第3章-人体感知与信息处理及输出系统

1、,第三章 人体感知与信息处理及输出系统,第三章 导学,学习内容与目标：,了解人与外界发生联系的三个子系统；了解人体的主要感觉通道及其适用场合。,第三章 导学,掌握人眼可以感受到的光波的波长范围，视杆细胞和视锥细胞的主要性质，视角、视力、临界视角的概念及计算公式；了解视野与视距、中央视觉和周围视觉、双眼视觉和立体视觉、色觉和色视野，理解暗适应和明适应的概念和过程；掌握人的视觉特征。,第三章 导学,掌握人的听感范围，声压级的定义和计算方法，听阈和痛阈的概念；了解双耳效应产生的原因，理解听觉的方向敏感性与频率的关系；掌握掩蔽、掩蔽效应和听觉残留的概念。,3,听觉机能及其特征,第三章 导学,4,人的信

2、息处理系统,了解人机之间的信息传递和处理过程。,掌握反应时间的概念、组成及分类；了解人体动作轨迹特征；理解运动速度与准确性的关系。,5,人的信息输出系统,第三章 导学,重点：,难点： 1.视角、视力、临界视角的概念及计算公式； 2.声压级的定义和计算方法，双耳效应产生的原因，听觉的方向敏感性与频率的关系，掩蔽、掩蔽效应和听觉残留的概念。,1.人眼可以感受到的光波的波长范围，视杆细胞和视锥细胞的主要性质，视角、视力、临界视角的概念及计算公式，人的视觉特征； 2.人的听感范围，声压级的定义和计算方法，听阈和痛阈的概念，掩蔽、掩蔽效应和听觉残留的概念； 3.反应时间的概念、组成及分类。,3.1 人在

3、系统中的功能,人是系统中的重要“环节”，人与外界发生联系的主要是三个子系统，即感觉系统、神经系统、运动系统，见图3-1。 1.人的感知响应过程 人接受到外界信息（刺激）而作出一定反应，这一过程称为感知响应过程。 2.人体的主要感觉通道及其适用场合，见表3-1。,3.2 视觉机能及其特征,3.2.1 视觉刺激 视觉的适宜刺激是光。人的两眼可以感受到的光波只占整个电磁光谱的一小部分，其波长为380780nm，见图3-2。,3.2.2 视觉系统,视觉是由眼睛、视神经和视觉中枢的共同活动完成的，见图3-3 。 眼睛是视觉的感受器官，人眼是直径为2125mm的球体，质量约为7g。其基本构造与照相机类似，

4、见图3-4。 视网膜最外层细胞包括视杆细胞和视锥细胞，它们是接受信息的主要细胞，其主要性质见表3-2。,3.2.3 视觉机能,1.视角与视力 视角：确定被看物尺寸范围的两端点光线射入眼球的相交角度。 =2arctg(D/2L) 视角（单位：）； D被视对象上两端点的直线距离； L眼睛到被视对象的距离，称为视距。,3.2.3 视觉机能,视力：眼睛分辨物体细微结构能力的一个生理尺度，以临界视角的倒数来表示。 视力=1/临界视角 临界视角：能够分辨的最小物体的视角（单位：）,3.2.3 视觉机能,2.视野与视距 视野：指人的头部和眼球固定不动的情况下，眼睛观看正前方物体时所能看得见的空间范围，常以角

5、度来表示。分水平视野（单视野/双视野）和垂直视野，见图3-5，3-6。 视距：指人在操作系统中正常的观察距离，几种工作视距推荐值参阅表3-3。,3.2.3 视觉机能,3.中央视觉和周围视觉 中央视觉视锥细胞（感色能力强、能清晰分辨物体）。 周围视觉视杆细胞（观察空间范围和正在运动的物体）。,如果周围视觉的视野范围缩小到10以内称为工业盲。,3.2.3 视觉机能,4.双眼视觉和立体视觉 双眼视物时，具有分辨物体深浅、远近等相对位置的能力，形成立体视觉。 5.色觉和色视野 色视野是指颜色对眼的刺激能引起感觉的范围，见图3-7。 6.暗适应和明适应 当人从亮处进入暗处时，需要经过一段适应的时间才能看

6、清物体，这种适应过程称为暗适应，反之为明适应。见图3-8。,3.2.4 视觉特征,1.眼睛运动速度及疲劳程度：水平优于垂直。 2.视线变化习惯：左右，上下，顺时针。 3.准确性：水平尺寸和比例的估计更准确。 4.观察优先性：左上右上左下右下（图3-9）。视区内的仪表布置必须考虑这一点。 5.设计依据：应以双眼视野为设计依据。 6.接受程度：直线轮廓优于曲线轮廓。 7.颜色的易辨认顺序：红、绿、黄、白； 颜色相配时的易辨认顺序：黄底黑字、黑底白字、蓝底 白字、白底黑字。（图3-10：交通标志）,3.3 听觉机能及其特征,3.3.1 听觉刺激 听觉的适宜刺激是声音，声音的声源是振动的物体，人的听感

7、范围：2020000Hz。,3.3.2 听觉系统 起主要作用的部位：内耳耳蜗； 起辅助作用的部位：外耳、中耳、内耳的其它部分。 （见图3-11）,3.3.3 听觉特性,1.人耳的听觉范围 （1）声音的物理学计量 计量声波强度的物理量有：声功率、声强和声压。 另外定义的三个相应的量为：声功率级、声强级和声压级。这三个量值的名称为分贝（dB）。,3.3.3 听觉特性,声压级的定义: 声压p与基准声压p0比值的对数的20倍，称为该声压的声压级，即,声压级与人耳感受，见表3-5。,3.3.3 听觉特性,（3）听觉区域与听力损失 听阈和痛阈之间就是人的听觉可以正常感受的范围，见图3-12。 人能感受的频

