个以人为本的人机交互目标分类识 别系统进行了初步探讨。 本文重点讨论了与人机交互密切相关的人类认知规律：视觉、注意、记忆。 并指出其在设计界面时的应用。然后针对本系统，介绍了与系统反应时间密切相 关的g o m s 模型，并讨论了三种交互方式的优劣，设计了一个较合理的线谱交互 方式。最后，运用前面的理论知识以及实验室的算法积累，设计了一个基于认知 规律的目标识别系统。 本文结构如下： 第一章绪论，阐明以人为本的人机交互的必要性，自动识别的缺点，人机交 互的优点，国内外人机交互现状；第二章人机交互概述，从宏观上阐述人机交互 的基本概念以及注意事项；第三章识别系统概述，这为后面的界面设计提供背景 知识；第四章认知心理学在界面设计中的应用，这里详细讨论视觉、听觉、注意、 记忆等认知规律的基本特性；第五章用户模型与用户调查；第六章，交互方式研 究。阐述系统的交互接口，并基于反应时间讨论了三种交互方法。第七章系统设 计，详细阐述了上述知识在本系统中的应用；第八章工作总结，总结研究内容， 并指出该研究存在的缺陷，提出改进方法。 关键词：目标分类，人机交互，认知规律 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t u n d e r w a t e rt a r g e tc l a s s i f i c a t i o ni sa l li m p o r t a n tp r o c e s si nt h eu n d e r w a t e r a c o u s t i cs i g n a lp r o c e s s i n g m a n ye f f i c i e n ta l g o r i t h m so ft a r g e tc l a s s i f i c a t i o nh a v e b e e ns t u d i e da n du s e d ，a n dt h er e s e a r c ho ft a r g e tc l a s s i f i c a t i o nh a v eb e e nd e v e l o p e d r a p i d l y b u ti ti sv e r yd i f f i c u l tt oo b t a i ni d e a le f f e c to fr e c o g n i t i o n h o wt om a k et h e u s e r su s et h eu n d e r w a t e rt a r g e tc l a s s i f i c a t i o ns y s t e mm o r ec o n v e n i e n t l yi so n eo ft h e p r o b l e m s a n o t h e rp r o b l e mi s h o wt oc o m b i n et h ea c c u r a t ee s t i m a t i o no ft h e c o m p u t e ra n dt h ef u z z ye s t i m a t i o no ft h eh u m a n i nt h i st h e s i s ，h o wt od e s i g na n u n d e r w a t e rt a r g e tc l a s s i f i c a t i o ns y s t e mb a s e do nt h eh u m a nc o g n i t i v ei sd i s c u s s e d i nt h et h e s i s ，h u m a nc o g n i t i v el a wa n dh c i ( h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o ma r e h i g h l i g h t e d t h e nt h r e em e t h o d so ft r a c k i n ga n dg o m sm o d e la r ed i s c u s s e d a tl a s t a nu n d e r w a t e rt a r g e tc l a s s i f i c a t i o n s y s t e mb a s e do nt h eh u m a nc o g n i t i v el a wi s d e s i g n e d t h et h e s i si s c o m p o s e do fs i xc h a p t e r s i n t h ef i r s t c h a p t e r ，t h er e s e a r c h b a c k g r o u n do ft h et h e s i si ss u m m a r i z e d i nc h a p t e r2 ，t h es u m m a r i z a t i o no fh c ii s g i v e n t h es u m m a r i z a t i