第三章人体感知与信息处理

人机工程学第三讲人体感知与信息处理3.1人在系统中的功能3.1.1人是系统中的重要环节把操作者作为人机系统中的一个“环节”来研究，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。3.1.2人的感知与反应机能1.反射弧反射是神经系统调节肌体活动的一种基本形成。反射活动的全部结构组成反射弧；反射弧具有五个基本环节，即感受器——传入神经元——中间神经元——传出神经元——反应器3.1.2人的感知与反应机能2.信息链人机系统的信息在人的神经系统中的循环过程形成信息链感觉是人脑对直接作用于感觉器官的客观事物的个别属性的反映。人的感觉器官接受内、外环境的刺激，并将其转化为神经冲动，通过传入神经，将其传至大脑皮质感觉中枢，便产生了感觉。人们对任何事物的认识都是从感觉开始的。感觉是人们了解外部世界的主要渠道，也是一切复杂心理活动的基础和前提。人的感觉包括视觉、听觉、味觉、嗅觉、肤觉、运动觉、本体觉等，人体的这些感觉既能够接收外部环境的信息，又能感知身体所处的状态。感觉是一种最简单而又最基本的心理过程，在人的各种活动过程中起着极其重要的作用。人除了通过感觉分辨客观事物的个别属性和感知人体自身各个部位的状况外，其他高级的相对复杂的心理活动。如思维、情绪、意志等都是以感觉为基础而产生的。因此感觉是人们认识外部物质世界和了解自身状态的开端。3.1.3感觉通道与适用的信息3.1.3感觉通道与适用的信息人体各主要感觉器官的适宜刺激及其识别外界的特征感觉类型感觉器官适宜刺激刺激起源识别外界的特征作用视觉眼可见光外部色彩、明暗、形状、大小、位置、远近、运动方向等鉴别听觉耳一定频率范围的声波外部声音的强弱和高低，声源的方向和位置等报警，联络嗅觉鼻腔顶部嗅细胞挥发的和飞散的物质外部香气、臭气、辣气等挥发物的性质报警，鉴别味觉舌面上的味蕾被睡液溶解的物质接触表面甜、酸、苦、咸、辣等鉴别皮肤感觉皮肤及皮下组织物理和化学物质对皮肤的作用直接和间接接触触觉、痛觉、温度觉和压力等报警深部感觉机体神经和关节物质对机体的作用外部和内部撞击、重力和姿势等报警平衡感觉半规管运动刺激和位置变化内部和外部放置运动、直线运动和摆动等报警3.1.3感觉通道与适用的信息感觉通道适用场合视觉通道1.传递比较复杂的或抽象的信息2.传递比较长的或需要延迟的信息3.传递的信息以后还要引用4.传递的信息与空间方位、空间位置有关5.传递不要求立即作出快速响应的信息6.所处环境不适合使用听觉通道的场合7.虽适合听觉传递，但听觉通道已过载的场合8.作业情况允许操作者固定保持在一个位置上不同感觉通道的适用场合3.1.3感觉通道与适用的信息感觉通道适用场合听觉通道1.传递比较简单的信息2.传递比较短的或无需延迟的信息3.传递的信息以后不再需要引用4.传递的信息与时间有关5.传递要求立即作出快速响应的信息6.所处环境不适合使用视觉通道的场合7.虽适合视觉传递，但视觉通道已过载的场合8.作业情况要求操作者不断走动的场合触觉通道1.传递非常明确的、要求快速传递的信息2.经常要用手接触机器或其装置的场合3.其它感觉通道已过载的场合4.使用其它感觉通道有困难的场合不同感觉通道的适用场合3.2视觉机能及其特征3.2.1视觉刺激全部电磁光谱中的可见光谱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380nm~780nm3.2.2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3.2.2视觉系统眼睛是视觉的感受器官，人眼是直径为21~25mm的球体，其基本构造与照相机类似。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。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。α=2arctg(D/2L)α—视角，用(′)表示，1′=1/60°；D—被看物体上两端点的直线距离；L—眼睛到被看物体的距离；眼睛能分辨被看物体最近两点的视角，称为临界视角。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/能够分辨的最小物体的视角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，常以角度来表示。人的水平视野人的垂直视野3.2.3视觉机能视距：指人在操作系统中正常的观察距离。任务要求举例视距离（眼至视觉对象）/cm固定视野直径/cm备注最精细的工作安装最小部件（表、电子元件）12～2520～40完全坐着，部分地依靠视觉辅助手段（小型放大镜、显微镜）精细工作安装收音机、电视机25～3540～60坐着或站着中等粗活在印刷机、钻井机床旁工作50以下至80坐或站粗活包装、粗磨50～15030～250多为站着远看黑板、开汽车150以上250…坐或站几种工作任务视距的推荐值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）。3.2.3视觉机能4.双眼视觉（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。