（优质课件）人的感知与认知特征

人的感知与认知特征及显示装置设计 人的基本感知特征 感官运动与中枢神经 举例 外界刺激 感觉 感觉有机体对客观事物的个别属性的反映 感觉器官受到外界的光波 声波 气味 温度 硬度等物理与化学刺激作用而得到的主观经验 感觉视觉听觉本体感觉 运动 平衡 化学感觉 味觉 嗅觉 皮肤感觉 温度 疼痛 压力 触觉 刺激及感觉反应 感觉的基本特征 感受器 感受性和感觉阈限感觉阈限下限 引起感觉上限 感觉刚刚消失一定强度的刺激 作用 感受器官 感觉的基本特征 感受器官 唯一性 一种刺激 识别某一种特征 眼睛 光刺激 耳朵 声刺激 感觉印象 眼睛 80 耳朵 14 其他器官 6 多种视觉或多种听觉信息 或视觉与听觉信息同时输入 声音掩蔽 倾向于注意一个而忽视其它 同时输入的是两个强度相同的听觉信息对要听的那个信息的辨别能力将下降50 只能辨别最先输入的或是强度较大的信息 连续刺激感觉器官敏感性降低产生适应现象 人体主要感觉阈值 知觉的基本特征 知觉是人对事物的各个属性 各个部分及其相互关系的综合的整体的反映 人的知觉空间知觉 时间知觉 运动知觉 社会知觉 共同特征知觉的整体性知觉的理解性知觉的恒常性知觉的选择性 知觉的整体性 知觉的理解性 知觉的恒常性 距离恒常性明度恒常性形状恒常性颜色恒常性 距离恒常性明度恒常性形状恒常性颜色恒常性 知觉的选择性 视觉 视觉的基本参数波长和强度效应视角视力视野色觉 视野 视距 眼球的基本结构 波长 视觉电磁波刺激人眼视网膜细胞时引起的 一般光源包含多种波长的电磁波 称为多色光 不同波长的光混合 产生各种不同颜色 所有不同波长的可见光混合起来产生白色 人眼可分辨的光色约有120多种 强度效应 强度效应指光的刺激强度只有达到一定数量才能引起视感觉的特性 可见光不仅可以用波长来表示 也可以用强度来表示 光的强度照射在某平面上的光通量 即照度 其单位是勒克司lx 视角 视角由瞳孔中心到被观察物体两端所张开的角度 即能够分辨的最小物体的视角定义该视角为最小视角 在一般照明条件下 正常人眼能辨别5m远处两点间的最小距离 其相应的视角为1 人眼辨别物体细部分的能力是随着照度及物体与背景的对比度的增加而增加 视角 视力 视力表征人眼对物体细部识别能力的一个生理尺度以最小视角的倒数表示 视力标准正常视力 最小视角为1时 视力等于1 0 年龄的增加 视力会逐渐下降作业环境的照明设计应考虑工作者年龄的特点 人的水平视野和垂直视野 视野指人眼能观察到的范围 一般以角度表示 在视野边缘上 人只能模糊的看到有无物体存在 但辨不清其详细形状 视杆细胞 能够清楚辨认物体形状的视野为有效视野 人的水平视野和垂直视野 静视野静视野的有效视野是以视中心线为轴 上30度 下40度 左右各为15度 20度 最佳视野区其中在中心30度以内 最佳静视野 a 最佳的水平直接视野 双眼 b 最佳的垂直直接视野 最佳动视野 a 最佳的水平动视野 双眼 b 最佳的垂直动视野 不同颜色的视野范围 色觉视野人眼在不同颜色刺激下的色觉视野是不同的 人眼对白色视野最大 对黄 蓝 红色依次减小 而对绿色视野最小 视距 视距是指人在控制系统中正常的观察距离 观察各种显示仪表时 若视距过远或过近 对认读速度和准确性都不利 最佳视距一般应根据观察物体的大小和形状380 760mm 板书 几种工作视距的推荐值 常见的几种视觉现象 暗适应与明适应眩光视错觉 人机界面 视觉图 心理效应 横向 纵向线条 同面积的圆形 三角形 正方形视疲劳 暗适应和明适应曲线 暗适应明 暗5 7min 30min光通量增加视杆细胞 明适应暗 明30s 