o no fu n d e r w a t e rt a r g e tc l a s s i f i c a t i o ns y s t e mi sg i v e ni n c h a p t e r3 i nc h a p t e r4 ，t h er e s e a r c ho fh u m a nc o g n i t i v el a wi nt a r g e tc l a s s i f i c a t i o n s y s t e mi sd i s c u s s e d i nc h a p t e r5 ，t h eu s e rm o d e la n dt h eu s e rs u r v e ya r ei n t r o d u c e d t h er e s e a r c ho fh c i ，e s p e c i a l l yt h er e a c t i v et i m eo ft a r g e tc l a s s i f i c a t i o ns y s t e mi s d i s c u s s e di nc h a p t e r6 a nu n d e r w a t e rt a r g e tc l a s s i f i c a t i o ns y s t e mb a s e do nt h eh u m a n c o g n i t i v el a wi sd e s i g n e d i nc h a p e r7 ，i nt h el a s tc h a p t e r ，t h es u m m a r i z a t i o no ft h i s t h e s i si sg i v e n k e yw o r d s ：t a r g e tc l a s s i f i c a t i o n ，h c i ( h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n ) ，h u m a n c o g n i t i v el a w 1 1 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果。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过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 研究生签名：盗查煎 日期： 东南大学学位论文使用授权声明 9 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位 论文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人 电子文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论 文被查阅和借阅，可以公布( 包括千0 登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包 括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名考阻导师签名：垃日期：兰型蛆! 豳 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 目标识别是声纳后置数据处理的重要环节，是水声装备发展的兰项关键技术之一，是现 代声纳系统与永声对撬的个重要组成部分“1 。水声强标识别是潜艇及求谣舰艇在海战中， 先敌发现并有效地对敌进行水声对抗，先敌使用武器攻击，克敌制胜的前提，也是海军各型 满艇和水厮舰船急需解决的关键技术。开展该领域的研究工作具有极其重要的现实意义和军 事价值，是摄测系统智熊他的重要标志。它的研究一壹受到许多学者、工程技术人员以及军 事部门的极大关注“。 在海战中，能否对声纳霹标实现正确的检测帮分类，对于海军髋艇的终战能力弱生存能 力至关重要。在传统的被动声纳中。目标识别是依靠声纳兵根据接收的目标辐射噪声的音色、 节拍、起伏等，镰台观籍谱胬来判凝甚标的 生质。僵训练一个熟练的声纳兵则需要禳长时闷， 且其分类的准确率受人的精神状态和心理素质等因素的影响较大。在现代海战中，又要求同 时对多个目标进行检测、定位和分类识别，因此迫切需要声纳能够自动检测和识别目标。美 国从2 0 世纪5 0 年代末就着手声纳蟊标自动识别技术的研究。但因耳标识别阀怒本身的复杂性 和相关条件的限制，在相当长的一段时间内进展缓慢，几十年来声纳目标识别一直是国内外 承声界的研究热点窝难点蚂题”1 。 目前自动目标识别系统受到两个主要因豢的制约：一是在满足一定的识别概率下，虚警 概率过大；二是算法适于依赖特定情境的稍练。兹者造成了损失巨大，后者使系统簧棒性交 弱。在当前系统下操作员有以下两种方式改进；通过练习合理正确的控制攻击和突围操作， 避免友军互相攻击和一些不必要豹损失；通过加入入的因素，结合人的模糊判断和机器的精 确计算来刿断匿标。从这个意义上讲，自动强标识别改为辅助墨标识别更容易理解。本文 就是从第二点加以研究。