8、率范围：2020000Hz 人最敏感的频率范围：10003000Hz 随着年龄增大，人对高频声波的感受能力逐渐减弱，但对1000Hz以下低频声波的感受能力变化不大。 见图3-13。,3.3.3 听觉特性,2.方向敏感度（双耳效应） 双耳效应产生的原因：声音到达两耳的微小时间差、强度差和由于头部对声音阻挡而使声音频谱发生改变。 声音的频率越高，辨别声音方向越容易，即：听觉的方向敏感性随频率增大而增大。 右耳的方向敏感性与声音频率的关系见图3-14。,3.3.3 听觉特性,3.掩蔽效应 掩蔽：一个声音（主体声）被另一个声音（掩蔽声）所掩盖的现象。 掩蔽效应：主体声的听阈因掩蔽声的掩蔽作用而提高的效

9、应。 听觉残留：掩蔽声去掉后，掩蔽效应并不立即消除的现象。,3.4 人的信息处理系统,在人和机器相互作用的过程中，最本质的联系是信息交换，可以类比为一种信息传递和处理过程。,3.5 人的信息输出系统,人机系统中，操作者接受系统信息并经中枢加工后，对系统作出反应，这一环节称为操作者的信息输出。 人的信息输出有语言输出、运动输出等多种形式。 运动输出的质量指标是反应时间、运动速度和准确性。,3.5.1 反应时间,反应时间（RT）又称为反应潜伏期，它是指刺激和反应的时间间距。,RT 反应时间 tz 反应知觉时间（自出现刺激到开始执行 操纵的时间） td 动作时间（执行操纵的延续时间）,RT=tz+t

10、d,3.5.1 反应时间,3.5.1 反应时间,三种反应时间中，简单反应时间最短，辨别反应时间次之，选择反应时间最长。 辨别反应时间和选择反应时间随着刺激数目增多而延长。下表是刺激数目对辨别反应时间影响的一项测试结果。,3.5.2 运动速度,水平运动快于垂直运动，前后运动快于左右运动，从上往下的运动快于从下往上，顺时针运动快于逆时针运动； 手向着身体的运动比离开身体的运动灵活； 圆形轨迹的动作比直线轨迹动作灵活； 连续改变方向的曲线运动快于突然改变方向的折线运动； 运动方向对定位运动速度的影响，见图3-15， 运动方向和距离对重复运动速度的影响，见图3-16。 单手可在此手一侧60范围内自如运

11、动；双手只在左右各30范围内自如运动；正中方向及附近，单、双手运动最自如（见图3-17）。,3.5.3 运动准确性,准确性是运动输出质量的重要指标。 运动准确性包括： 运动方向的准确性 ； 运动量（操纵量）的准确性 ； 运动速度的准确性； 操纵力的准确性。,3.5.3 运动准确性,1.运动速度与准确性 运动速度与准确性二者间存在互相补偿的关系，描述其关系的曲线称为速度-准确性特性曲线，见图3-18。 2.盲目定位运动的准确性 手的盲目定位运动准确性，见图3-19。 3.运动方向与准确性 手臂运动方向对准确性的影响，见图3-20。 4.操作方式与准确性 不同控制操作方式对准确性的影响，见图3-2

12、1。,本章思考题,1、人体的旋转、直线加速度是由何种感觉器官 感知？属于何种感觉类型？ 2、分述在光线很弱（强）的条件下起感觉作用的是视网膜内壁上的什么视觉细胞？各有何性质？,3、人最敏锐的视力是在什么 范围内？ 4、观看展示物的最佳视区在 什么范围内？ 5、简述简单反应时、析取反应时和选择反应时的特点。,本 章 结 束,本 章 所 附 插 图,图3-1 人与外界的协调模式,返回,图3-2 全部电磁光谱中的可见光谱,返回,图3-3 人的视觉系统,返回,图3-4 眼睛结构示意图,返回,在水平面内，双眼视区大约在左右62以内区域，在标准视线左右各1020视野内可以辨别字；在标准视线左右各530视野

13、内可以辨别字母；在标准视线左右3060范围可以辨别颜色。人最敏锐的视力是在标准视线两侧各1的范围内。,图3-5 人的水平视野,图3-6 人的垂直视野,在垂直面内，标准视线为水平视线，最大视区为视平线以上50到视平线以下70。站立时的自然视线低于水平线10，坐着时自然视线低于水平视线15；人在很松驰的状态下，站着和坐着时的自然视线偏离标准视线分别是30和38。观看展示物的最佳视区在低于标准视线30的区域里。,返回,图3-7 人的色视野,返回,图3-8 暗适应与明适应,返回,图3-9 观察情况的优先性,返回,图3-10 交通标志,禁止驶车,禁止超车,解除禁止超车,注意行人,注意危险,注意儿童,返回,图3-11 人耳的构造,（a）人耳的基本结构,（b）耳蜗,返回,图3-12 听阈 、痛阈与听觉区域,返回,图3-13 听力损失曲线,返回,图3-14 右耳的方向敏感性与声音频率的关系,返回,图3-15 手向各方向运动的时间差异,返回,图3-16 不同区域内手指敲击运动速度差异,返回,图3-17 单手与双手能较快自如运动的区域,返回,图3