1min光通量减少视锥细胞 视错觉 视错觉 视错觉 视错觉 视错觉 眩光 眩光 视觉损伤 视觉疲劳 照度不足视觉活动过程开始缓慢视觉效率显著下降易引起视觉疲劳整个神经中枢系统和机体活动受到抑制 长期劣质光照环境下工作引起眼睛局部疲劳眼痛 头痛 视力下降近视眼睛调节筋的睫状肌疲劳 视觉运动规律 眼睛的水平运动优于垂直运动先看到水平方向 后看到垂直方向 一般机器的外形常设计成横向长方形 视线运动的顺序习惯从左到右 从上至下 顺时针进行 对物体尺寸和比例的估计水平方向优于垂直方向 准确 迅速 且不易疲劳 眼睛偏离视中心 偏离距离相同 观察率优先的顺序是左上 右上 左下 右下 插图 视觉运动规律 两眼的运动协调 同步在正常情况下不可能一只眼睛转动而另一只眼睛不动 在操作中一般不需要一只眼睛视物 而另一只眼睛不视物 人眼对轮廓的接受直线轮廓优于曲线轮廓 视觉运动规律 颜色对比与人眼辨色能力有一定关系 从远处辨认多种不同颜色易于辨认的顺序是红 绿 黄 白 两种颜色相配易于辨认顺序是黄底黑字 黑底白字 蓝底白字 白底黑字等 黄底黑字 黑底白字 蓝底白字 白底黑字 视觉运动规律 在视线突然转移的过程中 约有3 的视觉能看清目标 其余97 的视觉都是不真实的 所以在工作时 不应有突然转移的要求 否则会降低视觉的准确性 对于运动目标 只有当角速度大于1 2度 s时 且双眼的焦点同时集中在同一个目标上 才能监别也其运动状态 人眼看一个目标要得到视觉印象 最短的注视时间为0 07 0 3s 这里与照明的亮度有关 人眼视觉的暂停时间平均需要0 17s 举例 电影 动画 显示器设计 模拟显示器设计 信息呈现 显示装置概述 显示器的性能要求简单明了的方式传达传递信息形式直接表达信息内容减少译码的错误显示精度适当最少认读时间避免因精度超过需要 反而使阅读困难和误差增大 显示装置概述 显示形式符合操作者的习惯及操作能力极限 人体尺寸 易于了解 避免换算 减少训练时间减少受习惯扰造成解释不一致的差错 控制面板 明确语义 作业条件如照明 速度 振动 操作者的位置 坐 立姿 运动的约束等运用最有效的显示技术和显示方法显示变化速度与操作者的反应能力相适应 不要让显示速度超过人的反应速度 自动售票机 取款机的跳转页面 显示装置设计的基本原则 准确性原则清晰 可辨识 易于判断简单性原则语义明确 简洁一致性原则运动 显示与现实 思维一致排列性原则多显示的排列应与人的视觉特征相一致 信息显示特征 可察觉性 detectability 可区辨性 discriminability 有意义性 meaningfulness 标准化 standardization 信息的余备 redundancy 视觉显示装置的分类 视觉显示方式 模拟显示刻度盘指针式和灯光显示式 用模拟量来显示机器有关参数和状态 手表表盘就是一个典型的模拟显示 模拟显示装置的特点醒目可显示全量程范围可显示偏差及偏差方向 视觉显示装置的分类 数字显示 数字显示机械式 数码管式 液晶式 屏幕式直接用数码来显示有关参数和工作状态 数码产品 装置特点易识读对环境照明要求不高彩色视觉效果好 显示装置对比表 按显示功能分类 读数用仪表 数值显示参数与状态 汽车 摩托车速度表 检查用仪表 偏离正常值 示波器 按显示功能分类 警戒用仪表 颜色或图形符号区分警戒区 危险区 正常区 油表 按显示功能分类 追踪用仪表 根据信息 追踪操纵 按要求进行动态过程工作 直线形仪表或指针运动的圆形仪表荧光屏显示更为理想 调节用仪表 只用以显示操纵器调节的值 而不显示机器系统运行的动态过程 指针运动式或刻度盘运动式最好采用由操纵者直接控制指针刻度盘运动的结构形式 