以期能改进系统性能。这样，在设计整个系统时，螫考虑人的因豢。 这一点，也正是传统设计所忽略的地方。 1 2 人与计算机对比 人与计算机各有蘸优点，梦0 表对比如下鸭 东鸯大学硕士学位论文 表1 1 人与帆嚣的行戈差异 人的行动特征 机器行为特征 人的行动包括霾个阶段：意图。计懿，实施， 受控于计算机系统结构，电路逻辑，速度与 评价。每一步都靠人大脑思考。存储容最外设功能以及相关软件。 一旦意匿变化，立刻脱离当前正在实施的行计算机每一步只能完戒一个徽搡捧，状态变 动，而肩动一个新的行动。化只能连续变化，不可能跳跃。 人在仃确中髓观祭反馁，小断修改步 | 篆，j 垫计算机是执行者，不区分a 麴对错，只执行 渐逼近目的。人的操作。 受身材，生理，心理( 注意，惫志，知觉， 只要不断电，计算机会不知疲倦地运行，不 认知，情绪等) 的影响。管人是否疲劳受伤害。 按照人的思维和动作节奏，低速度。 高速度。 动作不精确，重复性不好。行为精确，重复性商。 有责任感。无责任感。 记忆受限，易出错，易遗忘。记忆量太，准确，死板。 宽广的工作范围乏化性差 翦后关联 有限工作带宽 主动，灵插性和适应性好。被动，灵活性和适应性差 由人帆特点分析来看，为充分发挥人帆的备垂特点，组成离效、商可靠的入辘系统，必 须对人机系统的人和机器进行分工。 总的来说，笨重的，快速的，精细盼，有趣律而单调的以及重复的工作逡舍于机器承搀 指令程序豹设计、机器的控制与监督、故障的排除、维修工作应由人承担。进行分工时，可 采用最犬最小的原则，即人承担的工作量应当尽量少，机器承担的= i = 作量应最大。在最大陵 瘦晕j 用机器鲍嗣孵，充分发挥人的积极因素。 1 3 国内外现状 随著计算机硬件、软件的发展，人桃交互的友善与否己成为计算机能否争取到市场的荚 键，面熙在某种程度上还影响到软 牛的性能，因而它在7 0 年代开始受到重视，8 0 年代获得臣 丈发展。美、鼠、英等国均投入巨资进行研究”。美匿二十一世纪信息技术计划中的基础磷 究蠹容为4 项：软件、人枫交互、蹲络、蔫牲能计算机。其中，大执建模研究在傣息技术中 被列为与软件技术和计算机技术等并列的六项国家关键技术之一，并被认为“对于计算机工 她有着突出的藿要性，对其他工韭也锭重要”。美弱国防关键技术计怒l 不仅把人枫交互到为 软件技术发展的重要内容之，而且还专门增加了与软件技术并列的人机界面这项内容。日 本也提出了f p i e n d 2 1 计划( f u t u r e p e r s o n a l i z e d i n f o n u a e o n e n v i r o n m e n t d e v e l o p m e n t ) ，其县 标就是要开发= 十一世纪个性化的信息环境。我国9 7 3 、8 6 3 、十五计划及朱来的十一五计划 均将人机交互剜为主要内容。 在辛国，人机工程学豹研究在二十世纪兰十年代开始即有少量和零星的开展，但系统釉 深入的开展则在“文革”以厝。1 9 8 0 年4 月，国家标准局成立了全国人类：_ c 效学标准化技术 2 第一章绪论 娄员会，统一规划、研究和审议全国有关人类工效学的基础标准的制定。1 9 8 4 年，国防科工 委成立了国家军用“人一机一环境系统工程”标准化技术委员会。这两个技术委员会的建立， 有力地摊动了我国人机工程学研究的发展。此后在1 9 8 9 年又成立了中国人类工效学学会， 辑在1 9 9 5 年9 月创刊了学会会刊人类工效学季刊。二十世纪九十年代初，北京航空航天 大学首先成立了我国该专业的第一个博士学科点，随后南京航空航天大学、嚣北工大、j 京 理工大学、北大医学部等大学也先后成立了相应的专业。 当前随着我国科技和经济的发展，人 f 】对工作条件、生活品质的要求正逐步提高，对 产品的人机工程特性也会日益重视。一些厂商把“以人为本”、“人体工学”的设计作为产 品的卖点，也正是出于对这种新的需求取向的意识。 1 4 本文结构 综上可知被动目标声纳识别在自动识别和人工识别各有优势，如何利用好计算机的精确 判断和人的模糊判断，如何结会计算机和人的优点，如何使入能更轻松更舒服地利用该系统 进行工作等等，这些都是有待研究的内容。该文将从以上两方面入手，设计一个以人为本的 人机交互目标识别系统。 本文结构如下： 第一章绪论，阐明以人为本的人机交互的必要性。自动识别的缺点，人机交互的优点， 国内外人机交互现状，对比出国内人机交互研究的迫切性。 第二章，人机交互概述。从宏观上阐述人机交互的基本概念以及注意事项。 第三章，识别系统概述。这为后箍的界蔼设计提供背景知识，使人机交互理论和具体实 践结合起来。 第赠章，认知心理学在界面设计中的应用。这里详细讨论视觉、听觉、注意、记忆等认 知规律的基本特性，并结合声纳特点进行阐述。 第五章，用户模型与用户调查。设计翔卷调查。以期望能更好地了解用户的特性。 第六章，交互方式研究。阐述系统的交曩接口，并重点讨论以下琵点：基于本系统的特 殊性，给出一种基于反应时间的交互分析方法，详细讨论键盘输入和鼠标拖动交互方法的反 应时间，并给出几种交互方式；对选择菜单的反应时闻进行簿要分析。 第七章，基于认知规律的系统设计。讨论系统与前几章知识的结合应用。 第八章，工作总结。