立体视觉产生的原因，主要因为同一物体在两视网膜上所形成的像并不完全相同，右眼看到物体的右侧面较多，左眼看到物体的左侧面较多，其位置虽略有不同，但又在对称点的附近，最后经过中枢神经系统的综合而得到一个完整的立体视觉。3.2.3视觉机能5.色觉与色视野色视野是指颜色对眼的刺激能引起感觉的范围，白色的视野最大，其次黄、蓝、红、绿等。3.2.3视觉机能6.明适应和暗适应当人从亮处进入暗处时，刚开始看不清物体，而需要经过一段适应的时间后才能看清物体，这种适应过程称为暗适应，与暗适应情况相反的过程称为明适应。3.2.4视觉特征1.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.观察情况的优先性：左上—右上—左下—右下。视区内的仪表布置必须考虑这一点。5.设计依据：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。人要看清物体，习惯于从左到右，从上到下，顺时针进行，而且水平方向优于垂直方向，对水平方向的尺寸和比例的估计要比垂直方向更为准确，迅速和省劲。在偏离视中心时，在相同偏离条件下，观察的优先次序是左上、右上、左下、右下象限。双眼观察时，两眼同步协调动作；获得视觉印象的最短时间为0.07～0.3秒，平均0.17秒；对运动目标，仅在角速度大于1～2度/秒时才能鉴别。眼睛对于表面与轮廓比形体更为注意；直线轮廓比曲线轮廓更易于接受；观察人时，视线集中于眼，其次为嘴，耳和轮廓。阅读时眼睛作单转运动（即一个方向的追随和跳跃运动），一行文字约分3—7个视点，跳跃移动阅读，一视点约250毫秒，移动约10毫米。3.3听觉机能及其特征3.3.1听觉刺激对人来说，只有频率20~20000Hz的振动才能产生声音的感觉，低于20Hz的声波称为次声，高于20000Hz的声波称为超声。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3.3.2听觉系统1.频率响应（感受性）人耳能听闻的频率比为fmin/fmax=1：1000；频率感受的上限随着年龄的增长而逐年连续下降。3.3.3听觉的物理特性IgNobelPrizes2.动态范围（声音的强度）听觉声强的动态范围=正好可忍受的声强/正好能听见的声强。1.听阈：在最佳的听闻频率范围内，一个听力正常的人刚刚能听到给定各频率的正弦式纯音的最低声强Imin。3.3.3听觉的物理特性2.痛阈：对于感受给定各频率的正弦式纯音，开始产生疼痛感的极限声强Imax。听阈值或痛阈值都与频率有关系，是在某一频率下的听阈值或痛阈值。3.听觉范围：由听阈和痛阈两曲线所包围的听觉区3.3.3听觉的物理特性3.方向敏感度（双耳效应）1.时差：∆t=声源到两耳的时间差。人耳可觉察到的声信号入射的最小偏角为3°。2.人耳对不同频率、不同方向的声音的感受能力不同。由于头部的掩蔽效应，造成声音频谱的改变3.3.3听觉的物理特性4.掩蔽效应一个声音被另一个声音所掩盖的现象，称为掩蔽。掩蔽效应：一个声音的听阈因另一个声音的掩蔽作用而提高的效应。3.3.3听觉的物理特性肤觉是仅仅次于听觉的一种感觉，可感受多种外界刺激，形成多种感觉。1.触觉2.温度觉3.痛觉3.4其它感觉机能及其特征3.4.1肤觉本体感觉系统包括耳前庭系统和运动觉系统，可感受身体和四肢所在位置的信息。3.4.2本体感觉1.中枢神经系统，包括脑和脊髓。2.周围神经系统，中枢神经以外全部神经的总称3.5神经系统机能及其特征3.5.1神经系统1.躯体感觉区2.躯体运动区3.其他功能区3.5.2大脑皮质功能定位人在人机系统中特定操作活动中的作用，可类比为一种信息传递和处理过程3.6人的信息处理系统3.6.1人的信号处理系统模型信息：对数据加工后所得的结果。信息可以严格定量，信息量用bit为基本单位。𝐇=𝐥𝐨𝐠𝟐𝟐𝒏H—信息量n—某信号中所含的二进制码的个数用概率定义，若出现“0”的概率不是1/2而是P，出现“1”的概率是1-P，则该信息量可由下式计算：𝐇=−𝒑𝒍𝒐𝒈𝟐𝒑−(𝟏−𝒑)𝒍𝒐𝒈𝟐(𝟏−𝒑)3.6.2信息计量3.6.3感觉的信息处理人的反应时间与感觉刺激物的刺激量有关。1.信息传输速度C=H/TC—信息传输速率；H—传输的信息量；T—传输的时间3.6.3感觉的信息处理2.采样采样间隔取决于刺激的频率。若刺激的变化频率为F，则T=1/2F，由此可见，采样频率降低，则采样周期延长。3.6.3感觉的信息处理3.编码辨认工作—数码、字母、斜线搜索定位—颜色、数码、形状计数工作—数码、颜色、形状比较或验证—各方法几乎没有区别所用的标志或符号种类工作性质及条件较好的符号或标志（按优劣先后排列）颜色、斜线辨认（时间不限）颜色数码、颜色、斜线辨认（短时呈现）数码、斜线数码、斜线、椭圆、颜色辨认（短时呈现）数码、斜线数码、字母、形状、颜色、图案辨认数码、字母、形状颜色、形状、大小、明度搜索定位颜色、形状数码、字母、形状、颜色、图案搜索定位颜色、数码颜色、数码、形状搜索定位颜色、数码颜色、字母、形状、数码、图案比较无明显差别颜色、字母、形状、数码、图案验证无明显差别颜色、字母、形状、数码、图案计数数码、颜色、形状颜色、军用图形、几何图形、飞机图形目标搜索颜色、军用图形（如雷达、飞机等图形）颜色、数码、颜色加数码（颜色卡片上印有数码）辨认（短时呈现）颜色加数码、数码、颜色3.6.4中枢信息处理记忆是各种信息处理活动的基础，一般分为三种形式：1.感觉信息储存2.短时记忆3.长时记忆