仪表显示装置 指针式仪表特点一般不止一块 组合使用 要求操作者反应快速指针式仪表设计要点指针式仪表的大小与观察距离是否比例适当 刻度盘的形状与大小是否合理 刻度盘的刻度划分 数字和字母的形状 大小以及刻度盘色彩对比是否便于监控者能迅速而准确地识读 根据监控者所处的位置 指针式仪表是否布置在最佳视区范围内 仪表显示装置 刻度盘的设计刻度盘的形状 取决于仪表的功能和人的视觉运动规律 以数量识读仪表为例其指针值必须能使识读者精确 迅速地识读 实验研究表明 不同形式刻度盘的误读率不同 指针显示器的刻度盘分类 刻度盘的形状指针式仪表可分为圆形 弧形和直线形 图3 9 误读率比较 开窗型指针不动 刻度数字动 窗中的数字易读误读率最小圆型 半圆型需在仪表中寻找和确认指针的位置在较短的解释时间内比开窗型的误读率高可以用指针的倾角来推测显示量高于水平型和竖直型显示 水平型和竖直型寻找指针位置费时提示时间短 误读率最高与竖直型相比 水平型的误读率偏低 眼球的运动快 误读率比较 仪表显示装置 5种显示器读数准确度的比较 圆型仪表为100 仪表显示装置 刻度盘的大小取决于盘上标记的数量和观察距离 以圆形刻度为例盘上标记数量多 提高清晰度 相应增大刻度盘 增加眼睛的扫描路线和仪表占用面积 缩小刻度盘又会使标记密集不清晰 刻度盘的最佳直径与监控者的视角有关 实验证明 最佳视角为2 5 5 最佳直径和最佳视角可确定最佳视距已知视距和最佳视角便可推算出仪表刻度盘的最佳直径 仪表显示装置 怀特 W J White 等人对圆形刻度盘最优直径实验将仪表安装在仪表盘上 测试反应速度和误读率 结果表明 圆形刻度盘的最优直径是44mm 关于圆形刻度盘的直径 观察距离和标记数量的推荐值见下表 认读速度和准确度与直径大小的关系 视距750mm 观察距离和标记数量与刻度盘直径的关系 仪表显示装置 刻度线设计刻度间隙刻度盘上最小刻度线间的距离 刻度间隙的大小根据人眼的最小分辨能力和刻度盘的材料性质及视距而确定 人眼直接读识刻度 刻度间隙的最小尺寸不应小于0 6 1mm 当刻度小于1mm时 误读率急剧增加 刻度间隙的最小尺寸一般在1 2 50mm之间选取 必要时也可采用4 8mm 采用放大镜读数时 刻度间隙的大小一般取1 Xmm X为放大镜放大倍数 刻度间隙的最小值还受所用材料的限制钢和铝的最小刻度间隙为1mm黄铜和锌白銅为0 5mm 仪表显示装置 刻度线类型单刻度线 双刻度线和递增式刻度线 递增式刻度线的形象特征可以减少识读误差 刻度线的宽度即刻度线的粗细取决于刻度的大小当刻度线宽度为刻度的10 左右读数的误差最小 一般取刻度的5 15 普通刻度线通常取0 1 0 02mm远距离观察时 可取0 6 0 8mm精度高的测量刻度线取0 0015 0 1mm 刻度线类型 图3 11 刻度线宽度对误差的影响 图3 10 三级刻度线宽度 长度的示例 图3 13表示当视距为710毫米时 普通刻度标记的三种刻度线间的最小尺寸关系 仪表显示装置 刻度线长度对识读准确性影响很大 受照明条件 表3 9 和视距 表3 10 的限制 当视距为L时 刻度线最小长度为 长刻度线长度 L 90中刻度线长度 L 125短刻度线长度 L 200刻度线间距 L 600刻度线长度还受刻度大小的影响 不同刻度范围的刻度线长度按表选取 刻度线的长度与视距关系 表3 10 刻度线长度选择表 表3 11 仪表显示装置 刻度方向刻度盘上刻度值的递增顺序称为刻度方向 遵循视觉规律水平直线型应从左至右竖直直线型应从下到上圆形刻度应按顺时针方向安排刻度值 数字累进法 P70 