总结研究内容，并指出该研究存在豹缺陷，提出改进。 3 东南大学硕士学位论文 2 1 总体概述 第二章人枧交互概述 人机交互界面作为一个独立的、重要的研究领域受到了世界各计算机厂家的关注。并成 为9 0 年代计算机行业的又一竞争领域。从计算机技术的发展过程来看，人机交互界面技术 还引导了相关软硬件技术的发展，是新一代计算机系统取得成功的保证。 g o 年代以来，计算机的软件移硬件技术取得了较大的发展，同时，计算机的使用者也 从计算机专家迅速扩大到了广大未受过专门训练的普通用户，由此极大地提高了用户界面在 系统设计和软俘开发中的重要性，强烈地刺激了入机交互界面的进步。 进入9 0 年代，计算机软件开发已进入了以开发软件工具和建立软件开发环境为目标的 时代。作为支持人机交互软件开发环境的用户界面管理系统u i m s ( u s e di n t e r f a c e m a n a g e m e n ts y s t e m ) 正疆益受到人们的关注和重视。今后u i m s 将有可能进入各类实际软 件开发环境，成为继d b m s ( d a t a b a s em a n a g e m e n ts y s t e m ) 之后的又一个重要的软件开 发环境和工具9 。 人一计算机的交互作用是通过用户界面来实现的。与传统人机系统不同的是，人一计算 机系统中的交互形式已成为用户与计算机两个“智能系统”之闻的通讯和对话。 在计算机技术发展初期，由于系统运行速度慢、价格昂贵并且可靠性菱，不可能进行交 互使用，用户必须调整自己的行为去适应机器的要求。因此，与计算机使用中的其它问题相 比，界面只是一个小闯越。随蔷计算机性能的提高，系统能够用一部分资源来处理人一计算 机界面，用户界面设计开始引起人们的注意。 用户界面的发展对计算机系统整体性能的提高所具有的重要性已经得到了人们高度重 视，与此同时，围绕人机建模业已形成了计算机产业又一新的竞争领域。我国在人机界面方 面的设计与国际同类研究相比还存在较大差距。目前的研究仅仅着蘑于支持界面的软件和硬 件，对界面本身还缺少深入的研究，用户界面设计还没有成为软件设计中独立的一部分，也 钦少新的人机界面设计技术。而另一方面，计算机科学的发展和计葬机的普及应用却对人枫 界瑶研究提出了越来越高的要求。 2 2 入机交互的框架及内容 在第二次世界大战期闻，一些国家开始发展高效和大威力的新式武器和装备。然而由 于当时忽略了人的性能和限制，设计的控制仪器不适应人的要求，结果造成很大的损失。由 此，设计师开始引入人的因素，把人作为整个系统的一部分。 人机系统的总体框架如下图2 1 所示。从图中可以清楚地看到，人与计算机的交互一方 面通过感觉系统来获取机器( 计算机) 的反馈信息，一方面入根据获得反馈信息，经过大脑 4 第二章人机交互概述 处理，通过运动系统来给计算机施加影响，使计算机能更好地工作。这就说明了研究的两个 方面的内容：一、怎样反馈信息最合理，最为用户所接受? 二、怎样提供接口让用户进行认 知干预最方便简捷? 因此，要使人机会成一体，不得不研究人的一些生理特性，使机器更符 合人的认知特性和行为特性。 执 行 一一1 ( 了一一一一 图2 1 人机系统 信 息 收 集 由上分析可知。人机交互技术除了传统意义上的软件设计，还包含认知心理学和人机工 程学。入机交互技术是一门交叉学科，广而泛。认知心理学与人机工程学是人机交互技术的 理论基础，而多媒体技术和虚拟现实技术与人机交互技术相互交叉和渗透，以此为基础的多 通道技术是未来人机交互技术的发展趋势之一。各学科的关系如图2 2 所示盹。 图2 2 人机交互与其他相关学科的关系图 认知心理学主要研究人的离级心理过程。主要是认识过程，妇注意，知觉，表象，记忆， 思维等等，从心理学的观点研究人机交互的原理。人机工程学是运用生理学，心理学和医学 等有关的知识，研究人、机器，环境之间蛉合理关系，以保证人们安全、健康、舒适地工作， 东南大学硕士学位论文 从而提高整个系统功效的新兴的边缘科学。认知心理学和人机工程学在人机界面设计方面具 有非常重要的作用，是人机交互技术的重要理论基础。 2 3 人机交互和人机界面 人机交互与人机界面经常容易混淆，这里简单区分人机交互与人机界面的含义，以便于 遴步阐述。 人机交互( h u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o n 。h c i ) 是指研究人、计算机以及它们之间相互 影响的技术。人机交互研究的最终目的在于探讨如何使所设计的计算机能帮助人们更安全、 更高效 l q 完成所需的任务。用户界面( u s e ri n t e r f a c e ) 又称人机界面( h u m a n - c o m p u t e r i n t e r f a c e ) 。它作为计算机系统的个重要组成部分，魁计算机科学、心理学、认知科学等等 学科的交叉研究领域，也是计算机行业竞争的焦点。 人机交互和人机界面是两个不同的概念； ( 1 ) a 机交互是指用户与计算机系统之间的通信，它是人与计算机之闯各种符号和动 作的双向信息交换。这里的对话定义为一种通信，即信息交换，而且是一种烈向的信息交换， 可由人向计算机输入信息，也可由计算机向使用者反馈信息。这种信息交换的形式是以各种 符号和动作的方式出现的。如击键，移动鼠标，显示屏幕上的符号或图形。 ( 2 ) 人机界面是指用户与计算机系统之间的通信媒体或手段，它是人机双向倍息交换 的支持软件和硬件。这里“界面”定义为通信的媒体或手段，它的物化体现是有关的支持软 件和硬件。如带有鼠标键盘的豳形显示终端l l0 】。 入桃之间的对话是通过一定的入机界面来实现，在界面开发过程中，有时把两者作为同 义词使用。 2 4 界面设计基本原则 执最早的界藤设计时代开始，界面设计这就已经试图书写指导原则来记录他们的洞察 力，并指导未来设计者的设计活动，这些指导原则适用于各种不同的设计场合。以下归纳了 几点常用至0 的设计原则t 1 l f l 2 】。 ( 一) 用户参与 用户是系统交互界面的最终使用者。由于人橇界薤的颜色使用、控件布局、语义表达等 都有较强的主观性，入机界面也有很强的针对性，所以用户参与人机界面的设计可有效提高 界面的易用性。使人机界面更加符合用户的思维习惯和交互经验。其参与方式有两种：是 在系统的设计阶段，由一定数量的用户配合系统设计人员一起完成系统的用户交互特性需求 分析和交互任务需求分析，做好人机界面设计必要的前期准备工作：二是在系统人机界面原 型设计完成后，选择具有代表性的用户群体对人桃界面原型进行检验和评估，找出界面设计 的缺陷和错误，然后酌情作进一步的修改。 6 第= 章人机交互概述 ( 二) 用户控制 用户控制指系统人机界面虚使用户感觉自己在控制系统，而不是被系统所控制。 ( 1 ) 用户应在系统人机交互中扮演主动角色，可根据需要选择交互方式和步骤完成交亘 任务。 ( 2 ) 不同用户对人机界面的要求有所差异，为此颜色、字体等界面要素，可根据用户个 性提供人机交互选项功能。 ( 3 ) 合理的进彳亍交互任务区分著划分进程，用户无需热载整个应用模块来执行某个操 作。 ( 兰) 界面设计一致性 一致性的人机界面可使用户将已有的知识和经验传递到新的任务中，更快学习和使用系 统，将更多的注意力集中到判断、分析、检索、归类等具体的交互任务上。一致性主要表现 在颜色、快捷键、操作模式和控件使用的一致性四个方厦。 ( 1 ) 颜色使用的一致性 颜色本身就是一种辅助的信息形式，它可以引起用户注意并产生关联。为了避免造成用 户视觉认识困滩，信息系统人机界面应使用有限的颜色，在颜色的选择上必须符合交互需要 和适应用户的心理认知趣律，颜色的搭配上应尽量美观、瓠调并使用户容易集中注意力。 ( 2 ) 快捷键使用一致性 快捷键是用键盘上的按键或按键组合来代替对菜单命令的选择。故应对信息系统各功能 模块快捷键使用方案统一设计和分配，且注意以下几个问题：快捷键应只使用于重要和常用 的功能：快捷键的设定应符合软件开发的习惯，一般使用“c t r l + 键”组合、“s h i f t + 键” 组合或“f i f 1 2 ”来执行一些快捷操作，避免使用三键以上的快捷键组合和系统已规定的 快捷按键组合；避免将一个快捷按键或组合分配给多个操作。 ( 3 ) 操作模式的一致性 操作模式的一致性有助于用户熟悉界面又可简单的预测系统所处的状态，允许系统用户 将注意力集中在具体交互的内容上，而不需要花费时闯和精力来分辨并适癍系统各个功能模 块在操作模式上的差异。操作模式的一致性表现为数据输入和对象操作的一致性。数据输入 一致性要求数据输入应有一定的模式和原则。对象操作一致性要求对于系统模块中同一类的 具体对象群体尽量有相同或褶似的属性和操作模式。 ( 4 ) 控件使用的一致性 控件是组成界面的基本要素，对控件的缀台、布局、撵列积大小需详细规定。首先，应 根据系统交互任务的需要合理确定控件组合。以及系统人机界面的控件集。其次，控件间的 排列和布局应该符合用户的操作习惯和交互需要：控件与按件闯、控件与窗体问成有一定间 距，防止隐藏和重叠控件；拉件在界藤上的排列和显示应有一定的层次性和逻辑性；要洼意 控件布局和排列的一致性。 ( 四) 良好的信息反馈 7 东南大学硕士学位论文 系统人机界面必须对用户的操作做出反馈，良好的信息反馈有助子用户确认已进行或正 在进行的操作。反馈类型可分为词法级、语法级和语义级等信息反馈。打击键盘显示相应字 符，移动鼠标光标移动等是词法级反馈。用户输入命令或参数酵若语法错则响铃，用户选择 菜单项后是商亮度显示等是语法级反馈。词法级和语法级信息反馈多依赖被操作控件本身， 语义级信息反馈主要通过信息提示控停、状态栏信息和信息反馈对话框。 ( 五) 系统反应迅速 系统人机界面需有较短的确应时间，但如渠系统对用户操作超过3 秒还没响应，会使用 户处于一种不知所措的状态。 ( 六) 适用的帮劫系统 应设计科学合理的帮助系统。对信息系统来说，仪提供用户手册是不够的。对于系统生 疏型用户，阅读完整的手册是困难的：用户交互过程中会遇到意想不到的问题，时间不允许 再去查询手麓。因此，系统应根据用户的需要提供上下文帮劫、过程帮助等多种帮助形式 ( 七) 较强的容错性与安全性 用户安全认知措施瘟针对用户进行权限区分并防止试图经入的黑客和非法用户。容错性 应容许用户误操作，误操作时应绘出声、光等信息提示，不能囡错误操作造成系统难以恢复、 灾难性的后果，系统入机界面应有一定的数据备份和恢复功能。