一个刻度所代表的被测值称为单位值 每一刻度线上所标度的数字的累进方法对提高判读效率 减少误读也有非常重要的作用 数字累进法的一般原则如下表所示 这是美国海军的研究成果 数字累进法 一般应采取表中 优 的累进法 只是在不得已的情况下才使用 可 而绝对不能使用 差 的累进法 人最易读取自然增加的数字 刻度标值示例 适宜与不适宜的刻度标值示例 a 适宜 b 不适宜 a b 仪表显示装置 刻度设计注意事项不要以点代替刻度线刻度线的基线用细实线为好 粗线不利于识读刻度线不可很长而且很挤不要设计成间距不均匀的刻度 仪表显示装置 字符设计字符的形体字符的大小对于安装在仪表盘上的仪表 视距为710mm时 其字符高度可参考下表笔划宽与字高比值的推荐值如下表 仪表盘上仪表的字符高度 仪表文字符号设计 字符的形状要求简单显眼 直线和尖角加强字体本身特有的笔划 突出 形 的特征 不要草体和装饰 拉丁或英文字母大写印刷体汉字仿宋字和黑体字的印刷体 仪表文字符号设计 字符的大小要求在便于认读和经济合理的条件下 字符应尽量大 一般字符高度H为观察距离L的1 200 如表3 12所示 可按下式近似计算 式中H 字符高度mmL 视距mm 眼睛的最小视角 刻度盘上的字符高度 不同照明条件下字符笔划粗细取值 仪表显示装置 标度数字的原则指针运动盘面固定的仪表标度的数字应直排 正立位 盘面运动指针固定的仪表标度的数字应辐射定向安排最小刻度可不标度数字 最大刻度必须标度数字指针在仪表面内时 如果仪表盘面空间足够大 则数字应在刻度的外侧 以避免被指针挡住指针在仪表外侧时 数字应标在刻度的内侧 标度数字的原则 开窗式仪表的窗口应能显示出被指出的数字及上下相邻的两个数字 标数应顺时针辐射定向安排 为了不干扰对显示信息的识读 刻度盘上除了刻度线和必要的字符外 一般不加任何附加装饰 一些说明仪表使用环境 精度的字符应安排在不显眼的地方 圆形仪表 仪表刻度盘运动 指针运动 刻度标数的顺序应按顺时针方向依次增大 0位常设置在时钟的12点位置 以符合人的认读习惯 仪表显示装置 指针设计形状宽度长度颜色零点位置 仪表显示装置 指针的形状单纯 明确 不应有装饰 最优 针身以头部尖 尾部平 中间等宽或狭长三角形下图为指针的基本形式 在设计指针箭头时可参考下图所示的各种箭头 以最右端的为最好 指针的形状 指针的基本形状 各种箭头形状的比较 仪表显示装置 指针的宽度指针针尖宽度应与最短刻度线等宽 但不应大于两刻度线间的距离 指针不应接触刻度盘面 但要尽量贴近盘面 投影误差图3 19 精度要求高的仪表 指针和刻度盘面应装配在同一平面内 指针的长度指针的针尖不覆盖刻度 一般要离开刻度记号1 6mm左右圆形刻度盘的指针长度不超过它的半径需要超过半径时 其超过部分的颜色应与盘面的颜色相同 指针的颜色与刻度盘的颜色应有较鲜明的对比指针与刻度线的颜色和字符的颜色相同 仪表显示装置 指针零点位置相当于始终12点或9点的位置上 图3 23 色彩匹配指针 刻度和表盘的配色关系要符合人的色觉原理黑色配色的清晰度较高 但不是最高下表配色时要采取红绿等醒目色 以提高工作环境的美学效果 在现代生产中 要注意整体效果 即装在仪表板上所有仪表的颜色都要搭配好 使总体颜色看起来协调 淡雅 舒适和明快 机械式数字显示 仪表显示装置 色彩匹配指针 刻度和表盘的配色关系要符合人的色觉原理黑色配色的清晰度较高 但不是最高下表配色时要采取红绿等醒目色 以提高工作环境的美学效果 在现代生产中 要注意整体效果 即装在仪表板上所有仪表的颜色都要搭配好 使总体颜色看起来协调 淡雅 舒适和明快 配色的级次 清晰的配色 模糊的配色 色彩匹配 