系统人机交互设计应能预防 错误的发生，具备保护功能，防止因误操作丽破坏系统的运行状态和信息存储。系统应提供 必要的出错信息出错信息应清楚、易理解，符合一致性原则。信息内容应包含出错位景、 错误等级、出错原因及修改出错建议等内容。 2 5 人机交嚣发展趋势 在计算机出现不足一个世纪的短暂时间里，人机交互发生了很大的变化。下面从几个不 同的角度来观察和总结人机交互技术发生的变化以及发展趋势f m 。 ( 1 ) 根据用户界面的具体形式，人机交互技术可以分为批处理、联机终端、文本菜单、 w i m p 劈面、多媒体用户界面、多通道用户界面和虚拟现实用户界蕊。 ( 2 ) 根据用户界面中信息载体的类型，人机交互技术可以分为以文本为主的字符用户 界鳆( c u i ) 和以二维图形为主的图形用户晃面( g u l ) 和多媒体界面。 ( 3 ) 根据计算机输出信息的形式，人机交互技术可以分为以符号为主的字符界面、以 视觉预知为主的图形用户界露、兼顾听觉惑知的多媒体用户界面和综台运用多种感官的虚拟 现实技术。 在符号阶段，用户主要面对的是单一文本符号，虽然离不开视觉参与。但是视觉信息是 非本囊的，本质的信息只有符号和概念。在视觉阶段，借助计算机图形学，使人机交互技术 大量利用颜色、形状等视觉信息，充分发挥人的形象感知和形象思维的潜能，提高信息传递 的效率。这一酚段的交互缺少听觉交互手段，虽然现在将视频和音频同时融入交互系统中， 但人只是出于被动收听状态，声音缺少位置和方向的变化。目前。在人机交互中融合视觉的、 8 第二章人机交互概述 听觉的咀及更多的通道是必然的趋势，特别是将听觉通道作为补充的或独立的信息通道已显 示出其重要性和优越性，尤其在水声领域，听觉更为重要。 ( 4 ) 根据人机界面中的信息维度，人机交互技术可以分为一维信息( 主要指文本流) 、 二维信息( 主要是二维图像技术，利用色彩、形状、纹理等信息) ，三维信息( 主要是三维 图形技术) 和多维信息( 多通道的多维信息) 空间。 ( 5 ) 根据人机交互中采用的语言，人机交互技术可以分为形式语言、类自然语言和自 然语言。用户与计算机之闻需要借助一种双方都能理解的语言进行交互对话。对话所采用的 形式语言是一种人工语言而计算机语言则不仅是操作计算机的语言而且是处理语言的语 畜；自然语言的语法成分有更多的规则，具有多义健、微妙、丰富、灵括的特点；类自然浯 言则介于计算机语言和自然语言之间。 9 东南丈学硕士学位论文 第三章水声目标识别系统概述 水声目标识别是随着声纳技术、信号检测理论、计算机技术等的进步而发展起来的。上 世纪5 0 年代初，随着信号论、信号检测理论、计算机技术等的发展，使得水声信号处理迅 速发展成为一支十分活跃的研究分支。6 0 年代快速傅立叶变换的提出和发展，使得声纳 实时信号处理成为可能。序贯检测用于声纳自动判决，提高了后置数据处理能力。7 0 年代， 自适应信号处理，现代谱估计等促进了目标识别技术的发展。8 0 年代以来是水下目标识别 突飞发展的融期，人工智能、计算机科学、信息科学、认知科学等均为水下目标识别提供了 强有力的理论研究基础和分析处理手段。使得水下目标识别取得令人可喜的成绩。在被动声 纳目标识别研究领域，美国、英国、法国、加拿大、酷本等国研究较旱，并研制出实用的嚣 标分类系统【1 ”。在我国，水下目标识别技术近年来受到高度重视。“十五”期间，水下目 标识别被列为重点解决的关键技术。 目标识别属于模式识别1 【1 5 1 的范畴，通常我们把通过对具体的事物进行观测所获得的 具有时间和空间分布的信息称为样本，而把样本所属的类别或同一类中样本的总体称为模 式。模式识别的作用和目的就是对某一具体事物将其正确的归入某一类别。被动声纳系统通 过检测水声目标的辐射噪声。提取其特征来进行自动分类识别。如图3 1 所示，目标识别主 要出信息获取，预处理，特征提取，分类决策四个步骤组成，其中特征提取和分类决策算法 是最为关键的技术。 厂、 磷 剐 醛 崧竭 塌 畚 罐蒙趣 蹈 聪 错糕 咬 逛馨 隶 墨 u 3 1 水声目标信号分析 图3 1 被动声纳目标识别系统 水声蟊标的辐射噪声是多种噪声源综合作用的结果。这些噪声源有：攥进器、转动和往 复式机械，各种泵等等，这些噪声产生的噪声机理各不相同，因此辐射噪声的谱线形状也比 较复杂。 对被动声纳而言，水声目标辐射噪声具有特殊的重要性矗们可以利用辐射噪声的特性。 从自噪声或环境噪声背景上把它区分出来进而进行分类识别。水声醪标的噪声源一般可以分 为三大类：机械噪声、螺旋桨噪声和水动力噪声。 机械噪声是指舰船上各种机械的振动通过船体向水中辐射而产生的噪声。机械噪声的产 生可概括为以下五种m 】： ( 1 ) 不平衡的旋转部件： l o 第三章水声目标识别系统概述 ( 2 ) 重复的不连续性运动； ( 3 ) 往复部件； ( 4 ) 泵、管道、阀门中流体的空化和湍流，凝汽器排气； ( 5 ) 在轴承和轴颈上的机械摩擦。 其中翦三种声源产生线谱，噪声中主要成分是在振动的基频及谐波上的单频分量；后硬 种产生连续谱噪声，当激起结构部件共振时，还叠加有线谱。所以，船的机械噪声可以看作 是强线谱和弱连续谱的叠加丽这些强线谱就是上列的一种或多种重复性振动产生的过程。 