仪表显示装置 仪表盘总体布局设计仪表盘的识读特点与最佳识读区视中心线为基准 上下各15 的区域内误读概率最小 视角增大差错率增高 视距为800 眼球不动 水平视野20 范围为最佳识读范围 其正确识读时间为 s 水平视野超过24 以外范围的仪表需通过头部区域再观察右部区域24 以外区域的左半部正确识读时间短于右半部正确识读时间 视线与盘面垂直 可以减少视觉误差 当人坐在控制台前时头部一般略向前倾仪表盘面应相应后仰15 30 保证视线与盘面垂直 视角与差错率的关系 仪表显示装置 仪表盘的总体设计保证工作效率和减少疲劳 一目了然可根据仪表盘的数量选择一字形 弧形 弯折形布置形式 一字形布置结构简单 安装方便控制室仪表盘的较少的小型控制室 弧形布置结构复杂整体弧形组合弧形弧形结构改善视距变化较大缺点用于10块盘以上的中型控制室弯折式布置多个一字形构成 结构简单 克服视距变化较大的缺点该种布置形式常用于大中型控制室 仪表盘布置 弯折形 弧形 一字形 仪表显示装置 仪表盘的垂直立面布置 区域最佳观察范围 视觉工作效率高布置需经常观察的各类显示仪表和记录仪表 区域上肢的正常操作范围内 仪表台的附带操纵台布置启动 制动 调节和信息转换的按钮和旋钮 次常用 的显示仪表 区域次常用的仪表 即操作者可间隔一定时间巡视这些仪表的工作状态 布置反映整修生产过程运行状况的仪表以及反映各主要设备和机器运行状况的仪表 区域操作者需仰视才能观察布置极少用但又不可缺的仪表反映全企业 全厂或全车间生产过程 起生产管理作用的仪表 紧急报警装置 显示装置平面与视线尽量垂直 数字显示器的设计 数字显示器直接用数字和字符等显示参数或状态的仪表除少量机械式数字显示器外 显示器几乎全是电子显示器基本形式以显示数字为主并有少量字符的显示器 多数为开窗式如液晶显示器 数码管显示器等以显示参数 表格 模拟曲线或图形 以及数量较多的各种字符为主的显示器多数为屏幕式 如各种监视器 计算机显示器等 数字显示器的设计 数字显示器的设计 数字显示器的设计 数字显示器的设计 电子显示器的主要问题字型由直线段组成 因而失去常态的曲线 带来认读的不方便 例如 8 9 各字间隔会因字的不同而变化 忽大忽小 实验表明 由亮小圆点阵来构造字符 认读性好 使混淆的可能性大为减小 数字显示器的设计 模拟显示与数字显示的功能比较 表 听觉显示器 听觉特性 听觉特征可听范围 频率 可听声音的强度方向敏感度 人耳的剖面图 听觉阀限 人的听觉阈限 年龄对听力敏感性的影响 听觉测试 正常情况下 人的两耳的听力一致 判断声源方向根据声音到达两耳的强度和时间先后之差 例如 声源在右侧时 距左耳稍远 声波到达左耳所需时间就稍长 声源与两耳间的距离每相差1cm 传播时间就相差0 029ms 这个时间差足以给判断声源的方位提供有效的信息 音叉测试图 听觉的掩蔽效应 声音的假面具 BGM 声音的掩蔽 夏天入睡 弱声被掩盖不同的声音传到人耳时 只能听到最强的声音 听不到较弱的声音 一个声音被其它声音的干扰 听觉发生困难 提高该声音的强度产生听觉的现象 被掩蔽声音的听阈提高的现象 称为掩蔽效应 噪声声压级超过语言声压级20 25dB 语言完全被噪声掩蔽掩蔽声对频率相邻近的被掩蔽效应最大低频掩蔽高频低音 高音掩蔽声愈强 受掩蔽的频率范围也愈大噪声的频率在语言频度范围内 800 2500HZ 时 噪声对语言的影响最大 听觉显示器的设计 音响及报警装置的设计 类型及特点蜂鸣器与信号灯配合使用提示性听觉显示装置 提示操作者注意 或提示操作者去完成某种操作用于指示某种操作正在进行 铃用途不同 其声压级和频率也有较大差别 指示上下班的铃声和报警器的铃声 其声压和频率就较高可用于具有较高强度噪声的环境中 角笛和汽笛常用作高噪声环境中的报警装置 低压低频 吼声 高压高频 尖叫声 汽笛较适合于紧急状态的音响报警装置 声强 频率高 远距离 警报器主要用作危急状态报警 如防空 救火报警等 听觉显示器的设计 音响和报警装置的设计原则 信号使位于信号接受范围内的人员能够识别并按照规定的方式作出反应 音响信号的声级必须超过听阈最好能在一个或多个倍频程范围内超过听阈10dB以上 易于识别噪声干扰明显地被听到并可与其它噪声和信号区别 频率选择应在噪声掩蔽效应最小的范围内 例如 报警信号的频率应在500 600Hz之间 其最高倍频带声级的中心频率同干扰声中心频率的区别越大 该报警信号就越容易识别 当噪声声级超过110dB时 最好不用声信号来作报警信号 听觉显示器的设计 音响和报警装置的设计原则 引人注意采用时间上均匀变化的脉冲声信号 其脉冲声信号频率不低于0 2Hz和不高于5Hz脉冲 持续时间和脉冲重复频率不能与随时间周期性起伏的干扰声脉冲的持续时间和脉冲重复频率重合 变频方式 报警装置 音调有上升和下降的变化例如紧急信号 其音频应在1s内由最高频 1200Hz 降低到最低频 500Hz 然后听不见 再突然上升 以便再次从最高频降低到最低频 这种变频声可使信号变得特别刺耳 可明显地与环境噪声和其它声信号相区别 视听 双重报警信号显示重要信号的音响装置和报警装置 最好与光信号同时作用 以防信号遗漏 听觉显示器的设计 语言传示装置的设计 语言的清晰度语言清晰度 室内 与主观感觉的关系 设计一个语言传示装置 其语言的清晰度必须在75 以上 才能正确传示信息 语言的强度语言传示装置的语言强度最好在60 80dB之间 噪声对语言传示的影响当噪声声压级大于40dB时 噪声对语言信号有掩蔽作用 从而影响语言传示的效果 语言清晰度的评价 语音强度与清晰度的关系 视觉显示与听觉显示使用时机 符号设计 信号显示器的设计 信号灯设计 信号显示特征 视觉信号信号灯产生的视觉信息 面积小 视距远 简单明了负载信息少 多信源会相互干扰信号灯用于指示状态或表达要求 传递信息 警示 指示 命令 故障家电电源指示灯 警车 救护 救火车 信号灯设计 灯光作为信息传递载体 须符合人的视觉特性 亮度背景亮度的2倍以上颜色警示 红色 提醒 黄色 正常 白色或绿色闪烁警示 督促行动 引起注意 表示快慢 频率 0 67 1 67HZ形象化通用 意义明确位置设计视野范围内 重要 3 一般 20 相当次要 60 80 位置关系含义与操作反应有关联信号灯设置在操纵器上 上方 指示方向与动作方向一致 信号灯设计 信号灯设计的原则 清晰 醒目和必要的视距合乎使用目的按信号性质设计信号灯位置与颜色的选择信号灯与操纵杆和其他显示器的配合 信号灯设计 为了防止色盲 色弱 色觉异常者 多为红绿色盲 对交通信号的误认 有的城市采用如图信号灯 改进的交通信号灯 信号灯设计 当所要显示的信息内容较复杂时 往往单个信号灯难以胜任 在此情况下 可采用多个信号灯的复合显示来实现 现代汽车尾灯的设计就采用了颜色编码 汽车的尾灯是给后方汽车驾驶员指示前方车辆行驶情况的 对避免前后相撞有重要意义其复合灯光指示 有车 刹车 转弯等 白灯用于夜间行驶时倒车用 如下图所示 图形符号设计 图形符号用于信息显示显示内容高度概括和抽象处理图形和符号与所标志客体有相似特征其传递的信息量大 抗干扰力强 易于接收方便识别记忆文字与图形结合使用可放在图形内 也可与图形分离 图形符号设计 图形符号指示特征选用三类传递的信息量大体相同的符号 考察其辨认效果 第一类为简单