在识别过程中提取出的很多线谱都是由这种情况产生的。 螺旋桨噪声源是由旋转着的螺旋桨所辐射的噪声，包括螺旋浆空化噪声和桨叶振动所产 生的噪声，螺旋桨噪声中蕴含了螺旋桨的转速和叶片数等重要信息，是调制噪声的主要来源。 由螺旋浆运动形成空穴的产生和破碎称为螺旋桨空化。由予空化噪声由大爨气泡破裂引起， 因此空化噪声由随机的小脉冲构成，有连续谱。 空化调制可用模型表示为： j ( ) = ( 1 + 掰口( f ) ) d + h ( f ) ( 3 。1 ) 式中，m l ，为调费深度；a ( t ) 为调制函数，是慢变化的周期函数；x ( t ) 是宽带噪声， 充当宽带载频信号：r l ( t ) 为噪声。从该式可看出螺旋桨噪声的特点是调幅，即振幅周期的 变讫，其周期对于螺旋桨轴转速及螺旋桨叶片频率，即轴频率乘以时片数目。翔时由于螺旋 桨不可能完全对称。总有一个叶片比其它几个空化的程度深，故噪声还受到轴频的调制。在 实时识别系统中，这些特征都是重要识别依据。 不规则的和起伏的水流流过运动船只时产生水动力噪声。不规则的和起伏的水流流过运 动船只时产生水动力噪声。不规则的流引起的压力起伏，辐射出去形成声波，更重要的， 可以激励船体菜些部分发生振动。有湍流附甄层产生的噪声往往成为流噪声。由船的各种结 构激励起的和再辐射声波是水动力噪声的重要声源。 不褥情况下，各种珏标的辐射噪声的构成不一样。低航速对，机械噪声通常是辐射噪声 的主要声源，高航速时，螺旋桨空化噪声是辐射噪声高频段的主要声源，而机械噪声则是低 频段的主要声源。水下低速目标在作战时，为了隐蔽自己，总是以较低的航速航行，由空化 噪声引起的连续谱较弱，而由机械噪声引起的线谱则较为明显；水上耳标航行时空化噪声在 辐射噪声中占主要地位，具有强连续谱。而线谱不明显或被淹没：热动力水下高速目标具有 较强的低频成分，电动力目标则具有较强的超声频成分( 几十千赫) ，对转桨航行麴水下高 速目标若前后桨叶数相同，则在高频段有着丰富的线谱。这些特征常作为识别三类水声目标 的依据。 3 2 特征分析 水声目标识别已开展多年从声纳提供数据中提取有效的分类特征是被动声纳目标识别 东南大学硕士学位论文 的关键环节，这一点人们已达成共识。水声目标的特征提取除了要讲求维数少、区分度好、 鲁棒性好、独立性强等原则之外，耍注意提取的分类特征与目标特性间的联系，不仅要在数 据处理上实现不同目标的区分，而且能与目标的物理意义相对应。本系统提取出的分类特征 包括了功率谱特征、解调谱特征和行为特征三大类，以下对这些特征作简单概括。 3 2 1 功率谱估计分析 不同目标的功率谱谱形不同由于不同目标的螺旋桨的空化噪声不同，以及不同目标的 机械噪声的不同，它们产生的功率谱的谱形分布不同，可以作为目标分类的依据；其次，不 同目标的线谱数最与线谱出现的位置有着较大的不同。一般来说，高速目标功率谱中的线谱 较多，且多分布在中高频；低速目标功率谱的线谱较少，且般出现在中低频：最后，不同 目标由予其声源级以及辐射噪声的特点，反映在不同频段上其连续谱和线谱的能量也有差 异。 功率谱估计是获取随机信号二阶统计特征的基本手段。通过时域到额域的变换，可使时 间域上的复杂波形转换成频域上比较简单的各频率分量的分布，功率谱中的线谱特征及宽频 带谱形特征等是永声目标分类的主要根据之一。功率谱估计一般以f f t 为基础，运算速度恢， 实现简单。为了克服谱估计的随机起伏，可采用部分重叠的韦尔奇( w e l c h ) 分段平均周期图 谱估计等方法，以增加特征的稳定性和一致性。陈敬军”“等对如何进行线谱检测进行了综述。 3 2 2d e m o n 谱分析 d e m o n 谱分析，最荚注的就是轴频和叶片数的提取。 一般来说，备类耳标都有蠡己的轴频范屡，因此通过轴频信息能大致了解目标的一些特 性。不同目标由于各自螺旋桨的构造不同，提取的螺旋桨叶片数就不同。通过叶片数的比较， 可以很好的区分各类目标。 水声目标辐射噪声的调制是宽带调制，即载频是宽带的噪声，而不是通常意义上的单频 载波，因此一般使用宽带解调法提取螺旋桨特征。因为高速目标在整个频带内线谱丰富，调 制噪声在总辐射噪声中所占的比例较高，经过宽带解调后大多能获得清晰的d e m o n 谱。面舰 船辐射噪声以宽带空化调制为主，宽带载波的能量不是分布于整个频带，而是集中在某一个 频段上，使用宽频带解调法解调相对较窄的调制噪声往往很难获得清晰的d l 强o n 谱。对这类 信号需要采用窄带解调。当然窄带解调的中心频率是无法确定的，因此一般在适当频带上设 置了几组窄带滤波器，总有一个频段内的调制噪声能量相对较强做出的d e m o n 谱也最清晰， 综合利用各频段的解调谱就能获得螺旋桨的调制信息。 假设用m 个带通滤波器对信号进行预处理，在各个频段内调制信号比设为 s n f ，i = l 挪，各频段的信号功率为风，噪声功率为p n ，同时假设 1 2 第三章水声目标识别系统概述 s i l = m a x ( s i ) ，s n 。= m i n ( s n j ) ，如果将上述m 个带通滤波器合并成为一个宽带滤波器， 那么该频段内的信噪比： a ，5 + 砌，( s n ，- - 8 1 1 。) + p n ，+ s n ；+ 砌r s n = = 型i 一= 旦i 型一 ，砌。鼢； 6 1 1i = l ( 3 2 ) ( s n f 一蹦) 4 p n j = + 旦_ - 一 砌 i = l 类似地 o ，n 2 4 1 ( 因为肛2 ) 所以，同时给用户多种选择往往俊于同样的选择进彳亍层次化的结构。 一些目标识别上菜单项深度过深。这样影响系统的反应时间。但是若没有菜单项，仅仅 依靠按镊发送消息，这样对整个平面的布局会显得较为凌乱，也不利于系统的扩展。因此， 菜单作为辅助项保留，但是深度只有l 一2 层，操作起来才能比较方便。这点与复杂的w i n d o w s 系统，m i c r o s o f t 整套软件不一样。这些复杂的软件一是实时性不强：二是其有一些非常少 用的功能，以供专业人士用；兰是系统相当复杂。 小结：f i t t s 律和h i c k 律在本节并未仔细奄面讨论，只在量化时间上进行了一些讨论。 但在上西的讨论中可以看到，尽管一些参数不明了，但是上蕊讨论的结论依然可以作为界谣 设计的指导，会对界面设计有所帮助。 4 5 东南大学硕士学位论文 第七章基于认知规律的系统设计 本章对前蓖几章胡到的理论知识加以应用，并在实验室已有的识别算法的基础上设计一 个以人为本的，基于人类认知规律的水声目标分类识别人机交互系统。 7 1 界面设计 7 1 1 整体布局 首先根据视觉的信息组织规则把要显示的信息有规则地组织起来。信息组织特性指出， 在视野中离教的刺激可以由于他们彼此之间的某种关系组织到一起丽形成个整体的视觉。 视觉的组织原则主要有邻近性原则，相似性原则和封闭性原则。这样，将每一项的功率谱图 和其对应的瀑布图放在一起显示，l o f a r 图及其瀑布图，宽带d e m o n 及其瀑布图，分频 段d e m o n 及其瀑布翻，扫描波柬及其瀑布豳就组成四块信息显示模块。能量历程信息对 用户也蹙一项有用数据。最后是一些显示在界面上的常用按钮和交互选项。 根据视觉注意的分毒觏律，把用户最关心的信惑放在左上角这个敏感区，较不敏感的信 息放在右下角。设计界面时，要分析用户对屏幕上所最示信息的关注程度。下面是具体分析： ( 1 ) 将屏幕分为7 个区域：目标结果显示区、原始数据和能量显示区、l o f a r 显示区、 宽带d e m o n 显示区，分频段d e m o n 显示区，波速扫描显示区。其他控制信息和辅助信 息。 ( 2 ) 根显然，目标识别结果是操作员最关注的信息。 ( 3 ) 其次，是数据监视最示区。因为如果传输的数据不对，将导致结果出错。 ( 4 ) 再次，就是信号处理信息，因为当蓠的识别结果还是不一定准确，这与底层判决 算法，数据库等等有关。这时，操作员可以在人机交互控制区进行一些人工干预，使信号处 理更能反映实际情况。 ( 5 ) 其他控制信息和辅助信息，因为操作员在开始工作时设定好以后，这个区域就不 必予以太多的荧注 下鬻是系统主界面： 第七章基于认知规律的系统设计 7 1 2 视觉注意特征的应用 图7 1 系统主界面 视觉注意的分布特点即；左上角比较敏感，占4 0 ，它明显高于其他区域；右下角最 不敏感，只占1 5 。分布图参见“图4 1 视觉注意分布图”。本系统依据此规律，将用户最 关注的信息放在左上角，参见图7 1 。 视觉分为三种形式：自发观看、内在思考的观察、有目的的观察。因为长时间连续工作， 用户很容易进入自发观看的状态，当目标出现时，设计者有必要给与用户一定的刺激，使得 用户能有目的地观察。 下图是本系统识别结果的显示方式： 图7 2 目标结果显示对比图 可以看到，当有目标出现时，目标显示出会变成红色，而且字体也变得更大。同时- 概 率小的目标的字体变得更小。从黑色变化到红色有助于在视觉上刺激声纳兵，使其能迅速从 自发观看转为有目的观看，同时非主要的目标变小，更能集中注意力资源a 但是，也不能 4 7 镍“他二 一一一 篝。一。，一 操。|旷一。一 一一一一一 东南大学硕士学位论文 把小概率目标分类缺省，因为存在很多不确定因素，也就是说判决结果不一定准确。因此也 放在目标结果显示区域，以供参考。 7 1 3 记忆特征的应用 在设计显示信息块时，严格遵守短期记忆的7 土2 的规则，即短期记忆能够保存7 2 个信息项，多了用户出现信息过剩，只会增加用户负担，起不到给用户增加信息量的作用。 所以，在实现时信息时，要合理地分块显示，把相关信息组织在一起，不能毫无章法地乱堆 信息，使用户眼花缭乱，这样获取信息就很困难。本系统将信息组织为7 大块，具体参看图 7 1 。 短期记忆的衰退主要是因为，各种干扰、不断涌进视觉的信息、对其它视觉信息的注意 等，占据了视觉记忆，使得原来记忆的信息被冲掉了，并不是记忆的自然衰退。系统设计了 辅助信息栏，帮助用户回忆部分信息内容。如下图： 善系境信息： i 打开文件： | 运行时间： i 前诙结果： l 。、# j 一 图7 3 系统信息 在减轻用户记忆负担，建立一个基于菜单的简单的帮助功能方便新手用户随时查阅。 帮助菜单如下： 图7 4 帮助菜单 点击对应的菜单，系统弹出相应的帮助内容，方便用户。 在减轻思维负担方面，在设计系统的操作顺序时，在一定调研的基础上，设计出符合一 般声纳兵使用习惯的操作顺序使上一步操